DE102022206616A1

DE102022206616A1 - Mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug mit einem elektrischem Leistungsübertragungspfad

Info

Publication number: DE102022206616A1
Application number: DE102022206616.2A
Authority: DE
Inventors: Robert Zdych
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-06-29
Filing date: 2022-06-29
Publication date: 2024-01-04

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Fahrzeug (1) mit mindestens zwei Rädern (3, 4), von denen mindestens ein Rad (3; 4) als Antriebsrad zum Antreiben des Fahrzeugs (1) ausgebildet ist, mindestens einer elektrischen Maschine (EM2; EM3), die zur Kraftübertragung mit dem mindestens einen Antriebsrad (3; 4) gekoppelt ist, einem elektrischen Generator (EM1), der zur Erzeugung elektrischer Generatorleistung durch eine mit dem elektrischen Generator (EM1) gekoppelten Kurbeleinrichtung (P1, P2, S1) durch Muskelkraft betreibbar ist, sowie einer elektronischen Steuereinheit (ECU1), die zumindest zur Steuerung der mit der mindestens einen elektrischen Maschine (EM2; EM3) ausgetauschten elektrischen Leistung und der vom elektrischen Generator (EM1) erzeugten elektrischen Generatorleistung eingerichtet ist. Bei dem Fahrzeug (1) erfolgt die Übertragung von Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs (1) über das mindestens eine Antriebsrad (3; 4) ausschließlich über einen elektrischen Leistungspfad.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein zumindest zeitweise mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug mit einem elektrischem Leistungsübertragungspfad. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein zumindest zeitweise durch Muskelkraft betreibbares Fahrzeug, das als Fahrrad oder E-Bike bzw. Pedelec ausgestaltet sein kann.
Stand der Technik
Elektrisch betriebene Fahrzeuge, die zumindest zeitweise durch Muskelkraft des Fahrers betreibbar sind, wie z.B. Pedelecs oder E-Bikes, sind bekannt. Bei den bekannten Fahrzeugen ist eine Kurbeleinrichtung vorgesehen, die mit einer mechanischen Übertragungseinrichtung zur Übertragung der in die Kurbeleinrichtung eingeleiteten Muskelkraft auf zumindest eines der Räder des Fahrzeugs vorgesehen ist. Ferner ist bei derartigen bekannten Fahrzeugen eine elektrische Antriebseinrichtung vorgesehen, die den Betrieb des Fahrzeugs zumindest zeitweise unterstützt. Zur mechanischen Übertragung der Muskelkraft von der Pedaleinrichtung auf zumindest eines der Räder, das im Regelfall ein Hinterrad des Fahrzeugs ist, sind üblicherweise Kettenantriebe oder auch Riemenantriebe vorgesehen. Zur Veränderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Drehzahl der Kurbeleinrichtung und der Drehzahl des angetriebenen Rads sind ferner mechanisch zum Teil komplexe und wartungsintensive Kettenschaltungen oder Nabenschaltungen vorgesehen. Diese Einrichtungen zur mechanischen Übertragung der auf die Kurbeleinrichtung aufgebrachten Muskelkraft auf das angetriebene Rad des Fahrzeugs sind dabei insgesamt störanfällig und wartungsintensiv. Ferner bietet ein solcher Aufbau nur begrenzte Möglichkeiten zur Regelung oder Steuerung des Betriebszustands des Fahrzeugs.
Darstellung der Erfindung
Ein Fahrzeug wird vorgeschlagen, das mindestens zwei Räder aufweist. Von den Rädern ist mindestens ein Rad als Antriebsrad zum Antreiben des Fahrzeugs ausgebildet. Ferner weist das Fahrzeug mindestens eine elektrische Maschine, die zur Kraftübertragung mit dem mindestens einen Antriebsrad gekoppelt ist, einen elektrischen Generator, der zur Erzeugung elektrischer Generatorleistung durch eine im elektrischen Generator gekoppelten Kurbeleinrichtung durch Muskelkraft betreibbar ist, sowie eine elektronische Steuereinheit auf, die zumindest zur Steuerung der mit der mindestens einen elektrischen Maschine ausgetauschten elektrischen Leistung und der vom elektrischen Generator erzeugten elektrischen Generatorleistung eingerichtet ist. Dabei erfolgt erfindungsgemäß die Übertragung von Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs über das mindestens eine Antriebsrad ausschließlich über einen elektrischen Leistungspfad.
Entsprechend kann die Kurbeleinrichtung mechanisch ausschließlich mit dem elektrischen Generator gekoppelt sein. Außerdem kann die Kurbeleinrichtung von jedem der Räder des Fahrzeugs dadurch mechanisch entkoppelt sein.
Bei dem Fahrzeug wird somit eine Antriebskraft zum Antreiben des Fahrzeugs erzeugt, deren Übertragung ohne Einsatz eines mechanischen Kopplungselements zwischen der Kurbeleinrichtung und dem Antriebsrad verwirklicht werden kann. Insbesondere kann die Muskelkraft über die Kurbeleinrichtung in den elektrischen Generator eingeleitet und durch den elektrischen Generator in elektrische Generatorleistung umgewandelt werden. Die erzeugte elektrische Generatorleistung kann über den vorstehend genannten elektrischen Leistungspfad von dem elektrischen Generator entnommen und mindestens einer elektrischen Maschine zugeführt werden, die zum Antreiben des zumindest einen Antriebsrads vorgesehen ist. Der elektrische Leistungspfad kann dabei als elektrische Leitung zur Übertragung elektrischer Leistung ausgeführt sein.
Wenn die Kurbeleinrichtung mechanisch ausschließlich mit dem elektrischen Generator gekoppelt ist, bedeutet dies, dass die in die Kurbeleinrichtung eingeleitete Muskelkraft vollständig auf den elektrischen Generator übertragen wird. Eine mechanische Übertragung der Muskelkraft auf ein Antriebsrad erfolgt gemäß diesem Konzept nicht. Insofern ist die Kurbeleinrichtung von jedem der Räder des Fahrzeugs mechanisch entkoppelt, da die in die Kurbeleinrichtung eingeleitete Muskelkraft nicht über einen mechanischen Übertragungspfad übertragen wird.
Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen der Kurbeleinrichtung und dem elektrischen Generator ein Getriebe zur Bereitstellung eines Übersetzungsverhältnisses zwischen einer Drehzahl der Kurbeleinrichtung und einer Drehzahl des elektrischen Generators vorgesehen. Dabei kann das Getriebe ein oder mehrere Planetengetriebesätze aufweisen. Ferner kann das Getriebe einen Kettenantrieb oder einen Riemenantrieb aufweisen, mit dem die Kurbeleinrichtung mit dem elektrischen Generator gekoppelt werden kann. Das Übersetzungsverhältnis kann so eingerichtet werden, dass im Betrieb der Kurbeleinrichtung der elektrische Generator mit einer zur Erzeugung der elektrischen Generatorleistung geeigneten Drehzahl betrieben werden kann. Dabei kann das Übersetzungsverhältnis so eingerichtet werden, dass die Drehzahl des elektrischen Generators höher ist als die Drehzahl der Kurbeleinrichtung. Das Übersetzungsverhältnis kann variabel ausgeführt sein. Hierzu kann das Getriebe mit variablen Übersetzungsverhältnissen ausgebildet sein. Zu diesem Zweck kann das Getriebe ein schaltbares Getriebe sein. Ferner kann das Getriebe ein stufenlos variables Getriebe sein, mit dem das Übersetzungsverhältnis stufenlos variabel einstellbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann ein elektrischer Energiespeicher vorgesehen sein, der elektrisch über die elektronische Steuereinheit mit dem elektrischen Generator und der mindestens einen elektrischen Maschine koppelbar ist. Der elektrische Energiespeicher kann dabei ein aufladbarer Akkumulator sein. Der elektrische Energiespeicher kann eine aufladbare Lithium-Ionen-Batterie sein oder eine andere geeignete Ausgestaltung annehmen, die ein effizientes Laden und Entladen ermöglicht. Der elektrische Energiespeicher kann an dem Fahrzeug abnehmbar montierbar sein. Die Kapazität des elektrischen Energiespeichers kann geeignet für den Betrieb des Fahrzeugs eingerichtet sein, so dass für eine vorbestimmte Betriebsweise ausreichend Energie zum Betrieb des Fahrzeugs zur Verfügung gestellt werden kann. Der elektrische Energiespeicher kann als Traktionsbatterie für den Antrieb des Fahrzeugs vorgesehen sein.
