WO2024132012A1 - Antriebsmodul für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares fahrzeug, fahrzeug, verfahren zur steuerung eines antriebsmoduls, computerprogrammprodukt und steuereinheit - Google Patents

Antriebsmodul für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares fahrzeug, fahrzeug, verfahren zur steuerung eines antriebsmoduls, computerprogrammprodukt und steuereinheit Download PDF

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Definitions

  • Drive module for a vehicle that can be operated at least partially by human power, vehicle, method for controlling a drive module, computer program product and control unit
  • the invention relates to a drive module for a vehicle that can be operated at least partially by human power, a vehicle equipped therewith, a method for operating the drive module, a computer program product and a control unit.
  • Electric bicycles Vehicles that are at least partially powered or operable by human power, such as bicycles with an auxiliary drive, are known from the state of the art as electric bicycles.
  • An electric bicycle is a bicycle with an additional built-in electric motor.
  • a battery that works together with the electric motor is removable and can be charged from a household socket.
  • pedelec limited pedal support
  • e-bike bicycles with pedal-independent additional drive
  • e-scooter electric bicycles without pedal drive
  • DE 10 2011 082 082 A1 discloses a bicycle with an auxiliary motor designed as a hub motor.
  • the bicycle also comprises a drive wheel that can be driven by the auxiliary motor, a bottom bracket with pedals, the mechanical energy of which a generator arranged in the bottom bracket converts the energy into electrical energy.
  • the generator can operate the auxiliary motor.
  • the auxiliary motor is arranged mechanically separated from the pedals in such a way that the auxiliary motor can only be operated by the electrical energy provided by the generator and/or an energy storage device.
  • 10 2017 213 303 A1 describes a motor arrangement with a drive motor and a transmission device that is arranged radially inside the drive motor.
  • This motor arrangement is intended to be connected to an electric generator and/or to an electric energy storage device via an electric line.
  • the generator is driven by muscle power via a pedal crank in order to generate electric energy that is used to drive the vehicle. This also eliminates the need for a drive chain or drive belt on the vehicle.
  • the object of the invention is therefore to create a cost-optimized solution for the friction and inertia compensation required by the high gear ratio of the transmission in order to come as close as possible to the desired driving experience.
  • the drive module according to the invention is intended to be installed as part of a drive arrangement for a vehicle that is at least partially operated by human power, wherein the vehicle comprises at least one drive motor that is designed to drive a drive wheel of the vehicle.
  • the drive module comprises a generator which is designed to be connectable to a pedal crank via a shaft in such a way that mechanical energy generated by the pedal crank can be converted by the generator into electrical energy.
  • the generator is designed to provide electrical energy with which the at least one drive motor can be operated directly and/or can be absorbed by an energy storage device which is designed to provide electrical energy to the drive motor.
  • the drive module further comprises sensors for detecting the speed on the pedal crank to monitor the drive speed.
  • the drive module further comprises means for detecting the rotational speed of the drive wheel.
  • an interface can be provided which is designed to detect or receive a rotational speed determined by a sensor on the drive wheel. It is also conceivable to consider such a sensor as belonging to the operating system of the drive module.
  • the drive module further comprises a control unit which is designed to operate or energize the generator as a motor depending on the speed of the pedal crank and the speed of the drive wheel.
  • the vehicle according to the invention also comprises at least one drive motor which is designed to drive at least one drive wheel of the vehicle. It also comprises means for detecting the rotational speed of the drive wheel.
  • the method according to the invention for operating a drive module for a vehicle that can be operated at least partially by muscle power, which comprises at least one drive motor that is designed to drive a drive wheel of the vehicle, wherein the drive module comprises a generator that is designed to be connectable to a pedal crank via a shaft in such a way that mechanical energy generated by the pedal crank can be converted into electrical energy by the generator, wherein the generator is designed to provide electrical energy with which the at least one drive motor can be operated directly and/or which can be received by an energy storage device that is designed to provide electrical energy to the drive motor (4), wherein the drive module further comprises sensors for detecting the speed of the pedal crank, means for detecting the speed of the drive wheel and a control unit, wherein the control unit is designed to operate the generator as a motor depending on the speed of the pedal crank and the speed of the drive wheel.
  • the generator is energized according to a predetermined dependency.
  • the predetermined dependency comprises a constant component and a dynamic component.
