DE102011001095A1

DE102011001095A1 - Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb und mechanischer Bremse sowie Verfahren zum Betrieb desselben

Info

Publication number: DE102011001095A1
Application number: DE201110001095
Authority: DE
Inventors: Dirk Lappe; Matthias Eichin; Ulf Schlieben; Edmund Sander; Monika Bachert; Benjamin Reddingius
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Porsche eBike Performance GmbH
Priority date: 2010-04-11
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2011-10-13
Anticipated expiration: 2031-03-05
Also published as: DE102011001095B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb und mechanischer Bremse sowie ein Verfahren zum Betrieb desselben. Um die Verwendung der elektrischen Maschine als Generator zu verbessern ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass bei einem gattungsgemäßen Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb eine Sensoreinrichtung, die im Bremshebel vorgesehen ist, um eine vom Fahrer gewünschte Höhe einer Bremskraft zu erfassen, als Hallgeber ausgeführt ist. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, ein Schaltelement vorzusehen, das mit der Steuereinheit ist und über dessen Betätigung ein Haltemodus aktivierbar ist. Im Haltemodus wird an der als Generator betriebenen elektrischen Maschine die zum Zeitpunkt der Betätigung des Schaltelementes aktuell eingestellte Bremsleistung konstant eingestellt, auch wenn die Bremseinrichtung nicht weiter betätigt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb und mechanischer Bremse sowie ein Verfahren zum Betrieb desselben.
Elektrofahrräder sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt. Üblicherweise wird ein Fahrrad mit einem Elektromotor ausgestattet, um eine elektrische Antriebsstützung, beispielsweise bei Bergauffahrten, bei Gegenwind oder als Unterstützung beim Treten zu verwenden. Der Elektromotor wird dabei üblicherweise von einem Akku versorgt, welcher wiederaufladbar ist. Aufgrund technischer Fortschritte, insbesondere im Bereich der Akkus, konnten insbesondere das Gewicht und die Größe derartiger Fahrräder mit Elektromotor reduziert werden. Zum Bremsen weisen die bekannten Elektrofahrräder die bewährten mechanischen oder hydraulischen Bremsanlagen auf, welche z. B. als Felgenbremse oder Scheibenbremse für Vorder- und/oder Hinterräder vorgesehen sind. Eine Betätigung der bekannten Bremsen erfolgt dabei insbesondere über einen an einem Lenker befestigten Bremshebel.
Die DE 10 2007 051 559 A1 zeigt ein Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Fahrrads. Dabei ist das Fahrrad mit einer elektrischen Maschine als Elektromotor zum Antreiben des Fahrrads und als Generator zum Aufladen eines Akkus des Fahrrads versehen. Somit kann die elektrische Maschine auch zum Abbremsen des Fahrrads verwendet werden. Das Fahrrad umfasst ferner eine konventionelle Bremsanlage, z. B. mechanisch oder hydraulisch. Eine in einen Bremshebel oder eine Halterung für den Bremshebel der Handbremse integrierte Sensoreinrichtung erfasst eine vom Fahrer gewünschte Bremskraft. Eine Steuereinheit betreibt in Abhängigkeit vom Signal der Sensoreinrichtung die elektrische Maschine als Generator, so dass zumindest einen Teil der notwendigen Bremsleistung durch den Generatorbetrieb der elektrischen Maschine bereitgestellt wird. Die Sensoreinrichtung besteht aus einem Dehnungsmessstreifen zum Erfassen der Zugkraft am Bremshebel oder einem am Bowdenzug der Bremsanlage angeordneten Potentiometer zum Erfassen der Wegänderung des Bowdenzugs. Gemäß dem Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine des Fahrrads als Bremse teilt die Steuereinheit des Fahrrads einen Bremswunsch des Fahrrads dabei so auf, dass zunächst ausschließlich die elektrische Maschine als Generator betreibt betrieben wird, um einen Akku des Fahrrads aufzuladen und gleichzeitig um das Fahrrad abzubremsen. Wenn die durch den maximalen Ladestrom des Akkus vorgegebene Bremsleistungsgrenze der als Generator betriebenen elektrischen Maschine erreicht oder überschritten wird, wird zusätzlich die vorhandene konventionelle Bremsanlage des Fahrrads betätigt.
