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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung sowie ein Fahrrad mit einer derartigen Steuervorrichtung. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Steuerverfahren für ein Fahrrad mit einer elektrischen Antriebseinheit.
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Aus dem Stand der Technik sind Fahrräder mit einer elektrischen Antriebseinrichtung, wie beispielsweise einer E-Maschine, bekannt, welche den Fahrer als Hilfsmotor beim Vorankommen unterstützen. Solche Fahrräder mit elektrischer Antriebseinrichtung werden auch als Pedelec bezeichnet. Hierbei wird die elektrische Antriebseinrichtung mittels einer am Fahrzeug befestigten Batteriespeichereinrichtung, wie beispielsweise einem Akkumulator, mit elektrischer Energie versorgt.
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Bei derartigen Fahrrädern kann es wünschenswert sein, die Sicherheit während des Betriebs des Fahrrads zu erhöhen. Ferner kann es wünschenswert sein, die Reichweite zu erhöhen.
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Aus
DE 10 2021 211 737 B3 ist ein Fahrrad mit elektrischem (Hilfs-)Antrieb bekannt, welches rekuperieren kann.
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Aus
DE 10 2016 106 703 A1 ist ein Verfahren für ein Elektrofahrrad bekannt, wobei das Festlegen eines Fahrerkraftaufwandsgrads, das Erfassen der relativen Luftgeschwindigkeit an dem Fahrrad und das Unterstützen des Fahrerkraftaufwandsgrads mit einem Elektromotor auf Grundlage der erfassten Luftgeschwindigkeit umfasst ist. Das Unterstützen des Fahrerkraftaufwandsgrads umfasst das Aufrechterhalten eines im Wesentlichen konstanten Fahrerkraftaufwandsgrads auf Grundlage der Luftgeschwindigkeit. Das Unterstützen des Fahrerkraftaufwandsgrads umfasst das Erfassen der Neigung eines Fahrradwegs und das Einstellen der Elektromotorunterstützung auf Grundlage der Steigung.
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DE 602 23 307 T2 betrifft eine Steuereinheit für ein motorunterstütztes Fahrrad zum Antreiben eines motorunterstützten Fahrrads mit der gleichen Fahrwahrnehmung, wie man sie mit einem Fahrrad ohne Motorunterstützungseinheit erhält. Die Steuereinheit gestattet eine Einstellung von Unterstützungskraft gemäß verschiedener Betriebszustände des Fahrzeugs.
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WO 2021 / 255 637 A1 betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Fahrgeschwindigkeit eines Fahrzeugs mit Elektroantrieb bei dem eine Vorwärtsfahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs erkannt und ein Abwärtsfahrzustands des Fahrzeugs identifiziert wird. Ausgehend davon wird die Abwärtsfahrgeschwindigkeit gesteuert. Eine Referenzgeschwindigkeit wird für das Fahrzeug bestimmt und ein vom Elektromotor erzeugter Ladestrom für das Batteriepaket wird als Funktion einer Abweichung zwischen der Referenzgeschwindigkeit und der erfassten Vorwärtsfahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs berechnet. Der Schritt des Identifizierens eines Bergabfahrtzustands des Fahrzeugs umfasst das Berechnen eines Parameters, der für den Bergabfahrtzustand repräsentativ ist, als eine Funktion der erfassten Vorwärtsfahrgeschwindigkeit und des Motorstroms.
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DE 10 2010 017 742 A1 betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors eines Fahrrads, bei dem ein von dem Elektromotor aufzubringendes Unterstützungsmoment in Abhängigkeit von einem Fahrer aufgebrachten Fahrermoments bestimmt wird, wobei das Fahrermoment durch einen Vergleich eines in der Steuereinheit gespeicherten Fahrmodells mit während der Fahrt aufgenommenen Messgrößen geschätzt wird.
