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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads sowie ein geeignetes Verfahren zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Elektrofahrrad, das eine derartige Vorrichtung aufweist.
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Ein Elektrofahrrad oder E-Bike ist ein Fahrrad, das über einen Elektroantrieb, d. h. eine Einrichtung mit einem mit elektrischer Energie angetriebenen Hilfsmotor, verfügt, der Leistung bereitstellt, um den Antrieb des Elektrofahrrades zu unterstützen. Die elektrische Energie wird dabei von einer am Fahrrad mitgeführten Batterie bereitgestellt. Diese ist in der Regel wiederaufladbar ausgeführt.
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Es kann beispielsweise vorgesehen sein, den Elektroantrieb mit einem Schalter, z. B. einem Drehschalter, am Lenker des Elektrofahrrads zu bedienen. Ein Elektrofahrrad kann beispielsweise auch ein Pedelec sein, bei dem der Fahrer des Elektrofahrrads nur dann vom Elektroantrieb unterstützt wird, wenn er gleichzeitig selbst in die Pedale tritt, d. h. solange durch den Fahrer eine Kraft bzw. ein Drehmoment auf die Pedale wirkt. In Deutschland wird dabei zwischen normalen Pedelecs, bei denen die Unterstützung durch den Elektroantrieb bei Überschreiten einer Geschwindigkeit von 25 km/h abgeschaltet wird, und S-Pedelecs unterschieden, bei denen dieser Abschaltmechanismus nicht vorgesehen ist.
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Während eine an die Pedalbetätigung gekoppelte Motorunterstützung eine für einen Fahrer, der das Fahren mit einem Fahrrad ohne Hilfsmotor bereits gewöhnt ist, in den meisten Fahrsituationen intuitiv beherrschbare Unterstützung darstellt, können bestimmte Fahrsituationen, abhängig von der Erfahrung des Fahrers, zu instabilen Fahrzuständen oder zumindest Unsicherheiten des Fahrers führen, die den gefühlten Fahrkomfort reduzieren, insbesondere wenn dann die Unterstützung durch den Elektroantrieb größer ist als dies vom Fahrer intuitiv erwartet oder gewünscht wird, beispielsweise während des Starts, d. h. der Anfahrphase, oder in engen Kurven.
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In der
WO 2018123161 A1 wird ein elektrisches Assistenzsystem für ein elektrisch angetriebenes Fahrrad gezeigt, bei dem das Niveau der Kraft, die der Elektroantrieb zur Unterstützung bereitstellt, mit Hilfe eines Proportional-Integral-Differential (PID)-Reglers so geregelt wird, dass eine Abweichung einer anhand der vom Fahrer auf die Pedale ausgeübten Kraft festgestellten gewünschten Beschleunigung von der tatsächlichen Beschleunigung verringert wird.
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In „Cycle Analyst 3.1 b21 - Settings Summary“, GRIN Technologies, verfügbar unter www.ebikes.ca/documents/CA3-1_settings.html am 9.5.2018, werden Einstellungen eines Steuergeräts und Messcomputers für Pedelecs beschrieben, die über eine Konsole bedient werden können. Die Konsole erlaubt es, eine Geschwindigkeitsbegrenzung vorzugeben, deren Einhaltung mit einem PID-Regler realisiert ist. Zudem ist beschrieben, dass ein Modus vorgesehen sein kann, in dem regeneratives Bremsen, d. h. Rekuperationsbremsen, erfolgt, bei dem der Elektroantrieb als Dynamo betrieben wird, um Strom zu erzeugen und so die Batterie des Pedelecs wieder aufzuladen, wobei vorgesehen werden kann, dass das Rekuperationsbremsen automatisch bei Bergabfahrt aktiviert wird. Zudem ist eine Einstellung vorgesehen, bei der die Ausgangsleistung, d. h. die Leistung, die der Elektroantrieb zur Unterstützung der Fortbewegung des Elektrofahrrads bereitstellt, in Abhängigkeit von der Trittfrequenz des Fahrers variiert.
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In der
JP 2015109798 A wird eine Motorsteuerung für ein Fahrzeug mit Hilfsmotor gezeigt, die nach Initiierung durch den Fahrer ein regeneratives Bremsen durchführt, bei dem entsprechend einem Steuerungskoeffizienten eine Zielvorgabe für die Regenerierungsbremsenergie angestrebt wird, wobei der Wert des Steuerungskoeffizienten je nach Abweichung der Fahrzeuggeschwindigkeit von einer Ziel-Geschwindigkeit variiert wird.
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In der
WO 2013029925 A1 wird ein elektrisch unterstütztes Fahrrad gezeigt, wobei Sensoren verwendet werden, um Eigenschaften der Fahrbahn zu erfassen und in Abhängigkeit davon den elektrischen Hilfsmotor abzuschalten bzw. dessen Antriebsdrehmoment zu reduzieren.
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In der
US 9845133 wird ein Elektrofahrrad mit einer Steuervorrichtung gezeigt, mit der die Antriebskraft eines Hilfsmotors in Abhängigkeit von einer Geschwindigkeit oder auch einer Neigung der Fahrbahn oder der Stärke des Gegenwindes angepasst wird.
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In der
CN 104029783 A wird ein Betriebsverfahren für ein elektrisch angetriebenes Moped beschrieben, bei dem vorgesehen ist, dass der Antrieb in einen Cruise-Modus schaltet, wenn die Geschwindigkeit größer Null ist, das Moped sich nicht in einer Bergabfahrt befindet und ein auf Pedale des Mopeds wirkendes Drehmoment geringer als ein voreingestellter Wert ist.
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In der
CN 108189956 A wird ein elektrischer Hilfsantrieb für ein Elektrofahrrad gezeigt, bei dem der aktuelle Fahrwegabschnitt klassifiziert wird, z. B in bergauf, bergab und normal, und ein Steuergerät den Hilfsantrieb in Abhängigkeit von der Klassifikation mit unterschiedlich viel elektrischer Energie versorgt.
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In der
US 8430792 wird eine Fahrzeuggeschwindigkeitssteuerung beim Bergabfahren für elektrisch angetriebene Fahrzeuge gezeigt, wobei ein Steuergerät eine Sollgeschwindigkeit bestimmt und eine PID-Steuerung bei Bergabfahrt die aktuelle Geschwindigkeit unter der Verwendung von Rückgewinnungs- oder Rekuperationsbremsung an die Sollgeschwindigkeit anpasst.
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Zwar kann der Elektroantrieb eines Elektrofahrrads so angesteuert werden, dass er situationsbedingt mehr oder weniger Ausgangsleistung an die Räder des Elektrofahrrads abgibt. Deckt sich das Verhalten jedoch nicht mit der intuitiven Erwartungshaltung des Fahrers, beispielsweise, wenn beim Start oder in engen Kurven für den Fahrer überraschend viel Ausgangsleistung bereitgestellt wird, kann dies jedoch zu instabilen Fahrsituationen führen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit bereitzustellen, einen Elektroantrieb für ein Elektrofahrrad so zu betreiben, dass der Fahrer auch in besonderen Situationen ein komfortables Fahrgefühl behält und instabile Fahrzustände vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads gemäß Anspruch 1, einem Elektrofahrrad gemäß Anspruch 9 sowie einem Verfahren zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads eine Mehrzahl von Fahrzustandssensoren zum Erfassen von aktuellen Messwerten einer Mehrzahl von Kenngrößen eines Fahrzustands eines Elektrofahrrads. Dabei ist jeder dieser Kenngrößen ein zugehöriger aktueller oberer Grenzwert für die Ausgangsleistung eines Elektroantriebs des Elektrofahrrads zugeordnet. Zudem nimmt der zugehörige aktuelle obere Grenzwert für mindestens eine der Kenngrößen in Abhängigkeit von dem aktuellen Messwert dieser Kenngröße einen von mehr als zwei unterschiedlichen, dieser Kenngröße zugeordneten Grenzwerten ein. Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Leistungssteuerungseinrichtung, die eine Leistungsbegrenzungseinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Ausgangsleistung des Elektroantriebs auf einen aktuellen Minimalwert der aktuellen oberen Grenzwerte zu begrenzen, wenn die aktuelle Ausgangsleistung den aktuellen Minimalwert erreicht.
