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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrrad, ein Antriebsverfahren für ein Elektrofahrrad sowie ein Elektrofahrrad.
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Elektrofahrräder sowie Antriebsvorrichtungen und -verfahren für selbige sind prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrrad, ein verbessertes Antriebsverfahren für ein Elektrofahrrad sowie ein verbessertes Elektrofahrrad bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Antriebsvorrichtung für ein Elektrofahrrad, umfassend eine erste Leistungserfassungsvorrichtung, die ausgebildet ist, eine erste Tretleistung an einer Tretkurbelwelle des Elektrofahrrads zu erfassen, eine Leistungsbereitstellungsvorrichtung, die ausgebildet ist, eine erste Motorleistung an ein Rad des Elektrofahrrads bereitzustellen, wobei die erste Motorleistung ein Vielfaches kleiner 3,5 der ersten Tretleistung ist, eine Betätigungserfassungsvorrichtung, die ausgebildet ist, eine Betätigung eines Betätigungselements zu erfassen, und eine zweite Leistungserfassungsvorrichtung, die ausgebildet ist, eine zweite Tretleistung an der Tretkurbelwelle des Elektrofahrrads zu erfassen, wobei die Leistungsbereitstellungsvorrichtung ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Betätigung des Betätigungselementes eine zweite Motorleistung an das Rad des Elektrofahrrads bereitzustellen, wobei die zweite Motorleistung ein Vielfaches größer 3,5 der zweiten Tretleistung ist.
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Die Antriebsvorrichtung ist für den Einsatz in einem Elektrofahrrad vorgesehen. Ein Elektrofahrrad ist dabei ein Fahrrad, das zusätzlich zu dem durch einen Fahrer über eine Tretkurbelwelle angetriebenen Tretkurbelantrieb einen weiteren, elektrischen Unterstützungsantrieb bzw. Motor aufweist. Das Elektrofahrrad kann auch Pedelec genannt werden. Die Antriebsvorrichtung dient insbesondere der Steuerung bzw. Regelung der durch den Unterstützungsantrieb zugeführten Leistung und somit dem Antrieb bzw. dem Betrieb des Elektrofahrrads.
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Die Antriebsvorrichtung umfasst zunächst eine erste Leistungserfassungsvorrichtung, die ausgebildet ist, eine erste Tretleistung an einer Tretkurbelwelle des Elektrofahrrads zu erfassen. Ein Fahrer, der das Elektrofahrrad fährt, erzeugt durch Kraftausübung auf Pedale des Elektrofahrrads eine Rotation der Tretkurbelwelle, die über eine Kette oder einen Riemen an das Hinterrad ggf. mittelbar über ein Getriebe weitergegeben wird und so eine Fortbewegung des Fahrrads erzeugt. Die erste Leistungserfassungsvorrichtung ist dabei typischerweise mit einem elektrischen Bauteil, beispielsweise einem Sensor, der ausgebildet ist, die Leistung, die durch den Fahrer auf die Tretkurbelwelle abgegeben wird, zu erfassen elektrisch verbunden bzw. kann die Leistungserfassungsvorrichtung auf die Sensordaten zugreifen. Beispielsweise ist die Leistungserfassungsvorrichtung eine kombinierte Elektronik, die ein Drehmoment oder eine zum Drehmoment proportionale Kraft erfasst, die beispielsweise von einem Drehmomentsensor oder einem Kraftsensor ermittelt bzw. gemessen wird, und die weiter eine Drehzahl oder einen Drehwinkel erfasst, die bzw. der beispielsweise von einem Drehzahlsensor oder einen Drehwinkelsensor ermittelt bzw. gemessen wird. Die Leistung ist dabei das Produkt aus Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit bzw. ist proportional um den Faktor 2 π zu einem Produkt aus Drehmoment und Drehzahl. Die Leistung ist dabei die verrichtete Arbeit pro Zeiteinheit oder umgewandelte Energie pro Zeiteinheit. Alternativ kann die Leistung auch als Ableitung der verrichteten Arbeit bzw. umgewandelten Energie nach der Zeit beschrieben werden. Die Leistungserfassung erfolgt dabei beispielsweise kontinuierlich oder periodisch.
