DE102022002285A1 - Electromechanical drive system for a vehicle powered by muscle power and electrical energy. - Google Patents

Electromechanical drive system for a vehicle powered by muscle power and electrical energy. Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromechanisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft und elektrischer Energie betriebenes Fahrzeug, insbesondere Zweirad (Fahrrad, Pedelec, EPAC), gekennzeichnet durch mindestens einen elektrischen Generator (3), der mit Tretkurbel und Pedale (1) über ein Übersetzungsgetriebe (2) mechanisch verbunden ist und die über Tretkurbel und Pedale (1) aufgebrachte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die somit umgewandelte elektrische Energie wird für den Betrieb des mindestens einen elektrischen Antriebsmotors (7) und entsprechender Steuerungselektronik (5) eingesetzt. Dabei wird die umgewandelte elektrische Energie mit Hilfe eines Akkumulators (4) gespeichert und entsprechend für den Systemverbrauch (Antriebsmotor (7), Benutzerschnittstellen, Steuerungselektronik (5) und weitere) verteilt. Im Falle eines Ausfalls des elektrischen Systems, einer manuellen Deaktivierung oder dem Erreichen der Leistungsgrenze des mindestens einen Antriebsmotors (7), ist mindestens ein Kupplungselement (6) mit einem manuell und automatisiert steuerbarem Getriebe (9) in die mechanische Energieübertragung, zwischen Tretkurbel mit Pedale (1) und dem mindestens einem Antriebsrad (8) integriert. Das Kupplungselement (6) überträgt anforderungsgerecht, über ein Übersetzungsgetriebe (9) die mechanische Energie teilweise oder gänzlich an das mindestens eine Antriebsrad (8).The present invention relates to an electromechanical drive system for a vehicle operated with muscle power and electrical energy, in particular a two-wheeler (bicycle, pedelec, EPAC), characterized by at least one electric generator (3), which is connected to a pedal crank and pedals (1) via a transmission gear (2 ) is mechanically connected and converts the mechanical energy applied via the pedal crank and pedals (1) into electrical energy. The electrical energy thus converted is used to operate the at least one electric drive motor (7) and corresponding control electronics (5). The converted electrical energy is stored using an accumulator (4) and distributed accordingly for system consumption (drive motor (7), user interfaces, control electronics (5) and others). In the event of a failure of the electrical system, a manual deactivation or the performance limit of the at least one drive motor (7) being reached, at least one coupling element (6) with a manually and automatically controllable transmission (9) is in the mechanical energy transmission, between the pedal crank and pedals (1) and the at least one drive wheel (8). The coupling element (6) transfers some or all of the mechanical energy to the at least one drive wheel (8) via a transmission gear (9) as required.

Description

1.2 Gebiet der Erfindung1.2 Field of the Invention

Die Erfindung ist dem Ingenieurwesen zugeordnet und betrifft muskelkraftbetriebene Fahrzeuge, insbesondere Zweiräder (Fahrrad, Pedelec, EPAC).The invention is associated with engineering and relates to human-powered vehicles, in particular two-wheelers (bicycles, pedelecs, EPAC).

