DE102022102070A1

DE102022102070A1 - Antriebssystem für ein Elektrofahrrad mit Berechnung eines Drehmoments an der Tretlagerwelle für die Steuerung der Unterstützungsleistung

Info

Publication number: DE102022102070A1
Application number: DE102022102070.3A
Authority: DE
Inventors: Elmar Hoppach
Original assignee: Brose Antriebstechnik GmbH and Co KG Berlin
Current assignee: Brose Antriebstechnik GmbH and Co KG Berlin
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2023-08-03
Also published as: WO2023144103A1

Abstract

Die vorgeschlagene Lösung betrifft insbesondere ein Antriebssystem für ein Elektrofahrrad (1), mit mindestens einem Beschleunigungssensor (2) zur Bereitstellung eines für die Beschleunigung des Elektrofahrrads (1) repräsentativen Beschleunigungssignals (s2) und mindestens einem Drehwinkelsensor (3) zur Bereitstellung eines für eine Drehzahl einer Tretlagerwelle (T) repräsentativen Drehzahlsignals (s3). Eine für die Steuerung eines Antriebsmotors (A) des Elektrofahrrads (1) vorgesehene elektronische Steuereinheit (SE) ist eingerichtet, unter Nutzung des Beschleunigungssignals (s2) und des Drehzahlsignals (s3) ein an der Tretlagerwelle (T) muskelkraftbetätigt aufgebrachtes Drehmoment (Mc) zu berechnen und auf Basis des berechneten Drehmoments (Mc) eine von dem Antriebsmotor (A) bereitgestellte Unterstützungsleistung zu steuern.

Description

Die vorgeschlagene Lösung betrifft insbesondere ein Antriebssystem für ein Elektrofahrrad sowie ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Antriebssystems.
Antriebssysteme für Elektrofahrräder (z.B. E-Bikes oder Pedelecs) mit wenigstens einem Elektromotor zur fremdkraftbetätigten Erzeugung eines zusätzlichen Antriebsdrehmoments und damit zur Bereitstellung einer Unterstützungsleistung zusätzlich zu einer muskelkraftbetätigt aufgebrachten Antriebsleistung sind weithin bekannt. Beispielsweise sind aus der DE 10 2018 001 795 A1 und der DE 10 2019 201 812 B3 Antriebssysteme mit Elektromotoren bekannt, die eine stufenlose Verstellung einer Übersetzung zwischen einem Antrieb und einem Abtrieb ermöglichen. Hierbei ist jeweils ein Planetengetriebeteil des Antriebssystems, wobei Veränderungen der Übersetzung durch einen ersten Elektromotor geregelt werden. Über einen weiteren Elektromotor wird die Unterstützungsleistung für den Abtrieb zur Verfügung gestellt und gleichzeitig eine an dem ersten Elektromotor auftretende Stellleistung kompensiert, um einen Betrieb des Antriebssystems ohne das Zuführen zusätzlicher Leistung aus einem Energiespeicher zu ermöglichen.
Aus der DE 10 2016 223 410 A1 ist ein Antriebssystem bekannt, das eine stufenlose Verstellung einer Untersetzung und die Bereitstellung einer Unterstützungsleistung mit nur einem Elektromotor ermöglicht.
In der Praxis ist es üblich, die Unterstützungsleistung und damit deren Höhe von einem Fahrerwunsch abhängig zu machen. Dieser Fahrerwunsch wird über die Messung eines aktuell an der Tretlagerwelle des Antriebssystems muskelkraftbetätigt aufgebrachten Drehmoments bestimmt. Je stärker ein Fahrer des Elektrofahrrads in die mit der Tretlagerwelle verbundenen Pedale tritt, desto höher wird die Unterstützungsleistung gewählt, um das Elektrofahrrad motorisch unterstützt zu beschleunigen. Für die Messung des muskelkraftbetätigt aufgebrachten tatsächlichen Drehmoments ist typischerweise ein Drehmomentsensor an der Tretlagerwelle vorgesehen. Hiermit ist ein direktes Messen des tatsächlich an der Tretlagerwelle aufgebrachten Drehmoments möglich, beispielsweise auf Basis eines inversen magnetoelastischen Effekts oder unter Nutzung von mindestens einem Dehnungsmessstreifen.
Die direkte Messung des tatsächlich aufgebrachten Drehmoments ist jedoch vergleichsweise kostenintensiv, jedenfalls in Relation zu anderen Sensoren und den Gesamtkosten des Antriebssystems. Ein Drehmomentsensor beansprucht zudem vergleichsweise viel Bauvolumen im Bereich der Tretlagerwelle. Eine etwaige Fehlfunktion oder gar ein Ausfall des Drehmomentsensors geht ferner auch unmittelbar mit einem deutlich geringeren Fahrkomfort einher, da die Unterstützungsleistung nicht mehr sinnvoll automatisch angepasst werden kann. Häufig wird die motorische Unterstützung daher bei einem festgestellten Fehler des Drehmomentsensors ausgesetzt, sodass bis zu einer Reparatur des Drehmomentsensors keine Unterstützungsleistung mehr zur Verfügung steht.
Vor diesem Hintergrund stellt sich für die vorgeschlagene Lösung die Aufgabe, bisher bekannte Antriebssysteme und hierfür vorgesehene Steuerungsverfahren zu verbessern und die vorstehend genannten Nachteile wenigstens zu reduzieren.
Diese Aufgabe ist sowohl mit einem Antriebssystem des Anspruchs 1 als auch einem Steuerungsverfahren des Anspruchs 9 gelöst.
