DE202019104797U1 - Energieversorgungssystem, insbesondere auf Basis einer Akkumulator-Batterie mit integriertem Ladegerät, für ein elektrisch antreibbares Fahrrad und Fahrrad mit einem solchen Energieversorgungssystem - Google Patents

Energieversorgungssystem, insbesondere auf Basis einer Akkumulator-Batterie mit integriertem Ladegerät, für ein elektrisch antreibbares Fahrrad und Fahrrad mit einem solchen Energieversorgungssystem Download PDF

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Abstract

Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III),insbesondere als Teil eines Zweirad-Antriebssystems (2) wie als Teil einer Tretkraftunterstützung eines elektrischen Fahrrads (1),mit einem Akkumulator (44),der aus mehreren Akkumulatorzellen (46, 46I, 47, 47I) zusammengesetzt ist,von denen zumindest einige in Reihe verschaltet sind,und mit einem Ladegerät (50, 50I),wobei der Akkumulator (44) und das Ladegerät (50, 50I) in einem gemeinsamen Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) untergebracht sind,sowie mit einem Stecksystem (66, 66I, 66II) zur Abgabe elektrischer Energie aus den Akkumulatorzellen (46, 46I, 47, 47I) an einen Antriebsmotor (9),vorzugsweise des Zweirad-Antriebssystems (2),wobei an dem Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) ein Netzspannungssteckanschluss (98, 98I, 98II) für eine Netzstromversorgung (L, N) vorhanden ist, über den ein Laden des Akkumulators (44) durchzuführen ist,insbesondere wenn sich das Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) in einer Position zur energetischen Versorgung des Zweirad-Antriebssystem (2) befindet,und wobei das Ladegerät (50, 50I) einen galvanisch trennenden Spannungswandler (54, T1) mit Gleichrichtungsfunktion (D4, D5, D6, D7, D16, D17) und Minderung eines Spannungsspitzenwerts (V~) im Vergleich mit einem Spannungsspitzenwert einer Stromnetz-Wechselspannung (L, N) und zur Reduktion des Spannungsniveaus auf ein Akkumulatorpaketspannungsniveau (+ Batt, - Batt) aufweist,dadurch gekennzeichnet,dass das Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) ein vor Umwelteinflüssen schützendes, feststoffpartikeldichtes, insbesondere längliches, Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) ist,dass das Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) anhand seines Gehäuses (12, 12I, 12II, 12III), per Hand und werkzeuglos, von einem Gegenstecker (92, 92I, 94), der zu einem Stecker (74, 74I, 98, 98I, 98II) des Stecksystems (66, 66I, 66II) korrespondiert, insbesondere durch eine Zug- oder Schubbewegung (100), entfernbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung behandelt ein Energieversorgungssystem, insbesondere als Teil eines Zweirad-Antriebssystems, das einen Akkumulator und ein Ladegerät aufweist, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Das Energieversorgungssystem umfasst ein Stecksystem, das derart gestaltet ist, dass das Gehäuse per Hand in das Fahrrad eingesetzt werden kann. Über das Stecksystem ist im eingesteckten Zustand unter anderem ein Antriebsmotor mit elektrischer Energie versorgbar.
  • Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung behandelt ein Energieversorgungssystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Zweirad wie ein Fahrrad nach dem Oberbegriff von Anspruch 15.
  • Technisches Gebiet
  • Die Gestaltungsfreiheit und der Gestaltungsvariantenreichtum bei den Ausführungsmöglichkeiten von batterieunterstützten Fahrzeugen wie Zweirädern, insbesondere Fahrrädern, die häufig auch als PEDELEC(s) oder als EPAC(s) bezeichnet werden, werden in zunehmendem Maße durch gesetzliche Vorschriften und durch Normen eingeschränkt. Eine einschlägige Norm ist die in geänderter Fassung im Jahr 2018 in Kraft getretene DIN EN 15194:2017.
  • Die Motivation hinter den zahlreichen Verschärfungen scheint zumindest zum Teil darin begründet zu sein, dass auf der einen Seite Fahrradakkumulatoren mit hoher gravimetrischer Energiedichte gewünscht sind. Auf der anderen Seite geht die Fachwelt davon aus, dass Fahrradakkumulatoren von solchen Fahrrädern, die mit einem elektrisch unterstützten Antrieb ausgestattet sind, üblicherweise zumindest in der Nähe von oder sogar in den Gebäuden wie Wohnhäusern aufgeladen werden. Hierbei soll möglichst keine Gefährdung für Bewohner eines solchen Gebäudes von derart gestalteten Fahrrädern ausgehen, obwohl es üblicherweise die Bewohner selbst sind, die ihre Fahrräder in das Gebäude gebracht haben.
  • Diese Europäische Norm DIN EN 15194 gilt für EPAC(s) für die private und gewerbliche Nutzung, mit der Ausnahme von EPAC(s), die für den Verleih durch eine unbemannte Verleihstation vorgesehen sind. Des Weiteren ist diese Europäische Norm DIN EN 15194 dafür vorgesehen, alle üblichen signifikanten Gefährdungen, Gefährdungssituationen und Gefährdungsereignisse von elektromotorisch unterstützten Rädern zu behandeln, wenn sie bestimmungsgemäß und unter den vom Hersteller vernünftigerweise vorhersehbaren Bedingungen der Fehlanwendung verwendet werden. Auch ist diese Europäische Norm DIN EN 15194 dafür vorgesehen, solche elektromotorisch unterstützten Räder abzudecken, die über eine maximale Nenndauerleistung von 0,25 kW verfügen und deren Leistungsabgabe fortschreitend verringert und schließlich abgeschaltet wird, wenn das EPAC eine Geschwindigkeit von 25 km/h erreicht hat oder eher, falls der Radfahrer aufhört in die Pedale zu treten.
  • Wird also versucht, ein Akkumulatorpaket zu entwerfen, das für EPAC(s) verwendbar ist, so ist u. a. die Norm DIN EN 15194 im Entwurfsprozess des Akkumulatorpakets zu berücksichtigen.
  • Besonders schwierig wird es, wenn nicht nur als Einbaukomponente ein Akkumulatorpaket für ein EPAC vorgesehen ist, sondern ein in dem EPAC integriertes Ladegerät ebenfalls Teil des Energieversorgungssystems für das EPAC sein soll. In diesem Fall bestimmt die Norm, dass bei einem eingebauten Batterieladegerät mit einem 230-V-Wechselstromeingang das Ladegerät und das EPAC die Anforderungen der Niederspannungsrichtlinie erfüllen müssen (vgl. Punkt 4.4 der Norm DIN EN 15194). Diese Vorgabe aus der Norm ruft einen erheblichen technischen Prüf- und Verwaltungsaufwand hervor.
  • Für eine integrierte Realisierung eines Ladegeräts als Teil des Energieversorgungssystems sprechen neben weiteren Vorteilen u. a. Wirkungsgradpotentiale, kurze Niederspannungsstrecken, Vermeidung von aufwändigen Balancing-Systemen und Leiterquerschnitte, die auf die tatsächlichen Ladeströme ausgelegt sein können. Wie eingangs angeklungen, errichtet die Norm DIN EN 15194 aber einige Hürden, sodass manche Hersteller von der verlockenden Idee des integrierten, kombinierten Energieversorgungssystems, ein Akkumulatorpaket und eine Ladeschaltung umfassend, zurückschrecken.
  • Weil aber schon seit Längerem zahlreiche Personen Vorschläge entwickelt haben, wie geeignete batterieunterstützte Antriebe für Zweiräder wie z. B. Fahrräder, insbesondere in Bezug auf ihre Energiespeicher, aussehen können, besteht ein Ansatz, wie mit den sich ändernden Vorgaben umzugehen ist, darin, die bisher bekannten Lösungsvorschläge auf Einhaltung der geänderten Normen- und Gesetzeswerke zu untersuchen.
  • Stand der Technik
  • Die Schutzrechtsliteratur stellt verschiedene Akkumulatoren und Akkumulatorenpakete sowie Akkumulatorengehäuse vor, die ansteckbar, einführbar oder in Position schiebbar sind, um Antriebsleistungen und -energien in fahrbaren Geräten und Werkzeugen zur Verfügung zu stellen.
  • Beispielsweise beschäftigt sich die US 2017/263 914 A1 (Anmelderin: Kubota Corporation; Veröffentlichungstag: 14.09.2017) mit elektrisch angetriebenen Rasenmähern, die mit einem Sitz für den Fahrer des Rasenmähers ausgestattet sind. Die Figuren zeigen sehr ausführlich und detailreich diese Art von Rasenmähern; Schwerpunkt der Beschreibung ist jedoch nicht der Rasenmäher insgesamt, sondern eine durch ein Bezugszeichen „BB“ abgekürzte Batteriebox, in der eine beliebige Anzahl „battery packs“ einsetzbar ist, solange sich die beliebige Anzahl zwischen einer Mindestanzahl und einer Maximalanzahl bewegt. Hierbei zeigt die US 2017/263 914 A1 wenigstens zwei zueinander alternative Gestaltungsvarianten für das elektrische Verbinden der einzelnen „battery packs“ mit Buchsen, die Teile von Steckvorrichtungen sein sollen. Durch zusätzlich vorhandene Gleitvorrichtungen, die zwar detailreicher in den 3 und 4 zu sehen sind, aber dann doch nicht in der Beschreibung konkret vorgestellt sind, können die einzelnen „battery packs“ in die Aufnahmen der Batteriebox „BB“ eingeschoben werden.
  • In der Patentschrift JP 33 78 919 B2 (Inhaberin: Miyata Kogyo KK; Veröffentlichungstag: 17.02.2003) ist eine Anordnung aus Akkumulator und Ladegerät gezeigt, wobei die beiden Geräte ihre eigenen Gehäuse haben und an einem Fahrrad zusammensteckbar sein sollen.
  • Eine Lithiumbatterie für ein Fahrrad gemäß der CN 104 393 333 B (Inhaberin: Jiangsu Yongchang New Energy Tech Co.; Veröffentlichungstag: 24.05.2017) weist unter anderem einen federbetätigten Verschluss auf, um das Eindringen von Schmutz oder Insekten in das Gehäuse einer Batteriebox zu verhindern. Dieser Verschluss deckt eine Öffnung an dem Gehäuse ab, über die von außen Energie zu einem intern in dem Gehäuse angeordneten Ladegerät geleitet werden kann.
  • Die Patentanmeldung US 2018/205 051 A1 (Anmelderin: Murata Manufacturing Co., Ltd.; Veröffentlichungstag: 19.07.2018) beschreibt ein „battery pack“, z. B. für elektrische Fahrräder, das mit einem elektrischen Gerät, z. B. einem Ladegerät, verbindbar ist. Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung soll der Verbund aus Ladegerät und „battery pack“ wasserfester werden. Die Verbindung des Batteriegehäuses bzw. dessen Verbindungsteils mit einem weiteren Verbindungsteil, das zu einem elektrischen Gerät gehört, sei mittels einer Drehbewegung herstellbar, wobei ein Abflussloch, das dem Verbindungsteil des elektrischen Geräts zugeordnet ist, verschlossen werden soll. In dem Gehäuse befinden sich zwei elektrische Schaltungen, die z. B. als Lade-/Entladeschaltung ausgebildet sein können und eine Temperaturmesseinrichtung aufweisen können. Bezüglich der Schaltung der Akkumulatorzellen zueinander ist u. a. eine Reihenschaltung der Batterien in dem Gehäuse vorgesehen.
  • Auch die einzige Figur der CN 202 663 154 U1 (Gebrauchsmusterinhaberin: Hubei Camel Sepcial Power CO; Eintragungstag: 09.01.2013) zeigt ein Ladegerät außerhalb eines Kästchens, das einen Akkumulator mit darin integriertem Batterie-Management-Modul darstellen soll.
  • In der DE 10 2009 051 196 A1 (Anmelderin: Stübinger, Oksana; Veröffentlichungstag: 05.05.2011) mit dem dazu parallel angemeldeten Gebrauchsmuster DE 20 2009 014 622 U1 (Eintragungstag: 18.03.2010) wird ebenfalls eine Anordnung mit Akkumulatoren und einer Elektronikschaltung in einem zylinderförmigen Gehäuse beschrieben. Die Anordnung soll einen Steckverbinder aufweisen und diene zur Stromversorgung externer Verbraucher, wie z. B. von Mobiltelefonen. Ohne weitere Einzelheiten zu erwähnen, wird in der DE 10 2009 051 196 A1 nur pauschal eine Eignung einer solchen Vorrichtung für motorbetriebene Fahrräder angesprochen. Unter zahlreichen verschiedenen Vorschlägen für die Befestigung der Akkumulatorenanordnung an einer Fahrradstange gibt es auch eine, die eine manuell lösbare Klammer umfasst. Die Akkumulatoren sollen durch eine externe Energiequelle, wie z. B. durch einen Dynamo, wieder aufgeladen werden.
  • Die CH 701 675 A1 (Anmelderin: Fairly Bike Manufacturing Co., Ltd.; Veröffentlichungstag: 28.02.2011) beschreibt ein Elektrofahrrad, dessen Fahrradrahmen so gestaltet sein soll, dass eine Batteriehalterung, die einstückig zusammen mit einer Sattelstütze ausgeführt ist, in ein Sitzrohr des Fahrradrahmens eingeführt werden kann und dann dort fixiert werden kann. Die Anmelderin der CH 701 675 A1 widmet sich der Überlegung, dass die Batteriehalterung mit den darin vorhandenen elektrochemischen Konvertern, wie Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren oder auch Lithium-Ionen-Akkumulatoren, zusammen mit dem daran angebrachten Fahrradsattel als sozusagen personalisierter Teil eines Elektrofahrrads Pendlern bei Pendelbahnfahrten zur Verfügung steht, während die restlichen Fahrradteile als ein Elektro-Teil-Fahrrad, die (angeblich) weniger wertvolle Fahrradteile umfassen, vor Ort mehreren Pendlern zur Verfügung stehen und so insgesamt einer längeren Nutzung durch mehrere Pendler unterzogen werden können. Hierbei erkennt die CH 701 675 A1 , dass ein Problem das Aufladen der Akkumulatoren ist. In einer der in der CH 701 675 A1 angesprochenen Ausgestaltungen soll ein Akkumulator direkt mittels landesüblichem Stromnetz aufgeladen werden können. Aus diesem Grund sei ein Transformator direkt in der Batteriehalterung zu integrieren. Außerdem seien die Batteriehalterungen so zu gestalten, dass ihre elektrischen Kontaktpunkte vor Witterungseinflüssen geschützt sind. Als eine mögliche Weiterbildung der Vorrichtung wird vorgeschlagen, den Innenrahmen der Batteriehalterung wetterfest abgedichtet auszuführen. Bei einer solchen Gestaltung der Batteriehalterung zusammen mit einem Fahrradsattel könne die Batteriehalterung jederzeit als Sitzgelegenheit genutzt werden, um als Notsitz in z. B. überfüllten Zügen zur Verfügung zu stehen.
  • In der WO 2017/078 853 A1 (Anmelder: Sean Lupton-Smith; Veröffentlichungstag: 11.05.2017) wird festgehalten, dass sich Lithium-Ionen-Akkumulatoren beim Laden entzünden können. Es wird in der WO 2017/078 853 A1 als Lösung für aufzuladende Akkumulatoren vorgeschlagen, ein Gehäuse zu verwenden, das zwei Abteile hat, von denen ein Abteil zumindest teilweise einen Kontroller, ein Ladegerät und ein Kabel einschließen soll, während die Akkumulatorzellen in einem anderen Gehäuseteil angeordnet sind. Mit anderen Worten, eine Trennwand zwischen Akkumulator und Ladegerät soll zur Sicherheit beitragen.
  • Die US 8 143 849 B2 (Patentinhaberin: Campagnolo S. r. I.; Patenterteilungstag: 27.03.2012), die EP 2 532 571 B1 (Patentinhaberin: Campagnolo S. r. I.; Patenterteilungstag: 26.03.2014), die EP 2 532 573 B1 (Patentinhaberin: Campagnolo S. r. I.; Patenterteilungstag: 13.09.2017), und die US 7 393 125 B1 (Patentinhaberin: Ideal Bike Corp..; Patenterteilungstag: 01.07.2008) beschäftigen sich mit elektronischen Geräten wie Ladegeräten an Fahrrädern, durch die elektrische Energiespeicher, z. B. für die Versorgung von Anzeigeeinheiten an einem Fahrrad, aufgeladen werden können.
  • Die zuvor genannten Druckschriften gelten mit ihren Benennungen jede für sich als vollumfänglich in vorliegende Erfindungsbeschreibung inkorporiert. Hierdurch soll vermieden werden, nicht mehr erneut und wiederholt allgemein bekannte Zusammenhänge zwischen elektrischer Netzstromversorgung, Ladegeräten und Akkumulatoren sowie die Speicherung von Strom in Akkumulatoren und die Steuerung von durch Strom angetriebenen elektrischen Motoren, insbesondere für Zweirad-Antriebssysteme, zu erörtern, sondern durch Verweis auf die Druckschriften als ebenfalls definiert für vorliegende Erfindung ansehen zu dürfen.
  • Aufgabenstellung
  • Wie Energieversorgungssysteme für Fahrräder gestaltet sein müssen, die neueren Normungsanforderungen gerecht werden und trotzdem einen hohen Komfortgrad den Nutzern wie Fahrradfahrern bieten, ist eine Anforderung, der sich Entwicklungsingenieure immer wieder stellen müssen. Sollen dabei Lösungen, die auch noch ästhetisch ansprechende Fahrräder hervorbringen sollen, geschaffen werden, steigt der Anforderungs- und Komplexitätsgrad für die Entwickler und Designer deutlich.
