WO2015007261A1 - Elektrisches antriebssystem für ein mit muskelkraft betriebenes fahrzeug - Google Patents

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WO2015007261A1
WO2015007261A1 PCT/DE2014/000356 DE2014000356W WO2015007261A1 WO 2015007261 A1 WO2015007261 A1 WO 2015007261A1 DE 2014000356 W DE2014000356 W DE 2014000356W WO 2015007261 A1 WO2015007261 A1 WO 2015007261A1
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generator
electric
torque
drive motor
speed
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PCT/DE2014/000356
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Inventor
Steffen Braune
Klaus-Dietrich Kramer
Knut Meissner
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Institut für Automatisierung und Informatik GmbH Zentrum für industrielle Forschung und Entwicklung Wernigerode
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/45—Control or actuating devices therefor

Definitions

  • the invention relates to an electric drive system, for a particular muscle power exaggerated vehicle, at least comprising a mechanically connected to a be ⁇ drivable by muscle power drive unit electric generator, an electric drive motor, an electrical energy storage device and an electrical ⁇ specific circuit arrangement for electrically coupling the generator with the drive motor and the energy storage.
  • a preferred field of application of the invention is an electric drive system for a bicycle, wherein the drive unit operable by muscle power is designed as pedal crank.
  • a operated by muscle power vehicle in particular bicycle, which comprises a generator for power generation by a vehicle user driven generator and at least one electric motor for driving the vehicle.
  • the generator and the electric motor for transferring the electrical power are connected to each other.
  • the generator is associated with an electrical control, by means of which the size of the output coupled from the generator power can be changed, whereby the torque required to drive the generator can be changed either by the controller or by the vehicle user to produce in this way to influence electrical power.
  • the electrical control can be designed so that the vehicle user a change in the driving resistance of the vehicle, for example in an uphill or downhill or due to a change in the airstream, directly on the pedaling the pedal, so the required to drive the generator torque, feels.
  • the possibility of changing the torque required to drive the generator may be provided by the vehicle user in the manner of an electric gearshift.
  • the power to be applied by the vehicle user results as the product of the torque and speed of the generator or of the pedal crank mechanically connected to the generator.
  • a disadvantage of this solution is that when starting from a standstill, the vehicle user is not adequately demanded the treadle and habituation when driving a conventional powered by muscle power vehicle, so no correspondingly large torque to turn the pedal from standstill is required.
  • EP 1 165 188 B1 proposes a powered by muscle power electric drive system for a vehicle, which, as already known, a mechanically connected to a pedal generator which is driven by the vehicle user, an electric motor for driving the vehicle and an electrical control, wherein the electrical control comprises a control program of the generator, which allows the generation of a counter-torque on the generator, with respect to the forward direction of travel, and that a starting control of the generator is provided, with which a upon actuation of the crank from the Standstill out immediately occurring high pedaling resistance is generated. It is intended to produce the high pedaling resistance from starting from standstill until reaching a minimum driving speed.
  • a disadvantage of this solution is that the pedaling resistance when starting from standstill until reaching a minimum driving speed can only assume values that are provided in the control program of the generator, ie are predetermined.
  • An adequate pedaling resistance or, more generally, an adequate behavior of the vehicle is not achieved under different conditions, such as uphill or downhill driving or changing wind conditions when starting off, with this drive system, the pedaling and getting used to when starting from the standstill of a conventional muscle powered vehicle ,
  • US Pat. No. 3,884,317 also describes an electric drive system for an electrically driven bicycle, in which a generator connected to a pedal crank is operated in such a way that the pedal crank can be actuated by the bicycle user at a speed which is pleasant for him.
  • the electric drive system further comprises an electric drive motor acting on the front and / or rear wheel, an electrical energy store and an electrical control for controlling the engine speed and thus the speed of the bicycle as well as the electrical power flow between the electric generator, the electrical energy store and the electrical drive motor.
  • the object of the invention is to provide an electric drive system for a powered by muscle power vehicle, which causes a resistance of operable by Mus ⁇ kelkraft drive unit, in particular pedaling the pedal when starting from a standstill in different conditions, which the vehicle user a feeling, in particular a pedaling motion, conveys that of a conventional powered by muscle power driving tool ⁇ is adequate feeling, in particular the pedaling feeling, and habituation in Anfah ⁇ ren from standstill.
  • the object of the invention is achieved by an electric drive system for a powered by muscle power vehicle according to the main claim.
  • the claims 2 to 6 describe advantageous developments of the electric drive system.
  • the electric drive system comprises a means for detecting the revolving speed Nr of the driven wheel by the drive motor and a ⁇ A device for detecting the revolving speed Ng of the generator.
  • the two devices for detecting the speed nR of the driven by the drive motor wheel and for detecting the speed nG of the generator are electrically connected to the speed control device that the signal of the device for Erfas ⁇ tion of the speed nR of the driven by the drive motor wheel as Füh ren fungie- ⁇ proxy for the speed control and the signal of the device for detecting the revolving speed ng of the generator as a feedback signal of the speed control.
  • the control value of the speed control is a drivable between the energy storage and the generator of electric current.
  • the electric drive system comprises a device for detecting the drive motor current and a device for detecting the generator current IG.
  • the two devices for detecting the drive motor current and the generator current IG are electrically connected to the torque control device that the signal of the means for detecting the generator current IG, which multiplied by the ratio of generated by the vehicle user to drive the generator torque MG to generator current IG of the Vehicle user for driving the generator generated torque MG multiplied by the drive torque factor k acts as a command variable for the torque control and the signal of the means for detecting the drive motor current U, which multiplied by the ratio of torque generated by the drive motor MA TO drive motor current IA of the Drive motor generated torque MA corresponds, acts as a feedback variable of the torque control.
  • the manipulated variable of the torque control is the drive motor current IA.
  • the torque control device is electrically connected to the generator and the energy storage such that the drive motor current IA results from summation of the generator current IG and an energy storage current ls flowing between the energy store and the torque control device, the energy storage current ls flowing between the energy store and the torque control device can be positive or negative, either flows from the energy storage - energy is removed from the energy storage - or flows into the energy storage - energy is supplied to the energy storage.
  • a pedaling feeling is mediated, which is adequate feeling, in particular the Tret ⁇ emotion and the habituation driving a conventional muscle force be ⁇ driven vehicle, in particular of a bicycle to the vehicle user, specifically currency all phases of driving and in a wide range of conditions.
  • ⁇ most diverse conditions means a variety of, the desired movement of the vehicle influencing factors, such as the inclination of the road to be traveled (Bergan- or downhill), on the vehicle user and the vehicle acting wind, different rolling resistance of the vehicle, etc. is achieved this feeling, in particular pedaling, by which the condition speed of the generator nG ⁇ k n * speed one by the
  • k n is a speed ratio factor that is preselected.
  • the speed ⁇ gear ratio factor can be set either preselected fixed, this would correspond to a conventional vehicle without gear shift, or preselected via an operable by the vehicle user, integrated into the electrical circuitry control and be changed while driving, this would be a conventional vehicle with gearshift correspond.
  • the change of the speed ratio factor can be done in steps or continuously.
  • the speed control means Compliance with the above condition by the speed control means that the speed of the generator and thus mechanically connected to the generator, can be operated by muscle power unit, especially pedal crank, quasi rigidly coupled to the speed of the electric drive motor driven by the wheel. Ultimately, this condition also applies to any conventional muscle-powered vehicle.
  • the vehicle user perceives this counter-momentum as the resistance known and familiar to him from driving a conventional, muscle-powered vehicle, especially pedaling resistance. He therefore feels when driving a erfin ⁇ tion according electric drive system having a vehicle ⁇ adept feeling, especially pedaling, to a conventional, powered by muscle power vehicle.
  • the electric drive motor generates a torque MA and transmits it to the driven wheel, thereby starting to rotate and to move the vehicle.
