DE102017211760A1

DE102017211760A1 - Elektrofahrrad und Verfahren

Info

Publication number: DE102017211760A1
Application number: DE102017211760.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Zenner
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2019-03-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrofahrrad (1), umfassend einen mechanischen Antrieb, einen elektrischen Antrieb (3) mit einem Elektromotor (31), über den das Elektrofahrrad (1) alternativ und/oder zusätzlich elektromechanisch antreibbar ist, und eine Stromversorgung (32) für den Elektromotor (31), sowie ein computergestütztes, Sensor gesteuertes oder geregeltes Steuerungssystem(4) für die Stromversorgung des Elektromotors (31). Zur Verbesserung des Steuerungssystems und Vergrößerung der Reichweite des Elektrofahrrads ist vorgesehen, dass in dem Steuerungssystem (4) die Daten einer idealen Fahrleistungskurve (P=f(v)), d.h. der Abhängigkeit der idealen Fahrleistung (P) von der Fahrgeschwindigkeit (v) unter idealen Bedingungen, abgelegt sind, und das Steuerungssystem (4) ausgelegt ist, iterativ im Betrieb über die Erfassung einer tatsächlichen Fahrleistung (P) des Fahrers, der Fahrgeschwindigkeit (v) und der Beschleunigung (a) einen tatsächlichen Fahrwiderstand zu ermitteln und die Gesamtantriebsleistung (P) des Elektrofahrrads (P), bestehend aus Fahrerleistung (P) des Fahrers sowie Motorleistung (P), mit der idealen Fahrleistungskurve (P=f(v)) zu vergleichen, um, wenn das Steuersystem (4) eine Änderung des tatsächlichen Fahrwiderstandes identifiziert, die Motorleistung (P) entsprechend dieser Änderung automatisch anzupassen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektrofahrrad, umfassend einen mechanischen Antrieb, der zum manuellen Antrieb des Elektrofahrrads durch einen Fahrer ausgelegt ist, einen elektrischen Antrieb mit einem Elektromotor, über den das Elektrofahrrad (1) alternativ und/oder zusätzlich elektromechanisch antreibbar ist, und eine Stromversorgung für den Elektromotor sowie ein computergestütztes, Sensor gesteuertes oder geregeltes Steuerungssystem für die Stromversorgung des Elektromotors (31). Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren.
Bei CN201192992Y und KR20100112474 wird die Unterstützung durch den elektrischen Motor auf der Grundlage eines Neigungsgradientensensors gesteuert, der die Steigung der Straße erfasst. Nachteilig ist die Anfälligkeit der Erfassung des Neigungsgradienten insbesondere bei holpriger Straße.
Gemäß CN 201192992Y überträgt der Neigungsgradientensensor sein Signal an eine Steuerung, durch welche die eingebrachte elektrische Leistung des Motors angepasst wird. Das Elektrofahrrad weist den Neigungsgradientensensor auf, um eine unterschiedliche Steuerung für verschiedene Straßenzustände durchzuführen sowie um die Leistungsfähigkeit und die Akku-Lebensdauer zu erhöhen.
KR20120051177 A offenbart ein System zur Steuerung eines Fahrmodus eines Elektrofahrrads, das ein Drehmomenterfassungsteil, ein Neigungsgradiententeil, ein Steuerteil und ein Motorantriebsschaltungsteil umfasst. Der Drehmomenterkennungsteil erfasst die manuelle Pedalkraft. Basierend auf der Pedalkraft und dem Gradienten, berechnet das Steuerteil die Motorunterstützungsdrehmomente in einem Motorunterstützungsmodus und gibt Motorsteuersignale in Abhängigkeit von dem berechneten Motorunterstützungsdrehmoment aus.
US 6 320 336 B1 offenbart ein Elektrofahrrad mit einer Leistungsunterstützungsfunktion, wobei es einen Elektromotor zur Unterstützung der von dem Fahrer aufgebrachten manuellen Vortriebskraft, einen Akku als Spannungsquelle für den Elektromotor, eine Trittkraft-Erfassungsschaltung zur Erfassung der manuellen Vortriebskraft und eine Steuerschaltung zur Steuerung des Betriebs des Elektromotors in Abhängigkeit von der Größe der erfassten manuellen Vortriebskraft aufweist.
Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein gattungsgemäßes Elektrofahrrad mit verbesserter Steuerung des Elektromotors bereitzustellen. Ferner soll die mittels einer Akku-Ladung mögliche Reichweite des Elektrofahrrads gesteigert werden.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen beschrieben. Die gestellte Aufgabe wird bereits dadurch gelöst, dass in dem Steuerungssystem die Daten einer idealen Fahrleistungskurve, d.h. der Abhängigkeit der Fahrleistung von der Fahrgeschwindigkeit unter idealen Bedingungen, abgelegt ist, und das Steuerungssystem ausgelegt ist, im Betrieb iterativ über die Erfassung einer Fahrerleistung des Fahrers, der Fahrgeschwindigkeit und der Beschleunigung einen tatsächlichen Fahrwiderstand zu ermitteln und die Gesamtantriebsleistung des Elektrofahrrads, bestehend aus der Fahrerleistung des Fahrers und der Motorleistung, mit der idealen Fahrleistungskurve zu vergleichen, um, wenn das Steuersystem eine Änderung des Fahrwiderstandes identifiziert, die Motorleistung entsprechend dieser Änderung automatisch anzupassen.