  • Ein besonders markanter Widerspruch sei kurz angesprochen. Aus elektrischer und energetischer Sicht ist es vorteilhaft, wenn die Kleinspannungsgrenze von 50 V(Ac) nicht einzuhalten ist. Es ist aber die Niederspannungsrichtlinie RL 2014/35/EU zu beachten. Eine elektrotechnische Lösung für diese sich widersprechenden Anforderungen, welche Spannung geeignet ist, sodass für diese das Energieversorgungssystem zu gestalten ist, wäre erstrebenswert.
  • Aus der Schutzrechtsliteratur scheinen keine diesen Anforderungen gerecht werdenden Lösungen bekannt zu sein. Daher besteht weiterhin ein Bedarf nach geeigneten Lösungsvorschlägen.
  • Erfindungsbeschreibung
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 sowie ein Zweirad nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen lassen sich den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
  • Ein Energieversorgungssystem, das z. B. als Teil eines Zweirad-Antriebssystems eingesetzt werden kann, umfasst mehrere Komponenten. Bei Fahrrädern sind solche Antriebssysteme zur Tretkraftunterstützung der Fahrradfahrer bekannt, sodass bis zu einer; z. B. elektronisch voreingestellten, Spitzengeschwindigkeit, z. B. von 25 km/h, der in die Pedale Tretende weniger Kraft aufwenden muss. Anders gesagt, erfolgt durch eine motorische Tretkraftunterstützung eine Verstärkung der Tretleistung. Fährt der Fahrradfahrer schneller als die sogenannte Spitzengeschwindigkeit, liefert der Motor des Antriebssystems keine Antriebsunterstützung mehr. In einem ggf. ausstattungsgemäß ausführbaren Rekuperationsmodus bzw. Motor-Generatorbetrieb oder Dynamobetrieb des Antriebssystems, z. B. durch Tretkraft, kann elektrische Energie zur Ladung eines Akkumulators generiert werden. Eine Komponente ist also der eigentliche Akkumulator. Der Akkumulator setzt sich aus mehreren Zellen, den Akkumulatorzellen, zusammen. Ein Beispiel für aufgrund ihrer Speicherkapazität und Lebensdauer vorteilhafte Akkumulatorzellen sind Lithiumionenzellen. Der Akkumulator kann als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet sein. Die Akkumulatorzellen sind elektrisch untereinander verbunden; sie sind so zusammengeschlossen, dass sie eine größere Spannung und/oder einen größeren Strom als eine einzelne Akkumulatorzelle liefern können. Eine weitere Komponente ist ein Ladegerät. Ladegerät und Akkumulator sind zu einer Einheit zusammengeschlossen. Das Energieversorgungssystem ist als kompakte, abgeschlossene Einheit ein Bauteil, das in einer Einbauvariante Energie für das Zweirad-Antriebssystem zur Verfügung stellen kann, in einer anderen Einbauvariante kann das Energieversorgungssystem als Energiezwischenspeicher eingesetzt werden. Auch Kombinationen solcher Nutzungen des Energieversorgungssystems, z. B. wechselweise als Hilfsenergiespeicher und als Brems- und Rekuperationsenergiespeicher, sind möglich.
  • Das Gehäuse umschließt nicht nur einen Satz Akkumulatorzellen, die zu einem Akkumulatorpack bzw. Akkumulatorpaket elektrisch zusammengeschlossen sind, sondern das Gehäuse ist die Aufbewahrung und der Schutz für ein Ladegerät. Weitere Elektronikkomponenten können in dem Gehäuse angesiedelt sein.
  • Das Gehäuse hat idealerweise einen Netzspannungssteckanschluss. An dem Netzspannungssteckanschluss kann eine Netzstromversorgung angeschlossen werden. Aus dem elektrischen Netz, z. B. aus einem Versorgungsnetz mit 232 Volt(AC), kann die Energie für eine Versorgung der Akkumulatorzellen, insbesondere im Falle des Ladens des Akkumulators, bezogen werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, weil es unter anderem auch eine Steigerung des Komforts darstellt, wenn das Energieversorgungssystem über einen Netzspannungssteckanschluss elektrisch aufgeladen werden kann, obwohl es sich im eingebauten Zustand befindet. Als eingebauter Zustand wird die Position des Energieversorgungssystems bezeichnet, in der das Energieversorgungssystem mechanisch fixiert in seiner hierfür vorgesehenen Position Energie an das Zweirad-Antriebssystem liefern kann.
  • Das Gehäuse sollte ein mechanisch stabiles Gehäuse sein, das möglichst vor (unerwünschten) Umwelteinflüssen das Innere des Energieversorgungssystems, insbesondere das Ladegerät und insbesondere weitere Elektroniken, wie z. B. ein BMS (Batterie-Management-System), schützt. Das Gehäuse ist idealerweise als feststoffpartikeldichtes Gehäuse ausgelegt. Ist das Gehäuse ein feststoffpartikeldichtes Gehäuse, so bietet es Möglichkeiten, vom Inneren ins Äußere und vom Äußeren ins Innere Ausgleiche wie Druckausgleiche oder auch Feuchtigkeitsanteilsausgleiche, z. B. einen Ausgleich des in der Luft vorhandenen Wassers, zuzulassen. Eine weitere Art des Ausgleichs besteht in der Ausleitung kalorischer Energie durch Gasaustausch vom Inneren in das Äußere.
  • Ist das Gehäuse ein längliches Gehäuse, so kann das Gehäuse besonders gut mit dem Rahmen des Zweirads verschmolzen werden. In einem eingebauten Zustand geht das Gehäuse vorteilhafterweise in dem Rahmen des Zweiradsystems, z. B. eines Pedelecs, auf. Eine besonders günstige Einbausituation ist gegeben, wenn das Gehäuse mit einem Teil seiner Oberfläche einen Teil des Rahmens des Zweiradsystems bildet.
  • Vorteilhaft ist es, wenn das Energieversorgungssystem von dem Träger des Energieversorgungssystems getrennt werden kann. Das Gehäuse ist z. B. per Hand bewegbar. Das Gehäuse ist ohne Einsatz von Werkzeug von dem restlichen Trägersystem trennbar. Werkzeuglos kann das Energieversorgungssystem entfernt werden, in einer Ausgestaltung z. B. aus dem Gegenstecker herausgezogen werden. Der Gegenstecker ist das Gegenstück zum Stecksystem. Der Gegenstecker korrespondiert in seinen Abmessungen, Pinbelegungen und Steckverhalten zu seinem Gegenstück des Stecksystems. Besonders vorteilhaft ist es, wenn lediglich durch eine Zug- oder Schubbewegung das Energieversorgungssystem aus seiner Einbaulage entfernbar ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Akkumulator mit seinem Ladegerät als Baugruppe ohne den Einsatz von weiteren Werkzeugen aus dem Trägersystem, also lediglich per Hand entnommen werden kann. Ist das Einschub- bzw. Stecksystem so gestaltet, dass es ausreicht, durch manuelle Krafteinwirkung Energieversorgungssystem und Trägersystem zu trennen bzw. zusammenzubringen, so kann ein leicht austauschbares, sowohl in-situ als auch getrennt aufladbares Energieversorgungssystem für tretkraftunterstützte Fahrzeuge und Kraftfahrzeuge aufgebaut sein, bei dem z. B. ein Fahrradfahrer, je nach seinem Belieben oder aufgrund der Umstände oder wegen der Lokalität, an der sich das Fahrzeug befindet, nur das Energieversorgungssystem getrennt oder aber auch den gesamten Antrieb als ein Ganzes elektrisch aufladen kann.
  • Vorteilhaft ist es, wenn das Ladegerät des Energieversorgungssystems einen Spannungswandler aufweist, der, nicht zuletzt aus Sicherheitsgründen, ein galvanisch trennender Spannungswandler ist. Neben dem Spannungswandler kann in dem Ladegerät auch ein gleichrichtendes Bauteil oder eine gleichrichtende Bauteilgruppe (z. B. eine Diodenbrückenschaltung) vorhanden sein. Sind galvanisch trennender Spannungswandler und Gleichrichtung zu einer Gesamtbaugruppe zusammengeschlossen, so kann von einem galvanisch trennenden Spannungswandler mit Gleichrichtungsfunktion gesprochen werden.
  • Idealerweise ist das Spannungsniveau des Akkumulators niedriger angesiedelt als die Netzspannungsversorgung. In einem solchen Fall sieht idealerweise das Ladegerät vor, eine Minderung eines Spannungsspitzenwertes durchzuführen. Der Spannungsspitzenwert, der sich aus dem Stromnetz, genauer aus dem Scheitelwert der Wechselspannung des Stromnetzes ergibt, wird reduziert und auf einen Spannungsspitzenwert gebracht, der auf dem Niveau des Akkumulators, idealerweise ein wenig oberhalb der Leerlaufspannung des Akkumulators, angesiedelt ist. Hierdurch kann eine Reduktion des Spannungsniveaus auf ein Akkumulatorpaketspannungsniveau sichergestellt werden.
  • Wie zuvor schon angedeutet, setzt sich das Ladegerät aus mehreren Baugruppen zusammen. Die elektronische Schaltung des Ladegeräts lässt sich daher in mehrere funktionelle Komponenten unterteilen, von denen einige weiter unten ausführlicher vorgestellt werden.
  • Der galvanisch trennende Spannungswandler ist, insbesondere sekundärseitig, mit Kondensatoren, vorzugsweise ausgangsseitig, verschaltet, die Schwingkreise darstellen. Aus der Kombination aus Induktivität, insbesondere Streuinduktivität, des Spannungswandlers und aus den (zusätzlich angeschlossenen) Kondensatoren ergeben sich Resonanzfrequenzen für den energieübertragenden Teil des Ladegeräts. Die Ansteuerfrequenz, die durch den Hochfrequenzgenerator erzeugt wird, kann auf diese (intrinsischen) Frequenzen des galvanisch trennenden Spannungswandlers (mit seiner Außenbeschaltung) abgestimmt werden. Auf diese Art und Weise ist sowohl eine resonante als auch eine quasi-resonante Betriebsweise möglich. Eine quasi-resonante Betriebsweise senkt die Abwärme besonders gut, aber auch eine resonante Betriebsweise führt zu einem Ladegerät mit vergleichsweise geringer, in Wärme umgesetzter thermischer Verlustleistung.
  • Zu dem Energieversorgungssystem gehört ein Stecksystem. Über das Stecksystem kann elektrische Energie bezogen werden. Das Stecksystem ist die Schnittstelle, über die aus den Akkumulatorzellen Energie bezogen werden kann. Diese Energie ist zur Weiterleitung an einen Antriebsmotor des Zweirad-Antriebssystems bestimmt. Im Detail lassen sich die Stecksysteme in vielerlei Art und Weise realisieren. Ein besonders einfaches Stecksystem umfasst einen Stecker mit verschiedenen Buchsen bzw. weiblichen Steckern, an denen ein Leistungsstrom und eine Spannung abgegriffen werden kann.
  • Ein Stecksystem umfasst in einer möglichen Ausgestaltung mehrere Stecker und idealerweise einen Kabelbaum, an dem die Stecker angeschlossen sind. Das Stecksystem kann dazu ausgelegt sein, elektrische Energie aus den Akkumulatorzellen an einen Antriebsmotor, z. B. des Zweirad-Antriebssystems, zur Verfügung zu stellen. Das Stecksystem ist für die zu übertragenden Ströme ausgelegt. In einer Ausgestaltung kann das Akkumulatorsystem zusammen mit seinem Stecksystem dazu bestimmt sein, elektrische Ströme für ein Antriebssystem mit Antriebsleistungen in einem Bereich von mehreren 100 Watt über das Stecksystem zu leiten.
  • Das zuvor vorgestellte Energieversorgungssystem kann Teil eines Antriebssystems eines Zweirads sein. Das Energieversorgungssystem weist vorzugsweise eine Einheit auf, die u. a. zur Versorgung angeschlossener Systeme mit elektrischer Energie dient. Die Einheit bzw. Energieversorgungseinheit umfasst insbesondere einen wiederaufladbaren elektrochemischen Energiespeicher, wie einen Akkumulator, sowie eine Akkumulatorelektronik. Die Akkumulatorelektronik und der Akkumulator sind systemartig miteinander verbunden, sodass auch von einer Energieversorgungssystemelektronik gesprochen werden kann. Die Zusammenarbeit der Komponenten der Energieversorgungseinheit kann u. a. mit Hilfe einer geeigneten Programmlogik, die in der Akkumulatorelektronik abspeicherbar ist, erfolgen. In dem Zweirad können verschiedene Montagesets identifiziert werden. Ein erstes Montageset kann an einem Rahmen des Zweirads angeordnet sein. Das Montageset umfasst vorteilhafterweise eine Verriegelungseinheit, über die die Energieversorgungseinheit mit dem Rahmen in eine feste, d. h. fixierbare, Position gebracht werden kann. Eine solche Fixierung kann z. B. über einen Schnappstift, einen Schnappbolzen oder eine Schnappnase realisiert werden. Besonders sicher sind Verriegelungseinheiten, die schlossartig arbeiten, hierbei können sie auf schnappende Verriegelungsteile zurückgreifen.
  • Ein Stirnende eines Gehäuses der Energieversorgungseinheit sollte zu der Fixierung ein korrespondierendes Teil für den Verriegelungsmechanismus bzw. die Verriegelungseinheit darstellen. Das Verriegelungssystem setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen. Ein Teil befindet sich am Rahmen des Zweirads. Ein weiteres Teil befindet sich am Gehäuse der Energieversorgungseinheit.
  • Nachfolgend werden vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dargelegt, die für sich gesehen, sowohl einzeln als auch in Kombination, ebenfalls erfinderische Aspekte offenbaren können.
  • Wie gesagt, setzt sich das Ladegerät aus mehreren Baugruppen zusammen. Die elektronische Schaltung des Ladegeräts lässt sich folglich in mehrere funktionelle Komponenten unterteilen. Eine dieser Baugruppen ist ein Hochfrequenzgenerator, insbesondere ein mikrocontroller- oder mikroprozessorgesteuerter Hochfrequenzgenerator, der primärseitig den galvanischen Spannungswandler mit Energiepulsen bzw. geschalteten Energien versorgen kann. Die Übertragung findet auf einer höheren Frequenz als der Netzspannungsversorgungsfrequenz statt.
  • Eine weitere Möglichkeit, energieeffizient eine Spannung umzusetzen, ist der Einsatz eines so genannten „phase-shift-full-bridge“-DC/DC-Wandlers (PSFB-DC/DC), für den es schon zum Teil integrierte Halbleiter gibt.
  • Das Gehäuse des Energieversorgungssystems hat gewisse Abmessungen. Die Abmessungen können als äußere Abmessungen bezeichnet werden. Das Gehäuse ist so bemessen, dass es querspielfrei in dem für die Aufnahme des Gehäuses bestimmten Teil des Rahmens eines Fahrrads (Fahrradrahmen) eingesetzt werden kann. Ein besonders günstiger Ort ist das Unterrohr des Fahrrads. Bei üblichen Fahrrädern wird als Unterrohr jener Teil des Fahrrads bezeichnet, der sich vor einem Nutzer des Fahrrads, häufig schräg ansteigend von einem bodennahen Bereich zu einem lenkernahen Bereich erstreckt. Jene Position zur Aufnahme des Energieversorgungssystems ist unter anderem aus thermischen und aus Sicherheitsgründen eine positive Position.
  • Der Rahmen kann besonders gestaltet sein, damit das Energieversorgungssystem in den Rahmen integriert werden kann. Vorteilhaft ist es z. B., wenn ein Teil des Gehäuses des Energieversorgungssystems eine Ergänzung des Rahmens zum Schließen einer Öffnung im Rahmen darstellt.
  • Die Stromzufuhrkontakte für den Anschluss der Netzstromversorgung an das Ladegerät sind mit einer Schutzklappe verschließbar. Wenn die Schutzklappe mit einer Schließfeder vorgespannt ist, gelangt die Schutzklappe bei abgetrennter Netzstromversorgung bzw. abgezogenem Netzkabel selbsttätig in einen verschlossenen Zustand. Dank der Schließfeder verbleibt die Schutzklappe in ihrer verschlossenen Position, solange keine sie zur Seite bewegende Kraft aufgewendet wird. Die Kontakte sind vor mechanischer Beschädigung und vor Verschmutzung geschützt. Auch sind die Kontakte vor weiterer Berührung geschützt, z. B. durch einen Menschen oder durch Wassertropfen. Anstelle einer Schutzklappe können eine Abdeckklappe oder auch ein Abdeckschieber, insbesondere federvorgespannt ausgeführt, funktionell die gleiche Wirkung entfalten, sie schützen die unter ihnen liegenden Bauteile des Akkumulators, wie einen Stecker, einen Kontakt oder einen Anschluss, vor Umwelteinflüssen und vor Berührung.
