ES2927279T3 - Sistema de control de motor para bicicleta multipista con transmisión eléctrica y asistencia eléctrica - Google Patents

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Abstract

Se describe un sistema de control de motores (1) para un ciclo multipista, comprendiendo el sistema de control de motores (1): - un generador de pedales (3); - un primer motor de accionamiento (4a) y un segundo motor de accionamiento (4b) acoplados mecánicamente a una rueda respectiva (8a, 8b); - una batería de asistencia eléctrica (5) para alimentar el primer motor de accionamiento (4a); - una transmisión electrónica (7) que conecta el generador de pedales (3) al segundo motor de accionamiento (4b), donde el segundo motor de accionamiento (4b) está conectado a la batería de asistencia eléctrica (5) a través de un componente electrónico de dos terminales (61).), donde el componente electrónico de dos terminales (61) está configurado para transferir corriente principalmente en una dirección, siendo dicha dirección desde el segundo motor de accionamiento (4b) hacia la batería de asistencia eléctrica (5). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de control de motor para bicicleta multipista con transmisión eléctrica y asistencia eléctrica
La presente invención se refiere a un sistema de control de motor para una bicicleta multipista con transmisión electrónica y asistencia eléctrica. La invención se refiere también a una bicicleta multipista que comprende el sistema de control de motor. Una bicicleta multipista puede ser un velomóvil.
Conducir un coche, el modo de transporte personal preferido de hoy, requiere mucho espacio, recursos y energía mientras produce mucha contaminación durante su uso. También minimiza el ejercicio físico, que se requiere para mantener la salud y un peso corporal sano.
Una bicicleta sería un medio de transporte sostenible, pero su uso no está generalizado, excepto en áreas donde la bicicleta ha sido una prioridad antes que los coches, tal como en países como Dinamarca y los Países Bajos.
Algunos problemas importantes con las bicicletas son:
- Falta de protección en caso de colisiones/accidentes;
- Falta de protección contra la intemperie;
- Diseño aerodinámico ineficiente que resulta en una alta resistencia al aire a gran velocidad, e
- Inestabilidad en superficies de baja fricción (hielo, hojas mojadas, piedras en el asfalto, etc.).
Algunas mejoras se han vuelto disponibles usando velomóviles, es decir, bicicleta reclinada con cubierta aerodinámica. Pero la masa añadida del velomóvil en comparación con las bicicletas normales hace que la asistencia eléctrica sea una necesidad para la mayoría de los ciclistas de velomóviles, al menos en terreno montañoso.
Como la mayoría de los velomóviles usan asientos reclinados con propulsión en la rueda o ruedas traseras, las cadenas de bicicleta se vuelven bastante largas, normalmente más de 4 m. Tales cadenas generan ruido, requieren un mantenimiento regular y limitan la libertad de diseño. Mediante el uso de propulsión híbrida en serie como se describe en el documento US7156780, los desafíos mecánicos se reducen y el coste adicional no es alto. Para un velomóvil asistido eléctricamente, el motor ya está en su lugar, reduciendo aún más el coste.
En un sistema híbrido en serie, el ciclista pedalea un generador eléctrico con resistencia y velocidad controladas electrónicamente. La propulsión es únicamente por motor eléctrico que se alimenta con energía de un generador y de una batería. De esta forma no se requieren cadenas ni engranajes, excepto por el engranaje fijo para hacer coincidir la velocidad del pedal con la velocidad del generador, y posiblemente un engranaje fijo para hacer coincidir el motor con la velocidad de la rueda. Este es un híbrido en serie como se entiende de la industria automotriz. Desafortunadamente, 'híbrido' se malinterpreta fácilmente en el mundo de las bicicletas. La palabra 'híbrido/a' ya se ha utilizado durante décadas para describir un tipo especial de bicicleta que es una mezcla entre una bicicleta de ciudad práctica y una bicicleta de carretera. Por este motivo, en su lugar, se utiliza transmisión electrónica - ET. Las bicicletas asistidas eléctricamente, o pedelecs, tienen algunas limitaciones reglamentarias para que sean compatibles con la infraestructura ciclista existente y para mantener a los usuarios de bicicletas eléctricas en armonía con otros ciclistas. Estas regulaciones ahora se han armonizado dentro de la UE y EEE (E0S) con el artículo 1(h) de la Directiva 2002/24/EC que describe la homologación de tipo de vehículos de motor de dos y tres ruedas. Este artículo establece que la homologación de tipo no se aplica a: "Bicicletas con pedaleo asistido que estén equipados con un motor eléctrico auxiliar con una potencia nominal continua máxima de 0,25 kW, cuya potencia se reduce progresivamente y finalmente se interrumpe cuando el vehículo alcanza una velocidad de 25 km/h o antes, si el ciclista deja de pedalear"