Die elektronische Steuereinheit kann einen digitalen Prozessor, Datenspeichereinrichtungen in der Form von RAM-Speichereinrichtungen und ROM-Speichereinrichtungen sowie eine Leistungselektronikeinheit aufweisen. Ferner kann die elektronische Steuereinheit Eingangs- und Ausgangsschnittstellen zum Austausch von Signalen sowie einen elektrischen Energiespeicher, der zur Energieversorgung der elektronischen Steuereinheit vorgesehen ist, aufweisen. Der elektrische Energiespeicher der elektronischen Steuereinheit kann dabei separat von der als Traktionsbatterie vorgesehenen elektrischen Energiespeichers vorgesehen sein. In der Datenspeichereinrichtung können Daten einschließlich ausführbaren Programmen abgelegt werden. Der digitale Prozessor kann die gespeicherten Programme unter Berücksichtigung von Eingangssignalen und gegebenenfalls der gespeicherten Daten ausführen. Ferner kann der digitale Prozessor Signale erzeugen, die von der elektronischen Steuereinheit als Steuersignale abgegeben werden. Die Leistungselektronikeinheit kann dafür vorgesehen sein, die zwischen der elektrischen Maschine, dem elektrischen Generator und dem gegebenenfalls vorgesehenen elektrischen Energiespeicher ausgetauschten Leistung zu regulieren.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Fahrzeug ein Einspurfahrzeug mit zwei Rädern sein, wobei eines der zwei Räder ein Vorderrad ist und das andere der zwei Räder ein Hinterrad ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist das Fahrzeug als elektrisch betreibbares Fahrrad ausgebildet. Insbesondere ist das Fahrzeug gemäß dieser Ausführungsform als E-Bike bzw. Pedelec ausgeführt, bei dem eine Antriebskraft zumindest zeitweise durch Muskelkraft erzeugt werden kann und der Antrieb zumindest zeitweise durch einen elektrischen Antrieb unterstützt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann eines von dem Vorderrad und dem Hinterrad als Antriebsrad ausgebildet sein, das zur Kraftübertragung mit der mindestens einen elektrischen Maschine gekoppelt ist, während das andere von dem Vorderrad und dem Hinterrad als antriebsloses Rad ausgebildet ist. Gemäß dieser Ausführungsform kann das Fahrzeug als Fahrrad mit Vorderradantrieb oder als Fahrrad mit Hinterradantrieb ausgebildet werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die mindestens eine elektrische Maschine eine erste elektrische Maschine und eine zweite elektrische Maschine auf, wobei das Vorderrad als Antriebsrad ausgebildet sein kann, das zur Kraftübertragung mit der ersten elektrischen Maschine gekoppelt sein kann, und das Hinterrad als Antriebsrad ausgebildet ist, das zur Kraftübertragung mit der zweiten elektrischen Maschine gekoppelt sein kann. In diesem Fall ist das Fahrzeug als Fahrrad mit Vorderradantrieb und Hinterradantrieb ausgebildet. Insbesondere ist das Fahrzeug gemäß dieser Ausführungsform als Fahrrad mit Allradantrieb ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform kann die mindestens eine elektrische Maschine selektiv motorisch oder rekuperativ betreibbar sein. Dabei kann die mindestens eine elektrische Maschine aufgrund der Zufuhr von elektrischer Leistung eine motorische Antriebskraft bereitstellen, die auf das damit gekoppelte Antriebsrad zum Antrieb des Fahrzeugs übertragbar ist. Ferner ist dabei die mindestens eine elektrische Maschine rekuperativ in einer Generatorbetriebsart betreibbar, in der eine von dem Antriebsrad auf die elektrische Maschine übertragene mechanische Leistung von der elektrischen Maschine in elektrische Leistung umgewandelt werden kann. Der motorische Betrieb oder der rekuperative Betrieb der mindestens einen elektrischen Maschine kann durch die elektronische Steuereinheit und insbesondere die Leistungselektronikeinheit vorgegeben werden.
Gemäß einer Ausführungsform können Erfassungseinrichtungen zur Erfassung einer Drehzahl von mindestens einem der mindestens zwei Räder des Fahrzeugs und zur Bereitstellung von Drehzahlsignalen vorgesehen sein, wobei die Drehzahlsignale der elektronischen Steuereinheit zur Steuerung des Antriebs des Fahrzeugs zugeführt werden können. Die Erfassungseinrichtungen zur Erfassung der Drehzahl können dabei als Raddrehzahlsensoren ausgebildet sein. Die Raddrehzahlsensoren können jede Ausgestaltung annehmen, solange die Drehzahl mit einer ausreichenden Auflösung erfasst werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform ist es zweckdienlich, einen Drehzahlsensor einzusetzen, der mit einer Auflösung von mehr als einer Radumdrehung ausgestaltet ist. Die Auflösung des Drehzahlsensors wird zweckdienlich an die vorgesehene Steuerung und Regelung angepasst, die von der elektronischen Steuereinheit vorgenommen werden soll. Die Erfassungseinrichtungen zur Erfassung einer Drehzahl können dabei in der mindestens einen elektrischen Maschine integriert sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die mindestens eine elektrische Maschine als Radnabenmotor ausgebildet sein. Dabei kann der Radnabenmotor als Direktantrieb ohne Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes ausgebildet sein. Der Radnabenmotor kann ferner mit einem Untersetzungsgetriebe zur Herabsetzung der Drehzahl eines in dem Radnabenmotor vorgesehenen Elektromotors ausgebildet sein. Das Untersetzungsgetriebe kann in diesem Fall ein Planetengetriebe aufweisen. Alternativ ist es möglich, eine außerhalb der Radnabe vorgesehene elektrische Maschine einzusetzen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die elektronische Steuereinheit eingerichtet sein, um von dem elektrischen Generator erzeugte Generatorleistung in einem vorbestimmten Betriebszustand zumindest teilweise zur Speicherung dem elektrischen Energiespeicher zuzuführen. Dabei kann der elektrische Generator durch Muskelkraft über die Kurbeleinrichtung betrieben werden, so dass der elektrische Generator Generatorleistung erzeugt. In Abhängigkeit von der durch den elektrischen Generator erzeugten elektrischen Generatorleistung kann die elektronische Steuereinheit den Anteil der elektrischen Leistung, die dem elektrischen Energiespeicher zugeführt wird, steuern, während der verbleibende Anteil der erzeugten Generatorleistung zum Antrieb des Fahrzeugs eingesetzt werden kann. Dabei kann die elektronische Steuereinrichtung einen Ladezustand des elektrischen Energiespeichers berücksichtigen. In einem vorbestimmten Betriebszustand kann die gesamte von dem elektrischen Generator erzeugte Generatorleistung dem elektrischen Energiespeicher zugeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die elektronische Steuereinheit eingerichtet sein, um von dem elektrischen Generator erzeugte elektrische Leistung in einem vorbestimmten Betriebszustand zumindest teilweise der mindestens einen elektrischen Maschine zuzuführen. Dabei wird die von dem elektrischen Generator erzeugte elektrische Leistung über einen elektrischen Leistungspfad der mindestens einen elektrischen Maschine zugeführt. Für den Fall, dass das Fahrzeug keinen elektrischen Energiespeicher als Traktionsbatterie aufweist, kann die gesamte von dem elektrischen Generator erzeugte elektrische Leistung der mindestens einen elektrischen Maschine als Antriebsleistung zugeführt werden. Für den Fall, dass das Fahrzeug einen elektrischen Energiespeicher als Traktionsbatterie aufweist, kann ein Teil der von dem elektrischen Generator erzeugten elektrischen Leistung dem elektrischen Energiespeicher zugeführt werden, während der verbleibende Teil der erzeugten elektrischen Leistung der mindestens