EP2621795A1 - Verfahren zum ansteuern eines elektrischen hilfsantriebs eines muskelkraftbetätigten fahrzeugs und dessen muskelkraftbetätigtes fahrzeug - Google Patents

Verfahren zum ansteuern eines elektrischen hilfsantriebs eines muskelkraftbetätigten fahrzeugs und dessen muskelkraftbetätigtes fahrzeug

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EP2621795A1
EP2621795A1 EP11770720.8A EP11770720A EP2621795A1 EP 2621795 A1 EP2621795 A1 EP 2621795A1 EP 11770720 A EP11770720 A EP 11770720A EP 2621795 A1 EP2621795 A1 EP 2621795A1
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EP
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vehicle
acceleration
auxiliary drive
speed
control signals
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Withdrawn
Application number
EP11770720.8A
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English (en)
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Inventor
Florian Loeffl
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B-Labs AG
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B-Labs AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/45—Control or actuating devices therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62J—CYCLE SADDLES OR SEATS; AUXILIARY DEVICES OR ACCESSORIES SPECIALLY ADAPTED TO CYCLES AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, e.g. ARTICLE CARRIERS OR CYCLE PROTECTORS
    • B62J45/00—Electrical equipment arrangements specially adapted for use as accessories on cycles, not otherwise provided for
    • B62J45/40—Sensor arrangements; Mounting thereof
    • B62J45/41—Sensor arrangements; Mounting thereof characterised by the type of sensor
    • B62J45/415—Inclination sensors
    • B62J45/4152—Inclination sensors for sensing longitudinal inclination of the cycle

Definitions

  • the invention relates to a method for driving an electric auxiliary drive of a muscle-power-operated vehicle and a muscle-power-operated vehicle, which can be controlled, for example, by such a method.
  • Pedelecs often have a conventional pedal drive and a hub motor, which is powered by a battery with energy.
  • the control of this electric auxiliary motor can be done for example by pressing an actuator, such as a rotary handle ("throttle"), which is then actuated by the driver when he wants to be supported, for example, when driving uphill by the electric motor
  • the torque introduced by the crank or pedal drive is detected and the electric motor is activated as a function of this detected rotary motor.
  • the invention has for its object to provide a method for driving an electric auxiliary drive of a muscle power-operated vehicle and a muscle power operated vehicle with electric auxiliary drive, in which a control of the electric auxiliary drive with low device technology and control engineering effort is possible.
  • the control of an electric auxiliary drive of a muscle-power-operated vehicle essentially takes place as a function of the vehicle speed or dynamic parameters dependent thereon.
  • the vehicle speed can be detected with minimal effort, for example via the already existing speedometer, the electrical output signal is evaluated to calculate the output from the electric auxiliary drive power.
  • control signals for actuating the electric auxiliary drive are then generated via a control unit, based on a suitable physical model.
  • the control of the electric auxiliary drive for delivering a driver assisting torque is then carried out in dependence on the control signals calculated via the control unit.
  • According to the invention is thus closed by means of the underlying in the scheme physical model of the dynamic behavior of the vehicle on the introduced via muscle power in the drive train forces and thus back to the driver's request.
  • the acceleration of the vehicle is still detected and the control signals for the auxiliary electric drive are calculated in dependence on these dynamic parameters.
  • This acceleration can be calculated, for example, by a suitable inclination sensor or the like or else from the speed signals.
  • a special feature is that no expensive sensors are required to detect the torque applied by the driver.
  • the activation of the electrical auxiliary drive is improved if the calculation model includes static parameters such as, for example, the vehicle weight or the vehicle mass or the weight or mass of the driver.
  • control signals are recalculated at predetermined time intervals or at predetermined changes of the speed and / or the acceleration.
  • the calculation preferably takes place on a physical model assuming that the driving force supplied by the auxiliary motor is in equilibrium with the frictional, aerodynamic and acceleration forces determined by the vehicle speed, optionally the acceleration and optionally optionally by the weight.
  • the ratio ca / cv must be between 0 and 12.
  • the engine power must be less than the power required to maintain the system's current dynamic state at all times.
  • the muscle-power operated vehicle accordingly has an electric auxiliary drive, a sensor for detecting the speed or dependent therefrom dynamic parameters, a control unit for calculating control signals for the electrical auxiliary drive substantially from the speed signals and an output unit for driving the electric auxiliary drive in response to these control signals ,
  • the output unit may be integrated in the control unit.
  • the vehicle may further include a pickup for detecting the acceleration.
  • This sensor may for example be a tilt sensor.
  • the vehicle is designed as a two-wheeled vehicle 1, which in addition to a crank or pedal drive 2, an electric auxiliary motor, for example example, a hub motor 4 has.
  • This consists in principle of a power electronics with a suitable engine controller. According to the invention it is preferred if this engine controller is designed as a PI controller.
  • the two-wheeled vehicle 1 has a sensor 10 for detecting the vehicle speed v and optionally an acceleration sensor 12 for detecting the vehicle acceleration a.
  • This can for example be designed as a tilt sensor, so that an uphill or downhill, a shift operation ("sailing") or the like can be detected.
  • the vehicle may, as indicated in the figure, further be designed with a suitable sensor for detecting the vehicle and / or driver's weight or the vehicle and / or driver mass, so determined according to the respective total weight or the total mass F. can be.
  • the dynamic parameters (vehicle speed v, acceleration a) and the static parameters (vehicle weight or vehicle mass F) are supplied as input signals to the control unit 8 and evaluated by the latter.
  • the acceleration forces can be set by presetting a desired speed can be taken into account, wherein from this desired speed or desired speed of the hub motor 4 can then be deduced to those torque values that you need in each driving condition. In other words, the driver gives by his muscular strength before a certain desired speed and the engine control leads via the auxiliary drive so much torque until the desired driving condition is reached.
  • the downhill assistance is reduced by the auxiliary electric motor on the downhill to keep the vehicle at the desired speed level.
  • the drive concept described makes it possible to provide a method for actuating an electric auxiliary drive of a muscle-power-operated vehicle and a muscular-force-driven vehicle. operated vehicle to provide an electric auxiliary drive, which is characterized by an extremely simple structure with low required device and control engineering effort.

