EP4705176A1

EP4705176A1 - Zurückrollverhinderungsverfahren

Info

Publication number: EP4705176A1
Application number: EP23724729.1A
Authority: EP
Inventors: Markus Wallner; Uwe Schraff; Niclas WIESENT; Markus Strobel; Patrick Mueller; Thomas HODRIUS; Nebojsa Markovic; Thomas Riedisser
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2023-05-03
Filing date: 2023-05-03
Publication date: 2026-03-11
Also published as: WO2024227504A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verhindern eines Zurückrollens eines Fahrrads (1) an einer Steigung gezeigt, wobei das Fahrrad (1) ein elektrisches Antriebssystem (3) mit wenigstens einem Elektromotor aufweist. Das Verfahren umfasst hierbei die Schritte des Empfangens (S1.1) eines Sensorsignals eines Rotorlagesensors (2) des Elektromotors, des Bestimmens (S1.2) eines Zurückrollens des Fahrrads (1) anhand des empfangenen Sensorsignals und des Aufbringens (S3) einer dem Zurückrollen entgegenwirkenden Kraft mittels des Elektromotors, wenn ein Zurückrollen bestimmt wird. Ferner wird eine zugehörige Steuereinrichtung, ein zugehöriges Computerprogrammprodukt, sowie ein zugehöriges Fahrrad gezeigt.

Description

Zurückrollverhinderungsverfahren

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf auf ein Verfahren zum Verhindern eines Zurückrollens eines Fahrrads an einer Steigung, sowie eine zugehörige Steuereinrichtung, ein zugehöriges Computerprogrammprodukt, sowie ein zugehöriges Fahrrad.

Stand der Technik

Fahrräder mit elektrischem (Hilfs-) Antrieb, wie beispielsweise E-Bikes und Pedelecs sind im Allgemeinen bekannt. Auch sind sportliche E-Mountainbikes im Einsatz. Wenn ein Fahrradfahrer allerdings in einer Steigung stehen bleibt, kann das Fahrrad zurückrollen, wenn nicht rechtzeitig die Bremse betätigt wird. Dies stellt ein Sicherheitsrisiko gerade für unerfahrene Fahrer dar.

Aus DE 10 2004 035 089 A1 ist ein Bremssystem mit Rückrollsicherung für Elektro- Hybrid-angetriebene Fahrzeuge bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obengenannten Probleme des Stands der Technik zu lösen und ein entsprechendes Verfahren, eine Software, sowie ein Steuergerät zur Lösung dieses Verfahrens bereitzustellen.

Darstellung der Erfindung

Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verhindern eines Zurückrollens eines Fahrrads an einer Steigung, wobei das Fahrrad ein elektrisches Antriebssystem mit wenigstens einem Elektromotor umfasst.

Unter einem Fahrrad sind hierbei sämtliche Fährräder zu verstehen, welche sowohl einen elektrischen (Hilfs-)Antrieb als auch einen Muskelkraft-betriebenen Antrieb aufweisen, wobei das Fahrrad entweder rein durch Muskelkraft oder rein elektrisch oder im Hybridbetrieb sowohl durch Muskelkraft als auch elektrisch angetrieben werden kann.

Zu diesem elektrischen Antrieb ist, wie oben definiert, das Fahrrad mit einem elektrischen Antriebssystem mit wenigstens einem Elektromotor, auch als E-Maschine bezeichnet, versehen. Der entsprechende Elektromotor kann beispielsweise als Mittelmotor oder auch als Hinterradantrieb ausgebildet sein. Ist der Elektromotor als Mittelmotor ausgebildet, so ist dieser im Bereich des Tretlagers des Fahrrads verbaut und derart mit einem Antriebsrad, wie dem Hinterrad, gekoppelt, dass der Elektromotor eine Kraft auf das Antriebsrad aufbringen kann. Auch wird eine Drehung des Antriebsrads auf den Elektromotor übertragen.

