DE102013003287A1

DE102013003287A1 - Elektronisches Steuerungs- und Batteriemanagamentsystem mit zusätzlichen Funktionen für Fahrräder mit elektrischem Zusatzantrieb

Info

Publication number: DE102013003287A1
Application number: DE201310003287
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2014-08-28

Abstract

Elektronisches Steuerungs- und Batteriemanagamentsystem (1, 8) mit zusätzlichen Funktionen für Fahrräder mit elektrischem Zusatzantrieb mit einem System aus Umrichtern und Steuerungsgeräten (1, 8), welches den Ladevorgang der Batterien (2) regelt und die Steuerung des Antriebsmotors (3) des Fahrrades (4) übernimmt, wobei dieses System (1, 8) einen elektronischen Wechselrichter (18) für die Bereitstellung von Haushaltsstrom für externe Verbraucher beinhaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Steuerungs- und Batteriemanagementsystem mit zusätzlichen Funktionen für Fahrräder mit elektrischem Zusatzantrieb
Stand der Technik
Bekannt sind Fahrräder mit elektrischem Zusatzantrieb, bestehend aus einer wiederaufladbaren Batterie, einem Elektromotor, einem Steuergerät für den Elektromotor und einem Ladegerät für die Batterie zur Ladung aus dem Stromnetz eines Haushalts. Bekannt sind Konzepte für Häuser mit Photovoltaikanlagen, bei denen durch Verwendung einer eigenen wiederaufladbaren Batterie Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz erzielt wird, in dem diese die elektrische Energie aus Zeiten mit hohem Solarstromangebot speichern können und in Zeiten mit niedrigem Solarstromangebot wie in der Nacht abgeben und nutzbar machen können. Bekannt sind ferner Konzepte zur Nutzung von Automobil-Batterien als Speichermedium für überschüssige elektrische Energie für Zeiten eines Unterangebots an elektrischer Energie, wobei stationäre Wechselrichter die Nutzung des Energiespeichers im Fahrzeug steuern und umsetzen. Ferner bekannt sind Wechselrichter, die Gleichspannung aus Autobatterien in Wechselspannung für Haushaltsgeräte umwandeln.
Problem
Systeme zur vollständigen Unabhängigkeit vom öffentlichen Stromnetz werden bislang auf den alltäglichen Strombedarf normaler Verbraucher dimensioniert. Aufgrund der hohen Kosten insbesondere für Stromspeicher, wegen derer noch nicht befriedigender Lebensdauer und der Kosten für Wechselrichter sind solche Systeme derzeit noch davon entfernt wirtschaftlich zu sein und sie erfordern hohe einmalige Investitionskosten. Elektroautos sind wegen hoher Investitionskosten ebenfalls noch nicht weitverbreitet, so dass deren Verwendung für viele Verbraucher ebenfalls nicht in Frage kommt. Für viele Verbraucher wüde jedoch eine kostengünstiges System zur krisensicheren Versorgung von wenigen Verbrauchern einen hohen Nutzen bieten. Es könnte beispielsweise die fortwährende Funktion einer Gasheizung auch bei Stromausfall des öffentlichen Netzes sicherstellen, welche nur geringe Mengen elektrischer Energie benötigt und eine kleine Anzahl extrem energieeffizienter und klein dimensionierter Leuchtmittel und anderer Kleiner Verbraucher weiter betreiben. Dieser Nutzen wäre noch größer, wenn die Sicherstellung der Versorgung gewährleistet wäre, auch wenn eine eventuell vorhandene Batterie gerade nicht geladen ist und wenn selbst eine optionale kleine Solaranlage wegen fehlender Sonne keinen Strom liefern könnte. Ein weiteres Problem besteht für die Besitzer kleiner Photovoltaikanlagen, die beabsichtigen allen selbst produzierten Strom weitgehend selbst zu nutzen. In Zeiten geringen eigenen Verbrauchs kann der bei Sonneneinstrahlung produzierte Strom nicht selbst genutzt werden und muss ins öffentliche Netz eingespeist werden, wohingegen in der Nacht der Strom wieder aus dem Netz bezogen werden muss.
Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines krisensicheren Ersatzsystems zur Bereitstellung kleiner aber für bestimmte Fälle ausreichender Mengen elektrischer Energie zu minimalen Investitionskosten durch Funktionsvereinigung mit einem Fahrrad mit elektrischem
Zusatzantrieb
Dieses Ziel wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale erreicht Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis .. ausgeführt.
