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Die
Erfindung betrifft ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben
eines Fahrzeuges.
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Fahrzeuge,
die als Zweiräder,
wie Motorräder
oder Fahrräder,
ausgeführt
sind, sind allgemein bekannt. Insbesondere sind Motorräder mit
einem Verbrennungsmotor als Antrieb für eines der Räder des
Zweirades bekannt,
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fahrzeuge weiterzubilden,
indem der Umweltschutz verbessert wird.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei dem Fahrzeug nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren
nach den in Anspruch 11, 12 oder 13 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige
Merkmale der Erfindung bei dem Fahrzeug sind, dass es mit mindestens
zwei Antrieben, die jeweils zumindest einen aus einem jeweiligen
Wechselrichter gespeisten Elektromotor umfassen, wobei die Wechselrichter
aus einem gemeinsamen Kondensator speisbar sind, der aus einer Energiequelle
aufladbar ist.
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Von
Vorteil ist dabei, dass mechanische Teile zur Kraftübertragung,
wie Ketten, Kettenräder
und dergleichen, verzichtbar sind. Außerdem sind alle Energieverbraucher
elektrisch ausführbar,
so dass ein gemeinsames wenig aufwendiges Energiemanagement ausführbar ist.
Mittels des Kondensators ist eine große Leistung sehr schnell, also
kurzfristig, zur Verfügung
stellbar. Die Antriebsleistung ist direkt am Rad erzeugbar, wobei
das Antreiben von mehreren Motoren ausführbar ist und somit die maximal
zur Verfügung
zu stellende Antriebsleistung aufteilbar ist auf die einzelnen Antriebe.
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Weiter
vorteilhaft ist bei dem Fahrzeug, dass die Wechselrichter sperrbar
sind, also alle Schalter des Wechselrichters in den geöffneten
Zustand bringbar sind, wodurch ein Freischalten des Wechselrichters
ausführbar
ist. Dies entspricht vorteiligerweise im Wesentlichen einem Auskuppeln
eines Elektromotors.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Energiequelle eine Batterie,
ein Akkumulator, eine Brennstoffzelle oder ein von einem Verbrennungsmotor
angetriebener Generator. Von Vorteil ist dabei, dass verschiedene
Langzeitspeicher verwendbar sind, insbesondere auch wiederaufladbare
oder betankbare.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kondensator ein Doppelschicht-Kondensator,
wie beispielsweise Ultracap-Kondensator, Supercap-Kondensator, Goldcap-Kondensator
oder BoostCap-Kondensator. Von Vorteil ist dabei, dass eine hohe
Kapazität
in kompakter und kostengünstiger Weise
bereit stellbar ist und somit große Leistungen schnell zur Verfügung stellbar
sind. Insbesondere ist ein größerer Energiestrom
bereitstellbar als aus der Energiequelle bereit stellbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind zwischen Kondensator und
Energiequelle Lademittel vorgesehen. Vorteiligerweise ist somit
ein gesteuertes Aufladen ausführbar
und der Schutz für
die elektronischen Komponenten erhöhbar.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Ausführung sind
die Wechselrichter aus der Energiequelle zusätzlich speisbar. Von Vorteil
ist dabei, dass die Energieströme
aus der Energiequelle und dem Kondensator addierbar sind und der
Wechselrichter somit höhere
Leistungen bereit stellbar macht.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Wechselrichter zum Datenaustausch
mit einer Steuerelektronik verbunden, insbesondere sind mit der
Steuerelektronik Eingabemittel und Anzeigemittel elektrisch verbunden.