  • a torque MA As long as the vehicle user on the generator Torque MG generated, so it is trying to increase the speed nG of the generator and thus the operable by muscle power unit, especially the Tret ⁇ crank, compared to the speed nR of the drive motor driven wheel, this torque is generated in the same size by the electric drive motor and transferred to the driven wheel. The vehicle will be accelerated further.
  • the drive torque factor kM> 1 the torque MA generated by the electric drive motor and transmitted to the driven wheel is greater than the torque MG generated by the vehicle user. In this case, the drive motor additional energy must be supplied from the energy storage.
  • the drive torque factor kM ⁇ 1 the torque MG generated by the vehicle user is greater than the torque MA generated by the electric drive motor and transmitted to the driven wheel. It can The electrical energy generated at the generator supplied to the energy storage ⁇ who.
  • the electrical circuit arrangement can have an operating element that can be operated by the vehicle user. The vehicle user can then variants mentioned among the three th choose and of course the size of the energy storage refer to ⁇ or determine the power to be supplied. Of course, the choice of the drive torque factor kM significantly affects the driving experience.
  • K n is a change in the speed ratio factor has the effect of kon ⁇ tional gear shift when it is associated with a change of the drive torque factor kM.
  • kM 1 / k n .
  • the above-described function of the electric drive system when starting from standstill corresponds due to the speed control with the ⁇ condition nG ⁇ k n * nR principle also the function of the electric drive ⁇ system in an acceleration of the drive of the vehicle due to the generation of a torque MG on the generator by the vehicle user or a ride with increased resistance (hill, headwind, increased Rollwi ⁇ resistance, etc.).
  • the nG ⁇ k n * n R satisfying the condition ultimately lies in the fact that this condition is almost exactly describes the conditions that exist in a conventional powered by muscle power vehicle whereby automatically the circumstances influencing the driving and the driving behavior of such a vehicle, such as mountain or downhill driving, wind conditions, increased rolling resistance as a result of adverse ground conditions or stiffness of the vehicle, body weight of the vehicle user, etc., are taken into account and these the resistance, in particular the Tread resistance, both when starting from a standstill and when accelerating the ride, but also at constant speed with usual the forward movement of the vehicle counteracting forces influence, so that the vehicle user a the driving feeling and the Habituation of a conventional powered by muscle power vehicle perceives the same behavior of the vehicle.
  • the drive unit which can be operated by muscle power can be designed as a drive crank, in particular as a crank, when using the drive system on a bicycle, but also as a gripping ring or push rim, when using the drive system on a wheelchair.
  • Figure 1 a diagram with the essential components of an electric drive system, in
  • FIG. 2 shows a simplified control circuit diagram in FIG.
  • FIG. 3 shows schematically the power flow in the electric drive system when starting from standstill and in FIG.
  • Figure 4 schematically shows the power flow in the electric drive system in "normal" ride.
  • FIG. 1 shows a schematic of the essential components of an electric drive system for a powered muscle powered vehicle, here a bicycle, designed as a pedal, operated by muscle power unit 1, which mechanically transmits a generated by a vehicle user torque MG with an electric generator 2, a drive motor 3, which is mechanically connected to the transmission of a torque generated by the electric drive motor 3 MA with a driven wheel 4, an energy storage device 5 and an electrical circuit 6 for electrically coupling the generator 2 to the drive motor 3 and the energy storage.
  • the generator 2 and the drive motor 3 are each designed as three-phase machines.
  • the electrical circuit arrangement 6 comprises a first converter 7 for converting the three-phase alternating current of the generator 2 into a direct current and vice versa, a second converter 8 for converting a direct current into a three-phase alternating current for the drive motor 3, a speed control device 9 and a torque control device 10.
  • a first converter 7 for converting the three-phase alternating current of the generator 2 into a direct current and vice versa
  • second converter 8 for converting a direct current into a three-phase alternating current for the drive motor 3
  • a speed control device 9 for converting a direct current into a three-phase alternating current for the drive motor 3
  • a speed control device 9 for controlling the electrical circuit 6
  • a torque control device 10 for converting a direct current into a three-phase alternating current for the drive motor 3.
  • FIG 1 not shown, but of course with the electrical circuit 6 includes measuring devices for generating rotational speed and torque proportional electrical signals, electrical see signal amplifier and, if available, with electrical signal amplifiers cooperating controls for influencing
  • FIG. 2 shows a simplified control engineering block diagram of the electric drive system. Shown are: the speed control device 9 with a speed control element 1 1, a SollVIstwert rawer 12 and a
  • the torque control ⁇ device 10 with a torque control element 14, a SollVIstwertverglei ⁇ cher 15 and an adjusting device 16 for influencing the Antriebssmotorstro - mes IA, means 17 for sensing the generator current IG, a Einrich ⁇ tung 18 for detecting the drive motor current U, a device 19 for Erfas ⁇ solution of the generator speed nc means 20 for detecting the rotation speed nr of the driven by the drive motor 3 wheel 4 , a signal amplifier 21 for converting the signal of the generator current IG into a signal proportional to the torque applied by the vehicle user for driving the generator MG, a signal amplifier 22 for influencing the signal proportional to the torque MG in accordance with the drive torque factor kM Signal amplifier 23 for
  • FIG. 3 shows the power flow in the electric drive system between the drive unit 1, which is designed as pedal crank, and can be operated by muscle power, the generator 2, the drive motor 3, the wheel 4 and the energy store 5 when starting from standstill.
  • Figure 4 shows the above-mentioned power flow in "normal" driving, normal driving being understood to mean driving at a constant speed or with slight acceleration due to increased applied torque MG by the vehicle user or with decreasing speed Torque MG by the vehicle user, the power flow can correspond to the power flow shown in Figure 3.
  • the rotational speed No by the drive motor 3 is driven wheel 4 by means of the device 20 it holds ⁇ and supplied via the signal amplifier 24 to the positive input of the comparator Sol stwert- 12th
  • the speed nG of the generator 2 is detected and fed to the negative input of the setpoint / actual value comparator 12.
  • the speed control element 1 1 a manipulated variable is generated, which generates via the adjusting device 13 a powered by the energy storage 5 generator current IG, which causes a counter-torque in the generator 2 to the generated by the vehicle user to drive the generator 2 torque MG.
  • the generator current IG is detected by the device 17 and fed via the signal amplifiers 21 and 22 as a signal for the generated by the vehicle user to drive the generator 2 torque MG to the positive input of the Soll7lstwertiqueers 15.
  • the drive motor current is detected and fed via the signal amplifier 23 as a signal for the torque generated by the drive motor 3 MA to the negative input of the setpoint / lstwertiqueers 15.
  • a manipulated variable is generated, which generates via the adjusting device 16, a drive motor current U, which causes by the drive motor 3, a torque MA whose size corresponds to the user generated by the vehicle to drive the generator 2 torque MG. If this torque MA is sufficiently large, the wheel 4 is rotated and the vehicle begins an accelerated locomotion. The rotation of the wheel 4 causes an increase in the detected by the device 20 speed nR of the drive motor 3 driven by the wheel 4.
  • the speed control device 9 causes a generator current IG, the generator 2, taking into account the user generated by the vehicle to drive the generator torque MG at the speed nG ⁇ k n * nR rotate.
  • FIG. 3 shows the power flow occurring in this case.
  • a standardized by the vehicle user at the designed as a pedal crank, operable by muscular force Antriebsein- crank power generated ⁇ 1 acts on the generator 2.
  • This is supplied to a power generator PG via the converter 7, which is the energy storage device 5 ent ⁇ taken.
  • the drive motor 3 is supplied via the inverter 8, a motor power PM, which is transmitted from the drive motor 3 as a wheel power PR to the driven wheel 4.
  • the energy store 5 is taken from a storage power PA, which is composed of the generator power PG and the motor power PM.
  • the crank power PK generated by the vehicle user on the pedal crank drive acts on the generator 2.
