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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 muskelkraftbetriebene bzw. betreibbare 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 das Fahrzeug zum Stillstand kommt - auch nur vorübergehend, wenn beispielsweise der Fahrer an einer Ampel wartet - ist es nicht wie bei konventionellen Fahrrädern möglich, einen Fuß zum nachfolgenden Anfahren in einer beispielsweise ca. 3 Uhr-Stellung auf einem der Pedale zu belassen, da die Tretkurbel und damit das Pedal nicht mechanisch gehalten wird und dieses somit in einen unteren Totpunkt „absackt“. Von dieser Pedalstellung (ein Pedal im unteren Totpunkt und ein Pedal im höchsten Punkt) kann vom Fahrer nur sehr aufwändig Drehmoment zum Anfahren aufgebracht werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine seriell-hybride Antriebsanordnung ohne mechanische Verbindung zwischen Tretkurbel und Antriebsrad zu schaffen, mit der es dem Fahrer möglich ist, aus einer geeigneten Pedalstellung anzufahren. Dabei soll in einer (möglicherweise länger andauernden) Stillstandssituation eines Fahrzeugs dessen Energiespeicher nicht belastet werden, der Generator also nicht notwendigerweise bestromt werden müssen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebsanordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben der Antriebsanordnung nach Anspruch 6.
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Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung ist dafür vorgesehen, als Antriebsanordnung eines zumindest teilweise muskelkraftbetreibbaren Fahrzeugs verbaut zu werden. Sie umfasst zunächst einen Generator, der über eine Welle (und gegebenenfalls weiter über ein Getriebe) mit einer Tretkurbel derart verbindbar ausgebildet ist, dass durch die Tretkurbel erzeugte mechanische Energie von dem Generator in elektrische Energie umwandelbar ist.
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Die Antriebsanordnung umfasst ferner mindestens einem Antriebsmotor. Dieser ist dafür ausgebildet, ein Antriebsrad des Fahrzeugs anzutreiben. Ferner umfasst die Antriebsanordnung einen Energiespeicher.
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Der Generator ist mit dem mindestens einen Antriebsmotor derart elektrisch verbunden, dass der Antriebsmotor mit der durch den Generator bereitgestellten elektrischen Energie betreibbar ist. Ferner ist der Antriebsmotor mit von dem Energiespeicher bereitstellbarer elektrischen Energie betreibbar.
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Erfindungsgemäß weist der Generator ein hohes Rastmoment auf. Er kann also beispielsweise als ein Reluktanzmotor ausgebildet sein. Denkbar ist auch generell eine im Anker und/oder im Ständer genutete elektrische Maschine, die damit einen über den Drehwinkel variablen Luftspalt aufweist und somit aufgrund der Unförmigkeit ein erhöhtes Rastmoment aufweist.
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Damit ist sichergestellt, dass bei einem Stillstand eines mit der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ausgestatteten Fahrzeugs die Tretkurbel - und damit ein an dieser angeordnetes Pedal - nicht in eine Position verfährt, in der sich die beiden Pedale in oberster und unterster Position befinden.
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Als geeigneter Wert für das Rastmoment ist beispielsweise 5% des Nennmoments denkbar. Wenn beispielsweise 200Nm an der Tretkurbel möglich sind, würden 5% bei einer 170mm langen Tretkurbel 60N erzeugen, also ungefähr 6kg (beispielsweise eines darauf ruhenden Fahrerfußes) abstützen können, ohne dabei durchzusacken. Der Wert ist beispielsweise abhängig von Nuttiefe und/oder Nutbreite im Blechpaket von Rotor oder Stator, also von der Luftspaltschwankung.
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Denkbar sind jedoch auch niedrigere oder höhere Werte für das Rastmoment.
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Um dieses Rastmoment zu überwinden, muss ein Drehmoment über die Tretkurbel auf die Welle eingebracht werden. Dieses ist vorzugsweise so gewählt, dass es größer ist als beispielsweise ein Drehmoment, dass durch den auf dem Pedal ruhenden Fuß des Fahrers eingebracht wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass im Halten/Stillstand der Generator nicht dafür bestromt werden muss, um die Tretkurbel in einer komfortablen Halteposition und Anfahrposition zu halten.
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Bevorzugt weist die Antriebsanordnung ferner Sensoren auf, um ein in die Tretkurbel eingebrachtes Drehmoment MT zu erfassen.