El artículo 3 de la misma directiva establece también que: "Esta Directiva se aplicará también a las bicicletas de cuatro ruedas", por lo que básicamente limita un pedelec a:
- Bicicletas de tracción humana de dos a cuatro ruedas con pedaleo asistido;
- Potencia máxima continua de asistencia mecánica del motor de 250 vatios (W) medida en la rueda;
- 25 km/h de velocidad máxima con asistencia del motor, y
- Asistencia de motor solo permitida al pedalear (no incluida en la directiva, pero se permite la asistencia del motor hasta 6 km/h incluso sin pedalear. Es una consecuencia lógica del permiso general de la UE/EEE para utilizar vehículos motorizados con una velocidad máxima de hasta 6 km/h en la vía pública sin homologación de tipo). En la norma europea de seguridad de productos para pedelecs (EN-15194 2011) se describe una definición más completa que incluye requisitos de prueba. Allí también hay una referencia a la norma utilizada para medir la potencia de salida continua (IEC-60034-1 2005).
Para una bicicleta con transmisión electrónica - ET, existe el riesgo de que se considere que la potencia del motor utilizada para la transmisión eluda la limitación de potencia del motor como pedelec. Esto puede evitar que la construcción del velomóvil se acepte como una bicicleta con asistencia de motor eléctrico.
Para evitar que esto suceda, un estricto régimen de control de energía y velocidad debe estar integrado en el diseño. El desafío es seguir cumpliendo con las regulaciones para bicicletas asistidas eléctricamente. De lo contrario, el vehículo ya no es una bicicleta de pedal asistido eléctrico legal para la calle.
La invención tiene por objeto proporcionar un sistema de control de motor que permita que una pedelec tenga varios motores, con una potencia de salida combinada de más de 250 W, pero una potencia máxima continua de asistencia mecánica del motor de 250 W desde una batería. Dicho de otro modo, proporcionar un sistema de control de motor de tal forma que una Pedelec con más de 250 W de potencia de salida de los motores cumpla con la norma europea de seguridad de productos de bicicletas eléctricas asistidas EN 15194. El documento US 2014/353055 divulga el preámbulo de la reivindicación 1.
El objeto se logra a través de características, que se especifican en la descripción a continuación y en las reivindicaciones que siguen.
La invención está definida por la reivindicación de patente independiente. Las reivindicaciones dependientes definen realizaciones ventajosas de la invención.
La invención se refiere a un sistema de control de motor para una bicicleta multipista, comprendiendo el sistema de control de motor:
- un generador de pedal;
- un primer motor de accionamiento y un segundo motor de accionamiento acoplados mecánicamente a una rueda respectiva;
- una batería de asistencia eléctrica para alimentar el primer motor de accionamiento;
- una transmisión electrónica que conecta el generador de pedal al segundo motor de accionamiento,
en donde el segundo motor de accionamiento está conectado a la batería de asistencia eléctrica a través de un componente electrónico de dos terminales, en donde el componente electrónico de dos terminales está configurado para transferir corriente principalmente en una dirección, siendo dicha dirección del segundo motor de accionamiento a la batería de asistencia eléctrica.
Debido a la clasificación de vehículos de las bicicletas asistidas eléctricamente, el motor de accionamiento tiene una potencia de salida limitada con varios límites en función de las normativas nacionales. Para la UE y el EEE, el límite es una potencia mecánica máxima continua de 250 W en la rueda. Sin embargo, la potencia pico puede ser varias veces mayor, pero solo durante períodos muy breves, de lo contrario, un motor de 250 W será destruido por la generación de calor interna. Sin embargo, como la potencia es el par multiplicado por la velocidad angular del eje del motor, el límite de par legal a baja velocidad sigue siendo bastante alto.
