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Stand der Technik:
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Bekannt sind Fahrräder mit elektrischer Unterstützung, wobei eines der beiden Räder elektrisch angetrieben wird. So ist in der
DE 20207622 U1 ein Fahrrad mit elektrischer Fahrunterstützung mit Pedalfühler, einer Drosselvorrichtung und der entsprechenden Steuerlogik beschrieben. Die
DE 19600243 A1 beschreibt die Steuerung der Energiezumessung auf das elektrisch angetriebene Rad mittels eines Mikrokontrollers und verschiedenen Signalgebern.
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Sonderbauformen von elektrisch betriebenen Fahrrädern weisen zwei Elektromotoren auf, wobei die Ansteuerung dann über zwei voneinander unabhängigen Steuerungen erfolgt.
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Aufgabe der Erfindung:
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In der Erfindung ist ein Verfahren zur Ansteuerung für ein Fahrrad mit zwei elektrischen Antriebsmotoren beschrieben, die auf zwei Laufräder wirken. Die Ansteuerung erfolgt erfindungsgemäß durch eine elektronische Steuereinheit die beide Antriebsmotoren bedient. Dabei wird, entsprechend der jeweiligen Fahrsituation, die elektrische Antriebsleistung nach einem in der Steuereinheit hinterlegten Programm auf die Laufräder aufgeteilt.
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So kann bei einer Bergauffahrt das Antriebsmoment hauptsächlich auf das hintere Antriebsrad gebracht werden, während ein kleinerer Anteil auf das Vorderrad wirkt.
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Andererseits wird bei einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit einer der Antriebsmotoren mit einem geringen Antriebsmoment betrieben oder auch ganz abgestellt, damit der andere Motor mit optimalem Wirkungsgrad läuft. Somit wird der Verbrauch an elektrischer Energie verringert.
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Die Radmomente können somit derart aufgeteilt werden, dass optimale Traktion oder guter Antriebswirkungsgrad erreicht werden.
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Die Fahrsituation wird anhand von Sensoren erkannt, welche beispielsweise die Fahrbahnneigung oder die Fahrgeschwindigkeit erfassen.
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Ausführungsbeispiel:
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Bei der Erfindung handelt es sich um ein elektrisch betriebenes Fahrrad mit wenigstens zwei elektrischen Antriebsmotoren die üblicherweise als Gleichstrommotoren ausgeführt sind. Die Gleichstrommotoren werden dabei mittels eines oder mehrerer Mikrocontroller mit integrierten Endstufen angesteuert. Die Antriebsmotoren speist ein Akku oder eine mobile elektrische Energiequelle.
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Das gewünschte Radmoment lässt sich entsprechend dem Stand der Technik vom Fahrer im einfachsten Fall durch einen Gasgriff oder Gashebel beziehungsweise über die Trittfrequenz oder über eine Pedalkraft vorgegeben.
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Die elektronische Steuereinheit koordiniert dabei die Ansteuerung eines jeden der beiden Elektromotoren entsprechend der jeweiligen Fahrsituation. Mittels einer Ansteuerung oder Regelung der Antriebsmomente oder der Raddrehzahlen lassen sich die beiden Motoren und somit das Moment oder die Drehzahl an den Laufrädern entsprechend der Fahrsituation weitgehend unabhängig von einander optimal ansteuern, wobei das gewünschte Gesamtantriebsmoment oder die vorgegebene Fahrgeschwindigkeit für das Fahrrad eingehalten wird. Die elektronische Steuereinheit überprüft dabei laufend die Ansteuerung der beiden Antriebsmotoren und ändert den Betriebspunkt für jeden der beiden Motoren falls dies erforderlich ist. Besonders vorteilhaft lässt sich das zugeteilte Moment für die Motoren anhand der elektrischen Energie für den jeweiligen Motor bestimmen, indem in der Steuereinheit anhand der hinterlegten Kenndaten der elektrischen Antriebsmotoren und der aktuellen Drehzahl das Motormoment berechnet wird.
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Bestimmte Motoren lassen sich auch im Generatorbetrieb betrieben. Der Generatorbetrieb kann beispielsweise als Bremse oder zur Rückspeisung von elektrischer Energie in den Akku genutzt werden. Der Generatorbetrieb stellt in dieser Schrift einen Sonderfall des Betriebs der Antriebseinheit dar und ist unter dem Oberbegriff Motorbetrieb inbegriffen.
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Vorteilhaft wird dabei eine genaue Einstellung der Drehzahldifferenz zwischen den Antriebsmotoren oder Generatoren durch eine in der Steuereinheit integrierte oder vorgeschaltete Regelfunktion. Im Fall einer Drehzahldifferenz von „0” ist der Synchronlauf der Räder erreicht. In der
EP0567781A2 ist eine derartige Funktion beispielhaft beschreiben.