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Der Fahrzustand des Elektrofahrrads ist charakterisiert durch das Ausmaß und die aktuelle Richtung der Bewegung des Elektrofahrrads, durch dessen Ausrichtung oder Lage während der aktuellen Bewegung und durch die Wirkung des Fahrers auf das Elektrofahrrad während der aktuellen Bewegung. Kenngrößen des Fahrzustands sind daher beispielsweise die Geschwindigkeit des Elektrofahrrads, der Neigungswinkel aus der Senkrechten während der Bewegung, z. B. bei einer Kurvenfahrt, der Lenkwinkel, d. h. der Winkel, um den die aktuelle Lenkerstellung das Elektrofahrrad aus der Geradeausbewegung ablenkt, aber auch die Art, wie der Fahrer das Elektrofahrzeug steuert, d. h. mit beiden Händen am Lenker, einhändig oder freihändig. Je nach berücksichtigten Kenngrößen weist die Vorrichtung geeignete Sensoren als Fahrzustandssensoren auf, um die aktuellen Werte der betreffenden Kenngrößen erfassen, d. h. messen, zu können, beispielsweise einen Geschwindigkeitssensor zum Messen der aktuellen Geschwindigkeit, einen Neigungssensor zum Messen des Neigungswinkels gegenüber der aufrechten Position des Fahrzeugs und z. B. Drucksensoren, Helligkeitssensoren oder Temperatursensoren in den Lenkergriffen, um zu erfassen, welche Hand des Fahrers sich aktuell am Lenker des Elektrofahrrads befindet. Ein einer Kenngröße zugeordneter oberer Grenzwert für die Ausgangsleistung des Elektroantriebs legt einen Schwellenwert für die Ausgangsleistung fest, der nicht überschritten werden soll, auch wenn ansonsten die Ausgangsleistung des Elektroantrieb z. B. proportional an ein vom Fahrer selbst auf die Pedale aufgebrachtes Tret-Drehmoment gekoppelt sein kann, weil das Überschreiten des Schwellenwerts in der durch den aktuellen Wert der Kenngröße charakterisierten Fahrsituation beispielsweise zu einer instabilen oder als unsicher erachteten Fahrsituation führen könnte, z. B. die von der Größe des Neigungswinkels abhängige vom Fahrer in einer Schräglage in einer Kurvenfahrt beherrschbare Ausgangsleistung des Elektroantriebs oder die z. B. von der Art, wie der Lenker gehalten wird, abhängige, bei durch eine hohe Ausgangsleistung des Elektroantriebs ermöglichter hoher Geschwindigkeit ansteigende Schwierigkeit, auf unerwartete Fahrsituationen zu reagieren.
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Da Fahrsituationen nur unzureichend durch einzelne Kenngrößen charakterisierbar sind, ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung aktuelle Messwerte für eine Mehrzahl von Kenngrößen gleichzeitig erfasst. Zudem ist insbesondere vorgesehen, dass für zumindest eine Kenngröße, vorzugsweise für mehrere oder alle gemessenen Kenngrößen, die jeweiligen oberen Grenzwerte dynamisch sein können und eine Funktion des jeweiligen Messwerts der Kenngröße sein können, die eine genauere Anpassung zulassen als einfache binäre Entscheidungen. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass nicht nur entschieden wird, ob der Wert der Kenngröße eine unsichere Fahrsituation anzeigt, z. B. der Neigungswinkel quer zur Fahrtrichtung bzw. Fahrbahn eine Schräglage des Elektrofahrrads, und deshalb ein bestimmter noch vertretbarer oberer Grenzwert für die Ausgangsleistung nicht überschritten werden soll, sondern dass eine Zuordnungsfunktion dem gemessenen Wert für die Kenngröße, z. B. dem Neigungswinkel, unterschiedliche Wertebereiche, z. B. Winkelbereiche, zuordnet, in denen unterschiedliche obere Grenzwerte angewandt werden sollen oder dass die Zuordnungsfunktion als kontinuierlicher Zusammenhang zwischen dem aktuellen Messwert, z. B. dem aktuellen Neigungswinkel, und dem aktuell vorzusehenden oberen Grenzwert für die Ausgangsleistung des Elektroantriebs impliziert ist.
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Die Leistungssteuerungseinrichtung ist mit der Mehrzahl von Fahrzustandssensoren verbunden und empfängt die aktuellen Messwerte. Sie ist auch mit dem Elektroantrieb, der zumindest einen elektrischen Antriebsmotor und eine Batterie umfasst, verbunden oder in diesen integriert und beeinflusst die von diesem bereitgestellte Ausgangsleistung, beispielsweise durch Erhöhen, Verringern, An- und Abschalten der Stromzufuhr von einer Batterie zum Antriebsmotor. Hierzu umfasst die Leistungssteuerungseinrichtung eine geeignete Steuerschaltung, die zumindest die Leistungsbegrenzungseinheit als Hardware realisiert oder eine programmierbare Einrichtung mit Prozessor und Speicher, der Programmcode enthält, die den Prozessor veranlasst, die Messwerte auszuwerten und geeignete Steuersignale an den Elektroantrieb auszugeben und so die Leistungsbegrenzungseinheit in Software realisiert. Es ist vorgesehen, dass die Leistungsbegrenzungseinheit durch Auswahl des jeweils aktuellen Minimalwerts der aktuellen oberen Grenzwerte sicherstellt, dass keiner der gerade aktuellen oberen Grenzwerte überschritten wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Mehrzahl von Kenngrößen einen oder mehrere der folgenden Kenngrößen: eine Geschwindigkeit des Elektrofahrrads, einen ersten Neigungswinkel des Elektrofahrrads in Fahrtrichtung, einen zweiten Neigungswinkel des Elektrofahrrads quer zur Fahrtrichtung, einen Lenkwinkel eines Lenkers des Elektrofahrrads, einen Radschlupf des Elektrofahrrads, eine Anzahl von gleichzeitigen Handkontakten mit dem Lenker des Elektrofahrrads. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind Fahrzustandssensoren zum Erfassen von Messwerten für mehrere oder alle genannten Kenngrößen und deren Berücksichtigung bei der Steuerung des Elektroantriebs durch die Leistungssteuerungseinrichtung vorgesehen. Dies ermöglicht ein besonders stabiles Fahrverhalten und für den Fahrer besonders intuitives Bereitstellen von unterstützender Ausgangsleistung durch den Elektroantrieb. In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass als weitere Kenngröße ein gewählter Gang bzw. die resultierende Übersetzung erfasst wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Elektroantrieb nicht unmittelbar das Hinter- oder Vorderrad antreibt, sondern mittelbar durch die Verwendung eines Mittelmotors zum unterstützenden Antrieb der Tretkurbelwelle.
