DE19919987A1 - LED-Zweiradbeleuchtung mit photovoltaischer Aufladung des Energiespeichers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine solarbetriebene Beleuchtungseinrichtung für ein Zweirad, im folgenden beispielhaft Fahrrad genannt, welche teilweise zum Aufladen und zum Schutz vor Diebstahl abnehmbar am Fahrrad befestigt ist. Das Rück- und Frontlicht kann dabei, wie bisher üblich, fest am Rad, bei Bedarf aber auch abnehmbar installiert werden. Herzstück der Beleuchtungseinrichtung ist die Zentraleinheit mit Solarmodul, Anschluß- und Verteileinrichtung, sowie Stromakkumulatoren, welche komplett abnehmbar konstruiert sind. Die sowohl durch das Solarmodul als auch bei Inbetriebnahme durch die an jedem Fahrrad befindliche Lichtmaschine gespeisten Stromspeicher (Akkumulatoren) geben auf Befehl des Anwenders den gespeicherten Strom an die Rück- und Frontleuchte ab. Diese Leuchten sind mit Licht emittierenden Dioden (Weißlicht- und Rotlicht-LEDs) ausgestattet. Zusätzlich können bei Bedarf auch weitere Akkus in ein gesondertes Fach eingelegt werden, falls die durch LEDs angezeigte verbleibende Leuchtdauer nicht ausreichen sollte. Im äußersten Notfall kann die Beleuchtung noch über die normale Lichtmaschine erfolgen. Die ordnungsgemäße Funktionsweise des Rücklichtes wird durch eine LED auf der Zentraleinheit angezeigt, um dem Nutzer zusätzliche Sicherheit zu geben und bei Ausfall rechtzeitig zu warnen.

Description

Stand der Technik/Hintergründe

Bisherige Beleuchtungseinrichtungen für Fahrräder arbeiten entweder mit einer lokalen Lichtmaschine und/oder dem Einsatz zuvor aufgeladener Akkus, um den für die her­ kömmliche Beleuchtung des Fahrrades benötigten Strom bereitzustellen. Diese Vorrich­ tungen haben jedoch den Nachteil, daß sie entweder die zur Fortbewegung des Rades benötigte Tretkraft deutlich erhöhen bzw. hohe Energiekosten zur Herstellung (Einmal- Akkus) bzw. zusätzlichen Aufwand zur Wiederaufladung der Akkus hervorrufen. Zwar bieten hier wiederaufladbare Akkus eine gewisse Umweltentlastung, aber es besteht durchweg die Gefahr, daß sich die Akkus während der Fahrt soweit entladen, daß eine ausreichende Beleuchtungsstärke nicht mehr gewährleistet ist oder oft auch die Be­ leuchtung gänzlich ausfällt. Diese herkömmlichen Beleuchtungsvorrichtungen bergen in sich ein erhebliches Risiko für die Sicherheit des Nutzers im Straßenverkehr. Aufgrund des relativ hohen Leistungsbedarfs herkömmlicher Lichtquellen werden seit Jahren Rot­ licht emittierende LEDs für die Ausleuchtung des Fahrradrücklichts verwendet. Die Frontleuchte wird dagegen weiterhin mit herkömmlichen Leuchtkörpern und entspre­ chend hohem Energieverbrauch betrieben.

Seit 1980 existieren Bemühungen (US Patent No. 4325108), für die Fahrradbeleuch­ tungsanlage unter Nutzung des Sonnenlichts eine umweltschonende und zugleich be­ queme Alternative zu entwickeln. Hierbei entfällt die Arbeit, die Akkus regelmäßig an ei­ ner externen Quelle aufladen zu müssen. Jedoch ist diese Idee bisher nicht konsequent umgesetzt worden, da die Dauer der Radbeleuchtung durch die bisher angewandten Beleuchtungssysteme nur unzureichend sicher gestellt werden konnte. Somit standen Aufwand und Nutzen bislang in keinem attraktiven Verhältnis zueinander und boten nur unzureichenden Schutz im Straßenverkehr.

Die Erfindung

Die Erfindung betrifft eine multifunktionale solarbetriebene Beleuchtungseinrichtung für ein Zweirad (im folgenden beispielhaft Fahrrad genannt), welche teilweise zum Aufladen und zum Schutz vor Diebstahl abnehmbar am Fahrrad befestigt werden kann. Das Rück- und Frontlicht kann dabei, wie bisher üblich, fest am Rad, bei Bedarf aber auch abnehm­ bar installiert werden. Um das bisherige Hindernis der vergleichsweise geringen Leucht­ dauer eines solar betriebenen Fahrradbeleuchtungssystems aus dem Weg zu räumen, werden in der vorliegenden Erfindung die seit kurzem auf dem Markt befindlichen Weiß­ licht emittierenden LEDs mit einer Leuchtkraft von mindestens 1000 mcd (millicandela) für die Frontleuchte des Fahrrads eingesetzt. Die schon seit vielen Jahren bekannten und auch eingesetzten Rotlicht emittierenden LEDs für die Fahrradrückleuchte finden in die­ sem System ebenfalls Verwendung.