Ein vorgeschlagenes Antriebssystem weist wenigstens einen Beschleunigungssensor zur Bereitstellung eines für die Beschleunigung des Elektrofahrrads repräsentativen Beschleunigungssignals und mindestens einen Drehwinkelsensor zur Bereitstellung eines für eine Drehzahl der Tretlagerwelle repräsentativen Drehzahlsignals auf. Eine für die Steuerung mindestens eines Antriebsmotors des Elektrofahrrads vorgesehene elektronische Steuereinheit ist eingerichtet, unter Nutzung des Beschleunigungssignals und des Drehzahlsignals ein an der Tretlagerwelle muskelkraftbetätigt aufgebrachtes Drehmoments zu berechnen und auf Basis dieses berechneten Drehmoments eine von dem mindestens einen Antriebsmotor bereitgestellte Unterstützungsleistung zu steuern.
Grundgedanke der vorgeschlagenen Lösung ist es somit, ein für die (aktuelle) Antriebsleistung eines Fahrers des Elektrofahrrads repräsentatives Drehmoment an der Tretlagerwelle indirekt zu bestimmen und für die Steuerung der Unterstützungsleistung bereitzustellen. So wird über die Berechnung auf Basis des Beschleunigungssignals und des Drehzahlsignals ein Drehmomentsignal für das berechnete Drehmoment zur Verfügung gestellt, das in die Vorgabe der Unterstützungsleistung über den mindestens einen Antriebsmotor einfließen kann. Die Nutzung eines indirekten Verfahrens zur Bestimmung des muskelkraftbetätigt aufgebrachten Drehmoments an der Tretlagerwelle (häufig auch als „Tretmoment“ bezeichnet) auf Basis des Beschleunigungssignals und des für eine Winkellage der Tretlagerwelle maßgeblichen Drehzahlsignals lässt sich dabei kostengünstiger umsetzen als eine direkte Messung mithilfe eines Drehmomentsensors. Beispielsweise ist ein Drehwinkelsensor um ein Vielfaches günstiger als ein Drehmomentsensor und beansprucht auch deutlich weniger Bauraum. Es hat sich gezeigt, dass auch über ein indirektes Messverfahren auf Basis einer (gegebenenfalls kontinuierlichen) Messung der aktuellen Beschleunigung des Elektrofahrrads und einer (gegebenenfalls kontinuierlichen) Messung eines Drehwinkels der sich drehenden Tretlagerwelle vergleichsweise gut das an der Tretlagerwelle muskelkraftbetätigt aufgebrachte Drehmoment prozessorgestützt abgeschätzt werden kann, insbesondere derart schnell und robust, dass hierüber gegebenenfalls auch allein die Steuerung der Unterstützungsleistungen erfolgen kann. Das berechnete Drehmoment respektive ein hierauf zurückgehendes Signal kann aber grundsätzlich nicht nur alternativ, sondern auch ergänzend zu einem Messsignal eines an der Tretlagerwelle vorgesehenen Drehmomentsensors für die Steuerung der Unterstützungsleistungen verwendet werden.
In einer Ausführungsvariante ist in der elektronischen Steuereinheit ein mathematisches Modell hinterlegt, über das aus dem Beschleunigungssignal und dem Drehzahlsignal eine Berechnung des Drehmoments an der Tretlagerwelle ermöglicht wird. Dieses mathematische Modell, das über einen Algorithmus in einer Steuerlogik der elektronischen Steuereinheit softwareseitig implementiert ist, erlaubt, allein aus dem Beschleunigungssignal und dem Drehzahlsignal ein Drehmomentsignal für das berechnete Drehmoment zu bestimmen.
In erster Näherung lässt sich für die Berechnung des Drehmoments innerhalb des mathematischen Modells beispielsweise eine Fouriertransformation mit vorgegebener Fensterfunktion nutzen. Beispielsweise hat sich hierbei die Nutzung eines Hamming-Fensters, zum Beispiel über einen Zeitbereich von 3 Sekunden, 5 Sekunden oder 7 Sekunden als vorteilhaft erwiesen. Mit Blick auf eine schnellere Berechnung eines für die Steuerung des mindestens einen Antriebsmotors nutzbaren Drehmomentsignals wird in einer Weiterbildung die Nutzung einer Sinustransformation und/oder einer Kosinustransformation für das gemessene Beschleunigungssignal als vorteilhaft erachtet. Das in der elektronischen Steuereinheit für die Berechnung des Drehmoments hinterlegte mathematische Modell umfasst dann einen Sinustransformator und/oder einen Kosinustransformator, über den das Beschleunigungssignal zur Berechnung des Drehmoments (und damit eines Drehmomentsignals für das berechnete Drehmoment) einer Sinusformation und/oder einer Kosinustransformation zugeführt wird. Für ein Beschleunigungssignal f über die Zeit t sind dann beispielsweise eine Sinusformation und eine Kosinustransformation wie folgt vorgegeben: $Y_{S} (f) = S I N {y (t)} = \int_{- \infty}^{\infty} y (t) sin (2 π f t) d t,$
$Y_{C} (f) = C O S {y (t)} = \int_{- \infty}^{\infty} y (t) cos (2 π f t) d t .$
Die beiden vorstehend eingeblendeten Terme tragen hierbei im Integral die allgemeine Ortsfrequenz 2πft. Hierbei ist für eine Bestimmung des Drehmoments an der Tretlagerwelle die Funktion Y_{S, C}(f) als Integral über eine oder eine halbe Umdrehung der Tretlagerwelle sinnvoll, unter der Annahme, dass ein Fahrer des Elektrofahrrads mit beiden Beinen gleich stark in die mit der Tretlagerwelle verbundenen Pedale tritt (mit Y_S,C = Y_S(f) - j·Y_c(f)). Hier kann dann die Sinus- oder Kosinustransformation nur für die relevante Ortsfrequenz der Drehzahl der Tretlagerwelle durchgeführt werden. Bei unbekannter Phasenlage bietet sich die Durchführung sowohl der Sinustransformation als auch der Kosinustransformation an. So können entsprechend der vorgeschlagenen Lösung die Position und die Drehzahl der Tretlagerwelle genutzt werden, um die Transformation auf die Länge eines halben Vielfachen der Umdrehung der Tretlagerwelle zu synchronisieren. Ist die Phasenlage zum Beispiel durch eine Indizierung bekannt, kann die Funktion Y_S,C(f) in gerade und ungerade Signale bzw. Signalwerte geteilt werden, um diese zu einer Sinustransformation oder Kosinustransformation zu vereinfachen. Jedenfalls ist unter Nutzung einer Sinustransformation und/oder einer Kosinustransformation des Beschleunigungssignals prozessorgestützt eine vergleichsweise sehr schnelle Abschätzung des an der Tretlagerwelle muskelkraftbetätigt aufgebrachten Drehmoments mit guter Genauigkeit möglich, sodass hierüber effektiv die Unterstützungsleistung des mindestens einen Antriebsmotors des Elektrofahrrads steuerbar ist.