Um die Verwendung der elektrischen Maschine als Generator zu verbessern ist es gemäß der Erfindung vorgesehen, dass bei einem gattungsgemäßen Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb eine Sensoreinrichtung, die im Bremshebel vorgesehen ist, um eine vom Fahrer gewünschte Höhe einer Bremskraft zu erfassen, als Hallgeber ausgeführt ist. Von Vorteil ist hierbei, dass ein Hallgeber berührungslos arbeitet und keine bewegten Teile aufweist, so dass eine derartige Sensoreinrichtung unempfindlich gegen Witterungseinflüsse aufgebaut werden kann und im Übrigen auch verschleißfrei ist. Der Hallsensor des Hallgebers wird vorteilhaft an einer Halterung des Bremshebels angebracht, so dass die Führung eines Signalkabels zur Verbindung mit der Steuereinheit vereinfacht ist.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, ein Schaltelement vorzusehen, das mit der Steuereinheit verbunden ist und über dessen Betätigung ein Haltemodus aktivierbar ist. Im Haltemodus wird an der als Generator betriebenen elektrischen Maschine die zum Zeitpunkt der Betätigung des Schaltelementes aktuell eingestellte Bremsleistung konstant eingestellt, auch wenn die Bremseinrichtung nicht weiter betätigt wird. Dieser Haltemodus kann zum Beispiel verwendet werden, um bei Bergabfahrt eine konstante Geschwindigkeit einzustellen und gleichzeitig den Akku aufzuladen. Darüber hinaus kann der Haltemodus verwendet werden, um bei sonstige Fahrt, beispielsweise auf ebener Strecke, die Akkus aufzuladen, wobei die hierfür benötigte Arbeitsleistung dann durch den Fahrer aufgebracht werden muss.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
So wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit einen Ladestrom zum Laden des Akkus durch die als Generator betriebene elektrische Maschine auf einen vorbestimmten Wert begrenzt. Hierdurch wird eine Beschädigung des Akkus verhindert.
Ferner wird vorgeschlagen, dass bei einem Bremsvorgang die Steuereinheit eine Bremsung des Fahrrads derart ausführt, dass bis zu einem vorgegebenen Wert der Bremskraft eine Bremsleistung ausschließlich mittels der als Generator betriebenen elektrischen Maschine erzeugt wird. Erst wenn dieser vorgegebene Wert überschritten wird, wird die konventionelle Bremsanlage mit hinzugezogen, so dass diese vor unnötigem Verschleiß geschützt ist, da immer zuerst die elektrische Maschine als Bremse verwendet wird.
Durch die Erfindung kann die Reichweite eines Fahrrads mit Hilfsantrieb deutlich verlängert werden, da nicht nur die beim Bremsen erzeugte Energie, sondern auch die Leistung des Fahrers zum Wiederaufladen des Akkus des Fahrrads verwendet werden kann. Die Betätigung der Bremse ist unempfindlich gegenüber Verschmutzung und Verschleiß und die mechanischen oder hydraulischen Bauteile der Bremsanlage sind vor einem zu schnellen Verschleiß geschützt.
Die Erfindung ist nachstehend anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht eines Fahrrads gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Ansicht einer Handbremse mit einem Sensorelement, und
3 ein Diagramm, welches eine Verteilung der erzeugten Bremskraft auf die elektrische Maschine und eine konventionelle Bremsanlage des Fahrrads verdeutlicht.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Fahrrads 1 mit einer elektrischen Maschine 2 als Hilfsantrieb. Die elektrische Maschine 2 kann als Elektromotor und als Generator betrieben werden. Ferner umfasst das Fahrrad einen Akku 3, welcher mit der elektrischen Maschine 2 verbunden ist. Der Akku 3 dient zur Speicherung von elektrischer Energie, mit welcher die elektrische Maschine 2 als Elektromotor betrieben werden kann, um das Fahrrad ausschließlich oder zusätzlich zur Muskelkraft des Fahrers anzutreiben. Ferner umfasst das Fahrrad eine Steuereinheit 4, welche die elektrische Maschine 2 steuert bzw. regelt.
Über Pedale 12 kann ein Fahrer in bekannter Weise das Fahrrad 1 durch Muskelkraft antreiben. Wenn die Steuereinheit 4 entsprechend aktiviert ist wird die elektrische Maschine 2 als Elektromotor betrieben, welche das Fahrrad zusätzlich antreibt. Hierzu wird der Elektromotor über den Akku 3 mit Strom versorgt. Die Stromstärke, welche den Elektromotor versorgt, wird dabei durch die Steuereinheit 4 in Abhängigkeit von einem vom Fahrer gewünschten Zusatzantrieb gesteuert. Der Grad der hierdurch erzeugten Unterstützung kann vom Fahrer in der Steuereinheit 4 gewählt werden. Somit kann das Hinterrad 11 gleichzeitig durch Muskelkraft als auch durch Betreiben der elektrischen Maschine 2 als Elektromotor angetrieben werden.
Weiter umfasst das Fahrrad 1 eine als mechanische Bremse ausgeführte konventionelle Bremsanlage, die über eine Handbremse 6 am Lenker 7 betätigt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Bremsanlage aus zwei Felgenbremsen, die als Vorderradbremse 13 am Vorderrad 10 bzw. als Hinterradbremse 14 am Hinterrad 11 wirken. Für jede Bremse kann eine separate Handbremse 6 vorgesehen sein.
