DE102021100488A1

DE102021100488A1 - Drive arrangement for a vehicle that can be operated at least partially by muscle power and method for operating the drive arrangement

Info

Publication number: DE102021100488A1
Application number: DE102021100488.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Greb; Laszlo Man; Lars Schumann; Julian Botiov
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-01-13
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2022-07-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben der Antriebsanordnung.The invention relates to a drive arrangement for a vehicle that can be operated at least partially by muscle power and a method for operating the drive arrangement.

Description

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.Vehicles that are at least partially muscle-powered or operable, for example bicycles with an auxiliary drive, are known from the prior art as electric bicycles. An electric bicycle is a bicycle with an additional built-in electric motor. An accumulator interacting with the electric motor is designed to be removable and can be charged at a household socket. For driving license reasons, a distinction is made between bicycles with limited pedal assistance (pedelec), bicycles with unlimited pedal assistance (fast pedelec), bicycles with pedal-independent additional drive (e-bike) and electric bicycles without pedal drive (e-scooter). With a pedelec, the electric motor only starts when you step on the pedals on a crank. Consequently, the pedelec is at least partially operated by muscle power. The electric motor only supports the pedaling power.

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.Drive systems for motor-assisted bicycles are known from the prior art, in which a generator converts the biomechanical drive power of a user into electrical power, which is then converted back into mechanical drive power by a drive motor connected to a wheel.

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.From the DE 10 2011 082 082 A1 a bicycle with an auxiliary motor designed as a hub motor emerges. The bicycle also includes a drive wheel that can be driven by the auxiliary motor, a bottom bracket with pedals whose mechanical energy is converted into electrical energy by a generator arranged in the bottom bracket. The generator can operate the auxiliary engine. The auxiliary motor is arranged mechanically separately from the pedals in such a way that the auxiliary motor can be operated exclusively by the electrical energy that can be provided by the generator and/or by an energy store.

Die DE 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. Der Fahrer treibt also mittels Drehung der Tretkurbeln lediglich einen Generator an, der Strom erzeugt. Mit diesem kann eine Batterie geladen und darüber der Antriebs-Elektromotor angetrieben werden.the DE 10 2017 213 303 A1 describes a motor arrangement with a drive motor and a transmission device which is arranged radially inside the drive motor. This motor arrangement is intended to be connected to an electrical generator and/or to an electrical energy store via an electrical line. Here, too, the generator is driven by muscle power via a pedal crank to generate electrical energy that is used to drive the vehicle. This means that there is no longer a drive chain or drive belt on the vehicle. By turning the pedal cranks, the driver only drives a generator that generates electricity. This can be used to charge a battery and use it to drive the drive electric motor.

Durch die Wandlung des Generatorstroms zum anschließenden Laden des Energiespeichers und durch die Wandlung des Energiespeicherstroms zum Betreiben des Antriebsmotors und die dadurch jeweils entstehenden Verluste wird der elektrische Wirkungsgrad vom Generator zum Antriebsmotor entsprechend verschlechtert. Weiterhin kann so die gesetzliche Vorgabe nicht erfüllt werden, dass ein Pedelec auch mit ausgebauter Batterie betreibbar sein muss, um versicherungskennzeichenfrei im Straßenverkehr betrieben zu werden.The conversion of the generator current for the subsequent charging of the energy storage device and the conversion of the energy storage current for the operation of the drive motor and the resulting losses degrade the electrical efficiency of the generator to the drive motor accordingly. Furthermore, the legal requirement that a pedelec must also be able to be operated with a removed battery in order to be operated on the road without an insurance license plate cannot be met.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine seriell-hybride Antriebsanordnung mit gegenüber dem Stand der Technik verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen, der überdies mit vorübergehend entkoppeltem Energiespeicher in einem Tretmodus betrieben werden kann. Eine weitere Aufgabe ist es, ohne mechanische Verbindung zwischen Tretkurbel und Antriebsrad eine Möglichkeit zu schaffen, die Pedale in eine geeignete Anfahrposition zu bringen bzw. dort im Stillstand zu halten.The object of the invention is therefore to create a serial-hybrid drive arrangement with improved efficiency compared to the prior art, which can also be operated in a pedaling mode with a temporarily decoupled energy store. A further object is to create a possibility, without a mechanical connection between the pedal crank and the drive wheel, to bring the pedals into a suitable starting position or to keep them stationary there.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebsanordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben der Antriebsanordnung nach Anspruch 4.This object is achieved by a drive arrangement according to claim 1 and by a method for operating the drive arrangement according to claim 4.

