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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Elektrofahrräder, insbesondere Verfahren zum Abbremsen von Elektrofahrrädern. Es sind auf diesem Gebiet Elektrofahrräder bekannt, die, wie übliche Fahrräder, mechanische Bremsen aufweisen, wobei eine mechanische Bremskraft vom Fahrer selbst ausgeübt wird, welche in ein Bremsdrehmoment umgewandelt wird. Als mechanische Bremsvorrichtungen sind daher, wie auch bei üblichen Fahrrädern, Trommel-, Scheiben- und Backenbremsen bekannt.
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Elektrofahrräder weisen im Gegensatz zu üblichen Fahrrädern einen elektrischen Unterstützungsantrieb auf, der mit einem elektrischen Akkumulator betrieben wird. Im üblichen Betrieb wird aus der elektrischen Energie des Akkumulators mechanische Energie erzeugt, die die Fortbewegung des Fahrrads unterstützt. Beispielsweise aus
WO 08/138320 ist bekannt, dass ein Pedaldrehmoment und eine Pedaldrehzahl, mit der der Fahrer den Antrieb mechanisch unterstützt, zudem erfasst werden, um den elektrischen Zusatzantrieb anzusteuern. Die beschriebene Vorgehensweise betrifft jedoch nur den Antrieb, d. h. die positive Beschleunigung des Fahrrads in Fahrtrichtung und beschreibt folglich nur, den elektrischen Unterstützungsmodus anhand der Pedalbetätigung auszuwählen.
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Zum Abbremsen sind mechanisch zu betätigende und mechanisch wirkende Vorrichtungen bekannt, bei denen jedoch die kinetische Energie des Fahrrads vernichtet wird. Um einen Teil der kinetischen Energie zurückzugewinnen, sieht beispielsweise das Elektrofahrrad Vivi RX 10S von Panasonic laut der Internetseite http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20080707/154398/ vor, durch leichte Betätigung eines Handbremshebels einen Rekuperationsmodus zu starten, bei dem die kinetische Energie des Fahrrads über die elektrische Maschine des Elektroantriebs in elektrische Energie umgewandelt wird, die in dem Akkumulator des Antriebs gespeichert werden kann. Da jede Rekuperationsstufe einem Handbremshebel zugeordnet ist, lässt sich jedoch zum einen nur eine sehr begrenzte Anzahl von Rekuperationsmodi auswählen (zwei bei zwei Handbremshebeln), wobei ferner die Betätigung zur mechanischen Abbremsung nur schwer von der Betätigung zum Einstellen des Rekuperationsmodus vom Fahrer getrennt werden kann, zumal die Betätigungskraft für die Vorderradbremse genau dosiert werden muss, um ein Überschlagen zu verhindern. Darüber hinaus lässt sich mit dem beschriebenen Mechanismus nur ein einziger Rekuperationsmodus einstellen, wenn das Elektrofahrrad nur mit einem Bremshebel (z. B. bei einem Rad mit Rücktritt) ausgestattet ist. Nur durch weitere Elektronik (z. B. Potentiometer oder Drucksensor im Bremshebel) kann die Bremskraft dosiert werden. In jedem Fall sind zusätzliche Sensoren oder Bedienelemente notwendig, um die elektrische Bremse zu aktivieren.
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Derzeit sind keine Realisierungen einer konventionellen Rücktrittbremse bei Fahrrädern mit Mittelmotorantrieb oder Antrieb im Hinterrad bekannt. Die Kombination dieser Antriebskonzepte mit einer Rücktrittbremse erfordert ein sehr schnelles Abschalten des el. Antriebs um Bremsverzögerungen zu vermeiden, dass der Motor die Kette in Vorwärtsrichtung treibt, während der Fahrer in die Gegenrichtung Kraft aufbringt. Weiterhin soll die mechanische Bremsverzögerung nicht durch ein Nachlaufen des el. Motors beeinträchtigt werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Steuerungsvorrichtung vorzusehen, mit der eine elektrisch wirkende Bremse präzise angesteuert werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtungen der unabhängigen Ansprüche.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Konzept ist es, die vom Fahrer ausgeführte Pedalbetätigung zum Einstellen eines gewünschten Rekuperationsmodus bzw. einer elektrischen Bremse bzw. des Antriebsmodus zu verwenden. Als Pedalbetätigung wird eine Rückwärtsbewegung bzw. ein Pedaldrehmoment und/oder eine Pedaldrehzahl der Pedale entgegen der üblichen Pedalantriebsrichtung betrachtet, wie sie bei Bremsbetätigungen einer konventionellen Rücktrittbremse eines Fahrrads auftreten. Durch eine Rückwärtsbewegung des Pedals kann somit ein Bremsen durch elektrische Mittel (elektrisches Bremsen, Rekuperation), ein Bremsen mittels mechanischer Mittel (Rücktrittbremse) oder beides ausgeführt werden, wobei vorzugsweise bei Erfassung einer rückwärtsgerichteten Pedalbewegung zunächst ein elektrischer Antrieb des Elektrofahrzeugs abgestellt wird, bevor dieser Antrieb als elektrische Bremse betrieben wird, um die Bremswirkung zu verstärken. Das unverzügliche Abschalten des Motors ist notwendige Voraussetzung zur Kombination der Erfindung mit einer konventionellen Rücktrittbremse, da jede Verzögerung negative Auswirkungen auf den Anhalteweg des Fahrzeugs hat. Durch die Platzierung der Sensoren am Tretlager können diese Verzögerungen minimiert werden. Weiterhin können die Signale der Sensoren mit hinreichender Auflösung und Abtastrate erfasst werden, die erfindungsgemäß eindeutig die Drehrichtung bei minimaler Verzögerung (< 200 ms) zu erfassen.
