DE102022209483B3

DE102022209483B3 - Method for controlling the drive device, control device and bicycle

Info

Publication number: DE102022209483B3
Application number: DE102022209483.2A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schraff; Thomas Hodrius; Günter Riess
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-09-12
Filing date: 2022-09-12
Publication date: 2023-12-28
Anticipated expiration: 2042-09-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung (1) für einen Antriebsstrang eines Fahrrads (100), umfassend• eine Tretkurbelwelle (2) mit Tretkurbeln (3) zur Einspeisung einer Antriebsleistung eines Fahrradfahrers in den Antriebsstrang,• eine als Antriebsmotor ausgebildete elektrische Maschine (4), die zur Unterstützung der Antriebsleistung des Fahrradfahrers antriebswirksam in dem Antriebsstrang angeordnet und mit einem elektrischen Energiespeicher (5) elektrisch verbunden ist,• einen hochauflösenden Positionssensor (6) zum Erfassen einer Position der Tretkurbelwelle (2) und Generieren entsprechender Sensordaten,• einen hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensor (10) zum Erfassen eines Fahrzustands und Generieren entsprechender Sensordaten,• eine Steuervorrichtung (7), die dazu ausgebildet ist, zumindest die Sensordaten des hochauflösenden Positionssensors (6) und die Sensordaten des hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensors (10) zu verarbeiten, um einen Fahrerwunsch basierend auf einen zeitlichen Verlauf der Position der Tretkurbelwelle (2) und der Drehzahl eines Antriebsrads (101) des Fahrrads (100) zu ermitteln und darüber ein Drehmoment der elektrischen Maschine (4) zu steuern.Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung dieser Antriebsvorrichtung (1).The invention relates to a drive device (1) for a drive train of a bicycle (100), comprising • a pedal crankshaft (2) with pedal cranks (3) for feeding a cyclist's drive power into the drive train, • an electric machine (4) designed as a drive motor, which is arranged in the drive train to support the driving power of the cyclist and is electrically connected to an electrical energy storage (5), • a high-resolution position sensor (6) for detecting a position of the pedal crankshaft (2) and generating corresponding sensor data, • a high-resolution drive wheel speed sensor ( 10) for detecting a driving state and generating corresponding sensor data, • a control device (7) which is designed to process at least the sensor data of the high-resolution position sensor (6) and the sensor data of the high-resolution drive wheel speed sensor (10) in order to determine a driver's request based on a to determine the time course of the position of the pedal crankshaft (2) and the speed of a drive wheel (101) of the bicycle (100) and to use this to control a torque of the electric machine (4). The invention further relates to a method for controlling this drive device (1). .

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Antriebsvorrichtung für ein Fahrrad, eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Fahrrad mit einer Antriebsvorrichtung, die von einem solchen Verfahren steuerbar ist.The invention relates to a method for controlling a drive device for a bicycle, a control device for carrying out the method and a bicycle with a drive device that can be controlled by such a method.

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.For example, the reveals EP 3 782 895 A1 an electric bicycle with an electric drive, which has an output element. The output element is operatively connected on the drive side at least to an electric motor and on the output side it is operatively connected to a rear wheel or a front wheel. The level of an assist motor torque of the electric motor depends on a driver torque acting on a pedal crankshaft, with a calculation unit being set up to estimate the driver torque acting on the pedal crankshaft. When estimating the driver torque, a pitching tendency of the electric bicycle is taken into account. For this purpose, a bicycle pitch yaw rate sensor and a bicycle vertical acceleration sensor are provided, with the signals from the bicycle pitch yaw rate sensor and the bicycle vertical acceleration sensor being included in the determination of the pitching inclination of the electric bicycle. This is intended to determine the driver torque reliably and with a high degree of accuracy and to ensure proper operation of the electric drive.

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.Furthermore, the reveals DE 10 2009 000 919 A1 a method for operating a motor-assisted bicycle, in which a quantity that characterizes the torque generated by the driver through a pedaling movement is determined and a desired drive support is determined by a drive unit from the determined torque. The quantity characterizing the torque is determined from a non-uniformity in the speed of a pedal crank or one of the wheels, in particular by deriving the speed signal over time.

Ferner offenbart JP H09 - 226 667 A eine Steuervorrichtung umfassend einen Pedalseiten-Rotationssensor, der eine Drehzahl einer Pedalseiten-Übertragungswelle erfasst, einen Motorseiten-Rotationssensor, der eine Drehzahl einer Motorseiten-Übertragungswelle erfasst, und Steuermittel, die eine Drehzahl eines Motors derart steuern, dass diese mit der Drehzahl der Pedalseiten-Übertragungswelle synchronisiert wird. Ferner ist auch ein Kurbeldrehpositionssensor, der eine Drehposition einer Kurbel erfasst, vorgesehen. Mittels der Steuervorrichtung kann das Gefühl einer Störung beim Treten des Pedals beseitigt werden.Further revealed JP H09 - 226 667 A a control device comprising a pedal side rotation sensor that detects a speed of a pedal side transmission shaft, a motor side rotation sensor that detects a speed of a motor side transmission shaft, and control means that controls a speed of a motor to correspond to the speed of the pedal side Transmission wave is synchronized. Furthermore, a crank rotation position sensor, which detects a rotation position of a crank, is also provided. By means of the control device, the feeling of disturbance when pedaling can be eliminated.