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Zum Erfassen von Messwerten der Geschwindigkeit des Elektrofahrrads wird ein Geschwindigkeitssensor vorgesehen. Die Auswertung der Messwerte durch die Leistungssteuerungseinrichtung ermöglicht es, das Drehmoment, d. h. das am angetriebenen Rad bereitgestellte Drehmoment, bzw. die Ausgangsleistung des Elektroantriebs zunächst gering zu halten und es in Abhängigkeit zumindest auch von der Geschwindigkeit des Elektrofahrrads zu erhöhen, so dass die Fahrsituation in der Startphase nicht unsicher wird.
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Der erste Neigungswinkel betrifft eine horizontale Neigung, d. h. einen Neigungswinkel in Fahrtrichtung, der beispielsweise durch einen ansteigenden oder abfallenden Fahrweg verursacht sein kann. Fällt der Fahrweg ab, kann das durch den Elektroantrieb bereitgestellte Drehmoment des Antriebsmotors und somit die Ausgangsleistung reduziert werden. Steigt der Fahrweg an, kann das bereitgestellte Drehmoment bzw. die Ausgangsleistung des Elektromotors erhöht werden.
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Der zweite Neigungswinkel quer zur Fahrtrichtung betrifft eine vertikale Auslenkung, d. h. eine Auslenkung des Elektrofahrrades aus seiner aufrechten Nominalausrichtung. Diese kann beispielsweise durch eine Kurvenfahrt oder Seitenwind verursacht sein.
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Sowohl für den ersten als auch für den zweiten Neigungswinkel werden als Messwerte insbesondere die Abweichungen von vorgesehenen Nominalwerten ausgewertet, die beispielsweise den Wert Null oder einen anderen Wert haben können.
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Zur Messung des ersten und des zweiten Neigungswinkels wird in einer beispielhaften Ausführungsform jeweils ein geeigneter Neigungssensor vorgesehen. In einer weiteren Ausführungsform wird stattdessen ein Neigungs- oder Orientierungssensor für alle drei Dimensionen vorgesehen. Die Neigungssensoren der Vorrichtung können direkt am Elektrofahrrad, z. B. am Rahmen, befestigt sein. In einer weiteren Ausführungsform dient der Orientierungssensor eines Smartphones als erster und/oder zweiter Neigungssensor. Hierzu ist das Smartphone über eine mit dem Elektrofahrrad verbundene Halterung in fixierter Ausrichtung mit dem Elektrofahrrad verbunden und die Leistungssteuerungseinrichtung ist dazu eingerichtet, über eine Datenverbindung Orientierungsinformationen vom Orientierungssensor des Smartphones abzurufen und auszuwerten.
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Der Lenkwinkel des Lenkers des Elektrofahrrads beschreibt den Winkel, um den die Lenkerstellung ein Rad des Elektrofahrrads von einer parallelen Ausrichtung mit dem Rahmen des Elektrofahrrads auslenkt. Überschreitet die Ausgangsleistung des Elektroantriebs einen zugehörigen oberen Grenzwert, kann das Elektrofahrrad dem geplanten Kurvenverlauf nicht mehr folgen. Für die Erfassung des aktuellen Lenkwinkels kann ein geeigneter Lenkwinkelsensor z. B. an der Drehachse des Lenkers vorgesehen sein.
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Ein Radschlupf zeigt schlechten Kontakt der Räder des Elektrofahrrads zur Fahrbahn an. Um den Fahrzustand stabil zu halten, wird ein vom Vorhandensein oder dem Ausmaß des Radschlupfes abhängiger oberer Grenzwert für die Ausgangsleistung des Elektroantriebs und somit das bereitgestellte Drehmoment festgelegt. Es ist vorgesehen, als Messwerte einen Unterschied der Rotationsgeschwindigkeiten des Vorder- und des Hinterrades des Elektrofahrrads bzw. eine Abweichung des Unterschieds von einem zugehörigen Nominalunterschied zu erfassen. Hierzu wird am Vorder- und am Hinterrad jeweils ein Rotationsgeschwindigkeitssensor vorgesehen, deren Messsignale von der Leistungssteuerungseinrichtung zueinander in Beziehung gesetzt werden.
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Die Anzahl von gleichzeitigen Handkontakten mit dem Lenker des Elektrofahrrads ist ein Indikator insbesondere dafür, wie vorbereitet der Fahrer auf für ihn unvorhergesehene Ereignisse ist und ob beispielsweise eine plötzliche unerwartete Beschleunigung durch eine Vergrößerung der Ausgangsleistung des Elektroantriebs zu einer unsicheren Fahrsituation führen könnte. Beispielsweise kann, wenn der Fahrer das Elektrofahrrad in Bewegung setzt, eine z. B. in Abhängigkeit von der Kraft, die der Fahrer auf die Pedale ausübt, bestimmte Ausgangsleistung des Elektroantriebs, die zur Unterstützung bereitgestellt wird, sehr hoch sein, da häufig vom Fahrer beim Start eine besonders hohe Kraft auf die Pedale ausgeübt wird. Dies kann akzeptabel sein, wenn der Fahrer den Lenker fest in beiden Händen hält. Startet der Fahrer hingegen einhändig oder sogar freihändig, kann dies bereits eine instabile Fahrsituation erzeugen und kann ein Anzeichen sein, dass der Fahrer nicht auf schnelles Losfahren vorbereitet ist, so dass für diese Fälle der obere Grenzwert für die Ausgangsleistung reduziert wird. Um Messwerte für diese Kenngröße zu erfassen, sind in einer Ausführungsform beispielsweise Temperatursensoren, Drucksensoren oder Helligkeitssensoren in den Lenkergriffen vorgesehen. Drucksensoren und Helligkeitssensoren haben den Vorteil, dass die Messsignale nicht davon abhängen, ob der Fahrer Handschuhe trägt oder nicht.
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Handelt es sich bei dem Elektrofahrrad um ein Pedelec, ist außerdem ein Pedalsensor vorgesehen, der, je nach Ausführungsform, z. B. als Kraftsensor oder Rotationsfrequenzsensor ausgeführt sein kann, so dass ermöglicht wird, die von dem Elektroantrieb bereitzustellende Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der vom Fahrer auf die Pedale aufgebrachten Kraft bzw. von der vom Fahrer aufgebrachten Leistung zu erzeugen.
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In einer Ausführungsform der Vorrichtung weist die Leistungssteuerungseinrichtung eine Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit, d. h. eine PID-Reglereinheit auf, die zumindest dazu eingerichtet ist, die Ausgangsleistung des Elektroantriebs zu erhöhen, wenn eine aktuelle Geschwindigkeit des Elektrofahrrads geringer als eine Sollgeschwindigkeit ist. Der PID-Regler ist dazu eingerichtet, fortlaufend anhand der Abweichung der aktuell gemessenen Geschwindigkeit des Elektrofahrrads von einer vorgegebenen Ziel- oder Sollgeschwindigkeit eine angepasste Ausgangsleistung zu bestimmen, die dann wiederum ggf. zu einer angepassten aktuellen Geschwindigkeit des Elektrofahrrads führt, deren Wert wiederum auf den Eingang des PID-Reglers rückgekoppelt wird, wo der erneute Vergleich mit der Sollgeschwindigkeit erfolgt. PID-Reglereinheiten bestimmen den Wert der Ausgangsfunktion als Überlagerung einer proportional verstärkenden, einer integrierenden und einer differenzierenden Auswertung des Verlaufs der Eingangsvariable, hier der Abweichung der aktuellen Geschwindigkeit von der Sollgeschwindigkeit. Dies resultiert in einer geglätteten, kontinuierlichen Annäherung an die Sollgeschwindigkeit und erlaubt so, Situationen zu vermeiden, in denen die bereitgestellte Ausgangsleistung des Elektroantriebs zu einer instabilen Fahrsituation führen könnte. So kann insbesondere bei einem Pedelec, bei dem vorgesehen ist, dass eine Unterstützung durch den Elektroantrieb nur bis zu der erlaubten Grenzgeschwindigkeit, die in Deutschland beispielsweise 25 km/h beträgt, erfolgt, ein abruptes Abschalten des Elektroantriebs bei Erreichen der Grenzgeschwindigkeit und jedes Mal erneutes Starten des Elektroantriebs bei folgendem Unterschreiten des Grenzwerts, ersetzt werden durch ein kontinuierliches, „gleitendes“ Sich-Annähern an den Grenzwert, wodurch auch der Fahrkomfort verbessert wird. In einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass für einen „Cruise“-Betreib die Sollgeschwindigkeit nicht auf die beschriebene Grenzgeschwindigkeit festgelegt ist, sondern vom Fahrer in einem bestimmten Bereich selbst eingestellt werden kann, beispielsweise auf einen Wert im Bereich von 6 km/h bis 25 km/h.