Die erfindungsgemäße Antriebsanordnung ist dafür vorgesehen, als Antriebsanordnung eines zumindest teilweise muskelkraftbetreibbaren Fahrzeugs verbaut zu werden.The drive arrangement according to the invention is intended to be installed as a drive arrangement of a vehicle that can be operated at least partially by muscle power.

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.First of all, it comprises a generator which can be connected via a shaft (and possibly also via a gear) to a pedal crank in such a way that mechanical energy generated by the pedal crank can be converted into electrical energy by the generator.

Die Antriebsanordnung umfasst ferner mindestens einem Antriebsmotor. Dieser ist dafür ausgebildet, ein Antriebsrad des Fahrzeugs anzutreiben. Ferner umfasst die Antriebsanordnung einen Energiespeicher. Der Generator ist mit dem mindestens einen Antriebsmotor derart elektrisch verbunden, dass dieser mit der durch den Generator bereitgestellten elektrischen Energie betreibbar ist. Der Energiespeicher ist mit dem mindestens einen Antriebsmotor derart elektrisch verbunden, dass der Antriebsmotor mit der durch den Energiespeicher bereitgestellten elektrischen Energie betreibbar ist.The drive assembly also includes at least one drive motor. This is designed to drive a drive wheel of the vehicle. Furthermore, the drive arrangement includes an energy store. The generator is electrically connected to the at least one drive motor in such a way that it can be operated with the electrical energy provided by the generator. The energy store is electrically connected to the at least one drive motor in such a way that the drive motor can be operated with the electrical energy provided by the energy store.

Bevorzugt kann der Antriebsmotor ferner generatorisch betrieben werden und ist mit dem Energiespeicher ferner so verbunden, dass die generierte Energie dem Energiespeicher zuführbar ist.The drive motor can preferably also be operated as a generator and is also connected to the energy store in such a way that the energy generated can be supplied to the energy store.

Weiter bevorzugt kann der Generator mit Energie aus dem Energiespeicher motorisch betrieben werden kann.More preferably, the generator can be operated as a motor with energy from the energy store.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann der mindestens eine Antriebsmotors direkt mit durch den Generator generierter Energie bestromt werden.In a preferred embodiment, the at least one drive motor can be powered directly with energy generated by the generator.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung einer vorab beschriebenen Antriebsanordnung umfasst das Bestromen des mindestens einen Antriebsmotors direkt mit durch den Generator generierter Energie.The method according to the invention for controlling a drive arrangement as described above includes energizing the at least one drive motor directly with energy generated by the generator.

Bevorzugt umfasst das Verfahren dabei ferner mindestens zwei weitere Schritte Schritte: In einem weiteren Schritt wird die Verfügbarkeit von Energie aus dem Energiespeicher detektiert. Anders ausgedrückt wird der Ladezustand des Energiespeichers bestimmt. Falls der Ladezustand ausreichend ist, wird in einem weiteren Schritt der mindestens eine Antriebsmotor mit Energie aus dem Energiespeicher bestromt.The method preferably also includes at least two further steps: In a further step, the availability of energy from the energy store is detected. In other words, the state of charge of the energy store is determined. If the state of charge is sufficient, in a further step the at least one drive motor is supplied with energy from the energy store.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Steuerung einer vorab beschriebenen Ausführungsform umfasst mehrere Schritte:

In einem ersten Schritt wird der mindestens eine Antriebsmotor generatorisch betrieben. Dies geschieht durch Rotation des Antriebsrads, beispielsweise beim Bergabrollen des Fahrzeugs. In einem zweiten Schritt wird die so generierten Energie in den Energiespeicher zugeführt.

