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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, wobei das elektrische Antriebssystem mindestens einen mit einer Antriebskurbel, bevorzugt einer Tretkurbel, mechanisch verbundenen elektrischen Generator, einen elektrischen Antriebsmotor, einen elektrischen Energiespeicher und eine elektrische Schaltungsanordnung zur elektrischen Verkopplung des Generators mit dem Antriebsmotor und dem Energiespeicher umfasst.
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Aus der
DE 196 00 698 A1 ist ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, bekannt, das einen zur Stromerzeugung durch einen Fahrzeugbenutzer antreibbaren Generator und mindestens einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeuges umfasst. Dabei sind der Generator und der Elektromotor zur Übertagung der elektrischen Leistung miteinander verbunden. Bevorzugt ist dem Generator eine elektrische Steuerung zugeordnet, mittels derer die Größe der aus dem Generator ausgekoppelten Leistung veränderbar ist, wodurch das zum Antrieb des Generators erforderliche Drehmoment entweder durch die Steuerung oder durch den Fahrzeugbenutzer verändert werden kann, um auf diese Weise die erzeugte elektrische Leistung zu beeinflussen. Die elektrische Steuerung kann dabei so ausgebildet sein, dass der Fahrzeugbenutzer eine Änderung des Fahrwiderstandes des Fahrzeuges, beispielsweise bei einer Bergauf- oder Bergabfahrt oder infolge einer Änderung des Fahrtwindes, direkt am Tretwiderstand der Tretkurbel, d. h. des zum Antrieb des Generators erforderlichen Drehmomentes, spürt. Dabei kann die Möglichkeit der Veränderung des zum Antrieb des Generators erforderlichen Drehmomentes durch den Fahrzeugbenutzer in der Art einer elektrischen Gangschaltung vorgesehen sein. Die vom Fahrzeugbenutzer aufzubringende Leistung ergibt sich als Produkt aus Drehmoment und Drehzahl des Generators bzw. der mit dem Generator mechanisch verbundenen Tretkurbel. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass beim Anfahren aus dem Stillstand dem Fahrzeugbenutzer keine adäquat dem Tretgefühl und der Gewöhnung beim Fahren eines konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeuges große Leistung abverlangt wird, d. h. kein entsprechend großes Drehmoment zum Drehen der Tretkurbel aus dem Stillstand erforderlich ist.
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Zur Behebung dieses Nachteiles wird in der
EP 1 165 188 B1 ein mit Muskelkraft betriebenes elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug vorgeschlagen, das wie bereits bekannt, einen mechanisch mit einer Tretkurbel verbundenen Generator, der durch den Fahrzeugbenutzer antreibbar ist, einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeuges und eine elektrische Steuerung umfasst, wobei die elektrische Steuerung ein Steuerprogramm des Generators aufweist, die die Erzeugung eines Gegenmomentes am Generator, bezogen auf die Vorwärts-Tretrichtung ermöglicht und dass eine Anfahrsteuerung des Generators vorgesehen ist, mit welcher ein bei Betätigung der Tretkurbel aus dem Stillstand heraus unmittelbar auftretender hoher Tretwiderstand erzeugt wird. Dabei ist vorgesehen, den hohen Tretwiderstand vom Anfahren aus dem Stillstand bis zum Erreichen einer minimalen Fahrgeschwindigkeit zu erzeugen. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass der Tretwiderstand beim Anfahren aus dem Stillstand bis zum Erreichen einer minimalen Fahrgeschwindigkeit nur Werte annehmen kann, die im Steuerprogramm des Generators vorgesehen, also vorbestimmt sind. Ein dem Tretgefühl und der Gewöhnung beim Anfahren aus dem Stillstand eines konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeuges adäquater Tretwiderstand bzw. ein adäquates Verhalten des Fahrzeuges wird jedenfalls bei unterschiedlichen Bedingungen, wie Bergauf- oder Bergabanfahrt oder wechselnden Windverhältnissen beim Anfahren, mit diesem Antriebssystem nicht erreicht.
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Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines elektrischen Antriebssystems für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, das einen Tretwiderstand der Tretkurbel beim Anfahren aus dem Stillstand bei unterschiedlichsten Bedingungen bewirkt, welche dem Fahrzeugbenutzer ein Tretgefühl vermittelt, das dem Tretgefühl und der Gewöhnung beim Anfahren aus dem Stillstand eines konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeuges adäquat ist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug mit den Merkmalen des 1. Anspruches gelöst. Die Ansprüche 2 bis 5 beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen des elektrischen Antriebssystems.
