DE102014206818B4

DE102014206818B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Elektrofahrrads

Info

Publication number: DE102014206818B4
Application number: DE102014206818.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Schlotter
Original assignee: Jiangsu Tri Star Tech Co Ltd; Jiangsu Tri Star Technology Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Tri Star Technology Co Ltd Nantong Cn
Priority date: 2014-04-09
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2034-04-10
Also published as: DE102014206818A1

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrofahrrads (EF) umfasst ein Empfangen einer Mehrzahl (N_T) von Triggersignalen, die repräsentativ ist für einen Drehwinkel von mindestens einer Pedalkurbel (PK) des Elektrofahrrads (EF). Des Weiteren umfasst das Verfahren ein Ermitteln eines Wertes eines Realdrehmoments (D_real) je empfangenen Triggersignal, das durch einen Fahrradfahrer erzeugt wird. Außerdem umfasst das Verfahren ein Zwischenspeichern des jeweils ermittelten Wertes des Realdrehmoments (D_real) in einer Puffereinheit (PE). Im Rahmen des Verfahrens wird ein Solldrehmoment (D_soll) ermittelt für eine elektrische Antriebseinheit (EA) des Elektrofahrrads (EF) in Abhängigkeit der in der Puffereinheit (PE) zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments (D_real).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Elektrofahrrads, bei dem ein Solldrehmoment für eine elektrische Antriebseinheit des Elektrofahrrads ermittelt wird.
Elektrofahrräder mit Tretunterstützung sind in der Regel 2-, 3- oder 4-rädrige Fahrzeuge, die mit Pedalkurbeln und einer elektrischen Antriebseinheit ausgerüstet sind. Diese Elektrofahrräder, auch Pedelecs genannt, können nicht ausschließlich durch die elektrische Antriebseinheit angetrieben werden, sondern benötigen auch stets eine gewisse Antriebsleistung, die ein Fahrradfahrer mittels der Pedalkurbeln aufbringen muss. Die elektrische Antriebseinheit ist also ein Hilfsmotor und treibt das Elektrofahrrad nur an, wenn auch der Fahrradfahrer seinen Teil dazu beiträgt.
Die elektrische Antriebseinheit des Elektrofahrrads schaltet sich unterstützend ein, sobald das von dem Fahrradfahrer aufgebrachte Drehmoment und die Trittgeschwindigkeit gewisse Schwellenwerte überschreiten. In dem Fall werden die menschliche Antriebsleistung und die elektrische Antriebsleistung zusammen in einem Antriebsstrang in eine Vortriebsleistung umgewandelt, die dann auf ein oder mehrere Räder verteilt wird. In diesem Zusammenhang wird mittels verschiedener Algorithmen ein Solldrehmoment berechnet, das unter Berücksichtigung des Fahrmodus die unterstützende elektrische Antriebsleistung an die menschliche Antriebsleistung anpasst.
Die DE 199 49 225 A1 beschreibt ein Fahrzeug mit einem Hybridantrieb aus Motor- und Muskelkraftantrieb, bei dem der Fahrer die Motorleistung über die Pedale durch die Art seiner Tretaktion steuern kann. Dafür erfassen ein Kraft- oder Drehmomentsensor sowie ein Drehwinkelsensor Tretkurbelkräfte und Tretkurbelposition mit hoher Auflösung. Aus der Art der momentanen Tretaktion des Fahrers erkennt ein Rechner anhand gespeicherten Wissens über den typischen Kraft- oder Drehmomentverlauf während einer Tretkurbelumdrehung den Fahrerwillen und setzt ihn durch den Vergleich von Soll- und Istwerten unmittelbar in ein entsprechendes Steuersignal für den Motor um.
Die US 5 829 546 A beschreibt einen elektrischen Antrieb für ein Fahrrad, in dem eine Sensoreinheit zum Erfassen einer Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle und einer Torsion vorgesehen ist, die auf die Kurbelwelle ausgeübt wird.
Die WO 2008 / 109 914 A2 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen und Überwachen eines Drehmoments, das von einem Fahrradfahrer während des Tretens ausgeübt wird.
Es ist die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, das beziehungsweise die dazu geeignet ist, auf einfache Weise ein Solldrehmoment zu ermitteln, um so eine kostengünstige elektrische Antriebseinheit zu ermöglichen und den Fahrkomfort des Elektrofahrrads zu erhöhen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrofahrrads ein Empfangen einer Mehrzahl von Triggersignalen, die repräsentativ ist für einen Drehwinkel von mindestens einer Pedalkurbel des Elektrofahrrads. Das Verfahren umfasst weiter ein Ermitteln eines Wertes eines Realdrehmoments je empfangenen Triggersignal, das durch einen Fahrradfahrer erzeugt wird. Im weiteren Verlauf wird der jeweils ermittelte Wert des Realdrehmoments in einer Puffereinheit zwischengespeichert. Das Verfahren umfasst weiterhin ein Ermitteln eines Solldrehmoments für eine elektrische Antriebseinheit des Elektrofahrrads in Abhängigkeit der in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments. Außerdem umfasst das Verfahren ein Zuordnen einer zeitlichen Gewichtung der in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments.
