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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit eines Elektrofahrrads, und ein Elektrofahrrad.
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Bekannt sind Elektrofahrräder mit Antriebseinheiten um ein durch einen Fahrer erzeugtes Fahrerdrehmoment mittels Motorkraft zu unterstützen. Üblicherweise erfolgt die motorische Unterstützung dabei nur dann, wenn der Fahrer auch selbst ein gewisses Fahrerdrehmoment aufbringt, das heißt nur während einer Pedalbetätigung durch den Fahrer. Häufig erfolgt zudem eine Regelung eines motorisch erzeugten Antriebsdrehmoments der Antriebseinheit in Abhängigkeit eines mittels Sensoren erfassten Fahrerdrehmoments. Für eine optimale Regelung ist eine hohe Genauigkeit des Drehmomentsignals erforderlich. Aufgrund von durch externe Einflüsse, wie beispielsweise Temperaturschwankungen, Magnetfeldern, oder Sensorstörungen, verursachten Drifts des Drehmomentsignals kann es jedoch zu fehlerhaften Regelungen des Antriebsdrehmoments führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich demgegenüber dadurch aus, dass eine besonders einfache und kostengünstige Möglichkeit zur präzisen Steuerung eines Antriebsdrehmoments einer Antriebseinheit eines Elektrofahrrads bereitgestellt werden kann. Insbesondere kann dabei ein Einfluss von Drifts bei einer sensorbasierten Erfassung eines Fahrerdrehmoments signifikant reduziert werden. Dies wird erreicht durch ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit eines Elektrofahrrads, umfassend die Schritte:
- - Ermitteln eines Drehmoment-Verlaufs eines mittels Muskelkraft eines Fahrers des Elektrofahrrads erzeugten Fahrerdrehmoments,
- - Ermitteln von Differenzen zwischen Maximalwerten und Minimalwerten des Drehmoment-Verlaufs, und
- - gesteuertes Erzeugen eines Motordrehmoments mittels der Antriebseinheit in Abhängigkeit der ermittelten Differenzen.
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Vorzugsweise werden bei dem Verfahren stets zeitlich unmittelbar aufeinanderfolgende Maximalwerte und Minimalwerte des Drehmoment-Verlaufs für das Ermitteln von jeweils genau einer Differenz verwendet. Insbesondere wird dabei für das Ermitteln von genau einer Differenz genau einen Maximalwert und genau einen Minimalwert des Drehmoment-Verlaufs verwendet.
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Als Maximalwerte und Minimalwerte werden insbesondere Punkte des Drehmoment-Verlaufs angesehen, an denen eine Steigung des Drehmoment-Verlaufs gleich Null ist. Beispielsweise können die Maximalwerte und Minimalwerte auch als Berge bzw. Täler des wellenförmigen Drehmoment-Verlaufs bezeichnet werden.
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Mit anderen Worten wird bei dem Verfahren eine Steuerung des mittels der Antriebseinheit erzeugten Motordrehmoments basierend auf einer Erfassung der Differenzen der Maximalwerte und Minimalwerte des vom Fahrer mittels Muskelkraft erzeugten Fahrerdrehmoments vorgenommen. Insbesondere wird dabei ein höheres Motordrehmoment erzeugt, wenn eine größere Differenz ermittelt wird. Analog kann eine Reduktion des Fahrerdrehmoments bei niedriger Differenz erfolgen. Dieses Vorgehen basiert insbesondere auf der Annahme, dass eine Pedalbetätigung durch den Fahrer bei einer Fahrt des Elektrofahrrads mit einem Fahrerdrehmoment erfolgt, das einen periodisch wellenförmig schwankenden, beispielsweise im Wesentlichen sinusförmigen, Drehmoment-Verlauf aufweist. Insbesondere wird dabei weiter angenommen, dass Absolutwerte des Fahrerdrehmoments und die Differenz zwischen Maximalwert und Minimalwert des Fahrerdrehmoments, beispielsweise proportional, miteinander korrelieren. Das heißt, bei ermittelter größerer Differenz kann auf einen höheren Absolutwert des Fahrerdrehmoments geschlossen werden und dementsprechend eine gesteuerte Erhöhung des Motordrehmoments vorgenommen werden.
