DE102014218681A1 - Abbremsen eines Pedelecs mit einem extra Generator - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbremsen eines Zweirades (2) mit einem Rahmen (6), der fahrbar auf einem durch einen Elektromotor (4) angetriebenen ersten Rad (10) und auf einem mit einer vom Elektromotor (4) verschiedenen elektrischen Maschine (39) wirkverbundenen zweiten Rad (8) getragen ist, umfassend: – Empfangen einer das Abbremsen anzeigenden Bremsanforderung (31, 40), und – Abbremsen des zweiten Rades (8) mit der elektrischen Maschine (39) basierend auf der Bremsanforderung (31, 40).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abbremsen eines Zweirades, eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Zweirad mit der Vorrichtung.
  • Es ist bekannt, bei über einen Elektromotor antreibbaren Zweirädern eine sogenannte Rekuperationsbremsung durchzuführen, im Rahmen dessen der Elektromotor die kinetische Energie des Zweirades in elektrische Energie zurückwandelt und in einem Energiespeicher hinterlegt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, die Rekuperationsbremsung zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Abbremsen eines Zweirades mit einem Rahmen, der fahrbar auf einem durch einen Elektromotor angetriebenen ersten Rad und auf einem mit einer vom Elektromotor verschiedenen elektrischen Maschine wirkverbundenen zweiten Rad getragen ist, die Schritte:
    • – Empfangen einer das Abbremsen anzeigenden Bremsanforderung, und
    • – Abbremsen des zweiten Rades mit der elektrischen Maschine basierend auf der Bremsanforderung.
  • Dem angegebenen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass bei einer Rekuperationsbremsung über einen vergleichsweise kurzen Zeitraum Leistungsflüsse mit sehr hohen Spitzenwerte anfallen können, weil das Zweirad schnell von einem hohen Tempo auf ein niedriges abgebremst werden soll. Diese hohen Leistungsflüsse muss das Rekuperationselement, das die kinetische Energie des Zweirades zurück in elektrische Energie wandelt, über den kurzen Zeitraum aushalten können. Demgegenüber muss jedoch der das Zweirad antreibende Elektromotor ausgelegt sein in einem stationären Zustand (das heißt, einen gegenüber der Rekuperationsbremsung vergleichsweise langen Zeitraum) das Fahrrad mit einem konstanten, jedoch gegenüber der Rekuperationsbremsung vergleichsweise kleinen Leistungsfluss anzutreiben. Zur Kombination dieser beiden Kriterien müsste ein Kompromiss geschlossen werden, zwischen einem vergleichsweise kostenintensiven Elektromotor der beide Kriterien so gut wie möglich ineinander vereint und einem Verzicht auf eine vollständige Rekuperation von in elektrische Energie zurückwandelbarer kinetischer Energie.
  • Hier greift das angegebene Verfahren mit dem Vorschlag an, zur Rekuperationsbremsung eines Zweirades eine vom Elektromotor unabhängige elektrische Maschine anzusteuern, die in wirtschaftlich günstiger Weise optimal auf den bei einer Rekuperationsbremsung auftretenden vergleichsweise kurzen Leistungsfluss ausgelegt werden kann, so dass hier die rückwandelbare kinetische Energie des Zweirades zu nahezu einhundert Prozent in elektrische Energie gewandelt werden kann. Auf der anderen Seite braucht auch der Elektromotor in wirtschaftlich günstiger Weise nur auf den stationären Antriebsfall und damit auf den Dauerbetriebsfall ausgelegt werden. Zwar sind zur Ausführung des Ausführung des angegebenen Verfahrens zwei verschiedene elektrische Maschinen notwendig, diese können aber in der Summe günstiger hergestellt werden, als ein Elektromotor, der die oben genannten Eigenschaften in einer Einheit vereint, wobei gleichzeitig dennoch die wandelbare kinetische Energie des Zweirades bei einer Rekuperationsbremsung nahezu zu 100% in elektrische Energie zurückgewandelt werden kann.