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Das elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug umfasst mindestens einen mit einer Antriebskurbel mechanisch verbundenen elektrischen Generator, einen elektrischen Antriebsmotor, einen elektrischen Energiespeicher und eine elektrische Schaltungsanordnung zur elektrischen Verkopplung des Generators mit dem Antriebsmotor und dem Energiespeicher. Dabei weist die elektrische Schaltungsanordnung eine Drehzahlregeleinrichtung auf, mittels derer eine Drehzahlregelung des elektrischen Generators derart erfolgt, dass die Drehzahl nG des elektrischen Generators die Bedingung nG ≤ kn·nR erfüllt, wobei nR die Drehzahl eines durch den elektrischen Antriebsmotor angetriebenen Rades des Fahrzeuges und kn ein vorgegebener Drehzahlübersetzungsfaktor sind. Zur Vereinfachung wird nachfolgend überwiegend auf die Nennung des Zusatzes elektrisch bei den Bauelementen Generator, Antriebsmotor und Energiespeicher verzichtet. Gleichwohl sind bei der Nennung dieser Bauelemente stets elektrische Bauelemente gemeint.
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Bevorzugt umfasst das elektrische Antriebssystem eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl nR des durch den Antriebsmotor angetriebenen Rades und eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl nG des Generators. Die beiden Einrichtungen zur Erfassung der Drehzahl nR des durch den Antriebsmotor angetriebenen Rades und zur Erfassung der Drehzahl nG des Generators sind elektrisch so mit der Drehzahlregeleinrichtung verbunden, dass das Signal der Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl nR des durch den Antriebsmotor angetriebenen Rades als Führungsgröße für die Drehzahlregelung und das Signal der Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl nG des Generators als Rückführgröße der Drehzahlregelung fungieren. Die Stellgröße der Drehzahlregelung ist ein zwischen dem Energiespeicher und dem Generator antreibbarer elektrischer Strom.
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Die elektrische Schaltungsanordnung weist bevorzugt weiterhin eine Drehmomentenregeleinrichtung auf, mit welcher eine Regelung des durch den Antriebsmotor erzeugten Drehmomentes MA erfolgt, und zwar derart, dass das vom elektrischen Antriebsmotor erzeugte Drehmoment MA die Bedingung MA = kM·MG erfüllt, wobei MG das vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators erzeugte Drehmoment und kM ein vorgegebener Antriebsmomentenfaktor sind.
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Bei einer bevorzugten Ausbildung der Drehmomentenregeleinrichtung umfasst das elektrische Antriebssystem eine Einrichtung zur Erfassung des Antriebsmotorstromes IA und eine Einrichtung zur Erfassung des vom Generatorstromes IG. Die beiden Einrichtungen zur Erfassung des Antriebsmotorstromes IA und des Generatorstromes IG sind elektrisch derart mit der Drehmomentenregeleinrichtung verbunden, dass das Signal der Einrichtung zur Erfassung des Generatorstromes IG, welches multipliziert mit dem Verhältnis von vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators erzeugtem Drehmoment MG zu Generatorstrom IG dem vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators erzeugtem Drehmoment MG entspricht, multipliziert mit dem Antriebsmomentenfaktor kM als Führungsgröße für die Drehmomentenregelung fungiert und das Signal der Einrichtung zur Erfassung des Antriebsmotorstromes IA, welches multipliziert mit dem Verhältnis von vom Antriebsmotor erzeugtem Drehmoment MA zu Antriebsmotorstrom IA dem vom Antriebsmotor erzeugtem Drehmoment MA entspricht, als Rückführungsgröße der Drehmomentenregelung fungiert. Die Stellgröße der Drehmomentenregelung ist der Antriebsmotorstrom IA. Die Drehmomentenregeleinrichtung ist dabei derart mit dem Generator und dem Energiespeicher elektrisch verbunden, dass der Antriebsmotorstrom IA sich durch Summierung des Generatorstromes IG und eines zwischen dem Energiespeicher und der Drehmomentenregeleinrichtung fließenden Energiespeicherstromes IS ergibt, wobei der zwischen dem Energiespeicher und der Drehmomentenregeleinrichtung fließende Energiespeicherstrom IS positiv oder negativ sein kann, d. h. entweder aus dem Energiespeicher fließt – dem Energiespeicher wird Energie entnommen – oder in den Energiespeicher fließt – dem Energiespeicher wird Energie zugeführt.
