DE102009054756A1 - Elektrisches Zweirad - Google Patents

Elektrisches Zweirad

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Zweirad, umfassend: einen elektrischen Antrieb, eine Steuereinheit, um den elektrischen Antrieb zu steuern, und einen Neigungssensor zur Erfassung einer zu einer Seite gerichteten Neigung des Zweirads, wobei der Neigungssensor mit der Steuereinheit verbunden ist, und wobei die Steuereinheit ausgelegt ist, eine vom elektrischen Antrieb bereitgestellte Antriebsleistung basierend auf einem vom Neigungssensor aufgenommenen Wert der seitlichen Neigung zu ändern.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Zweiräder, die permanent oder zur Unterstützung der Tretkraft des Fahrers von einem Elektromotor angetrieben werden.
  • Elektrische Zweiräder sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen, z. B. als Fahrräder mit elektrischem Antrieb, bekannt. Diese elektrischen Zweiräder weisen den Nachteil auf, dass ihre Geschwindigkeit auch bei einer Kurvenfahrt im Wesentlichen nicht geregelt wird und somit beibehalten wird. Dadurch wird eine Kurvengeschwindigkeit erreicht, welche weit über der Kurvengeschwindigkeit eines normalen, z. B. durch Muskelkraft betriebenen Zweirads liegen kann, was eine Gefahr für den Fahrer des Zweirads und andere Verkehrsteilnehmer darstellt.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das elektrische Zweirad mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Kurvenfahrt erkannt und die Antriebsleistung entsprechend gesteuert werden kann. Hierzu weist das elektrische Zweirad einen elektrischen Antrieb, eine Steuereinheit zur Steuerung des elektrischen Antriebs und einen Neigungssensor zur Erfassung einer zu einer Seite gerichteten Neigung auf, wobei der Neigungssensor mit der Steuereinheit verbunden ist und wobei die Steuereinheit ausgelegt ist, eine vom elektrischen Antrieb bereitgestellte Antriebsleistung basierend auf einem vom Neigungssensor aufgenommenen Wert der seitlichen Neigung zu ändern. Dadurch, dass die Schräglage bzw. Neigung des Zweirads bei der Kurvenfahrt erkannt wird, kann der Elektromotor während Kurvenfahrten an ein normales Fahrverhalten angepasst werden, welches üblicherweise eine Verzögerung vor der Kurve bzw. ein Durchfahren der Kurve mit geneigtem Zweirad und reduzierter Geschwindigkeit vorsieht, um der auftretenden Zentrifugalkraft wirksam entgegenzuwirken. Das elektrische Zweirad ist vorzugsweise ein Fahrrad mit elektrischem Antrieb. Der Neigungssensor ist vorzugsweise ein mechanischer oder elektrischer Neigungssensor und besonders bevorzugt ein Quer-Beschleunigungssensor. Die Erfindung ist besonders bei einer plötzlichen Richtungsänderung, z. B. bei Ausweichen eines Hindernisses, wirksam, um einen Sturz zu vermeiden.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bilden das Steuergerät und der Neigungssensor ein kompaktes Modul. Hierdurch kann eine kostengünstige und kompakte Einheit bereitgestellt werden. Zudem kann eine Kabelverbindung zwischen Neigungssensor und Steuergerät entfallen, was zu einer geringen Störungsanfälligkeit beiträgt.
  • Vorzugsweise ist die Steuereinheit in einem zentralen Steuergerät integriert. Durch die Integration der Steuereinheit im zentralen Steuergerät kann die Anzahl der Bauteile minimiert sowie eine hohe Betriebssicherheit der gesamten Steuerung des elektrischen Zweirads erreicht werden.