  • the latter generates the generator power PG therefrom.
  • a part of the generator power PG is supplied via the inverters 7 and 8 to the drive motor 3 as motor power PM, which is transmitted by the drive motor 3 as a wheel power PR to the driven wheel 4.
  • Another part of the generator power PG is supplied via the inverter 7 as a storage power PA the energy storage 5.
  • the torque MA> generated by the drive motor 3 and transmitted to the driven wheel 4 is the torque MG generated by the vehicle user for driving the generator 2.
  • the drive motor 3 must therefore additionally energy from the energy storage. 5 be supplied.
  • the occurring in this case is power flow ge shows ⁇ in FIG. 4
  • the crank power generated by the vehicle user at the designed as a pedal crank, operable by Mus ⁇ kelkraft drive unit 1 ⁇ acts on the generator 2. This generates the generator output PG.
  • the Generatorleis- tung PG is supplied as a part of the Mo ⁇ tor intricate PM via the inverter 7 and 8, the drive motor. 3 Another part of the motor power PM is supplied to the drive ⁇ motor 3 from the energy storage as storage power PA via the inverter 8.
  • the total engine power PM supplied to the drive motor 3 is transmitted to the driven wheel 4 as a wheel power PR.
  • FIG. 3 and FIG. 4 also show a power flow which occurs during braking operation of the drive motor 3 for braking the vehicle.
  • kinetic energy of the wheel 4 is supplied as the PR wheel power generator ⁇ -driven drive motor 3, which is then fed as 5 PM motor power via the inverter 8 to the energy storage as a storage power PA.
  • the speed conversion factor k n has not been considered above.
  • the fulfillment of both conditions by the two regulations act almost automatically as in a conventional, muscle powered vehicle all the ride and the driving behavior influencing circumstances, such as Bergan- or downhill, wind conditions, increased rolling resistance due to adverse ground conditions or stiffness of the vehicle, body weight of the vehicle user, etc., on the resistance, in particular the pedaling resistance, the vehicle user while driving overcome needs.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, wobei das elektrische Antriebssystem mindestens einen, mit einer durch Muskelkraft betreibbaren Antriebseinheit (1), bevorzugt einer Tretkurbel, mechanisch verbundenen elektrischen Generator (2), einen elektrischen Antriebsmotor (3), einen elektrischen Energiespeicher (5) und eine elektrische Schaltungsanordnung (6) zur elektrischen Verkopplung des Generators (2) mit dem Antriebsmotor (3) und dem Energiespeicher (5) umfasst. Bei einem erfindungsgemäßen elektrischem Antriebssystem weist die elektrische Schaltungsanordnung (6) eine Drehzahlregeleinrichtung (9) und eine Drehmomentenregeleinrichtung (10) auf. Mit der Drehzahlregeleinrichtung (9) erfolgt eine Drehzahlregelung des elektrischen Generators (2) derart, dass die Drehzahl nG des elektrischen Generators die Bedingung nG < kn * nR erfüllt, wobei nR die Drehzahl eines durch den elektrischen Antriebsmotor (3) angetriebenen Rades (4) des Fahrzeuges und kn ein vorgegebener Drehzahlübersetzungsfaktor sind. Mit der Drehmomentenregeleinrichtung (10) erfolgt eine Regelung des durch den Antriebsmotor (3) erzeugten Drehmomentes MA derart, dass das vom elektrischen Antriebsmotor (3) erzeugte Drehmoment MA die Bedingung MA = kM * MG erfüllt, wobei MG das vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators (2) erzeugte Drehmoment und kM ein vorgegebener Antriebsmomentenfaktor sind.

Description

Elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft be- triebenes Fahrzeug, mindestens umfassend einen mit einer durch Muskelkraft be¬ treibbaren Antriebseinheit mechanisch verbundenen elektrischen Generator, einen elektrischen Antriebsmotor, einen elektrischen Energiespeicher und eine elektri¬ sche Schaltungsanordnung zur elektrischen Verkopplung des Generators mit dem Antriebsmotor und dem Energiespeicher. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrrad, wobei die durch Muskelkraft betreibbare Antriebseinheit als Tretkurbel ausgebildet ist.
Aus der DE 196 00 698 A1 ist ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug, insbesondere Fahrrad, bekannt, das einen zur Stromerzeugung durch einen Fahrzeug- benutzer antreibbaren Generator und mindestens einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeuges umfasst. Dabei sind der Generator und der Elektromotor zur Übertagung der elektrischen Leistung miteinander verbunden. Bevorzugt ist dem Generator eine elektrische Steuerung zugeordnet, mittels derer die Größe der aus dem Generator ausgekoppelten Leistung veränderbar ist, wodurch das zum An- trieb des Generators erforderliche Drehmoment entweder durch die Steuerung oder durch den Fahrzeugbenutzer verändert werden kann, um auf diese Weise die erzeugte elektrische Leistung zu beeinflussen. Die elektrische Steuerung kann dabei so ausgebildet sein, dass der Fahrzeugbenutzer eine Änderung des Fahrwiderstandes des Fahrzeuges, beispielsweise bei einer Bergauf- oder Bergabfahrt oder infolge einer Änderung des Fahrtwindes, direkt am Tretwiderstand der Tretkurbel, also des zum Antrieb des Generators erforderlichen Drehmomentes, spürt. Dabei kann die Möglichkeit der Veränderung des zum Antrieb des Generators erforderlichen Drehmomentes durch den Fahrzeugbenutzer in der Art einer elektrischen Gangschaltung vorgesehen sein. Die vom Fahrzeugbenutzer aufzu- bringende Leistung ergibt sich als Produkt aus Drehmoment und Drehzahl des Generators bzw. der mit dem Generator mechanisch verbundenen Tretkurbel. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass beim Anfahren aus dem Stillstand dem Fahrzeugbenutzer keine adäquat dem Tretgefühl und der Gewöhnung beim Fahren eines konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeuges große Leistung abverlangt wird, also kein entsprechend großes Drehmoment zum Drehen der Tretkurbel aus dem Stillstand erforderlich ist. Zur Behebung dieses Nachteiles wird in der EP 1 165 188 B1 ein mit Muskelkraft betriebenes elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug vorgeschlagen, das, wie bereits bekannt, einen mechanisch mit einer Tretkurbel verbundenen Generator, der durch den Fahrzeugbenutzer antreibbar ist, einen Elektromotor zum Antrieb des Fahrzeuges und eine elektrische Steuerung umfasst, wobei die elektrische Steuerung ein Steuerprogramm des Generators aufweist, die die Erzeugung eines Gegenmomentes am Generator, bezogen auf die Vorwärts-Tretrichtung, ermöglicht und dass eine Anfahrsteuerung des Generators vorgesehen ist, mit welcher ein bei Betätigung der Tretkurbel aus dem Stillstand heraus unmittelbar auftreten- der hoher Tretwiderstand erzeugt wird. Dabei ist vorgesehen, den hohen Tretwiderstand vom Anfahren aus dem Stillstand bis zum Erreichen einer minimalen Fahrgeschwindigkeit zu erzeugen. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass der Tretwiderstand beim Anfahren aus dem Stillstand bis zum Erreichen einer minimalen Fahrgeschwindigkeit nur Werte annehmen kann, die im Steuerprogramm des Ge- nerators vorgesehen, also vorbestimmt sind. Ein dem Tretgefühl und der Gewöhnung beim Anfahren aus dem Stillstand eines konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeuges adäquater Tretwiderstand oder allgemeiner ausgedrückt, ein adäquates Verhalten des Fahrzeuges wird jedenfalls bei unterschiedlichen Bedingungen, wie Bergauf- oder Bergabfahrt oder wechselnden Windverhältnissen beim Anfahren, mit diesem Antriebssystem nicht erreicht.