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Die Antriebsvorrichtung umfasst weiter eine Leistungsbereitstellungsvorrichtung, die ausgebildet ist, eine erste Motorleistung an ein Rad des Elektrofahrrads bereitzustellen. Die Leistungsbereitstellungsvorrichtung kann auch Motor- oder Antriebssteuerung bezeichnet werden. Die Leistungsbereitstellungsvorrichtung steuert dabei die Abgabe der der elektrischen Energie aus einem Energiespeicher bzw. einem elektrischen Speicher, wie zum Beispiel einer Batterie oder einem Akkumulator an den elektrischen Motor. Durch das Bereitstellen der elektrischen Energie über die Zeit wird eine Leistung an den elektrischen Motor bereitgestellt. Dieser Motor ist beispielsweise unmittelbar in einem der beiden Räder des Fahrrads angeordnet, dann beispielsweise als Nabenmotor in der jeweiligen Radnabe des Vorder- und/oder Hinterrads. Alternativ oder zusätzlich ist der Motor in oder an der Tretkurbel bzw. der Tretkurbelwelle angeordnet und treibt über die Kette oder den Riemen das Hinterrad an. Um die Rotationsenergie bzw. die abgegebe Leistung des Motors, sowohl in einer Nabenanordnung als auch in einer Anordnung in oder an der Tretkurbel, mit der vom Fahrer erzeugten Rotationsenergie bzw. abgegebenen Leistung an dem oder den Rädern oder der Kette bzw. dem Riemen zusammenzuführen wird üblicherweise ein Getriebe eingesetzt, auf das hier nicht näher eingegangen werden soll. Die Leistungsbereitstellungsvorrichtung stellt jedenfalls dem elektrischen Motor eine Leistung bereit bzw. veranlasst die Bereitstellung an diesen. Dies passiert beispielsweise kontinuierlich oder periodisch. Dabei ist die Motorleistung, die der elektrische Motor an das Rad abgibt üblicherweise mindestens genauso groß oder größer als die vom Fahrer erzeugte Tretleistung, um diesen in seiner zum Antrieb aufgebrachten Energie bzw. Leistung zu unterstützen. Die Motorleistung ist dabei maximal um den Faktor 3,5 größer als die Tretleistung.
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Das Verhältnis aus Motorleistung und Tretleistung wird auch Unterstützungsfaktor genannt. Der Unterstützungsfaktor U berechnet sich somit aus dem Quotienten der Motorleistung und der Tretleistung M/T, wobei M die Motorleistung und T die Tretleistung ist. Dieser Unterstützungsfaktor soll hier erfindungsgemäß nicht größer bzw. kleiner als 3,5 sein. In einem einfachen rechnerischen Beispiel stellt somit die Leistungsbereitstellungsvorrichtung bei einer Tretleistung von 100 Watt maximal 350 Watt zusätzlich durch den Motor bereit. Damit ergibt sich für dieses Beispiel eine erzeugte Gesamtleistung von 450 Watt, mit der das oder die Räder angetrieben werden.
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Eine weitere Kenngröße in diesem Zusammenhang ist der Boostfaktor F, der sich zu F = U +1 berechnet, wobei U der oben beschriebene Unterstützungsfaktor ist. Alternativ kann der Boostfaktor F auch als Gesamtleistung durch Tretleistung beschrieben werden. Somit ist der durch die Leistungsbereitstellungsvorrichtung bereitgestellter bzw. erzeugter Boostfaktor maximal 4,5. Diese Bereitstellung der Motorleistung kann auch als erster Betriebsmodus des Elektrofahrrads bezeichnet werden. Dieser Betriebsmodus kann auch als Normalmodus oder Sparmodus bezeichnet werden.
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Weiter umfasst die Antriebsvorrichtung eine Betätigungserfassungsvorrichtung, die ausgebildet ist, eine Betätigung eines Betätigungselements zu erfassen. Das Betätigungselement ist dabei ein Knopf, ein Schalter, ein Taster, den der Fahrer des Elektrofahrrads bei der Fahrt betätigen kann. Dieser kann beispielsweise an einem Lenker oder einem Rahmenteil angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Betätigungselement auch als Drehgriff am Lenker des Elektrofahrrads angeordnet sein. Die Betätigungserfassungsvorrichtung ist dabei ausgebildet, ein Signal von dem Betätigungselement zu erfassen, das bedeutet zu erfassen, ob das Betätigungselement gerade betätigt wird oder nicht. Das Betätigungselement kann dabei auch als An- und Ausschalter verstanden werden, der je nach Stellung oder Position ein An- und/oder Ausschaltsignal ausgibt, das von der Betätigungserfassungsvorrichtung aufgenommen und ausgewertet wird. Die Erfassung durch die Betätigungserfassungsvorrichtung erfolgt dabei beispielsweise kontinuierlich oder periodisch.
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Die Antriebsvorrichtung umfasst weiter eine zweite Leistungserfassungsvorrichtung, die ausgebildet ist, eine zweite Tretleistung an der Tretkurbelwelle des Elektrofahrrads zu erfassen. Die zweite Leistungserfassungsvorrichtung kann dabei von der ersten Leistungserfassungsvorrichtung verschieden sein oder die gleiche wie die erste Leistungserfassungsvorrichtung sein. In einem einfachsten Fall sind die erste und die zweite Leistungserfassungsvorrichtung identisch bzw. die gleiche. In einem anderen Fall sind die erste und die zweite Leistungserfassungsvorrichtung zwar baugleich, jedoch als zwei verschiedene Bauelemente ausgebildet. In einem weiteren Fall sind die erste und zweite Leistungserfassungsvorrichtung voneinander verschieden. In jedem Fall ist die zweite Leistungserfassungsvorrichtung ebenso ausgebildet, eine Tretleistung an der Tretkurbelwelle zu erfassen, beispielsweise kontinuierlich oder periodisch. Dies geschieht, analog zur ersten Leistungserfassungsvorrichtung durch Zugriff auf einen oder mehrere Sensoren, wie oben beschrieben.