Das Verfahren umfasst sodann den Schritt des Empfangens eines Sensorsignals eines Rotorlagesensors des Elektromotors.

Ein Elektromotor weist im Allgemeinen einen Rotorlagesensor auf. Der Rotorlagesensor kann eine Bewegung des Rotors des Elektromotors sowie seine Drehrichtung erfassen. Im Allgemeinen wird dieser verwendet, um beispielsweise sicherzustellen, dass sich der Rotor in eine korrekte Drehrichtung dreht. Ein derartiger Rotorlagesensor wird auch als Resolver bezeichnet. Dieser bereits geringe Bewegungen des Rotors und somit bereits eine geringe Motordrehzahl detektieren. Da der Elektromotor mit zumindest einem Antriebsrad des Fahrrads derart verbunden ist, dass eine auf das Rad aufgebrachte Kraft auf den Elektromotor übertragen wird, verursacht eine Drehung des Antriebsrads auch eine Drehung des Elektromotors. Somit kann ein Rollen des Fahrrads mittels des Rotorlagesensors detektiert werden. Da bereits ein Bruchteil einer Umdrehung eines Rads des Fahrrads zu einer durch den Rotorlagesensor messbaren Bewegung führt, kann ein Zurückrollen des Fahrrads unter Verwendung des Rotorlagesensors des Elektromotors sehr schnell erkannt werden.

Hierzu wird sodann in einem weiteren Schritt anhand des empfangenen Sensorsignals ein Zurückrollen des Fahrrads bestimmt. Hierbei kann beispielsweise eine Bewegung an sich, jedoch auch eine Drehrichtung des Rotorlagesensors, welche mittels des Sensorsignals bestimmt werden kann, herangezogen werden.

Sodann umfasst das Verfahren den Schritt des Aufbringens einer dem Zurückrollen entgegenwirkenden Kraft mittels des Elektromotors, wenn ein Zurückrollen bestimmt wird. Entsprechend wird der Motor sodann derart bestromt, dass die Kraft, welche das Zurückrollen verursacht, im Allgemeinen der Hangabtriebskraft, ausgeglichen wird. Hierzu kann, wie später genauer beschrieben wird, eine durch den Elektromotor aufgebrachte Kraft, und somit ein Drehmoment des Elektromotors, schrittweise gesteigert werden, bis durch den Rotorlagesensor erfasst wird, dass kein Zurückrollen stattfindet. Sodann kann die Kraft in einer Ausführungsform entsprechend aufrechterhalten werden.

In einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Bestimmens ein aus dem Sensorsignal abgeleiteter Sensorwert mit einem Schwellwert verglichen werden. Ein derartiger Schwellwert kann vordefiniert oder auch durch einen Benutzer festlegbar sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine durch den Rotorlagesensor erfasste Drehzahl am Elektromotor handeln. Entsprechend kann beispielsweise ein leichtes Zurückrollen noch zulässig sein, wobei ein stärkeres Zurückrollen unterbunden wird. Auch kann ein zeitlicher Schwellwert vorgesehen sein, wobei ein kurzes Zurückrollen nicht unterbunden wird, jedoch ein Zurückrollen über eine gewisse vordefinierte Zeitspanne, als Schwellwert, unterbunden wird. Ein derartiger Schwellwert kann entweder vorgegeben oder auch durch einen Benutzer bestimmbar sein.

In einer Ausführungsform kann ferner im Schritt des Aufbringens die entgegenwirkende Kraft so lange erhöht werden, bis ein Haltemoment erreicht ist. Ein Haltemoment ist hierbei ein Moment, welches aufgebracht werden muss, um die das Zurückrollen verursachende Kraft auszugleichen. Das heißt, im Allgemeinen ist ein Haltemoment ein Moment, welches aufgebracht werden muss, um der Hangabtriebskraft entgegenzuwirken. Wird das Haltemoment erreicht, so kann vorgesehen sein, dieses Haltemoment durch entsprechende Ansteuerung des Elektromotors beizubehalten, um das Zurückrollen dauerhaft zu verhindern und gleichzeitig keinerlei Vortrieb zu verursachen.