Auch in der US 3 884 317 A wird lediglich ein elektrisches Antriebssystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrrad beschrieben, bei dem ein mit einer Tretkurbel verbundener Generator so betrieben wird, dass die Tretkurbel durch den Fahrrad- benutzer mit einer für ihn angenehmen Drehzahl betätigt werden kann. Das elektrische Antriebssystem umfasst weiterhin einen auf das Vorder- und/oder Hinterrad wirkenden elektrischen Antriebsmotor, einen elektrischen Energiespeicher und eine elektrische Steuerung zur Steuerung der Motordrehzahl und damit der Geschwindigkeit des Fahrrades sowie des elektrischen Leistungsflusses zwischen dem elektrischen Generator, dem elektrischen Energiespeicher und dem elektrischen Antriebsmotor. Ein dem Tretgefühl und der Gewöhnung beim Anfahren aus dem Stillstand eines konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeuges adäquater Tretwiderstand oder allgemeiner ausgedrückt, ein adäquates Verhalten des Fahrzeuges wird bei unterschiedlichen Bedingungen, wie Bergauf- oder Bergabfahrt oder wechselnden Windverhältnissen beim Anfahren, mit diesem Antriebssystem ebenfalls nicht erreicht. Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines elektrischen Antriebssystems für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug, das einen Widerstand der durch Mus¬ kelkraft betreibbaren Antriebseinheit, insbesondere Tretwiderstand der Tretkurbel, beim Anfahren aus dem Stillstand bei unterschiedlichsten Bedingungen bewirkt, welche dem Fahrzeugbenutzer ein Gefühl, insbesondere ein Tretgefühl, vermittelt, das dem Gefühl, insbesondere dem Tretgefühl, und der Gewöhnung beim Anfah¬ ren aus dem Stillstand eines konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahr¬ zeuges adäquat ist. Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Die Ansprüche 2 bis 6 beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen des elektrischen Antriebssystems. Das elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug um- fasst mindestens einen mit einer durch Muskelkraft betreibbaren Antriebseinheit mechanisch verbundenen elektrischen Generator, einen elektrischen Antriebsmotor, einen elektrischen Energiespeicher und eine elektrische Schaltungsanordnung zur elektrischen Verkopplung des Generators mit dem Antriebsmotor und dem Energiespeicher und ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltungsanordnung eine Drehzahlregeleinrichtung, mittels derer eine Drehzahlregelung des elektrischen Generators derart erfolgt, dass die Drehzahl nG des elektrischen Generators die Bedingung nG < kn * nR erfüllt, wobei nR die Drehzahl eines durch den elektrischen Antriebsmotor angetriebenen Rades des Fahrzeuges und kn ein vorgegebener Drehzahlübersetzungsfaktor sind und eine Drehmomentenregeleinrichtung, mittels derer eine Drehmomentenregelung des elektrischen Antriebsmotors derart erfolgt, dass das vom elektrischen Antriebsmotor erzeugte Drehmoment MA die Bedingung MA = kM * MG erfüllt, wobei MG das vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des elektrischen Generators erzeugte Drehmoment und kM ein vorgegebener Antriebsmomentenfaktor sind, aufweist.
Zur Vereinfachung wird nachfolgend überwiegend auf die Nennung des Zusatzes elektrisch bei den Bauelementen Generator, Antriebsmotor und Energiespeicher verzichtet. Gleichwohl sind bei der Nennung dieser Bauelemente stets elektrische Bauelemente gemeint. Bevorzugt umfasst das elektrische Antriebssystem eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl nR des durch den Antriebsmotor angetriebenen Rades und eine Ein¬ richtung zur Erfassung der Drehzahl nG des Generators. Die beiden Einrichtungen zur Erfassung der Drehzahl nR des durch den Antriebsmotor angetriebenen Rades und zur Erfassung der Drehzahl nG des Generators sind elektrisch so mit der Drehzahlregeleinrichtung verbunden, dass das Signal der Einrichtung zur Erfas¬ sung der Drehzahl nR des durch den Antriebsmotor angetriebenen Rades als Füh¬ rungsgröße für die Drehzahlregelung und das Signal der Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl nG des Generators als Rückführgröße der Drehzahlregelung fungie- ren. Die Stellgröße der Drehzahlregelung ist ein zwischen dem Energiespeicher und dem Generator antreibbarer elektrischer Strom.
Bei einer bevorzugten Ausbildung der Drehmomentenregeleinrichtung umfasst das elektrische Antriebssystem eine Einrichtung zur Erfassung des Antriebsmotor- Stromes und eine Einrichtung zur Erfassung des Generatorstromes IG. Die beiden Einrichtungen zur Erfassung des Antriebsmotorstromes und des Generatorstromes IG sind elektrisch derart mit der Drehmomentenregeleinrichtung verbunden, dass das Signal der Einrichtung zur Erfassung des Generatorstromes IG, welches multipliziert mit dem Verhältnis von vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators erzeugtem Drehmoment MG ZU Generatorstrom IG dem vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators erzeugtem Drehmoment MG entspricht, multipliziert mit dem Antriebsmomentenfaktor k als Führungsgröße für die Drehmomentenregelung fungiert und das Signal der Einrichtung zur Erfassung des Antriebsmotorstromes U, welches multipliziert mit dem Verhältnis von vom Antriebs- motor erzeugtem Drehmoment MA ZU Antriebsmotorstrom IA dem vom Antriebsmotor erzeugtem Drehmoment MA entspricht, als Rückführungsgröße der Drehmomentenregelung fungiert. Die Stellgröße der Drehmomentenregelung ist der Antriebsmotorstrom IA. Die Drehmomentenregeleinrichtung ist dabei derart mit dem Generator und dem Energiespeicher elektrisch verbunden, dass der An- triebsmotorstrom IA sich durch Summierung des Generatorstromes IG und eines zwischen dem Energiespeicher und der Drehmomentenregeleinrichtung fließenden Energiespeicherstromes ls ergibt, wobei der zwischen dem Energiespeicher und der Drehmomentenregeleinrichtung fließende Energiespeicherstrom ls positiv oder negativ sein kann, also entweder aus dem Energiespeicher fließt - dem Energie- Speicher wird Energie entnommen - oder in den Energiespeicher fließt - dem Energiespeicher wird Energie zugeführt. Mittels des elektrischen Antriebssystems wird dem Fahrzeugbenutzer ein Gefühl, insbesondere ein Tretgefühl, vermittelt, das dem Gefühl, insbesondere dem Tret¬ gefühl und der Gewöhnung beim Fahren eines konventionellen mit Muskelkraft be¬ triebenen Fahrzeuges, insbesondere eines Fahrrades, adäquat ist, und zwar wäh- rend aller Phasen des Fahrens und bei unterschiedlichsten Bedingungen. Unter¬ schiedlichste Bedingungen bedeutet dabei unterschiedlichste, die angestrebte Fortbewegung des Fahrzeuges beeinflussende Faktoren, wie z.B. die Neigung des zu befahrenden Weges (Bergan- oder Bergabfahrt), auf den Fahrzeugbenutzer und das Fahrzeug einwirkender Wind, unterschiedlicher Rollwiderstand des Fahr- zeuges usw. Erreicht wird dieses Gefühl, insbesondere Tretgefühl, durch die die Bedingung Drehzahl des Generators nG <■ kn * Drehzahl eines durch den
elektrischen Antriebsmotor angetriebenen Rades nR erfüllende Drehzahl regelung, wobei kn ein Drehzahlübersetzungsfaktor ist, der vorwählbar ist. Der Drehzahl¬ übersetzungsfaktor kann entweder vorgewählt fest eingestellt sein, dies würde ei- nem konventionellen Fahrzeug ohne Gangschaltung entsprechen, oder über ein vom Fahrzeugbenutzer betätigbares, in die elektrische Schaltungsanordnung integriertes Bedienelement vorgewählt und während der Fahrt verändert werden, dies würde einem konventionellen Fahrzeug mit Gangschaltung entsprechen. Dabei kann die Veränderung des Drehzahlübersetzungsfaktors in Stufen oder stufen- los erfolgen.