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Die Erfindung kann mit vorhandener Sensorausstattung eines Elektrofahrrads realisiert werden, so dass keine wesentlichen mechanischen Eingriffe notwendig sind, um ein bereits vorhandenes Elektrorad nachzurüsten. Ebenso sind keine wesentlichen Umgestaltungen von bereits vorhandenen mechanischen Designs notwendig. Weiterhin ermöglich es die Erfindung, eine konventionelle Rücktrittbremse in Verbindung mit einem elektrischen Antrieb im Hinterrad oder als Mittelmotor zu verwenden. Die Erfindung ermöglicht eine minimale Verzögerung zwischen dem Fahrerwunsch (rückwärts treten) und der Systemreaktion, die mit Ausgestaltungen gemäß dem Stand der Technik nicht zu erreichen ist.
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Im Kontext der Erfindung wird als elektrisches Bremsen das Erzeugen eines Bremsdrehmoments mittels einer elektrischen Maschine (üblicherweise identisch mit dem Elektroantrieb des Elektrofahrrads) bezeichnet, die an eine elektrische Last angeschlossen ist. Wenn die Last als Akkumulator vorgesehen ist, der die sich aus dem mechanischen Bremsdrehmoment ergebende elektrische Energie durch Stromfluss eines Ladestroms von der elektrischen Maschine an den Akkumulator speichert, dann wird das Bremsen durch Rekuperation ausgeführt. Das Abstellen des Antriebs kann als Vorstufe oder nullte Stufe des Bremsens angesehen werden, wobei je nach Stärke der rückwärts gerichteten Pedalbewegung diese nullte Stufe als geringste Fahrmodusänderung bei einer geringen rückwärts gerichteten Pedalbewegung eingestellt wird, und das Bremsen (steigernd) hinzukommt, wenn die rückwärts gerichtete Pedalbewegung stärker ist (wird). Die Abschaltung (nullte Stufe) ist bei Kombination mit einer konventionellen Rücktrittbremse von besonderer Bedeutung, da das Nachlaufen des Motors eine Gegenkraft zur Rücktrittbewegung darstellt und somit für den Fahrer störend ist und zudem den Bremsvorgang verzögert.
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Um die rückwärts gerichtete Pedalbewegung zu erfassen, werden ein Drehmoment eines Pedalantriebs, eine Drehzahl eines Pedalantriebs oder vorzugsweise beides erfasst. Insbesondere wird die Drehrichtung des Drehmoment bzw. der Drehzahl erfasst, d. h. das Vorzeichen dieser Größen. Wenn sowohl Drehzahl als auch Drehmoment erfasst werden, dann kann unmittelbar die rückwärts gerichtete Pedalbewegung erfasst werden. Wenn nur eine dieser Größen (Drehzahl und Drehmoment des Pedalantriebs) zur Ermittlung der rückwärts gerichtete Pedalbewegung verwendet wird, entsteht gegebenenfalls eine Verzögerung, da die entsprechende Größe über ein Zeitfenster beobachtet wird, um eindeutige Bewegungszustände in sicherer Weise erfassen zu können.
