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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichervorrichtung für ein Fahrzeug, wie z.B. ein Fahrrad, ein Dreirad, ein Vierrad-Tretmobil oder ein anderes Elektrofahrzeug/-flugzeug, einen elektrischen Hilfsantrieb sowie eine Multifunktions-Energiespeichervorrichtung.
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Bekanntermaßen umfasst eine Energiespeichervorrichtung für ein Fahrzeug eine Energiespeichereinheit, die in einem Gehäuse aufgenommen ist. Das Gehäuse ist meistens an einem statischen Abschnitt des Fahrzeugs, wie z.B. an einem Rahmen oder einem Gepäckträger, montiert, wohingegen eine von der Energiespeichervorrichtung gespeiste Vorrichtung, beispielsweise ein Motor, an einem antreibenden Rad des Fahrzeugs oder mit diesem wirkverbunden angeordnet ist.
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Beispielsweise ist ein Fahrrad mit einem elektrischen Hilfsantrieb, bei welchem die Energiespeichervorrichtung an einem Fahrradrahmen befestigt ist, aus den Dokumenten
WO 2016/012547 A1 und
US 2004/0050604 A1 bekannt und ein Fahrrad mit einem elektrischen Hilfsantrieb, bei welchem die Energiespeichervorrichtung am Sattelrohr des Fahrrads zwischen Sattel und Rahmen aufgenommen und am Lenkkopf befestigt ist, aus der
DE 20 2009 011 119 U1 bekannt.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen der Energiespeichervorrichtung an einem Fahrzeug haben jedoch den Nachteil, dass an der jeweiligen Anbringstelle andere Komponenten, wie beispielsweise eine Halterung für Getränkeflaschen oder ein Transportkorb, nicht mehr angebracht werden können. Des Weiteren ist ein an einem Rahmen oder zwischen Rahmen und Sattel befestigtes Gehäuse nicht gut in das Design des Fahrrads integrierbar und somit optisch nicht ansprechend. Auch wird durch die genannten Befestigungen der Schwerpunkt des Fahrzeugs erhöht, was den Fahrkomfort verschlechtert und im Falle eines Zweirads die Gefahr des Umkippens erhöht.
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Eine andere Möglichkeit, eine Energiespeichervorrichtung und eine von dieser gespeiste Vorrichtung in ein Fahrrad zu integrieren, ist in der
EP 1 820 727 A1 gezeigt. Nach dieser wird eine rotierbare elektrische Maschine, die als elektrischer Erzeuger und auch als elektrischer Motor dient, von einem Rad aufgenommen. Zudem sind an den seitlichen sich mit dem Rad synchron bewegenden Abschnitten des Rades Mittel angebracht, um Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Die somit gewonnene Energie wird an mit dem Rad synchron bewegten seitlichen Abschnitten des Rades angebrachten Energiespeichermitteln gespeichert. Das heißt, die Motoreinheit und die Energiespeichermittel drehen sich mit dem Rad mit. Zwar kann auf diese Weise sowohl die Antriebseinheit als auch die Energiespeichervorrichtung in ein Rad integriert werden, jedoch wird dadurch die zusammen mit dem Rad zu bewegende Masse erhöht und somit sehr viel Energie benötigt, um dieses anzutreiben.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine in ein Fahrzeug integrierte Energiespeichervorrichtung bereitzustellen, welche sich harmonisch und konstruktiv in das Design des Fahrzeugs einfügt und das Fahrverhalten des Fahrzeugs im Wesentlichen nicht verändert.
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Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung nach einem ersten Aspekt eine Energiespeichervorrichtung für ein Fahrzeug bereit, welche eine Energiespeichereinheit und ein Gehäuse umfasst, wobei das Gehäuse dazu eingerichtet ist, sich um die Energiespeichereinheit zu drehen.
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Durch die Einteilung der Energiespeichervorrichtung in eine dynamische und eine statische Einheit, kann diese sehr gut in ein Fahrzeug/Bauteile mit sowohl statischen als auch beweglichen Teilen integriert werden. Des Weiteren ist es mittels der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtungen möglich, lediglich das Gehäuse drehbar auszulegen, wodurch die zu bewegende Masse der Energiespeichervorrichtung reduziert ist. Somit kann die Energiespeichervorrichtung beispielsweise in ein Rad eines Fahrzeugs integriert werden. Dies hätte weiterhin den Vorteil, dass die Energiespeichereinrichtung an einem das Gesamtfahrzeug betrachtet bodennahen Bereich angeordnet werden kann, wodurch sich der Schwerpunkt des Fahrzeugs nicht erhöht. Somit wird das Fahrverhalten des Fahrzeugs durch die Energiespeichervorrichtung im Wesentlichen nicht verändert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung weist die Energiespeichereinheit zumindest teilweise einen Achsabschnitt auf, der eine Drehachse definiert, wobei das Gehäuse um die Drehachse drehbar ist. Der Achsabschnitt wird vorzugsweise von der Energiespeichereinheit ausgebildet. Auf diese Weise kann die Energiespeichervorrichtung mittels einer in den Achsabschnitt eingebrachten oder von der Energiespeichereinheit ausgebildeten Achse an einem Abschnitt eines Fahrzeugs gelagert werden.