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Das Verfahren bietet somit den Vorteil, dass auf besonders einfache und kostengünstige Weise eine Fahrerdrehmoment-abhängige Steuerung der Antriebseinheit erfolgen kann, welche mit einfachen und kostengünstigen Mitteln präzise umgesetzt werden kann. Beispielsweise kann dabei eine einfache und kostengünstige Sensorik verwendet werden. Insbesondere wird dabei ein Einfluss von, beispielsweise durch externe Einflüsse, wie Temperaturschwankungen, externe Magnetfelder, oder Sensorstörungen, verursachten Drifts signifikant reduziert oder vollständig eliminiert.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt erfolgt das Ermitteln der Differenzen durch direktes Erfassen jeweils des Maximalwerts und des Minimalwerts des Drehmoment-Verlaufs mittels eines Drehmoment-Sensors. Das heißt, der Maximalwert und der Minimalwert werden unmittelbar als Zahlenwerte mittels des Drehmoment-Sensors erfasst. Damit kann, insbesondere durch Subtraktion von Maximalwert und Minimalwert, auf besonders einfache Weise die Differenz ermittelt werden.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Filtern des Drehmoment-Verlaufs mittels eines Hochpassfilters. Das Ermitteln der Differenzen zwischen den Maximalwerten und Minimalwerten wird dabei basierend auf dem gefilterten Drehmoment-Verlauf durchgeführt. Insbesondere wird durch das Filtern ein gefilterter Drehmoment-Verlauf um einen Nullpunkt erreicht. Dadurch können beispielsweise die Differenzen basierend auf ausschließlich den gefilterten Maximalwerten und/oder den gefilterten Minimalwerten ermittelt werden. Dadurch kann das Verfahren auf besonders einfache Weise durchgeführt werden.
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Besonders bevorzugt wird das Ermitteln der Differenzen basierend auf einem Ermitteln einer Amplitude des gefilterten Drehmoment-Verlaufs durchgeführt. Das heißt, bei dem beispielsweise um den Nullpunkt schwankenden gefilterten Drehmoment-Verlauf wird nur entweder an einem Maximalwert oder an einem Minimalwert des gefilterten Drehmoment-Verlaufs die Amplitude, das heißt der entsprechende Absolutwert dieses Maximalwerts bzw. Minimalwerts ermittelt. Die Differenz wird beispielsweise durch Multiplizieren dieser Amplitude bzw. des Absolutwert mit zwei abgeschätzt. Damit kann eine besonders einfache und kostengünstige Umsetzung des Verfahrens ermöglicht werden.
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Vorzugsweise wird das Verfahren für jeweils eine halbe Kurbelumdrehung eines Kurbeltriebs des Elektrofahrrads durchgeführt. Bevorzugt wird dabei jeweils genau eine halbe Kurbelumdrehung betrachtet. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt wird das Verfahren für, insbesondere genau, eine Periode des erfassten Drehmoment-Verlaufs durchgeführt. Als Periode des erfassten wellenförmigen Drehmoment-Verlaufs wird insbesondere ein vorbestimmter zeitlicher Anteil des Drehmoment-Verlaufs analog genau einer Periode beispielsweise einer Sinus-Funktion angesehen. Insbesondere werden somit pro Kurbelumdrehung genau zwei Werte für die Differenz ermittelt, wodurch eine zeitlich hoch aufgelöste und damit besonders präzise Durchführung des Verfahrens ermöglicht wird.
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Alternativ bevorzugt kann das Verfahren auch für mehrere Perioden des erfassten Drehmoment-Verlaufs durchgeführt werden, wobei vorzugsweise eine separate Auswertung der mehreren Perioden erfolgt. Beispielsweise können diese unterschiedlich gewichtet werden, um besonders präzise Steuerungen der Antriebseinheit ermöglichen zu können.
