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Die Erfindung betrifft ein modulares Elektrofahrzeug nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs und ist somit mit integrierten Sensoren und elektronischer Fahrstabilisierung ausgestattet.
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Es gibt diverse Elektrofahrzeuge, sowohl als Automobil, als Nutzfahrzeug, aber auch als Elektrofahrrad, Elektroroller. Die begrenzte Speicherfähigkeit der Batterie führt zu einer begrenzten Reichweite. Die Fahrzeuge werden in der Regel als Zweitfahrzeuge genutzt und können nicht alle Eigenschaften eines gegenwärtigen Automobils vereinen – hohe Reichweite, hohe Zuladungsfähigkeit, Platz für mehrere Personen. Ein viersitziges Elektrofahrzeug, nur von einer Person genutzt, schleppt eine unnötig große Masse mit sich, was zu einer Überdimensionierung von Batterie und elektrischer Antriebsmaschine führt.
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Ein weiteres sehr interessantes Konzept ist der sog „Segway“. Er verfügt über zwei nebeneinander stehende Räder, in beide ist ein Elektromotor integriert. Das Fahrzeug ist selbstbalancierend. Ein elektronischer Regelkreis lässt den Segway automatisch in die Richtung fahren, in die sich der Fahrer lehnt. Sobald die Neigungssensoren (Halbleiter-Gyroskope) registrieren, dass sich der Fahrer nach vorne oder hinten neigt, drehen die Räder in diese Richtung. Die Fortbewegung wird ausschließlich durch solche Gewichtsverlagerungen gesteuert. (Aus Wikipedia).
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Eine Weiterentwicklung davon ist das Einrad.
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Als Fahrzeugerfinder wird Chris Hoffmann genannt, das Fahrzeug ist beschrieben z.B. in http://www.manager-magazin.de/lifestyle/artikel/0,2828,717137,00.html. Das Einrad nach Hoffmann wird ebenfalls über Sensoren im Gleichgewicht gehalten. Es ist allerdings nur für den innerstädtischen Verkehr, am besten Radwege geeignet. Es verfügt über keine Zulademöglichkeit, keine Sicherheitstechnik, keinen Komfort.
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Aufgabe der Erfindung ist, ein modulares Elektrofahrzeug darzustellen, das je nach den verschiedenen Anforderungen zusammensteckbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Das modulare Elektrofahrzeug weist integrierte Sensoren sowie eine elektronische Fahrstabilisierung auf, wobei das modulare Elektrofahrzeug erfindungsgemäß aus wenigstens zwei miteinander lösbar verbindbaren Grundmodulen zusammensetzbar ist und zumindest ein Grundmodul über einen elektrischen Antrieb, einen Energiespeicher sowie über eine Steuerelektronik verfügt und selbständig auch alleine fahrbar ist.
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Bevorzugt ist das Grundmodul in Form eines Einrades ausgebildet.
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Kern der Erfindung dabei die elektronische Koppelung und die nahtlose Integration elektronischer Komponenten in das Fahrzeugsystem, die speziell an Elektrofahrzeuge angepasst sind und einen Energie- und Datenaustausch zwischen den Grundmodulen ermöglichen.
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Grundmodule und somit Grundbestandteile des modularen Elektrofahrzeuges sind zumindest ein Personenmodul, das als Einrad betrieben werden kann sowie zumindest ein weiters Personenmodul und/oder zumindest ein Gepäckmodul. Das Personenmodul verfügt über eine Kabine, die weitgehend durchsichtig ist. Das Personenmodul allein ist selbständig fahrbar, es wird vor allem durch die Gewichtsverlagerung des Fahrers gelenkt. Steckverbindungen mit anderen Personenmodulen und/oder Gepäckmodulen sind vorgesehen, sowohl nach vorn und hinten als auch zu den Seiten. Die Steckverbindungen sind so ausgeführt, dass die Module sich wie im Einzelbetrieb neigen können, beispielsweise durch geeignete Gelenke.