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Abstract

Offenbart sind ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Hilfsantriebs eines muskelkraftbetätigten Fahrzeugs und ein muskelkraftbetätigtes Fahrzeug mit einem elektrischen Hilfsantrieb, bei dem die Ansteuerung des elektrischen Hilfsantriebs im Wesentlichen in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung des Fahrzeugs erfolgt.

Description

VERFAHREN UM ANSTEUERN EINES ELEKTRISCHEN HILFSANTRIEBS EINES
MUSKELKRAFTBETÄTIGTEN FAHRZEUGS UND DESSEN MUSKELKRAFTBETÄTIGTES FAHRZEUG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Hilfsantriebs eines muskelkraftbetätigten Fahrzeugs und ein muskelkraftbetätigtes Fahrzeug, das beispielsweise nach einem derartigen Verfahren ansteuerbar ist.
In jüngster Zeit werden auf dem Zweiradsektor Konzepte vorgestellt, bei denen muskelkraftbetätigte Zweiräder mit einem elektrischen Hilfsantrieb versehen werden. Derartige Pedelecs haben häufig einen herkömmlichen Pedalantrieb und einen Radnabenmotor, der über einen Akkumulator mit Energie versorgt wird. Die Ansteuerung dieses elektrischen Hilfsmotors kann beispielsweise durch Betätigen eines Stellglieds, beispielsweise eines Drehgriffs („Gasgriff") erfolgen, der vom Fahrer dann betätigt wird, wenn er beispielsweise bei einer Bergauffahrt durch den Elektromotor unterstützt werden will. Bei hochwertigen Lösungen wird das vom Fahrer über den Kurbel- oder Pedalantrieb eingebrachte Drehmoment erfasst und der Elektromotor in Abhängigkeit von diesem er- fassten Drehmotor angesteuert.
Die erst genannte einfachere Lösung hat den Nachteil, dass der willkürliche Eingriff des Fahrers nicht zu einer optimalen Ausnutzung der elektrischen Energie führt. Des Weiteren ist ein erheblicher Aufwand zur Realisierung der mechanischen Steuerelemente (Drehgriff, Übertragungsmittel, etc.) erforderlich. Auch bei den technisch hochwertigeren Lösungen mit Drehmomenterfassung ist ein vergleichsweise hoher Aufwand erforderlich, da die Sensoren und die Regelelektronik teuer sind und darüber hinaus der Kurbel- /Pedalantrieb auch entsprechend ausgelegt werden muss, so dass das Drehmoment aufgenommen werden kann. Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Hilfsantriebs eines muskelkraftbetätigten Fahrzeugs und ein muskelkraftbetätigtes Fahrzeug mit elektrischen Hilfsantrieb zu schaffen, bei denen eine An- steuerung des elektrischen Hilfsantriebs mit geringem vorrichtungstechnischen und regelungstechnischen Aufwand möglich ist.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und im Hinblick auf das Fahrzeug durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruches 8 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß erfolgt die Steuerung eines elektrischen Hilfsantriebs eines muskelkraftbetätigten Fahrzeugs, insbesondere eines Zweirades, im Wesentlichen in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit oder davon abhängigen dynamischen Parametern. Die Fahrzeuggeschwindigkeit kann mit minimalem Aufwand, beispielsweise über den ohnehin vorhandenen Tacho erfasst werden, dessen elektrisches Ausgangssignal zur Berechnung der vom elektrischen Hilfsantrieb abzugebenden Leistung ausgewertet wird.
Im Wesentlichen in Abhängigkeit von diesem Geschwindigkeitssignal werden dann über eine Steuereinheit Steuersignale zum Ansteuern des elektrischen Hilfsantriebs generiert, wobei ein geeignetes physikalisches Modell zugrunde gelegt wird.
Dabei lautet die minimale Form des Steuergesetztes: τ = c * v
Mit τ = Motormoment, v = Fahrzeuggeschwindigkeit, c = Konstante
Die Ansteuerung des elektrischen Hilfsantriebs zur Abgabe eines den Fahrer unterstützenden Drehmomentes erfolgt dann in Abhängigkeit von den über die Steuereinheit berechneten Steuersignalen. Erfindungsgemäß wird somit mittels des bei der Regelung zugrunde liegenden physikalischen Models aus dem dynamischen Verhalten des Fahrzeugs auf die über Muskelkraft in den Antriebsstrang eingebrachten Kräfte und damit auf den Fahrerwunsch zurück geschlossen.