einen elektrischen Maschine als Antriebsleistung zugeführt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann die elektronische Steuereinheit eingerichtet sein, um die mindestens eine elektrische Maschine in einen Rekuperationsbetriebszustand zu versetzen und die in dem Rekuperationsbetriebszustand erzeugte elektrische Leistung zumindest teilweise dem elektrischen Energiespeicher zuzuführen. In dem Rekuperationsbetriebszustand arbeitet die mindestens eine elektrische Maschine als elektrischer Generator und wandelt auf die mindestens eine elektrische Maschine aufgebrachte Antriebskraft von dem mit dieser gekoppelten Antriebsrad in elektrische Leistung um. In diesem Zustand kann beim Verzögern des Fahrzeugs oder beim Bergabfahren ein Rekuperationsbetrieb zur Energierückgewinnung erzielt werden. Die elektronische Steuereinheit kann in dieser Ausführungsform die mindestens eine elektrische Maschine in den Rekuperationsbetriebszustand versetzen, wenn von dem Fahrer des Fahrzeugs ein Signal zum Verzögern des Fahrzeugs beispielsweise über einen entsprechend ausgestalteten Bremsgriff oder eine separate Eingabeeinrichtung erzeugt wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann die mindestens eine elektrische Maschine eine erste elektrische Maschine und eine zweite elektrische Maschine aufweisen, wobei die elektronische Steuereinheit eingerichtet ist, um eine der ersten und der zweiten elektrischen Maschine in einen Rekuperationsbetriebszustand zu versetzen und die in dem Rekuperationsbetriebszustand erzeugte elektrische Leistung zumindest teilweise der anderen der ersten und der zweiten elektrischen Maschine zuzuführen. Gemäß dieser Ausführungsform wird ein Betriebszustand erzielt, in welchem an einem der Räder des Fahrzeugs aufgrund des Rekuperationsbetriebszustands eine Bremskraft erzeugt wird, während an dem anderen der Räder des Fahrzeugs aufgrund des Antriebszustands eine Antriebskraft erzeugt wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann die mindestens eine elektrische Maschine eine erste elektrische Maschine und eine zweite elektrische Maschine aufweisen, wobei die elektronische Steuereinheit eingerichtet ist, um eine der ersten und der zweiten elektrischen Maschine in einen Rekuperationsbetriebszustand zu versetzen und die in dem Rekuperationsbetriebszustand erzeugte elektrische Leistung zumindest teilweise der anderen der ersten und der zweiten elektrischen Maschine zuzuführen. Gemäß dieser Ausführungsform wird ein Betriebszustand erzielt, in welchem an einem der Räder des Fahrzeugs aufgrund des Rekuperationsbetriebszustands eine Bremskraft erzeugt wird, während an dem anderen der Räder des Fahrzeugs aufgrund des Antriebszustands eine Antriebskraft entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs erzeugt wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann die elektronische Steuereinheit eingerichtet sein, um der mindestens einen elektrischen Maschine in einem vorbestimmten Betriebszustand elektrische Leistung zum Antrieb der zumindest einen elektrischen Maschine zumindest teilweise von dem elektrischen Energiespeicher zuzuführen. Dabei kann ein Betriebszustand erzielt werden, in welchem der Antrieb des Fahrzeugs vollständig durch die von dem elektrischen Energiespeicher zugeführte elektrische Leistung erfolgt. In diesem Betriebszustand wird keine elektrische Leistung von dem elektrischen Generator eingesetzt, um das Fahrzeug anzutreiben. Dabei kann der elektrische Generator stillstehen. Alternativ kann in diesem Betriebszustand der elektrische Generator über die Kurbeleinrichtung betrieben werden und die von dem elektrischen Generator erzeugte elektrische Leistung dem elektrischen Energiespeicher zugeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die elektronische Steuereinheit eingerichtet sein, um der mindestens einen elektrischen Maschine in einem vorbestimmten Betriebszustand elektrische Leistung zumindest teilweise von dem elektrischen Energiespeicher zum Erzeugen einer Bremskraft entgegen der Antriebsrichtung der zumindest einen elektrischen Maschine zuzuführen. In dieser Ausführungsform kann ein Betriebszustand erzielt werden, in welchem die elektronische Steuereinheit der mindestens einen elektrischen Maschine elektrische Energie derart zuführt, dass eine Antriebskraft entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs erzeugt wird. Mit dieser Ausführungsform kann eine von der elektronischen Steuereinheit steuerbare Abbremsung des Fahrzeugs erzielt werden. Die elektronische Steuereinheit kann in dieser Ausführungsform die mindestens eine elektrische Maschine in den Betriebszustand zum Erzeugen einer Bremskraft versetzen, wenn von dem Fahrer des Fahrzeugs ein Signal zum Abbremsen des Fahrzeugs beispielsweise über einen entsprechend ausgestalteten Bremsgriff oder eine separate Eingabeeinrichtung erzeugt wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann die elektronische Steuereinheit eingerichtet sein, um der mindestens einen elektrischen Maschine in einem vorbestimmten Betriebszustand elektrische Leistung zumindest teilweise von dem elektrischen Generator zum Erzeugen einer Bremskraft entgegen der Antriebsrichtung der mindestens einen elektrischen Maschine zuzuführen. Mit dieser Ausführungsform ist ein Betriebszustand erzielbar, mit dem durch die Muskelkraft des Fahrers und somit von dem elektrischen Generator erzeugte elektrische Leistung über die elektronische Steuereinheit eine Abbremsung des Fahrzeugs ermöglicht wird. Die elektronische Steuereinheit kann in dieser Ausführungsform die mindestens eine elektrische Maschine in den Betriebszustand zum Erzeugen einer Bremskraft versetzen, wenn von dem Fahrer des Fahrzeugs ein Signal zum Abbremsen des Fahrzeugs beispielsweise über einen entsprechend ausgestalteten Bremsgriff oder eine separate Eingabeeinrichtung erzeugt wird.
Gemäß einer Ausführungsform kann die elektronische Steuereinheit eingerichtet sein, um das Fahrzeug in einen stationären Zustand zu versetzen und in diesem Zustand elektrische Leistung, die von dem elektrischen Generator durch den Betrieb der Kurbeleinrichtung erzeugt wird, zumindest teilweise zur Speicherung einzusetzen oder zumindest teilweise einem externen Verbraucher zuzuführen. Dabei kann die in diesem stationären Zustand erzeugte elektrische Leistung vollständig in dem elektrischen Energiespeicher gespeichert werden. Ferner kann die von dem elektrischen Generator erzeugte elektrische Leistung vollständig oder teilweise einem externen Verbraucher, wie zum Beispiel einer Telekommunikationsanlage, einer Unterhaltungselektronik oder ähnlichem zugeführt werden. In dem stationären Zustand kann das Fahrzeug ferner als Trainingsgerät eingesetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die elektronische Steuereinheit eingerichtet sein, um eine teilautomische oder automatische Antriebsregelung durch Ansteuern der mindestens einen elektrischen Maschine zumindest auf der Grundlage einer erfassten Drehzahl von zumindest einem des Vorderrads und des Hinterrads durchzuführen. Dabei weist die Antriebsregelung zumindest eines der folgenden Antriebskonzepte auf:

- eine Schlupfregelung zur Regelung eines Schlupfs von mindestens einem des Vorderrads und des Hinterrads;
- eine Bremskraftregelung zur Regelung einer auf zumindest eines des Vorderrads und des Hinterrads aufgebrachten Bremskraft; und
- eine Rekuperationsregelung zur Regelung einer Rekuperation in Bezug auf zumindest eines des Vorderrads und des Hinterrads.

