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Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für einen Antriebsstrang eines Fahrrads mit einer elektrischen Maschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Antriebsvorrichtung, eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Fahrrad mit einer solchen Antriebsvorrichtung.
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Beispielsweise offenbart die
EP 3 782 895 A1 ein Elektrofahrrad mit einem elektrischen Antrieb, welcher ein Abtriebselement aufweist. Das Abtriebselement ist antriebsseitig zumindest mit einem Elektromotor wirkverbunden und abtriebsseitig mit einem Hinterrad oder einem Vorderrad wirkverbunden. Die Höhe eines Unterstützungs-Motordrehmoments des Elektromotors hängt von einem auf eine Tretkurbelwelle wirkenden Fahrerdrehmoment ab, wobei eine Berechnungseinheit dazu eingerichtet ist, das auf die Tretkurbelwelle wirkende Fahrerdrehmoment abzuschätzen. In der Abschätzung des Fahrerdrehmoments ist eine Nickneigung des Elektrofahrrads berücksichtigt. Dazu sind ein Fahrrad-Nickdrehratensensor und ein Fahrrad-Vertikalbeschleunigungssensor vorgesehen, wobei die Signale des Fahrrad-Nickdrehratensensors und des Fahrrad-Vertikalbeschleunigungssensors in die Ermittlung der Nickneigung des Elektrofahrrads einbezogen sind. Dadurch soll das Fahrerdrehmoment zuverlässig und mit einer hohen Genauigkeit ermittelt werden und ein ordnungsgemäßer Betrieb des elektrischen Antriebs gewährleistet werden.
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Ferner offenbart die
DE 10 2009 000 919 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines motorisch unterstützten Fahrrads, bei dem eine Größe, die das vom Fahrer durch eine Tretbewegung erzeugte Drehmoment charakterisiert, ermittelt und eine gewünschte Antriebsunterstützung durch eine Antriebseinheit aus dem ermittelten Drehmoment bestimmt wird. Die das Drehmoment charakterisierende Größe wird aus einer Ungleichförmigkeit einer Drehzahl einer Tretkurbel oder eines der Räder ermittelt, insbesondere durch eine zeitliche Ableitung des Drehzahlsignals.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine alternative Antriebsvorrichtung für ein Fahrrad sowie ein Verfahren zur Steuerung der Antriebsvorrichtung, eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Fahrrad mit einer solchen Antriebsvorrichtung zu schaffen. Insbesondere sollen Sensoren und somit auch Bauraum und Kosten eingespart werden sowie das Fahrerlebnis und der Fahrkomfort für den Fahrradfahrer verbessert werden.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 7, 14 und 15. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der davon abhängigen Ansprüche, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für einen Antriebsstrang eines Fahrrads umfasst eine Tretkurbelwelle mit Tretkurbeln zur Einspeisung einer Antriebsleistung eines Fahrradfahrers in den Antriebsstrang, eine als Antriebsmotor ausgebildete elektrische Maschine, die zur Unterstützung der Antriebsleistung des Fahrradfahrers antriebswirksam in dem Antriebsstrang angeordnet und mit einem elektrischen Energiespeicher elektrisch verbunden ist, einen hochauflösenden Positionssensor zum Erfassen einer Position der Tretkurbelwelle und Generieren entsprechender Sensordaten, und eine Steuervorrichtung, die dazu ausgebildet ist, zumindest die Sensordaten des hochauflösenden Positionssensors zu verarbeiten, um einen Fahrerwunsch basierend auf einen zeitlichen Verlauf der Position der Tretkurbelwelle zu ermitteln und darüber eine Drehzahl der elektrischen Maschine zu steuern.
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Unter dem Begriff „Erfassen“ ist in diesem Zusammenhang sowohl ein unmittelbares Sensieren an der Tretkurbelwelle als auch ein mittelbares Sensieren der Position der Tretkurbelwelle über drehfest oder antriebswirksam damit verbundene Bauteile zu verstehen. Unter einer „antriebswirksamen Verbindung“ von Bauteilen ist zu verstehen, dass diese Bauteile entweder unmittelbar miteinander verbunden sind, beispielsweise drehfest, oder mittelbar über mindestens ein weiteres Bauteil, beispielsweise über mindestens eine weitere Welle und/oder mindestens ein weiteres Zahnrad miteinander verbunden sein können.