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Unter einer Fahrsituation versteht man den jeweiligen Fahrzustand, der sich aus dem Randbedingungen wie zum Beispiel der Fahrgeschwindigkeit, der Fahrbahnneigung, einer Kurvenfahrt, einer Schlechtwegestrecke oder einer Gasbetätigung ergibt.
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Zur Erfassung einer Fahrsituation gibt es verschiedene Möglichkeiten. So kann eine Fahrbahnneigung mittels eines Neigungssensors erkannt werden. Eine andere Möglichkeit bietet die Auswertung eines GPS-Signals, wobei die Fahrbahnneigung mittels der Verbindung von GPS mit geographischen Daten noch verfeinert werden kann. Alternativ kann aber auch die elektronische Steuerung aus dem Verhältnis des eingesetzten Motormomentes zur Geschwindigkeit und zum Beschleunigungsverhalten auf den Fahrwiderstand bzw. auf die Fahrbahnneigung schließen.
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Alle diese Verfahren zur Bestimmung der jeweiligen Eingangsgröße zur Erkennung einer Fahrsituation sind bekannt und Stand der Technik.
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Erfindungsgemäß werden diese Eingangsgrößen in der elektronischen Steuereinheit bewertet und dienen dazu, das Moment auf die wenigstens zwei Laufräder aufzuteilen.
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Zudem kann der Fahrer beispielsweise durch ein oder mehrere Gasbetätigungselemente oder durch die Trittfrequenz und die Pedalkraft Einfluss nehmen. Eine oder mehrere hierfür erforderliche Messgrößen gehen in die Steuerelektronik ein. In der Steuerelektronik erfolgt die Bewertung der Fahrsituation und die Aufteilung der Ansteuerung für jeden Motor.
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So kann beim Anfahren aus dem Stand heraus oder aus niedrigen Geschwindigkeiten die Kraftübertragung vor allem über das hintere Rad erfolgen, damit das Vorderrad, welches beim Anfahren weniger Moment übertragen kann nicht durchrutscht. Bei höheren Geschwindigkeiten wird die Anfahrfunktion dann nicht mehr benötigt und kann zum Beispiel in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit aufgelöst werden.
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In jedem Fall nimmt die Steuerlogik entsprechend der Fahrsituation eine Bewertung des Fahrerwunsches und der Fahrsicherheit im Vergleich zur elektrisch effizienten Aufteilung der Antriebsenergie vor. Dabei wird der Fahrerwunsch und die Fahrsicherheit bevorzugt bedient und mit niedriger Priorität der optimale Antriebswirkungsgrad. Wenn der Fahrer ausdrücklich den Antrieb mit optimalen Antriebswirkungsgrad wünscht, wird der Fahrerwunsch niedriger Priorisiert und der optimale Antriebswirkungsgrad höher.
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Anhand der Eingangsgrößen (beispielsweise Fahrerwunsch, Raddrehzahlen, Fahrbahnneigung, Traktion) wird in der Steuerung ein Gesamtantriebsmoment ermittelt, welches dann entsprechend der genannten Kriterien auf die beiden Antriebsräder aufgeteilt wird.
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Strategien zur Bewertung und Umsetzung dieser Eingangsinformation im Mikrocontroller mittels Kennfelder und Wichtung der Eingangsgrößen sind bekannt und Stand der Technik. Daher wird auf die interne Bearbeitung dieser Signal in dieser Schrift nicht näher eingegangen.
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Besonders vorteilhaft stellt sich die Ausführung der Erfindung mit unterschiedlich dimensionierten Elektromotoren dar. So kann beispielsweise in Abhängigkeit des Fahrwiderstandes und der Geschwindigkeit mit der Motorkombination gefahren werden, mit der ein optimaler Gesamtwirkungsgrad erzielt wird. So kann bei einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit und geringem Fahrwiderstand mit dem kleineren der Motoren gefahren werden, während der stärkere Motor elektrisch abgestellt ist. Das Rad des stärkeren Motors dreht dann im Freilauf mit. Bei Bedarf schaltet dann der stärkere Motor zu. Wird dann mit höherem Fahrwiderstand bei einer Bergauffahrt weitergefahren und reicht das Moment des stärkeren Motors aus, kann entsprechend der schwächere Motor abgestellt werden. Natürlich sind auch alle anderen Aufteilungen der Last zwischen den beiden Motoren möglich. Durch die Aufteilung des Antriebsmomentes gemäß dem jeweils besten Wirkungsgrad ergibt sich eine höhere Reichweite bei einer vorgegeben Akkuspeicherkapazität.
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Damit eine optimale Aufteilung der Momente auf die Laufräder erfolgen kann, sind die Kenngrößen der Antriebsmotoren in der elektronischen Steuereinheit hinterlegt. Die Kenndaten können dabei das abgegebene Motormoment oder den Wirkungsgrad des Antriebsmotors über der Drehzahl bei einer bestimmten Spannung und einem bestimmten Stromfluss beinhalten.