Wie bereits vorstehend erläutert, schließt die vorgeschlagene Lösung insbesondere ein, dass in einer Ausführungsvariante eine von dem mindestens einen Antriebsmotor bereitgestellte Unterstützungsleistung ausschließlich in Abhängigkeit von einem auf Basis eines Beschleunigungssignals und eines Drehzahlsignals berechneten Drehmomentsignals abhängig ist. Hierbei wird dann beispielsweise für einen Kosten- und Gewichtsvorteil in Kauf genommen, dass das zugrunde liegende indirekte Messverfahren etwas ungenauer ist als eine direkte Messung des an der Tretlagerwelle tatsächlich muskelkraftbetätigt aufgebrachten Drehmoments mit mindestens einem Drehmomentsensor.
Alternativ kann das Antriebssystem aber auch zusätzlich mindestens einen Drehmomentsensor zur Messung des an der Tretlagerwelle aktuell muskelkraftbetätigt aufgebrachten tatsächlichen Drehmoments umfassen. Bei einem solchen Antriebssystem wird somit weiterhin mindestens ein Drehmomentsensor zur direkten, sensorischen Messung des tatsächlichen Drehmoments vorgesehen, jedoch ergänzend auch eine prozessorgestützte Berechnung eines Drehmoments gemäß der vorgeschlagenen Lösung vorgenommen. In einer hierauf basierenden Weiterbildung kann die elektronische Steuereinheit dann konfiguriert sein, zur Steuerung der Unterstützungsleistung das gemessene tatsächliche Drehmoment (respektive ein Messsignal für das tatsächliche Drehmoment) zu nutzen und das berechnete Drehmoment zur Plausibilisierung der Messung des tatsächlichen Drehmoments durch den mindestens einen Drehmomentsensor zu nutzen. Auch hier basiert somit die Steuerung der Unterstützungsleistung auf dem berechneten Drehmoment. Das berechnete Drehmoment wird bei der Steuerung der Unterstützungsleistung jedoch (primär oder ausschließlich) zur Plausibilisierung des tatsächlich gemessenen Drehmoments genutzt. Lässt eine über einem Toleranzwert liegende (absolute) Abweichung oder ein über einem Schwellwert liegende Häufung solcher Abweichungen zwischen tatsächlichem, gemessenem Drehmoment und berechnetem Drehmoment auf einen Fehler oder sogar einen Ausfall des Drehmomentsensors schließen, ist die Steuerelektronik zur Erzeugung eines Fehlersignals konfiguriert. Das berechnete Drehmoment gestattet es somit, schneller eine etwaige Fehlfunktion des Drehmomentsensors elektronisch zu erkennen, insbesondere vor einem kompletten Ausfall des Drehmomentsensors.
Grundsätzlich ist im Rahmen der vorgeschlagenen Lösung auch eine gegenseitige Verbesserung der Genauigkeit von Drehmomentsensoren mit unterschiedlichem Wirkprinzipen möglich. Einer solcher Systemaufbau, der auf einer sogenannten Sensorfusion basiert, kann z.B. genutzt werden, um einen nur auf ein Pedal zugreifendes Drehmomentmessystem zu einer beidseitigen Wirkungsweise zu ergänzen.
Alternativ oder ergänzend kann das berechnete Drehmoment zur Bereitstellung eines zweiten Betriebsmodus des Antriebssystems nutzbar sein, in dem dann die Höhe der bereitgestellten Unterstützungsleistung nicht mehr von dem Messsignal des Drehmomentsensors, sondern von dem berechneten Drehmoment abhängig ist. Das Antriebssystem ist hier somit in der Lage, bei Bedarf auf das berechnete Drehmoment zurückzugreifen, insbesondere bei einer festgestellten Fehlfunktion oder einem Ausfall des Drehmomentsensors, um einem Fahrer des Elektrofahrrads hierüber eine Unterstützungsleistung und damit weiterhin einen gewissen Fahrkomfort zur Verfügung stellen zu können. Das Antriebssystem kann in diesem Fall folglich in wenigstens einem ersten Betriebsmodus und wenigstens einem zweiten Betriebsmodus betreibbar sein, wobei in dem wenigstens einen ersten Betriebsmodus die Unterstützungsleistung von dem mit dem mindestens einen Drehmomentsensor gemessenen tatsächlichen Drehmoment (und damit von einem Messesignal des mindestens einen Drehmomentsensors) abhängig ist und in dem wenigstens einen zweiten Betriebsmodus die Unterstützungsleistung von dem berechneten Drehmoments (und damit von ein hierüber bestimmten Drehmomentsignal) abhängig ist. Über die Steuerelektronik ist somit ein bedarfsweises Schalten zwischen verschiedenen Betriebsmodi und damit Steuerungsszenarien möglich, je nachdem, auf welcher Grundlage die Steuerung der Unterstützungsleistung erfolgen soll. So kann je nach Steuerungsszenario für die Unterstützungsleistung ein direktes oder indirektes Verfahren zur Bestimmung des Drehmoments an der Tretlagerwelle nutzbar sein.