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Vorteilhafterweise handelt es sich bei der Drehachse um eine Vorderradachse eines Fahrzeugs. Ferner ist jedoch auch denkbar, dass es sich bei der Drehachse um eine Hinterradachse eines Fahrzeugs handelt. In beiden Varianten kann die Energiespeichervorrichtung in das Rad derart integriert werden, dass der Gesamteindruck des Fahrzeugs nicht gestört ist. Das heißt, die Energiespeichervorrichtung ist nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, ein optisch störender Kasten am Rahmen des Fahrzeugs, sondern ein Teil des Rades. Des Weiteren ist lediglich das Gehäuse drehbar und nicht die Energiespeichervorrichtung selbst, wodurch die Schwungmasse des Rades lediglich geringfügig erhöht wird und folglich die zum Antreiben des Rades benötigte Energie nicht wesentlich erhöht ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung umfasst die Energiespeichereinheit mindestens einen Energiespeicher, wie beispielsweise eine Batterie oder mehrere eine Batterie bildende Batteriemodule, und einen Energiespeicherhalter. Der Energiespeicherhalter ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Die Energiespeicher sind vorzugsweise zumindest teileweise in dem Energiespeicherhalter aufgenommen. Ferner kann die Energiespeichereinheit ein Energiespeichermanagementsystem (EMS) umfassen, welches ebenfalls von dem Energiespeicherhalter gehaltert sein kann oder in Kommunikationsverbindung mit der Energiespeichereinheit stehen kann. Das heißt das Energiespeichermanagementsystem kann in die Energiespeichereinheit integriert sein oder von dieser beabstandet angeordnet sein.
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Des Weiteren kann die Energiespeichervorrichtung ein mit der Energiespeichereinheit verbundenes Kabel umfassen. Das Kabel kann für Lade- und Entladevorgänge des Energiespeichers dienen und ist vorzugsweise von dem Energiespeicher durch den Achsabschnitt an die Außenseite des Gehäuses geführt. Das Kabel kann ferner zur Energieversorgung einer von der Energiespeichervorrichtung beabstandeten Vorrichtung, beispielsweise einem Motor, eingerichtet sein.
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Vorzugsweise ist ein Befestigungsaufsatz an einem oder/und beiden freiliegenden seitlichen Enden des Achsabschnitts zur Befestigung der Energiespeichereinheit an einem Ausfallende einer Vorderradgabel eines Fahrzeugs angebracht. Durch die Bereitstellung des Befestigungsaufsatzes als ein separates Bauteil, welches an der Energiespeichereinheit, insbesondere dem Energiespeicherhalter angebracht ist, können für die Energiespeichereinrichtung, insbesondere den Energiespeicherhalter, und den Befestigungsaufsatz unterschiedliche Materialien gewählt werden. Auf diese Weise kann die Aufnahme der Energiespeichervorrichtung in ein Fahrzeug sehr stabil gestaltet werden. Zum Beispiel kann der Befestigungsaufsatz aus einem metallischen Material, Aluminium oder einer Legierung gefertigt sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Befestigungsaufsätze von der Energiespeichereinheit, insbesondere dem Energiespeicherhalter, selbst ausgebildet werden. Dies hätte den Vorteil, dass kein zusätzliches Bauteil hergestellt werden muss, wodurch die Herstellungskosten sowie die notwendigen Montageschritte reduziert sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Energiespeichervorrichtung ferner ein Lager, wie beispielsweise ein Kugellager oder ein Wälzlager, mittels welchem das Gehäuse gegenüber der Energiespeichereinheit drehbar ist. Ein Innenring des Lagers kann auf der Energiespeichereinheit, vorzugsweise dem Energiespeicherhalter, abgestützt sein. Alternativ kann der Innenring des Lagers auf dem mit der Energiespeichereinheit, vorzugsweise mit dem Energiespeicherhalter, verbundenen Befestigungsaufsatz abgestützt sein. Der Befestigungsaufsatz kann mit der Energiespeichereinheit, vorzugsweise dem Energiespeicherhalter, integral ausgebildet oder als separates Bauteil mit dem Energiespeicherhalter verbunden sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Befestigungsaufsatz an einem jeweiligen Ende des Achsabschnitts vorgesehen.
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Für die Drehung des Gehäuses um die Energiespeichereinheit kann das Gehäuse auf einem Außenring des Lagers abgestützt sein.
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Vorzugsweise werden von einem Abschnitt des Fahrzeugs auf den Befestigungsaufsatz und folglich durch den Befestigungsaufsatz übertragende Kräfte über einen Teilbereich des Energiespeicherhalters auf das Lager und über das Lager auf das Gehäuse übertragen. Alternativ können die durch den Befestigungsaufsatz übertragenen Kräfte direkt auf das Lager und über das Lager auf das Gehäuse übertragen werden. Dabei erfordert die erstgenannte Variante einen geringen konstruktiven Aufwand und ist daher unter dem Aspekt einer einfachen Fertigung von Vorteil. Die letztgenannte Variante stellt jedoch eine stabilere Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung dar, da in den Befestigungsaufsatz eingeleitete Kräfte nicht über den Energiespeicherhalter übertragen werden, so dass der Befestigungsaufsatz gezielt an die aufzunehmenden Kräfte angepasst werden kann und der Energiespeicherhalter aus einem beispielsweise weniger stabilen und leichteren Material gefertigt werden kann. Bei einer Ausführung der Energiespeichervorrichtung gemäß der letztgenannten Variante kann daher das Gewicht der Energiespeichereinrichtung gegenüber der erstgenannten Variante verringert werden.
