WO2022111754A1 - Electric drive system - Google Patents

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WO2022111754A1
WO2022111754A1 PCT/DE2021/100897 DE2021100897W WO2022111754A1 WO 2022111754 A1 WO2022111754 A1 WO 2022111754A1 DE 2021100897 W DE2021100897 W DE 2021100897W WO 2022111754 A1 WO2022111754 A1 WO 2022111754A1
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WO
WIPO (PCT)
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operated
generator
torque
electrical machine
electrical
Prior art date
Application number
PCT/DE2021/100897
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thilo Stopfer
Georg DRENKHAHN
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG & Co. KG filed Critical Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority to EP21814679.3A priority Critical patent/EP4251458A1/en
Publication of WO2022111754A1 publication Critical patent/WO2022111754A1/en

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/45—Control or actuating devices therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/20—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power generated by humans or animals

Definitions

  • the present invention relates to an electrical drive system for a vehicle that can be operated with muscle power, comprising a first electrical machine that can be operated at least as a motor, which acts on a drive wheel of the vehicle for the purpose of driving, and a second electrical machine that can be operated at least as a generator, which is set up to convert mechanical energy introduced by a driver of the vehicle via a crank device into electrical energy, an energy storage device for storing and delivering electrical energy and a central control unit for controlling the first electric machine and for controlling the second electric machine.
  • DE 102013012208 A1 already discloses an electrical drive system for a vehicle operated with muscle power, the electrical drive system having at least one electrical generator mechanically connected to a drive crank, an electrical drive motor, an electrical energy store and an electrical circuit arrangement for electrically coupling the generator to the Includes drive motor and the energy storage.
  • the electric circuit arrangement has a speed control device, by means of which the speed of the electric generator is controlled in such a way that the speed nG of the electric generator satisfies the condition nG kn nR, where nR is the speed of a wheel of the vehicle driven by the electric drive motor and kn are a predetermined speed ratio factor.
  • a vehicle with an electric motor drive and an on-board computer in which the driver controls the motor power via a pedal crank, the speed of the pedal crank being set to a target speed calculated by the on-board computer by If the speed falls below the setpoint, the braking torque of a braking device acting on the pedal crank directly or via a gear and which can be controlled by the on-board computer is reduced, and if the setpoint speed is exceeded, the braking torque is increased.
  • the torque, the angle of rotation and the speed of the pedal crank are quantitatively detected by suitable sensors and/or by the brake device equipped accordingly for detecting these variables and their measurement signals are converted in the on-board computer to a control signal for one or more traction motors.
  • DE 102011 082082 A1 describes a bicycle with a hub motor as an auxiliary motor that drives a drive wheel, pedals with a bottom bracket and a generator arranged in the bottom bracket, which is connected to the pedals in such a way that mechanical energy generated by the pedals can be converted into electrical energy is.
  • the auxiliary motor is operated exclusively by the electrical energy that can be provided by the generator and/or by an energy store.
  • DE 102011 083980 A1 describes a drive system for a bicycle with an auxiliary motor that drives a drive wheel, pedals and a means for detecting an actual torque on the pedals and an actual speed of the bicycle as well as one connected to the pedals and the auxiliary motor control unit.
  • DE 102016210855 A1 describes a hybrid bicycle powered by muscle power and electrical energy with a generator whose torque can be adjusted by a control device and is limited to a maximum generator torque. The driver can apply a pedal torque to the generator by means of pedals.
  • WO 2017/129275 A1 describes a pedal drive system for an electric vehicle or a training device for generating electrical energy from a user's muscle power, which drives a generator by means of a pedal.
  • a control unit is used to control an applied muscle power to the pedal to provide an actuatable or operable vehicle, such as a bicycle, in which a mechanical coupling by means of traction means between the pedal crank and finter wheel is replaced by the electric drive system and at the same time the most realistic possible driving experience of a traction-means-supported drive can be simulated by the electric drive system.
  • the performance of the drive system should advantageously be further improved in comparison to known systems.
  • a drive system is to be provided which is also improved in terms of operational reliability, failure of the drive system in the event of a defective or partially defective generator is to be effectively prevented.
  • An electric drive system for a vehicle that can be operated with muscle power, having the features of patent claim 1.
  • An electric drive system according to the invention comprises a first electric machine, which can be operated at least as a motor, which acts on a drive wheel of the vehicle for the purpose of driving and a second one , Electrical machine that can be operated at least as a generator and is set up to convert mechanical energy introduced by a driver of the vehicle via a crank device into electrical energy.
  • the drive system includes an energy storage device for storing and delivering electrical energy and a central control unit for controlling the first electric machine and for controlling the second electric machine, wherein the control unit is set up according to the invention, the motor-operated electric machine depending on the target -Control torque for the electrical machine that can be operated as a generator.
  • a drive system is provided, through which a realistic driving experience of a traction-means-supported drive is simulated.
  • the advantage is achieved that the setpoint torque ensures the vehicle drive even in the event of a (partial) defect in the machine that can be operated as a generator.
  • the object of the invention always relates to multi-phase electrical drive systems, in particular to three-phase drive systems with field-oriented control.
  • control unit is set up to operate the electric machine, which can be operated as a generator, by means of speed control.
  • the advantage of this configuration lies in the fact that the pedaling sensation of a classic chain-driven vehicle is created for the driver.
  • control unit is set up to operate the electrical machine that can be operated as a generator by means of a controller cascade comprising a speed controller and a current controller, with a torque controller advantageously being arranged between the speed controller and the current controller.
  • control unit is set up to generate a generator setpoint torque as a function of a speed difference between the actual speed of the electrical machine that can be operated as a generator and the setpoint speed of the electrical machine that can be operated as a generator
  • the setpoint speed of the electrical machine that can be operated as a generator is advantageously formed by multiplying the actual speed of the drive wheel by a drive train ratio. The beneficial effect of this design is based on the fact that the ratio of the pedal crank speed and the wheel speed are coupled just like in a chain-driven vehicle, resulting in a familiar and natural driving experience.
  • control unit is set up to operate the electric machine that can be operated as a motor by means of a controller cascade consisting of a torque controller and a current controller.
  • a controller cascade consisting of a torque controller and a current controller.
  • control unit is set up to generate a drive motor target torque from the generator target torque multiplied by a predetermined torque amplification, depending on which torque the motor drive machine is activated.
  • the driver can also reduce pedaling speed by selecting a higher drive train ratio (similar to selecting a higher gear) and at the same time increase the drive power without further physical exertion.
  • control unit is set up so that the target torque of the electrical machine that can be operated as a motor always meets the condition that it is equal to the target torque of the electrical machine that can be operated as a generator multiplied by a predetermined torque gain of the electrical machine that can be operated as a motor is.
  • the benefit that can be gained from this is that the setpoint torque has greater smoothing compared to the actual torque and can also be used for the drive in the event of a defect in the machine that can be operated as a generator.