Das Steuerungssystem ist somit ausgelegt, den tatsächlichen Fahrwiderstand und dessen Änderungen durch fortwährende Messung der Fahrerleistung, der Fahrgeschwindigkeit und Beschleunigung zu ermitteln. Das Steuerungssystem des Elektrofahrrades misst durch fortwährende Erfassung der Pedalleistung, der Fahrgeschwindigkeit und Beschleunigung den tatsächlichen Fahrwiderstand. Die Fahrerleistung kann als die über den manuellen Antrieb des Elektrofahrrads durch den Fahrer in den Antrieb eingebrachte Leistung definiert werden. Basierend auf diesen Messungen und der idealen Fahrleistungskurve sowie der im Weiteren beschriebenen Methode identifiziert das Steuerungssystem sich ändernde Fahrwiderstände. Die Änderung kann vollständig durch die automatische Anpassung der Motorleistung kompensiert werden. Insbesondere kann das Steuerungssystem automatisch die Änderungen der die sich verändernden Fahrwiderstände zumindest teilweise kompensieren. Hierbei kann die Anpassung voreingestellt prozentual erfolgen. Da das Steuerungssystem unmittelbar die Änderungen der Fahrwiderstände erfasst und kompensiert, wird nur das an Akkuleistung für den Elektroantrieb abgerufen, was unbedingt notwendig ist.
Eine zusätzliche fest voreingestellte Unterstützung durch den Elektroantrieb wird üblicherweise als e-Boost bezeichnet. Das erfindungsgemäße Steuerungssystem ermöglicht mit der automatischen Anpassung der Motorleistung bei Änderungen der tatsächlichen Fahrleistung und des Fahrwiderstandes einen Fahrmodus des Elektrofahrrades mit „automatischer Fahrwiderstandskompensation“ oder „adaptivem e-Boost“. Der Unterstützungsgrad wird automatisch so angepasst, dass er entweder erhöht wird, wenn ein erhöhter Fahrwiderstand festgestellt wird, oder vermindert wird, wenn ein verminderter Fahrwiderstand festgestellt wird. Damit orientiert sich die Steuerung des Elektromotors eng an die tatsächlich vorhandenen Umstände, wodurch, im Vergleich zu einem üblichen Elektrofahrrad mit permanent fest eingestellter Unterstützung, die Reichweite des erfindungsgemäßen Elektrofahrrades vergrößert werden kann.
Herkömmliche Elektrofahrräder mit e-Boost erlauben dem Fahrer, die Stärke der elektrischen Unterstützung zu wählen, welches üblicherweise in Abstufungen, wie „keine“, „niedrig“, „mittel“ oder „hoch“ erfolgt. Sich verändernde Fahrwiderstände können den Fahrer veranlassen, eine andere Stärke der elektrischen Unterstützung zu wählen, um z.B. beim Übergang von Fahrt auf ebener Strecke zu Bergfahrt von „niedrig“ nach „hoch“ zu wechseln. Bei Einsatz des erfindungsgemäßen adaptiven e-Boost wird eine manuelle Anpassung durch den Fahrer überflüssig. Man kann es so formulieren: Das Elektrofahrrad fährt sich damit praktisch so, als würde es den Wunsch des Fahrers nach mehr oder weniger Unterstützung „erahnen“. Insbesondere kann mit Aktivierung des adaptiven e-Boosts die übliche Unterstützung auf null gesetzt werden.
Vorzugweise ist dieser Fahrmodus „automatische Fahrwiderstandskompensation“ aktivierbar und deaktivierbar. Diese Aktivierung kann über einen üblichen vom Fahrer bedienbaren Handschalter oder über einen elektronischen Schalter beispielsweise eine Touchscreen-Anzeige des Steuerungssystems erfolgen.
Die ideale Fahrleistungskurve kann als allgemeine ideale Fahrleistungskurve des Elektrofahrrades auf der Basis allgemeiner, insbesondere von dem Fahrer unabhängigen Bedingungen ermittelt werden. Zur Ermittlung der allgemeinen idealen Fahrleistungskurve des Elektrofahrrades kann die Fahrleistung für beschleunigungsfreies Fahren bei verschiedenen Geschwindigkeiten, unter idealen Bedingungen, d.h. beispielsweise bei ebener, glatter Straßenoberfläche, ohne Wind, mit einem „idealen“ Fahrer, d.h. einer Nennmasse von beispielsweise 75 kg und aerodynamisch ideal, beispielsweise mit eng anliegender Kleidung, und mit idealem Reifendruck, ermittelt werden. Diese allgemeine ideale Fahrleistungskurve kann durch Messung bestimmt werden. Bekannte Methoden hierzu sind beispielsweise ein Fahren unter idealen Bedingungen mit konstanter, bekannter Antriebsleistung, die, zwecks Reproduzierbarkeit, beispielsweise durch einen Elektromotor erbracht werden kann, sowie die Messung der erreichten Endgeschwindigkeit. Alternativ können Ausrollversuche vorgenommen werden, bei denen ein Fahrrad, auf eine Anfangsgeschwindigkeit beschleunigt, über einen bestimmten Weg ausrollt, der mit dem Fahrwiderstand korreliert.
Anstatt der allgemeinen idealen Fahrleistungskurve kann auch eine beispielsweise auf den Fahrer bezogene spezifische ideale Fahrleistungskurve erstellt werden, in der beispielsweise das tatsächliche Gewicht des Fahrers und/oder des zusätzlichen Gepäcks, der tatsächliche Windwiderstand des Fahrers und/oder das Leistungsprofil des Fahrers, wie sein Leistungsvermögen bezogen auf Fahrdauer, Fahrgeschwindigkeit und Fahrleistung, einbezogen sind.
Der tatsächlich wirkende Fahrwiderstand wird von einer Reihe von „äußeren“ Faktoren bestimmt, wie beispielsweise von

• der Steigung der Fahrbahn, positiv oder negativ,
• dem atmosphärischen Wind, wie Gegen- oder Rückenwind,
• dem Fahrwindwiderstand,
• der Straßenoberfläche, wie glatte oder raue Oberfläche, weicher oder harter Belag und/oder holpriger Untergrund,
• dem Reifendruck und/oder
• der zu beschleunigenden Masse und zudem der daraus resultierenden Walkarbeit am Reifen.