Es ist vorgesehen, dass während eines Bremsvorgangs die elektrische Maschine 2 als Generator betrieben werden kann, so dass der Akku 3 wieder aufgeladen werden und ferner eine Bremswirkung durch den Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 2 erreicht werden kann. Die kinetische Energie des Fahrrads in Form des sich drehenden Hinterrads 11 wird im Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 2 in Strom umgewandelt, wobei die Steuereinheit 4 dann den erzeugten Strom zum Aufladen des Akkus 3 verwendet. Hierzu ist, wie aus 2 ersichtlich, an der Handbremse 6 eine Sensoreinrichtung 5 angeordnet, die eine vom Fahrer gewünschte Bremskraft erfasst. Das Signal der Sensoreinrichtung 5 wird über ein Signalkabel 20 an die Steuereinheit 4 weitergeleitet.
Die Handbremse 6 besteht aus einem Bremshebel 8, der in einem am Lenker 7 befestigten Halterung 9 schwenkbar angeordnet ist. Ein Bowdenzug 15 ist mit dem Bremshebel 8 verbunden und führt zur Vorderradbremse 13 bzw. Hinterradbremse 14, so dass diese beim Verschwenken des Bremshebels 8 betätigt wird. Die zweite, hier nicht dargestellte Handbremse des Fahrrads ist dabei in gleicher Weise aufgebaut.
Die Sensoreinrichtung 5 ist als Hallsensor ausgeführt und besteht aus einem Hallgeber 21 und einem Magneten 22. Während der Hallgeber 21 in der Halterung 9 gehalten ist, ist der Magnet so im Bremshebel 8 angeordnet, dass er im unbetätigten Zustand der Handbremse 6 dem Hallgeber 21 direkt gegenübersteht. Durch Betätigen des Bremshebels 8 wird der Magnet 22 vom Hallgeber 21 entfernt und das Signal des Hallgebers 21 ändert sich entsprechend, so dass aus diesem Rückschlüsse auf die Betätigung des Bremshebels 8 und damit auf die gewünschte Bremskraft bzw. den Bremswunsch des Fahrers gezogen werden können.
Der Bremshebel 8 weist einen Leerweg auf, während dessen die Vorderradbremse 13 bzw. die Hinterradbremse 14 noch nicht betätigt wird.
Die Sensoreinrichtung 5 ist über das Signalkabel 20 mit der Steuereinheit 4 verbunden, wobei die Steuereinheit 4 in Abhängigkeit von dem Signal der Sensoreinrichtung 5 die elektrische Maschine 2 als Generator betreibt, sobald ein Bremswunsch des Fahrers erkannt wird. Die Sensoreinrichtung 5 erfasst dabei die Auslenkung des Bremshebels 8 einschließlich des Leerweges aus seiner Ruhestellung, so dass in Abhängigkeit vom Grad der Auslenkung auf eine Höhe des Bremswunsches, d. h. eine leichte oder eine starke Bremsung, geschlossen werden kann. Entsprechend steuert die Steuereinheit 4 die elektrische Maschine 2 feinstufig an.
Um Schäden an den Bauteilen des Akkus 3 zu vermeiden, begrenzt die Steuereinrichtung 4 dabei die Generatorleistung der elektrischen Maschine 2 und verbindet die elektrische Maschine 2, soweit der Akku 3 nicht mehr geladen werden soll, beispielsweise mit elektrischen Widerständen, an denen die durch die elektrische Maschine im Generatorbetrieb erzeugte Leistung in Wärme umgewandelt wird.
Somit kann erfindungsgemäß neben der Rückgewinnung von Energie beim Bremsen des Fahrrads 1 auch eine Reduzierung eines Verschleißes der mechanischen Bremsanlage erreicht werden.
In 3 ist ein typischer Bremsvorgang des Fahrrads als Diagramm der Bremskraft F über der Auslenkung A des Bremshebels 8 dargestellt. Zu Beginn der Bremsung im Punkt A0, d. h. dem Punkt, an dem der Fahrer beginnt, am Bremshebel 8 zu ziehen, wird zuerst ausschließlich mittels der als Generator betriebenen elektrischen Maschine 2 gebremst (durchgezogene Linie I). Hierbei steigt die Bremskraft feinstufig, nahezu linear bis zu einem Wert F1 an, welcher zu einem Punkt A1 erreicht wird. Wird der Bremshebel weiter gezogen, wird nach Durchschreiten des Leerweges zusätzlich noch mit der mechanischen Bremsung begonnen (gestrichelte Linie II). Die durch die mechanische Bremsanlage erzeugte Bremskraft steigt dabei linear an. Somit kann bei einer Addition der elektrischen Bremskraft (Linie I) und der mechanischen Bremskraft (Linie II) eine kontinuierliche lineare Bremskrafterzeugung mit konstanter Steigung verwirklicht werden, ohne dass dabei der Akku 3, beispielsweise durch einen zu hohen Strom, beschädigt werden kann.