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Die Erfindung ist insbesondere geeignet, mit mechanischen Bremsen kombiniert zu werden. Daher wird vorzugsweise das elektrische Bremsen kombiniert mit einer Betätigung einer mechanischen Bremse, insbesondere einer Rücktrittsbremse. Dadurch ergibt sich ein kombiniertes Bremsdrehmoment. Da das erfindungsgemäße Betätigen einer elektrischen Bremse auf die gleiche Weise ausgeführt wird, wie das Betätigen einer Rücktrittsbremse, ergibt sich für den Bediener keine Umstellung; die Bedienung ist für Fahrer, die ein übliches Verhalten von Rücktrittsbremsen erwarten, intuitiv. Da die Bedienung über die Pedale erfolgt, können beide Hände am Lenker verbleiben und optimale Fahrsicherheit beim Bremsen gewährleistet werden. Bevorzugt wird zunächst der elektrische Antrieb abgestellt, wenn eine rückwärts gerichtete Pedalbewegung erfasst wird, bevor eine stärkere, länger andauernde oder erneute Pedalbewegung zu einem Bremsen mittels der elektrischen Bremse führt.
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In der nächsten Stufe (d. h. folgend auf den Schritt des Abstellens des elektrischen Antriebs) kann die elektrische Bremse durch eine mechanische Bremse ergänzt werden. Je nach Fahrerwunsch (Drehmoment, Drehzahl der Kurbel), wird der Bremsvorgang durch die mechanische Bremse unterstützt.
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Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Betätigung einer elektrischen Bremse eines Elektrofahrrads, bei dem ein Drehmoment eines Pedalantriebs des Elektrofahrrads, eine Drehzahl des Pedalantriebs oder beide Größen (das Drehmoment und die Drehzahl) erfasst werden. Das Vorzeichen des Drehmoments, der Drehzahl oder beider Größen wird ermittelt. Diese Ermittlung entspricht der Ermittlung der Drehrichtung des Pedalantriebs. Ein Bremsdrehmoment wird mittels der elektrischen Bremse erzeugt oder, als vorausgehende Maßnahme, wird der elektrische Antrieb abgestellt, wenn das Vorzeichen des Drehmoments, der Drehzahl oder beider Größen negativ ist. Mit anderen Worten wird ein Bremsdrehmoment mittels der elektrischen Bremse erzeugt, wenn eine rückwärtsgerichtete Drehbewegung des Pedalantriebs (d. h. entgegen der üblichen Antriebsrichtung des Pedalantriebs) als Drehrichtung erfasst wird, oder der elektrische Antrieb des elektrischen Fahrrads wird abgestellt. Bei mehrfacher oder zunehmender Ausführung einer rückwärts gerichteten Pedalbewegung wird diese anhand des negativen Vorzeichens und ggf. des Betrags des Drehmoments/der Drehzahl erkannt und es wird, nach Abstellen des Antriebs, ein Bremsdrehmoment erzeugt, das mit der Anzahl und/oder dem Stärke der Betätigungsvorgänge erhöht werden kann. Gemäß einer entsprechenden Betrachtungsweise wird das Abschalten des Antriebs als erste, niedrigste Stufe des Erzeugens eines Bremsdrehmoments angesehen. Hierbei können mechanische Widerstände als erzeugte Bremsdrehmomente angesehen werden, die bei angeschaltetem Antrieb zumindest teilweise von dem elektrischen Antrieb kompensiert werden.
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Durch eine vorwärts gerichtete Pedalbewegung können die Bremszustände verlassen werden und in den Fahrmodus zurück gekehrt werden. Die Erfindung ermöglicht einen intuitiven Wechsel der Fahrzustände, allein über Pedalbewegungen. Der Wechsel der Zustände ist jederzeit auf identische Weise wiederholbar.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist diese als Steuerungsvorrichtung ausgebildet, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft daher ferner eine Steuerungsvorrichtung zur Betätigung einer elektrischen Bremse eines Elektrofahrrads. Die Steuerungsvorrichtung umfasst einen Sensoreingang, eingerichtet zum Empfang eines Drehmomentsignals eines Drehmomentsensors eines Pedalantriebs des Fahrrads, eines Drehzahlsignals eines Drehzahlsensors des Pedalantriebs, oder beider Signale. Zur Erfassung einer rückwärtigen Drehbewegung umfasst die Steuerungsvorrichtung ferner einen mit dem Sensoreingang verbundenen Vorzeichendetektor, der negative Vorzeichen des eingegebenen Sensorsignals oder der eingegebenen Sensorsignale erfasst und der eingerichtet ist, bei Auftreten eines negativen Vorzeichens (d. h. einer erfassten rückwärtigen Drehbewegung) ein Bremssignal bzw. ein dem Bremssignal vorausgehendes Abschaltsignal vorzusehen. Der Sensoreingang kann als analoger oder digitaler Eingang eingesehen sein, abhängig von der Signalart, die die anschließbaren Sensoren abgeben.