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Weiter bevorzugt weist die Antriebsanordnung Mittel auf, um einen Stillstand eines mit der Antriebsanordnung ausgestatteten Fahrzeugs zu erfassen. Hierbei kann es sich um Mittel zur Erfassung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs handeln. Im einfachsten Fall ist es erfindungsgemäß jedoch ausreichend, die Information zu ermitteln, ob sich das Fahrzeug im Stillstand oder in Bewegung befindet. Dafür ist es beispielsweise ausreichend, eine Bewegung eines der Räder des Fahrzeugs zu detektieren.
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Weiter bevorzugt umfasst die Antriebsanordnung ferner eine Steuereinheit, die dafür ausgebildet ist, den Generator in Abhängigkeit von einem in die Tretkurbel eingebrachten Drehmoment MT und einer Information über das Vorliegen eines Stillstands eines mit der Antriebsanordnung ausgestatteten Fahrzeugs zu bestromen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Antriebsmotor als Nabenmotor ausgebildet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer vorab beschriebenen Antriebsanordnung umfasst mehrere Schritte:
- In einem ersten Schritt wird erfindungsgemäß ein (vorzugsweise von einem Fahrer des mit der erfindungsgemäßen Antriebsanordnung ausgestatteten Fahrzeugs) in die Tretkurbel eingebrachtes Drehmoment MT ermittelt.
- In einem weiteren Schritt wird eine Information über das Vorliegen eines Stillstandes eines mit der Antriebsanordnung ausgestatteten Fahrzeugs ermittelt.
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In einem weiteren Schritt wird er Generator in Abhängigkeit von dem erfassten Drehmoment MT und von der Information über das Vorliegen eines Stillstands bestromt.
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Vorzugsweise wird der Schritt, in dem das Vorliegen eines Stillstandes eines mit der Antriebsanordnung ausgestatteten Fahrzeugs ermittelt wird, dergestalt vollzogen, dass die Drehung eines Rades eines mit der Antriebsanordnung ausgestatteten Fahrzeugs ermittelt wird. So kann festgestellt werden, ob sich das Fahrzeug in Bewegung oder in Stillstand befindet.
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Sofern das Nichtvorliegen eines Stillstandes ermittelt wird, wird der Generator bevorzugt dergestalt bestromt und motorisch betrieben, dass einer Rotation der Tretkurbel ein voreinstellbares Drehmoment MRoll entgegengerichtet ist. Dies ist beispielsweise die Situation, in der der Fahrer das Fahrzeug ohne Kurbelumdrehung bergab rollen lässt und während dieser Bergabfahrt erneut in die Pedale tritt. Hierfür ist kein Gegenmoment erforderlich, so dass der Generator nur kurzzeitig bestromt wird und motorisch betrieben wird, um das Rastmoment des Generators zu überwinden. Dieses Drehmoment ist normalerweise geringfügig kleiner als ein Losbrechmoment, das aufzubringen wäre, um aus dem Stillstand anzutreten.
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Für eine Voreinstellung des voreinstellbares Drehmoment MRoll ist ein möglicher Parameter beispielsweise das Gewicht des Fahrers oder auch die Tretkurbellänge, die beispielsweise eine bevorzugte Länge von 155mm bis 185mm haben kann.
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Denkbar ist ein manuelles Vorkonfigurieren oder auch ein „Einlernen“, wobei im Stillstand der Tretkurbel so lange das Gegenmoment erhöht wird, bis die Tretkurbel nicht mehr absackt, und dieser Wert beispielsweise vom Fahrer bestätigt und festgelegt wird.
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Sofern das Vorliegen eines Stillstandes ermittelt wird, wird der Generator dergestalt bestromt und motorisch betrieben, dass einer Rotation der Tretkurbel ein voreinstellbares Drehmoment MAntritt entgegengerichtet ist.
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Für eine Voreinstellung des voreinstellbares Drehmoment MAntritt ist ein möglicher Parameter das Gewicht des Fahrers oder auch die Tretkurbellänge, die beispielsweise eine bevorzugte Länge von 155mm bis 185mm haben kann.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der Erfindung anhand der beiden Figur näher dargestellt.
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Hierbei zeigt 1 eine schematische Darstellung einer auf einer Welle (3) positionierten Tretkurbel (4) mit Pedalen (1) in einer Stillstandsposition des Fahrzeugs. Erkennbar ist ebenfalls ein Gehäuse (2), das den nicht dargestellten Generator umgibt.
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2 zeigt eine schematische Darstellung derselben Anordnung, wobei die Welle (3) samt Tretkurbel (4) und Pedalen (1) in eine geeignete Anfahrposition rotiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011082082 A1 [0004]