  • the control unit of the drive system is advantageously set up in such a way that a drive motor setpoint torque can be generated by means of a filter stage, and the drive motor is controlled as a function of this torque.
  • the drive motor target torque is determined via the filter stage as a function of the actual speed of the drive wheel, the generator target torque, the actual speed of the electrical machine that can be operated as a generator, and a predetermined torque amplification.
  • the filter stage is thus supplied on the input side with information about driving speed, pedaling cadence, support level and the existing virtual gear level.
  • the input variables of the filter stage 9 are advantageously determined by testing and stored in the filter stage 9 in the form of characteristic curves.
  • the above-described drive system uses the generator target torque (target torque of the second electrical machine that can be operated as a generator) instead of an actual pedal crank torque to control the first electrical machine that can be operated as a motor, thereby achieving improved operational reliability, among other things. Due to the structure shown, a drive can still be guaranteed if, for example, the generator has an electrical defect and the actual generator torque is no longer available.
  • Figure 1 shows the schematic structure of an electric drive system according to the invention in a possible embodiment
  • FIG. 2 shows the electric drive system according to FIG. 1 expanded by a filter stage.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of an electric drive system 1 according to the invention in one possible embodiment.
  • the illustrated electric drive system 1 for a vehicle 100 that can be operated with muscle power comprises a first electric machine 2, which acts on a drive wheel 101 of the vehicle 100 for the purpose of driving, and a second electric machine 3, which is set up by a driver of the vehicle 100 via a crank device 10, such as in particular the pedal or fland crank of a bicycle or an operating part for a wheelchair or the like, to convert mechanical energy into electrical energy.
  • the first electrical machine 2 is thus designed in such a way that it can be operated at least as a motor
  • the second electrical machine 3 is designed in such a way that it can be operated at least as a generator.
  • Both the first electrical machine 2 and the second electrical machine 3 are advantageously designed to be operable both as a motor and as a generator.
  • the drive system 1 shown includes in addition, an energy storage device 4 for storing and delivering electrical energy and a central control unit 5 for controlling the first electric machine 2 and for controlling the second electric machine 3.
  • the control unit 5 is set up in such a way that the electric machine 2, which can be operated as a motor, depends on can be controlled by the target torque MG_soii for the electrical machine 3 that can be operated as a generator.
  • the electrical machine 3 that can be operated as a generator is operated by means of a controller cascade comprising a speed controller 6 and a current controller 7 , with a torque controller 8 being arranged between the speed controller 6 and the current controller 7 .
  • the multi-phase generator setpoint current IG_SOII and the active factor cos(phi) are calculated within the torque controller 8, with the generator setpoint current IG_SOII together with the multi-phase generator actual current iGjst being fed to a comparator and the result of the comparison as an input variable to the current controller 7 for controlling the second electrical machine 3 that can be operated as a generator is supplied.
  • control unit 5 is set up, depending on a speed difference n from the actual speed nGjstder the electrical machine 3 that can be operated as a generator and the setpoint speed nG_soii of the electrical machine 3 that can be operated as a generator, the generator setpoint torque MG_soiials setpoint specification for controlling the electrical machine 3 that can be operated as a generator.
  • the setpoint speed nG_soiider the electric machine 3 that can be operated as a generator is generated by multiplying the actual speed nRjstdes the drive wheel 101 by a drive train ratio k n .
  • FIG. 1 also shows (on the right-hand side) that the control unit 5 is set up to operate the electric machine 2 that can be operated as a motor by means of a controller cascade, consisting of a torque controller 11 and a current controller 12 .
  • the control unit 5 is set up to generate a drive motor setpoint torque MA_SOII TO from the generator setpoint torque MG_SOII multiplied by a predetermined torque amplification kM, as a function of which the motorized drive machine 2 is activated.
  • the drive motor setpoint torque MA_SOII is converted into a multi-phase drive motor setpoint current IA_SOII, the Set drive motor current IA_SOII together with the multi-phase drive motor actual current Ujstauf a comparator and the result of the comparison is supplied as an input variable to the current controller 12 for controlling the first electrical machine 2 that can be operated as a motor.
  • Figure 1 shows that the control unit 5 is set up to generate the target drive motor torque MA_SOII ZU from the generator target torque MG_SOII multiplied by a predetermined torque gain kM, depending on which the drive motor 2 is controlled.
  • the torque amplification kM is formed by a factor which includes a component for simulating a drivetrain ratio k n and a component for driver support ku.
  • FIG. 2 shows the electric drive system 1 according to FIG. 1, expanded by a filter stage 9.
  • the filter stage 9 receives the following input variables on the input side:
  • the filter stage 9 provides the drive motor setpoint torque MA_SOII.
  • the control unit (5) is thus set up to use an additional filter stage 9 to generate a target drive motor torque MA_SOII, on the basis of which the drive motor 2 is activated, with the filter stage 9 depending on the actual speed nRjst of the drive wheel 101, the generator Desired torque MG_SOII, the actual speed nGjst, the electrical machine 3 that can be operated as a generator, and a predetermined torque amplification kM determine the drive motor desired torque (MA_SOII).
  • the Filter stage 9 works depending on the input variables determined in road tests and stored in individual characteristic curves or in a characteristic map.
  • the drive system 1 described above always uses the generator target torque MG_SOII (target torque of the second electrical machine 3, which can be operated as a generator) instead of an actual pedal crank torque for controlling the first electrical machine 2, which can be operated as a motor, and thus improves operational reliability, among other things.
  • a drive can still be guaranteed by the structure shown even if, for example, the generator has a defect and no actual generator torque iGjst should be available.

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Abstract

The invention relates to an electric drive system (1) for a vehicle (100) which can be operated by muscle power. The drive system (1) comprises a first electrical machine (2) which can be operated at least as a motor and acts on a drive wheel (101) of the vehicle (100) for drive purposes, and also a second electrical machine (3) which can be operated at least as a generator and is designed to convert mechanical energy introduced via a crank device (10) by a driver of the vehicle (100) into electrical energy. The drive system (1) also comprises an energy storage device (4) for storing and emitting electrical energy and a central control unit (5) for driving the first electrical machine (2) and for driving the second electrical machine (2). According to the invention, the control unit (5) is designed here to drive the electrical machine (2) which can be operated as a motor depending on the target torque (MG_target) for the electrical machine (3) which can be operated as a generator.

Description

Elektrisches Antriebssystem Electric propulsion system
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug, umfassend eine erste, zumindest motorisch betreibbare, elektrische Maschine, welche zum Zwecke des Antriebs auf ein Antriebsrad des Fahrzeugs wirkt, eine zweite, zumindest generatorisch betreibbare, elektrische Maschine, welche eingerichtet ist, eine von einem Fahrer des Fahrzeugs über eine Kurbeleinrichtung eingebrachte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, eine Energiespeichereinrichtung zur Speicherung und zur Abgabe elektrischer Energie sowie eine zentrale Steuereinheit zur Ansteuerung der ersten elektrischen Maschine und zur Ansteuerung der zweiten elektrischen Maschine. The present invention relates to an electrical drive system for a vehicle that can be operated with muscle power, comprising a first electrical machine that can be operated at least as a motor, which acts on a drive wheel of the vehicle for the purpose of driving, and a second electrical machine that can be operated at least as a generator, which is set up to convert mechanical energy introduced by a driver of the vehicle via a crank device into electrical energy, an energy storage device for storing and delivering electrical energy and a central control unit for controlling the first electric machine and for controlling the second electric machine.
