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Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben der Antriebsanordnung.
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Zumindest teilweise muskel(kraft)betriebene Fahrzeuge, beispielsweise Fahrräder mit einem Hilfsantrieb, sind aus dem Stand der Technik als Elektrofahrräder bekannt. Ein Elektrofahrrad ist ein Fahrrad mit einem zusätzlich eingebauten Elektromotor. Ein mit dem Elektromotor zusammenwirkender Akkumulator ist abnehmbar ausgeführt und kann an einer Haushalts-Steckdose aufgeladen werden. Aus führerscheinrechtlichen Gründen wird unterschieden zwischen Fahrrädern mit beschränkter Tretunterstützung (Pedelec), Fahrrädern mit unlimitierter Tretunterstützung (schnelles Pedelec), Fahrrädern mit tretunabhängigem Zusatzantrieb (E-Bike) und Elektrorädern ohne Tretantrieb (E-Scooter). Bei einem Pedelec springt der Elektromotor nur an, wenn in die an einer Tretkurbel angeordneten Pedale getreten wird. Mithin wird das Pedelec zumindest teilweise durch Muskelkraft betrieben. Der Elektromotor unterstützt also nur die Tretkraft.
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Aus dem Stand der Technik sind Antriebssysteme für motorisch unterstützte Fahrräder bekannt, bei denen ein Generator die biomechanische Antriebsleistung eines Benutzers in eine elektrische Leistung umwandelt, welche dann durch einen mit einem Rad verbundenen Antriebsmotor wieder in mechanische Antriebsleistung umgewandelt wird.
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Aus der
DE 10 2011 082 082 A1 geht ein Fahrrad mit einem als Nabenmotor ausgebildeten Hilfsmotor hervor. Ferner umfasst das Fahrrad ein durch den Hilfsmotor antreibbares Antriebsrad, ein Tretlager mit einer Pedalerie, deren mechanische Energie ein im Tretlager angeordneter Generator in elektrische Energie umwandelt. Der Generator kann den Hilfsmotor betreiben. Dabei ist der Hilfsmotor derart mechanisch getrennt von der Pedalerie angeordnet, dass der Hilfsmotor ausschließlich von der vom Generator und/oder von einem Energiespeicher bereitstellbaren elektrischen Energie betreibbar ist.
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Die 10 2017 213 303 A1 beschreibt eine Motoranordnung mit einem Antriebsmotor und einer Getriebevorrichtung, die radial innerhalb des Antriebsmotors angeordnet ist. Diese Motoranordnung ist dazu vorgesehen, über eine elektrische Leitung mit einem elektrischen Generator und/oder mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden zu werden. Auch hierbei wird der Generator durch Muskelkraft über eine Tretkurbel angetrieben, um elektrische Energie zu erzeugen, die zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet wird. Somit entfällt auch hierbei eine Antriebskette oder ein Antriebsriemen am Fahrzeug.
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Der Fahrer treibt also mittels Drehung der Tretkurbeln lediglich einen Generator an, der Strom erzeugt. Mit diesem kann beispielsweise eine Batterie geladen oder direkt der Antriebs-Elektromotor angetrieben werden. Weiterhin kann über eine geladene Batterie zusätzlich Strom für den Antriebs-Elektromotor zur Verfügung gestellt werden.
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Sobald derartige Antriebssysteme rekuperieren, kann beispielsweise bei einer Bergabfahrt das Problem entstehen, dass trotz vollgeladener Batterie weiter Energie erzeugt wird, die nicht gespeichert werden kann. Hierfür ist bekannt, einen zusätzlichen Lastwiderstand einzusetzen, der die überschüssige Energie vernichtet. Beispielsweise wird ein Umrichter so gesteuert, dass der Motor im generatorischen Betrieb Energie über den Umrichter an einen Bremswiderstand liefert. Die (Brems-)Energie wird in dem Bremswiderstand in Wärme umgesetzt und an die Umgebung abgegeben. Für einen solchen elektrischen Bremswiderstand beschreibt die
EP 0 905 875 B1 einen Überlastschutz.
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Durch derartige zusätzliche Widerstände und entsprechenden konstruktiven Mehraufwand entstehen Mehrkosten.
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Es ist also die Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, um Energie, die innerhalb eines solchen Antriebssystems generiert wird, jedoch nicht mehr von der Batteriekapazität aufgenommen werden kann, aus einem solchen Antriebssystem abzuleiten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebsanordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben der Antriebsanordnung nach Anspruch 7.
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Kerngedanke der Erfindung ist, Energie über die bereits vorhandenen Komponenten wie den Motor und / oder den Generator abzuführen und in Wärme umsetzen.
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Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares Fahrzeug umfasst einen Generator, der mit einer Tretkurbel über eine Welle und ein Getriebe derart verbindbar ausgebildet ist, dass durch die Tretkurbel erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Antriebsanordnung mindestens einem Antriebsmotor zum Antreiben eines Antriebsrads des Fahrzeugs. Der Antriebsmotor ist bevorzugt als Radnabenmotor ausgebildet. Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung umfasst ferner einen Energiespeicher.