Von Vorteil ist dabei, dass mechanische Mittel eines Fahrzeugs mit
Verbrennungsmotor verzichtbar sind, insbesondere Mittel wie Kupplungshebel,
Gangwählschalter,
Gashebel und dergleichen.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Elektromotoren in Radnaben
oder Felgen des Fahrzeuges integriert, insbesondere wobei ein Winkelsensor
an der Rotorwelle des Elektromotors vorgesehen ist. Von Vorteil
ist dabei, dass der Schwerpunkt niedrig liegt und somit ein verbessertes
Fahrverhalten erreichbar ist. Außerdem sind mechanische Antriebselemente
wie beispielsweise Ketten zur Drehmomentübertragung, Kettenräder oder
dergleichen verzichtbar.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Energiequelle elektrisch
mittels Steckverbinder verbunden mit der restlichen elektronischen
Schaltung des Fahrzeuges, umfassend den Kondensator. Von Vorteil
ist dabei, dass ein schneller und einfacher Austausch im Wartungsfall
erreichbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Fahrzeug ein Zweirad,
insbesondere Fahrrad oder Motorrad, oder Dreirad oder alternativ
ein vier Räder umfassendes
Fahrzeug ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein Allradantrieb ausführbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Motor oder jeder Motor
zur Erzeugung von Bremskraft generatorisch betreibbar. Von Vorteil
ist dabei, dass beim Bremsen Energie rückgewinnbar ist. Außerdem sind
Betriebsarten energiesparend ermöglicht,
wie motorisch antreibender Hinterradantrieb bei gleichzeitig generatorisch,
also Bremswirkung erzeugend, betriebener Vorderradantrieb. Dies
ist besonders vorteilhaft, weil es bei geländegängigen Fahrzeugen, insbesondere
bei Kurvenfahrten im unwegsamen Gelände mit Zweiradfahrzeugen,
ein stabileres Fahrverhalten bewirkt.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind ein oder mehrere elektrische
Linearmotoren vorgesehen sind als Federung des Fahrzeuges. Von Vorteil ist
dabei, dass Stoßdämpfer verzichtbar
sind und die Energie der abzufedernden Stöße zumindest teilweise wieder
rückgewinnbar
ist. Bei Fahrten im unwegsamen Gelände, insbesondere unter zeitweisem
Verlust der Bodenhaftung, sind somit große Energiemengen erzeugbar.
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Wichtige
Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs mit mindestens
zwei Antrieben sind, dass die Antriebe jeweils zumindest einen aus
einem jeweiligen Wechselrichter gespeisten Elektromotor umfassen,
wobei
die Räder
des Fahrzeuges von den Antrieben angetrieben werden,
wobei
die Drehzahl und Drehrichtung der Räder des Fahrzeuges auf verschiedene
Sollvorgaben hin, insbesondere Soll-Drehzahl und Soll-Drehrichtung,
geregelt werden insbesondere in völlig unabhängiger Weise.
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Von
Vorteil ist dabei, dass vielfältige
Betriebsarten vorsehbar sind. Im Vergleich zu einem Fahrzeug mit
Einzelradantrieb sind also viel mehr Betriebszustände erzeugbar.
Im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor bietet der Elektromotor,
insbesondere bei Integration in Felge oder Radnabe, eine sehr hohe
Dynamik. Es sind also sehr kurzfristig Änderungen der Drehzahl erreichbar,
insbesondere bei Verlust der Bodenhaftung.
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Wichtige
Merkmale bei dem anderen Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs
mit mindestens zwei Antrieben sind, dass die Antriebe jeweils zumindest
einen aus einem jeweiligen Wechselrichter gespeisten Elektromotor
umfassen, wobei die räumliche
Lage des Fahrzeuges nach Verlust der Bodenhaftung mittels unterschiedlicher
Solldrehzahlen der Motoren gesteuert wird oder unter Auswertung
von Sensorsignalen von Sensoren, die zur Erfassung der räumlichen
Lage vorgesehen sind, geregelt wird.
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Von
Vorteil ist dabei, dass bei Abheben des Fahrzeugs dessen räumliche
Lage optimierbar ist, so dass bei Aufsetzen des Fahrzeuges die bevorzugte und
stabilere räumliche
Lage erreichbar ist, insbesondere wobei diese Lage von der Bodenbeschaffenheit,
der Fahrzeuggeschwindigkeit und geometrischen Ausformung der Fahrbahn
abhängt.
Mittels der im Wechselrichter vorgesehenen Drehzahlregler ist auch
ein Detektieren der Bodenberührung
ausführbar
und ein nachfolgendes Freischalten des Wechselrichters, also Öffnen aller
Schalter des Wechselrichters. Auf diese Weise werden die Räder möglichst
schnell an die für
ein stabiles Fahrverhalten vorgesehene Drehzahl angepasst und der
Wechselrichter ist dann wieder zuschaltbar an den Elektromotor.
Alternativ ist auch vor Eintritt der Bodenhaftung ein verschwindendes
Solldrehmoment vorgebbar, so dass mittels der Steuerelektronik des
Wechselrichters die Rotorwinkellage und/oder die Drehzahl nach Eintritt
der Bodenhaftung möglichst
schnell erfassbar ist. Bei anderen Situationen mit Verlust der Bodenhaftung
wird kein Öffnen
der Schalter ausgeführt
sondern eine hohe Drehzahl eingestellt, wobei ein Wiedereintritt
der Bodenhaftung bevorzugt am Hinterrad ausgeführt wird.