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Die Wirkung der Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit ist besonders groß in Kombination mit der Leistungsbegrenzungseinheit der Leistungssteuerungseinrichtung, durch die bereits mögliche Maxima der Ausgangsleistung auf die Stabilität und Sicherheit des Fahrzustands nicht gefährdende obere Grenzwerte beschränkt werden.
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In einer beispielhaften Ausführungsform weist die Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit eine erste Eingabeschnittstelle auf, über die ein Verstärkungsfaktor der Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit einstellbar ist. Dies bietet den Vorteil, dass der Fahrer über diese Schnittstelle durch Einstellen der gewünschten Verstärkung der PID-Regelungseinheit das von ihm bevorzugte Ausmaß an Unterstützung durch den Elektroantrieb gemäß der aktuellen eigenen Präferenz selbst auswählen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit dazu eingerichtet, den Elektroantrieb in einen Rekuperationsmodus zu schalten, in dem eine Rekuperationsbremsung durchgeführt wird, wenn die aktuelle Geschwindigkeit des Elektrofahrrads größer als die Sollgeschwindigkeit ist. Im Rekuperationsmodus wird der elektrische Antriebsmotor des Elektoantriebs als Dynamo betrieben und erzeugt elektrische Energie, mit der die Batterie des Elektroantriebs wieder aufgeladen wird. Wird die aktuelle Geschwindigkeit des Elektrofahrrads wieder unter die Sollgeschwindigkeit verringert, wird vom Rekuperationsmodus wieder in den Antriebsmodus gewechselt.
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In einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform ist eine Stärke der Rekuperationsbremsung über eine zweite Eingabeschnittstelle einstellbar. Diese zweite Eingabeschnittstelle ermöglicht es insbesondere dem Fahrer selbst, den Rekuperationsmodus zuzulassen oder zu deaktivieren und vorzugsweise auch eine graduelle Einstellung der Stärke der Rekuperationsbremsung und somit der Geschwindigkeitsreduktion zu ermöglichen. Ob eine Rekuperationsbremsung erfolgen soll, hängt von der Fahrsituation ab. Sie ist beispielsweise gewünscht bei Abfahrt an einem steilen Berg oder bei der Annäherung an eine rote Ampel. In anderen Fahrsituationen kann der Fahrer es vorziehen, die automatische Rekuperationsbremsung zu deaktivieren, beispielsweise, wenn er mit dem Elektrofahrrad bei gleichbleibender Geschwindigkeit mit vernachlässigbarem eigenem Kraftaufwand dahingleiten möchte.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Leistungssteuerungseinrichtung eine Pedalaktivitätserfassungseinheit auf, die dazu eingerichtet ist, zumindest in einem Tretleistungsmodus die Ausgangsleistung des Elektroantriebs in Abhängigkeit von einer durch einen Fahrer des Elektrofahrrads auf Pedale des Elektrofahrrads aufgebrachten Tretleistung, dargestellt durch Drehmoment (bzw. der auf die Pedale ausgeübten Kraft mal der Pedal-Hebellänge) und aktuelle Tretfrequenz, anzupassen. Anstatt die Ausgangsleistung des Elektroantriebs in Abhängigkeit von der auf die Pedale ausgeübten Kraft zu steuern, erfolgt in dieser Ausführungsform die Steuerung proportional zu dem vom Fahrer an den Pedalen erzeugten Drehmoment und proportional zur Drehzahl. So kann der Fahrer, obwohl er dieselbe Leistung generiert, anstatt mit großer Kraftanstrengung bei geringer Drehzahl bzw. Rotationsgeschwindigkeit der Pedale, dieselbe Wirkung mit geringer Kraftanstrengung, aber hoher Drehzahl der Pedale erzeugen. Dieser Betriebsmodus ist für den menschlichen Organismus meist weniger ermüdend und daher häufig zu bevorzugen. Neben einem erforderlichen Sensor, mit dem die auf die Pedale ausgeübte Kraft gemessen wird, ist daher zusätzlich auch ein Sensor zum Erfassen der Rotationsgeschwindigkeit bzw. der Rotationsfrequenz der Pedale vorgesehen. Die zu messende Kraft wird dabei als Summe oder Integral der ausgeübten Kraft über eine vollständige Rotation der Pedale über eine volle Umdrehung, also über eine Rotation von 360° erfasst, d. h. abwärts durch Drücken auf das Pedal, und aufwärts, beispielsweise unter Verwendung von Klick-Pedalen.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Pedalaktivitätserfassungseinheit dazu eingerichtet, in einem Tretkraftmodus die Ausgangsleistung des Elektroantriebs in Abhängigkeit von einer durch den Fahrer aktuell auf die Pedale aufgebrachten Kraft anzupassen. Je nach Erwartungshaltung und bisheriger Erfahrung des Fahrers kann dieser auch den Modus bevorzugen, in dem die Unterstützung durch den Elektroantrieb unabhängig von der Tretfrequenz allein in Abhängigkeit von der aktuell auf die Pedale ausgeübten Kraft variiert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform stehen dem Fahrer sowohl der Tretkraftmodus als auch der Tretleistungsmodus für die Pedalaktivitätserfassungseinheit sowie eine Eingabemöglichkeit zur Auswahl des aktuell gewünschten Modus zur Verfügung.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird zudem ein Elektrofahrrad bereitgestellt, das einen Elektroantrieb und eine Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung des Elektroantriebs gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung aufweist. Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads auch im Rahmen bzw. Kontext eines Elektrofahrrads umgesetzt.
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Zudem umfasst gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads mit einer Vorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung in einem ersten Schritt ein Erfassen von aktuellen Messwerten einer Mehrzahl von Kenngrößen eines Fahrzustands eines Elektrofahrrads mit einer Mehrzahl von Fahrzustandssensoren, wobei jeder dieser Kenngrößen ein zugehöriger aktueller oberer Grenzwert für die Ausgangsleistung eines Elektroantriebs des Elektrofahrrads zugeordnet ist. In einem zweiten Schritt umfasst das Verfahren ein Begrenzen einer aktuellen Ausgangsleistung auf einen aktuellen Minimalwert der aktuellen oberen Grenzwerte mit einer Leistungsbegrenzungseinheit einer Leistungssteuerungseinrichtung, wenn die aktuelle Ausgangsleistung den aktuellen Minimalwert erreicht oder überschreitet. Auf diese Weise wird die Vorrichtung betrieben, die Ausgangleistung des Elektroantriebs angepasst auf die gerade aktuelle Fahrsituation in einem Bereich zu halten, in dem der Fahrer zwar ein mögliches Höchstmaß an Unterstützung durch den Elektroantrieb seines Elektrofahrrads bekommen kann, aber nicht durch Bereitstellen von ungeeignet hoher Ausgangleistung eine unkomfortable oder unsichere Fahrsituation eintreten kann. Somit werden die Vorteile und Besonderheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads auch im Rahmen eines geeigneten Betriebsverfahrens für die Vorrichtung umgesetzt.
