DE29505299U1 - Elektrische Antriebseinrichtung - Google Patents

Elektrische Antriebseinrichtung

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Description

Elektrische Antriebseinrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Antriebseinrichtung für ein Elektrofahrzeug, insbesondere ein Elektro-Fahrrad, wobei die Antriebseinrichtung zumindest einen elektrischen Antriebsmotor aufweist, der aus wenigstens einer Batterie oder einem Akkumulator gespeist ist, wobei in den HauptStromkreis des Antriebsmotors ein elektromagnetischer Schalter geschaltet ist, welcher mit einer Erregerspule betätigbar ist, und mit einem aus der Batterie gespeisten Sekundärschaltregler als Stromversorgung für eine
k insbesondere für den Antriebsmotor vorgesehene, eine niedrigere Versorgungsspannung als der Antriebsmotor aufweisende Steuerelektronik, wobei der Sekundärschaltregler ein von einem Taktgeber gesteuertes Schaltelement aufweist, dem eine Induktivität und ein Kondensator als LC-Glied in Reihe geschaltet sind und wobei dem LC-Glied eine Freilaufdiode zugeordnet ist.
Solche mit einem elektrischen Antriebseinrichtungen sind bereits bekannt und dabei weist die zur Energieversorgung des Antriebsmotors vorgesehene Batterie üblicherweise eine Spannung von etwa 3 6 V auf. Das Ein- und Ausschalten des Antriebsmotors erfolgt 0 bei diesen Antriebseinrichtungen über einen an dem Elektrofahrzeug vorgesehenen Schlüsselschalter, der mit der Erregerspule eines
Relais oder dergleichen elektromagnetischen Schalters gekoppelt ist, der in den HauptStromkreis des Antriebsmotors geschaltet ist. Der Schlüsselschalter braucht dadurch nur den im Vergleich zum Hauptstrom des Antriebsmotors wesentlich kleineren Erregerstrom der Erregerspule zuschalten und kann dadurch entsprechend kompakt aufgebaut sein.
Ungünstig ist dabei jedoch, daß die im Handel üblicherweise verfügbaren elektromagnetischen Schalter nicht mit der für den Antriebsmotor vorgesehenen Betriebsspannung von 36 V erhältlich ^ sind. Die Versorgungsspannung für die Erregerspule des Relais muß daher mit einer entsprechenden Schaltung aus der Batteriespannung abgeleitet werden. In der Praxis haben sich dafür insbesondere Sekundärschaltregler als vorteilhaft erwiesen, die als Abwärtsregler eine besonders verlustarme und daher energiesparende Versorgung der Erregerspule mit der dafür vorgesehenen Betriebsspannung, beispielsweise 12 oder 24 V, ermöglichen.
Die vorbekannten Elektrofahrzeuge weisen außerdem eine Steuerelektronik auf, mit welcher der Fahrer beispielsweise über einen am Lenker des Elektrofahrzeuge vorgesehenen Drehgriff oder mit einem "Gaspedal" die Stromstärke, die Leistung und/oder die Drehzahl
fc des Antriebsmotors vorgeben kann. Eine solche Steuerelektronik benötigt ebenfalls eine im Vergleich zu der Batteriespannung kleinere Betriebsspannung, die aber auch von der Versorgungsspannung der Relais- beziehungsweise Erregerspule abweichen kann. So kann beispielsweise bei einer Batteriespannung von 3 6 V ein Relais mit einer Spuienspannung von 12 V und eine Steuerelektronik mit einer Betriebsspannung von 5 V vorgesehen sein. Um auch für 0 die Steuerelektronik eine besonders verlustarme und energiesparende Stromversorgung zu ermöglichen, ist deshalb zusätzlich zu dem für die Erregerspule vorgesehenen Sekundärschaltregler ein weiterer Sekundärschaltregler erforderlich. Das vorbekannte Elektrofahrzeug weist deshalb eine vergleichsweise aufwendige Stromversorgung auf.
