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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuerungsanordnung für ein Elektrofahrrad, ein entsprechendes Elektrofahrrad mit der Steuerungsanordnung und ein Verfahren zur Steuerung eines Elektrofahrrades.
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Bei Elektrofahrrädern nach dem Stand der Technik werden in der Regel drei verschiedene Sensortypen für den Fahrregler verwendet. Dabei kommen ein Drehmomentsensor, eine Pedaldrehzahl und ein Geschwindigkeitssensor zum Einsatz. Eine verbreitete Lücke stellt die Anfahrerkennung insbesondere beim Mittelmotor dar. Es gibt Elektrofahrräder, bei denen lediglich ein Drehmomentsensor eingesetzt wird. Dabei wird unter Last auch bei gezogener Bremse mittels des Elektromotors unterstützt, was insbesondere bei Fahrsituationen, wie Stehen vor einer Ampel oder Kreuzung, zu gefährlichem Herausbeschleunigen führen kann. Insbesondere entstehen diese gefährlichen Situationen bei einem hohen Unterstützungsgrad durch den Zusatzantrieb. In einem anderen System für Elektrofahrräder wird ein Drehzahlsensor verbaut, der die Pedalbewegung misst. Mittels dieses Drehzahlsensors wird lediglich ermittelt, ob der Fahrer mit dem Pedal "spielt" oder tatsächlich anfährt. In den restlichen Situationen ist dieser Drehzahlsensor ohne Funktion, da während der Fahrt die Drehzahl aus dem sinusförmigen Drehmomentensignal abgeleitet werden kann. Somit ist dieser Drehzahlsensor für seine Funktion bzw. seine geringe Einsatzmöglichkeit relativ teuer. Des Weiteren ist eine Anfahrerkennung in Kombination mit einem Geschwindigkeitssensor verbreitet. Dieser Geschwindigkeitssensor besteht jedoch oftmals aus einem gewöhnlichen Reed-Kontakt, so dass es bis zu zwei Radumdrehungen braucht, bis die Motorunterstützung einsetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der Steuerungsanordnung gemäß Anspruch 1 wird vorgeschlagen, einen Beschleunigungssensor zur Anfahrerkennung in einem Elektrofahrrad zu verwenden. Dadurch werden die oben beschriebenen potentiell gefährlichen Situationen vermieden, da beispielsweise bei stehendem Fahrrad und gezogener Bremse keine Unterstützung durch den Elektromotor erfolgt. Des Weiteren entfällt der oben beschriebene Pedaldrehzahlsensor, so dass unnötige Kosten und Redundanzen eingespart werden. Im Gegensatz zum Geschwindigkeitssensor ist die Reaktionszeit des Beschleunigungssensors viel höher, da nicht mehr mehrere Radumdrehungen notwendig sind, um ein Anfahren zu erkennen. Die erfindungsgemäße Steuerungsanordnung ermöglicht somit eine Vereinfachung der Hardware durch Einsparung des Pedaldrehzahlsensors. Des Weiteren erfolgt eine Kosteneinsparung durch Vermeidung von Redundanzen und die Sicherheit und der Fahrkomfort werden erhöht. Darüber hinaus kann der erfindungsgemäß verwendete Beschleunigungssensor noch mehrere Funktionen übernehmen, während der herkömmliche Fahrraddrehzahlsensor während der Fahrt keine Funktion mehr einnimmt. All diese Vorteile werden erreicht durch eine Steuerungsanordnung für ein Elektrofahrrad, umfassend einen am Elektrofahrrad befestigbaren Beschleunigungssensor zum Erfassen einer Beschleunigung des Elektrofahrrades, und eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, um in Abhängigkeit von Signalen vom Beschleunigungssensor einen Elektromotor zum Antrieb des Elektrofahrrades freizugeben. Der Beschleunigungssensor kann ein zwei- oder dreiachsiger Beschleunigungssensor sein. Bevorzugt wird der Beschleunigungssensor auf der Leiterplatte im Motorgehäuse oder in der Batterie montiert. Lassen die Signale vom Beschleunigungssensor die Vermutung zu, dass sich das Elektrofahrrad bewegt, wird der Antrieb freigegeben (auch: scharf geschaltet). Bevorzugt wird zusätzlich noch ermittelt, ob ein Druck auf das Pedal ausgeübt wird. Wird dieser Druck, beispielsweise mit einem Kraft-/ Drehmomentsensor detektiert, erfolgt der Antrieb und/oder Zusatzantrieb des Fahrrades mittels des Elektromotors.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass in der Steuereinheit ein Einbauwinkel des Beschleunigungssensors im Elektrofahrrad hinterlegt und/oder ermittelt wird. Die Steuereinheit ist dabei zur Koordinatentransformation zumindest eines ersten Sensor-Beschleunigungssignals in ein erstes Fahrrad-Beschleunigungssignal ausgebildet. Die Sensor-Beschleunigungssignale beziehen sich auf ein sensorfestes Koordinatensystem. Die Fahrrad-Beschleunigungssignale beziehen sich auf ein fahrradfestes Koordinatensystem. Die Koordinatentransformation erfolgt entsprechend des Einbauwinkels des Beschleunigungssensors innerhalb des Elektrofahrrades.
