DE102021208154A1

DE102021208154A1 - Elektrisch antreibbares Zweirad und Verfahren zur Anpassung eines Antriebsdrehmomentes eines elektrisch antreibbaren Zweirades

Info

Publication number: DE102021208154A1
Application number: DE102021208154.1A
Authority: DE
Inventors: Silas Klug; Alessandro Moia; Daniel Baumgaertner; Felix Dauer; Joseph Reck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-07-28
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2023-02-02
Also published as: CN115675443A; US20230035844A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch antreibbares Zweirad und ein Verfahren zur Anpassung eines Antriebsdrehmomentes eines elektrisch antreibbaren Zweirades. Das elektrisch antreibbare Zweirad weist auf: einen Sensor (10), auf dessen Basis eine Nickrate des elektrisch antreibbaren Zweirades ermittelbar ist, eine Vorrichtung (20) zur Beeinflussung eines Antriebsdrehmomentes des elektrisch antreibbaren Zweirades und eine Auswerteeinheit (30), wobei die Auswerteeinheit (30) eingerichtet ist,eine auf Basis des Sensors (10) ermittelte Nickrate, welche eine Nickrate des elektrisch antreibbaren Zweirades bezüglich eines Umfeldes (40) des Zweirades repräsentiert, mit einem vordefinierten statischen Nickratenschwellenwert abzugleichen und ein auf einen Antriebsstrang des elektrisch antreibbaren Zweirades einwirkendes Antriebsdrehmoment mittels eines vordefinierten Verstärkungsfaktors zu reduzieren, falls eine durch eine Aufwärtsbewegung eines Vorderrades des elektrisch antreibbaren Zweirades hervorgerufene Nickrate den statischen Nickratenschwellenwert überschreitet.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch antreibbares Zweirad und ein Verfahren zur Anpassung eines Antriebsdrehmomentes eines elektrisch antreibbaren Zweirades.
Für Motorräder existieren Fahrdynamikregelsysteme, die u. a. ein Abheben eines Vorderrades vermeiden. Eine solche Funktion basiert üblicherweise auf einer inkrementellen Raddrehzahlsensorik, welche aufgrund eines obligatorischen ABS-Systems für Motorräder standardmäßig an Vorder- und Hinterrädern der Motorräder verbaut ist.
Im Zusammenhang mit elektrisch antreibbaren Zweirädern wie Pedelecs, Elektrofahrrädern usw., wird hingegen üblicherweise eine Raddrehzahlsensorik eingesetzt, die pro Radumdrehung nur einen einzelnen Messwert (Puls) erzeugt und die üblicherweise ausschließlich am Hinterrad des Zweirades vorgesehen ist.
Weiterhin sind inertialsensorbasierte Verfahren zur Fahrzeugwinkelschätzung bekannt, welche eine hochauflösende Raddrehzahlsensorik erfordern.
DE102011004587 A1 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Schräglage eines Fahrzeugs. Mittels eines Sensors, dessen Messachse gegenüber der Längsachse des Fahrzeugs um einen Nickwinkel geneigt ist, wird eine Drehrate mit einem Wankraten- und einem Gierratenanteil erfasst. Aus der Drehrate wird schließlich ein Wankwinkel zur Beschreibung der Schräglage des Fahrzeugs ermittelt.
DE102019122058 A1 offenbart eine Steuervorrichtung für ein Fahrzeug, z. B. für ein E-Bike und eine Antriebseinheit für ein solches Fahrzeug. Eine durch die Steuervorrichtung ausgeführte Steuerungsvariante sieht vor, eine durch einen Motor erzeugte Unterstützungskraft auf das Fahrzeug in einem Fall anzuwenden, in dem ein Hindernis überquert wird, während die Unterstützungskraft in einem Fall verringert wird, in dem ein „wheelie“ erkannt wird. Hierfür umfasst die Steuervorrichtung einen Detektor, der eingerichtet ist, einen Nickwinkel des Fahrzeugkörpers zu detektieren.
DE102012009203 B4 offenbart ein Zweirad wie ein Elektrofahrrad mit einer Antriebsvorrichtung zum Antreiben des hinteren Rades und einer durch einen Fahrer betätigbaren Einstelleinheit zum Einstellen einer Beschleunigungsanforderung für die Antriebsvorrichtung und zum Einleiten einer Fahrt auf dem hinteren Rad ohne einen Fahrbahnkontakt des vorderen Rades („wheelie-Manöver“). Ferner weist das Fahrzeug eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Ist-Werts des Neigungswinkels sowie eine elektronische Regelungseinrichtung zum Regeln des Neigungswinkels während der Fahrt auf dem hinteren Rad auf.
