CN103429456A - 电动踏板助力自行车 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种电子系统（50），所述电子系统借助于可充电电池（6）来驱动电动助力自行车（1）的电动装置（5）。在检测出所计算的人的功率大于或等于所估计的自行车摩擦功率的情况下，以及在检测出所述电池（6）的所述充电状态大于或等于第一阈值的情况下，所述处理器则会生成驱动电流值，用于对作为由所述电池（6）供电的电动机（5）来运行的所述电动装置（5）进行驱动。在检测出所计算的人的功率小于所估计的自行车摩擦功率的情况下，所述处理器则会借助于作为发电机（5）运行的所述电动装置（5），将所述人的功率的至少一部分转换成电功率，并且从其中生成另一驱动电流值，用于从作为发电机运行的所述电动装置中对所述电池（6）进行充电。

Description

电动踏板助力自行车

技术领域

本发明大体涉及电动自行车领域。具体而言，本发明关注的是借助于可充电电池的电动踏板助力自行车。

背景技术

现有的借助于电池的电动踏板助力自行车：例如，参见欧洲专利EP1612084、EP1886913。此类自行车具有的缺点是其行程有限，这是因为在所述自行车延续使用的情况下，所用电池将会发生放电，且因此必须借助于电网对电池再充电。

欧洲专利号1236640-B1主张公开案号为2002/255080、公开日期为2002年9月11日、申请案号为2001/055400并且申请日期为2001年2月28日的日本专利申请案的优先权，并且还主张公开案号为2002/2550801、公开日期为2002年9月11日、申请案号为2001/055401并且申请日期为2001年2月28日的日本专利申请案的优先权；相应地，EP1236640-B1包括上述两个日本专利申请案的内容。

EP1236640-B1公开了一种在初始蹬踏骑行或在向上的斜坡上起动的期间或在加速时用于机动自行车的控制单元。EP1236640-B1没有公开对电池17的充电状态进行监控这方面内容。

在1997年7月10日公开的德国专利申请案号DE19600243-A1中公开了一种用于对供至自行车上电负载的功率进行计量的控制电路，所述自行车具有辅助驱动。DE19600243-A1的公开了以下内容：在对电池12进行充电时（参见图4，其中电池12的充电状态由最大功率的百分比来表示）并且在电动机11生成电功率（参见图5，其中电池12的充电状态再次由最大功率的百分比来表示）时对电池12的充电状态进行监控（参见图1中的信号发生器22）。DE19600243-A1还公开了电池12在刹车期间或者是在自行车1下坡前进时得以充电（参见图2中的流程图）。

发明内容

本发明涉及一种在所附权利要求1中所定义的用于对电动助力自行车的电动装置进行驱动的电子系统，并且涉及在从属权利要求2到5中所描述的其优选实施例。

本申请案已经察觉到，根据本发明的电子系统能够获得使骑车人感到非常舒适（也就是说，在行驶期间骑车人所费的力气更少）并且采用完全自动的方式（也就是说，不要求骑车人的任何手动控制且因此不需要任何按钮来开启/关闭电动机）的行驶条件，这增大了自行车行程（可能无需借助于电网对电池进行充电），这是因为它能够在自行车的延续使用期间仍维持电池的充足的充电状态。

本发明的一个目标还在于一种如所附权利要求6中定义的电动踏板助力自行车。

本发明的一个目标还在于一种如所附权利要求7中定义的用于对电动踏板助力自行车的电动装置进行驱动的方法以及在从属权利要求8和9中所描述的其优选实施例。

本发明的一个目标还在于一种如所附权利要求10中定义的计算机程序。

附图说明

通过参考附图，将从仅作为一个实例提供的优选实施例以及其变体的下列描述中了解本发明的其他特征和优点，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的一项实施例的电动踏板助力自行车；

图2示意性地示出了根据本发明的一项实施例的用于对电动踏板助力自行车的电动装置进行驱动的电子系统；

图3更详细地示出了根据本发明的该项实施例的在电子驱动系统中使用的控制模块；

图4a示意性地示出了根据本发明的第一实施例的一种用于对电动踏板助力自行车的电动装置进行驱动的方法的流程图；

图4b示意性地示出了根据本发明的第二实施例的一种用于对电动踏板助力自行车的电动装置进行驱动的方法的流程图；

图5示意性地示出了函数β随着电池的充电状态改变时的可能趋势；

图6示意性地示出了充电电流函数的可能趋势；

图7示意性地示出了根据本发明的驱动系统的功率信号的第一可能趋势；

图8示意性地示出了根据本发明的驱动系统的功率信号的第二可能趋势。

具体实施方式

参照图1，它示意性地示出了根据本发明的一项实施例的电动助力自行车。

自行车1包含电池6、控制模块7、用于测量测量踏板臂的角速度以及用于测量踏板臂的转矩的测量模块8、电机壳5。优选地，自行车1包含倾斜传感器（在图1中未图示），其用于测量自行车行驶所沿道路的倾斜度，例如，倾斜传感器被定位在踏板臂组件中。

例如，电池6和控制模块7被定位在自行车框架上且位于将前部接合到支撑踏板臂组件的那部分的零件上。

如图1中示意性所示，测量模块8定位在踏板臂组件上。

电机壳5（例如）安装在前轮上，如图1所示；或者，电机壳5安装在后轮上。电机壳5包含：

-机械式连接到前轮的电动装置，

-用于测量电动机的角速度ω_mot（例如，每分钟的旋转次数）的电机传感器。

例如，在电机壳5安装在后轮中的情况下，电动装置连接到前轮的轮毂。或者，电动装置安装在其他类型的支撑件上，并且自行车包含用于将机械功率从电动机传递到（前或后）轮的传输部件。

术语“安装在电机壳5中的电动装置”在本发明中是指一种具有第一和第二操作模式的电动装置。在第一操作模式下，电动装置作为由电池6供电的电动机运行，它将电池6供应的电能转换为用于使电动机旋转的机械能，从而有助于自行车1的移动，在第二操作模式下，电动装置作为对电池6充电的发电机运行。