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In einem nächsten Schritt wird bevorzugt mittels der Steuereinheit eine Differenz aus dem ersten Fahrrad-Beschleunigungssignal und einem Referenzwert gebildet. Wenn die Differenz größer einem vorbestimmten Wert ist, wird der Elektromotor freigegeben. In diesem Fall stellt die Steuereinheit fest, dass das Elektrofahrrad anfährt.
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Der Referenzwert wird in der Steuereinheit bevorzugt als Mittelwert über eine vorgegebene Zeit oder als (stark) tiefpassgefiltertes Signal ermittelt.
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Besonders bevorzugt ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, um vor der Differenzbildung das erste Fahrrad-Beschleunigungssignal zu filtern. Bevorzugt wird hier ein Tiefpassfilter verwendet. Mittels der Filterung wird ein Filter-Beschleunigungssignal erhalten. Dies filtert hochfrequente Beschleunigungen heraus, die sehr groß sein können, die jedoch keinen Bezug zum tatsächlichen Anfahren haben. Diese rühren insbesondere von Schlägen auf das Pedal oder Federgabelwippen.
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Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, um den Wert für den hinterlegten Einbauwinkel des Beschleunigungssensors basierend auf einem zweiten Sensor-Beschleunigungssignal oder einem zweiten Fahrrad-Beschleunigungssignal anzupassen. Das zweite Sensor-Beschleunigungssignal stellt eine Beschleunigung senkrecht zur Beschleunigung des ersten Sensor-Beschleunigungssignals dar. In entsprechender Weise stellt auch das zweite Fahrrad-Beschleunigungssignal eine Beschleunigung senkrecht zur Beschleunigung des ersten Fahrrad-Beschleunigungssignals dar.
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Des Weiteren ist bevorzugt die Steuereinheit dazu ausgebildet, um ständig zumindest ein Signal vom Beschleunigungssensor zu integrieren und/oder diskret gemessene Wert aus dem Signal zu kumulieren, um ein Anhalten des Elektrofahrrades zu erkennen. Dies wird bevorzugt aus der Akkumulation der Differenz zwischen z. B. dem Referenzwert a_ref und einem weiteren Beschleunigungssignal a, das bevorzugt aus dem Filter-Beschleunigungssignal oder einem anders gefilterten oder ungefilterten Beschleunigungssignal besteht: ν_neu = ν_alt + (a – a_ref)·Δt_st (Formel 1) Δt_st: Abtastrate bzw. Zeitspanne gegenüber letzter Auswertung. Diese Auswertung ergibt in den ersten Sekunden nach dem Anfahren ein verlässliches Geschwindigkeitssignal. Es können jedoch auch andere Methoden zur Geschwindigkeitsbeobachtung angewendet werden.
