DE102016003784A1 - Elektrisch unterstütztes Fahrrad (Pedelec) und Verfahren zur inteligenten Unterstützungs- und Rekuperationsregelung in Abhängigkeit von einer automatischen Erkennung der Radsituation, um ein effizientes, einfaches und sicheres Radfahren zu ermöglichen. - Google Patents

Elektrisch unterstütztes Fahrrad (Pedelec) und Verfahren zur inteligenten Unterstützungs- und Rekuperationsregelung in Abhängigkeit von einer automatischen Erkennung der Radsituation, um ein effizientes, einfaches und sicheres Radfahren zu ermöglichen. Download PDF

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    • B62M6/00Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
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    • B62M6/65Rider propelled cycles with auxiliary electric motor power-driven at axle parts with axle and driving shaft arranged coaxially

Abstract

Elektrisch unterstütztes Fahrrad (E-Bike oder Pedelec im folgenden zusammenfassend E-Bike oder Fahrrad genannt) und Verfahren zur intelligenten Unterstützungs- und Rekuperationsregelung in Abhängigkeit von der erfassten Radsituation und gegebenenfalls auch von der individuellen Verfassung des Radfahrers.
Bisher gängige Bedieneinheiten überlassen es in der Regel dem Fahrer, die ihm gemäße Unterstützungsstufe einzustellen, den „richtigen” Gang einzulegen und im Bedarfsfalle auch die Rekuperation (dabei ist der Motor im Generatormodus) manuell zu aktivieren. Was dem ambitionierten Radfahrer noch gut gelingt ist für den Gelegenheitsfahrer oder für Personen mit gesundheitlichen Behinderungen, eingeschränkter Haptik oder ähnlichen Beschränkungen mitunter recht schwer und selten effizient zu bewältigen.
Eine automatische Regelung der Antriebseinheit im Antriebs- oder Rekuperationsmodus und/oder eine automatische Wahl der bestmöglichen Übersetzung in Abhängigkeit von der Radsituation und/oder individuellen Parametern erleichtert das Radfahren und macht es gleichzeitig sicherer und effizienter.
Die intelligente Assistenz beim Radfahren erschließt vielfältige Anwendungsmöglichkeiten insbesondere auch neue Möglichkeiten für Gesundheits- und Fitnessapplikationen alleine oder in der Gruppe. Z. B. kann damit auch das klassische Ergometer-Training mit und ohne EKG Aufzeichnung als mobiles Trainingssystem realisiert werden.
1 zeigt die wesentlichen Elemente der Erfindung zugrundeliegenden Radkonfiguration mit: (1) Control Unit/Smartphone; (2) Motor; (3) Batterie; (4) Motorleistung; (5) Tretleistung/Drehmoment Sensor; (6) Trittfrequenzsensor; (7) GPS Daten/Delta Höhe; (8) Smartphone – Halterung mit USB Anschluss; (9) Geschwindigkeit v; (10) Geschwindigkeitsänderung Delta v; (11) Bremssensor; (12) Neigungssensor; (13) Gangschaltung (gewählte Übersetzung); (14) Weitere Sensordaten, z. B. Raddrehzahl.

Description

    • 1) Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin durch schnelle und automatische Erkennung der Radsituation die bestmögliche Unterstützungs- oder Rekuperationsstufe selbständig (automatisch) und konsequent anzuwählen und zu nutzen, um so mit dem damit ausgestatteten Fahrrad ein effizientes, einfaches und sicheres Radfahren, ohne komplexe Überlegungen, zu ermöglichen. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    • – Die für die Erkennung der Radsituation erforderlichen Informationen werden über Sensoren am Rad und gegebenenfalls von weiteren Informationsquellen erfasst.
    • – Auswertealgorithmen analysieren und bewerten diese Informationen und steuern entsprechend die Antriebseinheit. Die zur Verfügung stehenden Daten sind je nach Radkonfiguration verschieden stark ausgeprägt (z. B. mit oder ohne GPS), so dass die Auswertealgorithmen darauf konfiguriert sind, die Radsituation anhand der zur Verfügung stehenden Daten immer bestmöglicht zu bestimmen.