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Mittels des elektrischen Antriebssystems wird dem Fahrzeugbenutzer ein Tretgefühl vermittelt, das dem Tretgefühl und der Gewöhnung beim Fahren eines konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeuges adäquat ist, und zwar während aller Phasen des Fahrens und bei unterschiedlichsten Bedingungen. Unterschiedlichste Bedingungen bedeutet dabei unterschiedlichste die angestrebte Fortbewegung des Fahrzeuges beeinflussende Faktoren, wie z. B. die Neigung des zu befahrenden Weges (Bergan- oder Bergabfahrt), auf den Fahrzeugbenutzer und das Fahrzeug einwirkender Wind, unterschiedlicher Rollwiderstand des Fahrzeuges usw. Erreicht wird dieses Tretgefühl durch die die Bedingung Drehzahl des Generators nG ≤ kn·Drehzahl eines durch den elektrischen Antriebsmotor angetriebenen Rades nR erfüllende Drehzahlregelung, wobei kn ein Drehzahlübersetzungsfaktor ist, der vorwählbar ist. Der Drehzahlübersetzungsfaktor kann entweder vorgewählt fest eingestellt sein, dies würde einem konventionellen Fahrzeug ohne Gangschaltung entsprechen oder über ein vom Fahrzeugbenutzer betätigbares, in die elektrische Schaltungsanordnung integriertes Bedienelement vorgewählt und während der Fahrt verändert werden, dies würde einem konventionellen Fahrzeug mit Gangschaltung entsprechen. Dabei kann die Veränderung des Drehzahlübersetzungsfaktors in Stufen oder stufenlos erfolgen.
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Die Einhaltung der vorgenannten Bedingung durch die Drehzahlregelung bedeutet, dass die Drehzahl des Generators und damit der mit dem Generator mechanisch verbundenen Tretkurbel quasi starr mit der Drehzahl des vom elektrischen Antriebsmotor angetriebenen Rades verkoppelt ist. Diese Bedingung ist letztlich auch bei jedem konventionellen, mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeuges gegeben. Bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem bedeutet dies, dass insbesondere beim Anfahren aus dem Stillstand, aber auch ggf. beim Aufbringen eines erhöhten Drehmomentes zur Beschleunigung der Fortbewegung des Fahrzeuges, dem elektrischen Energiespeicher elektrische Energie entnommen wird, um durch den Generator ein solches Gegenmoment zu bewirken, dass die vorgenannte Bedingung: Drehzahl des Generators nG ≤ kn·Drehzahl eines durch den elektrischen Antriebsmotor angetriebenen Rades nR, eingehalten wird. Der Fahrzeugbenutzer empfindet dieses Gegenmoment als den ihm vom Fahren eines konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeuges bekannten und gewohnten Tretwiderstand. Er empfindet daher beim Fahren eines ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem aufweisenden Fahrzeuges ein adäquates Tretgefühl zu einem konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeug.
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Neben der beschriebenen Drehzahlregelung ist für die Fortbewegung des Fahrzeuges die Drehmomentenregelung, die die Bedingung: vom Antriebsmotor erzeugtes Drehmoment MA = kM·vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators erzeugtes Drehmoment MG, erfüllt, wobei kM ein Antriebsmomentenfaktor ist, von großer Bedeutung.
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Bevorzugt beinhaltet die Schaltungsanordnung sowohl eine Drehzahlregeleinrichtung als auch eine Drehmomentenregeleinrichtung. Die mit den genannten Regeleinrichtungen realisierten Regelungen erfüllen die jeweils vorgenannten Bedingungen. Zur Erläuterung der Funktion des elektrischen Antriebssystems werden zunächst der Drehzahlübersetzungsfaktor kn = 1 und der Antriebsmomentenfaktor kM = 1 angenommen. Dies bedeutet, bei einer Umdrehung nG des Generators absolviert auch das durch den Antriebsmotor angetriebene Rad nR eine Umdrehung und das vom Fahrzeugbenutzer am Generator erzeugte Drehmoment MG wird in gleicher Größe durch den elektrischen Antriebsmotor erzeugt und wirkt auf das angetriebene Rad. Beim Anfahren aus dem Stillstand erzeugt der Fahrzeugbenutzer ein Drehmoment MG, welches in gleicher Größe durch den Antriebsmotor erzeugt und auf das angetriebene Rad wirkt. Um die Bedingung nG ≤ kn·nR zu erfüllen, wird am Generator ein Gegenmoment erzeugt, das zunächst, d. h. beim Stillstand des durch den elektrischen Antriebsmotor angetriebenen Rades, weitgehend gleich groß dem vom Fahrzeugbenutzer erzeugten Drehmoment MG ist, der Generator und damit die Tretkurbel haben, wie das vom Antriebsmotor angetriebene Rad, die Drehzahl nG = nR = 0. Hierbei ist natürlich zu beachten, dass beim Anfahren aus dem Stillstand die zur Erzeugung des Gegenmomentes am Generator notwendige Energie durch den Energiespeicher bereitgestellt werden muss, so dass bei einem realen Antriebssystem der Wert des am Generator erzeugten Gegenmomentes beim Anfahren aus dem Stillstand auf einen technisch sinnvollen Wert begrenzt sein sollte.