DE102016215870 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung einer Lage eines Zweirades, insbesondere auf Basis eines 3-achsigen Beschleunigungs- oder Intertialsensors. Aus jeweiligen Sensorgrößen wird eine Lageinformation abgeleitet, die beispielsweise dem Rollwinkel und/oder dem Nickwinkel des Zweirads entspricht, wobei auf Basis der Lageinformation eine Sturzerkennung erfolgen kann.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße elektrisch antreibbare Zweirad mit den Merkmalen des Anspruchs 1, weist demgegenüber u. a. den Vorteil auf, dass ein Abheben eines Vorderrades eines elektrisch antreibbaren Zweirades mit einer besonders hohen Zuverlässigkeit ermittelbar und reduzierbar ist, wodurch eine höhere Sicherheit im Betrieb eines solchen Zweirades ermöglicht wird. Hierfür ist vorgesehen, dass ein erfindungsgemäßes elektrisch antreibbares Zweirad einen Sensor aufweist, auf dessen Basis eine Nickrate des elektrisch antreibbaren Zweirades direkt oder indirekt ermittelbar ist. Zudem ist eine Vorrichtung zur Beeinflussung eines Antriebsdrehmomentes des elektrisch antreibbaren Zweirades vorgesehen, wobei das Antriebsdrehmoment als ein resultierendes Drehmoment anzusehen ist, welches sich aus sämtlichen auf den Antriebsstrang einwirkenden Drehmomenten (z. B. ein durch Pedalieren eines Fahrers eingebrachtes Drehmoment, ein Drehmoment eines Unterstützungsmotors, usw.) zusammensetzt. Darüber hinaus weist das elektrisch antreibbare Zweirad eine Auswerteeinheit auf, welche beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, o. ä., ausgestaltet ist. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, eine auf Basis des Sensors ermittelte Nickrate, welche eine Nickrate des elektrisch antreibbaren Zweirades bezüglich eines Umfeldes des Zweirades und insbesondere bezüglich des Horizonts repräsentiert, mit einem vordefinierten statischen Nickratenschwellenwert abzugleichen. Der statische Nickratenschwellenwert ist beispielsweise in einer an die Auswerteeinheit informationstechnisch angebundenen Speichereinheit abgelegt. Eine Festlegung des statischen Nickratenschwellenwertes erfolgt beispielsweise in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform (z. B. ein Modell oder eine Modellreihe usw.) des elektrisch antreibbaren Zweirades. Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, den statischen Nickratenschwellenwert mittels einer Fahrereingabe festzulegen bzw. zu verändern (z. B. in Abhängigkeit einer Fahrerpräferenz und/oder eines Gewichtes des Fahrers und/oder einer Beladung und/oder in Abhängigkeit eines Höhenprofils und/oder einer Streckenart, usw.). Die Auswerteeinheit ist weiter eingerichtet, das auf den Antriebsstrang des elektrisch antreibbaren Zweirades einwirkende Antriebsdrehmoment mittels eines vordefinierten Verstärkungsfaktors zu reduzieren, falls eine durch eine Aufwärtsbewegung eines Vorderrades des elektrisch antreibbaren Zweirades hervorgerufene Nickrate den statischen Nickratenschwellenwert überschreitet. Das reduzierte Antriebsdrehmoment wird in der nachfolgenden Beschreibung auch Sollantriebsdrehmoment genannt, da dieses das tatsächlich auf den Antriebsstrang auszuübende, resultierende Drehmoment darstellt. Eine Aufwärtsbewegung des Vorderrades korrespondiert in dieser Offenbarung mit negativen Nickratenwerten, weshalb der Nickratenschwellenwert hier als negativer Wert definiert ist und eine Überschreitung des Nickratenschwellenwertes dementsprechend dann erfolgt, wenn die Nickratenwerte negativer werden, als der Nickratenschwellenwert (d. h., es liegt eine Überschreitung des Nickratenschwellenwertes in negativer Richtung vor). Der statische Nickartenschwellenwert ermöglicht, dass evtl. Fehleingriffe durch die Auswerteeinheit aufgrund geringer Nickbewegungen des Fahrrads, die nicht aus einem Vorderradabheben herrühren, sondern beispielsweise durch Pedalieren, Untergrundanregungen oder Fahrwerksschwingungen entstehen, vermieden werden. Vorzugsweise werden der Nickratenschwellenwert und/oder der Verstärkungsfaktor entsprechend derart festgelegt, dass ein Anheben des Vorderrades des elektrisch antreibbaren Zweirades aufgrund einer hier vorliegenden nickratenbasierten Regelung des Antriebsdrehmomentes weitestgehend verhindert wird. Durch die erfindungsgemäße Verwendung der Nickrate wird vorteilhaft verhindert, dass sich vorliegende Fahrbahnsteigungen fälschlicherweise dauerhaft auf eine Reduzierung des Antriebsdrehmomentes auswirken.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Der Sensor, auf dessen Basis eine Nickrate des elektrisch antreibbaren Zweirades ermittelbar ist, ist beispielsweise als Drehratensensor, insbesondere als 3D-Drehratensensor (welcher eingerichtet ist, jeweils Drehraten um eine Querachse bzw. y-Achse, eine Längsachse bzw. x-Achse und eine Hochachse bzw. z-Achse des Zweirades zu erfassen) und/oder als Beschleunigungssensor, insbesondere als 3D-Beschleunigungssensor (welcher eingerichtet ist, jeweils Beschleunigungen in Richtung der Querachse, der Längsachse und der Hochachse des Zweirades zu erfassen) und/oder als Federwegsensor einer Federgabel und/oder als Abstandssensor (z. B. als Radar- und/oder Ultraschall- und/oder optischer Sensor) und/oder als Vibrationssensor zur Untergrundkontaktbestimmung und/oder als Neigungssensor und/oder als Sensor für eine satellitengestützte Navigation (z. B. GPS) und/oder als Luftdrucksensor des elektrisch antreibbaren Zweirades ausgebildet.
