CN112407134B - 电动自行车 - Google Patents

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Abstract

一种电动自行车(10)具有电气的驱动设备(20)，其具有输出元件(22)，其中输出元件在驱动侧上至少与电动机(24)作用连接并且在输出侧上与后轮(14)或者前轮(16)作用连接，其中，电动机的支持电机转矩(TM)的大小取决于作用在踏板曲轴(26)上的驾驶员转矩，并且电动自行车具有计算单元(28)，其设计用于估计作用在所述踏板曲轴上的驾驶员转矩，其中，在估计驾驶员转矩时考虑电动自行车的俯仰斜度(a)，其中，提供自行车的俯仰旋转速率传感器(30)和自行车的垂直加速度传感器(32)，其中，自行车的俯仰旋转速率传感器(30)和自行车的垂直加速度传感器(32)的信号被用于确定电动自行车(10)的俯仰斜度。因此可以可靠地并且以较高的准确性确定驾驶员转矩并且确保电气的驱动设备的正常运行。

Description

电动自行车
技术领域
本发明涉及一种电动自行车。
背景技术
电动自行车理解为具有电动的行驶支持的自行车、所谓的助踩式电动自行车(Pedelec)。通常已知此类型的电动自行车。电动的行驶支持通常通过电气的驱动设备实现，该电动的驱动设备具有电动机，其中，通过布置在电动自行车上的电池给电动机供应电能。电动的行驶支持的高度或者说水平根据通过电动自行车驾驶员设置的支持程度以及输入踏板曲轴中的驾驶员转矩来决定，其中，例如在提高引入踏板曲轴中的驾驶员转矩时还通过相应地控制电动机提高了电动的行驶支持。同样，当驾驶员没有将驾驶员转矩引入踏板曲轴中时，电动机通常是不活跃的或者说不起作用。为了提供此类型的驾驶员转矩和电动支持之间的相关性，通常规定了成本昂贵的用于确定驾驶员转矩的转矩传感器。转矩传感器通常布置在踏板曲轴上并且测量通过踏板曲轴向链轮传递的驾驶员转矩。此类型的电气的驱动设备的设计方案例如由专利文献EP 2997 340 A1已知。
专利文献DE 10 2010 017 742 A1和US 2006/0095191 A1公开了一种用于控制电动自行车的电气的驱动设备的方法，其中，估计驾驶员转矩，从而无需相较耗费较高的用于确定驾驶员转矩的转矩传感器。对驾驶员转矩的估计借助储存在控制单元中的行驶动态模型实现，其中，通过输入参数、例如驾驶员的脚踏频率、驾驶员的行驶速度、马达转速和自行车的俯仰斜度来估计驾驶员转矩。
电动自行车绕其横轴线的斜度、也被称为俯仰斜度借助垂直加速度传感器确定，其中，垂直加速度传感器检测重力加速度并且通过测量到的加速度与重力加速度的偏差来确定俯仰斜度。在电动自行车的活跃运行中可能出现动态的干扰加速度，通过该动态的干扰加速度影响垂直加速度传感器的测量信号。因此用于估计驾驶员转矩所需的俯仰斜度值的准确性下降，因此估计出的驾驶员转矩可能相较于实际上的、通过驾驶员产生的并且引入脚踏曲轴中的驾驶员转矩具有较大的偏差。在测量电动自行车的俯仰斜度时的不准确性导致电气的驱动设备的功能性不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种电动自行车，其中，能够以较高的准确性来估计(或者说估算)驾驶员转矩。
