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Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein motorisch unterstütztes Fahrrad, insbesondere Pedelec, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors eines Antriebssystems eines motorisch unterstützten Fahrrads, insbesondere Pedelec, ein motorisch unterstütztes Fahrrad, insbesondere Pedelec, mit einem solchen Antriebssystem, ein Computerprogrammprodukt für ein motorisch unterstütztes Fahrrad, sowie einen Datenträger mit einem solchen Computerprogrammprodukt.
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Ein Pedelec ist eine Form eines motorisch unterstützbaren Fahrrads und unterstützt den Fahrer mit einem Elektromotor während des Tretens. Der Elektromotor hat üblicherweise eine Leistung von bis zu 250 W und unterstützt in der Regel bis zu einer Geschwindigkeit von 25 km/h. Der Unterstützungsgrad kann in mehreren Stufen eingestellt werden und ist abhängig von der Pedalkraft oder der Trittfrequenz des Fahrers. Pedelecs sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt.
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So sind Pedelecs mit einem Drehmomentsensor oder Kraftsensor bekannt, welcher die Trittkraft beziehungsweise das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment an der Tretkurbel misst. Abhängig von diesem gemessenen Signal wird ein Elektromotor angesteuert, um ein unterstützendes Antriebsmoment beziehungsweise eine unterstützende Antriebskraft aufzubringen. Der Motor wird darüber hinaus auch abhängig von einer Trittfrequenz des Fahrers angesteuert. Zur Ermittlung der Trittfrequenz gibt es einen weiteren Sensor. Hört der Fahrer während der Fahrt auf zu treten, wird der Motor nicht weiter bestromt.
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Aus der
JP 2017 – 7 599 A ist ein Fahrrad mit einem Elektromotor bekannt, das folgende Komponenten enthält: ein Hilfsantriebssystem, um einen Motor zu veranlassen, eine Hilfsantriebskraft mit einer Größe zu erzeugen, die einer auf ein Pedal ausgeübten Trittkraft entspricht, und ein Vorderrad oder ein Hinterrad durch die Hilfsantriebskraft anzutreiben; Griffe, die mit dem Vorderrad verbunden sind; und ein Hilfsantriebskraft-Steuerteil zum Ausführen einer Reduktionsverarbeitung zum Reduzieren der Größe der Hilfsantriebskraft, wenn ein Fahrzeugzustand ein vorbestimmter Zustand wird, und zum Nichtausführen der Reduktionsverarbeitung, wenn der Fahrzeugzustand der vorbestimmte Zustand wird, durch die Steuerung der Griffe.
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Zudem sind Boost-Funktionen bekannt, mittels derer der Fahrer innerhalb weniger Sekunden auf die zulässige Höchstgeschwindigkeit beschleunigen kann.
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Aus der
DE 10 2013 214 169 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektrischen Antriebs eines elektrisch betriebenen Zweirads bekannt, welches zusätzlich durch Muskelkraft angetrieben werden kann. Dabei wird eine Fahrverhaltensgröße erfasst, die entweder das Fahrverhalten des Fahrers und/oder des Zweirads repräsentiert. So kann beispielsweise die Pedalbetätigung des Fahrers des Zweirads, insbesondere eines Elektrofahrrads, erfasst werden. Der Kern der Erfindung besteht dabei darin, dass situationsabhängig, d.h. in Abhängigkeit von dieser Fahrverhaltensgröße der elektrische Antrieb des Zweirads, z.B. ein Elektromotor, derart angesteuert wird, dass ein Boost Modus erreicht wird, d.h. ein kurzzeitig höheres Drehmoment und somit ein erhöhter Vortrieb. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Antrieb bis zum maximal erzeugbaren Drehmoment hochgefahren wird oder zumindest in die Nähe davon. Nach diesem kurzzeitigen Boost wird der Motor auf den vorher eingestellten Unterstützungsgrad bzw. das vor dem Boost erzeugte Drehmoment zurückgeregelt. Aus der
JP 2016 175 432 A ist ein Fahrrad mit einem Elektromotor bekannt, umfassend: einen Motor, der eine Antriebskraft zum Antreiben eines Rades erzeugt; eine Erfassungseinrichtung, die einen Lenkwinkel eines Griffs erfasst; eine Regenerationseinrichtung, die einen Regenerationsstrom von dem Motor zurückgewinnt; und eine Steuereinrichtung, die den Stromwert des Regenerationsstroms so steuert, dass der Stromwert des Regenerationsstroms, wenn der von der Erfassungseinrichtung erfasste Lenkwinkel des Griffs gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, kleiner wird als der Stromwert des Regenerationsstroms, wenn der von der Erfassungseinrichtung erfasste Lenkwinkel des Griffs kleiner als der vorbestimmte Wert ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nutzung insbesondere eines Pedelecs mit Boost-Funktion sowohl für den Fahrer als auch für Verkehrsteilnehmer sicherer zu gestalten.