Die Fertigung bzw. der Einsatz dieser LEDs wurde schon in folgenden Patent-, Ge­ brauchsmuster- oder Offenlegungsschriften beschrieben: WO 98/39 805, WO 98/05 078, DE 196 41 980 C1, DE 197 22 958 A1, EP 0 824 207 A1.

Je nach Leuchtkraft der verwendeten LED (derzeitiger Stand 1000-4000 mcd) werden eine bis mehrere dieser Weißlicht emittierenden Dioden in der Frontleuchte derart einge­ baut, daß eine mindestens ebenso gute Ausleuchtung wie bei den bisherigen Front­ scheinwerfern gegeben ist und die Bestimmungen des Kraftfahrt-Bundesamtes einge­ halten werden.

Der durch die Erfindung um ca. 70% reduzierte Energiebedarf für die Fahrradbeleuch­ tung führt dazu, daß mit weit geringerem Aufwand als bisher die Beleuchtungseinrichtung des Rades mittels der beschriebenen Solareinheit für mindestens 6 Stunden ohne die Zuschaltung der herkömmlichen Lichtmaschine gewährleistet werden kann. Durch die speziellen Leuchteigenschaften der LEDs entfällt auch, gegenüber herkömmlichen Leuchtkörpern, die Gefahr des totalen Versagens der Leuchtkörper innerhalb einer relativ kurzen Zeit, bedingt durch die vollständige Entladung der Akkus. Denn anders als bei konventionellen Leuchtkörpern verringert sich durch das Absinken der Stromspannung unter die optimale Betriebsspannung von 3,6 Volt die Leuchtstärke der LEDs nur allmäh­ lich, und kommt erst nach vielen Stunden (ca. 20) tatsächlich zum erliegen. Damit ist auch bei nachlassender Akkuspannung ein Schutz in der Dunkelheit gewährleistet. Durch die signifikante Reduktion des Stromverbrauchs der Leuchteinheit ist es möglich, trotz des Einsatzes eines Solarmoduls weit geringerem Ausmaßes als bisher, eine ausrei­ chend lange Beleuchtungsdauer durch die aufgeladenen Akkus zu gewährleisten. Das Solarmodul ist so dimensioniert, daß selbst bei ständig bedecktem Himmel, lediglich durch die diffuse Strahlung, die Akkus zu ca. 90% ihrer maximalen Kapazität geladen werden. Ein erster Prototyp arbeitet mit einem polykristallinen Solarmodul mit einer ma­ ximalen Leistung von nur 0,675 Watt. Drei Alkali-Mangan Akkus mit einer Kapazität von 1000 mA halten die maximale Leuchtstärke über eine Dauer von 6 Stunden. Beispiels­ weise sollten Alkali-Mangan Typen verwendet werden, da diese - im Gegensatz zu ande­ ren handelsüblichen Typen - nicht den Nachteil des Memory Effekts aufweisen, sondern auch bei Teilentladungen, wie diese bei der vorliegenden Anwendung üblich sind, die volle Kapazität aufrecht erhalten. Für die Speicherung des Solarstroms und die Bereit­ stellung für den Verbrauch können auch alternative Speichermethoden und Stromerzeu­ gungsmethoden (Bspw. Wasserstoffspeicherungs- und Brennstoffzellentechniken) an­ gewandt werden.

Neben dem geringen Stromverbrauch haben die eingesetzten LEDs noch den Vorteil der geringeren Anfälligkeit für Erschütterungen und der längeren Lebensdauer (300.000 Stunden gegenüber 1.000 Stunden).

Herzstück der Beleuchtungseinrichtung ist die Zentraleinheit mit Solarmodul, die komplett abnehmbar konstruiert werden kann, mit Anschluß- und Verteileinrichtung für Front- und Rückleuchte, Lichtmaschine sowie Stromakkumulatoren. Die Halterung für die Zen­ traleinheit ist fest installiert.