  • Weiterhin bevorzugt ist die Steuereinheit ausgelegt, eine Antriebsleistung des elektrischen Antriebs zu reduzieren oder den elektrischen Antrieb abzuschalten, wenn der Neigungssensor einen Wert der seitlichen Neigung erfasst, welcher über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt. Durch die Anpassung der Antriebsleistung ist eine deutliche Reduzierung der Kurvengeschwindigkeit erreichbar, so dass verhindert wird, dass das elektrische Zweirad trotz starker seitlicher Neigung aus der Kurve getragen wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit ausgelegt, den elektrischen Antrieb umzuschalten, so dass der elektrische Antrieb eine Bremsleistung bereitstellt, wenn der Neigungssensor einen Wert einer seitlichen Neigung erfasst, welcher über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt. Hierdurch kann eine noch schnellere und höhere Geschwindigkeitsreduzierung, insbesondere für eine plötzliche Richtungsänderung bzw. ein Ausweichmanöver erreicht werden. Ferner trägt dies zu einem sicheren und ausgewogenen Fahrverhalten des elektrischen Zweirads bei.
  • Vorzugsweise umfasst das elektrische Zweirad ferner einen Geschwindigkeitssensor, welcher mit der Steuereinheit verbunden ist, wobei in die Steuereinheit die Antriebsleistung des elektrischen Antriebs auch in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit reduziert. Hierdurch wird eine weiter verbesserte Betriebssicherheit durch Steuerung des elektrischen Zweirads basierend auf Neigung und Geschwindigkeit erreicht.
  • Weiterhin bevorzugt ist der Neigungssensor an einem oberen Bereich des elektrischen Zweirads angeordnet. Durch diese Positionierung ist die schnellstmögliche Erfassung selbst geringster Neigungswinkel möglich, was zu einem minimalen Ansprech- bzw. Trägheitsverhalten der Steuerung der Antriebsleistung des elektrischen Zweirads beiträgt.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Steuern eines Antriebs für ein elektrisches Zweirad, welches einen Neigungssensor aufweist, das in einem ersten Verfahrensschritt das Erfassen einer seitlichen Neigung des Zweirads mittels des Neigungssensors und in einem zweiten Verfahrensschritt das Steuern einer Antriebsleistung des elektrischen Antriebs basierend auf einem vom Neigungssensor aufgenommenen Wert der seitlichen Neigung umfasst. Aufgrund des einfachen Steuerungsablaufs kann eine betriebssichere Steuerung einer Kurvenfahrt mit geringer Beanspruchung der Kapazität des Energiespeichers durchgeführt werden. Nach Beendigung einer Kurvenfahrt, d. h. wenn der Neigungswert wieder unterhalb des Sollwertes ist, kann der elektrische Antrieb wie vor der Kurvenfahrt wieder zugeschaltet werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens reduziert die Steuereinheit bei Überschreiten eines vorbestimmten Werts einer seitlichen Neigung eine Antriebsleistung oder schaltet den elektrischen Antrieb ab oder betreibt den elektrischen Antrieb als Generator. Hierdurch wird eine deutliche Verringerung einer Antriebsleistung erreicht bzw. eine Energierückgewinnung zum Aufladen des Energiespeichers während der Fahrt ermöglicht.
  • Vorzugsweise wird die Geschwindigkeit des Zweirads erfasst und der elektrische Antrieb zusätzlich in Abhängigkeit der Geschwindigkeit gesteuert. Durch die Steuerung der Antriebsleistung mit dem zusätzlich erfassten Wert der Geschwindigkeit ist eine noch präzisere Anpassung der Antriebsleistung und somit höhere Fahrsicherheit erreichbar.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
  • 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen elektrischen Zweirads, und
  • 2 eine grafische Darstellung möglicher Kurvenfahrverläufe mit unterschiedlich angepasster Antriebsleistung.
  • Ausführungsform der Erfindung
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein elektrisches Zweirad gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie ein Verfahren zum Steuern eines Antriebs für ein elektrisches Zweirad im Detail beschrieben.
