DE4414618A1

DE4414618A1 - Elektrischer Fahrrad-Hilfsantrieb

Info

Publication number: DE4414618A1
Application number: DE4414618A
Authority: DE
Inventors: Peter Prof Dr Ing Marx
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-04-18
Filing date: 1994-04-18
Publication date: 1995-10-19

Description

Charakteristische Merkmale

Nachrüstbarer elektrischer Hilfsantrieb für Fahrräder, bestehend aus einem permanenterregten Gleichstrommotor, einer Motordrehzahl-Steuerelektronik und einer wartungsfreien Dryfit-Batterie. Für die Drehzahl-Steuerelektronik wird ein Pulsweiten-Modulator in Verbindung mit einem Power- MOS-Transistor verwendet.

Besonderheit

Beim Bremsen oder beim Bergabfahren erfolgt mittels eines speziellen, pulsweitenmodulierten Hochsetzstellers eine Energierückspeisung in die Batterie (sog. Nutzbremsen).

Einsatzmöglichkeit

Lärm- und abgasfreies Fahren in Innenstadtbereichen usw.

Elektroantriebs-Konzepte

Aufgrund zahlreicher weltweiter Initiativen steigt das Interesse an elektrisch betriebenen Fahrzeugen. So wurden unterschiedliche Antriebssysteme entwickelt und in verschiedene Fahrzeugprototypen eingebaut. Diese werden sowohl im Alltagsbetrieb als auch im Rahmen zahlreicher internationaler Wettbewerbe erprobt. Meist werden Antriebe mit Gleichstrommaschinen, Drehstromasynchron maschinen und Drehstromsynchronmaschinen verwendet. Beim Gleichstromantrieb wird zwischen den fremd-, permanent- und im Reihenschluß erregten Maschinen unterschieden.

Die Vorteile von Elektoantrieben in Fahrzeugen sind darin zu sehen, daß auf eine Reihe mechani scher Bauelemente verzichtet werden kann und daß ein umweltfreundlicher Betrieb ohne Abgase und Lärm möglich ist. Darüber hinaus können Elektrofahrzeuge nicht nur motorisch beschleunigen, sondern auch generatorisch bremsen; wodurch sich sehr gute Gesamtwirkungsgrade erzielen lassen.

Es zeichnet sich ab, daß mit Beginn des nächsten Jahrhunderts bereits ein größerer Prozentsatz der Fahrzeuge elektrisch betrieben und somit an der Steckdose bzw. solar betankt wird. Dieser Trend kann durch gesetzliche Vorschriften und Auflagen, wie z. B. in den USA bereits geschehen, beschleunigt werden.

Zu den vielen positiven Eigenschaften der Elektrofahrzeuge kommen die hohen Wirkungsgrade der einzelnen Komponenten, sowie die generatorische Energierückgewinnung bei jedem Brems- Vorgang, was eine Energieausnutzung von 70% und mehr erlaubt. Verglichen mit herkömmlichen Straßenfahrzeugen (16-20%) benötigt man bei gleicher Fahrleistung also deutlich weniger Energie. Auch die Schadstoffemissionen sind beim Elektrofahrzeug unter Berücksichtung des Primärenergie verbrauchs in den Kraftwerken, bezogen auf den Schadstoffausstoß von Benzin-und Dieselmotoren, geringer. Da es bei Elektromotoren kein Warmlaufen gibt, sind diese jederzeit voll betriebsbereit.

Während die Umwandlung fossiler Energieträger, wie Benzin und Kohle, in mechanische Energie ir reversibel abläuft, kann die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie (Motor prinzip) auch umgekehrt werden (Generatorprinzip). Das gilt für sämtliche Gleich-, Wechsel- und Drehstrommaschinen. Man spricht deshalb auch von Vierquadrantenantrieben; während der Ver brennungsmotor nur den ersten Quadranten der Drehzahl-Drehmomentebene abdeckt (Motorbetrieb in einer Richtung). Hinzu kommt, daß Elektromotoren bis zum Stillstand ein Drehmoment abgeben können, was einen selbständigen Anlauf ermöglicht. Deshalb kann in Elektrofahrzeugen eine Reihe mechanischer Bauteile ganz bzw. teilweise entfallen, wie z. B. Anlasser, Kupplungen, Getriebe,Differential, Kardanwellen und mechanische Bremsen.