• ·
• ·
Es besteht deshalb die Aufgabe, ein Elektrofahrzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der Schaltungsaufwand für die Bereitstellung der unterschiedlichen Versorgungsspannungen und/oder -ströme vermindert ist und bei dem die dafür vorgesehenen Schaltungskomponenten nur einen geringen Energieverbrauch aufweisen.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Elektrofahrzeug der eingangs genannten Art darin, daß die zum Betätigen des elektromagnetischen Schalters vorgesehene Erregerspule auch als Induktivität für den Sekundärschaltregler vorgesehen ist.
In vorteilhafter Weise kann dadurch die Induktivität der Erregerspule des elektromagnetischen Schalters für das zur Versorgung der Steuerelektronik vorgesehene Schaltnetzteil genutzt werden, so daß einerseits eine eigene, zusätzliche Induktivität für das Schaltnetzteil entfällt und andererseits aber auch die Erregerspule von dem Stromfluß des für die Steuerelektronik vorgesehenen Sekundärschaltreglers durchflossen ist und daher ein zusätzlicher Sekundärschaltregler für die Erregerspule nicht erforderlich ist. Insgesamt ergibt sich somit eine besonders einfach aufgebaute Schaltung, bei der mit einem einzigen Sekundärschaltregler sowohl die Erregerspule als auch die Steuerelektronik aus der für den Antriebsmotor vorgesehenen ^^ Batterie betrieben werden kann. Vorteilhaft ist dabei auch, daß 5 die Erregerspule eine vergleichsweise hohe Induktivität aufweist und daß deshalb das Schaltelement mit einer entsprechend niedrigen Taktfrequenz, beispielsweise einige 100 Hz, getaktet werden kann. Wenn die Erregerspule und die Steuerelektronik etwa für den gleichen Betriebsstrom vorgesehen sind, kann bei der erfindungs-0 gemäßen Antriebseinrichtung der die Erregerspule durchfließende Strom vollständig zum Betrieb der Steuerelektronik genutzt werden. Wenn der Betriebsstrom der Erregerspule größer ist als der der Steuerelektronik, kann der Steuerelektronik beispielsweise ein ohmscher Widerstand oder dergleichen Verbraucher parallel geschaltet sein, so daß auch in diesem Fall sowohl die Erreger-
spule, als auch die Steuerelektronik gleichzeitig mit dem Sekundärschaltregler betrieben werden können. Wegen des besonders verlustarm arbeitenden Sekundärschaltreglers weist die Schaltung außerdem nur einen geringen Stromverbrauch auf, so daß die Batterie 5 oder der Akku auch bei häufigen Anhalten des Elektrofahrzeugs beispielsweise vor Ampeln oder in einem Verkehrsstau - entsprechend geschont wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß dem Kondensator eine Zenerdiode oder dergleichen
fe spannungsbegrenzendes Bauelement parallel geschaltet ist. Dadurch kann die für die Steuerelektronik vorgesehene Versorgungsspannung beispielsweise durch Auswahl einer entsprechenden Zenerdiode in einem weiten Spannungsbereich eingestellt werden, ohne daß dazu der Erregerspulenstrom verändert werden muß. Andererseits ist aber auch die Betriebsspannung für die Erregerspule durch Verändern des Spannungsabfalls an dem Sekundärschaltregler unabhängig von der Betriebsspannung der Steuerelektronik einstellbar. Außerdem können Erregerspulen für unterschiedliche Nennströmen vorgesehen 0 sein, ohne daß dazu die übrigen Schaltungskomponenten dazu verändert werden müssen.
fc Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Sekundärschaltregler ein Konstantstromregler ist. Der mittlere Strom durch die Erregerspule kann dann unabhängig von der Versorgungsspannung für die Steuerelektronik konstant gehalten und somit optimal an die Erregerspule angepaßt werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausbildungsform sieht vor, daß der 0 Sekundärschaltregler eine Stromsteuerung aufweist, bei welchem der das Schaltelement durchfließende, über eine Taktperiode gemittelte Strom während des Anziehens der Erregerwicklung angehoben und während des Haltens abgesenkt ist. Der Stromverbrauch der elektrischen Antriebsvorrichtung kann dadurch zusätzlich 5 reduziert werden. Da die Steuerelektronik nur einen im Vergleich
zum Haltestrom der Erregerwicklung kleineren Betriebsstrom benötigt, wird die an der Zenerdiode abfallende Versorgungsspannung durch das Anheben oder Absenken des Erregerspulenstroms praktisch nicht beeinträchtigt.