    • – Die Auswertealgorithmen laufen auf einer elektronischen Steuer- und Regeleinheit. Hinlänglich bekannt sind mittlerweile Smartphones, die entsprechende Halterungen auf dem Fahrradlenker angebracht werden und die Bedienung des Fahrrades oder des E-Bikes mit verschiedenen Funktionen unterstützen (z. B. Navigation, Tracking, Herzfrequenz Anzeige...). Smartphones werden deshalb bevorzugt als Steuer- und Regeleinheit benutzt, aber auch andere Implementierungen sind denkbar. Smartphones haben zusätzlich den Vorteil der integrierten Datenkommunikation über verschiedene, standardisierte Schnittstellen.
    • – Die Radsituation (z. B. Ebene – anfahren, Ebene – beschleunigen, Ebene – verzögern, Ebene – anhalten, Bergab – anfahren, Bergab – beschleunigen, Bergab – verzögern, Bergab – anhalten, Bergauf – anfahren, Bergauf – beschleunigen, Bergauf – verzögern, Bergauf – anhalten...) wird im Wesentlichen abgeleitet aus der Auswertung geeigneter Sensordaten, aber auch aus anderen Informationsquellen (z. B. GPS) und gegebenenfalls auch noch aus individuellen Parametern des Radfahrers. Beispielsweise kann „Bremsen” erkannt werden durch einen Schalter am Bremshebel, „Bergab” durch Tretleistung < x, Geschwindigkeit > y, RPM < z, Delta v von positiv auf >= +/–w (z. B. x = 40 W; y = 28 km/h; z = 10 U/min; –3 km/h > w < +3 km/h), „Bergauf” durch Tretleistung > x, Geschwindigkeit < y, RPM > z, Delta v von negativ auf >= +/–w ... (z. B. x = 100 W, y < 15 km/h, z = 30 U/min, –3 km/h > w < +3 km/h), usw.
    • – Die intelligente Erkennung der Radsituation bewirkt die entsprechende Steuerung der Antriebseinheit im Antriebs- oder Rekuperations-Modus.
    • – Die intelligente Erkennung der Radsituation bewirkt die entsprechende Steuerung der Antriebseinheit im Antriebs-Modus, wenn erkannt wird, dass weiterhin unterstützt werden soll und die Geschwindigkeit v <= 25 km/h bzw. <= 45 km/h (bei S-Pedelecs) ist.
    • – Bei Radkonfigurationen mit elektronisch ansteuerbaren Schaltungen wird in Abhängigkeit von der Radsituation neben der geeigneten Ansteuerung der Antriebseinheit, auch der geeignetste Gang angewählt. Konfigurierbare Parameter (z. B. Trittfrequenz, Tretleistung...) definieren hierbei den bestmöglichen Schaltvorgang.
    • – Die intelligente Erkennung der Radsituation bewirkt die entsprechende Steuerung der Antriebseinheit im Rekuperations-Modus, wenn eine dafür geeignete Radsituation entdeckt wird. Die für eine Rekuperationsregelung geeignetsten Radsituationen sind z. B:
    • • Rekuperation beim Bremsen (dabei können Schwellwerte, z. B. Bremsdauer, einstellbar sein)
    • • Rekuperation beim Bergabfahren (dabei können Schwellwerte, z. B. minimale Geschwindigkeit, einstellbar sein)
    • • Rekuperation beim Training (z. B. um beim Intervalltraining eine geeignete Belastung zu erzielen).
    • 2) Um die in Anspruch 1 definierten Verfahren zu individualisieren kommen zusätzlich noch Parameter des Radfahrers zum Einsatz (siehe 2). Die hierbei maßgeblichen Parameter und Größen sind beispielsweise aber nicht beschränkt auf: Individuelle Fitness (leistungstrainiert, trainiert, untrainiert, beschränkt...) und Leistungsparameter (z. B. Herzfrequenz an der aeroben Schwelle) (17), Größe/Gewicht (15), in Echtzeit gemessene physiologische Parameter (z. B. HF/EKG, Blutdruck, SpO2, Atmung (16)...).