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Bei Fahrten mit schlechter Traktion auf Schotter oder auf schneebedeckter Fahrbahn ist es sinnvoll die Kraft gleichmäßig auf die beiden Räder aufzuteilen. Eine Erkennung einer Schlechtwegestrecke kann beispielsweise vom Fahrer mittels eines Schalters oder eines Drehgebers vorgegeben werden. Entsprechend der Vorgabe wird das Antriebsmoment oder die Antriebsdrehzahl der Laufräder mehr oder weniger einander angenähert.
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Ebenso lässt sich im Falle der Rekuperation, die üblicherweise im Bremsbetrieb oder bergab auftritt, die Belastung der Antriebsmotoren so aufteilen, das für diesen Fall der optimale Wirkungsgrad zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie erreicht wird.
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Üblicherweise erfolgt die Anforderung des Antriebsmomentes über eine manuelle Betätigung wie einen sogenannten Gasgriff oder Gashebel oder durch die Trittfrequenz oder über das ermittelte Pedalmoment des Fahrers. Die Momentenanforderung kann dabei auch über eine Kombination von verschiedenen Gasbetätigungen erfolgen. Dabei übernimmt die Steuereinheit erfindungsgemäß die Aufteilung der Motormomente zwischen vorne und hinten.
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Ebenso kann der Wunsch des Fahrers zur Aufteilung der Momente zwischen den beiden Motoren direkt durch eine Gasbetätigung erfolgen die für den vorderen Motor wirkt und eine weitere Gasbetätigung die auf den hinteren Motor wirkt. In einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann der Fahrer ein Wunschmoment für den vorderen oder hinteren Motor vorgeben. Dabei erfolgt die Aufteilung zwischen vorne und hinten über ein einstellbares Potentiometer, welches der Fahrer bedient. Als andere vorteilhafte Strategie bei zwei Gasbetätigungen hat es sich erwiesen, mittels des rechten Gasbetätigungselementes das Gesamtantriebsmoment vorzugeben. Solange das linke Gasbetätigungselement dazu nicht betätigt ist, erfolgt wie beschrieben eine automatische Aufteilung der Momente entsprechend der Fahrsituation. Mit dem linken Gasbetätigungselement gibt der Fahrer zusätzlich das Wunschmoment für das vordere Antriebsrad vor. In der Steuereinheit wird der Wunsch der beiden Gasbetätigungselemente berücksichtigt. Dabei ergibt sich das Moment für das hintere Antriebsrad aus der Differenz des angeforderten Gesamtantriebsmoment und dem angeforderten Moment für das Vorderrad.
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Der aktuell eingelegte Gang kann über einen Sensor, der die Gangstellung erfasst ermittelt werden oder er wird aus dem Verhältnis der Trittfrequenz zur Fahrgeschwindigkeit berechnet. Die Ganginformation kann als zusätzliche Information in die Berechnung eingehen. Das Steuergerät kann aus der aktuellen Ganginformation und dem Betriebszustand und einer Betrachtung des Wirkungsgrades einen Vorschlag für eine günstigere Übersetzung anzeigen. Bei einer automatisierten Gangschaltung kann der Wunsch dann automatisch umgesetzt werden.
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Eine weitere Eingangsgröße stellt der Öko-Modus dar. Diesen kann der Fahrer über ein nicht dargestelltes Betätigungselement aktivieren. Das Betätigungselement kann dabei als Schalter zur Aktivierung und Deaktivierung des Ökomodus ausgeführt sein, oder es kann sich um ein Betätigungselement handeln, das eine mehrstufige oder stufenlose Wichtung zwischen dem Normalbetrieb und dem Ökomodus erlaubt. Die Wichtung zwischen Öko- und Normalbetrieb kann auch durch die Beobachtung des Gasbetätigungselementes erfolgen. So können niedrige Gradienten an der Gasbetätigung und kleinere Gasbetätigungsstellungen als Wunsch für den Öko-Modus interpretiert werden.
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Im Öko-Modus werden die Betriebspunkte der beiden Antriebsmotoren so gewählt, dass für den aktuellen Betriebspunkt ein möglichst hoher Gesamtwirkungsgrad zur Umsetzung der elektrischen Energie in einem Vortrieb des Fahrrads erreicht wird. Im Ökomodus wird somit wirksam die Reichweite des Fahrrades bei gegebener Akkuladung erhöht.
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Bei der Verwendung von elektrischen Antriebsmaschinen mit unterschiedlichen elektrischen Kenndaten, kann entsprechend der in der Steuereinheit hinterlegten Wirkungsgradkenndaten für jeden einzelnen der Motoren jeweils der Betriebspunkt so eingestellt werden, damit der höchste Gesamtwirkungsgrad erreicht wird. Dabei wird auch bevorzugt einer der beiden Motoren abgestellt, wobei das Rad dann im Freilauf mitdreht.