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Der Befestigungsaufsatz weist vorzugsweise einen äußeren Abstützbereich auf, welcher dazu eingerichtet ist, dass sich ein Ausfallende einer Vorderradgabel darauf abstützen kann. Ferner ist der Befestigungsaufsatz vorzugsweise dazu eingerichtet, einen inneren Aufnahmebereich zum Aufnehmen einer Achse aufzuweisen. Folglich kann mittels des Befestigungsaufsatzes die Energiespeichervorrichtung ohne erhöhten konstruktiven Aufwand in ein Rad eines Fahrzeugs integriert werden.
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Das Gehäuse der Energiespeichervorrichtung weist vorteilhafterweise an seiner Außenseite Speichenaufnahmen zur Aufnahme von entsprechenden Speichenenden auf. Auf diese Weise kann die Energiespeichervorrichtung sehr gut in ein Rad, insbesondere in ein Vorderrad, eines Fahrzeugs integriert werden. Das heißt, bei einer Integration der Energiespeichervorrichtung in ein Rad, dreht sich das Gehäuse synchron mit den Speichen und dem Rad. Auf diese Weise übernimmt die Energiespeichervorrichtung die Aufgabe der Radnabe, da keine zusätzliche herkömmliche Radnabe benötigt wird.
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Bei Anbringung der Energiespeichervorrichtung an einem Fahrzeug ist diese zwangsläufig Witterungsbedingungen, wie beispielsweise Regen, ausgesetzt. Zum Schutz der Energiespeichereinheit vor einem Eindringen von Nässe kann diese vollständig in dem Gehäuse sowie den Achsabschnitt zumindest teilweise abdeckenden Befestigungsaufsatz aufgenommen sein. Vorzugsweise umfasst die Energiespeichervorrichtung mehrere Abdichtelemente, die ein Eindringen von Feuchtigkeit in das Gehäuse und auf die Energiespeichereinrichtung verhindern.
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Das durch die Öffnung geführte Kabel oder die mehreren durch die Öffnung geführten Kabel können eine Vorrichtung mit in dem Energiespeicher gespeicherter Energie versorgen. Zwischen dem Energiespeicher und der Vorrichtung kann eine Stromverteilerbox zwischengeschaltet sein. Ferner können das oder die Kabel mit einem Anschluss, welcher vorzugsweise an der Stromverteilerbox ausgebildet ist, verbunden sein, um den Energiespeicher aufzuladen.
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Bekanntermaßen kommt es durch einen sich während eines Entladevorgangs erhöhenden Innenwiderstands in einem Energiespeicher, wie z.B. einer Batterie, zu einer Erwärmung. Des Weiteren kann sich der Energiespeicher durch Umwelteinflüsse, z. B. durch Sonneneinstrahlung, lokal erwärmen. Dies kann die Lebensdauer des Energiespeichers verringern oder diesen sogar irreversibel schädigen. Um solch eine schädigende Erwärmung zu vermeiden, kann die Energiespeichervorrichtung eine Kühlstruktur aufweisen. Diese ist vorzugsweise an dem Gehäuse, insbesondere an der Gehäuseinnenseite, ausgebildet. Auf diese Weise kann sich die Kühlstruktur zusammen mit dem Gehäuse um die Energiespeichereinrichtung bewegen. Es wird folglich zum Bewegen der Kühlstruktur, also zum Kühlen der Energiespeicher, keine zusätzliche Energie benötigt.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung handelt es sich bei der Kühlstruktur um Kühlrippen, welche bei sich drehendem Gehäuse die in dem Gehäuse, insbesondere zwischen dem Gehäuse und der Energiespeichereinheit, vorhandene Luft in Richtung eines Drehzentrums des Gehäuses leiten und einen Austausch von Luft verschiedener Bereiche innerhalb des Gehäuses erhöhen. Mittels der durch die Kühlrippen verursachten Luftbewegung kann sich kühlere Luft innerhalb der Energiespeichervorrichtung, mit erwärmter Luft innerhalb der Energiespeichervorrichtung vermischen. Dabei kann kältere Luft beispielsweise in Bereichen des Gehäuses vorhanden sein, die keine direkte Sonneneinstrahlung erfahren oder welche durch Fahrtwind abgekühlt sind, und wärmere Luft beispielsweise in Bereichen des Gehäuses sein, die nahe der Energiespeicher liegen.
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Ein durch die Kühlstruktur initiierter Austausch von Luft unterschiedlicher Temperaturen trägt zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung innerhalb des Gehäuses bei. Auf diese Weise können lokale Überhitzungen und die damit einhergehende verringerte Lebensdauer bzw. Schädigung des Energiespeichers vermieden werden.
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Hierbei ist insbesondere anzumerken, dass diese Kühlung, welche wie eine Art Wärmetauscher funktioniert, ohne einen zusätzlichen Antrieb bzw. ohne einen zusätzlichen Energiebeitrag, der über den für die Drehung des Gehäuses ohnehin benötigten Energiebeitrag hinausgeht, betreibbar ist.
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Vorzugsweise beträgt ein Abstand zwischen der Kühlstruktur und einer Außenfläche der Energiespeichereinheit mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 3 mm und höchstvorzugsweise mindestens 5 mm, vorzugsweise jedoch maximal 10 mm.