Ferner offenbart JP 2014 - 163 873 A einen magnetischen Encoder umfassend eine Magnettrommel mit mehreren Polzahnpaaren mit N-Pol-Zähnen, die zu N-Polen magnetisiert sind, und S-Pol-Zähnen, die zu S-Polen magnetisiert sind. Die N-Pole und S-Pole sind abwechselnd entlang der Umfangsrichtung der Drehachse angeordnet. Ferner ist ein Magnetsensor zum Erfassen der magnetischen Variation in der Umfangsrichtung zwischen den N-Pol-Zähnen und S-Pol-Zähnen vorgesehen, die durch die Drehung der Magnettrommel verursacht wird. Dadurch soll ein einfach konfigurierter magnetischer Encoder, der eine Drehposition mit hoher Auflösung genau erfassen kann, bereitgestellt werden.Further revealed JP 2014 - 163 873 A a magnetic encoder comprising a magnetic drum having multiple pole tooth pairs with N-pole teeth magnetized to N-poles and S-pole teeth magnetized to S-poles. The N poles and S poles are arranged alternately along the circumferential direction of the rotation axis. Further, a magnetic sensor is provided for detecting the magnetic variation in the circumferential direction between the N-pole teeth and S-pole teeth caused by the rotation of the magnetic drum. This is intended to provide a simply configured magnetic encoder that can accurately detect a rotational position with high resolution.

Ferner offenbart US 2015 / 0 142 241 A1 ein Elektrofahrrad und ein Steuerverfahren dafür. Das Elektrofahrrad umfasst einen Nabenmotor, einschließlich eines Motorgehäuses, das so konfiguriert ist, dass es sich mit einem Rad dreht, ein Kettenrad, das mit einer Kette verbunden ist, um sich zu drehen, indem es die Tretkraft des Fahrers über die Kette aufnimmt, einen ersten Geschwindigkeitsdetektor, um eine Geschwindigkeit des Nabenmotors zu erfassen, einen zweiten Geschwindigkeitsdetektor zum Erkennen einer Geschwindigkeit des Kettenrads, eine Motorantriebseinheit zum Antreiben des Nabenmotors und eine elektronische Steuereinheit zum Vergleichen der Geschwindigkeit des Nabenmotors mit der Geschwindigkeit des Kettenrads und zum Steuern der Motorantriebseinheit.Further revealed US 2015 / 0 142 241 A1 an electric bicycle and a control method for it. The electric bicycle includes a hub motor, including a motor housing configured to rotate with a wheel, a sprocket connected to a chain to rotate by receiving the rider's pedaling force via the chain, a a first speed detector for detecting a speed of the hub motor, a second speed detector for detecting a speed of the sprocket, a motor drive unit for driving the hub motor, and an electronic control unit for comparing the speed of the hub motor with the speed of the sprocket and controlling the motor drive unit.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Steuerung einer Antriebsvorrichtung, eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Fahrrad mit einer solchen Antriebsvorrichtung, die von einem solchen Verfahren steuerbar ist, zu schaffen. Insbesondere sollen Sensoren und somit auch Bauraum und Kosten eingespart werden sowie das Fahrerlebnis und der Fahrkomfort für den Fahrradfahrer verbessert werden.The object of the present invention is to create a method for controlling a drive device, a control device for carrying out the method and a bicycle with such a drive device which can be controlled by such a method. In particular, sensors and thus installation space and costs should be saved and the driving experience and driving comfort for the cyclist should be improved.

Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 4 und 5. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der davon abhängigen Ansprüche, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Figuren.These tasks are solved by the features of patent claims 1, 4 and 5. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims, the following description and the figures.

Eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für einen Antriebsstrang eines Fahrrads ist von einem erfindungsgemäßen Verfahren steuerbar und 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, einen hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensor zum Erfassen eines Fahrzustands und Generieren entsprechender Sensordaten, eine Steuervorrichtung, die dazu ausgebildet ist, zumindest die Sensordaten des hochauflösenden Positionssensors und die Sensordaten des hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensors zu verarbeiten, um einen Fahrerwunsch basierend auf einem zeitlichen Verlauf der Position der Tretkurbelwelle und der Drehzahl eines Antriebsrads des Fahrrads zu ermitteln und darüber ein Drehmoment der elektrischen Maschine zu steuern.A drive device according to the invention for a drive train of a bicycle can be controlled by a method according to the invention and comprises a pedal crankshaft with pedal cranks for feeding a drive power from a cyclist into the drive train, an electric machine designed as a drive motor, which is arranged in the drive train to support the drive power of the cyclist and with an electrical energy storage device is connected, a high-resolution position sensor for detecting a position of the pedal crankshaft and generating corresponding sensor data, a high-resolution drive wheel speed sensor for detecting a driving state and generating corresponding sensor data, a control device which is designed to at least the sensor data of the high-resolution position sensor and the sensor data of the high-resolution drive wheel speed sensor to process in order to determine a driver's request based on a temporal progression of the position of the pedal crankshaft and the speed of a drive wheel of the bicycle and to use this to control a torque of the electric machine.