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Die Aufgabe wird durch ein Antriebssystem mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 5 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch ein motorisch unterstütztes Fahrrad nach Anspruch 8, ein Computerprogrammprodukt nach Anspruch 9 und durch einen Datenträger nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung geht nach einem ersten Aspekt von einem Antriebssystem für ein motorisch unterstütztes Fahrrad aus, das insbesondere als ein Pedelec ausgeführt sein kann. Das Antriebssystem umfasst eine durch Muskelkraft anzutreibende Tretkurbel und einen ersten Sensor zum Erfassen eines Tretkurbelparameters. Das Antriebssystem umfasst ferner einen Elektromotor zum Unterstützen der Muskelkraft durch Motorkraft und einen Speicher für elektrische Energie zum Zuführen von elektrischer Energie zum Elektromotor. Das Antriebssystem umfasst ferner eine mit dem ersten Sensor und Speicher signaltechnisch gekoppelte Steuer-/Regeleinheit zur Ansteuerung des Elektromotors basierend auf einem erfassten Tretkurbelparameter. Das Antriebssystem umfasst ferner ein Mittel zur Ausführung einer Boost-Funktion.
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Unter einem Tretkurbelparameter ist beispielsweise eine Tretkurbeldrehzahl oder ein Tretkurbelwinkel zu verstehen. Die Drehzahl oder der Winkel der Tretkurbel kann beispielsweise mittels eines Inkremental- oder Drehgebers erfasst werden. Unter einem Tretkurbelparameter kann auch die Trittkraft beziehungsweise das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment an der Tretkurbel verstanden werden. Hierfür kann beispielsweise ein Kraftsensor beziehungsweise ein Drehmomentsensor verwendet werden.
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Der Elektromotor kann beispielsweise ein permanentmagneterregter Gleichstrommotor sein. Bei einem solchen Elektromotor befinden sich die Erregermagnete auf dem Rotor. Das Drehfeld wird im Stator erzeugt. Zur elektrischen Erzeugung eines magnetischen Drehfelds kann insbesondere ein elektrischer Kommutator in einem sogenannten bürstenlosen oder EC-Motor zum Einsatz kommen. Der Elektromotor kann als Hinterrad-, Vorderrad- oder Mittelmotor verbaut werden. In dem Elektromotor kann beispielsweise ein Übersetzungsgetriebe eingebaut sein. Ein solches Übersetzungsgetriebe kann beispielsweise ein Umlaufrädergetriebe in der Form eines Planetengetriebes sein. Ein Übersetzungsgetriebe wird bevorzugt verwendet, um die Drehzahl des Elektromotors ins Langsame zu übersetzen. Bei einer Übersetzung ins Langsame wird die Drehzahl verkleinert, aber das übertragende Drehmoment vergrößert. Umgangssprachlich wird auch von einer Untersetzung gesprochen. Die Motorkraftunterstützung kann zudem in Stufen oder stufenlos erfolgen.
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Der Speicher für elektrische Energie kann beispielsweise in Form einer wiederaufladbaren oder nicht wiederaufladbaren Batterie vorliegen.