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Dabei ist die Leistungsbereitstellungsvorrichtung weiter ausgebildet, in Abhängigkeit der Betätigung des Betätigungselementes eine zweite Motorleistung an das Rad des Elektrofahrrads bereitzustellen, wobei die zweite Motorleistung dabei ein Vielfaches größer 3,5 der zweiten Tretleistung ist. Die Motorleistung ist dabei beispielsweise mindestens viermal so groß, beispielsweise mindestens fünfmal so groß, beispielsweise mindestens zehnmal so groß, beispielsweise mindestens fünfzehnmal so groß, beispielsweise mindestens zwanzigmal so groß, beispielsweise mindestens dreißigmal so groß, beispielsweise mindestens vierzigmal so groß wie die Tretleistung. Hieraus ergeben sich Unterstützungsfaktoren von beispielsweise mindestens 4,0, beispielsweise mindestens 5,0, beispielsweise mindestens 10,0, beispielsweise mindestens 15,0 beispielsweise mindestens 20,0, beispielsweise mindestens 30,0, beispielsweise mindestens 40,0. Somit ergeben sich Boostfaktoren von 5,0, 6,0, 11,0, 16,0, 21,0, 31,0 oder 41,0. Diese Bereitstellung der Motorleistung kann auch als zweiter Betriebsmodus des Elektrofahrrads bezeichnet werden. Dieser Betriebsmodus wird erst durch das Betätigen des Betätigungselements erreicht und kann auch als Boostmodus oder Sprintmodus bezeichnet werden.
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Der Unterstützungsfaktor bzw. der Faktor, um den die Motorleistung größer ist als die Tretleistung, ist dabei voreingestellt, beispielsweise bereits bei der Fertigung, und nicht durch den Fahrer einstellbar oder veränderbar. Alternativ dazu kann der Unterstützungsfaktor in zwei oder mehreren Stufen einstellbar sein, beispielsweise durch Stufen oder Rasten an dem Betätigungselement und/oder mehrere Betätigungselemente. Wieder alternativ kann der Unterstützungsfaktor auch abhängig von der Tretleistung sein und durch die Betätigung des Betätigungselements eine Gesamtleistung, die beispielsweise der Maximalleistung, also 100 Prozent der verfügbaren Leistung des Elektromotors bereitgestellt werden, unabhängig von dem erfassten Wert der Tretleistung. Wieder alternativ kann ein fester Prozentsatz der möglichen Maximalleistung des Elektromotors bereitgestellt werden, beispielsweise 50, 60, 70, 80, 90, 95 oder 99 Prozent der Maximalleistung des Elektromotors. Auch in diesen Fällen ist sowohl keine Einstellbarkeit durch den Fahrer möglich als auch eine zwei- oder mehrstufige Einstellmöglichkeit durch den Fahrer.
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Mit dieser Antriebsvorrichtung ist es möglich quasi auf Knopfdruck, das bedeutet bei einer fahrerseitigen Betätigung des Betätigungselements, auf Wunsch bereits bei geringen bis sehr geringen Tretleistungen durch den Fahrer trotzdem eine hohe Unterstützung und damit eine hohe Gesamtleistung des Elektrofahrrads zu erreichen. Beispielsweise ist die durch die Leistungsbereitstellungsvorrichtung bereitgestellte Motorleistung an dem Rad bei einem Unterstützungsfaktor von 20,0 und einer Tretleistung von nur 20 Watt 400 Watt. Somit ergibt sich eine Gesamtleistung von 420 Watt bei einem nur sehr geringen Aufwand durch den Fahrer des Elektrofahrrads.
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Die Antriebsvorrichtung kann dadurch weitergebildet werden, dass die zweite Leistungserfassungsvorrichtung eine Drehzahlerfassungsvorrichtung umfasst und ausgebildet ist, die zweite Tretleistung aus einer erfassten Drehzahl und einem Kraftfaktor zu ermitteln. Die Drehzahlerfassungsvorrichtung ist dabei ausgebildet eine Drehzahl an der Tretkurbelwelle zu erfassen und somit die Drehzahl bzw. die Umdrehungsrate der Tretkurbelwelle zu messen. Dies kann beispielsweise durch Zugriff auf einen Drehzahlsensor oder einen Drehwinkelsensor erfolgen. In dieser Weiterbildung weist die zweite Leistungserfassungsvorrichtung keine Drehmomenterfassungsvorrichtung auf, falls die erste und die zweite Leistungserfassungsvorrichtung getrennt voneinander ausgebildet sind. Wenn diese gemeinsam ausgebildet sind, wird jedenfalls in dem zweiten Betriebsmodus, das heißt nach dem Betätigen des Betätigungselements, das Drehmoment nicht erfasst bzw. nicht von einem Drehmomentsensor verwertet.