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Für die Fahrsituation im Ökomodus erfolgt eine eigene Bewertung der Eingangsgrößen. Im Vergleich zum normalen Betrieb gehen im Ökomodus Bewertungen wie beispielsweise die Kurvenerkennung, die Traktion, oder die Fahrbahnneigung jetzt weniger stark in die Bewertung ein, während der höchstmögliche Wirkungsgrad höher gewichtet wird.
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Insbesondere wird im Ökomodus eine Anforderung zum Erhöhen des Antriebsmomentes langsamer umgesetzt als im normalen Fahrbetrieb, damit die elektrische Leistungsaufnahme reduziert wird. Damit der Radfahrer auch bei langsamerer Umsetzung einer Momentenanforderung eine spürbare Beschleunigungsinformation auf seine Beschleunigungsanforderung erhält, kann zusätzlich kurzzeitig zu Beginn der Momentenanforderung ein höheres Moment erzeugt werden. Anschließend wird das Antriebsmoment wieder abgesenkt und dann entsprechend der Momentenanforderung wieder langsam erhöht.
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Eine andere Möglichkeit für die Verringerung des Verbrauchs an elektrischer Energie liegt in der Begrenzung der elektrischen Antriebsleistung der Antriebsmotoren. Ein Ökomodus kann durch die Steuereinheit auch selbsttätig bei bestimmten Fahrsituationen aktiviert werden, beispielsweise wenn eine Sollgeschwindigkeit erreicht ist, kann bevorzugt auf den Betrieb im Ökomodus umgeschaltet werden. Der Ökomodus wird dann auch wieder entsprechend der Fahrsituation selbsttätig verlassen.
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Bei Fahrrädern können die Reifen an Vorderrad und Hinterrad unterschiedlich stark abgefahren sein. Mountainbikes weisen zudem oft unterschiedliche Reifenprofile, Reifengeometrien und verschiedene Luftdrücke an Vorderrad und Hinterrad auf. Daher kann der wirksame Rollradius am Vorderrad und am Hinterrad unterschiedlich sein, womit die Motoren am Vorderrad und am Hinterrad unterschiedliche Drehzahlen bei gleicher Fahrgeschwindigkeit aufbringen müssen.
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Liegt für jedes der Laufräder je eine Raddrehzahl vor, so kann ein Abgleich dieser Signale erfolgen.
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Dazu werden während der Fahrt die Raddrehzahlen der Laufräder einzeln erfasst und miteinander verglichen. Wenn die Differenz der Raddrehzahlen einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet wird die Raddrehzahl von einem oder von beiden Drehzahlsignalen mithilfe einer Signalaufbereitung dahingehend verändert, dass die Differenz der Raddrehzahlen minimiert wird. Dazu wird ein Adaptionswert für eines oder für beide Laufräder in einem Speicher in der Steuereinheit abgelegt und bei der weiteren Raddrehzahlberechnung berücksichtigt. Diese Kalibrierung kann dann zum Beispiel immer nach einem längeren Stillstand oder nach festgelegten Wegstrecken oder nach bestimmten Zeitintervallen durchgeführt werden. Die Kalibrierung erfolgt am besten während einer Fahrsituation, in der keine Beschleunigung vorliegt und keine Schlechtwegstrecke erkannt ist. Den Zeitpunkt für die Kalibrierung legt entweder die Steuereinheit nach einem ihm eingegebenen Programm selbsttätig fest oder der Fahrer löst diese manuell aus. Ebenso hat der Fahrer die Möglichkeit eine Kalibrierung zu verbieten, wenn beispielsweise längere Zeit auf Sandboden gefahren wird.
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Die Kalibrierung ermöglicht eine sehr genaue Steuerung und Regelung der Drehzahl der beiden Antriebsmotoren. Im Display kann der Fahrer über den Status der Kalibrierung informiert werden.
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Wenn mehrere Drehzahlerkennungssysteme an unterschiedlichen Antriebsrädern vorhanden sind, und ein Drehzahlerkennungssystem ausfällt, kann ein Ersatzwert für das fehlende Drehzahlsignal verwendet werden, um den weiteren Fahrbetrieb sicherzustellen. Diese Funktionen können in bekannter Weise durch elektronische Bausteine, die der Drehzahlerfassung nachgeschaltet sind, wie beispielsweise durch die Verschaltung von wenigstens zwei elektronischen Bausteinen mit der Typbezeichnung LM2907 vom Hersteller National Semiconductor, verwirklicht werden. Genauso können in der Steuereinheit eingegebene und dem Fachmann bekannte Programme zur Fehlererkennung und Ersatzwertbildung umgesetzt sein. Im Display kann dem Fahrer eine Fehlerinformation angezeigt werden.