Unter dem Wortlaut „Erfassen einer Position der Tretkurbelwelle“ 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.In this context, the wording “detecting a position of the pedal crankshaft” means both direct sensing on the pedal crankshaft and indirect sensing of the position of the pedal crankshaft via components connected to it in a rotationally fixed or drive-effective manner. A “drive-effective connection” of components is to be understood as meaning that these components are either directly connected to one another, for example in a rotationally fixed manner, or can be connected to one another indirectly via at least one further component, for example via at least one further shaft and/or at least one further gear.

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.A “high-resolution position sensor” is a sensor that senses a position of the pedal crankshaft with high resolution, i.e. at least in the tenth range. The high-resolution position sensor thereby enables precise and particularly dynamic control of the electric machine depending on the driver's request, which is determined via the time course of the position of the pedal crankshaft, in particular because the control device can react faster and more precisely to the sensor data received.

Unter einem „hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensor“ ist ein Sensor zu verstehen, der eine Drehzahl des Antriebsrads hochauflösend, also zumindest im Gradbereich sensiert. Mit dem hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensor lässt sich der Fahrzustand des Fahrrads präzise bestimmen. Der Fahrzustand gibt an, ob und in welchen Maße das Antriebsrad des Fahrrads eine Drehzahländerung, also eine Beschleunigung oder Verzögerung erfährt. Aus den Sensordaten des hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensors kann die Steuervorrichtung Informationen zur Plausibilisierung der Informationen aus den Sensordaten des hochauflösenden Positionssensors ermittelten. Dadurch kann insbesondere beim Anfahren aus dem Stillstand der Fahrerwunsch detaillierter interpretiert werden und das Drehmoment der elektrischen Maschine präziser gesteuert werden. Ferner kann das Drehmoment der elektrischen Maschine auch bei eine Fahrt im Bereich einer Geschwindigkeitsbegrenzung präziser gesteuert werden, wodurch für den Fahrradfahrer der Fahrkomfort erhöht wird.A “high-resolution drive wheel speed sensor” is a sensor that senses a speed of the drive wheel with high resolution, i.e. at least in the degree range. The high-resolution drive wheel speed sensor can be used to precisely determine the riding condition of the bicycle. The driving condition indicates whether and to what extent the bicycle's drive wheel experiences a change in speed, i.e. acceleration or deceleration. From the sensor data of the high-resolution drive wheel speed sensor, the control device can determine information to check the plausibility of the information from the sensor data of the high-resolution position sensor. This means that the driver's wishes can be interpreted in more detail, particularly when starting from a standstill, and the torque of the electric machine can be controlled more precisely. Furthermore, the torque of the electric machine can be controlled more precisely even when driving within a speed limit, thereby increasing driving comfort for the cyclist.

Unter dem Begriff „Sensordaten“ sind in diesem Zusammenhang Informationen zur Position der Tretkurbelwelle und zur Drehzahl des Antriebsrads zu verstehen, die mittels der Steuervorrichtung verarbeitet werden können.In this context, the term “sensor data” means information about the position of the pedal crankshaft and the speed of the drive wheel, which can be processed by the control device.

Durch den hochauflösenden Positionssensor 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 bauraumintensive Drehmomentsensoren einsparen. The high-resolution position sensor can also detect small changes in the position of the pedal crankshaft, at least in the tenth range, and transmit them to the control device, so that the control device can control the speed of the electric machine or limit the speed of the electric machine more dynamically and more precisely. As a result, the cyclist feels the drive support from the electric machine to be less sluggish, which improves the riding experience and comfort for the cyclist. Furthermore, additional sensors, particularly cost-intensive and space-intensive torque sensors, can be saved.

Unter einer „Drehmomentführung“ ist die Vorgabe eines Zieldrehmoments für die elektrische Maschine durch die Steuervorrichtung zu verstehen, wobei das Zieldrehmoment beim Einstellen an der elektrischen Maschine als „Drehmomentbegrenzung“ für die elektrische Maschine zu verstehen ist und somit nicht überschritten werden darf.“Torque control” is understood to mean the specification of a target torque for the electrical machine by the control device, whereby the target torque when setting on the electrical machine is to be understood as a “torque limitation” for the electrical machine and therefore must not be exceeded.

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 ein maximal zulässiges Drehmoment oder ein Zieldrehmoment der elektrischen Maschine von der Steuervorrichtung dynamisch vorausberechnet und als Drehmomentbegrenzung zur Steuerung der elektrischen Maschine eingestellt.The driver's request determines the desired level of support from the electric machine, which is based on the sensor data from the high-resolution position sensor. In particular, only one position of the pedal crankshaft is measured and a direction of rotation, speed and acceleration of the pedal crankshaft is calculated from this. Based on the time course of the position of the pedal crankshaft, i.e. the change in position that is based on the pedaling behavior of the cyclist, a maximum permissible torque or a target torque of the electric machine is dynamically calculated in advance by the control device and set as a torque limit for controlling the electric machine.