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Der elektrische Antriebsmotor erzeugt ein Drehmoment MA und überträgt dieses auf das angetriebene Rad, wodurch es beginnt, sich zu drehen und das Fahrzeug in Bewegung zu versetzen. Solange der Fahrzeugbenutzer am Generator ein Drehmoment MG erzeugt, also bemüht ist, die Drehzahl nG des Generators und damit der Tretkurbel gegenüber der Drehzahl nR des vom Antriebsmotor angetriebenen Rades zu erhöhen, wird dieses Drehmoment in gleicher Größe durch den elektrischen Antriebsmotor erzeugt und auf das angetriebene Rad übertragen. Das Fahrzeug wird weiter beschleunigt. Wird durch den Fahrzeugbenutzer am Generator kein Drehmoment MG mehr erzeugt, wird also die Drehzahl nG des Generators und damit der Tretkurbel gegenüber der Drehzahl nR des angetriebenen Rades reduziert, so wird durch den Antriebsmotor auch kein Drehmoment MA mehr erzeugt und auf das angetriebene Rad übertragen. Das Fahrzeug rollt und wird infolge von Gegenwind, Rollwiderstand, der Schwerkraft bei Berganfahrt usw. seine Geschwindigkeit verringern. Eine Bergabfahrt kann natürlich auch zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit führen. Der vorgenannte Zusammenhang entspricht dem von einem konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeug bekannten Freilauf.
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Soll die Drehzahl nR des angetriebenen Rades konstant gehalten werden, ohne dass unterstützende Kräfte (Schiebewind, Bergabfahrt) wirken, muss durch den Fahrzeugbenutzer am Generator ein Drehmoment MG erzeugt werden, so dass durch den elektrischen Antriebsmotor ein gleich großes Drehmoment MA mehr erzeugt und auf das angetriebene Rad übertragen wird, um eine Verringerung der Drehzahl nR des angetriebenen Rades infolge von Gegenwind, Rollwiderstand, Schwerkraft bei Berganfahrt usw. zu verhindern.
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Der angenommenen Fall mit Antriebsmomentenfaktor kM = 1, also das vom Fahrzeugbenutzer am Generator erzeugte Drehmoment MG = dem vom Antriebsmotor erzeugten auf das angetriebene Rad übertragene Drehmoment MA, entspricht weitgehend den Bedingungen eines konventionellen Fahrzeuges. Der Fahrzeugbenutzer bringt die gesamte zum Antrieb des Fahrzeuges notwendige Energie auf. Wird der Antriebsmomentenfaktor kM > 1 gewählt, ist das vom elektrischen Antriebsmotor erzeugte und auf das angetriebene Rad übertragene Drehmoment MA größer als das vom Fahrzeugbenutzer erzeugte Drehmoment MG. In diesem Fall muss dem Antriebsmotor zusätzliche Energie aus dem Energiespeicher zugeführt werden. Wird der Antriebsmomentenfaktor kM < 1 gewählt, ist das vom Fahrzeugbenutzer erzeugte Drehmoment MG größer als das vom elektrischen Antriebsmotor erzeugte und auf das angetriebene Rad übertragene Drehmoment MA. Es kann am Generator erzeugte elektrische Energie dem Energiespeicher zugeführt werden. Zur Veränderung des Antriebsmomentenfaktors kM kann die elektrische Schaltungsanordnung ein vom Fahrzeugbenutzer bedienbares Bedienelement aufweisen. Der Fahrzeugbenutzer kann dann zwischen den drei genannten Varianten wählen und natürlich auch die Größe der dem Energiespeicher zu entnehmenden oder zuzuführenden Energie bestimmen. Natürlich wird durch die Wahl des Antriebsmomentenfaktors kM wesentlich das Fahrgefühl beeinflusst. Eine Veränderung des Drehzahlübersetzungsfaktors kn hat die Wirkung einer konventionellen Gangschaltung, wenn sie verbunden ist mit einer Veränderung des Antriebsmomentenfaktors kM, wobei kM = 1/kn ist. Die vorstehend beschriebene Funktion des elektrischen Antriebssystems beim Anfahren aus dem Stillstand entspricht aufgrund der Drehzahlregelung mit der Bedingung nG ≤ kn·nR grundsätzlich auch der Funktion des elektrischen Antriebssystems bei einer Beschleunigung der Fahrt des Fahrzeuges infolge der Erzeugung eines Drehmomentes MG am Generator durch den Fahrzeugbenutzer oder einer Fahrt mit erhöhtem Widerstand (Berganfahrt, Gegenwind, erhöhter Rollwiderstand usw.).