Insbesondere kann die elektronische Steuereinheit in diesem Zusammenhang konfiguriert sein, bei einer (insbesondere elektronische detektierten) Fehlfunktion oder einem Ausfall des mindestens einen Drehmomentsensors - nutzergesteuert, d.h. in Reaktion auf ein von einem Nutzer ausgelöstes Umschaltsignal, oder automatisch - von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus zu schalten. Derart ist ein redundantes System mit einer Rückfallebene zur Verfügung gestellt, bei der die Steuerung der Unterstützungsleistung von einem indirekt bestimmten Drehmoment an der Tretlagerwelle abhängen kann. Das hierbei zum Einsatz kommende indirekte Verfahren zur Bestimmung des Drehmoments ist dann zwar gegebenenfalls weniger exakt als die ebenfalls mögliche unmittelbare Messung des tatsächlich aufgebrachten Drehmoments, hierüber ist aber bei einer Fehlerfunktion oder einem Ausfall des mindestens einen Drehmomentsensors an der Tretlagerwelle einem Fahrer des Elektrofahrrads zumindest weiterhin die Nutzung des mindestens einen Antriebsmotors ermöglicht. Die Nutzbarkeit des berechneten Drehmoments in einem zweiten Betriebsmodus kann dabei selbstverständlich auch mit der vorstehend erläuterten Nutzung des berechneten Drehmoments zur Plausibilisierung des gemessenen Drehmoments kombiniert werden. Das berechnete Drehmoment kann somit im ersten Betriebsmodus primär der Plausibilisierung dienen. Sekundär ist das berechnete Drehmoment in dem zweiten Betriebsmodus zur Steuerung der Unterstützungsleistung vorgesehen, wenn der Drehmomentsensor eine Fehlfunktion aufweist oder ausfällt.
Grundsätzlich kann die Höhe der Unterstützungsleistung auch von einer einstellbaren, insbesondere Fahrsituation bezogen einstellbaren Unterstützungsstufe abhängen. Je nach eingestellter Unterstützungsstufe wird hierbei ein bestimmtes (fest vorgegebenes) Maß an Unterstützungsleistung in Abhängigkeit von der über die Tretlagerwelle aufgebrachten Antriebsleistung und dementsprechend in Abhängigkeit von dem muskelkraftbetätigt aufgebrachten Drehmoment bereitgestellt. Hierbei ist es das Ziel, einem Nutzer/Fahrer des Elektrofahrrads bis zu einer maximalen Geschwindigkeit, von zum Beispiel 25 km/h, ein Antreiben und Beschleunigen des Elektrofahrrads mit vergleichsweise moderater muskelkraftbetätigt aufgebrachter Antriebsleistung zu ermöglichen.
Der mindestens eine Antriebsmotor kann über die Steuereinheit zur Bereitstellung einer Unterstützungsleistung ansteuerbar sein, die der aktuell an der Tretlagerwelle muskelkraftbetätigt aufgebrachten Antriebsleistung multipliziert mit einem über die Steuereinheit vorgegebenen Faktor entspricht. Beispielsweise wird eine Unterstützungsleistung in Höhe des 0,3-fachen, 1,0-fachen, 1,5-fachen oder 2,5-fachen der aktuell anliegenden Antriebsleistung bereitgestellt, je nach Unterstützungsstufe. Der Faktor kann hierbei in Stufen vorgegeben sein. Die Steuereinheit kann insbesondere die Höhe der bereitzustellenden Unterstützungsleistung über die Größe dieses Faktors variieren. Der Faktor der Unterstützungsleistung ist somit gegebenenfalls dynamisch an eine Fahrsituation des Elektrofahrrads anpassbar.
Die vorgeschlagene Lösung umfasst ferner auch ein Elektrofahrrad mit einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Antriebssystems.
Ferner erstreckt sich die vorgeschlagene Lösung auf ein Steuerungsverfahren für ein Antriebssystem eines Elektrofahrrads. Hierbei wird ein an der Tretlagerwelle muskelkraftbetätigt aufgebrachtes Drehmoment unter Nutzung eines für die Beschleunigung des Elektrofahrrads repräsentativen Beschleunigungssignals und eines für eine Drehzahl der Tretlagerwelle repräsentativen Drehzahlsignals berechnet und die Unterstützungsleistung mindestens eines Antriebsmotors des Antriebssystems auf Basis des berechneten Drehmoments gesteuert.
Eine Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Steuerungsverfahrens ist somit insbesondere durch eine Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Antriebssystems umsetzbar. Vorstehend und nachstehend im Zusammenhang mit Ausführungsvarianten eines vorgeschlagenen Antriebssystems erläuterte Merkmale und Vorteile gelten somit auch für Ausführungsvarianten eines vorgeschlagenen Steuerungsverfahrens und umgekehrt.
So kann beispielsweise im Zuge eines vorgeschlagenen Steuerungsverfahrens die Berechnung des Drehmoments mithilfe eines mathematischen Modells erfolgen, in das das Beschleunigungssignal und das Drehsignal als Eingangsgrößen eingehen. Über das hinterlegte mathematische Modell können zur Berechnung des Drehmoments (und damit eines Drehmomentsignals für das berechnete Drehmoment) eine Sinustransformation und/oder eine Kosinustransformation des Beschleunigungssignals vorgenommen werden.
Analog zu einer vorstehend erläuterten Ausführungsvariante für ein vorgeschlagenes Antriebssystem kann auch bei einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Steuerungsverfahrens das Antriebssystem zusätzlich mindestens einen Drehmomentsensor zur (direkten) Messung eines an der Tretlagerwelle aktuell muskelkraftbetätigt tatsächlich aufgebrachten Drehmoments umfassen. Zur Steuerung der Unterstützungsleistung kann dann das gemessene tatsächliche Drehmoment genutzt werden, wobei diese Messung des tatsächlichen Drehmoments durch den mindestens einen Drehmomentsensor mit dem berechneten Drehmoment (fortlaufend oder zu diskreten Zeitpunkten) plausibilisiert wird.