Das Solarmodul ist derart dimensioniert und geschaltet, daß es in Spannung und Lei­ stung auf die eingesetzten Akkus abgestimmt ist und die über einen integrierten Lade­ regler aufzuladenden Akkumulatoren auch bei bedecktem Himmel geladen werden, gleichzeitig aber auch bei direkter Sonneneinstrahlung die resultierenden Ladeströme entsprechend der eingesetzten Akkus begrenzt werden um Schäden zu verhindern.

Der Laderegler sorgt für die Einhaltung bestimmter Grenzspannungen, den Betrieb des Solargenerators in den Punkten maximaler Leistung (MPP-Regelung) und verhindert, daß sich die Akkus während strahlungsarmer Tages- und Nachtzeiten über den Innenwi­ derstand des Solargenerators entladen (Schaltung einer Rückstromdiode).

Ein Fach für Extra-Akkus (vorzugsweise wiederaufladbare Typen), kann im Bedarfsfall bestückt werden, um die maximal zur Verfügung stehende Beleuchtungsdauer ohne Zu­ schaltung des Dynamos zu erhöhen. Diese Akkus werden dann für die Beleuchtung zu- geschaltet, wenn der Ladezustand der Solar-Akkus eine ausreichende Beleuchtung des Rades nicht mehr gewährleisten kann.

An der wasserdichten und schlagfesten Zentraleinheit sind robuste Anschlüsse für die Frontleuchte, das Rücklicht und die konventionelle Lichtmaschine angebracht. Jede her­ kömmliche Lichtmaschine (6 V-12 V) kann somit ohne Umbauarbeiten, mittels eines mitgelieferten Anschlußsteckers, an diese Zentraleinheit angeschlossen werden. Sollten weder die Solar- noch Extra-Akkus ausreichende Leistung bringen können, kann die Radbeleuchtung mittels der herkömmlichen Lichtmaschine betrieben werden. Zusätzlich sorgt ein Laderegler dafür, daß die Aufladung entladener Akkus auch tagsüber, bei­ spielsweise bei Bergabfahrten, mittels der Lichtmaschine (vorzugsweise bei ausgeschal­ teter Beleuchtung) erfolgen kann.

Der Ladezustand der Solar-Akkus wie auch der Extra-Akkus wird durch an der Zen­ traleinheit angebrachte LED's auf Knopfdruck angezeigt, so daß über diese Anzeige die noch aktuell über die Akkus sichergestellte Beleuchtungsdauer abgelesen werden kann. Die sowohl durch das Solarmodul als auch bei Inbetriebnahme durch die an jedem Fahr­ rad befindliche Lichtmaschine gespeisten Stromspeicher (Bspw. Akkumulatoren) geben auf Befehl des Anwenders (Schalterstellung) den gespeicherten Strom an die Rück- und Frontleuchte ab.

Da sich die Rückleuchte außerhalb des Sichtbereichs des Anwenders befindet, gibt eine LED auf der Oberseite der Zentraleinheit an, ob die Rückleuchte ordnungsgemäß funktioniert. Somit kann der Fahrer rechtzeitig entsprechende Maßnahmen zur Sicherung seines eigenen Schutzes ergreifen.

Schließlich wird durch die feste Verkabelung der Fahrradbeleuchtung (keine Masserück­ führung über den Fahrradrahmen oder das Schutzblech) der häufig auftretende Funkti­ onsausfall bei herkömmlichen Ausführungen vermieden und bietet damit zusätzlichen Schutz. Um in Gefahrensituationen einen weiteren Schutz zu bieten, kann die Beleuch- tungseinrichtung auch auf Warnblinkfunktion umgestellt werden. Diese Funktion kann z. B. durch eine Flip-Flop-Schaltung in das System integriert werden.

Um die unberechtigte Entwendung der Zentraleinheit zu erschweren, wird ein elektroni­ scher Diebstahlsschutz eingebaut, der nur durch die Kenntnis des dazugehörigen Ge­ heimcodes inaktiviert werden kann.

Außerdem wird eine Halterung mitgeliefert, die das Aufladen der Solar-Akkus in der Zen­ traleinheit nach Abnahme derselben von der Radhalterung an einem günstigen Ort mit möglichst optimaler Ausrichtung auf die Sonneneinstrahlung ermöglicht.

Die Ausführung der Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand dreier Zeichnungen erläutert:

Das in Abb. 1 dargestellte Schaltbild zeigt eine mögliche Schaltungsvariante der Weißlicht emittierenden Leuchtdioden 1 des Frontscheinwerfers. Die parallel geschalte­ ten Dioden 1 sind über Vorwiderstände 2 an die Stromquelle angeschlossen.

