IT201800003854A1

IT201800003854A1 - "Traction Control System For Electric Vehicles"

Info

Publication number: IT201800003854A1
Application number: IT102018000003854A
Authority: IT
Inventors: Bruno Vianello; Mauro Fantin
Original assignee: Texa Dynamics S R L
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2019-09-21

Description

“Sistema Di Controllo Trazione Per Veicoli Elettrici” "Traction Control System For Electric Vehicles"

DESCRIZIONE DESCRIPTION

L'invenzione si riferisce - in generale - ad un sistema di controllo trazione per un veicolo a propulsione assistita da motore elettrico. Il sistema può essere applicato vantaggiosamente ad es. a biciclette a pedalata assistita. The invention refers - in general - to a traction control system for a vehicle with propulsion assisted by an electric motor. The system can be applied advantageously e.g. to pedal assisted bicycles.

Le odierne biciclette elettriche a pedalata assistita, qui prese ad esempio, sono dispositivi sofisticati e gestiti da centraline elettroniche. I sistemi di sicurezza e navigazione a bordo necessitano – inter alia - di rilevare la coppia sviluppata dal ciclista, per conferire massima naturalezza alla risposta dinamica del motore elettrico. Today's pedal assisted electric bicycles, taken here as an example, are sophisticated devices managed by electronic control units. The safety and navigation systems on board need - inter alia - to detect the torque developed by the cyclist, to give maximum naturalness to the dynamic response of the electric motor.

Siccome la coppia sviluppata dal motore elettrico viene imposta alla ruota come percentuale di quella generata muscolarmente sui pedali, i noti sistemi di controllo possono comportare situazioni di pericolo. Il motore elettrico viene attivato dal movimento dei pedali e fornisce, in base ad un livello di assistenza richiesto e impostato, una quantità di coppia che riduce proporzionalmente la fatica della pedalata. Since the torque developed by the electric motor is imposed on the wheel as a percentage of that generated muscle on the pedals, known control systems can involve dangerous situations. The electric motor is activated by the movement of the pedals and provides, based on a requested and set level of assistance, an amount of torque that proportionally reduces pedaling fatigue.

Teoricamente il sistema elettromeccanico di assistenza non dovrebbe mai fornire coppia alla ruota se il ciclista non sta sviluppando coppia sui pedali. Allo stesso modo, dovrebbe fermarsi qualora la pedalata cessi. Theoretically, the electromechanical assistance system should never provide torque to the wheel if the rider is not developing torque on the pedals. Likewise, it should stop if pedaling stops.

Nella realtà le latenze e le inerzie dei noti sistemi comportano che l’assistenza arrivi e cessi in ritardo rispetto al reale movimento dei pedali, a discapito della sicurezza del ciclista. In situazioni di manovra, curve a bassa velocità o partenze su terreno sterrato e/o in salita, la latenza del controllo di coppia, e quindi l’improvvisa accelerazione del motore o il ritardo nella decelerazione, possono causare la caduta del ciclista o una perdita improvvisa di aderenza sul terreno. In reality, the latencies and inertia of the well-known systems mean that assistance arrives and stops late with respect to the actual movement of the pedals, to the detriment of the cyclist's safety. In maneuvering situations, cornering at low speed or starting on dirt and / or uphill terrain, the latency of the torque control, and therefore the sudden acceleration of the engine or the delay in deceleration, can cause the cyclist to fall or a loss. sudden grip on the ground.

Evitare i suddetti problemi è lo scopo principale della presente invenzione. Avoiding the above problems is the main object of the present invention.

Tale scopo è raggiunto con un sistema e/o metodo come alle rivendicazioni allegate, in cui quelle dipendenti definiscono varianti vantaggiose. This object is achieved with a system and / or method as per the attached claims, in which the dependent ones define advantageous variants.

Si propone un metodo per controllare la coppia erogata da un motore elettrico rotativo montato su una bicicletta elettrica per assisterne la pedalata, comprendente la fase di A method is proposed to control the torque delivered by a rotary electric motor mounted on an electric bicycle to assist pedaling, including the step of

modificare in tempo reale la curva di erogazione di coppia del motore elettrico in funzione di un segnale letto da un sensore atto a rilevare una relazione spaziale tra la bicicletta e il terreno su cui poggia. modify in real time the torque delivery curve of the electric motor as a function of a signal read by a sensor adapted to detect a spatial relationship between the bicycle and the ground on which it rests.