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Die Erfindung umfasst ferner einen mit der Steuer-/Regeleinheit signaltechnisch gekoppelter zweiter Sensor zum Erfassen eines Lenkwinkels vorgesehen ist, wobei die Steuer-/Regeleinheit ferner ausgebildet ist, den Elektromotor auf Basis des Lenkwinkels anzusteuern. Bei dem zweiten Sensor kann es sich beispielsweise um einen berührungslosen Lenkwinkelsensor handeln, der bevorzugt im Steuerrohr angeordnet ist. Der Lenkwinkel bezeichnet den Grad des Lenkeinschlags.
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Somit ist also zusätzlich zu demjenigen Sensor, der den Tretkurbelparameter misst, ein weiterer Sensor vorgesehen, der beispielsweise den Lenkeinschlag und/oder die Neigung des Fahrrads erfasst. So wird ein Antriebssystem bereitgestellt, bei welchem, anders ausgedrückt, die Steuer-/Regeleinheit derart konfiguriert ist, dass sie zur Ansteuerung des Elektromotors, das heißt eine Bestromung des Elektromotors, sowohl die zur Verfügung gestellten Tretkurbelparameter als auch Lenkwinkelinformationen verwendet.
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Es hat sich herausgestellt, dass eine von einem Lenkeinschlag abhängige Bestromung des Elektromotors eine sicherere Nutzung des Elektrofahrrads erlaubt, da dadurch beispielsweise eine Boost-Funktion nur bei Geradeausfahrt zugelassen wird.
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Erfindungsgemäß ist die Steuer-/Regeleinheit ausgebildet, bis zum Erreichen eines ersten Lenkwinkels eine erste Leistungsstufe und bei Überschreiten des ersten Lenkwinkels eine zweite Leistungsstufe zum Unterstützen der Muskelkraft bereitzustellen. Die erste Leistungsstufe kann einer maximalen Boost-Leistung (100%) entsprechen und wird vorteilhafter Weise erst dann zur Verfügung gestellt, wenn beispielsweise der Lenkeinschlag kleiner oder gleich einem Grenzwert ist. Überschreitet der Fahrer diesen Winkel, so wird eine zweite Leistungsstufe, die geringer ist als die erste Leistungsstufe, zur Verfügung gestellt. D.h., der Fahrer fährt weniger schnell oder beschleunigt langsamer.
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Bevorzugt ist ein Antriebssystem, wobei der erste Lenkwinkel +/- 15 Grad (°), +/- 10 Grad (°) oder +/- 5 Grad (°) ist, wobei ein Lenkwinkel von 0° einer perfekten Geradeausfahrt entspricht.
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Ein Lenkwinkel von +/- 5° hat stellt einen guten Kompromiss zwischen dem Wunsch des Fahrers nach maximaler Leistung und dem Wunsch nach höherer Sicherheit im Verkehr dar.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren bereitzustellen, nämlich ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors eines motorisch unterstützten Fahrrads, insbesondere Pedelec, umfassend die Schritte:
- - Erfassen eines Tretkurbelparameters mittels eines ersten Sensors;
- - Erfassen eines Lenkwinkels mittels eines zweiten Sensors;
- - Erzeugen eines Steuersignals zum Ansteuern des Elektromotors auf Basis des Tretkurbelparameters und des Lenkwinkels mittels einer Steuer-/Regeleinheit,
- - Erfassen eines zweiten Lenkwinkels (β) mittels des zweiten Sensors (102),
- - Erzeugen eines Steuersignals zum Ansteuern des Elektromotors (7) auf Basis des Tretkurbelparameters und des zweiten Lenkwinkels (β) mittels der Steuer-/Regeleinheit,
- - wobei bis zum Erreichen des ersten Lenkwinkels (a) eine erste maximale Boost-Leistung in Form einer ersten Leistungsstufe und bei Überschreiten des ersten Lenkwinkels (α) eine zweite Boost-Leistung in Form einer zweiten Leistungsstufe zum Unterstützen der Muskelkraft bereitgestellt wird,
- - wobei bis zum Erreichen des zweiten Lenkwinkels (β) die zweite Boost-Leistung und bei Überschreiten des zweiten Lenkwinkels (β) eine dritte Boost-Leistung in Form einer dritten Leistungsstufe zum Unterstützen der Muskelkraft bereitgestellt wird.