Durch das beschriebene Verfahren wird ermöglicht, dass ein Solldrehmoment für die elektrische Antriebseinheit des Elektrofahrrads in Abhängigkeit eines Drehwinkels ermittelt wird. Entsprechend dem ermittelten Solldrehmoment wird eine Antriebsleistung durch die elektrische Antriebseinheit des Elektrofahrrads bereitgestellt, die zusätzlich zu einer menschlichen Antriebsleistung in einem Antriebsstrang des Elektrofahrrads in eine Vortriebsleistung umgewandelt wird und so den Fahrradfahrer unterstützt. In diesem Zusammenhang entspricht der zeitliche Abstand zwischen zwei Triggersignalen einem minimalen Drehwinkel der Pedalkurbeln des Elektrofahrrads, der durch das Verhältnis von einer vollen Umdrehung, also 360°, zu der Mehrzahl von Triggersignalen gegeben ist. Bevorzugt ist ein Bereich zwischen 10 und 80 Triggersignalen pro voller Umdrehung, so dass der zugehörige Drehwinkel im Bereich zwischen 4,5° und 36° liegt. In dem angegebenen Bereich ist 24 eine besonders präferierte Mehrzahl von Triggersignalen, der entsprechende minimale Drehwinkel zwischen zwei Triggersignalen hat dann einen Wert von 15°.
Das Ermitteln des Solldrehmoments erfolgt demnach durch ein positionsbasiertes Auswerten der gemessenen Werte des Realdrehmoments, was nur einen geringen Berechnungsaufwand bedarf. Infolgedessen ist es im Rahmen eines solchen Verfahrens möglich, leistungsschwache und preiswerte Computerkomponenten für die elektrische Antriebseinheit des Elektrofahrrads zu implementieren.
Darüber hinaus leistet das positionsbasierte Ermitteln des Solldrehmoments einen Beitrag dazu, Schwankungen des Solldrehmoments gering zu halten, was eine gleichmäßige und schwingungsarme Solldrehmomentvorgabe ermöglicht. Auf diese Weise ist es unter anderem möglich, eine verbesserte Energieeffizienz der elektrischen Antriebseinheit und einen höheren Fahrkomfort des Elektrofahrrads zu realisieren.
Die Puffereinheit, in der pro Triggersignal der ermittelte Wert des Realdrehmoments zwischengespeichert wird, hat als Datenspeicher eine Länge, die abhängig von Produkt aus der Mehrzahl der Triggersignale und einem in der Regel ganzzahligen positiven Faktor ist. In diesem Zusammenhang liegt der Wert für den positiven Faktor bevorzugt zwischen 1 und 4, besonders bevorzugt ist der Wert 2, sodass die Puffereinheit zum Beispiel bei 24 Triggersignalen pro Umdrehung eine Länge von 48 hat.
Gemäß einer Ausgestaltung des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ein Ermitteln eines Wertes einer Trittgeschwindigkeit je empfangenen Triggersignal, die durch den Fahrradfahrer erzeugt wird. Darüber hinaus umfasst das Verfahren ein Zwischenspeichern des jeweils ermittelten Wertes der Trittgeschwindigkeit in der Puffereinheit. Weiterhin umfasst das Verfahren ein Ermitteln des Solldrehmoments für die elektrische Antriebseinheit des Elektrofahrrads in Abhängigkeit der in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte der ermittelten Trittgeschwindigkeit.
In diesem Zusammenhang wird das Solldrehmoment für die elektrische Antriebseinheit des Elektrofahrrads in Abhängigkeit der Trittgeschwindigkeit und des Drehwinkels von mindestens einer Pedalkurbel des Elektrofahrrads ermittelt. Dies ermöglicht es, die auf Grundlage des ermittelten Solldrehmoments bereitgestellte Antriebsleistung durch die elektrische Antriebseinheit an die Trittgeschwindigkeit des Fahrradfahrers anzupassen. Auf diese Weise wird zum Beispiel berücksichtigt, dass bei einem vergleichsweise kleinen Schaltgang zwar eine hohe Trittgeschwindigkeit vorliegt, aber gegebenenfalls nur ein geringes Realdrehmoment durch den Fahrradfahrer aufgebracht wird, sodass durch das ermittelte Solldrehmoment eine entsprechende Unterstützung erfolgt. Analog gilt dies für eine geringe Trittgeschwindigkeit, die gegebenenfalls mit einem hohen Realdrehmoment in Verbindung steht, wenn vergleichsweise ein hoher Schaltgang des Elektrofahrrads eingestellt ist. Diese beiden Fälle beschreiben zum Beispiel eine Bergauffahrt und eine Bergabfahrt mit dem Elektrofahrrad.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ein Ermitteln des Solldrehmoments mittels Mittelwertbildung der in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments.