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Wenn im erfindungsgemäßen Verfahren Drehmoment und Drehzahl ermittelt werden, dann werden diese (insbesondere deren Vorzeichen) gemäß einer logischen UND-Verknüpfung miteinander verbunden. Ergibt das Drehmoment eine rückwärtsgerichtete Drehbewegung und die Drehzahl eine rückwärtsgerichtete Drehbewegung, wird ein Bremsdrehmoment mittels der elektrischen Bremse erzeugt. Die Steuerungsvorrichtung kann hierzu einen festverdrahteten Logikschaltkreis oder, bevorzugt, einen programmgesteuerten Prozessor oder Mikrocontroller umfassen, der die UND-Verknüpfung und die Vorzeichenerfassung der Signale vorsieht. Wenn ein Sensor als Signal bereits das Vorzeichen des Drehmoments oder der Drehzahl individuell angibt, beispielsweise an einer Bitstelle des Sensorsignals oder an einem individuellen Anschluss, dann wird das Vorzeichen nur durch Weiterleitung bzw. Vereinzelung dieses Signals erfasst; der Vorzeichendetektor der Steuerungseinrichtung wird dann durch eine individuelle Leitung, Speicherstelle oder durch einen individuellen Anschluss vorgesehen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Bremsdrehmoment erzeugt wird von einer elektrischen Maschine. Diese elektrische Maschine sieht somit die elektrische Bremse vor. Diese elektrische Maschine wandelt gemäß dem Generatorprinzip die kinetische Energie des Elektrofahrrads in elektrische Energie um. Diese elektrische Energie wird zumindest zum Teil in einem Akkumulator gespeichert und somit rekuperiert. Die elektrische Maschine bildet ebenso einen elektrischen Antrieb des Elektrofahrrads, der im Unterstützungsbetrieb elektrische Energie aus dem Akkumulator entnimmt und als Elektromotor den Antrieb des Fahrrads unterstützt. Durch die Rekuperation wird elektrische Energie zurückgewonnen, die im Akkumulator gespeichert wird und später abgerufen werden kann. Eine Rekuperation wird nur vorgesehen, wenn ein zusätzliches Bremsdrehmoment von der elektrischen Maschine erzeugt wird, und nicht, wenn lediglich der elektrische Antrieb abgestellt wird.
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Eine erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung, die in gleicher Weise in der Lage ist, elektrische Energie wiederzugewinnen, weist einen elektrischen Energieabgabeanschluss und einen elektrischen Energieeingabeanschluss auf. Der elektrischen Energieabgabeanschluss zum Anschluss an einen Akkumulator geeignet, und der elektrische Energieeingabeanschluss ist zum Anschluss an eine elektrische Maschine geeignet. Dies ermöglicht eine Überleitung elektrischer Energie an den Akkumulator über die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung. Die Steuerungsvorrichtung umfasst hierzu eine Energieüberleitungseinrichtung, die den Energieabgabeanschluss mit dem Energieeingabeanschluss verbindet, und die eingerichtet ist, steuerbar durch das Bremssignal elektrische Energie von dem Energieeingabeanschluss an den Energieabgabeanschluss zu leiten. Eine derartige steuerbare Energieüberleitungseinrichtung kann mittels Hochleistungsschaltern vorgesehen werden, beispielsweise Leistungshalbleiter wie Leistungs-MOFETs oder andere Leistungstransistoren oder auch durch ein Relais.
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Weitere Ausführungsformen des Verfahrens betreffen die Einstellung des Bremsdrehmoments abhängig von der rückwärtigen Pedalbewegung. Ausgehend von einer erfassten rückwärtigen Pedalbewegung wird gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die Höhe des Bremsdrehmoments (ausgeübt durch die elektrische Bremse) in einer monotonen oder streng monotonen Abhängigkeit von der Stärke, d. h. von dem Betrag des Drehmoments des Pedalantriebs, der Drehzahl des Pedalantriebs oder beider Größen erhöht. Mit ansteigender Stärke der rückwärtigen Drehbewegung wird das Bremsdrehmoment erhöht. Beispielweise kann eine zumindest stückweise lineare Abhängigkeit vorgesehen sein, gemäß der bis zum Erreichen eines Maximal-Bremsdrehmoments das Bremsdrehmoment gemäß der Stärke der rückwärtigen Pedalbewegung (erfasst durch den Betrag des Drehmoments und/oder der Drehzahl des Pedalantriebs) erhöht wird.