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Eine weitere Ausbildung des Erfindung beinhaltet einen Diebstahlschutzmodus. Dieser Modus kann durch den Besitzer beispielsweise mittels eines Absperrschlüssels oder durch einen Zahlencode aktiviert werden. Bei aktivierten Diebstahlschutzmodus werden die Antriebsmotoren unabhängig von der Gasbetätigungsstellung immer ein der Raddrehrichtung entgegenwirkendes Radmoment aufbringen. Damit wird ein unerwünschtes entfernen des Rades verhindert. Idealerweise wirkt dieses Funktion auch im stromlosen Zustand, wobei dann durch Selbstinduktion an den drehenden Antriebsmotoren ein Moment entgegen der Raddrehrichtung aufgebracht wird.
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Falls erkannt wird, dass einer der Antriebsmotoren fehlerhaft funktioniert oder wenn einer der Antriebsmotoren durch den Besitzer durch ein Antriebsrad ohne Antriebsmotor ausgetauscht wird, kann dieses in der Steuereinheit (13) berücksichtigt werden. In diesem Fall wird der fehlende oder der als defekt erkannte Antriebsmotor und der zugehörige Controller nicht mehr angesteuert, während der noch verbleibende Antriebsmotor den Antriebswunsch des Fahrers soweit als möglich umsetzt.
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Die Erkennung eines fehlerhaften Motors kann durch eine bekannte elektrische Diagnosefunktion wie beispielsweise einer Kurzschlusserkennung erfolgen oder durch die Erkennung einer offenen elektrischen Leitung. Es kann aber auch unter Einbeziehung der Fahrsituation durch gezieltes erhöhen oder verringern der Motorlast an einem ausgewählten Antriebsmotor bei gleichzeitiger Beobachtung der Raddrehzahl ein defekter Antriebsmotor detektiert werden.
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So kann der Besitzer beispielsweise ein Vorderrad ohne Antriebsmotor einbauen, um für eine bestimmte Fahrstrecke mit weniger Gewicht zu fahren, ohne dass ein Eingriff in die elektrische Ansteuerung erforderlich ist.
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In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird mittels eines Beschleunigungs- oder Steigungssensors die Fahrbahnneigung erfasst und bei Bergauffahrt ein abheben des beispielsweise vorderen Antriebsrades von der Fahrbahn erkannt oder anhand der Beschleunigung oder Steigung eine wahrscheinliches Abheben des Vorderrades ermittelt. Insbesondere durch eine zeitlich hochaufgelöste Auswertung des Signales des Beschleunigungsensors in Fahrtrichtung des Rades und in Lotrichtung hierzu lässt sich ein abheben eines Rades gut erfassen.
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Ein abhebendes Rad kann auch leicht durch die Reaktion des Raddrehzahlsignals auf eine Antriebsmoment erkannt werden. Es wird sich die Raddrehzahl, die in diesem Fall zeitlich hochaufgelöst gemessen wird bei einem vorgegeben Antriebsmoment schneller ändern als bei guten Kontakt zur Fahrbahn. Falls ein abhebendes Rad erkannt ist, werden am dem Rad das noch Traktion mit der Fahrbahn aufweist die Antriebsmomente bevorzugt so gesteuert, dass kein weiteres abheben des abgehobenen Rades erfolgt oder das dieses Rad wieder auf die Fahrbahn aufsetzt. Mit diesem Verfahren lässt sich in ähnlicher Weise ein abheben des hinteren Rades bei einer gebremsten Bergabfahrt vermeiden, wobei das gewünschte Bremsmoment bevorzugt eingehalten wird.
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Weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:
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Dort zeigt
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1 ein Fahrrad mit den beschriebenen Bauteilen
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2 ein Schaltschema der Steuereinheit
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3 ein Diagramm zur Aufteilung der Radmomente
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4 ein Diagramm zur Momentenänderung
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5 ein Diagramm zur Aufteilung der Radmomente über zwei Gasbetätigungen
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1 zeigt ein elektrisch betriebenes Fahrrad (1) mit einem vorderen (3) und einem hinteren (5) elektrischen Antriebsmotor. Die Motoren (3) und (5) treiben ein vorderes (17) und ein hinteres Rad (19) an. Die Motoren sind hier beispielhaft als Nabenmotoren ausgeführt. Es können aber ebenso andere Ausführungsformen wie Tretlagermotoren oder am Fahrradrahmen angebrachte Motoren mit Übersetzungsgetrieben verwendet werden.
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Die Antriebsmotoren werden mittels eines Akkus (23) oder aus einer mobilen elektrischen Energiequelle gespeist. Die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen elektrischen Bauteilen sind im Bild aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Die erfindungsgemäße elektronische Steuereinheit (13) legt die Aufteilung der Antriebsleistung für die Motoren (3, 5) fest, diese können mittels eines oder mehrerer Mikrocontroller (7, 9) mit integrierten Endstufen angesteuert werden. Die Mikrocontroller (7, 9) sind hier als eigene Bauteile dargestellt, lassen sich aber auch vorteilhaft im Motorgehäuse (3, 5) oder in der Steuereinheit (13) baulich integrieren.