Da das Steuerungssystem ausgelegt ist, den tatsächlichen Fahrwiderstand und dessen Änderungen durch fortwährende Messung der Fahrerleistung, der Fahrgeschwindigkeit und Beschleunigung zu ermitteln, sind hierüber sämtliche den Fahrwiderstand bestimmende Faktoren berücksichtigt, ohne dass sie jeweils gemessen werden müssen.
Vorteilhaft kann diese Möglichkeit des Fahrmodus „automatische Fahrwiderstandskompensation“ bei Elektrofahrrädern mit üblichem e-Boost insbesondere dann besonders unaufwändig nachgerüstet werden, wenn diese bereits über eine elektronische Erfassung der Fahrgeschwindigkeit und der Fahrerleistung verfügen, so dass dieser Modus über Aufspielen entsprechender Software in das Steuersystem integriert werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Elektrofahrrades kann das Steuerungssystem ausgelegt sein, unter Berücksichtigung einer zu beschleunigenden Masse eine erwartete Beschleunigung bei idealem Fahrwiderstand zu berechnen, die mit der tatsächlichen Beschleunigung verglichen wird, um hierüber die Motorleistung anzupassen. Die Höhe der zu beschleunigenden Masse kann im Steuerungssystem abgelegt sein und/oder, beispielsweise über die Messung einer Druckerhöhung in den Reifen oder über am Elektrofahrrad vorgesehene Federsysteme, vorzugsweise fortwährend ermittelt werden.
Vorteilhaft kann die Höhe der Anpassung der Motorleistung mit einem Adaptionsfaktor verknüpft sein, wobei der Adaptionsfaktor in Abstufungen, wie 0%; 25%; 75% und 100% und mehr, wie 200%, oder stufenlos zwischen 0% und 100% oder mehr, wie 200% einstellbar ist. Diese Wahlmöglichkeit ermöglicht dem Fahrer, akkuschonend zu fahren. Der Adaptionsfaktor kann voreingestellt in dem Steuerungssystem abgelegt sein.
Das Steuerungssystem kann eine Voreinstellung der Höhe der Leistung des Elektromotors oder des elektrischen Antriebs mit dem Elektromotor aufweisen. Diese Voreinstellung kann durch eine bestimmte e-Boost-Stufe repräsentiert sein, die, mit der Fahrerleistung multipliziert, eine nominale Motorleistung bestimmt. Insbesondere kann die Voreinstellung in Abstufungen, wie 0%; 25%; 75% und 100% und mehr, wie 200%, oder stufenlos zwischen 0% und 100% oder mehr, wie 200%, erfolgen.
Es kann zur Ermittlung der Anpassung der Motorleistung eines Elektrofahrrades gemäß einer der vorhergehenden und nachfolgenden Ausführungsformen des Elektrofahrrades bei Änderungen der tatsächlichen Fahrleistung (P_Fahrer ) eines Fahrers ein Verfahren mit den Schritten vorgeschlagen werden:

• Messen und Eingeben der Fahrgeschwindigkeit (v) sowie Berechnung der tatsächlichen Beschleunigung (a),
• Messen und Eingeben eines Pedaldrehmomentes (M) und einer Pedaldrehzahl n_Pedal in das Steuerungssystem sowie Berechnung der Fahrerleistung (P_Fahrer ) des Fahrers: P_Fahrer = M · n_Pedal
• Berechnen einer nominalen Motorleistung entsprechend einer gewählten e-BOOSt-Stufe (B_user): P_nominal = P_Fahrer · B_user
• Vergleichen der tatsächlichen Gesamtantriebsleistung des Elektrofahrrads, bestehend aus Fahrerleistung (P_Fahrer ) des Fahrers und tatsächlicher Motorleistung, und der tatsächlichen Beschleunigung (a) mit einer im Steuerungssystem präkonfigurierten idealen Fahrleistungskurve P_ideal = f(v)
• Identifizieren einer Änderung des tatsächlichen Fahrwiderstandes
• Automatisches Anpassen der Motorleistung entsprechend der identifizierten Änderung des tatsächlichen Fahrwiderstandes

Hierbei können die letzten drei Verfahrensschritte wie folgt präzisiert werden:

• Ablesen einer idealen Fahrleistung (P_ideal ) bei der Fahrgeschwindigkeit (v) aus der idealen Fahrleistungskurve P_ideal = f(v),
• Berechnen der tatsächlichen Gesamtantriebleistung (P_Antrieb ) aus der Summe tatsächlicher Fahrleistung (P_Fahrer ) und Motorleistung (P_Motor ),
• Berechnen einer überschüssigen Leistung (P_delta ) aus der Differenz Fahrerleistung (P_Fahrer ) - idealer Fahrleistung (P_ideal ),
• Berechnen einer erwarteten Beschleunigung (a_erwartet ) über den Ausdruck a_erwartet = P_delta /(m·v) und
• Berechnen der adaptierten Motorleistung über den Ausdruck P_Motor = P_nominal + AF ·m· (a_erwartet - a) v

Hierbei stellen die Verfahrensschritte, bis auf die, die die Präkonfiguration und die Messungen betreffen, einen Algorithmus dar, der in dem Steuerungssystem ständig iterativ durchlaufen wird, während der adaptive e-Boost aktiv ist. P_Motor ist die Antriebsleistung des Elektromotors, die vom Steuersystem im letzten Schritt dieses Algorithmus berechnet und die zur weiteren iterativen Berechnung in den nächsten Durchlauf des Algorithmus eingegeben wird. Initial, d.h. vor der ersten Berechnung der Motorleistung P_Motor durch den Algorithmus, wird die Motorleistung P_Motor gleich der nominalen Motorleistung P_nominal gesetzt.
Die Präkonfiguration inklusiv der Eingabe der idealen Fahrleistungskurve kann im Rahmen der Iteration vor dem ersten Durchlauf des Verfahrens erfolgen. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass die Präkonfiguration zumindest bei Stillstand des Elektrofahrrades, vorzugsweise zu einem beliebigen Zeitpunkt geändert werden kann.