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Da diese Abhängigkeit dem Verhalten eines üblichen mechanischen Drehmoments entspricht, ergibt sich bei dieser ersten Variante für den Fahrer ein gewohntes Verhalten. Bei erfassten rückwärts gerichteten Pedalbewegungen, deren Stärke unter einem Mindestschwellwert liegt, kann zunächst nur der Antrieb abgeschaltet werden, und beim Überschreiten des Mindestschwellwerts kann zusätzlich ein Bremsdrehmoment durch die elektrische Maschine erzeugt werden, dessen Stärke zumindest stückweise monoton steigend von der Betätigungsstärke des Pedals abhängt. Eine entsprechende Steuerungsvorrichtung kann diese Variante umsetzen durch eine Abbildungseinrichtung, beispielsweise ein Proportionalitätsglied, das gegebenenfalls mit einer Begrenzung versehen ist, und das eingerichtet ist, ein Ansteuersignal für die elektrische Bremse bzw. die elektrische Maschine vorzusehen, das linear oder proportional zu dem erfassten Betrag ist (soweit dieser unter eine Grenze liegt, die dem Maximalbremsdrehmoment entspricht), und das maximal aufgrund des Begrenzers ein Bremssignal abgibt, das einem Maximalbremsdrehmoment entspricht. Ein Mindestschwellwertvergleicher der Schaltung kann erfassen, ob die Pedalbetätigungsstärke über einem vorgegebenen Mindestschwellwert ist, um erst bei überschrittenem Mindestschwellwert die elektrische Maschine zum Erzeugen eines Bremsdrehmoments durch Abgabe eines Bremssignals zu veranlassen, und bei einer Pedalbetätigungsstärke über Null, jedoch nicht über dem Mindestschwellwert, nur ein Abschaltsignal zu erzeugen. Die Realisierung kann durch logische, festverdrahtete Schaltungen vorgesehen sein oder vorzugsweise durch einen programmierbaren Schaltkreis, auf dem ein Programm abläuft, das diese Verfahrensweise anhand von Rechenregeln implementiert.
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Eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, das Bremsdrehmoment stufenweise zu erhöhen, wobei bei jedem Auftreten einer rückwärtigen Pedalbewegung (entspricht dem Auftreten eines negativen Vorzeichens des Drehmoments des Pedalantriebs und/oder der Drehzahl des Pedalantriebs) eine nächsthöhere Stufe des Bremsdrehmoments eingestellt wird. Als erste Stufe kann das Abschalten des Antriebs vorgesehen sein, um das Elektrofahrrad durch mechanische Widerstände (Reibung etc.) abzubremsen. Die jeweilige Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen kann konstant sein oder kann sich nach der Stärke der rückwärtigen Pedalbewegung richten. Im letzteren Fall wird hier die Erhöhung von Stufe zu Stufe so bemessen, wie in der oben dargestellten ersten Variante das Bremsdrehmoment bemessen wird. Wenn eine vorwärtsgerichtete Pedalbewegung erfasst wird, dann wird die Stufe, d. h. das Bremsdrehmoment, auf null zurückgestellt. Eine entsprechende Steuerungsvorrichtung kann diese Variante umsetzen durch einen mit dem Vorzeichendetektor verbundenen Zähler, wobei die Steuerungsvorrichtung ein Abschaltsignal oder ein Bremssignal abgibt, dessen Stärke dem Wert des Zählers entspricht oder von diesem abgeleitet wird, wobei beim ersten Auftreten, d. h. ersten Erhöhen des Zählers, das Abschaltsignal vorgesehen wird, und bei darauffolgendem Auftreten das Bremssignal (gemäß Zählerwert) vorgesehen wird.
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Zum Erzeugen des Bremssignals kann die Vorrichtung einen Signalgenerator umfassen, der eingerichtet ist, gemäß einer vorgegebenen Kennlinie den Wert des Zählers in eine Bremssignalstärke umzuwandeln. Die Kennlinie gibt ein zumindest stückweise monoton steigendes Verhältnis zwischen Zähler und Bremssignalstärke an, wobei die Kennlinie auch durch eine diskrete Zuordnung von Zählerwerten und wertdiskreten Bremssignalstärken vorgesehen sein kann, die beispielsweise mittels eines Programms und zugehörigem programmierbaren Schaltkreis realisiert ist. Für einen höheren Zählerwert wird von der Steuervorrichtung eine höhere Bremssignalstärke ausgewählt, als für einen niedrigeren Zählerwert.