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Die Vorgabe eines Fahrerwunsches kann mittels eines Gasbetätigungselementes wie einem Gashebel oder Gasgriff (29, 27) beziehungsweise über einen Trittfrequenzsensor (37) oder über einen Momentensensor der am Kurbeltrieb (38) befestigt ist, erfolgen.
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Beispielhaft sind die Sensoren für die Raddrehzahlen (33, 34) und für die Beschleunigung (35) dargestellt. Die Fahrgeschwindigkeit kann aus der Raddrehzahl berechnet werden.
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Über ein Display (21) wird die Information zur Motoransteuerung für die verschiedenen Motoren dargestellt. Beispielsweise lassen sich hier die Raddrehzahlen, Radmomente und die Verbrauchte elektrische Energie oder die Reichweite bei vorhandener Akkuladung zeigen. Im Falle der Rekuperation kann der Anteil an der Rekuperation für die einzelnen Motoren dargestellt werden.
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Die Position der Bauteile in 1 ist beispielhaft dargestellt, entsprechend den baulichen Gegebenheiten können die Bauteile auch an anderer Stelle angeordnet sein.
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2 zeigt ein Schema der Steuereinheit (13) mit den wichtigen Ein- und Ausgangsgrößen.
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Dabei gehen ein oder mehrere der nachfolgend genannten Größen in die elektronische Steuereinheit (13) ein:
Der Fahrerwunsch, der wie beschrieben über einen oder mehrere Gasbetätigungselemente (41, 42, 57, 61) vorgegeben wird. Dabei kann in einem Ausführungsbeispiel über das eine Gasbetätigungselement (41) das Antriebsmoment für den vorderen (3) und über das andere Gasbetätigungselement (42) das Moment für den hinteren Antriebsmotor (5) gewählt werden. In der Steuereinheit (13) wird der Fahrerwunsch dann unter Berücksichtigung der Fahrsituation bewertet und das Antriebsmoment für jedes der Antriebsräder berechnet.
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Eine oder mehrere Raddrehzahlen (39, 40), die mittels eines oder mehrerer Drehzahlgeber (33, 34) ermittelt werden können. Auf eine andere Weise können die Raddrehzahlen (39a, 40a) aus der Ansteuerung der Motoren (3, 5) ermittelt werden.
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Die Abbildung zeigt Messmittel (3a, 5a), welche die von den Antriebsmotoren (3, 5) aufgenommene elektrische Energie erfassen und zeitgleich an die Steuereinheit übertragen.
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Die Fahrgeschwindigkeit und die Beschleunigung, die in bekannter Weise über Sensoren (33, 34, 43, 45) oder aus dem Controller für die Motoransteuerung (9,7) oder über GPS ermittelt werden.
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Bei der Verwendung von Schrittmotoren mit Ansteuerung der Phasen durch einen Controller kann die Motordrehzahl und damit die Fahrgeschwindigkeit besonders einfach aus den internen Signalen des Controllers (39a, 40a) ermittelt werden. Die Ableitung der Geschwindigkeit über die Zeit liefert das Beschleunigungssignal.
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Die Fahrbahnneigung in Fahrtrichtung (47) kann beispielsweise durch GPS-Daten oder durch die Auswertung eines Beschleunigungssensorsignales (35) bestimmt werden, wenn die Fahrgeschwindigkeit konstant ist.
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Eine Kurvenerkennung (51) erfolgt in einfacher Weise durch einen – hier nicht dargestellten – Drehwinkelsensor am Lenker.
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Eine Traktionserkennung (49) erfasst die Fahrbahneigenschaften wie beispielsweise eine Asphalt- oder Schotterstrecke. Die Erkennung kann über GPS oder einen hier nicht näher beschriebenen Sensor erfolgen oder es kann auch der Fahrer über einen Wählhebel manuell auf Schlechtwegeerkennung umschalten.
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Eine schlechter Weg kann auch automatisch erkannt werden, wenn zum Beispiel das Antriebsmoment trotz gleicher Fahrbahnneigung bei gleicher Fahrgeschwindigkeit ansteigt.
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Eine Anforderung zur Rekuperation kann durch den Fahrer manuell (53) angefordert werden oder aufgrund der Fahrsituation wie beispielsweise dem Bremsbetrieb erkannt werden.
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Bespielsweise kann durch eine Drehrichtung des Kurbeltriebs, die entgegen der Raddrehrichtung gerichtet ist, oder ein Pedalmoment, dessen Richtung entgegen der Raddrehrichtung wirkt, zunächst die Unterstützung der elektrischen Antriebseinheit verringert oder beendet werden und ein Generatorbetrieb veranlasst werden.