Besonders vorteilhaft weist das elektrisch antreibbare Zweirad einen Längsgeschwindigkeitssensor auf, welcher eingerichtet ist, eine Längsgeschwindigkeit des elektrisch antreibbaren Zweirades zu erfassen. Der Längsgeschwindigkeitssensor ist vorteilhaft als Raddrehzahlsensor, der beispielsweise einen Puls pro Radumdrehung erzeugt und/oder als Sensor für eine satellitengestützte Navigation (z. B. ein GPS-Sensor) und/oder als Drehratensensor ausgebildet. Die Auswerteeinheit ist ferner eingerichtet, den Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit einer auf Basis des Längsgeschwindigkeitssensors ermittelten Längsgeschwindigkeit zu ermitteln. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass eine Gefahr eines Vorderradabhebens aufgrund einer begrenzten Antriebsleistung des elektrisch antreibbaren Zweirades mit steigender Längsgeschwindigkeit des Zweirades sinkt. Entsprechend ist es möglich, den Verstärkungsfaktor, welcher in der vorliegenden Offenbarung mit zunehmenden Werten eine zunehmende Reduzierung des Antriebsdrehmomentes bewirkt, bei höheren Längsgeschwindigkeiten geringer festzulegen, wodurch evtl. Fehleingriffe durch die Auswerteeinheit bei höheren Geschwindigkeiten reduziert oder verhindert werden. Ein Zusammenhang zwischen dem Verstärkungsfaktor und der Längsgeschwindigkeit des elektrisch antreibbaren Zweirades ist beispielsweise als lineare oder nichtlineare Kennlinie und/oder als Zuordnungstabelle usw. festgelegt und durch die Auswerteeinheit verwendbar.
Bevorzugt ist die Vorrichtung zur Beeinflussung des Antriebsdrehmomentes ein elektrischer Antriebsmotor des elektrisch antreibbaren Zweirades. Alternativ oder zusätzlich ist die Vorrichtung ein Bremssystem und/oder eine Antriebsstrangübersetzung des elektrisch antreibbaren Zweirades, welche in Übereinstimmung mit dem Verstärkungsfaktor jeweils zu einer Reduzierung eines aktuellen Antriebsdrehmomentes des elektrisch antreibbaren Zweirades verwendbar sind. Weiter bevorzugt ist das elektrisch antreibbare Zweirad ein Elektrofahrrad, ein Pedelec, ein Elektromotorrad oder ein Elektroroller, ohne das elektrisch antreibbare Zweirad dadurch auf vorgenannte Ausführungsformen einzuschränken.
Es wird weiter ein Verfahren zur Anpassung eines Antriebsdrehmomentes eines elektrisch antreibbaren Zweirades vorgeschlagen. In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Nickrate des elektrisch antreibbaren Zweirades, welche eine Nickrate des elektrisch antreibbaren Zweirades bezüglich eines Umfeldes, insbesondere bezüglich des Horizonts repräsentiert, mit einem vordefinierten statischen Nickratenschwellenwert abgeglichen. In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein auf einen Antriebsstrang des elektrisch antreibbaren Zweirades einwirkendes Antriebsdrehmomentes mittels eines vordefinierten Verstärkungsfaktors reduziert, falls eine durch eine Aufwärtsbewegung des Vorderrades des elektrisch antreibbaren Zweirades hervorgerufene Nickrate (d. h., negative Nickratenwerte) den vordefinierten Nickratenschwellenwert (in negativer Richtung) überschreitet.
Vorteilhaft erfolgt eine Regelung der Nickrate unter Berücksichtigung eines vordefinierten Nickratensollwertes. Dadurch ist es möglich, in bestimmten Fahrsituationen ein von 0°/s abweichendes Nickratenregelungsziel zu verwenden, um eine entsprechend höhere Flexibilität hinsichtlich der Regelung zu erreichen.
Vorzugsweise wird der Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit einer Längsgeschwindigkeit ermittelt wird, welche mittels eines Längsgeschwindigkeitssensors des elektrisch antreibbaren Zweirades erfasst wird. Dadurch ist es beispielsweise möglich, den Verstärkungsfaktor bei höheren Längsgeschwindigkeiten geringer festzulegen, da ein Risiko eines Vorderradabhebens i. d. R. mit steigender Längsgeschwindigkeit sinkt.
Weiter vorteilhaft wird der Verstärkungsfaktor auf Basis einer Drehrate um eine Querachse und/oder einer Hochachse und/oder einer Längsachse und/oder auf Basis einer Beschleunigung in Richtung der Querachse und/oder in Richtung der Hochachse und/oder in Richtung der Längsachse und/oder auf Basis einer Raddrehzahl und/oder einer Änderung der Raddrehzahl und/oder eines Odometriesignals eines Odometriesensors und/oder eines aktuell verwendeten Gangs einer Gangschaltung des elektrisch antreibbaren Zweirades ermittelt.
Bevorzugt weist das erfindungsgemäße Verfahren zusätzlich folgende Verfahrensschritte auf: Prädizieren eines zukünftigen Abhebens des Vorderrades des elektrisch antreibbaren Zweirades von einer Fahrbahnoberfläche während das Vorderrad in Kontakt mit der Fahrbahnoberfläche steht und Anpassen eines Sollantriebsdrehmomentes in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Prädizierens. Eine solche Vorsteuerung ermöglicht eine weitere Reduzierung oder ein vollständiges Verhindern eines Vorderradabhebens des elektrisch antreibbaren Zweirades, da ein Regelungseingriff nicht erst dann erfolgt, wenn auf Basis der Nickrate ein bereits vorhandenes Vorderradabheben ermittelt wird, sondern bereits dann, wenn sich auf Basis hierfür verwendeter Eingangsgrößen ein Vorderradabheben anbahnt. Ein Regelungseingriff kann entsprechend frühzeitiger erfolgen und eine Sicherheit beim Betrieb des elektrisch antreibbaren Zweirades entsprechend weiter erhöht werden. Als Eingangsgrößen kommen grundsätzlich wenigstens vorstehend beschrieben Größen in Frage, welche für die Nickratenregelung verwendet werden, ohne auf diese eingeschränkt zu sein.