    • 3) Um die in 2 definierte Individualisierung zu vereinfachen können auch geeignete Gruppenprofile hinterlegt werden und die Radfahrer im ersten Schritt geeigneten Profilen wie z. B. „Hobby Radfahrer”, „Leistungssportler” usw. zugeordnet werden. Diese Profile bestimmen dann, falls keine weiteren individuelle Informationen bereitstehen, das Steuer- und Regelverhalten des Fahrrades in den jeweiligen Radsituationen.
    • 4) Um die Rekuperation in Abhängigkeit von der Radsituation zu optimieren wird die bestmögliche Rekuperation zwischen dem minimalen bis maximalen Wert entweder in Stufen (z. B. 1...10) oder stufenlos angesteuert. Je nach Fahrsituation wird damit die Batterie geladen und oder gebremst.
    • 5) Um den Antrieb in Abhängigkeit von der Radsituation zu optimieren wird der bestmögliche Antrieb zwischen dem minimalen (0 Watt) bis maximalen Wert (z. B. 250 W) entweder in Stufen (z. B. 1...100) oder stufenlos angesteuert.
    • 6) Bei Radkonfigurationen mit elektronisch ansteuerbaren Schaltungen wird in Abhängigkeit von der Radsituation neben der geeigneten Ansteuerung der Antriebseinheit, auch der geeignetste Gang angewählt. Damit ergibt sich ein vollautomatisches Radfahren.
    • 7) Das vollautomatische Radfahren nach Anspruch 1 und Ausführung 6 kann weiterhin noch individualisiert werden durch geeignete individuelle Parameter wie in Ausführung 2 beschrieben.
    • 8) Bei Radkonfigurationen ohne elektronisch ansteuerbaren Schaltungen, also mit manuellem Schaltgetriebe wird in Abhängigkeit von der Radsituation neben der geeigneten Ansteuerung der Antriebseinheit optional noch angezeigt wann es empfehlenswert ist zu Schalten (z. B. durch Pfeil nach oben, bzw. nach unten). Damit ergibt sich ein halbautomatisches Radfahren.
    • 9) Analog zu dem vollautomatischen Radfahren nach 7, kann auch das halbautomatische Radfahren nach 8, durch geeignete individuelle Einstellungen und Sensordaten individualisiert werden.
    • 10) Das im Hauptanspruch definierte Fahrrad kann in verschiedenen Betriebsmodi gefahren werden: Halbautomatik – Motorunterstützung automatisch, Schaltung manuell Vollautomatik – Motorunterstützung und Schaltung automatisch Manuell – sowohl Motorunterstützung als auch Schaltung manuell Der Radfahrer kann sich jederzeit für die manuelle Steuerung entscheiden und damit die entsprechenden Automaticmodi außer Kraft setzen.
    • 11) Effizient im Anspruch 1 meint den Umgang mit der Energie, der eigenen, vom Radler zur Verfügung gestellten als auch der Energie für den Motorantrieb, die aus der Batterie kommt. Durch die konsequente (in jeder möglichen Situation) und automatische Aussteuerung der Rekuperation lässt sich beim Bremsen und Bergabfahren viel Energie wieder zurückgewinnen. Für eine manuelle Anwahl oder Steuerung wäre der Fahrer vielfach überfordert bzw. zu stark abgelenkt, um alle Rekuperationssituationen zu nutzen.