Alternativ oder ergänzend kann das Antriebssystem in wenigstens einem ersten Betriebsmodus und in wenigstens einem zweiten Betriebsmodus betreibbar sein, wobei in dem wenigstens einen ersten Betriebsmodus die Unterstützungsleistung von dem mit dem mindestens einen Drehmomentsensor gemessenen tatsächlichen Drehmoment abhängig ist und in dem wenigstens einen zweiten Betriebsmodus die Unterstützungsleistung von dem berechneten Drehmoment abhängig ist. Hier ist also ebenfalls ein bedarfsweises Schalten zwischen verschiedenen Steuerungsszenarien möglich, wie dies bereits vorstehend im Zusammenhang mit einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Antriebssystems erläutert ist. Insbesondere kann hier bei einer Fehlfunktion oder einem Ausfall des mindestens einen Drehmomentsensors zwischen den unterschiedlichen Betriebsmodi geschaltet werden.
Die vorgeschlagene Lösung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt, das Anweisungen aufweist, die bei einer Ausführung durch mindestens einen Prozessor einer elektronischen Steuereinheit für ein Antriebssystem eines Elektrofahrrads, den mindestens einen Prozessor veranlassen, eine Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Verfahrens auszuführen.
Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.
Hierbei zeigen:

1 schematisch ein Elektrofahrrad, bei dem die vorgeschlagene Lösung zum Einsatz kommt, unter Veranschaulichung einer Messdatenerfassung für die Entwicklung eines in einer Steuerelektronik eines Antriebssystems des Elektrofahrrads nachfolgend implementierten mathematischen Modells, mithilfe dessen ausschließlich auf Basis eines Beschleunigungssignals und eines Drehzahlsignals ein an einer Tretlagerwelle des Elektrofahrrads muskelkraftbetätigt aufgebrachtes Drehmoment prozessorgestützt geschätzt wird;
2 ein Diagramm, bei dem für eine Testfahrt mit dem Elektrofahrrad der 1 eine Fahrgeschwindigkeit über der Zeit aufgetragen ist;
3A ein Diagramm, in dem für die Testfahrt Messdaten zu mit einer inertialen Messeinheit des Elektrofahrrads der 1 gemessene Beschleunigungswerte über der Zeit dargestellt sind;
3B ein Diagramm, in der berechnete gleitende Mittelwerte zu den Messdaten der 3A über der Zeit aufgetragen sind;
4 eine dreidimensionale Darstellung der Messdaten für die Beschleunigung in einer Fahrtrichtung nach einer Fouriertransformation, wobei in dem Diagramm der 4 für eine berechnete Fouriertransformierte die Amplituden über Frequenz und Zeit aufgetragen sind;
5 für eine Fahrt des Elektrofahrrads aufgezeichnete Messdaten eines Beschleunigungssignals;
6 ein Diagramm, in dem aus den Messdaten der 5 berechnete Drehmomentwerte über der Zeit aufgetragen sind;
7 ein Diagramm, in dem berechnete Drehmomentwerte mit gemessenen Drehmomentwerte für die Fahrt mit dem Elektrofahrrad einander gegenübergestellt sind;
8 ausschnittsweise Teile einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Antriebssystems mit einer elektronischen Steuereinheit, die softwareseitig ein mathematisches Modell implementiert.

Die 1 zeigt eine Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Elektrofahrrads 1 mit einem Vorderrad 10 und einem Hinterrad 11, wobei das Hinterrad 11 über mindestens einen Antriebsmotor A eines Antriebssystems elektromotorisch unterstützt antreibbar ist. Über den Antriebsmotor A kann eine Unterstützungsleistung über ein Kraftübertragungsglied, beispielsweise eine Kette 12, an das Hinterrad 11 übertragen werden. Die Unterstützungsleistung des Antriebsmotors A wird dabei zusätzlich zu einer Antriebsleistung bereitgestellt, die ein Fahrer des Elektrofahrrads 1 über mit einer Tretlagerwelle T verbundene Pedale des Elektrofahrrads 1 muskelkraftbetätigt aufbringt. Die über den Antriebsmotor A zur Verfügung gestellte Unterstützungsleistung respektive deren Höhe werden über eine elektronische Steuereinheit SE des Antriebssystems gesteuert. Hierbei soll die zur Verfügung gestellte Unterstützungsleistung insbesondere davon abhängen, welches Drehmoment der Fahrer des Elektrofahrrads 1 an der Tretlagerwelle T aufbringt.
Mit dem Ziel, das an der Tretlagerwelle T muskelkraftbetätigt aufgebrachte Drehmoment indirekt zu bestimmen, d.h., ohne Messung des tatsächlichen Drehmoments mithilfe mindestens eines an der Tretlagerwelle T vorgesehenen Drehmomentsensors, ist das Elektrofahrrad 1 der 1 mit einer inertialen Messeinheit IMU bestückt, über die eine Beschleunigung des Elektrofahrrads 1 messbar ist. Die inertiale Messeinheit IMU ist dabei in der Lage, neben der Beschleunigung des Elektrofahrrads 1 in einer Fahrtrichtung f auch Beschleunigungen in Querrichtung q und in Vertikalrichtung s zu messen. Eine beispielhafte Beschleunigungsmessung mit von der internationalen Messeinheit IMU bereitgestellten Messdaten m_IMU ist in einem Diagramm D1 Ader 1 illustriert.
Zusätzlich weist das Antriebssystem des Elektrofahrrads 1 der 1 einen Drehwinkelsensor auf, über den eine Winkellage und damit eine Drehzahl der Tretlagerwelle T messbar ist. Von dem Drehwinkelsensor während einer Fahrt mit dem Elektrofahrrad 1 zur Verfügung gestellte Messdaten m_T sind beispielhaft anhand eines Diagramm D1B der 1 illustriert.