Kurze Beschreibung der Figuren

1 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform des Fahrzeugs in einer Vollausbaustufe;
2 veranschaulicht schematisch einen mechanischen Leistungspfad, der allen Ausführungsformen gemeinsam ist;
3 veranschaulicht schematisch mechanische und elektrische Leistungspfade der Ausführungsform von 1;
4 veranschaulicht schematisch den Aufbau der elektronischen Steuereinheit, die bei den Ausführungsformen zum Einsatz kommt;
5 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform des Fahrzeugs in einer abgewandelten Ausbaustufe;
6 veranschaulicht schematisch mechanische und elektrische Leistungspfade der Ausführungsform von 5;
7 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform des Fahrzeugs in einer abgewandelten Ausbaustufe;
8 veranschaulicht schematisch mechanische und elektrische Leistungspfade der Ausführungsform von 7;
9 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform des Fahrzeugs in einer abgewandelten Ausbaustufe;
10 veranschaulicht schematisch mechanische und elektrische Leistungspfade der Ausführungsform von 9;
11 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform des Fahrzeugs in einer abgewandelten Ausbaustufe;
12 veranschaulicht schematisch mechanische und elektrische Leistungspfade der Ausführungsform von 11;
13 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform des Fahrzeugs in einer abgewandelten Ausbaustufe;
14 veranschaulicht schematisch mechanische und elektrische Leistungspfade der Ausführungsform von 13.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Zunächst wird eine Ausführungsform des Fahrzeugs in einer Vollausbaustufe erläutert, die in 1 gezeigt ist. 1 zeigt das Fahrzeug in der Gestalt eines Zweirads, das zumindest teilweise die Konstruktionsmerkmale eines Fahrrads aufweist. Das in 1 gezeigte Fahrzeug 1 weist einen Rahmen 2 auf, der am vorderen Abschnitt eine schwenkbare Gabel 5 und am hinteren Abschnitt einen Hinterbau 6 aufweist. An der Gabel 5 ist am oberen Bereich ein Lenker 9 zum Schwenken der Gabel 5 vorgesehen. Am unteren Abschnitt der Gabel 5 ist ein Vorderrad 4 drehbar montiert. Am hinteren Abschnitt des Hinterbaus 6 ist ein Hinterrad 3 drehbar montiert.
An dem Rahmen 2 ist ein Sattel 10 angebracht, auf dem ein Fahrer des Fahrzeugs 1 sitzen kann. In einem mittleren Bereich des Rahmens 2 ist ein Tretlagerabschnitt 7 vorgesehen. Ferner weist der Rahmen 2 mehrere Strukturelemente auf, von denen ein Element ein Unterrohr 8 ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist an dem Tretlagerabschnitt 7 ein elektrischer Generator EM1 montiert. Der elektrische Generator EM1 ist dabei an einer Position am Rahmen 2 montiert, an dem bei herkömmlichen Fahrrädern eine Tretkurbel vorgesehen ist. Der elektrische Generator EM1 weist einen nicht gezeigten Rotor auf, durch dessen Drehung relativ zu einem nicht gezeigten Stator elektrische Leistung erzeugt wird. In Querrichtung des Rahmens 2 des Fahrzeugs 1 ist eine Pedalwelle S1 drehbar gelagert. Die Pedalwelle S1 ist eingangsseitig mit einem nicht gezeigten Planetengetriebe gekoppelt. Ausgangsseitig ist das Planetengetriebe mit dem Rotor des elektrischen Generators EM1 gekoppelt. An der Pedalwelle S1 sind am linken und rechten Abschnitt Kurbeln angebracht, die mit einem Winkel von 180° zueinander von der Pedalwelle S1 abstehen. An den Enden der Kurbeln sind Pedale P1, P2 vorgesehen. Die an den Kurbeln angebrachten Pedale P1, P2 und die Pedalwelle S1 bilden gemeinsam eine Kurbeleinrichtung.
Wenn ein Fahrer des Fahrzeugs 1 auf dem Sattel 10 sitzt, kann der Fahrer über die Pedale P1, P2 die Pedalwelle S1 in Rotation versetzen. Durch die Rotation der Pedalwelle S1 wird über das nicht gezeigte Planetengetriebe der nicht gezeigte Rotor des elektrischen Generators EM1 in Rotation versetzt. Aufgrund der Rotation des Rotors relativ zu dem Stator des elektrischen Generators EM1 wird elektrische Generatorleistung erzeugt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das nicht gezeigte Planetengetriebe so ausgestaltet, dass die Drehzahl des Rotors des elektrischen Generators EM1 gegenüber der Drehzahl der Pedalwelle S1 erhöht ist. Auf diese Weise wird eine für den effizienten Betrieb des elektrischen Generators EM1 erforderliche Drehzahl des Rotors ermöglicht.
Das an der Gabel 5 des Fahrzeugs 1 drehbar montierte Vorderrad 4 weist eine elektrische Maschine EM3 auf. In der vorliegenden Ausführungsform ist die elektrische Maschine EM3, die mit dem Vorderrad 4 gekoppelt ist, als Radnabenmotor ausgestaltet. Die in dem in 1 gezeigten Radnabenmotor vorgesehene elektrische Maschine EM3 überträgt ihre Antriebskraft über das Planetengetriebe auf das Vorderrad 4.
Das Hinterrad 3 weist eine als Radnabenmotor ausgestaltete elektrische Maschine EM2 auf, die einen Aufbau hat, der in der vorliegenden Ausführungsform demjenigen des Aufbaus des Radnabenmotors entspricht, der an dem Vorderrad 4 vorgesehen ist. Die elektrische Maschine EM2 überträgt ihre Antriebskraft über ein Planetengetriebe auf das Hinterrad 3. Das Vorderrad 4 und das Hinterrad 3 können in der vorliegenden Ausbaustufe durch die elektrischen Maschinen EM2, EM3 unabhängig voneinander angetrieben werden.
In der vorliegenden Ausführungsform ist an dem Unterrohr 8 des Rahmens 2 des Fahrzeugs 1 eine elektronische Steuereinheit ECU1 angebracht. Die elektronische Steuereinheit ECU1 ist als Modul in einem Gehäuse ausgestaltet. Ferner ist ebenfalls an dem Unterrohr 8 des Rahmens 2 des Fahrzeugs 1 ein elektrischer Energiespeicher A1 abnehmbar angebracht, der ebenfalls in einem Gehäuse untergebracht ist. Der elektrische Energiespeicher A1 ist in der vorliegenden Ausführungsform als Lithium-Ionen-Akkumulator ausgebildet, der mit elektrischer Energie geladen werden kann und der die gespeicherte elektrische Energie nach Bedarf abgeben kann.
Im Folgenden wird der Aufbau der elektronischen Steuereinheit in 1 unter Bezugnahme auf 4 erläutert. Die elektronische Steuereinheit ECU1 weist, wie in der Ausführungsform von 4 gezeigt ist, einen elektrischen Energiespeicher E1 auf, der separat von dem elektrischen Energiespeicher A1 vorgesehen ist der und die Elemente der elektronischen Steuereinheit ECU1 mit elektrischer Energie versorgt. Die elektronische Steuereinheit ECU1 weist ferner einen digitalen Prozessor CPU auf, der eingerichtet ist, vorbestimmte Programme auszuführen und Berechnungen vorzunehmen. Außerdem weist die elektronische Steuereinheit ECU1 Datenspeichereinrichtungen auf, die als RAM-Speicher und ROM-Speicher ausgestaltet sind. In den Datenspeichereinrichtungen werden Daten und Programme gespeichert, die von dem digitalen Prozessor CPU ausgeführt und verarbeitet werden können, um zu ermöglichen, dass die elektronische Steuereinheit ECU1 vorbestimmte Steuerungs- und Regelungsaufgaben erfüllen kann. Außerdem weist die elektronische Steuereinheit ECU1 eine Leistungselektronikeinheit W1 auf, mit der elektrische Spannungen und elektrische Ströme entsprechend den Vorgaben von der elektronischen Steuereinheit ECU1 gesteuert und geregelt werden können.