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Der besondere Vorteil eines derartigen elektrischen Antriebssystems für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug mit einer Drehzahlregelung, die die Bedingung nG ≤ kn·nR erfüllt, liegt letztlich darin, dass diese Bedingung quasi exakt die Verhältnisse beschreibt, die bei einem konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeug vorliegen, wodurch automatisch die die Fahrt und das Fahrverhalten eines solchen Fahrzeuges beeinflussenden Umstände, wie Bergan- oder Bergabfahrt, Windverhältnisse, erhöhter Rollwiderstand infolge widriger Bodenbeschaffenheit oder Schwergängigkeit des Fahrzeuges, Körpergewicht des Fahrzeugbenutzers usw., berücksichtigt und diese in den Tretwiderstand bzw. das Tretgefühl sowohl beim Anfahren aus dem Stillstand als auch beim Beschleunigen der Fahrt, aber auch bei gleichbleibender Fahrt mit üblichen der Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges entgegenwirkenden Kräften berücksichtigt werden, so dass der Fahrzeugbenutzer ein dem Fahrgefühl und der Gewöhnung von einem konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeug gleiches Verhalten des Fahrzeuges wahrnimmt. Dies wird auf einfache Weise erreicht, ohne dass dazu aufwendige Steuerkurven oder Ähnliches für unterschiedlichste Umstände, die die Fahrt und das Fahrverhalten eines Fahrzeuges beeinflussenden können, erfasst, gespeichert und nachgebildet werden müssen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles weiter erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
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1: ein Schema mit den wesentlichen Baugruppen eines elektrischen Antriebssystems, in
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2: ein vereinfachtes regelungstechnisches Prinzipschaltbild in
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3: schematisch den Leistungsfluss in dem elektrischen Antriebssystem beim Anfahren aus dem Stillstand und in
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4: schematisch den Leistungsfluss in dem elektrischen Antriebssystem bei „normaler” Fahrt.
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1 zeigt ein Schema mit den wesentlichen Baugruppen eines elektrischen Antriebssystems für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug, hier ein Fahrrad, mit einer Tretkurbel 1, die mechanisch zur Übertragung eines von einem Fahrzeugbenutzer erzeugten Drehmomentes MG mit einem elektrischen Generator 2 verbunden ist, einem Antriebsmotor 3, der mechanisch zur Übertagung eines vom elektrischen Antriebsmotor 3 erzeugten Drehmomentes MA mit einem angetriebenen Rad 4 verbunden ist, einem Energiespeicher 5 und einer elektrischen Schaltungsanordnung 6 zur elektrischen Verkopplung des Generators 2 mit dem Antriebsmotor 3 und dem Energiespeicher 5. Der Generator 2 und der Antriebsmotor 3 sind jeweils als Drehstrommaschinen ausgebildet. Die elektrische Schaltungsanordnung 6 umfasst einen ersten Umrichter 7 zur Umwandlung des Dreiphasenwechselstromes des Generators 2 in einen Gleichstrom und ggf. umgekehrt, einen zweiten Umrichter 8 zur Umwandlung eines Gleichstromes in einen Dreiphasenwechselstrom für den Antriebsmotor 3, eine Drehzahlregeleinrichtung 9 und eine Drehmomentenregeleinrichtung 10. In 1 nicht dargestellt, aber selbstverständlich mit zur elektrischen Schaltungsanordnung 6 gehören Messeinrichtungen zur Generierung von drehzahl- sowie drehmomentenproportionalen elektrischen Signalen, elektrische Signalverstärker und ggf. mit elektrischen Signalverstärkern zusammenwirkende Bedienelemente zur Beeinflussung der elektrischen Signale.