1.3 Hintergrund der Erfindung (Stand der Technik)1.3 Background of the invention (prior art)

Gegenwärtige durch Muskelkraft angetriebene rein mechanisch oder auch elektrisch-unterstützte Fahrzeuge (Fahrräder, Pedelecs, EPACs) nutzen zumeist den herkömmlichen mechanischen Ketten- oder Riemenantrieb, um die Leistung der Muskelkraft zur Fortbewegung zu nutzen. Dabei wird die mechanische Kraft des Fahrenden zumeist mittels Pedale und Tretkurbel an ein mechanisch verbundenes Antriebsrad übertragen. Bei einem Hybrid-Fahrrad ist zudem ein elektrischer Antriebsmotor in den mechanischen Antriebsstrang integriert und unterstützt die aufgebrachte mechanische Antriebsleistung. Die für eine elektrische Motorunterstützung eines gattungsgemäßen Hybrid-Fahrrads benötigte elektrische Energie wird aus einem mitgeführten Akkumulator genutzt, der extern, vom Nutzer geladen werden muss. Dadurch ist die Dauer der elektrischen Unterstützung auf die Ladekapazität des Akkumulators begrenzt.Current purely mechanical or electrically assisted vehicles powered by muscle power (bicycles, Pedelecs, EPACs) mostly use the conventional mechanical chain or belt drive to use the power of muscle power for locomotion. The mechanical power of the driver is usually transferred to a mechanically connected drive wheel using pedals and cranks. In a hybrid bicycle, an electric drive motor is also integrated into the mechanical drive train and supports the mechanical drive power applied. The electrical energy required for electric motor support of a generic hybrid bicycle is used from a battery carried along, which must be charged externally by the user. This means that the duration of electrical support is limited to the charging capacity of the battery.

Bei einem Seriell-Hybrid-Fahrrad, wie aus DE 196 00 698 A1 bereits bekannt, wird das Antriebsrad ausschließlich durch einen elektrischen Antriebsmotor angetrieben. Mittels der Pedale und Tretkurbel wird ausschließlich ein elektrischer Generator angetrieben, so dass die durch Muskelkraft eingebrachte mechanische Energie des Fahrenden in elektrische Energie umgewandelt und dem elektrischen System zugeführt wird.With a serial hybrid bike, how about DE 196 00 698 A1 already known, the drive wheel is driven exclusively by an electric drive motor. The pedals and pedal crank are used exclusively to drive an electrical generator, so that the mechanical energy generated by the driver's muscle power is converted into electrical energy and fed to the electrical system.

Nachteilig bei dem genannten Konzept des seriell-hybriden Fahrrads ist der Umstand, dass bei einem Ausfall des elektrischen Systems keine weitere Fahrbewegung im bekannten Sinne mehr möglich ist. Ebenso ist bei dem Erreichen der Leistungsgrenze des Antriebsmotors, trotz Erhöhung der eingebrachten Muskelkraft keine weitere Leistungssteigerung möglich Dies ist dadurch bedingt, dass keine mechanische Verbindung zwischen Tretkurbel mit Pedale und dem Antriebsrad besteht.The disadvantage of the above-mentioned concept of the serial-hybrid bicycle is the fact that if the electrical system fails, further driving movement in the known sense is no longer possible. Likewise, when the performance limit of the drive motor is reached, no further increase in performance is possible despite increasing the muscle power applied. This is due to the fact that there is no mechanical connection between the crank with pedals and the drive wheel.

1.4 Problemlösung1.4 Problem solving

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein elektromechanisches Antriebssystem für muskelkraftbetriebene Fahrzeuge, insbesondere Zweiräder (Fahrrad, Pedelec, EPAC), dass die Vorteile eines Seriell-Hybrid-Fahrrads mit der theoretisch unbegrenzten Reichweite des elektrischen Antriebs (Abhängig von der Fahrsituation und der Physiologie (Konstitution, Gewicht) des Nutzers), mit denen des rein mechanischen Fahrrads, mit dem bekannten, von einer Elektronik unabhängigen mechanischen Antrieb, kombiniert.The present invention describes an electromechanical drive system for human-powered vehicles, in particular two-wheelers (bicycle, Pedelec, EPAC), that offers the advantages of a serial hybrid bicycle with the theoretically unlimited range of the electric drive (depending on the driving situation and physiology (constitution, weight ) of the user) with those of the purely mechanical bicycle, combined with the well-known mechanical drive that is independent of electronics.