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Unter einem „hochauflösenden Positionssensor“ ist ein Sensor zu verstehen, der eine Position der Tretkurbelwelle hochauflösend, also zumindest im Zehntelbereich sensiert. Dadurch ermöglicht der hochauflösende Positionssensor eine präzise und besonders dynamische Steuerung der elektrischen Maschine in Abhängigkeit des Fahrerwunschs, der über den zeitlichen Verlauf der Position der Tretkurbelwelle ermittelt wird, insbesondere weil die Steuervorrichtung schneller und feiner auf die empfangenen Sensordaten reagieren kann. Unter dem Begriff „Sensordaten“ sind in diesem Zusammenhang Informationen zur Position der Tretkurbelwelle zu verstehen, die mittels der Steuervorrichtung verarbeitet werden können. Mithin können auch geringe Positionsänderungen der Tretkurbelwelle zumindest im Zehntelbereich erfasst und an die Steuervorrichtung übermittelt werden, sodass die Steuervorrichtung dynamischer und präziser eine Drehzahlführung oder eine Drehzahlbegrenzung der elektrischen Maschine vornehmen kann. Dadurch empfindet der Fahrradfahrer die Antriebsunterstützung durch die elektrische Maschine weniger träge, wobei sich das Fahrerlebnis und der Fahrkomfort für den Fahrradfahrer verbessern. Ferner lassen sich weitere Sensoren, insbesondere kosten- sowie bauraum intensive Drehmomentsensoren einsparen.
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Unter einer „Drehzahlführung“ ist die Vorgabe einer Zieldrehzahl für die elektrische Maschine durch die Steuervorrichtung zu verstehen, wobei die Zieldrehzahl beim Einstellen an der elektrischen Maschine geringfügig überschritten werden kann. Demgegenüber ist unter einer „Drehzahlbegrenzung“, die Einstellung eines Drehzahlgrenzwertes für die elektrische Maschine zu verstehen, der nicht überschritten werden darf.
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Der Fahrerwunsch bestimmt den gewünschten Grad der Unterstützung durch die elektrische Maschine, wobei dieser auf den Sensordaten des hochauflösenden Positionssensors basiert. Insbesondere wird dafür nur eine Position der Tretkurbelwelle gemessen und daraus eine Drehrichtung, Drehzahl und Beschleunigung der Tretkurbelwelle berechnet. Anhand des zeitlichen Verlaufs der Position der Tretkurbelwelle, also der Positionsänderung, die auf dem Trittverhalten des Fahrradfahrers basiert, wird eine maximal zulässige Drehzahl oder eine Zieldrehzahl der elektrischen Maschine von der Steuervorrichtung dynamisch vorausberechnet und zur Drehzahlführung oder als Drehzahlbegrenzung zur Steuerung der elektrischen Maschine eingestellt.