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Es ist wünschenswert, um eine hinreichende Luftzirkulation zwischen dem Gehäuse und der Energiespeichereinheit zu gewährleisten, dass ein horizontaler Abstand zwischen der mit einer Kühlstruktur versehenen Zylinderseiten-Innenfläche des Gehäuses und einer dieser Fläche zugewandten Außenfläche der Energiespeichereinheit mindestens 1 mm, vorzugsweise mindestens 3 mm und höchstvorzugsweise mindestens 5 mm, vorzugsweise jedoch maximal 10 mm beträgt. Dabei kann bei einem Abstand von 1 mm die Gesamtgröße der Energiespeichervorrichtung relativ gering gehalten werden, wohingegen ein größerer Abstand von beispielsweise 5 mm die Luftdurchströmung der Energiespeichervorrichtung geringfügig verschlechtert. Ein Abstand von mindestens 3 mm kann folglich den für die Energiespeichervorrichtung benötigten Bauraum gering halten und dennoch einen hinreichend großen Bereich für Luft und somit eine effektive Kühlung bereitstellen.
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Ein vertikaler Abstand zwischen der mit einer Kühlstruktur versehenen Zylindermantel-Innenfläche des Gehäuses und einer dieser Fläche zugewandten Außenfläche der Energiespeichereinheit kann den Abmessungen des horizontalen Abstandes entsprechen. Dadurch ergeben die sich in Bezug auf den horizontalen Abstand genannten Vorteile gleichermaßen. Vorzugsweise ist der vertikale Abstand geringer als der horizontale Abstand. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der vertikale Abstand halb so groß wie der horizontale Abstand.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Energiespeichervorrichtung und eine von der Energiespeichervorrichtung gespeiste Vorrichtung, insbesondere eine Motoreinheit, in unterschiedlichen Gehäusen aufgenommen und insbesondere an einem Fahrzeug räumlich getrennt angeordnet. Eine räumliche Trennung von Energiespeichervorrichtung und einer von dieser gespeisten Vorrichtung verhindert eine Übertragung von Wärme zwischen den genannten Vorrichtungen. Insbesondere, wenn durch die Energiespeichervorrichtung eine Motoreinheit betrieben wird, erzeugt diese in Betrieb zusätzliche Wärme, welche sich bei einer räumlich nahen Anordnung zu dem Energiespeicher negativ auf dessen Lebensdauer auswirken würde. Ferner ist eine räumlich getrennte Anordnung von Energiespeichervorrichtung und der von dieser gespeisten Vorrichtung von Vorteil, da somit beide Vorrichtungen sehr flexibel an einem Fahrzeug anbringbar sind und getrennt voneinander harmonisch in das Design des Fahrzeugs integriert werden können. Zum Beispiel kann die Energiespeichervorrichtung in einem Vorderrad des Fahrzeugs angebracht sein und die von dieser gespeisten Vorrichtung in einem Hinterrad angebracht sein.
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Ebenso ist denkbar, dass die Energiespeichereinrichtung ferner dazu eingerichtet ist, eine Beleuchtungskomponente eines Fahrzeugs mit Energie zu versorgen. Auf diese Weise könnte das Fahrzeug, ohne ein Mitführen zusätzlicher Energiespeichereinrichtungen, wie beispielsweise Batterien oder Akkus für Lampen, beleuchtet werden. Dies hat einerseits den Vorteil, dass der Anwender weniger einzelne Komponenten handhaben muss, und andererseits wird somit das Gesamtgewicht des Fahrzeugs reduziert.
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Für einen Anwender, welcher eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung verwendet, ist es von Interesse, wie viel Energie zum gegenwärtigen Zeitpunkt in dem Energiespeicher gespeichert ist. Daher ist es für den Anwender komfortabel, wenn die Energiespeichervorrichtung, insbesondere das Energiemanagementsystem, einen Anschluss aufweist, mittels welchem Betriebsparameter der Energiespeichervorrichtung an eine externe Vorrichtung übertragbar sind. Dabei handelt es sich bei dem Anschluss vorzugsweise um einen Bluetooth-Anschluss.
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Es ist ferner wünschenswert, dass das Energiemanagementsystem einen Bluetooth-Anschluss aufweist, mittels welchem eine externe Vorrichtung Betriebsparameter der Energiespeichervorrichtung verändern kann. Beispielsweise kann somit die an die von der Energiespeichervorrichtung gespeiste Vorrichtung abgegebene Energie variiert werden. Beispielsweise ist somit, wenn die Energiespeichervorrichtung einen Motor mit Energie versorgt, mittels der externen Vorrichtung und dem Bluetooth-Anschluss eine Leistungs- bzw. Unterstützungsstufe des Motors einstellbar.
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Eine bevorzugte Leistung der Energiespeichervorrichtung für ein Fahrzeug beträgt mindestens 150 Wh, vorzugsweise mindestens 250 Wh. Die maximale Leistung der Energiespeichervorrichtung ist vorzugsweise geringer als 30.000 Wh, was in etwa der Leistung eines elektrischen Motorrads entspricht.
