-
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 Betätigungseinrichtung 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 in der Art, dass durch eine muskelkraftbewirkte Drehung der Kurbeleinrichtung eine elektrisch bewirkte Drehung des Antriebsrads erzeugbar ist.
-
Neben konventionellen Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, rücken zunehmend Kleinstfahrzeuge in den Fokus der Gesellschaft, um die sich verändernden Mobilitätsanforderungen zukunftssicher zu erfüllen. Die Kleinstfahrzeuge haben den Vorteil, dass diese zum einen einen geringeren Raum als Parkplatz beanspruchen. Zum anderen können die Kleinstfahrzeuge so ausgelegt sein, dass diese sich maßgeblich im Stadtverkehr bewegen können, sodass die Anforderungen an mögliche Höchstgeschwindigkeiten sehr gering sind.
-
Zu dieser Gruppe von Kleinstfahrzeigen gehören traditionell auch beispielsweise Fahrräder, welche üblicherweise mit Muskelkraft betrieben wurden und werden. Neben den muskelbetriebenen Fahrrädern wurden auch Fahrräder mit Hilfsmotoren entwickelt. Mit der Entwicklung von leistungsfähigen Akkus wurden die Hilfsmotoren umweltschonend als Elektromotoren realisiert. Derartige Elektrofahrräder sind mittlerweile ein fester Bestandteil im Straßenbild geworden. Diese muskel- oder tretkraftunterstützten Fahrzeuge sind insbesondere unter den Namen Pedelec (Pedal Electric Cycle), E-Bike oder Elektrofahrrad bekannt.
-
Aus der
DE 10 2013 012 208 A1 ist bereits ein derartiges 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.
-
Es existieren ferner verschiedene Konzepte, auf die, einem mechanischen Verschleiß unterliegenden Endloszugmittel zur Übertragung der Muskelkraft in elektrifizierten Antriebssträngen zu verzichten. Diese Konzepte sind auch unter dem Namen Chainless-Drive (CLD) bekannt, in denen beispielsweise vollständig auf eine Fahrradkette verzichtet wird.
-
Bei konventionellen Chainless-Drive (CLD) Systemen wird mit dem von den Kurbeln durch den Fahrer angetriebenen Generator mittels Elektronik ein Gleichstrom erzeugt, mittels welchem eine Batterie geladen werden kann und/oder ein Antriebsmotor mit steuerbarem/regelbarem Strom unabhängig von der Generatordrehzahl angetrieben werden kann. Da eine direkte mechanische Verbindung zwischen dem Fahrer und dem angetriebenen Rad bei einem Chainless-Drive nicht mehr vorhanden ist, muss das Fahrgefühl eines mechanischen Antriebsstrangs durch das Chainless-Drive-System elektronisch nachgebildet werden.
-
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug bereitzustellen, dass ein sehr natürliches, an einem mechanischen Antriebssystem orientiertes Fahrgefühl realisiert. Es ist insbesondere auch die Aufgabe der Erfindung, ein Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug bereitzustellen, dass auf eine effektive Weise die Elastizität eines Endloszugmittels wie einer Kette in einem mechanischen Antriebsstrang elektronisch bzw. elektrisch nachbilden kann.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch 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 Betätigungseinrichtung 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 in der Art, dass durch eine muskelkraftbewirkte Drehung der Kurbeleinrichtung eine elektrisch bewirkte Drehung des Antriebsrads erzeugbar ist, wobei die Steuereinheit ferner eingerichtet ist, die motorisch betreibbare elektrische Maschine und/oder die generatorisch betreibbare elektrische Maschine mittels einer Positionsregelung zu betreiben, indem durch die Steuereinheit in Abhängigkeit von einer Winkelpositionsdifferenz ΔØ aus der Ist-Winkelposition ØG_ist der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine und der Ist-Winkelposition ØM_ist der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine ein Generator-Sollmoment MG_soll als Sollwertvorgabe zur Ansteuerung der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine und ein Motor-Sollmoment MM_soll als Sollwertvorgabe zur Ansteuerung der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine ermittelbar ist.
-
Mittels des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann die Elastizität eines mechanischen Endlosübertragungsmittels wie einer Fahrradkette elektrisch nachgebildet werden, wodurch dem Fahrer des Fahrzeugs ein sehr natürliches Fahrgefühl geboten werden kann. Benutzt werden hierzu direkt die Positionssignale der Ist-Winkelpositionen der generatorisch betreibbaren Maschine und der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine, um die Winkelpositionsdifferenz ΔØ zu erfassen.