5
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Taktfrequenz und/oder das Tastverhältnis des Schaltelements zum Anheben und Absenken der Stromstärke veränderbar ist und wenn dazu die Stromsteuerung mit einem Taktgeber gekoppelt ist. Das Anheben und Absenken der Stromstärke kann dadurch besonders einfach und verlustarm erfolgen.
Eine Ausführungsform sieht vor, daß das Anheben und Absenken der Stromstärke durch ein Zeitglied gesteuert ist, das durch das Einschalten der Erregerwicklung rücksetzbar ist. Hierdurch wird eine besonders einfach aufgebaute Stromsteuerung ermöglicht, die den Erregerstrom mit dem Einschalten des elektromagnetischen Schalters für eine bestimmte Zeitdauer anhebt und ihn dann automatisch absenkt.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, daß der elektromagnetische Schalter einen Hilfskontakt hat, der zum Erkennen von Einschalt- und Haltephase der Erregerwicklung mit der Stromsteuerung gekoppelt
| ist. Hier erfolgt also eine Rückmeldung der Schalterstellung des elektromagnetischen Schalters, wobei der Strom in der Erregerspule 5 beim Einschalten des Schalters zunächst angehoben und wenn dieser seine Haltestellung erreicht hat abgesenkt wird.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
0 Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Elektro-Fahrrads, aus welcher
der in der Hinterradnabe untergebrachte elektrische
Antriebsmotor, die im Gepäckträger angeordnete Batterie
5 und das darunter befindliche Steuergerät der elektrischen
. i
6
Antriebsvorrichtung besonders gut erkennbar sind, und
Fig. 2 ein Schaltbild für der elektrischen Antriebsvorrichtung
des in Figur 1 gezeigten Fahrrads. 5
Eine im ganzen mit 1 bezeichnete elektrische Antriebsvorrichtung für ein Elektro-Fahrrad 2 weist einen als Nabenmotor ausgebildeten elektrischen Antriebsmotor 3 auf, der aus einer Batterie 4 gespeist ist. In den Hauptstromkreis des Antriebsmotors 3 ist ein elektromagnetischer Schalter 5 geschaltet, der mit einer
* Erregerspule betätigbar ist. Die Erregerspule 6 weist eine im Vergleich zur Batteriespannung kleinere Betriebsspannung auf.
Die elektrische Antriebsvorrichtung 1 hat außerdem eine Steuerelektronik 7 für den Antriebsmotor 3, mit dem dessen Antriebsleistung über einen ein Potentiometer 8 aufweisenden Drehgriff, der am Fahrradlenker 9 vorgesehen ist, eingestellt werden kann. Die Steuerelektronik 7 weist eine Betriebsspannung von 5 V auf.
Als Strom- beziehungsweise Spannungsversorgung für die Steuerelektronik 7 ist ein Sekundärschaltregler vorgesehen, der ein mittels eines Taktgebers gesteuertes Schaltelement 10 aufweist, das mit seinem einen Kontakt über den Schlüsselschalter 11 mit dem positiven Batteriepol verbindbar ist und mit seinem anderen Kontakt an einen zu der Erregerspule 6 führenden Stromzweig angeschlossen ist. Im weiteren Verlauf ist dieser Stromzweig über einen Kondensator 12, dem eine Zenerdiode 13 parallel geschaltet ist, mit dem negativen Batteriepol verbunden. Das Schaltelement 10 ist also mit einem LC-Glied in Reihe geschaltet, wobei die 0 Induktivität dieses LC-Glieds durch die Erregerspule 6 des elektromagnetischen Schalters 5 selbst gebildet ist.