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.In particular, the high-resolution position sensor is designed such that a position of the pedal crankshaft is recorded at any time with at least one decimal point precision. The high-resolution position sensor can therefore detect the absolute position of the pedal crankshaft at any time, even when it is at a standstill, without the pedal crankshaft having previously rotated. This allows the dynamics of the control of the electrical machine to be further increased.

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.According to a preferred embodiment, the high-resolution position sensor is arranged in a housing with the pedal crankshaft. For example, the high-resolution position sensor includes at least one magnetic encoder. Alternatively or additionally, the high-resolution position sensor includes at least optical sensor elements. In particular, the high-resolution position sensor is set up to detect the position of the pedal crankshaft perpendicular or axially parallel to the axis of rotation of the pedal crankshaft. This in particular achieves an optimization of installation space due to easier integration of the high-resolution position sensor in the drive device. Furthermore, torque sensors on the pedal crankshaft or on components connected to it for driving purposes can be omitted or at least the requirement for signal quality of these torque sensors can be reduced, which in particular saves costs, installation space and assembly effort. Furthermore, the robustness of the drive device is thereby increased.

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. Bevorzugt ist die Bedieneinheit am Fahrradlenker angeordnet und umfasst zumindest eine, vorzugsweise mehrere Betätigungstasten, die der Fahrradfahrer zur Eingabe verwenden kann.According to a preferred embodiment, the drive device further comprises an operating unit which is connected to the control device in a signal-transmitting manner and is set up at least for inputting control commands by the cyclist. For example, the cyclist can use the control unit to request support from the electric machine, in particular choose between several support modes. The operating unit is preferably arranged on the bicycle handlebar and includes at least one, preferably several, actuation buttons that the cyclist can use for input.

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.According to a preferred embodiment, the drive device further comprises an optical display device, wherein the control device is preferably integrated into the optical display device. Preferably, the display device is arranged on the bicycle handlebar and is set up to display at least drive-specific display data, in particular a current support mode of the electric machine. Furthermore, the display device can visualize a gear level and a speed of the bicycle for the cyclist. The display device preferably comprises a screen with an input interface for the cyclist to switch between displays or make changes to operating parameters of the drive device. In particular, gear shifting can occur automatically or via the input interface on the display device. Alternatively, the input interface can be arranged outside the display device and connected to the display device in a signal-transmitting manner.

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.For example, the electric machine is designed as a mid-engine or wheel hub motor. The advantage of the mid-engine compared to a wheel hub motor is, in particular, the position on the bicycle, between the two wheels, i.e. the central center of gravity, which makes the mid-engine easier to handle and has higher efficiency and performance for the same weight. A rotor shaft of the electric machine can be arranged coaxially or parallel to the pedal crankshaft.

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.According to a preferred embodiment, the drive device has an inverter which is arranged in the energy flow between the electrical machine and the electrical energy storage. The inverter is at least set up to feed electrical energy from the electrical energy storage into the electrical machine in order to operate it as a drive motor. Furthermore, in an optional generator operation of the electrical machine, electrical energy generated via the inverter can be fed into the electrical energy storage. In particular, the electrical energy storage is designed as an accumulator, with the energy flow between the electrical machine and the electrical energy storage, i.e. charging and discharging of the electrical energy storage, being controlled by the control device via the inverter. For this purpose, control signals are transmitted from the control device via signal-carrying lines at least to the electrical machine and to the inverter.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird über den Antriebsraddrehzahlsensor die Geschwindigkeit des Fahrrads erfasst. Durch die Erfassung der Geschwindigkeit des Fahrrads wird sichergestellt, dass die elektrische Maschine stets mit einem Drehmoment betrieben wird, das 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.According to a preferred embodiment, the speed of the bicycle is detected via the drive wheel speed sensor. Detecting the speed of the bicycle ensures that the electric machine is always operated with a torque that does not support the bicycle beyond a maximum speed. In particular, the control device can control more torque on the electric machine to maintain the maximum speed, for example when driving uphill.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung überwacht die Steuervorrichtung die Sensordaten des hochauflösenden Positionssensors sowie die Sensordaten des hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensors und steuert das Drehmoment 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.According to the method according to the invention for controlling the drive device according to the invention, the control device monitors the sensor data of the high-resolution position sensor as well as the sensor data of the high-resolution drive wheel speed sensor and controls the torque of the electric machine according to the driver's request based on the time course of the position of the pedal crankshaft. The above definitions and statements on technical effects, advantages and advantageous embodiments of the drive device according to the invention also apply mutatis mutandis to the method according to the invention.

Beispielsweise wird mittels des Fahrerwunschs zunächst ein Zieldrehmoment für die elektrische Maschine berechnet, wobei dieses Zieldrehmoment mit einem Istdrehmoment der elektrischen Maschine abgeglichen wird, und wobei bei einer Abweichung des Zieldrehmoments von dem Istdrehmoment ein dynamisches Nachführen des Istdrehmoments erfolgt. Insbesondere kann das Zieldrehmoment als Schwellwert gesetzt werden, der von dem Istdrehmoment nicht überschritten werden darf.For example, a target torque for the electric machine is first calculated using the driver's request, this target torque being compared with an actual torque of the electric machine, and if the target torque deviates from the actual torque, the actual torque is dynamically adjusted. In particular, the target torque can be set as a threshold value that must not be exceeded by the actual torque.