Ferner ist es denkbar, eine jeweilige Genauigkeit von Drehratensignalen und/oder von Beschleunigungssignalen und/oder von Odometriesignalen unter Anwendung eines Sensorfusionsalgorithmus' zu verbessern, indem der Sensorfusionsalgorithmus einen Teil oder sämtliche der vorgenannten Signale in geeigneter Weise miteinander fusioniert. Der Sensorfusionsalgorithmus basiert vorteilhaft auf einem Kalman-Filter in welchem aus den Drehratensignalen eines Drehratensensors, vorzugsweise eines 3D-Drehratensensors, eine Änderung eines Zustandsvektors berechnet wird. Aus diesem Zustandsvektor lassen sich ein erwartetes Odometrie- und ein erwartetes Beschleunigungssignal berechnen. Diese werden mit jeweils gemessenen Odometrie- und Beschleunigungswerten abgeglichen, um eine Korrektur des Zustandsvektors durchzuführen. So lassen sich absolute Werte für Winkel und Geschwindigkeiten auch ohne bekannte Startwerte ermitteln. Da das Signal der auf das Zweirad bezogenen Drehrate um die Querachse des elektrisch antreibbaren Zweirades nicht immer nur die Nickwinkeländerung bezüglich des Horizonts umfasst, sondern vielmehr während Kurvenfahrten durch den Rollwinkel des Zweirades auch Komponenten der Gierrate des Zweirades aufweist, ist bei einer Verwendung dieses Signals eine zusätzliche Logik erforderlich, welche diesbezüglich fehlerhafte Eingriffe in Kurvensituationen vermeidet. Wird dies entsprechend zusätzlich im Sensorfusionsalgorithmus berücksichtigt, stellt dieser als Ausgangsgrößen u. a. ein kurvenfahrtbereinigtes Nickratensignal bereit, welches dem oben beschrieben horizontbezogenen Nickratensignal entspricht. Die Ausgangsgrößen des Sensorfusionsalgorithmus' lassen sich anschließend besonders vorteilhaft für das oben beschriebene Verfahren einsetzen.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Verfahren zusätzlich folgende Verfahrensschritte auf: Ermitteln eines gewollten Abhebens des Vorderrades des elektrisch antreibbaren Zweirades von einer Fahrbahnoberfläche auf Basis vordefinierter Kriterien (z. B. durch einen Tastendruck und/oder durch ein Hochreißen des Lenkers des Zweirades während nicht pedaliert wird und/oder durch ein Signal eines Federwegsensors, welches einen vordefinierten Federwegschwellenwert überschreitet, usw.) und Unterbinden des Reduzierens des Antriebsdrehmomentes und stattdessen Unterstützen des Abhebens des Vorderrades, sofern die vordefinierten Kriterien erfüllt sind. Auf diese Weise wird ein gewolltes Vorderradabheben in bestimmten Situationen explizit ermöglicht, z. B. bei einer gewollten Überwindung eines Hindernisses wie einer Bordsteinkannte usw.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, erfolgt das Reduzieren des Antriebsdrehmomentes nur dann, wenn eine Benutzerfreigabe für das Reduzieren des Antriebsdrehmomentes vorliegt und/oder eine aktuelle Längsbeschleunigung des elektrisch antreibbaren Zweirades einen vordefinierten Längsbeschleunigungsschwellenwert überschreitet (da ein Vorderradabheben aufgrund eines Antriebsdrehmomentes stets mit einer entsprechenden Längsbeschleunigung einhergeht) und/oder die Nickrate einen vordefinierten dynamischen Nickratenschwellenwert überschreitet, welcher in Abhängigkeit einer erwarteten maximalen Steigungsänderung, die z. B. auf Basis einer Positionsinformation des Zweirades und eines Kartenmaterials ermittelt wird, einer Fahrbahnoberfläche im Bereich des elektrisch antreibbaren Zweirades, einer aktuellen Längsgeschwindigkeit des elektrisch antreibbaren Zweirades und eines Radstandes des elektrisch antreibbaren Zweirades ermittelt wird, wodurch sich steigungsbedingte Fehleingriffe in das Antriebsdrehmoment verhindern lassen. Durch die Verwendung einzelner oder sämtlicher vorstehend genannter Randbedingungen für eine Reduzierung des Antriebsdrehmomentes ist es möglich, einen solchen Eingriff nur dann auszuführen, wenn dieser tatsächlich erforderlich bzw. erwünscht ist. Dadurch lassen sich sowohl eine Sicherheit, als auch ein Fahrkomfort für das elektrisch antreibbare Zweirad weiter verbessern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden auf Basis des Verstärkungsfaktors ermittelte Werte für jeweilige Sollantriebsdrehmomente mittels einer Filterung geglättet, sodass Schwingungen im Antriebsstrang vermieden werden, welche einen Fahrkomfort beinträchtigen können. Alternativ oder zusätzlich werden die Werte für jeweilige Sollantriebsdrehmomente derart beschränkt, dass ausschließlich ein Abbau des Antriebsdrehmoments ermöglicht wird.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines elektrisch antreibbaren Zweirades gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 einen Signalflussplan zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anpassung eines Antriebsdrehmomentes eines elektrisch antreibbaren Zweirades gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3 einen Signalflussplan zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anpassung eines Antriebsdrehmomentes eines elektrisch antreibbaren Zweirades gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 1 ein erfindungsgemäßes elektrisch antreibbares Zweirad, welches hier als Elektrofahrrad (auch „e-Bike“ genannt) ausgebildet ist, gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Wie aus 1 ersichtlich ist, weist das Elektrofahrrad einen Drehratensensor 10 auf, welcher eingerichtet ist, Drehungen des Elektrofahrrades um eine Querachse, um eine Längsachse und um eine Hochachse des Elektrofahrrades zu erfassen.