Un altro aspetto dell’invenzione è una bicicletta elettrica comprendente Another aspect of the invention is an electric bicycle comprising

un motore elettrico rotativo per assistere la pedalata della bicicletta, a rotary electric motor to assist the pedaling of the bicycle,

un sensore atto a rilevare una relazione spaziale tra la bicicletta e il terreno su cui poggia, a sensor able to detect a spatial relationship between the bicycle and the ground on which it rests,

un controllore elettronico, ad es. un microprocessore, per controllare la coppia erogata dal motore elettrico, an electronic controller, e.g. a microprocessor, to control the torque delivered by the electric motor,

il controllore elettronico essendo configurato o programmato per modificare in tempo reale la curva di erogazione di coppia del motore elettrico in funzione di un segnale letto dal sensore. the electronic controller being configured or programmed to modify in real time the torque delivery curve of the electric motor as a function of a signal read by the sensor.

Preferibilmente la relazione spaziale è funzione delle o di alcune coordinate spaziali - e/o loro derivate temporali - della bicicletta rispetto al terreno su cui poggia. Preferably the spatial relationship is a function of the or some spatial coordinates - and / or their temporal derivatives - of the bicycle with respect to the ground on which it rests.

Rilevando la relazione spaziale della bicicletta rispetto al terreno e adattando di conseguenza l’erogazione assistita di coppia si possono evitare situazioni di pericolo, perché il controllo elettronico dell’erogazione di coppia esegue un controllo periodico sul sensore per determinare se la bicicletta si trova in una condizione in cui una prolungata o consentita erogazione di coppia creerebbe pericolo. By detecting the spatial relationship of the bicycle to the ground and adapting the torque assistance accordingly, you can avoid dangerous situations, because the electronic torque delivery control performs a periodic check on the sensor to determine if the bicycle is in a a condition in which prolonged or permitted torque delivery would create danger.

Preferibilmente il controllore elettronico è configurato o programmato per eseguire una o ciascuna fase del metodo. Preferably the electronic controller is configured or programmed to carry out one or each step of the method.

In una variante preferita, la relazione spaziale è l’inclinazione della bicicletta rispetto al terreno e/o l’angolo attuale di sterzata del manubrio, e il sensore comprende un accelerometro e/o un giroscopio in grado di fornire informazioni riguardo, rispettivamente, all’inclinazione della bicicletta rispetto al terreno e/o l’angolo attuale di sterzata del manubrio. In a preferred variant, the spatial relationship is the inclination of the bicycle with respect to the ground and / or the actual steering angle of the handlebar, and the sensor comprises an accelerometer and / or a gyroscope capable of providing information regarding, respectively, the the inclination of the bicycle in relation to the ground and / or the actual steering angle of the handlebar.

In una variante preferita, la relazione spaziale è la velocità della bicicletta rispetto al terreno. La velocità della bicicletta si può ricavare ad es. tramite l’integrale di un segnale emesso da un accelerometro posto sulla bicicletta. In a preferred variant, the spatial relationship is the speed of the bicycle relative to the ground. The speed of the bicycle can be obtained eg. through the integral of a signal emitted by an accelerometer placed on the bicycle.

Il detto accelerometro è in grado di misurare l’accelerazione statica della bicicletta e/o l’accelerazione dinamica, quando la bicicletta si sposta rispetto al terreno. La misurazione dell’accelerazione statica consente di misurare la direzione della forza di gravità, ovvero l’inclinazione della bicicletta. The said accelerometer is able to measure the static acceleration of the bicycle and / or the dynamic acceleration, when the bicycle moves relative to the ground. The measurement of static acceleration allows you to measure the direction of the force of gravity, or the inclination of the bicycle.

Il sensore o l’accelerometro preferibilmente misura il rollio (roll) e/o il beccheggio (pitch) della biciletta. In una variante preferita, la relazione spaziale è il numero di rotazioni al minuto di una ruota della bicicletta rispetto al terreno. Tale numero si può ricavare ad es. tramite un encoder ottico montato sulla ruota. The sensor or accelerometer preferably measures the roll and / or pitch of the bicycle. In a preferred variant, the spatial relationship is the number of rotations per minute of a bicycle wheel relative to the ground. This number can be obtained eg. via an optical encoder mounted on the wheel.