Die Einhaltung der vorgenannten Bedingung durch die Drehzahl regelung bedeutet, dass die Drehzahl des Generators und damit der mit dem Generator mechanisch verbundenen, durch Muskelkraft betreibbaren Antriebseinheit, insbesondere Tret- kurbel, quasi starr mit der Drehzahl des vom elektrischen Antriebsmotor angetriebenen Rades verkoppelt ist. Diese Bedingung ist letztlich auch bei jedem konventionellen, mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeug gegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem bedeutet dies, dass insbesondere beim Anfahren aus dem Stillstand, aber auch beim Aufbringen eines erhöhten Drehmomentes zur Beschleunigung der Fortbewegung des Fahrzeuges, dem elektrischen Energiespeicher elektrische Energie entnommen wird, um durch den Generator ein solches Gegenmoment zu bewirken, dass die vorgenannte Bedingung: Drehzahl des Generators ηβ < kn * Drehzahl eines durch den elektrischen Antriebsmotor angetriebenen Rades nR, eingehalten wird. Der Fahrzeugbenutzer empfindet dieses Gegenmoment als den ihm vom Fahren eines konventionellen, mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeuges bekannten und gewohnten Widerstand, insbesondere Tretwiderstand. Er empfindet daher beim Fahren eines ein erfin¬ dungsgemäßes elektrisches Antriebssystem aufweisenden Fahrzeuges ein adä¬ quates Gefühl, insbesondere Tretgefühl, zu einem konventionellen, mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeug.
Neben der beschriebenen Drehzahlregelung ist für die Fortbewegung des Fahr¬ zeuges die Drehmomentenregelung, die die Bedingung: vom Antriebsmotor er¬ zeugtes Drehmoment MA = k * vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Genera¬ tors erzeugtes Drehmoment MG erfüllt, wobei k ein Antriebsmomentenfaktor ist, von großer Bedeutung.
Zur Erläuterung der Funktion des elektrischen Antriebssystems werden zunächst der Drehzahlübersetzungsfaktor kn = 1 in der Bedingung nG < kn * nR für die Dreh¬ zahlregeleinrichtung und der Antriebsmomentenfaktor k = 1 in der Bedingung MA = kM * MG für die Drehmomentenregeleinrichtung angenommen. Dies bedeutet, bei einer Umdrehung nG des Generators absolviert auch das durch den Antriebsmotor angetriebene Rad nR eine Umdrehung und das vom Fahrzeugbenutzer am Generator erzeugte Drehmoment MG wird in gleicher Größe durch den
elektrischen Antriebsmotor erzeugt und wirkt auf das angetriebene Rad. Beim An- fahren aus dem Stillstand erzeugt der Fahrzeugbenutzer ein Drehmoment MG, welches in gleicher Größe durch den Antriebsmotor erzeugt und auf das angetriebene Rad wirkt. Um die Bedingung nG < kn * nR zu erfüllen, wird am Generator ein Gegenmoment erzeugt, das zunächst, also beim Stillstand des durch den elektrischen Antriebsmotor angetriebenen Rades, weitgehend gleich groß dem vom Fahrzeugbenutzer erzeugten Drehmoment MG ist, der Generator und damit die durch Muskelkraft betreibbare Antriebseinheit, insbesondere die Tretkurbel, haben, wie das vom Antriebsmotor angetriebene Rad, die Drehzahl nG = nR = 0. Hierbei ist natürlich zu beachten, dass beim Anfahren aus dem Stillstand die zur Erzeugung des Gegenmomentes am Generator notwendige Energie durch den Energiespeicher bereitgestellt werden muss, so dass bei einem realen Antriebssystem der Wert des am Generator erzeugten Gegenmomentes beim Anfahren aus dem Stillstand auf einen technisch sinnvollen Wert begrenzt sein sollte.
Der elektrische Antriebsmotor erzeugt ein Drehmoment MA und überträgt dieses auf das angetriebene Rad, wodurch es beginnt, sich zu drehen und das Fahrzeug in Bewegung zu versetzen. Solange der Fahrzeugbenutzer am Generator ein Drehmoment MG erzeugt, also bemüht ist, die Drehzahl nG des Generators und damit der durch Muskelkraft betreibbaren Antriebseinheit, insbesondere der Tret¬ kurbel, gegenüber der Drehzahl nR des vom Antriebsmotor angetriebenen Rades zu erhöhen, wird dieses Drehmoment in gleicher Größe durch den elektrischen Antriebsmotor erzeugt und auf das angetriebene Rad übertragen. Das Fahrzeug wird weiter beschleunigt. Wird durch den Fahrzeugbenutzer am Generator kein Drehmoment MG mehr erzeugt, wird also die Drehzahl nG des Generators und damit der durch Muskelkraft betreibbaren Antriebseinheit, insbesondere der Tret¬ kurbel, gegenüber der Drehzahl nR des angetriebenen Rades reduziert, so wird durch den Antriebsmotor auch kein Drehmoment MA mehr erzeugt und auf das angetriebene Rad übertragen. Das Fahrzeug rollt und wird infolge von Gegenwind, Rollwiderstand, der Schwerkraft bei Berganfahrt usw. seine Geschwindigkeit ver¬ ringern. Eine Bergabfahrt kann natürlich auch zu einer Erhöhung der Geschwin¬ digkeit führen. Der vorgenannte Zusammenhang entspricht dem von einem kon- ventionellen, mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeug bekannten Freilauf.
Soll die Drehzahl nR des angetriebenen Rades konstant gehalten werden, ohne dass unterstützende Kräfte (Schiebewind, Bergabfahrt) wirken, muss durch den Fahrzeugbenutzer am Generator ein Drehmoment MG erzeugt werden, so dass durch den elektrischen Antriebsmotor ein gleich großes Drehmoment MA mehr erzeugt und auf das angetriebene Rad übertragen wird, um eine Verringerung der Drehzahl nR des angetriebenen Rades infolge von Gegenwind, Rollwiderstand, Schwerkraft bei Berganfahrt usw. zu verhindern. Der angenommenen Fall mit Antriebsmomentenfaktor kwi = 1 , also das vom Fahrzeugbenutzer am Generator erzeugte Drehmoment MG = dem vom Antriebsmotor erzeugten auf das angetriebene Rad übertragene Drehmoment MA, entspricht weitgehend den Bedingungen eines konventionellen Fahrzeuges. Der Fahrzeugbenutzer bringt die gesamte zum Antrieb des Fahrzeuges notwendige Energie auf. Wird der Antriebsmomentenfaktor kM > 1 gewählt, ist das vom elektrischen Antriebsmotor erzeugte und auf das angetriebene Rad übertragene Drehmoment MA größer als das vom Fahrzeugbenutzer erzeugte Drehmoment MG. In diesem Fall muss dem Antriebsmotor zusätzliche Energie aus dem Energiespeicher zugeführt werden. Wird der Antriebsmomentenfaktor kM < 1 gewählt, ist das vom Fahrzeug- benutzer erzeugte Drehmoment MG größer als das vom elektrischen Antriebsmotor erzeugte und auf das angetriebene Rad übertragene Drehmoment MA. ES kann am Generator erzeugte elektrische Energie dem Energiespeicher zugeführt wer¬ den. Zur Veränderung des Antriebsmomentenfaktors kM kann die elektrische Schaltungsanordnung ein vom Fahrzeugbenutzer bedienbares Bedienelement aufweisen. Der Fahrzeugbenutzer kann dann zwischen den drei genannten Varian- ten wählen und natürlich auch die Größe der dem Energiespeicher zu entnehmen¬ den oder zuzuführenden Energie bestimmen. Natürlich wird durch die Wahl des Antriebsmomentenfaktors kM wesentlich das Fahrgefühl beeinflusst.