Ein erfindungsgemäßes elektronisches Steuerungs- und Batteriemanagementsystem stellt bereits in Verbindung mit einem Fahrrad mit einem zur Wiederbeladung der Batterien im Schubbetrieb geeignetem elektrischem Zusatzantrieb eine immer verfügbare elektrische Stromversorgung dar. In Verbindung mit einer kleinen Solaranlage kann die Energie für das elektrisch unterstützte Fahrrad solar gewonnen werden. Sie kann gleichzeitig gespeichert werden und jederzeit der häuslichen Nutzung zur Verfügung gestellt werden. Sollten Batterien gerade nicht geladen sein, kann das Fahrrad mit Zusatzantrieb zur Erzeugung von Strom mit Muskelkraft genutzt werden. Das Fahrrad kann selbst ortsunabhängig als Stromquelle für Haushaltsstrom genutzt werden, um beispielsweise in einer Hütte ohne eigene Stromversorgung elektrische Geräte und Beleuchtung zu nutzen. Eine kleine eigene Solaranlage könnte mit hohem Eigenverbrauchsanteil genutzt werden. Im Falle einer Hütte oder eines Wochenendhäuschens könnte die Batterie wirtschaftlich genützt werden, da sie nicht nur während der Verweildauer in der Hütte genutzt wäre, sondern in der übrigen Zeit für die Verwendung als Fahrradantriebsenergiequelle zur Verfügung stünde.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindungen wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels anhand der und erläutert.
zeigt ein elektronisches Steuerungs- und Batteriemanagementsystem 1, 8 mit zusätzlichen Funktionen in Verbindung mit einem Fahrrad 4 mit elektrischem Zusatzantrieb 1, 2, 3, 16, einer Anlage zur photovoltaischen Erzeugung von elektrischer Energie 8, 9, 10, 13 und einer häuslichen Umgebung 11 mit Anschluss an das öffentliche Stromnetz 12. Es können jedoch auch Teilmengen der Elemente erfindungsgemäß verwendet werden. Bereits das Fahrrad 4 mit elektrischem Zusatzantrieb 1, 2, 3, 16 und einer Steckdose 5 bietet ein in sich geschlossenes erfindungsgemäßes System zur netzunabhängigen Bereitstellung von Haushaltsstrom.
zeigt den mobilen Teil 1 des Steuerungs- und Batteriemanagementsystems im Detail mit seinen Elementen und Funktionen 17 bis 20 und mit den Verbindungen zu den weiteren Elementen 2, 3, 16 des elektrischen Antriebs und Schnittstellen 5, 6 zum Haushaltsstromnetz und einem Verbindungskabel 7 zu einem stationären Teil 8 des Steuerungs- und Batteriemanagementsystems.
Der mobile Teil 1 des Steuerungs- und Batteriemanagementsystems enthält zum einen einen elektronischen Umrichter 19, 20 der mit mit einer Motorregelfunktion 19 über eine Benutzerschnittstelle 16 regelbar den Motor 3 mit geregelter Spannung aus der Batterie 2 versorgen und der mit einer Rekuperationsfunktion 20 in der anderen Richtung die Batterie mit Ladestrom aus dem im Schubbetrieb als Generator fungierendem Elektromotor 3 versorgen kann. Der Schubbetrieb ergibt sich beim elektrischen Abbremsen des Fahrrades zum Zwecke der Geschwindigkeitsverminderung. Hierfür wird die Benutzerschnittstelle 16 mit dem Handbremsgriff des Fahrrades 4 in der Weise gekoppelt, dass Bremsimpulse beim geringfügigen Betätigen des Bremsgriffs an die benutzerschnittstelle 16 weitergegeben werden und den Schubbetrieb über den mobilen Teil 1 des Steuerungs- und Batteriemanagementsystems auslösen. Die Benutzerschnittstelle 16 kann jedoch auch selbst einen Bremsgriff beinhalten, der unabhängig vom weiteren Bremssystem des Fahrrads zur direkten Betätigung der elektischen Bremse durch Rekuperation betätigt werden kann. Der Schubbetrieb kann aber auch beim Fahrren in der Ebene erfolgen, wenn der Fahrer über die Benutzerschnittstelle 16 den mobilen Teil 1 des Steuerungs- und Batterimanagementsystems auf einen Lademodus stellt, in dem ein Teil der vom Fahrer eingebrachten Muskelkraftleistung zum Laden der Batterie verwendet wird und in dem der Fahrer mehr Energie aufwenden muss, als zum reinen Fahrbetrieb sonst erforderlich wäre. Zum Anderen enthält der mobile Teil 1 des Steuerungs- und Batteriemanagementsystems einen Wechselrichter 18, welcher die Gleichspannung der Batterie 2 in Wechselspannung umwandelt und zur Steckdose 5 weiterleitet und einen Gleichrichter 17, der die Wechselspannung des Stromnetzes des Haushalts 11 in Gleichspannung zum Laden der Batterie umwandelt und der mit einem Haushaltsstecker 6 verbunden ist oder verbunden werden kann. Die Wechsel- und Umrichter 17 bis 20 können im selben Gehäuse 1 untergebracht sein, oder in einzelnen Gehäusen 1. einzelne Wechsel- oder Umrichter 17 bis 20 können in einer Einheit zusammengefasst sein, wenn diese Einheit dazu geeignet ist, mehrere dieser Funktionen zu übernehmen. Insbesondere für den Umrichter für den Antriebsmodus 19 und den Umrichter für den Rekuperationsmodus 20 ist eine solche Zusammenfassung gängige Praxis.