Abb. 2 zeigt eine Vorderansicht des Frontscheinwerfers mit einer der möglichen Anordnungen der LEDs 3 in einem wasserdichten und stoßfesten Gehäuse 4 und einem an die Strahlungseigenschaften der LEDs 3 angepaßten Innenreflektor 5.

Abb. 3 zeigt die seitliche Ansicht des Frontscheinwerfers und eine der möglichen Anordnungen der LEDs 3 in dem Scheinwerfergehäuse 4, mit Innenreflektor 5 und einer speziell auf die Strahlungseigenschaften der LEDs angepaßten Diffusorplatte 6.

Claims (11)

1. LED-Zweiradbeleuchtung mit photovoltaischer Aufladung des Energiespeichers, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle für die Frontleuchte eine bis mehrere Weiß­ licht emittierende LED's dienen, wobei sämtliche LED's ungeachtet der Erzeugungsform des weißen Lichtes (additive Farbmischung oder andere Verfahren) genutzt werden kön­ nen. Die Leuchtstärke und Durchmesser der verwendeten LED's, sowie die Anordnung der LED's in der Leuchte hängen dabei von den konkreten Ansprüchen an die Dimensio­ nierung und die strahlungsspezifische Ausgestaltung der jeweiligen Leuchtapparatur ab.

2. LED-Zweiradbeleuchtung mit photovoltaischer Aufladung des Energiespeichers nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle für die Rückleuchte ein bis mehrere Rotlicht emittierende LED's dienen.

3. LED-Zweiradbeleuchtung mit photovoltaischer Aufladung des Energiespeichers nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Solarmodul derart dimensioniert und konstruiert ist, daß die Solar-Akkus auch bei bedecktem Himmel (diffuser Strahlung) zu ca. 90% der maximalen Speicherkapazität geladen werden, eine Überladung der Solar-Akkus und ein Rückfluß der gespeicherten Energie während strahlungsarmer Tages- und Nachtzeiten durch einen Laderegler verhindert werden.

4. LED-Zweiradbeleuchtung mit photovoltaischer Aufladung des Energiespeichers nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der abnehmbaren Zentraleinheit Extra-Akkus eingelegt werden können, die bei unzureichendem Ladezustand der Solar-Akkus zugeschaltet werden.

5. LED-Zweiradbeleuchtung mit photovoltaischer Aufladung des Energiespeichers nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine am Rad befindliche Lichtmaschine (6-12 V) über einen Laderegler die Solar-Akkus laden und damit die Funktionsfähigkeit der Beleuch­ tung auch bei leeren Akkus aufrecht erhalten kann. Zusätzlich sorgt der Laderegler dafür, daß die Aufladung entladener Akkus auch tagsüber, beispielsweise bei Bergabfahrten, mittels der Lichtmaschine (bspw. bei ausgeschalteter Beleuchtung) erfolgen kann.

6. LED-Zweiradbeleuchtung mit photovoltaischer Aufladung des Energiespeichers nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abnehmbare, wasserdichte und schlagfeste Zen­ traleinheit auf Befehl den Ladezustand der Solar-Akkus und der Extra-Akkus über eine LED-Anzeige anzeigt, um die zur Verfügung stehende Beleuchtungsdauer bestimmen zu können.

7. LED-Zweiradbeleuchtung mit photovoltaischer Aufladung des Energiespeichers nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ordnungsgemäße Funktionsweise des Rücklichts über eine Anzeigeneinheit überprüft werden kann.

8. LED-Zweiradbeleuchtung mit photovoltaischer Aufladung des Energiespeichers nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine herkömmliche elektronische Schaltung die Nutzung der Beleuchtungseinrichtung als Warnblinkanlage in Notfällen ermöglicht.

9. LED-Zweiradbeleuchtung mit photovoltaischer Aufladung des Energiespeichers nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abnehmbare Zentraleinheit eine Diebstahlsicherung enthält, die nur durch die Kenntnis des dazugehörigen Geheimcodes abgeschaltet wer­ den kann.

10. LED-Zweiradbeleuchtung mit photovoltaischer Aufladung des Energiespeichers nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine mitgelieferte Halterung das Aufladen der Solar-Akkus in der Zentraleinheit nach Abnahme derselben von der Radhalterung an einem günstigen Ort mit möglichst optimaler Ausrichtung auf die Sonneneinstrahlung ermöglicht.

11. LED-Zweiradbeleuchtung mit photovoltaischer Aufladung des Energiespeichers nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speicherung und Abgabe des Stroms sowohl her­ kömmliche Akkumulatoren (Bspw. Alkali-Mangan Typen) als auch andere innovative Techniken (Bspw. Wasserstoffspeicherungs- und Brennstoffzellentechniken) eingesetzt werden können.