Mediante el uso de dos motores en una bicicleta híbrida en serie de cuatro ruedas, es lógico utilizar dos motores de propulsión idénticos que impulsen cada rueda para poder tener tracción en dos ruedas y eliminar la necesidad del diferencial. A continuación, cada motor puede ser de 250 W y aun así ser capaz de propulsar el vehículo en pendientes pronunciadas. Al conectar la batería de asistencia eléctrica directamente al primer motor y tener un componente electrónico de dos terminales entre la batería y el segundo motor, es posible controlar la corriente que va al segundo motor desde la batería y así limitar la asistencia de la batería a 250w . El generador de pedal debe entenderse como un generador accionado por pedales. El generador puede conectarse mecánicamente a un pedal para pie o a un pedal para mano.
En una realización, el componente electrónico de dos terminales puede ser uno del grupo que consiste en: un transistor, un diodo y un relé. Los tres componentes resuelven el desafío de restringir la corriente de la batería al segundo motor. Los componentes pueden bloquear selectivamente un flujo de corriente de la batería al segundo motor. En una realización, el componente electrónico de dos terminales puede ser un transistor. En una realización, el componente electrónico de dos terminales puede ser un diodo. En una realización, el componente electrónico de dos terminales puede ser un relé.
En una realización, tanto el primer motor de accionamiento como el segundo motor de accionamiento pueden configurarse para la regeneración de energía a la batería de asistencia eléctrica. Esta realización de la invención tiene el efecto de que la regeneración/recuperación se puede utilizar para frenar y cargar la batería. La carga de la batería por regeneración aumenta la autonomía del vehículo. El primer motor entrega energía directamente a la batería, mientras que el segundo motor entrega energía a través del componente electrónico de dos terminales que ahora conduce ya que la tensión es más alta en el segundo motor que en la batería.
Cuando el generador es pedaleado por un ciclista y el segundo motor no consume toda la energía generada, el exceso de energía se utiliza también para cargar la batería a través del mismo componente electrónico de dos terminales.
En una realización, la regeneración de energía se puede ajustar mediante un movimiento de pedaleo inverso del generador de pedal. Durante la regeneración, la velocidad de pedaleo en reversa se puede usar para controlar la cantidad de corriente de frenado. Esta realización de la invención tiene el efecto de que el conductor puede ajustar una fuerza de frenado generada por la regeneración de energía de los motores.
En una realización, el componente electrónico de dos terminales se puede controlar electrónicamente, estando ambos motores de accionamiento conectados a la batería de asistencia eléctrica a través del componente electrónico de dos terminales, habilitando la conmutación de una alimentación de batería del primer motor de accionamiento al segundo motor de accionamiento. Habilitar la conmutación de la alimentación de batería de un motor al otro tiene como efecto que la asistencia de la batería no se pierda en caso de mal funcionamiento del motor alimentado por la batería. De esta forma, se puede implementar una solución tolerante a fallas de emergencia. Un movimiento de pedaleo inverso desde una posición inmóvil de la bicicleta multipista hace que los motores de accionamiento giren en una dirección opuesta. Puede ser intuitivo que pedalear en reversa en parado haga que el vehículo retroceda. Desafortunadamente, la norma EN 15194 establece que el pedaleo en reversa no proporcionará potencia de asistencia. Ese es un gran desafío ya que el velomóvil híbrido en serie de cuatro ruedas realmente necesita una marcha atrás.
En una realización, el sistema de control de motor está conectado a una luz delantera y una luz trasera, siendo cada luz selectivamente roja o blanca. Esta realización de la invención tiene el efecto de que se puede cambiar la dirección de avance percibida del velomóvil. La luz delantera puede ser blanca y la luz trasera puede ser roja cuando la bicicleta está parada o avanza, por lo que la luz delantera y la luz trasera cambian de color cuando los motores de accionamiento giran en la dirección opuesta. Esto resuelve el problema relacionado con la marcha atrás al que se hace referencia en la norma EN 15194 anterior. El vehículo puede retroceder, pero la dirección inversa ya no es hacia atrás, logrando así la necesaria función de marcha atrás. Para mantener la seguridad, la velocidad de marcha atrás puede limitarse a 6 km/h.
En una realización, el motor de accionamiento alimentado por la batería de asistencia eléctrica puede configurarse para entregar un máximo de 250 vatios de potencia mecánica continua medida en la rueda respectiva. Esta realización de la invención hace que el sistema de control de motor cumpla con el reglamento de la UE mencionado anteriormente.
La invención se refiere también a una bicicleta multipista que comprende el sistema de control de motor.