Das zu ermittelnde Solldrehmoment wird beispielsweise durch Berechnung des arithmetischen Mittelwertes der in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments gebildet. Auf diese Weise werden die in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments gleichgewichtet in die Berechnung für das Solldrehmoment einbezogen. Die Anzahl der in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments ist abhängig von der Mehrzahl der Triggersignale. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, dass der Mittelwert erst ab einer vorgegebenen minimalen Anzahl von zwischengespeicherten Werten des ermittelten Realdrehmoments berechnet wird. Im Rahmen dieses Verfahrens wird dann zum Beispiel die Anzahl der in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments überprüft und falls die Anzahl kleiner als die vorgegebene Minimal-Anzahl ist, wird ein konstantes Solldrehmoment, beispielsweise ein Solldrehmoment von Null, ausgegeben. Auf diese Weise wird die Genauigkeit der Berechnung des Mittelwertes erhöht und etwaige Rechen- oder Messfehler fallen weniger ins Gewicht, sodass dadurch auftretende Schwankungen des ermittelten Solldrehmoments gering gehalten werden. Darüber hinaus sind die ermittelten Werte des Realdrehmoments zum Beispiel bei einem Anfahren des Elektrofahrrads durch den Fahrradfahrer sehr unterschiedlich, weswegen auch aufgrund einer solchen Situation die zuvor beschriebene Vorgabe eines konstanten Solldrehmoments nutzbringend ist. Außerdem wird auf diese Weise, zum Beispiel bei einer versehentlichen Bewegung der Pedalkurbeln des Elektrofahrrads, ein ungewolltes Anfahren verhindert.
Das Ermitteln des Solldrehmoments auf Basis von Mittelwertbildung der zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments ist nicht zwangsläufig auf eine Berechnung des arithmetischen Mittelwertes beschränkt. Im Rahmen des Verfahrens ist es alternativ oder zusätzlich möglich, weitere Mittelwertberechnungsverfahren bei dem Ermitteln des Solldrehmoments hinzuzuziehen, die beispielsweise einen harmonischen Mittelwert, einen quadratischen Mittelwert oder einen Median der in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte des Realdrehmoments ausgeben.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts wird das Solldrehmoment in Zusammenhang mit einem Übersetzungsfaktor und einem Unterstützungsfaktor ermittelt.
Das Ermitteln des Solldrehmoments umfasst das Produkt aus dem zuvor beschriebenen gemittelten Wert der in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte des Realdrehmoments, einem Unterstützungsfaktor und einem Übersetzungsfaktor. Aufgrund dessen wirken sich auch der Unterstützungsfaktor und der Übersetzungsfaktor auf die Berechnung des Solldrehmomentes aus.
Der Unterstützungsfaktor wird in diesem Rahmen nicht als fester Wert vorgegeben, sondern wird beispielsweise durch den Fahrradfahrer eingestellt und kann zum Beispiel vordefinierte Unterstützungsstufen aufweisen, die als „niedrig“, „mittel“ oder „hoch“ gekennzeichnet sind. Zusätzlich ist auch eine Unterstützungsstufe „aus“ realisierbar, sodass ein Fahrradfahrer die Möglichkeit hat, das Elektrofahrrad ohne zusätzliche Antriebsleistung durch die elektrische Antriebseinheit zu benutzen. In diesem Zusammenhang ist der Unterstützungsfaktor zum Beispiel so skaliert, dass ein Wert von 1 eine unterstützende Antriebsleistung bereitstellt, die näherungsweise einer menschlichen Durchschnittsleistung des Fahrradfahrers entspricht. Basierend darauf ist beispielsweise ein Einstellbereich des Unterstützungsfaktors von 0,5 bis 2 einzuordnen.
Alternativ ist es auch möglich, den Unterstützungsfaktor stufenlos zu regeln, um so eine variable Unterstützung durch die elektrische Antriebseinheit zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang ist der Unterstützungsfaktor eine Funktion des Solldrehmoments, der Trittgeschwindigkeit, einer Fahrradgeschwindigkeit des Elektrofahrrads und/oder anderer beteiligter Größen.
Der Übersetzungsfaktor bezeichnet in diesem Zusammenhang einen Faktor, der eine gewünschte Antriebsleistung in ein äquivalentes Drehmoment übersetzt und wird vorzugsweise für Elektrofahrräder mit Nabenmotoranordnung eingesetzt. Abhängig von dem Antriebsstrang des Elektrofahrrads, in dem die menschliche und elektrische Antriebsleistung zusammen in Vortriebsleistung umgewandelt werden, und vorhandenen Getriebestufen besitzt der Übersetzungsfaktor einen konstanten Wert oder ist zum Beispiel eine Funktion eines Quotienten aus der Trittgeschwindigkeit und einer Motordrehzahl des Elektrofahrrads.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts wird im Rahmen des Verfahrens das ermittelte Solldrehmoment durch mindestens einen Limitierungsfaktor limitiert. Ein möglicher Limitierungsfaktor ist zum Beispiel ein geschwindigkeitsabhängiger Limitierungsfaktor, der unter anderem die Funktion hat, bei einer vorgegebenen Maximalgeschwindigkeit des Elektrofahrrads zum Beispiel die elektrische Antriebseinheit abzuschalten. In einem solchen Fall erfolgt die Abschaltung der elektrischen Antriebseinheit nicht abrupt, sondern innerhalb eines Geschwindigkeitsbandes, das durch eine Abregelungsbandbreite vorgegeben ist. Beispielsweise liegt der Wert des geschwindigkeitsabhängigen Limitierungsfaktors zwischen 0 und 1, sodass er bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit des Elektrofahrrads den Wert 1 hat. Oberhalb dieser Geschwindigkeit fällt der Wert des geschwindigkeitsabhängigen Limitierungsfaktors monoton ab, bis er bei der vorgegebenen Maximalgeschwindigkeit den Wert 0 annimmt. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der geschwindigkeitsabhängige Limitierungsfaktor derart ausgebildet ist, dass der monotone Abfall linear fallend ist.