此技术问题通过一种电动自行车来解决，所述电动自行车具有电气的驱动设备，所述电气的驱动设备具有输出元件，其中所述输出元件在驱动侧上至少与电动机作用连接并且在输出侧上与后轮或者前轮作用连接，其中，所述电动机的支持电机转矩(或者说辅助电机转矩)的大小根据作用在踏板曲轴上的驾驶员转矩决定，并且所述电动自行车具有计算单元，所述计算单元设计用于估计作用在所述踏板曲轴上的驾驶员转矩，其中，在估计所述驾驶员转矩时考虑所述电动自行车的俯仰斜度，其特征在于，规定自行车的俯仰旋转速率传感器和自行车的垂直加速度传感器，所述自行车的俯仰旋转速率传感器和所述自行车的垂直加速度传感器与所述计算单元连接，其中，在所述电动自行车的俯仰斜度的确定中引入所述自行车的俯仰旋转速率传感器和所述自行车的垂直加速度传感器的信号。
电动自行车具有电气的驱动设备。电气的驱动设备可以构造为中央电动机或者轮毂电动机，其中，中央电动机布置在踏板曲轴的区域中并且具有输出元件。输出元件例如是链轮，并且在驱动侧上与电动机传递转矩地连接并且在输出侧上通过链与后轮传递转矩地连接。轮毂电动机布置在后轮或者前轮的轮毂中，其中，电动机通过输出元件传递转矩地直接与后轮或者前轮连接。
在电动自行车的支持运行中，如此控制电动机，使得此电动机根据作用在踏板曲轴中的驾驶员转矩提供预先定义的支持转矩。在此驾驶员能够通过操作操纵元件来逐级地调节不同的支持程度，其中，通过选择支持程度可以将电动支持从例如通过驾驶员引入踏板曲轴的驾驶员转矩的40％调节直至驾驶员转矩的300％。
电气的驱动设备具有用于估计驾驶员转矩的计算单元，其中，在该计算单元中储存用于估计驾驶员转矩的计算模型。计算单元在其计算模型中除了考虑电动自行车的速度、踏板曲柄的转速和通过电动机产生的马达转速，还考虑了电动自行车的俯仰斜度。通过考虑电动自行车的俯仰斜度主要在计算模型中考虑了由于等同于俯仰斜度的行驶路径斜度例如在爬山时产生的行驶阻力。
根据本发明，为了确定电动自行车的俯仰斜度，电动自行车具有自行车的俯仰旋转速率传感器，其中自行车的俯仰旋转速率传感器和自行车的垂直加速度传感器与计算单元连接。自行车的俯仰旋转速率传感器和自行车的垂直加速度传感器可以作为共同的传感器单元集成在电气的驱动设备中。另外，自行车的俯仰旋转速率传感器和自行车的垂直加速度传感器可以构造为单独的传感单元并且布置在电气的驱动设备中或者在电动自行车的任意的部位上、例如在车架管中或车架管上。
在电动自行车上牢固装配的自行车的垂直加速度传感器测量垂直加速度并且因此检测重力加速度。在此通过自行车的垂直加速度传感器测量到的垂直加速度测量值在俯仰斜度为0°时等同于重力加速度9.81m/s2。在俯仰斜度不为0°时测量到的垂直加速度测量值根据俯仰斜度而减少。通过检测到的垂直加速度测量值参照重力加速度来确定电动自行车的俯仰斜度。
在电动自行车的运行中，自行车的俯仰旋转速率传感器和自行车的垂直加速度传感器永久性地激活，其中，在确定电动自行车的俯仰斜度时在计算单元的计算模型中既考虑俯仰旋转速率传感器的测量信号又考虑垂直加速度传感器的测量信号。
在以恒定速度的行驶中的俯仰斜度的确定主要通过自行车的垂直加速度传感器实现。但该类型的借助自行车的垂直加速度传感器来确定俯仰斜度尤其在电动自行车的干扰加速度较高时导致电动自行车的斜度确定不准确并且不足。因此，在出现干扰加速度时，电动自行车的俯仰斜度主要通过自行车的俯仰旋转速率传感器来确定，其中，自行车的俯仰旋转速率传感器的测量信号不受动态的干扰加速度影响，因为自行车的俯仰旋转速率传感器仅对斜度角的改变作出反应。
通过结合自行车的俯仰旋转速率传感器和自行车的垂直加速度传感器，还可以在出现动态的干扰加速度时以高准确度确定电动自行车的俯仰斜度。因此可以可靠地并且以高准确性地确定驾驶员转矩并且确保电气的驱动设备的正常运行。