  • the dynamic component is preferably calculated as a function of the angular velocity and/or angular acceleration.
  • the object of the invention can be achieved by a computer program product stored on a machine-readable carrier or by a computer data signal embodied by an electromagnetic wave with program code suitable for carrying out the method according to one of claims 3 to 6.
  • control unit for controlling an electric drive system for a vehicle that can be operated with muscle power, comprising a processor and a memory that contains a computer program code, wherein the memory and the computer program code are configured, with the processor, the control unit for carrying out a method according to one of claims 3 to 6.
  • the input speed on the crank and the output speed on the drive wheel are detected.
  • a state is determined in which the input speed is lower than the current speed (“converted” to the crank) on the drive wheel.
  • the generator should initially be operated as a motor until it reaches a state in which the drive speed corresponds to the speed at which torque can be transmitted - in other words: until freewheeling is no longer active.
  • the level of this support includes a constant component that corresponds to the friction in the transmission (e.g. sealing friction). It also includes a dynamic component that is calculated as a function of angular velocity and angular acceleration and means that the driver does not feel pedal resistance caused by the transmission because it is compensated by an active drive of the generator as an electric machine. Further measures that improve the invention are presented in more detail below together with the description of the invention with reference to Figure 1.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a vehicle 1 with a rear drive wheel 5 driven by the drive motor 4.
  • the drive module 3 according to the invention can also be seen schematically, which comprises a generator and a shaft, as well as a pedal crank 2 with pedals.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Antriebsmodul für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares Fahrzeug, ein damit ausgestattetes Fahrzeug, ein Verfahren zum Betreiben des Antriebsmoduls und ein Computerprogrammprodukt.

Description

Antriebsmodul für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares Fahrzeug, Fahrzeug, Verfahren zur Steuerung eines Antriebsmoduls, Computerprogrammprodukt und Steuereinheit
Die Erfindung betrifft ein Antriebsmodul für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares Fahrzeug, ein damit ausgestattetes Fahrzeug, ein Verfahren zum Betreiben des Antriebsmoduls, ein Computerprogrammprodukt und eine Steuereinheit.
Zumindest teilweise muskelkraftbetriebene bzw. betreibbare Fahrzeuge, beispielsweise Fahrräder mit einem Hilfsantrieb, sind aus dem Stand der Technik als Elektrofahrräder bekannt. Ein Elektrofahrrad ist ein Fahrrad mit einem zusätzlich eingebauten Elektromotor. Ein mit dem Elektromotor zusammenwirkender Akkumulator ist abnehmbar ausgeführt und kann an einer Haushalts-Steckdose aufgeladen werden. Aus führerscheinrechtlichen Gründen wird unterschieden zwischen Fahrrädern mit beschränkter Tretunterstützung (Pedelec), Fahrrädern mit unlimitierter Tretunterstützung (schnelles Pedelec), Fahrrädern mit tretunabhängigem Zusatzantrieb (E-Bike) und Elektrorädern ohne Tretantrieb (E-Scooter). Bei einem Pedelec springt der Elektromotor nur an, wenn in die an einer Tretkurbel angeordneten Pedale getreten wird. Mithin wird das Pedelec zumindest teilweise durch Muskelkraft betrieben. Der Elektromotor unterstützt also nur die Tretkraft.
Aus dem Stand der Technik sind Antriebssysteme für motorisch unterstützte Fahrräder bekannt, bei denen ein Generator die biomechanische Antriebsleistung eines Benutzers in eine elektrische Leistung umwandelt, welche dann durch einen mit einem Rad verbundenen Antriebsmotor wieder in mechanische Antriebsleistung umgewandelt wird.
Aus der DE 10 2011 082 082 A1 geht ein Fahrrad mit einem als Nabenmotor ausgebildeten Hilfsmotor hervor. Ferner umfasst das Fahrrad ein durch den Hilfsmotor an- treibbares Antriebsrad, ein Tretlager mit einer Pedalerie, deren mechanische Energie ein im Tretlager angeordneter Generator in elektrische Energie umwandelt. Der Generator kann den Hilfsmotor betreiben. Dabei ist der Hilfsmotor derart mechanisch getrennt von der Pedalerie angeordnet, dass der Hilfsmotor ausschließlich von der vom Generator und/oder von einem Energiespeicher bereitstellbaren elektrischen Energie betreibbar ist.