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In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zudem ein Erhöhen der Ausgangsleistung mit einer Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit der Leistungssteuerungseinrichtung, wenn eine aktuelle Geschwindigkeit des Elektrofahrrads geringer als eine Sollgeschwindigkeit ist. So kann der Fahrkomfort weiter verbessert werden, da ein abruptes Deaktivieren des Elektroantriebs bei Erreichen der Sollgeschwindigkeit und ggf. wieder Aktivieren bei Verringerung der Geschwindigkeit vermieden wird.
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In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren außerdem einen Schritt des Einstellens eines Verstärkungsfaktors der Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit über eine erste Eingabeschnittstelle der Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit, so dass der Fahrer das Ausmaß der Unterstützung durch die PID-Regelungseinheit selbst auswählen und auch variieren kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist zudem ein Schalten des Elektroantriebs in einen Rekuperationsmodus vorgesehen, in dem eine Rekuperationsbremsung durchgeführt wird, wenn die aktuelle Geschwindigkeit des Elektrofahrrads größer als die Sollgeschwindigkeit ist. So kann zum einen die Batterie des Elektroantriebs wieder aufgeladen werden und zum anderen der Bremsvorgang, um die gewünschte oder vorgeschriebene Sollgeschwindigkeit einzuhalten, automatisiert werden.
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In einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren zusätzlich einen Schritt des Einstellens einer Stärke der Rekuperationsbremsung über eine zweite Eingabeschnittstelle. Auf diese Weise kann der Fahrer die Rekuperationsbremsfunktionalität nach seinen Wünschen an- und abschalten und auch das Ausmaß des automatischen Bremsens wunschgemäß anpassen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist zudem ein Anpassen, zumindest in einem Tretleistungsmodus, der Ausgangsleistung des Elektroantriebs durch eine Pedalaktivitätserfassungseinheit der Leistungssteuerungseinrichtung in Abhängigkeit von einer durch einen Fahrer des Elektrofahrrads auf Pedale des Elektrofahrrads aufgebrachten Tretleistung, dargestellt durch Drehmoment und Tretfrequenz, vorgesehen. So wird die Ausgangsleistung zur Unterstützung des Fahrers in Abhängigkeit von der vom Fahrer aktuell erbrachten Tretleistung angepasst, unabhängig davon, ob dieser diese durch besonders hohen Kraftaufwand bei wenig Umdrehungen der Kurbelwelle mit den Pedalen oder mit weniger Kraftaufwand aber bei hoher Tretfrequenz erbringt.
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In einer beispielhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass alternativ in einem Tretkraftmodus der Pedalaktivitätserfassungseinheit ein Anpassen der Ausgangsleistung des Elektroantriebs durch die Pedalaktivitätserfassungseinheit in Abhängigkeit von einer durch den Fahrer aktuell auf die Pedale aufgebrachten Kraft erfolgt, so dass die ansonsten im Tretleistungsmodus erforderliche zusätzliche Erfassung der Tretfrequenz mit einem geeigneten Sensor vermieden werden kann.
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Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der detaillierten Beschreibung und den Abbildungen ersichtlich. Die Erfindung wird nachstehend auch im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die begleitenden Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Elektrofahrrads mit einem Elektroantrieb und einer Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung des Elektroantriebs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Leistungssteuerungseinrichtung einer Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Leistungsbegrenzungseinheit einer Leistungssteuerungseinrichtung einer Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 4 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit einer Leistungssteuerungseinrichtung einer Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 5 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Pedalaktivitätserfassungseinheit in einem Tretleistungsmodus einer Leistungssteuerungseinrichtung einer Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 6 eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit einer Tretleistung von Tret-Drehmoment und Tretfrequenz;
- 7 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Pedalaktivitätserfassungseinheit in einem Tretkraftmodus einer Leistungssteuerungseinrichtung einer Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 8 eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Verfahrens zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der vorstehend und nachstehend beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
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In 1 wird eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Elektrofahrrads mit einem Elektroantrieb und einer Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung des Elektroantriebs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das Elektrofahrrad 100 ist ein Fahrrad mit einem Vorderrad 101, einem Hinterrad, einem Rahmen 103, einem Sattel 104, einem Lenker 105, einem ersten Pedal 106 und einem zweiten Pedal 107. Das Elektrofahrrad 100 verfügt über einen Elektroantrieb 108, d. h. einen elektrischen Hilfsantrieb, der einen elektrisch betriebenen Antriebsmotor 109 und eine Batterieeinheit 110 umfasst. In anderen Ausführungsformen kann der Antriebsmotor 109 alternativ beispielsweise auch als Mittelmotor an der Tretkurbelwelle 124 oder an der Vorderradnabe 125 angebracht sein.
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Das Elektrofahrrad 100 verfügt zudem über eine Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung des Elektroantriebs 108. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, den Elektroantrieb 108 so zu steuern, dass dieser in Abhängigkeit von der Tretleistung eines Fahrers des Elektrofahrrads 100 eine Ausgangsleistung zur Unterstützung beim Antrieb des Hinterrads 102 bereitstellt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Mehrzahl von Fahrzustandssensoren zum Erfassen von aktuellen Messwerten einer Mehrzahl von Kenngrößen eines Fahrzustands des Elektrofahrrads 100 aufweist, wobei jeder der Kenngrößen ein zugehöriger aktueller oberer Grenzwert für die Ausgangsleistung des Elektroantriebs 108 zugeordnet ist und der zugehörige aktuelle obere Grenzwert für mindestens eine der Kenngrößen in Abhängigkeit von dem aktuellen Messwert dieser Kenngröße einen von mehr als zwei unterschiedlichen, dieser Kenngröße zugeordneten Grenzwerten einnimmt. In der gezeigten Ausführungsform weist das Elektrofahrrad 100 einen separaten Geschwindigkeitssensor 111 für die Erfassung der Geschwindigkeit des Elektrofahrrads 100, einen ersten Neigungssensor 112 zum Erfassen eines ersten Neigungswinkels des Elektrofahrrads 100 in Fahrtrichtung 113 und einen zweiten Neigungssensor 114 zum Erfassen eines zweiten Neigungswinkels quer zur Fahrtrichtung 113 auf. Ein Lenkwinkelsensor 115 dient dem Erfassen eines Lenkwinkels, um den durch Auslenkung des Lenkers 105 das Vorderrad 101 gegenüber der bisherigen Fahrtrichtung 113 ausgelenkt wird. Mit einem ersten Rotationssensor 116 wird eine Rotationsgeschwindigkeit des Vorderrades 101 erfasst. Mit einem zweiten Rotationssensor 117 wird außerdem eine Rotationsgeschwindigkeit des Hinterrades 102 erfasst, um durch Auswertung der Unterschiede der Rotationsgeschwindigkeiten einen Radschlupf erfassen zu können. Der Lenker verfügt über einen linken Griffsensor 118 und einen rechten Griffsensor 119, die als Drucksensoren ausgeführt sein können, um zu erfassen, ob bzw. welche Hände des Fahrers aktuell Kontakt mit dem Lenker haben. Zudem verfügt die Vorrichtung über einen Pedal-Rotationssensor 120, mit dem eine Rotationsfrequenz der ersten und zweiten Pedale 106, 107 bzw. der Kurbelwelle, an der diese befestigt sind, um über ein Zahnrad und eine Fahrradkette oder über einen Riemen die Tretleistung auf das Hinterrad 102 zu übertragen. Außerdem verfügt das erste Pedal 106 über einen ersten Kraftsensor 121 und das zweite Pedal 107 über einen zweiten Kraftsensor 122, um die vom Fahrer auf die Pedale ausgeübte Kraft erfassen zu können. Die Kraftsensoren können beispielsweise als Drucksensoren ausgeführt sein.