Wie in 2 gezeigt ist an der Halterung 9 zusätzlich ein Taster 23 vorgesehen, der ebenfalls über das Signalkabel 20 mit der Steuereinheit 4 verbunden ist. Der Taster 23 ist so angeordnet dass ihn der Fahrer auch erreichen kann, während er den Bremshebel 8 betätigt.
Wenn die Steuereinheit 4 eine Betätigung des Tasters 23 erkennt, während die elektrische Maschine 2 als Generator betrieben wird, wechselt Sie in einen Haltemodus. In diesem Haltemodus wird die Bremskraft bzw. die von der elektrischen Maschine 2 abgenommene Leistung konstant auf dem aktuell geltenden, durch die Stellung des Bremshebels 8 vorgegebenen Niveau gehalten, auch wenn der Bremshebel 8 losgelassen wird uns in seine Ruheposition zurückkehrt. Der Haltemodus wird solange beibehalten, bis entweder der Taster 23 ein weiteres Mal betätigt wird, oder die Steuereinheit deaktiviert wird. In einer alternativen Ausgestaltung wird der Haltemodus auch verlassen, wenn der Bremshebel 8 deutlich über die Position hinaus betätigt wird, die der Bremshebel 8 beim Eintritt in den Haltemodus eingenommen hat, jedenfalls aber, wenn der Bremshebel 8 soweit betätigt wird, dass die mechanische Bremsanlage betätigt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007051559 A1 [0003]

Claims

Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb, umfassend – eine elektrische Maschine (2), welche als Elektromotor und als Generator betreibbar ist, – einen Akku (3) zur Speicherung elektrischer Energie, welcher mit der elektrischen Maschine (2) verbunden ist, – eine mechanische oder hydraulische Bremsanlage mit einem Bremshebel (8) zur Betätigung derselben, – eine Sensoreinrichtung (5), die in den Bremshebel (8), um eine vom Fahrer gewünschte Höhe einer Bremskraft zu erfassen, und – eine Steuereinheit (4), die ausgelegt ist, in Abhängigkeit vom Signal der Sensoreinrichtung (5) die elektrische Maschine (2) als Generator zu betreiben und zumindest einen Teil der notwendigen Bremsleistung durch den Generatorbetrieb der elektrischen Maschine (2) bereitzustellen und gleichzeitig den Akku wieder aufzuladen, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (5) ein Hallgeber (16) ist.
Fahrrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallgeber (16) aus einem Magneten und einem Hallsensor beseht, wobei der Hallsensor an einer Halterung (9) des Bremshebels angebracht ist.
Fahrrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltelement (23) vorgesehen ist, der mit der Steuereinheit (4) verbunden ist und über dessen Betätigung ein Haltemodus aktivierbar ist, in dem an der elektrischen Maschine (2) eine konstante Bremsleistung eingestellt ist.
Fahrrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (4) einen Ladestrom zum Laden des Akkus (3) durch die als Generator betriebene elektrische Maschine (2) auf einen vorbestimmten Wert begrenzt.
Fahrrad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Bremsvorgang die Steuereinheit (4) eine Bremsung des Fahrrads derart ausführt, dass bis zu einem vorgegebenen Wert der Bremskraft eine Bremsleistung ausschließlich mittels der als Generator betriebenen elektrischen Maschine (2) erzeugt wird.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine (2) eines Fahrrads als Bremse, wobei eine Steuereinheit (4) nach Erfassen eines Bremswunsches eines Radfahrers die elektrische Maschine (2) als Generator betreibt und das Fahrrad durch den Generatorbetrieb der elektrischen Maschine abbremst sowie einen Ladestrom zum Aufladen eines Akkus (3) des Fahrrads erzeugt, wobei bis zu einem vorbestimmten Wert einer Bremsleistung die Bremsleistung ausschließlich mittels der als Generator betriebene elektrische Maschine (2) proportional zu einer Betätigung an einer Bremseinrichtung, insbesondere einer Handbremse (6), des Fahrrads ist, erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf ein Signal eines vom Fahrer betätigten Schaltelementes (23) hin ein Haltemodus aktiviert wird, in dem an der elektrischen Maschine (2) eine konstante Bremsleistung entsprechend der aktuell eingestellten Bremsleistung unabhängig von der Betätigung an der Bremseinrichtung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltemodus wieder verlassen wird, wenn wenigstens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist: – das Schaltelement (23) wird ein weiteres Mal betätigt; – die Steuereinheit (4) wird deaktiviert; – die Betätigung an der Bremseinrichtung entspricht einer Bremsleistung, die größer als die im Haltemodus eingestellte Bremsleistung ist.