DE102004022789A1

DE102004022789A1 - Regelung der Unterstützungsleistung für Fahrräder mit Gangschaltung und elektrischem Antrieb

Info

Publication number: DE102004022789A1
Application number: DE102004022789A
Authority: DE
Inventors: Rainer Fey
Original assignee: SRAM Deutschland GmbH
Current assignee: SRAM Deutschland GmbH
Priority date: 2004-05-08
Filing date: 2004-05-08
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2024-05-09
Also published as: DE102004022789B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Regelung der Unterstützungsleistung für Fahrräder mit Gangschaltung und elektrischem Antrieb. Zur Erzielung einer akzeptablen Reichweite im unterstützten Fahrbetrieb wird die zur Verfügung stehende Antriebsenergie über eine Steuerelektronik geregelt. Als Steuergröße wird die Planetenradträgerdrehzahl erfasst und in der Steuerelektronik in eine entsprechende Spannungsvorgabe für die Elektromotore umgewandelt. Die Pulsweitenmodulation des Elektroantriebes ist nur von der berührungslos über Hallschalter erfassten Drehzahl des Planetenradträgers abhängig.

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelung der Unterstützungsleistung für Fahrräder mit zusätzlichem elektrischen Antrieb. Solche Fahrräder verfügen im allgemeinen über einen von einer mitgeführten Batterie mit Strom versorgten Elektroantrieb, um den Fahrer bei besonders anstrengenden Fahrgelegenheiten zu unterstützen. Diese Unterstützung soll insbesondere am Berg oder bei Gegenwind erfolgen bzw. zur Verfügung stehen. Da das Fahrrad in der Regel als ein ebenso leichtes wie leichtgängiges Fahrzeug angesehen wird, ist es erforderlich, auch den am Fahrrad zusätzlich angeordneten Antrieb möglichst leichtgewichtig auszuführen. Dem Gewicht der zur Energieversorgung benötigten Batterie kommt dabei eine besondere Bedeutung zu. Die Auswahl der Batterie ist stets ein Kompromiss hinsichtlich Amperestunden pro Gewicht und Amperestunden pro Preis. Ist die Entscheidung für eine Batterieart und Größe gefallen, so gilt es, zur Erzielung einer akzeptablen Reichweite diese maximal mitführbare Energiemenge möglichst ökonomisch einzusetzen.
Der Stromverbrauch und damit die erzielbare Reichweite im unterstützten Fahrbetrieb wird im wesentlichen von der Häufigkeit und der zur Verfügung gestellten Unterstützungsleistung beeinflusst.
Es wurden bereits verschiedene Strategien zur Regelung der Stromzuführung bzw. Strombereitstellung für den Elektroantrieb realisiert. So kann die Regelung der Stromzufuhr proportional zum Pedaldrehmoment oder zur Radgeschwindigkeit erfolgen.

Mit dem europäischen Patent EP 0 561 268 B1 ist eine Antriebseinheit bekannt geworden, die das Motordrehmoment des Elektroantriebes entsprechend dem eingeleiteten Drehmoment über den Pedalantrieb steuert. Bei Drehmoment gesteuerten Systemen ist von dem Benutzer selbst ein entsprechendes Drehmoment vorzugeben, was bei schwächeren Radfahrern problematisch sein kann. In der Praxis werden mit diesem System große Reichweiten erzielt, da häufig keine Unterstützung erfolgt.

In der Offenlegungsschrift DE 199 03 443 A1 ist eine drehzahlabhängige Regelung für einen elektrischen Fahrradantrieb beschrieben. Zur drehzahlabhängigen Regelung durch eine elektronische Steuereinheit ist es erforderlich, dass die Pedaldrehzahl und die Drehzahl des Laufrades ständig verglichen werden. Elektrische Energie wird der Antriebseinheit nur bei einer geschwindigkeitsproportionalen Pedaldrehzahl zugewiesen. Die Drehzahl des Antriebsrades wird über einen entsprechend angeordneten Reedschalter und die Pedaldrehzahl von zwei drehwinkelversetzten Hallsensoren erfasst. Für die Regelung werden die ermittelten Drehzahlen verglichen und bei Überschreitung einer vorgegebenen Drehzahldifferenz wird die Antriebsenergie abgeschaltet. Bei Drehzahl gesteuerten Systemen wird unabhängig von der aktuellen Eigenleistung des Benutzers Motorleistung beigesteuert. Diese Regelung hat zur Folge, dass sich die Benutzer „ziehen" lassen, wodurch sich natürlich die im Unterstützungsbetrieb erzielbare Reichweite deutlich verkürzt. Die offensichtlichen Nachteile dieser aufgezeigten Regelungen gilt es zu vermeiden.