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DE 10 2014 015 631 A1 betrifft eine Steigungsberechnungsvorrichtung, die eine Pedalkraftdetektionseinheit, eine Drehgeschwindigkeitsdetektionseinheit, eine Geschwindigkeitsdetektionseinheit, eine Speichereinheit und eine Steuereinheit umfasst. Die Steuereinheit berechnet eine erste Energie auf der Basis eines Drehmoments, welche durch die Pedalkraftdetektionseinheit detektiert wird, und einer Kadenz, welche durch die Drehgeschwindigkeitsdetektionseinheit detektiert wird. Die Steuereinheit berechnet eine zweite Energie auf der Basis einer Fahrgeschwindigkeit, welche durch die Geschwindigkeitsdetektionseinheit detektiert wird, und einem gesamten Gewicht des Fahrrades und des Radfahrers, welches in der Speichereinheit gespeichert wird. Die Steuereinheit berechnet eine Steigung auf der Basis der ersten Energie und zweiten Energie.
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JP 2011 - 68 244 A zeigt ein Steuerverfahren für eine Antriebseinheit eines Fahrrads mit Rekuperationsfunktion.
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Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Steuervorrichtung für ein Fahrrad mit einer elektrischen Antriebseinheit sowie ein Fahrrad mit einer derartigen Steuervorrichtung und ein Steuerverfahren für ein solches Fahrrad vorzuschlagen, welches rekuperieren kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Die vorliegende Erfindung betrifft in einem Aspekt eine Steuervorrichtung für ein Fahrrad mit einer elektrischen Antriebseinrichtung. Bei einer Steuervorrichtung kann es sich hierbei um eine oder mehrere Einrichtungen handeln, welche gemeinsam oder alleine eine Datenverarbeitung sowie ein Ein- und Ausgeben von Informationen ausführen können. Es kann sich somit um eine einzelne Einheit, aber auch um ein verteiltes System mehrerer Einrichtungen handeln. Die Funktionen der Steuereinrichtung können hierbei zumindest teilweise in Software implementiert sein. Bei einem Fahrrad mit elektrischer Antriebseinrichtung kann es sich hierbei um ein Fahrrad handeln, welches eine zusätzliche E-Maschine als Hilfsantrieb aufweist, welche den Fahrer beim Vorankommen unterstützt. Im Allgemeinen umfasst hierbei das Fahrrad ferner eine elektrische Energiequelle, wie beispielsweise einen Akkumulator beziehungsweise eine Batterie, welche die elektrische Antriebseinrichtung mit Energie versorgt.
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Die Steuervorrichtung umfasst hierbei zunächst ein Empfangsmittel zum Empfangen von Sensordaten. Auch das Empfangsmittel sowie die nachfolgenden beschriebenen Mittel können zumindest stückweise in Software ausgebildet sein und deren Funktionalität kann sowohl durch eine einzelne Einheit als auch durch eine Kombination mehrerer Einheiten implementiert werden. Bei einem Empfang kann es sich hierbei beispielsweise um das Empfangen eines Datensatzes oder eines Signals über eine Empfangsleitung des Empfangsmittels handeln. Ferner kann es sich bei dem Empfangen jedoch auch um ein Auslesen entsprechender Daten aus einem Speicher, wie beispielsweise einem RAM, handeln. Unter Sensordaten kann hierbei ein Datensatz verstanden werden, welcher basierend auf Messungen einer Sensoreinheit erzeugt wird. Hierbei kann es sich sowohl um Rohdaten als auch um bereits vorverarbeitete Daten handeln.
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Sodann umfasst die Steuervorrichtung ein Bestimmungsmittel zum Bestimmen einer Talfahrt basierend auf den Sensordaten. Entsprechend ist das Bestimmungsmittel eingerichtet, anhand der durch das Empfangsmittel empfangenen Sensordaten zu bestimmen, ob sich das Fahrrad derzeit auf einer Talfahrt befindet. Eine Talfahrt ist somit ein Gefälle beziehungsweise eine negative Steigung in Fahrtrichtung des Fahrrads. Eine derartige Bestimmung kann beispielsweise durch Daten eines Lagesensors, eines Beschleunigungssensors oder anhand von Drehmoment und Drehzahlen bestimmt werden, wie nachfolgend genauer beschrieben werden wird.