Die elektronische Steuereinheit ECU1 weist ferner Eingangsschnittstellen und Ausgangsschnittstellen auf. Über die Eingangsschnittstellen werden Signale zur Verarbeitung der elektronischen Steuereinheit ECU1 zur Verfügung gestellt, die für die Steuerung bzw. Regelung durch die elektronische Steuereinheit ECU1 benötigt werden. Ferner werden von den Ausgangsschnittstellen Signale abgegeben, die zur Steuerung der Leistungselektronikeinheit W1 und anderer Elemente benötigt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform sind in den als Radnabenmotoren ausgestalteten elektrischen Maschinen EM3 und EM2 jeweils Drehzahlsensoren integriert. Die Drehzahlsensoren geben Signale ab, mit denen die Raddrehzahl des Vorderrads 4 und die Raddrehzahl des Hinterrads 3 bestimmt werden können.
Ferner weist das Fahrzeug 1 der vorliegenden Ausführungsform weitere für ein Fahrrad übliche Elemente auf, wie zum Beispiel mechanische Bremsen an dem Vorderrad 4 und dem Hinterrad 3 sowie zugehörige Bremsgriffe zum Betätigen der Bremsen auf. Außerdem sind Eingabeelemente an dem Fahrzeug 1 vorgesehen, mit denen der Fahrer vorbestimmte Betriebszustände vorgeben kann, die von der elektronischen Steuereinheit ECU1 umgesetzt werden.
Die Besonderheit des Fahrzeugs 1 der in 1 gezeigten Ausführungsform liegt darin, dass zwischen der Kurbeleinrichtung, die die Pedale P1, P2 und die Pedalwelle S1 aufweist, keine mechanische Kopplung zu einem der Räder, insbesondere dem Hinterrad 3 besteht. Anders als bei Fahrrädern ohne elektrische Unterstützung oder bei E-Bikes oder Pedelecs, bei denen eine elektrische Unterstützung vorgesehen ist, ist zwischen der Kurbeleinrichtung und dem Hinterrad gemäß dem hier vorgeschlagenen Konzept keine Kette oder ähnliches vorgesehen. Dies wird unter Bezugnahme auf 2 verdeutlicht.
2 zeigt einen Leistungsübertragungspfad der mechanischen Leistung im Zusammenhang mit der Ausführungsform von 1 und den weiter unten beschriebenen weiteren Ausführungsformen. Die mechanische Leistung wird in der Ausführungsform von 1 ausschließlich über die Pedaleinrichtung, insbesondere über die Pedale P1, P2, durch den Fahrer aufgebracht. Die mechanische Leistung wird sodann über die Pedalwelle S1 in das Getriebe R1 und daraufhin in den elektrischen Generator EM1 übertragen. In dem elektrischen Generator EM1 wird die von dem Fahrer aufgebrachte mechanische Leistung in elektrische Generatorleistung umgewandelt. Eine weitergehende mechanische Kopplung zwischen den Pedalen P1, P2 und weiteren Elementen des Fahrzeugs 1 besteht nicht.
In der vorliegenden Ausführungsform kann die von dem elektrischen Generator EM1 erzeugte elektrische Leistung verwendet werden, um einerseits das Fahrzeug 1 anzutreiben und andererseits den elektrischen Energiespeicher A1 zu laden. Die möglichen Übertragungspfade der mechanischen Leistung und der elektrischen Leistung im Betrieb des Fahrzeugs 1 gemäß der Ausführungsform von 1 sind in 3 dargestellt. Wie in 3 gezeigt ist, leitet der Fahrer mechanische Leistung über die Kurbeleinrichtung in den elektrischen Generator EM1 ein. Dieser erzeugt aus der mechanischen Leistung entsprechend elektrische Leistung, die in die elektronische Steuereinheit ECU1 eingeleitet wird. Die elektronische Steuereinheit ECU1 koordiniert die Verteilung der elektrischen Leistung entsprechend den Vorgaben in Abhängigkeit von dem Betriebszustand oder der Betriebsweise des Fahrzeugs. Insbesondere kann die elektronische Steuereinheit ECU1 elektrische Leistung zu dem elektrischen Energiespeicher A1 zuführen, so dass dieser aufgeladen wird. Alternativ oder ergänzend kann die elektronische Steuereinheit ECU1 elektrische Leistung zu einer oder beiden elektrischen Maschinen EM2, EM3 zuführen, so dass für das Vorderrad 4 und das Hinterrad 3 entsprechend mechanische Leistung zur Verfügung gestellt wird.
In einem möglichen Betriebszustand des Fahrzeugs 1 betreibt somit der Fahrer den elektrischen Generator EM1, so dass dieser elektrische Leistung erzeugt, die mit einer vorbestimmten Aufteilung zum Antrieb des Vorderrads 4, zum Antrieb des Hinterrads 3 sowie zum Laden des elektrischen Energiespeichers A1 verwendet wird.
Im Folgenden werden mögliche Betriebsarten des Fahrzeugs 1 mit der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung erläutert. Es wird darauf hingewiesen, dass die Betriebsarten und Betriebszustände, die im Folgenden erläutert werden, von der elektronischen Steuereinheit ECU1 eingestellt werden und die elektronische Steuereinheit ECU1 für die Durchführung der Betriebsarten entsprechend eingerichtet und ausgestaltet ist. Insbesondere weist die Hardware der elektronischen Steuereinheit ECU1 die für die Steuerung und Regelung des Fahrzeugs 1 erforderlichen Elemente auf. Andererseits ist die in der elektronischen Steuereinheit ECU1 verwendete Software für die Durchführung des vorbestimmten Betriebs ausgestaltet.
Insbesondere ist die elektronische Steuereinheit ECU1 derart ausgestaltet, dass sie die elektrischen Maschinen EM2 und EM3, die prinzipiell zum Antrieb des Vorderrads 4 bzw. des Hinterrads 3 vorgesehen sind, zusätzlich in einem rekuperativen Betriebszustand betreibt. In diesem Fall wirken die elektrischen Maschinen EM2 und EM3 als Generatoren und erzeugen elektrische Leistung, die der elektronischen Steuereinheit ECU1 zur weiteren Verwendung zugeführt wird. Außerdem ist die elektronische Steuereinheit ECU1 eingerichtet, um die elektrischen Maschinen EM 2 und EM3 derart zu betreiben, dass eine Bremskraft an dem Vorderrad 4 bzw. dem Hinterrad 3 erzeugt werden kann, indem elektrische Leistung zu den elektrischen Maschinen EM3 und EM2 zugeführt wird, die entgegen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs 1 wirkt. Auf diese Weise kann an dem Vorderrad 4 bzw. dem Hinterrad 3 eine aktive Bremskraft erzeugt werden. Ferner ist die elektronische Steuereinheit ECU1 eingerichtet, um den elektrischen Generator EM1 derart zu steuern, dass die elektrische Generatorleistung, die von dem elektrischen Generator EM1 erzeugt wird, einstellbar ist. Auf diese Weise kann das an der Pedalwelle S1 anliegende Drehmoment, gegen das der Fahrer die Pedale P1, P2 bewegen muss, eingestellt werden.
Folgende Betriebsweisen des Fahrzeugs 1 können von der elektronischen Steuereinheit ECU1 prinzipiell verwirklicht werden:

1. Der Fahrer treibt nur das Hinterrad an: Der Leistungsfluss erfolgt von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM2.
2. Der Fahrer treibt nur das Vorderrad an: Der Leistungsfluss erfolgt von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM3.
3. Der Fahrer treibt das Hinterrad und das Vorderrad an (Allrad-Betrieb): Der Leistungsfluss erfolgt von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM2 und zur elektrischen Maschine EM3.
4. Der Fahrer lädt nur den elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zum elektrischen Energiespeicher A1.
5. Der Fahrer treibt das Hinterrad an und lädt den elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM2 und zum elektrischen Energiespeicher A1.
6. Der Fahrer treibt das Vorderrad an und lädt den elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM3 und zum elektrischen Energiespeicher A1.
7. Der Fahrer treibt das Hinterrad und das Vorderrad an (Allrad-Betrieb) und lädt zusätzlich den elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM2, zur elektrischen Maschine EM3 und zum elektrischen Energiespeicher A1.
