DE19903443A1 - Antriebseinheit für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug - Google Patents
Antriebseinheit für ein elektrisch betriebenes FahrzeugInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für elektrisch betriebene Fahrzeuge, in der zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades und einer hohen Überlastsicherung der Batterien zwei Elektromotoren verwendet werden, die wahlweise elektrisch in Reihe oder parallel geschaltet werden können. Über eine elektronische Steuereinheit können die Motoren außerdem pulsweitenmoduliert angesteuert werden, wodurch die Strombelastung der Batterien in vorgeschriebenen Grenzen gehalten werden kann. Weitere Vorteile liegen in der besseren Nutzung des Bauraumes, den günstigeren Herstellkosten und in der Verwendung von preiswerteren Baumaterialien.
Description
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit für elektrisch betriebene Fahrzeuge, insbe
sondere für elektrisch angetriebene Zweiräder, zum Antrieb mindestens eines Laufrades.
Mit dem europäischen Patent EP 0 561 268 B1 ist eine Motor-Rad-Antriebs-Einheit be
kannt geworden, die ein scheibenähnliches Gehäuse umfaßt, welches einen drehenden
und einen festen Abschnitt aufweist, wobei der drehende Abschnitt mit dem Laufrad
gekoppelt ist. Der feste Abschnitt ist mit dem Fahrradrahmen verbunden und dient als
Träger für einen Radantriebsmotor, der von einer Batterie betrieben wird, sowie ein
Drehzahluntersetzungsgetriebe, welches den Motor auf den festen Abschnitt mit dem
drehenden Abschnitt verbindet. Der feste Abschnitt weist schließlich noch eine Steuer
schaltkreiskomponente einer Steuereinheit auf, die das Motordrehmoment entspre
chend dem eingeleiteten Drehmoment über den Pedalantrieb steuert.
Die elektrische Energie wird von einer Batterie bereitgestellt, die insbesondere beim Start
des Fahrzeuges aufs Höchste belastet wird, da der Elektromotor besonders in unteren
Drehzahlen hohe Drehmomente zu entwickeln im Stande ist. Inzwischen ist die Entwick
lung auf dem Gebiete der Herstellung von hochstromfesten Batterien fortgeschritten, so
daß es möglich ist, beispielsweise mit NiCa-Bätterien wenigstens kurzzeitig hohe Strom
stärken bereitzustellen. Der Nachteil hierbei ist, daß solche Batterien sowohl teuer als
auch nur begrenzt haltbar sind. Außerdem ist die Wiederaufladbarkeit bestimmten Re
geln unterworfen, denen sich ein Benutzer eines motorangetriebenen Fahrrades nicht
immer unterwirft. So ist beispielsweise die Wiederaufladung teilentladener Batterien
problematisch, da aufgrund des Memory-Effektes die volle Kapazität nicht mehr genutzt
werden kann. Vergleicht man ferner eine NiCa-Batterie mit einer Bleibatterie mit je glei
cher Speicherfähigkeit, so belaufen sich die Beschaffungskosten der Bleibatterie auf et
wa ein Fünftel der Beschaffungskosten einer NiCa-Batterie. Die Vorteile einer Bleibatterie
liegen zudem in ihrer weltweit geregelten Entsorgung sowie in der Tatsache, daß kein
giftiges Cadmium verwendet wird.
Die vorgeschlagene Antriebseinheit für elektrisch betriebene Fahrzeuge betrifft eine An
triebslösung, die sich zum Ziel gesetzt hat, in erster Linie mit herkömmlichen Bleiakulu
matoren als Batterie zusammenzuwirken. Weil die Batterie durch ein Übermaß an
Stromstärke durch den Antrieb geschädigt werden kann, wird vorgeschlagen, zum An
trieb eines Laufrades zwei Motoren vorzusehen, die von einer elektronischen Steuerein
heit entweder elektrisch wahlweise in Reihe oder parallel geschaltet oder durch eine
pulsweitenmodulierte Ansteuerung bei Parallelschaltung nur phasenweise belastet wer
den. Für den Start des Fahrzeuges wird vorgeschlagen, die beiden Motoren in Reihe zu
schalten und bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl, die einer geringen Geschwindig
keit des Fahrzeuges entspricht, die Schaltung für Elektromotoren auf Parallelbetrieb um
zustellen.