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2 zeigt ein vereinfachtes regelungstechnisches Prinzipschaltbild des elektrischen Antriebssystems. Dargestellt sind: die Drehzahlregeleinrichtung 9 mit einem Drehzahlregelglied 11, einem Soll-/Istwertvergleicher 12 und einer Stelleinrichtung 13 zur Beeinflussung des Generatorstromes IG, die Drehmomentenregeleinrichtung 10 mit einem Drehmomentenregelglied 14, einem Soll-/Istwertvergleicher 15 und einer Stelleinrichtung 16 zur Beeinflussung des Antriebsmotorstromes IA, eine Messeinrichtung 17 zur Erfassung des Generatorstromes IG, eine Messeinrichtung 18 zur Erfassung des Antriebsmotorstromes IA, eine Messeinrichtung 19 zur Erfassung der Generatordrehzahl nG, eine Messeinrichtung 20 zur Erfassung der Drehzahl nR des durch den Antriebsmotor 3 angetriebenen Rades 4, ein Signalverstärker 21 zur Wandlung des Signals des Generatorstromes IG in ein dem vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators aufgebrachten Drehmomentes MG proportionales Signal, ein Signalverstärker 22 zur Beeinflussung des dem Drehmoment MG proportionalen Signals entsprechend dem Antriebsmomentenfaktor kM, ein Signalverstärker 23 zur Wandlung des Signals des Antriebsmotorstromes IA in ein dem vom Antriebsmotor erzeugtem Drehmoment MA proportionales Signal, ein Signalverstärker 24 zur Beeinflussung des der Drehzahl nR des durch den elektrischen Antriebsmotor 3 angetriebenen Rades 4 proportionalen Signals entsprechend dem Drehzahlübersetzungsfaktor kn, sowie der Generator 2, der Antriebsmotor 3 mit dem mechanisch zur Übertragung eines Drehmomentes verbundenen Rad 4 und dem Energiespeicher 5.
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Die 3 zeigt den Leistungsfluss in dem elektrischen Antriebssystem zwischen der Tretkurbel 1, dem Generator 2, dem Antriebsmotor 3, dem Rad 4 und dem Energiespeicher 5 beim Anfahren aus dem Stillstand. 4 zeigt den vorgenannten Leistungsfluss bei „normaler” Fahrt, wobei unter normaler Fahrt eine Fahrt mit gleichbleibender Geschwindigkeit oder mit leichter Beschleunigung infolge erhöhten aufgebrachten Drehmomentes MG durch den Fahrzeugbenutzer oder mit abnehmender Geschwindigkeit verstanden wird. Bei einer Fahrt mit starker Beschleunigung infolge stark erhöhten aufgebrachten Drehmomentes MG durch den Fahrzeugbenutzer kann der Leistungsfluss dem in 3 gezeigten Leistungsfluss entsprechen.
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Im Folgenden soll anhand der 1 bis 4 die Funktion des elektrischen Antriebssystems und dabei insbesondere der elektrischen Schaltungsanordnung erläutert werden, wobei zunächst die Phase des Anfahrens aus dem Stillstand betrachtet wird. Die Startbedingungen dieser Phase sind eine Drehzahl nR des durch den Antriebsmotor 3 angetriebenen Rades 4 nR = 0 und ein vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugtes Drehmoment MG. Die Drehzahl nR des durch den Antriebsmotor 3 angetriebenen Rades 4 wird mittels der Messeinrichtung 20 erfasst und über den Signalverstärker 24 dem positiven Eingang des Soll-/Istwertvergleichers 12 zugeleitet. Mittels der Messeinrichtung 19 wird die Drehzahl nG des Generators 2 erfasst und dem negativen Eingang des Soll-/Istwertvergleichers 12 zugeleitet. Durch das Drehzahlregelglied 11 wird eine Stellgröße erzeugt, die über die Stelleinrichtung 13 einen vom Energiespeicher 5 gespeisten Generatorstrom IG erzeugt, der im Generator 2 ein Gegenmoment zu dem vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugten Drehmoment MG bewirkt. Der Generatorstrom IG wird mittels der Messeinrichtung 17 erfasst und über die Signalverstärker 21 und 22 als Signal für das vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugte Drehmoment MG dem positiven Eingang des Soll-/Istwertvergleichers 15 zugeleitet. Mittels der Messeinrichtung 18 wird der Antriebsmotorstrom IA erfasst und über den Signalverstärker 23 als Signal für das vom Antriebsmotor 3 erzeugte Drehmoment MA dem negativen Eingang des Soll-/Istwertvergleichers 15 zugeleitet. Durch das Drehmomentenregelglied 14 wird eine Stellgröße erzeugt, die über die Stelleinrichtung 