DE102010028645A1 - Method for operation of electric brake of electric bicycle, involves detecting drive torque and rotational speed of pedal drive of electric bicycle, where braking torque is generated via electric brake - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
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.The invention relates to the field of electric bicycles, in particular to methods for braking electric bicycles. There are electric bicycles known in the art, which, like conventional bicycles, have mechanical brakes, wherein a mechanical braking force is exerted by the driver himself, which is converted into a braking torque. Therefore, as with conventional bicycles, drum, disc and shoe brakes are known as mechanical brake devices.
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
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
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.At present, no realizations of a conventional coaster brake for bicycles with mid-engine or rear-wheel drive are known. The combination of these drive concepts with a coaster brake requires a very fast shutdown of el. Drive to prevent braking delays that the engine drives the chain in the forward direction, while the driver applies force in the opposite direction. Furthermore, the mechanical braking deceleration should not be affected by a running after the el. Motor.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Steuerungsvorrichtung vorzusehen, mit der eine elektrisch wirkende Bremse präzise angesteuert werden kann.It is therefore an object of the invention to provide a method and a control device with which an electrically acting brake can be controlled precisely.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtungen der unabhängigen Ansprüche.This object is achieved by the method and the devices of the independent claims.
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.The concept underlying the invention is to use the pedal operation performed by the driver to set a desired recuperation mode or an electric brake or the drive mode. As a pedal operation, a backward movement or a pedal torque and / or a pedal speed of the pedals is considered contrary to the usual pedal drive direction, as they occur during braking operations of a conventional coaster brake of a bicycle. By a backward movement of the pedal thus braking by electrical means (electric braking, recuperation), braking by mechanical means (coaster brake) or both can be performed, preferably upon detection of a backward pedal movement, first an electric drive of the electric vehicle is turned off before this Drive is operated as an electric brake to enhance the braking effect. The immediate shutdown of the engine is a necessary condition for combining the invention with a conventional coaster brake, since any delay has a negative impact on the stopping distance of the vehicle. By placing the sensors on the bottom bracket these delays can be minimized. Furthermore, the signals of the sensors can be detected with sufficient resolution and sampling rate, which according to the invention clearly detect the direction of rotation with minimum delay (<200 ms).
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. The invention can be implemented with existing sensor equipment of an electric bicycle, so that no significant mechanical interventions are necessary to retrofit an existing electric bike. Likewise, no significant redesigns of existing mechanical designs are necessary. Furthermore, the invention makes it possible to use a conventional coaster brake in conjunction with an electric drive in the rear wheel or as a mid-engine. The invention enables a minimum delay between the driver's request (stepping backward) and the system response that can not be achieved with prior art designs.
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.In the context of the invention, electric braking is defined as the generation of a braking torque by means of an electric machine (usually identical to the electric drive of the electric bicycle), which is connected to an electrical load. If the load is provided as an accumulator which stores the electric energy resulting from the mechanical braking torque by current flow of a charging current from the electric machine to the accumulator, then the braking by recuperation is carried out. The stopping of the drive may be considered as a pre-stage or zero-stage braking, depending on the magnitude of the rearward pedal movement, setting this zeroth stage as the least driving mode change with little backward pedaling, and the braking (boosting) will be added when the rearward Pedal movement is stronger (will). The shutdown (zeroth stage) is particularly important in combination with a conventional coaster brake, as the running of the engine is a counterforce to the withdrawal movement and thus disturbing the driver and also delays the braking process.
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.To detect the rearward pedal movement, a torque of a pedal drive, a speed of a pedal drive or preferably both are detected. In particular, the direction of rotation of the torque or the rotational speed is detected, d. H. the sign of these sizes. If both speed and torque are detected, then immediately the reverse pedal movement can be detected. If only one of these quantities (speed and torque of the pedal drive) is used to determine the backward pedal movement, a delay may occur, as the appropriate amount is observed over a time window to safely detect unique states of motion.
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.The invention is particularly suitable for being combined with mechanical brakes. Therefore, preferably, the electric braking is combined with an operation of a mechanical brake, in particular a coaster brake. This results in a combined braking torque. Since the inventive operation of an electric brake is performed in the same manner as the operation of a coaster brake, there is no change for the operator; The operation is intuitive for drivers who expect a common behavior of coaster brakes. Since the operation is done via the pedals, both hands can remain on the handlebars and optimal driving safety when braking can be guaranteed. Preferably, the electric drive is first turned off when a rearward pedal movement is detected before a stronger, longer-lasting or renewed pedal movement leads to braking by means of the electric brake.