  • Das Stecksystem umfasst Stromabgabekontakte, wozu auch z. B. als Hülsen ausgeführte, buchsenartige Anschlüsse gehören. Die Stromabgabekontakte sind vorzugsweise in einer Gehäusevertiefung des Akkumulators angeordnet. Wenn das Gehäuse eine Abdeckklappe, insbesondere eine erste Abdeckklappe, aufweist, sind die Stromabgabekontakte in einen, z. B. vor Feuchtigkeit zusätzlich, geschützten Raum einschließbar. Die Abdeckklappe kann über eine Schließfeder an das Gehäuse gekoppelt sein. Die Schließfeder erzeugt permanent eine Schließkraft, die auf die Abdeckklappe wirkt. Beim Entfernen des Akkumulators von einem Akkumulatorsteckplatz nimmt die Abdeckklappe selbsttätig eine Schließstellung ein. Der Akkumulatorsteckplatz weist Stromdurchleitkontakte auf, die mit den Stromabgabekontakten verbindbar sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Stromdurchleitkontakte mittels einer zweiten, vorzugsweise federkraftbetätigten, Abdeckklappe in einen zweiten (geschützten) Raum, insbesondere selbsttätig, beim Entstecken des Stecksystems einschließbar sind. Besondere Flächen in dem Deckel, der Klappe oder der Abdeckung wie einer Abdeckklappe können zum Dichten, z. B. mit einer Dichtschnur, ausgestaltet sein.
  • Die Funktionsweise, die Sicherheit und auch das thermische Verhalten des Ladegeräteteils in dem Energieversorgungssystem lassen sich verbessern, wenn ein Teil des Ladegeräts eine Spannungs- und/oder eine Temperaturüberwachung ist. Technisch besonders ausgereift ist ein Ladegerät, das eine Spannungsüberwachung und (auch) eine Temperaturüberwachung hat. Insbesondere wenn die Temperaturüberwachung bzw. die Spannungsüberwachung gemeinsam oder separat als modulare Einheit ausgebildet sind, kann auch davon gesprochen werden, dass die Temperaturüberwachung und/oder die Spannungsüberwachung in Verbindung mit dem Ladegerät bzw. Lader stehen. Anders gesagt, sind über eine Verbindung zwischen Ladegerät bzw. Temperaturüberwachung und Ladegerät Messwerte und/oder aus Messwerten aufbereitete Messdaten übertragbar. Weil das Ladegerät im Inneren des Energieversorgungssystems angeordnet ist, kann zumindest ein Parameter bzw. es können auch mehrere Parameter, wie z. B. eine Spannung oder eine Temperatur im Inneren des Gehäuses, z. B. an einer Oberfläche einer Akkumulatorzelle, gemessen und überwacht werden. Anschließend können gegebenenfalls aufgrund der Messwerte gegen die gemessenen Temperaturentwicklungen und/oder Spannungsverläufe (z. B. bei Tiefentladungen) Maßnahmen zum Gegensteuern, wie z. B. ein Einschalten einer Strombegrenzung, von der Elektronik des Ladegeräts ergriffen werden. So ist es eine geeignete Überwachungsmethode, mit der Spannungsüberwachung eine Polspannung einer Akkumulatorzelle (oder auch Spannungen mehrerer Akkumulatorzellen) zu überwachen. Ist eine weitere Elektronikschaltung vorhanden bzw. gibt es eine oder mehrere Platinen in dem Energieversorgungssystem, die ein Batteriemanagementsystem ist/sind, so ist eine besonders vorteilhafte elektronische Schaltung aus Ladegerät und Batteriemanagementsystem derart aufgebaut, dass die Spannungsmessung und die Spannungsüberwachung der einen Baugruppe auch der anderen Baugruppe zur Verfügung stehen, z. B. über einen I2C-Bus. Eine Temperatur kann z. B. an einer Oberfläche einer Akkumulatorzelle des Akkumulatorpakets gemessen werden.
  • Besonders sicher wirkt das Energieversorgungssystem, wenn bei Überschreitung einer Detektionsgrenze, z. B. in Bezug auf die Spannung oder auch in Bezug zu möglichen Temperaturwerten, eine Unterbrechung des Stromflusses durchgeführt wird. Z. B. können als Steuerelemente bzw. als Eingriffselemente Halbleiterschalter Teil der Temperaturüberwachung sein oder mit der Temperaturüberwachung in Verbindung stehen, über die der abzugebende elektrische Strom fließen muss. Wird der Halbleiterschalter für einen Stromfluss gesperrt, ist der Energiefluss in oder aus dem Energieversorgungssystem unterbrochen. Halbleiterschalter können auch so betrieben werden, dass der elektrische Strom, der über diese fließt, lediglich begrenzt oder reduziert wird.
  • Wird das Gehäuse als Metallgehäuse ausgeführt, es kann z. B. im Wege eines Stranggussverfahrens hergestellt sein, z. B. als Aluminium-Stranggussprofil-Gehäuse, oder wird das Gehäuse aus einem thermisch leitenden Kunststoff hergestellt, so lässt sich das Temperaturverhalten innerhalb des Energieversorgungssystems einstellen, zumindest aber positiv beeinflussen.
  • Außerdem kann in dem Energieversorgungssystem eine Sicherheitsschaltung vorgesehen sein. In einer Ausgestaltung kann die Sicherheitsschaltung Teil des Ladegerätes sein. In einer anderen Ausgestaltung kann die Sicherheitsschaltung Teil des Batteriemanagementsystems sein. In einer dritten Ausgestaltung kann die Sicherheitsschaltung ein eigenständiges Teil in dem Energieversorgungssystem sein. Die Sicherheitsschaltung beeinflusst die Abgabe elektrischer Energie aus dem Akkumulatorpaket. Die Sicherheitsschaltung kann innerhalb des Gehäuses des Energieversorgungssystems so angeordnet sein, dass die Sicherheitsschaltung die Abgabe elektrischer Energie an das Stecksystem beeinflussen, insbesondere unterbinden kann. Eine weitere Maßnahme ist eine Leistungsflusssteuerung, z. B. eine Begrenzung des maximal fließbaren elektrischen Stroms. Das Stecksystem kann vorteilhafterweise auf einer Stirnseite bzw. endlings des Gehäuses, d. h. auf der Stirn des Gehäuses angesiedelt sein. Über ein elektrisches Kontaktierungsende lässt sich die abzugebende elektrische Energie zur Verfügung stellen. Stellt die Sicherheitsschaltung einen ungewöhnlichen Betriebszustand fest, z. B. anhand von Parametern außerhalb eines Parameterfensters (zu denken ist an eine Temperaturüberschreitung von z. B. 55 °C), so kann z. B. ein Schalter in dem Ladegerät betätigt werden. Von einer Ladeelektronik als Teil des Ladegeräts kann z. B. die Steuerung jedes elektronischen Schalters vorgenommen werden, damit elektrische Energie nicht abgegeben werden kann.
  • Die Abgabe (unerwünschter) thermischer Energie, die insbesondere als Verlustleistung im Ladegerät zuvor entstanden ist, lässt sich besonders gut an das Äußere abführen, wenn das Ladegerät mit dem Gehäuse, das idealerweise hohe Temperaturleitfähigkeiten aufweist, über eine Wärmeleitfläche verbunden ist.
  • Das Gehäuse kann insgesamt als Kühlkörper des Ladegeräts konzipiert sein. Natürlich ist es auch möglich, dass einzelne Bauteile, wie z. B. Leistungshalbleiterschalter einen ersten Kühlkörper aufweisen, der wiederum mit dem Gehäuse in Verbindung steht. Ist das Gehäuse der Form des Rahmens (des Fahrrads) nachempfunden (es könnte auch gesagt werden: bildet das Gehäuse den Rahmen fort, z. B. indem es Ausnehmungen im Rahmen schließt), so hat der äußere Kühlkörper, der Teil des Rahmens sein kann, vorteilhafterweise eine Form, die der Form des Rahmens des Fahrrads entspricht. Somit stellt das Gehäuse eine Kühlkörpererweiterung eines Kühlkörpers des Ladegeräts dar.
  • Das Gehäuse kann mehrteilig und auch mehrwandig ausgestaltet sein. In einer Ausgestaltungsform kann das Gehäuse einen inneren, in sich geschlossenen Gehäuseteil aufweisen, der in einem Bereich aufgedoppelt ist. Die aufgedoppelte Abdeckung ist, wenn sie besonders geformt ist, dafür da, den Rahmen des Fahrrads zu ergänzen. Die Aufdoppelung stellt einen Ausschnitt aus dem Rahmen des Fahrrads dar. Wird zwischen dem inneren Gehäuse und dem darauf aufgedoppelten Gehäuse, das z. B. nur ein Gehäuseteil sein kann, zumindest in einigen Bereichen ein gewisser Abstand gelassen, so ist eine thermische Luftkonvektion in diesem mit Abstand vorgehaltenen Bereich möglich. Eine erste Wand der Gehäusedoppelwand und eine zweite Wand der Gehäusedoppelwand haben zwischen sich in zumindest einem Teilbereich einen gewissen Abstand, durch den Luft, z. B. im Inneren des Rahmens des Fahrrads, durchströmen kann. Der aufgedoppelte Teil des Gehäuses kann z. B. aus einem Material geschaffen sein, der eine andere thermische Leitfähigkeit hat als das als inneres Gehäuse zu bezeichnende Gehäuseteil.
  • Insgesamt wird das Energieversorgungssystem noch sicherer, wenn zwischen dem Ladegerät und dem das Ladegerät einschließenden Gehäuse dämpfende Bauteile wie ein Vibrationsenergieabsorber, der z. B. aus einem Hartschaum hergestellt sein kann, vorhanden sind. Der Vibrationsenergieabsorber kann aus wärmeleitenden Materialien, wie z. B. einem Kunststoff, hergestellt sein. Ein Vibrationsenergieabsorber kann mehrere Aufgaben wahrnehmen. Er kann elektronische Komponenten wie das Ladegerät vor Erschütterungen schützen, zugleich kann der Vibrationsenergieabsorber ein Wärmeleitmittel sein.
  • Die elektrische Verbindung zwischen Ladegerät und dem eigentlichen Akkumulator bzw. den Akkumulatorzellen, die dem Ladegerät folgen, kann über eine flexible Litze hergestellt sein. Zur Zug-/Druck-Entlastung kann eine mechanische Entkopplung, z. B. über eine Entlastungsfeder oder (halt) über jene flexible Litze, hergestellt sein.
  • An einer Stelle des Gehäuses kann eine Öffnung zur Aufnahme einer Kompensationsmembran vorgesehen sein. Das Gehäuse ist nicht an allen Oberflächen einheitlich aus dem gleichen Material hergestellt, sondern an einer Stelle ist eine Kompensationsmembran eingesetzt. Gibt es eine Kompensationsmembran, so kann diese dafür ausgelegt sein, Luft auszutauschen. Eine andere Kompensationsmembran kann dazu ausgelegt sein, Luftfeuchtigkeit oder - allgemein gesprochen - Feuchtigkeiten aus einem Inneren des Gehäuses nach außen auszubringen. Solche Kompensationsmembranen können z. B. über Partialdruckunterschiede operieren.
  • Das Stecksystem kann sich aus mehreren Steckern zusammensetzen. Zu den einzelnen Steckern des Stecksystems kann z. B. ein Fahrradversorgungsstecker gehören. Der Fahrradversorgungsstecker weist vorzugsweise Kommunikationskontakte auf. Ein weiterer Stecker kann ein Direktladestecker sein. In einem solchen Fall ist einer der Stecker für die Versorgung, z. B. des Motors oder eines Motor-Generators, des Fahrrads bestimmt. Der andere Stecker ist dafür da, dass über ihn, z. B. aus einem Versorgungsnetz, elektrische Energie in den Akkumulator hineingebracht wird, insbesondere über das Ladegerät. Die Stecker können, sofern es eine entsprechende Sicherheits- und/oder Überwachungsschaltung in dem Energieversorgungssystem gibt (z. B. eine Temperaturüberwachung), einzeln ab- und zuschaltbar sein. Dadurch kann sichergestellt werden, dass eine Tretkraftunterstützung nicht zur Verfügung gestellt wird, wenn elektrische Energie über den Direktladestecker fließt.
  • Die Kühlfläche des Akkumulators, die z. B. durch das Gehäuse zur Verfügung gestellt wird, kann des Weiteren zur Aufnahme eines Netzspannungssteckers ausgestaltet sein. Hierdurch werden auch der Netzspannungsstecker und die Verlustwärme, die z. B. durch hohe Aufladeströme entstehen, gekühlt.
  • Das Ladegerät und/oder das Batteriemanagementsystem können aus vielen weiteren Einzelbaugruppen zusammengesetzt sein. Hierzu gehören eine oder mehrere der nachfolgenden Baugruppen:
    • eine PFC-Stufe (eine Power-Faktor-Correction-Stufe bzw. ein Leistungsfaktorkorrekturfilter),
    • wenigstens einen Hochfrequenzfilter, idealerweise mehrere Hochfrequenzfilter, wie z. B. ein Eingangsfilter und ein dem galvanischen Spannungswandler bzw. der galvanischen Trennung nachgeschalteter Hochfrequenzfilter,
    • galvanisch getrennte Messübertrager, insbesondere Optokoppler-Messstrecken, zur Rückmeldung von Messgrößen aus einem zweiten, galvanisch getrennten Bereich, wenigstens einen Spitzenspannungskomparator,
    • wenigstens einen Ausgangsspannungsschalter,
    • wenigstens einen Temperaturgrenzwertdetektor,
    • wenigstens einen Ausgangsspannungsgrenzwertdetektor,
    • wenigstens eine Leistungssteuerung,
    • wenigstens eine Balancing-Schaltung,
    • wenigstens eine Ladesteuerung, insbesondere nach dem CC/CV-Verfahren (Konstantstrom/Konstantspannungs-Verfahren),
    • wenigstens eine NTC-Temperaturmessstufe (Temperaturmessstufe mit negativen Temperaturkoeffizienten des Messwiderstands) oder eine Gesamtspannungsplausibilitätsschaltung (z. B. realisiert durch einen Komperator).
  • Wird ein entsprechendes Energieversorgungssystem in einem Zweirad eingebaut, so können mehr als ein Montageset Teil der Gesamtvorrichtung sein, z. B. ein Montageset ist eine Verriegelungseinheit, ein Montageset umfasst mehrere auf einem Träger zusammengefasste Stecker bzw. Gegenstecker.
  • In einem Stecker können mehrere unterschiedliche Anschlusspinne zusammengefasst sein, z. B. ein Satz Pinne für eine Kommunikation, z. B. des Batterie-Management-Systems und/oder des Ladegeräts, und ein Satz Pinne für die Leistungsführung, also ein Satz Energieversorgungspinne. So kann ein Stecker mehr als fünf, z. B. sechs Pinne vereinigen. Ein Satz Pinne umfasst mindestens zwei Pinne. Kontakte bzw. Pinne für die Kommunikation sind, insbesondere Paarweise, Gegenkontakten zugeordnet bzw. mit einem Gegenkontaktpaar verbindbar. Kommunikationsgegenkontakte dienen einer Weiterleitung von Daten im bzw. am Fahrrad, vorzugsweise abgeschirmt, durch Leiter im Inneren des Rahmens.
  • Außerdem ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuse des Energieversorgungssystems eine Art von Kodierung, z. B. über Stifte, Nasen oder Oberflächenerhöhungen bzw. Oberflächenvertiefungen hat, damit nur ein bestimmtes Energieversorgungssystem oder bestimmter Typ Energieversorgungssystem an seine im Rahmen vorgesehene Position eingesetzt werden kann (z. B. ein Akkumulator mit 15 Ah in den einen Rahmen und ein Akkumulator mit 30 Ah in einen anderen Rahmen).
  • Das Risiko einer möglichen Fehlinstallation oder unbefugter Manipulation an einem Energieversorgungssystems kann noch weiter verringert werden, wenn zur Entnahme oder Wiederinbetriebnahme des Systems bzw. der Energieversorgungseinheit zusätzlich eine Autorisierungsvorrichtung vorhanden ist. Eine Autorisierungsvorrichtung kann z. B. ein, insbesondere elektronisches, vorzugsweise über eine Eingabevorrichtung, wie ein Display eines Fahrradcomputers, betätigbares, Zahlenschloss umfassen. Eine andere Möglichkeit für eine Autorisierungsvorrichtung ist ein Lesegerät für einen elektronischen Schlüssel, z. B. auf RFID-Basis, oder ein Lesegerät für ein Körpermerkmal einer Person, wie einen oder mehrere Fingerabdrücke oder eine Kamera. Die Autorisierungsvorrichtung kann mit einem Verschluss, z. B. zum Schutz eines Gegensteckers verbunden sein. Es ist auch möglich, die Autorisierungsvorrichtung als Teil einer Verriegelungsvorrichtung vorzusehen. Eine hohe Sicherheit ergibt sich, wenn die Autorisierungsvorrichtung mit einem oder mehreren elektronischen Schaltern der Akkumulatorelektronik zusammenarbeitet, wie einem Ausgangsfreischalter und/oder einem Eingangsfreischalter, insbesondere einem Halbleiterschalter oder einer Schaltsicherung. Die Autorisierungsvorrichtung kann an dem Gehäuse, insbesondere einem Stirnende, oder einem Schutzschirm des Energieversorgungssystems angeordnet sein, damit die Vorrichtung zur Betätigung, d. h. zur Autorisierung von Entnahme und/oder Wiederinbetriebnahme, insbesondere vor einem Einbau des Energieversorgungssystems oder einem Ausbau, besonders gut zugänglich ist.
  • Die zuvor dargestellten Kombinationen und Ausführungsbeispiele lassen sich auch in zahlreichen weiteren Verbindungen und Kombinationen betrachten.