In una variante preferita, nella fase di modificare in tempo reale la curva di erogazione di coppia si riduce la coppia erogata. In a preferred variant, in the step of modifying the torque delivery curve in real time, the torque delivered is reduced.

In una variante preferita, la fase di modificare viene eseguita solo se, dopo un’operazione di confronto tra un dato letto dal sensore e un valore di soglia, il dato letto dal sensore ha una predeterminata relazione con il valore di soglia. In a preferred variant, the modification step is performed only if, after a comparison operation between a data read by the sensor and a threshold value, the data read by the sensor has a predetermined relationship with the threshold value.

In una variante preferita, il detto sensore della bicicletta comprende o è costituito da un sensore per l’inclinazione della bicicletta rispetto al terreno e/o l’angolo attuale di sterzata del manubrio. In a preferred variant, the said bicycle sensor comprises or consists of a sensor for the inclination of the bicycle with respect to the ground and / or the current steering angle of the handlebar.

In una variante preferita, il detto sensore della bicicletta comprende o è costituito da un accelerometro e/o un giroscopio in grado di fornire informazioni riguardo, rispettivamente, all’inclinazione della bicicletta rispetto al terreno e/o l’angolo attuale di sterzata del manubrio. In a preferred variant, the said bicycle sensor comprises or consists of an accelerometer and / or a gyroscope capable of providing information regarding, respectively, the inclination of the bicycle with respect to the ground and / or the actual steering angle of the handlebar. .

In una variante preferita, il detto sensore della bicicletta comprende o è costituito da un sensore di velocità della bicicletta. In a preferred variant, said bicycle sensor comprises or consists of a bicycle speed sensor.

In una variante preferita, la relazione spaziale è il numero di rotazioni al minuto di una ruota della bicicletta rispetto al terreno. Tale numero si può ricavare ad es. tramite un encoder ottico montato sulla ruota. In a preferred variant, the spatial relationship is the number of rotations per minute of a bicycle wheel relative to the ground. This number can be obtained eg. via an optical encoder mounted on the wheel.

I vantaggi dell’invenzione saranno più chiari dalla seguente descrizione di una preferita forma realizzativa di sistema, riferimento facendo all’allegato disegno in cui The advantages of the invention will be clearer from the following description of a preferred embodiment of the system, referring to the attached drawing in which

Fig.1 mostra uno schema a blocchi del metodo implementato da un controllore elettronico (ad es. un microprocessore) posto a bordo di una biciletta elettrica per regolare l’erogazione di coppia. Fig.1 shows a block diagram of the method implemented by an electronic controller (e.g. a microprocessor) placed on board an electric bicycle to regulate torque delivery.

Nella figura le frecce tra i blocchi indicano flusso di programma, e le lettere “Y” e “N” nei blocchi condizionali indicano rispettivamente l’avverarsi (Yes) o meno (No) della condizione. In the figure, the arrows between the blocks indicate program flow, and the letters "Y" and "N" in the conditional blocks respectively indicate the occurrence (Yes) or not (No) of the condition.

Il controllore elettronico che implementa il metodo serve per controllare la coppia erogata da un motore elettrico verso una ruota della bicicletta. The electronic controller that implements the method serves to control the torque delivered by an electric motor to a bicycle wheel.

Il controllore elettronico implementa il metodo preferibilmente attraverso le istruzioni di un programma software. The electronic controller implements the method preferably through the instructions of a software program.

La bicicletta è dotata di un accelerometro e di un giroscopio. The bicycle is equipped with an accelerometer and a gyroscope.

L’accelerometro è sfruttato come sensore di inclinazione della bicicletta rispetto al terreno su cui poggia, ed è preferibilmente montato nel motore elettrico. The accelerometer is used as a sensor for the inclination of the bicycle with respect to the ground on which it rests, and is preferably mounted in the electric motor.