Optional erweitert wird das Systems der am Fahrrad 4 befindlichen Komponenten 1, 2, 3, 5, 16 und 6 um einen stationären oder zumindest nicht fest mit dem Fahrrad 4 verbundenen Teil 8 des Steuerungs- und Batteriemanagementsystems, welcher ein DC-Kabel 13 zu Solarzellen 10, ein AC-Kabel 14 zum Haushaltsstromnetz eines Haushalts 11, ein Kabel zu einer eigenen Steckdose 9, ein Ladekabel zu einer optional direkt anzuschließenden weiteren oder vom Fahrrad 4 entnommenen Batterie 2 oder/und ein Verbindungskabel 7 zum mobilen Teil 1 des Steuerungs- und Batteriemanagementsystems bereithält.
Dieser stationäre Teil 8 des Steuerungs- und Batteriemanagementsystems wandelt Gleichspannung aus Solarzellen 10 durch einen internen Wechselrichter 18 in Wechselspannung für das Stromnetz des Hauses um. Dieser Wechselrichter 18 des stationären Teils 8 des Steuerungs- und Batteriemanagementsystems kann eine Synchronisierungseinrichtung aufweisen, welche erforderlich ist, um in ein vorhandenes mit dem öffentlichen Stromnetz 12 verbundenes Netz 14 einzuspeisen. Auf diese Weise ist das System auch zur Einspeisung in das öffentliche Stromnetz 12 in der Lage. In jedem Fall ist der stationäre Teil 8 des Steuerungs- und Batteriemanagementsystems 8 in der Lage, Wechselstrom auch bei Wegfall des öffentlichen Netzes 12 bereit zu stellen.
Der Wechselrichter 18 des stationären Teils 8 des Steuerungs- und Batteriemanagementsystems ist zudem so ausgeführt, dass er auch die Spannung der Batterie 2 in Wechseltrom umwandeln kann. Er kann auch über die direkte Verbindung 7 mit dem Fahrrad 4, oder/und dem mobilen Teil 1 des Steuerungs- und Batteriemanagementsystems die Energie der dann am Fahrrad befindlichen Batterie 2 oder/und die über den dann als Generator fungierenden Motor 3 des Fahrrades bereit gestellte elektrische Energie in haushaltsübliche Wechselspannung wandeln. Die Verbindung 7 zur am Fahrrad 4 befindlichen Batterie 2 wird über den mobilen Teil 1 des Steuerungs- und Batteriemanagementsystems direkt hergestellt. Bei der vom Motor/Generator 3 bereitgestellten Energie ist sowohl die direkte Durchleitung der Spannung vom Generator 3 zum stationären Teil 8 des Steuerungs- und Batteriemanagementsystems möglich, sofern dieser so ausgeführt ist, dass er die Motorspannung in Haushalts-Wechselstrom umwandeln kann, als auch die zuvorige Umwandlung der Motorspannung durch den Umrichter 20 in Gleichspannung. Ferner kann der stationäre Teil 8 des Steuerungs- und batteriemanagementsystems durch einen Gleichrichter 17 oder direkt aus der Gleichspannung der Solarzellen 10 über eine Regeleinheit 21 auch über das Kabel 7 die am Fahrrad befindliche Batterie 2 so wie die optional direkt angeschlossene Batterie 2 aufladen. Der Gleichrichter 17 so wie der Wechselrichter 18 können optional zur Kosten- und Gewichtsersparung auch lediglich in dem stationären Teil 8 und dann nicht im mobilen Teil 1 des Steuer- und Batteriemanagementsystems eingebaut sein. In diesem Fall würden auch der Stecker 6 und die Steckdose 5 des Fahrrades 4 entfallen und deren Funktion durch die direkte Verbindung 7 zum stationären Teil 8 des Steuerungs- und Batteriemanagementsystems ersetzt werden.
Eine Standvorrichtung 15 ermöglicht das Anheben des Hinterrades des Fahrrades 4, so dass dieses durch den Pedalantrieb des Fahrrades auch im Stand zur Erzeugung von Strom vom Fahrradfahrer angetrieben werden kann. Diese Standvorrichtung 15 kann ein vom Fahrrad 4 getrennt aufzubewahrendes Teil sein, welches nur zum Zweck der Stromerzeugung mit dem Fahrrad 4 verbunden wird oder es kann wie ein üblicher zweibeiniger Ständer mit dem Fahrrad fest verbunden sein und zum Zweck der Stromerzeugung ausgeklappt werden, wobei die Standvorrichtung 15 in jedem Fall ausreichend robust dimensioniert sein muss, dass sie das Gewicht des Fahrers und dessen Bewegungen beim Treten aushalten kann. In diesem Fall fungiert das Fahrrad 4 mit seinen Antriebskomponenten 1, 2, 3, 16 über das Verbindungskabel 7 oder über seine Steckdose 5 als Muskelkraftbetriebene Stromquelle. In dieser Form kann ein erfindungsgemäßes Steuerungs- und Batteriemanagementsystem eine vom Netz und anderen Faktoren unabhängige Stromquelle darstellen. Insbesondere die Versorgung kleiner Hütten oder Häuser 11, die nur selten aufgesucht werden und die über keinen Anschluss an das öffentliche Netz 12 oder über sonstige Stromquellen verfügen und die nur geringen Strombedarf haben, bietet die Versorgung über ein Fahrrad mit elektrischem Zusatzantrieb und einem erfindungsgemäßen elektronischen Steuerungs- und Batteriemanagementsystem die Möglichkeit der Versorgung ohne weitere Stromquellen, da beim Aufsuchen solcher Hütten 11 mit einem Fahrrad eben dieses während der Aufenthaltsdauer auch zur Verfügung steht.