In einer weiteren Ausführungsform kann ferner das Empfangen eines Neigungswinkels eines Neigungswinkelsensors vorgesehen sein. Der Neigungswinkel ist dabei Maß für die Stärke der Steigung einer Fahrstrecke des Fahrrads. Zur Bestimmung dieses Neigungswinkels kann ein Neigungswinkelsensor verwendet werden, welcher entweder Teil des Fahrrads oder auch Teil einer externen Einheit sein kann. Bei einer externen Einheit kann es sich hierbei beispielsweise um ein mobiles Endgerät, wie ein Smartphone, eine Smartwatch oder einen Fitness-Checker handeln. Entsprechend kann der Neigungswinkel vom Neigungswinkelsensor drahtgebunden oder drahtlos empfangen und übermittelt werden. Dieser Neigungswinkel kann sodann zur Bestimmung einer Steigung in Fahrtrichtung verwendet werden. Entsprechend wird der Neigungswinkel verwendet, um eine Steigung in Fahrtrichtung zu bestimmen. Hierbei kann in einer Ausführungsform der Neigungswinkel mit einem entsprechenden Neigungswinkelschwellwert verglichen werden, um die Steigung zu bestimmen, oder um die entsprechende Funktionalität nur im starken Gefälle zu aktivieren. Ein derartiger Neigungswinkelschwellwert kann entweder vorgegeben oder auch durch einen Benutzer bestimmbar sein.

Sodann wird der Schritt des Aufbringens lediglich dann ausgeführt, falls eine Steigung in Fahrtrichtung bestimmt wurde. Wird keine Steigung in Fahrtrichtung bestimmt bzw. liegt der Neigungswinkel unter dem Neigungswinkelschwellwert, so wird zumindest der Schritt des Aufbringens der dem Zurückrollen entgegenwirkende Kraft mithilfe des Elektromotors nicht ausgeführt.

In einer weiteren Ausführungsform kann ferner ein Empfangen eines Benutzereingabesignals einer Benutzereingabevorrichtung vorgesehen sein.

Bei einer derartigen Benutzereingabevorrichtung kann es sich einerseits um eine Bedieneinheit am Fahrrad handeln, jedoch auch um ein sonstiges drahtgebunden oder drahtlos kommunizierendes Endgerät, wie beispielsweise ein Smartphone handeln. Mithilfe dieser Benutzereingabeeinrichtung kann der Benutzer den Rückrollschutz aktivieren und deaktivieren. Hierzu wird ein Benutzereingabesignal von dieser gesendet und hier empfangen. Sodann wird der Schritt des Aufbringens nur ausgeführt, falls das Benutzereingabesignal eine Aktivierung einer Zurückrollverhinderung anzeigt.

Ansonsten wird zumindest keine Ausführung des Schritts des Aufbringens durchgeführt. Somit kann durch eine Aktivierung oder eine Deaktivierung der Rückrollschutz vom Benutzer gesteuert werden. Hierbei ist eine Deaktivierung der Zurückrollverhinderung gleichbedeutend zu interpretieren wie eine nicht vorhandene Aktivierung einer Zurückrollverhinderung.

In einer weiteren Ausführungsform kann ferner vorgesehen sein, den Kurbelmoment eines Kurbelmomentsensors zu empfangen. Ein derartiger Kurbelmomentsensor kann im Bereich der Tretkurbel angebracht sein und kann die auf die Tretkurbel über die Pedale wirkende Kraft messen. Dieser Kurbelmoment stellt somit die durch den Benutzer auf die Tretkurbel und somit auch auf das Antriebsrad aufgebrachte Kraft dar. Dieser Kurbelmoment kann sodann ebenfalls in dem Schritt des Aufbringens einer gegenwirksamen Kraft verwendet werden. Da eine durch den Benutzer aufgebrachte Kraft ebenso das Zurückrollen steuert oder reduziert, kann vorgesehen sein, lediglich eine derartige Kraft durch den Elektromotor aufzubringen, dass die Summe aus dem Kurbelmoment bzw. der durch den Benutzer aufgebrachten Kraft und die durch den Elektromotor aufgebrachten Kraft das Zurückrollen ausgleicht und somit einem Haltemoment entspricht.