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Die zweite Tretleistung wird in diesem Fall durch die ermittelte Drehzahl sowie einem Kraftfaktor ermittelt und/oder berechnet. Der Kraftfaktor ist dabei ein konstanter Faktor, der die Kraft abbildet, die nötig ist, um die Tretkurbelwelle zu bewegen bzw. in Bewegung zu halten, beispielsweise gegen Reibwiederstände bzw. -verluste. Die Kraft ist dabei proportional zum Drehmoment, sodass durch Einbeziehung von Proportionalitätskonstanten zumindest näherungsweise die Tretleistung berechnet werden kann. Der Kraftfaktor ist dazu beispielsweise als Konstante, die den Reibungskräften des Aufbaus aus Tretkurbel, Antrieb, etc. im Leerlauf bzw. Freilauf entspricht zusammen mit weiteren benötigten Proportionalitätskonstanten in einem Speicher, wie beispielsweise einem RAM-, ROM-, NAND-, Flash- oder Festplattenspeicher, hinterlegt, auf den die Antriebsvorrichtung Zugriff hat bzw. aus dem sie sich bedienen kann.
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Diese Weiterbildung hat insbesondere den Vorteil, dass sie auch noch zuverlässig bei kleinsten Tretleistungen funktioniert. Diese Weiterbildung funktioniert insbesondere besonders zuverlässig bei Tretleistungen kleiner 20 Watt.
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Die Antriebsvorrichtung kann dadurch weitergebildet werden, dass der Kraftfaktor ein drehzahlabhängiger Kraftfaktor ist. In manchen Fällen ist der Kraftfaktor nicht über den gesamten Drehzahlbereich konstant, sondern davon abhängig. Dann ergibt die Verwendung eines konstanten Kraftfaktors keine angemessene Näherung. Dazu können beispielsweise zu verschiedenen Drehzahlen oder Drehzahlbereichen verschiedene (diskrete) Werte in dem Speicher hinterlegt werden. Alternativ kann auch eine Kennkurve über den gesamtmöglichen Drehzahlbereich in dem Speicher hinterlegt werden.
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Diese Weiterbildung hat insbesondere den Vorteil, dass die Tretleistung im zweiten Betriebsmodus besonders genau erfasst werden kann.
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Die Antriebsvorrichtung kann dadurch weitergebildet werden, dass sie weiter eine Arbeitserfassungsvorrichtung umfasst, die ausgebildet ist, die verrichtete Motorarbeit zu erfassen und wobei die Antriebsvorrichtung weiter ausgebildet ist, beim Überschreiten eines bestimmten Schwellenwerts die erste Motorleistung an ein Rad des Elektrofahrrads bereitzustellen. Die Arbeitserfassungsvorrichtung kann auch als Energiemessvorrichtung bezeichnet werden und misst bzw. erfasst beispielsweise die von dem Elektromotor verrichtete Arbeit bzw. die von dem Elektromotor verbrauchte bzw. umgewandelte elektrische Energie, beispielsweise durch Zugriff auf einen Sensor. Die Arbeit bzw. Energie ist ein Produkt aus der Leistung und der Zeit, während der die Leistung bereitgestellt wird. Somit kann die Arbeit bzw. Energie durch direkten Zugriff auf einen Leistungssensor oder auf die erste oder die zweite Leistungserfassungsvorrichtung und einen Zeitmesser einfach und zuverlässig ermittelt bzw. berechnet werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die durch den Elektromotor verrichtete Arbeit bzw. die verbrauchte Energie auch einzig durch eine Zeiterfassung und ohne Hinzunahme einer bestehenden oder zusätzlichen Leistungserfassungsvorrichtung berechnet werden. Dies kann näherungsweise aus der Zeit, wie lange das Betätigungselement betätigt ist bzw. wie lange sich das Elektrofahrrad bzw. die Antriebsvorrichtung im zweiten Betriebsmodus befindet und der Maximalleistung des Elektromotors berechnet werden. Dies funktioniert insbesondere dann besonders zuverlässig, wenn der Faktor, um den die Motorleistung größer ist als die Tretleistung, nicht konstant, sondern auf eine bestimmten Leistungsabgabe des Motors, das bedeutet eine Maximalleistung oder einen festen Prozentsatz davon, wie oben beschrieben, fixiert ist.
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Wenn die verrichtete Arbeit bzw. die verbrauchte bzw. gewandelte Energie einen bestimmten, beispielsweise vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, stellt die Leistungsbereitstellungsvorrichtung nicht mehr die zweite, in Bezug auf die Tretleistung stark erhöhte Motorleistung mit einem Faktor von größer 3,5 bereit, sondern erneut die erste, in Bezug auf die Tretleistung nur wenig erhöhte Motorleistung mit einem Faktor von kleiner als 3,5 bereit. Dies geschieht insbesondere auch dann, wenn das Betätigungselement nicht betätigt wird bzw. die Betätigungserfassungsvorrichtung keine erneute Betätigung, das heißt ein Ausschalten, erfährt. Der bestimmte bzw. vorbestimmte Schwellenwert kann beispielsweise in einem Speicher hinterlegt sein, auf den die Antriebsvorrichtung Zugriff hat.