  • Zwar kann das Abbremsen mit der elektrischen Maschine prinzipiell beliebig erfolgen worauf an späterer Stelle näher eingegangen wird, prinzipiell sollte die elektrische Maschine aber als Generator verwendet und mit ihr eine Rekuperationsbremsung durchgeführt werden. Daher wird in einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens zum Abbremsen des zweiten Rades kinetische Energie des zweiten Rades durch die elektrische Maschine in elektrische Energie gewandelt. Alternativ ist es jedoch denkbar, das Abbremsen über das Zweirad sowohl mittels der elektrischen Maschine am zweiten Rad als auch mittels des Elektromotors am ersten Rad durchzuführen, wie nachfolgend näher beschrieben.
  • Mit der gewandelten elektrischen Energie kann dann zwar jeder beliebige Verbraucher am Zweirad betrieben werden, in der Regel kann die gewandelte elektrische Energie jedoch nicht in voller Höhe unmittelbar weiterverwendet werden. Daher sollte mit der gewandelten elektrischen Energie aus der elektrischen Maschine ein Akkumulator, oder auch Zwischenspeicher genannt, geladen werden.
  • Um dabei Beschädigungen am Akkumulator beispielsweise durch eine Überladung zu vermeiden, kann in einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens der Ladestand des Akkumulators erfasst werden. Sollte der Ladestand des Akkumulators eine vorbestimmte Ladestandsbedingung erfüllen, die beispielsweise vom vollen Ladestand abhängen kann, dann kann die Rekuperationsbremsung mit der elektrischen Maschine beendet oder unterdrückt werden, wobei hierbei das Fahrrad grundsätzlich in jeder beliebigen alternativen Weise abgebremst werden kann, ohne dass der Akkumulator weiter gebremst werden muss. Eine Möglichkeit wäre, beispielsweise eine konventionelle Reibbremse zu verwenden.
  • In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des angegebenen Verfahrens wird zum Abbremsen des zweiten Rades in der elektrischen Maschine durch Zufuhr elektrischer Energie ein Drehmoment entgegen einer Drehrichtung des zweiten Rades aufbaut, wenn der Ladestand des Akkumulators die vorbestimmte Bedingung erfüllt. Auf diese Weise kann die elektrische Maschine neben ihrer Generatorfunktion im Rahmen der Rekuperationsbremsung auch als normale energievernichtende Bremse verwendet werden, wobei hierbei beispielsweise gegenüber einer Reibbremse keine Abnutzung von Materialen während der Bremsung erfolgt, weil die Bremsung nur über das Drehfeld der elektrischen Maschine ohne Materialkontakt erfolgt.
  • In einer anderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens kann die zugeführte elektrische Energie zumindest teilweise vom Elektromotor ausgegeben werden, der rein prinzipiell im Falle einer Bremsung immer noch für eine Rekuperationsbremsung eingesetzt werden kann, jedoch mit einem entsprechend schwachen Wirkungsgrad. Mit anderen Worten können im Rahmen des angegebenen Verfahrens zwei verschiedene Bremskreise vorgesehen werden, die jeweils durch den Elektromotor und / oder durch die elektrische Maschine realisiert werden. So ist es beispielsweise denkbar den Elektromotor und die elektrische Maschine abwechselnd, aber auch gleichzeitig zur Bremsung und ggf. auch gleichzeitig zur Rekuperation einzusetzen.
  • Dabei könnte der durch den Elektromotor realisierte Bremskreis basierend auf der gleichen Bremsanforderung aktiviert werden, basierend auf der auch der Bremskreis mit der elektrischen Maschine aktiviert wird. Alternativ können auch beide Bremskreise mit unterschiedlichen Bremsanforderungen aktiviert werden, wobei beispielsweise der Fahrer beide Bremsanforderungen individuell vorgeben kann. In jedem Fall könnte das Umschalten zwischen der Funktion der elektrischen Maschine als Generator zur Darstellung der Rekuperationsbremsung und als Elektromotor zur Darstellung der energievernichtenden Bremse beispielsweise von einer Steuereinrichtung vorgenommen werden.