Bei einerVariante der Erfindung wird zur Unterscheidung eines Schiebebetriebs oder einer Bergauf- oder Bergabfahrt neben der Geschwindigkeit noch die Beschleunigung des Fahrzeugs erfasst und in Abhängigkeit von diesen dynamischen Parametern die Steuersignale für den elektrischen Hilfsantrieb berechnet.
Diese Beschleunigung kann beispielsweise durch einen geeigneten Neigungssensor oder dergleichen oder aber auch aus den Geschwindigkeitssignalen berechnet werden.
Eine Besonderheit ist, dass keine teuren Sensoren erforderlich sind, um das vom Fahrer aufgebrachte Drehmoment zu erfassen.
Die Ansteuerung des elektrischen Hilfsantriebs wird verbessert, wenn in das Berechnungsmodell statische Parameter wie beispielsweise das Fahrzeuggewicht bzw. die Fahrzeugmasse oder das Gewicht bzw. die Masse des Fahrers eingehen.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn die Steuersignale in vorbestimmten Zeitintervallen oder bei vorbestimmten Änderungen der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung neu berechnet werden.
Die Berechnung erfolgt vorzugsweise auf einem physikalischen Modell, bei dem vorausgesetzt wird, dass die vom Hilfsmotor zugeführte Antriebskraft im Gleichgewicht steht mit den aus der Fahrzeuggeschwindigkeit, optional der Beschleunigung und weiterhin optional aus der Gewichtskraft bestimmten Reibungs-, Luftwiderstands- und Beschleunigungskräften steht.
In einer favorisierten Lösung hat die Formel zur Berechnung des Motorwunschdrehmoments die Form: τ = (v2 * cv + a * F * ca + sl * csl + M * cf) * v * ch / ω m
Dabei müssen nicht alle Terme bzw. Variablen eingesetzt werden.
Mit F = Fahrzeuggesamtmasse; τ = Motormoment, a = Fahrzeugbeschleunigung, v = Fahrzeuggeschwindigkeit, ω m = Motordrehzahl, sl = Steigung, cv = Geschwindigkeitskonstante, ca = Beschleunigungskonstante, csl = Steigungskonstante, cf = Reibungskonstante, ch = Unterstützungsgrad.
Das Verhältnis ca / cv muss zwischen 0 und 12 liegen.
Die Motorleistung muss zu jedem Zeitpunkt kleiner sein als die Leistung, die nötig ist, um den aktuellen dynamischen Zustand des Systems zu erhalten.
Das erfindungsgemäße muskelkraftbetätigte Fahrzeug hat dementsprechend einen elektrischen Hilfsantrieb, einen Sensor zum Erfassen der Geschwindigkeit oder davon abhängiger dynamischer Parameter, einer Steuereinheit zum Berechnen von Steuersignalen für den elektrischen Hilfsantrieb im Wesentlichen aus den Geschwindigkeitssignalen und eine Ausgabeeinheit zum Ansteuern des elektrischen Hilfsantriebs in Abhängigkeit von diesen Steuersignalen.
Die Ausgabeeinheit kann in die Steuereinheit integriert sein.
Das Fahrzeug kann des Weiteren einen Aufnehmer zum Erfassen der Beschleunigung aufweisen. Dieser Aufnehmer kann beispielsweise ein Neigungssensor sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt ein stark vereinfachtes Regelschema eines muskelkraftbetätigten Fahrzeugs mit elektrischem Hilfsantrieb.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Fahrzeug als Zweirad 1 ausgeführt, das neben einem Kurbel- oder Pedalantrieb 2 einen elektrischen Hilfsmotor, beispiels- weise einen Nabenmotor 4 aufweist. Die Energieversorgung dieses Nabenmotors 4 erfolgt über einen Akku 6, die beispielsweise in den Rahmen des Zweirades 1 integriert sein kann.
Die Ansteuerung des Nabenmotors 4 erfolgt über eine ebenfalls rahmenfeste Steuer- und Ausgabeeinheit 8. Diese besteht im Prinzip aus einer Leistungselektronik mit einem geeigneten Motorregler. Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn dieser Motorregler als Pl-Regler ausgeführt ist.
Das Zweirad 1 hat einen Sensor 10 zum Erfassen der Fahrzeuggeschwindigkeit v und optional einen Beschleunigungssensor 12 zur Erfassung der Fahrzeugbeschleunigung a. Dieser kann beispielsweise als Neigungssensor ausgeführt sein, so dass eine Bergauf- oder Bergabfahrt, ein Schiebebetrieb („Segeln") oder dergleichen erfassbar ist.
