DE19600243A1 - Steuerung der Energiezumessung bei einem Fahrzeug mit elektrischem Antrieb - Google Patents

Steuerung der Energiezumessung bei einem Fahrzeug mit elektrischem Antrieb

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Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung der Energiezumessung bei einem Fahrzeug, insbesondere bei einem Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.
Aus dem US-Patent 5.375.676 ist ein Fahrrad mit einem elektrischen Hilfsantrieb bekannt, dessen Elektromotor eine Stromaufnahme aufweist, die proportional zu der Pedalkraft zugemessen wird. Die Steuerung erfolgt über einen Controller, der die Signale der Pedalkräfte zu der Stromaufnahme des Elektromotors ins Verhältnis setzt, wodurch der Fahrer die Möglichkeit bekommt, die Vortriebskraft für das Fahr­ rad allein durch seinen Muskeleinsatz auf die Pedale zu erhöhen oder zu senken. Über einen Speicher kann die Geschwindigkeit gespeichert und abgerufen werden, wenn der Fahrer mit reiner Motorkraft ohne Muskeleinsatz fahren will.
Dem US-Patent 5.433.284 ist ein weiterer elektrischer Hilfsantrieb für Fahrräder zu entnehmen, dessen elektrische Steuerung eine Schaltkontrolleinrichtung aufweist, die die benötigte Leistung am Elektromotor der Handbetätigung anpaßt und dem Elektromotor die erforderliche Stromaufnahme zumißt. Weitere Regeleinrichtungen vergleichen die Geschwindigkeit des Fahrrades mit der zugemessenen Stromauf­ nahme des Elektromotors und veranlassen eine Änderung der Stromaufnahme in der einen oder anderen Richtung.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Steuerung der Energiezumessung aus einer Batterie an einen Elektromotor für den Hilfsantrieb eines Fahrrades zu schaffen, wo­ durch die Leistung des Elektromotors von mehreren Faktoren, in erster Linie aber von dem Ladezustand der Batterie abhängig gemacht wird, um mit der vorhandenen Energie der Batterie eine möglichst große Fahrstrecke zu erzielen.
Die Lösung der Aufgabe wird in den Ansprüchen beschrieben.
Anhand von Skizzen wird die energiesparende Steuerung eines Fahrrades mit elek­ trischem Hilfsantrieb beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Fahrrad mit einem elektrischen Hilfsantrieb, bestehend aus einem Elek­ tromotor, einer Batterie, einer Leistungselektronik und einem Mikrocontroller
Fig. 2 ein Schaubild für die Ladung der Batterie bei Bergabfahrt oder beim Bremsen
Fig. 3 ein Schaubild über den funktionellen Zusammenhang aller am elektrischen Hilfsantrieb beteiligten Elemente
Fig. 4 ein Kennfeld für die Ladeleistung für die Batterie in Abhängigkeit vom La­ dungszustand und der Geschwindigkeit
Fig. 5 ein Kennfeld über die Leistungsaufnahme des Elektromotors in Abhängigkeit vom Ladungszustand und der Geschwindigkeit.
Wird mit 1 ein Fahrrad bezeichnet, so besteht dieses normalerweise aus einem Rahmen 2, einem Vorderrad 3, einem Hinterrad 4, einem Tretlager 5, einer Antriebs­ kette 6 sowie einer Lenkstange 7. Es ist hier zur Unterstützung des Fahrers ein elektrischer Hilfsantrieb 10 vorgesehen, der einen Elektromotor 11, eine Batterie 12, eine Leistungselektronik 13, einen Mikrocontroller 14 sowie eine Anzeige 15 des La­ dungszustandes der Batterie 12 umfaßt, wobei dem elektrischen Hilfsantrieb 10 noch weitere Stromverbraucher 16, wie beispielsweise ein Scheinwerfer, ein Rücklicht, eine Armaturenbeleuchtung etc. zuzurechnen sind. Der Elektromotor 11 ist über ei­ nen Antrieb 17 mit einem der Laufräder des Fahrrades 1, also entweder mit dem Vorderrad 3 oder dem Hinterrad 4, verbunden. Der Hilfsantrieb 10 umfaßt ferner eine Anzahl von Signalgebern, wie einen Signalgeber 21 für die Drehzahl, einen Signal­ geber 22 für den Ladungszustand sowie einen Signalgeber 23 für die Leistungsauf­ nahme des Elektromotors 11. Die Signale der Signalgeber 21, 22, 23 für die in der Aufgabe beschriebene sparsame Zumessung der elektrischen Energie werden im Mikrocontroller gemäß einprogrammierter Kennfelder verarbeitet und in der Lei­ stungselektronik 13 umgesetzt. Neben den für die Leistungszumessung wichtigen Signalgebern können auch Signalgeber für weitere Zusatzfunktionen des Hilfsan­ triebs 10 angeordnet sein.