Insbesondere kann der Anpassungsfaktor variabel ausgelegt sein. Hierzu kann der Fahrmodus „automatische Fahrwiderstandskompensation“ zu „automatische Fahrwiderstandskompensation mit variablem Anpassungsfaktor“ modifiziert werden. Der Fahrmodus „automatische Fahrwiderstandskompensation mit variablem Anpassungsfaktor“ kann unter anderem dann zur Erhöhung des Fahrkomfort des Fahrers vorteilhaft eingesetzt werden, wenn die Differenz aus Fahrerleistung (P_Fahrer ) - idealer Fahrleistung (P_ideal ), beispielsweise innerhalb eines vorher festlegbaren Zeitintervalls, übermäßig, d.h. beispielsweise um mehr als 20% oder 50%, zunimmt. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Adaptionsfaktor AF ansteigt, insbesondere nichtlinear ansteigt. Ähnlich kann, wenn, wie beispielsweise bei einer steilen Bergabfahrt, die Differenz aus Fahrerleistung (P_Fahrer ) - idealer Fahrleistung (P_ideal ), beispielsweise innerhalb eines vorher festlegbaren Zeitintervalls, übermäßig, d.h. beispielsweise um mehr als 20% oder 50%, abnimmt, der Adaptionsfaktor zurückgenommen, insbesondere nichtlinear zurückgenommen werden.
Wie jeweils der Fahrmodus „e-Boost“ und/oder der Fahrmodus „automatische Fahrwiderstandskompensation“, so kann auch der Fahrmodus „automatische Fahrwiderstandskompensation mit variablem Anpassungsfaktor“ aktivierbar und deaktivierbar sein. Jeder dieser Modi kann einzeln aktivierbar und deaktivierbar sein. Diese Aktivierung kann über einen üblichen vom Fahrer bedienbaren Handschalter oder über einen elektronischen Schalter beispielsweise eine Touchscreen-Anzeige des Steuerungssystems erfolgen.
Allgemein kann, wenn die Differenz aus Fahrerleistung (P_Fahrer ) - idealer Fahrleistung (P_ideal ), beispielsweise innerhalb eines vorher festlegbaren Zeitintervalls um einen bestimmten Prozentsatz, beispielsweise um mehr als 40% abnimmt, der Motor zur Aufladung des Akkus als Generator geschaltet werden.
Ist der bei dem Verfahrensschritt zur Berechnung einer nominalen Leistung P_nominal die e-Boost-Stufe auf null gesetzt, so ist die nominale Leistung P_nominal gleich Null. In diesem Fall wäre der Term P_nominal in der oben in dem letzten Verfahrensschritt aufgeführten Gleichung P_Motor = P_nominal + AF · m · (a_erwartet - a) · v nicht relevant. Damit würde die Höhe der Unterstützung allein durch die Adaption bestimmt. Ist jedoch eine Unterstützung durch den e-Boost nicht gewünscht, so kann, beispielsweise unter der Annahme, dass der Fahrer den Akku seines Elektrofahrrades schonen und daher auf den Elektroantrieb verzichten möchte, vorgesehen sein, dass mit der Abschaltung des e-Boosts zugleich auch die erfindungsgemäße adaptive Unterstützung, der adaptiver e-Boost, abgeschaltet wird.
In einer Weiterbildung des Elektrofahrrads kann das Steuerungssystem zumindest eine Datenverarbeitung, ferner einen Zugang zur Eingabe, zum Auslesen und/oder Anzeige elektronischer Daten aufweisen. Dieser Zugang kann beispielsweise ein Port, insbesondere ein USB-Port, ein Display mit Touch-Screen und/oder ein Tastenfeld sein. Das Display kann zudem zur Anzeige gemessener und/oder berechneter Daten wie Geschwindigkeit, Beschleunigung, Fahrerleistung, adaptierten Motorleistung und Ladungszustand der Akkueinheit dienen. Das Steuerungssystem kann wasserdicht ausgebildet sein. Ferner kann das Steuerungssystem mit seinem Display und gegebenenfalls Tastenfeld so in dem Elektrofahrrad angeordnet sein, dass es von dem Fahrer während der Fahrt bequem erreichbar und zu bedienen ist. Dies wäre bei einer Platzierung des Displays am Lenker oder in der Nähe des Lenkers der Fall.
Der Begriff Elektrofahrrad umfasst E-Bikes wie auch Pedelecs. Diese können jeweils einrädrig, d.h. mit einem Laufrad, bis vorzugsweise vierrädrig, d.h. mit vier Laufrädern, ausgebildet sein. Das über den Fahrer eingebrachte Drehmoment und/oder das durch den Elektroantrieb eingebrachte Drehmoment kann jeweils auf ein oder zwei Laufräder übertragen werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden, ohne Einschränkung des Schutzumfangs, durch die Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung sowie den schematisch dargestellten Algorithmus und Diagrammen ersichtlich. Hierbei zeigen:

1 eine Seitenansicht eines Elektrofahrrades mit mechanischen Antrieb, elektrischen Antrieb und Steuerungssystem,
2 ein Diagramm mit einer idealen Fahrleistungskurve,
3 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips des Steuerungssystems,
4 eine schematische Darstellung eines Algorithmus, der im Steuerungssystem ständig iterativ durchlaufen wird,
5 ein Zahlenbeispiel für den Algorithmus gemäß 3,
6a eine rein schematisch und qualitative Darstellung der Fahrgeschwindigkeit bzw. des Straßenprofils in Abhängigkeit von der Zeit, wobei hier lediglich ein konstanter e-Boost gemäß dem Stand der Technik vorgesehen ist.
6b die Darstellung gemäß 6a jedoch mit zusätzlicher grafischer Darstellung der Fahrgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit, wobei hier zusätzlich der erfindungsgemäße adaptive e-Boost eingesetzt ist.

