DE102013214169A1

DE102013214169A1 - Verfahren und Vorrichtung Realisierung eines situationsabhängigen Boost-Modus bei einem elektrisch betriebenen Zweirad

Info

Publication number: DE102013214169A1
Application number: DE102013214169.6A
Authority: DE
Inventors: Adrian Kussmann; Frieder Haag; Daniel Baumgaertner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-07-19
Filing date: 2013-07-19
Publication date: 2015-01-22
Also published as: WO2015007423A1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Antriebs eines elektrisch betriebenen Zweirads beschrieben, welches zusätzlich durch Muskelkraft angetrieben werden kann. Dabei wird eine Fahrverhaltensgröße erfasst, die entweder das Fahrverhalten des Fahrers und/oder des Zweirads repräsentiert. So kann beispielsweise die Pedalbetätigung des Fahrers des Zweirads, insbesondere eines Elektrofahrrads, erfasst werden. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass situationsabhängig, d.h. in Abhängigkeit von dieser Fahrverhaltensgröße der elektrische Antrieb des Zweirads, z.B. ein Elektromotor, derart angesteuert wird, dass ein Boost Modus erreicht wird, d.h. ein kurzzeitig höheres Drehmoment und somit ein erhöhter Vortrieb. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Antrieb bis zum maximal erzeugbaren Drehmoment hochgefahren wird oder zumindest in die Nähe davon. Nach diesem kurzzeitigen Boost wird der Motor auf den vorher eingestellten Unterstützungsgrad bzw. das vor dem Boost erzeugte Drehmoment zurückgeregelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einstellung der Motorunterstützung eines elektrisch angetriebenen Zweirads.
Stand der Technik
Bei Elektrofahrrädern kann der Fahrer zusätzlich zu seiner Pedalkraft einen elektrischen Antrieb mittels eines Elektromotors zuschalten. Zur Steuerung des Antriebs werden dabei Bedienelemente, sogenannte Human Machine Interfaces (HMI) eingesetzt. Mittels dieses Bedienelements kann der Fahrer das Verhältnis des von ihm aufgebrachten Antriebsmoment zu dem vom Elektromotor zur Verfügung gestellten Drehmoments einstellen. So ist beispielsweise denkbar, ein Unterstützungsprofil durch den elektrischen Antrieb einzustellen, der unabhängig von der Stärke der Pedalbetätigung einen konstanten Beitrag zum Vortrieb liefert. Alternativ kann auch ein Unterstützungsprofil vorgesehen sein, bei dem der Fahrer bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit immer stärker unterstützt wird, wobei die Unterstützung beim Überschreiten dieser herunter geregelt wird.
Da gesetzlich vorgeschrieben ist, dass bestimmte Arten von Elektrofahrrädern nur bis zu einer Höchstgeschwindigkeit per zusätzlicher (elektrischer) Unterstützung betrieben werden dürfen, werden z.B. bei Pedelecs der Motorantrieb beim Erreichen einer Geschwindigkeit von 25 km/h abgeschaltet.
Aus dem Motorsport aner auch durch gängige Automatikschaltungen beim PKW ist darüber hinaus ein sogenannter Kickdownschalter bzw. eine Kickdownfunktion bekannt, bei dessen Betätigung ein Signal an die Steuerung des Automatikgetriebes erfolgt, woraufhin die Automatik in die Fahrstufe mit der bestmöglichen Beschleunigung schaltet und den Motor auf hohe Drehzahlen bringt. Hierdurch kann eine schnelle Beschleunigung, z.B. für Überholvorgänge erreicht werden.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Antriebs eines elektrisch betriebenen Zweirads beschrieben, welches zusätzlich durch Muskelkraft angetrieben werden kann. Dabei wird eine Fahrverhaltensgröße erfasst, die entweder das Fahrverhalten des Fahrers und/oder des Zweirads repräsentiert. So kann beispielsweise die Pedalbetätigung des Fahrers des Zweirads, insbesondere eines Elektrofahrrads, erfasst werden. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass situationsabhängig, d.h. in Abhängigkeit von dieser Fahrverhaltensgröße der elektrische Antrieb des Zweirads, z.B. ein Elektromotor, derart angesteuert wird, dass ein Boost Modus erreicht wird, d.h. ein kurzzeitig höheres Drehmoment und somit ein erhöhter Vortrieb. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Antrieb bis zum maximal erzeugbaren Drehmoment hochgefahren wird oder zumindest in die Nähe davon. Nach diesem kurzzeitigen Boost wird der Motor auf den vorher eingestellten Unterstützungsgrad bzw. das vor dem Boost erzeugte Drehmoment zurückgeregelt.