-
Beim Anfahren oder wenn die Geschwindigkeit relativ klein ist, hat sich eine Positionsregelung als besonders vorteilhaft erwiesen. In dieser Fahrsituation bleibt das Antriebsrad zunächst stehen, während die Muskelkraft vom Fahrer auf die Betätigungseinrichtung aufgebracht wird. Infolgedessen steigt die Winkelpositionsdifferenz ΔØ und somit auch das Generator-Sollmoment MG_soll, das als Widerstandsmoment gegen Muskelkraft vom Fahrer auf die Betätigungseinrichtung wirkt. Gleichzeitig steigt das Motor-Sollmoment MM_soll proportional zu dem Generator-Sollmoment MG_soll, welches bevorzugt mit einem Momentfaktor kM multipliziert ist. Solange das Antriebsrad den Widerstand der Umgebung, beispielsweise bestehend aus einer Steigung, Beschleunigung, Luftwiderstand, Haftreibung usw., nicht überwinden kann, bleibt es stehen. Das Generator-Sollmoment MG_soll als Widerstandsmoment gegen die vom Fahrer aufgebrachte Muskelkraft ansteigen, bis zu der größten Kraft, die der Fahrer auf die Betätigungseinrichtung ausüben kann. Währenddessen ändert sich beispielsweise die Pedalposition der Betätigungseinrichtung nicht oder nur in einem geringen Umfang, abhängig vom der zu realisierenden Steifigkeit. Hierdurch kann ein echtes, natürliches Pedalgefühl beim Anfahren simuliert werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die die Steuereinheit eingerichtet ist, die Ist-Winkelposition ØM_ist der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine mit einem Drehzahlfaktor kn zu multiplizieren. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass über den Drehzahlfaktor kn die Drehzahlübersetzung eines fiktiven mechanischen Antriebsstrangs nachgebildet bzw. einstellbar ist.
-
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, das Motor-Sollmoment MM_soll der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine mit Momentfaktor kM zu multiplizieren. Es kann hierdurch erreicht werden, dass je nach Bedarf verschiedene Unterstützungsstufen des Antriebssystems einstellbar ist.
-
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, beim Vorliegen der Bedingung, dass die generatorseitige Ist-Winkelposition ØG_ist > als die motorseitige Ist-Winkelposition ØM_ist, die Winkelpositionsdifferenz ΔØ auf null zu setzen, so dass eine Freilaufeigenschaft des Antriebssystems ermöglicht ist.
-
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, die motorisch betreibbare elektrische Maschine und/oder die generatorisch betreibbare elektrische Maschine mittels einer Reglerkaskade bestehend aus einer Positionsreglung und einem Drehzahlregler zu betreiben. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass Position und Drehzahl gezielt separat auf Null geregelt werden können.
-
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass durch die Steuereinheit in Abhängigkeit von der Winkelpositionsdifferenz ΔØ und der Drehzahldifferenz Δn, welche aus der ersten Ableitung der Ist-Winkelposition ØG_ist der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine und der ersten Ableitung der Ist-Winkelposition ØM_ist der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine ermittelbar ist, ein Generator-Sollmoment MG_soll als Sollwertvorgabe zur Ansteuerung der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine und ein Motor-Sollmoment MM_soll als Sollwertvorgabe zur Ansteuerung der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine ermittelbar ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die Drehzahlsignale auch von Positionssignalen abgeleitet werden, um andere Eigenschaft, z.B. Dämpfungseffekt eines fiktiven mechanischen Antriebsstrangs nachzubilden.
-
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Soll-Winkelposition Øsoll der Positionsreglung als Eingangsgröße auf den Drehzahlregler geschaltet ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass gegenüber einem direkt wirkenden Positionsregler die Regelgenauigkeit erhöht werden kann.
-
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Beaufschaltung der Soll-Winkelposition Øsoll der Positionsreglung als Eingangsgröße auf den Drehzahlregler ein- und ausschaltbar ist. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt, ist, dass beim Ausschalten unter hoher Drehzahl die Positionsreglung deaktiviert wird.
-
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Beaufschlagung der der Soll-Winkelposition Øsoll der Positionsreglung als Eingangsgröße auf den Drehzahlregler ab einem in der Steuereinheit gespeicherten Drehzahlschwellenwert erfolgt. Hierdurch kann bewirkt werden, dass so lange eine vordefinierte Geschwindigkeitsschwelle erreicht wird, die Positionsregelung ausgeschaltet ist und nur noch eine Drehzahlregelung eingeschaltet ist. Der Vorteil besteht darin, dass die relativ sensible und dynamische Positionsregelung deaktiviert wird und der unnötige Einfluss auf die Drehzahlregelung unter hoher Drehzahl verworfen werden kann.