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Wichtige
Merkmale bei dem weiteren Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs
mit mindestens zwei Antrieben sind, dass die Antriebe jeweils zumindest
einen aus einem jeweiligen Wechselrichter gespeisten Elektromotor
umfassen,
wobei
- – in einer ersten Betriebsart
die Antriebe motorisch betrieben werden und
- – in
einer zweiten Betriebsart zumindest einer der Antriebe motorisch
und ein anderer der Antriebe generatorisch betrieben wird, insbesondere gleichzeitig.
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Von
Vorteil ist dabei, dass bei Kurvenfahrten in unwegsamem Gelände ein
stabileres Fahrverhalten erreichbar ist.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein winkelgeberloses Regelverfahren
angewendet oder es sind an den Rädern
Winkelsensoren vorgesehen, deren erfasste Drehzahl auf einen Sollwert hin
geregelt wird. Von Vorteil ist dabei, dass bei winkelgeberloser
Ausführung
ein kostengünstiger
Aufbau ermöglicht
ist und bei Vorsehen von Winkelsensoren eine sehr präzise Winkelerfassung
der Rotorlage, also Rad-Winkellage, ausführbar ist. Außerdem ist
bei Vorsehen von Winkelsensoren und Ausführung der Elektromotoren als
Synchronmotoren die Regelung der Drehzahl in sehr einfacher Weise
ausführbar.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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- 1
- Sensoren,
Eingabemittel, Anzeigemittel, Bedienelemente
- 2
- Steuerung
- 3
- Batterie
- 4
- Kondensator
- FU
- Wechselrichter
- M
- Elektromotor
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Die
Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist
eine Prinzipschaltung des erfindungsgemäßen Antriebssystems gezeigt.
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Dabei
sind Sensoren 1, Eingabemittel 1, Anzeigemittel 1 und/oder
Bedienelemente 1 mit einer Steuerung 2 verbunden.
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Außerdem ist
die Steuerung zum Datenaustausch mit der jeweiligen Steuerelektronik
von zwei Wechselrichtern verbunden. Die Steuerelektronik steuert
hierbei die Leistungsschalter des jeweiligen Wechselrichters FU
an, so dass der Elektromotor M mit einer Wechselspannung oder Drehspannung
vorgebbarer Frequenz speisbar ist.
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Somit
ist die Drehzahl der Motoren M regelbar oder zumindest steuerbar.
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Die
Wechselrichter FU werden aus einem Kondensator 4 versorgt,
so dass bei Bedarf Energie dem Wechselrichter sehr schnell zur Verfügung steht. Denn
der Kondensator stellt eine Energiequelle mit geringem Innenwiderstand
dar.
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Der
Kondensator 4 wird über
Lademittel aus einer Batterie beladen. Allerdings ist die der Batterie maximal
entnehmbare Leistung, insbesondere zum Aufladen des Kondensators,
geringer als der vom Kondensator zum Wechselrichter maximal zuführbaren
Leistung. Vorteiligerweise sind also vom Kondensator kurzfristig
Spitzenleistungen dem Wechselrichter zur Verfügung stellbar. Die von der
Batterie zum Kondensator zuführbare
Leistung ist geringer.
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Im
generatorischen Betrieb ist vom entsprechenden Motor über den
mit ihm verbundenen Wechselrichter Energie an den Kondensator und
auch an die Batterie zuführbar.
Hierbei ist es vorteilig die zwischen Kondensator und Batterie zwischengeschalteten
Lademittel für
bidirektionalen Energiefluss auszulegen und somit auch ein Aufladen
der Batterie aus von einem Motor generatorisch erzeugter Energie
zu ermöglichen.
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Das
Antriebssystem ist vorteilhaft einsetzbar bei Fahrzeugen mit zwei
Antrieben. Beispielhaft sei hierzu ein Zweirad genannt, das statt
eines Verbrennungsmotors elektromotorische Antriebssysteme aufweist.
Insbesondere sind hierbei Radnabenantriebe vorteilhaft einsetzbar,
also Elektromotoren, welche in den Radnaben integriert eingebaut
sind und somit einen niedrigen Schwerpunkt des Fahrzeuges ermöglichen.
Als Elektromotoren sind hierbei Außenläufer oder Innenläufer verwendbar.
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Somit
ist ein geringer Wartungsaufwand notwendig. Außerdem sind mechanische Komponenten im
Vergleich zu Verbrennungsmotoren einsparbar, wodurch Bauraum verfügbar ist
für Batterie
und Kondensator.
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Die
Antriebssysteme sind ohne Winkelgeber ausführbar, wenn zum Regeln der
Elektromotoren geberlose Regelungen eingesetzt werden.