Il giroscopio è montato nel manubrio ed è sfruttato come sensore di rotazione per il manubrio rispetto al telaio della bicicletta e/o rispetto al terreno. The gyroscope is mounted in the handlebar and is used as a rotation sensor for the handlebar with respect to the bicycle frame and / or with respect to the ground.

Nel primo blocco B1 il controllore elettronico controlla se l’utente ha impostato la pedalata assistita, e in caso contrario il sistema resta inerte e finisce al blocco B2 di attesa. Periodicamente poi dal blocco B2 il programma ritorna al blocco B1. In the first block B1 the electronic controller checks if the user has set the pedal assistance, and if not, the system remains inert and ends up in the waiting block B2. Then periodically from block B2 the program returns to block B1.

Se la condizione nel blocco B1 è verificata, l’esecuzione passa al blocco B3 ove il controllore elettronico legge un sensore che rileva se l’utente sta pedalando. If the condition in block B1 is verified, execution passes to block B3 where the electronic controller reads a sensor that detects if the user is pedaling.

Se l’utente non sta pedalando il programma ritorna al blocco B2. If the user is not pedaling, the program returns to block B2.

Se l’utente sta pedalando il programma del controllore elettronico esegue, in successione o parallelo, tre blocchi di controllo B4, B6, B6. If the user is pedaling, the electronic controller program executes, in succession or parallel, three control blocks B4, B6, B6.

Nel blocco di controllo B4 il controllore elettronico legge l’accelerometro per ricavare un dato indicativo del rollio della bicicletta, che viene confrontato con una soglia di rollio (ad es. un valore di soglia uguale a zero). Se il rollio misurato è inferiore o superiore alla soglia, il blocco B4 viene superato senza altro comando e l’esecuzione arriva al blocco B10. In control block B4, the electronic controller reads the accelerometer to obtain a data indicative of the bicycle roll, which is compared with a roll threshold (e.g. a threshold value equal to zero). If the measured roll is lower or higher than the threshold, block B4 is passed without another command and execution arrives at block B10.

Nel blocco di controllo B5 il controllore elettronico legge l’accelerometro per ricavare un dato indicativo del beccheggio della bicicletta, che viene confrontato con una soglia di beccheggio (ad es. un valore di soglia uguale a zero). Se il beccheggio misurato è inferiore o superiore alla soglia, il blocco B5 viene superato senza altro comando e l’esecuzione arriva al blocco B10. In control block B5, the electronic controller reads the accelerometer to obtain a data indicative of the pitch of the bicycle, which is compared with a pitch threshold (e.g. a threshold value equal to zero). If the measured pitch is lower or higher than the threshold, block B5 is passed without another command and execution arrives at block B10.

Nel blocco di controllo B6 il controllore elettronico legge il giroscopio per ricavare un dato indicativo dell’angolo di rotazione del manubrio rispetto al telaio, angolo che viene confrontato con un angolo soglia (ad es. un valore di soglia uguale a zero). Se l’angolo misurato è inferiore o superiore all’angolo soglia, il blocco B6 viene superato senza altro comando e l’esecuzione arriva al blocco B10. In control block B6, the electronic controller reads the gyroscope to obtain a data indicative of the angle of rotation of the handlebar with respect to the frame, an angle that is compared with a threshold angle (eg a threshold value equal to zero). If the measured angle is lower or higher than the threshold angle, block B6 is exceeded without any other command and execution reaches block B10.

Nel blocco B10 il controllore elettronico, in base a dei parametri memorizzati, regola il motore elettrico (ad es. intervenendo all’interno di un noto anello in retroazione) per controllare la coppia erogata verso i pedali. Ad es. il controllore elettronico regola il motore elettrico modificando i riferimenti degli anelli di retroazione che regolano il funzionamento del motore e/o della coppia erogata dal motore. In block B10, the electronic controller, based on stored parameters, adjusts the electric motor (eg by intervening inside a known feedback loop) to control the torque delivered to the pedals. Eg. the electronic controller regulates the electric motor by modifying the references of the feedback loops that regulate the functioning of the motor and / or the torque delivered by the motor.

Poi l’esecuzione ritorna al blocco B1 per un nuovo ciclo. Then the execution returns to block B1 for a new cycle.