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Eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, die Höhe des Bremsdrehmoments gemäß der erfassten Dauer der rückwärtigen Pedalbewegung einzustellen, wobei das Bremsdrehmoment monoton steigend von einer Dauer abhängt, für die die rückwärtige Pedalbewegung (erfasst anhand eines negativen Vorzeichens des Drehmoments des Pedalantriebs und/oder der Drehzahl des Pedalantriebs) auftritt. Diese Variante lässt sich insbesondere mit der zweiten Variante kombinieren, wobei das Bremsdrehmoment innerhalb einer Stufe mit zunehmender Dauer der rückwärtigen Pedalbewegung ansteigt. Bei der dritten Variante wird vorzugsweise bei erfassten Zeitdauern, die nicht über einer Mindestdauer liegen, zunächst als „nullte Bremsstufe” der Antrieb abgeschaltet, und erst bei Zeitdauern, die über der Mindestdauer liegen, ein aktives Bremsdrehmoment mittels der elektrischen Maschine erzeugt. Eine entsprechende Steuerungsvorrichtung kann diese Variante umsetzen durch eine mit dem Vorzeichendetektor verbundene Zeitdauerfassung, beispielsweise ein Timer oder eine Taktquelle in Kombination mit einem Zähler. Die Zeitdauererfassung erfasst die Zeitdauer des Auftretens des negativen Vorzeichens, beispielsweise durch Triggern des Timers zu Beginn der Zeiterfassung und durch Beenden der Zeiterfassung, wenn die erfasste Größe (Pedaldrehmoment, Pedaldrehzahl oder eine Kombination hiervon) null oder positiv wird. Dadurch ist die Steuerungsvorrichtung eingerichtet, die Höhe des Bremssignals ansteigend mit der erfassten Zeitdauer vorzusehen.
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In einer vierten Variante der Erfindung wird die rückwärts gerichtete Pedalbewegung in eine Rückwärtsdrehung des elektrischen Antriebs (vorzugsweise bei Hinterradantrieb) umgewandelt. Diese Funktion wird vorzugsweise nur dann aktiviert, wenn sich das Rad zuvor im Stillstand befunden hat, bzw. vollständig abgebremst worden ist. Hier kann über die Elektronik eine beliebige Übersetzung zwischen Pedalbewegung und Rückwärtsdrehung des Hinterrads eingestellt werden. Wie bei der Vorwärtsbewegung des Rads kann die Motorleistung durch die Parameter Drehmoment und Drehzahl geregelt werden.
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In einer fünften Variante der Erfindung kann die Rückwärtsbewegung des Pedals selbst zum Betrieb des Motors im generatorischen Modus verwendet werden. In diesem Fall wird die Muskelkraft des Fahrers zum Aufladen des Akkumulators verwendet. Auch hier wird erfindungsgemäß die Rückwärtsbewegung der Pedale erkannt, um in den Generatormodus zu wechseln.
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Je länger der Rücktritt ausgeführt wird, desto stärker ist die elektrische Bremse bzw. die Rekuperation. Ein Mindestdauervergleicher ist eingerichtet, die erfasste Zeitdauer des Betätigens mit einer vorgegebenen Mindestdauer zu vergleichen, und erst bei Überschreiten der Mindestdauer ein Bremssignal an den elektrischen Antrieb abzugeben, wobei bei einer Betätigung, deren Dauer nicht über der Mindestdauer liegt, lediglich ein Abschaltsignal vorgesehen wird, das den angeschlossenen elektrischen Antrieb beendet.
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Die Erfindung wird ferner vorgesehen durch eine Energieversorgungsvorrichtung, die die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung und einem Akkumulator umfasst. Die Energieversorgungsvorrichtung umfasst eine Leistungsschaltung, die mit dem Vorzeichendetektor direkt oder indirekt verbunden ist. Die Energieversorgungsvorrichtung ist eingerichtet ist, bei Auftreten eines Bremssignals elektrische Energie von einem Motoranschluss der Energieversorgungsvorrichtung an den Akkumulator zu leiten. Die Energieversorgungsvorrichtung kann einer Energieversorgungsvorrichtung entsprechen, die auch in einem Unterstützungsmodus elektrische Energie Akkumulator an den Motoranschluss leiten kann, um einen Energiefluß in beide Richtungen (zur Rekuperation und zum Antrieb des Elektrofahrrads) zu ermöglichen. Die Energieversorgungsvorrichtung kann somit nur zur Übertragung von Energie von dem Motoranschluss an den Akkumulator geeignet sein, wobei eine weitere Einrichtung im Unterstützungsbetrieb die Energieübertragung in umgekehrter Richtung vorsieht, oder kann vorzugsweise zur Übertragung der elektrischen Energie in beide Richtungen vorgesehen sein. Die Energieversorgungsvorrichtung kann Leistungshalbleiter umfassen, insbesondere MOSFETs, die schaltbar sind, und die durch Ihren steuerbaren ON-Zustand bzw. über eine Pulsweitenmodulation in steuerbarer Weise Strom leiten.