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Insbesondere ist der hochauflösende Positionssensor derart ausgebildet, dass eine Position der Tretkurbelwelle jederzeit zumindest auf eine Nachkomastelle genau erfasst wird. Mithin kann der hochauflösende Positionssensor jederzeit auch im Stillstand, ohne dass eine vorherige Umdrehung der Tretkurbelwelle stattgefunden hat, die absolute Position der Tretkurbelwelle erfassen. Dadurch kann die Dynamik der Ansteuerung der elektrischen Maschine weiter erhöht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der hochauflösende Positionssensor in einem Gehäuse mit der Tretkurbelwelle angeordnet. Beispielsweise umfasst der hochauflösende Positionssensor zumindest einen Magnetgeber. Alternativ oder ergänzend umfasst der hochauflösende Positionssensor zumindest optische Sensorelemente. Insbesondere ist der hochauflösende Positionssensor dazu eingerichtet, die Position der Tretkurbelwelle senkrecht oder achsparallel zur Drehachse der Tretkurbelwelle zu erfassen. Dadurch wird insbesondere eine Bauraumoptimierung aufgrund einer leichteren Integration des hochauflösenden Positionssensors in der Antriebsvorrichtung erzielt. Ferner können Drehmomentsensoren an der Tretkurbelwelle oder an damit antriebswirksam verbundenen Bauteilen entfallen oder zumindest die Anforderung zur Signalgüte dieser Drehmomentsensoren kann verringert werden, wodurch insbesondere Kosten, Bauraum und Montageaufwand eingespart werden. Ferner wird auch die Robustheit der Antriebsvorrichtung dadurch erhöht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Antriebsvorrichtung ferner eine Bedieneinheit, die signalübertragend mit der Steuervorrichtung verbunden und zumindest zur Eingabe von Steuerbefehlen durch den Fahrradfahrer eingerichtet ist. Beispielsweise kann der Fahrradfahrer über die Bedieneinheit eine Unterstützung über die elektrische Maschine anfordern, insbesondere zwischen mehreren Unterstützungsmodi wählen. Beispielsweise weist die Antriebsvorrichtung ein Getriebe oder einen Zugmitteltrieb mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen auf, wobei der Fahrradfahrer über die Bedieneinheit eine Änderung der Übersetzung vornehmen kann. Bevorzugt ist die Bedieneinheit am Fahrradlenker angeordnet und umfasst zumindest eine, vorzugsweise mehrere Betätigungstasten, die der Fahrradfahrer zur Eingabe verwenden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Antriebsvorrichtung ferner eine optische Anzeigevorrichtung, wobei die Steuervorrichtung bevorzugt in die optische Anzeigevorrichtung integriert ist. Vorzugsweise ist die Anzeigevorrichtung an dem Fahrradlenker angeordnet und dazu eingerichtet, zumindest antriebsspezifische Anzeigedaten, insbesondere einen aktuellen Unterstützungsmodus der elektrischen Maschine anzuzeigen. Ferner kann die Anzeigevorrichtung eine Gangstufe und eine Geschwindigkeit des Fahrrads für den Fahrradfahrer visualisieren. Bevorzugt umfasst die Anzeigevorrichtung einen Bildschirm mit einer Eingabeschnittstelle für den Fahrradfahrer, um zwischen Darstellungen zu wechseln oder Änderungen an Betriebsparametern der Antriebsvorrichtung vorzunehmen. Insbesondere kann eine Gangschaltung automatisiert erfolgen oder über die Eingabeschnittstelle an der Anzeigevorrichtung. Alternativ kann die Eingabeschnittstelle außerhalb der Anzeigevorrichtung angeordnet und mit der Anzeigevorrichtung signalübertragend verbunden sein.
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Beispielsweise ist die elektrische Maschine als Mittelmotor oder Radnabenmotor ausgebildet. Vorteilhaft an dem Mittelmotor gegenüber einem Radnabenmotor ist, insbesondere die Position am Fahrrad, zwischen den beiden Rädern, also der mittige Schwerpunkt, wodurch der Mittelmotor leichter zu handhaben ist und eine höhere Effizienz und Leistung bei gleichem Gewicht aufweist. Eine Rotorwelle der elektrischen Maschine kann koaxial oder achsparallel zur Tretkurbelwelle angeordnet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Antriebsvorrichtung einen Inverter auf, der im Energiefluss zwischen der elektrischen Maschine und dem elektrischen Energiespeicher angeordnet ist. Der Inverter ist zumindest dazu eingerichtet, elektrische Energie aus dem elektrischen Energiespeicher in die elektrische Maschine einzuspeisen, um diese als Antriebsmotor zu betreiben. Ferner kann in einem optionalen Generatorbetrieb der elektrischen Maschine über den Inverter erzeugte elektrische Energie in den elektrischen Energiespeicher gespeist werden. Insbesondere ist der elektrische Energiespeicher als Akkumulator ausgebildet, wobei der Energiefluss zwischen der elektrischen Maschine und