Dem LC-Glied ist eine Freilaufdiode 14 parallel geschaltet, die mit ihrer Anode an einem zu dem negativen Batteriepol führenden 5 Schaltungszweig und mit ihrer Kathode an den das Schaltelement
• ·
10 und die Erregerspule 6 verbindenden Schaltungszweig angeschlossen ist.
Insgesamt ergibt sich somit ein aus dem Schaltelement 10, der Erregerspule 6, dem Kondensator 12 und der Freilaufdiode 14 bestehender Sekundärschaltregler. Da die zum Betätigen des elektromagnetischen Schalters 5 vorgesehene Erregerspule 6 dabei auch gleichzeitig auch als Induktivität für den Sekundärschaltregler genutzt wird, ergibt sich eine besonders einfach aufgebaute Schaltung. Außerdem ermöglicht der Sekundärschaltregler eine fe praktisch verlustfreie Konvertierung der Batteriespannung in die im Vergleich dazu niedrigere Versorgungsspannung der Steuerelektronik 7. Diese ist dazu mit ihrer Versorgungsleitung 15 an den mit der Erregerspule 6 verbundenen Pol des Kondensators 12 angeschlossen. Der Kondensator 13 bewirkt eine weitgehende Glättung der über den elektromagnetischen Schalter 5 periodisch der Erregerspule 6 zugeführten Energiepulse. Die auf diese Weise in der Erregerspule 6 gespeicherte Energie wird beim Öffnen des elektromagnetischen Schalters 5 freigesetzt, wobei dann aus der 0 Erregerspule 6 ein Ladestrom in den Kondensator 12 und von diesem über die Freilaufdiode 14 zurück in die Erregerspule 6 fließt.
Jk Die Zenerdiode 13 begrenzt die Ladespannung des Kondensators 12 auf den für die Steuerelektronik 7 vorgesehenen Wert. Die Versorgungsspannung für die Steuerelektronik 7 kann dadurch praktisch unabhängig von dem Stromfluß in der Erregerspule 6 konstant gehalten werden, so daß dieser optimal auf die Erregerspule 6 abgestimmt werden kann. Der Sekundärschaltregler ist dazu als getakter Konstantstromregier ausgeführt, wobei die Taktfrequenz 0 und/oder das Tastverhältnis des Taktgebers für das Schaltelement 10 jeweils so angepaßt wird, daß die über mehrere Taktperioden gemittelte Stromstärke in dem Schaltelement 10 konstant ist.
Um den Energieverbrauch der Schaltung weiter zu reduzieren, ist 5 der Sekundärschaltregler für zwei unterschiedliche Stromstärken
ausgelegt, wobei während der Einschaltphase des Schaltelements 10 für eine bestimmte Anzahl Taktperioden zeitgesteuert eine höhere Stromstärke gewählt wird, die dann während der anschließenden Haltephase auf einen niedrigeren Wert abgesenkt wird. Die Stromaufnahme der Antriebsvorrichtung 1 ist dadurch im stand-by-Betrieb zum Beispiel beim Warten vor Ampeln oder in Verkehrsstaus sehr gering, so daß die Batterie 4 geschont wird und dadurch eine längere Betriebsdauer des Elektro-Fahrrads 2 ermöglicht wird.
Erwähnt werden soll noch, daß die Schaltfrequenz aufgrund der fe hohen Induktivität der Erregerspule 6 nur etwa einige hundert Hertz beträgt. Damit ergeben sich im magnetischen Material der Erregerspule &bgr; praktisch keine nennenswerten Verluste.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 ist ferner eine zu der Antriebsvorrichtung 1 gehörende Anzeigeeinheit 16 mit Anzeigen für Überstrom und für den Ladezustand der Batterie 4 vorgesehen. Das Elektro-Fahrrad weist außerdem einen Kettenantrieb 17 mit Pedalen 18 auf und kann daher auch mit Muskelkraft, beispielsweise zur Unterstützung der Antriebsvorrichtung 1 oder bei abgeschalteter Antriebsvorrichtung 1, angetrieben werden.