Zusätzlich weist das Elektrofahrrad einen Raddrehzahlsensor 15 auf, welcher im Bereich eines Hinterrades 130 an einem Rahmen des Elektrofahrades angeordnet ist und welcher eingerichtet ist, bei jeder vollen Umdrehung des Hinterrades 130 einen Raddrehzahlimpuls zu erzeugen.
Zudem weist das Elektrofahrrad einen Elektromotor 20 auf, welcher eingerichtet ist, ein Antriebsdrehmoment T des Elektrofahrrades zu beeinflussen. Der Elektromotor 20 wird mittels einer Batterie 25 des Elektrofahrrades mit elektrischer Energie versorgt.
Weiter weist das Elektrofahrrad eine Auswerteeinheit 30 auf, welche hier als Mikrocontroller ausgebildet ist und welche informationstechnisch mit dem Drehratensensor 10, dem Raddrehzahlsensor 15 und dem Elektromotor 20 (bzw. einer nicht gezeigten Steuerungseinheit des Elektromotors 20) verbunden ist.
Dadurch ist die Auswerteeinheit 30 in der Lage, aus einer Information über eine Drehung des Elektrofahrrades um die Querachse und einer Information über die Drehung des Elektrofahrrades um die Hochachse, welche jeweils durch den Drehratensensor 10 bereitgestellt werden, eine Nickrate θ̇̇ des Elektrofahrrades zu ermitteln, welche eine Nickrate θ̇ des Elektrofahrrades bezüglich des Horizonts repräsentiert.
Ferner ist die Auswerteeinheit 30 in der Lage, auf Basis der Raddrehzahlimpulse des Raddrehzahlsensors 15 eine Längsgeschwindigkeit v_x des Elektrofahrrades zu ermitteln.
Die Auswerteeinheit 30 ist zudem eingerichtet, die ermittelte Nickrate θ̇ mit einem vordefinierten statischen Nickratenschwellenwert THR1 abzugleichen, welcher in einer an die Auswerteeinheit 30 informationstechnisch angebundenen (nicht gezeigten) Speichereinheit abgelegt ist.
Darüber hinaus ist die Auswerteeinheit 30 eingerichtet, das auf einen Antriebsstrang des Elektrofahrrades einwirkende Antriebsdrehmoment T mittels eines vordefinierten Verstärkungsfaktors F zu reduzieren, falls eine durch eine Aufwärtsbewegung eines Vorderrades 120 des Elektrofahrrades hervorgerufene Nickrate θ̇̇ (ein negativer Wert) den statischen Nickratenschwellenwert THR1 in negativer Richtung überschreitet.
Der hierbei verwendete vordefinierte Verstärkungsfaktor F wird mittels der Auswerteeinheit 30 zudem in Abhängigkeit der auf Basis des Raddrehzahlsensors 15 ermittelten Längsgeschwindigkeit v_x ermittelt. In diesem Ausführungsbeispiel wird hierfür eine Zuordnungstabelle (engl. „lookup table“) eingesetzt, in welcher zu jeweiligen Längsgeschwindigkeitswerten bzw. Bereichen von Längsgeschwindigkeitswerten jeweils korrespondierende vordefinierte Verstärkungsfaktoren F abgelegt sind, welche durch die Auswerteeinheit 30 entsprechend der aktuellen Längsgeschwindigkeit v_x ausgewählt und verwendet werden.
Anhand der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels ist ersichtlich, dass ein Anheben des Vorderrades 120 des Elektrofahrrades besonders zuverlässig reduziert oder gar verhindert wird. Zudem verhindert die erfindungsgemäße Verwendung der Nickrate u. a., dass sich vorliegende Fahrbahnsteigungen dauerhaft auf eine Reduzierung des Antriebsdrehmomentes auswirken. Weiterhin wird durch das Berücksichtigen der Längsgeschwindigkeit v_x vorteilhaft erreicht, dass die Reduzierung des Antriebsdrehmomentes im Wesentlichen nur in Situationen erfolgt, in welchen tatsächlich ein Risiko eines Vorderradabhebens vorliegt (d. h., in Bereichen niedriger Geschwindigkeiten).
2 zeigt einen Signalflussplan zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anpassung eines Antriebsdrehmomentes eines elektrisch antreibbaren Zweirades, welches hier ein Elektrofahrrad ist, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Es sei darauf hingewiesen, dass die dem Signalflussplan zugrundeliegende Logik vorteilhaft in Form eines Computerprogramms implementiert ist, welches mittels einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit 30 ausgeführt wird.
In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Nickrate θ̇̇̇, welche eine Nickrate θ̇̇̇ des Elektrofahrrades bezüglich des Horizonts repräsentiert und welche basierend auf Signalen eines 3D-Drehratensensors des Fahrrades ermittelt wurde, mit einem vordefinierten statischen Nickratenschwellenwert THR1 abgeglichen.
In einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein auf einen Antriebsstrang des elektrisch antreibbaren Zweirades einwirkendes Antriebsdrehmoment T mittels eines vordefinierten Verstärkungsfaktors F reduziert, falls eine durch eine Aufwärtsbewegung eines Vorderrades 120 des Elektrofahrrades hervorgerufene Nickrate θ̇̇̇ den vordefinierten Nickratenschwellenwert THR1 überschreitet.