Eine weitere Möglichkeit eines Limitierungsfaktors ist ein leistungsabhängiger Limitierungsfaktor, der vor der Ansteuerung der elektrischen Antriebseinheit mit dem ermittelten Solldrehmoment multipliziert wird. Auf diese Weise wird zum Beispiel realisiert, dass die mit dem ermittelten Solldrehmoment einhergehende Antriebsleistung der elektrischen Antriebseinheit eine vorgegebene maximale Ausgangsleistung nicht überschreitet. Beispielsweise ist der leistungsabhängige Limitierungsfaktor durch einen Quotienten aus einer vorgegebenen maximalen Ausgangsleistung und einer Sollausgangsleistung bestimmt. In diesem Zusammenhang ist ein Maximalwert des Quotienten vorzugsweise auf 1 beschränkt.
Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, das Solldrehmoment auf einen vorgegebenen Maximalwert zu begrenzen, um so zum Beispiel eine Überbelastung mechanischer Komponenten des Elektrofahrrads, wie zum Beispiel der des Antriebsstranges, zu vermeiden. Um einen solchen Zustand zu realisieren, werden beispielsweise das ermittelte Solldrehmoment oder die Werte des ermittelten Realdrehmoments vor dem Zwischenspeichern in der Puffereinheit durch einen vorgegebenen Limitierungsfaktor begrenzt oder auf ein vorgegebenes Limit gesetzt.
Darüber hinaus ist auch ein temporärer Limitierungsfaktor möglich, der zum Beispiel die Funktion hat, das ermittelte Solldrehmoment für einen vorgegebenen Zeitraum auf einen vorgegebenen relativen oder absoluten Wert zu reduzieren oder einzustellen. In diesem Zusammenhang sind Schaltvorgänge oder ein Durchdrehen eines angetriebenen Rades des Elektrofahrrads mögliche Ereignisse, bei denen einen temporärer Limitierungsfaktor nutzbringend ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ein Zurücksetzen zumindest eines Teils der in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments in Abhängigkeit eines Fahrzustands des Elektrofahrrads.
Auf diese Weise wird zum Beispiel ermöglicht, ein Regelverhalten bei Schaltvorgängen des Elektrofahrrads zu verbessern. Beispielsweise werden die zeitlich neuesten zuletzt zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments in der Puffereinheit beibehalten, während die zeitlich älteren Werte gelöscht werden. Wird beispielsweise ein Schaltgang des Elektrofahrrads runtergeschaltet, so erfolgt in der Regel ein Abfall des Realdrehmoments, das durch den Fahrradfahrer erzeugt wird, da der Widerstand, den der Fahrradfahrer bei einem gegebenen Schaltgang zur Fortbewegung überwinden muss, abnimmt. Allerdings steigt aus diesem Grund in einem solchen Fall die Trittgeschwindigkeit an.
Anlog begründet ist ein Anstieg des Realdrehmoments des Fahrradfahrers bei einem Heraufschalten in einen höheren Schaltgang des Elektrofahrrads, während die Trittgeschwindigkeit üblicherweise abfällt.
Die beschriebenen Schaltvorgänge sind gegebenenfalls bei einer Bergauf- oder Bergabfahrt mit dem Elektrofahrrad oder bei einer Geschwindigkeitsänderung des Elektrofahrrads erforderlich, sodass die unterstützende Antriebsleistung durch die elektrische Antriebseinheit an einen aktuellen Fahrzustand angepasst wird. In diesem Zusammenhang sind zum Beispiel zwei vordefinierte relative Schalterkennungsschwellen für das Realdrehmoment und die Trittgeschwindigkeit vorteilhaft, mittels derer der aktuelle Fahrzustand des Elektrofahrrads überprüft wird. Im Rahmen des Verfahrens wird beispielsweise kontrolliert, ob der Mittelwert der zeitlich neuesten zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments, die zum Beispiel während der letzten halben Umdrehung der Pedalkurbeln des Elektrofahrrads aufgenommen wurden, größer ist als der Mittelwert aller in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments multipliziert mit der entsprechenden Schalterkennungsschwelle des Realdrehmoments. Dieser Fall tritt zum Beispiel ein, wenn der Schaltgang des Elektrofahrrads erhöht wird. Wenn also ermittelt wurde, dass der Mittelwert der zeitlich neuesten zwischengespeicherten Werte des Realdrehmoments größer als das zuvor beschriebene Produkt ist, wird zumindest ein Teil der in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments zurückgesetzt und so zum Beispiel der Fahrzustand des Elektrofahrrads aktualisiert.
Analog gilt diese Überprüfung in Bezug auf die Trittgeschwindigkeit, bei der kontrolliert wird, ob der Mittelwert der zeitlich neuesten zwischengespeicherten Werte der ermittelten Trittgeschwindigkeit, die zum Beispiel während der letzten halben Umdrehung der Pedalkurbeln des Elektrofahrrads aufgenommen wurden, kleiner ist als der Mittelwert aller in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte der ermittelten Trittgeschwindigkeit dividiert durch die entsprechende Schalterkennungsschwelle der Trittgeschwindigkeit.