Ziel der Erfindung ist es, mit der im Akku verfügbaren elektrischen Energie eine akzeptable Reichweite zu erreichen. Der elektrische Antrieb soll den Benutzer dann unterstützen, wenn Unterstützung benötigt wird (am Berg und bei Gegenwind) und ihn zu einer effektiven Trittfrequenz animieren, damit die Vorteile der Gangschaltung zum „normalen" Radfahren genutzt werden.

Es ergibt sich somit die Aufgabe für die Erfindung, zur Erzielung einer möglichst großen Fahrstrecke dann Unterstützungsenergie bereit zu stellen, und wenn der Radfahrer den richtigen Gang eingelegt hat und mit einer effizienten Drehzahl pedaliert.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die von der Steuerelektronik freigegebene unterstützende elektrische Leistung vom eingelegten Gang und der Pedaldrehzahl abgeleitet. Je niedriger der Gang und je höher die Pedaldrehzahl relativ zur Laufraddrehzahl, desto höher ist die bereitgestellte Unterstützung.

Diese Regelstrategie bewirkt, dass der Benutzer in einen geeigneten Gang schaltet, um in einer effektiven Trittfrequenz zu pedalieren. Hierdurch bringt der Fahrer stets einen erforderlichen eigenen Leistungsanteil ein. Durch ein für den Vortrieb verwertbares Drehmoment auf die Pedale wird der elektrische Antrieb entlastet. Dies führt im Vergleich zur geschwindigkeits- bzw. drehzahlabhängigen Regelung zu größeren Reichweiten, ohne dass der Benutzer ein eventuell zu großes Drehmoment aufbringen muss.

Technisch wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Drehzahl des Planetenradträgers einer Mehrgangnabe als Steuergröße in die Steuerelektronik einfließt und dort in eine aktuelle Unterstützungsleistung umgesetzt wird. Mit steigender Drehzahl des Planetenradträgers wird auch die Spannung erhöht, die dann an den unterstützenden Gleichstrommotor angelegt wird. Der Fahrer merkt sehr schnell, dass er bei höherer Tretfrequenz mehr Unterstützung durch den Elektromotor erhält, als bei einer niedrigeren Tretfrequenz, was ihn ermutigt, schneller zu pedalieren. Ist dies aufgrund der aktuellen Steigungsverhältnisse nicht möglich, so schaltet der Fahrer zurück, um die Tretfrequenz wieder steigern zu können und eine größere Unterstützung durch den Elektromotor abrufen zu können.

Der Planetenradträger eines Nabengetriebes ist sowohl ein Indikator für den eingelegten Gang, als auch Koppelglied zwischen Pedalantrieb und Nabenabtrieb.

Die Drehzahl des Planetenradträgers nimmt bei gleichbleibender Laufraddrehzahl mit steigender Gangstufe ab. Am Beispiel einer realisierten 5-Gang Nabe wird dies offenkundig. Hier treibt der Planetenradträger im ersten und zweiten Gang das Lauf rad direkt an und hat somit die gleiche Drehzahl wie das Rad. Im zweiten Gang greifen die Planetenräder in ein kleineres Sonnenrad ein als im ersten Gang, wodurch der Planetenradträger schneller dreht als im ersten Gang. Im dritten, dem direkten Gang, wird das Rad über das Hohlrad angetrieben. Dabei dreht sich der Planetenradträger mit getriebeübersetzungsproportionaler kleinerer Geschwindigkeit als im zweiten Gang. Im vierten Gang wird über den Planetenradträger, dessen Planetenräder am kleinen Sonnenrad eingreifen, das Hohlrad angetrieben und dieses treibt dann das Rad an. Der Planetenradträger dreht – in dieser Gangstellung und gleichbleibender Laufradgeschwindigkeit vorausgesetzt – langsamer als im direkten Gang. Im fünften Gang wird das Sonnenrad gewechselt, es ändert sich die Relativgeschwindigkeit zwischen Planetenradträger und Hohlrad. Das Hohlrad und damit auch das Rad werden schneller bzw. der Planetenradträger langsamer als im vierten Gang.