Se in uno dei blocchi B4÷B6 il controllore elettronico determina un superamento della relativa soglia, l’esecuzione arriva rispettivamente al blocco B7, B8 o B9. If in one of the blocks B4 ÷ B6 the electronic controller determines an exceeding of the relative threshold, the execution arrives respectively at block B7, B8 or B9.

In ciascuno dei blocchi B7÷B9 il controllore elettronico modifica i parametri di controllo della coppia erogata dal motore elettrico, usati nel blocco B10, per diminuire tale coppia. Ad es. il controllore elettronico può modificare tali parametri in base ad una tabella che lega la deviazione dalla soglia del rollio, beccheggio o inclinazione ad un nuovo valore di parametro da usare. In each of the blocks B7 ÷ B9 the electronic controller modifies the control parameters of the torque delivered by the electric motor, used in the block B10, to decrease this torque. Eg. the electronic controller can modify these parameters on the basis of a table which links the deviation from the roll, pitch or inclination threshold to a new parameter value to be used.

Preferibilmente nel blocco B10 il controllore elettronico recupera dei parametri nominali per regolare il motore, in modo che se i blocchi B7÷B9 non sono eseguiti il controllo del motore avvenga come impostato dall’utente o secondo parametri prestabiliti per situazioni di sicurezza. Oppure, con lo stesso risultato, i blocchi B7÷B9 ad es. modificano solo temporaneamente i parametri, che ritornano quelli nominali dopo uno o più cicli successivi. Preferably in block B10 the electronic controller retrieves nominal parameters to regulate the motor, so that if blocks B7 ÷ B9 are not performed, the motor control takes place as set by the user or according to pre-established parameters for safety situations. Or, with the same result, the blocks B7 ÷ B9 eg. they only temporarily modify the parameters, which return to the nominal ones after one or more subsequent cycles.

Ne risulta che quando la bicicletta è in salita o discesa, o è inclinata lateralmente come ad es. in curva, o quando il ciclista sta eseguendo una curva col manubrio girato, la coppia erogata dal motore è minore di quella ad es. erogata in rettilineo, e questo anche a parità di coppia generata dall’utente sui pedali. As a result, when the bicycle is uphill or downhill, or is tilted sideways such as eg. when cornering, or when the cyclist is making a bend with the handlebar turned, the torque delivered by the engine is less than that, for example. delivered straight, and this even with the same torque generated by the user on the pedals.

In particolare nei blocchi B7÷B9 il controllore elettronico ad es. modifica la curva di erogazione di coppia, cioè la funzione che ha in ingresso la coppia richiesta dal ciclista e in uscita quella erogata dal motore. Tale funzione è ad es. un blocco di guadagno costante (legge proporzionale) di cui il controllore elettronico modifica il guadagno in base ai risultati del confronto nei blocchi B7÷B9. In particular in the blocks B7 ÷ B9 the electronic controller eg. modifies the torque delivery curve, i.e. the function that has the torque required by the cyclist at the input and the torque delivered by the engine at the output. This function is eg. a constant gain block (proportional law) of which the electronic controller modifies the gain based on the results of the comparison in blocks B7 ÷ B9.

In particolare, dai dati ricevuti nei blocchi B7÷B8 il controllore elettronico può anche ricavare la velocità della bicicletta tramite integrazione dell’accelerazione. In particular, from the data received in blocks B7 ÷ B8 the electronic controller can also derive the speed of the bicycle by integrating acceleration.

In particolare, uno dei blocchi B7÷B9, o un altro blocco allo stesso livello ma non illustrato, può includere il controllo degli rpm di una ruota della bicicletta. In particular, one of the blocks B7 ÷ B9, or another block at the same level but not illustrated, can include the control of the rpm of a bicycle wheel.

La generalità dello schema di Fig.1 permette di risolvere molte situazioni potenzialmente pericolose, come ad es. le seguenti. The generality of the diagram of Fig.1 allows to solve many potentially dangerous situations, such as for example. the following.

Se nei blocchi B7÷B9 il controllore elettronico rileva che una ruota della bicicletta sta girando sempre più velocemente ma la bicicletta non accelera, allora la ruota sta slittando sul terreno. e il controllore elettronico interviene diminuendo la coppia erogata dal motore elettrico. If in blocks B7 ÷ B9 the electronic controller detects that a bicycle wheel is turning faster and faster but the bicycle is not accelerating, then the wheel is slipping on the ground. and the electronic controller intervenes by decreasing the torque delivered by the electric motor.