Eine Veränderung des Drehzahlübersetzungsfaktors kn hat die Wirkung einer kon¬ ventionellen Gangschaltung, wenn sie verbunden ist mit einer Veränderung des Antriebsmomentenfaktors kM. wobei kM=1/kn ist.
Die vorstehend beschriebene Funktion des elektrischen Antriebssystems beim Anfahren aus dem Stillstand entspricht aufgrund der Drehzahlregelung mit der Be¬ dingung nG < kn * nR grundsätzlich auch der Funktion des elektrischen Antriebs¬ systems bei einer Beschleunigung der Fahrt des Fahrzeuges infolge der Erzeu- gung eines Drehmomentes MG am Generator durch den Fahrzeug benutzer oder einer Fahrt mit erhöhtem Widerstand (Berganfahrt, Gegenwind, erhöhter Rollwi¬ derstand usw.).
Der besondere Vorteil eines derartigen elektrischen Antriebssystems für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug mit einer Drehzahlregelung, die die Bedingung nG < kn * nR erfüllt, liegt letztlich darin, dass diese Bedingung quasi exakt die Verhältnisse beschreibt, die bei einem konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeug vorliegen, wodurch automatisch die die Fahrt und das Fahrverhalten eines solchen Fahrzeuges beeinflussenden Umstände, wie Bergan- oder Bergab- fahrt, Windverhältnisse, erhöhter Rollwiderstand infolge widriger Bodenbeschaffenheit oder Schwergängigkeit des Fahrzeuges, Körpergewicht des Fahrzeugbenutzers usw., berücksichtigt werden und diese den Widerstand, insbesondere den Tretwiderstand, sowohl beim Anfahren aus dem Stillstand als auch beim Beschleunigen der Fahrt, aber auch bei gleichbleibender Fahrt mit üblichen der Vor- wärtsbewegung des Fahrzeuges entgegenwirkenden Kräften beeinflussen, so dass der Fahrzeugbenutzer ein dem Fahrgefühl und der Gewöhnung von einem konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeug gleiches Verhalten des Fahrzeuges wahrnimmt. Dies wird auf einfache Weise erreicht, ohne dass dazu aufwendige Steuerkurven oder Ähnliches für unterschiedlichste Umstände, die die Fahrt und das Fahrverhalten eines Fahrzeuges beeinflussenden können, erfasst, gespeichert und nachgebildet werden müssen. Die durch Muskelkraft betreibbare Antriebseinheit kann je nach Anwendung des elektrischen Antriebssystems als Antriebskurbel, insbesondere als Tretkurbel, bei Verwendung des Antriebssystems an einem Fahrrad, aber auch als Greifring oder Schubkranz, bei Verwendung des Antriebssystems an einem Rollstuhl, ausgebildet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles weiter erläu¬ tert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in
Figur 1 : ein Schema mit den wesentlichen Baugruppen eines elektrischen Antriebssystems, in
Figur 2: ein vereinfachtes regelungstechnisches Prinzipschaltbild in
Figur 3: schematisch den Leistungsfluss in dem elektrischen Antriebssystem beim Anfahren aus dem Stillstand und in
Figur 4: schematisch den Leistungsfluss in dem elektrischen Antriebssystem bei„normaler" Fahrt.
Figur 1 zeigt ein Schema mit den wesentlichen Baugruppen eines elektrischen Antriebssystems für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug, hier ein Fahrrad, mit einer als Tretkurbel ausgebildeten, durch Muskelkraft betreibbaren Antriebseinheit 1 , die mechanisch zur Übertragung eines von einem Fahrzeugbenutzer erzeugten Drehmomentes MG mit einem elektrischen Generator 2 verbunden ist, einem Antriebsmotor 3, der mechanisch zur Übertagung eines vom elektrischen Antriebsmotor 3 erzeugten Drehmomentes MA mit einem angetriebenen Rad 4 verbunden ist, einem Energiespeicher 5 und einer elektrischen Schaltungsanordnung 6 zur elektrischen Verkopplung des Generators 2 mit dem Antriebsmotor 3 und dem Energiespeicher 5. Der Generator 2 und der Antriebsmotor 3 sind jeweils als Drehstrommaschinen ausgebildet. Die elektrische Schaltungsanordnung 6 um- fasst einen ersten Umrichter 7 zur Umwandlung des Dreiphasenwechselstromes des Generators 2 in einen Gleichstrom und umgekehrt, einen zweiten Umrichter 8 zur Umwandlung eines Gleichstromes in einen Dreiphasenwechselstrom für den Antriebsmotor 3, eine Drehzahlregeleinrichtung 9 und eine Drehmomentenregeleinrichtung 10. In Figur 1 nicht dargestellt, aber selbstverständlich mit zur elektrischen Schaltungsanordnung 6 gehören Messeinrichtungen zur Generierung von drehzahl- sowie drehmomentenproportionalen elektrischen Signalen, elektri- sehe Signalverstärker und, wenn vorhanden, mit elektrischen Signalverstärkern zusammenwirkende Bedienelemente zur Beeinflussung der elektrischen Signale.
Figur 2 zeigt ein vereinfachtes regelungstechnisches Prinzipschaltbild des elektrischen Antriebssystems. Dargestellt sind: die Drehzahlregeleinrichtung 9 mit einem Drehzahlregelglied 1 1 , einem SollVIstwertvergleicher 12 und einer Stellein¬ richtung 13 zur Beeinflussung des Generatorstromes IG, die Drehmomentenregel¬ einrichtung 10 mit einem Drehmomentenregelglied 14, einem SollVIstwertverglei¬ cher 15 und einer Stelleinrichtung 16 zur Beeinflussung des Antriebsmotorstro- mes IA, eine Einrichtung 17 zur Erfassung des Generatorstromes IG, eine Einrich¬ tung 18 zur Erfassung des Antriebsmotorstromes U, eine Einrichtung 19 zur Erfas¬ sung der Generatordrehzahl nc eine Einrichtung 20 zur Erfassung der Drehzahl nR des durch den Antriebsmotor 3 angetriebenen Rades 4, ein Signalverstärker 21 zur Wandlung des Signals des Generatorstromes IG in ein dem vom Fahrzeugbe- nutzer zum Antrieb des Generators aufgebrachten Drehmoment MG proportionales Signal, ein Signalverstärker 22 zur Beeinflussung des dem Drehmoment MG proportionalen Signals entsprechend dem Antriebsmomentenfaktor kM, ein Signalverstärker 23 zur Wandlung des Signals des Antriebsmotorstromes U in ein dem vom Antriebsmotor erzeugtem Drehmoment MA proportionales Signal, ein Signal- Verstärker 24 zur Beeinflussung des der Drehzahl nR des durch den elektrischen Antriebsmotor 3 angetriebenen Rades 4 proportionalen Signals entsprechend dem Drehzahlübersetzungsfaktor kn sowie der Generator 2, der Antriebsmotor 3 mit dem mechanisch zur Übertragung eines Drehmomentes verbundenen Rad 4 und dem Energiespeicher 5.
Die Figur 3 zeigt den Leistungsfluss in dem elektrischen Antriebssystem zwischen der als Tretkurbel ausgebildeten, durch Muskelkraft betreibbaren Antriebseinheit 1 , dem Generator 2, dem Antriebsmotor 3, dem Rad 4 und dem Energiespeicher 5 beim Anfahren aus dem Stillstand. Figur 4 zeigt den vorgenannten Leistungsfluss bei„normaler" Fahrt, wobei unter normaler Fahrt eine Fahrt mit gleichbleibender Geschwindigkeit oder mit leichter Beschleunigung infolge erhöhten aufgebrachten Drehmomentes MG durch den Fahrzeugbenutzer oder mit abnehmender Geschwindigkeit verstanden wird. Bei einer Fahrt mit starker Beschleunigung infolge stark erhöhten aufgebrachten Drehmomentes MG durch den Fahrzeugbenutzer kann der Leistungsfluss dem in Figur 3 gezeigten Leistungsfluss entsprechen. Im Folgenden soll anhand der Figuren 1 bis 4 die Funktion des elektrischen An¬ triebssystems und dabei insbesondere der elektrischen Schaltungsanordnung er¬ läutert werden, wobei zunächst die Phase des Anfahrens aus dem Stillstand be¬ trachtet wird.