In einer weiteren Ausführungsform kann ferner vorgesehen sein, zumindest einen oder alle Schritte des oben beschriebenen Verfahrens wiederholt auszuführen. Entsprechend kann ein wiederholtes Empfangen der entsprechenden Sensorwerte sowie ein wiederholtes Bestimmen des Zurückrollens und ein wiederholtes entsprechend angepasstes Aufbringen einer entgegenwirkenden Kraft vorgesehen werden, um auch beispielsweise bei einer veränderten Kraftaufbringung durch den Benutzer oder bei einer Änderung des Gefälles das Zurückrollen optimal zu verhindern und weder ein Zurückrollen noch ein Anfahren zu verursachen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Steuereinrichtung für ein Fahrrad, wobei die Steuereinrichtung mit einem elektrischen Antriebssystem des Fahrrads verbindbar ist. Diese entsprechende Steuereinrichtung weist Mittel zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden beschriebenen Ausführungsformen auf.

Sodann umfasst die vorliegende Erfindung ebenfalls ein Computerprogramm, welches Befehle enthält, die bei der Ausführung des Programms durch eine Steuereinrichtung diese veranlassen, die oben beschriebenen Verfahrensschritte auszuführen.

Auch ein Fahrrad mit einem elektrischen Antriebssystem mit wenigstens einem Elektromotor und der oben beschriebenen Steuereinrichtung wird offenbart, wobei das elektrische Antriebssystem mit der Steuereinrichtung verbunden ist. Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrrads bei einem Ausführungsbeispiel.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufs für die Fahrsituation aus Figur 1 .

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen

In Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrrads 1 nach einem Ausführungsbeispiel. Das Fahrrad 1 ist als E-Bike oder Pedelec ausgebildet. Hierbei weist das Fahrrad 1 eine Tretkurbeleinheit 6 auf, von welcher zur besseren Übersichtlichkeit nur ein Pedal 4 dargestellt ist. Weiterhin weist das Fahrrad 1 ein elektrisches Antriebssystem 3 auf, dessen Elektromotor beispielsweise im Bereich des Tretlagers angeordnet sein kann. Hierbei ist mit Bezugszeichen 2 schematisch die Lage des Rotorlagesensors im Elektromotor des elektrischen Antriebssystems 3 dargestellt. Das elektrische Antriebssystem weist ferner einen elektrischen Energiespeicher 5 auf, der mit dem Elektromotor verbunden ist. Der Energiespeicher 5 kann den Elektromotor mit elektrischer Energie versorgen (Motorbetrieb) oder kann mittels des Motors mit elektrischer Energie versorgt werden (Generatorbetrieb).

Das Antriebsrad des Fahrrads, hier das Hinterrad, ist sowohl mit dem Elektromotor als auch mit der Tretkurbeleinheit 6 wirkverbunden, so dass das Fahrrad entweder rein mit Muskelkraft oder rein elektrisch oder sowohl mit Muskelkraft als auch elektrisch angetrieben werden kann. Auch kann die Drehung des Hinterrads auf den Elektromotor übertragen werden.

Das Fahrrad weist ferner eine Steuereinrichtung 20 auf, die mit dem elektrischen Antriebssystem 3 genauer mit der Elektronik des elektrischen Antriebssystems 3 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 20 kann daher das elektrische Antriebssystem 3 steuern.