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Des Weiteren wird zur Lösung der oben genannten Erfindungsaufgabe nach einem zweiten Aspekt ein elektrischer Hilfsantrieb bereitgestellt, welcher eine Energiespeichervorrichtung und eine durch die Energiespeichervorrichtung angetriebene Motoreinheit umfasst, wobei die Energiespeichervorrichtung in einem ersten Rad eines Fahrzeugs und die Motoreinheit außerhalb des ersten Rads, insbesondere in einem zweiten Rad des Fahrzeugs, angeordnet sind. Ein elektrischer Hilfsantrieb mit einer Energiespeichervorrichtung, welche räumlich getrennt von der Motoreinheit angeordnet ist, hat den Vorteil, dass eine von der Motoreinheit verursachte Wärmeentwicklung nicht auf die Energiespeichervorrichtung und insbesondere nicht auf den Energiespeicher selbst übertragen wird. Folglich können durch thermische Belastung der Energiespeicher verursachte Probleme, wie eine Verringerung der Lebensdauer der Energiespeicher, vermieden oder zumindest verringert werden.
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Die Energiespeichervorrichtung kann eine Energiespeichervorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung sein. Die im Zusammenhang mit der Energiespeichervorrichtung nach einem ersten Aspekt der Erfindung genannten Vorteile sind daher in diesem Falle gleichermaßen bei dem elektrischen Hilfsantrieb vorhanden.
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Die Energiespeichervorrichtung kann in einem ersten Rad eines Fahrzeugs und die Motoreinheit in einem zweiten Rad des Fahrzeugs angeordnet sein.
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Mittels einer solchen Anordnung kann eine sehr ausgeglichene Gewichtsverteilung innerhalb des Fahrzeugs erzielt werden, was zu einem angenehmen Fahrgefühl für einen Fahrer des Fahrzeugs führt.
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Das erste Rad kann ein Vorderrad des Fahrzeugs sein. Dies hat den Vorteil, dass die Energiespeichervorrichtung sehr leicht zusammen mit dem im Vergleich zum Hinterrad meist leicht zu demontierenden Vorderrad entnommen werden kann, beispielsweise, um einen Energiespeicher der Energiespeichervorrichtung zu laden. Das zweite Rad kann ein Hinterrad des Fahrzeugs sein.
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Im Allgemeinen ist die Anordnung der Energiespeichervorrichtung in einem Rad des Fahrzeugs von Vorteil, da dadurch der Schwerpunkt des Fahrzeugs nicht nach oben verlagert wird, wie dies beispielsweise der Fall ist, wenn die Energiespeichervorrichtung an einem Abschnitt eines Rahmens oder zwischen Rahmen und Sattel eines Fahrzeugs, welcher sich oberhalb des Rades befindet, bzw. an einem Gepäckträgers eines Fahrzeugs angeordnet ist.
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Die Motoreinheit kann ein Radnabenmotor sein. Somit kann sowohl die Energiespeichervorrichtung als auch die Motoreinheit sehr gut in zwei Räder eines Fahrzeugs integriert werden, was wiederum den optischen Eindruck des Fahrrads verbessert.
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Des Weiteren wird zur Lösung der oben genannten Erfindungsaufgabe nach einem dritten Aspekt der Erfindung eine Multifunktions-Energiespeichervorrichtung bereitgestellt, umfassend eine Energiespeichervorrichtung, insbesondere nach dem ersten Aspekt der Erfindung, welche dazu eingerichtet ist, eine Motoreinheit eines elektrischen Hilfsantriebs, insbesondere nach dem zweiten Aspekt der Erfindung, mit Energie zu versorgen und welche gleichzeitig einen Anschluss zur Versorgung von Nicht-Antriebskomponenten bereitstellt.
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Bei dem Anschluss zur Versorgung von Nicht-Antriebskomponenten handelt es sich vorzugsweise um einen USB-Anschluss.
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Beispiele für Nicht-Antriebskomponenten sind Beleuchtungsmittel, externe Navigationsgeräte, Mobiltelefone oder ähnliches Equipment, welches elektrische Energie für deren Betrieb benötigt.
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Vorzugsweise ist der Anschluss zur Versorgung von Nicht-Antriebskomponenten in die Energiespeichervorrichtung sowohl funktionell als auch optisch integriert.
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Das Bereitstellen eines Anschlusses, wie beispielsweise eines USB-Anschlusses, an der Energiespeichervorrichtung kann somit dazu verwendet werden, auch Nicht-Antriebskomponenten mit Energie zu versorgen. Dies ist beispielsweise von Vorteil, wenn eine das Fahrzeug führende Person beispielsweise zur Versorgung ihres Navigationsgerätes Energie benötigt.
