TW201736187A - 踏板驅動系統 - Google Patents

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TW201736187A
TW201736187A TW106102790A TW106102790A TW201736187A TW 201736187 A TW201736187 A TW 201736187A TW 106102790 A TW106102790 A TW 106102790A TW 106102790 A TW106102790 A TW 106102790A TW 201736187 A TW201736187 A TW 201736187A
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安德烈亞斯 富何斯
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瑞士移動股份有限公司
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Abstract

一種踏板驅動系統，特別是用於電動車輛或訓練裝置，且用於以至少一踏板及與所述至少一踏板機械地連接之電力發電機而從使用者之肌肉力產生電力。為了改善在踏板處之觸覺感覺及回饋，控制單元被提供用於控制施加於所述踏板之回饋力矩，其中控制單元包括觸覺呈現器，配置用於基於至少一預定之踏板參考軌跡而控制所述回饋力矩。

Description

踏板驅動系統
本發明涉及電子運輸之領域，特別是在於肌肉操作(muscle-operated)之車輛，且是用於電子車輛之驅動系統。
在運輸之領域，電池技術之持續發展允許電力車輛(electrically powered vehicles)之強化使用(intensified use)。據估計，電力車輛(也稱為「電動車輛(electric vehicles)」)之使用，將在不久將來繼續上升。除了完全使用電力操作之車輛之外，混合車輛(hybrid vehicles)還可以使用各種傳動系統設置(drivetrain setups)，例如並聯與串聯型混合車輛。舉例來說，混合車輛是可商購的，其部分地由操作者之肌肉力操作，並且還包括電力電動機(electric motor)，例如用於支撐操作者，以使疲勞最小化並且延伸範圍。此類驅動概念特別用於自行車、三輪車、四輪車、船、飛機或直升機，即實際上在任何類型之車輛中。
在最近之過去，串聯型混合驅動(hybrid drives)已經被製作可用，其中操作者藉由使用一或二腳踏板、槓桿或把手提供輸入肌肉力。所提供之輸入肌肉力使用發電機(generator)轉換成電能，其機械地耦接至相應之踏板、槓桿或把手。在需要一些支撐(也稱為「動力輔助(power assist)」)之情況下，電能隨後被供給至電力電動機以驅動車輛，例如，與 來自電池之電能一起。因此，使用此設置之車輛也被稱為具有「電力傳動裝置(electric transmission)」，因為在踏板及車輪之間沒有可以傳送機械推進動力(mechanical propulsive power)之連接。此類車輛類似於常見之「電動助力車(Pedelecs)」，但是此類車輛之機械設置比電動助力車之典型設置還簡單且因此便宜，特別是因為沒有鏈條、皮帶或傳動軸及沒有精細之機械或液壓齒輪變速機構(hydraulical gear shift mechanism)是需要的。另外，具有電力傳動裝置之混合車輛可以以靈活之方式配置，例如，以匹配相應操作者之使用。
然而，串聯型肌肉操作混合電動車輛所伴隨之特定挑戰給定在操作者通常期望機械之相互作用，例如，驅動系統之「感覺」或「回饋」，以類似於具有機械傳動系統(mechanical drivetrain)之已知對應車輛。舉例而言，在具有踏板之混合電力自行車之情況下，操作者通常期望踏板如常見之「機械」自行車之踏板一樣響應，包括由自行車及其鏈條/車輪驅動之慣性所導致之踏板之通常阻抗力矩。
在串聯式混合電動車輛中，踏板、耦接至踏板之發電機以及其間之可選傳動裝置(optional transmission)之質量通常是可忽略的，例如與車輛及操作者之總質量相比。因此，此質量不產生任何顯著之阻抗力矩。此外，一些阻抗力矩由「耗散(dissipative)」或「阻尼(damping)」效應產生，例如機械摩擦、渦電流(eddy currents)及磁滯損失(hysteresis losses)。由這些效應所導致之力矩之數值量級可以是例如1~3納米(nanometer，nm)而相當低。並且，操作者可能經歷由發電機中之電力產生所導致之電子阻抗力矩(electrical resistance torque)。然而，此等在大多 數電子機械中與發電機之輸出電流成比例之力矩也可以相對較低，其取決於發電機之類型及其如何操作。這導致驅動系統在使用期間之意外「感覺」。此類車輛之意外感覺或行為可以反過來由操作者設想為不是特別地人體工學(ergonomic)。此外，在腳操作(foot-operated)串聯式電動自行車之情況下，足夠踏板阻抗力矩之缺乏可能導致危險情況。舉例來說，在開始踏板時，踏板阻抗力矩之缺乏可能導致操作者在車輛上失去平衡或甚至滑離踏板，因為此行為不是如同其從具有傳統自行車驅動裝置之常見自行車所預期。
在先前技術中，串聯型混合電動車輛之意外行為之問題被述及，例如在本發明人之WO 00/059773 A2中。後續文獻特別述及在開始踏板時之情況並且顯著地改善此行為。US 2009/0095552 A1描述了另一種方法，以提供串聯式混合車輛之大部分「自然」行為，其相當於機械地驅動之車輛。在此，踏板曲柄(pedal crank)之速度以車輛之使用者可理解之方式相關於行駛速度。US2009/0095552 A1之系統包括制動單元(braking unit)，其與踏板曲柄之旋轉相反。制動單元可以例如包括飛輪塊(flywheel mass)。此參考文獻之踏板曲柄並非主要用於產生能量以推進車輛，而較傾向用於控制車輛之行駛速度。
當然，由於不必要之摩擦及增加重量，在混合電動車輛上攜帶飛輪塊而致效率降低。但即使不使用飛輪塊，根據先前技術之踏板曲柄與車輛速度之直接耦接可能是不利的，因為由於人之特有之踩踏，所提供之踩踏速度之必然變化導致車輛速度之變化，這反而可能導致不良之車輛操縱，例如特別是在堅硬或平滑表面上(例如在惡劣天氣條件下)減小 之牽引控制。
據此，需要一種踏板驅動系統，其向使用者/操作者提供改善後之觸覺感覺及回饋，同時避免先前技術之一個或多個缺點。
本發明請求於2016年1月26日提出之EP 16152850.0之優先權。此相關申請案及公開案WO 00/059773A2之內容藉由參考而併入本文以用於所有目的，只要此等標的不與本文不一致或限制本文。
本發明之以下概述提供以易於本發明特有之一些創新特徵之理解，而非意圖作為完整描述。本發明之各種態樣之完整理解可藉由將整個說明書、申請專利範圍、圖式及摘要作為整體獲得。
根據本發明之一態樣，用於從一使用者之肌肉力產生電力之一種踏板驅動系統被提供為具有至少一踏板、與所述至少一踏板機械地連接之一電力發電機、以及用於控制施加於所述踏板之一回饋力矩之一控制單元。所述控制單元包括一觸覺呈現器，配置用於基於至少一踏板參考軌跡而控制所述回饋力矩。為了簡潔起見，使用者在下文中被稱為「他」。然而，這意圖包括女性及男性使用者，即「她」及「他」。
本發明之基本概念是提供一種踏板驅動系統，其允許向使用者提供可控制之回饋力矩，所述回饋力矩由踏板驅動系統本身之控制單元控制。在電動車輛之背景下，本發明因此允許將踏板驅動之控制從車輪驅動之控制分離。據此，一方面可能依據期望而控制在踏板處之力矩/回饋力矩，同時也可能依據期望，即根據相應之駕駛條件，而控制車輪驅動。
在電動車輛之背景下之本發明因此允許改善在踏板處之觸 覺感覺及回饋與改進車輛操縱兩者。當然，如此自主/獨立之踏板驅動系統也可以在電動陸地、水或空中車輛之領域外使用，例如在固定之運動自行車、訓練裝置或其他運動或治療裝置中。
本發明之這些及其它態樣從參考下文描述之實施例將變得明顯並得以闡明。
10‧‧‧踏板驅動系統
11‧‧‧踏板
12‧‧‧曲柄
13‧‧‧電力發電機
14‧‧‧第一功率電子元件
20‧‧‧電力驅動系統
21‧‧‧電力電動機
22‧‧‧第二功率電子元件
23‧‧‧從動輪
30‧‧‧控制單元
31‧‧‧觸覺呈現器
32‧‧‧慣性建模器
33‧‧‧驅動控制器
40‧‧‧第一感測單元
41‧‧‧第二感測單元
42‧‧‧第三感測單元
50‧‧‧能量儲存裝置
60‧‧‧人機介面
100‧‧‧電動車輛
200-206‧‧‧步驟
300-308‧‧‧步驟
在圖式中，圖1展示包括本發明之踏板驅動系統及本發明之電力驅動系統之電動車輛之部件之示意圖；圖2是展示回饋力矩之適配之流程圖；圖3是展示參考軌跡之適配之流程圖；圖4是繪示超過曲柄角度之輸入力矩及角速度之演進之圖；圖5是展示輸入力矩之發展及參考軌跡之適配之圖；圖6是繪示車輛之開始操作後之節奏之時間演進之圖；圖7是繪示作為平均踏步之函數之平均輸入力矩之依賴性之圖；圖8是繪示本發明之電驅動系統之最大加速度值之參考平面；以及圖9是繪示作為電池電流之函數而分配至電動自行車之使用者之發電之圖。
在本申請中所描述之技術特徵可用於根據前述及後續描述建構出踏板驅動系統、電動車輛、訓練裝置、電力驅動系統以及用於操作踏板驅動系統之方法之多種實施例。本發明之一些實施例被討論，以使得 本領域技術人員能夠實現及使用本發明。