  • Alternativ oder zusätzlich könne im Rahmen einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens eine mechanische Bremse zum Abbremsen des ersten und/oder zweiten Rades angesteuert werden, wenn die Bremsanforderung eine vorbestimmte Bremsbedingung erfüllt wird. Diese vorbestimmte Bremsbedingung kann prinzipiell beliebig ausgewählt werden, wobei im Rahmen dieser Bremsanforderung Fälle berücksichtigt werden sollten, in denen eine überdurchschnittlich hohe Bremsleistung, wie beispielsweise bei einer Notbremsung abgerufen wird.
  • In einer noch alternativen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens erfolgt das Abbremsen des zweiten Rades mit der elektrischen Maschine ferner basierend auf einer Drehzahl des ersten Rades und/oder zweiten Rades. Auf diese Weise ließe sich beispielsweise ein radindividuelles Antiblockiersystem realisieren, bei dem die Rekuperationsbremsung und/oder die energievernichtenden Bremsen pulsartig geschaltet werden könnten.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Steuervorrichtung eingerichtet, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  • In einer Weiterbildung der angegebenen Filtervorrichtung weist die angegebene Vorrichtung einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist das angegebene Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Programmcodemittel, um alle Schritte eines der angegebenen Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer der angegebenen Vorrichtungen ausgeführt wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Computerprogrammprodukt einen Programmcode, der auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, eines der angegebenen Verfahren durchführt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Zweirad einen Elektromotor, ein durch den Elektromotor angetriebenes erstes Rad, eine elektrische Maschine, ein mit der elektrischen Maschine wirkverbundenes zweites Rad getragen ist, ein Rahmen, der auf dem ersten und zweiten Rad fahrbar getragen ist, eine Bremsbetätigungseinrichtung zum Erzeugen einer Bremsanforderung und eine der angegebenen Steuervorrichtungen zum Abbremsen wenigstens des zweiten Rades basierend auf der Bremsanforderung.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Fahrrades mit einer über eine Auslösevorrichtung betätigbaren Bremse,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Ausführung für die Auslösevorrichtung aus 1,
  • 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung für die Auslösevorrichtung aus 1, und
  • 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung für die Auslösevorrichtung aus 1 zeigen.
  • In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
  • Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine schematische Darstellung eines Fahrrades 2 mit einem unterstützenden Hilfsantrieb 4 zeigt.
  • Das Fahrrad 2 umfasst einen Rahmen 6, der auf einem Vorderrad 8 und einem Hinterrad 10 fahrbar auf einem nicht weiter dargestellten Untergrund, wie beispielsweise einer Straße getragen wird. Das Hinterrad 10 ist dabei über ein Kettenblatt 12 und eine Kette 13 antreibbar, wobei das Kettenblatt 12 über ein Tretlager 14 mit einer Tretlagerwelle 16 und zwei axial beabstandeten und radial von der Tretlagerwelle 16 abragenden Kurbelarmen 18 in an sich bekannter Weise drehbar ist.
  • Das Vorderrad 8 ist dabei an einer drehbar am Rahmen gehaltenen Vorderradgabel 20 gehalten während das Hinterrad 10 an einer einstückig mit dem Rahmen 6 ausgebildeten Hinterradgabel 22 gehalten ist.
  • Im Betrieb des Fahrrades 2 kann ein Fahrer die Vorderradgabel 20 über einen Lenker 24 relativ zum Rahmen 6 drehen, um die Fahrtrichtung des Fahrrades 2 zu ändern. Um die Tretlagerwelle 16 über die Kurbelarme 18 zu drehen sind an diesem radial beabstandet zur Tretlagerwelle 16 Pedale 26 angeordnet, die der Fahrer mit seinen Füßen treten kann. Ferner ist an dem Fahrrad 6 ein Sitz 28 angeordnet, auf dem der Fahrer während der Fahrt sitzen kann.
  • Neben der Kette 13 kann das Hinterrad 10 auch über den Hilfsmotor 4 mit elektrischer Antriebsenergie 29 angetrieben werden, beispielsweise wenn ein Trittmoment, mit der Fahrer des Fahrrades 2 die Tretlagerwelle 16 über die Pedale 26 tritt zu groß wird. Auf eine entsprechende Steuerung hierzu soll nachstehend der Kürze halber nicht eingegangen werden.