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Die Steuerungsanordnung umfasst bevorzugt zumindest einen Drehzahlsensor und/oder Drehmomentensensor zum Erfassen einer Bewegung des Elektromotors und/oder der Pedale, wobei die Steuereinheit bei erfasster Bewegung des Elektromotors und/oder der Pedale und gleichzeitig erfasster Beschleunigung des Elektrofahrrades den Antrieb aktiviert. Unter Aktivieren des Antriebes ist zu verstehen, dass der Elektromotor das Elektrofahrrad antreibt. Der Beschleunigungssensor ist hierbei nur ein Beobachter hinsichtlich des Anfahrens und kann plausibilisiert werden. Dies erfolgt beispielsweise über die zusätzlichen Signale eines Motordrehzahlsensors und/oder eines Fahrraddrehmomentsensors. Bevorzugt kann in einer ersten Plausibilisierung so aus der oben beschriebenen Differenz verschieden gefilterter Beschleunigungssignalen durch eine gemessene Kraft auf das Pedal ausgeführt werden.
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Eine zweite Plausibilisierung besteht bevorzugt zusätzlich zur vorhergehenden Methode in der Beobachtung der Motordrehzahl. In der Regel besteht insbesondere bei Mittelmotoren ein Freilauf zwischen Pedalkurbel und Motor. So muss der Fahrer bei ausgeschaltetem System den Motor und evtl. das Getriebe nicht beim Pedalieren mitbewegen. Jedoch kann sich umgekehrt der Motor nur so schnell bewegen, wie es die Pedaldrehung zulässt. Kann sich der Motor also drehen, so liegt eine Bewegung der Pedalkurbel vor und ein Anfahren wurde richtig erkannt.
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Eine dritte Plausibilisierung kann durch einen Geschwindigkeitssensor geschehen. Bevorzugt kann ein Reed-Sensor und Magnet (typischer Fahrradsensor) verwendet werden. Dazu kann Formel 1 weiter integriert werden, so dass eine zurückgelegte Distanz bestimmt werden kann: s_neu = s_alt + v_neu·Δt_st (Formel 2)
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Mit dem Wissen um den Radumfang ist es so möglich, dass der Reedschalter spätestens nach einer gewissen Distanz ein Signal hätte empfangen müssen. ist dies mit einer gewissen Toleranz nicht geschehen, kann ebenfalls der Antrieb über den Elektromotor abgebrochen werden.
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Die Plausibilisierungen eins, zwei und drei können je nach spezifischem System (Radnaben- oder Mittelmotor) einzeln oder in Kombination verwendet werden.
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Wenn eine Kraft auf das Pedal erkannt wird, der Elektromotor sich jedoch nicht drehen kann, obwohl die Steuerungsanordnung den Elektromotor freigibt, so wird der Antrieb über den Elektromotor abgebrochen.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Elektrofahrrad mit einer der soeben beschriebenen Steuerungsanordnungen. Die im Rahmen der erfindungsgemäßen Steuerungsanordnung beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das erfindungsgemäße Elektrofahrrad.
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Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Elektrofahrrads, umfassend die folgenden Schritte: (i) Erfassen einer Beschleunigung des Elektrofahrrades mittels eines am Elektrofahrrad befestigten Beschleunigungssensors, und (ii) Freigeben eines Elektromotors zum Antrieb des Elektrofahrrades in Abhängigkeit von Signalen vom Beschleunigungssensor.
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Die im Rahmen der erfindungsgemäßen Steuerungsanordnung beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das Verfahren zur Steuerung des Elektrofahrrades.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
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1 ein Elektrofahrrad mit einer erfindungsgemäßen Steuerungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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2 eine Steuereinheit der erfindungsgemäßen Steuerungsanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel,
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3 Formeln zur Koordinatentransformation für die erfindungsgemäße Steuerungsanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel, und
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4 einen Hauptberechnungsabschnitt der Steuereinheit der erfindungsgemäßen Steuerungsanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird anhand der 1 bis 4 ein Ausführungsbeispiel einer Steuerungsanordnung 1 für ein Elektrofahrrad 2 beschrieben.