Durch die Aufteilung der Energie auf zwei Motoren wird die Hälfte der zuleitungsbe
dingten Verlustleistung vermieden und Spannungsabfall und Spitzenstrom halbiert, was
zu folgenden Vorteilen führt:
- - Die Batterie wird nicht mehr durch hohe Spitzenströme belastet, was dazu führt, daß anstelle von teuren NC-Akkus preiswerte Blei-Akkus eingesetzt werden können.
- - Durch Halbierung des Spannungsabfalls kann mit niedrigerer Batteriespannung gear beitet werden, wodurch Standardbatterien einsetzbar sind.
- - Durch den geringeren Energieverbrauch kann die Batteriekapazität und damit das Gewicht gesenkt werden.
Von Vorteil ist ferner die Tatsache, daß sich der konstruktive Aufbau einer Antriebsein
heit für elektrisch betriebene Fahrzeuge mit zwei Elektromotoren günstiger bewerkstel
ligen läßt, als eine solche mit nur einem Motor. Es war ferner das Ziel der vorgeschlage
nen Konstruktionen, die Kosten für die Bereitstellung der Elektromotoren klein zu hal
ten, was eindrucksvoll durch die Verwendung von kleinen Motoren gelungen ist, die in
großen Serien für andere Zwecke auf dem Markt erhältlich sind.
Es hat sich schließlich als vorteilhaft herausgestellt, daß die Leistungstransistoren zur
modulierten Bestromung der einzelnen Motoren kostengünstig zu beschaffen und in
ihren thermischen Reaktionen besser beherrschbar sind, als ein einzelner Leistungstran
sistor für einen großen Elektromotor.
Die pulsweitenmodulierte Ansteuerung der beiden Elektromotoren wird für mittlere Ge
schwindigkeiten des Fahrrades bis zu einem Tastverhältnis von 50% verwendet, wobei
die Bestromungsphase des einen Elektromotors mit der Leerlaufphase des anderen Elek
tromotors und umgekehrt zusammenfällt. Zur Schonung der Batterie übersteigt das
Tastverhältnis die 50% Marke nicht. Lediglich in oberen Drehzahlen, wenn die Elektro
motoren mit geringerer Stromstärke laufen, wird das Tastverhältnis zwischen 50% und
100% ausgenutzt, wobei 100% den Zustand der Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeu
ges entspricht.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß alle Regelungen der elektronischen Steuer
einheit drehzahlabhängig erfolgen können. Hierzu ist es erforderlich, daß die Pedaldreh
zahl und die Drehzahl des Laufrades ständig verglichen werden, wobei im Falle des vor
geschlagenen Ausführungsbeispiels einer Antriebseinheit elektrische Energie nur bei
einer geschwindigkeitsproportionalen Pedaldrehzahl freigegeben wird. Hierdurch wird
auf einfache Weise gewährleistet, daß zum Antrieb des Fahrrades immer Muskelkraft
eingesetzt wird.
Beide vorgenannten Drehzahlen können in der Antriebseinheit abgefragt werden. Für
die Erfassung der Drehzahl des Laufrades sind am Umfang der Nabe mehrere Magnete
angebracht, welche über einen Reedschalter abgefragt werden.
Für die Erfassung der Pedaldrehzahl ist auf dem Planetenradträger der integrierten
Mehrgangnabe ein mehrpoliger Magnetring angebracht. Zwei drehwinkelversetzte Hall
sensoren detektieren durch das Aluminiumgehäuse die Drehzahl und die Drehrichtung
des Magnetringes. Zur Regelung werden nur die Übergänge zwischen den Nord- und
Südpolen der Magnete verwendet. Diese repräsentieren definierte Winkel am Umfang
und ermöglichen eine genaue Regelung.