计算单元优选具有加权单元，其中，该加权单元便于给自行车的俯仰旋转速率传感器的信号和自行车的垂直加速度传感器的信号加权。在优选的设计方案中，加权单元设计用于根据电动自行车的加速度给自行车的俯仰旋转速率传感器的信号和自行车的垂直加速度传感器的信号加权。电动自行车的加速度借助高分辨率的速度传感器确定，其中，电动自行车的加速度沿行驶方向通过速度传感器的信号通过相应的滤波器来确定。通过加权单元可以从确定的加速度中检测干扰加速度，并且为了应对，对自行车的俯仰旋转速率传感器的测量信号和自行车的垂直加速度传感器的测量信号相应地加权。加权优选如此选择，使得在电动自行车的加速度相对较高时，自行车的俯仰旋转速率传感器的信号比自行车的垂直加速度传感器的信号具有更高的加权，并且在电动自行车的加速度相对较低时，自行车的垂直加速度传感器的信号比自行车的俯仰旋转速率传感器具有更高的加权。因此，电动自行车的俯仰斜度可以在自行车的加速度相对较低时，通过自行车的垂直加速度传感器可靠地确定，并且在电动自行车的加速度相对较高时，通过自行车的俯仰旋转速率传感器可靠地确定。在加权时，给自行车的垂直加速度传感器的测量信号和自行车的俯仰旋转速率传感器的测量信号根据电动自行车沿行驶方向的加速度配属相应的加权系数，其中，例如在电动自行车的加速度较高时，给自行车的俯仰旋转速率传感器的测量信号配属0.8的加权系数，并且给自行车的垂直加速度传感器的测量信号配属0.2的加权系数。通过由此得出的值确定电动自行车的俯仰斜度。
自行车的俯仰旋转速率传感器优选是3D的旋转速率传感器和/或自行车的垂直加速度传感器是3D的加速度传感器，由此检测在X轴线、Y轴线和Z轴线中并且绕X轴线、Y轴线和Z轴线的加速度和角度变化。因此可以在电动自行车的所有位置和斜度中、例如在俯仰斜度和绕电动自行车的纵轴线的斜度重叠时可靠地确定电动自行车的俯仰角。
在有利的设计方案中，计算单元另外设计用于根据踏板曲轴和后轮之间的传动比来估计驾驶员转矩。因此在带有链式变速、踏板支承变速或者轮毂变速的电动自行车中也可以可靠地估计驾驶员转矩。
在踏板曲轴上优选设置转速传感器并且在后轮上设置转速传感器，因此可以以简单并且可靠的方式确定踏板曲轴和后轮之间的传动比。备选地，换挡传感器可以设置在电动自行车的换挡单元上，通过该换挡传感器检测换挡过程并且由此确定踏板曲轴和后轮之间的传动比。
在优选的设计方案中，计算单元设计用于根据空气阻力信息估计驾驶员转矩，其中，空气阻力信息包括通过自行车速度产生的空气阻力和/或风阻力。通过电动自行车的行驶速度造成的空气阻力和尤其风阻力造成剧烈的行驶阻力。通过在计算模型中考虑空气阻力信息可以减少估计到的驾驶员转矩和实际上的驾驶员转矩之间的偏差。
优选提供风力传感器用于确定风阻力，其中，风力传感器在优选的设计方案中是皮托管。皮托管是皮托管和静态的压力探头的结合，其中，借助皮托管确定空气的总压力，并且结合静态的压力探头确定通过风产生的动态压力。通过风力传感器、尤其皮托管可以可靠地确定风力信息。
优选规定用于从服务器无线接收空气阻力信息的接收单元。在此储存在服务器中的空气阻力信息根据电动自行车的位置传递到接收单元上。因此可以以简单的方式确定空气阻力信息。
计算单元优选设计用于根据总重量估计驾驶员转矩，其中，总重量包括自行车重量和驾驶员重量。主要在确定通过行驶路径斜度产生的行驶阻力时涉及总重量。自行车重量和驾驶员重量可以优选借助重量传感器、借助输入信息和/或借助预先给定的常数确定。此外，总重量可以借助已行进的行驶路程的已知的海拔和为此施加的电气功率来估计。
为了确定驾驶员重量优选提供重量传感器，该重量传感器布置在自行车车架的座垫管中。重量传感器可以是压力计，该压力计布置在座垫管和使座垫在其上固定的座垫支撑之间。通过布置在座垫管中的重量传感器在驾驶员上车的时候自动地确定驾驶员重量，并且无需复杂地手动输入驾驶员重量。