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1 zeigt ein Elektrofahrrad 2, in dem die Steuerungsanordnung 1 integriert ist. Des Weiteren umfasst das Elektrofahrrad 2 einen Elektromotor 4.
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Die Steuerungsanordnung 1 umfasst eine Steuereinheit 3 und einen Beschleunigungssensor. Steuereinheit und Beschleunigungssensor können an beliebiger Stelle am Fahrrad montiert sein. 1 zeigt ein sensorfestes Koordinatensystem x_bs, z_bs des Beschleunigungssensors. Des Weiteren zeigt 1 ein fahrradfestes Koordinatensystem x_kf, z_kf des Elektrofahrrades 2.
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Das Elektrofahrrad 2 befindet sich auf einer geneigten Ebene mit Steigung γ. Der Winkel zwischen dem sensorfesten Koordinatensystem und dem fahrradfesten Koordinatensystem wird als Einbauwinkel β bezeichnet.
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2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Steuereinheit 3. Die Steuereinheit 3 umfasst einen Hauptberechnungsabschnitt 5, einen Vorberechnungsabschnitt 6 und einen nachgeschalteten Berechnungsabschnitt 7. Innerhalb des Hauptberechnungsabschnittes 5 befindet sich ein Referenzabschnitt 8 und ein Bewegungsberechnungsabschnitt 9. Die einzelnen Abschnitte 5 bis 9 können auf einem Mikrochip implementiert sein und/oder durch Software gebildet sein.
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Bevorzugt liegt ein zweiachsiger Beschleunigungssensor plan zur Fahrradebene, wie in 1 gezeigt. Der Beschleunigungssensor liefert Sensorbeschleunigungssignale acc_x_bs, acc_z_bs. Mittels der in 3 dargestellten Formeln zur Koordinatentransformation und mittels des Einbauwinkels β werden die Sensor-Beschleunigungssignale acc_x_bs, acc_z_bs transformiert in Fahrrad-Beschleunigungssignale acc_x_kf, acc_z_kf, bezogen auf das fahrradfeste Koordinatensystem x_kf, z_kf. Diese Koordinatentransformation erfolgt im Vorberechnungsabschnitt 6. Beschleunigungswerte eines dreiachsigen Beschleunigungssensors, der nicht plan in der Fahrradebene liegt, können durch eine vorher bekannte Einbaulage über gebräuchliche Hauptachsentransformationen in die gezeigte x-z-Ebene abgebildet werden.
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4 zeigt im Detail den Hauptberechnungsabschnitt 5 der Steuereinheit 3. Dieser Hauptberechnungsabschnitt 5 umfasst den Referenzabschnitt 8, den Bewegungsberechnungsabschnitt 9 und einen Tiefpassfilter 10. Eingangssignal des Referenzabschnitts 8 ist das erste Fahrrad-Beschleunigungssignal acc_x_kf. Im Referenzabschnitt 8 wird aus diesem Signal ein Referenzwert acc_x_kf_ref berechnet. Des Weiteren wird das erste Fahrrad-Beschleunigungssignal acc_x_kf im Tiefpassfilter 10 gefiltert, so dass ein Filter-Beschleunigungssignal acc_x_kf_filter entsteht. Im Bewegungsberechnungsabschnitt 9 wird nach folgender Bedingung die Differenz gebildet: acc_x_kf_filter – acc_x_kf_ref > Wert T2 (Formel 3).
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Ist die Formel 1 erfüllt, also die Differenz größer dem Wert T2, gibt die Steuerungsanordnung 1 den Elektromotor 4 zum Antrieb frei.
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Da es kaum der Fall ist, dass das Elektrofahrrad
2 auf einer Ebene steht, wird das erste Fahrrad-Beschleunigungssignal acc_x_kf nicht Null sein. Daher wird im Referenzabschnitt
8 ständig der Referenzwert acc_x_kf_ref berechnet. Dies erfolgt bevorzugt mittels der Varianz des Signals. Wenn die Varianz über eine bestimmte Zeit klein genug ist, wird ein neuer Referenzwert erzeugt, der aus stark gefilterten Beschleunigungssignalen besteht. Eine Neuberechnung des Referenzwertes acc_x_kf_ref erfolgt nach folgender Bedingung:
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Dabei wird der erste Referenzwert acc_x_kf_ref nach folgender Bedingung berechnet:
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Der Wert T1 ist ein vorbestimmter Wert. nend steht für eine Anzahl der Abtastungen, z. B. bei einer Abtastrate von 1000 Hz wird bei einer Mittelung über 1s wird der Wert nend = 1000.