    • 12) Mit dem in den Ansprüchen definierten Fahrrad und der damit ermöglichten intelligenten Assistenz beim Radfahren ist es möglich spezifische Fahrrad-Anwendungslösungen zu konfigurieren. Das Fahrrad wird dabei ausgestattet mit anwendungsspezifischer Applikations Software (App), die spezifische Regel- und Steueralgorithmen zusammenfasst und gegebenenfalls mit weiteren Daten kombiniert. Damit ergeben sich neue Möglichkeiten z. B. für Gesundheits- und Fitnessapplikationen alleine oder in der Gruppe. Beispielsweise kann damit das klassische Ergometer-Training mit und ohne EKG Aufzeichnung als mobiles Trainingssystem realisiert werden oder es können mit entsprechenden Fitness-Apps individuelle Trainings durchgeführt und dokumentiert werden oder es kann eine Gruppe von beispielsweise Herzpatienten im Rehasport gemeinsam eine Radtour unternehmen, weil jeder nach seinen individuellen Bedürfnissen unterstützt wird, usw.
    • 13) Wird für die Apps wie in 12 beschrieben ein Smartphone bzw. Tablet eingesetzt, lassen sich die gesammelten Daten auch leicht auf einen geeigneten Server speichern und stehen damit unmittelbar autorisierten Personen (z. B. Trainer, Therapeut, Arzt) zur Verfügung. Damit kann effektiv und effizient Beratung und Hilfestellung geboten werden um z. B. das weitere Training und oder den Gesundheitszustand positiv zu beeinflussen.
  • Beim Erstellen dieser Patentschrift wurden die folgenden bisherigen Patentschriften mit verwandter Thematik herangezogen:
    • DE 20 2010 010 875 U1
    • – Erfindung wo über Schwellwerterkennungen die Sicherheit erhöht wird und die Motorunterstützung entsprechend geregelt wird.
    • WO 2011035974 A1
    • – Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Rekuperation in Abhänigkeit von der Drehrichtung des Kurbeltriebs.
    • DE 10 2012 211 719 A1
    • – Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterstützungsregelung anhand eines vordefinierten Streckenprofils.
    • DE 10 2011 082 086 A1
    • – Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung/Regelung der Antriebsleistung Abhängigkeit von den Fahrbahneigenschaften.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 202010010875 U1 [0001]
    • WO 2011035974 A1 [0001]
    • DE 102012211719 A1 [0001]
    • DE 102011082086 A1 [0001]

Claims (13)

  1. Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin durch schnelle und automatische Erkennung der Radsituation die bestmögliche Unterstützungs- oder Rekuperationsstufe selbständig (automatisch) und konsequent anzuwählen und zu nutzen, um so mit dem damit ausgestatteten Fahrrad ein effizientes, einfaches und sicheres Radfahren, ohne komplexe Überlegungen, zu ermöglichen. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – Die für die Erkennung der Radsituation erforderlichen Informationen werden über Sensoren am Rad und gegebenenfalls von weiteren Informationsquellen erfasst. – Auswertealgorithmen analysieren und bewerten diese Informationen und steuern entsprechend die Antriebseinheit. Die zur Verfügung stehenden Daten sind je nach Radkonfiguration verschieden stark ausgeprägt (z. B. mit oder ohne GPS), so dass die Auswertealgorithmen darauf konfiguriert sind, die Radsituation anhand der zur Verfügung stehenden Daten immer bestmöglicht zu bestimmen. – Die Auswertealgorithmen laufen auf einer elektronischen Steuer- und Regeleinheit. Hinlänglich bekannt sind mittlerweile Smartphones, die entsprechende Halterungen auf dem Fahrradlenker angebracht werden und die Bedienung des Fahrrades oder des E-Bikes mit verschiedenen Funktionen unterstützen (z. B. Navigation, Tracking, Herzfrequenz