Für die Entwicklung eines mathematischen Modells, mit dem sich in effektiver, d.h. ausreichend schneller und ausreichend genauer Art und Weise lediglich aus einem für die Beschleunigung des Elektrofahrrads 1 repräsentativen Beschleunigungssignals und einem für die Drehzahl der Tretlagerwelle T repräsentativen Drehzahlsignals auf ein an der Tretlagerwelle T muskelkraftbetätigt aufgebrachtes Drehmoment schließen lässt, wird mit dem Elektrofahrrad 1 eine Testfahrt durchgeführt. Diese Testfahrt erstreckt sich beispielsweise über etwa 400m. Die hierfür vorgesehene Teststrecke weist zu Beginn einen ebenen Verlauf auf und geht dann in eine 4-prozentige Steigung über. An die Steigung schließt sich eine ebene Fahrt von 100 m an, auf dessen Ende ein ca. 50 m langes leichtes Gefälle folgt, bei dem ein Fahrer des Elektrofahrrads 1 nicht in mit der Tretlagerwelle T verbundene Pedale tritt. Für diese Teststrecke ergibt sich für eine gemessene Fahrtgeschwindigkeit v des Elektrofahrrad 1 ein Verlauf von für die Fahrgeschwindigkeit erfasster Messdaten m_v, wie er in dem Diagramm D2 der 2 dargestellt ist.
Für die Testfahrt mit dem Elektrofahrrad 1 wurden mit der in inertialen Messeinheit IMU, die hier als Beschleunigungssensor mit einer Abtastrate von 100 Hz genutzt ist, Messwerte zu den Beschleunigungen des Elektrofahrrads 1 in Fahrtrichtung f, Querrichtung q und Vertikalrichtung s erfasst. Messdaten m_f für die Beschleunigungen in Fahrtrichtung f, Messdaten m_q für die Beschleunigungen in Querrichtung q und Messdaten m_s für die Beschleunigungen in Vertikalrichtung s sind für die Testfahrt in dem Diagramm D3A der 3A 3 über der Zeit aufgetragen.
Aus diesen Rohsignalen für die unterschiedlichen Beschleunigungen werden gefilterte Signale bestimmt. Das Diagramm D3B der 3B zeigt hierbei ermittelte gleitende Mittelwerte m_MA,f, m_MA,q und m_MA,s für die Messdaten m_f, m_q und m_s der 3A aufgetragen über der Zeit (10 Filterpunkte).
Aus einer Fouriertransformation mit einem Hamming-Fenster und einer Fensterbreite von 5 Sekunden lässt sich aus dem (gefilterten) Beschleunigungssignal für die Fahrtrichtung f das Schaubild der 4 gewinnen. Hier ist die Amplitude der aus der Fouriertransformation gewonnenen Funktion über der Frequenz und der Zeit aufgetragen. Erwartbar zeigt sich in einem Signalbereich B ein Signal mit der doppelten Frequenz der Tretlagerwellendrehzahl, hier von etwa 2,5 Hz bis 3 Hz, da der Fahrer des Elektrofahrrads 1 vorliegend während der Testfahrt mit einer Kadenz von 80 Umdrehungen je Minute in die Pedale getreten hat. Es zeigt sich, dass in der durch die Fouriertransformation gewonnenen Funktion respektive einem damit bestimmten Signal das Ansteigen der Drehzahl beim Anfahren und das Absinken der Amplitude zum Ende der Strecke und dem Übergang in die Ebene im letzten Teil der Teststrecke zu signifikanten Veränderungen führen und damit feststellbar sind. Aus dem Beschleunigungssignal kann somit auf dieser Basis durchaus auf das an der Tretlagerwelle T muskelkraftbetätigt aufgebrachte Drehmoment indirekt geschlossen werden, jedenfalls sofern die Drehzahl der Tretlagerwelle T ebenfalls bekannt ist. Die durchgeführte Fouriertransformation ergibt somit ein auswertbares Signal, aus dem jedoch im tatsächlichen Betrieb des Elektrofahrrads 1 lediglich mitgemessene Vibrationen herausgerechnet werden müssen.
Die hier in erster Näherung gewählte Fouriertransformation $(F f) = \frac{1}{{\sqrt{2 π}}^{n}} \int_{ℝ^{n}} f (x) e^{- i y x} d x$
Mit einem Hamming-Fenster über 5 Sekunden ist jedoch unter Umständen zu langsam, um hieraus ein Drehmomentsignal zu bestimmen, da zur Steuerung des mindestens einen Antriebsmotors A sinnvoll nutzbar ist (insbesondere im Hinblick auf den Fahrkomfort für den Fahrer des Elektrofahrrads 1). Vor diesem Hintergrund wird in einer Ausführungsvariante vorgeschlagen, für ein reelles Signal f des Beschleunigungssensors (z.B. des Beschleunigungssensors in Form der inertialen Messeinheit IMU) die Fouriertransformation durch eine Sinus- und Kosinus Transformation der folgenden Form zu ersetzen: $Y_{S} (f) = S I N {y (t)} = \int_{- \infty}^{\infty} y (t) sin (2 π f t) d t,$
$Y_{C} (f) = C O S {y (t)} = \int_{- \infty}^{\infty} y (t) cos (2 π f t) d t .$
Beide Terme der vorstehend eingeblendeten Transformationen tragen im Integral die allgemeine Ortsfrequenz 2πft. Für die Berechnung des Drehmoments ist jedoch die Funktion Y_S,C(f) als Integral über eine oder eine halbe Umdrehung der Tretlagerwelle T anzusetzen, sofern der Fahrer des Elektrofahrrads 1 mit beiden Beinen gleich stark in die Pedale tritt. Damit wird die Sinus- oder Kosinustransformation nur für die relevante Ortsfrequenz der Drehzahl der Tretlagerwelle T durchgeführt. Bei unbekannter Phasenlage kann die Sinus- und Kosinustransformation durchgeführt werden. Ist die Phasenlage und damit ein etwaiges Ungleichgewicht beim Treten in die mit der Tretlagerwelle T verbundenen Pedale, zum Beispiel durch einen Index, bekannt, kann die Funktion in gerade oder ungerade geteilt werden, sodass sie sich dann zu einer Sinus- oder Kosinus Transformation vereinfacht.