  • Um das Fahrrad 2 während der Fahrt abzubremsen ist an dem Fahrrad 2 eine mechanische Vorderbremse 30 und eine mechanische Hinterbremse 32 angeordnet. Der Fahrer kann an beide Bremsen 30, 32 über eine Auslösevorrichtung 33 seinen Bremswunsch vorgeben. Dieser soll dann im Rahmen der vorliegenden Ausführung rein illustrativ an der mechanischen Vorderbremse 30 mit einem einen Bowdenzug 31 enthaltenden Übertragungselement 34 und an der mechanischen Hinterbremse 32 mit einem alternativen Übertragungselement 36 übertragen werden, dass eine Hydraulikflüssigkeit 35 umfasst. Diese Übertragungselemente 34, 36 steuern im Rahmen der vorliegenden Ausführung an sich bekannte Bremsaktuatoren 37 an, die dann entsprechend an das Vorderrad 8 und an das Hinterrad 10 angreifen und das Fahrrad 2 mit einem mechanischen Widerstand verzögern. Eine derartige mechanische Bremse, die ein Fahrzeug basierend auf einem mechanischen Widerstand verzögert und somit Bewegungsenergie vernichtet, soll nachstehend Widerstandsbremse genannt werden.
  • Eine Alternative zur Widerstandsbremse stellt eine Rekuperationsbremse 38 dar. Diese soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung entweder alternativ zur oder zusätzlich zur Widerstandsbremse an einem Fahrrad verbaut sein. Im Rahmen der vorliegenden Ausführung ist die Rekuperationsbremse 38 illustrativ zusätzlich zur als Widerstandsbremse ausgebildeten mechanischen Vorderbremse 30 verbaut.
  • Kern der Rekuperationsbremse 38 ist ein Bremsgenerator 39 am Vorderrad 8 des Fahrrades 2. Zum Betrieb der Rekuperationsbremse 38 könnte der oben genannte Bremswunsch mit einem Positionssensor 41 in der Auslösevorrichtung 33 der Hinterbremse 32 erfasst und in Form eines Messsignals 40 an eine Bremssteuervorrichtung 42 übertragen werden. Diese schaltet daraufhin (der Übersichtlichkeit halber in nicht näher dargestellter Weise) den Bremsgenerator 39 ein, der das Vorderrad 10 in an sich bekannter Weise durch Wandeln der kinetischen Energie des Vorderrades 10 in elektrische Bremsenergie 43 abbremst. Optional könnte die Bremssteuervorrichtung 42 noch anhand der Bremsenergie ermitteln, inwieweit zusätzlich noch die als Widerstandsbremse ausgebildete Hinterbremse 32 benötigt wird und den Bremsaktuator 37 mit einem geeigneten Steuersignal 44 ansteuern.
  • Die gewonnene elektrische Bremsenergie 43 kann dann in einem elektrischen Energiespeicher 46 gespeichert und bei Bedarf zum Antrieb des Hilfsmotors 4 als die elektrische Antriebsenergie 29 verwendet werden.
  • Sowohl der elektrische Hilfsmotor 4 als auch der elektrische Bremsgenerator 39 können prinzipbedingt sowohl motorisch als auch generatorisch wirken, was in nachstehender und anhand von 2 und 3 gezeigter Weise besonders effizient ausgenutzt werden soll.
  • An die Bremssteuervorrichtung 42 kann dabei als Bremsanforderung neben der Zugkraft des Bowdenzuges 31 (alternativ auch eine hydraulische Kraft) auch das Messsignal 40 aus der Auslösevorrichtung 33 empfangen. Zum Fail-Safe kann die Bremsanforderung aus dem Bowdenzug 31 auch weiterhin direkt an den Bremsaktuator 37 ausgegeben werden. Basierend auf dem Messsignal 40 kann die Bremssteuervorrichtung 42 den Hilfsmotor 4 in einen generatorischen Betrieb umschalten, so dass dieser wie der Bremsgenerator 39 Bremsenergie 43 abgibt. Solange der Energiespeicher 46 elektrische Energie aufnehmen kann, also noch nicht vollständig geladen ist, kann die Bremssteuervorrichtung 42 einen Ladeschalter 50 schließen und den elektrischen Energiespeicher 46 laden.