Die 10 2017 213 303 A1 beschreibt eine Motoranordnung mit einem Antriebsmotor und einer Getriebevorrichtung, die radial innerhalb des Antriebsmotors angeordnet ist. Diese Motoranordnung ist dazu vorgesehen, über eine elektrische Leitung mit einem elektrischen Generator und/oder mit einem elektrischen Energiespeicher verbunden zu werden. Auch hierbei wird der Generator durch Muskelkraft über eine Tretkurbel angetrieben, um elektrische Energie zu erzeugen, die zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet wird. Somit entfällt auch hierbei eine Antriebskette oder ein Antriebsriemen am Fahrzeug.
Der Fahrer treibt also mittels Drehung der Tretkurbeln lediglich einen Generator an, der Strom erzeugt. Mit diesem kann beispielsweise eine Batterie geladen oder direkt der Antriebs-Elektromotor angetrieben werden. Weiterhin kann über eine geladene Batterie zusätzlich Strom für den Antriebs-Elektromotor zur Verfügung gestellt werden.
Grundsätzlich besteht bei tretkraftunterstützten Fahrzeugen das Bedürfnis, das vom Fahrer subjektiv empfundene Fahrgefühl nicht von dem Fahrgefühl eines mit einem ausschließlich mit Tretkraft betriebenen Fahrzeugs abweichen zu lassen. Umso höher übersetzt das verwendete Getriebe ist, desto deutlicher spürbar wird zu Beginn des Pedalierens aus der Freilauf-Phase heraus oder auch ansonsten bei einem Übergang von lastlosem Betrieb auf Antrieb das vom Fahrer zu überwindende Drehmoment aufgrund von zusätzlicher Reibung und Trägheit. Dieses zusätzlihe Drehmoment ist bei konventionellen Fahrrädern nicht vorhanden und wird daher vom Fahrer als unangenehm und störend empfunden Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine kostenoptimierte für einen durch die hohe Übersetzung des Getriebes notwendigen Reibungs- und Trägheitsausgleich zu schaffen, um dem gewünschten Fahrgefühl möglichst nahe zu kommen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Antriebsmodul gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben des Antriebsmoduls nach Anspruch 3.
Das erfindungsgemäße Antriebsmodul ist dafür vorgesehen, als Teil einer Antriebsanordnung für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares Fahrzeug verbaut zu werden, wobei das Fahrzeug mindestens einen Antriebsmotor umfasst, der ausgebildet ist, ein Antriebsrad des Fahrzeugs anzutreiben.
Das erfindungsgemäße Antriebsmodul umfasst einen Generator, der über eine Welle mit einer Tretkurbel derart verbindbar ausgebildet ist, dass durch die Tretkurbel erzeugte mechanische Energie von dem Generator in elektrische Energie umwandelbar ist.
Dabei ist der Generator erfindungsgemäß ausgebildet, elektrische Energie bereitzustellen, mit welcher der mindestens eine Antriebsmotor direkt betreibbar ist, und/oder von einem Energiespeicher aufnehmbar ist, der ausgebildet ist, dem Antriebsmotor seinerseits elektrische Energie bereitzustellen.
Erfindungsgemäß umfasst das Antriebsmodul ferner Sensorik zur Drehzahlerfassung an der Tretkurbel zur Überwachung der Antriebsdrehzahl.