Another preferred embodiment of the method according to the invention for controlling an embodiment described above comprises several steps:

In a first step, the at least one drive motor is operated as a generator. This is done by rotating the drive wheel, for example when the vehicle is rolling downhill. In a second step, the energy generated in this way is fed into the energy store.

Bevorzugt wird dabei auch der Generator generatorisch Betrieben und die so generierte Energie ebenfalls dem Energiespeicher zugeführt.The generator is preferably also operated as a generator and the energy generated in this way is also supplied to the energy store.

In einem ersten Schritt wird ein Stillstand eines mit der Antriebsanordnung ausgestatteten Fahrzeugs detektiert. In einem zweiten Schritt wird ein Anfahrsignal detektiert. In einem dritten Schritt wird die Tretkurbel durch Bestromung des Generators mit Energie aus dem Energiespeicher um einen Winkel α_anfahr rotiert, der notwendig ist, um die Tretkurbel, und damit die Pedale, in eine für den Fahrer geeignete Anfahrposition zu verbringen.

In a first step, a standstill of a vehicle equipped with the drive arrangement is detected. In a second step, a starting signal is detected. In a third step, the crank is rotated by energizing the generator with energy from the energy store by an angle α _starting , which is necessary to bring the crank, and thus the pedals, into a starting position suitable for the driver.

Bevorzugt wird weiter ein beispielsweise vom Fahrer in die Tretkurbel eingebrachtes Drehmoment und/oder deren Drehzahl erfasst und in Abhängigkeit davon zusätzlich der Antriebsmotor bestromt.Preferably, a torque introduced by the driver into the pedal crank and/or its rotational speed is also detected and the drive motor is additionally energized as a function of this.

Bevorzugt wird das Anfahrsignal dadurch gegeben, dass das mit der Antriebsanordnung ausgestattete Fahrzeug von Geschwindigkeit v=0 auf eine vorbestimmbare Geschwindigkeit v ≥ v_anfahr beschleunigt wird - beispielsweise durch den Fahrer angeschoben wird. Denkbar ist als Signalgeber jedoch jede weitere Einwirkung auf beispielsweise eine Betriebsbremse oder einen Schalter oder dergleichen - beispielsweise durch Hand und/oder Fuß des Fahrers auslösbar.The starting signal is preferably given by the vehicle equipped with the drive arrangement being accelerated from speed v=0 to a predeterminable speed v _≧ v starting—for example being pushed by the driver. However, any further action on, for example, a service brake or a switch or the like, which can be triggered by the driver's hand and/or foot, for example, is conceivable as a signal transmitter.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der Erfindung anhand der beiden Figur näher dargestellt.Further measures improving the invention are presented in more detail below together with the description of the invention with reference to the two figures.

Hierbei zeigt 1 eine schematische Darstellung des Wirkflusses zwischen einer Tretkurbel 1 und dem Antriebsrad 7. Entlang der durchgehenden Pfeile wird mittels der Tretkurbel 1 im Generator 2 (gegebenenfalls über ein hier nicht dargestelltes Getriebe) Energie erzeugt, die direkt dem Antriebsmotor 6 zugeführt wird, der schließlich das Antriebsrad 7 antreibt. Ebenso kann vom Energiespeicher 5 über den Wechselrichter 4 ebenfalls Energie dem Antriebsmotor 6 zugeführt werden. In einem Rekuperationsbetrieb wird der Antriebsmotor 6 durch das Antriebsrad 7 generatorisch betrieben und die erzeugte Energie über den Wechselrichter 4 dem Energiespeicher 5 zugeführt.Here shows 1 a schematic representation of the active flow between a crank 1 and the drive wheel 7. Along the continuous arrows, energy is generated by means of the crank 1 in the generator 2 (possibly via a transmission not shown here), which is fed directly to the drive motor 6, which ultimately drives the drive wheel 7 drives. Likewise, energy can also be supplied to the drive motor 6 from the energy store 5 via the inverter 4 . In a recuperation mode, the drive motor 6 is operated as a generator by the drive wheel 7 and the energy generated is fed to the energy store 5 via the inverter 4 .