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Die Erfindung wird ferner vorgesehen von einem elektrischen Antriebsstrang zum Antrieb eines Elektrofahrrads, wobei der elektrischer Antriebsstrang die erfindungsgemäße Energieversorgungsvorrichtung sowie eine elektrische Maschine umfasst, die mit dem Motoranschluss verbunden ist Die elektrische Maschine ist geeignet, an einen Abtrieb des Elektrofahrrads leistungsübertragend montiert zu werden. Die elektrische Maschine kann so, wenn Sie an dem Abtrieb montiert ist, mechanische Energie (genauer: Rotationsenergie, die von der Fortbewegung des Elektrofahrrads stammt) vom Abtrieb umwandeln und in Form elektrischer Energie an den Akkumulator der Energieversorgungsvorrichtung übertragen. In gleicher Weise ist der Antriebsstrang (insbesondere die elektrische Maschine) eingerichtet, elektrische Energie von dem Akkumulator umzuwandeln und in Form mechanischer Energie an den Abtrieb zu übertragen, um die Fortbewegung des Elektrofahrrads zu unterstützen. Als elektrische Maschine wird vorzugsweise eine Gleichstrommaschine verwendet, die als Generator und als elektrischer Antrieb verwendet wird.
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Das Drehmoment der Gleichstrommaschine, d. h. das Bremsdrehmoment (und das Antriebsmoment) kann durch Einstellen des Erregerstroms gesteuert werden, wenn die Gleichstrommaschine selbsterregt oder fremderregt ist. Die Gleichstrommaschine kann eine selbsterregte oder fremderregte Gleichstrommaschine sein, deren Betriebsparameter unter anderem durch den Erregerstrom eingestellt werden, oder kann eine permanenterregte Gleichstrommaschine sein.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Diagramm zur Darstellung der Wirkungsweise einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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2 eine Ausführung der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung.
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Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Zeitverlaufsdiagramm, das die Leistung des Elektroantriebs P mit der Kurve 10, den Verlauf des Drehmoments M, mit dem der Pedalantrieb beaufschlagt ist, mit der Kurve 20, und die Drehzahl N des Pedalantriebs, die anhand zeitdiskreter Werte erfasst ist, mit der Kurve 30. Die Leistung des Pedalantriebs P entspricht näherungsweise der elektrischen Leistung, die zur elektrischen Maschine geleitet wird bzw. von dieser erzeugt wird. Die im Diagramm dargestellten Größen sind positiv im Sinne eines unterstützenden Antriebs dargestellt. Da jedoch die Erzeugung eines Bremsdrehmoments und negative Drehzahlen und Drehmomente im Fokus der Erfindung stehen, werden die negative Entwicklung und Bezugnahmen zu Schwellwerten im Folgenden mit umgekehrtem Vorzeichen betrachtet, d. h. eine Unterschreitung eines Schwellwerts durch negative Werte wird als Überschreitung durch Werte betrachtet, die sich auf eine rückwärtsgerichtete Pedalbewegung beziehen, und abnehmende, negative Größen werden als zunehmende Größen beschrieben, das sie sich auf eine rückwärtsgerichtete Pedalbewegung beziehen.
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Bis zum Zeitpunkt t1 sind die Werte des Drehmoments M und der Drehzahl N positiv, weshalb kein Bremsmoment erzeugt wird, sondern eine positive Unterstützungsleistung P erzeugt wird, um die Fortbewegung des Fahrzeugs zu unterstützen. Bis zum Zeitpunkt t1 lässt die Pedalbetätigung nach, ist jedoch positiv.
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In einer kurzen Zeitperiode, die sich t1 anschließt, findet keine wesentliche Pedalbetätigung statt, wobei Drehmoment M und Drehzahl N leicht negativ sind, d. h. unter einer Drehmoments- bzw. Drehzahlschwelle 40, die einem Mindestschwellwert entspricht. Erfindungsgemäß wird dadurch zunächst die Leistung P des Elektroantriebs auf null gesetzt, d. h. der elektrische Antrieb abgeschaltet. Nach dem Zeitpunkt t2 überschreiten die Drehmoment M und Drehzahl N die Schwelle 40, so dass die Antriebsleistung P erhöht wird gemäß dem Ansteigen einer Kombination von Drehzahl N und Drehmoment, beispielsweise einem Produkt von N und M. Zum Zeitpunkt t3 wird eine maximale negative Antriebsleistung P erreicht, so dass trotz zunehmender Drehzahl N und zunehmendem Drehmoment M die durch die negative Antriebsleistung P hervorgerufene Bremswirkung nicht weiter erhöht wird.