Der Antrieb 17 weist in seiner einfachen Form eine Überholkupplung auf, so daß die Antriebsleistung durch den Elektromotor 11 in Fahrt-Drehrichtung auf das Hinterrad 4 übertragen werden kann, während bei abgeschaltetem Elektromotor 11 das Fahr­ rad 1 in Fahrtrichtung leerlaufen oder durch die Betätigung der Pedale durch Mus­ kelkraft angetrieben werden kann. Eine andere und hier bevorzugte Art der Kupp­ lung des Elektromotors 11 mit dem Hinterrad 4 ist eine zuschaltbare Kupplung, die den Elektromotor 11 auch im Schiebebetrieb des Fahrrades 1, beispielsweise bei Bergabfahrt oder beim Bremsen, mit dem Hinterrad 4 gekuppelt läßt, wobei der Elektromotor 11 angetrieben wird und elektrischen Strom erzeugen kann, sofern er dafür ausgelegt ist und einen Ladekreis L aufweist, über den die Ladeleistung des Generators 11 der Batterie 12 wieder zufließen kann. Gemäß der Aufgabe kann mit abnehmender Ladung der Batterie 12 die Leistungsaufnahme des Elektromotors 11 verkleinert und/oder die Muskelkraft des Fahrers in die Energieerzeugung mit einbe­ zogen werden. Dies geschieht über den Mikrocontroller 14, der programmierbar ist und die Signale der Signalgeber 21, 22, 23 gemäß einem dem vorgegebenen Fahr­ zyklus angepaßten Programm in der Weise verarbeitet, daß eine Leistungsaufnahme des Elektromotors 11 zugelassen wird, die dem Ladungszustand und der vom Fah­ rer gewünschten Geschwindigkeit entspricht. Dem Fahrer wird es somit nicht mehr möglich sein, bei teilweise geladener Batterie 12 dem Elektromotor 11 elektrische Energie zuzumessen, die der Stellung der Handbetätigung bei voller Energiezumes­ sung entspricht; vielmehr wird diese geringer ausfallen und das Fahrrad ist nur noch mit geringerer Geschwindigkeit bewegbar. Dem Programm des Mikrocontrollers 14 liegt ein willkürlich programmiertes Kennfeld gemäß Fig. 5 zugrunde, das die Lei­ stungsaufnahme des Elektromotors 11 in Prozent von der Maximalleistung unter Be­ rücksichtigung des Ladezustandes der Batterie 12 und der Geschwindigkeit angibt.
Gemäß Fig. 4 wird ein Kennfeld beschrieben, das den Zusammenhang zwischen dem Ladestrom im Ladekreis L zum Laden der Batterie 12 und dem Ladungszustand der Batterie 12 sowie der jeweiligen Geschwindigkeit des Fahrrades 1 beim Bergab­ fahren oder beim Bremsen angibt. Es bleibt immer das Ziel, die mögliche Fahrstrecke zu erhöhen, weshalb auch unterwegs die Gefahr allein auf die Muskelkraft des Fahrers angewiesen zu sein, möglichst lang hinausgeschoben wird.
Fig. 3 zeigt ein Schaubild für die Entscheidungswege des Mikrocontrollers 14 am Beispiel der Zumessung des Ladestromes vom als Generator arbeitenden Elektro­ motor 11 an die Stromverbraucher 16, wobei zugunsten des elektrischen Vortriebs auf die Mitverwendung von anderen elektrischen Stromverbrauchern 16 verzichtet werden kann. Sie werden abgeschaltet ohne Zutun des Fahrers, wenn sich die La­ dungsdichte der Batterie 12 unter ein vom Mikrocontroller 14 erkennbares Maß ver­ ringert hat.
Die Fig. 2 zeigt die Verknüpfung aller am Hilfsantrieb 10 beteiligten Elemente.
Der Mikrocontroller 14 des elektrischen Hilfsantriebs 10 läßt sich zur Verlängerung der Fahrstrecke auch dahingehend programmieren, daß die Stromverbraucher 16 in Abhängigkeit vom Ladungszustand der Batterie zu- und abgeschaltet werden kön­ nen, wie die Fig. 2 erkennen läßt.
Um alle am Vortrieb des Fahrrades 1 beteiligten Einflüsse zur einer sinnvollen Lei­ stungsabgabe an den Antrieb 17 umsetzen zu können, sind die Signalgeber 21, 22 und 23 jeder für sich mit dem Mikrocontroller 14 in elektrischer Verbindung. Der Fah­ rer braucht - abgesehen von der rechtzeitigen Ladung der Batterie 12 - keine beson­ deren Maßnahmen zum sparsamen Energieverbrauch beim Fahren zu ergreifen. Kann er aber absehen, daß in Erwartung einer verkürzten Fahrtstrecke die Batte­ rie 12 leergefahren werden darf, so kann er mittels eines Schalters 19 die steuernde Wirkung des Mikrocontrollers 14 beseitigen und die noch verfügbare Energie nach Gutdünken über eine Handbetätigung 18 an der Lenkstange 7 des Fahrrades 1 zu­ messen.