电机传感器包括，例如，集成霍尔传感器，它供应关于电动机的相对位置的信息，根据所述信息，通过对电动机的相对位置进行推导，可以获得电动机的速度。

控制模块7具有对电动装置以及电池6进行控制的功能，从而使得电动装置在第一模式下作为电动机运行或者在第二模式下作为发电机运行。

参照图2，它示出了用于对自行车1的电动装置进行驱动的电子系统50。

电子系统50包含：

-测量模块8，其具有测量自行车1的踏板臂的角速度ω_mot以及由骑车人在自行车1的踏板臂上生成的转矩T_ped的功能；

-电机传感器，其用于测量电动机的角速度ω_mot（为了简洁起见电机传感器并未在图2中示出并且它被包括在电机壳5中）；

控制模块7。

具体而言，测量模块8测量自行车1的踏板臂的角速度ω_mot，并且它生成踏板臂速度信号S_{ω_ped}，所述信号指示对自行车1的踏板臂的角速度ω_ped的所执行测量；此外，测量模块8测量由骑车人在自行车1的踏板臂上生成的转矩T_ped，并且它生成踏板臂转矩信号S_{T_ped}，所述信号指示对由骑车人在自行车1的踏板臂上生成的转矩T_ped的所执行测量。

有利地是，测量模块8是用单个组件实施的，从而生成踏板臂速度信号S_{ω_ped}以及踏板臂转矩信号S_{T_ped}；例如，可以使用由阿尔弗雷德·图恩股份有限公司（Alfred ThunGmbH）（www.thun.de）所制造的“传感式BB筒X-CELL RT（Sensory BB-CartridgesX-CELL RT）”，其具有可从以下链接中下载的文件中描述的技术特征：

www.thun.de/thun_eng/Datenblatt%20X-CELL_GB.pdf

电机传感器测量电动机的角速度ω_mot，并且生成电机速度信号S_{ω_mot}，所述信号指示电动机的角速度ω_mot的所执行测量。

当电动装置作为电动机运行时，控制模块7则在输入处接收踏板臂速度信号S_{ω_ped}以及踏板臂转矩信号S_{T_ped}；它在输入处接收电机速度信号S_{ω_mot}；它在输入处从电池6接收指示与电池6相关联的一个或多个电动值的电池信号S_bat；它在输入处从电池6接收充电/放电电流信号I_cs，该信号携带有电池6生成的电流；并且它生成携带有所述充电/放电电流I_cs的电机电流信号I_mot，以对作为电动机运行的电动装置供电，下文将在涉及这些操作的部分中对此进行更详细的描述。

此外，当电动装置作为发电机运行时，控制模块7则在输入处接收踏板臂速度信号S_{ω_ped}以及踏板臂转矩测量信号S_{T_ped}；它在输入处接收电机速度测量信号S_{ω_mot}；它在输入处从电池6接收电池信号S_bat；它在输入处从电机壳5接收电机电流信号I_mot，该信号携带有发电机生成的电流；并且它生成携带有所述电机电流信号I_mot的充电/放电电流信号I_cs，以对电池6再充电，下文将在涉及这些操作的部分中对此进行更详细的描述。

优选地，电子系统50还包含用于测量自行车行驶所在的道路的坡度θ_str的倾斜传感器9。倾斜传感器9测量自行车行驶所在的道路的坡度θ_str，并且它生成坡度信号S_{θ_str}，所述信号指示自行车行驶所在的道路的坡度θ_str的所执行测量在这种情况下，当电动装置作为电动机运行时，控制模块7则通过进一步考虑坡度信号S_{θ_str}的值来生成电机电流信号I_mot，以对电动机供电，下文将在涉及这些操作的部分中对此进行更详细的描述。

参照图3，它详细示出了控制模块7。控制模块7包含：

-处理器20；

-电流管理模块22；

-充电状态检测电路23，其用于检测电池6的充电状态。

处理器20执行图4a中所示的方法100以及图4b中所示的方法150，这两种方法均用于驱动自行车1的电机壳5中的电动装置，其中所述方法是借助于用软件代码部分实施的算法来执行的。例如，处理器20是微控制器而软件代码是用“ANSI C”代码来实施的。

充电状态检测电路23接收电池信号S_bat，并且计算出作为其函数且指示电池6充电状态的充电状态信号S_sdc。例如，电池（battery）6由两个或多个小电池（cell）组成，电池信号S_bat是这些小电池的电压值，而充电状态信号S_sdc是用指示电池6的充电状态的百分数来表示的一个值（例如，100%=电池6充满电，50%=电池6充了一半的电）。

处理器20在输入处接收踏板臂速度信号S_{ω_ped}、踏板臂转矩信号S_{T_ped}、电机速度信号S_{ω_mot}、充电状态信号S_sdc，并且生成作为在输入处所接收的各信号的值的函数并且具有第一逻辑值（例如，低逻辑值）和第二逻辑值（例如，高逻辑值）的选择信号S_sel，所述第一逻辑值用于指示作为电动机的第一操作模式，所述第二逻辑值用于指示作为发电机的第二操作模式。此外，处理器20生成处理信号S_elab，所述处理信号携带有用于对电池6进行充电的充电/放电电流信号I_cs的值以及用于驱动电动机的电机电流信号I_mot的值。

电流管理模块22具有对电池6与电动装置之间的电流方向进行控制的功能。具体而言，电流管理模块22从处理器20中接收处理信号S_elab以及选择信号S_sel。当选择信号S_sel具有指示作为电动机的第一操作模式的第一逻辑值时，电流管理模块22则从电池6中接收充电/放电电流I_cs信号，并且它传输等于充电/放电电流信号I_cs的电机电流信号I_mot，并且该电机电流信号的值依赖于处理信号S_elab的值。当选择信号S_sel具有指示作为发电机的第二操作模式的第二逻辑值时，电流管理模块22则从发电机中接收电机电流I_mot信号，并且它传输等于电机电流I_mot信号的充电/放电电流I_cs信号，并且该充电/放电电流信号的值依赖于处理信号S_elab的值。

已经观察到，出于解释本发明的目的，已考虑了将信息从处理器20携带到电流管理模块22的两个信号（S_sel、S_elab），然而这仅应被作为功能性描述而并非进行限制，这也可以按不同的方式来实施。例如，也可以使用总线将处理器20连接到电流管理模块22：在这种情况下，处理器20会借助于总线（例如，CAN类型（控制器区域网络）的总线）上的通信协议与电流管理模块22交换信息。