16 einen Antriebsmotorstrom IA erzeugt, der durch den Antriebsmotor 3 ein Drehmoment MA bewirkt, dessen Größe dem vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugten Drehmoment MG entspricht. Ist dieses Drehmoment MA ausreichend groß, wird das Rad 4 in Drehung versetzt und das Fahrzeug beginnt eine beschleunigte Fortbewegung. Die Drehung des Rades 4 bewirkt eine Erhöhung der durch die Messeinrichtung 20 erfassten Drehzahl nR des durch den Antriebsmotor 3 angetriebenen Rades 4. In Folge dessen wird dem positiven Eingang des Soll-/Istwertvergleicher 12 ein größeres Signal zugeführt, wodurch die Drehzahlregeleinrichtung 9 einen Generatorstrom IG bewirkt, der den Generator 2 unter Berücksichtigung des vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators erzeugten Drehmomentes MG mit der Drehzahl nG ≤ kn·nR drehen lässt. Durch die Drehzahlregeleinrichtung 9, die stets die Bedingung nG ≤ kn·nR erfüllt, wird bewirkt, dass beim Anfahren aus dem Stillstand dem Fahrzeugbenutzer ein Tretwiderstand entgegenwirkt, der einem Tretgefühl entspricht, das er vom Fahren eines konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeuges kennt. 3 zeigt den hierbei auftretenden Leistungsfluss. Eine vom Fahrzeugbenutzer am Tretpedal 1 erzeugte Pedalleistung PP wirkt auf den Generator 2. Diesem wird über dem Umrichter 7 eine Generatorleistung PG zugeführt, die dem Energiespeicher 5 entnommen wird. Dem Antriebsmotor 3 wird über den Umrichter 8 eine Motorleistung PM zugeführt, die vom Antriebsmotor 3 als Radleistung PR auf das angetriebene Rad 4 übertragen wird. Dem Energiespeicher 5 wird beim Anfahren aus dem Stillstand eine Speicherleistung PA entnommen, die sich aus der Generatorleistung PG und der Motorleistung PM zusammensetzt.
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Zur Vereinfachung und zum besseren Verständnis wurde bei vorstehender Erläuterung der Antriebsmomentenfaktor kM nicht weiter betrachtet. Da die Drehmomentenregelung die Bedingung MA = kM·MG erfüllt, ist leicht zu verstehen, dass bei einem Antriebsmomentenfaktor kM = 1 das vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugte Drehmoment MG in gleicher Größe vom Antriebsmotor 3 erzeugt und auf das angetriebene Rad 4 übertragen wird. Wird der Antriebsmomentenfaktor kM < 1 gewählt, ist folglich das vom Antriebsmotor 3 erzeugte und auf das angetriebene Rad 4 übertragene Drehmoment MA < als das vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugte Drehmoment MG. Am Generator 2 wird durch den Fahrzeugbenutzer demgemäß mehr Energie erzeugt, als zum Antrieb des Fahrzeuges verwendet wird. Die überschüssige Energie wird dem Energiespeicher 5 zugeführt. Der hierbei auftretende Leistungsfluss wird in 4 veranschaulicht. Die vom Fahrzeugbenutzer am Tretpedal 1 erzeugte Pedalleistung PP wirkt auf den Generator 2. Dieser erzeugt daraus die Generatorleistung PG. Ein Teil der Generatorleistung PG wird über die Umrichter 7 und 8 dem Antriebsmotor 3 als Motorleistung PM zugeführt, die vom Antriebsmotor 3 als Radleistung PR auf das angetriebene Rad 4 übertragen wird. Ein anderer Teil der Generatorleistung PG wird über die Umrichter 7 als Speicherleistung PA dem Energiespeicher 5 zugeführt. Wird der Antriebsmomentenfaktor kM > 1 gewählt, ist das vom Antriebsmotor 3 erzeugte und auf das angetriebene Rad 4 übertragene Drehmoment MA > als das vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugte Drehmoment MG. Dem Antriebsmotor 3 muss also zusätzlich Energie aus dem Energiespeicher 5 zugeführt werden. Auch der hierbei auftretende Leistungsfluss ist in 4 gezeigt. Die vom Fahrzeugbenutzer am Tretpedal 1 erzeugte Pedalleistung PP wirkt auf den Generator 2. Dieser erzeugt daraus die Generatorleistung PG. Die Generatorleistung PG wird über die Umrichter 7 und 8 dem Antriebsmotor 3 als ein Teil der Motorleistung PM zugeführt. Ein weiterer Teil an Motorleistung PM wird dem Antriebsmotor 3 aus dem Energiespeicher als Speicherleistung PA über den Umrichter 8 zugeführt. Die gesamte dem Antriebsmotor 3 zugeführte Motorleistung PM wird als Radleistung PR auf das angetriebene Rad 4 übertragen.