1 zeigt eine Seitenansicht eines Elektrofahrrades 1 mit einem mechanischen Antrieb 2, der zum manuellen Antrieb des Elektrofahrrad 1 durch einen hier nicht dargestellten Fahrer ausgelegt ist, und hier eine Pedalvorrichtung 21 und eine Kettenübertragung 22 auf das Hinterrad 11 aufweist. Ferner ist ein elektrischer Antrieb 3 mit hier rein schematisch wiedergegebenen Elektromotor 31 vorgesehen, der unmittelbar auf das Hinterrad 11 wirkt, und einer Stromversorgung 32. Ferner ist ein computergestütztes, sensorgesteuertes oder -geregeltes Steuerungssystem 4 für die Stromversorgung 32 vorgesehen. Das Steuerungssystem 4 ist in einer funktionalen Darstellung in 3 gezeigt. Das Elektrofahrrad 1 ist hier zusätzlich elektromechanisch antreibbar ausgebildet.
Wie weiter unten erläutert, sind in dem Steuerungssystem 4 die Daten einer in 2 gezeigten idealen Fahrleistungskurve, das heißt die Abhängigkeit der Fahrleistung von der Fahrgeschwindigkeit unter idealen Bedingungen abgelegt. Das Steuerungssystem 4 an sich ist ausgelegt, iterativ den tatsächlichen Fahrwiderstand und dessen Änderungen durch fortwährende Messung einer tatsächlichen Fahrleistung (P_Fahrer ), der Fahrgeschwindigkeit v und tatsächlichen Beschleunigung a zu ermitteln. Ferner vergleicht das Steuerungssystem 4 im Betrieb die Gesamtantriebsleistung des Elektrofahrrads 1, bestehend aus Fahrerleistung (P_Fahrer ) des Fahrers sowie Motorleistung (P_Motor ), mit der idealen Fahrleistungskurve, um, wenn es eine Änderung des tatsächlichen Fahrwiderstandes identifiziert, die Motorleistung (P_Motor ) entsprechend dieser Änderung automatisch anzupassen. Die Fahrerleistung (P_Fahrer ) wird hier mittels eines einen in der Pedalvorrichtung 21 vorgesehenen Pedaldrehmoment- und-Drehzahlsensors 41 ermittelt, während die Fahrgeschwindigkeit v über einen an dem Hinterrad 11 angeordneten Fahrgeschwindigkeitssensor 42 gemessen wird.
3 zeigt schematisch auf der linken Seite die in die Datenverarbeitung des Steuerungssystems 3 eingehenden Signale der Sensoren 41;42 zur Ermittlung der Fahrgeschwindigkeit v, des Pedaldrehmomentes M und der Pedaldrehzahl n_Pedal sowie das ausgehende Steuerungssignal an den hier nicht explizit gezeigten Motor für die adaptierte Motorleistung P_Motor . Hierbei kann wie üblich eine bestimmte E-Boost-Stufe B_user eingegeben werden, der, wie weiter oben genauer beschrieben, fahrerseitig eingestellt werden kann. Ferner sind auf der rechten Seite die Eingaben zum e-Boost, die Aktivierung oder Zuschaltung des adaptiven e-Boosts dargestellt, wobei auch die Höhe des Adaptionsfaktors AF voreinstellbar ist. Dieser kann hier auch während des Betriebs beliebig geändert werden. Als ideale Fahrleistungskurve kann eine allgemeine ideale Fahrleistungskurve eingegeben werden, die, wie weiter oben beschrieben, unter bestimmten idealen Versuchsbedingungen erstellt wurde. Anstatt oder zusätzlich zu der allgemeinen idealen Fahrleistungskurve kann auch eine, beispielsweise auf die körperliche Konstitution des Fahrers angepasste, spezifische ideale Fahrleistungskurve eingegeben werden, wobei die zu verwendende ideale Fahrleistungskurve hier auch während der Fahrt bestimmt werden kann. Weiterhin können mehrere spezifische ideale Fahrleistungskurven vorgesehen sein, die auf bestimmte Fahrer angepasst sind. Die Auswahl der spezifischen idealen Fahrleistungskurve kann beispielsweise durch die Eingabe von biometrischen Daten, beispielsweise über einen Fingerprintsensor, erfolgen.
Die Datenverarbeitung fußt auf einem in 4 schematisch wiedergegebenen Algorithmus, der im Steuerungssystem ständig iterativ durchlaufen wird. Wie dem Algorithmus entnehmbar, wird in einem ersten Schritt die Fahrgeschwindigkeit v in den Algorithmus eingegeben und hieraus die tatsächliche Beschleunigung a berechnet. In einem weiteren Schritt wird das Pedaldrehmoment M und die Pedaldrehzahl n_Pedal eingegeben und hieraus die Fahrerleistung mit P_Fahrer=M ·n_pedal errechnet.
In einem nächsten Schritt erfolgt die Berechnung einer nominalen Motorleistung P_nominal als Produkt der Fahrerleistung P_Fahrer und der zuvor gewählten e-Boost-Stufe r B_user .
Anschließend wird aus der idealen Fahrleistungskurve P_ideal = f(v) eine ideale Fahrleistung P_ideal abgelesen.
In einem weiteren Schritt wird die tatsächlich auf den Antrieb des Elektrofahrrades wirkende Gesamtantriebsleistung P_Antrieb berechnet, die sich additiv aus der Fahrerleistung P_Fahrer und der elektrischen Motorleistung P_motor ergibt: $P_{Antrieb} = P_{Fahrer} + P_{motor}$
Hierbei ist P_motor die Antriebsleistung des Elektromotors, die vom Steuerungssystem im letzten Schritt dieses Algorithmus berechnet wird. Initial jedoch, also vor der ersten Berechnung von P_Motor wird P_Motor = P_nominal gesetzt.