参照图4a，它示意性地示出了根据本发明的第一实施例的用于对电动助力自行车1的电动装置进行驱动的方法100的流程图。

方法100包含步骤101、103、105。

在步骤101中执行了人的功率P_um相对于摩擦功率P_attr的比较：在人的功率大于或者等于摩擦功率的情况下，执行步骤103，否则执行步骤105。

术语“人的功率P_um”指当骑车人蹬踏骑行时骑车人在自行车1的踏板臂上生成的功率；换言之，是当骑车人用他的脚按压踏板臂时他所花费的力气。例如，人的功率P_um用以下公式（1）计算：

P_um=T_ped*ω_ped    （1）

其中T_ped是骑车人在自行车1的踏板臂上生成的转矩，ω_ped是自行车1的踏板臂的角速度。

术语“摩擦功率P_attr”是指当骑车人蹬踏骑行时由骑车人和自行车产生的摩擦而损失掉的功率的估计值，其中摩擦例如，骑车人与空气之间的摩擦、自行车1与空气之间的摩擦、自行车1的轮子与地面之间的摩擦、用于将运动从踏板传输到后轮的自行车齿轮之间的摩擦。例如，摩擦功率P_attr用以下公式（2）计算：

P_attr=R_rt*F_attr(v)*ω_rt     （2）

其中R_rt是自行车1的前轮的半径，ω_rt是自行车1的前轮的角速度，v是自行车1的速度（例如，用公式v=ω_rt*R_rt计算的），F_attr(v)（被称作“向下滑行（coasting down）”函数）指示了作为自行车1速度v的函数的自行车摩擦值，并且它是通过实验获得的，例如，借助于在自行车停止之前无蹬踏的自行车的下坡试验。例如，函数F_attr(v)具有F_attr(v)=F₀+a*v²类型的抛物线形状，其中F₀和a是预定值。

可以观察到，出于解释本发明的目的，为了简洁起见，假定ω_mot=ω_rt，即假定自行车1的前轮的角速度ω_rt等于安装在前轮的电机壳5中的电动机的角速度ω_mot（例如，不存在齿轮会降低电动机的角速度与前轮的角速度之间的比例）。

此外，已观察到在附图中所示的实施例中，假定电机壳5安装在前轮上，然而，也可以类似地考虑将电机壳5安装在后轮的情况：在这种情况下，ω_rt是后轮的角速度，而ω_mot是安装在后轮的电机壳中的电动机的角速度。

在步骤103中，相对于前一个时间点（t-1），在时间点t处计算电机电流信号I_mot的值的变量ΔI_mot，即，I_mot(t)=I_mot(t-1)+ΔI_mot(t)，其中所述电机电流信号用于对作为由电池6供电的电动机运行的电动装置进行驱动。例如，t与(t-1)之间的时间间隔小于20μs，这对应于至少50Hz的计算频率。

在本说明中，使用以下惯例：考虑ΔI_mot>0用其来指示电动装置作为电动机运行且因此指示出电机电流方向是从电池6到电动机，即电池向电动机供应电流，其中电能被转换为机械能，从而使自行车1的前轮发生运动。

电机电流信号I_mot的值的变量ΔI_mot是作为人的功率P_um与摩擦功率P_attr之间的差值ΔP的函数，并且是作为充电状态信号S_sdc的值的函数来进行计算的。

例如，电机电流信号的值的变量ΔI_mot用以下公式（3）计算：

ΔI_mot=β(S_sdc)*[ΔP/(k_T*ω_rt)]    （3）

其中：

-k_T是电动机的电常数，

-ΔP=P_um-P_attr，    （4）

其中：

●P_um=_τped*ω_ped    （5）

●P_attr=R_rt*F_attr(v)*ω_rt；    （6）

-β(S_sdc)是充电状态信号S_sdc的函数，即它依赖于电池6的充电状态。

具体而言，函数β(S_sdc)与充电状态信号S_sdc成正比。例如，函数β(S_sdc)具有从值0到值1的大幅度增长的趋势，并且当充电状态信号S_sdc具有最小阈值S_{sdc_min}（大于零）时它取用值0，而当充电状态信号S_sdc具有最大阈值S_{sdc_max}（大于S_{sdc_min}）时它取用值1。最小阈值S_{sdc_min}和最大阈值S_{sdc_max}是预定的，或者可以由骑车人来修改，例如，S_{sdc_min}=0.1且S_{sdc_max}=0.6。

优选地，函数β(S_sdc)具有图5中所示的趋势，其中该趋势在包括在S_{sdc_min}与S_{sdc_max}之间的范围内基本上是线性增长的。

在步骤105中，计算电动装置作为发电机运行以对电池6充电时的电机电流信号I_mot的值。在本说明中，使用以下惯例：考虑ΔI_mot<0用其来指示电动装置作为发电机运行，且因此指示出电流I_mot的方向是从发电机到电池6，即发电机将自行车1的前轮的机械功率转换为电功率并且生成朝向电池6的电流，使得电池6被再充电，因此在电池6中电功率被转换为存储在电池6中的化学能。

步骤105中的电机电流信号I_mot的值是作为自行车1的速度v的函数，并且是作为充电状态信号S_sdc的值的函数而计算出的。

例如，电机电流信号I_mot的值用以下公式计算：

I_mot=[1-β(S_sdc)]*I_chg(v)    （7）

其中β(S_sdc)先前已定义，v是自行车1的速度（例如用公式v=ω_rt*R_rt计算），而I_chg(v)是依赖于自行车1的速度v的充电电流函数。

例如，充电电流函数I_chg(v)可以具有图6中所示的趋势I_chg1（虚线）或I_chg2（实线）。具体而言，对于包括在0与速度阈值v_th（例如，等于6Km/h）之间的自行车1速度的值，充电电流函数I_cgh1具有基本上为零的值，并且对于大于速度阈值v_th的自行车1速度的值，它具有基本上恒定的值I1_chg1（例如，等于3安培）：通过这种方式，由作为发电机运行的电动装置生成的电流与自行车的速度v无关。充电电流函数I_chg2与自行车1的速度v成正比；例如，对于等于0的速度，充电电流函数I_chg2具有从值0开始的基本上呈线性的增长趋势：通过这种方式，由作为发电机运行的电动装置生成的功率基本上是恒定的。