在根據所描述之實施例之本發明之以下說明中，用語「連接至」或「與……連接」係用於指示至少兩個組件、元件或模組之間之連接。此等連接可以是直接或間接，例如藉由中間組件、元件或模組。
在第一實施態樣中，一種用於從使用者之肌肉力產生電力之踏板驅動系統提供為具有至少一踏板、與所述至少一踏板機械地連接之電力發電機、以及用於控制施加於所述踏板之回饋力矩之控制單元。控制單元包括觸覺呈現器(haptic renderer)，配置用於所述回饋力矩基於至少一踏板參考軌跡之控制。
根據本態樣之踏板驅動系統允許從肌肉力產生電能並且對應地包括踏板及電力發電機，其中電力發電機與所述至少一踏板機械地連接。在本文中，用語「機械地連接」理解為包括允許將力從踏板轉移至發電機之所有合適之裝置(setups)，反之亦然。所述連接可以是直接或透過中間部件間接，例如藉由齒輪機構。應當注意，在本內容中之用詞「機械」包括裝置，其非嚴密地機械，但例如是氣動(pneumatic)或液壓(hydraulic)。
儘管在大多數實施例中，至少一踏板可以被提供以允許旋轉運動且因此提供由使用者所提供之輸入力矩，應當注意，其可能不必須是此情況。舉例來說，在替代實施例中，踏板可以是提供用於在線性運動中之肌肉力之運用，而其隨後藉由適合之線性發電機或者若發電機是旋轉型則是將大部分線性運動轉換成旋轉運動之機構而轉換成電能。在線性運動之情況下，當然，使用者將提供輸入力取代輸入力矩，並且控制單元將提供回饋力取代回饋力矩。然而，在此情況下之操作對應於下述討論。為 了簡潔之目的，以下描述明確地僅涉及旋轉量，例如力矩、角速度等。然而，需理解其包括對應之線性量，例如力取代力矩、線速度取代角速度等。
據此，至少一踏板可以舉例在一實施例中是腳踏板(foot pedal)或在另一實施例中是手動操作桿(hand operated lever)。在另一實施例中，踏板驅動系統被配置用於雙踏板操作(bipedal operation)，包括至少二與曲柄相關聯之踏板，其被提供在典型之自行車踏板裝置中，即用於圍繞旋轉之共同軸線之旋轉，其例如可以是底部托架軸(bottom bracket axle)。
如前所述，踏板驅動系統還包括控制單元，其被配置至控制施加至踏板處之回饋力矩。對此態樣，控制單元被配置用於主動控制。在本發明之內容中，用語回饋力矩包括反向力矩(counter torque)及支撐(即輔助)力矩(supporting torque)兩者。反向力矩被理解為在與使用者之輸入力矩相反之方向所施加之力矩。反向力矩提供使用者相當之阻抗。支撐扭矩在使用者之輸入力矩之方向上被提供，即，以支撐使用者之踩踏作用(pedaling effort)。應當注意，支撐力矩及反向力矩可藉由將電力發電機操作為電動機，即以「電動機」模式，而被提供。反向力矩也可以藉由以「正常」或「發電機」模式操作電力發電機而被提供，即，以使其產生電能。回饋力矩據此提供使用者已定義之「觸覺回饋」，其在一實施例中可以提供使用者具有類似於已知機械自行車之感覺。此等「自行車相似」感覺被理解為包括在踏板處之時間地與空間地明確定義之阻抗。在另一實施例中之回饋力矩是電動地產生之回饋力矩，即藉由向發電機施加電流(在「電動機」模式中)或藉由使用發電機輸送電流(在「發電機」模式中)例如到電力負載而提供。在本說明書之內文中，用語「觸覺」是指藉由與至少一 踏板進行物理接觸之感知。對此內容，此用語係指嚴密地觸覺感知以及觸碰(tactile)及本體感覺(proprioceptive)感知。
當然，本文所述之踏板驅動系統也允許提供不同於機械自行車之觸覺反饋。作為舉例並且在一實施例中，踏板驅動系統可以與使用者之自訂設置(custom settings)進行編程，例如預定義之操作點，其由優選之節奏(cadence)(此處及後續之「節奏」參考運動週期之數量-通常旋轉-每時間單位之至少一踏板者，其也可以作為踏板頻率被參考)所定義，或者是踏板力矩在負載下之節奏(Nm/rpm)之變化方面之優選梯度。在另一實施例中，踏板驅動系統可以被配置為以簡短之支撐力矩支撐使用者，例如，每次當踏板在踏板旋轉期間處於上死點(top dead center)時。在另一示例性實施例中，踏板驅動系統可適配於具有應用之相應需求之復原訓練應用(rehabilitation training applications)。在此情況下，使用者可以被用於踏板旋轉之較大部分之支撐力矩所支撐，例如，為了補償使用者之一條腿之無能(disablement)。並且，若使用者具有至少一條腿之運動之有限控制，可能有必要藉由在整個踏板旋轉期間施加適當之支撐或反向力矩來平滑至少一踏板之運動。並且，觸覺回饋可以包含高頻分量以向使用者發出某些訊號，例如，車輛或驅動系統之失效(malfunction)之警告，或者如最大踏板力或心率之個人限制被超過之警告。為了發出某些訊號，高頻分量可以疊加到參考軌跡上，其將導致「振動警報」感覺。
回饋力矩可以在系統之操作期間被施加，其中用語「在操作期間」被廣義地理解並意指系統被供電之任何狀態，並且不限於使用者之向前(或向後)踩踏之狀態。舉例來說，控制單元可以在一實施例中被 配置為在使用者之踩踏之前及/或之後對踏板施加保持或夾緊力矩，其在本文中其也被認為是踏板驅動系統之「在操作期間」。此同樣應用於一實施例中，控制單元被配置為施加輔助使用者向後移動踏板之支撐力矩，例如，至最佳起始位置。
控制單元包括至少一觸覺呈現器，如前所述。觸覺呈現器被配置用於基於至少一預定義之踏板參考軌跡而控制回饋力矩。
踏板參考軌跡在一實施例中在用於踏板旋轉之至少一部分之踏板位置/角度上定義踏板節奏及/或踏板加速度。當然，取代對應於頻率之踏板節奏，可以使用踏板角速度，其僅藉由π/30之常數因子而相異(其中角速度以rad/s被測量且節奏以1/min被測量)。取代踏板位置，替代地或附加地在相應之實施例中可能是，一旦系統以給定設定點而初始化，踏板參考軌跡隨著時間被定義，其對應於被定義之踏板位置。若作為時間之函數給定，則踏板軌跡可以通常定義踏板角位置及/或其任何時間導數(角速度、角加速度等)。任何導數也可以定義為踏板位置之函數。在進一步之實施例中，踏板參考軌跡提供被定義之踏板節奏及/或加速度行為用於旋轉之分數(fraction)，用於一旋轉或複數踏板旋轉。應當注意，角位置可以從其導數(除了積分常數，其可以藉由校準或類似物獲得)計算，反之亦然。在此方面，還可能將軌跡作為資訊而儲存在一參數上，例如角位置，但是作為資訊而使用在另一參數上，例如節奏。在此情況下，控制單元被配置用於相應轉換。
觸覺呈現器控制回饋力矩以根據踏板參考軌跡獲得踏板節奏或加速度之期望行程。觸覺呈現器之所述根據控制係基於本發明人對於 人類使用者之認識，踏板節奏及加速度可以藉由提供至使用者之回饋力矩而控制，即，使用者由於發電機在「正常」模式或「電動機」模式中作用而感覺到之踩踏阻抗或支撐。所述對應控制在某種程度上類似於機器人或遊戲之領域中之力/力矩控制。
在此概念中，參考軌跡在某種程度上可以「模擬」或「再現」機械自行車(即，具有機械傳動系統之自行車)之慣性。在此等機械自行車中，使用者在踏板處感覺到慣性，因他不能突然地及任意地改變踏板之運動。踏板傾向展現出具有從踏板與從動輪(driven wheel)之機械耦接所導致之「增加」慣性，且從動輪反過來耦接至自行車及使用者。由於自行車之運動狀態不能突然改變，踏板之運動狀態也不能改變。即，至少對於一些時間間隔，踏板之運動是預定或限制。機械自行車之此行為在本發明中可以藉由預定之參考軌跡來模擬。然而，參考軌跡不一定需要表示(至少不是精確地)在機械自行車中找到之軌跡，如前文所討論。
應當注意，雖然觸覺呈現器可以提供支撐力矩及反向力矩，但在一些實施例中，支撐力矩可能被限制。舉例來說，支撐力矩可能被限制為補償由摩擦力所產生之力矩。在沒有任何如此之限制下，支撐力矩可以沿著預定之參考軌跡拉動踏板及使用者放在踏板上之腳(或手，相對地)，其對使用者可能是非預期及不舒服。從他對機械自行車之經驗，使用者習慣於自轉輪(freewheel)，其允許他在自行車繼續移動時停止踏板之運動。為了向使用者提供類似感覺，觸覺呈現器在一實施例中適於藉由限制支撐力矩來提供「電子自轉輪」。然而，與機械自行車中之自轉輪相反，在一實施例中，當使用者降低節奏時反向力矩總是存在。在機械自行車中， 降低節奏導致踏板藉由自轉輪機構而脫離從動輪。然而，在本驅動系統中，支撐節奏之降低之反向力矩可能仍然存在。這有兩個優點。一方面，使用者仍然在踏板處感覺一些阻抗，其可有助於穩定他。另一方面，若反向力矩由發電機產生，則來自使用者之腿(或臂，相對地)之動能可以轉換為電能，即，其可以被彌補(recuperated)。當在機械自行車中時，踏板可以僅完全耦接至從動輪或完全脫離從動輪，而混合電動車輛中之反向力矩可以對應於「中間」耦接狀態。
控制單元在另一實施例中可以包括慣性建模器(inertia modeler)，其被配置為反覆地適配至少一踏板參考軌跡，所述被適配之踏板參考軌跡被提供至觸覺呈現器用於所述反向力矩之控制。現有之微控制器允許快速、甚至大規模計算，從而慣性建模器之反覆操作。特別地，根據期望之踏板參考軌跡之預期踩踏行為及實際(當前或過去)踩踏行為之間之差異可以由慣性建模器確定，且進而基於所述差異來適配參考軌跡。此等差異可以指示使用者正嘗試藉由改變所施加之輸入力矩而加速或減速。然而，所述適配可以取決於其他參數，例如時間或節奏，且不一定必須取決於實際踩踏行為之變化。特別地，其可以不取決於任何車輛驅動輪之操作之狀態。