Aus der DE 102013012208 A1 ist bereits ein elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betriebenes Fahrzeug bekannt, wobei das elektrische Antriebssystem mindestens einen mit einer Antriebskurbel mechanisch verbundenen elektrischen Generator, einen elektrischen Antriebsmotor, einen elektrischen Energiespeicher und eine elektrische Schaltungsanordnung zur elektrischen Verkopplung des Generators mit dem Antriebsmotor und dem Energiespeicher umfasst. Bei dem elektrischem Antriebssystem weist die elektrische Schaltungsanordnung eine Drehzahlregeleinrichtung auf, mittels derer eine Drehzahlregelung des elektrischen Generators derart erfolgt, dass die Drehzahl nG des elektrischen Generators die Bedingung nG kn nR erfüllt, wobei nR die Drehzahl eines durch den elektrischen Antriebsmotor angetriebenen Rades des Fahrzeuges und kn ein vorgegebener Drehzahlübersetzungsfaktor sind. DE 102013012208 A1 already discloses an electrical drive system for a vehicle operated with muscle power, the electrical drive system having at least one electrical generator mechanically connected to a drive crank, an electrical drive motor, an electrical energy store and an electrical circuit arrangement for electrically coupling the generator to the Includes drive motor and the energy storage. In the electric drive system, the electric circuit arrangement has a speed control device, by means of which the speed of the electric generator is controlled in such a way that the speed nG of the electric generator satisfies the condition nG kn nR, where nR is the speed of a wheel of the vehicle driven by the electric drive motor and kn are a predetermined speed ratio factor.
Ferner ist aus der DE 102007050552 B3 ein Fahrzeug mit elektromotorischem Antrieb und einem Bordrechner bekannt, bei dem der Fahrer die Motorleistung über eine Tretkurbel steuert, wobei die Drehzahl der Tretkurbel auf eine vom Bordrechner berechnete Solldrehzahl eingestellt wird, indem bei einem Unterschreiten der Solldrehzahl das Bremsmoment einer auf die Tretkurbel direkt oder über ein Getriebe wirkenden und durch den Bordrechner regelbaren Bremsvorrichtung erniedrigt wird, und bei einem Überschreiten der Solldrehzahl das Bremsmoment erhöht wird. Das Drehmoment, der Drehwinkel und die Drehzahl der Tretkurbel werden dabei durch geeignete Sensoren oder/und durch die für die Erfassung dieser Größen entsprechend ausgerüstete Bremsvorrichtung quantitativ erfasst und deren Messsignale im Bordrechner zu einem Steuersignal für einen oder mehrere Fahrmotoren umgewandelt. Furthermore, from DE 102007050552 B3 a vehicle with an electric motor drive and an on-board computer is known, in which the driver controls the motor power via a pedal crank, the speed of the pedal crank being set to a target speed calculated by the on-board computer by If the speed falls below the setpoint, the braking torque of a braking device acting on the pedal crank directly or via a gear and which can be controlled by the on-board computer is reduced, and if the setpoint speed is exceeded, the braking torque is increased. The torque, the angle of rotation and the speed of the pedal crank are quantitatively detected by suitable sensors and/or by the brake device equipped accordingly for detecting these variables and their measurement signals are converted in the on-board computer to a control signal for one or more traction motors.
Die DE 102011 082082 A1 beschreibt ein Fahrrad mit einem Nabenmotor als Flilfsmotor, der ein Antriebsrad antreibt, einer Pedalerie mit einem Tretlager und Einem im Tretlager angeordneten Generator, der mit der Pedalerie derart verbunden ist, dass durch die Pedalerie erzeugte mechanische Energie in elektrische Energie umwandelbar ist. Dabei wird der Hilfsmotor ausschliesslich von der vom Generator und/oder von einem Energiespeicher bereitstellbaren elektrischen Energie betrieben. DE 102011 082082 A1 describes a bicycle with a hub motor as an auxiliary motor that drives a drive wheel, pedals with a bottom bracket and a generator arranged in the bottom bracket, which is connected to the pedals in such a way that mechanical energy generated by the pedals can be converted into electrical energy is. In this case, the auxiliary motor is operated exclusively by the electrical energy that can be provided by the generator and/or by an energy store.
Die DE 102011 083980 A1 beschreibt ein Antriebssystem für ein Fahrrad mit einem Hilfsmotor, der ein Antriebsrad antreibt, einer Pedalerie und einem Mittel zum Erfassen eines Ist-Drehmoments an der Pedalerie und einer Ist-Geschwindigkeit des Fahrrads sowie einer mit der Pedalerie und dem Hilfsmotor verbundene Steuereineheit. DE 102011 083980 A1 describes a drive system for a bicycle with an auxiliary motor that drives a drive wheel, pedals and a means for detecting an actual torque on the pedals and an actual speed of the bicycle as well as one connected to the pedals and the auxiliary motor control unit.
Die DE 102016210855 A1 beschreibt ein durch Muskelkraft und elektrische Energie angetriebenes Hybrid-Fahrrad mit einen Generator, dessen Drehmoment durch eine Steuereinrichtung einstellbar und auf ein maximales Generator drehmoment beschränkt ist. Mittels Pedalen ist durch den Fahrer ein Pedaldrehmoment an dem Generator einbringbar. DE 102016210855 A1 describes a hybrid bicycle powered by muscle power and electrical energy with a generator whose torque can be adjusted by a control device and is limited to a maximum generator torque. The driver can apply a pedal torque to the generator by means of pedals.