参照图4b，它示意性地示出了根据本发明的第二实施例的用于对电动助力自行车1的电动装置进行驱动的方法150的流程图。已观察到在图4b中，与图4a中相同的步骤和符号是用相同的参考标号表示的。

方法150包含步骤101、102、153、154、105。

在步骤101中执行了人的功率P_um与摩擦功率P_attr之间的比较：在人的功率大于或者等于摩擦功率的情况下，执行步骤102，否则执行步骤105。

在步骤102中，对自行车1行驶所在的道路的坡度θ_str（换言之，地面的坡度）进行评估。当道路的坡度θ_str大于零（即，骑车人沿着上坡路行驶）或者等于零（即，骑车人沿着平坦的路行驶），执行步骤153。在道路的坡度θ_str小于零（即，骑车人沿着下坡路行驶）的情况下，执行步骤154。

根据第一实施例，步骤153与方法100的步骤103类似，其中的差别在于在步骤153中，用于对作为由电池6供电的电动机的电动装置进行驱动的电机电流信号的值的变量ΔI_mot'也是作为坡度功率P_pend的函数，并且作为坡度功率的时间变量dP_pend/dt的函数进行计算的。术语“坡度功率”是指与坡度相关联的功率，即，重力传输给车辆的功率，并且利用以下公式计算出：

P_pend=m*g*sen(θ_str)*R_rt*ω_rt    （8）

其中m是自行车的质量与骑车人的平均质量的总和（例如，骑车人的平均质量估计等于70Kg），g是重力加速度（9.81m/s²），而θ_str是自行车行驶所在的道路的坡度（即，包括在道路与地平线之间的角度）。

因此，电机电流信号的值的变量ΔI_mot'是作为人的功率P_um、摩擦功率P_attr以及坡度功率P_pend之间的差值ΔP'的函数，作为坡度功率的时间变量dP_pend/dt的函数，并且作为充电状态信号S_sdc的值的函数进行计算的。

例如，电机电流信号的值的变量ΔI_mot'使用以下公式（9）计算：

ΔI_mot'=β(S_sdc)*[ΔP'/(k_T*ω_rt)+α*(dP_pend/dt)]    （9）

其中：

-坡度功率P_pend已使用公式（8）计算出，

-k_T是电动机的电常数，

-α是预定常数，它依赖于在上升的初始阶段中给予骑车人的协助的值，

-ΔP'=P_um-P_attr-P_pend，其中：

●P_um已由公式（1）定义；

●P_attr已由公式（2）定义；

●P_pend已由公式（8）定义；

-β(S_sdc)是先前在根据本发明的第一实施例的方法100的描述中定义的充电状态信号S_sdc的函数。

在步骤154中，作为用于对电池6进行充电的发电机的电动装置操作时的电机电流信号I_mot的值的计算方式与在根据本发明的第一实施例的方法100的步骤105的方式相同。

步骤154中的电机电流信号I_mot的值作为自行车1的速度v的函数，并且作为充电状态信号S_sdc的值的函数进行计算。为了简洁起见，假定步骤154中的电机电流信号I_mot的值的计算方式类似于步骤105，即使用公式（7）。

参考图7，示出了驱动系统50的功率信号的第一可能趋势。具体而言，图7的上部分示出所需功率信号P_req、人的功率信号P_um以及电机功率信号P_mot的趋势，而图7的下部分示出充电状态信号S_sdc的趋势。术语“电机功率P_mot”是指当自行车1的电动装置作为电动机运行时生成的机械功率（在这种情况下，假定P_mot>0）以及当自行车1的电动装置作为发电机运行时生成的电功率（在这种情况下，假定P_mot<0）。术语“所需功率P_req”是指骑车人使自行车1行进道路的特定部分时所必需的机械功率，并且它被定义为人的功率P_um与电机功率P_mot的总和，即P_req=P_um+P_mot。换言之，自行车1由生成人的功率P_um的骑车人以及生成电机功率P_mot的电动机共同操作。

在包含在时间点t₀与t₁之间的时间间隔内，骑车人会产生高度的疲劳感，例如，骑车人在开始骑行时仍然站立或者他正在上坡路部分上行进。在这种情况下，安装在自行车1的电机壳5中的电动装置作为电动机运行并且因此在自行车1的行驶期间协助骑车人，方法是减少骑车人产生的疲劳感；因此，在此间隔由电池6供应的电能用于操作电动机，电动机继而将电能转换为用于使电动机旋转的机械能，从而生成了电机功率P_mot>0，该功率与骑车人生成的人的功率P_um一起有助于使自行车1的前轮发生运动。

因此，在t₀与t₁之间的间隔内，不具有电动装置时的人的功率P_um'（在附图中未示出）要比具有电动装置时的人的功率P_um大很多，其中所述P_um'其定义为，在骑车人蹬踏自行车1所处的相同道路条件下，当骑车人蹬踏非电动助力的自行车（即，没有电动装置）时他在踏板臂上生成的功率。可以观察到充电状态信号S_sdc具有降低的趋势，即，电池6正在放电，因为它向电动机供应电功率以协助产生高度疲劳感的骑车人，此外，还可以观察到在时间点t₁处，充电状态信号S_sdc的值大于最小阈值S_{sdc_min}。

在包括在时间点t₁与t₂之间的时间间隔中，骑车人会产生较低的疲劳感（例如，骑车人正在道路的平坦部分行进）。在这种情况下，在时间点t_1处的充电状态信号S_sdc的值比最大阈值S_{sdc_max}要小，并且电动装置作为发电机运行，且因此生成了对电池6进行充电的电流I_cs，这些会轻微地增大人的疲劳感，然而此人并不会到感觉到有这种增大，因为这发生在操作条件下（t₁和t₂之间的时间间隔），其中骑车人产生的疲劳感比较低；因此，在此时间间隔中，由人供应的功率P_um的一部分会借助于踏板臂上的压力而被转换为机械功率用以使电动装置作为发电机运行，该发电机进而执行由人供应的功率P_um的一部分到用于对电池6进行充电的电功率的转换。