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Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Leistungssteuerungseinrichtung 123 beispielsweise in Form einer Steuerkonsole mit programmierbarer Vorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die erfassten Messwerte auszuwerten und die Ausgangsleistung des Elektroantriebs 108 zu verändern, beispielsweise durch Variieren der Energiezufuhr von der Batterieeinheit 110 zum Antriebsmotor 109. Hierzu sind die genannten Sensoren und der Elektroantrieb 108 über nicht gezeigte drahtlose oder drahtgebundene Verbindungen mit der Leistungssteuerungseinrichtung 123 verbunden. Die Leistungssteuerungseinrichtung weist eine Leistungsbegrenzungseinheit (hier nicht gezeigt) auf, die dazu eingerichtet ist, die Ausgangsleistung des Elektroantriebs 108 auf einen aktuellen Minimalwert der aktuellen oberen Grenzwerte zu begrenzen, wenn die aktuelle Ausgangsleistung den aktuellen Minimalwert der oberen Grenzwerte erreicht.
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In 2 wird eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Leistungssteuerungseinrichtung 200 einer Vorrichtung zum Anpassen bzw. Regeln einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die gezeigte Leistungssteuerungseinrichtung 200 generiert ein Steuersignal, mit dem der Elektroantrieb des Elektrofahrrads 201 veranlasst wird, eine aktuelle Ausgangsleistung P_out 202 bereitzustellen, die zusammen mit der vom Fahrer bereitgestellten Tretleistung P_dri 203 dem Elektrofahrrad 201 als Antriebsleistung P_prop 213 zum Antrieb z. B. des Hinterrades zur Verfügung gestellt wird, so dass sich das Elektrofahrrad 201 mit einer aktuellen Geschwindigkeit v_act 204 vorwärts bewegt.
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Die Leistungssteuerungseinrichtung 200 ist dazu eingerichtet, die Höhe der Ausgangsleistung P_out 202 fortlaufend zu ermitteln, indem eine Geschwindigkeitsdifferenz e 205 einer voreingestellten Sollgeschwindigkeit v_set 206 und der aktuellen Geschwindigkeit v_act 204 ermittelt wird, anhand derer dann eine Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit 207 einen Wert für die PID-Ausgangsleistung P_bas 208 ermittelt, der dann der Leistungsbegrenzungseinheit 209 zugeführt wird, die anhand aktuell erfasster Messwerte für Kenngrößen des Fahrzustands des Elektrofahrrads 201 einen aktuellen minimalen oberen Grenzwert für die Ausgangsleistung P_out 202 ermittelt und die PID-Ausgangsleistung P_bas 208 auf diesen minimalen oberen Grenzwert begrenzt, sofern die PID-Ausgangsleistung P_bas diesen ansonsten überschreitet.
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Eine Pedalaktivitätserfassungseinheit 210 ermittelt im gezeigten Tretleistungsbetriebsmodus anhand des vom Fahrer an den Pedalen des Elektrofahrrads generierten Tret-Drehmoments Tq_dri 211 und der Tretfrequenz n 212 die vom Fahrer bereitgestellte Tretleistung P_dri 203, von der auch der Arbeitspunkt der Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit 207 abhängen kann, wobei auch vorgesehen sein kann, dass der Fahrer diesen über eine Eingabeschnittstelle selbst einstellen oder ändern kann.
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In 3 wird eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Leistungsbegrenzungseinheit 300 einer Leistungssteuerungseinrichtung einer Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Leistungsbegrenzungseinheit 300 verfügt über eine erste Eingangsschnittstelle 301 zum Empfang eines Werts einer möglicherweise zu begrenzenden Leistung. In der gezeigten Ausführungsform empfängt die Leistungsbegrenzungseinheit eine PID-Ausgangsleistung P_bas 308 von einer (hier nicht gezeigten) Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit. Die gezeigte Leistungsbegrenzungseinheit 300 verfügt zudem über eine zweite Eingangsschnittstelle 303 zum Empfang von Messwerten eines linken und eines rechten Griffsensors und ist dazu eingerichtet, anhand dieser Information aus gespeicherten zugehörigen oberen Grenzwerten einen ersten aktuellen oberen Grenzwert für die auszugebende Ausgangsleistung P_out 302 zu ermitteln. Über eine dritte Eingangsschnittstelle 304 und eine vierte Eingangsschnittstelle 305 zum Empfang von Messwerten eines ersten Neigungssensors zum Erfassen eines ersten Neigungswinkels des Elektrofahrrads in Fahrtrichtung und eines zweiten Neigungssensor zum Erfassen eines zweiten Neigungswinkels quer zur Fahrtrichtung werden aktuelle Werte für den ersten und den zweiten Neigungswinkel empfangen und damit anhand von gespeicherten Zuordnungsfunktionen, die jedem möglichen Messwert eine zugehörige maximale Ausgangsleistung zuordnen, als zweite und dritte obere Grenzwerte für die auszugebende Ausgangsleistung P_out 302 bestimmt. Entsprechend werden über eine fünfte Eingangsschnittstelle 306 zum Empfang von Messwerten eines Lenkwinkelsensors zum Erfassen eines Lenkwinkels aktuelle Werte für den Lenkwinkel empfangen und anhand von einer gespeicherten Zuordnungsfunktion, die jedem möglichen Messwert eine zugehörige maximale Ausgangsleistung zuordnet, ein vierter oberer Grenzwert für die auszugebende Ausgangsleistung P_out 302 bestimmt. Zudem werden über eine sechste Eingangsschnittstelle 307 zum Empfang von Messwerten eines ersten Rotationssensors zum Erfassen einer Rotationsgeschwindigkeit des Vorderrades des Elektrofahrrads und eines zweiten Rotationssensors zum Erfassen einer Rotationsgeschwindigkeit des Hinterrades aktuelle Werte für die Rotationsgeschwindigkeiten empfangen, der Radschlupf anhand des Unterschiedes ermittelt und anhand von einer gespeicherten Zuordnungsfunktion, die jedem möglichen Unterschied eine zugehörige maximale Ausgangsleistung zuordnet, ein fünfter aktueller oberer Grenzwert für die auszugebende Ausgangsleistung P_out 302 bestimmt. Die Leistungsbegrenzungseinheit 300 gibt als tatsächliche leistungsbegrenzte Ausgangsleistung P_out 302 entweder die PID-Ausgangsleistung P_bas oder den Minimalwert der ermittelten aktuellen oberen Grenzwerte aus, wenn dieser Minimalwert geringer als P_bas ist.