Se nei blocchi B7÷B9 il controllore elettronico rileva che il manubrio è ruotato, che la ruota della bicicletta sta girando costantemente e la bicicletta accelera, allora la bicicletta sta scivolando sul terreno, e il controllore elettronico interviene diminuendo la coppia erogata dal motore elettrico. If in blocks B7 ÷ B9 the electronic controller detects that the handlebar is rotated, that the bicycle wheel is constantly turning and the bicycle accelerates, then the bicycle is sliding on the ground, and the electronic controller intervenes by decreasing the torque delivered by the electric motor.

Se nei blocchi B7÷B9 il controllore elettronico rileva che la bicicletta è in salita e che il manubrio è ruotato, allora il controllore elettronico evita una caduta diminuendo la coppia erogata dal motore elettrico (viceversa la bicicletta scatterebbe in avanti con una curva improvvisa). If in blocks B7 ÷ B9 the electronic controller detects that the bicycle is uphill and that the handlebar is rotated, then the electronic controller avoids a fall by decreasing the torque delivered by the electric motor (vice versa the bicycle would snap forward with a sudden curve).

Se nei blocchi B7÷B9 il controllore elettronico rileva che la bicicletta è in salita e che la ruota gira senza che la bicicletta acceleri, allora il controllore elettronico evita una caduta diminuendo la coppia erogata dal motore elettrico (viceversa la bicicletta partirebbe bruscamente e con poco controllo del ciclista). If in blocks B7 ÷ B9 the electronic controller detects that the bicycle is uphill and that the wheel turns without the bicycle accelerating, then the electronic controller avoids a fall by decreasing the torque delivered by the electric motor (vice versa the bicycle would start abruptly and with little control of the cyclist).

Claims

CLAIMS 1. Method for controlling the torque delivered by a rotary electric motor mounted on an electric bicycle to assist pedaling, including the step of modify in real time the torque delivery curve of the electric motor as a function of a signal read by a sensor adapted to detect a spatial relationship between the bicycle and the ground on which the bicycle rests.

2. Electric bicycle comprising a rotary electric motor to assist the pedaling of the bicycle, a sensor able to detect a spatial relationship between the bicycle and the ground on which it rests, an electronic controller to control the torque delivered by the electric motor, the electronic controller being configured or programmed to modify in real time the torque delivery curve of the electric motor as a function of a signal read by the sensor.

Method or bicycle according to claim 1 or 2, in which the spatial relationship is a function of the or some spatial coordinates - and / or their temporal derivatives - of the bicycle with respect to the ground on which it rests.

Method or bicycle according to claim 1 or 2 or 3, wherein the relationship is the inclination of the bicycle relative to the ground and / or the actual steering angle of the handlebar, and the sensor comprises an accelerometer and / or a gyroscope able to provide information regarding, respectively, the inclination of the bicycle with respect to the ground and / or the current steering angle of the handlebar.

Method or bicycle according to claim 1 or 2 or 3 or 4, wherein the spatial relationship is the speed of the bicycle relative to the ground.

6. Bicycle according to claim 1 or 3 or 4 or 5, wherein the sensor comprises an accelerometer to measure and roll and / or pitch of the bicycle.

Method according to claim 1 or 3 or 4 or 5, in which in the step of modifying the torque delivery curve in real time the delivered torque is reduced.

8. Method according to claim 1 or 3 or 4 or 5 or 7, in which the modification step is performed only if, after a comparison operation between a datum read by the sensor and a threshold value, the datum read by the sensor has a predetermined relationship with the threshold value.

9. Bicycle according to claim 1 or 3 or 4 or 5 or 6, wherein said sensor comprises or consists of an accelerometer and / or a gyroscope capable of providing information regarding, respectively, the inclination of the bicycle with respect to the ground and / or the actual steering angle of the handlebar.

Bicycle according to claim 1 or 3 or 4 or 5 or 6 or 9, wherein said bicycle sensor comprises or consists of a bicycle speed sensor.