Claims

Elektronisches Steuerungs- und Batteriemanagamentsystem (1, 8) mit zusätzlichen Funktionen für Fahrräder mit elektrischem Zusatzantrieb mit einem System aus Umrichtern und Steuerungsgeräten (1, 8), welches den Ladevorgang der Batterien (2) regelt und die Steuerung des Antriebsmotors (3) des Fahrrades (4) übernimmt, wobei dieses System (1, 8) einen elektronischen Wechselrichter (18) für die Bereitstellung von Haushaltsstrom für externe Verbraucher beinhaltet.
Elektronisches Steuerungs- und Batteriemanagamentsystem (1, 8) nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass dieses über den Wechselrichter (18) die Spannung der Batterie (2) und/oder die Spannung eines im Schubbetrieb laufenden als Generator (3) fungierenden Elektromotors (3) des Fahrrades (4) und/oder die Spannung von Solarzellen (10) in haushaltsübliche Wechselspannung umwandeln kann.
Elektronisches Steuerungs- und Batteriemanagamentsystem (1, 8) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass dieses einen Regler oder Umrichter (19) zur Versorgung des Motors (2) mit Strom aus der Batterie (2) und/oder einen Regler oder Umrichter (20) zur Versorgung der Batterie (2) mit Strom aus dem als Generator (3) fungierendem Motors (3) und/oder einen Gleichrichter (17) zur Versorgung der Batterie (2) mit Strom aus dem Haushaltsstromnetz (14) und/oder einen Regler oder Umrichter (21) zur Versorgung der Batterie (2) aus der Spannung von Solarzellen (10) und/oder einen oder mehrere Wechselrichter (18) zur Generierung von für Haushaltsstromnetze (14) üblicher Wechselspannung aus der Spannung der Batterie und/oder der Spannung der Solarzellen (10) und/oder der Spannung des als Generator (3) fungierenden Motors (3) beinhaltet.
Elektronisches Steuerungs- und Batteriemanagamentsystem (1, 8) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass dieses (1, 8) aus einem mobilen Teil (1) und einem stationären Teil (8) besteht und dass der mobile Teil (1) an dem Fahrrad (4) angebracht wird und der stationäre Teil (8) bevorzugt in einer häuslichen Umgebung (11) angeordnet ist und dass die Regler, Umrichter, Gleichrichter und Wechselrichter (17 bis 21) unterschiedlich auf beide Teile (1, 8) verteilt sein können oder teilweise auch redundand in beiden Teilen (1, 8) eingebaut sein können.
Elektronisches Steuerungs- und Batteriemanagamentsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass zur stationären Herstellung von elektrischer Energie das Fahrrad (4) durch einen Ständer (15) oder eine vergleichbare Vorrichtung so vom Boden entfernt wird, dass der Fahrradfahrer das Rad im Stand zur Stromproduktion betreiben kann, in dem er das dann frei drehende Hinterrad mit Motor (3) zu dessen Nutzung als Generator (3) antreibt.