Hierfür werden in diesem Ausführungsbeispiel 3D-Winkelgeschwindigkeitssignale ω_x, ω_x und ω_z eines Drehratensensors 10, 3D-Beschleunigungssignale a_x, a_y, a_z eines (nicht gezeigten) Beschleunigungssensors und ein Odometriesignal S_x eines (nicht gezeigten) Odometriesensor, welcher beispielsweise als Raddrehzahlsensor 15 ausgebildet ist, durch einen Hauptberechnungsteil 35 des Signalflussplans empfangen.
Der Hauptberechnungsteil 35 ist ausgebildet, unter Verwendung eines Sensorfusionsalgorithmus', welcher eine Kalman-Filterung einsetzt, auf Basis der Winkelgeschwindigkeitssignale ω_x, ω_y, ω_z, der Beschleunigungssignale a_x, a_y, a_z und des Odometriesignals S_xu. a. eine besonders genaue Nickrate θ̇̇ zu ermitteln, welche eine kurvenunabhängige Nickrate θ̇̇ repräsentiert.
Die ermittelte Nickrate θ̇̇ wird anschließend mit einem Nickratensollwert 110 verrechnet, welcher zur Vermeidung eines Vorderradabhebens des Elektrofahrrades hier einem Wert von 0°/s entspricht.
Auf Basis vorstehend genannter Signale und auf Basis eines aktuellen Antriebsdrehmoments T des Elektrofahrrades ist der Hauptberechnungsteil 35 darüber hinaus ausgebildet, einen Verstärkungsfaktor F und ein Vorsteuersignal FF zu ermitteln.
Der Verstärkungsfaktor F wird insbesondere in Abhängigkeit einer Längsgeschwindigkeit v_x des Elektrofahrrades ermittelt, welche ebenfalls auf Basis des oben beschriebenen Sensorfusionsalgorithmus' mit besonderer Genauigkeit ermittelbar ist.
Der Verstärkungsfaktor F wird derart gebildet, dass eine Multiplikation des Verstärkungsfaktors mit der Nickrate θ̇̇̇, welche mit dem Nickratensollwert 110 verrechnet wurde, ein Reduzierungsdrehmoment ergibt, welches vom aktuell vorliegenden Antriebsdrehmoment T subtrahiert wird, um ein Sollantriebsdrehmoment TT zu erhalten, welches für eine Ansteuerung eines Unterstützungsmotors 20 des Elektrofahrrades verwendet wird.
Das Vorsteuersignal FF ergibt sich aus einer Prädizierungslogik des Hauptberechnungsteils 35, welche in der Lage ist, ein zukünftiges Abheben eines Vorderrades 120 des Elektrofahrrades von einer Fahrbahnoberfläche zu prädizieren, während das Vorderrad 120 noch in Kontakt mit der Fahrbahnoberfläche steht. Das Vorsteuersignal FF wird anschließend verwendet, um das Sollantriebsdrehmoment TT in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Prädizierens anzupassen.
Mittels einer Sollwertbeschränkung 90 wird ferner sichergestellt, dass ein ermittelter Wert für das Reduzierungsdrehmoment keine negativen Werte annimmt, wodurch verhindert wird, dass sich bei einer nachfolgenden Verrechnung des Reduzierungsdrehmomentes mit dem aktuellen Antriebsdrehmoment Tein Sollantriebsdrehmoment TT ergibt, welches höher ist, als das aktuelle Antriebsdrehmoment T.
Vorteilhaft wird zusätzlich ein gewolltes Abheben des Vorderrades 120 von einer Fahrbahnoberfläche ermittelt, indem beispielsweise zusätzlich ein Signal eines (nicht gezeigten) Federwegsensors einer Federgabel des Elektrofahrrades ausgewertet wird, auf dessen Basis ein bewusstes „Hochreißen“ des Lenkers (z. B. zum Überfahren eines Bordsteins) ermittelbar ist. In diesem Fall wird die Regelung zum Unterbinden des Vorderradabhebens vorteilhaft zumindest kurzfristig ausgesetzt, um das bewusste Vorderradabheben zu ermöglichen. Darüber hinaus ist es auch denkbar, das gewollte Vorderradabheben durch eine Anpassung der Regelung aktiv zu unterstützen.
Das zweite Ausführungsbeispiel bietet u. a. den Vorteil, dass für die nickratenbasierte Antriebsdrehmomentregelung verwendete Eingangsgrößen aufgrund des Sensorfusionsalgorithmus' mit besonders hoher Genauigkeit vorliegen und dass aufgrund der Verwendung der Prädiktionslogik ein Vorderradabheben besonders wirksam unterdrückt werden kann.
3 zeigt einen Signalflussplan zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Anpassung eines Antriebsdrehmomentes eines elektrisch antreibbaren Zweirades, welches hier ein Elektrofahrrad ist, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Auf Basis einer aktuellen Längsgeschwindigkeit v_x des Elektrofahrrades wird durch den Block 50 des Signalflussplans auf Basis einer Zuordnungstabelle ein geschwindigkeitsabhängiger Verstärkungsfaktor F ermittelt, welcher anschließend mit einer aktuellen Nickrate θ̇ des Elektrofahrrades multipliziert wird.
Ein aus der Multiplikation resultierender Wert für ein Reduzierungsdrehmoment wird über den Schalter S bei aktivierter Antriebsdrehmomentregelung zunächst an ein Tiefpassfilter 80 übertragen, in welchem aufeinanderfolgende Werte von Reduzierungsdrehmomenten für einen erhöhten Fahrkomfort geglättet werden.
Ein Ergebnis der Filterung durch den Tiefpass 80 wird anschließend durch eine Sollwertbeschränkung 90 verarbeitet, welche sicherstellt, dass die Werte für das Reduzierungsdrehmoment ausschließlich zu einem Abbau eines aktuellen Antriebsdrehmomentes T führen.