  • 1 zeigt ein elektrisches Zweirad, welches ein Fahrrad 1 mit einem integrierten Elektromotor 2 ist. Wie aus 1 ersichtlich, umfasst das elektrische Fahrrad 1 einen wiederaufladbaren Energiespeicher 3, der an einem Sattelrohr 4 angeordnet ist, und eine Steuereinheit 5 mit einem vorzugsweise integrierten Neigungssensor 6, welche in einem Rahmendreieck zwischen dem Sattelrohr 4 und einem Oberrohr 8 befestigt ist. Ein an der Steuereinheit 5 angeschlossener Geschwindigkeitssensor 10 ist ferner an einer Hinterradstütze 11 des elektrischen Fahrrads 1 angeordnet. Die Steuereinheit 5 mit dem Neigungssensor 6 ist mit dem Elektromotor 2 und einer Bedieneinheit 7 an einem Lenker 9 des elektrischen Fahrrads 1 elektrisch verbunden. Die Steuereinheit 5 ist zur Energieversorgung ebenso wie der Elektromotor 2 am Energiespeicher 3 angeschlossen. Der Neigungssensor 6 erfasst dabei Neigungen bzw. Schräglagen, welche zu einer Seite des elektrischen Fahrrads 1 gerichtet sind, d. h. Neigungen des elektrischen Fahrrads 1 nach links und rechts zur eigentlichen Fahrtrichtung. Basierend auf Werten der erfassten Neigung sowie Werten des Geschwindigkeitssensors 10 steuert die Steuereinheit 5 den Elektromotor 2.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei einer Kurvenfahrt des elektrischen Fahrrads 1 eine seitliche Neigung erfasst. Aufgrund der hohen Platzierung des Neigungssensors 6 im Rahmendreieck zwischen Oberrohr 8 und Sattelrohr 4 können hierbei schon sehr geringe Neigungswerte ermittelt werden. Danach wird die Antriebsleistung des Elektromotors 2 auf der Basis des vom Neigungssensor 6 aufgenommenen Werts der seitlichen Neigung gesteuert und entsprechend verändert. Bei Überschreiten eines vorgegebenen und in der Steuereinheit 5 gespeicherten Sollwerts einer seitlichen Neigung kann die Steuereinheit 5 die Antriebsleistung des Elektromotors 2 entweder reduzieren oder den Elektromotor 2 abschalten oder den Elektromotor 2 zu einem Generator umschalten, so dass der Elektromotor 2 eine Bremsleistung bereitstellt. Über den vom Geschwindigkeitssensor 10 erfassten Wert der Geschwindigkeit des Fahrrads 1 erfolgt die Steuerung des Elektromotors 2 des elektrischen Fahrrads 1 darüber hinaus geschwindigkeitsabhängig. Entsprechend der Geschwindigkeit des Zweirads 1 beim Eintritt einer seitlichen Neigung kann somit eine jeweils unterschiedliche Anpassung der Antriebsleistung erfolgen.
  • 2 zeigt eine grafische Darstellung von Kurvenfahrverläufen des elektrischen Fahrrads 1 mit jeweils unterschiedlich angepasster Antriebsleistung des Elektromotors 2. Hierbei kennzeichnet die Kurvenlinie A eine ideale Kurvenfahrt ohne Motorunterstützung und die Kurvenlinie B einen Kurvenfahrverlauf des elektrischen Zweirads 2 mit kontinuierlicher Motorunterstützung, wobei das Zweirad 1 aus der Kurve getragen wird. Die Kurvenlinie C von 2 kennzeichnet einen Kurvenfahrverlauf nach Erkennung einer seitlichen Neigung und entsprechender Steuerung bzw. Veränderung der Antriebsleistung des Elektromotors 2 des Zweirads 1. Der Bereich der Neigungserkennung durch den Neigungssensor 6 ist in 2 neben der Kurvenlinie C durch eine gepunktete Linie F gekennzeichnet. Die Kurvenlinie D kennzeichnet einen Kurvenfahrverlauf im Generatorbetrieb des Elektromotors 2, bei dem durch die Umkehrung eine Motorbremsung und somit rasche Verringerung der Fahrzeuggeschwindigkeit beim Auftreten einer bestimmten Neigung erfolgt. Wie aus 2 ersichtlich, ist hierbei ein kleinerer Kurvenradius mit entsprechend größerer seitlicher Neigung des Fahrrads 1, z. B. bei einem plötzlichen Ausweichmanöver aufgrund eines Hindernisses möglich. Ein zwischen den Kurvenlinien C und D liegender schraffierter Bereich E kennzeichnet einen Bereich möglicher Kurvenfahrverläufe, die durch eine Anpassung der Antriebsleistung des Elektromotors 2 gemäß den für die Steuereinheit 5 vorgegebenen Schwellenwerten möglich sind.