通常，所述踏板參考軌跡之適配是在預定間隔中執行，即，在時間之預定量之後，或者替代地，在踏板之預定角度移動之後。時間間隔不必是常數。反之，時間間隔之長度可以取決於例如藉由驅動系統所驅動之車輛之當前節奏或當前速度、其加速度或者實現慣性建模器之計算設備是否暫時進行其他計算。並且，用語「預定」不意味著當使用者開始驅 動系統之操作時所有間隔必須被預定。然而，在根據一實施例實施本發明之簡單模式中，所有間隔具有相同之常數長度，其在操作開始之前被預定。
對應地適配之踏板參考軌跡被提供至觸覺呈現器用於回饋力矩之控制。一般來說，適配之參考軌跡將導致不同之回饋力矩。例如若使用者施加相同之輸入力矩，則不同之參考軌跡可導致不同之回饋力矩。
控制單元可以是任何適合之類型且通常可以包括微控制器或微處理器，其具有適合之編程以提供所描述之觸覺呈現器及(若適用)慣性建模器之功能。控制單元還可涉及「適配器(adapter)」或「抽象層(abstraction layer)」。此中間層允許物理地分離人與機器，但允許在踏板處顯示人體工學之踩踏行為並在驅動輪處(若此等驅動輪存在)實現動力但安全驅動。特別地，現場可程式邏輯閘陣列(field programmable gate array，FPGA)鑑於其快速電流控制並因此非常快之力矩控制而可使用。
在一個實施例中，觸覺呈現器被配置用於所述回饋力矩之阻抗控制，以使踏板之運動適配至踏板參考軌跡。如上面已經提及，至少一踏板可以被沿著參考軌跡「引導」。如從文獻(例如從Fregly BJ,Zajac FE,Dairaghi CA.Bicycle drive system dynamics：theory and experimental validation.J Biomech Eng.2000 Aug；122(4)：446-52)中已知，機械自行車之踏板曲柄之角加速度可以根據以下公式計算：I eff θ=T c -T eff (Eq.1)其中I eff 是關於曲柄軸之有效慣性，θ是曲柄角，T c 是由使用者所產生之曲柄力矩(即輸入力矩)，而T eff 是有效阻抗力矩(resistance torque)。在具有電子傳動裝置(electronic transmission)之(無鏈)人-電混合車輛之情況下， 有效阻抗力矩由摩擦力(在軸承中以及在至少一踏板與發電機之間之傳動裝置中)所引起，藉由在發電機中之阻尼效應(例如渦電流及磁滯損失)及藉由回饋力矩(在發電機或電動機模式下)。摩擦力可以從測量或計算中得知且通常或多或少是常數。在發電機中之損耗通常取決於發電機速度。歐姆損耗(ohmic losses)與在電動機或發電機模式下所發生之電流之平方成比例。因此，以已知之有效慣性(其可以例如被設置或計算)及從直接(例如藉由在踏板及/或齒輪部件上之力或力矩)或間接測量(例如藉由測量大部分與力矩成比例之發電機電流)而已知之曲柄力矩，確定用於期望節奏、角加速度或表示參考軌跡之其他量之回饋力矩是可能的。
在另一實施例中，觸覺呈現器分析已測量之參數之間之差異，例如角位置或角速度、以及根據參考軌跡之對應「預期」參數。反向力矩或支撐力矩可與所述差異成比例。結合多種差異也是可能的，例如角位置、角速度及在多個角位置上之總和(或積分)。雖然在本實施例中，觸覺呈現器被配置用於回饋力矩之阻抗控制，但是其交替地可以想像到使用導納控制(admittance control)。
用語「適配」並不意味踏板之運動必須精確地遵循參考軌跡。更一般地，這表示觸覺呈現器控制回饋力矩，使得運動遵循參考軌跡或被引導朝向它。在控制理論方面，參考軌跡可以被認為是設定點(setpoint)或標稱值(nominal value)。如上所述，若被確定之回饋力矩是支撐力矩，其量值可以被限制以提供電子自轉輪。對回饋力矩之其它限制是可能的，例如，以防止機械部件之過載。
根據另一實施例，慣性建模器被配置為基於至少一軌跡參 數而適配參考軌跡。如上所述，所述軌跡可以根據從其操作之開始起已經過之時間或從使用者開始蹬踏起之時間來適配。在此情況下，時間用被用於作為軌跡參數。並且，藉由踏板驅動系統所驅動之車輛之當前(平均)節奏或者速度(速率)可以是軌跡參數。這些參數可以例如對有關平均值之角速度之變化具有影響。為了再現機械自行車之行為，其中踏板之角速度隨著增加速度而變成越來越恆定(主要是由於增加齒輪比並因此增加有效慣性)，在參考軌跡中之角速度之振動之幅度可以隨著增加速度而減少。有關平均值之此振動也可以被視為「波動(ripple)」。其他軌跡參數可以相關於使用者之當前狀態，例如其心跳率或者血糖水平，或者能量儲存裝置之當前充電水平，例如，可充電電池。
此外，使用者使用控制裝置或介面裝置而設置參考軌跡之一個或多個參數是可能的，其可以是由驅動系統例如是傳統之數位轉速計(tachometer)所供電之車輛之車載裝置(onboard device)或者例如是智慧型手機(smartphone)、個人數位助理(PDA)、平板電腦(tablet)或類似物之移動裝置。舉例來說，使用者可以設置表示平均回饋力矩對(平均)節奏或對控制器可行之其他參數之依賴性之函數之優選節奏或坡度。
根據一個實施例，慣性建模器被配置為：-對一預定採樣時間確定一過去力矩行程，-對使用一車輛模型之預定採樣時間確定對應於參考軌跡之參考力矩行程，-對過去力矩行程與參考力矩行程進行比較，並且-基於所述比較確定一適配踏板參考軌跡(adapted pedal reference trajectory)。
過去力矩行程代表施加至踏板之輸入力矩之時間演進，即，作為時間之函數之力矩。力矩可以藉由使用位於踏板本身中或者在將踏板連接到其旋轉軸之曲柄之力感測器之直接測量而確定。在一實施例中，力矩藉由測量在發電機中所產生之電流而間接地確定，其基本上與力矩成比例。
參考力矩行程對應於參考軌跡並且從使用車輛模型之參考軌跡確定或導出。車輛模型根據一實施例可以是自行車模型。此可以是如上所述藉由公式1所表示之自行車模型或者另一個模型，其當應用時，允許在至少一踏板處導入高度之人體工學品質之觸覺印象。如公式1所示，若角加速度、有效阻抗力矩及有效慣性已知，則輸入力矩可以被計算。有效阻抗力矩及有效慣性已知作為模型參數，其可以或可以不與使用踏板驅動系統之實際車輛相關。有效阻抗力矩可以使用多樣測量或間接推導之變數作為輸入來建模。
在電動車輛中，踏板及與其連接之發電機未對有效慣性Ieff貢獻太多，且由於其未機械耦接至從動輪，有效(機械)慣性相當小。然而，使用公式1作為模型公式是可能的，其中有效慣性藉由回饋力矩所「模擬」。亦即，給定已知之輸入力矩Tc，作用角加速度(resulting angular acceleration)基於「模擬」或「虛擬」有效慣性而被計算，且此角加速度用於作為適配之參考軌跡。
在一實施例中，踏板節奏及從動輪之角速度之比值被用於計算齒輪比，其允許有效慣性之計算。一旦確定參考軌跡，則阻抗力矩被 適配使得踏板被引導朝向或沿著參考軌跡。作為結果，使用者之觸覺感覺對應於具有等於模擬慣性之有效慣性之機械自行車。
同樣，使用有效阻抗力矩作為模型參數，並且藉由參考軌跡及回饋力矩顯示任何駕駛狀況或「虛擬世界」是可能的。舉例來說，模擬車輛將要行駛之軌道之空氣阻力及/或坡度是可能的。此等附加阻抗可對應於由踏板驅動系統所驅動之車輛之實際情況，在此情況下，(空氣)速度及坡度可直接由感測器測量而確定，或者可以間接地確定，例如藉由從從動輪之旋轉頻率而計算(空氣)速度。全球定位系統(GPS)測量及地圖亦允許估計可輸入至模型計算中之坡度。然而，當在靜態訓練裝置中使用踏板驅動系統時上述影響也可以被模擬。
由於有效慣性及有效阻抗力矩可以被視為模型公式中之參數，從中計算角加速度是可能的，在相同公式中使用相同參數而從角加速度計算參考力矩也是可能的。角加速度係由參考軌跡直接給出或者可以被計算，例如，若參考軌跡藉由計算時間導數而表示角速度(節奏)。因此，從參考軌跡計算參考力矩是可能的，其表示使用者之「預期」踩踏行為。此參考力矩是理論輸入力矩，使用者必須施加其以將踏板運動保持在參考軌跡上，若他正在使用例如具有相同有效慣性及有效阻抗力矩之機械自行車。然而，由於觸覺呈現器嘗試將踏板之運動適配至參考軌跡，而不考慮實際輸入力矩，此輸入力矩可以不同於計算出之參考力矩。
應當注意，參考力矩行程可以在過去力矩行程確定之前或之後確定，或者甚至在相應之實施例中是同時確定。
一旦對預定採樣時間之參考力矩行程已經計算，其與對此 採樣時間之過去力矩行程進行比較。若此比較顯示過去力矩行程相同於參考力矩行程(可能排除可忽略之差異)，則適配之參考軌跡可不改變。若此比較顯示存在相當大之差異，則存在多個可能實施例以進一步控制。一種可能性是使用過去力矩行程作為用於計算新參考軌跡之基礎，其可以基於車輛模型，例如使用公式1。在此情況下，將新參考軌跡建立在未來之輸入力矩之外推上也是可能的。過去力矩行程之分析可以例如藉由識別非振盪(non-oscillatory)(例如線性或恆定)分量及周期分量而執行。此將對應於「修改的」傅立葉分析(Fourier analysis)。對於輸入力矩之未來發展，非振盪分量可以外推，且週期分量可以增加。當然，其他外推技術是可能的。任何此等外推在未來可以到達以求相對較小之間隔，例如踏板臂行程(pedal arm travel)之幾毫秒(milliseconds)或幾度。然而，間隔可以更大，例如對應於踏板臂之完整360度旋轉。在任何情況下，舊參考軌跡及適配後之參考軌跡之間之過渡通常應當使用用於軌跡生成(trajectory generation)之適當數學方法而平滑，例如樣條(splines)、非均勻有理樣條(Non uniform rational B-spline，NURBS)、貝茲曲線(Bezier curves)，例如使得角位置及其導數是連續函數。上述行程之測量通常是嘈雜的(noisy)。因此，諸如濾波(filtering)之數位訊號處理之方法可以被應用，例如低通濾波(low pass filtering)，即數學地說，高頻分量之消除。