Der Vorteil eines derartigen Verfahrens bzw. einer derartigen Vorrichtung besteht darin, dass keine zusätzliche Betätigung eines Boost Modus durch den Fahrer notwendig ist, da die Erkennung automatisch und situationsabhängig erfolgt. Mit dieser Ansteuerung können bestimmte Situationen wie Anfahrten nach einem Ampelstopp, ein kurzer Anstieg aber auch Überholmanöver schnell durchlaufen werden. Weiterhin verhindert die Beschränkung des Boost Modus auf eine kurze Zeit, z.B. 5 s oder 10 s, dass der Motors oder die Energieversorgung unnötig belastet werden.
Als typische Größen, die das Fahrverhalten des Fahrers und/oder des Zweirads im Allgemeinen anzeigen, können die Pedalbewegung bzw. deren Belastung, das Drehmoment der Tretkurbel, die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung des Zweirads genauso herangezogen werden wie die Kräfte, die auf den Lenker und/oder den Sattel anliegen. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass die Bremsvorgänge erfasst werden, indem beispielsweise ein Bremskraftsensor oder allgemein die Bremsbetätigung erfasst werden. Um eine zeitnahe Information über das Fahrverhalten zu bekommen, kann vorgesehen sein, dass die Fahrverhaltensgröße kontinuierlich erfasst und ausgewertet wird.
Neben der Verwendung nur einer Größe zur Ableitung des Fahrverhaltens kann selbstverständlich auch die Kombination verschiedener Größen herangezogen werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Fahrverhaltensgröße ein Schwellenwert zugeordnet, der mit der erfassten Größe verglichen werden kann. Dabei wird in Abhängigkeit des Vergleichs die Erhöhung bzw. die Maximierung des Drehmoments vorgenommen, z.B. indem ein Über- oder Unterschreiten des Schwellenwerts erkannt wird. Bei der Verwendung mehrerer Größen zur Ableitung des Fahrverhaltens kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass jeder Größe ein Schwellenwert zugeordnet ist.
Um zu verhindern, dass durch den Boost Modus eine für das elektrische Zweirad nicht erlaubte Höchstgeschwindigkeit überschritten wird, kann vorgesehen sein, die Erhöhung bzw. Maximierung des Drehmoments bei Erreichen einer vorgegebenen Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Zweirads zu unterbrechen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die situationsabhängige Erkennung zur Ansteuerung des Boost Modus durch eine manuelle Betätigung am Bedien- und/oder Steuerelement des Zweirads durch den Fahrer initiiert werden muss. So kann beispielsweise ermöglicht werden, dass der Fahrer für den unmittelbar bevorstehenden Zeitraum die Möglichkeit eines Boost Modus frei schaltet, der nur dann aktiviert wird, wenn die vorgesehene Situation auch tatsächlich eintritt. Denkbar ist hierbei die Aktivierung beim Halt an einer Ampel oder vor einem Anstieg. Sollte dabei innerhalb eines gewissen Zeitraums, z.B. innerhalb von 5 min oder 10 min, keine entsprechende Situation erkannt werden, in der ein Boost Modus aktiviert werden kann, wird das Verfahren bei einer späteren entsprechenden Situation außerhalb dieses Zeitraums nicht automatisch aktiviert.
Vorteilhafterweise kann neben der Ansteuerung des Motors zur Erhöhung bzw. Maximierung des Drehmoments auch eine Steuerung bzw. Regelung der Schaltung des Zweirads erfolgen. Dabei kann beispielsweise zusätzlich auf ein kleineres Übersetzungsverhältnis umgestellt werden, so dass das höhere Drehmoment noch optimaler für den Vortrieb verwendet werden kann.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 zeigt anhand eines Blockschaltbilds schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung während die 2 ein in dieser Vorrichtung ablaufendes (Steuer-)Verfahren in Form eines Ablaufdiagramms darstellt.