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Das Antriebssystem für Personen- und Gepäckmodul ist modular aufgebaut und besteht in der Regel aus dem Energiespeicher inklusive der notwendigen Elektronik, z. B. für das Laden, Entladen und Überwachen des Energiespeichers, dem elektrischen Antrieb inklusive dem für dessen Regelung notwendigen leistungselektronischen Frequenzantrieb und mindestens einem Steuergerät zur Realisierung der spezifischen Geräte- bzw. Modulfunktionen, wie beispielsweise der Mensch-Maschine-Kommunikation, der Fahrstabilisierung oder der Koppelfunktion bei Kombination mehrerer Grundmodule. Im Grundmodul verteilte Sensoren erfassen alle fahrzeugrelevanten Daten sowie Position und Positions- und Gewichtsverlagerungen des Fahrers bei Personenmodulen bzw. Gewicht und Verteilung der Zuladung bei Gepäckmodulen. Weiterhin ist wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle vorgesehen, über die sich Personen- und Gepäckmodule mit Datennetzen wie dem Internet verbinden können, um Statusinformationen bereitzustellen und Servicefunktionen wie Fehleranalyse oder Softwareupdate zu realisieren. Das Personenmodul verfügt über eine erweiterte Mensch-Maschine-Schnittstelle, die in Hardware, Software oder als Kombination aus Hard- und Softwarekomponenten realisiert ist. Hardwarekomponenten müssen nicht notwendiger Weise fest oder permanent mit dem Personenmodul verbundenen sein, wobei die Kommunikation mit den Sensoren, Aktoren und Steuergeräten des Personenmoduls drahtgebunden oder drahtlos erfolgen kann. Softwarekomponenten können ebenfalls auf nicht permanent mit dem Personenmodul verbundenen Hardwarekomponenten realisiert werden. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle stellt neben Statusinformationen zum Modul, wie verfügbare Energiemenge oder typische Restreichweite, wenigstens auch alle für das führen des Fahrzeugs im öffentlichen Verkehr notwendigen Funktionen bereit. In Verbindung mit einer Routenplanungs- oder Navigationskomponente, die ebenfalls in Hardware, Software oder als Kombination aus Hard- und Software realisiert wird und auch auf einem System umgesetzt werden kann, welches nicht notwendiger Weise fest oder permanent mit dem Personenmodul verbundenen ist, wird eine deutlich verbesserte Reichweitenanzeige bereitgestellt. Vorteilhaft ist dabei, dass für die Anzeige der Restreichweite neben der vorhandenen Energiemenge, das Streckenprofil und das Fahrerprofil berücksichtigt werden. Die Navigationsfunktion berücksichtigt für die Routenplanung zusätzliche Informationen, beispielsweise über Ladestationen, und errechnet so eine Fahrroute, bei der das Ziel mit möglichst wenigen Lade- bzw. Servicestops erreicht werden kann.
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Notwendige Zwischenstops werden bei der Navigation angezeigt. Besteht eine Verbindung zu einem Datennetz, bietet die Mensch-Maschine-Schnittstelle zusätzliche Funktionen. Navigation und Routenplanung berücksichtigen aktuelle Informationen über das Wetter und die Verkehrssituation. Dem Fahrer wird über Zugänge zu sozialen Netzen oder speziellen Plattformen die Möglichkeit gegeben, andere Modulbesitzer zu finden, die eine ähnliche Strecke fahren wollen und so zur „Kombination“ geeignet wären.
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Gepäckmodule geben dem Benutzer über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle Feedback zu Gewicht und Verteilung der Zuladung, um diese in geeigneter Weise auf dem Modul zu verteilen.
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Wesentliches Merkmal aller Grundmodule ist die Möglichkeit, mit anderen Grundmodulen gekoppelt zu werden. Neben der mechanischen Verbindung werden zwischen jedem gekoppelten Grundmodul auch mindestens eine elektrische Verbindung zum Energieaustausch und mindestens eine Verbindung zur Datenkommunikation geschlossen. Die Datenverbindung kann auch drahtlos erfolgen. Über die elektrische Verbindung kann die in einem Grundmodul vorhandene Energie durch ein anderes Grundmodul genutzt werden, dies ermöglicht beispielsweise die Erhöhung der Reichweite. Die Energieüberwachung und die Organisation der Energieverteilung können sowohl manuell durch den Bediener als auch automatisiert durch die Grundmodule erfolgen. Über die Datenverbindung können beliebige Grundmodule Informationen untereinander austauschen. Durch die Natur der Datenverbindung zwischen gekoppelten Grundmodulen entsteht ein Netzwerk, bei dem Grundmodule bevorzugt indirekt über mehrere Zwischenstationen kommunizieren können, wobei mehreren möglichen Verbindungen zwischen zwei Grundmodulen realisiert werden können. Die Organisation des Datentransfers erfolgt transparent für die Anwender.
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Ein Grundmodul in Form eines Personenmoduls übernimmt die Funktion eines Steuermoduls (Mastermoduls) des Elektrofahrzeuges, welches somit das im gekoppelten Zustand die Steuerung des Verbundes aller Grundmodule übernimmt.