特別地，但不限於此，在上述實施例之內容中，優選地是慣性建模器使用包括在至少一踏板處之有效慣性之車輛模型。在至少一踏板之旋轉運動之情況下，有效慣性是有效旋轉慣性。在一實施例中，有效慣性可以是虛擬齒輪比之函數。即，在模型計算中，在從動輪處之阻抗力 矩及角速度藉由虛擬變速比而修正(乘或除，相對地)以確定在踏板處之阻抗力矩及角速度。在從動輪處之對應參數不需對應於真實之物理值，但可以被修改或可以是完全人工。特別地，有效慣性可以是將角加速度連接至踏板處之總力矩之因子(參見例如公式1)。然而，應當記住，模型之有效慣性必須藉由藉由觸覺呈現器所產生之回饋力矩而在踏板處模擬並呈現予使用者。因此，車輛模型之有效慣性也可被稱為「虛擬慣性」或「虛擬有效慣性」。虛擬齒輪比可以是使用例如車輛速度及/或踩踏力矩等參數曲線作為變數。
根據另一實施例，慣性建模器被配置為適配虛擬齒輪比。此適配可以響應使用者輸入或自動地執行，例如，為了將阻抗力矩及/或角速度(或節奏)保持在預定範圍內。
在另一實施例中，慣性建模器被配置為適配踏板參考軌跡，使得平均踏板節奏收斂於優選節奏值。平均踏板節奏可以藉由將踏板節奏對時間、曲柄角等進行平均而計算。在此實施例中，慣性建模器適配參考軌跡，使得平均踏板節奏接近優選節奏值。一旦接近，慣性建模器(與控制回饋力矩之觸覺呈現器協作)保持實際平均節奏接近優選節奏。舉例來說，當使用者開始踏板驅動系統之操作時，參考軌跡之平均節奏(或角速度)可以在踏板開始移動之後立即線性地增加，使得其傾向快速地接近優選節奏值。當優選節奏值被接近，平均節奏可以從優選節奏之線性增加改變為指數接近。一旦優選節奏值已經達到且使用者嘗試超越優選節奏值或其他限制(例如可能會機械傷害之最大輸入力矩)，則藉由增加或降低而改變回饋力矩是可能的，使得予使用者之觸覺回饋訊號以降低平均節奏， 或不超過上力矩限制或任何其它給定之限制。
在踏板驅動系統之更簡單之實施例中，其中參考軌跡不適配於響應於輸入力矩，慣性建模器可以簡單地適配參考軌跡，使得平均節奏保持或收斂至優選節奏值。
此優選節奏值可由使用者輸入。根據一實施例，控制單元被配置為基於車輛及/或使用者之至少一狀態變數而自動地調整所述優選節奏值。舉例來說，慣性建模器可被配置為進行此(通常小的)自動調整。車輛之狀態變數之範例包括車輛速度或車輛軌道之坡度。使用者之狀態變數可以被測量或由使用者輸入。此調整可根據用於優選節奏之參數化模型而執行。移動裝置之顯示器或自行車經銷商(bicycle dealer)之參數化工具允許設置參數之值。在另一實施例中，控制單元適於自動地學習及(些微)修改優選節奏。
在一實施例中，控制單元被配置用於藉由反覆地執行以下步驟而控制回饋力矩：-確定表示踏板之運動之踏板狀態變數；-計算所確定之踏板狀態變數及從踏板參考軌跡導出之對應狀態變數之間之差異；以及-基於所述差異來適配回饋力矩。
此實施例之基本想法是從參考軌跡檢測任何偏差且適配回饋力矩以消除或至少減小偏差。根據一實施例，上述步驟由觸覺呈現器所執行。在第一步驟中，表示踏板之運動之踏板狀態變量被確定。此可以特別是踏板之角位置、角速度及/或角加速度。在此內容中，角位置也「表 示一運動」，其由於踏板從已知之起始位置開始之運動。踏板狀態變數也可以是對(時間或曲柄角)間隔所測量之多個數值之積分或者是總和，例如在最後幾毫秒或類似處測量之角位置之總和。踏板狀態變數可以經由適當之感測器直接測量或者可以根據感測器測量而計算。
所確定之踏板狀態變數表示系統之實際狀態，且可從參考軌跡導出之對應狀態變數表示系統之設定點。在下一步驟中，此二狀態變數之間之差異被計算。應當注意，多於一狀態變數可以被考慮。舉例來說，對角位置之差異及對角速度之差異可以被考慮，且此等差異可以被組合，例如以加權方式(weighted way)。
在下一步驟中，基於所述差異來適配回饋力矩。舉例來說，若差異為零或可忽略，則回饋力矩可保持不變。然而，若存在不可忽略之差異，則此指出與參考軌跡之偏差，其必須藉由回饋力矩之增加或減少來校正。在簡單但通常有效之實施例中，回饋力矩之變化可與差異成比例。換句話說，所述差異乘以適當之因子以確定回饋力矩之變化。若考慮多個差異，則每一差異可以具有對應之因子，且回饋力矩之適配可以被認為是差異之「線性組合」。然而，可以有更複雜之方法來確定回饋力矩，例如藉由使用一些收斂準則(convergence criterion)，其還考慮不僅是踏板狀態變數之間之差異，還有若此差異正在當前地減少或增加及若其足夠快地減少。
通常，在執行這些步驟時，參考軌跡本身保持不變。然而，參考軌跡之適配可在其間執行，其將當然影響狀態變數在第二步驟之確定。
當上述實施例依賴於監測表示踏板之運動之一或多個踏板狀態變數時，回饋力矩也可以基於輸入力矩而適配。在此實施例中，控制 單元被配置用於藉由反覆地執行以下步驟而控制回饋力矩：-確定輸入力矩；-計算所確定之輸入力矩及從踏板參考軌跡導出之對應參考力矩之間之差異；以及-基於所述差異適配回饋力矩。
如上所述，「理論」輸入力矩可以從使用車輛模型之參考軌跡而計算，例如藉由應用公式1。角加速度容易從參考軌跡導出，且具有有效慣性及有效阻抗力矩，例如已知為模型參數，對應至參考軌跡之輸入扭矩可被計算，其在此被稱為參考力矩。大多數時候，實際輸入力矩不同於參考力矩，其需要藉由增加或減少回饋力矩來補償差值。然而，應當記住，即使實際輸入力矩等於參考力矩(即，若差值總是為零)，回饋力矩可能必須隨時間適配，以便沿著參考軌跡引導踏板。
無論回饋力矩之適配是基於狀態變數之差異還是基於力矩之差異，其可以在短間隔或多或少規律地執行。在曲柄角方面，在相應之實施例中，所述適配可以在最多每5度、在最多每2度或者在最多每度發生。在時間方面，所述適配可以在最多每10毫秒(ms)、在最多每5毫秒、在最多每毫秒或者在最多每500奈秒(ns)發生。應當注意，與觸覺呈現器協作之電流控制器可在更高之千赫(kHz)到兆赫(MHz)之頻率上工作。
在另一實施例中，所述至少一踏板參考軌跡包括具有對應於踏板旋轉或半踏板旋轉之周期長度之至少一交替軌跡分量(alternating trajectory component)。如上所述，在機械自行車中之踏板之角速度並非精確地常數，而是顯示為波動，即有關平均值之振盪。此為從使用者可以根 據目前曲柄位置對踏板施加力矩之事實所導致。舉例來說，若曲柄近似水平定位，則使用者容易施加相對大之力矩，而在其它位置，力矩相當有限。力矩之此等變化也影響角速度。因此，若如此振盪或波動在踏板參考軌跡中再現，使用者體驗到類似於機械自行車上之觸覺感覺。振盪可以藉由上述交替軌跡分量表示，其可以被添加到常數或緩慢變化之「平均」值。通常，以兩踏板，使用者執行或多或少對稱之踩踏運動。在此等情況下，週期長度對應於踏板旋轉之一半。然而，可以想到，運動是不對稱的，即，右踏板之運動不對應於左踏板之運動。此等不對稱運動對於復原訓練應用可能有用。在此等情況下，週期長度對應於一踏板旋轉。交替軌跡分量可以至少在多個振盪上是周期性的。然而，交替軌跡分量之振幅及/或波形隨著每次振盪而改變是可能的。通常，波形不必是對應於單個波長之正弦曲線(sinusoidal)，但可以包括「高次諧波(upper harmonics)」，即具有較小波長之分量。在一實施例中，交替軌跡分量之振幅小於軌跡之當前平均值之10%(即有關軌跡振盪之值)。
在一實施例中，交替軌跡分量之振幅及波形取決於車輛及/或踏板之至少一狀態變數。此等狀態變數之示例包括踏板位置、節奏、藉由踏板驅動系統所驅動之車輛之速度或時間(例如，自從驅動系統之操作之開始起已經過之時間，或者自從第一半圈踏板旋轉已經發生)。如上所述，在機械自行車中，波動之幅度分別地隨著增加速度或者隨著增加齒輪比而減少。在具有電子傳動裝置之自行車中，慣性建模器由以從具有機械傳動系統之動力輔助(power-assisted)或者非動力輔助(non-power-assisted)自行車中已知之類似方式減少交替軌跡分量之振幅而允許類似行為。同樣 地，慣性建模器可以隨著增加節奏而減少波動之振幅。
根據另一實施例，控制單元包括交替地可選擇之多個踏板參考軌跡。即，多個踏板參考軌跡被儲存，例如，在程式庫(library)中，並且這些之一可以藉由使用者手動地或自動地被選擇。具體地，觸覺呈現器或慣性建模器可以包括所述多個參考軌跡。
觸覺呈現器可以被配置為基於軌跡選擇訊號(trajectory selection signal)自動地選擇所述多個參考軌跡中之一。此選擇訊號可以由使用者輸入或者其可以自動地產生。此等訊號可以源自於感測節奏及/或踏板力矩、車輛當前所在之軌道之坡度、在從動輪上之驅動力矩、車輛速度或其他之感測器。在此方面，根據例如車輛軌道坡度所選擇之用於踏板之多個參考軌跡可以被認為是參考平面之一部分。當單一參考軌跡是在二維(2D)坐標系中之圖形(坐標例如是角位置及節奏)，參考平面是位於三維(3D)或甚至更高維之坐標系中(坐標例如是角位置、軌道坡度及節奏)。