Die Startbedingungen dieser Phase sind eine Drehzahl nR des durch den An¬ triebsmotor 3 angetriebenen Rades 4 nR = 0 und ein vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugtes Drehmoment MG. Die Drehzahl nR des durch den Antriebsmotor 3 angetriebenen Rades 4 wird mittels der Einrichtung 20 er¬ fasst und über den Signalverstärker 24 dem positiven Eingang des Sol stwert- vergleichers 12 zugeleitet. Mittels der Einrichtung 19 wird die Drehzahl nG des Generators 2 erfasst und dem negativen Eingang des Soll-/lstwertvergleichers 12 zugeleitet. Durch das Drehzahlregelglied 1 1 wird eine Stellgröße erzeugt, die über die Stelleinrichtung 13 einen vom Energiespeicher 5 gespeisten Generatorstrom IG erzeugt, der im Generator 2 ein Gegenmoment zu dem vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugten Drehmoment MG bewirkt. Der Generatorstrom IG wird mittels der Einrichtung 17 erfasst und über die Signalverstärker 21 und 22 als Signal für das vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugte Drehmoment MG dem positiven Eingang des Soll7lstwertvergleichers 15 zugeleitet. Mittels der Einrichtung 18 wird der Antriebsmotorstrom erfasst und über den Signalverstärker 23 als Signal für das vom Antriebsmotor 3 erzeugte Drehmoment MA dem negativen Eingang des Soll-/lstwertvergleichers 15 zugeleitet. Durch das Drehmomentenregelglied 14 wird eine Stellgröße erzeugt, die über die Stelleinrichtung 16 einen Antriebsmotorstrom U erzeugt, der durch den Antriebsmotor 3 ein Drehmoment MA bewirkt, dessen Größe dem vom Fahrzeugbe- nutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugten Drehmoment MG entspricht. Ist dieses Drehmoment MA ausreichend groß, wird das Rad 4 in Drehung versetzt und das Fahrzeug beginnt eine beschleunigte Fortbewegung. Die Drehung des Rades 4 bewirkt eine Erhöhung der durch die Einrichtung 20 erfassten Drehzahl nR des durch den Antriebsmotor 3 angetriebenen Rades 4. In Folge dessen wird dem positiven Eingang des Sol stwertvergleichers 12 ein größeres Signal zugeführt, wodurch die Drehzahlregeleinrichtung 9 einen Generatorstrom IG bewirkt, der den Generator 2 unter Berücksichtigung des vom Fahrzeug benutzer zum Antrieb des Generators erzeugten Drehmomentes MG mit der Drehzahl nG < kn * nR drehen lässt.
Durch die Drehzahlregeleinrichtung 9, die stets die Bedingung nG < kn * nR erfüllt, wird bewirkt, dass beim Anfahren aus dem Stillstand dem Fahrzeugbenutzer ein Tretwiderstand entgegenwirkt, der einem Tretgefühl entspricht, das er vom Fahren eines konventionellen mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeuges kennt.
Figur 3 zeigt den hierbei auftretenden Leistungsfluss. Eine vom Fahrzeugbenutzer an der als Tretkurbel ausgebildeten, durch Muskelkraft betreibbaren Antriebsein- heit 1 erzeugte Kurbelleistung Ρκ wirkt auf den Generator 2. Diesem wird über den Umrichter 7 eine Generatorleistung PG zugeführt, die dem Energiespeicher 5 ent¬ nommen wird. Dem Antriebsmotor 3 wird über den Umrichter 8 eine Motorleistung PM zugeführt, die vom Antriebsmotor 3 als Radleistung PR auf das angetriebene Rad 4 übertragen wird. Dem Energiespeicher 5 wird beim Anfahren aus dem Still- stand eine Speicherleistung PA entnommen, die sich aus der Generatorleistung PG und der Motorleistung PM zusammensetzt.
Zur Vereinfachung und zum besseren Verständnis wurde bei vorstehender Erläute¬ rung der Antriebsmomentenfaktor kM nicht weiter betrachtet. Da die Drehmomen- tenregelung die Bedingung MA = kM * MG erfüllt, ist leicht zu verstehen, dass bei einem Antriebsmomentenfaktor kM = 1 das vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugte Drehmoment MG in gleicher Größe vom Antriebsmo¬ tor 3 erzeugt und auf das angetriebene Rad 4 übertragen wird. Wird der Antriebsmomentenfaktor kM < 1 gewählt, ist folglich das vom Antriebsmotor 3 er- zeugte und auf das angetriebene Rad 4 übertragene Drehmoment MA < als das vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugte Drehmoment MG. Am Generator 2 wird durch den Fahrzeugbenutzer demgemäß mehr Energie erzeugt, als zum Antrieb des Fahrzeuges verwendet wird. Die überschüssige Energie wird dem Energiespeicher 5 zugeführt. Der hierbei auftretende Leistungsfluss wird in Figur 4 veranschaulicht. Die vom Fahrzeugbenutzer an der als Tretkurbel ausgebildeten, durch Muskelkraft betreibbaren Antriebseinheit 1 erzeugte Kurbelleistung PK wirkt auf den Generator 2. Dieser erzeugt daraus die Generatorleistung PG. Ein Teil der Generatorleistung PG wird über die Umrichter 7 und 8 dem Antriebsmotor 3 als Motorleistung PM zugeführt, die vom Antriebsmotor 3 als Rad- leistung PR auf das angetriebene Rad 4 übertragen wird. Ein anderer Teil der Generatorleistung PG wird über die Umrichter 7 als Speicherleistung PA dem Energiespeicher 5 zugeführt.
Wird der Antriebsmomentenfaktor kM > 1 gewählt, ist das vom Antriebsmotor 3 erzeugte und auf das angetriebene Rad 4 übertragene Drehmoment MA > als das vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugte Drehmoment MG. Dem Antriebsmotor 3 muss also zusätzlich Energie aus dem Energiespeicher 5 zugeführt werden. Auch der hierbei auftretende Leistungsfluss ist in Figur 4 ge¬ zeigt. Die vom Fahrzeugbenutzer an der als Tretkurbel ausgebildeten, durch Mus¬ kelkraft betreibbaren Antriebseinheit 1 erzeugte Kurbelleistung Ρκ wirkt auf den Generator 2. Dieser erzeugt daraus die Generatorleistung PG. Die Generatorleis- tung PG wird über die Umrichter 7 und 8 dem Antriebsmotor 3 als ein Teil der Mo¬ torleistung PM zugeführt. Ein weiterer Teil an Motorleistung PM wird dem Antriebs¬ motor 3 aus dem Energiespeicher als Speicherleistung PA über den Umrichter 8 zugeführt. Die gesamte dem Antriebsmotor 3 zugeführte Motorleistung PM wird als Radleistung PR auf das angetriebene Rad 4 übertragen.
Sowohl Figur 3 als auch Figur 4 zeigen auch einen Leistungsfluss, der bei einem generatorischen Betrieb des Antriebsmotors 3 zum Bremsen des Fahrzeuges auf¬ tritt. Dabei wird kinetische Energie des Rades 4 als Radleistung PR dem generato¬ risch betriebenen Antriebsmotor 3 zugeführt, die dann als Motorleistung PM über den Umrichter 8 dem Energiespeicher 5 als Speicherleistung PA zugeleitet wird.