Für die Regelung werden die Winkelgeschwindigkeiten von Laufrad und Planetenradträ
ger verglichen. Überschreitet die Differenz einen vorgegebenen Faktor, wird die An
triebseinheit abgeschaltet. Durch die Vorgabe eines Faktors anstelle eines festen Wertes
kann bei höheren Geschwindigkeiten wesentlich schneller abgeschaltet werden, was die
Sicherheit erhöht.
Es ergibt sich somit die Aufgabe für die Erfindung, eine Antriebseinheit für elektrisch
betriebene Fahrzeuge zu schaffen, die mit normalen Bleibatterien betreibbar ist und bei
Integration der Muskelkraft beim Pedalieren eine Stromzumessung aufweist, mit der
eine bessere Ausnutzung der Batterie für die Erzielung einer möglichst großen Fahr
strecke bei möglichst geringem Batteriegewicht verbunden ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind in einem gemeinsamen Nabenkörper eine Schaltung zur
Anpassung der Muskelkraft, mindestens zwei getrennt ansteuerbare Elektromotoren
sowie eine Steuerelektronik und eine Kupplung als Überbrückung einer Freilaufkupp
lung vorgesehen.
Ein Ausführungsbeispiel einer Antriebseinheit wird anhand von Prinzipskizzen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Nabenkörper einer Antriebseinheit zum Einbau in ein Laufrad eines Fahr
rades, umfassend einen Getriebeträger mit mindestens einem Elektromotor,
mit einer elektronischen Steuereinheit, mit einem Getriebe und mit einer
Kupplung zur Überbrückung eines Freilaufes in schematischer Darstellung;
Fig. 2 die Anordnung des Getriebes auf dem Getriebeträger mit zwei Elektromotoren
und einem Hohlrad zur Weiterleitung des aufgebrachten Drehmomentes an
das Laufrad.
Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit mit einem gemeinsamen Nabenkörper auf
einer feststehenden Achse 1, die zu einer Mehrgangnabe 2 mit einem Antriebsritzel 3
gehört, welche das hier ankommende Drehmoment auf eine Nabenhülse 4 in ein Na
bengehäuse 5 des Nabenkörpers weiterleitet. Das Nabengehäuse 5 weist Speichenflan
sche 6 auf, die mit einem Laufrad des Fahrzeuges über Speichen verbunden sind. Zu
dem gemeinsamen Nabenkörper gehört ein Getriebeträger 10, der drehfest mit der
Achse 1 verbunden ist und als Montageträger für zwei Elektromotoren E1 und E2, für
eine Getriebe 8, für eine Kupplung 13 und für eine elektronische Steuereinheit 15 dient.
Gemäß Fig. 2 wird dargestellt, wie die Elektromotoren E1 und E2 über das Getriebe 8
mit einem Getrieberad 11 zusammenwirken. Das Getrieberad 11 ist mit einer gemein
samen Welle 18 verbunden, die somit von beiden Elektromotoren E1 und E2 antreibbar
ist. Der Drehmomentfluß, ausgehend von den Elektromotoren 1 und 2 wird sodann von
der gemeinsamen Welle 18 über eine Freilaufkupplung 16 auf ein Antriebszahnrad 9
übertragen, welches mit einem Hohlrad 7 zusammenwirkt, das mit dem Nabengehäu
se 5 und somit mit dem Laufrad des Fahrzeuges direkt verbunden ist.