Der Fahrer ist nach einem Wechsel in einen höheren Gang bestrebt, die aufgrund einer höheren Gangstufe reduzierte Drehzahl des Planetenradträgers wieder durch Anhebung der aktuellen Pedaldrehzahl zu steigern, da er mit steigender Pedaldrehzahl auch mehr Unterstützungsleistung durch den Elektroantrieb abrufen kann. Nachdem der Fahrer bei einer höheren Trittfrequenz mehr Unterstützungsleistung erhält, pedaliert er natürlich häufiger mit einer höheren Tretfrequenz und steuert somit selbst mehr Leistung zu, wodurch sich die erzielbare Reichweite im unterstützten Fahrbetrieb deutlich erhöht.

Zur Realisierung dieser Strategie ist lediglich die Erfassung der Planetenradträgerdrehzahl erforderlich. Diese Drehzahlerfassung erfolgt berührungslos über Hallsensoren, die ein wechselndes Magnetfeld eines mit dem Planetenradträger drehenden Magneten sogar durch eine Alugehäusewand erkennen.

Die aktuelle Planetenradträgerdrehzahl wird somit vorort erfasst und dient als Steuergröße für die Bestimmung der Unterstützungsleistung in der Steuerelektronik. Als Antrieb werden Gleichstrommotoren, welche pulsweitenmoduliert angesteuert werden, eingesetzt. Die Pulsweitenmodulation ist nur von der Drehzahl des Planetenradträgers abhängig. Je höher diese Drehzahl, desto größer ist die an einem oder mehreren Motoren anzulegende Spannung. Die Pulsweitenmodulation reduziert dabei die Ausgangsspannung und damit die Unterstützung durch den Elektroantrieb. In Verbindung mit den Motorkennlinien bedeutet das, dass der Fahrer bei gleicher Tretfrequenz im ersten Gang ca. 40 % mehr Energie erhält als im fünften Gang.

Sobald der Fahrer nicht mehr pedaliert, vergrößert sich die Differenzgeschwindigkeit zwischen Planetenradträger und Rad, der Planetenradträger wird langsamer und die Unterstützung durch den Elektroantrieb wird zurückgenommen.

Diese Art der Antriebsregelung animiert somit den Fahrer, stets mit effizienter hoher Pedaldrehzahl und kleineren Pedalkräften bzw. erträglichen Drehmomenten zu fahren.

Ein Ausführungsbeispiel eines Radnabenantriebes wird anhand einer 3-D-Darstellung erläutert.

1 zeigt einen geöffneten Radnabenantrieb. Die Antriebseinheit besteht im wesentlichen aus einem Nabengehäuse mit zwei Elektromotoren, einem Fünfganggetriebe und einer elektronischen Steuerung.

2 zeigt einen Querschnitt durch den Radnabenantrieb ohne Achse und Nabengehäuse.

Die Erfindung betrifft die Regelung der Unterstützungsleistung für Fahrräder mit Gangschaltung und elektrischem Antrieb. Realisiert wird die Erfindung in einem zum Einbau in einem Laufrad eines Fahrrades geeigneten elektrischen Radnabenantrieb.

Der Radnabenantrieb in 1 besteht im wesentlichen aus mindestens einem Elektromotor 1 mit einem Untersetzungsgetriebe, einem mehrgängigen Schaltgetriebe 2 sowie einer Steuerelektronik 3, die um eine feststehende zentrale Achse 4 angeordnet und in einem mit Speichenflanschen 5 ausgestatteten Nabengehäuse 6 integriert sind. Auf der Platine der Steuerelektronik 3 sind Hallsensoren 7 in der Nähe des, mit dem Planetenradträger 8 drehenden Magnetringes 9 angeordnet. Die Signale der Hallsensoren 7, die vom vorbeidrehenden Magnetring 9 initiiert werden, gehen als Steuergröße in die Steuerelektronik 3 ein. Entsprechend der Drehzahl des Planetenradträgers 8 generiert die Steuerelektronik 3 die Pulsweitenmodulation und bestimmt damit die am Elektromotor 1 anzulegende Spannung.