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Genauso kann diese Funktion mit zunehmenden Weg des Bremshebels oder mit steigender Krafteinleitung am Bremshebel bedingt werden.
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Die Generatorlast wird automatisch erhöht, wenn eine rückdrehende Tretkurbeldrehzahl, ein in Bremsrichtung wirkendes Pedalmoment, ein Bremshebelweg oder ein Moment am Bremshebel erkannt wird.
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Besonders vorteilhaft wird die Generatorlast an den Antriebsrädern von der Steuereinheit so gewählt, dass eine vom Fahrer gewünschte Bremswirkung erzielt und dabei für den Fahrer hohe Sicherheit hinsichtlich Lenkverhalten und Traktion erreicht wird.
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Weitere Eingangsgrößen sind die Pedalfrequenz (57), die über einen Sensor erfasst wird, sowie die aktuell eingelegte Gangfahrstufe.
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Der aktuell eingelegte Gang (55) kann mittels eines hier nicht dargestellten Gangsensors oder durch das Verhältnis aus der Trittfrequenz und der Fahrgeschwindigkeit ermittelt werden.
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Über ein weiteres Betätigungselement kann bevorzugt ein Ökomodus (59) gewählt werden.
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In der Steuereinheit kann auch das Antriebsmoment (61) das der Fahrer auf das beispielsweise hintere Rad aufbringt berücksichtigt werden. Das Moment wird durch einen Pedalmomentensensor ermittelt. Der mechanische Wirkungsgrad (67) für den Beitrag auf das Radmoment ist dabei vorteilhaft in der Steuereinheit (13) hinterlegt und kann berücksichtigt werden.
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Dargestellt sind zudem die Ausgangsgrößen aus der Steuereinheit (13) nämlich die Ansteuerung für das vordere Antriebsrad (3) über die Endstufe (9) und die Ansteuerung für das hintere Antriebsrad (5) über die Endstufe (7). Zudem lässt sich die gewünschte Gangfahrstufe (69) ausgeben. Mittels eines Displayausganges (69) werden die relevanten Größen auf einem Display dem Fahrer angezeigt.
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Die 3 zeigt beispielhaft die Aufteilung der Momente durch die Steuereinheit (13) auf die Antriebsräder. Über der Abszissenachse ist die Zeit und über der Ordinatenachse ist das Antriebsmoment am Rad aufgetragen.
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Im Beispiel wird das Fahrrad aus dem Stand (Zustand A) heraus beschleunigt. Das angeforderte Antriebsmoment (91) ist durch den Fahrer mittels einer Gasbetätigung festgelegt. Mit dem Antriebsmoment (91) und anhand der aktuellen Fahrsituation ermittelt die Steuereinheit (13) ein Antriebsmoment (95) für das Vorderrad. Für das Hinterrad wird das verbleibende Antriebsmoment (93) entsprechend bestimmt. Falls der Fahrer Pedalmoment (61) auf das Hinterrad aufbringt, kann dieses in einer weiteren Ausbildung der Erfindung berücksichtigt werden, indem das entsprechende elektrische Antriebsmoment (97) auf das Hinterrad um diesen Anteil verringert wird. Das elektrische Antriebsmoment (97) wird dabei aus dem mechanischen Pedalmoment (61) unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Antriebs (67) ermittelt.
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Ab dem Zeitpunkt B wird die Pedalkraft geringer und die Steuereinheit (13) erhöht damit das Moment am Hinterradmotor (93).
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Ab dem Zeitpunkt C liegt eine gleichmäßige Fahrt vor, eine Unterstützung durch beide Motoren ist in dieser Fahrsituation nicht mehr unbedingt erforderlich. Aufgrund der in der Steuereinheit hinterlegten Charakteristik des Drehmoment- und Wirkungsradverlaufs wählt die Steuereinheit im Beispiel als optimalen Betriebszustand den Betrieb mit dem hinteren Motor (93) aus. Das Motormoment vorne (95) wird mittels einer Rampe auf Null heruntergerampt, während gleichzeitig das Motormoment hinten (93) hochgerampt wird, so dass schließlich nur der hintere Motor antreibt, während das vordere Rad im Freilauf mitdreht.
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Später verringert sich der Bedarf an Antriebsmoment aufgrund einer Bergabfahrt. Anhand der hinterlegten Charakteristik des Drehmoment- und Wirkungsradverlaufs wählt die Steuereinheit ab dem Zeitpunkt E als optimalen Betriebszustand den Betrieb mit dem vorderen Motor aus. Das Motormoment hinten (93) wird mittels einer Rampe auf Null heruntergerampt, während gleichzeitig das Motormoment vorne (95) hochgerampt wird, so dass schließlich nur der vordere Motor antreibt.