Erfindungsgemäß 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 des Drehmoments, das an der elektrischen Maschine eingestellt wird anhand weiterer Sensorinformationen, beispielsweise anhand der Antriebsraddrehzahl, 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.According to the invention, a direction of rotation of the pedal crankshaft, a speed of the pedal crankshaft and an acceleration of the pedal crankshaft are calculated by the control device from the time course of the position of the pedal crankshaft. For example, signal processing of these three auxiliary variables and a signal plausibility check of the torque that is set on the electric machine can be carried out based on further sensor information, for example based on the drive wheel speed. The direction of rotation of the pedal crankshaft can be positive, i.e. directed forward in the direction of travel, negative, i.e. directed backwards in the opposite direction to the direction of travel, or have no value, i.e. be zero (standstill). The speed of the pedal crankshaft can be positive, i.e. contribute to the forward travel of the bicycle, negative, i.e. make no contribution to the forward travel, or have no value, i.e. be zero and therefore also make no contribution to the forward travel. The acceleration of the pedal crankshaft can be positive, i.e. increase the speed of the pedal crankshaft in the direction of travel, be negative, for example reduce the speed of the pedal crankshaft in the direction of travel, or have no value, i.e. be zero and therefore have no influence on the speed of the pedal crankshaft.

Erfindungsgemäß wird das Drehmoment 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/oder der Fahrradfahrer nicht pedaliert. Ferner kann das Drehmoment der elektrischen Maschine von der Steuervorrichtung auf Null gesetzt werden, wenn kein Unterstützungsmodus aktiv ist. Mittels der Sensordaten des hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensors wird über die Drehzahl des Antriebsrads die Geschwindigkeit des Fahrrads ermittelt, wobei die Steuervorrichtung das Drehmoment an der elektrischen Maschine auf Null führt, wenn eine Maximalgeschwindigkeit des Fahrrads erreicht wird.According to the invention, the torque of the electric machine is set to zero by the control device when the calculated speed of the pedal crankshaft is zero. The electrical machine is then not energized. This can occur, for example, when the bicycle is at a standstill and/or the cyclist is not pedaling. Furthermore, the torque of the electric machine can be set to zero by the control device if no support mode is active. Using the sensor data from the high-resolution drive wheel speed sensor, the speed of the bicycle is determined via the speed of the drive wheel, with the control device reducing the torque on the electric machine to zero when a maximum speed of the bicycle is reached.

Erfindungsgemäß wird das Drehmoment 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 des Drehmoments der elektrischen Maschine, sodass das Fahrrad durch die Antriebsleistung des Fahrradfahrers und der elektrischen Maschine in Fahrtrichtung beschleunigt wird. Mittels der Sensordaten des hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensors wird kontinuierlich das Erreichen einer Maximalgeschwindigkeit des Fahrrads überwacht.According to the invention, the torque of the electric machine is increased by the control device if the calculated direction of rotation and acceleration of the pedal crankshaft are positive. In other words, an increasing cadence, i.e. an increasing cadence of the cyclist, leads to an increase in the torque of the electric machine, so that the bicycle is accelerated in the direction of travel by the drive power of the cyclist and the electric machine. The sensor data from the high-resolution drive wheel speed sensor is used to continuously monitor whether the bicycle reaches a maximum speed.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die elektrische Maschine mit konstantem Drehmoment 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. Mittels der Sensordaten des hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensors wird kontinuierlich das Erreichen einer Maximalgeschwindigkeit des Fahrrads überwacht.According to a preferred embodiment, the electric machine is operated with constant torque by the control device when the calculated direction of rotation of the pedal crankshaft is positive and a calculated acceleration of the pedal crankshaft is essentially zero. The wording “essentially zero” in this context means that natural vibrations detected by the high-resolution position sensor are permissible and, depending on the system setting, are not taken into account. For example, tolerances of up to 5% can be provided for such vibrations. The sensor data from the high-resolution drive wheel speed sensor is used to continuously monitor whether the bicycle reaches a maximum speed.