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Die Steuervorrichtung umfasst sodann ein Steuermittel zum Ausgeben von Steuerdaten zum Versetzen der elektrischen Antriebseinrichtung in einen Rekuperationsmodus, wenn das Bestimmungsmittel eine Talfahrt bestimmt. Unter einem Rekuperationsmodus ist hierbei beispielsweise ein Modus der E-Maschine beziehungsweise elektrischen Antriebseinrichtung zu verstehen, bei welcher diese in einem Generatorzustand betrieben wird und somit Bewegungsenergie des Fahrrads in elektrische Energie umwandelt wird, welche sodann in der elektrischen Speichereinrichtung des Fahrrads gespeichert werden kann. Somit verzögert die elektrische Antriebseinrichtung in einem Rekuperationsmodus das Fahrrad, da eine entgegenwirkende Kraft über die elektrische Antriebseinheit auf die Räder des Fahrrads aufgebracht wird und somit eine Verzögerung der Räder entsprechend dem Einsatz einer Bremse aufgebracht wird. Bei den Steuerdaten kann es sich hierbei um ein Steuersignal handeln, welches die elektrische Antriebseinrichtung entsprechend ansteuert, um in einen Rekuperationsmodus zu schalten. Ferner kann auch der Grad der Rekuperation, das heißt die Rekuperationsleistung, und somit die Verzögerung eingestellt werden. Beim Ausgeben kann es sich hierbei einerseits um das Senden über eine Ausgangsleitung der Steuervorrichtung handeln, jedoch auch beispielsweise um ein Schreiben von entsprechenden Steuerdaten in einen Speicher, wie beispielsweise ein RAM.
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Entsprechend verursacht die vorgenannte Steuervorrichtung ein Abbremsen beziehungsweise ein Verzögern das Fahrrads mittels der elektrischen Antriebseinrichtung, sobald eine Talfahrt erkannt wird. Dies erhöht die Sicherheit bei der Verwendung des Fahrrads, da die Beschleunigung durch das Herabfahren zumindest teilweise unterbunden oder sogar vollständig kompensiert wird.
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Das Steuermittel ist so ausgebildet, eine Rekuperationsleistung derart einzustellen, dass die Rekuperationsleistung die Hangabtriebskraft zumindest teilweise ausgleicht. Anders ausgedrückt kann die Rekuperationsleistung anhand der vorgenannten Steuerdaten derart eingestellt werden, dass diese die Hangabtriebskraft zumindest teilweise ausgleicht und somit eine Kraft aufgebracht wird, welche kleiner oder, in einem Aspekt, gleich der Rekuperationsleistung ist. Somit wird die Hangabtriebskraft entweder teilweise oder vollständig kompensiert und ein Beschleunigen bei der Talfahrt zumindest teilweise oder ganz verhindert. Hierbei kann ebenfalls vorgesehen sein, einen bestimmten Anteil, welcher beispielsweise voreingestellt werden kann, der Hangabtriebskraft zu kompensieren. Beispielsweise kann anhand einer Eingabe eines Benutzers ein vom Benutzer gewünschter Anteil der Hangabtriebskraft kompensiert werden, welcher in einem Bereich zwischen 0 und 100% liegen kann.