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In einer simpleren Ausführungsform kann auch näherungsweise ein starker Tiefpassfilter für die Berechnung des Referenzwertes verwendet werden.
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Der Einbauwinkel β ist in einer Großserie von Elektrofahrrädern 2 von Fahrrad zu Fahrrad unterschiedlich. In vorgeschlagenem Algorithmus genügt eine grobe Anfangsschätzung des Einbauwinkels β. Im nachgeschalteten Berechnungsabschnitt 7 wird jeweils das letzte Anfahren des Elektrofahrrades 2 analysiert. Es wird davon ausgegangen, dass nur sehr geringe Steigungsänderungen beim Anfahren auf den ersten ein bis zwei Metern vorhanden sind. Daher sind niederfrequente Änderungen der Beschleunigung nur in x_kf-Richtung vorhanden. Der nachgeschaltete Algorithmus optimiert die Anfangsschätzung im Einbauwinkel β, so dass bevorzugt die Varianz in z_kf-Richtung minimiert wird. Insbesondere werden die (co-)Sinus-Therme über eine Taylorreihe angenähert. Dadurch wird eine analytische Bestimmung des Einbauwinkels β erreicht. Durch die ständige Überwachung werden die Einbauwinkel β, die vor allem beim voll gefederten Elektrofahrrad 2 von Fahrer zu Fahrer aufgrund der Einfederung unterschiedlich sind, ständig neu kalibriert und so ständig eine hohe Qualität bei der Anfahrerkennung erreicht.
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Die Varianz des Einbauwinkels β bestimmt sich nach folgender Bedingung:
acc_z_kf_ref wird analog zur Formel 4 bestimmt.
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Alternativ ist es denkbar, dass analog zu Formel 1 eine Geschwindigkeit senkrecht zur Fahrtrichtung berechnet wird. Diese sollte, da wiederum eine sich kaum ändernde Steigung angenommen wird, in einer Optimierung näherungsweise null sein.
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Eine weitere Alternative besteht darin, Beschleunigungswerte zu speichern und Formel 1 beim ersten Geschwindigkeitssignal z. B. durch den Reed-Kontakt auszuwerten und so den Einbauwinkel zu optimieren.
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Es ist auch denkbar, eine Mischung aus den drei vorgeschlagenen Alternativen zu nehmen und vorhergehende Berechnungen mit einzubeziehen.
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Der Referenzwert acc_x_kf_ref ändert sich ständig während der Fahrt. Wenn das Elektrofahrrad 2 abgebremst wird, sollte dieser Referenzwert acc_x_kf_ref schnell bestimmt werden. Daher wird in der realen Umsetzung der Referenzwert acc_x_kf_ref auch während der Fahrt ständig angepasst, um so Unsicherheiten direkt nach dem Bremsen zu vermeiden. Gleichzeitig kann durch diese ständige Anpassung auch das Fahren auf einem Berg erkannt werden. Es werden bevorzugt die diskreten Geschwindigkeitssignale des Reed-Kontaktes genutzt und mit der geschätzten Geschwindigkeit, die durch Integration des Beschleunigungssignals berechnet wird, verglichen. Unter der Annahme, dass der Einbauwinkel β gut kalibriert wurde, kann eine genaue Berechnung des Referenzwertes acc_x_kf_ref erreicht werden.
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Des Weiteren kann über die Integration der Beschleunigung erkannt werden, ob ein Fahrer auf "Null" abgebremst hat. So kann die Anfahrsequenz wieder gestartet werden und der Referenzwert acc_x_kf_ref z.B. über die Varianz bestimmt werden.