8. Der elektrische Energiespeicher A1 treibt das Hinterrad an: Der Leistungsfluss erfolgt vom elektrischen Energiespeicher A1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM2.
9. Der elektrische Energiespeicher A1 treibt das Vorderrad an: Der Leistungsfluss erfolgt vom elektrischen Energiespeicher A1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM3.
10. Der elektrische Energiespeicher A1 treibt das Hinterrad und das Vorderrad an (Allrad-Betrieb): Der Leistungsfluss erfolgt vom elektrischen Energiespeicher A1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM2 und zur elektrischen Maschine EM3.
11. Der Fahrer und der elektrische Energiespeicher A1 treiben das Hinterrad an: Der Leistungsfluss erfolgt von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM2 und zusätzlich vom elektrischen Energiespeicher A1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM2.
12. Der Fahrer und der elektrische Energiespeicher A1 treiben das Vorderrad an: Der Leistungsfluss erfolgt von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM3 und zusätzlich vom elektrischen Energiespeicher A1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM3.
13. Der Fahrer und der elektrische Energiespeicher A1 treiben das Hinterrad und das Vorderrad an (Allrad-Betrieb): Der Leistungsfluss erfolgt von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM2 und zur elektrischen Maschine EM3 und zusätzlich vom elektrischen Energiespeicher A1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM2 und zur elektrischen Maschine EM3.
14. Generatorisches Verzögern (Rekuperieren der Bremsenergie) über das Hinterrad: Der Leistungsfluss erfolgt von der elektrischen Maschine EM2 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zum elektrischen Energiespeicher A1.
15. Generatorisches Verzögern (Rekuperieren der Bremsenergie) über das Vorderrad: Der Leistungsfluss erfolgt von der elektrischen Maschine EM3 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zum elektrischen Energiespeicher A1.
16. Generatorisches Verzögern (Rekuperieren der Bremsenergie) über das Hinterrad und über das Vorderrad: Der Leistungsfluss erfolgt von der elektrischen Maschine EM2 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zum elektrischen Energiespeicher A1 und von der elektrischen Maschine EM3 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zum elektrischen Energiespeicher A1.
17. Generatorisches Verzögern (Rekuperieren der Bremsenergie) über das Hinterrad und der Fahrer lädt zusätzlich den elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt von der elektrischen Maschine EM2 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zum elektrischen Energiespeicher A1 und zusätzlich von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zum elektrischen Energiespeicher A1.
18. Generatorisches Verzögern (Rekuperieren der Bremsenergie) über das Vorderrad und der Fahrer lädt zusätzlich den elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt von der elektrischen Maschine EM3 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zum elektrischen Energiespeicher A1 und zusätzlich von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zum elektrischen Energiespeicher A1.
19. Generatorisches Verzögern (Rekuperieren der Bremsenergie) über das Hinterrad und über das Vorderrad und der Fahrer lädt zusätzlich den elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt von der elektrischen Maschine EM2 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zum elektrischen Energiespeicher A1 und von der elektrischen Maschine EM3 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zum elektrischen Energiespeicher A1 und zusätzlich von dem elektrischen Generator EM1 über elektronische Steuereinrichtung ECU1 zum elektrischen Energiespeicher A1.
20. Motorisches Verzögern (Motorbetrieb gegen die Bewegungsrichtung) über das Hinterrad mit Energie aus dem elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt gleich wie in Betriebsart 8.
21. Motorisches Verzögern (Motorbetrieb gegen die Bewegungsrichtung) über das Vorderrad mit Energie aus dem elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt gleich wie in Betriebsart 9.
22. Motorisches Verzögern (Motorbetrieb jeweils gegen die Bewegungsrichtung) über das Hinterrad und über das Vorderrad mit Energie aus dem elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt gleich wie in Betriebsart 10.
23. Motorisches Verzögern (Motorbetrieb gegen die Bewegungsrichtung) über das Hinterrad mit Energie vom Fahrer: Der Leistungsfluss erfolgt gleich wie in Betriebsart 1.
24. Motorisches Verzögern (Motorbetrieb gegen die Bewegungsrichtung) über das Vorderrad mit Energie vom Fahrer: Der Leistungsfluss erfolgt gleich wie in Betriebsart 2.
25. Motorisches Verzögern (Motorbetrieb jeweils gegen die Bewegungsrichtung) über das Hinterrad und über das Vorderrad mit Energie vom Fahrer: Der Leistungsfluss erfolgt gleich wie in Betriebsart 3.
26. Motorisches Verzögern (Motorbetrieb gegen die Bewegungsrichtung) über das Hinterrad mit Energie vom Fahrer und vom elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt gleich wie in Betriebsart 11.
27. Motorisches Verzögern (Motorbetrieb gegen die Bewegungsrichtung) über das Vorderrad mit Energie vom Fahrer und vom elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt gleich wie in Betriebsart 12.
28. Motorisches Verzögern (Motorbetrieb jeweils gegen die Bewegungsrichtung) über das Hinterrad und über das Vorderrad mit Energie vom Fahrer und vom elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt gleich wie in Betriebsart 13.
29. Mischung von generatorischem und motorischem Verzögern mit Generator am Hinterrad (Rekuperieren der Bremsenergie) und Motor am Vorderrad (Motorbetrieb gegen die Bewegungsrichtung): Der Leistungsfluss erfolgt von der elektrischen Maschine EM2 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM3.
30. Mischung von generatorischem und motorischem Verzögern mit Generator am Vorderrad (Rekuperieren der Bremsenergie) und Motor am Hinterrad (Motorbetrieb gegen die Bewegungsrichtung): Der Leistungsfluss erfolgt von der elektrischen Maschine EM3 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM2.
31. Mischung von generatorischem und motorischem Verzögern mit Generator am Hinterrad (Rekuperieren der Bremsenergie) und Motor am Vorderrad (Motorbetrieb gegen die Bewegungsrichtung) mit zusätzlicher Energie vom Fahrer: Der Leistungsfluss erfolgt von der elektrischen Maschine EM2 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM3 und von dem elektrischen Generator EM1 über die ECU1 zur elektrischen Maschine EM3.
32. Mischung von generatorischem und motorischem Verzögern mit Generator am Vorderrad (Rekuperieren der Bremsenergie) und Motor am Hinterrad (Motorbetrieb gegen die Bewegungsrichtung) mit zusätzlicher Energie vom Fahrer: Der Leistungsfluss erfolgt von EM3 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zu EM2 und von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zu EM2.
33. Mischung von generatorischem und motorischem Verzögern mit Generator am Hinterrad (Rekuperieren der Bremsenergie) und Motor am Vorderrad (Motorbetrieb gegen die Bewegungsrichtung) mit zusätzlicher Energie vom elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt von der elektrischen Maschine EM2 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM3 und vom elektrischen Energiespeicher A1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zu EM3.
34. Mischung von generatorischem und motorischem Verzögern mit Generator am Vorderrad (Rekuperieren der Bremsenergie) und Motor am Hinterrad (Motorbetrieb gegen die Bewegungsrichtung) mit zusätzlicher Energie vom elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt von der elektrischen Maschine EM3 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zu EM2 und vom elektrischen Energiespeicher A1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM2.
35. Mischung von generatorischem und motorischem Verzögern mit Generator am Hinterrad (Rekuperieren der Bremsenergie) und Motor am Vorderrad (Motorbetrieb gegen die Bewegungsrichtung) mit zusätzlicher Energie vom Fahrer und vom elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt von der elektrischen Maschine EM2 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM3 und von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM3 und vom elektrischen Energiespeicher A1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM3.
36. Mischung von generatorischem und motorischem Verzögern mit Generator am Vorderrad (Rekuperieren der Bremsenergie) und Motor am Hinterrad (Motorbetrieb gegen die Bewegungsrichtung) mit zusätzlicher Energie vom Fahrer und vom elektrischen Energiespeicher A1: Der Leistungsfluss erfolgt von der elektrischen Maschine EM3 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM2 und von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM2 und vom elektrischen Energiespeicher A1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur elektrischen Maschine EM2.