Die erwartete Beschleunigung a_erwartet ist die Beschleunigung bei idealem Fahrwiderstand. Es ergibt sich eine überschüssige Leistung (P_delta ) aus der Differenz der Gesamtantriebsleistung P_Antrieb und einer aus der idealen Fahrleistungskurve ermittelten idealen Fahrleistung (P_ideal ), wobei aus der überschüssigen Leistung (P_delta ) zusammen mit der zu beschleunigende Masse m die erwartete Beschleunigung (a_erwartet ) ableitbar ist. Ausgehend von dem allgemeinen Ausdruck P=m·v·a, ergibt sich: $P_{delta} = P_{antrieb} - P_{ideal}$
$a_{erwartet} = P_{delta} / m {}^{.}v$
Die bei der Änderung des Fahrwiderstandes angepasste Motorleistung P_Motor ist gleich der Summe aus nominaler Motorleistung P_nominal und einer zusätzlichen Motorleistung auf Grund der Änderung des Fahrwiderstandes. Diese kann bei niedrigeren Fahrwiderständen insbesondere auch negativ sein. Die zusätzliche Motorleistung ergibt sich aus einer Differenz der erwarteten Beschleunigung (a_erwartet ) und der tatsächlichen Beschleunigung a, jeweils mit der zu beschleunigende Masse m und der tatsächlichen Geschwindigkeit v multipliziert: $P_{Motor} = P_{nominal} + m {}^{.}{(a_{erwartet} - a)} {}^{.}v$
Ist ein bestimmter Adaptionsfaktor AF vorgegeben, der, ähnlich wie bei der e-Boost-Stufe hier jedoch mit der zusätzlichen Motorleistung multipliziert wird, so ergibt sich $P_{Motor} = P_{nominal} + AF m {}^{.}{(a_{erwartet} - a)} {}^{.}v .$
Ist der Adaptionsfaktor AF gleich null, so wird keine zusätzliche Motorleistung aufgebracht, ist er gleich 1, so wird die volle zusätzliche Motorleistung aufgebracht.
Ist der bei dem Verfahrensschritt zur Berechnung einer nominalen Leistung P_nominal die e-Boost-Stufe auf null gesetzt, so ist die nominale Leistung P_nominal gleich Null. In diesem Fall wäre der Term P_nominal in der oben in dem letzten Verfahrensschritt aufgeführten Gleichung P_Motor = P_nominal + AF ·m· (a_erwartet - a) · v nicht relevant. Damit würde die Höhe der Unterstützung allein durch die Adaption bestimmt. Ist jedoch eine Unterstützung durch den e-Boost nicht gewünscht, so kann, beispielsweise unter der Annahme, dass der Fahrer den Akku seines Elektrofahrrades schonen und daher auf den Elektroantrieb verzichten möchte, vorgesehen sein, dass mit der Abschaltung des e-Boosts zugleich auch die erfindungsgemäße adaptive Unterstützung, der adaptiver e-Boost, abgeschaltet wird.
In 5 wird zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung ein Zahlenbeispiel durchgerechnet, mit dem der Algorithmus in einem ersten Schritt durchlaufen werden kann. Voreingestellt sind hierbei eine e-Boost-Stufe B_user = 0,75 (75%), eine Masse m=100kg, ein Adaptionsfaktor AF=0,5 (50%) und eine bestimmte ideale Fahrleistungskurve P_ideal = f(v), die gleich der rein qualitativ in 2 gezeigten sein kann. Mit der gemessenen Geschwindigkeit v= 18 km/h und einer tatsächlichen Beschleunigung a=0, ferner der errechneten Fahrleistung P_Fahrer kann über die weiteren Schritte des Algorithmus letztlich eine adaptierte Motorleistung P_motor=120W errechnet werden, die zu Beginn des zweiten iterativen Durchgangs durch den Algorithmus eingegeben wird.
In den Figuren 6a und 6b wird jeweils eine schematische qualitative Darstellung der Fahrgeschwindigkeit bzw. des Straßenprofils in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, wobei hier lediglich ein konstanter e-Boost gemäß dem Stand der Technik vorgesehen ist. Hierbei wird von idealen Straßenverhältnissen ausgegangen. Zusätzlich ist in 6 b ein Verlauf der Fahrgeschwindigkeit v in Abhängigkeit von der Zeit gezeigt, wobei hier der erfindungsgemäße adaptive e-Boost eingesetzt ist. Die auf dem konstanten e-Boost fußende Kurve gemäß 6 a ist in 6 b gestrichelt gezeichnet.
In beiden 6 a und 6 b zeigt das Straßenprofil h in dem ersten Abschnitt I einen horizontalen Verlauf, das in dem zweiten Abschnitt II in einen Anstieg übergeht, der seinerseits in dem dritten Abschnitt III in einen horizontalen Verlauf übergeht. Der vierte Abschnitt IV ist durch einen Abfall des Straßenprofils gekennzeichnet.
In den Abschnitten I und III mit dem horizontalen Verlauf des Straßenprofils steigt die Geschwindigkeit bei konstantem e-Boost zunächst steil ein, um, was hier nicht gezeigt ist, asymptotisch eine bestimmte Endgeschwindigkeit zu erreichen. Steigt das Straßenprofil, wie in Abschnitt II gezeigt, stetig an, so vermindert sich die Geschwindigkeit v zunächst rasch, um dann, was hier ebenfalls nicht gezeigt ist eine bestimmte niedrigere Endgeschwindigkeit zu erreichen. Bei dem Abfall des Straßenprofils gemäß Abschnitt IV steigt die Geschwindigkeit v an, um hier eine höhere Endgeschwindigkeit zu erreichen.