因此，在t₁与t₂之间的时间间隔中，不具有电动装置的人的功率P_um'（图中未示出）将略小于具有电动装置时的人的功率P_um。可以观察到，充电状态信号S_sdc具有增加的趋势，即，电池6在充电，因为由骑车人生成的人的功率P_um的一部分用于对电池6进行充电，其借助的方式是将发电机的机械功率转换为电功率并且随后将电功率转换为存储在电池6中的化学能；此外，可以观察到，在时间点t₂处，充电状态信号S_sdc的值小于最大阈值S_{sdc_max}。

类似于在t₀与t₁之间的时间间隔，在包括在时间点t₂与t₃之间的时间间隔中，自行车1的电动装置作为协助骑车人的电动机运行。

类似于在t₁与t₂之间的时间间隔，在包括在时间点t₃与t₄之间的时间间隔中，自行车1的电动装置作为发电机运行，该发电机生成电流I_cs以对电池6进行充电。可以观察到，在时间点t₄处的充电状态信号S_sdc已达到最大阈值S_{sdc_max}，即，电池6已充电至最大阈值。

在包括在时间点t₄与t₅之间的时间间隔中，骑车人产生低疲劳感（例如，骑车人正在道路的平坦部分行进）。在这种情况下，由于在时间点t₄处的充电状态信号S_sdc的值等于最大阈值S_{sdc_max}，因此自行车1的发电机不会进一步生成电流I_cs，并且因此不会进一步为电池6再充电，所述电池6已充电至最大阈值。

可以观察到，在包括在时间点t₀与t₅之间的时间间隔中的充电状态信号S_sdc的值通常包括在最小阈值S_{sdc_min}与最大阈值S_{sdc_max}之间：通过这种方式，自行车1的行程得以增加，并且有利的是，不再需要通过将电池6连接到自行车1外部的电源而为电池6再充电（例如，不需要使用外部电池充电器将电网连接到电池6）。

参考图8，示出了驱动系统50的功率信号的第二可能趋势。类似于图7，同样图8的上部分示出所需功率信号P_req、人的功率信号P_um以及电机功率信号P_mot的趋势，而下部分示出充电状态信号S_sdc的趋势。

在包括在时间点t₀与t₁₀之间的时间间隔中，骑车人产生高度疲劳感。类似于图7中在t₀与t₁之间的间隔，安装在自行车1的电机壳5中的电动装置作为电动机且因此在自行车1的行驶期间协助骑车人，方式是减少骑车人产生的疲劳感。

在包括在时间点t₁₀与t₁₁之间的时间间隔中，骑车人产生较低的疲劳感。类似于图7中在t₁与t₂之间的间隔，电动装置作为发电机运行，该发电机生成电流I_cs以对电池6进行充电。

类似于在t₀与t₁₀之间的间隔，在包括在时间点t₁₁与t₁₂之间的时间间隔中，自行车1的电动装置作为电动机运行以在自行车1的行驶期间协助骑车人。可以观察到，在时间点t₁₂处的充电状态信号S_sdc已达到最小阈值S_{sdc_min}，即，电池6已放电至最小阈值。

在包括在时间点t₁₂与t₁₃之间的时间间隔中，骑车人产生高度疲劳感。在这种情况下，由于在时间点t₁₂处充电状态信号S_sdc的值等于最小阈值S_{sdc_min}，因此自行车1的电动装置不再用作发电机，即，在自行车1的行驶期间，所述电动装置不再协助骑车人，即使骑车人产生高度疲劳感，由此通过这种方式来防止电池6过量放电，从而增加自行车1的行程，并且有利的是，防止电池6会因为其被连接到自行车1外部的电源而被再充电。

下文将通过参考图2、图3、图4a、图5、图6和图7描述电子系统50的操作。

假定处理器20能够读出（例如，从连接到其上的存储器中）自行车1前轮的半径R_rt的值、随着自行车1的速度v变化时的自行车1的摩擦F_attr(v)的值、电动机的电常数值k_T、最小阈值S_{sdc_min}以及最大阈值S_{sdc_max}。例如，所述值借助于时间点t₀之前的配置阶段来进行定义，在时间点t₀处，自行车1开始运行。

为简洁起见，进一步假定ω_rt=ω0_mot。

时间点t₀、t₁、t₂、t₃、t₄、t₅表示处理器20运行方法100并且计算出电机电流信号I_mot的值以及充电/放电电流信号I_cs的值的时间点：所述时间点之间的距离不必对应于处理器20所用的计算周期（例如，20μs），即，在两个连续的时间点之间（例如，在t₀与t₁之间），处理器20可以执行方法100一次或多次，但为简洁起见，忽略这些执行。

在时间点t₀处，自行车1的骑车人开始蹬踏且仍然站立，因此骑车人会产生较高的疲劳感。

测量模块8测量自行车1的踏板臂的角速度第一值ω0_ped并且测量由骑车人在自行车1的踏板臂上生成的转矩第一值τ0_ped。

处理器20借助于在处理器20上运行的计算机程序以及借助于软件代码部分来执行方法100。例如，用于软件代码的编程语言是“ANSI C”语言。

具体而言，处理器20接收具有踏板臂角速度第一值ω0_ped的踏板臂速度信号S_{ω_ped}，接收具有所生成转矩第一值τ0_ped的踏板臂转矩信号S_{τ_ped}以及借助于公式P0_um=τ0_ped*ω0_ped计算出人的功率的第一值P0_um。

电机传感器测量电动机的角速度第一值ω0_mot；处理器20接收具有电动机角速度第一值ω0_mot的电机速度信号S_{ω_mot}并且从其中获得自行车1的速度v0，例如，利用公式v0=ω_rt*R_rt=ω0_mot*R_rt。

处理器20接收具有电动机角速度第一值ω0_mot的电机速度信号S_{ω_mot}，读出半径R_rt的值以及作为自行车速度v0的函数的摩擦值F_attr(v0)（即有，F_attr(v0)=F0_attr），以及借助于公式P0_attr=R_rt*F0_attr*ω_rt=R_rt*F0_attr*ω0_mot计算出摩擦功率的第一估计值P0_attr。