Erfindungsgemäß umfasst das Antriebsmodul ferner Mittel zum Erfassen der Drehzahl des Antriebsrads. Hierzu kann eine Schnittstelle vorgesehen sein, die ausgebildet ist, eine von einem Sensor am Antriebsrad ermittelte Drehzahl zu erfassen oder empfangen. Denkbar ist auch, einen solchen Sensor als zum Wirkungssystem des Antriebsmoduls zugehörig zu betrachten. Erfindungsgemäß umfasst das Antriebsmodul ferner eine Steuereinheit, die dergestalt ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Drehzahl der Tretkurbel und der Drehzahl des Antriebsrads den Generator motorisch zu betreiben, beziehungsweise zu bestromen.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst neben dem vorab beschriebenen Antriebsmodul außerdem mindestens einen Antriebsmotor, der ausgebildet ist, mindestens ein Antriebsrad des Fahrzeugs anzutreiben. Ferner umfasst es Mittel zur Erfassung der Drehzahl des Antriebsrads.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Antriebsmodul ist für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares Fahrzeug vorgesehen, welches mindestens einen Antriebsmotor umfasst, der ausgebildet ist, ein Antriebsrad des Fahrzeugs anzutreiben, wobei das Antriebsmodul einen Generator umfasst, der über eine Welle mit einer Tretkurbel derart verbindbar ausgebildet ist, dass durch die Tretkurbel erzeugte mechanische Energie von dem Generator in elektrische Energie umwandelbar ist, wobei der Generator ausgebildet ist, elektrische Energie bereitzustellen, mit der der mindestens eine Antriebsmotor direkt betreibbar ist, und/oder die von einem Energiespeicher aufnehmbar ist, der ausgebildet ist, dem Antriebsmotor (4) elektrische Energie bereitzustellen, wobei das Antriebsmodul ferner Sensorik zur Drehzahlerfassung an der Tretkurbel, Mittel zum Erfassen der Drehzahl des Antriebsrads und eine Steuereinheit umfasst, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Drehzahl der Tretkurbel und der Drehzahl des Antriebsrads den Generator motorisch zu betreiben.,
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei die Schritte
- Ermitteln eines Stillstands des Fahrzeugs
Erfassen einer Drehzahl der Tretkurbel
Erfassen der Drehzahl des Antriebsrads Solange die Drehzahl der Tretkurbel kleiner ist als eine Drehzahl der Tretkurbel, die der Drehzahl des Antriebsrads in einem Lastbetrieb entspricht:
Verringerung eines Tretwiderstandes durch Bestromen des Generators.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Bestromen des Generators entsprechend einer vorab festgelegten Abhängigkeit.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die vorab festgelegte Abhängigkeit einen konstanten Anteil und einen dynamischen Anteil. Bevorzugt wird der dynamische Anteil dabei winkelgeschwindigkeits- und/oder winkelbeschleunigungsabhängig berechnet.
Ferner kann die Aufgabe der Erfindung gelöst werden durch ein Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder durch ein Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit Programmcode, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 6.
Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung auch gelöst durch eine Steuereinheit zur Steuerung eines elektrischen Antriebssystems für ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug, umfassend einen Prozessor und einen Speicher, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 6.
Tatsächlich wird also die Antriebsdrehzahl an der Kurbel sowie die Abtriebsdrehzahl am Antriebsrad detektiert. Ermittelt wird ein Zustand, in dem die Antriebsdrehzahl kleiner ist als die die aktuelle (auf die Kurbel „umgerechnete“) Drehzahl am Antriebsrad.
Wird aus dem lastfreien Zustand heraus die Kurbel vom Fahrer beschleunigt, so soll der Generator zunächst motorisch betrieben werden bis hin zu einem Zustand, in dem die Antriebsdrehzahl derjenigen Drehzahl entspricht, ab welcher Drehmoment übertragen werden kann - anders ausgedrückt: bis kein Freilauf mehr aktiv ist.
Die Höhe dieser Unterstützung umfasst einen konstanten Anteil, der der Reibung im Getriebe entspricht (beispielsweise Dichtungsreibung). Sie umfasst ferner einen dy- namischen Anteil, der winkelgeschwindigkeits- und winkelbeschleunigungsabhängig berechnet wird und dazu führt, dass der Fahrer durch das Getriebe bedingte Tretwiderstände nicht spürt, da sie durch einen aktiven Antrieb des Generators als elektrische Maschine kompensiert werden. Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der Erfindung anhand der Figur 1 näher dargestellt. Hierbei zeigt Figur 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 1 mit durch den Antriebsmotor 4 angetriebenem hinteren Antriebsrad 5. Schematisch ist ferner das erfindungsgemäße Antriebsmodul 3 erkennbar, welches einen Generator und eine Welle, sowie eine Tretkurbel 2 mit Pedalen umfasst.