如上所述，在一實施例中之慣性建模器被配置為在預定間隔中反覆地適配至少一踏板參考軌跡。在另外之實施例中，此等間隔對應於小於所述踏板之一旋轉，特別是所述踏板之旋轉角度之最多10度、最多5度或最多3度。以典型節奏值，10度旋轉角對應於約3至30毫秒。因此，適配可以在大約1至30毫秒之時間間隔被執行。然而，在對應之實施例中可以想到更大或甚至更小之時間間隔。用於適配之必要計算可以在本地控制器上或者藉由用於實現慣性建模器之適當之移動計算裝置在此時間尺度上被執行。因此，以高角度及/或時間分析(resolution)來適配參考軌跡是可能的，且慣性建模器可以快速地適配使用者之踩踏行為之任何改變。
在另一方面，一種具有如上所述之踏板驅動系統之電動車輛被提供，其中電子傳動裝置將所述發電機連接到電負載(electric load)及/或電驅動(electric drive)電動機(motor)。電子傳動裝置可以包括用於發電機及/或驅動電動機之功率電子元件(power electronics)以及具有至少一能量儲存裝置之中間電路(intermediate circuitry)。此等能量儲存裝置可以是電池、燃料電池、高容量電容器及/或任何其它適當之電流源。能量儲存裝置之主要功能為臨時地儲存來自發電機之剩餘能量(surplus energy)。然而，它也可以作為可再充電之能量源(rechargable energy source)，其可以通過電力纜線(power cable)充電，或者若驅動電動機在電力制動期間作為發電機操作，則來自電動機之剩餘能量也可以儲存在能量儲存裝置中。應當理解，此等電動車輛具有至少一從動輪，其被機械地連接至驅動電動機。對於有效之牽引(traction)控制且在一實施例中，在從動輪之力矩及/或角速度不受踏板之力矩及/或角速度中所存在之任何波動而影響。換句話說，在從動輪之力矩優選地是恆定的或在一踏板旋轉上單調地變化。若參考軌跡基於自行車模型被確定，虛擬有效慣性及有效阻抗力矩可以是基於自行車之真實物理參數。即，自行車及使用者之實際質量可以作為用於計算虛擬有效慣性之基礎，同時空氣阻力(基於自行車之當前速度)、駕駛面(driving surface)之坡度及其他參數可以作為用於計算有效阻抗力矩之基礎。
上述車輛之可能實施例對應於本發明之踏板驅動系統之實施例。
在又一方面，一種具有如上所述之踏板驅動系統之訓練裝 置被提供。在此等訓練裝置中，在發電機中所產生之能量通常僅消耗且轉換成熱。通常，其沒有從動輪，儘管可以想到發電機耦接至驅動電動機，其又耦接到飛輪。與自行車相反，其沒有可以基於虛擬有效慣性及有效阻抗力矩之真實物理參數(儘管可以基於裝置及使用者之質量而計算有效慣性)。通常，若使用自行車模型而確定有效慣性及阻抗力矩，此等參數可以或多或少任意地選擇。特別地，阻抗力矩可以基於「虛擬」軌道來建模。
上述訓練裝置之可能實施例對應於本發明之踏板驅動系統之實施例。
在本發明之另一方面，一種操作用於從使用者之肌肉力產生電力之踏板驅動系統之方法被提供，其具有至少一踏板以及機械地連接所述至少一踏板之一電力發電機，其中施加於所述踏板之一回饋力矩基於至少一踏板參考軌跡而被控制。所產生之電力可以局部地使用或者可以饋送到電網(electrical grid)中。
這些用詞已經在上文中以本發明之踏板驅動系統進行詳細解釋。應當理解，在此方法之內容中，踏板驅動系統可以包括控制單元，其又包括觸覺呈現器，且回饋力矩可以由控制單元之觸覺呈現器所控制。上述方法之可能實施例對應於本發明之踏板驅動系統之實施例。
根據另一方面，一種用於車輛之電力驅動系統被提供，其以肌肉力操作並包括至少一踏板、機械地連接所述至少一踏板之電力發電機、電性連接所述電力發電機之電驅動電動機、以及驅動控制器，其中所述驅動控制器被配置為-根據基於至少二當前之車輛狀態參數之預定關係而確定車輛之最 大加速度值，基於使用者之踩踏表現而確定期望之車輛加速度，以及操作電驅動電動機，使得車輛加速度藉由所確定之最大加速度值而限制。
除非另有說明，類似用語對應至在本發明之踏板驅動系統之內文中之上述所作解釋。
電動機及發電機之間之電性連接可以藉由如上所述之電力傳動系統而達成，其可以包括用於發電機及/或電動機之功率電子元件以及具有至少一能量儲存裝置之中間電路。應當理解，用於驅動電動機之電力之一部分可以從能量儲存裝置取得，其可以藉由到電網之連接而在外部被充電。在車輛中，至少一從動輪機械地連接至驅動電動機。
可以被實現作為硬體及/或軟體之驅動控制器被配置為確定車輛之最大加速度值。此最大加速度值是不被超過之加速度限制。此等限制之原因可能涉及車輛之操作安全性(例如，防止從動輪之滑動)、能量儲存裝置之電力管理、法定速度限制等。應當注意，最大加速度值在一些情況中可為負數(negative)，因此表示減速度。最大加速度值不是固定，但取決於至少二當前車輛狀態參數(其中用語「當前」被理解為包括參數以一些不可避免及/或被認為不相關之時間延遲(time delay)而使用之實施例)。換句話說，最大加速度值可以由以兩坐標軸表示兩車輛狀態參數之3D坐標系中之一平面所表示。若其取決於多於兩車輛狀態參數，其可以由在更高維度坐標系中之一超平面(hyperplane)表示。
驅動控制器可以在實際時間中基於對應公式計算最大加速 度值，或者其可以從查找表(lookup table)、資料庫(database)、程式庫等中讀取所述值。公式、查找表、資料庫或程式庫分別地表示根據最大加速度值被確定之預定關係。車輛狀態參數為當前車輛狀態之表示。其可以例如涉及車輛之運動、其位置或軌道之性質。通常，有許多用於選擇此等參數之可能性，只要在給定參數及加速度極限之間有合理連接。
並且，驅動控制器配置為基於使用者之踩踏表現而確定期望之車輛加速度。通常，此可在確定最大加速度值之前、之後或同時進行。此概念是使用者之踩踏表現被「解釋」為加速或減速之期望。踩踏表現可以例如是基於角速度(或節奏)、輸入功率或輸入力矩而被評估。根據一或多個預定規則，驅動控制器從踩踏表現推斷出期望之車輛加速度。
然而，此期望車輛加速度可以僅對應於實際車輛加速度，若其不超過最大加速度值。因此，電力電動機被操作，使得車輛加速度由所確定之最大加速度值限制。應當注意，雖然，在一些情況下，由於不可預見之影響(例如車輛軌道坡度之突然變化、突然順風或類似)，最大加速度值可能無意地被超過。然而，由於控制器通常非常快地適配，例如在幾分之一秒(fractions of a second)內，對於加速度之可行值通常藉由非常快速地斜降(ramping down)而達到。
根據一實施例，驅動控制器被配置為-比較使用者之當前踩踏表現之特性之一性能參數與一預定參考參數，-確定對應於性能參數及預定參考參數之間之差異之期望之車輛加速度。
性能參數可以是例如由使用者輸入之功率或者輸入力矩。此性能參數與參考參數進行比較。參考參數可以在車輛之操作開始之前被預先定義，或者其可以基於使用者之過去之踩踏表現。舉例而言，若性能參數是輸入力矩，參考參數可以是踏板在先前旋轉期間之輸入力矩。舉例來說，若使用者在踏板之一或多個旋轉期間已經以特定之最大輸入力矩踩踏，則此最大輸入力矩可以使用作為參考參數。若使用者開始更有力地踩踏，即，若他施加更多輸入力矩，則此可以被解釋為藉由比較當前輸入力矩及參考參數(即，過去輸入力矩)而發現之加速之期望。根據另一示例，參考參數可以是參考輸入功率。若當前輸入功率超過參考輸入功率，此可被解釋為期望加速車輛。應當理解，當對應性能參數及預定參考參數之間之差異而確定期望之車輛加速度時，期望之車輛加速度不需線性地依賴於此差異。特別地，若此差異為小，雖然非零，期望之車輛加速度可以被確定為零。
在一實施例中，所述至少二車輛狀態參數至少包括車輛速度及車輛軌道坡度，使得所述最大加速度值被確定為至少車輛速度及車輛軌道坡度之函數。「車輛軌道坡度」當然指車輛之駕駛面之傾斜度。此處之想法之一是隨著速度增加而越來越多地限制最大加速度，其通常導致車輛速度本身之限制。舉例而言，若最大加速度值隨著增加速度而減少並且對於預定之「速度限制」變成零，此主要防止車輛超過此限制。最大加速度值對於較高之速度可以為負值。在此情況下，驅動電動機可以開始電性地制動，從而恢復動能。對於此等速度限制之一原因可以是交通法規及/或安全預防。另一原因可能是由於增加之空氣阻力，其變得難以在一定速度 下加速而不過度地消耗能量儲存裝置。
由於相同原因，以增加軌道坡度而限制最大加速度可以是有用的。當然，即使車輛僅保持一定速度，在驅動電動機之能量消耗隨著增加軌道坡度而增加。嘗試加速將增加總能量消耗甚至更多，使得其可能必須被限制。以此方式限制由空氣阻力(air drag)、下坡-坡度力(downhill-slope force)及加速度力所引起之在至少一從動輪處所需之總驅動力矩至一定之最大值是可能的。因此，最大加速度值取決於車輛速度及車輛軌道坡度。另一選項是限制加速度，以防止從動輪之滑動。在此等情況下，可以想到不僅包括軌道坡度，還有從動輪及軌道之間之摩擦係數，其可基於在軌道表面之基於GPS(GPS-based)之資訊(柏油(asphalt)、礫石(gravel)、灰塵等)及/或天氣數據(乾/濕/結冰地面)。然而，此僅是示例，且最大加速度值可以如何取決於車輛速度及車輛軌道坡度有許多其它可能性。
在一實施例中，至少二車輛狀態參數至少包括基於車輛之當前位置之速度限制資訊。在此等實施例中，驅動控制器可以連接至GPS模組及/或可以具有將車輛位置鏈接至當地(或國家)速度限制之資料庫之通路(access)。因此，如上所述之速度限制不是靜態，但可以取決於車輛位置而確定。如上所述，若車輛速度達到速度限制，最大加速度值可以變為零。替代地，速度限制可以由使用者輸入或甚至可以藉由影像識別軟體(image recognition software)「讀取」交通標誌而確定。