Für den Fall, dass zum Beispiel der Schaltgang des Elektrofahrrads heruntergeschaltet wird, wird eine Überprüfung durchgeführt, die sich zu den oben beschriebenen Überprüfungen invers verhält.
Beispielhafte Werte für die vordefinierten relativen Schalterkennungsschwellen sind in diesem Zusammenhang 1,5 für das Realdrehmoment und 1,2 für die Trittgeschwindigkeit.
Darüber hinaus ist es möglich, alle in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments und/oder der ermittelten Trittgeschwindigkeit in Abhängigkeit des Fahrzustands des Elektrofahrrads zurückzusetzen. In diesem Zusammenhang werden alle Werte gelöscht und es wird ein Solldrehmoment von Null ausgegeben. Ein solcher Fall ist gegebenenfalls erforderlich, wenn beispielsweise die ermittelte Trittgeschwindigkeit kleiner als eine vorgegebene Drehgeschwindigkeitsschwelle ist. Die vorgegebene Drehgeschwindigkeitsschwelle ist dann zum Beispiel durch eine vorgegebene Anzahl an Umdrehungen pro Minute bestimmt. Eine mögliche Drehgeschwindigkeitsschwelle, die im Rahmen dieses Verfahrens nutzbringend ist, ist 10 Umdrehungen pro Minute.
Alternativ ist es möglich, eine maximale Zeitschwelle zwischen zwei Triggersignalen zu definieren, der durch die Drehgeschwindigkeitsschwelle bestimmt ist. Sofern die Zeit zwischen zwei Triggersignalen größer ist als der Kehrwert des Produkts aus Drehgeschwindigkeitsschwelle und der Mehrzahl von Triggersignalen pro Umdrehung, werden alle in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte gelöscht und es wird ein Solldrehmoment von Null ausgegeben. Werden beispielsweise 24 Triggersignale pro Umdrehung empfangen, hat die maximale Zeitschwelle in Zusammenhang mit der zuvor angegebenen Drehgeschwindigkeitsschwelle von 10 Umdrehungen pro Minute einen Wert von 0,25 Sekunden.
Durch die Implementierung der beschriebenen Drehgeschwindigkeitsschwelle und/oder Zeitschwelle wird zum Beispiel ein schnelles Abschalten der elektrischen Antriebseinheit des Elektrofahrrads ermöglicht, wenn der Fahrradfahrer beispielsweise mit dem Treten der Pedalkurbeln aufhört. Dies ist zum Beispiel notwendig, wenn der Fahrradfahrer des Elektrofahrrads situationsbedingt anhalten muss, sodass auf diese Weise ein Beitrag für die Sicherheit beim Betreiben des Elektrofahrrads geleistet wird.
Alternativ oder zusätzlich ist bei dem Ermitteln des Solldrehmoments auch ein vorgegebener Schwellenwert für den berechneten Mittelwert möglich, der zumindest einen Teil der in der Puffereinheit zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments und/oder der ermittelten Trittgeschwindigkeit berücksichtigt und der sich auf einen Fahrzustand bezieht, in dem das Elektrofahrrad in Bewegung ist. Fällt der berechnete Mittelwert zum Beispiel während einer Fahrt mit dem Elektrofahrrad unter den vorgegebenen Schwellenwert, erfolgt wie oben beschrieben ein Zurücksetzen aller zwischengespeicherten Werte in der Puffereinheit, die Ausgabe eines Solldrehmoments mit dem Wert Null und damit ein Abschalten der elektrischen Antriebseinheit. Auf diese Weise wird die elektrische Antriebseinheit des Elektrofahrrads abgeschaltet, wenn zum Beispiel der Fahrradfahrer die Pedalkurbeln nur mit wenig Kraft bewegt. Bevorzugt ist in diesem Zusammenhang ein Schwellenwert von 2 Newtonmetern.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Implementierung eines Schwellenwertes, der sich auf einen Fahrzustand bezieht, in dem das Elektrofahrrad nicht in Bewegung ist oder zumindest die elektrische Antriebseinheit keine Antriebsleistung bereitstellt. In einem solchen Fall ist der Schwellenwert wie in dem vorherigen Absatz beschrieben definiert und verhindert ein unbeabsichtigtes Abschalten der elektrischen Antriebseinheit. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise ein Schwellenwert von 4 Newtonmetern vorteilhaft.
Auf diese Weise werden zum Beispiel zeitlich ältere ermittelte und zwischengespeicherte Werte des Realdrehmoments weniger gewichtet als zeitlich neuere. Besonders vorteilhaft ist eine hohe Gewichtung der neuesten ermittelten und zwischengespeicherten Werte des Realdrehmoments, zum Beispiel die aus der letzten Umdrehung der mindestens einen Pedalkurbel des Elektrofahrrads. Die zeitlich davor ermittelten und zwischengespeicherten Werte werden dann beispielsweise absteigend gewichtet, sodass die aktuellsten Werte des Realdrehmoments die höchste Priorität haben und dadurch der aktuelle Fahrzustand besonders berücksichtigt wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ein Bereitstellen der Triggersignale mittels eines Kodierers, der pro Umdrehung der mindestens einen Pedalkurbel des Elektrofahrrads eine feste Mehrzahl an Triggersignalen ausgibt.