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In den Ausführungsformen der Erfindung nach einem oder mehreren der Aspekte ein bis drei sind die in der Energiespeichereinrichtung verwendeten Energiespeicher vorzugsweise wiederaufladbare Batterien oder Akkumulatoren mit einer Kapazität im Bereich von ungefähr 0,3 Ah bis ungefähr 6 Ah. Besonders bevorzugt sind die Energiespeicher Lithium-Ionen Batterien, zum Beispiel vom Typ 18650 oder dergleichen, insbesondere mit einer Kapazität zwischen ungefähr 0,8 Ah und 3,5 Ah. Vorteilhaft sind eine Mehrzahl solcher Energiespeicher zusammengeschaltet, um die gewünschte Leistung oder Gesamtkapazität zu erreichen.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen deutlich, wenn diese zusammen mit den beiliegenden 1 bis 6 betrachtet werden. Diese zeigen im Einzelnen:
- 1: eine Schnittansicht in Längsrichtung einer Drehachse einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2: eine Schnittansicht entlang einer Drehachse einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 3: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß einer ersten oder/und zweiten Ausführungsform, welche in einem Rad eines Fahrzeugs integriert ist;
- 4: eine Schnittansicht in Längsrichtung einer Drehachse einer erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung gemäß einer ersten oder/und zweiten Ausführungsform mit einer an dem Gehäuse ausgebildeten Kühlstruktur sowie einer Darstellung eines Wärmeflusses;
- 5: eine schematische Darstellung einer Schnittansicht senkrecht zu einer Drehachse einer Energiespeichervorrichtung gemäß einer ersten oder/und zweiten Ausführungsform mit an dem Gehäuse ausgebildeter Kühlstruktur sowie einer Darstellung eines Wärmeflusses; und
- 6a,b: eine schematische Darstellung eines in ein Fahrzeug integrierten elektrischen Hilfsantriebs in 6a sowie dessen elektrische Verbindungen in 6b.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform ganz allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Energiespeichervorrichtung 10 umfasst ein Gehäuse 12 sowie eine Energiespeichereinheit 14, wobei das Gehäuse 12 mittels eines Lagers 16, 16' um die Energiespeichereinheit 14 drehbar ist. Das Lager 16, 16' kann ein Kugellager oder ein Wälzlager, beispielsweise ein Zylinderrollenlager, sein. Wie in 1 erkenntlich, kann das Gehäuse 12 an zwei Lagern 16, 16' anliegen.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform umfasst die Energiespeichereinheit 14 einen Energiespeicher 18, einen Energiespeicherhalter 20 sowie ein Energiemanagementsystem 22. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Energiemanagementsystem 22 nicht von der Energiespeichereinheit 14 umfasst ist. Beispielsweise kann dieses mittels eines Kabels 24 mit der Energiespeichereinheit 14 verbunden sein und außerhalb der Energiespeichervorrichtung 10 angeordnet sein.
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Wie in 1 ersichtlich, liegt ein Abschnitt des Energiespeicherhalters 20 an dem Lager 16 und ein anderer Abschnitt des Energiespeicherhalters 20 an dem anderen Lager 16' an. Ferner ist ersichtlich, dass der Energiespeicherhalter 20 einen Achsabschnitt 26 ausbildet. Der Achsabschnitt 26 ist an seinen seitlichen Enden offen, um eine nicht dargestellte Achse aufzunehmen. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Energiespeicherhalter 20 nicht nur den Achsabschnitt 26 sondern auch die nicht dargestellte Achse ausbildet.
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An den Achsabschnitt 26 angrenzende Bereiche des Energiespeicherhalters 20, welche nicht von dem Gehäuse 12 umschlossen sind, sind von einem ersten und einem zweiten Befestigungsaufsatz 28, 28' abgedeckt.
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Der Befestigungsaufsatz 28, 28' weist eine Aussparung 30, 30' auf, welche zumindest teilweise mit dem von dem Energiespeicherhalter 20 ausgebildeten Achsabschnitt 26 übereinstimmt.
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Eine wie in 1 dargestellte Energiespeichervorrichtung 10 ist dazu eingerichtet, in ein Rad 232 (siehe 3) integriert zu sein und vorzugsweise die Funktion einer Radnabe zu übernehmen. Zu diesem Zweck weist der Befestigungsaufsatz 28, 28' einen Vorsprung 34, 34' auf, welcher dazu eingerichtet ist, dass Ausfallenden einer Vorderradgabel 462 (siehe 6a) darauf abstützbar sind. Des Weiteren ist zu diesem Zweck das Gehäuse 12 mit Aufnahmen für Speichenenden 36 vorgesehen.
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Gemäß der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung 10 wird eine, beispielsweise durch die Ausfallenden einer Vorderradgabel 462, auf den Befestigungsaufsatz 28, 28' aufgebrachte Kraft auf den Energiespeicherhalter 20, über das Lager 16, 16' auf das Gehäuse 12 und folglich über die Aufnahmen für Speichenenden 36 auf die Speichen 240 des Rades 232 übertragen. Wie in 1 zu erkennen, besteht keine direkte Verbindung zwischen dem Gehäuse 12 und dem Befestigungsaufsatz 28, 28'.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 110, welche eine Abwandlung der ersten Ausführungsform der Energiespeichervorrichtung 10 darstellt. In der zweiten Ausführungsform vorhandene und mit der ersten Ausführungsform übereinstimmende oder dieser entsprechende Elemente sind mit um 100 erhöhten Bezugsziffern bezeichnet. In der zweiten Ausführungsform neu hinzugekommene Merkmale werden im Folgenden detailliert beschrieben. Im Übrigen wird auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen.
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Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform hauptsächlich in der Ausgestaltung des Achsabschnitts 26, 127 und der Gestaltung des Befestigungsaufsatzes 28, 28', 129, 129'.
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Wie in 2 ersichtlich, liegt das Gehäuse 112, wie auch in der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform, an einem Außenring des Lagers 116, 116' an und ist um die Drehachse 138 um die Energiespeichereinheit 114 drehbar. Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel liegt bei der zweiten Ausführungsform der Innenring des Lagers 116, 116' jedoch nicht an dem Energiespeicherhalter 114 an, sondern an dem Befestigungsaufsatz 129, 129'. In dem in 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ragt der Befestigungsaufsatz 129, 129' zumindest so weit in den von dem Energiespeicherhalter 120 ausgebildeten Achsabschnitt 127 hinein, dass dieser an dem Innenring des Lagers 116, 116' und insbesondere auch an einem Teil des Energiespeicherhalters 120 anliegt.