Dafür ist in einem erfindungsgemäßen Antriebssystem eine Kupplung mit einem integrierten Getriebe, vorzugsweise ein mehrstufiges Planetengetriebe, dass sich wahlweise manuell oder automatisiert steuern lässt, mechanisch mit Tretkurbel und Antriebsrad verbunden. Die Kupplung mit integriertem Übersetzungsgetriebe wird im regulären elektrischen Fahrbetrieb über eine Steuerungselektronik gesteuert und überträgt bei Bedarf anforderungsgerecht, den elektrischen Antrieb unterstützend, die mechanische Pedalkraft teilweise oder gänzlich an das Antriebsrad.For this purpose, in a drive system according to the invention, a clutch with an integrated gear, preferably a multi-stage planetary gear that can be controlled either manually or automatically, is mechanically connected to the pedal crank and drive wheel. The clutch with integrated transmission gear is controlled in regular electric driving mode via control electronics and, if necessary, transfers part or all of the mechanical pedal force to the drive wheel as required, supporting the electric drive.

Im Falle eines Ausfalls des elektrischen Systems, einer manuellen Deaktivierung oder dem Erreichen der Leistungsgrenze des Antriebsmotors, überträgt die Kupplung die Pedalkraft gänzlich an das Antriebsrad.In the event of a failure of the electrical system, manual deactivation or the drive motor reaching its performance limit, the clutch transfers the pedal force entirely to the drive wheel.

Aufgrund dieser Zusammenführung von zwei verschiedenen Antriebsmöglichkeiten des Antriebsrades, zum einen des sekundären mechanischen, durch Muskelkraft betriebenen Antriebs und zum anderen durch einen rein elektrisch angetriebenen primären Antriebsmotor, oder eine beliebige Anteilsverteilung von beiden, ist jederzeit eine Fortbewegung gewährleistet.Due to this combination of two different drive options for the drive wheel, on the one hand the secondary mechanical drive powered by muscle power and on the other hand through a purely electrically driven primary drive motor, or any distribution of both, movement is guaranteed at all times.

Wie in Figure 1 schematisch dargestellt, wirkt demnach bei einem erfindungsgemäßen Antriebssystem die durch den Fahrenden mit Muskelkraft eingebrachte mechanische Energie zunächst auf die Tretkurbel mit Pedale (1), die wiederum mit einem Übersetzungsgetriebe (2), vorzugsweise ein integriertes mehrstufiges Planetengetriebe, mechanisch verbunden ist. Das Übersetzungsgetriebe (2) passt die manuell eingebrachte Drehzahl der Tretkurbel mit Pedale (1) an eine geeignete Drehzahl für einen elektrischen Generator (3) an, der die eingebrachte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die Regelung der Drehzahlanpassung zwischen Tretkurbel mit Pedale (1) und dem elektrischen Generator (3) geschieht manuell oder automatisiert, mittels einer Steuerungselektronik (5). Die von dem elektrischen Generator (3) bereitgestellte elektrische Energie wird mit Hilfe eines Akkumulators (4) gespeichert und entsprechend für den Systemverbrauch (Antriebsmotor (7), Benutzerschnittstellen, Steuerungselektronik (5) und weitere) verteilt. Parallel zu dem elektrischen Antrieb des Antriebsrad (8) besteht eine steuerbare mechanische Verbindung von Tretkurbel mit Pedale (1), dem Übersetzungsgetriebe (2) und dem Antriebsrad (8) durch eine Kupplung (6) mit Übersetzungsgetriebe (9). Diese mechanische Verbindung ist derart ausgelegt, dass im deaktivierten Zustand des elektrischen Antriebssystems eine permanente mechanische Energieübertragung von Tretkurbel mit Pedale (1) zu dem Antriebsrad (8) gewährleistet ist. Bei einem aktivierten elektrischen Antriebssystem erfolgt der primäre Antrieb des Antriebsrades (8) durch einen elektrischen Antriebsmotor (7) und der Anteil der mechanischen Energieübertragung zwischen Tretkurbel mit Pedale (1) und dem Antriebsrad (8) wird von der Kupplung (6), die von einer Steuerungselektronik (5) geregelt wird, eingestellt.As shown schematically in Figure 1, in a drive system according to the invention, the mechanical energy introduced by the driver with muscle power first acts on the pedal crank with pedals (1), which in turn is mechanically connected to a transmission gear (2), preferably an integrated multi-stage planetary gear . The transmission gear (2) adapts the manually introduced speed of the pedal crank with pedals (1) to a suitable speed for an electrical generator (3), which converts the introduced mechanical energy into electrical energy. The speed adjustment between the pedal crank with pedals (1) and the electric generator (3) is done manually or automatically using control electronics (5). The electrical energy provided by the electrical generator (3) is stored using an accumulator (4) and distributed accordingly for system consumption (drive motor (7), user interfaces, control electronics (5) and others). Parallel to the electric drive of the drive wheel (8), there is a controllable mechanical connection between the pedal crank and pedals (1), the transmission gear (2) and the drive wheel (8) through a clutch (6) with the transmission gear (9). This mechanical connection is like this designed so that when the electric drive system is deactivated, a permanent mechanical energy transfer from the pedal crank with pedals (1) to the drive wheel (8) is guaranteed. With an activated electric drive system, the primary drive of the drive wheel (8) is carried out by an electric drive motor (7) and the portion of the mechanical energy transfer between the pedal crank with pedals (1) and the drive wheel (8) is controlled by the clutch (6), which is provided by is regulated by control electronics (5).