Unter dieser Annahme lässt sich ein Systemmodell des Elektrofahrrads 1 mit seinem Antriebssystem zum Beispiel erstellt mit der Software SIMULINK® entwickeln, in dem ein mathematisches Modell verifiziert werden kann, mit dem das Drehmoment an der Tretlagerwelle T aus dem Beschleunigungssignal und einem für die Drehzahl der Tretlagerwelle T repräsentativen Drehzahlsignals geschätzt werden kann. Ein solches Systemmodell kann hierbei die relevanten Bewegungsdifferentialgleichungen nachbilden.
Auf Basis des Systemmodells lässt sich die Sinnhaftigkeit eines entwickelten mathematischen Modells MM verifizieren, das dann zur Steuerung des Antriebsmotors A in der elektronische Steuereinheit SE implementiert wird. Das mathematische Modell MM, das z.B. in SIMULINK® durch mehrere kontinuierliche und diskrete Schaltblöcke darstellbar ist, weist als Eingangsgrößen ein für die Beschleunigung des Elektrofahrrads 1 repräsentatives Beschleunigungssignal und eine für die Drehzahl der Tretlagerwelle T repräsentatives Drehzahlsignal auf. Teil des mathematischen Modells MM ist insbesondere ein Sinus-Kosinustransformator, über den die vorstehende erläuterte Sinus- und/oder Kosinustransformation des Beschleunigungssignals durchgeführt wird. Als Ausgangsgröße gibt das mathematische Modell MM, das softwareseitig über einen entsprechenden Algorithmus in der elektronische Steuereinheit SE implementiert ist, ein berechnetes Drehmoment und damit ein hieraus für die Steuerung des Antriebsmotors A nutzbares, typischerweise kontinuierliches Drehmomentsignal auf Basis berechneter Drehmomentwerte aus.
Hiermit ergibt sich dann beispielsweise für gemessene Beschleunigungen in Fahrtrichtung f bei einer Fahrt des Elektrofahrrads 1 ein Verlauf von Messdaten m_f entsprechend dem Diagramm D7 der 5 und hieraus wiederum ein Verlauf eines berechneten Drehmoments M_c, der im Diagramm D8 der 6 veranschaulicht ist.
Wird der Verlauf des berechneten Drehmoments M_c mit einem Verlauf eines mithilfe eines Drehmomentsensors gemessenen Verlauf eines tatsächlichen an der Tretlagerwelle T aufgebrachten Drehmoments M_m entsprechend dem Diagramm D9 der 7 verglichen, zeigt sich, dass die berechneten und damit geschätzten Werte für das Drehmoment M_c mit den gemessenen Werten für das tatsächliche Drehmoment M_m qualitativ und teilweise auch quantitativ gut übereinstimmen. Das berechnete Drehmoment M_c kann somit ohne weiteres für die Vorgabe der Höhe der von dem Antriebsmotor A aufgebrachten Unterstützungsleistung genutzt werden. Eine hierbei eventuell in Kauf zu nehmende geringerer Genauigkeit in dem geschätzten Wert für das Drehmoment stehen dabei geringere Kosten und geringeres Gewicht im Vergleich zu der Nutzung eines Drehmomentsensors an der Tretlagerwelle T gegenüber.
Es kann somit dann beispielsweise entsprechend der 8 eine elektronische Steuereinheit SE zur Verfügung gestellt werden, die das mathematische Modell MM implementiert und die ein von einem Beschleunigungssensor 2 des Elektrofahrrads 1 bereitgestelltes Beschleunigungssignal s₂ und ein von einem Drehwinkelsensor 3 des Elektrofahrrads 1 zur Verfügung gestelltes Drehzahlsignal s₃ für die Drehzahl der Tretlagerwelle T nutzt, um hieraus ein Drehmoment an der Tretlagerwelle T abzuschätzen. Auf Basis dieses geschätzten/berechneten Drehmoments steuert die elektronische Steuereinheit SE den mindestens einen Antriebsmotor A mithilfe eines Steuersignals s_A, über das die Unterstützungsleistung vorgegeben wird.
Alternativ kann das Antriebssystem zusätzlich einen Drehmomentsensor 4 umfassen, über den das tatsächlich an der Tretlagerwelle T muskelkraftbetätigt aufgebrachte Drehmoment M_m direkt messbar ist. Von diesem Drehmomentsensor 4 des Elektrofahrrads 1 erhält die elektronische Steuereinheit SE Drehmomentsignale s₄, die die elektronische Steuereinheit SE für die Erzeugung des Steuersignal s_A nutzt. Das mithilfe des mathematischen Modells MM mit dem Beschleunigungssignal s₂ und dem Drehzahlsignal s₃ berechnete Drehmoment M_c nutzt die elektronische Steuereinheit SE hier (a) für eine Plausibilisierung der von dem Drehmomentsensor 4 gelieferten Messwerte und/oder (b) als Rückfallebene für eine alleinige Steuerung des Antriebsmotors 4 bei einer Fehlfunktion oder einem Ausfall des Drehmomentsensors 4.
