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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug, umfassend eine erste, zumindest motorisch betreibbare, elektrische Maschine, welche zum Zwecke des Antriebs auf ein Antriebsrad des Fahrzeugs wirkt, eine zweite, zumindest generatorisch betreibbare, elektrische Maschine, welche eingerichtet ist, eine von einem Fahrer des Fahrzeugs über eine Kurbeleinrichtung eingebrachte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, eine Energiespeichereinrichtung zur Speicherung und zur Abgabe elektrischer Energie sowie eine zentrale Steuereinheit zur Ansteuerung der ersten elektrischen Maschine und zur Ansteuerung der zweiten elektrischen Maschine.
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Aus der
DE 10 2013 012 208 A1 ist bereits ein elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug bekannt, wobei das elektrische Antriebssystem 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 umfasst. Bei dem elektrischem Antriebssystem 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.
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Ferner ist aus der
DE 10 2007 050 552 B3 ein Fahrzeug mit elektromotorischem Antrieb und einem Bordrechner bekannt, bei dem der Fahrer die Motorleistung über eine Tretkurbel steuert, wobei die Drehzahl der Tretkurbel auf eine vom Bordrechner berechnete Solldrehzahl eingestellt wird, indem bei einem Unterschreiten der Solldrehzahl das Bremsmoment einer auf die Tretkurbel direkt oder über ein Getriebe wirkenden und durch den Bordrechner regelbaren Bremsvorrichtung erniedrigt wird, und bei einem Überschreiten der Solldrehzahl das Bremsmoment erhöht wird. Das Drehmoment, der Drehwinkel und die Drehzahl der Tretkurbel werden dabei durch geeignete Sensoren oder/und durch die für die Erfassung dieser Größen entsprechend ausgerüstete Bremsvorrichtung quantitativ erfasst und deren Messsignale im Bordrechner zu einem Steuersignal für einen oder mehrere Fahrmotoren umgewandelt.
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Die
DE 10 2011 082 082 A1 beschreibt ein Fahrrad mit einem Nabenmotor als Hilfsmotor, der ein Antriebsrad antreibt, einer Pedalerie mit einem Tretlager und Einem im Tretlager angeordneten Generator, der mit der Pedalerie derart verbunden ist, dass durch die Pedalerie erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist. Dabei wird der Hilfsmotor ausschliesslich von der vom Generator und/oder von einem Energiespeicher bereitstellbaren elektrischen Energie betrieben.
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Die
DE 10 2011 083 980 A1 beschreibt ein Antriebssystem für ein Fahrrad mit einem Hilfsmotor, der ein Antriebsrad antreibt, einer Pedalerie und einem Mittel zum Erfassen eines Ist-Drehmoments an der Pedalerie und einer Ist-Geschwindigkeit des Fahrrads sowie einer mit der Pedalerie und dem Hilfsmotor verbundene Steuereineheit.
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Die
DE 10 2016 210 855 A1 beschreibt ein durch Muskelkraft und elektrische Energie angetriebenes Hybrid-Fahrrad mit einen Generator, dessen Drehmoment durch eine Steuereinrichtung einstellbar und auf ein maximales Generatordrehmoment beschränkt ist. Mittels Pedalen ist durch den Fahrer ein Pedaldrehmoment an dem Generator einbringbar.
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Die WO 2017 / 129 275 A1 beschreibt ein Pedalantriebssystem für ein Elektrofahrzeug oder ein Trainingsgerät zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Muskelkraft eines Benutzers, der mittels eines Pedals einen Generator antreibt.