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Die von dem Elektromotor verrichtete Arbeit bzw. die verbrauchte bzw. gewandelte Energie hat einen unmittelbaren Bezug zur Kapazität des Akkus bzw. der Batterie. Diese hat üblicherweise eine Kapazität in Amperestunden, mit denen bei einer Betriebsspannung des Elektromotors sich eine Arbeitskapazität oder Energiekapazität in Wattstunden berechnen lässt. Diese liegt bei handelsüblichen Akkus in einem mittleren dreistelligen Bereich, beispielsweise bei 300 Wh. Bei einer beispielhaft angenommenen Maximalleistung des Elektromotors von 300 W ergibt sich somit theoretisch ein möglicher Dauerbetrieb unter Maximalleistung von einer Stunde. Bei einer üblichen Maximalgeschwindigkeit von 25 km/h ergäbe dies eine maximale Reichweite von 25 km. In der Praxis ist dieser Wert aufgrund von Verlusten und Nebeneffekten durch Steigungen, Bremsen, Verkehr oder Kurven jedoch deutlich geringer, üblicherweise nur bei 50% der theoretischen maximalen Reichweite. Dies ist jedoch unerwünscht, da zum einen der Akku so sehr schnell entladen wird, worunter die Lebensdauer des Akkus leidet. Zum anderen sind üblicherweise mit dem Fahrrad zurückgelegte Strecken deutlich länger, sodass ein Teil der Strecke dann komplett ohne Unterstützung durch den Elektromotor von dem Fahrer bewältigt werden muss, was ebenso nachteilig ist. Deshalb ist diese Weiterbildung insbesondere vorteilhaft, da sie die Lebensdauer des Akkus verlängert und für eine längere Reichweite sorgt.
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Die Arbeit kann entweder ausschließlich nach Betätigung des Betätigungselements, das bedeutet ausschließlich im zweiten Betriebsmodus erfasst werden oder alternativ dauerhaft bzw. konstant, das heißt sowohl im ersten als auch im zweiten Betriebsmodus erfasst werden. Im letzteren Fall kann somit besonders gut die verbleibende Reichweite gespart werden.
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Beispielsweise kann nach dem Überschreiten von einem Drittel, einer Hälfte oder zwei Drittel der Kapazität des Akkus in den ersten Betriebsmodus zurückgeschaltet werden. In dem oben angeführten Beispiel eines 300 W-Motors und einer Kapazität von 300 Wh kann somit beispielsweise nach verbrauchten 100 Wh, 150 Wh oder 200 Wh, in den ersten Betriebsmodus zurückgeschaltet werden. Für den Fall, dass nur die verbliebene Zeit erfasst wird, kann beispielsweise nach 5, 10, 15 oder 20 Minuten in den ersten Betriebsmodus zurückgeschaltet werden.
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Alternativ oder zusätzlich zur Arbeitserfassungsvorrichtung kann die Antriebsvorrichtung dadurch weitergebildet werden, dass sie weiter eine Streckenerfassungsvorrichtung umfasst, die ausgebildet ist, die gefahrene Strecke zu erfassen und wobei die Antriebsvorrichtung weiter ausgebildet ist, beim Überschreiten einer bestimmten Strecke die erste Motorleistung an ein Rad des Elektrofahrrads bereitzustellen. Die Streckenerfassungsvorrichtung ist ausgebildet die gefahrenen Meter oder Kilometer zu erfassen. Beispielsweise hat die Streckenerfassungsvorrichtung Zugriff auf einen Raddrehanzahlsensor, sodass bei einer gegebenen Radgröße aus dessen erfasster Raddrehanzahl die gefahrene Strecke berechnet werden kann.
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Für den Fall, dass eine bestimmte Strecke gefahren bzw. zurückgelegt worden ist, stellt die Leistungsbereitstellungsvorrichtung nicht mehr die zweite, in Bezug auf die Tretleistung stark erhöhte Motorleistung mit einem Faktor von größer 3,5 bereit, sondern erneut die erste, in Bezug auf die Tretleistung nur wenig erhöhte Motorleistung mit einem Faktor von kleiner als 3,5 bereit. Dies geschieht insbesondere auch dann, wenn das Betätigungselement nicht betätigt wird bzw. die Betätigungserfassungsvorrichtung keine erneute Betätigung, das heißt ein Ausschalten, erfährt. Der bestimmte bzw. vorbestimmte Schwellenwert kann beispielsweise in einem Speicher hinterlegt sein, auf den die Antriebsvorrichtung Zugriff hat.
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Auch die zurückgelegte Strecke bzw. das Beschränken des zweiten Betriebsmodus auf eine bestimmte Strecke hat einen direkten und vorteilhaften Einfluss auf die Reichweite und die Akkulebensdauer, aus den gleichen Gründen wie oben angeführt.