  • Ist der elektrische Energiespeicher 46 vollständig aufgeladen, dann kann die Bremssteuervorrichtung 42, wie in 3 gezeigt, den Ladeschalter 50 öffnen, um eine Überladung des elektrischen Energiespeichers 46 zu vermeiden. Sollte kein elektrischer Verbraucher zur Verfügung stehen, um die Bremsenergie 43 aufzunehmen, dann kann die Bremssteuervorrichtung 42 den Bremsgenerator 39 in einen motorischen Betrieb umstellen und mit elektrischer Antriebsenergie 29 versorgen. Anders als der Hilfsmotor 4 bei der Antriebsunterstützung wirkt der Bremsgenerator 39 im motorischen Betrieb mit der Antriebsenergie 29 der Drehung des Vorderrades 8 entgegen und bremst es so ab. Auf diese Weise ist eine elektrische Bremse realisiert.
  • Bedarfsweise kann die Bremssteuereinrichtung beispielsweise aus den Resolvern der beiden elektrischen Maschinen 4, 39 die Drehwinkelinformationen 52 erfassen und daraus einen Schlupf zwischen dem Vorderrad 8 und dem Hinterrad 10 ableiten, basierend auf dem praktisch kostenlos ein Antiblockiersystem realisiert wäre, weil alle anderen Aktoren zur Realisierung des Antiblockiersystem ebenfalls bereits in dem Fahrrad 2 vorhanden sind.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Abbremsen eines Zweirades (2) mit einem Rahmen (6), der fahrbar auf einem durch einen Elektromotor (4) angetriebenen ersten Rad (10) und auf einem mit einer vom Elektromotor (4) verschiedenen elektrischen Maschine (39) wirkverbundenen zweiten Rad (8) getragen ist, umfassend: – Empfangen einer das Abbremsen anzeigenden Bremsanforderung (31, 40), und – Abbremsen des zweiten Rades (8) mit der elektrischen Maschine (39) basierend auf der Bremsanforderung (31, 40).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Abbremsen des zweiten Rades (8) kinetische Energie des zweiten Rades (8) durch die elektrische Maschine (39) in elektrische Energie (43) gewandelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, umfassend: – Laden eines Akkumulators (46) mit der gewandelten elektrischen Energie (43) aus der elektrischen Maschine (39).
  4. Verfahren nach Anspruch 3, umfassend: – Erfassen eines Ladestandes des Akkumulators (39), – wobei zum Abbremsen des zweiten Rades (8) in der elektrischen Maschine (39) durch Zufuhr elektrischer Energie (29) ein Drehmoment entgegen einer Drehrichtung des zweiten Rades (8) aufbaut, wenn der Ladestand des Akkumulators (46) eine vorbestimmte Ladestandsbedingung erfüllt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zugeführte elektrische Energie (29) zumindest teilweise vom Elektromotor (4) ausgegeben wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Elektromotor (4) die elektrische Energie (29) basierend auf der das Abbremsen anzeigenden Bremsanforderung (31, 40) oder einer weiteren Bremsanforderung ausgibt.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend: – Ansteuern einer mechanischen Bremse (37) zum Abbremsen des ersten und/oder zweiten Rades 8, 10), wenn die Bremsanforderung (31, 40) eine vorbestimmte Bremsbedingung erfüllt.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Abbremsen des zweiten Rades (8) mit der elektrischen Maschine (39) ferner basierend auf einer Drehzahl (52) des ersten Rades (10) und/oder zweiten Rades (8) erfolgt.
  9. Steuervorrichtung (42), die eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  10. Zweirad (2), umfassend: – einen Elektromotor (4), – ein durch den Elektromotor (4) angetriebenes erstes Rad (10), – eine elektrische Maschine (39), – ein mit der elektrischen Maschine (39) wirkverbundenes zweites Rad (8) getragen ist, – ein Rahmen (6), der auf dem ersten und zweiten Rad (8, 10) fahrbar getragen ist, – eine Bremsbetätigungseinrichtung (33) zum Erzeugen einer Bremsanforderung (31, 40) und – eine Steuervorrichtung (42) nach Anspruch 9 zum Abbremsen wenigstens des zweiten Rades (8) basierend auf der Bremsanforderung (31, 40).
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