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Der Fahrzeugführer des Steuermoduls (Mastermoduls) kontrolliert dabei das Verhalten des Verbundes aus mehreren Grundmodulen wie bspw. Beschleunigung, Geschwindigkeit, Richtung. Weiterhin werden die Ladezustände der Energiespeicher mitgeteilt und auch kritische Zustände kommuniziert, wie zum Beispiel Übertemperatur, Kurzschlüsse oder der Ausfall von Sensoren. Bei mehreren Personenmodulen in einem Verbund kann das Steuermodul (Mastermodul) frei gewählt werden. Es können Grundmodule in verschiedenen Varianten kombiniert werden.
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Bei Kombination übernimmt eines der Grundmodule die Rolle der zentralen Steuereinheit.
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Der Kern der Realisierung erfolgt über die moderne Informationstechnik. Entsprechende Sensoren erkennen die Absicht des Fahrers. Das Fahrzeug neigt sich.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 den Grundaufbau eines Personenmoduls in der Seitenansicht,
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2 den Grundaufbau eines Gepäckmoduls in der Seitenansicht,
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3 die Vorderansicht eines Personenmoduls,
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4 zwei gekoppelte Personenmodule in der Vorderansicht,
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5 die Energieversorgung,
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6 vier miteinander verschaltene Module,
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7 die Antriebssteuerung,
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8 den Algorithmus zum Finden des Masters,
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9 die Kopplung von zwei Personenmodulen in der Seitenansicht,
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10 die Kopplung von Personenmodul und Gepäckmodul in Seitenansicht,
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11 Kopplung von sechs Personenmodulen und drei Gepäckmodulen
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1 zeigt das Personenmodul P, und 2 das Gepäckmodul G in der Seitenansicht. Diese enthalten beide folgenden Elemente.
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Einen Rumpf 1, der mit einem hier nicht sichtbarem Energiespeicher ausgestattet ist, sowie die wesentlichen Bestandteile des Bordrechners und die Leistungselektronik zur Ansteuerung des Elektromotors (ebenfalls nicht dargestellt).
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An dem Grundmodul 1 ist ein Rad 2 gelagert, welches eine Radnabe 3 aufweist, die einen nicht dargestellten Elektromotor in Form eines Radnabenantriebes enthält. Eine Gabel 4, an welcher das Rad 2 gelagert ist, ist über ein Aktivgelenk 5 mit dem Rumpf 1 verbunden.
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Das Personenmodul P weist gemäß 1 zusätzlich eine Fußstütze 6 auf, die in der Grundfunktion keine Verbindung zu Pedalen enthält, da die Regelung elektronisch erfolgt.
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Beispielsweise an der Gabel 4 können erste Gelenke 7 zu Verbindungsstangen 8 nach vorne und hinten vorgesehen sein. An den Verbindungstangen 8 ist das Fahrzeug modular zusammensteckbar. Nicht dargestellte Stecker am Ende der Verbindungsstangen 8 enthalten gleichzeitig mindestens einmal nach vorn und hinten einen Datenbus und einen Energiebus, der mit Schließen des Steckers verbunden ist.
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Mit einer Einheit 9 können die Verbindung 8 aktiv verlängert werden. Die Einheit 9 stellt dazu beispielsweise einen Linearmotor dar.
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Weiterhin sind Anschlussstellen 10 für in den 1 und 2 nicht dargestellte Verbindungselemente nach links und rechts vorgesehen. Es können pro Einzelmodul (Personenmodul P bzw. Gepäckmodul G) eine oder zwei solcher Verbindungselemente a, den Anschlussstellen 10 vorgesehen sein. An den Verbindungsstangen 8 können zweite Gelenke 11 vorgesehen sein, die eine Links- und Rechtsbewegung erlauben.
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Am Personenmodul P gemäß 1 ist ein drittes Gelenk 12 vorgesehen, welches zur Halterung der Lenkstange 13 dient. Im Betrieb mehrerer Module P und/oder G hintereinander wird z.B. durch eine Vorwärtsbewegung der Lenkstange 13 ein Beschleunigen und durch Zurückziehen der Lenkstange 13 ein Bremsen ausgelöst. Sind Module einzeln oder nur seitlich gekoppelt, so ist das dritte Gelenk 12 beispielsweise starr.
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Das Personenmodul weist weiterhin einen Bildschirm 14 eines Bordrechners auf, der in einem sogenannten Steuer- oder Mastermodul alle wichtigen Instrumente enthält.
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Weiterhin sind am Personenmodul P ein Sitz, 16 eine Rückenlehne, 17 eine Kabine K, die weitgehend durchsichtig ausgelegt ist, vorgesehen. Das Gepäckmodul G kann ebenfalls mit einer Kabine K ausgestattet sein.