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.In the next stage (i.e., following the step of stopping the electric drive), the electric brake may be supplemented by a mechanical brake. Depending on the driver's request (torque, speed of the crank), the braking process is supported by the mechanical brake.
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.The invention therefore relates to a method for actuating an electric brake of an electric bicycle, in which a torque of a pedal drive of the electric bicycle, a speed of the pedal drive or both variables (the torque and the rotational speed) are detected. The sign of the torque, the speed or both variables is determined. This determination corresponds to the determination of the direction of rotation of the pedal drive. A braking torque is generated by the electric brake or, as a preliminary measure, the electric drive is turned off when the sign of the torque, the speed or both sizes is negative. In other words, a braking torque is generated by means of the electric brake when a reverse rotational movement of the pedal drive (i.e., contrary to the usual drive direction of the pedal drive) is detected as a rotation direction, or the electric drive of the electric bicycle is turned off. In multiple or increasing execution of a reverse pedal movement this is detected on the basis of the negative sign and possibly the amount of torque / speed and it is, after stopping the drive, a braking torque generated with the number and / or the strength of the actuation processes can be increased. According to a corresponding view, the shutdown of the drive is considered as the first, lowest level of generating a brake torque. In this case, mechanical resistances can be regarded as generated brake torques, which are at least partially compensated by the electric drive when the drive is switched on.
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. Forward movement of the pedal allows the braking conditions to be abandoned and returned to the driving mode. The invention allows an intuitive change of driving conditions, solely on pedal movements. The change of states can be repeated at any time in an identical way.
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.According to one aspect of the invention, this is designed as a control device which is designed for carrying out the method according to the invention. The invention therefore further relates to a control device for actuating an electric brake of an electric bicycle. The control device comprises a sensor input, configured to receive a torque signal of a torque sensor of a pedal drive of the bicycle, a speed signal of a speed sensor of the pedal drive, or both signals. For detecting a backward rotary motion, the control device further comprises a sign detector connected to the sensor input which detects negative signs of the input sensor signal or input sensor signals and which is arranged to apply a brake signal upon occurrence of a negative sign (ie, a detected backward rotary motion) Brake signal be provided preceding shutdown signal. The sensor input can be viewed as an analog or digital input, depending on the type of signal that the connectable sensors deliver.
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.If torque and speed are determined in the method according to the invention, then these (in particular their signs) are connected to each other according to a logical AND operation. If the torque gives a reverse rotational movement and the rotational speed a reverse rotational movement, a braking torque is generated by means of the electric brake. The control device can for this purpose comprise a hard-wired logic circuit or, preferably, a program-controlled processor or microcontroller, which provides the AND operation and the sign detection of the signals. If a sensor as a signal already indicates the sign of the torque or the speed individually, for example at a bit position of the sensor signal or at an individual connection, then the sign is detected only by forwarding or separating this signal; the sign detector of the controller is then provided by an individual line, storage location, or by an individual port.
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.A preferred embodiment of the method according to the invention provides that the braking torque is generated by an electric machine. This electric machine thus provides the electric brake. This electric machine converts the kinetic energy of the electric bicycle into electrical energy according to the generator principle. This electrical energy is stored at least in part in an accumulator and thus recuperated. The electric machine also forms an electric drive of the electric bicycle, which takes in the backup mode electrical energy from the accumulator and supports the drive of the bicycle as an electric motor. The recuperation recovers electrical energy, which is stored in the accumulator and can be retrieved later. A recuperation is provided only when an additional braking torque is generated by the electric machine, and not when only the electric drive is turned off.
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.A control device according to the invention, which is equally capable of recovering electrical energy, has an electrical energy release port and an electrical energy input port. The electric power output terminal is suitable for connection to an accumulator, and the electrical power input terminal is suitable for connection to an electric machine. This allows a transfer of electrical energy to the accumulator via the control device according to the invention. The control device comprises, for this purpose, a energy transfer device, which connects the energy release connection to the energy input connection, and which is configured to controllably conduct electrical energy from the energy input connection to the energy release connection by the brake signal. Such a controllable energy transfer device can be provided by means of high-power switches, for example power semiconductors such as power MOFETs or other power transistors, or else by a relay.