Ein Ergebnis der Sollwertbeschränkung 90 wird anschließend verwendet, um im Block 100 ein aktuelles Sollantriebsdrehmoment für das Elektrofahrrad zu ermitteln, welches zur Vermeidung eines unerwünschten Vorderradabhebens verwendet wird.
Ein jeweiliger Schaltzustand des Schalters S wird durch nachfolgend beschriebene Randbedingungen beeinflusst, die durch eine UND-Verknüpfung gleichzeitig erfüllt sein müssen, damit der Schalter S eine nickratenbasierte Vermeidung eines Vorderradabhebens des Elektrofahrrades durchführt. Dadurch lassen sich evtl. Fehleingriffe aufgrund dieser Regelung in bestimmten Situationen vermeiden.
Hierfür ist es zunächst erforderlich, dass ein Aktivierungssignal A einen aktiven Zustand repräsentiert. Das Aktivierungssignal A wird beispielsweise mittels einer Benutzereingabe an einer Bedieneinheit des Elektrofahrrades auf aktiv gesetzt. Auf diese Weise wird ein Benutzer des Elektrofahrrades in die Lage versetzt, die nickratenbasierte Vermeidung des Vorderradabhebens nach Bedarf manuell zu aktiveren bzw. zu deaktivieren.
Weiterhin ist es erforderlich, dass die Nickrate θ̇̇̇, welche gemäß der hier verwendeten Definition während einer Aufwärtsbewegung des Vorderrades 120 des Elektrofahrrades einem negativen Wert entspricht, kleiner ist, als ein negativer Wert eines vordefinierten statischen Nickratenschwellenwertes THR1. Diese Randbedingung ist dazu gedacht, Fehleingriffe aufgrund geringer Nickbewegungen des Elektrofahrrades, die nicht durch ein Vorderradabheben bewirkt werden, sondern beispielsweise durch Pedalieren, Untergrundanregungen oder Fahrwerksschwingungen entstehen, zu vermeiden.
Ferner ist es erforderlich, dass eine Längsbeschleunigung a_x des Elektrofahrrades größer ist, als ein Längsbeschleunigungsschwellenwert THR2, da ein Vorderradabheben durch ein Antriebsdrehmoment T stets mit einer gewissen Längsbeschleunigung einhergeht.
Zusätzlich ist es erforderlich, dass Fehleingriffe bei Steigungsänderungen vermieden werden. Hierfür wird aus dem aktuellen Nickwinkel θ̇̇ und einem Wert für eine maximal erwartete Steigung 70, eine maximal erwartete Steigungsänderung 75 ermittelt. Diese wird mit einem Quotienten 60 aus der Längsgeschwindigkeit v_x und einem Radstand des Elektrofahrrades multipliziert. Ein Ergebnis dieser Berechnung wird anschließend mit einem vordefinierten dynamischen Nickratenschwellwert THR3 abgeglichen, welcher zusätzlich mit der aktuellen Nickrate θ̇ des Elektrofahrrades abgeglichen wird.
Sofern sämtliche Randbedingungen erfüllt sind, wird der Schalter S in eine Schalterstellung versetzt, in welcher das oben beschriebene Reduzierungsdrehmoment an das Tiefpassfilter übertragen wird. Andernfalls wird der Schalter S in eine Schalterstellung versetzt, in der ein vordefiniertes Reduzierungsdrehmoment von 0 Nm an das Tiefpassfilter übertragen wird, wodurch die erfindungsgemäßen nickratenbasierte Regelung deaktiviert wird.
Das dritte Ausführungsbeispiel bietet u. a. den Vorteil, dass die nickratenbasierte Antriebsdrehmomentregelung nur dann aktiv ist, wenn jeweilige Randbedingungen hierfür erfüllt sind. Auf diese Weise ist es möglich, evtl. Fehleingriffe durch die Regelung und/oder einen Fahrkomfort einschränkende Regelungseingriffe zu vermeiden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011004587 A1 [0005]
DE 102019122058 A1 [0006]
DE 102012009203 B4 [0007]
DE 102016215870 A1 [0008]

Claims

Elektrisch antreibbares Zweirad aufweisend: • einen Sensor (10), auf dessen Basis eine Nickrate (θ̇̇̇) des elektrisch antreibbaren Zweirades ermittelbar ist, • eine Vorrichtung (20) zur Beeinflussung eines Antriebsdrehmomentes (T) des elektrisch antreibbaren Zweirades, und • eine Auswerteeinheit (30), wobei • die Auswerteeinheit (30) eingerichtet ist, ◯ eine auf Basis des Sensors (10) ermittelte Nickrate (θ̇̇̇), welche eine Nickrate (θ̇̇̇) des elektrisch antreibbaren Zweirades bezüglich eines Umfeldes (40) des elektrisch antreibbaren Zweirades repräsentiert, mit einem vordefinierten statischen Nickratenschwellenwert (THR1) abzugleichen, und ◯ das auf einen Antriebsstrang des elektrisch antreibbaren Zweirades einwirkende Antriebsdrehmoment (T) mittels eines vordefinierten Verstärkungsfaktors (F) zu reduzieren, falls eine durch eine Aufwärtsbewegung eines Vorderrades (120) des elektrisch antreibbaren Zweirades hervorgerufene Nickrate (θ̇̇̇) den statischen Nickratenschwellenwert (THR1) überschreitet.