Offenbarung der Erfindung
Wie eingangs bereits ausgeführt, kann bei hybrid betriebenen Zweirädern, beispielsweise bei Elektrofahrrädern, der Antrieb sowohl mittels Muskelkraft über einen Pedalbetrieb als auch elektrisch mittels eines entsprechenden Motors erfolgen. Üblicherweise kann dabei der Fahrer den Unterstützungsgrad des elektrischen Motors zum Antrieb des Zweirads in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Zweirads und/oder der Pedalbetätigung aus einer Reihe von Einstellungen fest vorgeben. Eine Variation dieses Unterstützungsgrades während der Fahrt ist nur durch die Auswahl eines anderen Unterstützungsprofils möglich, welches jedoch den Unterstützungsgrad für den gesamten vorgesehenen Geschwindigkeitsbereich festlegt.
Mit der vorliegenden Erfindung wird dagegen eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren beschrieben, bei dem situationsabhängig eine Anpassung des gewählten Unterstützungsgrades bzw. des Unterstützungsprofils durch den elektrischen Motor erfolgt. Hierzu ist wie in 1 dargestellt, ein Steuergerät 100 vorgesehen, welches beispielsweise als Bedien- und/oder Steuerelement am Lenker des Zweirads, insbesondere eines Elektrofahrrads angebracht sein kann. Darüber hinaus kann das Steuergerät 100 jedoch auch direkt dem Motor oder der Energieversorgung zugeordnet sein. In diesem Steuergerät 100 ist eine Steuereinheit 110 vorgesehen, welche dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Messgröße eines zugeordneten Sensors 120 bis 170 zu erfassen, aus der das Fahrverhalten des Fahrers und/oder des Zweirads bzw. die (Fahr-)Situation abgeleitet werden kann. Als mögliche Sensoren sind dabei vorgesehen:

– ein Sensor 120 zur Erfassung der Trittfrequenz, und/oder
– ein Sensor 130 zur Erfassung des Drehmoments bzw. der Belastung der Pedale, und/oder
– ein Sensor 140 zur Erfassung der Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Zweirads,
– ein Sensor 150 zur Erfassung der Kräfte, die auf den Lenker und/oder den Sattel ausgeübt werden, und/oder
– ein Sensor 160, der die Betätigung der Bremse oder allgemein einen Bremsvorgang erfasst

Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit 110 eine manuelle Eingabe über das Bedien- und/oder Steuerelement (HMI) 120 mittels eines entsprechenden Schalters oder Buttons erfasst. Diese Eingabe kann dazu dienen, die Erkennung einer Situation, in der ein Boost Modus aktiviert werden kann, freizuschalten, zumindest für einen bestimmten Zeitraum.
Weiterhin ist in dem Steuergerät 100 ein Speicher 115 vorgesehen, in dem neben einer vorgegebenen Geschwindigkeitsgrenze, z.B. die zulässige Höchstgeschwindigkeit für das elektrische Zweirad, Schwellenwerte für die eine oder mehrere erfassten Sensorgrößen abgelegt sind. Optional kann auch vorgesehen sein, dass die Aktivierung des Boost Modus für eine spätere Auswertung ebenfalls im Speicher 115 abgespeichert werden kann, ggf. mit Datum und den Randbedingungen der Fahrsituation.
Wird in der Steuereinheit 110 eine Situation erkannt, in der der Boost Modus, d.h. die kurzzeitige Erhöhung des elektrischen Antriebs insbesondere bis zum Maximum, durchgeführt werden soll, wird der Motor 180 des elektrischen Zweirads entsprechend angesteuert. Optional kann auch vorgesehene sein, dass eine akustische und/oder optische Anzeige an den Fahrer erfolgt, beispielsweise über ein Bedien- und/oder Steuerelement am Lenker des Zweirads. Weiterhin kann auch vorgesehen sein, dass eine Schaltung 190 des Zweirads angesteuert wird, um einen für den Einsatz des erhöhten Drehmoments des Antriebs wirksameren Gang einzustellen.