Erfindungsgemäß wird das Drehmoment der elektrischen Maschine von der Steuervorrichtung zumindest dann verringert, wenn die berechnete Beschleunigung der Tretkurbelwelle abnimmt, also dann, wenn der Fahrradfahrer seine Trittfrequenz absenkt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Drehmoment der elektrischen Maschine von der Steuervorrichtung zumindest dann verringert, wenn die berechnete Drehrichtung der Tretkurbelwelle negativ ist. Mit anderen Worten verringert die Steuervorrichtung das Drehmoment der elektrischen Maschine, wenn der Fahrradfahrer rückwärts pedaliert. Bevorzugt wird die Bestromung der elektrischen Maschine von der Steuervorrichtung abgeschaltet, wenn die berechnete Beschleunigung der Tretkurbelwelle negativ ist, sodass die elektrische Maschine kein Drehmoment generiert. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung das Drehmoment der elektrischen Maschine auch dann zumindest verringern oder abschalten, wenn der Fahrradfahrer nicht pedaliert und somit im Wesentlichen keine Drehrichtung an der Tretkurbelwelle erfasst wird. Mittels der Sensordaten des hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensors wird kontinuierlich das Erreichen einer Maximalgeschwindigkeit des Fahrrads überwacht.According to the invention, the torque of the electric machine is reduced by the control device at least when the calculated acceleration of the pedal crankshaft decreases, i.e. when the cyclist lowers his cadence. According to a preferred embodiment, the torque of the electric machine is reduced by the control device at least when the calculated direction of rotation of the pedal crankshaft is negative. In other words, the control device reduces the torque of the electric machine when the cyclist pedals backwards. The power supply to the electric machine is preferably switched off by the control device when the calculated acceleration of the pedal crankshaft is negative, so that the electric machine does not generate any torque. For example, the control device can at least reduce or switch off the torque of the electric machine even if the cyclist is not pedaling and therefore essentially no direction of rotation on the pedal crankshaft is detected. The sensor data from the high-resolution drive wheel speed sensor is used to continuously monitor whether the bicycle reaches a maximum speed.

Eine erfindungsgemäße Steuervorrichtung ist dazu ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Mithin überwacht die Steuervorrichtung die Sensordaten des hochauflösenden Positionssensors sowie die Sensordaten des hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensors und steuert das Drehmoment 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.A control device according to the invention is designed to carry out the method according to the invention. The tax provision therefore monitors Direction the sensor data of the high-resolution position sensor as well as the sensor data of the high-resolution drive wheel speed sensor and controls the torque of the electric machine according to the driver's request based on the temporal progression of the position of the pedal crankshaft. The above definitions and statements on technical effects, advantages and advantageous embodiments of the method according to the invention also apply mutatis mutandis to the control device according to the invention.

Ein erfindungsgemäßes Fahrrad umfasst zumindest zwei Räder und eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung, die nach einem erfindungsgemäßen Verfahren steuerbar ist. 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, einen hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensor 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.A bicycle according to the invention comprises at least two wheels and a drive device according to the invention, which can be controlled using a method according to the invention. The drive device is connected in a driving manner to the wheel of the bicycle, which is designed as a drive wheel. The bicycle according to the invention comprises the usual components of a bicycle that can be driven with muscle power and additionally the drive device according to the invention, which has an electric machine, an electric energy storage device, a high-resolution position sensor, a high-resolution drive wheel speed sensor and a control device. Bicycles supported by an electric drive motor are known as electric bicycles, e-bikes or pedelecs. The electric drive can reduce the burden on the cyclist when moving or increase his range. The above definitions and statements on technical effects, advantages and advantageous embodiments of the drive device according to the invention also apply mutatis mutandis to the bicycle according to the invention.

Beispielsweise leitet der Fahrradfahrer über Pedale 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.For example, the cyclist applies a drive power, i.e. a drive speed and a drive torque, to the pedal crankshaft via pedals on the pedal cranks, the pedal crankshaft being connected to a first shaft of a traction drive. The electric machine can be activated by the cyclist to provide support. This has a stator fixed to the housing and a rotor connected in a rotationally fixed manner to the rotor shaft, with a further drive power, i.e. a further drive speed and a further drive torque, being introduced at least indirectly to the first shaft of the traction drive via the rotor shaft in order to support the drive of the cyclist. For example, a switchable gear or a fixed gear ratio can be arranged in the power flow between the rotor shaft and the first shaft of the traction drive. The drive power is transmitted between the first shaft and a second shaft via the traction mechanism of the traction mechanism drive. In particular, the second shaft is at least indirectly connected in a driving manner to a drive wheel of the bicycle designed as a rear wheel.

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.

An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the schematic drawings, with the same elements being provided with the same reference numerals. This shows

1 a greatly simplified schematic representation of a bicycle with a drive device according to the invention, and
2 a greatly simplified schematic representation of the drive device according to the invention.

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 Pedale 106, die an Tretkurbeln 3 angeordnet sind, eine Antriebsleistung in den Antriebsstrang des Fahrrads 100 ein.In 1 a bicycle 100 according to the invention is shown in a very simplified manner. The bicycle 100 has a frame 104 on which a front wheel 102, a rear wheel designed as a drive wheel 101, a bicycle handlebar 105 and a saddle 103 are arranged. Furthermore, the bicycle 100 has a drive device 1, which is set up to drive the bicycle 100 at least with the muscle power of a cyclist - not shown here. For this purpose, the cyclist sits, for example, on the saddle 103 while riding and brings drive power into the drive train of the bicycle 100 via respective pedals 106, which are arranged on pedal cranks 3.

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 11 auf das Antriebsrad 101 des Fahrrads 100 übertragen.The drive device 1 further comprises an electric machine 4 designed as a mid-engine, which in turn is set up to also introduce drive power into the drive train of the bicycle 100 in order to support the cyclist. For this purpose, the electrical machine 4 is electrically connected to an electrical energy storage device 5, which is arranged on the frame 104 of the bicycle 100. The drive power of the electric machine 4 and the drive power of the cyclist are superimposed and transmitted to the drive wheel 101 of the bicycle 100 via a traction drive 11.