因此实现了一种电动自行车，用该电动自行车可以可靠地并且以高准确度地确定驾驶员转矩，并且可以确保电气的驱动设备的正常运行。
附图说明
参照附图更详细地阐述本发明的实施例。在附图中：
图1示出电动自行车；和
图2示出图1的电动自行车的计算单元的功能性或者说工作原理的示意图。
具体实施方式
图1示出电动自行车10。电动自行车10具有自行车车架12、后轮14和前轮16以及座垫17，其中，座垫17通过座垫支撑44插入到自行车车架12的座垫管42中。此外，电动自行车10具有左侧的踏板曲柄18和右侧的踏板曲柄19，该具有左侧的踏板曲柄18和右侧的踏板曲柄19固定在沿垂直于纸面延伸的踏板曲轴26上。在踏板曲轴26上抗扭转地布置输出元件22、例如链轮，该输出元件22通过用于力传递的器件23、尤其链与后轮14传递转矩地连接。为了在后轮14上耦连链23，在后轮14的轮毂上设置多个链轮，其中，链轮具有不同的直径和齿数。通过链齿组15和在附图中未示出的换挡元件在电动自行车10上设置链式换挡。
电动自行车10具有电气的驱动设备20用于电动的支持，通过布置在自行车车架12上的电池50给该电气的驱动设备20供应电能。电气的驱动设备20在踏板曲轴26的区域中紧固在自行车车架12上并且因此构造为中央发动机。电气的驱动设备20具有电动机24，该电动机24通过在附图中未示出的传动设备与踏板曲轴26传递转矩地连接。通过电气的驱动设备20的此类型的设计方式，使来自电动机24的电机转矩TM与通过驾驶员通过踏板曲柄18、19引入踏板曲轴26中的驾驶员和转矩TF相加，并且为了驱动电动自行车10通过输出元件22和链23传递到后轮14上。
电动机24的电动的行驶支持的高度根据通过电动自行车10的驾驶员设置的支持程度以及输入踏板曲轴26中的驾驶员转矩TF来决定。在此根据驾驶员转矩TF控制电动机24。
通过布置在电气的驱动设备20中的计算单元28估计用于控制电动机24所需的驾驶员转矩TF。
在估计驾驶员转矩TF时，将多个通过传感器检测到的输入参数、通过控制电动机24已知的输入参数以及固定的物理参数带入下方的第一等式中，并且确定电动自行车10沿行驶方向的加速度。在此第一等式表示在电动自行车10行驶过程中沿电动自行车10的行驶方向的所有主要的力之间的力平衡。借助第二等式确定电动自行车10的计算得到的自行车速度。
然后将计算得到的自行车速度与实际的自行车速度相比并且确定计算得到的自行车速度和实际的自行车速度之间的偏差。根据计算得到的自行车速度和实际的自行车速度之间的偏差通过回算第一等式来估计驾驶员转矩TF。
在计算过程中首先假设驾驶员转矩TF并且确定计算得到的自行车速度。然后，例如，如果计算得到的自行车速度与实际自行车速度相比过低，则可以得出结论，在计算所述计算的自行车速度时之前假设的驾驶员转矩TF被选择得过低。根据此，相应地纠正假设的驾驶员转矩TF，在当前情况下将其提高并且重新进行计算。进行此计算过程直到计算得到的自行车速度与实际的自行车速度相符。在整个行驶过程中对驾驶员转矩TF进行估计，使得在整个行驶时间上估计变化的驾驶员转矩TF并且将电气的驱动设备20的电动的支持以及电机转矩TM在整个行驶时间上与估计的驾驶员转矩TF相适配。
Figure BDA0002630938410000071
vbike＝∫atotal(t)dt
在第一等式中带入包括了驾驶员的重量的电动自行车10的总重量mtotal。驾驶员重量通过布置在自行车车架12的座垫管42中的重量传感器40检测。重量传感器40是布置在座垫管42和座垫支撑之间的压力计。电动自行车10不包括驾驶员的重量是已知参数并且储存在计算单元28中。