Bezugszeichen
1 Fahrzeug 2 Tretkurbel
3 Antriebsmodul
4 Antriebsmotor
5 Antriebsrad

Claims

Patentansprüche
1 . Antriebsmodul (3) für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares Fahrzeug (1 ), welches mindestens einen Antriebsmotor (4) umfasst, der ausgebildet ist, ein Antriebsrad (5) des Fahrzeugs (1 ) anzutreiben, wobei das Antriebsmodul (3) einen Generator umfasst, der über eine Welle mit einer Tretkurbel (2) derart verbindbar ausgebildet ist, dass durch die Tretkurbel (2) erzeugte mechanische Energie von dem Generator in elektrische Energie umwandelbar ist, wobei der Generator ausgebildet ist, elektrische Energie bereitzustellen, mit der der mindestens eine Antriebsmotor (4) direkt betreibbar ist, und/oder die von einem Energiespeicher aufnehmbar ist, der ausgebildet ist, dem Antriebsmotor (4) elektrische Energie bereitzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsmodul (3)
- Sensorik zur Drehzahlerfassung an der Tretkurbel (2),
- Mittel zum Erfassen der Drehzahl des Antriebsrads (5) und
- eine Steuereinheit umfasst, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Drehzahl der Tretkurbel (2) und der Drehzahl des Antriebsrads (5) den Generator motorisch zu betreiben.
2. Fahrzeug (1 ) umfassend mindestens ein Antriebsmodul (3) nach Anspruch 1 ,
- einen Antriebsmotor (4), der ausgebildet ist, ein Antriebsrad (5) des Fahrzeugs (1 ) anzutreiben,
- Mittel zur Erfassung der Drehzahl des Antriebsrads (5).
3. Verfahren zum Betreiben eines Antriebsmodul (3) für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares Fahrzeug (1 ), welches mindestens einen Antriebsmotor (4) umfasst, der ausgebildet ist, ein Antriebsrad (5) des Fahrzeugs (1 ) anzutreiben, wobei das Antriebsmodul (3) einen Generator umfasst, der über eine Welle mit einer Tretkurbel (2) derart verbindbar ausgebildet ist, dass durch die Tretkurbel (2) erzeugte mechanische Energie von dem Generator in elektrische Energie umwandelbar ist, wobei der Generator ausgebildet ist, elektrische Energie bereitzustellen, mit der der mindestens eine Antriebsmotor (4) direkt betreibbar ist, und/oder die von einem Energiespeicher aufnehmbar ist, der ausgebildet ist, dem Antriebsmotor (4) elektrische Energie bereitzustellen, wobei das Antriebsmodul (3)
- Sensorik zur Drehzahlerfassung an der Tretkurbel (2),
- Mittel zum Erfassen der Drehzahl des Antriebsrads (5) und
- eine Steuereinheit umfasst und wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, in Abhängigkeit von der Drehzahl der Tretkurbel (2) und der Drehzahl des Antriebsrads (5) den Generator motorisch zu betreiben, umfassend die Schritte
- Ermitteln eines Stillstands des Fahrzeugs
- Erfassen einer Drehzahl der Tretkurbel
- Erfassen der Drehzahl des Antriebsrads
- Solange die Drehzahl der Tretkurbel kleiner ist als eine Drehzahl der Tretkurbel, die der Drehzahl des Antriebsrads in einem Lastbetrieb entspricht:
Verringerung eines Tretwiderstandes durch Bestromen des Generators.
4. Verfahren zum Betreiben eines Antriebsmoduls (3) für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares Fahrzeug (1 ) nach Anspruch 3, wobei das Bestromen des Generators entsprechend einer vorab festgelegten Abhängigkeit erfolgt.
5. Verfahren zum Betreiben eines Antriebsmoduls (3) für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares Fahrzeug (1) nach Anspruch 4, wobei die vorab festgelegte Abhängigkeit einen konstanten Anteil und einen dynamischen Anteil umfasst.
6. Verfahren zum Betreiben eines Antriebsmoduls (3) für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares Fahrzeug (1) nach Anspruch 5, wobei der dynamische Anteil winkelgeschwindigkeits- und/oder winkelbeschleunigungsabhängig berechnet wird.
7. Computerprogrammprodukt, das auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, oder Computer-Datensignal, verkörpert durch eine elektromagnetische Welle, mit Programmcode, der geeignet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 6.
8. Steuereinheit zur Steuerung eines Antriebsmoduls (3) für ein zumindest teilweise muskelkraftbetreibbares Fahrzeug (1 ), umfassend einen Prozessor und einen Speicher, der einen Computerprogrammcode enthält, wobei der Speicher und der Computerprogrammcode konfiguriert sind, mit dem Prozessor, die Steuereinheit zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 6.
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