A continuación se describe un ejemplo de una realización preferida ilustrada en los dibujos adjuntos, en donde: la Figura 1 muestra esquemáticamente un sistema de control de motor en una bicicleta multipista de acuerdo con una realización de la invención;
la Figura 2 muestra esquemáticamente un flujo de energía eléctrica a través del sistema de control de motor en un modo de propulsión hacia delante, y
la Figura 3 muestra esquemáticamente un flujo de energía eléctrica a través del sistema de control de motor en un modo de regeneración.
La Figura 1 muestra una disposición básica de un sistema de control de motor 1 para una bicicleta multipista de acuerdo con la invención. El sistema de control de motor comprende un pedal para pie 2 conectado mecánicamente a un generador 3 de tal forma que la energía del pedaleo se convierte en energía eléctrica. El generador 3 está conectado a un segundo motor de accionamiento 4b por una transmisión eléctrica 13, a través de un controlador central 6. El controlador central 6 comprende un programa de control 60 y un componente electrónico de dos terminales 61 para controlar un flujo de energía eléctrica entre el generador 3, una batería de asistencia eléctrica 5 y los motores de accionamiento 4a, 4b.
El generador 3 comprende además un controlador de generador 30. El controlador de generador 30 registra información tal como la cadencia, los vatios generados y la velocidad.
Cada motor de accionamiento 4a, 4b acciona una rueda 8a, 8b respectivamente. Durante una propulsión hacia delante de la bicicleta, el primer motor de accionamiento 4a es alimentado por la batería de asistencia eléctrica 5, el segundo motor de accionamiento 4b es alimentado por la corriente generada por el generador 3 a partir de una acción hacia delante en el pedal para pie 2. El componente electrónico de dos terminales 61 está configurado para restringir el flujo de corriente de la batería de asistencia eléctrica 5 al segundo motor de accionamiento 4b, pero no al revés (véase también Figura 2). De esta forma, la bicicleta puede tener dos motores de accionamiento de 250 W y aún así cumplir con las regulaciones de la UE, ya que solo un motor de accionamiento 4a es impulsado por la energía eléctrica de la batería de asistencia eléctrica 5 y el otro motor de accionamiento 4b es impulsado por la fuerza muscular a través del generador 3.
Cada motor de accionamiento 4a, 4b está provisto de un controlador de motor 62, 63 respectivamente. Los controladores de motor 62, 63 pueden recibir datos del controlador de generador 30 a través de líneas de datos 7a, 7b, 7c. El sistema de control de motor 1 asegura que la bicicleta solo puede funcionar cuando hay tensión en los controladores de motor 62, 63. La tensión se transfiere a través de las líneas de alimentación 13, 13a, 13b entre el controlador central 6, el generador 3 y los motores de accionamiento 4a, 4b.
Las líneas de control 14a, 14b, 14c transfieren señales de control entre el controlador central 6, los controladores de motor 62, 63 y el controlador de generador 30.
La Figura 1 muestra además una interfaz de usuario 64 que se comunica con el controlador central 6 a través de una señal de datos 7e. La interfaz de usuario 64 puede ser una aplicación en un teléfono inteligente o una pantalla separada con un panel táctil.
Durante su uso, la alimentación de la batería 5 al primer motor de accionamiento 4a se reduce gradualmente a medida que la velocidad de la bicicleta se acerca a 25 km/h, y la alimentación se interrumpe cuando la velocidad alcanza los 25 km/h. El efecto continuo del primer motor de accionamiento 4a está limitado a 250W. El segundo motor de accionamiento 4b solo se activará cuando el generador 3 esté generando corriente, es decir, el conductor está pedaleando. La alimentación de la batería 5 al primer motor de accionamiento 4a se interrumpirá también si la velocidad es superior a 6 km/h sin pedalear. Lo que significa que, el primer motor de accionamiento 4a solo puede impulsar el velomóvil hasta 6 km/h.
Los datos tales como revoluciones y par de los motores de accionamiento 4a, 4b se envían como señales de datos 7a, 7b al controlador central 6 para controlar, por ejemplo, la velocidad, sistema de tracción y antibloqueo de frenos (ABS).