In diesem Zusammenhang werden die Triggersignale, die im Rahmen des Verfahrens in einer Mehrzahl empfangen werden und repräsentativ sind für einen Drehwinkel von mindestens einer Pedalkurbel des Elektrofahrrads, durch den Kodierer bereitgestellt. Der Kodierer ist beispielsweise eine Vorrichtung, die einen Hallsensor umfasst, der in der Nähe eines Zahnrads des Elektrofahrrads angeordnet ist und der bei einer Drehbewegung des Zahnrads ein Vorbeilaufen der Zähne des Zahnrads detektiert. Für jeden Zahn des Zahnrads, der den Messbereich des Hallsensors passiert, wird mittels des Kodierers ein Triggersignal bereitgestellt, sodass die in Abhängigkeit der Drehbewegung des Zahnrads generierten Triggersignale repräsentativ sind für einen Drehwinkel der mindestens einen Pedalkurbel des Elektrofahrrads. Auf diese Weise wird eine indirekte Winkelmessung des Drehwinkels der mindestens einen Pedalkurbel durchgeführt und es wird ein positionsbasiertes Ermitteln des Solldrehmoments ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ein Bereitstellen der Triggersignale mittels eines Winkelsensors, der pro vorgegebenem Winkelintervall der mindestens einen Pedalkurbel des Elektrofahrrads eine feste Mehrzahl an Triggersignalen ausgibt.
Diese Ausgestaltung ist eine weitere Möglichkeit, eine Mehrzahl von Triggersignalen in Abhängigkeit des Drehwinkels der mindestens einen Pedalkurbel des Elektrofahrrads zu generieren. Die Triggersignale werden in diesem Rahmen auf Basis der Ausgabewerte des Winkelsensors generiert und bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ein Bereitstellen der Triggersignale mittels eines Trittgeschwindigkeitssensors.
Der Trittgeschwindigkeitssensor misst eine Winkelgeschwindigkeit der mindestens einen Pedalkurbel des Elektrofahrrads, die mathematisch einer zeitlichen Ableitung des Drehwinkels der mindestens einen Pedalkurbel entspricht. Infolgedessen ist es möglich durch zeitliche Integration der Winkelgeschwindigkeit den Drehwinkel zu berechnen, was einer indirekten Winkelmessung entspricht. Analog zu der Ausgestaltung mit einem Winkelsensor werden die Triggersignale auf Basis der Ausgabewerte des Trittgeschwindigkeitssensor generiert und bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des ersten Aspekts umfasst das Verfahren ein Steuern einer elektrischen Antriebseinheit des Elektrofahrrads in Abhängigkeit der ermittelten Werte des Solldrehmoments.
In diesem Zusammenhang umfasst das Verfahren das Ermitteln des Solldrehmoments und das Steuern der elektrischen Antriebseinheit des Elektrofahrrads nach einem der zuvor beschriebenen Verfahren.
Gemäß eines weiteren Aspekts ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Elektrofahrrads dazu ausgebildet, zumindest eines der zuvor beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen die Figuren:

1 ein Ablaufdiagramm eines Programms zum Betreiben eines Elektrofahrrads,
2 ein Verlaufsdiagramm für einen geschwindigkeitsabhängigen Limitierungsfaktor.

In 1 ist ein Ablaufdiagramm für ein Programm zum Betreiben eines Elektrofahrrads EF dargestellt, das zum Beispiel in einer Steuereinheit des Elektrofahrrads EF abgearbeitet wird. Die Steuereinheit umfasst zum Beispiel einen Daten- und Programmspeicher sowie eine Recheneinheit und ist signaltechnisch mit einer elektrischen Antriebseinheit EA des Elektrofahrrads EF gekoppelt. Die Steuereinheit ist dazu ausgebildet, Triggersignale zu empfangen oder zu berechnen und in Abhängigkeit der empfangenen oder berechneten Triggersignale ein Solldrehmoment D soll zu ermitteln und die elektrische Antriebseinheit EA zu steuern.
In einem Schritt S1 wird das Programm gestartet und es werden gegebenenfalls Variablen initialisiert. Der Start des Programms kann beispielsweise zeitnah zu einem Start der elektrischen Antriebseinheit EA des Elektrofahrrads EF erfolgen.
In einem Schritt S3 werden in Abhängigkeit einer Drehbewegung mindestens einer Pedalkurbel PK des Elektrofahrrads EF mittels eines Kodierers KO eine Mehrzahl N_T von Triggersignalen generiert, die repräsentativ ist für einen Drehwinkel der mindestens einen Pedalkurbel PK des Elektrofahrrads EF. Alternativ oder zusätzlich werden die Triggersignale auf Basis von Ausgabewerten eines Winkelsensors oder eines Trittgeschwindigkeitssensors bereitgestellt.
In einem Schritt S5 werden in Abhängigkeit der Mehrzahl N_T der Triggersignale mittels eines Drehmomentsensors DMS und eines Trittgeschwindigkeitssensors TGS Messsignale MS_DMS und MS_TGS aufgenommen, aus denen je empfangenen Triggersignal Werte eines Realdrehmoments D_real und einer Trittgeschwindigkeit TG ermittelt werden, die durch einen Fahrradfahrer des Elektrofahrrads EF erzeugt werden.