fc Die Antriebsvorrichtung 1 für das Elektro-Fahrrad 2 weist also einen elektrischen Antriebsmotor 3 auf, der aus einer Batterie 4 gespeist ist. In den Hauptstromkreis des Antriebsmotors 3 ist ein elektromagnetischer Schalter 5 geschaltet, der mit einer Erregerspule 6 betätigbar ist. Die Antriebseinrichtung 1 weist ferner einen Sekundärschaltregler als Stromversorgung für eine für den Antriebsmotor 3 vorgesehene, eine niedrigere Versorgungs-0 spannung als der Antriebsmotor 3 aufweisende Steuerelektronik 7 auf. Der Sekundärschaltregler hat ein von einem Taktgeber gesteuertes Schaltelement, dem eine Induktivität und ein Kondensator 12 als LC-Glied in Reihe geschaltet sind, und wobei dem LC-Glied eine Freilaufdiode 14 zugeordnet ist. Dabei ist die 5 zum Betätigen des elektromagnetischen Schalters 5 vorgesehene
Erregerspule 6 gleichzeitig auch als Induktivität für den Sekundärschaltregler vorgesehen. Die Antriebseinrichtung 1 weist einen einfachen Schaltungsaufbau auf und ermöglicht außerdem ein besonders energiesparendes Elektro-Fahrrad.
/Ansprüche

Claims (7)

10 Ansprüche
1. Antriebseinrichtung (1) für Elektrofahrzeug, insbesondere Elektro-Fahrrad (2), wobei die Antriebseinrichtung (1) zumindest einen elektrischen Antriebsmotor (3) aufweist, der aus wenigstens einer Batterie (4) oder einem Akkumulator gespeist ist, wobei in den Hauptstromkreis des Antriebsmotors (4) ein elektromagnetischer Schalter (5) geschaltet ist, welcher mit einer Erregerspule (6) betätigbar ist und mit einem aus der Batterie (4) gespeisten Sekundärschaltregler k als Stromversorgung für eine insbesondere für den Antriebsmotor (3) vorgesehene, eine niedrigere Versorgungsspannung als der Antriebsmotor (3) aufweisende Steuerelektronik (7), wobei der Sekundärschaltregler ein von einem Taktgeber gesteuertes Schaltelement (10) aufweist, demeine Induktivität und ein Kondensator (12) als LC-Glied in Reihe geschaltet sind und wobei dem LC-Glied eine Freilauf diode (14) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Betätigen des elektromagnetischen Schalters (5) vorgesehene Erregerspule (6) auch als Induktivität für den Sekundäre chal tr egler vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (12) eine Zenerdiode (13) oder dergleichen spannungsbegrenzendes Bauelement parallel geschaltet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärschaltregler als Konstantstromregier ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärschaltregler eine Stromsteuerung aufweist, bei welcher der das Schaltelement (10) durchfließende, über eine Taktperiode gemittelte Strom während
des Anziehens der Erregerspule (6) angehoben und während des Haltens abgesenkt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz und/oder das Tastverhältnis des Schaltelements (10) zum Anheben und Absenken der Stromstärke veränderbar ist und daß dazu die Stromsteuerung mit dem Taktgeber gekoppelt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anheben und Absenken der Stromstärke durch ein Zeitglied gesteuert ist, das durch das Einschalten der Erregerspule (6) rücksetzbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Schalter (5) einen Hilfskontakt hat, der zum Erkennen von Einschalt- und Haltephase der Erregerspule (6) mit der Stromsteuerung gekoppeIt ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010009649A1 (de) 2010-03-02 2011-09-08 Karlheinz Nicolai Elektrischer Hilfsantrieb für Fahrzeuge mit Tretkurbelantrieb

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010009649A1 (de) 2010-03-02 2011-09-08 Karlheinz Nicolai Elektrischer Hilfsantrieb für Fahrzeuge mit Tretkurbelantrieb
DE102010009649B4 (de) * 2010-03-02 2017-01-05 Karlheinz Nicolai Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb

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