在步骤101中，处理器20执行第一人的功率值P0_um与第一摩擦功率估计值P0_attr之间的比较，并且检测出P0_um>P0_attr。

充电状态检测电路23接收电池信号S_bat，并且计算出作为电池信号函数的充电状态信号S_sdc的第一值S0_sdc，该信号指示出电池6的充电状态。

在步骤103中，处理器20检测出充电状态信号第一值S0_sdc大于最小阈值S_{sdc_min}，并且生成具有第一低逻辑值的选择信号S_sel，所述第一低逻辑值指示作为电动机的第一操作模式。

此外，在步骤103中，处理器20计算出（参见图5）与充电状态信号第一值S0_sdc相对应的函数β第一值β0，即，β0=β(S0_sdc)。

此外，在步骤103中，处理器20计算出人的功率P0_um与摩擦功率P0_attr之间的差值ΔP0，即：

ΔP0=P0_um-P0_attr=τ0_ped*ω0_ped-R_rt*F0_attr*ω0_mot

之后，在步骤103中，处理器20根据公式（3）计算出电机电流信号I_mot的变量ΔI0_mot，即：

ΔI0_mot=β0*[ΔP0/(k_T*ω_rt)]=β0*[ΔP0/(k_T*ω0_mot)]    （3'）

最后，在步骤103中，处理器20生成携带有值ΔI0_mot的处理信号S_elab。

电流管理模块22接收具有第一低逻辑值的选择信号S_sel，所述第一低逻辑值指示作为电动机的第一操作模式；接收携带有值ΔI0_mot的处理信号S_elab；在作为电动机的操作模式下，开启电机壳5中的电动装置；激活进行以下操作所必需的电路，所述操作为：在从电池6朝着电机壳5中的电动机的方向上，传输等于充电/放电电流I_cs的电机电流I_mot；因此生成等于值ΔI0_mot的电机电流I_mot，即，I_mot=I0_mot=ΔI0_mot。

在电机壳5中的电动机接收电机电流I_mot值I0_mot，从而致使电动机以等于值ω0_mot'（不同于ω0_mot）的角速度旋转。

电动机机械式连接到自行车1的前轮上，例如，安装在前轮的轮毂中；在这种情况下，除了在时间点t₀处由骑车人蹬踏骑行所生成的人的功率P0_um以外，电动机的旋转有助于前轮的旋转，从而减少骑车人产生的疲劳感。

在t₀与t₁之间的时间点（不包含t₁）中，处理器20继续检测出人的功率P_um值大于摩擦功率P_attr的估计值。因此，在包括在t₀与t₁之间的时间点（不包含t₁）中，电子系统50的操作类似于在时间点t₀处的操作，从而在蹬踏骑行期间电动机会协助骑车人，同时电池6从充电状态信号第一值S0_sdc放电至充电状态信号第二值S1_sdc（参见图7下部分中的图），因为电池6的电能被消耗用于为电动机的运行供电。

在时间点t₁处，自行车1的骑车人在基本平坦的道路上蹬踏骑行，并且产生较低的疲劳感。

测量模块8测量自行车1的踏板臂角速度第二值ω1_ped并且测量由骑车人在自行车1的踏板臂上生成的转矩第二值τ1_ped。

再一次，处理器20借助于在处理器20上运行的计算机程序来执行方法100。

具体而言，处理器20接收具有踏板臂角速度第二值ω1_ped的踏板臂速度信号S_{ω_ped}，接收具有所生成转矩第二值τ1_ped的踏板臂转矩信号S_{τ_ped}，以及借助于公式P1_um=τ1_ped*ω1_ped计算出人的功率的第二值P1_um。

电机传感器测量电动机的角速度第二值ω1_mot；处理器20接收具有电动机角速度第二值ω1_mot的电机速度信号S_{ω_mot}并且从其中获得自行车1的速度v1，例如，利用公式v1=ω_rt*R_rt=ω1_mot*R_rt。

处理器20接收具有电动机角速度第二值ω1_mot的电机速度信号S_{ω_mot}，读出半径R_rt的值以及作为自行车速度v1的函数的摩擦值F_attr(v1)（即，F_attr(v1)=F1_attr），以及借助于公式P1_attr=R_rt*F1_attr*ω_rt=R_rt*F1_attr*ω1_mot计算出摩擦功率的第二估计值P1_attr。

在步骤101中，处理器20执行人的功率的第二值P1_um与摩擦功率的第二估计值P1_attr之间的比较，并且检测出P1_um<P1_attr。

充电状态检测电路23接收电池信号S_bat，并且计算出作为该电池信号的函数的充电状态信号S_sdc的第二值S1_sdc，所述充电状态信号指示电池6的充电状态。

在步骤105中，处理器20检测出充电状态信号第二值S1_sdc小于最大阈值S_{sdc_max}，并且生成具有第二高逻辑值的选择信号S_sel，所述第二高逻辑值指示作为发电机的第二操作模式。

此外，在步骤105中，处理器20计算出（参见图5）与充电状态信号第二值S1_sdc相对应的函数β第二值β1，即，β1=β(S1_sdc)；此外，处理器20计算出与速度第二值v2相对应的充电电流函数I_chg1(v)的值I1_chg1（参见图6），即，I_chg1(v1)=I1_chg1。

之后，在步骤105中，处理器20根据公式（7）计算出充电/放电信号值I_cs，即：

I1_mot=[1-β1]*I1_chg1

因此，处理器20生成携带有值I1_mot的处理信号S_elab。

电流管理模块22接收具有第二高逻辑值的选择信号S_sel，所述第二高逻辑值指示作为发电机的第二操作模式；将电机壳5中的电动装置从作为电动机运行切换成作为发电机运行；接收携带有值I1_mot的处理信号S_elab；激活进行以下操作所必需的电路，所述操作为在从电机壳5中的电动机到电池6的方向上，传输等于电机电流I_mot的充电/放电电流I_cs；因此生成等于值I1_mot的充电/放电电流I_cs，即，I_cs==I1_mot。