Zum Beispiel umfasst das Messsignal MS_DMS des Drehmomentsensors DMS Informationen über ein Gesamtdrehmoment, das das durch den Fahrradfahrer aufgebrachte Realdrehmoment D_real und ein durch die elektrische Antriebseinheit EA bereitgestelltes Drehmoment umfasst. Wird in diesem Rahmen das durch die elektrische Antriebseinheit EA bereitgestellte Drehmoment separat gemessen oder berechnet, so ist es beispielsweise möglich, das Realdrehmoment D_real durch Subtraktion des durch die elektrische Antriebseinheit EA bereitgestellten Drehmoments von dem Gesamtdrehmoment zu ermitteln.
In einem Schritt S7 werden die Werte des ermittelten Realdrehmoments D_real und der ermittelten Trittgeschwindigkeit TG in einer Puffereinheit PE jeweils zwischengespeichert.
In einem Schritt S9 wird in Abhängigkeit der in der Puffereinheit PE zwischengespeicherten Werte des Realdrehmoments D_real und/oder der Trittgeschwindigkeit TG ein Solldrehmoment D_soll für die elektrische Antriebseinheit EA des Elektrofahrrads EF ermittelt.
Da die generierten und bereitgestellten Triggersignale des Kodierers KO repräsentativ sind für einen Drehwinkel mindestens einer Pedalkurbel PK des Elektrofahrrads EF, erfolgt das Ermitteln des Solldrehmoments D soll durch eine positionsbasierte Auswertung der gemessenen und ermittelten Werte des Realdrehmoments D_real und/oder Trittgeschwindigkeit TG.
In diesem Zusammenhang wird das Solldrehmoment D_soll gegebenenfalls mit einem Übersetzungsfaktor und einem Unterstützungsfaktor ermittelt und umfasst zum Beispiel ein Mittelwertberechnungsverfahren zumindest eines Teils der in der Puffereinheit PE zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments D_real und/oder der Trittgeschwindigkeit TG.
Darüber hinaus ist es auch möglich, das ermittelte Solldrehmoment D soll in einem optionalen Schritt S10 mittels eines Limitierungsfaktors LF zu begrenzen. Beispielsweise wird das ermittelte Solldrehmoment D soll mittels eines geschwindigkeitsabhängigen Limitierungsfaktors LF-v limitiert, der unter anderem die Funktion hat, bei einer vorgegebenen Maximalgeschwindigkeit v_max des Elektrofahrrads EF zum Beispiel die elektrische Antriebseinheit EA abzuschalten. Alternativ oder zusätzlich wird das ermittelte Solldrehmoment D_soll durch weitere Limitierungsfaktoren LF, wie zum Beispiel einen leistungsabhängigen oder temporären Limitierungsfaktor, begrenzt.
In einem Schritt S11 wird auf Basis des ermittelten Solldrehmoments D soll mindestens ein Steuersignal ST an die elektrische Antriebseinheit EA gesendet, um so eine gewünschte unterstützende elektrische Antriebsleistung e_AL durch die elektrische Antriebseinheit EA einzustellen. Auf diese Weise wird die elektrische Antriebseinheit EA gesteuert und so zum Beispiel die durch die elektrische Antriebseinheit EA bereitgestellte elektrische Antriebsleistung e AL an einen aktuellen Fahrzustand angepasst.
In einem Schritt S13 werden eine menschliche Antriebsleistung m_AL und die auf Basis des ermittelten Solldrehmoments D_soll durch die elektrische Antriebseinheit EA bereitgestellte elektrische Antriebsleistung e_AL in einem Antriebsstrang AS in eine Vortriebsleistung VL umgewandelt, die dann auf ein oder mehrere Räder R des Elektrofahrrads EF verteilt wird. Dabei wird die menschliche Antriebsleistung m_AL zum Beispiel durch den Fahrradfahrer des Elektrofahrrads EF und die durch ihn erzeugte mechanische Drehbewegung der Pedalkurbeln PK aufgebracht. Alternativ ist es auch möglich, die durch den Fahrradfahrer aufgebrachte menschliche Antriebsleistung m_AL mittels eines Generators in elektrische Antriebleistung umzuwandeln, die dann zum Beispiel der elektrischen Antriebseinheit EA und/oder einem Energiespeicher zugeführt wird.
Ein optionaler Schritt S14 beinhaltet zum Beispiel das Ermitteln einer Geschwindigkeit v des Elektrofahrrads EF mittels eines Geschwindigkeitssensors GS und/oder das Ermitteln eines aktuellen Fahrzustandes FZ, welche dann zum Beispiel im weiteren Verlauf bei dem Ermitteln des Solldrehmoments D soll berücksichtigt werden.
In einem Schritt S15 wird das Programm zum Ermitteln des Solldrehmoments D soll beendet. Dies erfolgt zum Beispiel, wenn das Elektrofahrrad EF oder die elektrische Antriebseinheit EA abgeschaltet wird.
In 2 ist ein Verlaufsdiagramm eines geschwindigkeitsabhängigen Limitierungsfaktors LF_v dargestellt, der das ermittelte Solldrehmoment D soll für das Elektrofahrrad EF limitiert. Der geschwindigkeitsabhängige Limitierungsfaktor LF_v hat zum Beispiel die Funktion bei einer vorgegebenen Maximalgeschwindigkeit v_max des Elektrofahrrads EF das ermittelte Solldrehmoment D soll auf 0 zu setzen und dadurch die elektrische Antriebseinheit EA abzuschalten.