在本發明之另一方面，一種具有如上所述之電力驅動系統之電動車輛被提供。
如上所述，用於驅動馬達之總功率通常是由使用者之機械功率減去在發電機、齒輪及與踏板發電機相關聯之功率電子元件之損耗之發電機功率以及來自可再充電之能量儲存裝置例如電池之功率之組合。除非能量儲存裝置完全消耗，如何獲得必要驅動功率有多種選項。在一實施例中，由使用者所產生之功率相對於總共所需之驅動功率之百分比以來自能量儲存裝置之電流之函數逐漸地改變。舉例而言，百分比在一定範圍內幾乎可以是恆定的(例如40%)，例如當電池電流係在標稱電流(nominal current)之0及3倍之間時。當電池電流進一步增加時，百分比也可以穩定地增加，例如根據多項式函數(polynomial function)，高達100%(其可以舉例是當電池電流是標稱電流之5倍時達到)。若電池電流變為負值，即若能量被恢復，使用者對推進之貢獻之百分比可以穩定地減少，例如根據多項式函數。在任何情況下，百分比不應突然改變(即包含「跳躍」)作為電池電流之函數。
現在將參考附圖，其中實施例之多個元件將會給定數字標記且其它實施例將被討論。
組件、過程步驟、及其它元件之具體參考非意圖於限制。此外，應當理解，當參考替代附圖時，類似部分具有相同參考標記。進一步注意，附圖是示意性且提供用於指導本領域技術人員且非必需按比例繪製。相反，附圖所示之各種繪圖比例(scale)、尺寸比(aspect ratio)及組件數量可以有目的地失真，以使某些特徵或關係易於理解。
圖1展示電動車輛100之部件之示意圖。具體地，此可以是自行車。應當理解，為了清楚及簡單起見，車輛100之許多部件未示出。車 輛100包括踏板驅動系統10以及電力驅動系統20。踏板驅動系統10包括兩踏板11，其藉由曲柄12機械地連接至電力發電機13。雖然所述機械連接以簡化形式示出，應當理解此等連接能以一些類型之傳輸機構為特徵。電力發電機13連接至第一功率電子元件14，其又連接到控制單元30。
在一方面，控制單元30經由第一功率電子元件14從第一感測單元40接收在踏板11之操作之資訊。此等也可以被第一功率電子元件14使用之資訊可以特別地包括由使用者所施加之輸入力矩之資訊，以及曲柄12之角位置、角速度(或節奏，分別地)及/或其他量值。應當注意，雖然輸入力矩可以藉由在踏板、踏板臂或齒輪部件上之可以是第一感測單元40之部分之專用力感測器(dedicated force sensor)來測量，在此示例性實施例中，輸入力矩藉由測量來自發電機13之電流而確定，其中對於電力機械之一些類型，例如DC機械或PMSM機器)，與輸入力矩成比例。與曲柄12之位置相關之量值可以由包括角編碼器(angular encoder)之第一感測單元40所確定。
另一方面，控制單元30可以發送控制訊號至第一功率電子元件14，以控制由發電機13施加至曲柄12及踏板11之回饋力矩。特別地，可以至少部分地以軟體實現之控制單元30包括觸覺呈現器31，其被配置為基於預定之踏板參考軌跡而控制回饋力矩。將在下面更詳細地討論之此等踏板參考軌跡可以例如表示作為角位置之函數之節奏(或角速度)之標稱值(nominal value)。換言之，觸覺呈現器31控制回饋力矩，使得實際節奏對應於參考軌跡。交替地，參考軌跡可以表示角位置及/或任何其時間導數之標稱值。當然，觸覺呈現器31包括或連接至參考軌跡所儲存之記憶設 備(未示出)。通常，回饋力矩是反向力矩，即抵消由使用者所施加之輸入力矩之力矩。一可說反向力矩及其所基於之參考軌跡模擬車輛100之「虛擬」慣性。踏板11、曲柄12及發電機13之實際、物理機械慣性是相對低，使得使用者操作踏板11之觸覺很大程度取決於回饋力矩。若可能，回饋力矩藉由正常地操作發電機13(例如作為發電機)而產生。然而，回饋力矩也可以藉由將發電機13作為電動機操作而產生。此操作模式還可以用於產生支撐力矩，即，作用在與由使用者所施加之輸入力矩相同方向上之力矩，或者例如在開始之前支撐腿及腳之重量之保持力矩。控制單元30還包括慣性建模器32，其被配置為反覆地適配參考軌跡，然後將其提供至觸覺呈現器31。慣性建模器32之操作將在下面詳細描述。
控制單元30還以有線方式或者無線地連接至人機介面(human-machine interface)60，其可以集成至車輛100中，或者可以是類似智慧型手機(smartphone)或智慧型手錶(smartwatch)、個人數位助理(PDA)或平板電腦(tablet)之移動設備。使用者可以通過人機介面60輸入某些參數或者可以僅指定他之身份，之後某些參數被自動地確定。當然人機介面60還可以作為用於使用者之顯示器，其示出車輛速度、節奏、踏板功率等之當前值。
踏板11、具有第一功率電子元件14之發電機13以及控制單元30也是車輛100之電力驅動系統20之一部分。此電力驅動系統20還包括電力電動機21，其耦接至第二功率電子元件22，而第二功率電子元件22又連接至控制單元30。電力電動機21機械地連接至至少一從動輪23。其可直接地連接至從動輪23之輪轂(hub)或通過傳動機構(transmission mechanism)。 第二功率電子元件22還電性連接至第一功率電子元件14以及用於能量交換之能量儲存裝置50。能量儲存裝置50可以例如是可再充電之電池、電容、或兩者之組合。並且，諸如燃料電池之電流源可以與諸如具有低阻抗之電池之能量儲存裝置組合。通常，能量將從第一功率電子元件14及/或能量儲存裝置50傳遞至第二功率電子元件22。然而，電力電動機21也可以作為發電機使用，例如當車輛100正在下坡時，使得能量可以從第二功率電子元件22傳遞至第一功率電子元件14及/或能量儲存裝置50。
控制單元30還包括驅動控制器33，其控制第二功率電子元件22，以在從動輪23處實現一定之驅動力矩及/或一定之角速度或角加速度。驅動控制器33之操作將在下面更詳細地描述。控制單元30還經由第二功率電子元件22及/或第二感測單元41接收在電力電動機21或從動輪23之資訊。此等資訊-其也可以被第二功率電子元件22使用-可以指代驅動力矩、角速度或其他特徵量。替代地，控制單元30可以直接地接收此資訊，即不經由第二功率電子元件22。
應當注意，當第一及第二感測單元40、41各自被表示為單個局部化裝置(localized device)，其每一個可以是間隔開之一組感測器。除此之外，車輛可以包括第三感測單元42，其既不位於發電機13附近也不位於電力電動機21附近。感測單元42可以位於車輛100或使用者上之任何適當位置。此等感測器之示例為GPS感測器、傾斜感測器、用於使用者之心率感測器等。感測單元40、41、42可以通過有線或無線地連接。其可以連接至串列匯流排(serial bus)以使雙向資訊(bidirectional information)交換，例如使得重新參數化(re-parameterization)是可能的。
參照圖2，用於根據參考軌跡控制回饋力矩之方法將被描述。此方法由觸覺呈現器31進行。在步驟200開始之後，可以由慣性建模器32提供之參考軌跡在步驟201被接收。在步驟202中，一或多個踏板狀態變數被確定，其可以是踏板11(或是通常連接至具有已知於控制器30之固定齒輪比之踏板11之發電機13。可變齒輪比是可選擇的)之角位置、角位置之總和、角速度或者角加速度。在步驟203中，從參考軌跡導出相應之狀態變數。若需要，數值積分(numeric integration)或者數值微分(numeric differentiation)可用於確定相對之狀態變數。舉例而言，若踏板狀態變數是角速度且踏板參考軌跡定義角加速度，角位置首先必須藉由積分而計算。
在步驟204中，計算每個實際狀態變數以及從踏板參考軌跡導出之對應狀態變數之間之差異。在步驟205中，檢查在步驟204中計算之任何差異是否相關，即不可忽略。若是，回饋力矩在步驟206中適配，且過程重複步驟202。回饋力矩可以增加在步驟204中計算之差異之線性組合之一數量。即，若只有一差異，回饋力矩之增加與此差異成比例。若沒有相關差異-這將是很少之情況-則過程立即返回到步驟202，而不適配回饋力矩。通常，在用於降噪(noise reduction)之訊號處理中常見之方法應用在步驟204中之計算之前，以得到品質良好之踏板狀態變數。
應當注意，依序地示出之一些步驟可以在時間上並行地，即在同一時間。例如，步驟202及203可以在相同時間間隔期間並行地執行。此等並行化可以有助於增加回饋力矩適配之頻率。