Umgangen werden kann damit der Wirkungsfluss entlang der gestrichelten Pfeile, demgemäß der Generator 2 über den Gleichrichter 3 Energie dem Energiespeicher 5 zuführt. Mit Energie aus dem Energiespeicher 5 kann kurzfristig über den Gleichrichter der Generator 2 motorisch betrieben werden. Der Generator wird dabei so, dass zum Anfahren die Pedale in eine geeignete Position bewegt werden und/oder in einer bestimmten Position gehalten werden, um ein Durchsacken der Pedale zu vermeiden.The flow of effects along the dashed arrows can thus be avoided, according to which the generator 2 supplies energy to the energy store 5 via the rectifier 3 . With energy from the energy store 5, the generator 2 can be operated as a motor for a short time via the rectifier. The generator is designed in such a way that the pedals are moved into a suitable position and/or are held in a specific position in order to prevent the pedals from sagging.

BezugszeichenlisteReference List

11: Tretkurbelcrank
22: Generatorgenerator
33: Gleichrichterrectifier
44: Wechselrichterinverter
55: Energiespeicherenergy storage
66: Antriebsmotordrive motor
77: Antriebsraddrive wheel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102011082082 A1 [0004]
DE 102017213303 A1 [0005]

Claims

Drive arrangement for a vehicle that can be operated at least partially by muscle power, comprising - a generator (2) which can be connected via a shaft to a pedal crank (1) in such a way that mechanical energy generated by the pedal crank (1) can be converted by the generator (2) into electrical energy - at least one drive motor (6), which is designed to drive a drive wheel (7) of the vehicle, - an energy store (5), characterized in that the generator (2) is electrically connected to the at least one drive motor (6) in this way is that the drive motor (6) can be operated directly with the electrical energy provided by the generator (2), and the energy store (5) is electrically connected to the at least one drive motor (6) in such a way that the drive motor (6) is connected to the by the energy store (5) provided electrical energy can be operated.

Drive arrangement for an at least partially muscle-powered vehicle claim 1 , characterized in that the at least one drive motor (6) is designed in such a way that it can be operated as a generator and is connected to the energy store (5) in such a way that the energy generated can be supplied to the energy store (5).

Drive arrangement for an at least partially muscle-powered vehicle claim 1 or 2 , characterized in that the generator (2) is designed in such a way that it is connected to the energy store (5) in such a way that it can be operated as a motor.

Method for controlling a drive arrangement according to one of Claims 1 until 3 , comprising energizing the at least one drive motor (6) directly with the generator (2) generated energy.

Method for controlling a drive arrangement claim 4 , further comprising the steps of: - detecting the availability of energy from the energy store (5) and - energizing the at least one drive motor (6) with energy from the energy store (5).

Method for controlling a drive arrangement according to one of Claims 1 until 3 , comprising the steps - operating the at least one drive motor (6) as a generator by rotating the drive wheel (7), - supplying the energy generated in this way to the energy store (5).

Method for controlling a drive arrangement claim 6 further comprising the steps - operating the generator (2) as a generator, - supplying the energy generated in this way to the energy store (5).

Method for controlling a drive arrangement according to one of Claims 1 until 3 , comprising the steps i. detecting a standstill of a vehicle equipped with the drive arrangement ii. detecting a start-up signal iii. Rotating the pedal crank (1) by an angle α _starting by energizing the generator (2) with energy from the energy store (5).

Method for controlling a drive arrangement claim 8 , characterized in that as step iv. furthermore, a torque introduced into the pedal crank (1) and/or its rotational speed is recorded and, depending on this, the drive motor (6) is additionally energized.

Method for controlling a drive arrangement claim 8 or 9 , characterized in that the starting signal can be triggered by increasing the speed of a vehicle equipped with the drive arrangement from speed v=0 to a predeterminable speed v ≥ v _starting or by mechanical action on a signal generator.