2 zeigt eine geöffnete Antriebseinheit ohne Nabengehäuse und Achse im Schnitt. Mit der feststehenden Gehäusekappe 12 ist die Getriebeaufnahme 13 verschraubt. Die Getriebeaufnahme 13 trägt die Platine der Steuerelektronik 3, auf der die Hallsensoren 7 über dem Magnetring 9 angeordnet sind. Der Magnetring 9 beinhaltet Magnete mit unterschiedlicher Polausrichtung und ist drehfest mit dem Planetenradträger 8 verbunden. Die Drehzahlerfassung des Planetenradträgers 8 erfolgt berührungslos, sogar durch das hier nicht gezeigte Nabengehäuse hindurch, das sich als Rohrabschnitt über dem Planetenradträger 8 durch den Spalt zwischen dem Magnetring 9 und den Hallsensoren 7 erstreckt. Auf dem Planetenradträger 8 sind die Planetenräder 10 drehbar gelagert und wälzen innen auf dem Sonnenrad und außen in einem Hohlrad ab. Der Planetenradträger 8 ist ein wesentlicher Bestandteil des um die Achse angeordneten fünfgängigen Schaltgetriebes. Die hohe Drehzahl der relativ kleinen Elektromotore wird mit einem mehrstufigen Zahnradgetriebe 11 untersetzt und auf eine drehfest mit dem Nabengehäuse verbundene Innenverzahnung übertragen.

Durch die Regelstrategie, die den Fahrer für eine hohe Tretfrequenz mit mehr Unterstützungsleistung belohnt, wird eine möglichst große Reichweite des Fahrbetriebes mit Unterstützungsleistung erzielt. Diese Regelung erfolgt gang- und pedaldrehzahlabhängig. Durch die geschickte Verwendung der Planetenradträgerdrehzahl als einzige Steuergröße kann ein ansonsten erforderlicher Gang- und Pedaldrehzahlsensor sowie eine Ermittlungsprozedur entfallen, die aus diesen Signalen eine jeweilige verwertbare Steuergröße ableitet.

1: Elektromotor
2: Schaltgetriebe
3: Steuerelektronik
4: Achse
5: Speichenflansch
6: Nabengehäuse
7: Hallsensor
8: Planetenradträger
9: Magnetring
10: Planetenrad
11: Zahnradgetriebe
12: Gehäusekappe
13: Getriebeaufnahme

Claims

Regelung der Unterstützungsleistung für Fahrräder mit einem mehrstufigen Getriebe und einem elektrischen Antrieb, bestehend aus mindestens einem Elektromotor und mindestens einer Batterie sowie einer Steuerung, dadurch gekennzeichnet, dass die den Fahrbetrieb unterstützende Leistung des Elektromotors vom jeweils im Getriebe eingelegten Gang und der Pedaldrehzahl abgeleitet wird.
Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterstützende elektrische Leistung des Motors steigt, je niedriger der eingelegte Gang und je höher die aktuelle Pedaldrehzahl ist.
Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterstützende elektrische Leistung steigt, je höher die aktuelle Pedaldrehzahl relativ zur Raddrehzahl ist.
Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrstufige Getriebe als Planetengetriebe und die Steuerung als elektronische Steuerung ausgebildet ist und die Drehzahl des Planetenradträgers als Steuergröße verwendet wird.
Regelung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Elektromotoren als Gleichstrommotor ausgebildet sind und von der Steuerelektronik pulsweitenmoduliert angesteuert werden.
Regelung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsweitenmodulation des Elektromotors nur von der Drehzahl des Planetenradträgers abhängt.
Regelung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung am Elektromotor erhöht wird, wenn die aktuelle Drehzahl des Planetenradträgers steigt.
Regelung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Planetenradträgers berührungslos, vorzugsweise mittels Hallsensoren erfasst wird.