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In 4 wird eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit einer Leistungssteuerungseinrichtung einer Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die gezeigte Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit 400 weist eine PID-Eingangsschnittstelle 401 auf, über die die Geschwindigkeitsdifferenz e der voreingestellten Sollgeschwindigkeit v_set und der aktuellen Geschwindigkeit v_act des Elektrofahrrads empfangen wird. In der gezeigten Ausführungsform ist die Geschwindigkeitsdifferenz e positiv, wenn die Sollgeschwindigkeit v_set größer als die aktuelle Geschwindigkeit v_act ist. An der PID-Ausgangsschnittstelle 402 wird die PID-Ausgangsleistung P_bas bereitgestellt. In einem ersten Antriebsmodus ist diese positiv, damit der Elektroantrieb das Elektrofahrrad zusätzlich antreibt. In einem zweiten Rekuperationsmodus ist diese negativ, so dass der Elektroantrieb das Elektrofahrrad nicht antreibt, sondern abbremst. Zur Modusumschaltung wird das Vorzeichen der Geschwindigkeitsdifferenz e mit einer Komparatorschaltung 403 ermittelt und, je nach ermitteltem Vorzeichen eine Auswahlschaltung 404 so geschaltet, dass entweder der Ausgang eines PID-Antriebsleistungspfades oder der Ausgang eines Rekuperationspfades mit der PID-Ausgangsschnittstelle 402 verbunden wird. Die Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit 400 ist Teil einer Leistungssteuerungseinrichtung, die vorsieht, dass der Ausgangswert P_bas zu einer angepassten aktuellen Geschwindigkeit des Elektrofahrrads führt, deren Wert wiederum zu einer geänderten Geschwindigkeitsdifferenz e führt, die auf die PID-Eingangsschnittstelle 401 der Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit 400 rückgekoppelt wird.
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Der PID-Antriebsleistungspfad umfasst einen proportional verstärkenden Zweig 405, der eine Leistung proportional zur am Eingang anliegenden Geschwindigkeitsdifferenz e variiert, parallel geschaltet mit einem integrierenden Zweig 406 und einem differenzierenden Zweig 407, wobei die Ausgangswerte addiert bzw. überlagert werden, um den Wert der PID-Ausgangsleistung P_bas zu erhalten. In der gezeigten Ausführungsform weist die Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit 400 zudem eine erste Eingabeschnittstelle 408 auf, über die vom Fahrer ein Verstärkungsfaktor 409 der Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit einstellbar ist.
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Ist die Geschwindigkeitsdifferenz e negativ, das Elektrofahrrad also schneller als die Sollgeschwindigkeit, wird der Elektroantrieb in den Rekuperationsmodus geschaltet, in dem eine Rekuperationsbremsung durchgeführt wird. Im Rekuperationsmodus wird der elektrische Antriebsmotor des Elektroantriebs als Dynamo betrieben und erzeugt elektrische Energie, mit der die Batterie des Elektroantriebs wieder aufgeladen wird. Wird die aktuelle Geschwindigkeit des Elektrofahrrads wieder unter die Sollgeschwindigkeit verringert, wird vom Rekuperationsmodus wieder in den Antriebsmodus gewechselt. Der Rekuperationspfad umfasst einen proportional verringernden Zweig 410, der eine rückzugewinnende Leistung proportional zur am Eingang anliegenden negativen Geschwindigkeitsdifferenz e variiert. In der gezeigten Ausführungsform kann eine Stärke der Rekuperationsbremsung 411 vom Fahrer über eine zweite Eingabeschnittstelle 412 eingestellt werden.
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In 5 wird eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Pedalaktivitätserfassungseinheit in einem Tretleistungsmodus einer Leistungssteuerungseinrichtung einer Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die gezeigte Pedalaktivitätserfassungseinheit 500 empfängt im Tretleistungsmodus über eine erste Tret-Eingangsschnittstelle 501 einen über Kraftsensoren an den Pedalen des Elektrofahrrades erfassten aktuellen Messwert F für die vom Fahrer auf beide Pedale aktuell ausgeübte Kraft (Summe) und über eine zweite Tret-Eingangsschnittstelle 502 einen über einen Pedal-Rotationssensor, mit dem die Rotationsfrequenz der Pedale bzw. der Kurbelwelle, an der diese befestigt sind, erfassten aktuellen Messwert für die Frequenz n. Durch Multiplikation der Kraft F mit der aktuellen, vom jeweiligen Rotationswinkel abhängigen Hebellänge, d. h. der Entfernung zwischen Druckpunkt der Pedale und der Achse, um die die Pedale rotieren, wird das Tret-Drehmoment Tq_dri bestimmt. Aus dessen Multiplikation mit der Kreisfrequenz, d. h. der mit 2π multiplizierten Frequenz n, wird dann die vom Fahrer auf das Elektrofahrrad übertragene Tretleistung P_dri bestimmt, deren aktueller Wert an der Tret-Ausgabeschnittstelle 503 bereitgestellt wird.
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Hierzu wird in 6 wird eine schematische Darstellung einer Abhängigkeit der Tretleistung P_dri vom Tret-Drehmoment Tq_dri und der Tretfrequenz n bzw. der zugehörigen Kreisfrequenz 2πn gezeigt. Der Fahrer kann dieselbe erforderliche Tretleistung P_dri (P_dri=konst.), die dann auch dieselbe Unterstützung durch die Ausgangsleistung des Elektroantriebs des Elektrofahrrads veranlasst, als erste Tretleistung P_dri (A) 601 bei hoher Rotationsfrequenz A der Pedale mit geringem Kraftaufwand und somit geringem Tret-Drehmoment Tq_dri (A) erzeugen, anstatt als zweite Tretleistung P_dri (B) 602 bei geringer Rotationsfrequenz B der Pedale mit großem Kraftaufwand und somit großem Tret-Drehmoment Tq_dri (B).
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In 7 wird eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Pedalaktivitätserfassungseinheit in einem Tretkraftmodus einer Leistungssteuerungseinrichtung einer Vorrichtung zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Im Tretkraftmodus folgt der von der Pedalaktivitätserfassungseinheit 700 ermittelte und an der Tret-Ausgangsschnittstelle 703 ausgegebene Wert für die Tretleistung P_dri dem an der Tret-Eingangsschnittstelle 701 empfangenen aktuellen Messwert für die vom Fahrer auf die Pedale aufgebrachte Kraft F, wobei lediglich eine Multiplikation mit einem konstanten Faktor 702 erfolgt. Auf eine Messung der Pedal-Rotationsfrequenz kann daher verzichtet werden.
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In 8 wird eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Verfahrens 800 zum Anpassen einer Ausgangsleistung eines Elektroantriebs eines Elektrofahrrads gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt, mit der eine erfindungsgemäße Vorrichtung betrieben werden kann. Das Verfahren 800 beginnt in einem Startzustand 801, in dem sich das Elektrofahrrad nicht bewegt (v_act = 0) oder der Elektroantrieb deaktviert ist. Setzt der Fahrer das Elektrofahrrad in Bewegung bzw. aktiviert er den Elektroantrieb zur Unterstützung, erfolgt zunächst ein Einlesen und Einstellen 802 eines Verstärkungsfaktors der Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit über eine erste Eingabeschnittstelle der Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit der Leistungssteuerungseinrichtung und ein Einlesen und Einstellen 803 einer Stärke der Rekuperationsbremsung über eine zweite Eingabeschnittstelle.
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In einem nächsten Schritt erfolgt eine Modusauswahl 804 für die Pedalaktivitätserfassungseinheit der Leistungssteuerungseinrichtung. Wird der Tretleistungsmodus (Modus 1) ausgewählt, erfolgt ein Anpassen 805 der Ausgangsleistung P_out des Elektroantriebs des Elektrofahrrads durch die Pedalaktivitätserfassungseinheit in Abhängigkeit von einem durch einen Fahrer des Elektrofahrrads auf Pedale des Elektrofahrrads aufgebrachten Drehmoment Tq_dri und einer Tretfrequenz n. Wird der Tretkraftmodus (Modus 2) ausgewählt, erfolgt das Anpassen 806 der Ausgangsleistung P_out des Elektroantriebs durch die Pedalaktivitätserfassungseinheit in Abhängigkeit von einer durch den Fahrer aktuell auf die Pedale aufgebrachten Kraft F, ohne dass die Tretfrequenz n berücksichtigt wird.