Elektrisch antreibbares Zweirad nach Anspruch 1, wobei der Sensor • ein Drehratensensor, und/oder • ein Beschleunigungssensor, und/oder • ein Federwegsensor einer Federgabel, und/oder • ein Abstandssensor, und/oder • ein Vibrationssensor, und/oder • ein Neigungssensor, und/oder • ein Sensor für eine satellitengestützte Navigation, und/oder • ein Luftdrucksensor des elektrisch antreibbaren Zweirades ist.
Elektrisch antreibbares Zweirad nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter aufweisend wenigstens einen Längsgeschwindigkeitssensor, wobei • der Längsgeschwindigkeitssensor eingerichtet ist, eine Längsgeschwindigkeit (v_X) des elektrisch antreibbaren Zweirades zu erfassen, und • die Auswerteeinheit (30) eingerichtet ist, den Verstärkungsfaktor (F) in Abhängigkeit einer auf Basis des Längsgeschwindigkeitssensors ermittelten Längsgeschwindigkeit (v_x) zu ermitteln.
Elektrisch antreibbares Zweirad nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei • die Vorrichtung (20) zur Beeinflussung des Antriebsdrehmomentes (T) ◯ ein elektrischer Antriebsmotor, und/oder ◯ ein Bremssystem, und/oder ◯ eine Antriebsstrangübersetzung des elektrisch antreibbaren Zweirades ist, und/oder • das elektrisch antreibbare Zweirad ein Elektrofahrrad, ein Pedelec, ein Elektromotorrad oder ein Elektroroller ist.
Verfahren zur Anpassung eines Antriebsdrehmomentes (T) eines elektrisch antreibbaren Zweirades aufweisend die Schritte: • Abgleichen einer Nickrate (θ̇̇̇), welche eine Nickrate (θ̇̇̇) des elektrisch antreibbaren Zweirades bezüglich eines Umfeldes des elektrisch antreibbaren Zweirades repräsentiert, mit einem vordefinierten statischen Nickratenschwellenwert (THR1), und • Reduzieren eines auf einen Antriebsstrang des elektrisch antreibbaren Zweirades einwirkenden Antriebsdrehmomentes (T) mittels eines vordefinierten Verstärkungsfaktors (F), falls eine durch eine Aufwärtsbewegung eines Vorderrades (120) des elektrisch antreibbaren Zweirades hervorgerufene Nickrate (θ̇̇̇) den vordefinierten Nickratenschwellenwert (THR1) überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei eine Regelung der Nickrate (θ̇̇̇) unter Berücksichtigung eines vordefinierten Nickratensollwertes (110) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Verstärkungsfaktor (F) in Abhängigkeit einer Längsgeschwindigkeit (v_x) ermittelt wird, welche mittels eines Längsgeschwindigkeitssensors des elektrisch antreibbaren Zweirades erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Verstärkungsfaktor (F) auf Basis • einer Drehrate um eine Querachse und/oder um eine Hochachse und/oder um eine Längsachse, und/oder • einer Beschleunigung in Richtung der Querachse und/oder der Hochachse und/oder der Längsachse, und/oder • einer Raddrehzahl, und/oder • einer Änderung der Raddrehzahl, und/oder • eines Odometriewertes, und/oder • eines aktuell verwendeten Gangs einer Gangschaltung des elektrisch antreibbaren Zweirades ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8 weiter aufweisend: • Prädizieren eines zukünftigen Abhebens eines Vorderrades (120) des elektrisch antreibbaren Zweirades von einer Fahrbahnoberfläche, während das Vorderrad (120) in Kontakt mit der Fahrbahnoberfläche steht, und • Anpassen eines Sollantriebsdrehmomentes (TT) in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Prädizierens.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei eine jeweilige Genauigkeit von Drehratensignalen und/oder von Beschleunigungssignalen und/oder von Odometriesignalen unter Anwendung eines Sensorfusionsalgorithmus' verbessert wird, indem der Sensorfusionsalgorithmus einen Teil oder sämtliche der vorgenannten Signale miteinander fusioniert.
Verfahren nach Anspruch 5 bis 10 weiter aufweisend: • Ermitteln eines gewollten Abhebens des Vorderrades (120) des elektrisch antreibbaren Zweirades von einer Fahrbahnoberfläche auf Basis vordefinierter Kriterien, und • Unterbinden des Reduzierens des Antriebsdrehmomentes (T) und Unterstützen des Abhebens des Vorderrades (120), sofern die vordefinierten Kriterien erfüllt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei das Reduzieren des Antriebsdrehmomentes (T) nur dann erfolgt, wenn • eine Benutzerfreigabe für das Reduzieren des Antriebsdrehmomentes (T) vorliegt, und/oder • eine aktuelle Längsbeschleunigung (a_x) des elektrisch antreibbaren Zweirades einen vordefinierten Längsbeschleunigungsschwellenwert (THR2) überschreitet, und/oder • die Nickrate (θ̇̇̇) einen vordefinierten dynamischen Nickratenschwellenwert (THR3) überschreitet, welcher in Abhängigkeit ◯ einer erwarteten maximalen Steigungsänderung einer Fahrbahnoberfläche im Bereich des elektrisch antreibbaren Zweirades, ◯ einer aktuellen Längsgeschwindigkeit (v_x) des elektrisch antreibbaren Zweirades, und ◯ eines Radstandes des elektrisch antreibbaren Zweirades ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, wobei auf Basis des Verstärkungsfaktors (F) ermittelte Werte für jeweilige Sollantriebsdrehmomente (TT) mittels • einer Filterung geglättet werden, und/oder • einer vordefinierten Sollwertbeschränkung derart beschränkt werden, dass ausschließlich ein Abbau des Antriebsdrehmoments (T) ermöglicht wird.