In der Steuereinheit 110 kann entsprechend dem Flussdiagramm in der 2 ein Verfahren ablaufen, welches nachfolgend beispielhaft erklärt wird. Das Verfahren kann entweder ohne besondere Bedingungen gestartet werden oder optional wie im Schritt 200 angedeutet, mittels einer manuellen Betätigung eines entsprechenden Schalters oder Buttons in Verbindung mit dem Bedien- und/oder Steuerelement. Anschließend wird im Schritt 210 wenigstens eine (Sensormess-)Größe erfasst, aus der das Fahrverhalten des Fahrers oder des Zweirads abgeleitet werden kann. Hierzu eignet sich besonders eine Messgröße, die die Pedalbewegung, die Pedalbelastung bzw. das Drehmoment oder dessen zeitliche Ableitung auf die Tretkurbel, die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung des Zweirads oder auch die Kräfte bzw. Kräfteverteilung des Fahrers auf den Lenker oder den Sattel repräsentiert. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein potentieller Bremsvorgang erfasst werden, beispielsweise indem die Bremsbetätigung oder die Bremskraft erfasst wird. Im nachfolgenden Schritt 220 wird erfasst, ob die Voraussetzungen für die Aktivierung des Boost Modus, d.h. die kurzzeitige Erhöhung des Antriebs bzw. des Drehmoments des Elektromotors vorliegt. Liegt keine der Voraussetzungen vor, wird das Verfahren abgebrochen oder alternativ mit Schritt 210 fortgesetzt. Optional kann gleichzeitig auch überprüft werden, ob die vorgegebene oder gesetzlich geforderte Höchstgeschwindigkeit des Zweirads eingehalten ist oder durch die kurzzeitige Erhöhung des Antriebsmoments nicht überschritten wird. Wird bei dieser Überprüfung festgestellt, dass die Höchstgeschwindigkeit überschritten ist oder wird, erfolgt ebenfalls eine Beendigung des Verfahrens oder alternativ eine Fortführung mit Schritt 210. Im nächsten Schritt 230 wird der Motor derart angesteuert, dass ein höheres Drehmoment erzeugt wird, ggf. bis zum maximal möglichen Drehmoment, das der Motor erzeugen kann. Ist dieses maximale Drehmoment nicht möglich, wird die Steuerung zumindest versuchen, das höchste Drehmoment zur Verfügung zu stellen, welches in dieser Fahrsituation eben noch möglich ist. Optional kann im Schritt 230 auch eine Ansteuerung der Schaltung erfolgen, um die Umsetzung des Drehmoments auf den Vortrieb zu optimieren, z.B. ein kleineres Untersetzungsverhältnis. Die Bereitstellung des erhöhten Drehmoments ist erfindungsgemäß nur kurzzeitig vorgesehen, d.h. beispielsweise nur über einen Zeitraum von 5 s oder 10 s. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerung im Schritt 230 über diesen Zeitraum erfolgt, bevor im Schritt 250 die Drehmomentunterstützung für den Motorantrieb auf die vorherige Einstellung vor dem Boost Modus zurück gestellt wird. Alternativkann jedoch auch in einem Zwischenschritt 240 überprüft werden, wie lange der Boost Modus bereits aktiviert ist. Liegt der Boost Modus noch unterhalb des vorgesehenen Zeitraums, wird im Schritt 210 erneut eine Größe erfasst, die das Fahrverhalten widerspiegelt. Somit kann überprüft werden, ob die Ansteuerung zu einem Fahrverhalten führt, welches aus der Bedingung der Aktivierung des Boost Modus herausfällt. Wie bereits ausgeführt, wird anschließend im Schritt 250 wieder die vor dem Boost Modus eingestellte Drehmomentunterstützung am Motor eingestellt, bevor das Verfahren beendet wird.
Die Erhöhung des Drehmoments kann allgemein bei einer Erkennung einer entsprechend erhöhten Pedalbelastung bzw. einer erhöhten Trittfrequenz vorgenommen werden, während bei einem Rückgang der Pedalbelastung diese Erhöhung auch wieder zurückgenommen werden kann. Weiterhin kann auch bei der Erkennung eines Stopps an einer Ampel oder generell an einer Kreuzung zum Anfahren ein erhöhtes Drehmoment durch den Motor zur Verfügung gestellt werden, um schneller aus dem Stand zu beschleunigen. Hierzu kann u.a. die Bremsaktivierung ggf. in Kombination mit anschließendem kräftigem Antritt aus dem Stand herangezogen werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann auch die Information über den Streckenverlauf herangezogen werden, um die situationsabhängige Aktivierung des Boost Modus herbeizuführen. So kann über den Streckenverlauf ebenfalls erkannt werden, ob ein Stopp aufgrund einer Ampel oder an einer Kreuzung erfolgt ist.
Darüber hinaus kann auch ein Anstieg erkannt werden, der durch eine geeignete kurzzeitige Erhöhung des Drehmoments flüssiger überwunden werden kann. Derartige Informationen lassen sich typischerweise aus Navigationsgeräten oder – applikationen ableiten, die beispielsweise in einem mitgeführten Mobilfunkgerät oder direkt im Bedien- und Steuerelement ablaufen können.