dem elektrischen Energiespeicher, also ein Laden und Entladen des elektrischen Energiespeichers, über den Inverter von der Steuervorrichtung gesteuert wird. Dazu werden Steuersignale über signalführende Leitungen von der Steuervorrichtung zumindest an die elektrische Maschine und an den Inverter übermittelt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Antriebsvorrichtung ferner Mittel zum Erfassen einer Geschwindigkeit des Fahrrads. Durch die Erfassung der Geschwindigkeit des Fahrrads wird sichergestellt, dass die elektrische Maschine stets mit einer Drehzahl betrieben wird, die das Fahrrad nicht über eine Maximalgeschwindigkeit hinaus unterstützt. Insbesondere kann die Steuervorrichtung mehr Drehmoment an der elektrischen Maschine zum Halten der Maximalgeschwindigkeit, beispielsweise bei Bergfahrt, ansteuern, jedoch keine höhere Drehzahl. Beispielsweise ist ein Drehzahlsensor an einem Rad des Fahrrads angeordnet und zur Erfassung der Geschwindigkeit des Fahrrads eingerichtet. Vorzugsweise ist mindestens ein Hall-Sensor als Mittel zum Erfassen der Geschwindigkeit des Fahrrads eingerichtet.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung überwacht die Steuervorrichtung die Sensordaten des hochauflösenden Positionssensors und steuert die Drehzahl der elektrischen Maschine gemäß dem Fahrerwunsch basierend auf den zeitlichen Verlauf der Position der Tretkurbelwelle. Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung gelten sinngemäß auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Beispielsweise wird mittels des Fahrerwunschs zunächst eine Zieldrehzahl für die elektrische Maschine berechnet, wobei diese Zieldrehzahl mit einer Istdrehzahl der elektrischen Maschine abgeglichen wird, und wobei bei einer Abweichung der Zieldrehzahl von der Istdrehzahl ein dynamisches Nachführen der Istdrehzahl erfolgt. Insbesondere kann die Zieldrehzahl als Schwellwert gesetzt werden, der von der Istdrehzahl nicht überschritten werden darf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden aus dem zeitlichen Verlauf der Position der Tretkurbelwelle eine Drehrichtung der Tretkurbelwelle, eine Drehzahl der Tretkurbelwelle und eine Beschleunigung der Tretkurbelwelle von der Steuervorrichtung berechnet. Beispielsweise kann eine Signalaufbereitung dieser drei Hilfsgrößen und eine Signalplausibilisierung der Drehzahl, die an der elektrischen Maschine eingestellt wird, anhand weiterer Sensorinformationen, beispielsweise anhand der Radgeschwindigkeit, vorgenommen werden. Die Drehrichtung der Tretkurbelwelle kann positiv sein, also in Fahrtrichtung vorwärts gerichtet, negativ sein, also entgegengesetzt zur Fahrtrichtung rückwärts gerichtet, oder keinen Wert haben, also Null sein (Stillstand). Die Drehzahl der Tretkurbelwelle kann positiv sein, also zur Vorwärtsfahrt des Fahrrads beitragen, negativ sein, also keinen Beitrag zur Vorwärtsfahrt leisten, oder keinen Wert haben, also Null sein und somit ebenfalls keinen Beitrag zur Vorwärtsfahrt leisten. Die Beschleunigung der Tretkurbelwelle kann positiv sein, also die Drehzahl der Tretkurbelwelle in Fahrtrichtung erhöhen, negativ sein, beispielsweise die Drehzahl der Tretkurbelwelle in Fahrtrichtung verringern, oder keinen Wert haben, also Null sein und somit keinen Einfluss auf die Drehzahl der Tretkurbelwelle haben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Drehzahl der elektrischen Maschine von der Steuervorrichtung auf Null gesetzt, wenn die berechnete Drehzahl der Tretkurbelwelle Null beträgt. Mithin wird dann die elektrische Maschine nicht bestromt. Dies kann beispielsweise dann vorliegen, wenn sich das Fahrrad im Stillstand befindet und der Fahrradfahrer nicht pedaliert. Ferner kann die Drehzahl der elektrischen Maschine von der Steuervorrichtung auf Null gesetzt werden, wenn kein Unterstützungsmodus aktiv ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Drehzahl der elektrischen Maschine von der Steuervorrichtung erhöht, wenn die berechnete Drehrichtung und Beschleunigung der Tretkurbelwelle positiv sind. Mit anderen Worten führt eine steigende Kadenz, also eine zunehmende Trittfrequenz des Fahrradfahrers, zu einer Erhöhung der Drehzahl der elektrischen Maschine, sodass das Fahrrad durch die Antriebsleistung des Fahrradfahrers und der elektrischen Maschine in Fahrtrichtung beschleunigt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die elektrische Maschine mit konstanter Drehzahl von der Steuervorrichtung betrieben, wenn die berechnete Drehrichtung der Tretkurbelwelle positiv ist und eine berechnete Beschleunigung der Tretkurbelwelle im Wesentlichen Null beträgt. Unter dem Wortlaut „im Wesentlichen Null“ ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass natürliche Schwingungen, die durch den hochauflösenden Positionssensor erfasst werden, zulässig sind und je nach Systemeinstellung keine Beachtung finden. Beispielsweise können für solche Schwingungen Toleranzen von bis zu 5% vorgesehen sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Drehzahl der elektrischen Maschine von der Steuervorrichtung zumindest dann verringert, wenn die berechnete Drehrichtung der Tretkurbelwelle negativ ist. Mit anderen Worten verringert die Steuervorrichtung die Drehzahl der elektrische Maschine, wenn der Fahrradfahrer rückwärts pedaliert. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung die Drehzahl der elektrischen Maschine auch dann verringern, wenn der Fahrradfahrer nicht pedaliert und somit im Wesentlichen keine Drehrichtung an der Tretkurbelwelle erfasst wird.
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Eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung ist dazu ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Mithin überwacht die Steuervorrichtung die Sensordaten des hochauflösenden Positionssensors und steuert die Drehzahl der elektrischen Maschine gemäß dem Fahrerwunsch basierend auf den zeitlichen Verlauf der Position der Tretkurbelwelle. Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten sinngemäß auch für die erfindungsgemäße Steuervorrichtung.
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Ein erfindungsgemäßes Fahrrad umfasst zumindest zwei Rädern und eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung. Die Antriebsvorrichtung ist mit dem als Antriebsrad ausgebildeten Rad des Fahrrads antriebswirksam verbunden. Das erfindungsgemäße Fahrrad umfasst die üblichen Komponenten eines mit Muskelkraft antreibbaren Fahrrades und zusätzlich die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung, welche eine elektrische Maschine, einen elektrischen Energiespeicher, einen hochauflösenden Positionssensor und eine Steuervorrichtung aufweist. Mit einem elektrischen Antriebsmotor unterstützte Fahrräder sind unter der Bezeichnung Elektrofahrrad, E-Bike oder Pedelec bekannt. Der elektrische Antrieb kann die Belastung des Fahrradfahrers bei der Fortbewegung verringern oder seine Reichweite steigern. Die obigen Definitionen sowie Ausführungen zu technischen Effekten, Vorteilen und vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung gelten sinngemäß ebenfalls für das erfindungsgemäße Fahrrad.
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Beispielsweise leitet der Fahrradfahrer über Pedalen an den Tretkurbeln eine Antriebsleistung, also eine Antriebsdrehzahl und ein Antriebsdrehmoment, auf die Tretkurbelwelle ein, wobei die Tretkurbelwelle mit einer ersten Welle eines Zugmitteltriebs verbunden ist. Die elektrische Maschine kann vom Fahrradfahrer zur Unterstützung aktiviert werden. Diese weist einen gehäusefesten Stator und einen mit der Rotorwelle drehfest verbundenen Rotor auf, wobei über die Rotorwelle eine weitere Antriebsleistung, also eine weitere Antriebsdrehzahl und ein weiteres Antriebsdrehmoment zumindest mittelbar auf die erste Welle des Zugmitteltriebs eingeleitet wird, um den Antrieb des Fahrradfahrers zu unterstützen. Beispielsweise kann im Leistungsfluss zwischen der Rotorwelle und der ersten Welle des Zugmitteltriebs ein schaltbares Getriebe oder eine feste Übersetzungsstufe angeordnet sein. Über das Zugmittel des Zugmitteltriebs wird die Antriebsleistung zwischen der ersten Welle und einer zweiten Welle übertragen. Insbesondere ist die zweite Welle zumindest mittelbar mit einem als Hinterrad ausgebildeten Antriebsrad des Fahrrads antriebswirksam verbunden.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit dem geleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt
- 1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Fahrrads mit einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung, und
- 2 eine stark vereinfachte schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Fahrrad 100 stark vereinfacht dargestellt. Das Fahrrad 100 weist einen Rahmen 104 auf, an dem ein Vorderrad 102, ein als Antriebsrad 101 ausgebildetes Hinterrad, ein Fahrradlenker 105 und ein Sattel 103 angeordnet sind. Ferner weist das Fahrrad 100 eine Antriebsvorrichtung 1 auf, die dazu eingerichtet ist, das Fahrrad 100 zumindest mit einer Muskelkraft eines - hier nicht dargestellten - Fahrradfahrers anzutreiben. Dazu sitzt der Fahrradfahrer beim Fahren beispielsweise auf dem Sattel 103 und bringt über jeweilige Pedalen 106, die an Tretkurbeln 3 angeordnet sind, eine Antriebsleistung in den Antriebsstrang des Fahrrads 100 ein.