Aktueller Stand der Batterietechnik

Als heute bereits verfügbar und ohne Einschränkung einsatzbereit bietet sich die traditionelle Blei- Säure-Batterie an. Sie wird in Elektrofahrzeugen als wartungsfreie Blei-Gel-Batterie eingesetzt.

Zu den heute reifen Batterien zählt auch die Nickel-Cadmium-Batterie, die sich durch eine beson ders hohe Lebensdauer von 10 Jahren auszeichnet und eine gute Schnelladefähigkeit besitzt. Alle anderen Batteriesysteme, die heute erprobt werden, sind derzeit noch nicht serienreif.

So zum Beispiel die zu den alkalischen Systemen gehörende Nickel-Hydrid-Batterie. Sie ist eng verwandt mit der Nickel-Cadmium-Batterie - allerdings frei vom umweltgefährdenden Cadmium - und arbeitet wie diese bei Raumtemperatur. Erst gegen Ende der 90er Jahre rechnet man damit, daß die ebenfalls bei Raumtemperatur arbeitenden 3-Volt-Lithium-Swing-Batterien verfügbar sein werden. Systeme für die Zukunft sind auch die bei etwa 300 Grad Celsius arbeitenden Natrium- Schwefel- und Natrium-Nickelchlorid-Batterien, die derzeit intensiv erprobt werden.

Antriebs-Elektronik des Fahrrad-Hilfsmotors

Die folgenden Schaltbilder zeigen Prinzip-Blockschaltpläne von Motorsteuerungen für Fahren in einer Drehrichtung (Bild 2) und für Fahren mit generatorischer Energierückgewinnung beim Bremsen (Bild 3).

Es wird hier ein Gleichstromsteller mit Pulsweitenmodulator zur Drehzahlsteuerung verwendet.

Die generatorische Energierückgewinnung wird beim Bremsen mittels eines pulsweitengesteuerten Hochsetzstellers, bestehend aus der Speicherdrossel L, dem Power-MOS-Transistor T_B und der Diode D bewirkt. Bei einer Motor-Nenndrehzahl von n = 4200 min^-1 und einem Dauerdrehmoment von Md = 30 Ncm gibt der Hilfsmotor die folgende mechanische Leistung ab:

P/_w = 1,045 · 10^-3 · Md/_Ncm · n/_min-1.

Mit den eingesetzten Zahlenwerten erhält man:

P=1,045 · 10^-3 · 30 Ncm · 4200 min^-1 = 132 W.

Diese abgegebene Motorleistung ist für einen Fahrrad-Hilfsantrieb ausreichend.

Claims

1. Nachrüstbarer elektrischer Hilfsantrieb für Fahrräder, Kleinfahrzeuge, Boote usw., bestehend aus einem Elektromotor, einer Motordrehzahl-Steuerelektronik mit Energierückspeisung (Nutzbremsung) und einer Traktionsbatterie, gekennzeichnet durch einen Gleichstromsteller mit Pulsweltenmodulator PWM, Leistungstransistoren (T, T_B, T_F), ODER-Gatter, Treiber, Strombegrenzerschaltung, Impulstransformator, Speicherdrossel L, Dioden D, D′ und Potentiometern für die Funktionen Fahren und Nutzbremsen (vgl. Bilder 2 u. 3).

2. Elektrischer Hilfsantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Bild 2 der Motorstrom in der Betriebsart Fahren durch den Pulsweltenmodulator PWM über das ODER-Gatter, den Treiber, den POWER-MOS-Transistor T und die Freilaufdiode gesteuert werden kann.

3. Elektrischer Hilfsantrieb nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach Bild 3 beim Bremsen (Bergabfahren) eine generatorische Energierückspeisung mittels eines pulsweitengesteuerten Hochsetzstellers, bestehend aus dem Pulsweitenmodulator PWM mit Treiber, der Speicherdrossel L, dem Power-MOS-Transistor T_B und der Diode D bewirkt wird.

4. Elektrischer Hilfsantrieb nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikrocomputer mit geeigneter Software die Steuerfunktionen der PWM-Bausteine, der ODER-Gatter usw. in den Schaltungen nach Bild 2 und Bild 3 weitestgehend übernimmt.

5. Elektrischer Hilfsantrieb nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsleistung vom Motor zu den angetriebenen Rädern über eine Reibrolle (vgl. Bild 1), Zahnriemenantrieb, Kettenantrieb oder Getriebe alternativ auf das Vorder- oder Hinterrad oder beide übertragen wird.