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3 zeigt die Vorderansicht des Personenmoduls P. Dabei sind weitere Elemente zu erkennen, die nachfolgend erläutert werden.
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An der Anschlussstelle 10 befindet sich ein weiteres viertes Gelenk 18 zu den seitlichen Verbindungen 19, die an ihrem Ende mindestens einmal neben der mechanischen Verbindung die Daten- und Energieverbindung zum Nachbarmodul herstellen können. Auf einer Seite ist Gelenk 18 als Aktivgelenk 20 und auf der anderen Seite als Passivgelenk ausgebildet. Bei Kurvenfahrten im seitlichen Verbund mehrerer Module ist eine aktive Neigung der Fahrzeuge vorgesehen.
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In 4 ist ein Beispiel der Frontansicht von 2 Personenmodulen P nebeneinander dargestellt, die auch einen Verbund dahinter angeordneten Personenmodulen und/oder Gepäckmodulen bilden können. Jedes Personenmodul P neigt sich wie ein Motorrad in der Kurve; allerdings elektronisch gesteuert, wobei die Aktivgelenke 20 den Neigungswinkel einstellen. Diese Option ermöglicht eine Straßenlage, die der eines konventionellen, vierrädrigen Fahrzeugs überlegen ist.
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5 zeigt die Energieversorgung eines Moduls. Die Batterie 100 ist verbunden mit zwei DC/DC-Wandlern 300, die wiederum zur Anpassung der Spannung an die Nachbarmodule dienen. Zur Verbindung mit den Nachbarn dienen die Steckverbinder 200. Der Motor 500 treibt das Fahrzeug an und hält es aufrecht. Angesteuert wird der Motor durch einen Frequenzumrichter 400 der von der Control Unit 600 gesteuert wird.
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Die Control Unit steuert auch die DC/DC-Wandler und kommuniziert mit den von ihr gesteuerten Systemen über einen Datenbus 700.
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6 zeigt exemplarisch die elektrische Verschaltung von vier Modulen (jeweils zwei nebeneinander und zwei hintereinander) über die Steckverbinder 200.
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Die aufrechte Position des Fahrzeugs gewährleistet eine Steuereinheit, wie in 7 dargestellt. Die Sensoren in Form von Drehratensensor 600.1, Winkelsensor 600.2 und Kraftsensor 600.3 liefern der Steuereinheit 700 Daten anhand derer sie die Lage im Raum, den Winkel zur Fahrbahn und die Belastung von Gelenken messen kann. Weiterhin kommuniziert die Steuereinheit mit der Batteriesteuerung 800 um die Ladung zu steuern und im gekoppelten Fahrzeug den Ladezustand der beteiligten Batterien anzupassen. Der Frequenzumrichter 400, 900 steuert den Motor M an und stellt dessen Drehzahl und Drehmoment ein.
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Die Entscheidung, welches Grundmodul das sogenannte Mastermodul stellt, also berechtigt ist, den Verbund aus gekoppelten Personenmodulen und/oder Gepäckmodulen G zu steuern, wird der in 8 aufgezeigte Algorithmus benutzt. Der Algorithmus geht hier davon aus, dass im Linksverkehr gefahren werden soll. Das Fahrzeug kann auch für Rechtsverkehr ausgelegt werden. In diesem Fall werden alle links-/rechts-Entscheidungen umgekehrt. Zunächst testet jedes Grundmodul, ob es einen linken Nachbarn hat, ist dies der Fall, so kann es kein Mastermodul sein. Hat es keinen linken Nachbarn, dann testet es ob es einen vorderen Nachbarn hat, ist dies der Fall, so kann es ebenfalls kein Mastermodul sein. Hat es keinen vorderen Nachbarn, so ist es das vorderste Grundmodul an der linken Seite und somit berechtigt Mastermodul zu sein. 8 verdeutlicht den Algorithmus als Programmablaufplan.
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In 9 werden zwei hintereinander gekoppelte Personenmodule P gezeigt. Durch das zweite Gelenk 11 in Verbindung mit der Einheit 9, die als Linearmotor ausgebildet ist, ist eine Kurvenfahrt möglich.
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10 zeigt ein Personenmodul P und ein Gepäckmodul G hintereinander in der Seitenansicht. Es sind auch drei oder vier Personen- und/oder Gepäckmodule hintereinander und ggf. auch nebeneinander denkbar. Bei mehren Grundmodulen hintereinander können die Räder der mittleren Module hochgezogen werden, um den Rollwiderstand zu verringern.