In diesem Ausführungsbeispiel hat der geschwindigkeitsabhängige Limitierungsfaktor LF-v bis zu einer bestimmten ersten Geschwindigkeit v_1 des Elektrofahrrads EF einen konstanten Wert von 1. Steigt die Geschwindigkeit v des Elektrofahrrads EF weiter an, nimmt der Wert des geschwindigkeitsabhängigen Limitierungsfaktors LF_v ab, bis er bei einer Maximalgeschwindigkeit v_max des Elektrofahrrads EF den Wert 0 annimmt. Der geschwindigkeitsabhängige Limitierungsfaktors LF-v fällt innerhalb eines Geschwindigkeitsbandes, dessen Abregelungsbandbreite durch die erste Geschwindigkeit v_1 und die Maximalgeschwindigkeit v_max definiert ist, beispielsweise monoton ab, sodass ein Abschalten der elektrischen Antriebseinheit EA nicht abrupt sondern kontinuierlich erfolgt. In der gezeigten Grafik ist dieser monotone Abfall linear dargestellt, was aber nicht zwangsläufig der Fall sein muss.
Bezugszeichenliste

AS: Antriebsstrang
D_real: Realdrehmoment
D_soll: Solldrehmoment
DMS: Drehmomentsensor
e_AL: elektrische Antriebsleistung
EA: elektrische Antriebseinheit
EF: Elektrofahrrad
FZ: Fahrzustand
GS: Geschwindigkeitssensor
KO: Kodierer
LF: Limitierungsfaktor
LF-v: geschwindigkeitsabhängiger Limitierungsfaktor
m_AL: menschliche Antriebsleistung
MS TGS: Messsignal Trittgeschwindigkeitssensor
MS DMS: Messsignal Drehmomentsensor
N_T: Mehrzahl Triggersignale
PE: Puffereinheit
PK: Pedalkurbel
R: Rad
ST: Steuersignale
TG: Trittgeschwindigkeit
TGS: Trittgeschwindigkeitssens
TS: Triggersignal
v: Geschwindigkeit
v_1: erste Geschwindigkeit
v_max: Maximalgeschwindigkeit
VL: Vortriebsleistung

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Elektrofahrrads (EF), umfassend - Empfangen einer Mehrzahl (N_T) von Triggersignalen (TS), die repräsentativ ist für einen Drehwinkel von mindestens einer Pedalkurbel (PK) des Elektrofahrrads (EF), - Ermitteln eines Wertes eines Realdrehmoments (D_real) je empfangenen Triggersignal, das durch einen Fahrradfahrer erzeugt wird, - jeweils Zwischenspeichern des Wertes des ermittelten Realdrehmoments (D_real) in einer Puffereinheit (PE), und - Ermitteln eines Solldrehmoments (D_soll) für eine elektrische Antriebseinheit (EA) des Elektrofahrrads (EF) in Abhängigkeit der in der Puffereinheit (PE) zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments (D_real), dadurch gekennzeichnet, - dass das Verfahren ein Zuordnen einer zeitlichen Gewichtung der in der Puffereinheit (PE) zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments (D_real) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend - Ermitteln eines Wertes einer Trittgeschwindigkeit (TG) je empfangenen Triggersignal, die durch den Fahrradfahrer erzeugt wird, - jeweils Zwischenspeichern des Wertes der ermittelten Trittgeschwindigkeit (TG) in der Puffereinheit (PE), und - Ermitteln des Solldrehmoments (D_soll) für die elektrische Antriebseinheit (EA) des Elektrofahrrads (EF) in Abhängigkeit der in der Puffereinheit (PE) zwischengespeicherten Werte der ermittelten Trittgeschwindigkeit (TG).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, umfassend - Ermitteln des Solldrehmoments (D_soll) mittels Mittelwertbildung der in der Puffereinheit (PE) zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments (D_real).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, - bei dem das Solldrehmoment (D_soll) in Zusammenhang mit einem Übersetzungsfaktor und einem Unterstützungsfaktor ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, - bei dem das ermittelte Solldrehmoment (D_soll) durch mindestens einen Limitierungsfaktor (LF) limitiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend - Zurücksetzen zumindest eines Teils der in der Puffereinheit (PE) zwischengespeicherten Werte des ermittelten Realdrehmoments (D_real) in Abhängigkeit eines Fahrzustands (FZ) des Elektrofahrrads (EF).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend - Bereitstellen der Triggersignale mittels eines Kodierers (KO), der pro Umdrehung der mindestens einen Pedalkurbel (PK) des Elektrofahrrads (EF) eine feste Mehrzahl (N_T) an Triggersignalen ausgibt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend - Bereitstellen der Triggersignale mittels eines Winkelsensors, der pro vorgegebenem Winkelintervall der mindestens einen Pedalkurbel (PK) des Elektrofahrrads (EF) eine feste Mehrzahl (N_T) an Triggersignalen ausgibt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend - Bereitstellen der Triggersignale mittels eines Trittgeschwindigkeitssensors (TGS).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend - Steuern einer elektrischen Antriebseinheit (EA) des Elektrofahrrads (EF) in Abhängigkeit des ermittelten Solldrehmoments (D_soll).
Vorrichtung zum Betreiben eines Elektrofahrrads (EF), - die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.