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Bevorzugt erfolgt die Erkennung der, insbesondere genau, einen halben Kurbelumdrehung des Kurbeltriebs basierend auf einer Integration einer Drehzahl der Kurbelumdrehung. Somit kann auf einfache Weise mit geringem messtechnischen Aufwand die entsprechende Messdauer jedes einzelnen Messsamples sowie das entsprechende Messsample selbst präzise bestimmt werden.
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Weiter bevorzugt erfolgt das gesteuerte Erzeugen des Motordrehmoments mittels der Antriebseinheit durch Multiplizieren jeder der ermittelten Differenzen mit einem vorbestimmten Unterstützungsfaktor. Beispielsweise kann der Unterstützungsfaktor ein bestimmter fest definierter Zahlenwert sein. Alternativ bevorzugt kann der Unterstützungsfaktor variabel sein. Damit kann die Steuerung der Antriebseinheit auf besonders einfache und kostengünstige Weise umgesetzt werden.
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Besonders bevorzugt wird der Unterstützungsfaktor in Abhängigkeit einer ermittelten momentanen Schwingungsmode des Drehmoment-Verlaufs angepasst. Beispielsweise kann dabei zusätzlich eine Frequenz des Drehmoment-Verlaufs ermittelt werden, wobei die Schwingungsmode beispielsweise in Abhängigkeit der ermittelten Frequenz bestimmt wird. Somit kann ein besonders hoher Fahrkomfort und/oder eine flexible Anpassung an einen Fahrerwunsch des Fahrers des Elektrofahrrads ermöglicht werden.
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Vorzugsweise erfolgt ein Ermitteln von jeweils genau einer Differenz an jedem Maximalwert und/oder an jedem Minimalwert des Drehmoment-Verlaufs. Damit kann das Verfahren zeitlich hoch aufgelöst und besonders präzise durchgeführt werden, um einen möglichst hohen Fahrkomfort für den Fahrer des Elektrofahrrads bereitstellen zu können.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Erkennen eines Anfahrens des Elektrofahrrads basierend auf einer Erfassung einer zeitlichen Drehmomentänderung. Als Anfahren wird insbesondere eine Beschleunigung des Elektrofahrrads ausgehend von einem Stillstand relativ zu einer Umgebung angesehen. Das Anfahren wird dabei erkannt, wenn die erfasste zeitliche Drehmomentänderung größer oder gleich einem vorbestimmten ersten Schwellwert ist. Der vorbestimmte erste Schwellwert kann beispielsweise mindestens 5 Nm/s betragen. Bevorzugt kann somit basierend auf dem Erkennen des Anfahrens eine Aktivierung des gesteuerten Erzeugens des Motordrehmoments mittels der Antriebseinheit erfolgen. Die Erfassung der zeitlichen Drehmomentänderung kann bevorzugt ebenfalls basierend auf den ermittelten Differenzen ermittelt werden. Somit kann ein besonders einfach durchführbares Verfahren zum Aktivieren und Betreiben der Antriebseinheit bereitgestellt werden.