Bezugszeichenliste

1: Elektrofahrrad
10: Vorderrad
11: Hinterrad
12: Kette (Übertragungsglied)
2: Beschleunigungssensor
3: Drehwinkelsensor
4: Drehmomentsensor
A: Antriebsmotor
B: Signalbereich
f: Fahrtrichtung
IMU: Inertiale Messeinheit
Mc: Berechnetes Drehmoment
mf, mIMU, mq, ms, mv, mT: Messdaten
MM: Mathematisches Modell
Mm: Gemessenes, tatsächliches Drehmoment
mMA,s, mMA,q, mMA,f: Gleitende Mittelwerte
q: Querrichtung
s2: Beschleunigungssignal
s3: Drehzahlsignal
s4: Drehmomentsignal
sA: Steuersignal
SE: Elektronische Steuereinheit
T: Tretlagerwelle
v: Vertikalrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018001795 A1 [0002]
DE 102019201812 B3 [0002]
DE 102016223410 A1 [0003]

Claims

Antriebssystem für ein Elektrofahrrad (1), mit - einer Tretlagerwelle (T) zum muskelkraftbetätigten Aufbringen einer Antriebsleistung für die Fortbewegung des Elektrofahrrads (1), - mindestens einem Antriebsmotor (A) zum Bereitstellen einer fremdkraftbetätigt erzeugten Unterstützungsleistung zusätzlich zu der Antriebsleistung und - einer elektronischen Steuereinheit (SE) zum Steuern der über den mindestens einen Antriebsmotors (A) bereitgestellten Unterstützungsleistung, dadurch gekennzeichnet, dass - das Antriebssystem mindestens einen Beschleunigungssensor (2) zur Bereitstellung eines für die Beschleunigung des Elektrofahrrads (1) repräsentativen Beschleunigungssignals (s₂) und mindestens einen Drehwinkelsensor (3) zur Bereitstellung eines für eine Drehzahl der Tretlagerwelle (T) repräsentativen Drehzahlsignals (s₃) umfasst und - die elektronische Steuereinheit (SE) eingerichtet ist, unter Nutzung des Beschleunigungssignals (s₂) und des Drehzahlsignals (s₃) ein an der Tretlagerwelle (T) muskelkraftbetätigt aufgebrachtes Drehmoment (M_c) zu berechnen und auf Basis des berechneten Drehmoments (M_c) die Unterstützungsleistung zu steuern.
Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der elektronischen Steuereinheit (SE) ein mathematisches Modell (MM) hinterlegt ist, über das aus dem Beschleunigungssignal (s₂) und dem Drehzahlsignal (s₃) eine Berechnung des Drehmoments (M_c) ermöglicht ist.
Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das hinterlegte mathematische Modell (MM) einen Sinustransformator und/oder einen Kosinustransformator umfasst, über den das Beschleunigungssignal (s₂) zur Berechnung des Drehmoments (M_c) einer Sinustransformation und/oder einer Kosinustransformation zugeführt wird.
Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem zusätzlich mindestens einen Drehmomentsensor (4) zur Messung des ein an der Tretlagerwelle (T) aktuell muskelkraftbetätigt aufgebrachten tatsächlichen Drehmoments (M_m) umfasst.
Antriebssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (SE) konfiguriert ist, zur Steuerung der Unterstützungsleistung das gemessene tatsächliche Drehmoment (M_m) zu nutzen und das berechnete Drehmoment (M_c) zur Plausibilisierung der Messung des tatsächlichen Drehmoments (M_m) durch den mindestens einen Drehmomentsensor (4) zu nutzen.
Antriebssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem in wenigstens einem ersten Betriebsmodus und wenigstens einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, wobei in dem wenigstens einen ersten Betriebsmodus die Unterstützungsleistung von dem mit dem mindestens Drehmomentsensor (4) gemessenen tatsächlichen Drehmoment (M_m) abhängig ist und in dem wenigstens einen zweiten Betriebsmodus die Unterstützungsleistung von dem berechneten Drehmoment (M_c) abhängig ist.
Antriebssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (SE) konfiguriert ist, bei einer Fehlfunktion oder einem Ausfall des mindestens einen Drehmomentsensors (4) von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus zu schalten.
Elektrofahrrad mit einem Antriebssystem (A) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems eines Elektrofahrrad (1), bei dem über eine Tretlagerwelle (T) muskelkraftbetätigt eine Antriebsleistung für die Fortbewegung des Elektrofahrrads (1) aufbringbar ist und über mindestens einen in einem Fahrmodus betriebenen Antriebsmotor (A) fremdkraftbetätigt eine Unterstützungsleistung zusätzlich zu der Antriebsleistung aufbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein an der Tretlagerwelle (T) muskelkraftbetätigt aufgebrachtes Drehmoment (M_c) unter Nutzung eines für die Beschleunigung des Elektrofahrrads (1) repräsentativen Beschleunigungssignals (s₂) und eines für eine Drehzahl der Tretlagerwelle (T) repräsentativen Drehzahlsignals (s₃) berechnet und die Unterstützungsleistung auf Basis des berechneten Drehmoments (M_c) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Drehmoments (M_c) mithilfe eines mathematischen Modells (MM) erfolgt, in das das Beschleunigungssignal (s₂) und das Drehzahlsignal (s₃) als Eingangsgrößen eingehen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass über das hinterlegte mathematische Modell (MM) zur Berechnung des Drehmoments (M_c) eine Sinustransformation und/oder eine Kosinustransformation des Beschleunigungssignal (s₂) vorgenommen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem zusätzlich mindestens einen Drehmomentsensor (4) zur Messung eines an der Tretlagerwelle (T) aktuell muskelkraftbetätigt aufgebrachten tatsächlichen Drehmoments (M_m) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Unterstützungsleistung das gemessene tatsächliche Drehmoment (M_m) genutzt wird, wobei die Messung des tatsächlichen Drehmoments (M_m) durch den mindestens einen Drehmomentsensor (4) mit dem berechneten Drehmoment (M_c) plausibilisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem in wenigstens einem ersten Betriebsmodus und wenigstens einem zweiten Betriebsmodus betreibbar ist, wobei in dem wenigstens einen ersten Betriebsmodus die Unterstützungsleistung von dem mit dem mindestens Drehmomentsensor (4) gemessenen tatsächlichen Drehmoment (M_m) abhängig ist und in dem wenigstens einen zweiten Betriebsmodus die Unterstützungsleistung von dem berechneten Drehmoment (M_c) abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Fehlfunktion oder einem Ausfall des mindestens einen Drehmomentsensors (4) von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus geschaltet wird.
Computerprogrammprodukt, aufweisend Anweisungen, die bei einer Ausführung durch mindestens einen Prozessor einer elektronischen Steuereinheit (SE) für ein Antriebssystem eines Elektrofahrrads (1), den mindestens einen Prozessor veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15 auszuführen.