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Zum Zeitpunkt t4 endet die negative Pedalbewegung, d. h. N und M sind nicht mehr negativ. Dadurch wird die Erzeugung der negativen Leistung P beendet. Wenn danach N und/oder M einen positiven Schwellwert (nicht dargestellt) überschreiten, so wird die (positive) Antriebsleistung erhöht bzw. der Antrieb wird im Unterstützungsmodus angeschaltet (nicht dargestellt).
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Da die Leistung P zwischen den Zeitpunkten t2 und t4 negativ ist, wird die kinetische Energie rekuperiert, d. h. die elektrische Maschine erzeugt eine elektrische Leistung P, die in dem Akkumulator zur Speicherung zugeführt wird.
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Grundsätzlich kann die Erfassung, ob Drehmoment und/oder Drehzahl des Pedalantriebs negativ sind, ein Offset umfassen, so dass unerwünschte, minimale Unterschreitungen des Werts Null nicht tatsächlich als negative Größen erfasst werden. Es kann daher ein (positiver) Empfindlichkeitsoffset vorgesehen sein, der zu den Größen addiert wird, bevor deren Vorzeichen erfasst wird. In gleicher Weise kann ein (negativer) Empfindlichkeitsoffset vorgesehen sein, mit dem die Größen verglichen werden, anstatt mit einem Wert von Null. Dadurch werden minimale negative Abweichungen der Größen nicht als negatives Vorzeichen gewertet, sondern nur negative Werte, die einen Mindestbetrag aufweisen.
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In der 2 ist ein Blockschaltbild, das eine Ausführung der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung schematisch darstellt. Das Blockschaltbild zeigt eine erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung 100 mit einem zweigeteilten Sensoreingang 110, 112, der zum Anschluss an Sensoren 120, 122 (gestrichelt dargestellt) eingerichtet ist, die Drehmoment und Drehzahl des Pedalantriebs (nicht dargestellt) erfassen. Die Steuerungsvorrichtung 100 umfasst jeweils einen Vorzeichendetektor 130, 132 für jede mittels Sensor erfasste Größe. Die jeweiligen Ausgänge der Vorzeichendetektoren 130, 132 sind mit einer Auswerteschaltung 140 verbunden, die in der Lage ist, die beiden Ausgänge der Vorzeichendetektoren 130, 132 zu kombinieren, beispielsweise durch eine AND-Verknüpfung, und an einem Ausgang 150 der Steuerungsvorrichtung 100 ein Signal auszugeben, das den Fahrmodus bzw. Bremsmodus wiedergibt.
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Der Ausgang 150 ist an eine Energieüberleitungseinrichtung 160 anschließbar, die im Rekuperationsmodus den Fluss elektrischer Energie zwischen einem Energieabgabeanschluss 170 und einem Energieeingabeanschluss 180 ermöglicht. Eine Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Energieüberleitungseinrichtung 160, der Energieabgabeanschluss 170 und der Energieeingabeanschluss 180 Teil der Steuerungsvorrichtung 100 sind. Der Energieabgabeanschluss 170 ist an einen Akkumulator 190 anschließbar und der Energieeingabeanschluss 180 ist an eine elektrische Maschine 200 anschließbar, die je nach Betriebsmodus als elektrischer Antrieb oder als elektrische Bremse bzw. als Generator arbeitet.
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Weitere Ausführungsformen können vorsehen, dass das Sensorsignal vorgefiltert wird, bsp. durch Entprellen bzw. Tiefpassfiltern. Es kann ferner als Filterung eine Störsignalunterdrückung vorgesehen sein, die negative Signalwerte mit einem Betrag unter einer vorgegebenenen Signifikanzschwelle auf Null setzt, um Ansteuerungen aufgrund von Rauschen oder nicht signifikanten Signalen zu unterdrücken. Derartige Filterungen können in der Steuerungsvorrichtung oder in dem (mindestens einen) Vorzeichendetektor integriert sein.
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Als erfindungsgemäße Energieversorgungsvorrichtung kann eine Kombination von Steuerungsvorrichtung 100, Energieüberleitungseinrichtung 160 und Akkumulator 190 angesehen werden, wobei die Energieüberleitungseinrichtung 160 elektrische Energie in beide Richtungen zwischen Energieabgabeanschluss 170 und Energieeingabeanschluss 180 übertragen kann. Hierbei dient die Energieüberleitungseinrichtung 160, wenn elektrische Energie von Energieeingabeanschluss 180 an Energieabgabeanschluss 170 übertragen wird, als elektrische Bremse, in funktioneller Kombination mit der anschließbaren elektrischen Maschine 200.
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Als erfindungsgemäßer Antriebsstrang kann eine Kombination von Steuerungsvorrichtung 100, Energieüberleitungseinrichtung 160, Akkumulator 190 und elektrische Maschine 200 angesehen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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