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Sowohl 3 als auch 4 zeigen auch einen Leistungsfluss, der bei einem generatorischen Betrieb des Antriebsmotors 3 zum Bremsen des Fahrzeuges auftritt. Dabei wird kinetische Energie des Rades 4 als Radleistung PR dem generatorisch betriebenen Antriebsmotor 3 zugeführt, die dann als Motorleistung PM über den Umrichter 8 dem Energiespeicher 5 als Speicherleistung PA zugeleitet wird.
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Ebenfalls zur Vereinfachung wurde vorstehend der Drehzahlübersetzungsfaktor kn nicht weiter betrachtet. Eine Veränderung des Drehzahlübersetzungsfaktors kn hat die Wirkung einer konventionellen Gangschaltung, wenn sie verbunden ist mit einer Veränderung des Antriebsmomentenfaktors kM, wobei kM = 1/kn ist.
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Die Drehzahlregelung und die Drehmomentenregelung wirken auch während des „normalen” Fahrens grundsätzlich, wie vorstehend beschrieben, d. h. es wird durch die Drehzahlregelung stets die Bedingung Drehzahl des Generators 2 nG ≤ kn·Drehzahl nR des durch den Antriebsmotor 3 angetriebenen Rades 4 sowie durch die Drehmomentenregelung die Bedingung vom Antriebsmotor 3 erzeugtes Drehmoment MA = kM·vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugtes Drehmoment MG erfüllt. Durch die Erfüllung beider Bedingungen durch die beiden Regelungen wirken quasi automatisch wie bei einem konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeug alle die Fahrt und das Fahrverhalten beeinflussenden Umstände, wie Bergan- oder Bergabfahrt, Windverhältnisse, erhöhter Rollwiderstand infolge widriger Bodenbeschaffenheit oder Schwergängigkeit des Fahrzeuges, Körpergewicht des Fahrzeugbenutzers usw., auf den Tretwiderstand, den der Fahrzeugbenutzer beim Fahren überwinden muss. Es wird dem Fahrzeugbenutzer damit sowohl beim Anfahren aus dem Stillstand als auch beim Beschleunigen der Fahrt, aber auch bei gleichbleibender Fahrt mit üblichen der Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges entgegenwirkenden Kräften ein Tretgefühl vermittelt, das er von einem konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeug kennt bzw. gewohnt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tretkurbel
- 2
- Generator
- 3
- Antriebsmotor
- 4
- Rad
- 5
- Energiespeicher
- 6
- elektrische Schaltungsanordnung
- 7, 8
- Umrichter
- 9
- Drehzahlregeleinrichtung
- 10
- Drehmomentenregeleinrichtung
- 11
- Drehzahlregelglied
- 12
- Soll-/Istwertvergleicher
- 13
- Stelleinrichtung
- 14
- Drehmomentenregelglied
- 15
- Soll-/Istwertvergleicher
- 16
- Stelleinrichtung
- 17
- Messeinrichtung
- 18
- Messeinrichtung
- 19
- Messeinrichtung
- 20
- Messeinrichtung
- 21
- Signalverstärker
- 22
- Signalverstärker
- 23
- Signalverstärker
- 24
- Signalverstärker
- IA
- Antriebsmotorstrom
- IG
- Generatorstrom
- IS
- Energiespeicherstrom
- kn
- Drehzahlübersetzungsfaktor
- kM
- Antriebsmomentenfaktor
- MA
- vom Antriebsmotor erzeugtes Drehmoment
- MG
- vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators erzeugtes Drehmoment
- nG
- Drehzahl des Generators
- nR
- Drehzahl eines durch den Antriebsmotor angetriebenen Rades
- PP
- Pedalleistung
- PG
- Generatorleistung
- PM
- Motorleistung
- PR
- Radleistung
- PA
- Speicherleistung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19600698 A1 [0002]
- EP 1165188 B1 [0003]