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Darüber hinaus ist ein Verfahren bevorzugt, wobei der erste Lenkwinkel +/- 15°, +/-10° oder +/- 5° ist, bis zu welchem die Bereitstellung der ersten Boost-Leistung erfolgt, wobei ein Lenkwinkel von 0° einer Geradeausfahrt entspricht.
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Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch ein Computerprogrammprodukt für ein motorisch unterstütztes Fahrrad gelöst ausgebildet, in einem Speicher eines Computers geladen zu werden, und das Softwarecodeabschnitte umfasst, mit denen ein vorstehend beschriebenes Verfahren ausführbar ist, wenn das Computerprogrammprodukt auf dem Computer läuft.
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Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch einen Datenträger mit einem vorstehend beschriebenen Computerprogrammprodukt gelöst.
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Bezüglich der Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails des Verfahrens und des Elektrofahrrads wird auf vorangegangene Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen der Betriebsvorrichtung verwiesen.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren beschrieben, in denen
- 1 eine schematische Darstellung eines Elektrofahrrads und einer Betriebsvorrichtung gemäß zumindest einer Ausführungsform; und
- 2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betrieb eines Elektrofahrrads gemäß zumindest einer Ausführungsform zeigen.
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Gleiche oder ähnliche Merkmale sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein motorisch unterstütztes Fahrrad in der Form eines Pedelecs 1. Ein Pedelec ist eine Ausführung eines Elektrofahrrads, bei der der Fahrer von einem Elektroantrieb nur dann unterstützt wird, wenn er gleichzeitig selbst in die Pedale tritt. Das Pedelec 1 weist einen rautenförmigen Fahrradrahmen 10 auf, der aus einem Oberrohr 11, einem Unterrohr 12, einer Sitzstrebe 13, einer Kettenstrebe 14, einem Steuerrohr 15 und einem Sitzrohr 16 gebildet ist. Eine Lenkstange oder Lenker 20 ist am oberen Ende des Steuerrohrs 15 befestigt, um das Pedelec 1 zu lenken. Das untere Ende des Steuerrohrs 15 stützt drehbar ein Vorderrad 50. Die Sitzstrebe 13 stützt drehbar ein Hinterrad 40. Ein Fahrradsattel oder -sitz 30 ist am oberen Ende einer Sitzstange 17 befestigt, welche einstellbar am Sitzrohr 16 montiert ist.
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Eine Kette 8 umschlingt ein auf einer Tretkurbelwelle 5a angeordnetes Kettenblatt 5b und ein Nabenritzel 9a einer Nabe 9. Die auch als Tretlagerwelle bekannte Tretkurbelwelle 5a ist in einem Tretlager 5 gelagert. Die Tretkurbelwelle 5a ist zudem in bekannter Weise mit Tretkurbeln 6 versehen.
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Der die Muskelkraft unterstützende Elektromotor ist als ein Mittelmotor 7 ausgebildet und im Tretlager 5 aufgenommen. Ein am Sitzrohr 16 angeordneter Trittfrequenzsensor 2 erfasst eine Drehzahl der Tretkurbelwelle 5a, wobei der Trittfrequenzsensor an eine Steuer-/Regeleinheit 100 angeschlossen ist. Ein als Traktionsbatterie ausgebildeter elektrischer Speicher 4 führt dem Elektromotor 7 elektrische Energie zu.
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Die Steuer-/Regeleinheit 100 ist zudem signaltechnisch mit einem als Lenkwinkelsensor ausgebildeten zweiten Sensor 102 zum Erfassen eines Lenkwinkels verbunden. Der Lenkwinkelsensor erfasst also den Radeinschlag des Vorderrads 50 beziehungsweise den Lenkeinschlag des Lenkers 20. Die Steuer-/Regeleinheit ist zudem ausgebildet ist, den Elektromotor 7 auf Basis des Lenkwinkels anzusteuern.