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Zudem ist die Steuervorrichtung derart ausgebildet, dass das Bestimmungsmittel basierend auf den Sensordaten eine benötigte Rekuperationsleistung zum Ausgleich der Hangabtriebskraft bestimmt. Hierbei kann beispielsweise anhand der Lageinformation eines Lagesensors oder auch anhand der Daten eines Beschleunigungssensors oder Ähnlichem bestimmt werden, welche Rekuperationsleistung benötigt wird, um die Hangabtriebskraft auszugleichen. Hierzu kann beispielsweise zunächst die Hangabtriebskraft abgeschätzt oder bestimmt werden und sodann unter Einbeziehung der Information über die elektrische Antriebseinheit eine zum Ausgleich der Hangabtriebskraft benötigte Rekuperationsleistung bestimmt werden. Sodann kann basierend auf dieser bestimmten Rekuperationsleistung die Antriebseinrichtung angesteuert werden, so dass die Antriebseinrichtung sodann die benötigte Gegenkraft zur Hangabtriebskraft durch die Rekuperation aufbringt. Ein derartiges Bestimmen und Ansteuern kann hierbei auch im Rahmen eines Regelkreises durchgeführt werden, wobei wiederholt bestimmt wird, ob die Hangabtriebskraft bereits vollständig ausgeglichen wird, beispielsweise anhand von aktuellen Beschleunigungsdaten, und sodann ein entsprechendes Regeln durch das Steuermittel stattfindet.
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Das Steuermittel steuert die Antriebseinrichtung sowohl basierend auf der durch das Bestimmungsmittel bestimmten Rekuperationsleistung als auch einer Benutzereingabe an. Wie oben bereits kurz beschrieben, kann hierdurch ein Benutzerwunsch, wie beispielsweise ein Grad der Kompensation der Hangabtriebskraft, berücksichtigt werden. Eine derartige Benutzereingabe kann beispielsweise über eine Eingabeeinrichtung, wie einen Touchscreen oder einen Bedienhebel, erfolgen.
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Somit stellt die Benutzereingabe einen vom Benutzer gewünschten Rekuperationsgrad dar, welcher über eine Benutzerschnittstelle eingegeben wird, wobei der Rekuperationsgrad insbesondere angibt, welcher Anteil der Hangabtriebskraft mittels der Rekuperationsleistung ausgeglichen werden soll. Hierbei kann der Rekuperationsgrad insbesondere zwischen 0 und 100% liegen, wobei bei einem gewünschten Rekuperationsgrad von 0% keine Abbremsung bei einer Talfahrt erfolgt und bei einem Rekuperationsgrad von 100% die Hangabtriebskraft durch die Rekuperation ausgeglichen werden soll.
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Gemäß einem Aspekt können die Sensordaten mindestens eines umfassend von Fahrzeuggeschwindigkeitsdaten, Beschleunigungsdaten, Lagesensordaten, Drehmomentsensordaten oder Drehzahldaten. Fahrzeuggeschwindigkeitsdaten und Beschleunigungssensordaten können hierbei beispielsweise mittels eines Beschleunigungssensors bestimmt werden. Diese können beispielsweise genutzt werden, um die Hangabtriebskraft abzuschätzen oder auch, wie vorgehend bereits kurz beschrieben, in einem Regelkreis, oder einem zusätzlichen Schritt, zu bestimmen, ob ein vollständiger Ausgleich der Hangabtriebskraft bereits erfolgt ist. Auch anhand der Lagesensordaten kann die Hangabtriebskraft abgeschätzt werden, da mittels des hieraus bestimmbaren Gefälles und gegebenenfalls weiteren Daten zum Pedelec, Fahrer und gegebenenfalls E-Maschine die Hangabtriebskraft abgeschätzt werden kann. Auch können die Lagesensordaten als eine Eingangsbestimmung verwendet werden, um zunächst zu bestimmen, ob eine Talfahrt stattfindet, bevor die Hangabtriebskraft abgeschätzt wird.