电池6接收充电/放电电流I_cs的值I1_mot，并且电池6开始充电。

因此，在自行车1的行驶期间，骑车人在时间点t₁处生成人的功率P1_um，并且所述人的功率的一部分用于移动电机壳5中的发电机，所述发电机生成充电/放电电流I_cs，从而开始为电池6充电。

在包括在t₁与t₂之间的时间点（不包含t2）中，处理器20继续检测出人的功率P_um值小于摩擦功率P_attr的估计值。因此，在包括在t₁与t₂（不包含t₂）之间的时间点处，电子系统50的操作类似于在时间点t₁处的操作，因此发电机对电池6再充电，电池6从充电状态信号第二值S1_sdc再次充电至充电状态信号第三值S2_sdc（参见图7下部分中的图），因为人在踏板臂上生成的功率的一部分被用来对电池6再充电。

在包括在时间点t₂与t₃之间的时间间隔（不包含t₃）中，类似于在t₀与t₁之间的时间间隔，电机壳5中的电动装置作为电动机运行从而协助骑车人；因此参考在t₀与t₁之间的时间间隔中的操作所做的考虑也可以类似地适用于在t₂与t₃之间的时间间隔。

在包括在时间点t₃与t₄之间的时间间隔（不包含t₄）中，类似于在t₁与t₂之间的时间间隔，电机壳5中的电动装置作为发电机运行从而对电池6再充电；因此参考在t₁与t₂之间的时间间隔中的操作所做的考虑也可以类似地适用于在t₃与t₄之间的时间间隔。可以观察到，在时间点t₄处，充电状态信号S_sdc已达到最大阈值S_{sdc_max}，即，电池6已充电至最大阈值。

在时间点t₄处，骑车人产生较低的疲劳感。充电状态检测电路23接收电池信号S_bat，并且计算出作为所述电池信号S_bat的函数的充电状态信号S_sdc的第四值S4_sdc，该信号指示电池6的充电状态。处理器20检测出充电状态信号的第四值S4_sdc等于最大阈值S_{sdc_max}，并且计算出（参见图5）与最大阈值S_{sdc_max}相对应的函数β的值，即，β4=β(S_{sdc_max})=1；此外，处理器20计算出与速度的第四值v4相对应的充电电流函数I_chg1(v)的值I1_chg1（参见图6），即，I_chg1(v4)=I4_chg1。之后，处理器20根据公式（7）计算出充电/放电电流信号值I_cs，即：

I4_mot=[1-β4]*I4_chg1=[1-1]*I4_chg1=0

因此，同样地，充电/放电电流I_cs的值等于0，即，电池6不会进一步进行再充电。

在包括在t₄与t₅之间的时间点处，处理器20继续检测出充电状态信号的第四值S4_sdc等于最大阈值S_{sdc_max}，并且电子系统50在包括在t₄与t₅之间的时间点处的操作类似于在时间点t₄处的操作，即，电池6不会进一步进行再充电，因为它已充电至其最大值。

在包括在t₀与t₁之间的时间点处，处理器20执行图4b所示方法150的步骤101、102、153的操作类似于先前所示方法100的步骤101、103的操作，其中具有以下几个不同之处。

在步骤101之后，执行步骤102，其中倾斜传感器9测量自行车1行驶所沿的道路坡度的第一值θ0_str；此外，处理器20接收具有第一坡度值θ0_str的坡度信号S_{θ_str}，检测出θ0_str>0（即，骑车人沿着上坡路行驶）并且执行步骤153。

步骤153类似于方法100的步骤103，其中具有以下几个不同之处。处理器20根据公式（8）计算出坡度功率的第一值P0_pend，即：

P0_pend=m*g*sen(θ0_str)*R_rt*ω_rt    （8'）

处理器20计算出人的功率P0_um、摩擦功率P0_attr与坡度功率P0_pend之间的差值ΔP0'，即：

ΔP0'=P0_um-P0_attr-P0_pend=

τ0_ped*ω0_ped-R_rt*F0_attr*ω0_mot-m*g*sen(θ0_str)*R_rt*ω_rt

处理器20根据公式（9）计算出电机电流信号I_mot值的变量ΔP0'，即：

ΔI0_mot'=β0*[ΔP0'/(k_T*ω_rt)+α*(dP0_pend/dt)]=

β0*[ΔP0'/(k_T*ω0_mot)+α*(dP0_pend/dt)]    （9'）

因此，处理器20生成携带有值ΔI0_mot'的处理信号S_elab，并且因此电流管理模块22生成的电机电流I_mot等于值ΔI0_mot'。

本发明的目标还在于一种借助于可充电电池来对电动助力自行车的电动装置进行驱动的方法。所述方法包括步骤a）：计算出作为自行车踏板臂的转矩以及自行车踏板臂的角速度的函数的人的功率；包括步骤b）：估计出作为电动机角速度的函数以及为自行车速度的函数的自行车摩擦功率；包括步骤c）：将所计算的人的功率相对于所估计的自行车摩擦功率进行比较并且检查电池的充电状态。在检测出所计算的人的功率大于或等于所估计的自行车摩擦功率的情况下，以及在检测出电池的充电状态大于或等于第一阈值的情况下，所述方法包括步骤d）：生成驱动电流值，用于对作为由电池供电的电动机来运行的电动装置进行驱动。如果检测出所计算的人的功率小于所估计的自行车摩擦功率，则所述方法包括步骤e）：生成另一驱动电流值，用于从作为发电机运行的电动装置中对电池充电。

有利的是，在检测出所计算的人的功率大于或等于所估计的自行车摩擦功率之后，步骤d）进一步包括步骤：测量自行车行驶所在的道路的倾斜度。如果所估计的倾斜度大于或等于零，则所述方法包括步骤d2.1）：检查电池的充电状态并且执行步骤d）。如果所估计的倾斜度小于零，则所述方法包括步骤d2.2）：生成另一驱动电流值，用于从作为发电机运行的电动装置中对电池充电。