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Die gefahrene Strecke kann dabei entweder ausschließlich nach Betätigung des Betätigungselements, das bedeutet ausschließlich im zweiten Betriebsmodus erfasst werden oder alternativ dauerhaft bzw. konstant, das heißt sowohl im ersten als auch im zweiten Betriebsmodus erfasst werden. Im letzteren Fall kann somit besonders gut die verbleibende Reichweite gespart werden.
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Beispielhafte Strecken, nach denen in den ersten Betriebsmodus zurückgeschaltet wird, sind ein Viertel, ein Drittel, die Hälfte, zwei Drittel oder drei Viertel der effektiven Reichweite. Für ein Beispiel mit einer effektiven Reichweite von 12 km kann beispielsweise nach 3 km, 4 km, 6 km, 8 km oder 9 km in den ersten Betriebsmodus zurückgeschaltet werden.
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Sämtliche Bestandteile der Antriebsvorrichtung können dabei sowohl integral als auch diskret aufgebaut sein. Insbesondere können einige oder alle Funktionen oder Merkmale in einem integrierten Schaltkreis realisiert sein. Weiterhin sind sämtliche Vorrichtungen bzw. Elemente miteinander signaltechnisch bzw. elektrisch verbunden und können gegenseitig auf erfasste, berechnete oder bereitgestellte Daten oder Signale zugreifen.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Antriebsverfahren für ein Elektrofahrrad, umfassend die Schritte Erfassen einer ersten Tretleistung an einer Tretkurbelwelle des Elektrofahrrads, Bereitstellen einer ersten Motorleistung an ein Rad des Elektrofahrrads, wobei die erste Motorleistung ein Vielfaches kleiner 3,5 der ersten Tretleistung ist, Erfassen einer Betätigung eines Betätigungselements, Erfassen einer zweiten Tretleistung an der Tretkurbelwelle, und Bereitstellen einer zweiten Motorleistung an ein Rad des Elektrofahrrads, wobei die zweite Motorleistung ein Vielfaches größer 3,5 der zweiten Tretleistung ist.
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Das Antriebsverfahren kann dadurch weitergebildet werden, dass der Schritt des Erfassens einer zweiten Tretleistung die Schritte umfasst Erfassen einer Drehzahl der Tretkurbelwelle und Ermitteln der zweiten Tretleistung aus der Drehzahl und einem Kraftfaktor.
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Das Antriebsverfahren kann dadurch weitergebildet werden, dass der Kraftfaktor ein drehzahlabhängiger Kraftfaktor ist.
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Das Antriebsverfahren kann dadurch weitergebildet werden, dass es weiter die Schritte umfasst Erfassen einer Motorarbeit und, wenn die Motorarbeit einen bestimmten Schwellenwert überschritten hat, Bereitstellen der ersten Motorleistung an ein Rad des Elektrofahrrads.
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Das Antriebsverfahren kann dadurch weitergebildet werden, dass es weiter die Schritte umfasst Erfassen einer gefahrenen Strecke und, wenn eine bestimme Strecke überschritten wird, Bereitstellen der ersten Motorleistung an ein Rad des Elektrofahrrads.
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Es versteht sich, dass einzelne oder sämtliche Schritte des erfindungsgemäßen Antriebsverfahrens durch die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ausgeführt bzw. durchgeführt werden können
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Die eingangs genannte Aufgabe kann ebenfalls gelöst werden durch ein Elektrofahrrad, umfassend eine Antriebsvorrichtung gemäß einer der oben beschrieben Ausführungen.
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Bezüglich der Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails des Antriebsverfahrens und des Elektrofahrrads wird auf vorangegangene Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen und Weiterbildungen der Antriebsvorrichtung verwiesen.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft anhand der beiliegen-den Figuren beschrieben, in denen
- 1 eine schematische Darstellung eines Elektrofahrrads und einer Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einer Ausführungsform,
- 2 eine schematische Darstellung einer Antriebsvorrichtung gemäß zumindest einer Ausführungsform, und
- 3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Antriebsverfahrens gemäß zumindest einer Ausführungsform
zeigen. Gleiche oder ähnliche Merkmale sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Elektrofahrrad 1 gemäß einer Ausführungsform. Das Elektrofahrrad 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 Elektrofahrrad 1 zu lenken. An dem Lenker 20 ist weiter ein Betätigungselement 240 angeordnet. 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 Sattelstütze 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 235, der auch Unterstützungsantrieb oder elektrischer Motor genannt werden kann, ist als ein Mittelmotor ausgebildet und im Tretlager 5 aufgenommen. Ein am Sitzrohr 16 angeordneter Drehzahlsensor 220 erfasst eine Drehzahl der Tretkurbelwelle 5a und stellt diese einer Antriebsvorrichtung 100 bereit. Ein als Traktionsbatterie ausgebildeter elektrischer Speicher 230 führt dem Elektromotor 235 in Abhängigkeit von Signalen oder Befehlen der Antriebsvorrichtung 100 elektrische Energie zu. Die Antriebsvorrichtung 100 wird im Detail in 2 erläutert.