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Die Antriebsvorrichtung 1 umfasst ferner eine als Mittelmotor ausgebildete elektrische Maschine 4, die dazu eingerichtet ist, ihrerseits auch eine Antriebsleistung in den Antriebsstrang des Fahrrads 100 einzuleiten, um den Fahrradfahrer zu unterstützen. Dazu ist die elektrische Maschine 4 mit einem elektrischen Energiespeicher 5, der am Rahmen 104 des Fahrrads 100 angeordnet ist, elektrisch verbunden. Die Antriebsleistung der elektrischen Maschine 4 und die Antriebsleistung des Fahrradfahrers werden überlagert und über einen Zugmitteltrieb 7 auf das Antriebsrad 101 des Fahrrads 100 übertragen.
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An dem Fahrradlenker 105 ist eine Bedieneinheit 8 mit Eingabemitteln angeordnet, die der Fahrradfahrer zur Eingabe von Steuerbefehlen verwenden kann. Beispielsweise sind die Eingabemittel als Betätigungstasten ausgebildet, wobei eine erste Betätigungstaste beispielsweise zum Einschalten der elektrischen Maschine 4 vorgesehen ist, wobei eine zweite Betätigungstaste beispielsweise zum Wechsel zwischen den Unterstützungsmodi der elektrischen Maschine 4 vorgesehen ist. Insbesondere können weitere Betätigungstasten für weitere Funktionen vorgesehen sein. An dem Fahrradlenker 105 ist ferner auch eine optische Anzeigevorrichtung 9 mit einer integrierten Steuervorrichtung 7 angeordnet, wobei die Anzeigevorrichtung 9 dazu eingerichtet ist, zumindest antriebsspezifische Anzeigedaten des Fahrrads 100 für den Fahrradfahrer zu visualisieren, wobei die Steuervorrichtung 7 dazu eingerichtet ist, zumindest die elektrische Maschine 4 zu steuern.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung 1 isoliert sowie stark vereinfacht dargestellt. Über die Pedalen 106 generiert der Fahrradfahrer eine Antriebsleistung, die über eine Tretkurbelwelle 2, die drehfest mit den Tretkurbeln 3 verbunden ist, im Unterstützungsbetrieb der elektrischen Maschine 4 durch Einspeisung von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energiespeicher 5 in die elektrische Maschine 4 verstärkt wird. Die von dem Fahrradfahrer über die Pedalen 106 in den Antriebsstrang eingeleitete Antriebsleistung und die Antriebsleistung der elektrischen Maschine 4, werden zusammen über den Zugmitteltrieb an das Antriebsrad geleitet und zum Antrieb des Fahrrads verwendet.
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Die Zugkraft der elektrischen Maschine 4 soll immer nur dem vom Fahrradfahrer über die Pedalen 106 auf die Tretkurbelwelle 2 indizierten Wunsch, also dem Fahrerwunsch entsprechen. Ein fahrradtypisches Fahrgefühl ohne Selbstbeschleunigung soll bei aktiver Unterstützung durch die elektrische Maschine 4 geschaffen werden. Das Gefühl der Unterstützung soll somit gemäß dem Fahrerwunsch an den Pedalen 106 erzeugt werden. Erfindungsgemäß basiert die Ermittlung des Fahrerwunschs auf den Verlauf der Position der Tretkurbelwelle 2, die über die Tretkurbeln 3 mit den Pedalen 106 verbunden ist.