有利的是，步骤e）或d2.2）包括：在检测出电池充电状态小于第二阈值的情况下，生成用于对电池充电的所述其他驱动电流值，其中所述第二阈值大于第一阈值。

有利的是，在步骤d）中，生成的所述驱动电流值与包括在第一阈值与第二阈值之间的间隔内的电池充电状态值成正比。

根据本发明的方法中的步骤可以借助于包括软件代码的计算机程序来执行，并且可以在处理器20上执行。

Claims (10)

1.一种电子系统（50），所述电子系统借助于可充电电池（6）来驱动电动助力自行车（1）的电动装置，所述电动装置被配置用于作为由所述电池供电的电动机或作为用于对所述电池充电的发电机来运行，

所述系统包括：

测量模块（8），所述测量模块被配置用于测量自行车踏板臂的角速度（S_{ω_ped}）以及所述自行车踏板臂的转矩（S_{τ_ped}）；

传感器，所述传感器被配置用于测量所述电动机的所述角速度（S_{ω_mot}）；

电路（23），所述电路被配置用于检测所述电池的充电状态；

处理器（20），所述处理器被配置用于：

计算出作为所述电动机的所述角速度的函数的自行车速度；

计算出（101）作为所述自行车踏板臂的所测转矩以及作为所述自行车踏板臂的所测角速度的函数的人的功率（P_um）；

估计出（101）作为所述电动机的所述角速度的函数以及作为所述自行车速度的函数的所述自行车摩擦功率（P_attr）；

将所计算的人的功率相对于所估计的自行车摩擦功率进行比较（101）并且检查所述电池的所述充电状态；

在检测出所计算的人的功率大于或等于所述所估计的自行车摩擦功率的情况下，以及在检测出所述电池充电状态大于或等于第一阈值（S_{sdc_min}）的情况下，生成（103）驱动电流值（ΔI_mot），用于对作为由所述电池供电的电动机来运行的所述电动装置进行驱动；

在检测出所计算的人的功率小于所估计的自行车摩擦功率的情况下，借助于作为发电机运行的所述电动装置而将所述人的功率的至少一部分转换成电功率，并且从中生成（105）另一驱动电流值（I_chg），用于从作为发电机运行的所述电动装置中对所述电池进行充电。

2.根据权利要求1所述的电子系统，其进一步包括传感器（9），所述传感器被配置用于测量所述自行车行驶所在的道路的倾斜度，其中在检测出所计算的人的功率大于或等于所估计的自行车摩擦功率时，所述处理器（20）进一步被配置用于：

如果所估计的倾斜度大于或等于零，则生成（153）所述驱动电流值，用于对作为电动机运行的所述电动装置进行驱动；

如果所估计的倾斜度小于零，则生成（154）另一驱动电流值，用于从作为发电机运行的所述电动装置中对所述电池进行充电。

3.根据权利要求1或2所述的电子系统，其中所生成的所述驱动电流值与包括在第一阈值（S_{sdc_min}）与第二阈值（S_{sdc_max}）之间的某一间隔范围内的所述电池的所述充电状态值成正比（β），其中所述第二阈值大于所述第一阈值。

4.根据权利要求3所述的电子系统，其中在检测出所述电池充电状态小于所述第二阈值（S_{sdc_max}）的情况下，所述处理器进一步被配置用于生成所述其他驱动电流值，用于对所述电池充电。

5.根据权利要求4所述的电子系统，其中所生成的所述其他驱动电流值与所述自行车速度成正比（I_chg2），或者在大于速度阈值（v_th）的所述自行车速度值范围内基本恒定（I_chg1）。

6.一种电动助力自行车，其包括：

可充电电池（6）；

电动装置，所述电动装置被配置成作为由所述电池供电的电动机或作为用于对所述电池充电的发电机来运行；

根据权利要求1至5中至少一项权利要求所述的电子系统（50）。

7.一种借助于可充电电池（6）对电动助力自行车（1）的电动装置进行驱动的方法（100），所述方法包括以下步骤：

a）计算出（101）作为自行车踏板臂的转矩（S_{τ_ped}）以及所述自行车踏板臂的角速度（S_{τ_ped}）的函数的人的功率（P_um）；

b）估计出（101）作为电动机的角速度（S_{ω_mot}）的函数以及作为自行车速度的函数的所述自行车摩擦功率（P_attr）；

c）将所计算的人的功率相对于所估计的自行车摩擦功率进行比较（101）并且检查所述电池的所述充电状态；

d）在检测出所计算的人的功率大于或等于所估计的自行车摩擦功率的情况下，以及在检测出所述电池充电状态大于或等于第一阈值（S_{sdc_min}）的情况下，生成（103）驱动电流值（ΔI_mot），用于对作为由所述电池供电的电动机来运行的所述电动装置进行驱动；

e）在检测出所计算的人的功率小于所估计的自行车摩擦功率的情况下，借助于作为发电机运行的所述电动装置而将所述人的功率的至少一部分转换成电功率，并且从中生成（105）另一驱动电流值（I_chg），用于从作为发电机运行的所述电动装置中对所述电池进行充电。

8.根据权利要求7所述的方法（150），其中在检测出所计算的人的功率大于或等于所估计的自行车摩擦功率之后，步骤d）进一步包括以下步骤：

d1）测量（102）所述自行车行驶所在的道路的倾斜度；

d2.1）如果所估计的倾斜度大于或等于零，则检查所述电池的所述充电状态并且执行步骤d）；

d2.2）如果所估计的倾斜度小于零，则生成（154）另一驱动电流值，用于从作为发电机运行的所述电动装置中对所述电池进行充电。

9.根据权利要求7或8所述的方法，

其中步骤e）或d2.2）包括：在检测出所述电池充电状态小于第二阈值（S_{sdc_max}）的情况下，生成所述其他驱动电流值以对所述电池充电，所述第二阈值（S_{sdc_max}）大于所述第一阈值（S_{sdc_min}），

并且其中在步骤d）中，所生成的所述驱动电流值与包括在所述第一阈值（S_{sdc_min}）与所述第二阈值（S_{sdc_max}）之间的某一间隔范围内的所述电池的所述充电状态值成正比（β）。

10.一种计算机程序，所述计算机程序包括软件代码，所述软件代码适用于在所述程序在计算机上运行时，执行根据权利要求7至9中至少一项权利要求所述的方法的所有步骤。

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