Um die Wirkung des Mikrocontrollers 14 noch weiter zu steigern, kann z. B. ein Si­ gnalgeber 24 für die Pedalkraft angeordnet sein, dessen Signale die Energiezumes­ sung noch genauer und möglicherweise pulsierend entsprechend der Tretlagerfre­ quenz steuern. Die exakte Einbindung der Muskelkraft des Fahrers erhöht die Ener­ giebilanz des Hilfsantriebs 10 entscheidend.

Claims (7)

1. Steuerung der Energiezumessung, insbesondere bei einem Fahrrad mit einem elektrischen Hilfsantrieb (10) sowie mit anderen Stromverbrauchern (16), wobei der Hilfsantrieb (10) aus einem Elektromotor (11), einem Antrieb (17) auf eines der beiden Laufräder (3 oder 4) des Fahrrades (1), einer Batterie (12) sowie einer Leistungselektronik (13) für den Einsatz und die Zumessung der elektrischen Energie an den Antrieb (17) wie auch an die übrigen Stromverbraucher (16) be­ steht, wobei der Elektromotor (11) angetrieben als Generator arbeiten kann und wobei Signalgeber (21, 22, 23) zur Übermittlung von Daten zur Beschreibung ei­ nes augenblicklichen Zustandes zwischen der Leistungselektronik (13) und den übrigen am Betrieb des Fahrrades (1) beteiligten Elemente angeordnet sind dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrocontroller (14) der Leistungselektronik (13) vorgeschaltet ist und mit den Signalgebern (21, 22, 23) zusammenwirkt, wobei die Zumessung der elektri­ schen Energie sowohl an den Elektromotor (11) wie auch an die übrigen Strom­ verbraucher (16) von den durch die Signalgeber (21, 22, 23) übermittelten Impul­ sen, die im Mikrocontroller (14) nach einem ihm eingegebenen Programm verar­ beitet werden, abhängig gemacht wird.
2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller (14) mit allen für die Energiebereitstellung nötigten Si­ gnalgebern verbunden ist, um die Daten des Ladezustandes der Batterie (12), der Geschwindigkeit des Fahrrades (1), der Leistungsaufnahme des Elektromotors (14) sowie anderer relevanter Daten für eine energiesparende Leistungsabgabe bereit zu stellen und zu koordinieren.
3. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller (14) derart programmiert ist, daß
  • - über die Signale des Ladungszustandes der Batterie (12) und/oder über die Signale der Geschwindigkeit des Fahrrades (1) die Ladeleistung der als Ge­ nerator laufenden Elektromotors (11) dem Ladungszustand der Batterie (12) und der Geschwindigkeit des Fahrrades (1) bei Bergabfahrt oder beim Bremsen nach einem vorgegebenen Kennfeld angepaßt werden können,
  • - mindestens ein Stromverbraucher (16) in Abhängigkeit vom Ladungszu­ stand der Batterie (12) ein- oder abgeschaltet werden kann,
  • - über die Signale der Signalgeber (21, 22, 23) die Leistungsaufnahme des Elektromotors (11) dem Ladungszustand der Batterie (12) und/oder der Fahrgeschwindigkeit nach einem Kennfeld angepaßt werden kann.
4. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeige (15) des Ladungszustandes der Batterie (12) an der Lenk­ stange (7) des Fahrrades (1) angeordnet ist, die sich aus den Signalen der rele­ vanten Signalgeber (21, 22, 23) gespeist wird.
5. Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Lenkstange (7) ein Handschalter (1 9) angeordnet ist, der die Zu­ messung der Steuerung der Leistungszumessung außer Kraft setzt und die Lei­ stungszumessung an den Elektromotor (11) direkt von einer Betätigungsein­ richtung (18) von der Lenkstange (7) aus erlaubt.
6. Steuerung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bergabfahren oder beim Bremsen abhängig von den Signalen des Signalgebers (21) für die Drehzahl insbesondere bei langsamer Fahrt eine elek­ tronische Spannungshöherschaltung vom Mikroprozessor (14) aktiviert wird.
7. Verfahren zur Steuerung der Energiezumessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - im Fahrbetrieb über eine Handbetätigungseinrichtung (18) die Freigabe für die Energiezumessung an den Elektromotor erteilt wird,
  • - der Mikrocontroller (14) die für den Fahrbetrieb relevanten Signale der Sig­ nalgeber (21, 22, 23) für die Drehzahl, den Ladestrom und die Leistungs­ aufnahme des Elektromotors (11) auswertet und eine entsprechende Ener­ giezumessung für den Elektromotor (11) zuläßt,
  • - die während der Fahrt auftretenden Verzögerungen durch den als Generator arbeitenden angetriebenen Motor zur Energieerzeugung genutzt und als Ladeleistung an die Batterie (12) zurückgespeist werden.
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