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In einem weiteren Schritt erfolgt ein Erfassen 807 von aktuellen Messwerten einer Mehrzahl von Kenngrößen eines Fahrzustands des Elektrofahrrads mit einer Mehrzahl von Fahrzustandssensoren. Zu jeder dieser Kenngrößen wird ein zugehöriger aktueller oberer Grenzwert für die Ausgangsleistung des Elektroantriebs des Elektrofahrrads zugeordnet 808, wobei der zugehörige aktuelle obere Grenzwert für mindestens eine der Kenngrößen in Abhängigkeit von dem aktuellen Messwert dieser Kenngröße einen von mehr als zwei unterschiedlichen, dieser Kenngröße zugeordneten Grenzwerten einnimmt.
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In einem weiteren Schritt erfolgt dann ein Überprüfen 809, ob die aktuelle Geschwindigkeit v_act des Elektrofahrrads geringer als eine vom Fahrer gewählte Sollgeschwindigkeit v_set ist. Ist dies der Fall, erfolgt ein Erhöhen 810 der Ausgangsleistung mit der Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit der Leistungssteuerungseinrichtung. Ansonsten überschreitet das Elektrofahrrad die Sollgeschwindigkeit und es erfolgt ein Schalten 811 des Elektroantriebs in einen Rekuperationsmodus, in dem eine Rekuperationsbremsung durchgeführt wird.
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In einem weiteren Schritt erfolgt dann ein Überprüfen 812, ob die aktuelle Ausgangsleistung P_out einen aktuellen Minimalwert LIM der aktuellen oberen Grenzwerte der gemessenen Kenngrößen erreicht oder überschreitet. Ist dies der Fall, erfolgt durch die Leistungsbegrenzungseinheit der Leistungssteuerungseinrichtung ein Begrenzen 813 der aktuellen Ausgangsleistung P_out auf den aktuellen Minimalwert LIM der aktuellen oberen Grenzwerte. Andenfalls bleibt der Wert für die aktuelle Ausgangsleistung P_out unverändert.
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In einem nächsten Schritt erfolgt ein Ausgeben 814 eines Steuersignals von der Leistungssteuerungseinrichtung an den Elektroantrieb, die aktuelle Ausgangsleistung entsprechend dem ermittelten Wert für P_out bereitzustellen.
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Das Verfahren wird fortgesetzt, sofern das Elektrofahrrad nicht angehalten wird (v_act = 0) 815. Ansonsten endet das Verfahren 816.
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Es versteht sich, dass Verfahrensschritte, obwohl gemäß einer gewissen geordneten Reihenfolge beschrieben, zum Teil in einer anderen als der hier beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden könnten. Es versteht sich weiterhin, dass gewisse Schritte gleichzeitig oder nacheinander, einfach oder mehrfach durchgeführt werden können, dass andere Schritte hinzugefügt werden könnten oder dass gewisse, hier beschriebene Schritte weggelassen werden könnten. Mit anderen Worten: Es werden die vorliegenden Beschreibungen zum Zwecke der Veranschaulichung bestimmter Ausführungsformen bereitgestellt und sollten nicht als Beschränkung des offenbarten Gegenstands aufgefasst werden.
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Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsformen beschränkt sein, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Elektrofahrrad
- 101
- Vorderrad
- 102
- Hinterrad
- 103
- Rahmen
- 104
- Sattel
- 105
- Lenker
- 106
- erstes Pedal
- 107
- zweites Pedal
- 108
- Elektroantrieb
- 109
- Antriebsmotor
- 110
- Batterieeinheit
- 111
- Geschwindigkeitssensor
- 112
- erster Neigungssensor
- 113
- Fahrtrichtung
- 114
- zweiter Neigungssensor
- 115
- Lenkwinkelsensor
- 116
- erster Rotationssensor
- 117
- zweiter Rotationssensor
- 118
- linker Griffsensor
- 119
- rechter Griffsensor
- 120
- Pedal-Rotationssensor
- 121
- erster Kraftsensor
- 122
- zweiter Kraftsensor
- 123
- Leistungssteuerungseinrichtung
- 124
- Tretkurbelwelle
- 125
- Vorderradnabe
- 200
- Leistungssteuerungseinrichtung
- 201
- Elektrofahrrad
- 202
- Ausgangsleistung
- 203
- Tretleistung
- 204
- aktuelle Geschwindigkeit
- 205
- Geschwindigkeitsdifferenz
- 206
- Sollgeschwindigkeit
- 207
- Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit
- 208
- PID-Ausgangsleistung
- 209
- Leistungsbegrenzungseinheit
- 210
- Pedalaktivitätserfassungseinheit
- 211
- Tret-Drehmoment
- 212
- Tretfrequenz
- 213
- Antriebsleistung
- 300
- Leistungsbegrenzungseinheit
- 301
- erste Eingangsschnittstelle
- 302
- Ausgangsleistung
- 303
- zweite Eingangsschnittstelle
- 304
- dritte Eingangsschnittstelle
- 305
- vierte Eingangsschnittstelle
- 306
- fünfte Eingangsschnittstelle
- 307
- sechste Eingangsschnittstelle
- 308
- PID-Ausgangsleistung
- 400
- Proportional-Integral-Differential-Regelungseinheit
- 401
- PID-Eingangsschnittstelle
- 402
- PID-Ausgangsschnittstelle
- 403
- Komparatorschaltung
- 404
- Auswahlschaltung
- 405
- proportional verstärkender Zweig
- 406
- integrierender Zweig
- 407
- differenzierender Zweig
- 408
- erste Eingabeschnittstelle
- 409
- Verstärkungsfaktor
- 410
- proportional verringernder Zweig
- 411
- Stärke der Rekuperationsbremsung
- 412
- zweite Eingabeschnittstelle
- 500
- Pedalaktivitätserfassungseinheit im Tretleistungsmodus
- 501
- erste Tret-Eingangsschnittstelle
- 502
- zweite Tret-Eingangsschnittstelle
- 503
- Tret-Ausgabeschnittstelle
- 601
- erste Tretleistung
- 602
- zweite Tretleistung
- 700
- Pedalaktivitätserfassungseinheit im Tretkraftmodus
- 701
- Tret-Eingangsschnittstelle
- 702
- konstanter Faktor
- 703
- Tret-Ausgangsschnittstelle
- 800
- Verfahren
- 801
- Startzustand
- 802
- Einstellen eines Verstärkungsfaktors
- 803
- Einstellen einer Stärke der Rekuperationsbremsung
- 804
- Modusauswahl für die Pedalaktivitätserfassungseinheit
- 805
- Anpassen der Ausgangsleistung
- 806
- Anpassen der Ausgangsleistung
- 807
- Erfassen von aktuellen Messwerten
- 808
- Zuordnen eines zugehörigen aktuellen oberen Grenzwerts
- 809
- Überprüfen der aktuellen Geschwindigkeit
- 810
- Erhöhen der Ausgangsleistung
- 811
- Schalten des Elektroantriebs in einen Rekuperationsmodus
- 812
- Überprüfen, ob Ausgangsleistung aktuellen Minimalwert erreicht
- 813
- Begrenzen der aktuellen Ausgangsleistung auf aktuellen Minimalwert
- 814
- Ausgeben eines Steuersignals an den Elektroantrieb
- 815
- Überprüfen, ob Elektrofahrrad angehalten
- 816
- Endzustand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2018123161 A1 [0005]
- JP 2015109798 A [0007]
- WO 2013029925 A1 [0008]
- US 9845133 [0009]
- CN 104029783 A [0010]
- CN 108189956 A [0011]
- US 8430792 [0012]