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In der 4 ist im Vergleich die Reaktion auf eine Erhöhung des Momentes für den Normal- und den Ökomodus über die Zeit aufgetragen. Die Steuereinheit (13) erkennt über einen Eingang den Öko- oder den normalen Betriebsmodus und stellt die Antriebsmomente entsprechend ein.
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Über eine Gasbetätigung (101) wird ein höheres Antriebsmoment angefordert. Im Normalmodus folgt das Antriebsmoment (103) möglichst zeitnah einer Anforderung durch die Gasbetätigung (101).
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Im Ökomodus folgt das Antriebsmoment verzögert über eine Rampe (105, 107).
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In einer anderen Ausführung erfolgt zu Beginn der Momentenanforderung eine kurzzeitige Überhöhung des Antriebsmomentes (109), damit der Fahrer eine als leichten Ruck spürbare Rückinformation über die beginnende Momentenerhöhung erhält. Die kurzzeitige Momentenüberhöhung (109) wird wieder auf einen niedrigeren Wert zurückgestellt und wird dann dem Öko-Modus entsprechend langsam (107) erhöht.
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Der Ökomodus kann auch stufenlos über ein Poti gewählt werden, womit dann die Steilheit der Rampe und gegebenenfalls der Anteil der Momentenüberhöhung (109) vorgegeben wird.
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Der langsamere Aufbau des Antriebsmomentes im Ökomodus reduziert die Antriebsenergie womit die Reichweite bei vorgegebener Akkuspeicherkapazität erhöht wird.
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Die kurzzeitige Momentenüberhöhung (109) wirkt nur für eine sehr geringe Zeit und trägt daher nicht nennenswert zur Akkuentladung bei.
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In der 5 ist eine vorteilhafte Aufteilung der Radmomente bei zwei vorhandenen Gasbetätigungen über der Zeit aufgetragen.
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Eine erste Gasbetätigung (81) wird dabei von einer Stellung bei der keine Betätigung erfolgt (A) auf eine Endstellung (C) bewegt und nach einer Haltezeit wieder auf die nicht betätigte Stellung (F) zurückgestellt. Die zweite Gasbetätigung (83) erfolgt zeitlich verzögert (B, E, G).
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Weiterhin dargestellt ist ein im wesentlichen zur ersten Gasbetätigung (81) zugehöriges Radmoment (85) das entsprechend von Null (A) auf ein bestimmtes Moment zum Zeitpunkt (B) erhöht wird, sowie das im wesentlichen der zweiten Gasbetätigung (83) zugeordnete Radmoment (87) und das Gesamtradmoment (89) als Summe der Radmomente (85) und (87).
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In der beschriebenen Ausführung gibt der Fahrer mit der ersten Gasbetätigung (81) das Gesamtantriebsmoment (89) vor. In der Steuereinheit (13) erfolgt wie beschrieben die Aufteilung der Momente auf das Vorderrad (87) und das Hinterrad (85). Bedingt durch die Fahrsituation soll der größere Anteil des Antriebsmoment im Bereich zwischen A und C bevorzugt auf das Hinterrad (85) wirken, während der geringere Anteil in diesem Bereich auf das Vorderrad (87) entfällt. Erfindungsgemäß bestimmt der Fahrer durch die Betätigung des zweiten Gasbetätigungselementes (83) bevorzugt das Antriebsmoment des Vorderrades (87). Im Zeitfenster zwischen (B) und (D) ist die Gasbetätigung für das Gesamtantriebsmoment (81) betätigt, während die Gasbetätigung (83) für das Vorderrad hochgerampt wird.
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Ab dem Zeitpunkt (C) ist das durch die Gasbetätigung (83) angeforderte Moment für das Vorderrad (87) erstmals größer als das Moment das bisher aufgrund der Fahrsituation dem Vorrad zugemessen war. Daher folgt das Moment für das Vorderrad (87) ab dem Zeitpunkt (C) der Gasbetätigung (83).
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Da zum einen das Gesamtantriebsmoment (89) eingehalten werden muss und andererseits das Fahrerwunschmoment für das Vorderrad (87) bevorzugt umgesetzt werden soll, verringert sich das auf das Hinterrad wirkende Antriebsmoment (85) um den Betrag des auf das Vorderrad wirkende Moment (87).
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Im Zeitbereich zwischen (D) und (F) wird die Gasbetätigung (81) auf die Nullstellung gestellt. Da die Gasbetätigung für das Vorderrad (83) zwischen (D) und (G) noch betätigt ist, wird das entsprechende Moment (87) auf das Vorderrad gebracht. Im realen Fahrbetrieb wird das in 4 dargestellte Verhalten mit der in 3 gezeigten Aufteilung der Radmomente überlagert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 20207622 U1 [0001]
- DE 19600243 A1 [0001]
- EP 0567781 A2 [0012]