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.Further embodiments of the method relate to the adjustment of the brake torque as a function of the rearward pedal movement. Starting from a detected rearward pedal movement, according to a first variant of the method according to the invention, the magnitude of the braking torque (exerted by the electric brake) in a monotonous or strictly monotonous dependence on the strength, i. H. increased by the amount of torque of the pedal drive, the speed of the pedal drive or both sizes. With increasing strength of the rearward rotational movement, the braking torque is increased. For example, an at least piecewise linear dependency may be provided, according to which the brake torque is increased according to the magnitude of the rear pedal movement (detected by the amount of torque and / or the speed of the pedal drive) until a maximum braking torque is reached.
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. Since this dependency corresponds to the behavior of a customary mechanical torque, this driver is familiar with this first variant. When detected rearward pedal movements whose strength is below a minimum threshold, initially only the drive can be turned off, and when the minimum threshold is exceeded, a braking torque can be generated by the electric machine, the strength depends at least piecewise monotonically increasing on the operating force of the pedal. A corresponding control device can implement this variant by an imaging device, for example, a proportional element, which is optionally provided with a limit, and which is adapted to provide a drive signal for the electric brake or the electric machine, which is linear or proportional to the detected amount (As far as this is below a limit corresponding to the maximum braking torque), and the maximum due to the limiter emits a brake signal corresponding to a maximum braking torque. A minimum threshold comparator of the circuit may detect whether the pedal actuation force is above a predetermined minimum threshold to cause the electric machine to generate braking torque by delivering a brake signal only when the minimum threshold is exceeded and only one at a pedal actuation level above zero but not above the minimum threshold To generate shutdown signal. The realization may be provided by logic, hard-wired circuits or preferably by a programmable circuit on which runs a program that implements this procedure on the basis of calculation rules.
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.A second variant of the method according to the invention provides to increase the braking torque gradually, wherein at each occurrence of a rearward pedal movement (corresponding to the occurrence of a negative sign of the torque of the pedal drive and / or the speed of the pedal drive), a next higher level of the braking torque is set. As the first stage, the shutdown of the drive may be provided to brake the electric bicycle by mechanical resistance (friction, etc.). The respective difference between two successive stages may be constant or may be governed by the magnitude of the rear pedal movement. In the latter case, the increase from stage to stage is here dimensioned in the same way as the brake torque is measured in the first variant presented above. If a forward pedal motion is detected, then the step, i. H. the brake torque, reset to zero. A corresponding control device can implement this variant by means of a counter connected to the sign detector, wherein the control device emits a switch-off signal or a brake signal whose magnitude corresponds to or is derived from the value of the counter, wherein at the first occurrence, i. H. first incrementing the counter, the shutdown signal is provided, and upon subsequent occurrence, the brake signal (according to counter value) is provided.
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.To generate the brake signal, the device may comprise a signal generator which is set up to convert the value of the counter into a brake signal strength according to a predetermined characteristic curve. The characteristic indicates an at least piecewise monotonically increasing ratio between counter and brake signal strength, wherein the characteristic can also be provided by a discrete assignment of counter values and discrete brake signal strengths, which is realized for example by means of a program and associated programmable circuit. For a higher counter value, a higher brake signal strength is selected by the control device than for a lower counter value.
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.A third variant of the method according to the invention provides to adjust the amount of braking torque according to the detected duration of the rearward pedal movement, wherein the braking torque increases monotonically depending on a duration for which the rearward pedal movement (detected by a negative sign of the torque of the pedal drive and / or the speed of the pedal drive) occurs. This variant can be combined in particular with the second variant, wherein the braking torque increases within a stage with increasing duration of the rearward pedal movement. In the third variant, the drive is preferably switched off as "zero braking stage" at detected periods of time which are not above a minimum duration, and an active braking torque is generated by means of the electric machine only for periods which are longer than the minimum duration. A corresponding control device can implement this variant by means of a time duration detection connected to the sign detector, for example a timer or a clock source in combination with a counter. The duration detection detects the period of occurrence of the negative sign, for example, by triggering the timer at the beginning of the time detection and ending the time detection when the detected quantity (pedal torque, pedal speed or a combination thereof) becomes zero or positive. As a result, the control device is set up to provide the amount of the braking signal increasing with the detected time duration.
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.In a fourth variant of the invention, the rearward pedal movement in a reverse rotation of the electric drive ( preferably with rear-wheel drive) converted. This function is preferably activated only when the wheel was previously at a standstill, or has been completely decelerated. Here can be set via the electronics any translation between pedal movement and reverse rotation of the rear wheel. As with the forward movement of the wheel, the engine power can be controlled by the torque and speed parameters.