此外，链式换挡器的传动比Rg、假设的链式传动的损失值y、通过项mtotal*g*cr*cosa考虑的轮子14、16的滚动阻力和支承摩擦力b1、b0带入第一等式中，传动比Rg通过布置在后轮14上的转速传感器36和布置在踏板曲轴26上的转速传感器27确定。
此外，在第一等式中考虑了作用在电动自行车10和驾驶员上的风以及电动自行车10的俯仰斜度a。为了确定风阻力Fwind在自行车车架12上设置皮托管38，通过该皮托管38检测用于计算风阻力Fwind所需的风速。通过行驶速度产生的行驶风阻力通过项
Figure BDA0002630938410000072
考虑。对于风传感器或者皮托管38备选地可以在电动自行车上10设置通过驾驶员可操作的开关，通过该开关可以通过驾驶员手动地预先给定风强或者说风力。此外，电动自行车10可以包括接收单元，该接收单元根据电动自行车10的位置无线接收在服务器中储存的关于风阻力的信息。
此外，轮直径rw和前轮和后轮14、16的惯性Jw带入第一等式中。
根据本发明，为了确定电动自行车10的俯仰斜度a，规定了自行车的俯仰旋转速率传感器30和自行车的垂直加速度传感器32。自行车的俯仰旋转速率传感器30和自行车的垂直加速度传感器32构造为3D传感器。
在电动自行车10的运行中，自行车的俯仰旋转速率传感器30和自行车的垂直加速度传感器32永久激活，其中，在确定电动自行车10的俯仰斜度a时不仅在计算单元28的计算模型中考虑了俯仰旋转速率传感器30的测量信号，还考虑了垂直加速度传感器32的测量信号。
在通常情况下，主要通过自行车的垂直加速度传感器32来确定俯仰斜度a。在出现干扰加速度以及自行车的垂直加速度传感器32的测量信号不足时，主要通过自行车的俯仰旋转速率传感器32确定电动自行车10的俯仰斜度a，其中，与自行车的垂直加速度传感器32不同，自行车的俯仰旋转速率传感器30的测量信号不受动态的干扰加速度影响。
根据自行车的俯仰旋转速率传感器30的测量信号或者根据自行车的垂直加速度传感器32来确定俯仰斜度a的程度的大小通过设置在计算单元28中的加权单元29来确定。加权单元29设计用于给自行车的俯仰旋转速率传感器30和自行车的垂直加速度传感器32根据电动自行车10沿行驶方向的加速度加权。通过加权单元29可以检测干扰加速度，并且为了应对，给自行车的俯仰旋转速率传感器30和自行车的垂直加速度传感器32相应地加权，用于确定俯仰斜度a。在此如此选择加权，使得在电动自行车10的加速度相对较高时，自行车的俯仰旋转速率传感器30的测量信号比自行车的垂直加速度传感器32的测量信号具有更高的加权，并且在电动自行车10的加速度相对较低时，自行车的垂直加速度传感器32的信号比自行车的俯仰旋转速率传感器30的信号具有更高的加权。
因此可以在电动自行车10的加速度相对较低时通过自行车的垂直加速度传感器32可靠地确定电动自行车10的俯仰斜度a，并且在电动自行车10的加速度相对较高时通过自行车的俯仰旋转速率传感器30可靠地确定电动自行车10的俯仰斜度a。
计算单元或者电动机24的控制的工作原理在图2中示出，其中，计算单元28具有加权单元29，并且与不同的传感器27、30、32、36、38、40连接。此外，计算单元28与马达控制MS双向地连接。
应该清楚的是，能够实现电动自行车的相较于所述实施方式的其他的构造上的实施方式，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种电动自行车(10)，具有：