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Um das haptische Gefühl und die Rückmeldung am Pedal zu verbessern, ist eine Steuereinheit zum Steuern eines auf das Pedal aufgebrachten Rückkopplungsdrehmoments vorgesehen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betätigbares bzw. betreibbares Fahrzeug, wie etwa ein Fahrrad, bereitzustellen, bei dem eine mechanische Kopplung mittels Zugmittel zwischen Tretkurbel und Hinterrad durch das elektrische Antriebssystem ersetzt ist und zugleich durch das elektrische Antriebssystem ein möglichst realistisches Fahrgefühl eines zugmittelgestützten Antriebs nachgebildet werden kann. Mit Vorteil soll darüber hinaus die Leistungsfähigkeit des Antriebssystems im Vergleich zu bekannten Systemen weiter verbessert werden. Insbesondere soll es auch möglich sein, elektrische Maschinen mit Reluktanzmoment und mit einer MTPA-Strategie (Maximum Torque per Ampere) sowie im Feldschwächebereich optimiert betreiben zu können. Insbesondere soll ein Antriebssystem bereitgestellt werden, welches auch im Hinblick auf die Betriebssicherheit verbessert ist ein Ausfall des Antriebssystems bei defektem oder teilweise defektem Generator soll dabei wirksam verhindert werden.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem umfasst eine erste, zumindest motorisch betreibbare, elektrische Maschine, welche zum Zwecke des Antriebs auf ein Antriebsrad des Fahrzeugs wirkt und eine zweite, zumindest generatorisch betreibbare, elektrische Maschine, welche eingerichtet ist, eine von einem Fahrer des Fahrzeugs über eine Kurbeleinrichtung eingebrachte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Darüber hinaus umfasst das Antriebssystem eine Energiespeichereinrichtung zur Speicherung und zur Abgabe elektrischer Energie sowie eine zentrale Steuereinheit zur Ansteuerung der ersten elektrischen Maschine und zur Ansteuerung der zweiten elektrischen Maschine, wobei die Steuereinheit gemäß der Erfindung eingerichtet ist, die motorisch betreibbare elektrische Maschine in Abhängigkeit vom Soll-Drehmoment für die generatorisch betreibbare elektrische Maschine anzusteuern. Hierdurch wird ein Antriebssystem bereitgestellt, durch welches ein realistisches Fahrgefühl eines zugmittelgestützten Antriebs nachgebildet ist. Ferner wird der Vorteil erzielt, dass das Soll-Moment selbst im Falle eines (Teil-)Defektes der generatorisch betreibbaren Maschine den Fahrzeugantrieb sicherstellt. Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich dabei stets auf mehrphasige elektrische Antriebssysteme, insbesondere auf Drehstrom-Antriebssysteme mit feldorientierter Regelung.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, die generatorisch betreibbare elektrische Maschine mittels einer Drehzahlregelung zu betreiben. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass für den Fahrer das Tretgefühl eines klassischen kettengetriebenen Fahrzeugs entsteht.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, die generatorisch betreibbare elektrische Maschine mittels einer Reglerkaskade umfassend einen Drehzahlregler und einen Stromregler zu betreiben, wobei mit Vorteil zwischen Drehzahlregler und Stromregler eine Drehmomentensteuerung angeordnet ist. Es kann hierdurch erreicht werden, dass auch bei Motoren mit einem nichtlinearen Strom-Drehmomentenverhältnis eine stabile und optimierte Regelung ermöglicht wird.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einer Drehzahldifferenz aus der Ist-Drehzahl der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine und der Soll-Drehzahl der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine ein Generator-Sollmoment als Sollwertvorgabe zur Ansteuerung der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine zu ermitteln. Mit Vorteil wird die Soll-Drehzahl der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine durch Multiplikation der Istdrehzahl des Antriebsrads mit einer Antriebsstrangübersetzung gebildet. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass das Verhältnis der Tretkurbeldrehzahl und der Raddrehzahl genau wie bei einem kettengetriebenen Fahrzeug verkoppelt sind und so ein gewohntes und natürliches Fahrgefühl entsteht.