Anzeige...). Smartphones werden deshalb bevorzugt als Steuer- und Regeleinheit benutzt, aber auch andere Implementierungen sind denkbar. Smartphones haben zusätzlich den Vorteil der integrierten Datenkommunikation über verschiedene, standardisierte Schnittstellen. – Die Radsituation (z. B. Ebene – anfahren, Ebene – beschleunigen, Ebene – verzögern, Ebene – anhalten, Bergab – anfahren, Bergab – beschleunigen, Bergab – verzögern, Bergab – anhalten, Bergauf – anfahren, Bergauf – beschleunigen, Bergauf – verzögern, Bergauf – anhalten..) wird im Wesentlichen abgeleitet aus der Auswertung geeigneter Sensordaten, aber auch aus anderen Informationsquellen (z. B. GPS) und gegebenenfalls auch noch aus individuellen Parametern des Radfahrers. Beispielsweise kann „Bremsen” erkannt werden durch einen Schalter am Bremshebel, „Bergab” durch Tretleistung < x, Geschwindigkeit > y, RPM < z, Delta v von positiv auf >= +/–w (z. B. x = 40 W; y = 28 km/h; z = 10 U/min; –3 km/h > w < +3 km/h), „Bergauf” durch Tretleistung > x, Geschwindigkeit < y, RPM > z, Delta v von negativ auf >= +/–w ... (z. B. x = 100 W, y < 15 km/h, z = 30 U/min, –3 km/h > w < +3 km/h), usw. – Die intelligente Erkennung der Radsituation bewirkt die entsprechende Steuerung der Antriebseinheit im Antriebs- oder Rekuperations-Modus. – Die intelligente Erkennung der Radsituation bewirkt die entsprechende Steuerung der Antriebseinheit im Antriebs-Modus, wenn erkannt wird, dass weiterhin unterstützt werden soll und die Geschwindigkeit v <= 25 km/h bzw. <= 45 km/h (bei S-Pedelecs) ist. – Bei Radkonfigurationen mit elektronisch ansteuerbaren Schaltungen wird in Abhängigkeit von der Radsituation neben der geeigneten Ansteuerung der Antriebseinheit, auch der geeignetste Gang angewählt. Konfigurierbare Parameter (z. B. Trittfrequenz, Tretleistung...) definieren hierbei den bestmöglichen Schaltvorgang. – Die intelligente Erkennung der Radsituation bewirkt die entsprechende Steuerung der Antriebseinheit im Rekuperations-Modus, wenn eine dafür geeignete Radsituation entdeckt wird. Die für eine Rekuperationsregelung geeignetsten Radsituationen sind z. B: • Rekuperation beim Bremsen (dabei können Schwellwerte, z. B. Bremsdauer, einstellbar sein) • Rekuperation beim Bergabfahren (dabei können Schwellwerte, z. B. minimale Geschwindigkeit, einstellbar sein) • Rekuperation beim Training (z. B. um beim Intervalltraining eine geeignete Belastung zu erzielen).
  2. Um die in Anspruch 1 definierten. Verfahren zu individualisieren kommen zusätzlich noch Parameter des Radfahrers zum Einsatz (siehe 2). Die hierbei maßgeblichen Parameter und Größen sind beispielsweise aber nicht beschränkt auf: Individuelle Fitness (leistungstrainiert, trainiert, untrainiert, beschränkt...) und Leistungsparameter (z. B. Herzfrequenz an der aeroben Schwelle) (17), Größe/Gewicht (15), in Echtzeit gemessene physiologische Parameter (z. B. HF/EKG, Blutdruck, SpO2, Atmung (16)...).
  3. Um die in 2 definierte Individualisierung zu vereinfachen können auch geeignete Gruppenprofile hinterlegt werden und die Radfahrer im ersten Schritt geeigneten Profilen wie z. B. „Hobby Radfahrer”, „Leistungssportler” usw. zugeordnet werden. Diese Profile bestimmen dann, falls keine weiteren individuelle Informationen bereitstehen, das Steuer- und Regelverhalten des Fahrrades in den jeweiligen Radsituationen.
  4. Um die Rekuperation in Abhängigkeit von der Radsituation zu optimieren wird die bestmögliche Rekuperation zwischen dem minimalen bis maximalen Wert entweder in Stufen (z. B. 1...10) oder stufenlos angesteuert. Je nach Fahrsituation wird damit die Batterie geladen und oder gebremst.