  • Das Energieversorgungssystem kann auch so gestaltet sein, das es mit mehr als der Hälfte im Unterrohr anzuordnen ist, jedoch auch in ein angrenzendes Rohr des Fahrradrahmens weiterreicht.
  • Anstelle einer Steckverbindung kann auch eine Spiralkabelverbindung den elektrischen Kontakt zu dem Akkumulatorpack herstellen. Es ist auch vorteilhaft, wenn der Netzstecker über ein außerhalb des Gehäuses befindliches Spiralkabel, wie ein verschachteltes Spiralwicklungskabel, an dem Gehäuse angebunden ist bzw. von dem Gehäuse des Energieversorgungssystems zu einer Einsteckstelle einer externen Stromquelle, wie einer sog. Stromtankstelle, ziehbar ist.
  • Aufgrund der zahlreichen Maßnahmen zur Energie- und Abwärmesteuerung und -kontrolle ist es möglich, an einem - aus mechanischen und aus Komfortaspekten zu beurteilenden - besonders günstigen Ort des Fahrrads ein Energieversorgungssystem anzusiedeln, das eine hohe Alterungsresistenz, insbesondere seiner Akkumulatorzellen, aufweist und auch besonders robust ist. So ist es möglich, obwohl einschlägige Normen- und Gesetzesvorgaben es nicht vorsehen, das Ladegerät als Teil des Energieversorgungssystems auszulegen.
  • Unabhängig davon, ob der Teil des Gehäuses, der nach außen weist, ein doppelwandiger oder ein einwandiger Abschnitt des Gehäuses ist, kann mit Hilfe der nach außen gerichteten Gehäuseabschnitte zur Entwärmung des Energieversorgungssystems beigetragen werden. Über das Gehäuse wird Energie, z. B. Verlustenergie beim Laden des Akkumulators, an die Umwelt abgegeben. Eine Oberflächenvergrößerung durch das Gehäuse fördert die Kühlkörperfunktion des Gehäuses des Energieversorgungssystems.
  • Die Platzierung im vorderen Teil des Fahrrads fördert zudem die Entwärmung, z. B. durch Fahrtwind.
  • Ein Energieversorgungssystem kann vorteilhaft eines oder mehrere der folgenden Charakteristika aufweisen.
  • Eine einzelne Akkumulatorzelle wird vorzugsweise in einem Spannungsbereich von 3 V (Volt) (im Leerzustand) bis 4,2 V (im voll geladenen Zustand) betrieben. Die Gesamtspannung ergibt sich aus der Anzahl in Reihe geschalteter Akkumulatorzellen. Der maximale Strom ergibt sich aus der von dem Motor abrufbaren Leistung, z. B. zu 5 A (Ampere) bei 250 W (Watt) pro 50 V Gesamtspannung. Motoren für elektrisch antreibbare Fahrräder, die ein ausreichendes Drehmoment effizient generieren, sind derzeit mit einer Leistung von 250 W bis 1 kW (kilo Watt) ausgelegt. Ein Energieversorgungssystem arbeitet besonders effizient, wenn thermische Verluste so gering wie möglich gehalten werden. Vorteilhaft sind thermische Verluste von weniger als 10 W. Ein Ladegerät kann einen Wirkungsgrad von 90 % haben. Vorzugsweise liegt der Wirkungsgrad bei mindestens 94 % der beim Laden zugeführten elektrischen Leistung, der insbesondere - unter anderem - durch eine ausgeklügelte Ladestromkontrolle erzielbar ist. Aufgrund einer äußerst kompakten Anordnung von Ladegerät und Akkumulator und insbesondere durch Optimierung niedriger Kontaktwiderstände sind Verbesserungen des Wirkungsgrads möglich. Der Wirkungsgrad kann ca. 96 % betragen. Nach allgemeinen elektrochemischen Gesetzmäßigkeiten hängt die Ladeleistung von der Lade- bzw. Speicherkapazität des Akkumulators ab. Eine vorteilhafte Nutzung des Bauraums in einem Unterrohr-Bereich des Rahmens liegt vor, wenn weniger als acht Akkumulatorzellen, z. B. sechs Zellen in dem Akkumulator parallel verschaltet sind. Je nach gewünschter Speicherkapazität kann auch eine reine Serienschaltung von Akkumulatorzellen zur Bereitstellung der Motorantriebsspannung günstig sein. Besonders vorteilhafte Reichweiten sind mit Akkumulator-Speicherkapazitäten von 200 Wh (Wattstunden) bis 2000 Wh erzielbar. Der Akkumulator sollte innerhalb von acht Stunden bzw. über Nacht vollständig aufladbar sein, um üblichen Betriebsanforderungen zu genügen.
  • Je nach Rahmengröße und Gestaltung, die u. a. auf eine Körpergröße eines Fahrradfahrers abgestimmt sind, können Energieversorgungssysteme mit einer vorgegebenen Gehäuselänge auf eine vorgegebene Unterrohrlänge abgestimmt sein. Typischerweise betragen Gehäuselängen 35 cm bis 70 cm (Zentimeter). Eine Breite des Gehäuses ist vorzugsweise kleiner als 20 cm, um den Fahrkomfort und die Aerodynamik nicht zu beeinträchtigen. Eine Breite des Energieversorgungssystems von 10 cm bis 3,5 cm, z. B. 7 cm oder 4 cm ist als Größenbegrenzung insbesondere für ein Gewicht des Energieversorgungssystems günstig. Zum einen ist damit eine Speicherkapazität für eine durchschnittliche Tagesfahrt im Unterrohr unterbringbar und zum anderen weist das Unterrohr noch eine ausreichende Stabilität gegen Querkräfte auf. Das Energieversorgungssystem kann eine Breite aufweisen, die weniger als das 0,85-fache seiner Höhe und insbesondere mehr als einen Durchmesser einer Akkumulatorzelle beträgt. Ein Gehäuse des Energieversogungssystems kann als signifikant länglich bezeichnet werden, wenn eine größte Länge des Gehäuses zumindest das Dreifache zu rechtwinklig zur größten Länge vorhandenen Erstreckungen des Gehäuses beträgt.
  • Ein Energieversorgungssystem, das sich in einem betriebsbereiten Zustand befindet, ist aus dem Unterrohr von Hand, also vorzugsweise ohne Handhabungswerkzeug, entnehmbar. In dem betriebsbereiten Zustand ist des Energieversorgungssystem insbesondere gegen ein herausspringen und/oder gegen eine unautorisierte Herausnahme mit einer Verriegelung gesichert. Die Verriegelung kann durch einen Schlüssel entriegelbar bzw. abschließbar sein. Eine solche Verriegelung kann auch als Schloss bezeichnet werden. Ein Entstecken eines Stecksystems von Hand kann somit bei aufgeschlossener Verriegelung erfolgen. Ein Angriff an dem Energieversorgungssystem wird dadurch erleichtert, dass an einer Außenfläche, insbesondere des Gehäuses oder des Schutzschirms, mindestens eine Hand-Angriffsfläche vorhanden ist. Hand-Angriffsflächen befinden sich vorzugsweise zwischen den Stirnflächen, insbesondere auf einander gegenüberliegenden Längsseiten des Gehäuses. Ein Bereich einer Hand-Angriffsfläche kann ein überstehender oder überwiegender Bereich des Gehäuses oder des Schutzschirms sein. Die Hand-Angriffsfläche weist vorzugsweise eine Griffmulde und/oder eine Mehrzahl von Griffrillen und/oder ein Haftbeschichtung, wie eine Gummischicht auf, damit das Energieversorgungssystem möglichst nicht aus der Hand rutschen kann. In einer besonders vorteilhaften geometrischen Ausführung bzw. Breite ist das Energieversorgungssystem einhändig handhabbar. Es kann auch gesagt werden, dass eine werkzeuglose Entnahme des Energieversorgungssystems von Hand möglich ist, wenn sich das Energieversorgungssystem in einem betriebsbereiten Zustand befindet.
  • Das Ladegerät bzw. die Ladeelektronik sind vorzugsweise für eine Begrenzung einer Temperaturerhöhung, insbesondere jeder einzelnen Akkumulatorzelle, auf weniger als 30 K (Kelvin) ausgelegt. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Ladeelektronik auf eine Temperaturerhöhung von weniger als 10 K eingestellt ist. Bei einer durch den Lader begrenzten Temperaturerhöhung von 5 K ergibt sich ein besonders günstiger Wirkungsgrad. Ein vorteilhafter Kompromiss zwischen Wirkungsgrad und Ladezeit ist in einem Temperaturintervall von 5 K bis 10 K erzielbar.
  • Der Hochfrequenzgenerator wird vorzugsweise in einem Frequenzband von 40 kHz (kilo Herz) bis 500 kHz betrieben. Ggf. kann ein in der Schaltung vorhandener Mikroprozessor Frequenzen anpassen. Als resonante Betriebsweise gilt eine nur geringfügige Abweichung von einer Resonanzfrequenz, die durch Induktivität und Kapazität bzw. Spule und Kondensator vorgegeben ist, wie eine Abweichung von weniger als 1% der Frequenz. Hierbei können Leistungshalbleiter idealerweise spannungs- oder stromlos, d. h. in eine leistungslose Phase schalten. Eine quasi-resonante Betriebsweise liegt z. B. bei einem sog. „flyback converter“ bzw. Hoch-Tiefsetzsteller zur Übertragung elektrischer Energie bei zwischen Eingangs- und Ausgangsseite galvanisch getrennten Gleichspannungen vor. Bei dem „flyback converter“ erfolgt das Wiedereinschalten des Leistungshalbleiters nach einer viertel-, einer fünfviertel- oder einer neunviertel- etc. Schwingung eines Transformators in einer Freilaufphase des Transformators. Somit ist die Spannung an dem angeschlossenen Leistungshalbleiter klein im Vergleich zu einer Maximalspannung. Der Schwingkreis wird also in dieser Betriebsweise aus Streuinduktivität und Kapazität der Primärspule gebildet. Ein geeigneten Transformator hat Streuinduktivitäten z. B. im ein- oder mehrstelligen µH (mikro Henry) Bereich.
  • Bei einem CC/CV-Lade-Verfahren hängen die konstant eingestellten Ströme (Constant Current) und Spannungen (Constant Voltage) von der jeweiligen Akkumulatorgröße bzw. Speicherkapazität ab, die vorzugsweise mehr als 200 Wh beträgt. Der CC-Strom liegt in einem Direktlademodus im Bereich von weniger als 10 A und vorzugsweise mehr als 0,1 A. Ein vorteilhafter Wirkungsgrad ist mit einem CC-Strom von weniger als 5 A erzielbar, d. h. im unteren Amperebereich. Die Ladespannung ist durch das rechnerische Produkt aus der Ladeschlussspannung einer Akkumulatorzelle und der Anzahl in Reihe bzw. seriell geschalteter Zellen vorgegeben. Bei einer Ladeschlussspannung von 4,2 V und zehn bzw. vierzehn seriell verbundenen Zellen ergibt sich eine konstante Ladespannung von 42 V bzw. 58,8 V.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Erfindung kann noch besser verstanden werden, wenn Bezug auf die beiliegenden Figuren genommen wird, die beispielhaft besonders vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten darlegen, ohne die vorliegende Erfindung auf diese einzuschränken, wobei
    • 1 schematisch ein elektrisch antreibbares Fahrrad anhand von wichtigen Komponenten, u. a. dem Energieversorgungssystem zeigt,
    • 2 ein Energieversorgungssystem mit einem Akkumulatorgehäuse bei dem Einsetzen in ein Unterrohr oder Herausnehmen aus einem Unterrohr zeigt,
    • 3 das Energieversorgungssystem in seinem Akkumulatorgehäuse vor dem Einsetzen in das Unterrohr perspektivisch mit Blick auf ein erstes Stirnende zeigt,
    • 4 das erste Stirnende zeigt,
    • 5 einen Montagesatz für den Anschluss des ersten Stirnendes an das Fahrrad zeigt,
    • 6 das Energieversorgungssystem in dem Akkumulatorgehäuse vor dem Einsetzen in ein Unterrohr perspektivisch mit Blick auf ein zweites Stirnende zeigt,
    • 7 eine zweite Ausführungsform eines Stirnendes eines Energieversorgungssystems 10I zeigt,
    • 8 einen Montagesatz für den Anschluss des zweiten Stirnendes an das Fahrrad zeigt,
    • 9 eine Bauteilanordnung im Inneren des Energieversorgungssystems eines mit Akkumulatorzellen verbundenen Batteriemanagementsystems mit gegenüberliegendem Ladegerät zeigt,
    • 10 die Anordnung aus 9 mit Blickrichtung auf eine Stirnseite zeigt,
    • 11, 12, 13, 14, 15 und 16 jeweils schematisch eine Anordnung aus Akkumulator, Ladegerät und Stecksystem in einem Unterrohr als Querschnittsdarstellung zeigen,
    • 17 ein Beispiel für eine Schutzklappe an einem Gehäuse zeigt,
    • 18 ein Blockdiagramm eines Batteriemanagementsystems zeigt,
    • 19 eine Übersicht eines Ladegeräts mit Ladegerätschaltung zeigt, deren Schaltungsteile in 20, 21 und 23 detaillierter dargestellt sind,
    • 20 eine Eingangsplatine als ersten Teil der Ladegerätschaltung von 19 zeigt,
    • 21 eine Steuerplatine als zweiten Teil der Ladegerätschaltung von 19 zeigt,
    • 22 Ausgangsbaugruppen als dritten Teil der Ladegerätschaltung von 19 zeigt und
    • 23 ein Spiralkabel mit Stecker zeigt.
  • Figurenbeschreibung
  • 1 zeigt ein elektrisch antreibbares Fahrrad 1, das allgemein auch als E-Bike oder als elektrisches Zweirad bezeichnet wird. Elektrische Zweiräder gibt es aber auch als Motorräder, Mofas und dergleichen. Um die Übersicht bezüglich der erfindungswesentlichen Komponenten zu erleichtern, sind eine Antriebsmechanik, ein (üblicher) (Fahrrad-)Sattel und ein (gängiger) (Fahrrad-)Lenker in die Darstellung des Fahrrads 1 gem. 1 nicht eingezeichnet.
  • In den Rahmen 3 ist in dem Bereich, der ein Unterrohr 7 des Rahmens 3 und eine Kettenstrebe 8 des Rahmens 3 verbindet, ein Antriebssystem 2 integriert. Das Antriebssystem 2 in jenem Verbindungsbereich von Unterrohr 7 und Kettenstrebe 8 umfasst einen Antriebsmotor 9 bzw. einen geeigneten Motor-Generator mit Getriebe und Tretlager. An einem dem Antriebsmotor 9 gegenüberliegenden Ende des Unterrohrs 7 befindet sich ein Steuerrohr 5 des Rahmens 3 zur Führung einer Gabel 6 des Fahrrads 3. Anders gesagt, befindet sich das Unterrohr 7 zwischen einem Teil des Antriebssystems 2 des Fahrrads 1 und der Gabel 6 bzw. dem zusammengeführten Ende der Gabel 6. Das Unterrohr 7 ist zur Aufnahme des Energieversorgungssystems 10 ausgebildet. Das Unterrohr weist endlings einen abgerundeten, ovalen oder rundlichen, vorzugsweise eckenfreien, insbesondere in sich geschlossenen, Querschnitt auf, der im Inneren hohl ist. Das Unterrohr 7 ist ein, vorzugsweise biegesteifer, Teil des Rahmens 3, der insbesondere Hebelkräfte, die von dem Antriebssystem 2 hervorgerufen werden, über das Steuerrohr 5 und die Gabel 6 auf einen Fahrweg (nicht dargestellt) hin ableitet. In dem in 1 dargestellten Design eines Fahrrads 3 bildet das Unterrohr 7 eine fahrwegseitige Begrenzung des Rahmens 3. Ein Fahrradfahrer sitzt üblicherweise mit dem Oberkörper über das Unterrohr 7 gebeugt auf dem Fahrrad 1.
  • Es ist, abweichend von 1, auch möglich, einen Antriebsmotor, wie den Antriebsmotor 9, eines elektrisch antreibbaren Fahrrads an einem tretlagerfernen Ende der Kettenstrebe 8 vorzusehen. Es ist auch möglich, dass das Unterrohr 7 als Verbindung zwischen Steuerrohr 5 und Sitzstrebe 8I angeordnet ist.
  • In 2 ist das Energieversorgungssystem 10 in einer leicht herausgezogenen Position (im Vergleich zu einem Ausschnitt des Unterrohrs 7 aus dem Fahrradrahmen) abgebildet. Das Energieversorgungssystem 10 wird durch das Gehäuse 12 begrenzt. Das dem Steuerrohr 5 abgewandte Ende des Gehäuses 12 des Energieversorgungssystems 10 ist in der per Hand herausziehbaren Position dargestellt. Das abgewandte Ende wird auch als erstes Stirnende 20 bzw. Verriegelungsende 20 bezeichnet. In dem Unterrohr 7 ist ein Verriegelungssystem 22 für das Energieversorgungssystem 10 angeordnet. In einer Öffnung 23 des Unterrohrs 7 befindet sich ein Auslöser des Verriegelungssystems 22, der nach Betätigung ein per Hand auszuführendes Anheben des Gehäuses 12 aus dem Unterrohr 7 erlaubt, wobei der Bewegungsablauf idealerweise der Richtung einer Bewegung 100 entsprechen sollte. Die Bewegung 100 ist eine Kombination aus einer Kippbewegung und einer Zugbewegung.