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Eine wie in 2 dargestellte Energiespeichervorrichtung 110 ist dazu eingerichtet, in ein Rad 232 (siehe 3) integriert zu sein und vorzugsweise die Funktion einer Radnabe zu übernehmen. Zu diesem Zweck weist der Befestigungsaufsatz 129, 129' einen Vorsprung 134, 134' auf, welcher dazu eingerichtet ist, dass Ausfallenden einer Vorderradgabel 462 (siehe 6a) darauf abstützbar sind.
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Bei der Ausgestaltung des Befestigungsaufsatzes 129, 129' gemäß der zweiten Ausführungsform wird eine auf den Vorsprung 134, 134' des Befestigungsaufsatzes 129, 129' ausgeübte Kraft direkt auf den Innenring des Lagers 116, 116' übertragen. Wie in 2 zu erkennen, besteht keine direkte Verbindung zwischen dem Gehäuse 112 und dem Befestigungsaufsatz 129, 129'.
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Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 110 kann analog wie die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10 in ein Rad 232 eines Fahrzeugs integriert sein.
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Eine mögliche Einbringung der erfindungsgemäßen Energiespeichervorrichtung 10, 110, 310 nach dem ersten oder/und zweiten Ausführungsbeispiel in ein Rad 232 eines Fahrzeugs ist in 3 dargestellt. In 3 dargestellte Elemente, die in den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingeführt wurden, sind entsprechend mit um ein Vielfaches von 100 erhöhten Bezugszeichen bezeichnet.
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Das Rad 232 und das Gehäuse 212 der Energiespeichervorrichtung 210 sind mittels Speichen 240 miteinander verbunden, so dass sich das Rad 232 und die Speichen 240 synchron mit dem Gehäuse 212 bewegen. Das Rad 232, die Speichen 240 und das Gehäuse 212 drehen sich folglich um eine gemeinsame Drehachse 238.
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Ferner ist in 3 eine mögliche Anordnung von mehreren Energiespeichern 218 und dem Energiemanagementsystem 222 in dem Energiespeicherhalter 220 ersichtlich. Mehrere Energiespeicher 218 können parallel oder/und in Reihe geschaltet sein. Vorzugsweise sind mindestens acht, vorzugsweise mindestens zehn und höchstvorzugsweise mindestens 16 Energiespeicher 218 in Reihe geschaltet. Die in Reihe geschalteten Energiespeicher 218 können zur Kapazitätserhöhung mit einem oder mehreren parallel geschalteten Energiespeichern 218 erweitert werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, mindestens zwei, vorzugsweise mindestens drei und höchstvorzugsweise mindestens fünf Energiespeicher 218 pro Reihe parallel zu schalten. So bietet zum Beispiel eine Reihenschaltung von zehn Paaren von jeweils zwei parallel geschalteten Energiespeichern 218 eine hinreichende Kapazität für Antriebsanwendungen, während die Energiespeichervorrichtung 10, 110, 310 gleichzeitig relativ kompakt ausgeführt werden kann.
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In 4 ist eine erfindungsgemäße Energiespeichervorrichtung 310 dargestellt, deren Aufbau der zuvor beschriebenen ersten oder zweiten Ausführungsform gleicht, welche jedoch zusätzlich eine Kühlstruktur 342 aufweisen kann. Bereits aus den vorherigen Ausführungen bekannte Elemente sind in 4 jeweils um ein Vielfaches von 100 erhöht. Im Folgenden werden Abweichungen zu den bereits beschriebenen Ausführungsformen detailliert beschrieben und im Übrigen wird auf die Ausführungen zu der ersten und zweiten Ausführungsform verwiesen.
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Wie in 4 ersichtlich, kann die Kühlstruktur 342 an der Innenseite des Gehäuses 312 vorgesehen sein. Eine mögliche Ausgestaltung der Kühlstruktur 342 als Kühlrippen 342a ist in 5 ersichtlich. Ferner kann die Kühlstruktur 342, 342a an der Innenseite des Gehäuses 312 in Form von Schaufelrädern oder Luftführungen, wie beispielsweise Luftkanälen, ausgebildet sein.
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Bei Anordnung der Kühlstruktur 342, 342a an der Innenseite des Gehäuses 312 kann eine Bewegung der sich zwischen der Energiespeichereinheit 314 und dem Gehäuse 312 befindlichen Luft initiiert werden, wenn sich das Gehäuse 312 um die Energiespeichereinheit 314 dreht. Durch die Bewegung der Luft wird Luft mit geringerer Temperatur mit Luft höherer Temperatur vermischt. Wenn beispielsweise das Gehäuse 312 durch die Umgebung oder aufgrund von Fahrtwind abgekühlt wird, kühlt sich nahe dem Gehäuse 312 befindliche Luft gleichermaßen ab, wodurch Bereiche mit vergleichsweise niedriger Lufttemperatur entstehen. Andererseits kann die sich nahe der Energiespeichereinheit 314 befindliche Luft durch die Erwärmung der Energiespeicher 318 eine höhere Temperatur aufweisen. Durch die Kühlstruktur kann die unterschiedlich temperierte Luft vermischt werden, wodurch eine Art Wärmetauscher entsteht. Der Luft- und Temperaturaustausch innerhalb der Energiespeichervorrichtung 310 ist mit Pfeilen 344 in den 4 und 5 verdeutlicht.