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Weiter bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Abschalten der Antriebseinheit basierend auf einer Erfassung einer zeitlichen Drehmomentänderung. Dabei erfolgt das Abschalten der Antriebseinheit im Ansprechen auf eine erfasste zeitliche Drehmomentänderung, welche kleiner oder gleich einem vorbestimmten zweiten Schwellwert ist. Der zweite Schwellwert kann beispielsweise maximal 0,5 Nm/s betragen. Die Erfassung der zeitlichen Drehmomentänderung kann bevorzugt ebenfalls basierend auf den ermittelten Differenzen zwischen Maximalwerten und Minimalwerten des Drehmoment-Verlaufs erfolgen. Dadurch kann auf einfache und zuverlässige Weise eine Abschaltung der Antriebseinheit erfolgen, wenn kein Motordrehmoment erzeugt werden soll.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner die Schritte: Erfassen einer Kurbeldrehzahl und/oder einer Kurbelposition, und Plausibilisieren des erfassten Drehmoment-Verlaufs basierend auf der erfassten Kurbeldrehzahl und/oder der Kurbelposition. Vorzugsweise erfolgt dabei basierend auf der erfassten Kurbeldrehzahl und/oder der Kurbelposition eine Plausibilisierung der Zeitpunkte und/oder Kurbelpositionen, an denen die Maximalwerte und/oder die Minimalwerte des Drehmoment-Verlaufs auftreten. Beispielsweise erfolgt das Plausibilisieren dabei unter der Annahme, dass ein Minimum des Drehmoments an jedem unteren und oberen Totpunkt der Kurbelumdrehung vorliegt. Damit kann auf einfache und zuverlässige Weise eine Überprüfung durchgeführt werden, ob die Drehmoment-Signale korrekt sein können. Insbesondere können fehlerhafte Drehmomenterfassungen ermittelt werden und entsprechend bei der Durchführung des Verfahrens berücksichtigt werden.
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Besonders bevorzugt umfasst das Verfahren ferner den Schritt: Abschalten der Antriebseinheit bei ermittelter Implausibilität des erfassten Drehmoment-Verlaufs. Das heißt, wenn beim Plausibilisieren des erfassten Drehmoment-Verlaufs basierend auf der erfassten Kurbeldrehzahl und/oder der Kurbelposition ermittelt wird, dass der Drehmoment-Verlauf nicht plausibel ist, so erfolgt das Abschalten der Antriebseinheit. Damit können auf einfache Weise fehlerhafte Drehmomenterzeugungen vermieden werden.
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Weiterhin führt die Erfindung zu einem Elektrofahrrad, umfassend eine Antriebseinheit und eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist dabei eingerichtet, die Antriebseinheit gesteuert zu betätigen. Ferner ist die Steuereinheit eingerichtet, das beschriebene Verfahren durchzuführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Elektrofahrrads, bei dem ein Verfahren zum Betreiben des Elektrofahrrads gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung durchgeführt wird,
- 2 eine vereinfachte Darstellung eines zeitlichen Drehmoment-Verlaufs, bei welchem das Verfahren gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durchgeführt wird,
- 3 eine vereinfachte Darstellung von ermittelten Differenzen des Drehmoment-Verlaufs der 2, und
- 4 eine vereinfachte Darstellung eines gefilterten zeitlichen Drehmoment-Verlaufs, bei welchem das Verfahren gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durchgeführt wird.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Ansicht eines Elektrofahrrads 100. Das Elektrofahrrad 100 umfasst eine Antriebseinheit 102, welche als ein Elektromotor ausgebildet ist. Die Antriebseinheit 102 ist im Bereich eines Tretlagers 108 des Elektrofahrrads 100 angeordnet, und vorgesehen, um eine über einen Kurbeltrieb 104 aufgebrachte manuelle Tretkraft eines Fahrers des Elektrofahrrads 100 durch ein elektromotorisch erzeugtes Drehmoment zu unterstützen.
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Ferner umfasst das Elektrofahrrad 100 einen elektrischen Energiespeicher 109, mittels welchem die Antriebseinheit 102 mit elektrischer Energie versorgbar ist. In die Antriebseinheit 102 ist außerdem eine Steuereinheit 103 integriert.
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Die Steuereinheit 103 ist dabei eingerichtet, die Antriebseinheit 102 in Abhängigkeit einer Pedalbetätigung eines Fahrers des Elektrofahrrads 100 zu betätigen. Im Detail wird die Antriebseinheit 102 derart gesteuert betätigt, dass in Abhängigkeit eines mittels Muskelkraft des Fahrers erzeugten Fahrerdrehmoments ein Motordrehmoment erzeugt wird, um den Fahrer beim Pedalieren motorisch zu unterstützen. Dabei ist vorgesehen, dass die Erzeugung des Motordrehmoments in Abhängigkeit einer Höhe des Fahrerdrehmoments gesteuert wird.