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2 zeigt eine Antriebsvorrichtung 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Dabei sind einzelne Bestandteile der Leistungserfassungsvorrichtung schematisch als funktionale Blöcke dargestellt. Es versteht sich, dass einzelne, mehrere oder alle Bestandteile oder Merkmale in einem oder mehreren integrierten Schaltkreisen oder vollständig auf Softwarebasis ausgebildet sein können.
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Die Antriebsvorrichtung 100 umfasst dabei zunächst eine erste Leistungserfassungsvorrichtung 110, die ausgebildet ist, eine erste Tretleistung an einer Tretkurbelwelle des Elektrofahrrads zu erfassen. Die erste Leistungserfassungsvorrichtung 110 weist sowohl eine Drehzahlerfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Drehzahl als auch eine Drehmomenterfassungsvorrichtung zum Erfassen eines Drehmoments der Tretkurbelwelle auf. Dazu ist die erste Leistungserfassungsvorrichtung 110 mit einem Leistungssensor gekoppelt, der aus einem Drehmomentsensor 210 und einem Drehzahlsensor 220 besteht. Der Drehmomentsensor 210 und der Drehzahlsensor 220 sind dabei an einer Tretkurbelwelle eines Elektrofahrrads angeordnet und ausgebildet die jeweiligen Daten kontinuierlich oder periodisch zu erfassen und der ersten Leistungserfassungsvorrichtung 110 bereitzustellen.
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Die Antriebsvorrichtung 100 umfasst weiter eine zweite Leistungserfassungsvorrichtung 120, die ausgebildet ist, eine zweite Tretleistung an der Tretkurbelwelle des Elektrofahrrads zu erfassen. Die zweite Leistungserfassungsvorrichtung 120 weist dabei eine Drehzahlerfassungsvorrichtung auf, die ausgebildet ist, die zweite Tretleistung aus einer erfassten Drehzahl und einem Kraftfaktor zu ermitteln. Dazu ist die zweite Leistungserfassungsvorrichtung 120 in einem funktionalen Block bzw. Bauteil mit der ersten Leistungserfassungsvorrichtung 110 ausgebildet. Im Gegensatz zur ersten Leistungserfassungsvorrichtung 110 greift die zweite Leistungserfassungsvorrichtung 120 nicht auf den Drehmomentsensor 210 zu bzw. bekommt von diesem keine Daten bereitgestellt, sondern nur auf den Drehzahlsensor 220. Zusätzlich greift die zweite Leistungserfassungsvorrichtung 120 auf den Speicher 170 zu und bekommt von diesem drehzahlabhängig den Kraftfaktor bereitgestellt.
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Die Antriebsvorrichtung 100 weist weiter eine Leistungsbereitstellungsvorrichtung 130 auf, die ausgebildet ist, eine erste Motorleistung an ein Rad des Elektrofahrrads bereitzustellen. Dazu ist die Leistungsbereitstellungsvorrichtung 130 mit einem elektrischen Speicher 230, der beispielsweise einen Akku umfasst oder als solcher ausgebildet ist, und einem Elektromotor 235 elektrisch verbunden bzw. signaltechnisch gekoppelt.
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Die Antriebsvorrichtung 100 umfasst weiter eine Betätigungserfassungsvorrichtung 140, die ausgebildet ist, eine Betätigung eines Betätigungselements 240 zu erfassen. Vor dem Erfassen einer Betätigung des Betätigungselements stellt die Leistungsbereitstellungsvorrichtung eine erste Motorleistung, die ein Vielfaches kleiner 3,5 der ersten Tretleistung ist, an das Rad des Elektrofahrrads bereit. Nach dem Erfassen einer Betätigung des Betätigungselements stellt die Leistungsbereitstellungsvorrichtung eine erste Motorleistung, die ein Vielfaches größer 3,5 der ersten Tretleistung ist, an das Rad des Elektrofahrrads bereit.
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Die Antriebsvorrichtung 100 umfasst weiter eine Arbeitserfassungsvorrichtung 150, die ausgebildet ist, die verrichtete Motorarbeit zu erfassen. Dazu ist die Arbeitserfassungsvorrichtung 150 mit der ersten und zweiten Leistungserfassungsvorrichtung 110 und 120 elektrisch bzw. signaltechnisch verbunden und kann auf die Daten der ersten und zweiten Leistungserfassungsvorrichtung 110 und 120 zugreifen. Weiter ist die Arbeitserfassungsvorrichtung mit einem Zeitmesser 250 verbunden, der die Zeit bzw. Zeitdauer erfasst. Weiter ist die Arbeitserfassungsvorrichtung 150 mit dem Speicher 170 verbunden und kann einen vorbestimmten und im Speicher hinterlegten Schwellenwert abgreifen. Nach dem Erreichen des Schwellenwertes kann die Arbeitserfassungsvorrichtung 150 das Erreichen der Leistungsbereitstellungsvorrichtung 130 anzeigen. Dadurch ist die Antriebsvorrichtung 100 ausgebildet, beim Überschreiten eines bestimmten Schwellenwerts die erste Motorleistung an ein Rad des Elektrofahrrads bereitzustellen.