37. Der elektrische Energiespeicher A1 stellt elektrische Energie für angeschlossene, externe Verbraucher direkt zur Verfügung: Der Leistungsfluss erfolgt vom elektrischen Energiespeicher A1 im montierten Zustand oder aus dem abgenommenen elektrischen Energiespeicher A1 zu den am elektrischen Energiespeicher A1 angeschlossenen externen Verbrauchern.
38. Der elektrische Energiespeicher A1 stellt elektrische Energie für angeschlossene, externe Verbraucher über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zur Verfügung: Der Leistungsfluss erfolgt vom elektrischen Energiespeicher A1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zu den an der elektronischen Steuereinrichtung ECU1 angeschlossenen, externen Verbrauchern.
39. Der Fahrer stellt elektrische Energie für angeschlossene, externe Verbraucher zur Verfügung: Der Leistungsfluss erfolgt von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zu den an der elektronischen Steuereinrichtung ECU1 angeschlossenen, externen Verbrauchern.
40. Der Fahrer lädt den elektrischen Energiespeicher A1 und stellt elektrische Energie für angeschlossene, externe Verbraucher zur Verfügung: Der Leistungsfluss erfolgt von dem elektrischen Generator EM1 über die elektronische Steuereinrichtung ECU1 zum elektrischen Energiespeicher A1 und zu den an der elektronischen Steuereinrichtung ECU1 angeschlossenen, externen Verbrauchern.

Im Folgenden werden anhand der Figuren weitere Ausführungsformen des Fahrzeugs 1 in abgewandelten Ausbaustufen erläutert. Dabei werden die Unterschiede zu der Vollausbaustufe erläutert, die in 1 gezeigt ist.
5 zeigt eine Ausführungsform des Fahrzeugs in einer abgewandelten Ausbaustufe, bei der abweichend von der Vollausbaustufe von 1 am Vorderrad 4 des Fahrzeugs 1 keine elektrische Maschine vorgesehen ist. Insofern ist das Vorderrad 4 in der in 5 gezeigten Ausführungsform ein antriebsloses Rad. In 6 sind Leistungsübertragungspfade für mechanische Leistung und elektrische Leistung dargestellt, die bei der Ausführungsform von 5 möglich sind.
In der Ausführungsform von 7 entfällt abweichend von der Vollausbaustufe von 1 die elektrische Maschine EM2 zum Antrieb des Hinterrads 3. Insofern ist in der Ausführungsform von 7 das Hinterrad 3 ein antriebsloses Rad. In 8 sind Leistungspfade für mechanische Leistung und elektrische Leistung dargestellt, die bei dem Ausführungsbeispiel von 7 möglich sind.
In der Ausführungsform von 9 ist abweichend von der Vollausbaustufe von 1 der elektrische Energiespeicher A1 entfallen. Insofern weist das Fahrzeug 1 gemäß der Ausführungsform von 9 keinen elektrischen Energiespeicher zum Antrieb der elektrischen Maschinen EM2 bzw. EM3 auf. In der Ausführungsform von 9 wird die elektrische Leistung zum Antreiben des Fahrzeugs 1 somit über den elektrischen Generator EM1 erzeugt. Der elektrische Energiespeicher E1, der zum Betreiben der elektronischen Steuereinheit ECU1 vorgesehen ist, ist in der vorliegenden Ausführungsform weiterhin vorgesehen. Außerdem sind die elektrischen Maschinen EM2 und EM3 jeweils weiterhin im rekuperativen Betrieb betreibbar, so dass der elektrische Energiespeicher E1 für die elektronische Steuereinheit ECU1 durch Rekuperation mithilfe der elektrischen Maschinen EM2 und EM3 geladen werden kann. 10 zeigt Leistungspfade für mechanische Leistung und elektrische Leistung, die mit der Ausführungsform von 9 möglich sind.
Die in 11 gezeigte Ausführungsform entspricht der in 5 gezeigten Ausführungsform, wobei zusätzlich der elektrische Energiespeicher A1 für den Antrieb des Fahrzeugs 1 weggelassen ist. In 12 sind Leistungspfade der mechanischen Leistung und der elektrischen Leistung dargestellt, die mit der Ausführungsform von 11 möglich sind.
13 zeigt eine Ausführungsform, die der Ausführungsform von 7 entspricht, wobei zusätzlich der elektrische Energiespeicher A1 zum Antrieb des Fahrzeugs 1 weggelassen ist. 14 zeigt Leistungspfade für mechanische Leistung und elektrische Leistung, die mit der Ausführungsform von 13 möglich sind.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform weist das Fahrzeug zwei elektrische Generatoren auf. Dabei weist jeder der elektrischen Generatoren einen Aufbau auf, der demjenigen des elektrischen Generators EM1 entspricht, der in den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschrieben ist. In dieser Ausführungsform weist das Fahrzeug zwei Sitze auf, von denen jeder einem der zwei elektrischen Generatoren zugeordnet ist. Somit ist mit dieser Ausführungsform ein Fahrzeug für zwei Fahrer vorgesehen, von denen jeder einen der elektrischen Generatoren betreiben kann. Insbesondere wird mit dieser Ausführungsform ein Tandem als eBike bzw. Pedelec bereitgestellt. In einer weitergehend abgewandelten Ausführungsform weist das Fahrzeug mehr als zwei Sitze auf und ist jedem der Sitze ein elektrischer Generator zugeordnet, so dass das Fahrzeug von mehr als zwei Fahrern gleichzeitig gefahren werden kann. In den vorstehend genannten Ausführungsformen sind dieselben Ausgestaltungen anwendbar, die in den Ausführungsformen vorgesehen sind, die in den Figuren dargestellt sind.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Fahrzeug 1 ein elektronisches Anzeige-/Bedienelement auf. Mit dem elektronischen Anzeige-/Bedienelement können die Funktionen und Betriebszustände des Fahrzeugs 1 unter Einbeziehung der elektronischen Steuereinheit ECU1 eingestellt und abgelesen werden. In einer weiteren Ausführungsform kann über das elektronische Anzeige-/Bedienelement eine Passwortabfrage für die Aktivierung bzw. Deaktivierung der Antriebseinrichtungen des Fahrzeugs 1 vorgesehen werden. Mit dieser Passwortabfrage kann ein Schutz vor unbefugter Nutzung bzw. ein Schutz vor Diebstahl verwirklicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Fahrzeug mindestens ein Photovoltaik-Modul auf, das zur Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie ausgestaltet ist. Das mindestens eine Photovoltaik-Modul ist in dieser Ausführungsform mit der elektronischen Steuereinheit ECU1 gekoppelt. Die elektronische Steuereinheit ECU1 führt die von dem mindestens einen Photovoltaik-Modul abgegebene elektrische Energie dem elektrischen Energiespeicher E1, der zum Betreiben der elektronischen Steuereinheit ECU1 vorgesehen ist, zu, um diesen Aufzuladen. Alternativ oder zusätzlich führt die elektronische Steuereinheit ECU1 die von dem mindestens einen Photovoltaik-Modul abgegebene elektrische Energie dem gegebenenfalls vorgesehenen elektrischen Energiespeicher A1, der als Traktionsbatterie vorgesehen ist, zu, um diesen aufzuladen. Ferner führt die elektronische Steuereinheit ECU1 die von dem mindestens einen Photovoltaik-Modul abgegebene elektrische Energie dem gegebenenfalls vorgesehenen Anzeige-/Bedienelement zu. Mit dieser Ausführungsform kann sichergestellt werden, dass jedenfalls der elektrische Energiespeicher E1, der zum Betreiben der elektronischen Steuereinheit ECU1 vorgesehen ist, ausreichend Energie zum Betrieb der elektronischen Steuereinheit ECU1 enthält, so dass die Steuerungsfunktionen der elektronischen Steuereinheit ECU1 zu jedem Zeitpunkt gewährleistet sind.