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.An operating unit 8 with input means is arranged on the bicycle handlebar 105 and can be used by the cyclist to enter control commands. For example, the input means are designed as actuation buttons, with a first actuation button being provided, for example, for switching on the electric machine 4, with a second actuation button being provided, for example, for changing between the support modes of the electric machine 4. In particular, additional operating buttons can be provided for additional functions. An optical display device 9 with an integrated control device 7 is also arranged on the bicycle handlebar 105, the display device 9 being set up to visualize at least drive-specific display data of the bicycle 100 for the cyclist, the control device 7 being set up to at least the electric machine 4 to control.

2 zeigt die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung 1 isoliert sowie stark vereinfacht dargestellt. Über die Pedale 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 Pedale 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. 2 shows the drive device 1 according to the invention in isolation and in a very simplified manner. The cyclist uses the pedals 106 to generate drive power, which is amplified via a pedal crankshaft 2, which is non-rotatably connected to the pedal cranks 3, in the supporting operation of the electrical machine 4 by feeding electrical energy from the electrical energy storage 5 into the electrical machine 4. The drive power introduced into the drive train by the cyclist via the pedals 106 and the drive power of the electric machine 4 are transmitted together via the traction drive to the drive wheel and used to drive the bicycle.

Die Zugkraft der elektrischen Maschine 4 soll immer nur dem vom Fahrradfahrer über die Pedale 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.The tractive force of the electric machine 4 should only correspond to the wish indicated by the cyclist via the pedals 106 to the pedal crankshaft 2, i.e. the driver's wish. A driving experience typical of a bicycle without self-acceleration should be created with active support from the electric machine 4. The feeling of support should therefore be generated at the pedals 106 according to the driver's wishes. According to the invention, the determination of the driver's request is based on the course of the position of the pedal crankshaft 2, which is connected to the pedals 106 via the pedal cranks 3.

Die Antriebsvorrichtung 1 umfasst einen hochauflösenden Positionssensor 6, der eine Position der Tretkurbelwelle 2 erfasst und entsprechende Sensordaten generiert. Ferner umfasst die Antriebsvorrichtung 1 einen hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensor 10, der einen Fahrzustand des Fahrrads 100 erfasst und entsprechende Sensordaten generiert. Der hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensor 10 ist gemäß 1 am Antriebsrad 101 des Fahrrads 100 angeordnet. Beispielsweise ist der hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensor 10 als Hall-Geber auf einer Sensorscheibe mit 60 Pulsen pro Umdrehung ausgebildet.The drive device 1 includes a high-resolution position sensor 6, which detects a position of the pedal crankshaft 2 and generates corresponding sensor data. Furthermore, the drive device 1 includes a high-resolution drive wheel speed sensor 10, which detects a driving state of the bicycle 100 and generates corresponding sensor data. The high-resolution drive wheel speed sensor 10 is according to 1 arranged on the drive wheel 101 of the bicycle 100. For example, the high-resolution drive wheel speed sensor 10 is designed as a Hall sensor on a sensor disk with 60 pulses per revolution.

Die Steuervorrichtung 7 ist zumindest mit dem hochauflösenden Positionssensor 6, dem hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensor 10 und der elektrischen Maschine 4 signalübertragend verbunden und dazu ausgebildet, die Sensordaten des hochauflösenden Positionssensors 6 und des hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensors 10 zu verarbeiten, um einen Fahrerwunsch basierend auf einem zeitlichen Verlauf der Position der Tretkurbelwelle 2 zu ermitteln und darüber ein Drehmoment 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 Drehmomentführung 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. Mittels der Sensordaten des hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensors 10 wird über die Drehzahl des Antriebsrads 101 die Geschwindigkeit des Fahrrads 100 ermittelt, wobei die Steuervorrichtung 7 das Drehmoment an der elektrischen Maschine 4 auf Null setzt, wenn eine Maximalgeschwindigkeit des Fahrrads 100 erreicht wird. Insbesondere wird mittels der Sensordaten des hochauflösenden Antriebsraddrehzahlsensors 10 kontinuierlich das Erreichen einer Maximalgeschwindigkeit des Fahrrads 100 von der Steuervorrichtung 7 überwacht.The control device 7 is connected in a signal-transmitting manner at least to the high-resolution position sensor 6, the high-resolution drive wheel speed sensor 10 and the electric machine 4 and is designed to process the sensor data of the high-resolution position sensor 6 and the high-resolution drive wheel speed sensor 10 in order to determine a driver's request based on a time course of the position to determine the pedal crankshaft 2 and to use it to control a torque of the electric machine 4. The high-resolution position sensor 6 can sense the absolute position of the pedal crankshaft 2 in the tenth range and thereby enables dynamic and precise torque control of the electric machine 4 by means of the control device 7. The high-resolution position sensor 6 is arranged in a housing with the pedal crankshaft 2 and senses the position of the pedal crankshaft 2, for example by means of a magnetic encoder directly on the pedal crankshaft 2. The control device 7 calculates from the transmitted sensor data, which indicate the time course of the position of the pedal crankshaft 2, for example a direction of rotation of the pedal crankshaft 2, a speed of the pedal crankshaft 2 and an acceleration of the pedal crankshaft 2. By means of Using the sensor data from the high-resolution drive wheel speed sensor 10, the speed of the bicycle 100 is determined via the speed of the drive wheel 101, with the control device 7 setting the torque on the electric machine 4 to zero when a maximum speed of the bicycle 100 is reached. In particular, the control device 7 continuously monitors whether the bicycle 100 reaches a maximum speed using the sensor data from the high-resolution drive wheel speed sensor 10.