Eine manuelle Betätigung des Boost Modus kann mittels eines Schalters oder eines Buttons erfolgen. Dabei kann der Boostwunsch mittels einer vorgegebenen Sequenz initiiert werden, um eine zufällige Betätigung zu vermeiden. Denkbar ist beispielsweise eine lange (z.B. 2–3 sec dauernde) und zwei kurze Betätigungen hintereinander durchzuführen.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Antriebs eines mittels Elektromotor (180) und Pedalkraft antreibbaren Zweirads, wobei wenigstens eine Fahrverhaltensgröße erfasst wird (210), die das Fahrverhalten des Fahrers repräsentiert, insbesondere die Pedalbetätigung, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment des Elektromotors (180) in Abhängigkeit der Fahrverhaltensgröße kurzzeitig erhöht, insbesondere im Wesentlichen maximiert wird (230).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Fahrverhaltensgröße wenigstens – eine Pedalbewegung, und/oder – eine Pedalbelastung, und/oder – ein Drehmoment der Tretkurbel, und/oder – eine Geschwindigkeit des Zweirads, und/oder – eine Beschleunigung des Zweirads, und/oder – eine Kraft auf den Lenker, und/oder – eine Kraft auf den Sattel, und/oder – das Vorliegen eines Bremsvorgangs erfasst wird (210), wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Fahrverhaltensgröße kontinuierlich erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens einen Fahrverhaltensgröße ein Schwellenwert zugeordnet ist, wobei die Maximierung des Drehmoments in Abhängigkeit eines Vergleichs (230) der Fahrverhaltensgröße mit dem Schwellenwert erfolgt, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Vergleich ein Über- oder Unterschreiten des Schwellenwerts erfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximierung des Drehmoments bei Erreichen einer vorgebbaren Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Zweirads unterbrochen wird (220).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betätigungsgröße erfasst wird (200), die eine manuelle Betätigung des Fahrers auf einem Eingabe- und/oder Steuerelement repräsentiert, wobei die kurzzeitige Maximierung des Drehmoments zusätzlich in Abhängigkeit von der Betätigungsgröße erfolgt (220).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Maximierung des Drehmoments eine Schaltung des Zweirads angesteuert wird (230), wobei insbesondere vorgesehen ist, dass ein kleineres Übersetzungsverhältnis eingestellt wird.
Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Antriebs eines mittels Elektromotor (180) und Pedalkraft antreibbaren Zweirads, insbesondere nach einem der Verfahren in den Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Steuereinheit (110) vorgesehen ist, welche mittels eines Sensorelements (120, 130, 140, 150, 160) wenigstens eine Fahrverhaltensgröße erfasst, die das Fahrverhalten des Fahrers repräsentiert, insbesondere die Pedalbetätigung, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (110) in Abhängigkeit der Fahrverhaltensgröße den Elektromotor (180) derart ansteuert, dass das Drehmoment des Antriebs des Zweirads kurzzeitig erhöht, insbesondere im Wesentlichen maximiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (110) als Fahrverhaltensgröße die Sensorgröße wenigstens – eines Pedalsensors, und/oder – eines Drehmomentensensors, und/oder – eines Geschwindigkeitssensors, und/oder – eines Beschleunigungssensors, und/oder – eines Kraftsensors, und/oder – eines Bremsbetätigungssensors erfasst, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Fahrverhaltensgröße kontinuierlich erfasst wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (110) die Maximierung des Drehmoments in Abhängigkeit eines Vergleichs der Fahrverhaltensgröße mit einem der Fahrverhaltensgröße zugeordneten Schwellenwert steuert, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Vergleich ein Über- oder Unterschreiten des Schwellenwerts erfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (110) die Maximierung des Drehmoments bei Erreichen einer vorgebbaren Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Zweirads abbricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (110) eine Betätigungsgröße erfasst, die eine manuelle Betätigung des Fahrers auf einem Eingabe- und/oder Steuerelement (170) repräsentiert, wobei die kurzzeitige Maximierung des Drehmoments zusätzlich in Abhängigkeit von der Betätigungsgröße erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (110) im Rahmen der Maximierung des Drehmoments eine Schaltung (190) des Zweirads ansteuert, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass ein kleineres Übersetzungsverhältnis eingestellt wird.