  • Das aus dem Unterrohr 7 (komplett) herausgenommene Energieversorgungssystem 10 ist in 3 dargestellt. Die gezeigte Blickrichtung ist auf das erste Stirnende 20 des Gehäuses 12 gerichtet. Zwischen dem ersten Stirnende 20 und einem zweiten Stirnende 40, das insbesondere zur elektrischen Kontaktierung dient, erstreckt sich in dem Gehäuse 12 ein Akkumulator 44. Der Akkumulator 44 wird durch die Stirnflächen 20, 40 und einer Mantelfläche 14 eingefasst. Die Mantelfläche 44 ist mit einem Kühlkörper 16 verbunden, der u. a. eine Wärmeleitverbindung zu dem Unterrohr 7 bildet. Der Kühlkörper 16 umfasst einen Schutzschirm 13. Der Schutzschirm 13 dient, wie auch das Unterrohr 7, u. a. dem Schutz des Akkumulators vor mechanischer Beschädigung. Das Gehäuse 12 ist durch den Schutzschirm 13 nach außen verblendet. Zwischen dem Schutzschirm 13 und der Mantelfläche 14 des metallischen Gehäuses 12 erstreckt sich ein luftdurchlässiger Konvektionskanal 15. Das erste Stirnende, d. h. das Verriegelungsende 20 kooperiert mit einem ersten Montageset 86 (durch die Position angegeben), das der Verriegelung dient. Das erste Montageset 86 bildet eine erste Begrenzung eines schalenartigen bzw. halbschalenartigen Bereichs 4 des Unterrohrs 7, der auch als wannenartiger Bereich bezeichnet werden kann. In dem Gehäuse 12 ist neben dem Akkumulator 44 ein Ladegerät 50 angeordnet. Eine zweite Begrenzung des schalenartigen Bereichs 4 wird durch ein zweites Montageset 90 gebildet, das in dem Unterrohr 7 montiert ist. In dem gezeigten, aus dem Unterrohr 7 ausgebauten Zustand des Energieversorgungssystems 10 bzw. des Gehäuses 12 sind alle schalenseitigen elektrischen Kontakte von einer federbetätigten Schutzklappe 80 verdeckt. Unter der Schutzklappe 80 ist ein Auflager 97 verborgen. Das Auflager 97 bildet eine Gegenstütze zu der Verriegelungseinheit 86. Die Verriegelungseinheit 86 ist am anderen Ende angeordnet.
  • 4 und 5 werden nachfolgend gemeinsam vorgestellt.
  • Ein in 4 gezeigtes Verriegelungsende 20I , das an eine Mantelfläche 14 anschließt, ist an drei Befestigungsstellen, wie der Befestigungsstelle 96, gehaltert. Über die Befestigungsstelle 96 ist das Verriegelungsende 20I des Akkumulators, der als in Gänze dargestellter Akkumulator 44 in 3 besser zu sehen ist, fest verbunden bzw. verbindbar. Die Befestigungsstelle 96 befindet sich zwischen einer ersten Riegelführung 24 und einer zweiten Riegelführung 24I , die insbesondere zur Aufnahme jeweils eines ersten Führungskörpers 88 und eines zweiten Führungskörpers 88I , die in 5 gezeigt sind, dienen. Die Führungskörper 88, 88I befinden sich an einem ersten Montageset 86. Das erste Montageset 86 weist ein Verriegelungssystem 22 auf, das mit einem einschnappenden Element, der vereinfacht Schnapper 87 genannt werden kann, ausgestattet ist. Die genaue Position des Schnappers 87 zwischen den Führungskörpern 88, 88I kann, um eine Feinjustierung durchzuführen, auf dem Montageset 86 in einer Querrichtung eingestellt werden. Damit ist eine präzise Zuführung des Schnappers 87 zu einer Schnapperauflage 28 möglich. Die Schnapperauflage 28 ist in 4 gezeigt. Die Schnapperauflage 28 bildet zusammen mit zwei Auflagepolstern 26, 26I , die jeweils am Ende einer Riegelführung 24, 24I angeordnet sind, eine rutschfeste, vor allem vibrationsdämpfende Dreipunkthalterung des - in 3 gezeigten - Akkumulatorgehäuses 12 des Akkumulators 44.
  • Das erste Stirnende 20I in 4 weist eine Ladestandanzeige 30 auf, die bereits in einer Winkelstellung von 7° zu einer Senkrechten im Vergleich mit dem Gehäuse 12 bzw. gegenüber dem Unterrohr 7 (siehe 2) ablesbar ist. Zur Ablesung der Ladestandanzeige 30 ist es somit nicht erforderlich, den Akkumulator 44, wie in 3 gezeigt ist, aus dem schalenartigen Bereich 4 des Unterrohrs 7 (komplett) rauszunehmen. Die Ladestandanzeige 30 umfasst eine LED-Anzeige 32, die als eine Reihe von separat ansteuerbaren Leuchtdioden ausgebildet ist. Mit einem Tastschalter 34 ist die Ladestandanzeige 30 für eine Zeitdauer von 3 sec. nach Schalterbetätigung zum Ablesen aktivierbar. Die Anzahl der nach Aktivierung aufleuchtenden LEDs 32 zeigt den Ladezustand der angeschlossenen Akkumulatorzellen.
  • Außerdem ist zu sehen, dass der Konvektionskanal 15 nahe bei der Ladestandsanzeige 30 beginnt.
  • In 6 ist das aus 10 bekannte Energieversorgungsystem 10 in einer Ansicht dargestellt, in der der Blick auf das zweite Stirnende 40 gerichtet ist. Das Stirnende 40 dient zur elektrischen Kontaktierung. Über das zweite Stirnende 40 sind der im Inneren des Gehäuses 12 angeordnete Akkumulator 44 und das im Inneren des Gehäuses 12 angeordnete Ladegerät 50 elektrisch an das Fahrrad anschließbar, wenn das Energieversorgungssystem 10 in dem Unterrohr 7 sitzt. Beim Einschieben des Energieversorgungssystems 10 in das Unterrohr 7 wird eine elektrische Verbindung zwischen einem ersten Netzspannungsstecker 98, der sich an dem ersten Stirnende 40 befindet, und einem zweiten Netzspannungsstecker 99, der sich außen an dem Unterrohr 7 befindet, durch die Platzierung hergestellt. Eine vor Herstellung der elektrischen Verbindung zurückzulegende Schubbewegung führt auf das Steuerrohr 5 hin. Benachbart zu dem Steuerrohr 5 ist der zweite Netzspannungsstecker 99 seitlich an dem Unterrohr 7 vorhanden. Nach der Schubbewegung zur Herstellung des Kontakts kann das Gehäuse 12 des Energieversorgungssystems 10 mittels einer Kippbewegung mit dem ersten Stirnende 20 an dem Unterrohr 7 eingerastet werden. Der Konvektionskanal 15 mündet neben dem ersten Netzspannungsstecker 98. Ein unterrohrinterner Konvektionsluftstrom hält unter anderem den Netzspannungstecker 98 trocken und trägt zur Verhinderung von Korrosion an elektrischen Steckerkontakten bei.
  • 7 und 8 werden, soweit möglich, nachfolgend gemeinsam erörtert.
  • Die 7 zeigt ein Stirnende 40I einer zweiten Ausführungsform eines Energieversorgungssystems 10I , das auch in den 11, 13 und 14 zusammen mit weiteren Details offenbart ist.
  • Das in 7 bezeichnete zweite Stirnende 40I weist einen Direktladestecker 98 mit einem elektrischen Kontaktpaar 76 auf. Über den Direktladestecker 98 ist ein Ladestrom, z. B. bezogen aus einem Netzstrom, einem an den Direktladestecker 98 angeschlossenen bzw. in dem Energieversorgungssystem 10I eingebauten Ladegerät 50 (vgl. 10) zuführbar. Das als eine eigenständige Baugruppe ausgebildete zweite Stirnende 40I umfasst einen Fahrradversorgungstecker 74 mit einem elektrischen Kontaktpaar 79I , das insbesondere zur Abgabe von elektrischer Energie an einen Elektromotor des Fahrrads (siehe Fahrrad 1 in 1) dient. Der Fahrradversorgungsstecker 74 ist an vier Stellen, wie z.B. an der Befestigungsstelle 96I , fest mit dem Stirnende 40I verbunden. Somit kann der Stecker 74 auch Kippkräfte aufnehmen, die beim Einbau eines Energieversorgungssystems 10I phasenweise auftreten. Ungefähr in der Mitte auf dem zweiten Stirnende 40I befindet sich eine Auflageaufnahme 42, die das Gegenstück zu dem in 3 beschriebenen Auflager 97 bildet. Auflager 97 und Auflageraufnahme 42 dienen dazu, wenn beide zusammengesteckt sind, die beiden an der Oberfläche vorhandenen Kontaktpaare 76, 79 mechanisch zu entlasten. An dem zweiten Stirnende 40I ist eine Druckausgleichseinheit 73 angeordnet, die mit einer Kompensationsmembran ausgestattet ist und den Eintritt von Feuchtigkeit in das Gehäuse 12 (somit auch in den Akkumulator, der ähnlich dem Akkumulator 44 (siehe 6) ist) verhindert. Im Falle von Gasentwicklungen im Inneren des Gehäuses 12 oder bei Ausbildung von Gastemperaturunterschieden gegenüber einem äußeren Bereich des Gehäuses 12 wird ein Druckausgleich durch ein Ventil der Druckausgleichseinheit 73 ermöglicht. Weil Akkumulatoren für elektrisch betreibbare Fahrräder mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen zur Verfügung gestellt werden können, die aber jeweils nur für einen bestimmten Elektromotor und seine Leistungsanforderung geeignet sind, wird ein Sicherungsmittel bzw. eine Absicherung gegen eine fehlerhafte Zusammenstellung von Energieversorgungssystem 10I und Motor (nicht in 7 dargestellt) benötigt. Als Sicherheitsvorkehrung gegen eine falsche Zuordnung zwischen einem Akkumulator und einem Fahrrad ist an dem zweiten Stirnende 40I ein Steckprofil 84 paarweise vorhanden, das mit einem in 8 gezeigten, ebenfalls paarweise vorhandenen Steckprofil 84I an einem zweiten Montageset 90 zusammenpasst. Die Stecker 74, 98, so wie in 7 gezeigt, bilden zusammen ein Stecksystem 66. Demgegenüber sind die Gegenstecker 92, 94, die in 8 zu sehen sind, als ein Montageset-Stecksystem 78 ausgeführt. Durch Verbindung des Stecksystems 66 mit dem Montageset-Stecksystem 78 ist eine elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Kontaktpaaren 76 und 76I sowie zwischen den elektrischen Kontaktpaaren 79 und 79I herstellbar. Auch die Sicherheitsprofile 84 bzw. 84I können, insbesondere wie die Auflageraufnahme 42 bzw. das Auflager 97, als Teile des Stecksystems 66 bzw. des Montageset-Stecksystems 78 bezeichnet werden. Der Fahrradversorgungsgegenstecker 92 ist in seinen Eckbereichen durch vier Befestigungsstellen, wie der Befestigungsstelle 96II , an dem zweiten Montageset 90 befestigt. Das Montageset 90 in 8 kann auch als Fahrradkontakteinheit bezeichnet werden. Zwei Justierungsschrauben 95, 95I ermöglichen die Einstellung einer Gegensteckerhöhe an dem zweiten Montageset 90 im Inneren des Unterrohrs 7 (vgl. 3) bzw. an der Begrenzung des schalenartigen Bereichs 4, der in 3 gezeigt ist.
  • Ein Beispiel für einen inneren Aufbau des Energieversorgungssystems 10 in dem Gehäuse 12, das in 3 gezeigt ist, wird in 9 detaillierter dargestellt. 9 wird zusammen mit der Stirnansicht, die durch 10 gezeigt ist, beschrieben. Der Akkumulator 44 setzt sich aus einer größeren Anzahl von Akkumulatorzellen 46, 46I , 47, 47I zusammen (z. B. 30 Akkumulatorzellen). Die Akkumulatorzellen 46, 46I sind in einer Längsrichtung elektrisch in Reihe miteinander verbunden. Die in einer Querrichtung angeordneten Akkumulatorzellen wie die Akkumulatorzelle 46 (Querrichtung im Vergleich zu der Akkumulatorzelle 47) sowie die Akkumulatorzelle 46I (in Bezug zu der Akkumulatorzelle 47I ) sind, um einen größeren Strom aus der Stromversorgung liefern zu können, parallel verschaltet. Die Akkumulatorzellen 46, 46I , 47, 47I werden durch Klammern 43 zusammengehalten. Die Akkumulatorzellen 46, 47 gehören zu einem Akkumulatorpaket 48. Der Akkumulator 44 ist aus einer Mehrzahl von Akkumulatorpaketen, nämlich fünf Akkumulatorpaketen wie das Akkumulatorpaket 48, gebildet. Alle in Reihe angeordneten Akkumulatorzellen, wie die Akkumulatorzellen 46, 46I , 47, 47I , werden über zwei endseitige Akkumulatorstirnplatten 41, 41I gegeneinander verspannt. In einer Querrichtung zu dem Akkumulator 44 sind an den Klammern, wie der Klammer 43, das Ladegerät 50 und das Batteriemanagementsystem 49 befestigt. Das Ladegerät 50 ist auf einer dem Batteriemanagementsystem 49 gegenüberliegenden Seite des Akkumulators 44 angeordnet. Das Ladegerät 50 umfasst eine Ladeelektronik 52, die an bzw. mit einer ersten Platine 53 ausgebildet ist. 10 zeigt eine Ansicht, die durch den Blick auf die Akkumulatorstirnplatte 41 bestimmt wird. Über die Ladestromkontakte 61 auf der Platine 53 ist das Ladegerät 50 mit der in 7 gezeigten Stirnendplatte 40I bzw. der in 6 gezeigten Stirnendplatte 40 an dem Direktladestecker 98 elektrisch leitend anzuschließen. Darüber sind die Akkumulatorzellen 46, 46I , 47, 47I aufladbar. Ausgangsseitig führt von dem Ladegerät 50 eine leitfähige Litze 64 zu den Akkumulatorpaketen, wie das Akkumulatorpaket 48, um diesen beim Aufladen Strom zuzuführen. Die Litze 64 dient der (mechanisch wirkenden) Zugentlastung bzw. Erschütterungsentkopplung. Das Batteriemanagementsystem 49 in 9 ist über Federbleche 64I als Zug/-Druckentlastung mit den Akkumulatorpaketen, wie dem Akkumulatorpaket 48, elektrisch leitend verbunden. Das Batteriemanagementsystem 49 umfasst einen Spannungswandler 54 sowie eine Spannungsüberwachung 56, die auf der Platine 53I angeordnet sind. Ausgangsseitig weist das Batteriemanagementsystem 49 mehrere Fahrradversorgungskontakte 65 auf, die mit dem in 7 gezeigten Fahrradversorgungsstecker 74 zu verbinden sind und eine kontrollierte Stromabgabe zum Betrieb des Fahrrads ermöglichen. Eine Temperaturüberwachung 58 des Batteriemanagementsystems 49 sorgt bei Lade- und Entladevorgängen der Akkumulatorzellen 46, 46I , 47, 47I zur Einhaltung eines betriebssicheren Temperaturbereichs. Das Batteriemanagementsystem 49 stellt einen Ladestandanzeigekontakt 63 bereit, der mit der in 4 gezeigten Ladestandanzeige 30 elektrisch verbunden bzw. zu verbinden ist. Die Ladestandanzeige 30 leuchtet in der Weise, wie eine Ansteuerung über die Spannungsüberwachung 56 erfolgt.
  • In den Figuren 11, 12, 13, 14, 15 und 16 werden weitere Beispiele des Energieversorgungssystems 10I , 10II , 10III gezeigt. Die Figuren werden gemeinsam erörtert, wobei ein Augenmerk auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen gelegt wird. D. h., beschriebene Merkmale, die den Beispielen gemeinsam sind, können, so wie es entsprechend grafisch dargestellt ist, auch in anderen Beispielen gefunden werden. Gemäß 11 weist das Energieversorgungssystem 10I einen Akkumulator 44 und ein Ladegerät 50I auf, die in dem System-Gehäuse 12I angeordnet sind. Das Ladegerät 50I ist über mindestens ein Wärmeleitblech 18 mit dem Gehäuse 12I verbunden. Zwischen dem Ladegerät 50I und dem Gehäuse 12I ist ein Vibrationsenergieabsorber 62 angeordnet, der von dem Fahrrad ausgehende und über das Unterrohr 7I zugeleitete Schwingungen dämpft. Durch den Energieabsorber 62 werden insbesondere Relativschwingungen zwischen Ladegerät 50I und Akkumulator 44 unterdrückt. In einer alternativen Ausführung kann auch das Ladegerät 50I und ggf. das Batteriemanagementsystem 49I mit einem Vibrationsenergieabsorber, wie dem Absorber 62, verbunden sein. An dem Akkumulator 44 sind Temperatursensoren, wie der Temperatursensor 45, angeordnet. Der Temperatursensor 45 liefert sowohl für das Ladegerät 50I als auch für das Batteriemanagementsystem 49I betriebsaktuelle Temperaturwerte einer einzelnen Batteriezelle. In dem Unterrohr 7I ist das zweite Stirnende 40I des Energieversorgungssystems 10I dem zweiten Montageset 90I gegenüberliegend angeordnet. Durch Aufbringung einer Schubkraft auf das Gehäuse 12I sind das zweite Stirnende 40I und das zweite Montageset 90I einander annäherbar, bis das Stecksystem 66 und das Montageset-Stecksystem 78 miteinander verbunden sind. Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Fahrradversorgungsstecker 74I und dem Fahrradversorgungsgegenstecker 92I ist mit den Stecksystemen 66, 78 ausbildbar. Ein erster Direktladestecker 98, der sich stirnseitig an dem Gehäuse 12I befindet, liegt einem Direktladegegenstecker 94, der an dem zweiten Montageset 90I angeordnet ist, gegenüber. Der erste Direktladestecker 98 ist in den Direktladegegenstecker 94 einsteckbar, wodurch eine elektrische Verbindung zwischen dem Ladegerät 50I und einem zweiten Direktladestecker 99 herstellbar ist. Der zweite Direktladestecker 99 ist an dem Unterrohr 7I angeordnet. Eine Abdeckklappe 68 für den zweiten Direktladestecker 99 ist an dem Unterrohr 7I beweglich befestigt. Die Abdeckklappe 68 dient unter anderem zum Schutz des Direktladesteckers 99 vor Nässe und vor einem möglichen Verbiegen von Kontakten durch mechanische Einwirkung.