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Die Antriebsvorrichtung 1 umfasst einen hochauflösenden Positionssensor 6, der eine Position der Tretkurbelwelle 2 erfasst und entsprechende Sensordaten generiert. Die Steuervorrichtung 7 ist zumindest mit dem hochauflösenden Positionssensor 6 und der elektrischen Maschine 4 signalübertragend verbunden und dazu ausgebildet, die Sensordaten des hochauflösenden Positionssensors 6 zu verarbeiten, um einen Fahrerwunsch basierend auf einen zeitlichen Verlauf der Position der Tretkurbelwelle 2 zu ermitteln und darüber eine Drehzahl der elektrischen Maschine 4 zu steuern. Der hochauflösende Positionssensor 6 kann die absolute Position der Tretkurbelwelle 2 im Zehntelbereich sensieren und ermöglicht dadurch eine dynamische und präzise Drehzahlführung oder Drehzahlbegrenzung der elektrischen Maschine 4 mittels der Steuervorrichtung 7. Der hochauflösende Positionssensor 6 ist in einem Gehäuse mit der Tretkurbelwelle 2 angeordnet und sensiert die Position der Tretkurbelwelle 2 beispielsweise mittels Magnetgeber unmittelbar an der Tretkurbelwelle 2. Die Steuervorrichtung 7 berechnet aus den übermittelten Sensordaten, die den zeitlichen Verlauf der Position der Tretkurbelwelle 2 angeben, beispielsweise eine Drehrichtung der Tretkurbelwelle 2, eine Drehzahl der Tretkurbelwelle 2 und eine Beschleunigung der Tretkurbelwelle 2.
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Beispielsweise wird die Drehzahl der elektrischen Maschine 4 von der Steuervorrichtung 7 auf Null gesetzt, wenn die aus den Sensordaten des hochauflösenden Positionssensors 6 berechnete Drehzahl der Tretkurbelwelle 2 Null beträgt. Beispielsweise wird die Drehzahl der elektrischen Maschine 4 von der Steuervorrichtung 7 erhöht, wenn die aus den Sensordaten des hochauflösenden Positionssensors 6 berechnete Drehrichtung und Beschleunigung der Tretkurbelwelle 2 positiv sind. Beispielsweise wird die elektrische Maschine 4 mit konstanter Drehzahl von der Steuervorrichtung 7 betrieben, wenn die aus den Sensordaten des hochauflösenden Positionssensors 6 berechnete Drehrichtung der Tretkurbelwelle 2 positiv ist und eine berechnete Beschleunigung der Tretkurbelwelle 2 im Wesentlichen Null beträgt. Beispielsweise wird die Drehzahl der elektrischen Maschine 4 von der Steuervorrichtung 7 zumindest dann verringert wird, wenn die aus den Sensordaten des hochauflösenden Positionssensors 6 berechnete Drehrichtung der Tretkurbelwelle 2 negativ ist. Die elektrische Maschine 4 wird von der Steuervorrichtung 7 stets mit einer Drehzahl betrieben, die das Fahrrad nicht über eine Maximalgeschwindigkeit hinaus unterstützt. Dazu sind Mittel zum Erfassen einer Geschwindigkeit des Fahrrads vorgesehen.
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Bezugszeichen
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- 1
- Antriebsvorrichtung
- 2
- Tretkurbelwelle
- 3
- Tretkurbel
- 4
- elektrische Maschine
- 5
- Energiespeicher
- 6
- hochauflösender Positionssensor
- 7
- Steuervorrichtung
- 8
- Bedieneinheit
- 9
- Anzeigevorrichtung
- 100
- Fahrrad
- 101
- Antriebsrad
- 102
- Vorderrad
- 103
- Sattel
- 104
- Rahmen
- 105
- Fahrradlenker
- 106
- Pedale
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3782895 A1 [0002]
- DE 102009000919 A1 [0003]