Wie 6 b deutlich entnehmbar, entspricht im Abschnitt I der Darstellung V=f(t) mit der horizontalen Oberfläche die beobachtete Beschleunigung a der erwarteten Beschleunigung a_erwartet , so dass die Differenz (a_erwartet - a) aus der Gleichung zu Berechnung der adaptierten Motorleistung P_Motor = P_nominal + AF m · (a_erwartet - a) · v gleich Null ist und die Motorleistung P_Motor unverändert gleich der nominalen Motorleistung P_nominal bleibt. D.h., in Abschnitt I sind die Kurventeile der beiden Kurven deckungsgleich. Anders verhält es sich in dem Abschnitt II mit dem Anstieg des Straßenprofils, in dem das Steuerungssystem 4 aufgrund der gesteigerten Fahrerleistung P_Fahrer beim Anstieg des Straßenprofils eine Änderung des tatsächlichen Fahrwiderstandes identifiziert und die Motorleistung P_Motor entsprechend dieser Änderung automatisch anpasst. Das Steuerungssystem 4 registriert, dass die tatsächliche Beschleunigung a kleiner als die erwartete Beschleunigung a_erwartet ist und erhöht den e-Boost. D.h., die Differenz (a_erwartet - a) ist größer Null, so dass die Motorleistung P_Motor = P_nominal um den Term „AF m · (a_erwartet - a) · v“ additiv erhöht wird. Daher fällt dieser Kurvenabschnitt in Abschnitt II ungleich schwächer ab als bei der Kurve mit konstantem e-Boost. Die Fahrgeschwindigkeit v wird in diesem Abschnitt etwa konstant gehalten, welches für den Fahrer als angenehm empfunden wird.
Im Abschnitt III verhalten sich die beiden Kurven wie im Abschnitt I gleich, wobei sie aufgrund des geringeren Abfalls der Kurve mit adaptivem e-Boost in y-Richtung linear verschoben sind. In dem Abschnitt IV der Darstellung V=f(t) gemäß 6b registriert das Steuerungssystem 4 wie im Abschnitt II eine Änderung der Fahrerleistung P_Fahrer , wobei jedoch hier, aufgrund des abschüssigen Straßenprofils, die tatsächliche Beschleunigung a größer als die erwartete Beschleunigung a_erwartet ist. Damit ist die Differenz (a_erwartet - a) kleiner Null. Die adaptierte Motorleistung P_Motor zum Ende des Algorithmus wird entsprechend verringert. Damit wird der e-Boost entsprechend verringert, so dass die Geschwindigkeit sich „sanfter“ und somit weniger Energie intensiv als bei der auf einem üblichen e-Boost basierenden Kurve einer Endgeschwindigkeit annähert.
Die größte Energieersparnis und damit Verlängerung der Reichweite des Elektrofahrrads 1 findet beim Anstieg des Straßenprofils statt. Daher kann optional vorgesehen sein, dass der adaptiver e-Boost lediglich dann eingeschaltet wird, wenn das Steuerungssystem 4, wie bei Erhöhung des Fahrwiderstandes, beispielsweise beim Anstieg des Straßenprofils, eine Änderung der Fahrerleistung P_Fahrer registriert und wenn die Differenz (a_erwartet - a) größer Null ist.
Bezugszeichenliste

1: Elektrofahrrad
11: Hinterrad
2: mechanischer Antrieb
21: Pedalvorrichtung
22: Drehmomentübertragung
3: elektrischer Antrieb
31: Elektromotor
32: Stromversorgung
4: Steuerungssystem
41: Pedaldrehmoment- und-Drehzahlsensoren
42: Fahrgeschwindigkeitssensor
43: Display
44: Zugang
a: tatsächliche Beschleunigung
a_erwartet: erwartete Beschleunigung
n_Pedal: Pedaldrehzahl
m: Masse
v: Fahrgeschwindigkeit
AF: Adaptionsfaktor
B_user: e-Boost-Stufe
M: Pedaldrehmoment
P: Leistung
P_Antrieb: Gesamtantriebsleistung
P_Fahrer: Fahrleistung des Fahrers
P_delta: überschüssige Leistung
P_ideal: ideale Fahrleistung
P_nominal: nominale Leistung
P_Motor: Motorleistung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CN 201192992 Y [0002, 0003]
KR 20100112474 [0002]
KR 20120051177 A [0004]
US 6320336 B1 [0005]

Claims

Elektrofahrrad (1), umfassend einen mechanischen Antrieb, der zum manuellen Antrieb des Elektrofahrrades (1) durch einen Fahrer ausgelegt ist, einen elektrischen Antrieb (3) mit einem Elektromotor (31), über den das Elektrofahrrad (1) alternativ und/oder zusätzlich elektromechanisch antreibbar ist, und eine Stromversorgung (32) für den Elektromotor (31), sowie ein computergestütztes, Sensor gesteuertes oder geregeltes Steuerungssystem(4) für die Stromversorgung des Elektromotors (31), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Steuerungssystem (4) die Daten einer idealen Fahrleistungskurve (P_ideal=f(v)), d.h. der Abhängigkeit einer idealen Fahrleistung (P_ideal) von der Fahrgeschwindigkeit (v) unter idealen Bedingungen, abgelegt sind, und das Steuerungssystem (4) ausgelegt ist, im Betrieb iterativ über die Erfassung einer tatsächlichen Fahrleistung (P_Fahrer) des Fahrers, der Fahrgeschwindigkeit (v) und der Beschleunigung (a) einen tatsächlichen Fahrwiderstand zu ermitteln und die Gesamtantriebsleistung (P_Antrieb), bestehend aus der Fahrerleistung (P_Fahrer) des Fahrers und der Motorleistung (P_Motor), mit der idealen Fahrleistungskurve (P_ideal=f(v)) zu vergleichen, um, wenn das Steuersystem (4) eine Änderung des tatsächlichen Fahrwiderstandes identifiziert, die Motorleistung (P_Motor) entsprechend dieser Änderung automatisch anzupassen.