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Auch können Drehmomentsensordaten, wie beispielsweise Drehmomentsensordaten der Laufräder des Pedelecs oder an bestimmten Abschnitten der elektrischen Antriebseinheit erfasste Drehmomentsensordaten zur Bestimmung einer Hangabtriebskraft aufgrund der Beschleunigung bei der Talfahrt, verwendet werden. Hierbei können auch Drehmomentsensordaten eines Drehkurbelsensors herangezogen werden, um festzustellen, ob der Fahrer selbst Kraft auf die Laufräder des Pedelecs aufbringt. Ebenso können hierfür Drehzahldaten an den entsprechenden vorgenannten Stellen herangezogen werden. Auch eine Kombination der vorgenannten Sensordaten ist möglich, um die Hangabtriebskraft abzuschätzen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Bestimmungsmittel ferner eingerichtet sein, die benötigte Rekuperationsleistung zum Ausgleich der Hangabtriebskraft basierend auf einer Geschwindigkeitsveränderung über der Zeit, bestimmt mittels Fahrzeuggeschwindigkeitsdaten oder Beschleunigungssensordaten als Sensordaten, zu bestimmen. Entsprechend können, wie vorgehend bereits kurz beschrieben, die Fahrzeuggeschwindigkeitsdaten oder auch eine Veränderung derer, das heißt Beschleunigungsdaten, verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein Ausgleich der Hangabtriebskraft bereits vollständig erfolgt ist oder ob eine Über- und Unterkompensierung der Hangabtriebskraft erfolgt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Bestimmungsmittel ferner eingerichtet sein, die benötigte Rekuperationsleistung zum Ausgleich der Hangabtriebskraft basierend auf einem mittels Lagesensordaten ermittelten Gefälle zu bestimmen. Hierbei können, wie ebenfalls vorgehend bereits kurz beschrieben, einerseits das ermittelte Gefälle, jedoch andererseits zusätzliche Informationsdaten über das Pedelec und gegebenenfalls dessen Verwender herangezogen werden.
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In einem weiteren Aspekt kann das Steuermittel ferner eingerichtet sein, eine Bremsvorrichtung des Fahrrads anzusteuern, wenn festgestellt wird, dass eine benötigte Rekuperationsleistung zum Ausgleich der Hangabtriebskraft größer ist als eine maximale Rekuperationsleistung der elektrischen Antriebseinheit. Eine Bremsvorrichtung kann hierbei eine elektrische ansteuerbare Bremseinrichtung des Fahrrads, wie eine elektrische Bremse des Fahrrads, sein. Wird somit bestimmt, dass die mittels der Rekuperation aufbringbare Gegenkraft zur Hangabtriebskraft zum Ausgleich derer nicht ausreicht, kann zusätzlich die Bremsvorrichtung angesteuert werden, um die weitere benötigte Bremskraft zum Ausgleich der Hangabtriebskraft aufzubringen und somit eine vollständige Kompensierung der Hangabtriebskraft zu erlauben.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Fahrrad mit einer elektrischen Antriebseinheit, einer Sensoreinheit zur Ausgabe von Sensordaten sowie einer Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Die Sensoreinheit kann hierbei eine bereits vorhandene Sensoreinheit in einer Komponente des Pedelecs, wie beispielsweise in der elektrischen Antriebseinrichtung, sein. Es können jedoch auch mehrere Sensoreinheiten zur Erfassung unterschiedlicher Sensordaten vorgesehen sein, welche auch in verteilter Weise am Pedelec vorliegen können. Insgesamt werden diese hier als Sensoreinheit bezeichnet. Auch das Heranziehen von Sensordaten einer Sensoreinheit, welche drahtlos mit dem Fahrrad verbunden ist, kann vorgesehen sein, wie beispielsweise Sensoreinrichtungen eines Smartphones oder einer Steuereinrichtung des Bedieners.
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Ferner betrifft ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Steuerverfahren für ein Fahrrad mit einer elektrischen Antriebseinheit. Die Schritte des Steuerverfahrens können hierbei entweder von einer Einheit, aber auch von verschiedenen verteilten Einheiten oder Einrichtungen des Pedelecs oder hiermit verbundene Einheiten ausgeführt werden. Das Verfahren umfasst hierbei zunächst den Schritt des Empfangens von Sensordaten. Sodann wird eine Talfahrt basierend auf den Sensordaten bestimmt. Sodann werden Steuerdaten zum Versetzen der elektrischen Antriebseinheit in einen Rekuperationsmodus ausgegeben, wenn das Bestimmungsmittel eine Talfahrt bestimmt hat.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrrads mit einer Steuervorrichtung nach einem Aspekt.