1.5 Ausführungsbeispiele1.5 Embodiments

Beispiel A:

  • - Ein steiler Anstieg der Fahrbahn erfordert eine stark erhöhte Antriebsleistung zur weiteren Fortbewegung. Bei Überschreiten der Leistungsgrenze des Antriebsmotors erkennt die Steuerungselektronik einen Abfall der aktuellen Fahrgeschwindigkeit und aktiviert die Kupplung zwischen Tretkurbel und Antriebsrad. Dadurch wird dem Fahrenden ermöglicht, durch Steigerung der aufgebrachten Muskelkraft zusätzliche mechanische Antriebsleistung an das Antriebsrad zu übertragen.
Example A:
  • - A steep climb in the road requires a greatly increased drive power for further movement. If the power limit of the drive motor is exceeded, the control electronics detects a drop in the current driving speed and activates the clutch between the pedal crank and the drive wheel. This enables the driver to transfer additional mechanical drive power to the drive wheel by increasing the muscle power applied.

Beispiel B:

  • - Eine Störung im elektrischen System, unterbricht die Übertragung der elektrischen Energie an den Antriebsmotor. Die Kupplung zwischen Tretkurbel und Antriebsrad ist derart ausgelegt, selbstständig bei einem stromlosen Zustand eine mechanische Kopplung zwischen Tretkurbel und Antriebsrad herzustellen. Dadurch wird dem Fahrenden ermöglicht, die Fahrt zu beenden.
Example B:
  • - A fault in the electrical system interrupts the transmission of electrical energy to the drive motor. The clutch between the pedal crank and the drive wheel is designed to independently produce a mechanical coupling between the pedal crank and the drive wheel when there is no power. This allows the driver to end the journey.

Beispiel C:

  • - Eine, durch den Fahrenden durch das Aufbringen einer hohen Pedalkraft, gewünschte starke Beschleunigung, wird durch die Leistung des Antriebsmotors begrenzt. Das Erreichen der Leistungsgrenze des Antriebsmotors wird durch die Steuerungselektronik erkannt, worauf die Kupplung zwischen Tretkurbel und Antriebsrad aktiviert wird und dadurch einen Teil der aufgebrachten Pedalkraft anforderungsgerecht als mechanische Energie an das Antriebsrad geleitet und der elektrische Antrieb unterstützt wird.
Example C:
  • - A strong acceleration desired by the driver by applying high pedal force is limited by the power of the drive motor. When the power limit of the drive motor is reached, it is recognized by the control electronics, whereupon the clutch between the pedal crank and the drive wheel is activated, thereby directing part of the applied pedal force as mechanical energy to the drive wheel as required and supporting the electric drive.