Das Fahrzeug kann, wie in der Figur angedeutet, des Weiteren auch mit einem geeigneten Aufnehmer zum Erfassen des Fahrzeug- und/oder Fahrergewichtes bzw. der Fahrzeug- und/oder Fahrermasse ausgeführt sein, so dass entsprechend das jeweilige Gesamtgewicht bzw. die Gesamtmasse F bestimmt werden kann.
Denkbar ist auch eine Kalkulation der Fahrzeuggesamtmasse F aus der Reaktion des Systems aus einen kurzzeitige Änderung der Beschleunigung (Ruck) nach einer Formel der Art:
F=Ai/Aa*c
Mit F = Fahrzeugesamtmasse, i = Motorstrom, a = Fahrzeuglängsbeschleunigung
Im Fahrzustand des Fahrzeugs 1 werden die dynamischen Parameter (Fahrzeuggeschwindigkeit v, Beschleunigung a) und die statischen Parameter (Fahrzeuggewicht bzw. Fahrzeugmasse F) als Eingangssignale der Steuereinheit 8 zugeführt und von dieser ausgewertet. Die Verwendung eines Pl-Reglers bringt den Vorteil mit sich, dass dieser als Drehzahlregler mit der Vorgabe a = 0 (Beschleunigung gleich Null) eingesetzt werden kann, wobei die zeitkonstanten Reibungsterme durch einen I-Anteil eliminiert sind. Die Beschleunigungskräfte können über eine Voreinstellung einer Wunschge- schwindigkeit berücksichtigt werden, wobei aus dieser Wunschgeschwindigkeit oder Wunschdrehzahl des Nabenmotors 4 dann auf diejenigen Drehmomentwerte zurückgeschlossen werden kann, die man im jeweiligen Fahrzustand benötigt. Mit anderen Worten gesagt, der Fahrer gibt durch seine Muskelkraft eine bestimmte Wunschgeschwindigkeit vor und die Motorsteuerung führt über den Hilfsantrieb soviel Drehmoment zu, bis der gewünschte Fahrzustand erreicht ist.
Dabei wird ein physikalisches Modell des Fahrzeugs zugrunde gelegt, das die gesamte Antriebskraft, d.h. die durch Muskelkraft bereit gestellte Antriebskraft und die durch den elektrischen Hilfsantrieb unterstützend bereit gestellte Antriebskraft im Gleichgewicht stehen muss mit den aus der Reibung, beispielsweise dem Rollwiderstand resultierenden Reibungskräften, aus den aus dem Luftwiderstand (Angriffsfläche des Fahrzeugs, Fahrers + Fahrzeuggeschwindigkeit) resultierenden Luftwiderstandskräften und aus den auf das Fahrzeug wirkenden Beschleunigungskräften.
D.h. wenn der Fahrer beispielsweise bei einem Fahren auf ebener Fläche versucht, das Fahrzeug über den Pedalantrieb zu beschleunigen, so wird diese Beschleunigung er- fasst und zusätzliche Antriebskraft über den elektrischen Hilfsantrieb bereit gestellt. Diese Unterstützung erfolgt solange, bis der Fahrer die gewünschte Geschwindigkeit erreicht hat und selbst nichts mehr tut, um das Fahrzeug zu beschleunigen.
Im Falle einer Bergauffahrt wird die Fahrzeuggeschwindigkeit etwas abfallen, über den Beschleunigungssensor wird jedoch die sich entsprechend einstellende, in Bergabrichtung wirkende Beschleunigung (Gravitation) erfasst, so dass wiederum vom elektrischen Hilfsantrieb Energie zugeführt wird, die den Fahrer bei der Bergauffahrt unterstützt.
Entsprechend wird bei der Bergabfahrt die Unterstützung durch den elektrischen Hilfsmotor zurückgefahren, um das Fahrzeug auf dem gewünschten Geschwindigkeitsniveau zu halten.
Das beschriebene Antriebskonzept ermöglicht es, ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Hilfsantriebs eines muskelkraftbetätigten Fahrzeugs und ein muskelkraft- betätigtes Fahrzeug mit einem elektrischen Hilfsantrieb zu schaffen, das sich durch einen äußerst einfachen Aufbau bei geringem erforderlichem vorrichtungs- und regelungstechnischen Aufwand auszeichnet.
Offenbart sind ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Hilfsantriebs eines muskelkraftbetätigten Fahrzeugs und ein muskelkraftbetätigtes Fahrzeug mit einem elektrischen Hilfsantrieb, bei dem die Ansteuerung des elektrischen Hilfsantriebs im Wesentlichen in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit und/oder der Beschleunigung des Fahrzeugs erfolgt.
Bezugszeichenliste:
1 Zweirad
2 Pedalantrieb
4 Nabenmotor
6 Akku
8 Steuereinheit
10 Geschwindigkeitssensor
12 Beschleunigungssensor