Gemäß Fig. 1 wird also der Kraftfluß von einem Motorzahnrad 12 an jedem der Elek
tromotoren E1 und E2 über das Getriebe 8, das Getrieberad 11, die Welle 18, den Frei
lauf 16, das Antriebszahnrad 9 auf das Hohlrad 7 laufen, wobei der Kraftfluß in der
entgegengesetzten Richtung durch den Freilauf 16 unterbrochen ist. Es sei denn, der
Freilauf 16 wird in der freilaufenden Drehrichtung überbrückt, was durch die Kupp
lung 13 möglich ist, die über Klauen 17 verfügt, welche durch eine Betätigung 14 in
Eingriff bringbar sind. Eine solche Ausschaltung des Freilaufes 16 wird dann erforderlich,
wenn die Stromquelle ein Bordnetz N im Fahrzeug nicht mehr speisen kann. Für einen
solchen Fall ist vorgesehen, daß das Nabengehäuse 5 des Nabenkörpers vom Laufrad
her angetrieben wird und mindestens einen der beiden Elektromotoren E1 oder E2 über
das Getriebe 8 rückwärts antreibt. Der Motor E1 und/oder E2 läuft sodann im Genera
torbetrieb und speist das Bordnetz N und die dort angeschlossene Beleuchtung des
Fahrzeuges. Der Antrieb wird durch Pedalieren über das Antriebsritzel 3 auf das Naben
gehäuse 5 übertragen.
Der Vorteil der Verwendung von zwei oder mehreren Motoren ist nicht nur für den Ein
bau in Antriebseinheiten für Laufräder in Zweiradfahrzeugen beschränkt. Vielmehr ist
das Prinzip auf alle batteriegespeisten Fahrzeugantriebe anwendbar, wo es erforderlich
ist, auf die Stromfestigkeit dieser Batterien Rücksicht zu nehmen und Fahrbetriebe mit
besonders günstigen Wirkungsgraden zu erzielen.
Claims (11)
1. Antriebseinheit für elektrisch betriebene Fahrzeuge, insbesondere für elektrisch an
getriebene Zweiräder zum Antrieb mindestens eines Laufrades,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Antriebseinheit mindestens zwei Elektromotoren (E1, E2) enthält, die das
Laufrad gleichzeitig, abwechselnd oder einzeln antreiben können.
2. Antriebseinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektromotoren (E1, E2) über ein Getriebe (8) auf eine gemeinsame Wel
le (18) wirken, die als Antriebswelle für das Laufrad dient.
3. Antriebseinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bestromung der Elektromotoren (E1, E2) der Antriebseinheit über eine elek
tronische Steuereinheit (15) zugemessen wird.
4. Antriebseinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektromotoren (E1, E2) Gleichstrommotoren sind.
5. Antriebseinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektromotoren (E1, E2) Permanentmagnete enthalten.
6. Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektromotoren (E1, E2) über die elektronische Steuereinheit (15) wahlweise
elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet werden können.
7. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektromotoren (E1, E2) mit pulsweitenmoduliertem Strom angesteuert wer
den können, wobei die elektronische Steuereinheit (15) die Pulsweite regelt.
8. Antriebseinheit nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die pulsweitenmodulierte Ansteuerung derart ausgelegt ist, daß bei Parallel
schaltung der Elektromotoren (E1, E2) die Bestromungsphase des einen Elektromo
tors (E1) mit der Leerlaufphase des anderen Elektromotors (E2) zusammenfällt.
9. Antriebseinheit nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die für die beiden Elektromotoren (E1, E2) abwechselnd gesteuerten Bestrom
ungsphasen bis zu einer vorgegebenen Drehzahl der Elektromotoren (E1, E2) 50%
der Gesamtphase nicht übersteigen.
10. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens einer (E1) der beiden Elektromotoren (E1, E2) als Generator zur
Energieerzeugung für das Bordnetz des Fahrzeuges betreibbar ist für den Fall, daß
die Energiezumessung ausgefallen ist.
11. Antriebseinheit nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kupplung (13) als Überbrückung einer Freilaufkupplung (16) vorgesehen
ist, die den Antrieb des als Generator wirkenden Elektromotors (E1 und/oder E2)
über das Getriebe (8) sicherstellt, wenn das Laufrad fremd angetrieben wird.
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