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Weiter umfasst die Antriebsvorrichtung 100 eine Streckenerfassungsvorrichtung 160, die ausgebildet ist, die gefahrene Strecke zu erfassen. Dazu ist die Streckenerfassungsvorrichtung 160 mit einem Raddrehanzahlsensor 260 elektrisch bzw. signaltechnisch verbunden. Weiter ist die Streckenerfassungsvorrichtung 160 mit dem Speicher 170 verbunden und kann einen vorbestimmten und im Speicher hinterlegten Streckenwert abgreifen. Nach dem Überschreiten der bestimmten Strecke kann die Streckenerfassungsvorrichtung 160 das Überschreiten der Leistungsbereitstellungsvorrichtung 130 anzeigen. Dadurch ist die Antriebsvorrichtung 100 ausgebildet, beim Überschreiten einer bestimmten Strecke die erste Motorleistung an ein Rad des Elektrofahrrads bereitzustellen.
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3 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Antriebsverfahrens 1000 gemäß zumindest einer Ausführungsform. Das Verfahren 1000 beginnt im Schritt 1100. Hier wird eine erste Tretleistung an einer Tretkurbelwelle eines Elektrofahrrads erfasst.
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Im folgenden Schritt 1200 wird in Reaktion auf die erfasste erste Tretleistung eine erste Motorleistung an ein Rad des Elektrofahrrads bereitgestellt, wobei die erste Motorleistung ein Vielfaches kleiner 3,5 der ersten Tretleistung ist.
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In einem weiteren Schritt 1300 wird eine Betätigung eines Betätigungselements erfasst.
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In Reaktion auf das Erfassen der Betätigung des Betätigungselements wird im folgenden Schritt 1400 eine zweite Tretleistung an der Tretkurbelwelle erfasst. Das Erfassen der zweiten Tretleistung erfolgt dabei durch ein Erfassen einer Drehzahl der Tretkurbelwelle und Ermitteln der zweiten Tretleistung aus der Drehzahl und einem Kraftfaktor.
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In einem weiteren Schritt 1500 wird in Reaktion auf die erfasste zweite Tretleistung eine zweite Motorleistung an ein Rad des Elektrofahrrads bereitgestellt, wobei die zweite Motorleistung ein Vielfaches größer 3,5 der zweiten Tretleistung ist.
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In einem weiteren Schritt 1600 wird eine Motorarbeit erfasst. In der Entscheidung 1700 wird entschieden, ob die erfasste Motorarbeit einen bestimmten Schwellenwert überschritten hat. Wenn nein, wird zurück zum Schritt 1600 gekehrt. Wenn ja, wird mit dem folgenden Schritt 1800 fortgefahren.
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Parallel zum Schritt 1600 wird im Schritt 1650 eine gefahrene Strecke erfasst. In der Entscheidung 1750 wird entschieden, ob die eine bestimmte Strecke überschritten worden ist. Wenn nein, wird zurück zum Schritt 1650 gekehrt. Wenn ja, wird mit dem folgenden Schritt 1800 fortgefahren.
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Im Schritt 1800 wird erneut die erste Motorleistung an ein Rad des Elektrofahrrads bereitgestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrofahrrad
- 2
- Drehzahlsensor
- 3
- Sitzkraftsensor
- 5
- Tretlager
- 5a
- Tretkurbelwelle
- 5b
- Kettenblatt
- 6
- Tretkurbeln
- 8
- Kette
- 9
- Nabe
- 9a
- Nabenritzel
- 10
- Rahmen
- 11
- Oberrohr
- 12
- Unterrohr
- 13
- Sitzstrebe
- 14
- Kettenstrebe
- 15
- Steuerrohr
- 16
- Sitzrohr
- 17
- Sattelstütze
- 20
- Lenker
- 30
- Sattel
- 40
- Hinterrad
- 50
- Vorderrad
- 100
- Antriebsvorrichtung
- 110
- erste Leistungserfassungsvorrichtung
- 120
- zweite Leistungserfassungsvorrichtung
- 130
- Leistungsbereitstellungsvorrichtung
- 140
- Betätigungserfassungsvorrichtung
- 150
- Arbeitserfassungsvorrichtung
- 160
- Streckenerfassungsvorrichtung
- 170
- Speicher
- 210
- Drehmomentsensor
- 220
- Drehzahlsensor
- 230
- elektrischer Speicher
- 235
- Elektromotor
- 240
- Betätigungselement
- 250
- Zeitmesser
- 260
- Raddrehanzahlsensor
- 1000
- Verfahren
- 1100
- Verfahrensschritt
- 1200
- Verfahrensschritt
- 1300
- Verfahrensschritt
- 1400
- Verfahrensschritt
- 1500
- Verfahrensschritt
- 1600
- Verfahrensschritt
- 1650
- Verfahrensschritt
- 1700
- Entscheidung
- 1750
- Entscheidung
- 1800
- Verfahrensschritt