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Hilfsantriebs eines muskelkraftbetätigten Fahrzeugs, insbesondere eines Zweirades, mit den Schritten:
- Erfassen der Geschwindigkeit oder der Geschwindigkeit und der Beschleunigung des Fahrzeugs;
- Berechnen von Steuersignalen im Wesentlichen aus diesen erfassten Parametern; und
- Steuern der vom elektrischen Hilfsantrieb abgegebenen Leistung in Abhängigkeit von den Steuersignalen.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , wobei in die Berechnung der Steuersignale sowohl die Fahrzeuggeschwindigkeit als auch die Beschleunigung eingehen.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei in die Berechnung der Steuersignale auch statische Parameter eingehen.
4. Verfahren nach Patentanspruch 3, wobei die statischen Parameter Fahrzeugmasse und/oder Fahrermasse sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Steuersignale in vorbestimmten Zeitintervallen oder bei vorbestimmten Änderungen der Fahrzeuggeschwindigkeit oder der Beschleunigung neu berechnet werden.
6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, wobei die Berechnung der Steuersignale auf einem physikalischen Modell basiert, bei dem vorausgesetzt wird, dass die vom Hilfsmotor und per Muskelkraft zugeführte Antriebskraft bzw. zugeführte Drehmoment im Gleichgewicht steht mit den aus der Geschwindigkeit, der Beschleunigung und der Gewichtskraft sowie bestimmten Fahrzeugkonstanten resultierenden Reibungs-, Luftwiderstands- und Beschleunigungskräften.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Berechnung der Steuersignale ohne Drehmomenterfassung im muskelkraftbetätigten Antriebsstrang erfolgt.
8. Muskelkraftbetätigtes Fahrzeug mit einem elektrischen Hilfsantrieb, mit:
- einem Sensor (10) zum Erfassen der Geschwindigkeit;
- einer Steuereinheit (8) zum Berechnen von Steuersignalen für den elektrischen Hilfsantrieb (4) im Wesentlichen aus den Geschwindigkeitssignalen und/ oder Beschleunigungssignalen; und
- einer Ausgabeeinheit (8) zum Ansteuern des elektrischen Hilfsantriebs (4) in Abhängigkeit von den Steuersignalen.
9. Fahrzeug nach Patentanspruch 8, mit einem Sensor (12) zum Erfassen der Beschleunigung.
10. Fahrzeug nach Patentanspruch 9, wobei der Beschleunigungssensor (12) ein Neigungssensor ist.
EP11770720.8A 2010-09-28 2011-09-28 Verfahren zum ansteuern eines elektrischen hilfsantriebs eines muskelkraftbetätigten fahrzeugs und dessen muskelkraftbetätigtes fahrzeug Withdrawn EP2621795A1 (de)

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