电气的驱动设备(20)，所述电气的驱动设备(20)具有输出元件(22)，其中所述输出元件(22)在驱动侧上至少与电动机(24)作用连接并且在输出侧上与后轮(14)或者前轮(16)作用连接，
其中，所述电动机(24)的支持电机转矩(TM)的大小取决于作用在踏板曲轴(26)上的驾驶员转矩(TF)，
计算单元(28)，所述计算单元(28)设计用于估计作用在所述踏板曲轴(26)上的驾驶员转矩(TF)，其中，在估计所述驾驶员转矩(TF)时考虑所述电动自行车(10)的俯仰斜度(a)，
其特征在于，
提供自行车的俯仰旋转速率传感器(30)和自行车的垂直加速度传感器(32)，所述自行车的俯仰旋转速率传感器(30)和所述自行车的垂直加速度传感器(32)与所述计算单元(28)连接，其中，在所述电动自行车(10)的俯仰斜度(a)的确定中引入所述自行车的俯仰旋转速率传感器(30)和所述自行车的垂直加速度传感器(32)的信号，
其中，所述计算单元(28)具有加权单元(29)，其中，所述加权单元(29)设计用于给所述自行车的俯仰旋转速率传感器(30)和所述自行车的垂直加速度传感器(32)的信号加权，
其中，所述加权单元(29)设计用于给所述自行车的俯仰旋转速率传感器(30)和所述自行车的垂直加速度传感器(32)的信号根据所述电动自行车(10)的沿行驶方向的加速度加权，
其中，在所述电动自行车(10)的加速度相对较高时，所述自行车的俯仰旋转速率传感器(30)的信号比所述自行车的垂直加速度传感器(32)的信号具有更高的加权，并且在所述电动自行车(10)的加速度相对较低时，所述自行车的垂直加速度传感器(32)的信号比所述自行车的俯仰旋转速率传感器(30)的信号具有更高的加权。
2.根据权利要求1所述的电动自行车(10)，其特征在于，
所述自行车的俯仰旋转速率传感器(30)是3D旋转速率传感器和/或所述自行车的垂直加速度传感器(32)是3D加速度传感器。
3.根据权利要求1所述的电动自行车(10)，其特征在于，
所述计算单元(28)设计用于根据所述踏板曲轴(26)和所述后轮(14)之间的传动比(Rg)来估计驾驶员转矩(TF)。
4.根据权利要求3所述的电动自行车(10)，其特征在于，
在所述踏板曲轴(26)上设置转速传感器(27)并且在所述后轮(14)上设置转速传感器(36)。
5.根据权利要求1所述的电动自行车(10)，其特征在于，
所述计算单元(28)设计用于根据空气阻力信息估计驾驶员转矩(TF)，其中，所述空气阻力信息包括通过自行车速度产生的空气阻力和/或风阻力。
6.根据权利要求5所述的电动自行车(10)，其特征在于，
为了确定风阻力，提供风传感器(38)。
7.根据权利要求6所述的电动自行车(10)，其特征在于，
所述风传感器(38)是皮托管。
8.根据权利要求5所述的电动自行车(10)，其特征在于，
提供用于从服务器无线接收空气阻力信息的接收单元。
9.根据权利要求1所述的电动自行车(10)，其特征在于，
所述计算单元(28)设计用于根据总重量(mtotal)估计驾驶员转矩(TF)，其中，所述总重量包括自行车重量和驾驶员重量。
10.根据权利要求9所述的电动自行车(10)，其特征在于，
借助输入信息和/或借助与预先给定的常量能够确定所述自行车重量。
11.根据权利要求9所述的电动自行车(10)，其特征在于，
为了确定所述驾驶员重量提供重量传感器(40)，所述重量传感器(40)布置在自行车车架(12)的座垫管(42)中。
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