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Die Steuereinheit 103 ist dabei eingerichtet, ein Verfahren zum Betrieben der Antriebseinheit 102 durchzuführen. Mittels des Verfahrens kann während des Fahrbetriebs, also insbesondere während der Fortbewegung, des Elektrofahrrads 100 eine optimierte Betätigung der Antriebseinheit 102 in Abhängigkeit der Höhe des Fahrerdrehmoments erfolgen.
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Der Ablauf des Verfahrens wird nachfolgend in Bezug auf die 2 bis 4 im Detail beschrieben
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2 zeigt eine beispielhafte Ansicht einer Drehmoment-Aufzeichnung 50, welche während einer Fahrt des Elektrofahrrads 100 erfasst werden kann. Dargestellt ist dabei das Fahrerdrehmoment 10 in Abhängigkeit der Zeit 20. Das Fahrerdrehmoment 10 kann mittels eines Drehmomentsensors 107 (vergleiche 1) erfasst werden. In der Drehmoment-Aufzeichnung 50 der 2 ist somit ein beispielhafter zeitlicher Drehmoment-Verlauf 1 des Fahrerdrehmoments 10 dargestellt.
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Wie in der 2 zu erkennen, ändert sich der aktuelle Wert des Fahrerdrehmoments 10 über die Zeit 20 periodisch, beispielsweise ähnlich einer Sinusfunktion.
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Bei dem Verfahren erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform ein Ermitteln von Differenzen 2 zwischen Maximalwerten 11 und Minimalwerte 12 des Drehmoment-Verlaufs 1. Im Detail werden während des Betriebs des Elektrofahrrads 100 mittels des Drehmomentsensors 107 kontinuierlich, oder alternativ zeitdiskret mit einer vorbestimmten Abtastfrequenz, direkt Absolutwerte des Fahrerdrehmoments erfasst. Zwischen jeweils genau einem ermittelten Maximalwert 11 und genau einem ermittelten Minimalwerte 12, welcher zeitlich unmittelbar auf den entsprechenden Maximalwert 11 folgt, wird dabei jeweils genau eine Differenz 2 ermittelt, wie in der 2 dargestellt.
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In 2 ist mittels der gestrichelten Linie 30 ein zeitlicher Mittelwert des Drehmoment-Verlaufs 1 gekennzeichnet. Insbesondere basiert das Verfahren auf der Annahme, dass ein solcher Mittelwert, insbesondere proportional, mit den ermittelten Differenzen 2 zwischen Maximalwerten 11 und Minimalwerten 12 zusammenhängt.
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In 3 sind die jeweils zu den diskreten Zeitpunkten ermittelten Differenzen 2 beispielhaft in einem separaten Diagramm 40 dargestellt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Ermitteln von jeweils genau einer Differenz 2 für jeweils genau eine halbe Kurbelumdrehung des Kurbeltriebs des Elektrofahrrads 100 erfolgt. Mit anderen Worten wird dabei für genau eine Periode des Drehmoment-Verlaufs 100 jeweils separat eine Differenz 2 ermittelt und die gesteuerte Erzeugung des Motordrehmoments entsprechend angepasst.
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Das Ermitteln der genau einen halben Kurbelumdrehung des Kurbeltriebs kann dabei basierend auf einer Integration einer Drehzahl der Kurbelumdrehung durchgeführt werden. Die Drehzahl der Kurbelumdrehung kann beispielsweise mittels eines (nicht dargestellten) Drehzahlsensors erfasst werden.
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In Abhängigkeit der ermittelten Differenzen 2 erfolgt anschließend das gesteuerte Erzeugen des Motordrehmoments mittels der Antriebseinheit 102. Im Detail wird dabei die ermittelte Differenz 2 mit einem Unterstützungsfaktor multipliziert. Der Unterstützungsfaktor kann beispielsweise ein vorbestimmter fester Zahlenwert, oder alternativ ein variabler Zahlenwert sein. Im Falle eines variablen Zahlenwerts als Unterstützungsfaktor ist es besonders vorteilhaft, wenn dieser in Abhängigkeit einer ermittelten Frequenz der Schwingung des Fahrerdrehmoments, oder alternativ bevorzugt in Abhängigkeit einer Schwingungsmode des Fahrerdrehmoments, angepasst wird.