  • Das Energieversorgungsystem 10II in 12 weist ein Stecksystem 66I auf. Das Stecksystem 66I umfasst eine Stirnendplatte 40II und einen separaten ersten Direktladestecker 98I , der an dem Gehäuse 12II von außerhalb des Unterrohrs 7II zugänglich angeordnet ist. Der Direktladestecker 98I erstreckt sich durch die Mantelfläche 14I hindurch. Der erste Direktladestecker 98I ist durch eine Abdeckklappe 68I überdeckbar. Die Abdeckklappe 68I ist an dem Gehäuse 12II drehbar bzw. um eine Drehachse oder einen Drehpunkt klappbar befestigt. Durch das zweite Montageset 90II hindurch erfolgt im eingesteckten Zustand des Energieversorgungssystems 10II unter anderem die elektronische Kommunikation des Batteriemanagementsystems 49II über ein elektronisches Netzwerk, wie ein Bus (nicht dargestellt), mit Betriebseinheiten des Fahrrads (vgl. Fahrrad 1 in 1), wie einer manuell betätigbaren Antriebsregulierung (nicht dargestellt) und einem elektrischen Antriebssystem (vgl. Antriebssystem 2 in 1).
  • 13 und 14 zeigen, dass ein Energieversorgungssystem 10I , das anhand von 11 vorgestellt ist, zusammen mit einem Unterrohr 7III kombinierbar ist, also zu verschiedenen Fahrrädern passt. Eine Stromversorgung zur Aufladung des Energieversorgungssystems 10I mit externem Strom, wie Netzstrom oder Solarstrom, kann im eingesteckten Zustand des Energieversorgungssystems 10I über einen zweiten Direktladestecker 99 erfolgen, der in einer Wand des Unterrohrs 7III mündet. Ein Abdeckschieber 69 an dem Unterrohr 7III bietet eine feuchtigkeitsdichte Verschlussmöglichkeit für den zweiten Direktladestecker 99. Der Abdeckschieber 69 ist in 13 in geöffnetem Zustand, d. h. bereit zur Aufnahme eines Gegensteckers bzw. einer Steckbuchse, und in 14 in geschlossenem Zustand, d. h. die zweite Netzspannungsbuchse 99 schützend, gezeigt.
  • Bei dem Energieversorgungssystem 10III , das in 15 und in 16 dargestellt ist, befindet sich ein erster Direktladestecker 98I , ähnlich zu dem in 12 gezeigten, an einem Gehäuse 12III . Das Gehäuse 12III ist ein thermisch leitendes Kunststoffgehäuse. Das Gehäuse 12III ist mit einem Abdeckschieber 69I für den ersten Direktladestecker 98I ausgestattet, der dazu dient, den ersten Direktladestecker 98I vor Verunreinigungen und vor Feuchtigkeit zu schützen. Der Abdeckschieber 69I weist eine Schieberfeder (nicht dargestellt) auf und ist in ausgestecktem Zustand des Direktladestecker 98I federbetätigt geschlossen. 16 zeigt den Abdeckschieber 69I in geschlossenem Zustand. Das Stecksystem 66II dient unter anderem dazu, im eingesteckten Zustand einen Antriebsmotor (vgl. Antriebsmotor 9 in 1) über zumindest eine elektrische Leitung, die sich in dem innen hohlen Unterrohr 7IV erstreckt, oder durch das Unterrohr 7IV hindurch mit elektrischem Strom zu versorgen.
  • 17 zeigt ein Beispiel für eine Schutzklappe 80, die z. B. auch als Abdeckklappe eines zweiten Montagesets 90 (vgl. 3) verwendbar ist. Die Schutzklappe 80 ist an dem Gehäuse 12 um einen Drehpunkt 85 drehbeweglich angeordnet. Die Schutzklappe 80 bildet eine Abdeckung für einen Ladestecker 98II , der in 17 nur angedeutet ist. Durch die Kraft einer Feder 70 nimmt die Schutzklappe 80 selbsttätig eine geschlossene Stellung ein, in der ein Verschluss 82 mit einer Dichtfläche 81 ausgebildet ist. Ein Magnet 83 unterstützt die Position der Schutzklappe 80 in verschlossenem Zustand.
  • Beim Zusammenstecken bzw. Einstecken mit einem Gegenstecker, wie einem Direktladegegenstecker 94 (vgl. 8), oder mit einer Netzspannungsbuchse kann die Schutzklappe 80, z. B. von einer Nase des Gegensteckers bzw. einem Mitnehmer bei Überwindung der Magnetkraft, gegen die Federkraft zurückgeklappt werden. Aufgrund der Kraftkopplung von Magnetkraft und Federkraft kann die Schutzklappe 80 mit einer wenige Newton (im einstelligen Newton-Bereich) Federkraft ausübenden Feder 70 geschlossen gehalten werden und ist daher leichter zu öffnen.
  • 18 zeigt ein Blockdiagramm eines Batteriemanagementsystems 49. Das Batteriemanagementsystem 49 kann zusammen mit dem in den 19 bis 22 dargestellten Ladegerät 50 auch als Akkumulatorelektronik oder als Energieversorgungssystemelektronik bezeichnet werden. Eine andere Bezeichnung für das Ladegerät 50 ist „Direkt-Lader“. Das Batteriemanagementsystems 49 ist mit der Ladestandanzeige 30I verbunden, die auch als HMI (engl.: „Human Machine Interface“) bezeichnet werden kann. Die Ladestandanzeige umfasst einen Taster 34I (engl.: „Push Button“, abgekürzt „PB“) zur Abfrage des aktuellen Ladezustands und eine Reihenanzeige 32I mit fünf auf einem Sockel angeordnete Leuchtdioden (LEDs). Wenn alle fünf LEDs bei Tasterbetätigung aufleuchten, ist der Akkumulator (vgl. Akkumulator 44 in 9) voll aufgeladen. Bleiben die LEDs dunkel, ist der Akkumulator entladen. Das Batteriemanagementsystem 49 umfasst unter anderem einen ersten Ausgangspannungsschalter 126 als Schalter für die Laderichtung und einen zweiten Ausgangsspannungsschalter 128 als Schalter für die Entladerichtung. Beide Schalter 126, 128 können jeweils in eine der beiden Schaltstellungen „EIN“ und „AUS“ gebracht werden. Zur Erhöhung einer Stromtragfähigkeit können - in einer alternativen Ausführungsvariante - jeweils mehrere MOSFETs zueinander parallel geschaltet sein und parallel betrieben werden. Treten unerwünschte Zustände im Akkumulator auf, so können mithilfe der Ausgangspannungsschalter 126, 128 Stromflüsse eingestellt werden bzw. unterbunden werden. Zur Kommunikation mit externen Geräten ist das Batteriemanagementsystem 49 mit einer seriellen Schnittstelle zur Datenübertragung über ein Anschlusspaar 150, 152 ausgestattet. Hierbei handelt es sich um einen CAN-H- und einen CAN-L-Anschluss. Je nach bevorzugtem Bus-System kann als eine alternative Ausführung zur Kommunikation eine Kommunikation über UART-RX- bzw. UART-TX-Anschlüsse oder über 1-W-Anschlüsse durchgeführt werden.
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausstattungsmerkmale und Funktionsweisen des Batteriemanagementsystems 49 noch eingehender erläutert.
  • Das in 18 gezeigte Batteriemanagementsystem 49 (abgekürzt „BMS“) dient dem Management einer Batterie, die eine Reihenschaltung von mehreren (Akkumulator-)Zellen aufweist, in gängigen Kombinationen 10 bis 14 (Akkumulator-)Zellen. In der Reihenschaltung sind die Zellen mitunter auch jeweils zwei- oder mehrfach parallelgeschaltet, wodurch die parallelgeschalteten Zellen die gleiche Spannung aufweisen. Die Verschaltung der Zellen in der Batterie bzw. in dem Akkumulator erfolgt über mit den Zellen verschweißte Zellverbinder.
  • In dem gezeigten Batteriemanagementsystem sind die elektronischen Schaltungskomponenten überwiegend oberflächenmontiert auf einer Platine angeordnet. Die Platine ist mit den Zellverbindern der Batterie an den Anschlussflächen WP1, WP2, WP3 verschweißt, sodass die Spannung jeder (Akkumulator-)Zelle der Batterie auf diese Platine geführt wird. Die werden einem sogenannten Analog-Front-End (abgekürzt „AFE“) zugeführt, das diese Spannungen messen kann. Des Weiteren kann das Analog-Front-End (AFE) über jeweils zu einem Element der Reihenschaltung, also einer Zelle oder einer Parallelschaltung von Zellen, parallelgeschalteten MOSFET mit einem Drain-Widerstand dieses Element entladen, falls es im Vergleich zu anderen Elementen eine höhere Spannung aufweist. Die Schaltung zum Entladen ist mit V/B bezeichnet. Einschlägige Datenblätter erläutern geeignete Schaltungsgestaltungen und Auslegungen der Bauteile (siehe z. B. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq76930.pdf und http://www.ti.com/lit/an/slua749a/slua749a.pdf bzw. https://web.archive.org/web/20141127001857/https://www.ti.com/lit/ds/symlink/bq76930.pdf und https://web.archive.org/web/20171 030182224/http://www.ti.com/lit/an/slua749a/slua749a.pdf).
  • Die Temperatur der Batterie wird über zwei Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten NTC1, NTC2 gemessen, die über zwei Steckverbinder CON1, CON2 mit der Elektronik des Batteriemanagementsystems verbunden sind. Die Widerstandswerte werden über eine Messschaltung TMD in einen Spannungswert gewandelt, wobei durch einen dem NTC1 bzw. dem NTC2 parallel schaltbaren Widerstand verursachbare vorherbestimmte Veränderung des Spannungswerts der korrekte Anschluss und die korrekte Auswertung überprüfbar ist. Der Spannungswert wird durch einen auf einem Mikrocontroller MCU enthaltenen Analog-Digital-Konverter digitalisiert und dann vom Mikrocontroller MCU ausgewertet.
  • Der Lade- und Entladestrom der Batterie wird über den Strommesswiderstand SH in eine Spannung konvertiert und über die Schaltung CD mittels Widerstand-Kondensator-Tiefpässe von hochfrequenten Störungen (weitgehend) befreit. Anschließend wird es dem Analog-Front-End (AFE) zur dortigen Digitalisierung weitergeleitet. Mittels der Schaltung CD kann aus einem Spanungspegelverlauf an einem Pin des Mikrocontroller MCU über eine Impedanz auch ein vordefinierter Stromimpuls aufgeprägt werden, um die korrekte Funktionsweise des Strommesswiderstands und der Verschaltung zur Auswertung zu kontrollieren. Es wird dazu mit dem Mikrocontroller MCU überprüft (wie auch bei der Temperatur), dass die digitalisierten Werte einen ähnlichen Verlauf aufweisen.
  • Der Mikrocontroller MCU ist mit dem Analog-Front-End (AFE) über eine bidirektionale serielle Schnittstelle I2C verbunden, worüber u. a. die Spannung jeder Zelle bzw. jeder Parallelschaltung von Zellen und der Stromwert übermittelt wird. Die Summe dieser Spannungen wird mit der Gesamtspannung (berechnet aus Akku+ minus Akku- an den Anschlussflächen WP3 bzw. WP1) verglichen, die separat mittels Spannungsteiler VM und Analog-Digital-Konverter ermittelt wird. Bei signifikanten Abweichungen wird eine Störung erkannt.
  • Bei Störungen, Zellspannungen außerhalb eines zulässigen Bereichs, unzulässigen Temperaturen oder unzulässigen Strömen kann sowohl das Analog-Front-End (AFE) wie auch der Mikrocontroller MCU mittels MOSFETs FET1, FET2 und dazugehöriger Ansteuerschaltungen FET DR den Strom unterbrechen. Die Effektivität dieser Maßnahme wird durch die bereits beschriebene Strommessung und Spannungsmessungen über VM überprüft. Ist die Abschaltung nicht wirksam, bspw. aufgrund eines ggf. defekten MOSFETs FET1, FET2, erfolgt eines Abschaltung durch eine über einen Hilfskontakt aktivierbare Sicherung SCP über den Mikrocontroller MCU. Die Temperaturüberwachung der MOSFETs FET1, FET2 erfolgt über eine Verschaltung NTC eines temperaturabhängigen Widerstands und dem Mikrocontroller MCU. Zusätzlich sind selbstständige Absicherungen durch die Sicherungen F3 bis F6 vorgesehen, die als Schmelzsicherung bei Überstrom aktiv werden.
  • Verschiedene durch die Schaltungsausführung erforderliche Hilfsspannungen werden durch Spannungswandler DC/DC 1, DC/DC 2, 14V5 und SST erzeugt. Um möglichst geringe Stromaufnahmen außerhalb von Ladezeiten zu erzielen, können Schaltungsteile in einen sogenannten Ruhezustand geschaltet werden. Das Verlassen des Ruhezustandes wird durch die Schaltung WU/D signalisiert und erfolgt bei Anschluss eines externen Ladegeräts an den Anschlüssen „PACK+“, „PACK-“, signalisiert über einen Anschluss CD1, bei Tasterdruck im Block HMI, oder bei Anschluss des integrierten Ladegerätes an eine spannungführende Steckdose, signalisiert über einen Anschluss CD2, welches mit dem Potenzial „CHRG-detect“ verbunden ist.
  • Mit dem Antriebsbereich M/C ist das Batterie-Management-System (BMS) über den Steckverbinder CON3 verbunden; die Kommunikation kann dabei über standardisierte serielle Schnittstellen 150, 152 erfolgen, wie eine CAN-Schnittstelle (mit den Anschlüssen CAN-H, CAN-L) oder eine UART-Schnittstelle (mit den Anschlüssen RX, TX) oder eine UART-Schnittstelle, die alternativ über eine Signalleitung (1-W) mittels Open-Kollektor-Schaltung an einem Pull-Up-Widerstand in einer Halbduplexweise arbeitet. Eine Hilfsspannung steht durch das Vorhandensein der Potenziale „Potenzial AUX +12V“ und „Potenzial PACK-“ bereit. Mittels des Anschlusses HD, der im eingesteckten Zustand der Batterie mit Potenzial PACK- verbunden ist, kann in jedem anderen Zustand die Energieversorgung abgeschaltet werden, um Schäden bei unsachgemäßem Gebrauch zu vermeiden. Der Anschluss DD dient dazu, das Energieversorgungssystem bzw. den Akkumulator im eingesetzten Zustand im Unterrohr (vgl. Unterrohr 7 in 1) mit dem Antriebsmotor (vgl. Antriebsmotor 9 in 1) zu verbinden. Der Anschluss DD kann über eine charakteristische Impedanz zu einem anderen Anschluss betrieben werden. Der Strom zum Antrieb, die Antriebsenergie, wird über die Anschlüsse WP4, WP5 geführt.
  • Über den Steckverbinder CON4 kann eine Bedieneinheit (HMI) 30I angeschlossen werden, die den Ladzustand mittels fünf Leuchtdioden (5 LED-SOC) 32I anzeigt. Über einen Taster (PB) 34I der Bedieneinheit 30I kann das System mittels Betätigung aus dem Ruhezustand aufgeweckt werden. Der Taster 34I ist mit der Signalisierungsschaltung WU/D verbunden. Den Ladezustand ermittelt der Mikrocontroller MCU hauptsächlich durch Integration des Stromverlaufs über einen Strommesswiderstand SH.
  • Die Steuerung des integrierten Laders 50, der über den Steckverbinder CON5 angeschlossen ist, erfolgt über pulsweitenmodulierte Ausgänge des Mikrocontrollers MCU, von denen mittels Tiefpässen eine Steuerspannung V-SET und I-SET abgeleitet wird. Der Leitungsanschluss „CHG“ ist verbunden mit dem Potenzial „+ Batt“ des Direkt-Laders und „PACK-“ ist verbunden mit dem Potenzial „- Batt“ des Direkt-Laders.