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2 zeigt das Prinzip aus einer Vogelperspektive. Ein Nutzer fährt mit dem Fahrrad 1 gerade aus, entlang der Längsachse L des Fahrrads 1. In dieser Fahrsituation stellt die Steuer-/Regeleinheit 100 die volle elektrische Leistung zur Verfügung, also 100%, da der erfasste Lenkwinkel α kleiner oder gleich einem ersten Lenkwinkel von 5° ist. Der erste Lenkwinkel kann auch einen anderen Wert aufweisen, beispielsweise auch einen Wert von 10° oder 15° aufweisen. Wenn, wie vorliegend, eine Geradeausfahrt vorliegt, so beträgt der Lenkwinkel α=0°.
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Leitet der Nutzer eine Kurve ein, mit einem Lenkwinkel α größer als 5°, so verringert die Steuer-/Regeleinheit 100 die zur Verfügung gestellte elektrische Leistung.
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Gemäß der Ausführung in 2 ist dem Antriebssystem zudem ein zweiter Lenkwinkel β gleich 15° hinterlegt, bei dessen Überschreiten die elektrische Leistung zusätzlich verringert wird. So kann beispielsweise im Winkelbereich 0° bis +/-5° eine elektrische Leistung von 100% zur Verfügung gestellt werden. In einem Winkelbereich von +/-5° bis +/-15° kann eine elektrische Leistung von beispielsweise 90% zur Verfügung gestellt werden.
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Diese Abstimmung kann selbstverständlich auch feiner gewählt werden. So kann ein zweiter Lenkwinkel β gleich 10° und ein dritter Lenkwinkel γ gleich 15° gewählt werden. So lässt sich beispielsweise die elektrische Leistung von 100% auf 90% und schließlich auf 80% mit zunehmenden Lenkwinkeleinschlag verringern.
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2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 1000 zur Ansteuerung eines Elektromotors eines Elektrofahrrads. In einem ersten Schritt 1100 wird ein Tretkurbelparameter erfasst. In einem Schritt 1200 wird der Tretkurbelparameter mit einem Schwellenwert verglichen. In einer Entscheidung 1300 wird entschieden, ob der Tretkurbelparameter oberhalb des Schwellenwerts liegt. Wenn ja, dann erfolgt die Bestromung des Motors in einem Schritt 1400. Wenn nein, beginnt das Verfahren erneut mit Schritt 1100.
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Erfolgt die Bestromung, wird in einem Schritt 1500 ein Lenkwinkel erfasst. In einem Schritt 1600 wird der erfasste Lenkwinkel mit einem Schwellenwert verglichen. In einer Entscheidung 1700 wird entschieden, ob der Lenkwinkel unterhalb eines ersten Schwellenwerts liegt. Falls nein, wird eine erste elektrische Leistung zur Verfügung gestellt 1800. Falls ja, wird eine zweite elektrische Leistung zur Verfügung gestellt 1900, wobei die zweite elektrische Leistung kleiner ist als die erste elektrische Leistung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Motorisch unterstütztes Fahrrad, Elektrofahrrad, Pedelec
- 2
- Drehzahlsensor, erster Sensor
- 4
- Traktionsbatterie, elektrischer Speicher
- 5
- Tretlager
- 5a
- Tretlagerkurbelwelle
- 5b
- Kettenblatt
- 6
- Tretkurbeln
- 7
- Elektromotor, Mittelmotor
- 8
- Kette/Riemen
- 9
- Nabe mit Freilauf
- 10
- Rahmen
- 11
- Oberrohr
- 12
- Unterrohr
- 13
- Sitzstrebe
- 14
- Kettenstrebe
- 15
- Steuerrohr
- 16
- Sitzrohr
- 17
- Sattelstütze
- 20
- Lenkstange, Lenker
- 30
- Fahrradsattel, Sattel
- 40
- Hinterrad
- 50
- Vorderrad
- 100
- Betriebsvorrichtung
- 101
- Umgebungslichtsensor
- 102
- Leuchtmittel, LED
- 1000
- Verfahren
- 1100
- Verfahrensschritt
- 1200
- Verfahrensschritt
- 1300
- Entscheidung
- 1400
- Verfahrensschritt