Die WO 2017 / 129275 A1 beschreibt ein Pedalantriebssystem für ein Elektrofahrzeug oder ein Trainingsgerät zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Muskelkraft eines Benutzers, der mittels eines Pedals einen Generator antreibt. Um das haptische Gefühl und die Rückmeldung am Pedal zu verbessern, ist eine Steuereinheit zum Steuern eines auf das Pedal aufgebrachten mit Muskelkraft betätigbares bzw. betreibbares Fahrzeug, wie etwa ein Fahrrad, bereitzustellen, bei dem eine mechanische Kopplung mittels Zugmittel zwischen Tretkurbel und Flinterrad durch das elektrische Antriebssystem ersetzt ist und zugleich durch das elektrische Antriebssystem ein möglichst realistisches Fahrgefühl eines zugmittelgestützten Antriebs nachgebildet werden kann. Mit Vorteil soll darüber hinaus die Leistungsfähigkeit des Antriebssystems im Vergleich zu bekannten Systemen weiter verbessert werden. Insbesondere soll es auch möglich sein, elektrische Maschinen mit Reluktanzmoment und mit einer MTPA-Strategie (Maximum Torque per Ampere) sowie im Feldschwächebereich optimiert betreiben zu können. Insbesondere soll ein Antriebssystem bereitgestellt werden, welches auch im Hinblick auf die Betriebssicherheit verbessert ist ein Ausfall des Antriebssystems bei defektem oder teilweise defektem Generator soll dabei wirksam verhindert werden. WO 2017/129275 A1 describes a pedal drive system for an electric vehicle or a training device for generating electrical energy from a user's muscle power, which drives a generator by means of a pedal. In order to improve the tactile feel and feedback on the pedal, a control unit is used to control an applied muscle power to the pedal to provide an actuatable or operable vehicle, such as a bicycle, in which a mechanical coupling by means of traction means between the pedal crank and finter wheel is replaced by the electric drive system and at the same time the most realistic possible driving experience of a traction-means-supported drive can be simulated by the electric drive system. In addition, the performance of the drive system should advantageously be further improved in comparison to known systems. In particular, it should also be possible to be able to operate electrical machines with reluctance torque and with an MTPA strategy (maximum torque per ampere) and in the field weakening range in an optimized manner. In particular, a drive system is to be provided which is also improved in terms of operational reliability, failure of the drive system in the event of a defective or partially defective generator is to be effectively prevented.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektrisches Antriebssystem für ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem umfasst eine erste, zumindest motorisch betreibbare, elektrische Maschine, welche zum Zwecke des Antriebs auf ein Antriebsrad des Fahrzeugs wirkt und eine zweite, zumindest generatorisch betreibbare, elektrische Maschine, welche eingerichtet ist, eine von einem Fahrer des Fahrzeugs über eine Kurbeleinrichtung eingebrachte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Darüber hinaus umfasst das Antriebssystem eine Energiespeichereinrichtung zur Speicherung und zur Abgabe elektrischer Energie sowie eine zentrale Steuereinheit zur Ansteuerung der ersten elektrischen Maschine und zur Ansteuerung der zweiten elektrischen Maschine, wobei die Steuereinheit gemäß der Erfindung eingerichtet ist, die motorisch betreibbare elektrische Maschine in Abhängigkeit vom Soll-Drehmoment für die generatorisch betreibbare elektrische Maschine anzusteuern. Hierdurch wird ein Antriebssystem bereitgestellt, durch welches ein realistisches Fahrgefühl eines zugmittelgestützten Antriebs nachgebildet ist. Ferner wird der Vorteil erzielt, dass das Soll-Moment selbst im Falle eines (Teil-) Defektes der generatorisch betreibbaren Maschine den Fahrzeugantrieb sicherstellt. Der Gegenstand der Erfindung bezieht sich dabei stets auf mehrphasige elektrische Antriebssysteme, insbesondere auf Drehstrom- Antriebssysteme mit feldorientierter Regelung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden. This object is achieved by an electric drive system for a vehicle that can be operated with muscle power, having the features of patent claim 1. An electric drive system according to the invention comprises a first electric machine, which can be operated at least as a motor, which acts on a drive wheel of the vehicle for the purpose of driving and a second one , Electrical machine that can be operated at least as a generator and is set up to convert mechanical energy introduced by a driver of the vehicle via a crank device into electrical energy. In addition, the drive system includes an energy storage device for storing and delivering electrical energy and a central control unit for controlling the first electric machine and for controlling the second electric machine, wherein the control unit is set up according to the invention, the motor-operated electric machine depending on the target -Control torque for the electrical machine that can be operated as a generator. As a result, a drive system is provided, through which a realistic driving experience of a traction-means-supported drive is simulated. Furthermore, the advantage is achieved that the setpoint torque ensures the vehicle drive even in the event of a (partial) defect in the machine that can be operated as a generator. The object of the invention always relates to multi-phase electrical drive systems, in particular to three-phase drive systems with field-oriented control. Further advantageous refinements of the invention are specified in the dependently formulated claims. The features listed individually in the dependent claims can be combined with one another in a technologically meaningful manner and can define further refinements of the invention. In addition, the features specified in the claims are specified and explained in more detail in the description, with further preferred configurations of the invention being presented.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, die generatorisch betreibbare elektrische Maschine mittels einer Drehzahlregelung zu betreiben. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass für den Fahrer das Tretgefühl eines klassischen kettengetriebenen Fahrzeugs entsteht. According to an advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the control unit is set up to operate the electric machine, which can be operated as a generator, by means of speed control. The advantage of this configuration lies in the fact that the pedaling sensation of a classic chain-driven vehicle is created for the driver.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, die generatorisch betreibbare elektrische Maschine mittels einer Reglerkaskade umfassend einen Drehzahlregler und einen Stromregler zu betreiben, wobei mit Vorteil zwischen Drehzahlregler und Stromregler eine Drehmomentensteuerung angeordnet ist. Es kann hierdurch erreicht werden, dass auch bei Motoren mit einem nichtlinearen Strom-Drehmomentenverhältnis eine stabile und optimierte Regelung ermöglicht wird. According to a further preferred development of the invention, it can also be provided that the control unit is set up to operate the electrical machine that can be operated as a generator by means of a controller cascade comprising a speed controller and a current controller, with a torque controller advantageously being arranged between the speed controller and the current controller. In this way it can be achieved that a stable and optimized regulation is made possible even in the case of motors with a non-linear current-torque ratio.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einer Drehzahldifferenz aus der Ist-Drehzahl der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine und der Soll-Drehzahl der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine ein Generator-Sollmoment als Sollwertvorgabe zur Ansteuerung der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine zu ermitteln. Mit Vorteil wird die Soll-Drehzahl der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine durch Multiplikation der Istdrehzahl des Antriebsrads mit einer Antriebsstrangübersetzung gebildet. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass das Verhältnis der Tretkurbeldrehzahl und der Raddrehzahl genau wie bei einem kettengetriebenen Fahrzeug verkoppelt sind und so ein gewohntes und natürliches Fahrgefühl entsteht. Furthermore, according to a likewise advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the control unit is set up to generate a generator setpoint torque as a function of a speed difference between the actual speed of the electrical machine that can be operated as a generator and the setpoint speed of the electrical machine that can be operated as a generator To determine the setpoint for controlling the electrical machine that can be operated as a generator. The setpoint speed of the electrical machine that can be operated as a generator is advantageously formed by multiplying the actual speed of the drive wheel by a drive train ratio. The beneficial effect of this design is based on the fact that the ratio of the pedal crank speed and the wheel speed are coupled just like in a chain-driven vehicle, resulting in a familiar and natural driving experience.