-
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die motorisch betreibbare elektrische Maschine und/oder die generatorisch betreibbare elektrische Maschine eine feldorientierte Reglung aufweisen. Der Vorteil, der sich hierdurch ergibt, ist insbesondere, dass das Potenzial der elektrischen Maschine voll ausgeschöpft werden kann.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
-
Es zeigen:
- 1 schematisches Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer elektrischen Antriebsvorrichtung für ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug, und
- 2 schematisches Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer elektrischen Antriebsvorrichtung für ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug.
-
Die 1 zeigt ein elektrisches Antriebssystem 1 für ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug 100, umfassend eine erste, zumindest motorisch betreibbare, elektrische Maschine 2, welche zum Zwecke des Antriebs auf ein Antriebsrad 101 des Fahrzeugs 100 wirkt. Das Antriebssystem 1 besitzt ferner eine zweite, zumindest generatorisch betreibbare, elektrische Maschine 3, welche eingerichtet ist, eine von einem Fahrer des Fahrzeugs 100 über eine Betätigungseinrichtung 15 eingebrachte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.
-
Das Antriebssystem 1 weist ferner eine Energiespeichereinrichtung 4 zur Speicherung und zur Abgabe elektrischer Energie insbesondere an die motorisch betreibbare, elektrische Maschine 2 auf.
-
Des Weiteren besitzt das Antriebssystem 1 eine zentrale Steuereinheit 5 zur Ansteuerung der ersten elektrischen Maschine 3 und zur Ansteuerung der zweiten elektrischen Maschine 2 in der Art, dass durch eine muskelkraftbewirkte Drehung der als Kurbeleinrichtung ausgebildeten Betätigungseinrichtung 15 eine elektrisch bewirkte Drehung des Antriebsrads 101 erzeugbar ist.
-
Die Steuereinheit 5 ist ferner eingerichtet, die motorisch betreibbare elektrische Maschine 2 und/oder die generatorisch betreibbare elektrische Maschine 3 mittels einer Positionsregelung 10 zu betreiben, indem durch die Steuereinheit 5 in Abhängigkeit von einer Winkelpositionsdifferenz ΔØ aus der Ist-Winkelposition ØG_ist der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 und der Ist-Winkelposition ØM_ist der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine 2 ein Generator-Sollmoment MG_soll als Sollwertvorgabe zur Ansteuerung der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 und ein Motor-Sollmoment MM_soll als Sollwertvorgabe zur Ansteuerung der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine 2 ermittelbar ist.
-
Die Steuereinheit 5 ist eingerichtet, die Ist-Winkelposition ØM_ist der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine 2 mit einem Drehzahlfaktor kn zu multiplizieren. Die Steuereinheit 5 ist ferner eingerichtet, das Motor-Sollmoment MM_soll der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine 2 mit Momentfaktor kM zu multiplizieren.
-
Beim Anfahren oder wenn die Geschwindigkeit relativ klein ist, hat sich eine Positionsregelung 10 als besonders vorteilhaft erwiesen. In dieser Fahrsituation bleibt das Antriebsrad 101 zunächst stehen, während die Muskelkraft vom Fahrer auf die Betätigungseinrichtung 15 aufgebracht wird. Infolgedessen steigt die Winkelpositionsdifferenz ΔØ und somit auch das Generator-Sollmoment MG_soll, das als Widerstandsmoment gegen Muskelkraft vom Fahrer auf die Betätigungseinrichtung 15 wirkt.
-
Gleichzeitig steigt das Motor-Sollmoment MM_soll proportional zu dem Generator-Sollmoment MG_soll, welches mit einem Momentfaktor kM multipliziert ist. Solange das Antriebsrad den Widerstand der Umgebung, beispielsweise bestehend aus einer Steigung, Beschleunigung, Luftwiderstand, Haftreibung usw., nicht überwinden kann, bleibt es stehen. Das Generator-Sollmoment MG_soll steigt als Widerstandsmoment gegen die vom Fahrer aufgebrachte Muskelkraft an, bis zu der größten Kraft, die der Fahrer auf die Betätigungseinrichtung 15 ausüben kann. Währenddessen ändert sich beispielsweise die Pedalposition der Betätigungseinrichtung 15 nicht oder nur in einem geringen Umfang, abhängig vom der zu realisierenden Steifigkeit. Hierdurch kann ein echtes, natürliches Pedalgefühl beim Anfahren simuliert werden.
-
Beim Vorliegen der Bedingung, dass die generatorseitige Ist-Winkelposition ØG_ist > als die motorseitige Ist-Winkelposition ØM_ist ist, ist die Steuereinheit 5 so konfiguriert, dass die Winkelpositionsdifferenz ΔØ in einer Richtung auf null gesetzt wird. Das Verhalten eines Freilaufs kann so mit der Positionsregelung 10 realisiert werden.