Bezugszeichen

1: Fahrzeug
2: Rahmen
3: Hinterrad
4: Vorderrad
5: Gabel
6: Hinterbau
7: Tretlagerabschnitt
8: Unterrohr
9: Lenker
10: Sattel
EM1: elektrischer Generator
EM2: elektrische Maschine
EM3: elektrische Maschine
R1: Getriebe
P1, P2: Pedale (Kurbeleinrichtung)
S1: Pedalwelle (Kurbeleinrichtung)
ECU1: elektronische Steuereinheit
A1: elektrischer Energiespeicher (Traktion)
E1: elektrischer Energiespeicher (Steuereinrichtung)
CPU: digitaler Prozessor
RAM: Datenspeichereinrichtung
ROM: Datenspeichereinrichtung
W1: Leistungselektronikeinheit

Claims

Fahrzeug (1) mit mindestens zwei Rädern (3, 4), von denen mindestens ein Rad (3; 4) als Antriebsrad zum Antreiben des Fahrzeugs (1) ausgebildet ist, mindestens einer elektrischen Maschine (EM2; EM3), die zur Kraftübertragung mit dem mindestens einen Antriebsrad (3; 4) gekoppelt ist, einem elektrischen Generator (EM1), der zur Erzeugung elektrischer Generatorleistung durch eine mit dem elektrischen Generator (EM1) gekoppelten Kurbeleinrichtung (P1, P2, S1) durch Muskelkraft betreibbar ist, sowie einer elektronischen Steuereinheit (ECU1), die zumindest zur Steuerung der mit der mindestens einen elektrischen Maschine (EM2; EM3) ausgetauschten elektrischen Leistung und der vom elektrischen Generator (EM1) erzeugten elektrischen Generatorleistung eingerichtet ist, wobei die Übertragung von Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs (1) über das mindestens eine Antriebsrad (3; 4) ausschließlich über einen elektrischen Leistungspfad erfolgt.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbeleinrichtung (P1, P2, S1) mechanisch ausschließlich mit dem elektrischen Generator (EM1) gekoppelt ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurbeleinrichtung (P1, P2, S1) von jedem der Räder (3, 4) des Fahrzeugs (1) mechanisch entkoppelt ist.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kurbeleinrichtung (P1, P2, S1) und dem elektrischen Generator (EM1) ein Getriebe (R1) zur Bereitstellung eines Übersetzungsverhältnisses zwischen einer Drehzahl der Kurbeleinrichtung (P1, P2, S1) und der Drehzahl des elektrischen Generators (EM1) vorgesehen ist.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Energiespeicher (A1) vorgesehen ist, der elektrisch über die elektronische Steuereinheit (ECU1) mit dem elektrischen Generator (EM1) und der mindestens einen elektrischen Maschine (EM2; EM3) koppelbar ist.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (1) ein Einspurfahrzeug mit zwei Rädern (3, 4) ist, wobei eines der zwei Räder (3, 4) ein Vorderrad (4) ist und das andere der zwei Räder (3, 4) ein Hinterrad (3) ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eines von dem Vorderrad (4) und dem Hinterrad (3) als Antriebsrad ausgebildet ist, das zur Kraftübertragung mit der mindestens einen elektrischen Maschine (EM3; EM2) gekoppelt ist, während das andere von dem Vorderrad (4) und dem Hinterrad (3) als antriebsloses Rad ausgebildet ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrische Maschine (EM2, EM3) eine erste elektrische Maschine (EM3) und eine zweite elektrische Maschine (EM2) aufweist, wobei das Vorderrad (4) als Antriebsrad ausgebildet ist, das zur Kraftübertragung mit der ersten elektrischen Maschine (EM3) gekoppelt ist, und das Hinterrad (3) als Antriebsrad ausgebildet ist, das zur Kraftübertragung mit einer zweiten elektrischen Maschine (EM2) gekoppelt ist.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrische Maschine (EM2; EM3) selektiv motorisch oder rekuperativ betreibbar ist.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Erfassungseinrichtungen zur Erfassung einer Drehzahl von mindestens einem der mindestens zwei Räder (3; 4) des Fahrzeugs (1) und zur Bereitstellung von Drehzahlsignalen vorgesehen sind, wobei die Drehzahlsignale der Steuereinrichtung (ECU1) zur Steuerung des Antriebs des Fahrzeugs (1) zugeführt werden.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrische Maschine (EM2; EM3) als Radnabenmotor ausgebildet ist.
Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 5-11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (ECU1) eingerichtet ist, um von dem elektrischen Generator (EM1) erzeugte Generatorleistung in einem vorbestimmten Betriebszustand zumindest teilweise zur Speicherung in dem elektrischen Energiespeicher (A1) zuzuführen.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (ECU1) eingerichtet ist, um von dem elektrischen Generator (EM1) erzeugte elektrische Leistung in einem vorbestimmten Betriebszustand zumindest teilweise der mindestens einen elektrischen Maschine (EM2; EM3) als Antriebsleistung zuzuführen.
Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 5-13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (ECU1) eingerichtet ist, um die mindestens eine elektrische Maschine (EM2; EM3) in einen Rekuperationsbetriebszustand zu versetzen und die in dem Rekuperationsbetriebszustand erzeugte elektrische Leistung zumindest teilweise dem elektrischen Energiespeicher (A1) zuzuführen.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrische Maschine (EM2, EM3) eine erste elektrische Maschine (EM3) und eine zweite elektrische Maschine (EM2) aufweist, wobei die elektronische Steuereinheit (ECU1) eingerichtet ist, um eine der ersten und zweiten elektrischen Maschine (EM2; EM3) in einen Rekuperationsbetriebszustand zu versetzen und die in dem Rekuperationsbetriebszustand erzeugte elektrische Leistung zumindest teilweise der anderen der ersten und zweiten elektrischen Maschine (EM3; EM2) zuzuführen.
Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 5-15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (ECU1) eingerichtet ist, um der mindestens einen elektrischen Maschine (EM2; EM3) in einem vorbestimmten Betriebszustand elektrische Leistung zum Antrieb der zumindest einen elektrischen Maschine (EM2; EM3) zumindest teilweise von dem elektrischen Energiespeicher (A1) zuzuführen.
Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 5-16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (ECU1) eingerichtet ist, um der mindestens einen elektrischen Maschine (EM2; EM3) in einem vorbestimmten Betriebszustand elektrische Leistung zumindest teilweise von dem elektrischen Energiespeicher (A1) zum Erzeugen einer Bremskraft entgegen der Antriebsrichtung der zumindest einen elektrischen Maschine (EM2; EM3) zuzuführen.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (ECU1) eingerichtet ist, um der mindestens einen elektrischen Maschine (EM2; EM3) in einem vorbestimmten Betriebszustand elektrische Leistung zumindest teilweise von dem elektrischen Generator (EM1) zum Erzeugen einer Bremskraft entgegen der Antriebsrichtung der mindestens einen elektrischen Maschine (EM2; EM3) zuzuführen.
Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (ECU1) eingerichtet ist, um das Fahrzeug in einen stationären Zustand zu versetzen und in diesem Zustand elektrische Energie, die von dem elektrischen Generator (EM1) durch Betrieb der Kurbeleinrichtung (P1, P2, S1) erzeugt wird, zumindest teilweise zur Speicherung oder zumindest teilweise einem externen Verbraucher zuzuführen.
Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 6-19, dadurch gekennzeichnet, die elektronische Steuereinheit (ECU) eingerichtet ist, um eine automatischen Antriebsregelung durch Ansteuern der mindestens einen elektrischen Maschine (EM2; EM3) zumindest auf der Grundlage einer erfassten Drehzahl von einem des Vorderrads (4) und des Hinterrads (3) durchzuführen, wobei die Antriebsregelung zumindest eine von folgenden Antriebsregelungen aufweist: - eine Schlupfregelung zur Regelung eines Schlupfs von zumindest einem des Vorderrads (4) und des Hinterrads (3); - eine Bremskraftregelung zur Regelung einer auf zumindest eines des Vorderrads (4) und des Hinterrads (3) aufgebrachten Bremskraft; und - einer Rekuperationsregelung zur Regelung einer Rekuperation in Bezug auf zumindest eines des Vorderrads (4) und des Hinterrads (3).