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, die motorisch betreibbare elektrische Maschine mittels einer Reglerkaskade bestehend aus einer Drehmomentensteuerung und einem Stromregier zu betreiben. Flierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass mittels der Drehmomentensteuerung auch hochausgenutzte Antriebsmotoren, deren Strommagnitude nicht proportional zum Drehmoment ist, in allen Betriebspunkten optimal verwendet werden können. According to a further particularly preferred embodiment of the invention, it can be provided that the control unit is set up to operate the electric machine that can be operated as a motor by means of a controller cascade consisting of a torque controller and a current controller. In this way, the effect can be achieved in particular that, by means of the torque control, even highly utilized drive motors whose current magnitude is not proportional to the torque can be optimally used at all operating points.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, aus dem Generator-Sollmoment multipliziert mit einer vorbestimmten Momentenverstärkung ein Antriebsmotor-Solldrehmoment zu erzeugen, in dessen Abhängigkeit die Ansteuerung der motorischen Antriebsmaschine erfolgt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die Antriebsleistung des Fahrers verstärkt wird und ein ermüdungsfreies Fahren ermöglicht wird. Furthermore, the invention can also be further developed such that the control unit is set up to generate a drive motor target torque from the generator target torque multiplied by a predetermined torque amplification, depending on which torque the motor drive machine is activated. The advantage of this configuration is that the drive power of the driver is increased and fatigue-free driving is made possible.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Momentenverstärkung durch einen Faktor gebildet ist, welcher einen Anteil zur Nachbildung einer Antriebsstrangübersetzung und einen Anteil zur Fahrerunterstützung umfasst. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Fahrer auch durch die Wahl einer höheren Antriebsstrangübersetzung (analog zur Wahl eines höheren Ganges) die Tretgeschwindigkeit verringern und gleichzeitig ohne weitere körperliche Anstrengung die Antriebsleistung erhöhen kann. In a likewise preferred embodiment variant of the invention, provision can also be made for the torque amplification to be formed by a factor which includes a portion for simulating a drive train ratio and a portion for driver support. As a result, the driver can also reduce pedaling speed by selecting a higher drive train ratio (similar to selecting a higher gear) and at the same time increase the drive power without further physical exertion.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, dass das Solldrehmoment der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine stets die Bedingung erfüllt, dass es gleich dem Solldrehmoment der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine multipliziert mit einer vorbestimmten Momentenverstärkung der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine ist. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt, ist, dass das Solldrehmoment im Vergleich zum Istdrehmoment eine stärkere Glättung aufweist und auch im Falle eines Defektes in der generatorisch betreibbaren Maschine für den Antrieb genutzt werden kann. It can also be advantageous to further develop the invention such that the control unit is set up so that the target torque of the electrical machine that can be operated as a motor always meets the condition that it is equal to the target torque of the electrical machine that can be operated as a generator multiplied by a predetermined torque gain of the electrical machine that can be operated as a motor is. The benefit that can be gained from this is that the setpoint torque has greater smoothing compared to the actual torque and can also be used for the drive in the event of a defect in the machine that can be operated as a generator.
Mit Vorteil ist die Steuereinheit des Antriebssystems derart eingerichtet, dass mittels einer Filterstufe ein Antriebsmotor-Solldrehmoment erzeugbar ist, in dessen Abhängigkeit die Ansteuerung der motorischen Antriebsmaschine erfolgt. Dabei wird über die Filterstufe in Abhängigkeit von der Istdrehzahl des Antriebsrads, des Generator-Sollmoments, der Ist-Drehzahl der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine sowie einer vorbestimmten Momentenverstärkung das Antriebsmotor-Solldrehmoment ermittelt. Die Filterstufe wird somit eingangsseitig mit Informationen über Fahrgeschwindigkeit, Tretkadenz, Unterstützungsstufe und vorliegender virtueller Gangstufe versorgt. Mit Vorteil sind die Eingangsgrößen der Filterstufe 9 versuchstechnisch ermittelt und in Form von Kennlinien in der Filterstufe 9 hinterlegt. Flierdurch wird der Vorteil erreicht, dass Phasenverzögerungen innerhalb des Systems weitgehend vermieden werden können und dass das Fahrgefühl für den Fahrer auch in Situationen mit ungleichmäßiger Momentenanforderung, dadurch, dass nicht gleichmäßig die Tretkurbel getreten wird, weitestgehend dem Fahrgefühl eines ketten- oder riemengetriebenen Fahrzeugs entspricht und ungewollte schubweise Kraftunterstützungen unterbunden werden können. The control unit of the drive system is advantageously set up in such a way that a drive motor setpoint torque can be generated by means of a filter stage, and the drive motor is controlled as a function of this torque. The drive motor target torque is determined via the filter stage as a function of the actual speed of the drive wheel, the generator target torque, the actual speed of the electrical machine that can be operated as a generator, and a predetermined torque amplification. The filter stage is thus supplied on the input side with information about driving speed, pedaling cadence, support level and the existing virtual gear level. The input variables of the filter stage 9 are advantageously determined by testing and stored in the filter stage 9 in the form of characteristic curves. This achieves the advantage that phase delays within the system can be largely avoided and that the driving experience for the driver, even in situations with uneven torque requirements, largely corresponds to the driving experience of a chain or belt-driven vehicle because the pedal crank is not pressed evenly unwanted intermittent power assistance can be prevented.
Insgesamt wird durch das vorstehend beschriebene Antriebssystem anstelle eines Tretkurbel-Istmoments das Generator-Sollmoment (Sollmoment der generatorisch betreibbaren zweiten elektrischen Maschine) für die Ansteuerung der motorisch betreibbaren ersten elektrischen Maschine verwendet und so unter anderem eine verbesserte Betriebssicherheit erzielt. Durch den dargestellten Aufbau kann ein Antrieb auch dann noch gewährleistet werden, wenn beispielsweise der Generator einen elektrischen Defekt aufweist und kein Generator-Istmoment mehr verfügbar sein sollte. Overall, the above-described drive system uses the generator target torque (target torque of the second electrical machine that can be operated as a generator) instead of an actual pedal crank torque to control the first electrical machine that can be operated as a motor, thereby achieving improved operational reliability, among other things. Due to the structure shown, a drive can still be guaranteed if, for example, the generator has an electrical defect and the actual generator torque is no longer available.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. The invention and the technical environment are explained in more detail below with reference to the figures. It should be noted that the invention by the shown embodiments should not be limited. In particular, unless explicitly stated otherwise, it is also possible to extract partial aspects of the facts explained in the figures and to combine them with other components and findings from the present description and/or figures. In particular, it should be pointed out that the figures and in particular the proportions shown are only schematic. The same reference symbols designate the same objects, so that explanations from other figures can be used as a supplement if necessary.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsystems in einer möglichen Ausführungsform, und Figure 1 shows the schematic structure of an electric drive system according to the invention in a possible embodiment, and
Figur 2 das elektrische Antriebssystem gemäß Figur 1 erweitert um eine Filterstufe. FIG. 2 shows the electric drive system according to FIG. 1 expanded by a filter stage.