Beispielsweise wird das Drehmoment 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 das Drehmoment 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 konstantem Drehmoment 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 das Drehmoment der elektrischen Maschine 4 von der Steuervorrichtung 7 zumindest dann verringert, 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 einem Drehmoment betrieben, das das Fahrrad nicht über eine Maximalgeschwindigkeit hinaus unterstützt. Dazu sind Mittel zum Erfassen einer Geschwindigkeit des Fahrrads vorgesehen.For example, the torque of the electric machine 4 is set to zero by the control device 7 when the speed of the pedal crankshaft 2 calculated from the sensor data of the high-resolution position sensor 6 is zero. For example, the torque of the electric machine 4 is increased by the control device 7 if the direction of rotation and acceleration of the pedal crankshaft 2 calculated from the sensor data of the high-resolution position sensor 6 are positive. For example, the electric machine 4 is operated with constant torque by the control device 7 if the direction of rotation of the pedal crankshaft 2 calculated from the sensor data of the high-resolution position sensor 6 is positive and a calculated acceleration of the pedal crankshaft 2 is essentially zero. For example, the torque of the electric machine 4 is reduced by the control device 7 at least when the direction of rotation of the pedal crankshaft 2 calculated from the sensor data of the high-resolution position sensor 6 is negative. The electric machine 4 is always operated by the control device 7 with a torque that does not support the bicycle beyond a maximum speed. For this purpose, means for detecting the speed of the bicycle are provided.

BezugszeichenReference symbols

11: AntriebsvorrichtungDrive device
22: Tretkurbelwellepedal crankshaft
33: Tretkurbelpedal crank
44: elektrische Maschineelectric machine
55: EnergiespeicherEnergy storage
66: hochauflösender Positionssensorhigh-resolution position sensor
77: SteuervorrichtungControl device
88th: BedieneinheitControl unit
99: AnzeigevorrichtungDisplay device
1010: hochauflösender Antriebsraddrehzahlsensorhigh-resolution drive wheel speed sensor
1111: ZugmitteltriebTraction drive
100100: FahrradBicycle
101101: Antriebsraddrive wheel
102102: Vorderradfront wheel
103103: Sattelsaddle
104104: RahmenFrame
105105: FahrradlenkerBicycle handlebars
106106: PedalePedals

Claims

Method for controlling a drive device (1) for a drive train of a bicycle (100), the drive train having • a pedal crankshaft (2) with pedal cranks (3) for feeding a drive power from a cyclist into the drive train, • an electric machine designed as a drive motor (4 ), which is arranged in the drive train to support the driving power of the cyclist and is electrically connected to an electrical energy storage (5), • a high-resolution position sensor (6) for detecting a position of the pedal crankshaft (2) and generating corresponding sensor data, • a high-resolution Drive wheel speed sensor (10) for detecting a driving state and generating corresponding sensor data, and • a control device (7) which monitors the sensor data of the high-resolution position sensor (6) and the sensor data of the high-resolution drive wheel speed sensor (10) and the torque of the electric machine (4) according to the driver's request based on the time course of the position of the pedal crankshaft (2), characterized in that from the time course of the position of the pedal crankshaft (2) a direction of rotation of the pedal crankshaft (2), a speed of the pedal crankshaft (2) and an acceleration of the Pedal crankshaft (2) are calculated by the control device (7), • where the torque of the electric machine (4) is increased by the control device (7) if the calculated direction of rotation and acceleration of the pedal crankshaft (2) are positive, • where the torque of the electric machine (4) is reduced by the control device (7) at least when the calculated acceleration of the pedal crankshaft (2) decreases, • the torque of the electric machine (4) being set to zero by the control device (7) when the calculated speed of the pedal crankshaft (2) is zero.

Procedure according to Claim 1 , wherein the electric machine (4) is operated with a constant torque by the control device (7) when the calculated direction of rotation of the pedal crankshaft (2) is positive and a calculated acceleration of the pedal crankshaft (2) is essentially zero.

Method according to one of the preceding claims, wherein the electric machine (4) is always operated with a torque that does not support the bicycle (100) beyond a maximum speed.

Control device (7), which is designed to carry out a method according to one of the preceding claims.

Bicycle (100), comprising at least two wheels and a drive device (1) according to a method according to one of Claims 1 until 3 can be controlled, the drive device (1) being connected in a driving manner to the wheel of the bicycle (100), which is designed as a drive wheel (101).