Zudem weist das hier gezeigte Fahrrad 1 mehrere Sensoren auf, die mit der Steuereinheit 20 verbunden sind. Das Fahrrad weist hier einen Neigungswinkelsensor 21 auf, der dazu einrichtet ist, den aktuellen Neigungswinkel des Fahrrads und somit eine Steigung oder ein Gefälle, auf welchem sich das Fahrrad befindet, zu ermitteln. Die Sensorsignale des Neigungswinkelsensors 21 werden an die Steuereinrichtung 20 ausgegeben und von dieser empfangen, so dass die Steuereinrichtung 20 ausgehend von den Neigungswinkel-Sensorsignalen bestimmen kann, ob das Fahrrad an einer Steigung befindlich ist.

Das Fahrrad 1 kann hierbei ferner weitere Sensorik, wie einen Kurbelmomentsensor 22 aufweisen, der dazu eingerichtet ist, das aktuelle Kurbelmoment des Fahrrads 1 zu ermitteln. Diesen Wert übermittelt kann der Kurbelmomentsensor 22 an die Steuereinrichtung 20 übermitteln.

Mittels des oben bereits gezeigten Rotorlagesensors 2 kann eine Drehung des Elektromotors durch die Bestimmung der Bewegung des Rotors des Elektromotors bestimmt werden. Auch eine Erfassung einer Drehrichtung ist mithilfe des Rotorlagesensors 2 möglich. Da der Elektromotor mit dem Antriebsrad des Fahrrads wirkverbunden ist, kann auch eine Drehung des Antriebsrads, und somit ein Zurückrollen, durch den Rotorlagesensor 2 bestimmt werden. Dieses Sensorsignal übermittelt der Rotorlagesensor 2 sodann in Richtung Steuereinrichtung 20. Somit kann mittels des Rotorlagesensors 2 festgestellt werden, ob das Fahrrad 1 aufgrund der Steigung entgegen der Fahrtrichtung zurückrollt, wie durch den Pfeil 7 dargestellt.

Da hierzu der Rotorlagesensor 2 verwendet wird, können auch kleine Bewegungen des Antriebsrads erkannt werden und es kann somit ein Zurückrollen deutlich schneller erfasst werden, als wenn ein üblicher Drehmomentsensor an einem der Laufräder verwendet wird, da bereits eine Teilrotation eines Laufrads signifikante Bewegungen im Elektromotor verursachen und somit eine schnelle Erfassung durch den Rotorlagesensor 2 erfolgen kann. Auch ist der Rotorlagesensor 2 bereits in jedem Elektromotor vorhanden und es kann somit eine einfache Implementierung der hier gezeigten Lösung vorgenommen werden.

Ausgehend von den sensorisch ermittelten Werten kann ein Verfahren zum automatisierten Verhindern eines Zurückrollens des Fahrrads 1 durchgeführt werden, welches in dem Verfahrensfließbild der Figur 2 dargestellt ist.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs für die Fahrsituation aus Figur 1 . Zunächst wird in Schritt S1 .1 ein Sensorsignal des Rotorlagesensors 2 empfangen. In der hier gezeigten Ausführungsform wird gleichzeitig in Schritt S1 .2 ein Neigungswinkel von dem Neigungswinkelsensor 21 empfangen. Sodann wird in Schritt S2.1 anhand des vom Rotorlagesensor 2 empfangenen Signals bestimmt, ob das Fahrrad 1 zurückrollt. In der vorliegenden Ausführungsform erfolgt dies durch einen Vergleich mit einem entsprechenden Schwellwert. Gleichzeitig kann in Schritt 2.2 anhand eines Vergleichs des empfangenen Neigungswinkels mit einem Neigungswinkelschwellwert bestimmt werden, ob sich das Fahrrad derzeit an einer Steigung befindet. Nur wenn beide Vergleiche einen positiven Ausgang aufweisen, hier durch das Zeichen „+“ im Flussdiagramm dargestellt, wird im Schritt S3 sodann eine dem Zurückrollen entgegenwirkende Kraft mittels des Elektromotors aufgebracht. Hier wird die Kraft so lange erhöht, bis ein Haltemoment erreicht ist.