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Vorteilig
ist bei dem Fahrzeug auch, dass der Kondensator mit beiden Wechselrichtern
beider Antriebssysteme gleichermaßen verbunden ist. Somit ist
generatorisch erzeugte Energie des ersten Antriebssystem dem anderen
beispielsweise motorisch arbeitenden Antriebssystem zuführbar.
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Bei
Ausführung
des Fahrzeuges als Zweirad ist es ermöglicht in Betriebsarten, bei
denen das Zweirad Bodenhaftung verliert, beispielsweise bei Freestyle-MX-Anwendungen,
dass mittels Steuerung der Drehzahlen des vorderen und hinteren
Rades die zugehörigen
Drehimpulse derart vorgegeben werden, dass ein Ausrichten des Fahrzeuges
auf eine Wunschlage ermöglicht
ist. Sobald eines der Räder Bodenberührung detektierbar
macht, wird allerdings in Normalbetrieb gewechselt.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
sind aber auch Winkelsensoren einsetzbar, um eine verbesserte Regelung
zu erreichen. Hierbei werden die Sensorsignale beziehungsweise Sensor-Informationen
den Wechselrichtern zugeleitet, so dass deren jeweilige Steuerelektronik
die Drehzahl des zugehörigen
Rades auf einen Sollwert hin regelt.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
sind elektrische Generatoren verschiedener Arten vorsehbar, die
zum unterstützenden
Aufladen des Kondensators verwendbar sind. Beispielhaft sei hierzu
genannt, dass es ermöglicht
ist im Bereich der Stoßdämpfer des
Fahrzeuges, beispielsweise Zweirad, generatorisch betriebene Linearmotoren
vorzusehen, so dass aus den Vibrationen, Schwingungen und Stößen Energie
erzeugbar ist, die wiederum den Kondensator zumindest unterstützend aufladbar
macht. Insbesondere Stoßdämpfer ganz
oder zumindest teilweise ersetzbar durch solche Linearmotoren. Ebenso
sind Generatoren verwendbar, die andere Verlustenergieformen nutzbar machen.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäß angetriebenen Fahrzeuges
ist auch, dass ein Bremsen eines der Antriebssystems unter Verwendung dessen
Elektromotors ausführbar
ist. Hierzu wird also der Motor generatorisch betrieben und dadurch Bremskraft
erzeugt. Wenn also, wie beispielsweise bei MX-Anwendungen von Zweirädern oftmals üblich zur
Verbesserung des Fahrverhaltens bei Verlagerung des Fahrergewichts
auf die Lenkgabel, eines der Antriebssysteme, beispielsweise der
Hinterradantrieb, motorisch betrieben wird, also zur Erzeugung von
Vortriebskraft, und ein anderes der Antriebssysteme, wie beispielsweise
der Vorderradantrieb, im Bremsbetrieb betrieben wird, also generatorisch,
ist Energie rückgewinnbar,
die bei einer zum generatorisch betriebenen Antriebssystem alternativ verwendeten
mechanischen Reibbremse als Wärme verloren
gehen würde.
Bei der Erfindung kann jedoch zumindest ein Teil der Bremsenergie
zurückgewonnen
werden.
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Vorteiligerweise
sind bei der Erfindung mechanisch wirkende Bedienelemente verzichtbar.
Beispielsweise sind der Bremshebel, das Bremspedal, der Gashebel
und der Kupplungsschalter verzichtbar. Entsprechend sind elektronisch
arbeitende Eingabemittel einsetzbar.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
werden Batterie und/oder Kondensator mittels Steckverbindungen verbindbar
angeordnet, so dass ein schneller und einfacher Austausch ermöglicht ist.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
werden Batterie und Kondensator im Wesentlichen parallel beschaltet
und somit den Wechselrichtern sogar aus beiden Leistungsquellen ein
Energiestrom direkt zuführbar.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
ist der Kondensator 4 als Doppelschicht-Kondensator, wie
beispielsweise Ultracap-Kondensator, Supercap-Kondensator, Goldcap-Kondensator, BoostCap-Kondensator.
ausgeführt
und weist somit eine sehr hohe Kapazität bei kleinem Bauvolumen auf.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
sind die Motoren M als Drehstrommotoren nach Art eines Synchronmotors
oder Asynchronmotors ausgeführt.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird statt der Batterie ein Akkumulator, also Akku, und/oder eine
Brennstoffzelle eingesetzt als Energiequelle.
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Bei
einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird nur ein Kondensator vorgesehen und auf die Batterie verzichtet,
so dass Gewicht einsparbar ist. Allerdings sind auf diese Weise nur
kurzzeitige Betriebszeiten erreichbar.