La Figura 2 muestra cómo fluye la energía eléctrica (representada por las líneas 9, 10) durante la propulsión hacia delante de la bicicleta. Un movimiento hacia adelante 20 de los pedales 1 envía una señal del controlador de generador 30, a través del controlador central 6, a los controladores de motor 62, 63 para arrancar los motores de accionamiento 4a, 4b. La corriente generada por el generador 3 se envía a través del componente electrónico de dos terminales 61 para accionar el segundo motor de accionamiento 4b. La corriente de la batería de asistencia eléctrica 5 acciona el primer motor de accionamiento 4a.
El componente electrónico de dos terminales 61 se muestra como un diodo muy simplificado (véase también Figura 3). Cabe señalar que el componente electrónico de dos terminales 61 puede ser un transistor o un relé en otra realización.
La Figura 3 muestra cómo fluye la energía eléctrica (representada por las líneas 11a, 11b) durante la regeneración. La regeneración se activa pedaleando hacia atrás 21. El controlador de generador 30 envía una señal 7f a los controladores de motor 62, 63 de que la potencia de los motores de accionamiento 4a, 4b será negativa (regenerativa), por lo tanto, los motores de accionamiento 4a, 4b generan electricidad para cargar la batería 5. Cabe señalar que las realizaciones mencionadas anteriormente son ilustrativas en lugar de limitar la invención, y que los expertos en la materia podrán diseñar muchas realizaciones alternativas. En las reivindicaciones, cualquier signo de referencia colocado entre paréntesis no se interpretará como una limitación de la reivindicación. El uso del verbo "comprender" y sus conjugaciones no excluye la presencia de elementos o etapas distintos a los señalados en una reivindicación. El artículo "un" o "uno/a" que precede a un elemento no excluye la presencia de una pluralidad de tales elementos.
El mero hecho de que determinadas medidas se mencionen en reivindicaciones dependientes mutuamente diferentes no indica que una combinación de estas medidas no pueda utilizarse con ventaja.
Referencia
1. Tesis de maestría - "Velomóvil: redefinido", https://brage.bibsys.no/xmlui/handle/11250/219644

Claims (8)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de control de motor (1) para una bicicleta multipista, comprendiendo el sistema de control de motor (1):
- un generador de pedales (3);
- un primer motor de accionamiento (4a) y un segundo motor de accionamiento (4b) acoplados mecánicamente a una rueda respectiva (8a, 8b);
- una batería de asistencia eléctrica (5) para alimentar el primer motor de accionamiento (4a);
- una transmisión electrónica (7) que conecta el generador de pedales (3) al segundo motor de accionamiento (4b),
en donde el segundo motor de accionamiento (4b) está conectado a la batería de asistencia eléctrica (5) a través de un componente electrónico de dos terminales (61), en donde el componente electrónico de dos terminales (61) está configurado para transferir corriente principalmente en una dirección, siendo dicha dirección del segundo motor de accionamiento (4b) a la batería de asistencia eléctrica (5), y caracterizado por que un movimiento de pedaleo inverso desde una posición de parada de la bicicleta multipista hace que los motores de accionamiento (4a, 4b) giren en sentido contrario.
2. El sistema de control de motor (1) de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el componente electrónico de dos terminales (61) es uno del grupo que consiste en: un transistor, un diodo y un relé.
3. El sistema de control de motor (1) de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde tanto el primer motor de accionamiento (4a) como el segundo motor de accionamiento (4b) están configurados para la regeneración de energía a la batería de asistencia eléctrica (5).
4. El sistema de control de motor (1) según la reivindicación 3, en donde la regeneración de energía puede ajustarse mediante un movimiento de pedaleo inverso del generador de pedal (3).
5. El sistema de control de motor (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el componente electrónico de dos terminales (61) puede controlarse electrónicamente, estando ambos motores de accionamiento (4a, 4b) conectados a la batería de asistencia eléctrica (5) a través del componente electrónico de dos terminales (61), habilitando la conmutación de una alimentación de batería del primer motor de accionamiento (4a) al segundo motor de accionamiento (4b).
6. El sistema de control de motor (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el sistema de control de motor (1) está conectado a una luz delantera y una luz trasera, siendo cada luz selectivamente roja o blanca.
7. El sistema de control de motor (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el motor de accionamiento (4a, 4b) alimentado por la batería de asistencia eléctrica (5) está configurado para entregar un máximo de 250 vatios de potencia mecánica continua medida en la rueda respectiva (8a, 8b).
8. Una bicicleta multipista que comprende el sistema de control de motor (1) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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