現在，參考圖3之流程圖，將描述由慣性建模器32之參考軌跡之適配。在步驟300中開始之後，慣性建模器在步驟301中讀取或計算初 始參數，例如有效慣性、有效阻抗力矩等。此等參數可以儲存在記憶裝置中。初始參數還可以基於使用者選擇而確定或者可以基於感測器讀取而計算。在步驟302中，慣性建模器計算使用車輛模型之參考軌跡。若沒有關於使用者之踩踏行為(特別是輸入力矩)之可用數據，則使用標準化之參考軌跡。在此，從儲存在控制單元30之程式庫中之多個參考軌跡中選擇參考軌跡是可能的。接著，在步驟303中，沿著參考軌跡引導踏板。亦即，參考軌跡被提供至觸覺呈現器31，其反之相應地控制回饋力矩，例如如參考圖2所述。同時，測量並儲存輸入力矩Tc，或者是其隨時間或角位置之演進用於未來參考。如參考圖2所示，步驟303實際上包含一循環，其可以在例如在此方法繼續步驟304之前幾毫秒被執行。在此步驟中，檢查使用者是否已經停止踩踏向前，其可以藉由輸入力矩Tc之相對地急劇減少而檢測。應當注意，此等檢測也可以包括在圖2之循環中。若使用者已經停止踩踏向前，則此方法繼續步驟305並進入空轉模式(freewheeling mode)。在此模式中，踏板11不再沿著參考軌跡(這將違背使用者之意願)被引導，但其允許減速病停止或甚至向後移動。此減速之過程可以在力矩控制模式中發生，或根據支配減速過程之新計算之參考軌跡。相反於機械自行車，其踏板11完全地耦接或者脫離，以「中間」模式工作是可能的，其踏板11部分地耦接。此意味著當踏板11減速時，使用者仍然感受到來自電力發電機13之一些阻抗力矩，同時來自使用者之腿之動能被恢復。若在步驟304中其檢測到使用者向後移動踏板11，則發電機13作為電動機操作以輔助踏板之意圖運動。操作之此狀態可以用於將踏板11移動至理想起始位置。在那，例如若制動桿(brake lever)被使用者拉動，保持/夾緊力矩可以被施加。
若使用者尚未停止踩踏向前，則方法繼續步驟306，其更新參數。此等參數可以包括(虛擬)有效慣性及有效阻抗力矩。後者可取決於車輛軌道坡度及/或車輛速度(其影響空氣阻力)。特別地，自動地或響應於使用者輸入而適配虛擬齒輪是可能的。舉例來說，虛擬齒輪可以適配使得使用者被鼓勵達到優選之節奏值(或阻止偏離此等優選之節奏值)。
在步驟303期間，輸入力矩被記錄以獲得在踏板11之輸入力矩之過去力矩行程。此力矩行程表示在特定採樣時間上之力矩之時間演進，其可以例如是在1及100毫秒之間。使用具有運動之適當公式(例如公式1)之車輛模型，參考力矩行程被計算，其從由參考軌跡所表示之踏板運動所導出。此參考力矩行程表示在採樣時間期間之「預期」輸入力矩。在步驟307中，比較過去力矩行程與參考力矩行程。若有相關差異，其通常是此情況，則在步驟308中適配參考軌跡。塗然而，「舊的」未適配之參考軌跡及「新的」適配之參考軌跡之間之轉移通常藉由適當之數學方法而平滑，例如使用樣條。根據一實施例，參考軌跡之適配在相對地短之間隔內執行，例如每1至100毫秒或者踏板11之旋轉之每1度至10度。一旦參考軌跡已經適配，方法返回步驟303。在過去力矩行程及參考力矩行程之間無相關差異之(罕見的)情況下，方法立即地返回步驟303，而不適配參考軌跡。
應當注意，在簡化之實施例中，在步驟303中輸入力矩可以不測量且在步驟307之檢查可以省略。在此情況下，參考軌跡獨立於使用者之踩踏行為。當然，在步驟308中之適配在此情況下也獨立於輸入力矩。如圖2所示，依序地示出之一些步驟可以並行執行，即在同一時間。此可以異步地(asynchronously)或同步地(synchronously)進行，其取決於實施例 之實際應用。例如，在時間上，步驟306可以與步驟303並行地發生。
圖4藉由示例繪示作為曲柄角之函數之輸入力矩及角速度之發展。圖之整個寬度表示曲柄12之360度旋轉。輸入力矩在此周期期間具有在此間隔內之兩個峰值，其由於存在以趨近或確切為180度相位差(phase shift)移動之兩踏板腿及兩踏板11。在此所示之數據表示曲柄12之一次旋轉，其相隔180度。第一旋轉之輸入力矩Tc大致為正弦曲線且在此情況下具有接近或在90度及270度踏板位置之最大值以及在0度、180度及360度之最小值。此旋轉之角速度或節奏與總力矩之積分成比例，其除了輸入力矩之外包括由觸覺呈現器31所施加之回饋力矩。節奏也大致是正弦曲線，且相對於輸入力矩具有45度相位差。節奏可使用作為用於曲柄12之後續旋轉之參考軌跡。如水平線所示，節奏大約振盪一平均值。若節奏被認為是參考軌跡，此參考軌跡將由非振盪(例如，恆定或線性)之分量以及交替軌跡分量或「波動」所組成。此等結構也可以在慣性建模器僅部分地將參考軌跡基於使用者之踩踏行為但是使用或多或少之真實模型函數之情況下使用。在此示出之交替軌跡分量或波動大致是正弦曲線。然而，其還包括具有較短波長之分量，其可以被認為是高次諧波。在當前情況下，角速度之平均值在曲柄12之整個旋轉上是恆定的，但其也可以或多或少緩慢地變化。
圖5繪示響應於由使用者所施加之輸入力矩Tc之參考軌跡之適配。應當注意，在此所有量值都顯示為曲柄角之函數。給定作為時間之函數，相應之曲線將變形，由於非恆定角速度。在左圖中，表示步驟n，參考軌跡之節奏cadn-1大約在恆定之平均值交替。索引「n-1」表示基於前一步驟n-1計算此參考軌跡。應當注意，由於觸覺呈現器31沿著參考軌跡引導 踏板11，參考軌跡之節奏cadn-1或多或少地與實際節奏相同。粗虛線表示使用車輛模型從節奏cadn-1所計算之參考力矩Tref,n-1。然而，在步驟n期間之實際輸入力矩Tc,n通常不對應於期望值。在所示之示例中，其在整個360度旋轉上具有較大之值。由於由觸覺呈現器所施加之回饋力矩且由於施加之虛擬慣性，此較大之輸入力矩不會(立即地)導致增加之節奏。然而，由陰影區域所指示之增加輸入仍然導致在發電機13中之額外能量產生，其可以被傳遞至電動機21或者儲存在能量儲存裝置50中。
現在，在從左圖至右圖(其表示未來曲柄角)之轉移中，參考軌跡在如圖3之步驟308中被適配。基本上，車輛模型被應用且允許適配之參考軌跡之推導。由於Tc,n高於Tref,n-1(差異是陰影區域)之事實，使用者之希望之加速被檢測到。因此新參考軌跡之平均節奏cadn加速。
如在左圖中之細實線所示，輸入力矩可以可選地外推，其對應於在右側之圖中之粗虛線。在此，外推之輸入力矩Tc,n,extrapolated可以被認為是新參考力矩Tref,n，其可以用於計算新參考軌跡之節奏cadn。如所見，由於在步驟n中之增加之輸入力矩，節奏cadn增加且特別地具有增加之平均分量(除了交替分量)。在步驟n中之節奏及在步驟n+1中之節奏之間之轉移可以可選地藉由適當之數學方法而平滑，例如使用樣條。藉由示例，在步驟n+1期間之輸入力矩Tc,n+1被示出，其再次超過參考力矩Tref,n。對於下一步驟n+2，輸入力矩Tc,n+1可再次外推由細實線表示之Tc,n+1,extrapolated且可以使用於計算下一參考軌跡之節奏。
圖6繪示在車輛100之操作開始之後之節奏之時間演進。在此，從操作之開始起之時間可以作為用於慣性建模器32之軌跡參數。如圖 所見，節奏當然從零開始且在幾秒內收斂至優選之節奏cadpref(在此示例中為60轉速/分鐘(revolution(s)per minute，rpm))，其可以是預設值或可以由使用者輸入而確定。其表示被認為對於使用者最有效及/或最方便之節奏。節奏根據預定之角加速度bdefault開始增加，其可以由使用者輸入而確定。在任何情況下，此加速度由於安全原因受到最大允許加速度bmax之限制。如細虛線所示，節奏包括相對地緩慢地變化之「平均」分量及交替分量或波動，其被添加至平均分量。可選地，交替分量可以在初始時間周期內設置為零，例如在第一半部踏板旋轉佔據相對大之振幅之前其所需之時間期間內。之後，當平均分量增加且接近優選之節奏時，交替分量之振幅減少。換言之，節奏變得越來越恆定。此對應於機械自行車之行為，其允許在較高速度下更穩定地踩踏，部分地如較高之齒輪比及較高之有效慣性之結果。若參考軌跡根據使用者之踩踏行為而適配，即如參考圖3所描述，其或許不可能實現如圖6所示之節奏之理想化演進，因為使用者對節奏有一些影響。然而，即使在此等情況下，慣性建模器影響踩踏行為，例如藉由適配虛擬齒輪，使得使用者被鼓勵更慢或更快踩踏。應當注意，隨著節奏在圖6中增加，從動輪之角速度通常也增加，雖然通常以不同速率。由於在發電機及電力電動機之間沒有機械傳動裝置，連接至從動輪之電力電動機之操作在很大程度上獨立於踏板行為。特別地，電力電動機之角速度在一實施例中包括完全無波動。雖然沒有機械傳動裝置，當車輛100可仍然加速時，節奏在幾秒後或多或少地恆定之事實可以被認為是變化虛擬齒輪比之結果，其進而影響虛擬慣性。應當注意，當在機械自行車中，存在有限數量之齒輪比，虛擬齒輪比可以連續地被調整，其導致大致地恆定之節奏之可 能性。優選之節奏cadpref可以根據使用者輸入而選擇，但其也可以根據車輛或使用者之狀態變數而由控制單元30(例如由慣性建模器32)自動地調整。
圖7示出作為平均節奏之函數之平均輸入力矩之相關性。在此，兩平均值可以例如是對於時間或對於曲柄角。由於踏板11、曲柄12及齒輪(若存在)之機械穩定性之限制及/或發電機13之電力限制，輸入力矩具有上限Tmax。並且，對於諸如電壓限制(voltage limitation)、變頻器拓撲(inverter topology)、在發電機或其齒輪中之旋轉部件之機械完整性(mechanical integrity)之多種原因，節奏具有上限cadmax。優選之節奏cadpref(由垂直細虛線表示)當然低於此上限。當節奏為零時，即使用者沒有踩踏時，(平均)力矩可以為零，或者在替代實施例中，可以具有有限值Thold，其允許使用者以初始阻抗之觸覺而開始踩踏。在任一情況下，隨著節奏增加，力矩以限制踏板之開始加速度之方式而增加，而後力矩根據踏板之「剛性」而開始減少，其由下降之細虛線表示。此剛性可以根據使用者輸入而選擇，或者其可以由控制器通過在車輛操作期間之觀察而學習。應當注意，當使用者超過任何力矩或速度極限限制(由粗虛線指示)時，力矩可以改變，即增加或減少至對於使用者感到不舒服之值，使得他被阻止超過對應限制。在所述限制內，在操作範圍內，控制單元沿著(或朝向)參考軌跡引導使用者且參考軌跡之平均節奏可以逐步地被適配，使得優選之節奏在合理時間內(例如在幾秒內)總是達到。