- 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Steuerverfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrrads 110, hier eines Pedelecs. Hierbei umfasst das Pedelec zunächst die Steuervorrichtung 100, welche die drei Komponenten des Empfangsmittels 101, des Bestimmungsmittels 103 und des Steuermittels 102 umfasst. Ferner sind in 1 die Sensoreinheit 104 und die elektrische Antriebseinheit 105 gezeigt.
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Die Funktionalität soll im Folgenden in Zusammenschau mit der 2 beschrieben werden, welche ein Steuerverfahren beschreibt. Zunächst empfängt das Empfangsmittel 101 Sensordaten von der Sensoreinheit 104 im Schritt S1. Im hier gezeigten Beispiel handelt es sich dabei um Daten eines Lagesensors, welche die Hangneigung beschreiben, sowie Daten zur Antriebsdrehzahl und zum Drehmoment, welche die auf ein Laufrad des Fahrrads wirkende Antriebsdrehzahl und Drehmoment beschreiben. Im vorliegenden Beispiel werden diese Sensordaten von einer Sensoreinheit in der elektrischen Antriebseinheit 105 empfangen, da diese bereits mit derartiger Sensorik ausgebildet sein kann.
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Im Schritt S2 werden sodann durch das Bestimmungsmittel 103 basierend auf insbesondere der vom Lagesensor empfangenen Lagesensordaten bestimmt, ob ein Gefälle in Fahrtrichtung des Fahrrads vorliegt und somit, ob eine Talfahrt mittels des Fahrrads erfolgt. Ist dies der Fall, so wird im Schritt S3, durch das Bestimmungsmittel 103, anhand der auf die Antriebsräder wirkenden Kräfte basierend auf der empfangenen Drehzahl und dem empfangenen Drehmoment eine Hangabtriebskraft bestimmt und sodann abgeleitet, welche Rekuperationsleistung an der elektrischen Antriebseinrichtung 105 eingestellt werden muss, um eine die Hangabtriebskraft ausgleichende Gegenkraft aufzubringen. Ist dies erfolgt, so werden durch das Steuermittel 102 im Schritt S4 mit den bestimmten Daten Steuerdaten an die elektrische Antriebseinheit 105 ausgegeben, um diese in einen Rekuperationsmodus zu versetzen und eine bestimmte Rekuperationsleistung einzustellen.
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Im Schritt S5 kann sodann durch das Bestimmungsmittel 103 überprüft werden, ob ein vollständiger Ausgleich der Hangabtriebskraft erfolgt ist. Im vorliegenden Fall kann dies anhand einer Veränderung der Drehzahl über der Zeit erfolgen. Stehen zusätzlich von der Sensoreinheit auch andere Sensordaten, wie beispielsweise Daten eines Beschleunigungssensors, zur Verfügung, so können auch diese für diese Bestimmung herangezogen werden. Der Schritt S5 kann hierbei auch derart ausgebildet sein, dass eine erneute Ausführung der Schritte S1 bis S4 in der Art eines Regelkreises erfolgt, um die benötigte Rekuperationsleistung zu überprüfen und gegebenenfalls anzupassen.
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Bezugszeichen
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- 100
- Steuervorrichtung
- 101
- Empfangsmittel
- 102
- Steuermittel
- 103
- Bestimmungsmittel
- 104
- Sensoreinheit
- 105
- elektrische Antriebseinheit
- 110
- Fahrrad
- S1
- Empfangen von Sensordaten
- S2
- Bestimmen einer Talfahrt
- S3
- Bestimmen der benötigten Rekuperationsleistung
- S4
- Ausgeben von Steuerdaten
- S5
- Prüfung des Ausgleichs