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Das Verfahren bietet dabei den Vorteil, dass durch die Ermittlung der Differenzen 2 zwischen den Maximalwerten 11 und Minimalwerten 12 des Drehmoment-Verlaufs 1 eine zuverlässige und präzise Steuerung des Motordrehmoments in Abhängigkeit der tatsächlich durch den Fahrer aufgebrachten Muskelkraft erfolgen kann. Insbesondere wird dadurch ein Einfluss von Drifts der mittels des Drehmomentsensors 107 erfassten Drehmomentwerte reduziert. Ein derartiger Drift kann beispielsweise aufgrund von externen Einflüssen wie Temperaturschwankungen oder Magnetfeldern auftreten.
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Vorzugsweise erfolgt bei dem Verfahren zusätzlich ein Ermitteln einer zeitlichen Drehmomentänderung des Fahrerdrehmoments basierend auf den ermittelten Differenzen 2. Diese ermittelte zeitliche Drehmomentänderung wird verwendet, um ein Anfahren des Elektrofahrrads 100, das heißt, eine Fortbewegung ausgehend von einem Stand, zu ermitteln. Ist die ermittelte zeitliche Drehmomentänderung größer oder gleich einem vorbestimmten ersten Schwellwert, so wird ein Anfahren erkannt, und es kann beispielsweise im Ansprechen darauf eine Aktivierung der Antriebseinheit 102 erfolgen.
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Weiterhin kann basierend auf der ermittelten zeitlichen Drehmomentänderung des Fahrerdrehmoments ein Abschalten der Antriebseinheit 102 erfolgen, wenn die erfasste zeitliche Drehmomentänderung kleiner oder gleich einem vorbestimmten zweiten Schwellwert ist.
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Ferner kann bei dem Verfahren ein Plausibilisieren des erfassten Drehmoment-Verlaufs erfolgen. Hierfür kann eine Kurbeldrehzahl des Kurbeltriebs mittels eines Drehzahlsensors erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Kurbelposition des Kurbeltriebs mittels eines Positionssensors erfasst werden.
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Anhand der erfassten Kurbeldrehzahl kann beispielsweise eine Frequenz der Schwankungen des Drehmoment-Verlaufs 1 plausibilisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann anhand der erfassten Kurbelposition eine zeitliche Korrelation der Maximalwerte 11 und/oder der Minimalwerte 12 mit zu erwartenden Zeitpunkten der Maxima und/oder Minima des Fahrerdrehmoments plausibilisiert werden. Falls eine Implausibilität des erfassten Drehmoment-Verlaufs ermittelt wird, kann ein Abschalten der Antriebseinheit 102 erfolgen. Somit kann beispielsweise auch auf Defekte der Antriebseinheit 102 und/oder der Drehmomenterfassung geschlossen werden.
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In 4 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Drehmoment-Aufzeichnung 50` dargestellt, welche bei der Durchführung des Verfahrens gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet werden kann. Die Drehmoment-Aufzeichnung 50' umfasst ein gefilterten Drehmoment-Verlauf 1', der durch Filtern des Drehmoment-Verlaufs 1 der 2 mittels eines Hochpassfilters bereitgestellt werden kann.
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Bei dem gefilterten Drehmoment-Verlauf 1' schwankt das Fahrerdrehmoment 10` somit um den Wert Null. Dadurch kann das Verfahren weiter vereinfacht werden, indem nur die Amplitude 3 an jedem Maximalwert 11' ermittelt wird. Alternativ kann eine Ermittlung der Amplitude an jedem Minimalwert 12' erfolgen. Die Differenzen 2 können dabei beispielsweise als das Doppelte der ermittelten Amplituden 3 abgeschätzt werden. Somit kann das Verfahren besonders einfach durchgeführt werden.