Ebenfalls zur Vereinfachung wurde vorstehend der Drehzahlübersetzungsfaktor kn nicht weiter betrachtet. Eine Veränderung des Drehzahlübersetzungsfaktors kn hat die Wirkung einer konventionellen Gangschaltung, wenn sie verbunden ist mit ei- ner Veränderung des Antriebsmomentenfaktors kM, wobei kM=1/kn ist.
Die Drehzahlregelung und die Drehmomentenregelung wirken auch während des „normalen" Fahrens grundsätzlich, wie vorstehend beschrieben, also es wird durch die Drehzahlregelung stets die Bedingung Drehzahl des Generators 2 nG < kn * Drehzahl nR des durch den Antriebsmotor 3 angetriebenen Rades 4 sowie durch die Drehmomentenregelung die Bedingung vom Antriebsmotor 3 erzeugtes Drehmoment MA = kM * vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators 2 erzeugtes Drehmoment MG erfüllt. Durch die Erfüllung beider Bedingungen durch die beiden Regelungen wirken quasi automatisch wie bei einem konventio- nellen, mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeug alle die Fahrt und das Fahrverhalten beeinflussenden Umstände, wie Bergan- oder Bergabfahrt, Windverhältnisse, erhöhter Rollwiderstand infolge widriger Bodenbeschaffenheit oder Schwergängig- keit des Fahrzeuges, Körpergewicht des Fahrzeugbenutzers usw., auf den Widerstand, insbesondere den Tretwiderstand, den der Fahrzeugbenutzer beim Fahren überwinden muss. Es wird dem Fahrzeugbenutzer damit sowohl beim Anfahren aus dem Stillstand als auch beim Beschleunigen der Fahrt, aber auch bei gleich- bleibender Fahrt mit üblichen, der Vorwärtsbewegung des Fahrzeuges entgegen¬ wirkenden Kräften ein Gefühl, insbesondere ein Tretgefühl vermittelt, das er von einem konventionellen, mit Muskelkraft betriebenen Fahrzeug kennt und gewohnt ist.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 - Antriebseinheit
2 - Generator
3 - Antriebsmotor
4 - Rad
5 - Energiespeicher
6 - elektrische Schaltungsanordnung
7, 8 - Umrichter
9 - Drehzahlregeleinrichtung
10 - Drehmomentenregeleinrichtung
1 1 - Drehzahlregelglied
2 - SollVIstwertvergleicher
3 - Stelleinrichtung
14 - Drehmomentenregelglied
15 - SollVIstwertverg leicher
16 - Stelleinrichtung
17 - Einrichtung zur Erfassung des Generatorstromes IG
18 - Einrichtung zur Erfassung des Antriebsmotorstromes IA 19 - Einrichtung zur Erfassung der Generatordrehzahl nG
20 - Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl nR
21 - Signalverstärker
22 - Signalverstärker
23 - Signalverstärker
24 - Signalverstärker
IA - Antriebsmotorstrom
IG - Generatorstrom
Is - Energiespeicherstrom
kn - Drehzahlübersetzungsfaktor
kM - Antriebsmomentenfaktor
MA - vom Antriebsmotor erzeugtes Drehmoment
MG - vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des Generators erzeugtes
Drehmoment
nG - Drehzahl des Generators
nR - Drehzahl eines durch den Antriebsmotor angetriebenen Rades
PK - Kurbelleistung Generatorleistung Motorleistung Radleistung Speicherleistung

Claims

Patentansprüche
1 . Elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug, mindestens umfassend einen mit einer durch Muskelkraft betreibbaren An- triebseinheit (1 ) mechanisch verbundenen elektrischen Generator (2) , einen elektrischen Antriebsmotor (3), einen elektrischen Energiespeicher (5) und eine elektrische Schaltungsanordnung (6) zur elektrischen Verkopplung des Generators (2) mit dem Antriebsmotor (3) und dem Energiespeicher (5), dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrische Schaltungsanordnung (6) eine Drehzahlregeleinrichtung (9), mittels derer eine Drehzahlregelung des elektrischen Generators (2) derart erfolgt, dass die Drehzahl nG des elektrischen Generators die Bedingung nG < kn * nR erfüllt, wobei nR die Drehzahl eines durch den elektrischen Antriebsmotor (3) angetriebenen Rades (4) des Fahrzeuges und kn ein vorgege- bener Drehzahlübersetzungsfaktor sind und eine Drehmomentenregeleinrichtung (1 0), mittels derer eine Drehmomentenregelung des elektrischen Antriebsmotors (3) derart erfolgt, dass das vom elektrischen Antriebsmotor (3) erzeugte Drehmoment MA die Bedingung MA = kM * MG erfüllt, wobei MG das vom Fahrzeugbenutzer zum Antrieb des elektrischen Generators (2) erzeugte Drehmoment und kM ein vorgegebener Antriebsmomentenfaktor sind, aufweist.
2. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drehzahlregeleinrichtung mit einer Einrichtung (20) zur Erfassung der Drehzahl nR eines durch den elektrischen Antriebsmotor (3) angetriebenen Rades (4) des Fahrzeuges und einer Einrichtung (1 9) zur Erfassung der Drehzahl nG des elektrischen Generators (2) derart elektrisch verbunden ist, dass das Signal der Einrichtung zur Erfassung (20) der Drehzahl nR des durch den elektrischen Antriebsmotor (3) angetriebenen Rades (4) als Führungsgröße für die Drehzahlregelung und das Signal der Einrichtung (1 9) zur Erfassung der Drehzahl nG des elektrischen Generators (2) als Rückführgröße für die Drehzahlregelung fungiert und dass die Drehzahlregeleinrichtung (9) mit dem elektrischen Energiespeicher (5) derart elektrisch verbunden ist, dass der Ge- neratorstrom IG die Stellgröße der Drehzahlregelung ist, wobei der Generatorstrom IG ganz oder teilweise ein zwischen dem elektrischen Energiespei- eher (5) und dem elektrischen Generator (2) antreibbarer elektrischer Energie¬ speicherstrom ls sein kann.
3. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrische Schaltungsanordnung (6) ein vom Fahrzeugbenutzer betätig¬ bares Bedienelement aufweist, mittels dessen der Drehzahlübersetzungsfak¬ tor kn veränderbar ist.
4. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Dehmomentenregeleinrichtung (10) mit einer Einrichtung (18) zur Erfassung des Antriebsmotorstromes und einer Einrichtung (17) zur Erfassung des Generatorstromes IG derart elektrisch verbunden ist, dass das Signal der Einrichtung (1 7) zur Erfassung des Generatorstromes IG multipliziert mit dem Antriebsmomentenfaktor kM als Führungsgröße für die Drehmomentenregelung fungiert und das Signal der Einrichtung (18) zur Erfassung des Antriebs¬ motorstromes als Rückführungsgröße der Drehmomentenregelung fungiert, dass der Antriebsmotorstrom die Stellgröße der Drehmomentenregelung ist und dass die Drehmomentenregeleinrichtung (10) mit dem elektrischen
Generator (2) und dem elektrischen Energiespeicher (5) derart elektrisch verbunden ist, dass der Antriebsmotorstrom sich durch Summierung des Generatorstromes IG und eines zwischen dem elektrischen Energiespeicher (5) und der Drehmomentenregeleinrichtung (10) fließenden elektrischen Energie- speicherstromes ls ergibt, wobei der zwischen dem elektrischen Energiespeicher (5) und der Drehmomentenregeleinrichtung (10) fließende elektrische Energiespeicherstrom ls positiv oder negativ sein kann.
5. Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1 - 4
dadurch gekennzeichnet, dass
die durch Muskelkraft betreibbare Antriebseinheit (1 ) als Tretkurbel ausgebildet ist.
6. Verwendung eines elektrischen Antriebssystems nach Anspruch 1 - 5 als
elektrisches Antriebssystem für ein Fahrrad.
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