Bei dem in Figur 1 gezeigten Fahrrad würde somit in Schritt S2.2 anhand des Neigungswinkels erkannt werden, dass das Fahrrad sich an einer Steigung befindet. Gleichzeitig würde die durch den Pfeil 7 gezeigte Rotation des Antriebsrads des Fahrrads durch den Rotorlagesensor 2 detektiert. Entsprechend würde sodann die elektrische Antriebseinheit 3, genauer der Elektromotor der elektrischen Antriebseinheit 3, eine Gegenkraft aufbringen, bis ein Zurückrollen unterbunden wird.

Bezuqszeichen Fahrrad Rotorlagesensor Elektrisches Antriebssystem Pedal Energiespeicher Tretkurbeleinheit Rotation des Antriebsrads Steuereinrichtung Neigungswinkelsensor Kurbelmomentsensor Empfangen vom Rotorlagesensor Empfangen vom Neigungswinkelsensor Bestimmen eines Zurückrollens Bestimmen einer Steigung Aufbringen einer Gegenkraft

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren zum Verhindern eines Zurückrollens eines Fahrrads (1 ) an einer Steigung, wobei das Fahrrad (1 ) ein elektrisches Antriebssystem (3) mit wenigstens einem Elektromotor aufweist, die Schritte umfassend;

- Empfangen (S1.1 ) eines Sensorsignals eines Rotorlagesensors (2) des Elektromotors;

- Bestimmen (S2.1 ) eines Zurückrollens des Fahrrads (1 ) anhand des empfangenen Sensorsignals;

- Aufbringen (S3) einer dem Zurückrollen entgegenwirkenden Kraft mittels des Elektromotors, wenn ein Zurückrollen bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei im Schritt des Bestimmens (S3) eines Zurückrollens, ein aus dem Sensorsignal abgeleiteter Sensorwert mit einem Schwellwert verglichen wird und bei einem über- bzw. unterschreiten ein Zurückrollen bestimmt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Schritt des Aufbringens (S3) die entgegenwirkende Kraft so lange erhöht wird, bis ein Haltemoment erreicht ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassen:

- Empfangen (S1.2) eines Neigungswinkels eines Neigungswinkelsensors (21 );

- Bestimmen (S2.2) einer Steigung in Fahrtrichtung basierend auf dem Neigungswinkel, wobei

- der Schritt des Aufbringens (S3) ausgeführt wird, falls eine Steigung in Fahrtrichtung bestimmt wurde und ansonsten keine Ausführung des Schritts des Aufbringens erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend:

- Empfangen eines Benutzereingabesignals einer Benutzereingabevorrichtung, wobei

- der Schritt des Aufbringens (S3) ausgeführt wird, falls das Benutzereingabesignal eine Aktivierung einer Zurückrollverhinderung anzeigt und ansonsten keine Ausführung des Schritts des Aufbringens erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend:

- Empfangen eines Kurbelmoments eines Kurbelmomentsensors (22), wobei

- im Schritt des Aufbringens eine derartige Kraft durch den Elektromotor aufgebracht wird, dass die Summe aus Kurbelmoment und durch den Elektromotor aufgebrachter Kraft das Zurückrollen ausgleicht und somit einem Haltemoment entspricht.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorgenannten Schritte wiederholt ausgeführt werden.

8. Steuereinrichtung (20) für ein Fahrrad, wobei die Steuereinrichtung (20) mit einem elektrischen Antriebssystem (3) des Fahrrads (1 ) verbindbar ist, und wobei die Steuereinrichtung (20) Mittel zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.

9. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Steuereinrichtung (20) diese veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.

10. Fahrrad (1 ), aufweisend ein elektrisches Antriebssystem (3) mit wenigstens einem Elektromotor und eine Steuereinrichtung (20) nach Anspruch 8, wobei das elektrische Antriebssystem (3) mit der Steuereinrichtung (20) verbunden ist.