  • Das erfindungsgemäße elektrische Fahrrad 1 weist ferner den Vorteil auf, dass mit einer minimalen Anzahl von Bauteilen eine einfache und kostengünstige Erfassung einer seitlichen Neigung und eine entsprechende Steuerung bzw. Veränderung der Antriebsleistung des Elektromotors 2 bei einer Kurvenfahrt möglich ist.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern des elektrischen Antriebs kann das Fahrverhalten des Fahrrads 1 weitestgehend an ein normales, d. h. intuitives Bedienungsverhalten eines Fahrers vor und während einer Kurvenfahrt adaptiert werden und die Verkehrsicherheit deutlich erhöht werden. Aufgrund des einfachen Aufbaus und niedrigen Energiebedarfs der Steuerungskomponenten ist ferner auch eine Nachrüstung bei bestehenden elektrischen Zweirädern möglich.

Claims (10)

  1. Elektrisches Zweirad, umfassend: – einen elektrischen Antrieb (2), – eine Steuereinheit (5), um den elektrischen Antrieb (2) zu steuern, und – einen Neigungssensor (6) zur Erfassung einer zu einer Seite gerichteten Neigung des Zweirads, wobei der Neigungssensor (6) mit der Steuereinheit (5) verbunden ist, und wobei die Steuereinheit (5) ausgelegt ist, eine vom elektrischen Antrieb (2) bereitgestellte Antriebsleistung basierend auf einem vom Neigungssensor (6) aufgenommenen Wert der seitlichen Neigung zu ändern.
  2. Elektrisches Zweirad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) und der Neigungssensor (6) ein kompaktes Modul bilden.
  3. Elektrisches Zweirad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) in einem zentralen Steuergerät integriert ist.
  4. Elektrisches Zweirad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) ausgelegt ist, eine Antriebsleistung des elektrischen Antriebs (2) zu reduzieren oder den elektrischen Antrieb (2) abzuschalten, wenn der Neigungssensor (6) einen Wert einer seitlichen Neigung erfasst, welcher über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt.
  5. Elektrisches Zweirad, nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit ausgelegt ist, den elektrischen Antrieb (2) umzuschalten, so dass der elektrische Antrieb (2) eine Bremsleistung bereitstellt, wenn der Neigungssensor (6) einen Wert einer seitlichen Neigung erfasst, welcher über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt.
  6. Elektrisches Zweirad, ferner umfassend einen Geschwindigkeitssensor (10), welcher mit der Steuereinheit (5) verbunden ist, wobei die Steuereinheit (5) die Antriebsleistung des elektrischen Antriebs (2) auch in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit ändert.
  7. Elektrisches Zweirad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungssensor (6) an einem oberen Bereich des Zweirads angeordnet ist.
  8. Verfahren zum Steuern eines Antriebs für ein elektrisches Zweirad, welches einen Neigungssensor (6) aufweist, umfassend die Schritte: – Erfassen einer seitlichen Neigung des Zweirads mittels des Neigungssensors (6), und – Steuern einer Antriebsleistung des elektrischen Antriebs (2) basierend auf einem vom Neigungssensor (6) aufgenommenen Wert der seitlichen Neigung.
  9. Verfahren zum Steuern eines elektrischen Antriebs nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5) bei Überschreiten eines vorbestimmten Werts einer seitlichen Neigung eine Antriebsleistung reduziert oder den elektrischen Antrieb (2) abschaltet oder den elektrischen Antrieb (2) als Generator betreibt.
  10. Verfahren zum Steuern eines elektrischen Antriebs nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Zweirads erfasst wird und dass der elektrische Antrieb (2) zusätzlich in Abhängigkeit der Geschwindigkeit gesteuert wird.
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