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen elektrischen Antriebsystems 1 in einer möglichen Ausführungsform. Das dargestellte elektrische Antriebssystem 1 für ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug 100 umfasst eine erste elektrische Maschine 2, welche zum Zwecke des Antriebs auf ein Antriebsrad 101 des Fahrzeugs 100 wirkt, und eine zweite elektrische Maschine 3, welche eingerichtet ist, eine von einem Fahrer des Fahrzeugs 100 über eine Kurbeleinrichtung 10, wie insbesondere die Tret- oder Flandkurbel eines Fahrrades oder eines Betätigungsteils für einen Rollstuhl oder dergleichen, eingebrachte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Somit ist die erste elektrische Maschine 2 derart ausgebildet, dass sie zumindest motorisch betreibbar ist, und ist die zweite elektrische Maschine 3 derart ausgebildet, dass sie zumindest generatorisch betreibbar ist. Mit Vorteil sind sowohl die erste elektrische Maschine 2 als auch die zweite elektrische Maschine 3 jeweils sowohl motorisch als auch generatorisch betreibbar ausgebildet. Das gezeigte Antriebssystem 1 umfasst darüber hinaus eine Energiespeichereinrichtung 4 zur Speicherung und zur Abgabe elektrischer Energie sowie eine zentrale Steuereinheit 5 zur Ansteuerung der ersten elektrischen Maschine 2 und zur Ansteuerung der zweiten elektrischen Maschine 3. Die Steuereinheit 5 ist dabei derart eingerichtet, dass die motorisch betreibbare elektrische Maschine 2 in Abhängigkeit vom Soll-Drehmoment MG_soiifür die generatorisch betreibbare elektrische Maschine 3 ansteuerbar ist. Die generatorisch betreibbare elektrische Maschine 3 wird mittels einer Reglerkaskade umfassend einen Drehzahlregler 6 und einen Stromregler 7 betrieben, wobei zwischen Drehzahlregler 6 und Stromregler 7 eine Drehmomentensteuerung 8 angeordnet ist. Innerhalb der Drehmomentsteuerung 8 erfolgt die Berechnung des mehrphasigen Generatorsollstroms IG_SOII und des Wirkfaktors cos(phi), wobei der Generatorsollstrom IG_SOII gemeinsam mit dem mehrphasigen Generatoriststrom iGjst auf einen Vergleicher geführt und das Vergleichsergebnis als Eingangsgröße dem Stromregler 7 zur Ansteuerung der generatorisch betreibbaren zweiten elektrischen Maschine 3 zugeführt wird. FIG. 1 shows the schematic structure of an electric drive system 1 according to the invention in one possible embodiment. The illustrated electric drive system 1 for a vehicle 100 that can be operated with muscle power comprises a first electric machine 2, which acts on a drive wheel 101 of the vehicle 100 for the purpose of driving, and a second electric machine 3, which is set up by a driver of the vehicle 100 via a crank device 10, such as in particular the pedal or fland crank of a bicycle or an operating part for a wheelchair or the like, to convert mechanical energy into electrical energy. The first electrical machine 2 is thus designed in such a way that it can be operated at least as a motor, and the second electrical machine 3 is designed in such a way that it can be operated at least as a generator. Both the first electrical machine 2 and the second electrical machine 3 are advantageously designed to be operable both as a motor and as a generator. The drive system 1 shown includes in addition, an energy storage device 4 for storing and delivering electrical energy and a central control unit 5 for controlling the first electric machine 2 and for controlling the second electric machine 3. The control unit 5 is set up in such a way that the electric machine 2, which can be operated as a motor, depends on can be controlled by the target torque MG_soii for the electrical machine 3 that can be operated as a generator. The electrical machine 3 that can be operated as a generator is operated by means of a controller cascade comprising a speed controller 6 and a current controller 7 , with a torque controller 8 being arranged between the speed controller 6 and the current controller 7 . The multi-phase generator setpoint current IG_SOII and the active factor cos(phi) are calculated within the torque controller 8, with the generator setpoint current IG_SOII together with the multi-phase generator actual current iGjst being fed to a comparator and the result of the comparison as an input variable to the current controller 7 for controlling the second electrical machine 3 that can be operated as a generator is supplied.
Wie in der Figur 1 ebenfalls dargestellt ist, ist die Steuereinheit 5 eingerichtet, in Abhängigkeit von einer Drehzahldifferenz n aus der Ist-Drehzahl nGjstder generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 und der Soll-Drehzahl nG_soii der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 das Generator-Sollmoment MG_soiials Sollwertvorgabe zur Ansteuerung der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 zu ermitteln. Die Soll-Drehzahl nG_soiider generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 wird dabei durch Multiplikation der Istdrehzahl nRjstdes Antriebsrads 101 mit einer Antriebsstrangübersetzung kn erzeugt. As is also shown in Figure 1, the control unit 5 is set up, depending on a speed difference n from the actual speed nGjstder the electrical machine 3 that can be operated as a generator and the setpoint speed nG_soii of the electrical machine 3 that can be operated as a generator, the generator setpoint torque MG_soiials setpoint specification for controlling the electrical machine 3 that can be operated as a generator. The setpoint speed nG_soiider the electric machine 3 that can be operated as a generator is generated by multiplying the actual speed nRjstdes the drive wheel 101 by a drive train ratio k n .
Die Figur 1 zeigt (auf der rechten Seite) des Weiteren, dass die Steuereinheit 5 eingerichtet ist, die motorisch betreibbare elektrische Maschine 2 mittels einer Reglerkaskade, bestehend aus einer Drehmomentensteuerung 11 und einem Stromregler 12, zu betreiben. Die Steuereinheit 5 ist dabei eingerichtet aus dem Generator-Sollmoment MG_SOII multipliziert mit einer vorbestimmten Momentenverstärkung kM ein Antriebsmotor-Solldrehmoment MA_SOII ZU erzeugen, in dessen Abhängigkeit die Ansteuerung der motorischen Antriebsmaschine 2 erfolgt. Mittels der Drehmomentensteuerung 11 wird das Antriebsmotor-Solldrehmoment MA_SOII in einen mehrphasigen Antriebsmotor-Sollstrom IA_SOII überführt, wobei der Antriebsmotor-Sollstrom IA_SOII gemeinsam mit dem mehrphasigen Antriebsmotor- Iststrom Ujstauf einen Vergleicher geführt und das Vergleichsergebnis als Eingangsgröße dem Stromregler 12 zur Ansteuerung der motorisch betreibbaren ersten elektrischen Maschine 2 zugeführt wird. FIG. 1 also shows (on the right-hand side) that the control unit 5 is set up to operate the electric machine 2 that can be operated as a motor by means of a controller cascade, consisting of a torque controller 11 and a current controller 12 . The control unit 5 is set up to generate a drive motor setpoint torque MA_SOII TO from the generator setpoint torque MG_SOII multiplied by a predetermined torque amplification kM, as a function of which the motorized drive machine 2 is activated. By means of the torque controller 11, the drive motor setpoint torque MA_SOII is converted into a multi-phase drive motor setpoint current IA_SOII, the Set drive motor current IA_SOII together with the multi-phase drive motor actual current Ujstauf a comparator and the result of the comparison is supplied as an input variable to the current controller 12 for controlling the first electrical machine 2 that can be operated as a motor.