  • Die 19 bis 22 zeigen eine elektronische Schaltung eines Ladegeräts 50 und werden gemeinsam erörtert. Die gesamte Ladeelektronik 52 ist in 19 dargestellt und vermittelt so einen Überblick. Die 20 zeigt die Eingangsschaltung 102 der Ladeelektronik 52; 21 zeigt die Steuerschaltung 104 der Ladeelektronik 52. Die Ausgangsschaltung 106 der Ladeelektronik 52 wird in 22 mit mehr Details gezeigt. Die Ausgangsschaltung 106 ist über eine galvanische Trennung 108 von der Eingangsschaltung 102 und der Steuerschaltung 104 abgekoppelt. Bei Teilschaltungen sind Ausgänge mit gleichbenannten Eingängen anderer Teilschaltungen z. B. über Leiterbahnen verbunden, wobei die jeweilige Richtung (als Eingang oder als Ausgang) durch eine Spitze des Anschlusssymbols angezeigt ist.
  • In der Regel werden in 19 bis 22 integrierte Schaltung mit dem Buchstaben „U“, Transistoren (MOSFET oder bipolar) mit dem Buchstaben „Q“, Dioden mit dem Buchstaben „D“, Kondensatoren mit dem Buchstaben „C“, Widerstände mit dem Buchstaben „R“, Induktivitäten bzw. Spulen mit dem Buchstaben „L“ und Sicherungen mit dem Buchstaben „F“ systematisch bezeichnet, wobei Nummerierungen den Buchstaben folgen.
  • Die Eingangsschaltung 102 umfasst unter anderem einen Netzfilter 135, drei Halbleiterschalter 120, 122, 124, vier Dämpfer 130, 131, 132, 133, eine Glättung 140, einen Spannungsherabsetzer 142 und einen Längsregler 144. Unter anderem über einen Hochfrequenzregler 110 wirkt die Eingangsschaltung 102 mit der Steuerschaltung 104 in 21 zusammen. Der Hochfrequenzregler 110 ist von der CPU 111 der Steuerschaltung 104 über drei Anschlüsse 112, 113, 114, nämlich den Anschluss „MU“ mit Bezugszeichen 112, den Anschluss „Bridge“ mit Bezugszeichen 113 und den Anschluss „ML“ mit dem Bezugszeichen 114, mithilfe einer geeigneten Programmierung ansteuerbar. Die Ausgangsschaltung 106 in 22 weist unter anderem zwei Filter 136, 137 und ein Kopplungsnetzwerk 138 auf. Ausgangsseitig wird der Strom zum Aufladen des Akkumulators (siehe Akkumulator 44 in 9) bereitgestellt.
  • Wie in 20 gezeigt ist, erfolgt die Zuführung von elektrischem Strom über ein Netzfilter 135.
  • Die Phase L aus dem Stromnetz bzw. der externen Stromquelle (nicht dargestellt) wird eingangsseitig über die Sicherung F1 zur Überstromabschaltung an den Varistor zur Überspannungsbegrenzung RV1 bzgl. Neutralleiter N und dann über den Heißleiter RT1 zur Einschaltstrombegrenzung an das Netzfilter 135, gebildet aus C9, L2, C10, L3, C11, L1 und C12, geführt. An diesen ist auch der Neutralleiter aus dem Stromnetz bzw. der externen Stromquelle angeschlossen, wobei die nominelle Zuordnung von Neutralleiter und Phase auch unterschiedlich zur tatsächlichen Zuordnung ausgeführt sein kann. Anders gesagt, muss diese Zuordnung beim Anschließen nicht beachtet werden. Der Anschluss kann deshalb bspw. mit einem Eurostecker erfolgen.
  • In dem Netzfilter zwischengeschaltet ist ein Gleichrichter, gebildet aus den Dioden D4 bis D7, nachgeschaltet ist eine PFC-Stufe 134. Die PFC-Stufe 134 bewirkt näherungsweise einen dem Netzspannungsverlauf (zwischen Phase L und Neutralleiter N) proportionalen Verlauf der Stromaufnahme. Die PFC-Stufe 134 besteht aus einer Spule L4, die über den MOSFET Q2 aufmagnetisiert und über die Diode D2 abmagnetisiert wird. Der Abmagnetisierungsstrom fließt in die Kondensatoren C5 bis C7. Ein Einschaltstrom fließt zu einem Großteil über die Diode D1 in die Kondensatoren C5 bis C7, nicht über die PFC-Stufe 134. Über den Widerstand R10 erfolgt die Messung des Stromfluss, an dem Potential V~ bezogen auf das Potenzial AG-GND die Messung der Spannung für die Stromregelung zur netzspannungsproportionalen Stromaufnahme.
  • Aus den Kondensatoren C5 bis C7 wird die Halbbrücke, die durch die MOSFETs Q1, Q3 realisiert sind, mit Energie versorgt. Die MOSFETs Q1, Q3 betreiben wiederum den Transformator T1 mit der Streuinduktivität von der Wicklung N1 und die Kondensatoren C2, C13 in Resonanz. Die Widerstands-Kondensator-Kombinationen R6, R7 und C15 sowie R1, R3, C1 sowie R2, R4, C4 sowie C8, R8, R12 dienen jeweils als Dämpfer für hochfrequente Störschwingungen, die andernfalls womöglich vorhanden wären. Die Widerstands-Kondensator-Kombinationen R5, C3 und R9, C14 sowie R11, C16 optimieren das Schaltverhalten der zugeordneten MOSFETs Q1, Q2, Q3.
  • Zwischen den Wicklungen N1 und den Wicklungen N2, N3, N4 des Transformators T1 befindet sich eine galvanische Trennung. Der induzierte Strom in N2, N3 wird durch eine Doppeldiode D3 gleichgerichtet und über das Filter C18, L4 und C19 geglättet, hochfrequente Störungen und Gleichtaktverschiebungen ausgangsseitiger Potenziale „+ Batt“, „- Batt“ werden durch das Filter C20, L5, C17 vermindert. Der ausgangsseitige Stromfluss wird über den Widerstand R13 gemessen und in das Potenzial „I-batt“ gewandelt; die Ausgangsspannung entspricht ungefähr der Differenz der Potenziale V-DC und SEK-GND. Die Sicherung F2 verhindert größere Schäden durch einen erhöhten Stromfluss im Falle eines Bauteildefekts.
  • Die Wicklung bzw. Spule N4 des Transformators T1 erzeugt mithilfe der Gleichrichterdioden D8 bis D11 und dem Glättungskondensator C22 eine Gleichspannung zwischen den Potenzialen SEK-GND und 12V-sek. Diese Gleichspannung wird durch den Transistor Q5, gemindert zwischen den Potenzialen VCC-10V und SEK-GND, angeschlossen, wobei die Steuerung des Transistors Q5 über die Referenzspannungsquelle U7, bspw. vom Typ TL431, und über die Widerstände R66, R70, R65 und den Kondensator C49 erfolgt. Eine eventuell vorhandene hochfrequente Störspannung zwischen den Potenzialen VCC-10V und SEK-GND wird durch C50 und C59 vermindert. Mit der Spannung zwischen den Potenzialen VCC-10V und SEK-GND werden die Operationsverstärker U9A und U9B versorgt, wie über den dazugehörigen Anschlussblock U9C gezeigt. Aus VCC-10V wird über R80, R82, R87 und Q8 auch das Potenzial CHRG-detect generiert und das Potenzial VCC-10V dient zum Betrieb des Optokoppler U1A; welcher die im Fehlerfall anderen Schaltungsteile und einer damit einhergehenden Erhöhung der Ausgangsspannung, diese gesteuert über den Referenzspannungs-Komparatorschaltung - gebildet aus der Referenzspannungsquelle U3, wiederum bspw. vom Typ TL431, und den Widerständen R21 und R36 - abschaltet. Die Widerstände R20 und R32 legen den Arbeitspunkt des Optokopplers U1A und der Referenzspannungsquelle U3 fest.
  • Das Potenzial CHRG-detect bezogen auf das Potenzial SEK-GND dient als Signalspannung zur Erkennung eines betriebsbereiten Laders.
  • Ein übliches Ladeverfahren für Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist das sogenannte CC/CV-Verfahren, bei dem ein entladener Akku zunächst mit einem konstanten Strom geladen wird, und bei Erreichen einer bestimmten Spannung, d. h. mit dieser dann konstant gehaltenen Spannung weitergeladen wird. Die Steuerung der Energieübertragung zur Realisierung dieses Verfahrens erfolgt über die Operationsverstärker U9A und U9B. Diese verstärken mittels Kopplungsnetzwerkes C56 bis C65, R75 bis R79, R83 bis R86 und R88 bis R90 unter Bezug auf das Potenzial SEK-GND die Differenz zwischen den Istwerten, verknüpft mit den Potenzialen V-DC und I-batt, und den durch die Potenziale V-SET und I-SET skaliert vorgegebenen Sollwert. Die am Operationsverstärkerausgang angeschlossene Diodenschaltung D20A, D20B bewirkt im Falle des Erreichen der Stromgrenze oder der Spannungsgrenze einen Stromfluss durch den Optokoppler U4A und damit ein Herunterregeln der Ladeleistung.
  • Eine Reduzierung der Ladeleistung wird auch bewirkt, falls mittels des Operationsverstärkers U5A, der über den Anschlussblock U5B mit einer Versorgungsspannung versorgt wird, eine einen Grenzwert überschreitende Umgebungstemperatur bei den temperaturabhängigen Widerstände RT2, RT3 detektiert wird. Der Ausgangsstrom des Operationsverstärkers U5A wird ggf. über die Diode D16 geleitet.
  • Die Versorgungsspannung zwischen den Potenzialen AG-GND und 12V-prim, die auch das Steuer-IC U2 versorgt, wird mithilfe des Längsreglers U6, R68 bis R71, C52 durch Herabsetzung des Potenzials V-pfc oder mittels Gleichrichtung durch die Diode D17 und Glättung durch C48, C51, R64 aus dem Wechselstrom in der Spule L4 gewonnen und mittels des Spannungsherabsetzers Q6, R67, D18, D19, C53 stabilisiert.
  • Das Steuer-IC U2, hier von einem handelsüblichen Typ NCP1910 des Herstellers Semiconductor Components Industries LLC, ist gemäß üblicher Datenblätter beschaltet. Die nicht näher bezeichneten Widerstände und Kondensatoren bilden dafür Spannungsteiler und Impedanzen mit teilweise frequenzabhängigem Verhalten. Auch die Bipolartransistoren im Pfad DRV und die Dioden in den Pfaden MU und ML dienen der Impedanzfestlegung. Die Diode D12 bildet eine Ladungspumpe. Die Doppeldiode D15 bildet einen Gleichrichter zur Messung des Potenzials I-prim, dessen Schwankung bzgl. AG-GND Aufschluss über den Stromfluss in dem Transformator T1 gibt.
  • Zum Erreichen von Abmessungen, mit denen sich das Ladegerät in eine Batterie integrieren lässt, kann die Ausdehnung in ein oder in zwei räumliche Dimensionen reduziert werden, indem eine Komponente durch zwei oder mehrere kleinere Komponenten ersetzt wird, die durch Parallelschaltung und/oder Reihenschaltung die gleichen Eigenschaften wie die ersetzte Komponente aufweisen. Dies ist mit C5 und C6 gezeigt. In gleicher Weise ist es mit induktiven Komponenten möglich: Der Transformator T1 wird physisch durch zwei (nicht dargestellte) Transformatoren T1' und T1'' ersetzt. Die jeweils entsprechenden Spulen von T1' und T1'' werden parallel und/oder in Reihe geschaltet.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Abmessung besteht in der gemischten Verwendung von oberflächenmontierten und bedrahteten Bauelementen auf der Platine, wobei große bedrahtete Bauelemente wie T1, L4, C5 und/oder C6 durch Abwinkelung der Drähte in Aussparungen der Platine positioniert werden.
  • Zudem kann auf die PFC-Stufe verzichtet werden, d. h. die Versorgungsspannung der Halbbrücke folgt der Netzspannung, wenn der Ausgangsstrom mit dem Verlauf der Netzspannung korreliert. Im Schaltplan entspricht das einem Entfallen von der Spule L4, des MOSFETs Q2, der Diode D2 und der Kondensatoren C5 und C6 sowie dem Ersetzen der Diode D1 durch eine leitende Verbindung.
  • Weitere ggf. in 19 bis 23 durch grafische Symbole dargestellte Komponenten, wie Leitungen, Anschlüsse, Transistoren, Kondensatoren, Widerstände, Dioden etc. dienen dem Zusammenspiel der jeweiligen Schaltungsanordnung.
  • In 23 wird ein Spiralkabel mit einem Netzstecker 93 gezeigt, das zur Zuführung eines Ladestroms dient. Der Netzstecker passt zu einer landesüblichen Netzsteckdose. Das, nicht dargestellte, zweite Ende des Spiralkabels 93 ist mit einer Buchse bzw. einem Gegenstecker, entsprechend dem Direktladegegenstecker 94, ausgestattet, also jeweils auf die Netzspannungsstecker 98, 99 (siehe 6) oder die Netzspannungsstecker 98I , 98II (siehe 11 bis 17) passend bzw. aufsteckbar. Bei dem Kabel 93 handelt es sich um ein sog. verschachteltes Spiralkabel. Die verschachtelte Spiralwicklung ist besonders platzsparend. Das Spiralkabel mit Stecker 93 ist in einen abdeckbaren, schalenartigen Bereich, wie dem schalenartigen Bereich 4, des Rahmens 3 (siehe 1) untergebracht und kann insbesondere zur Aufladung des Akkumulators, wie des Akkumulators 44 gem. 3, unterwegs mit dem Fahrrad 1 mitgeführt und bei Bedarf für eine Ladeverbindung ausgezogen werden.
  • Die in den einzelnen Figuren gezeigten Ausgestaltungsmöglichkeiten lassen sich auch untereinander in beliebiger Form verbinden.