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, die motorisch betreibbare elektrische Maschine mittels einer Reglerkaskade bestehend aus einer Drehmomentensteuerung und einem Stromregler zu betreiben. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass mittels der Drehmomentensteuerung auch hochausgenutzte Antriebsmotoren, deren Strommagnitude nicht proportional zum Drehmoment ist, in allen Betriebspunkten optimal verwendet werden können.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, aus dem Generator-Sollmoment multipliziert mit einer vorbestimmten Momentenverstärkung ein Antriebsmotor-Solldrehmoment zu erzeugen, in dessen Abhängigkeit die Ansteuerung der motorischen Antriebsmaschine erfolgt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die Antriebsleistung des Fahrers verstärkt wird und ein ermüdungsfreies Fahren ermöglicht wird.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Momentenverstärkung durch einen Faktor gebildet ist, welcher einen Anteil zur Nachbildung einer Antriebsstrangübersetzung und einen Anteil zur Fahrerunterstützung umfasst. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Fahrer auch durch die Wahl einer höheren Antriebsstrangübersetzung (analog zur Wahl eines höheren Ganges) die Tretgeschwindigkeit verringern und gleichzeitig ohne weitere körperliche Anstrengung die Antriebsleistung erhöhen kann.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, dass das Solldrehmoment der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine stets die Bedingung erfüllt, dass es gleich dem Solldrehmoment der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine multipliziert mit einer vorbestimmten Momentenverstärkung der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine ist. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt, ist, dass das Solldrehmoment im Vergleich zum Istdrehmoment eine stärkere Glättung aufweist und auch im Falle eines Defektes in der generatorisch betreibbaren Maschine für den Antrieb genutzt werden kann.
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Mit Vorteil ist die Steuereinheit des Antriebssystems derart eingerichtet, dass mittels einer Filterstufe ein Antriebsmotor-Solldrehmoment erzeugbar ist, in dessen Abhängigkeit die Ansteuerung der motorischen Antriebsmaschine erfolgt. Dabei wird über die Filterstufe in Abhängigkeit von der Istdrehzahl des Antriebsrads, des Generator-Sollmoments, der Ist-Drehzahl der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine sowie einer vorbestimmten Momentenverstärkung das Antriebsmotor-Solldrehmoment ermittelt. Die Filterstufe wird somit eingangsseitig mit Informationen über Fahrgeschwindigkeit, Tretkadenz, Unterstützungsstufe und vorliegender virtueller Gangstufe versorgt. Mit Vorteil sind die Eingangsgrößen der Filterstufe 9 versuchstechnisch ermittelt und in Form von Kennlinien in der Filterstufe 9 hinterlegt. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass Phasenverzögerungen innerhalb des Systems weitgehend vermieden werden können und dass das Fahrgefühl für den Fahrer auch in Situationen mit ungleichmäßiger Momentenanforderung, dadurch, dass nicht gleichmäßig die Tretkurbel getreten wird, weitestgehend dem Fahrgefühl eines ketten- oder riemengetriebenen Fahrzeugs entspricht und ungewollte schubweise Kraftunterstützungen unterbunden werden können.
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Insgesamt wird durch das vorstehend beschriebene Antriebssystem anstelle eines Tretkurbel-Istmoments das Generator-Sollmoment (Sollmoment der generatorisch betreibbaren zweiten elektrischen Maschine) für die Ansteuerung der motorisch betreibbaren ersten elektrischen Maschine verwendet und so unter anderem eine verbesserte Betriebssicherheit erzielt. Durch den dargestellten Aufbau kann ein Antrieb auch dann noch gewährleistet werden, wenn beispielsweise der Generator einen elektrischen Defekt aufweist und kein Generator-Istmoment mehr verfügbar sein sollte.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können.
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Es zeigen:
- 1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsystems in einer möglichen Ausführungsform, und
- 2 das elektrische Antriebssystem gemäß 1 erweitert um eine Filterstufe.