-
In einer Weiterentwicklung des Antriebssystems 1, die in der 2 gezeigt ist, ist die Steuereinheit 5 so eingerichtet, dass die motorisch betreibbare elektrische Maschine 2 und/oder die generatorisch betreibbare elektrische Maschine 3 mittels einer Reglerkaskade bestehend aus einer Positionsreglung 10 und einem Drehzahlregler 11 betrieben werden kann. Durch die Steuereinheit 5 kann in Abhängigkeit von der Winkelpositionsdifferenz ΔØ und der Drehzahldifferenz Δn, welche aus der ersten Ableitung der Ist-Winkelposition ØG_ist der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 und der ersten Ableitung der Ist-Winkelposition ØM_ist der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine 2 ermittelbar ist.
-
Das Generator-Sollmoment MG_soll ist als Sollwertvorgabe zur Ansteuerung der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 und ein Motor-Sollmoment MM_soll als Sollwertvorgabe zur Ansteuerung der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine 2 ermittelbar. Hierdurch können beispielsweise auch Eigenschaften eines fiktiven mechanischen Antriebsstrangs, wie z.B. die Dämpfung, mithilfe der abgeleiteten Drehzahldifferenz realisiert werden, was mit der in der 1 gezeigten, reglungstechnisch einfacheren Ausführung eines Antriebssystems 1 nicht möglich ist.
-
Die Soll-Winkelposition Øsoll der Positionsreglung 10 ist hierbei als Eingangsgröße auf den Drehzahlregler 11 geschaltet. Auch ist in der 2 gezeigt, dass die Beaufschaltung der Soll-Winkelposition Øsoll der Positionsreglung 10 als Eingangsgröße auf den Drehzahlregler 11 ein- und ausschaltbar ist. Die Beaufschlagung der der Soll-Winkelposition Øsoll der Positionsreglung 10 als Eingangsgröße auf den Drehzahlregler 11 kann hierbei ab einem in der Steuereinheit 5 gespeicherten Drehzahlschwellenwert erfolgen.
-
Schließlich zeigt die Figur auch, dass die motorisch betreibbare elektrische Maschine 2 und/oder die generatorisch betreibbare elektrische Maschine 3 eine feldorientierte Reglung 12 aufweisen.
-
In den gezeigten Ausführungsbeispielen der 1 und 2 berechnet die Positionsregelung 10 berechnet die Differenz zwischen generatorseitige Ist-Winkelposition ØG_ist und der motorseitigen Ist-Winkelposition ØM_ist multipliziert mit dem Drehzahlfaktor kn. Die Winkelpositionsdifferenz ΔØ wird dann benutzt, zusammen mit der Drehzahldifferenz Δn, ein Generator-Sollmoment MG_soll als Führungsgröße für die generatorisch betreibbare elektrische Maschine 3 mit feldorientierter Regelung 12 zu ermitteln.
-
Die Beziehung zwischen dem Generator-Sollmoment MG_soll und der Winkelpositionsdifferenz ΔØ beschreibt die Steifigkeit des zu bildenden mechanischen Antriebsstrangs. Es besteht daher die Möglichkeit, je nach Bedarf den Antriebsstrang steif oder weich zu realisieren.
-
Parallel dazu wird Motor-Sollmoment MM_soll der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine 2 mit einem Momentfaktor kM berechnet und als Führungsgröße für die motorisch betreibbare elektrische Maschine 2 mit einer feldorientierten Regelung 12 bereitgestellt.
-
Die Positionsregelung 10 ersetzt somit die mechanische Verbindung zwischen motorisch betreibbaren elektrischen Maschine 2 und generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3, unabhängig davon, was für eine Belastung vom Muskel des Fahrers auf die Betätigungseinrichtung 15 des Fahrzeugs 100 und/oder durch Steigung, Beschleunigung, Luftwiderstand usw. auf Antriebsrad 101 ausgeübt wird.
-
Werden der Drehzahlfaktor kn sowie der Momentfaktor kM geändert, können beispielsweise auch ein mechanischer Gangwechsel und/oder eine Tretkraftverstärkung realisiert bzw. eingestellt werden.
-
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Antriebssystem
- 2
- motorisch betreibbare elektrische Maschine
- 3
- generatorisch betreibbare elektrische Maschine
- 4
- Energiespeichereinrichtung
- 5
- Steuereinheit
- 10
- Positionsreglung
- 11
- Drehzahlregler
- 12
- Reglung
- 15
- Betätigungseinrichtung
- 100
- Fahrzeug
- 101
- Antriebsrad
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102013012208 A1 [0004]