Beispiel D:

  • - Der Fahrende erreicht die zulässige Höchstgeschwindigkeit des elektrischen Antriebssystems und wünscht eine weitere Geschwindigkeitserhöhung. Die Steuerungselektronik begrenzt die elektrische Antriebsleistung auf die für elektrisch-unterstützte Fahrräder zulässige, gesetzlich vorgeschriebene Höchstgeschwindigkeit und aktiviert bei Überschreiten der zulässigen Höchstgeschwindigkeit des elektrischen Antriebs die Kupplung zwischen Tretkurbel und Antriebsrad und erlaubt somit, durch Steigerung der aufgebrachten Muskelkraft, zusätzliche mechanische Antriebsleistung an das Antriebsrad zu übertragen.
Example D:
  • - The driver reaches the maximum permissible speed of the electric drive system and wishes to increase the speed further. The control electronics limits the electric drive power to the legally prescribed maximum speed permitted for electrically assisted bicycles and activates the clutch between the pedal crank and the drive wheel when the maximum permissible speed of the electric drive is exceeded, thus allowing additional mechanical drive power to be delivered to the drive wheel by increasing the muscle power applied transferred to.

1.6 Bezugszeichenliste1.6 Reference symbol list

(1)(1)
Tretkurbel mit PedaleCrank with pedals
(2)(2)
Übersetzungsgetriebetransmission gear
(3)(3)
Elektrischer GeneratorElectric generator
(4)(4)
Akkumulatoraccumulator
(5)(5)
SteuerungselektronikControl electronics
(6)(6)
Kupplungcoupling
(7)(7)
Elektrischer AntriebsmotorElectric drive motor
(8)(8th)
Antriebsraddrive wheel
(9)(9)
Übersetzungsgetriebetransmission gear

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19600698 A1 [0003]DE 19600698 A1 [0003]

Claims (6)

Elektromechanisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft und elektrischer Energie betriebenes Fahrzeug, umfassend mindestens einen mit Tretkurbel und Pedale (1) mechanisch verbundenen Generator (3) mit gänzlich oder teilweise integriertem Übersetzungsgetriebe (2), der mit mindestens einem Antriebsmotor (7) elektrisch verbunden ist und mindestens ein Antriebsrad (8) antreibt, einem Akkumulator (4) zur Speicherung und Verteilung der elektrischen Energie über mindestens eine Steuerungselektronik (5), sowie mindestens eine Kupplung (6) mit Übersetzungsgetriebe (9), die mit Tretkurbel und Pedale (1) mit Übersetzungsgetriebe (2) und dem Antriebsrad (8) mechanisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplung (6), vorzugsweise eine Kombination von elektromechanischer, hydrodynamischer und Fliehkraftkupplung, durch eine Steuereinheit (5) automatisiert und manuell steuerbar die mechanische Energieübertragung zwischen Tretkurbel mit Pedale (1), dem Übersetzungsgetriebe (2), das vorzugsweise als integriertes mehrstufiges Planetengetriebe ausgelegt ist, und dem Antriebsrad (8), komplett oder teilweise steuert.Electromechanical drive system for a vehicle operated with muscle power and electrical energy, comprising at least one generator (3) mechanically connected to the pedal crank and pedals (1) with a fully or partially integrated transmission gear (2), which is electrically connected to at least one drive motor (7) and drives at least one drive wheel (8), an accumulator (4) for storing and distributing the electrical energy via at least one control electronics (5), and at least one clutch (6) with a transmission gear (9), which has a pedal crank and pedals (1). Transmission gear (2) and the drive wheel (8) is mechanically connected, characterized in that a clutch (6), preferably a combination of electromechanical, hydrodynamic and centrifugal clutch, automated and manually controllable by a control unit (5), the mechanical energy transfer between the pedal crank Pedals (1), the transmission gear (2), which is preferably designed as an integrated multi-stage planetary gear, and the drive wheel (8), completely or partially controls. Elektromechanisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Kupplung (6), die Tretkurbel mit Pedale (1) mit dem Antriebsrad (8) derart mechanisch verbunden sind, dass durch mindestens ein Übersetzungsgetriebe (9), das vorzugsweise als mehrstufiges Planetengetriebe ausgelegt ist, die mechanische Leistungsübertragung, durch Drehzahl- und Drehmomentanpassung, zwischen Tretkurbel mit Pedale (1) und Antriebsrad (8) manuell und elektronisch gesteuert werden kann.Electromechanical drive system Claim 1 , characterized in that the pedal crank with pedals (1) are mechanically connected to the drive wheel (8) by a clutch (6) in such a way that the mechanical power transmission is carried out by at least one transmission gear (9), which is preferably designed as a multi-stage planetary gear , can be controlled manually and electronically by adjusting the speed and torque between the pedal crank with pedals (1) and the drive wheel (8). Elektromechanisches Antriebssystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplung (6) bei nicht eingeschaltetem elektrischen Antriebssystem eine mechanische Verbindung von Tretkurbel mit Pedale (1) und mindestens einem Antriebsrad (8) selbstständig herstellt, aufgrund derer eine direkte mechanische Leistungsübertragung zwischen Tretkurbel mit Pedale (1) und Antriebsrad (8) ermöglicht ist.Electromechanical drive system Claim 1 and 2 , characterized in that a clutch (6) independently establishes a mechanical connection between the pedal crank with pedals (1) and at least one drive wheel (8) when the electric drive system is not switched on, due to which a direct mechanical power transmission between the pedal crank with pedals (1) and the drive wheel (8) is possible. Elektromechanisches Antriebssystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht eingeschaltetem elektrischen Antriebssystem, ein voreingestelltes Übersetzungsverhältnis in dem Übersetzungsgetriebe (2), dass mit Tretkurbel und Pedale (1) und dem Generator (3) mechanisch verbunden ist, sowie ein voreingestelltes und manuell steuerbares Übersetzungsverhältnis in dem Übersetzungsgetriebe (9), dass mit der Kupplung (6) und dem Antriebsrad (8) mechanisch verbunden ist, eingerichtet ist.Electromechanical drive system Claim 1 until 3 , characterized in that when the electric drive system is not switched on, a preset transmission ratio in the transmission gear (2), which is mechanically connected to the pedal crank and pedals (1) and the generator (3), as well as a preset and manually controllable transmission ratio in the transmission gear ( 9), which is mechanically connected to the clutch (6) and the drive wheel (8), is set up. Elektromechanisches Antriebssystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplung (6) bei einem Ausfall des elektrischen Antriebssystems, die Tretkurbel mit Pedale (1) mit mindestens einem Antriebsrad (8) selbstständig mechanisch verbindet und eine direkte mechanische Leistungsübertragung zwischen Tretkurbel mit Pedale (1) und Antriebsrad (8) ermöglicht.Electromechanical drive system Claim 1 until 4 , characterized in that a clutch (6) automatically mechanically connects the pedal crank with pedals (1) to at least one drive wheel (8) in the event of a failure of the electric drive system and a direct mechanical power transmission between the pedal crank with pedals (1) and drive wheel (8 ) enables. Elektromechanisches Antriebssystem nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Ausfall des elektrischen Antriebssystems, ein voreingestelltes Übersetzungsverhältnis in dem Übersetzungsgetriebe (2), dass mit Tretkurbel und Pedale (1) und dem Generator (3) mechanisch verbunden ist, sowie ein voreingestelltes und manuell steuerbares Übersetzungsverhältnis in dem Übersetzungsgetriebe (9), dass mit der Kupplung (6) und dem Antriebsrad (8) mechanisch verbunden ist, eingerichtet ist.Electromechanical drive system Claim 1 until 5 , characterized in that in the event of a failure of the electric drive system, a preset transmission ratio in the transmission gear (2) that is mechanically connected to the pedal crank and pedals (1) and the generator (3), as well as a preset and manually controllable transmission ratio in the transmission transmission (9), which is mechanically connected to the clutch (6) and the drive wheel (8), is set up.
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