Darüber hinaus veranschaulicht Figur 1 (auf der linken Seite), dass die Steuereinheit 5 eingerichtet ist, aus dem Generator-Sollmoment MG_SOII multipliziert mit einer vorbestimmten Momentenverstärkung kM das Antriebsmotor- Solldrehmoment MA_SOII ZU erzeugen, in dessen Abhängigkeit die Ansteuerung der motorischen Antriebsmaschine 2 erfolgt. Die Momentenverstärkung kM wird dabei durch einen Faktor gebildet, welcher einen Anteil zur Nachbildung einer Antriebsstrangübersetzung kn und einen Anteil zur Fahrerunterstützung ku umfasst. In addition, Figure 1 (on the left-hand side) shows that the control unit 5 is set up to generate the target drive motor torque MA_SOII ZU from the generator target torque MG_SOII multiplied by a predetermined torque gain kM, depending on which the drive motor 2 is controlled. The torque amplification kM is formed by a factor which includes a component for simulating a drivetrain ratio k n and a component for driver support ku.
Über die Energiespeichereinrichtung 4 wird entsprechend benötigte elektrische Energie abgerufen bzw. in diese erzeugte elektrische Energie eingespeist. Dabei kann das Energiemanagement der Energiespeichereinrichtung 4 ebenfalls durch Ansteuerung mittels der Steuereinheit 5 erfolgen. Correspondingly required electrical energy is called up via the energy storage device 4 or electrical energy generated is fed into it. In this case, the energy management of the energy storage device 4 can likewise take place by activation by means of the control unit 5 .
Figur 2 zeigt das elektrische Antriebssystem 1 gemäß Figur 1 , erweitert um eine Filterstufe 9. Die Filterstufe 9 nimmt eingangsseitig folgende Eingangsgrößen auf:FIG. 2 shows the electric drive system 1 according to FIG. 1, expanded by a filter stage 9. The filter stage 9 receives the following input variables on the input side:
- Istdrehzahl nRjst des Antriebsrads 101 , - Actual speed nRjst of the drive wheel 101,
- Generator-Sollmoment MG_SOII, - Generator setpoint torque MG_SOII,
- Ist-Drehzahl nGjst der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 sowie- Actual speed nGjst operable as a generator electric machine 3 and
- eine vorbestimmte Momentenverstärkung kM. - a predetermined torque gain kM.
Ausgangsseitig stellt die Filterstufe 9 das Antriebsmotor-Solldrehmoment MA_SOII bereit. Die Steuereinheit (5) ist somit eingerichtet, mittels einer zusätzlichen Filterstufe 9 ein Antriebsmotor-Solldrehmoment MA_SOII ZU erzeugen, in dessen Abhängigkeit die Ansteuerung der motorischen Antriebsmaschine 2 erfolgt, wobei die Filterstufe 9 in Abhängigkeit von der Istdrehzahl nRjst des Antriebsrads 101 , des Generator-Sollmoments MG_SOII, der Ist-Drehzahl nGjst, der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine 3 sowie einer vorbestimmten Momentenverstärkung kM das Antriebsmotor-Solldrehmoment (MA_SOII) ermittelt. Die Filterstufe 9 arbeitet dabei in Abhängigkeit von den in Fahrversuchen ermittelten und in einzelnen Kennlinien bzw. in einem Kennfeld hinterlegten Eingangsgrößen. On the output side, the filter stage 9 provides the drive motor setpoint torque MA_SOII. The control unit (5) is thus set up to use an additional filter stage 9 to generate a target drive motor torque MA_SOII, on the basis of which the drive motor 2 is activated, with the filter stage 9 depending on the actual speed nRjst of the drive wheel 101, the generator Desired torque MG_SOII, the actual speed nGjst, the electrical machine 3 that can be operated as a generator, and a predetermined torque amplification kM determine the drive motor desired torque (MA_SOII). the Filter stage 9 works depending on the input variables determined in road tests and stored in individual characteristic curves or in a characteristic map.
Durch das vorstehend beschriebene Antriebssystem 1 wird immer anstelle eines Tretkurbel-Istmoments das Generator-Sollmoment MG_SOII (Sollmoment der generatorisch betreibbaren zweiten elektrischen Maschine 3) für die Ansteuerung der motorisch betreibbaren ersten elektrischen Maschine 2 verwendet und so unter anderem eine verbesserte Betriebssicherheit erzielt. Durch den dargestellten Aufbau kann ein Antrieb auch dann noch gewährleistet werden, wenn beispielsweise der Generator einen Defekt aufweist und kein Generator-Istmoment iGjst mehr verfügbar sein sollte. The drive system 1 described above always uses the generator target torque MG_SOII (target torque of the second electrical machine 3, which can be operated as a generator) instead of an actual pedal crank torque for controlling the first electrical machine 2, which can be operated as a motor, and thus improves operational reliability, among other things. A drive can still be guaranteed by the structure shown even if, for example, the generator has a defect and no actual generator torque iGjst should be available.
Bezuqszeichenliste 1 Antriebssystem Index of symbols 1 Drive system
2 Maschine 2 machine
3 Maschine 3 machine
4 Energiespeichereinrichtung4 energy storage device
5 Steuereinheit 6 Drehzahlregler 5 control unit 6 speed controller
7 Stromregler 7 current regulator
8 Drehmomentensteuerung8 Torque Control
9 Filterstufe 9 filter stage
10 Kurbeleinrichtung 11 Drehmomentensteuerung10 crank device 11 torque control
12 Strom regier 100 Fahrzeug 12 power reigns 100 vehicle
101 Antriebsrad 101 drive wheel

Claims

Ansprüche Expectations
1. Elektrisches Antriebssystem (1 ) für ein mit Muskelkraft betreibbares Fahrzeug (100), umfassend 1. An electric drive system (1) for a vehicle (100) that can be operated with muscle power, comprising
- eine erste, zumindest motorisch betreibbare, elektrische Maschine (2), welche zum Zwecke des Antriebs auf ein Antriebsrad (101) des Fahrzeugs (100) wirkt,- a first electrical machine (2) which can be operated at least as a motor and which acts on a drive wheel (101) of the vehicle (100) for the purpose of driving,
- eine zweite, zumindest generatorisch betreibbare, elektrische Maschine (3), welche eingerichtet ist, eine von einem Fahrer des Fahrzeugs (100) über eine Kurbeleinrichtung (10) eingebrachte mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, - a second electrical machine (3) that can be operated at least as a generator and is set up to convert mechanical energy introduced by a driver of the vehicle (100) via a crank device (10) into electrical energy,
- eine Energiespeichereinrichtung (4) zur Speicherung und zur Abgabe elektrischer Energie sowie - An energy storage device (4) for storing and delivering electrical energy and
- eine zentrale Steuereinheit (5) zur Ansteuerung der ersten elektrischen Maschine (2) und zur Ansteuerung der zweiten elektrischen Maschine (2) dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) eingerichtet ist, die motorisch betreibbare elektrische Maschine (2) in Abhängigkeit vom Soll-Drehmoment (MG_SOII) für die generatorisch betreibbare elektrische Maschine (3) anzusteuern. - A central control unit (5) for controlling the first electrical machine (2) and for controlling the second electrical machine (2), characterized in that the control unit (5) is set up to operate the motor-operated electrical machine (2) depending on the setpoint -Torque (MG_SOII) for the electrical machine (3) that can be operated as a generator.
2. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) eingerichtet ist, die generatorisch betreibbare elektrische Maschine (3) mittels einer Drehzahlregelung zu betreiben. 2. Electrical drive system (1) according to claim 1, characterized in that the control unit (5) is set up to operate the electrical machine (3) which can be operated as a generator by means of a speed control.
3. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) eingerichtet ist, die generatorisch betreibbare elektrische Maschine (3) mittels einer Reglerkaskade umfassend einen Drehzahlregler (6) und einen Stromregler (7) zu betreiben, wobei mit Vorteil zwischen Drehzahlregler (6) und Stromregler (7) eine Drehmomentensteuerung (8) angeordnet ist. 3. Electrical drive system (1) according to claim 1, characterized in that the control unit (5) is set up to operate the electrical machine (3) which can be operated as a generator by means of a controller cascade comprising a speed controller (6) and a current controller (7), wherein A torque controller (8) is advantageously arranged between the speed controller (6) and the current controller (7).
4. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einer Drehzahldifferenz ( n) aus der Ist-Drehzahl (nGjst) der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine (3) und der Soll-Drehzahl (nG_soii) der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine (3) ein Generator-Sollmoment (MG_SOII) als Sollwertvorgabe zur Ansteuerung der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine (3) zu ermitteln, wobei mit Vorteil die Soll-Drehzahl (nG_soii) der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine (3) durch Multiplikation der Istdrehzahl (nRjst) des Antriebsrads (101) mit einer Antriebsstrangübersetzung (kn) ermittelbar ist. 4. Electrical drive system (1) according to claim 2 or 3, characterized in that the control unit (5) is set up, as a function of a speed difference (n) from the actual speed (nGjst) of the electrical machine (3) that can be operated as a generator and the target speed (nG_soii) of the electrical machine that can be operated as a generator ( 3) to determine a generator setpoint torque (MG_SOII) as a setpoint specification for controlling the electrical machine (3) that can be operated as a generator, with the setpoint speed (nG_soii) of the electrical machine (3) that can be operated as a generator being advantageously multiplied by the actual speed (nRjst) of the Drive wheel (101) with a drive train ratio (k n ) can be determined.
5. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) eingerichtet ist, die motorisch betreibbare elektrische Maschine (2) mittels einer Reglerkaskade bestehend aus einer Drehmomentensteuerung (11) und einem Stromregler (12) zu betreiben. 5. Electrical drive system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit (5) is set up to operate the electric machine (2) by means of a controller cascade consisting of a torque controller (11) and a current controller (12). operate.
6. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) eingerichtet ist, aus dem Generator-Sollmoment (MG_SOII) multipliziert mit einer vorbestimmten Momentenverstärkung (kwi) ein Antriebsmotor-Solldrehmoment (MA_SOII) ZU erzeugen, in dessen Abhängigkeit die Ansteuerung der motorischen Antriebsmaschine (2) erfolgt. 6. Electrical drive system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit (5) is set up to generate a drive motor target torque (MA_SOII) from the generator target torque (MG_SOII) multiplied by a predetermined torque gain (kwi). , depending on which the motor drive unit (2) is controlled.
7. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Momentenverstärkung (kwi) durch einen Faktor gebildet ist, welcher einen Anteil zur Nachbildung einer Antriebsstrangübersetzung (kn) und einen Anteil zur Fahrerunterstützung (ku) umfasst. 7. Electrical drive system (1) according to claim 6, characterized in that the torque amplification (kwi) is formed by a factor which includes a portion for simulating a drive train ratio (k n ) and a portion for driver support (ku).
8. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) eingerichtet ist, mittels einer Filterstufe (9) ein Antriebsmotor-Solldrehmoment (MA_SOII) ZU erzeugen, in dessen Abhängigkeit die Ansteuerung der motorischen Antriebsmaschine (2) erfolgt, wobei die Filterstufe (9) in Abhängigkeit von der Istdrehzahl (nRjst) des Antriebsrads (101), des Generator-Sollmoments (MG_SOII), der Ist-Drehzahl (nGjst) der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine (3) sowie einer vorbestimmten Momentenverstärkung (kM) das Antriebsmotor-Solldrehmoment (MA_SOII) ermittelt. 8. Electrical drive system (1) according to any one of the preceding claims 1 -5, characterized in that the control unit (5) is set up by means of a filter stage (9) to generate a drive motor target torque (MA_SOII) as a function thereof the drive motor (2) is controlled, with the filter stage (9) depending on the actual speed (nRjst) of the drive wheel (101), the generator setpoint torque (MG_SOII), the actual speed (nGjst) of the electrical machine that can be operated as a generator (3) and a predetermined torque amplification (kM) determines the target drive motor torque (MA_SOII).
9. Elektrisches Antriebssystem (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstufe (9) derart eingerichtet ist, dass die Ermittlung des Antriebsmotor- Solldrehmoments (MA_SOII) kennlinienbasiert anhand von hinterlegten und zuvor versuchstechnisch ermittelten Kennlinien erfolgt. 9. Electrical drive system (1) according to claim 8, characterized in that the filter stage (9) is set up such that the drive motor setpoint torque (MA_SOII) is determined based on characteristics based on stored and previously experimentally determined characteristics.
10. Elektrisches Antriebssystem (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) eingerichtet ist, dass das Solldrehmoment (MA_SOII) der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine (2) stets die Bedingung erfüllt: MA_SOII = kM * MG_SOII, wobei kM eine vorbestimmte Momentenverstärkung der motorisch betreibbaren elektrischen Maschine (2) ist und wobei MG_SOII dem Solldrehmoment der generatorisch betreibbaren elektrischen Maschine (3) entspricht. 10. Electrical drive system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the control unit (5) is set up such that the target torque (MA_SOII) of the motor-operated electrical machine (2) always satisfies the condition: MA_SOII = km * MG_SOII, where kM is a predetermined torque amplification of the electrical machine (2) that can be operated as a motor, and where MG_SOII corresponds to the setpoint torque of the electrical machine (3) that can be operated as a generator.
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