  • So können die im Zusammenhang mit dem zweiten Ausführungsbeispiel der 7, 11, 13 und 14 gezeigten Abdeckungen und Klappen auch in den anderen Ausführungsbeispielen von Energieversorgungssystemen 10, 10II , 10III vorgesehen sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    elektrisch antreibbares Fahrrad
    2
    Antriebssystem, insbesondere Motorgenerator, Energieversorgung, Getriebe und Tretlager eines Zweirads
    3
    Rahmen, insbesondere Fahrradrahmen
    4
    schalenartiger Bereich
    5
    Steuerrohr
    6
    Gabel
    7, 7I, 7II, 7III, 7IV
    Unterrohr
    8
    Kettenstrebe
    8I
    Sitzstrebe
    9
    Antriebsmotor, insbesondere Elektromotor
    10, 10I, 10II, 10III
    Energieversorgungssystem
    12, 12I, 12II, 12III
    Gehäuse
    13
    Schutzschirm, insbesondere zweite Wand
    14, 14I
    Mantelfläche, insbesondere erste Wand
    15
    Konvektionskanal, insbesondere Gehäusedoppelwand-Kanal
    16
    Kühlkörper, insbesondere des Ladegeräts
    18
    Wärmeleitfläche, insbesondere Verbindungsblech, z. B. zwischen Ladegerät und Gehäuse, u. a. zur Wärmeleitung
    20, 20I
    erstes Stirnende, insbesondere Verriegelungsende
    22
    Verriegelungssystem
    23
    Öffnung, insbesondere Öffnung mit Auslöser
    24, 24I
    Riegelführung
    26, 26I
    Auflagepolster, insbesondere Gummipolster für eine Führung
    28
    Schnapperauflage
    30, 30I
    Ladestandanzeige, insbesondere HMI
    32, 32'
    LED-Anzeige, insbesondere Reihenanzeige mit fünf LEDs
    34, 34I
    Tastschalter, insbesondere Taster PB
    40, 40I, 40II
    zweites Stirnende, insbesondere Stirnendplatte zur elektrischen Kontaktierung
    41, 41I
    Akkumulatorstirnplatte
    42
    Auflageraufnahme
    43
    Halteklammer
    44
    Akkumulator
    45
    Sensor, insbesondere Temperaturüberwachungssensor
    46, 46I
    Akkumulatorzelle
    47, 47I
    Akkumulatorzelle
    48
    Akkumulatorpaket
    49, 49I, 49II
    Batteriemanagementsystem
    50, 50I
    Ladegerät, insbesondere Direkt-Lader
    52
    Ladeelektronik
    53, 53I
    Platine
    54
    Spannungswandler
    56
    Spannungsüberwachung
    58
    Temperaturüberwachung
    61
    Ladestromkontakte
    62
    Vibrationsenergieabsorber insbesondere Hartschaum zwischen Gehäuse und Ladegerät
    63
    Elektronischer Kontakt, insbesondere Ladestandanzeigekontakt
    64
    Zug-/Druckentlastung, insbesondere Litze
    64I
    Zug-/Druckentlastung, insbesondere Federblech
    65
    Elektrischer Kontakt, insbesondere Fahrradversorgungskontakt
    66, 66', 66"
    Stecksystem zur Abgabe elektrischer Energie an den Elektromotor
    68, 68I
    Abdeckklappe
    69, 69I
    Abdeckschieber
    70
    Feder
    73
    Druckausgleichseinheit mit semipermeabler Membran, insbesondere Ventil
    74, 74I
    Stecker, insbesondere Fahrradversorgungsstecker
    76, 76I
    elektrisches Kontaktpaar
    78
    Montageset-Stecksystem
    79, 79I
    elektrisches Kontaktpaar
    80
    Schutzklappe
    81
    Dichtfläche
    82
    Verschluss
    83
    Magnet
    84, 84I
    Sicherheitsprofil, insbesondere polfreies Steckprofil
    85
    Drehpunkt, insbesondere Gelenk
    86
    erstes Montageset, insbesondere Verriegelungseinheit
    87
    Schnapper, insbesondere Schnappstift
    88, 88I
    Führungskörper
    90, 90I, 90II
    zweites Montageset, insbesondere Fahrradkontakteinheit
    92, 92I
    Gegenstecker, insbesondere Fahrradversorgungsgegenstecker
    93
    Spiralkabel mit Stecker
    94
    Direktladegegenstecker
    95, 95I
    Justierungsschraube
    96, 96I, 96II
    Befestigungsstelle
    97
    Auflager
    98, 98I, 98II
    Netzspannungsanschluss, insbesondere erster Direktladestecker
    99
    Netzspannungsanschluss, insbesondere zweiter Direktladestecker
    100
    Bewegung, insbesondere Schub oder Zug
    102
    Eingangsschaltung
    104
    Steuerschaltung
    106
    Ausgangsschaltung
    108
    galvanische Trennung
    110
    Hochfrequenzgenerator
    111
    CPU, insbesondere Steuer-IC
    112
    Anschluss MU
    113
    Anschluss Bridge
    114
    Anschluss ML
    120
    Schalter, insbesondere Halbleiterschalter
    122
    Schalter, insbesondere Halbleiterschalter
    124
    Schalter, insbesondere Halbleiterschalter
    126
    Ausgangsspannungsschalter, insbesondere Schalter für die Laderichtung
    128
    Ausgangsspannungsschalter, insbesondere Schalter für die Entladerichtung
    130
    Dämpfer, insbesondere Bauteilkombination R6, R7 und C15
    131
    Dämpfer, insbesondere Bauteilkombination R1, R3, und C1
    132
    Dämpfer, insbesondere Bauteilkombination R2, R4, und C4
    133
    Dämpfer, insbesondere Bauteilkombination R8, R12 und C8
    134
    PFC-Stufe, insbesondere Bauteilkombination L4, D2 und Q2
    135
    Netzfilter, insbesondere C9, L2, C10, L3, C11, L1, C12
    136
    Filter, insbesondere Bauteilkombination C18, L4 und C19
    137
    Filter, insbesondere Bauteilkombination C20, L5, C17
    138
    Kopplungsnetzwerk, insbesondere C56 bis C65, R75 bis R79, R83 bis R86, R88 bis R90
    140
    Glättung, insbesondere Bauteilkombination C48, C51, R64
    142
    Spannungsherabsetzer, insbesondere Bauteilkombination Q6, R67,
    144
    D18, D19, C53. Längsregler, insbesondere Bauteilkombination U6, R68 bis R71, C52
    150
    serieller Schnittstellenanschluss, insbesondere CAN-H, vorzugsweise UART RX, 1-W
    152
    serieller Schnittstellenanschluss, insbesondere CAN-L, vorzugsweise UART TX, 1-W
    AFE
    Analog-Front-Ende
    AG-GND
    Potenzial
    Akku+, Akku-
    Potenziale
    AUX +12V
    Hilfsspannungs-Potenzial
    CHRG-detect
    Signal
    C1, C2, C3, C4, C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11, C12, C13, C14, C15, C16, C17, C18, C19, C20, C48, C49, C50, C51, C52, C53, C56, C57, C58, C59, C60, C61, C62, C63, C64, C65
    Kondensator
    C22
    Glättungskondensator
    CD
    Strommesswiderstandsbeschaltung
    CD1, CD2
    Anschluss
    CHG in
    Leitungsanschluss
    CON1, CON2, CON3, CON4, CON5
    Steckverbinder
    D1, D2, D12, D18, D19
    Diode
    D4, D5, D6, D7, D16
    Gleichrichter, insbesondere mittels Diode
    D8, D9, D10, D11
    Gleichrichterdioden
    D3, D15
    Doppeldioden
    D17
    Gleichrichtung, insbesondere Diode
    D20A, D20B
    Diodenschaltung
    DC/DC 1, DC/DC 2
    Spannungswandler
    DD
    Anschluss
    F1, F2, F3, F4, F5, F6
    Sicherung, insbesondere Schmelzsicherung
    FET1, FET2
    MOSFET
    FET DR
    Ansteuerschaltungen
    HD
    Anschluss
    HMI
    Block, insbesondere Bedieneinheit zur Ladezustandskontrolle
    I-batt
    Potenzial
    I-prim
    Potenzial
    I-SET
    Potenzial, insbesondere Steuerspannung
    I2C
    serielle Schnittstelle des Typs I2C
    L
    Phase, insbesondere Leiter der Netzversorgung
    L1, L2, L3, L4
    Spule
    MCU
    Mikrocontroller
    M/C
    Antriebsseitig, insbesondere Antriebsbereich
    N
    Neutralleiter, insbesondere Leiter der Netzversorgung
    N1, N2, N3
    Wicklung
    N4
    Spule
    NTC
    temperaturabhängiger Widerstand
    NTC1, NTC2
    Widerstände mit negativem Temperaturkoeffizienten
    PACK+, PACK-
    Potenziale
    Q1, Q3
    Halbbrücke, insbesondere durch einen MOSFET hergestellt
    Q2
    MOSFET
    Q5, Q6, Q8
    Transistor
    R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, R13, R20, R21, R32, R36, R64, R65, R66, R67, R68, R69, R70, R71, R75 R76, R77, R78, R79, R80, R82, R83 R84, R85, R86, R87, R88, R89, R90
    Widerstand
    RT1
    Heißleiter
    RT2, RT3
    temperaturabhängiger Widerstand
    RV1
    Varistor zu Überspannungsbegrenzung
    SCP
    Sicherung
    SEK-GND
    Potenzial
    SH
    Strom messwiderstand
    SST
    Spannungswandler
    T1
    Transformator
    TMD
    Messschaltung
    U2
    Steuer-IC
    U3, U7
    Referenzspannungsquelle
    U6
    Regel-IC
    U1A
    Optokoppler
    U4A
    Optokoppler
    U5A
    Operationsverstärker
    U5B
    Anschlussblock
    U9A, U9B
    Operationsverstärker
    U9C
    zum Operationsverstärker gehörender Anschlussblock
    V~
    Potenzial
    VCC-10V
    Potenzial
    V-DC
    Potenzial
    V/B
    Schaltung zum Entladen
    VM
    Spannungsteiler
    V-pfc
    Potenzial
    V-SET
    Potenzial, insbesondere Steuerspannung
    WP1, WP2, WP3
    Anschlussflächen
    WU/D
    Signalisierungsschaltung
    WP4, WP5
    Anschlüsse
    + Batt, - Batt
    ausgangsseitige Potenziale
    12V-prim
    Potenzial
    12V-sek
    Potenzial.
    14V5
    Spannungswandler
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • DIN EN 15194:2017 [0003]
    • DIN EN 15194 [0005, 0007]

Claims (17)

  1. Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III), insbesondere als Teil eines Zweirad-Antriebssystems (2) wie als Teil einer Tretkraftunterstützung eines elektrischen Fahrrads (1), mit einem Akkumulator (44), der aus mehreren Akkumulatorzellen (46, 46I, 47, 47I) zusammengesetzt ist, von denen zumindest einige in Reihe verschaltet sind, und mit einem Ladegerät (50, 50I), wobei der Akkumulator (44) und das Ladegerät (50, 50I) in einem gemeinsamen Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) untergebracht sind, sowie mit einem Stecksystem (66, 66I, 66II) zur Abgabe elektrischer Energie aus den Akkumulatorzellen (46, 46I, 47, 47I) an einen Antriebsmotor (9), vorzugsweise des Zweirad-Antriebssystems (2), wobei an dem Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) ein Netzspannungssteckanschluss (98, 98I, 98II) für eine Netzstromversorgung (L, N) vorhanden ist, über den ein Laden des Akkumulators (44) durchzuführen ist, insbesondere wenn sich das Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) in einer Position zur energetischen Versorgung des Zweirad-Antriebssystem (2) befindet, und wobei das Ladegerät (50, 50I) einen galvanisch trennenden Spannungswandler (54, T1) mit Gleichrichtungsfunktion (D4, D5, D6, D7, D16, D17) und Minderung eines Spannungsspitzenwerts (V~) im Vergleich mit einem Spannungsspitzenwert einer Stromnetz-Wechselspannung (L, N) und zur Reduktion des Spannungsniveaus auf ein Akkumulatorpaketspannungsniveau (+ Batt, - Batt) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) ein vor Umwelteinflüssen schützendes, feststoffpartikeldichtes, insbesondere längliches, Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) ist, dass das Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) anhand seines Gehäuses (12, 12I, 12II, 12III), per Hand und werkzeuglos, von einem Gegenstecker (92, 92I, 94), der zu einem Stecker (74, 74I, 98, 98I, 98II) des Stecksystems (66, 66I, 66II) korrespondiert, insbesondere durch eine Zug- oder Schubbewegung (100), entfernbar ist.
  2. Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladegerät (50, 50I) einen Hochfrequenzgenerator (110) für einen hochfrequenten Betrieb seines galvanisch trennenden Spannungswandlers (54) in einem resonanten oder in einem quasi-resonanten Bereich umfasst.
  3. Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) durch seine äußeren Abmessungen zur querspielfreien Aufnahme in einem Rahmen (3), wie z. B. einem Unterrohr 7, 7I, 7II, 7III, 7IV, eines Fahrrads (1) abgestimmt ist, insbesondere in einem Teil des Rahmens (3), der schalenartig (4) im Vergleich mit benachbarten Rahmenteilen erweitert ist.
  4. Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Netzspannungssteckanschluss (98, 98I, 98II) für die Netzstromversorgung (L, N) wenigstens durch eine, vorzugsweise federvorgespannte, Schutzklappe (80), wie eine Abdeckklappe (68, 68I) oder ein Abdeckschieber (69, 69I), in einem ladungsfreien Zustand abgedeckt ist, die nur unter Einwirkung von einer Kraft, wie einer Kippkraft oder einer Schiebekraft, elektrische Kontakte (76, 76I, 79, 79I) freigibt, wobei insbesondere die Schutzklappe (80) eine Dichtfläche (81) aufweist, durch die sich an einer Auflagefläche an dem Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) ein, vorzugsweise feinstaubdichter und/oder hermetisch flüssigkeitsdichter, Verschluss (82) ausbildet.
  5. Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladegerät (50, 50I) eine Spannungs- (56) und/oder eine Temperaturüberwachung (58) hat oder mit einer Spannungs- (56) und/oder einer Temperaturüberwachung (58) verbunden ist, insbesondere zur Überwachung einer Polspannung und/oder einer Oberflächentemperatur von wenigstens einer Akkumulatorzelle (46, 46I, 47, 47I) des Akkumulators (44), insbesondere des als Akkumulatorpaket (48) gestalteten Akkumulators (44), die eine Energielieferung an das Akkumulatorpaket (48) aus dem Ladegerät (50, 50I) bei einer Detektionsgrenzenüberschreitung, vorzugsweise mittels Stromflussunterbrechung durch Halbleiterleistungsschalter (120, 122, 124), unterbricht.
  6. Energieversorgungssystem (10, 10I, 10I, 10III) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) ein Metallgehäuse, vorzugsweise ein Aluminium-Stranggussprofil-Gehäuse (12), oder ein thermisch leitendes Kunststoffgehäuse (12III) ist.
  7. Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) eine Sicherheitsschaltung umfasst, die für eine Abgabe elektrischer Energie aus dem Akkumulator (44) an das Stecksystem (66, 66I, 66II), insbesondere über ein zweites Stirnende (40, 40I, 40II) des Gehäuses (12, 12I, 12II, 12III), nämlich über ein elektrisches Kontaktierungsende (40, 40I, 40II), das Teile des Stecksystems (66, 66I, 66II) aufweist, gestaltet ist, und die bei anliegender Netzversorgung (L, N) über den Netzspannungssteckanschluss (98, 98I, 98II, 99), vorzugsweise durch einen von einer Ladeelektronik (52) betätigten elektronischen Schalter (128, 130), eine Abgabe elektrischer Energie unterbindet.
  8. Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eines der Bauteile (110, 111, Q1, Q2, Q3, Q5, Q8, U2, U5A, U9A, U9B) des Ladegeräts (50, 50I) mit dem Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) über eine Wärmeleitfläche (18) verbunden ist, wobei das Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) einen Kühlkörper (16) des Ladegeräts (50, 50I) darstellt, insbesondere durch eine Kühlkörpererweiterung eines Kühlkörpers (16) des Ladegeräts (50, 50I) in einen hierzu oberflächenverbreiterten, gebogenen Kühlkörper (16).
  9. Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) in einem Bereich, der in einem eingebauten Zustand ein von außen zugänglicher Bereich, wie eine Oberseite, ist, mit einem Schutzschirm (13) zur Bildung einer Gehäusedoppelwand (15) ausgebildet ist, wobei vorzugsweise ein Abstand für eine natürliche thermische Luftkonvektion zwischen einer ersten Wand (14) der Gehäusedoppelwand (15) und einer zweiten Wand (13) der Gehäusedoppelwand (15) vorhanden ist.
  10. Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ladegerät (50, 50I) und dem Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) ein Vibrationsenergieabsorber (62), wie ein Hartschaum (62), angeordnet ist und/oder eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Ladegerät (50, 50I) und dem Akkumulator (44) bzw. den Akkumulatorzellen (46, 46I, 47, 47I) zumindest ein Mittel zur Zug-/Druck-Entlastung (64, 64I), wie eine flexible Litze (64) oder eine Entlastungsfeder (64I), umfasst.
  11. Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12, 12I, 12II, 12III) eine Kompensationsmembran (73) aufweist, über die sich ein Luft- und/oder ein Feuchtigkeitsaustausch zwischen einem Innenraum des Gehäuses (12, 12I, 12II, 12III) und einem Äußeren, insbesondere aufgrund von Partialdruckunterschied, einstellt.
  12. Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem Stecksystem (66, 66I, 66II) mindestens zwei Stecker (74, 74I, 98, 98I, 98II) gehören, von denen vorzugsweise einer ein Fahrradversorgungsstecker (74, 74I) und einer ein Direktladestecker (98, 98', 98") ist, wobei insbesondere der Netzspannungssteckanschluss (98, 98I, 98II) als Direktladestecker (98, 98I, 98II) realisiert ist.
  13. Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Netzspannungsstecker (98I) an einer Mantelfläche (14I), wie einer Kühlfläche des Akkumulators (44), angeordnet ist.
  14. Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ladegerät Ladegerät (50, 50I) und/oder ein Batteriemanagementsystem (49, 49I, 49II) wenigstens eine der folgenden Schaltungen aufweist: eine PFC-Stufe (134), wenigstens einen Hochfrequenzfilter, galvanisch getrennte Messübertrager, insbesondere Optokoppler-Messstrecken (U1A, U4A), zur Rückmeldung von Messgrößen aus einem zweiten, galvanisch getrennten Bereich, wenigstens einen Spitzenspannungskomparator, wenigstens einen Ausgangsspannungsschalter (120, 122, 124), wenigstens einen Temperaturgrenzwertdetektor (U5A, RT2, RT3), wenigstens einen Ausgangsspannungsgrenzwertdetektor (106), wenigstens eine Leistungssteuerung (104), wenigstens eine Balancing-Schaltung, wenigstens eine Ladesteuerung (104), insbesondere nach dem CC/CV-Verfahren, wenigstens eine NTC-Temperaturmessstufe (NTC1, NTC2, NTC, TMD) oder eine Gesamtspannungsplausibilitätsschaltung.
  15. Zweirad (1) mit einem Antriebssystem (2) und mit einem Energieversorgungssystem (10, 10I, 10II, 10III) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinheit (10, 10I, 10II, 10III) durch eine als erstes Montageset (86) an einem Rahmen (3) des Zweirads (1) angeordnete Verriegelungseinheit (86), die z. B. einen Schnappstift (87) aufweist, an dem Rahmen (3) schlossartig fixierbar ist, wobei ein erstes Stirnende (20, 20I) des Gehäuses (12, 12I, 12II, 12III) der Energieversorgungseinheit (10, 10I, 10II, 10III), nämlich ein Verschlussende (20, 20I), Teile (24, 24I, 26, 26I, 28) eines Verriegelungssystems (22) aufweist.
  16. Zweirad nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an dessen Rahmen (3), vorzugsweise in einem schalenartigen Bereich (4) seines Unterrohrs (7, 7I, 7II, 7III, 7IV), ein zweites Montageset (90, 90I, 90II), das einen Fahrradversorgungsgegenstecker (92, 92I) und insbesondere einen Direktladegegenstecker (94) umfasst, angeordnet ist, und vorzugsweise ein Stecksystem (66, 66I, 66II, 78) mehrere Steckkomponenten aufweist, zu denen wenigstens eines der nachfolgenden Bauteile gehört: ein polfreies Sicherheitssteckprofil (84, 84I), mindestens ein Stromleitungskontaktpaar (76, 76I, 79, 79I), eine Mehrzahl von Kommunikationskontakten, wie zwei Kommunikationskontakte und zwei Kommunikationsgegenkontakte, oder ein Auflager (97) mit Auflageraufnahme (42).
  17. Zweirad nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Netzspannungsstecker (99), der an dem Rahmen (3), insbesondere dem Unterrohr (7, 7I, 7II, 7III, 7IV), angeordnet ist, an eine Leitungsführung angeschlossen ist, die vorzugsweise mit einem Ladegerät (50, 50I) des Energieversorgungssystems (10, 10I, 10II, 10III) durch Einsetzen des Energieversorgungssystems (10, 10I, 10II, 10III) in das Unterrohr (7, 7I, 7II, 7III, 7IV) elektrisch leitend verbindbar ist.
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