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Die Menge der für den Temperaturausgleich zur Verfügung stehenden Luft wird vorzugsweise durch den Abstand zwischen der Außenwand der Energiespeichereinheit 314 und der Innenwand des Gehäuses 312 definiert. Dabei kann sich ein horizontaler Abstand zwischen der Außenfläche der Energiespeichereinheit 314 und den inneren Zylinderseitenflächen des Gehäuses 312 von einem vertikalen Abstand zwischen der Außenfläche der Energiespeichereinheit 314 und der inneren Zylindermantelfläche des Gehäuses 312 unterscheiden. Der vertikale Abstand ist in 5 mit dem Bezugszeichen 346 verdeutlicht. In dem Ausführungsbeispiel beträgt der horizontale Abstand 3 mm und der vertikale Abstand 346 1,5 mm.
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6a zeigt einen elektrischen Hilfsantrieb, welcher in ein Fahrzeug 464, in dem dargestellten Beispiel ein Fahrrad 464, integriert sein kann. Wie dargestellt, kann eine Energiespeichereinheit 410, beispielsweise eine Energiespeichereinheit 10, 110, wie in Bezug auf die 1 und 2 als erste und zweite Ausführungsform der Energiespeichereinrichtung 10, 110, 210, 310 beschrieben, in ein Vorderrad 448 des Fahrzeugs 464 integriert und eine von der Energiespeichereinheit 410 gespeiste Vorrichtung 452, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Motor 452, in einem Hinterrad 450 des Fahrzeugs 464 integriert sein.
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Ein aus der Energiespeichervorrichtung 410 herausgeführtes Kabel 424, 424' ist vorzugsweise mit einer Stromverteilerbox 454 und der von der Energiespeichereinheit 410 gespeisten Vorrichtung 452 verbunden. Die Stromverteilerbox 454 kann, wie in 6a) dargestellt, an einem Lenker des Fahrzeugs 464 befestigt sein.
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Eine schematische Darstellung der Verbindung zwischen der Energiespeichervorrichtung 410 und der durch die Energiespeichervorrichtung gespeisten Vorrichtung 452 ist in 6b) dargestellt. Darin ist ersichtlich, dass die Kabelverbindung zwischen der Energiespeichervorrichtung 410 und der Vorrichtung 452 mittels einer Steckverbindung 456 getrennt werden kann. Die Steckverbindung kann also einen Anschluss für eine Antriebskomponente, beispielsweise einen Motor 452, aufweisen.
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Des Weiteren kann die Kabelverbindung zwischen der Energiespeichervorrichtung 410 und der Stromverteilerbox 454 getrennt werden, um beispielsweise das Vorderrad 448 zusammen mit der Energiespeichervorrichtung 410 von dem Fahrrad 464 zu lösen. Auf diese Weise kann beispielsweise die Energiespeichervorrichtung 410 getrennt von dem Fahrzeug 464 mittels einer externen Energiequelle geladen werden.
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Ferner kann die Stromverteilerbox 454 einen oder mehrere Anschlüsse für Nicht-Antriebskomponenten aufweisen. Solche Anschlüsse können für Nicht-Fahrzeugkomponenten 458 oder/und für Fahrzeugkomponenten 460 vorgesehen sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Anschluss für Nicht-Fahrzeugkomponenten um einen USB-Anschluss 458 oder/und bei dem Anschluss 460 um einen Anschluss für eine nicht dargestellte Fahrradbeleuchtung.
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Des Weiteren kann die Stromverteilerbox 454 einen Anschluss aufweisen, mittels welchem die Energiespeichervorrichtung 410 mit einer externen Energiequelle verbunden werden kann, um die Energiespeicher der Energiespeichervorrichtung 410 zu laden. Somit kann das Fahrzeug 464 beispielsweise in der Nähe einer Energiequelle geladen werden, ohne eine Demontage des Vorderrades 448 des Fahrzeugs 464 zu erfordern.
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Im Allgemeinen sind die Anschlüsse zwischen der Stromverteilerbox 454, der Energiespeichervorrichtung 410 und der Vorrichtung 452 derart ausgelegt, dass der oder die Energiespeicher 418 sowohl ohne diese von dem Fahrzeug 464 zu lösen als auch nach einer Demontage des Rades 448, 450, in welchem die Energiespeichervorrichtung 410 aufgenommen ist, geladen werden können.
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Bei den Energiespeichern der Energiespeichervorrichtung 410 wird vorzugsweise die Batterie-Bauform 18650 verwendet. Die Leistung der Energiespeicher ist vorzugsweise größer als 150 Wh, vorzugsweise größer als 250 Wh. Die in dem einen oder mehreren Energiespeichern gespeicherte Energie kann zu einer Akku-Laufleistung, wenn ein Fahrrad angetrieben wird, bzw. einer Antriebsunterstützung von mehr als 30 km, vorzugsweise mehr als 60 km führen.
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Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, und verschiedene Modifikationen können durchgeführt werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Technik abzuweichen. Beispielsweise kann es sich bei dem Fahrzeug nicht nur um ein Fahrrad, sondern auch um ein Dreirad, einen Tretroller, ein Vierrad-Tretmobil oder ein anderes elektrisch betriebenes Fahrzeug handeln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016/012547 A1 [0003]
- US 2004/0050604 A1 [0003]
- DE 202009011119 U1 [0003]
- EP 1820727 A1 [0005]