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.In a fifth variant of the invention, the backward movement of the pedal itself can be used to operate the motor in regenerative mode. In this case, the driver's muscle power is used to charge the battery. Again, the backward movement of the pedals is detected according to the invention to switch to the generator mode.
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.The longer the resignation is carried out, the stronger the electric brake or the recuperation. A minimum duration comparator is set up to compare the detected duration of the actuation with a predetermined minimum duration, and to deliver a brake signal to the electric drive only when the minimum duration is exceeded, with an actuation whose duration does not exceed the minimum duration, only a shutdown signal is provided, that ends the connected electric drive.
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.The invention is further provided by a power supply device comprising the control device according to the invention and an accumulator. The power supply device includes a power circuit that is directly or indirectly connected to the sign detector. The power supply device is configured to conduct electrical energy from a motor terminal of the power supply device to the rechargeable battery when a brake signal occurs. The power supply device may correspond to a power supply device, which may also, in an assist mode, conduct electrical energy accumulator to the motor connection to allow for energy flow in both directions (for recuperation and for driving the electric bicycle). The power supply device may thus be suitable only for the transmission of energy from the motor connection to the accumulator, wherein another device in support mode provides the energy transfer in the reverse direction, or may preferably be provided for transmitting the electrical energy in both directions. The power supply device may comprise power semiconductors, in particular MOSFETs which are switchable, and which conduct electricity in a controllable manner through their controllable ON state or via pulse width modulation.
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.The invention is further provided by an electric drive train for driving an electric bicycle, wherein the electric drive train comprises the energy supply device according to the invention and an electric machine which is connected to the motor terminal. The electric machine is adapted to be mounted to transmit power to an output of the electric bicycle. Thus, when mounted on the output, the electric machine can convert mechanical energy (more specifically, rotational energy originating in locomotion of the electric bicycle) from the output and transmit it in the form of electrical energy to the accumulator of the power supply device. Likewise, the powertrain (especially the electric machine) is configured to convert electrical energy from the accumulator and transfer it to the output in the form of mechanical energy to assist locomotion of the electric bicycle. As an electric machine, a DC machine is preferably used, which is used as a generator and as an electric drive.
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.The torque of the DC machine, d. H. the brake torque (and the drive torque) can be controlled by adjusting the excitation current when the DC machine is self-excited or externally excited. The DC machine may be a self-excited or externally-excited DC machine, whose operating parameters are adjusted inter alia by the excitation current, or may be a permanent-magnet DC machine.
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the figures and are explained in more detail in the following description.
Es zeigen:Show it:
Ausführungsbeispieleembodiments
In
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.Until the time t1, the values of the torque M and the rotational speed N are positive, therefore, no braking torque is generated, but a positive assist power P is generated to assist the traveling of the vehicle. Until the time t1, the pedal operation decreases, but is positive.
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
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).At time t4, the negative pedal movement ends, d. H. N and M are no longer negative. Thereby, the generation of the negative power P is ended. Thereafter, when N and / or M exceed a positive threshold (not shown), the (positive) drive power is increased or the drive is turned on in the assist mode (not shown).
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.Since the power P between times t2 and t4 is negative, the kinetic energy is recuperated, i. H. the electric machine generates an electric power P which is supplied in the accumulator for storage.
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.In principle, the detection as to whether the torque and / or the rotational speed of the pedal drive are negative can include an offset so that undesired, minimum undershoots of the value zero are not actually detected as negative quantities. Therefore, a (positive) sensitivity offset can be provided, which is added to the variables before their sign is detected. Similarly, a (negative) sensitivity offset may be provided to which the quantities are compared rather than a value of zero. As a result, minimum negative deviations of the variables are not considered to be negative signs, but only negative values that have a minimum amount.
In der
Der Ausgang
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.Other embodiments may provide that the sensor signal is pre-filtered, eg. by debouncing or low-pass filtering. There may further be provided as filtering noise suppression which sets negative signal values to an amount below a predetermined significance threshold to zero to suppress drives due to noise or non-significant signals. Such filtering may be integrated in the control device or in the (at least one) sign detector.
Als erfindungsgemäße Energieversorgungsvorrichtung kann eine Kombination von Steuerungsvorrichtung
Als erfindungsgemäßer Antriebsstrang kann eine Kombination von Steuerungsvorrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- WO 08/138320 [0002] WO 08/138320 [0002]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20080707/154398/ [0003] http://techon.nikkeibp.co.jp/english/NEWS_EN/20080707/154398/ [0003]
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