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Erfindungsgemäß ist der Generator mit dem mindestens einen Antriebsmotor derart elektrisch verbunden, dass dieser mit der durch den Generator bereitgestellten elektrischen Energie betreibbar ist. Dabei kann der mindestens eine Antriebsmotor mit elektrischer Energie betrieben werden, die von dem Generator und/oder von dem Energiespeicher bereitgestellt wird.
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Erfindungswesentlich sind der Generator und/oder der Antriebsmotor dergestalt ausgebildet, dass diese(r) in einem Energie-Abfuhr-Modus als elektrischer Bremswiderstand betreibbar ist/sind, um in diesem Modus „überschüssige“ Energie aus dem Antriebssystem auszuleiten.
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Dabei wird die elektrische Energie in Wärme umgewandelt und an die Umgebung abgeführt. Somit wird also die Energie von der Batterie und oder dem Generator in den Statorspulen nicht drehmomentbildend genutzt, sondern der Generator und oder der Antriebsmotor künstlich im Wirkungsgrad verschlechtert, um auf diese Weise weniger Moment und mehr Wärmeenergie zu erzeugen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Antriebsanordnung ferner eine Steuereinheit, mit Hilfe deren der Energie-Abfuhr-Modus zu aktivieren und deaktivieren. Dies geschieht in Abhängigkeit von der aktuellen Energiespeicherkapazität, die mit geeigneten Mitteln detektiert wird.
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Weiter bevorzugt kann mittels dieser Steuereinheit geregelt werden ob in diesem Energie-Abfuhr-Modus der Generators und/oder der Antriebsmotor als elektrischer Bremswiderstand betrieben wird. Diese Steuerung erfolgt in Abhängigkeit von vorbestimmten Bedingungen, die beispielsweise auf einem Temperaturmodell beruhen können.
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Wenn der Generator als Bremswiderstand dienen soll, werden bevorzugt die Phasen in dem Generator so bestromt, dass einem an der Welle anstehenden Drehmoment oder einer auf die Welle einwirkenden Kraft ein Drehmoment entgegengerichtet wird. Dies ist sinnvoll, wenn der Fahrer auf den Pedalen steht bzw. die Füße des Fahrers auf den Pedalen ruhen, ohne dass er selbst in die Pedale tritt, um eine Drehung der Tretkurbel zu erzeugen. Dabei werden die Phasen so bestromt, dass keine Bewegung der Tretkurbel stattfindet, gleichzeitig aber Energie vernichtet wird. Für den Fall, dass der Fahrer weiter in die Pedale treten will, wobei also Energie erzeugt würde, erfolgt eine Bremswirkung seitens des Generators durch einen erhöhten Tretwiderstand. Dem Fahrer wird so gewissermaßen „der Spaß am Treten verleidet“.
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Eine mögliche Rückmeldung an den Fahrer kann durch ein Ruckeln oder Stottern des Generators erzeugt werden. Damit wird dem Fahrer über die Pedale signalisiert, dass der Energiespeicher voll ist.
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Wenn der Antriebsmotor als Bremswiderstand dienen soll, werden bevorzugt die Phasen in dem Antriebsmotor so bestromt, dass die eingebrachte Energie nicht vollständig in Drehmoment des Rotors umgesetzt wird.
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Denkbar ist auch, den Energiespeicher auf diese Weise absichtlich (teilweise) zu entleeren - beispielsweise, wenn es für dessen Ladezustand sinnvoll ist oder wenn eine Routenplanung vorliegt, die eine längere Bergabfahrt mit sich bringt, während der eventuell nicht dauerhaft der Energie-Abfuhr-Modus betrieben werden soll.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer Antriebsanordnung wie sie vorab beschrieben wurde umfasst demnach mehrere Schritte:
- In einem ersten Schritt wird eine Anforderung für die Aktivierung des Energie-Abfuhr-Modus erfasst. Diese ist vorzugsweise abhängig von dem Ladezustand des Energiespeichers, kann jedoch auch von weiteren Bedingungen abhängen, die sich beispielsweise aus der geplanten Route oder aus dem individuellen Fahrerprofil oder auch der Umgebungstemperatur oder Temperatur innerhalb der Antriebsanordnung ergeben.
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In einem zweiten Schritt - dem eigentlichen Energie-Abfuhr-Modus - werden die Phasen des Generators so bestromt, dass einem an der Welle anstehenden Drehmoment oder einer auf die Welle einwirkenden Kraft ein Drehmoment entgegengerichtet wird. Alternativ oder zusätzlich kann in diesem zweiten Schritt auch der Antriebsmotor so bestromt werden, dass die eingebrachte Energie nicht vollständig in Drehmoment des Rotors umgesetzt wird.
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Bevorzugt wird in einem weiteren Schritt ein Signal an einen Fahrer eines derart ausgerüsteten Fahrzeugs ausgegeben, das beispielsweise eine oder mehrere impulsartige Bewegungen des Generators und damit der Welle samt Tretkurbel und Pedale umfasst. Dieses Signal kann bei Aktivierung des Energie-Abfuhr-Modus generiert werden. Es ist jedoch auch möglich, dieses Signal als Warnung auszugeben, dass es in Kürze notwendig wird oder vorteilhaft ist, diesen Modus zu aktivieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011082082 A1 [0004]
- EP 0905875 B1 [0007]