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1 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsystems 1 in einer möglichen Ausführungsform. Das dargestellte elektrische Antriebssystem 1 für ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug 100 umfasst eine erste elektrische Maschine 2, welche zum Zwecke des Antriebs auf ein Antriebsrad 101 des Fahrzeugs 100 wirkt, und eine zweite elektrische Maschine 3, welche eingerichtet ist, eine von einem Fahrer des Fahrzeugs 100 über eine Kurbeleinrichtung 10, wie insbesondere die Tret- oder Handkurbel eines Fahrrades oder eines Betätigungsteils für einen Rollstuhl oder dergleichen, eingebrachte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Somit ist die erste elektrische Maschine 2 derart ausgebildet, dass sie zumindest motorisch betreibbar ist, und ist die zweite elektrische Maschine 3 derart ausgebildet, dass sie zumindest generatorisch betreibbar ist. Mit Vorteil sind sowohl die erste elektrische Maschine 2 als auch die zweite elektrische Maschine 3 jeweils sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ausgebildet. Das gezeigte Antriebssystem 1 umfasst darüber hinaus eine Energiespeichereinrichtung 4 zur Speicherung und zur Abgabe elektrischer Energie sowie eine zentrale Steuereinheit 5 zur Ansteuerung der ersten elektrischen Maschine 2 und zur Ansteuerung der zweiten elektrischen Maschine 3. Die Steuereinheit 5 ist dabei derart eingerichtet, dass die motorisch betreibbare elektrische Maschine 2 in Abhängigkeit vom Soll-Drehmoment MG_soll für die generatorisch betreibbare elektrische Maschine 3 ansteuerbar ist. Die generatorisch betreibbare elektrische Maschine 3 wird mittels einer Reglerkaskade umfassend einen Drehzahlregler 6 und einen Stromregler 7 betrieben, wobei zwischen Drehzahlregler 6 und Stromregler 7 eine Drehmomentensteuerung 8 angeordnet ist. Innerhalb der Drehmomentsteuerung 8 erfolgt die Berechnung des mehrphasigen Generatorsollstroms IG_soll und des Wirkfaktors cos(phi), wobei der Generatorsollstrom IG_soll gemeinsam mit dem mehrphasigen Generatoriststrom IG_ist auf einen Vergleicher geführt und das Vergleichsergebnis als Eingangsgröße dem Stromregler 7 zur Ansteuerung der generatorisch betreibbaren zweiten elektrischen Maschine 3 zugeführt wird.
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Wie in der 1 ebenfalls dargestellt ist, ist die Steuereinheit 5 eingerichtet, in Abhängigkeit von einer Drehzahldifferenz n aus der Ist-Drehzahl nG_ist der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 und der Soll-Drehzahl nG_soll der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 das Generator-Sollmoment MG_soll als Sollwertvorgabe zur Ansteuerung der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 zu ermitteln. Die Soll-Drehzahl nG_soll der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 wird dabei durch Multiplikation der Istdrehzahl nR_ist des Antriebsrads 101 mit einer Antriebsstrangübersetzung kn erzeugt.
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Die 1 zeigt (auf der rechten Seite) des Weiteren, dass die Steuereinheit 5 eingerichtet ist, die motorisch betreibbare elektrische Maschine 2 mittels einer Reglerkaskade, bestehend aus einer Drehmomentensteuerung 11 und einem Stromregler 12, zu betreiben. Die Steuereinheit 5 ist dabei eingerichtet aus dem Generator-Sollmoment MG_soll multipliziert mit einer vorbestimmten Momentenverstärkung kM ein Antriebsmotor-Solldrehmoment MA_soll zu erzeugen, in dessen Abhängigkeit die Ansteuerung der motorischen Antriebsmaschine 2 erfolgt. Mittels der Drehmomentensteuerung 11 wird das Antriebsmotor-Solldrehmoment MA_soll in einen mehrphasigen Antriebsmotor-Sollstrom lA_soll überführt, wobei der Antriebsmotor-Sollstrom lA_soll gemeinsam mit dem mehrphasigen Antriebsmotor-Iststrom lA_ist auf einen Vergleicher geführt und das Vergleichsergebnis als Eingangsgröße dem Stromregler 12 zur Ansteuerung der motorisch betreibbaren ersten elektrischen Maschine 2 zugeführt wird.