  5. Um den Antrieb in Abhängigkeit von der Radsituation zu optimieren wird der bestmögliche Antrieb zwischen dem minimalen (0 Watt) bis maximalen Wert (z. B. 250 W) entweder in Stufen (z. B. 1...100) oder stufenlos angesteuert.
  6. Bei Radkonfigurationen mit elektronisch ansteuerbaren Schaltungen wird in Abhängigkeit von der Radsituation neben der geeigneten Ansteuerung der Antriebseinheit, auch der geeignetste Gang angewählt. Damit ergibt sich ein vollautomatisches Radfahren.
  7. Das vollautomatische Radfahren nach Anspruch 1 und Ausführung 6 kann weiterhin noch individualisiert werden durch geeignete individuelle Parameter wie in Ausführung 2 beschrieben.
  8. Bei Radkonfigurationen ohne elektronisch ansteuerbaren Schaltungen, also mit manuellem Schaltgetriebe wird in Abhängigkeit von der Radsituation neben der geeigneten Ansteuerung der Antriebseinheit optional noch angezeigt wann es empfehlenswert ist zu Schalten (z. B. durch Pfeil nach oben, bzw. nach unten). Damit ergibt sich ein halbautomatisches Radfahren.
  9. Analog zu dem vollautomatischen Radfahren nach 7, kann auch das halbautomatische Radfahren nach 8, durch geeignete individuelle Einstellungen und Sensordaten individualisiert werden.
  10. Das im Hauptanspruch definierte Fahrrad kann in verschiedenen Betriebsmodi gefahren werden: Halbautomatik – Motorunterstützung automatisch, Schaltung manuell Vollautomatik – Motorunterstützung und Schaltung automatisch Manuelle – sowohl Motorunterstützung als auch Schaltung manuell Der Radfahrer kann sich jederzeit für die manuelle Steuerung entscheiden und damit die entsprechenden Automaticmodi außer Kraft setzen.
  11. Effizient im Anspruch 1 meint den Umgang mit der Energie, der eigenen, vom Radler zur Verfügung gestellten als auch der Energie für den Motorantrieb, die aus der Batterie kommt. Durch die konsequente (in jeder möglichen Situation) und automatische Aussteuerung der Rekuperation lässt sich beim Bremsen und Bergabfahren viel Energie wieder zurückgewinnen. Für eine manuelle Anwahl oder Steuerung wäre der Fahrer vielfach überfordert bzw. zu stark abgelenkt, um alle Rekuperationssituationen zu nutzen.
  12. Mit dem in den Ansprüchen definierten Fahrrad und der damit ermöglichten intelligenten Assistenz beim Radfahren ist es möglich spezifische Fahrrad-Anwendungslösungen zu konfigurieren. Das Fahrrad wird dabei ausgestattet mit anwendungsspezifischer Applikations Software (App), die spezifische Regel- und Steueralgorithmen zusammenfasst und gegebenenfalls mit weiteren Daten kombiniert. Damit ergeben sich neue Möglichkeiten z. B. für Gesundheits- und Fitnessapplikationen alleine oder in der Gruppe. Beispielsweise kann damit das klassische Ergometer-Training mit und ohne EKG Aufzeichnung als mobiles Trainingssystem realisiert werden oder es können mit entsprechenden Fitness-Apps individuelle Trainings durchgeführt und dokumentiert werden oder es kann eine Gruppe von beispielsweise Herzpatienten im Rehasport gemeinsam eine Radtour unternehmen, weil jeder nach seinen individuellen Bedürfnissen unterstützt wird, usw.
  13. Wird für die Apps wie in 12 beschrieben ein Smartphone bzw. Tablet eingesetzt, lassen sich die gesammelten Daten auch leicht auf einen geeigneten Server speichern und stehen damit unmittelbar autorisierten Personen (z. B. Trainer, Therapeut, Arzt) zur Verfügung. Damit kann effektiv und effizient Beratung und Hilfestellung geboten werden um z. B. das weitere Training und oder den Gesundheitszustand positiv zu beeinflussen.
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