Elektrofahrrad (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem (4) ausgelegt ist, unter Berücksichtigung einer zu beschleunigende Masse (m), deren Höhe in dem Steuerungssystem (4) abgelegt ist, oder, beispielsweise über die Messung einer Druckerhöhung in den Reifen oder über am Elektrofahrrad (1) vorgesehene Federsysteme, vorzugsweise fortwährend ermittelt wird, eine erwartete Beschleunigung (a_erwartet) bei idealem Fahrwiderstand zu berechnen, die mit der tatsächlichen Beschleunigung (a) verglichen wird, um hierüber die Motorleistung (P_Motor) anzupassen.
Elektrofahrrad (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Anpassung der Motorleistung (P_Motor) mit einer Voreinstellung eines Adaptionsfaktors (AF) verknüpft ist, wobei der Adaptionsfaktor (AF) stufenlos und/oder in bestimmten Abstufungen von beispielsweise 25 % in einem Bereich von 0% und 100% oder darüber hinaus einstellbar ist.
Elektrofahrrad (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, die ideale Fahrleistungskurve (P_ideal=f(v)) eine allgemeine ideale Fahrleistungskurve oder eine spezifische ideale Fahrleistungskurve ist, wobei die spezifische ideale Fahrleistungskurve beispielsweise durch bestimmte den Fahrer betreffende Daten spezifiziert ist.
Elektrofahrrad (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, das Steuerungssystem (4) eine Voreinstellung der Höhe der Leistung des Elektromotors (31) oder des elektrischen Antriebs (3) mit dem Elektromotor (31) aufweist, wobei die Voreinstellung eine e-Boost-Stufe (B_User) repräsentiert, die, mit der Fahrerleistung (P_Fahrer) multipliziert, eine nominale Motorleistung (P_nominal) bestimmt.
Elektrofahrrad (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Voreinstellung der e-Boost-Stufe (B_User) in Abstufungen, wie in Abstufungen von beispielsweise 25 %, oder stufenlos zwischen 0% und 100% oder größer 100% mehr, erfolgt.
Elektrofahrrad (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, das Steuerungssystems (4) ausgelegt ist, die Fahrerleistung (P_Fahrer) und die elektrische Motorleistung (P_motor) zu einer Gesamtantriebsleistung (P_Antrieb) zu addieren und weiter eine überschlüssige Leistung (P_delta) aus der Differenz Gesamtantriebsleistung (P_Antrieb) und einer aus der idealen Fahrleistungskurve (P_ideal=f(v)) ermittelten idealen Fahrleistung (P_ideal) zu ermitteln, wobei aus der überschlüssigen Leistung (P_delta) eine erwartete Beschleunigung (a_erwartet) ableitbar ist.
Elektrofahrrad (1) nach Anspruch 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass, das Steuerungssystem (4) ausgelegt ist, die Adaption der Motorleistung (P_Motor) wie folgt zu ermitteln: $P_{Motor} = P_{nominal} + AF \cdot m {}^{.}{(a_{erwartet} - a)} {}^{.}v$
Elektrofahrrad (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, in dem Steuerungssystem (4) ein Algorithmus hinterlegt ist, der zur Ermittlung der Anpassung der Motorleistung (P_motor) bei Änderungen der tatsächlichen Fahrleistung (P_Fahrer) und des Fahrwiderstandes ständig und iterativ durchlaufen wird.
Elektrofahrrad (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, das Steuerungssystem (4) zumindest einen Zugang (44) zur Eingabe, zum Auslesen und/oder zur Anzeige elektronischer Daten aufweist.
Verfahren zur iterativen Ermittlung der Anpassung der Motorleistung eines Elektrofahrrades (1) gemäß einer der Ansprüche 1 bis 10 bei Änderungen der tatsächlichen Fahrleistung (P_Fahrer) eines Fahrers und des Fahrwiderstandes, mit den Schritten: Messen und Eingeben der Fahrgeschwindigkeit (v) sowie Berechnung der tatsächlichen Beschleunigung (a), Messen und Eingeben eines Pedaldrehmomentes (M) und einer Pedaldrehzahl n_Pedal in das Steuerungssystem (4) sowie Berechnung der Fahrerleistung (P_Fahrer) des Fahrers durch P_Fahrer = M · n_Pedal, Berechnen einer nominalen Motorleistung entsprechend einer gewählten e-Boost-Stufe (B_user): P_nominal = P Fahrer · B_user, Vergleichen der tatsächlichen Gesamtantriebsleistung (P_Antrieb) und der tatsächlichen Beschleunigung (a) mit einer im Steuerungssystem (4) präkonfigurierten idealen Fahrleistungskurve P_ideal = f(v), Identifizieren einer Änderung des tatsächlichen Fahrwiderstandes und Automatisches Anpassen der Motorleistung (P_motor) entsprechend der identifizierten Änderung des tatsächlichen Fahrwiderstandes
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass, die letzten drei Verfahrensschritte in Anspruch 11 wie folgt präzisiert sind: Ablesen einer idealen Fahrleistung (P_ideal) bei der Fahrgeschwindigkeit (v) aus einer im Steuerungssystem (4) abgelegten idealen Fahrleistungskurve (P_ideal=f(v)), Berechnen der tatsächlichen Gesamtantriebleistung (P_Antrieb) aus der Summe tatsächlicher Fahrleistung (P_Fahrer) und Motorleistung (P_Motor), Berechnen einer überschüssigen Leistung (P_delta) aus der Differenz Fahrerleistung (P_Antrieb) - ideale Fahrleistung (P_ideal), Berechnen einer erwarteten Beschleunigung (a_erwartet) über den Ausdruck a_erwartet = P_delta / (m·v) und Berechnen der adaptierten Motorleistung über den Ausdruck P_Motor = P_nominal + AF · m · (a_erwartet - a) · v
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass, das Steuerungssystem (4), vorzugsweise vor Beginn der Messung, mit Eingabe der idealen Fahrleistungskurve (P_ideal=f(v)) bei bestimmten idealen Bedingungen, des Betrags der Masse (m) von Fahrer, Elektrofahrrad (1) und eventuell Gepäck sowie/oder einer bestimmten e-Boost-Stufe (B_User) präkonfiguriert wird.