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Darüber hinaus veranschaulicht 1 (auf der linken Seite), dass die Steuereinheit 5 eingerichtet ist, aus dem Generator-Sollmoment MG_soll multipliziert mit einer vorbestimmten Momentenverstärkung kM das Antriebsmotor-Solldrehmoment MA_soll zu erzeugen, in dessen Abhängigkeit die Ansteuerung der motorischen Antriebsmaschine 2 erfolgt. Die Momentenverstärkung kM wird dabei durch einen Faktor gebildet, welcher einen Anteil zur Nachbildung einer Antriebsstrangübersetzung kn und einen Anteil zur Fahrerunterstützung ku umfasst.
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Über die Energiespeichereinrichtung 4 wird entsprechend benötigte elektrische Energie abgerufen bzw. in diese erzeugte elektrische Energie eingespeist. Dabei kann das Energiemanagement der Energiespeichereinrichtung 4 ebenfalls durch Ansteuerung mittels der Steuereinheit 5 erfolgen.
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2 zeigt das elektrische Antriebssystem 1 gemäß 1, erweitert um eine Filterstufe 9. Die Filterstufe 9 nimmt eingangsseitig folgende Eingangsgrößen auf:
- - Istdrehzahl nR_ist des Antriebsrads 101,
- - Generator-Sollmoment MG_soll,
- - Ist-Drehzahl nG_ist der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 sowie
- - eine vorbestimmte Momentenverstärkung kM.
Ausgangsseitig stellt die Filterstufe 9 das Antriebsmotor-Solldrehmoment MA_soll bereit. Die Steuereinheit (5) ist somit eingerichtet, mittels einer zusätzlichen Filterstufe 9 ein Antriebsmotor-Solldrehmoment MA_soll zu erzeugen, in dessen Abhängigkeit die Ansteuerung der motorischen Antriebsmaschine 2 erfolgt, wobei die Filterstufe 9 in Abhängigkeit von der Istdrehzahl nR_ist des Antriebsrads 101, des Generator-Sollmoments MG_soll, der Ist-Drehzahl nG_ist, der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 sowie einer vorbestimmten Momentenverstärkung kM das Antriebsmotor-Solldrehmoment (MA_soll) ermittelt. Die Filterstufe 9 arbeitet dabei in Abhängigkeit von den in Fahrversuchen ermittelten und in einzelnen Kennlinien bzw. in einem Kennfeld hinterlegten Eingangsgrößen.
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Durch das vorstehend beschriebene Antriebssystem 1 wird immer anstelle eines Tretkurbel-Istmoments das Generator-Sollmoment MG_soll (Sollmoment der generatorisch betreibbaren zweiten elektrischen Maschine 3) für die Ansteuerung der motorisch betreibbaren ersten elektrischen Maschine 2 verwendet und so unter anderem eine verbesserte Betriebssicherheit erzielt. Durch den dargestellten Aufbau kann ein Antrieb auch dann noch gewährleistet werden, wenn beispielsweise der Generator einen Defekt aufweist und kein Generator-Istmoment IG_ist mehr verfügbar sein sollte.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebssystem
- 2
- Maschine
- 3
- Maschine
- 4
- Energiespeichereinrichtung
- 5
- Steuereinheit
- 6
- Drehzahlregler
- 7
- Stromregler
- 8
- Drehmomentensteuerung
- 9
- Filterstufe
- 10
- Kurbeleinrichtung
- 11
- Drehmomentensteuerung
- 12
- Stromregler
- 100
- Fahrzeug
- 101
- Antriebsrad