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Jedes Grundmodul verfügt über eine in den Motor integrierte Elektromaschine der Leistungsklasse von bevorzugt 5–10 kW, beispielsweise 8kW, sowie über eine Batterie der Reichweite von ca. 50km oder mehr. Bei drei Grundmodulen verfügt man bereits über 24 kW und damit über ein sehr sportliches Fahrzeug. Der verringerte Roll- und Luftwiderstand erhöht die Reichweite. Jedes Rad ist elektronisch geregelt. Durch die Regelung wird ein Durchdrehen verhindert, ebenso ein Aufbäumen des Fahrzeugs. Der Fahrer verfügt stets über das optimale Drehmoment.
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Bei zwei Grundmodulen nebeneinander erhält man ein Segway, das so für einen Ausflug in der Stadt geeignet ist.
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Bei einer Anordnung von 6 Personen- und 3 Gepäckmodulen P, G erhält man ein Elektroauto, Beispiel 11. Mit beispielsweise 9 mal 8 kW ist es stark motorisiert, wenn alle Räder abgesenkt sind, und sehr energiesparsam, wenn nicht benutzte Räder eingezogen sind.
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Die hier nicht dargestellten seitlichen Gelenke sind flexibel, so dass sich auch dieses Fahrzeug sich in der Kurve neigen kann. Die Straßenlage wird gegenüber einem starren Fahrzeug deutlich verbessert.
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Den Energiespeicher jedes einzelnen Grundmoduls legt man beispielsweise auf 1,5 kWh aus, was einer Batterie des Gewichts von 15 kg entspricht (VDE Studie Elektrofahrzeuge). In dem beispielhaften Fahrzeug nach 11 verfügt man somit bei 9 Grundmodulen über 13,5 kWh. Bei einem Verbrauch von 18 kWh pro 100 km kommt es auf eine Reichweite von 75 km.
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Es sind viele Grundmodule kombinierbar. Der Kern ist die jeweilige elektronische Regelung. Bei Kombination von 12 hintereinander und 4 Nebeneinander erhält man die Kapazität eines Reisebusses, und durch die 48 Batterien eine hohe Reichweite. Der Luftwiderstand und Rollwiderstand wird als nur etwas höher als bei dem Fahrzeug in 11 angenommen. Damit ergäbe sich nun eine Reichweite von knapp 500 km bis zum nächsten Aufladen.
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Die Betriebsweise für längere Strecken wird auch so sein, dass sich Fahrer über das Internet verständigen und verabreden. Dadurch können für längere Reisen effektive Kombinationen erreicht werden. Wer sich kombiniert, fährt ökologischer und hat eine höhere Reichweite. Nur ein Fahrer übernimmt die Kontrolle des Fahrzeugs. Die anderen können sich anderen Tätigkeiten widmen, in einer Ausführungsform auch die genannte Mensch-Maschine Schnittstelle als PC benutzen, die Fahrzeit als Arbeitszeit nutzen.
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Dem Fahrer werden durch die Kommunikation mit anderen Fahrzeugbesitzern neue Arten der „Mitfahrgelegenheit“ geboten wird.
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Auf einer Fahrstrecke können sich mehrere von unterschiedlichen Fahrzeugführern gefahrene Grundmodule zusammenkoppeln und diese Strecke gemeinsam zurücklegen, wobei sich nach Bedarf ein Fahrzeugführer mit seinem bzw. seinen Grundmodulen wieder abkoppeln kann, wenn sich seine weitere Wegstrecke von der Fahrstrecke der anderen Grundmodule trennt.
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Werden Module auf diese Weise zu Fahrverbünden gekoppelt, so ist es sinnvoll, den Ladezustand des jeweilig angekoppelnden Fahrzeugs zu erfassen. Beispielsweise kann auch ein fast entladenes Fahrzeug um Mitnahme bei einem Verbund, der noch über ausreichend Energie verfügt, anfragen. In dem Fall muss eine Berechnung der Energiekosten für die Mitnahme möglich sein. Dazu heute Kreditkarten oder Pincodes in Anspruch zu nehmen ist ohne großen Aufwand möglich.
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Es ist somit sinnvoll, eine Erfassung der Gesamtenergie des Gesamtverbundes aller gekoppelten Grundmodule und der verbrauchten Energie der einzelnen Grundmodule vorzusehen, um im Sinne eines Energiemanagements auch eine Abrechnung der verbrauchten Energie der einzelnen Grundmodule vornehmen zu können womit eine Berechnung der Energiekosten bei Mitfahren erfolgen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.manager-magazin.de/lifestyle/artikel/0,2828,717137,00.html [0005]