如上所述，驅動控制器33控制第二功率電子元件22，由此從動輪23之驅動力矩及/或角速度被控制。特別地，驅動控制器33可以被配置為限制車輛加速度。此限制由圖8繪示，其為示出用於最大加速度值之 參考平面之圖。如所見，圖是3D坐標系，其一軸表示當前車速、第二軸表示車輛軌道坡度，即車輛100所行駛之軌道或駕駛面之坡度、且第三軸表示最大加速度值。在操作期間，當前車輛速度可以藉由將從動輪23之當前角速度乘以其圓周而容易地確定。車輛軌道坡度可以例如藉由第三感測單元42之適當之傾斜感測器(inclination sensor)而確定。因此，使用圖8中由參考平面所表示之關係，其可以被儲存為公式或為查找表，驅動控制器33計算最大加速度值。此外，驅動控制器33基於使用者之踩踏表現而確定期望之車輛加速度。舉例而言，發電機13之總發電量可以被監測，且若此發電量高於一定之預定值，此被解釋為使用者加速之期望，例如在0.7公尺/平方秒(m/s2)。測量之發電機功率可以使用例如從類似圖8所示之多個表面中選擇。然而，若確定之最大加速度值低於期望之車輛加速度，則驅動控制器33控制電力電動機21使得最大加速度值不被超過。
應當注意，最大加速度值對於超過圖8之粗線之任何車輛速度及車輛軌道坡度實際上是負值。換言之，粗線還表示用於相應之車輛軌道坡度之最大速度，因為使用者不能主動地加速至超過相應之速度。儘管當前車輛速度及當前車輛軌道坡度是最大加速度值所取決之兩車輛狀態參數，其亦可附加地或替代地取決於其他車輛狀態參數。舉例而言，其可以取決於當前車輛位置，其可以例如藉由作為第三感測單元42之一部分之GPS感測器以及連接至車輛位置之本地或國家之速度限制而確定。即，驅動控制器33可以在對應之資料庫中查找速度限制且基於此速度限制而確定參考平面。並且，作為上述之傾斜感測器之替代，車輛軌道坡度可以透過藉由GPS確定當前車輛位置以及藉由在地圖或其他對應資料庫中查找車輛軌道 坡度而確定。
如上所述，用於電力電動機21之第二功率電子元件22之能量可以直接從發電機13之第一功率電子元件14或從能量儲存裝置50傳遞。發電量可以如何被分配至使用者及能量儲存裝置50具有許多選項。圖9是繪示一種此等選項之圖，其中橫坐標(abscissa)是來自能量儲存裝置50之電池電流而縱坐標(ordinate)是分配予使用者之發電量之百分比，例如發電機13。百分比作為來自能量儲存裝置50之電流之函數而逐漸變化。當然，百分比也作為由能量儲存裝置50所提供之電功率(其與電壓乘以電流成比例)之函數而變化。其在電池電流介於標稱電流之0及3倍之間之一定範圍內幾乎恆定在40%。當電池電流增加至標稱電流之3倍以上時，百分比也增加，例如根據多項式函數，且當電流超過標稱電流之4倍時顯著上升。在標稱電流之5倍時，發電量之100%被分配至發電機13。然而，應當注意，儘管在百分比之增加是相當大的，其仍然是漸進的，即沒有「跳躍」。因此，使用者可能感覺到並增加應變(strain)，然而其不是突然地增加但是穩定地。然而，當電池電流變為負值時，即能量被恢復時，百分比穩定地減少，例如根據多項式函數。此等車輛行為保護電池免於過度應變。
儘管本發明已在圖示及先前說明中詳細地繪示及描述，此等繪示及描述被認為是說明性或示例性且非限制性；本發明不限於所公開之實施例。多個實施例之組合當然是可能的且在本發明之範圍內。
從圖式、公開內容及所附申請專利範圍之研讀，所公開之實施例之其它變形例可為本領域技術人員在實施所請發明時理解及實現。在申請專利範圍中，用詞「包括」不排除其他元件或步驟，且不定冠詞「一」 或「一」不排除多個。單一處理器、模組或其他單元可以實現申請專利範圍中所記載之多個項目之功能，或者分配至一元件之功能也可以分配至多個分佈式元件。
在相互不同之附屬項中所記載之某些手段(measure)之這一事實(mere fact)不表示此等手段之組合不能有利地使用。電腦程式可以儲存/分佈在適當之介質上，例如與其它硬體一起或作為部分而提供之光學儲存介質或固態介質，但也可以是以其他形式分佈，例如經由網路或其他有線或無線電信(telecommunication)系統。在申請專利範圍中之任何參考標記不應被解釋為限制範圍。
10‧‧‧踏板驅動系統
11‧‧‧踏板
12‧‧‧曲柄
13‧‧‧電力發電機
14‧‧‧第一功率電子元件
20‧‧‧電力驅動系統
21‧‧‧電力電動機
22‧‧‧第二功率電子元件
23‧‧‧從動輪
30‧‧‧控制單元
31‧‧‧觸覺呈現器
32‧‧‧慣性建模器
33‧‧‧驅動控制器
40‧‧‧第一感測單元
41‧‧‧第二感測單元
42‧‧‧第三感測單元
50‧‧‧能量儲存裝置
60‧‧‧人機介面
100‧‧‧電動車輛

Claims (27)

  1. 一種用於從一使用者之肌肉力(muscle power)產生電力之踏板驅動系統，至少具有：一踏板(pedal)；一電力發電機(electric generator)，與所述至少一踏板機械地連接；以及一控制單元，用於控制施加於所述踏板之一回饋力矩(feedback torque)；其中所述控制單元包括一觸覺呈現器(haptic renderer)，配置用於所述回饋力矩之控制，其基於至少一預定之踏板參考軌跡(pedal reference trajectory)。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述之踏板驅動系統，其中所述控制單元還包括一慣性建模器(inertia modeler)，配置於反覆地適配所述至少一踏板參考軌跡，且被適配之踏板參考軌跡被提供至所述觸覺呈現器用於所述回饋力矩之控制。
  3. 根據前述申請專利範圍中之其中一項所述之踏板驅動系統，其中所述踏板參考軌跡對應於一踏板節奏參考軌跡(pedal cadence reference trajectory)。
  4. 根據前述申請專利範圍中之其中一項所述之踏板驅動系統，其中所述觸覺呈現器被配置用於所述回饋力矩之阻抗 控制(impedance control)，使得所述踏板之移動適配於所述踏板參考軌跡。
  5. 根據前述申請專利範圍中之其中一項所述之踏板驅動系統，其中所述慣性建模器被配置為基於至少一軌跡參數(trajectory parameter)而適配所述參考軌跡。
  6. 根據前述申請專利範圍中之其中一項所述之踏板驅動系統，其中所述慣性建模器被配置為：對一預定採樣時間(predefined sampling time)確定一過去力矩行程(past torque course)，對使用一車輛模型之所述預定採樣時間確定對應於所述參考軌跡之一參考力矩行程(reference torque course)，對所述過去力矩行程與所述參考力矩行程進行比較，並且基於所述比較確定一適配踏板參考軌跡(adapted pedal reference trajectory)。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述之踏板驅動系統，其中所述車輛模型是一自行車模型。
  8. 根據前述申請專利範圍中之其中一項所述之踏板驅動系統，其中所述慣性建模器使用一車輛模型，其包括在所述至少一踏板處之一有效慣性(effective inertia)，且所述有效慣性為一虛擬齒輪比(virtual gear ratio)之一函數。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述之踏板驅動系統，其中所述慣性建模器被配置為適配所述虛擬齒輪比。
  10. 根據前述申請專利範圍中之其中一項所述之踏板驅動系統，其中所述慣性建模器被配置為適配所述踏板參考軌跡，使得所述踏板節奏收斂於一優選節奏值(preferred cadence value)。
  11. 根據申請專利範圍第10項所述之踏板驅動系統，其中所述控制單元被配置為基於所述車輛及/或所述使用者之至少一狀態變數(state variable)而自動地調節所述優選節奏值。
  12. 根據前述申請專利範圍中之其中一項所述之踏板驅動系統，其中所述控制單元被配置用於藉由反覆地執行以下步驟而控制所述回饋力矩：確定表示所述踏板之一運動之一踏板狀態變數(pedal state variable)；計算所確定之踏板狀態變數及從所述踏板參考軌跡導出之一對應狀態變數(corresponding state variable)之間之差異；以及基於所述差異來適配所述回饋力矩。
  13. 根據前述申請專利範圍中之其中一項所述之踏板驅動系統，其中所述控制單元被配置用於藉由反覆地執行以下步驟而控制所述回饋力矩：確定所述輸入力矩； 計算所確定之輸入力矩及從所述踏板參考軌跡導出之一對應參考力矩(corresponding reference torque)之間之差異；及基於所述差異來適配所述回饋力矩。
  14. 根據前述申請專利範圍中之其中一項所述之踏板驅動系統，其中所述至少一踏板參考軌跡包括至少一交替軌跡分量(alternating trajectory component)，其具有對應於一踏板旋轉(pedal revolution)或一踏板旋轉之一半之一周期長度。
  15. 根據申請專利範圍第14項所述之踏板驅動系統，其中所述交替軌跡分量之幅度及波形取決於一車輛及/或所述踏板之至少一狀態變數。
  16. 根據前述申請專利範圍中之其中一項所述之踏板驅動系統，其中所述控制單元包括多個踏板參考軌跡，其可交互地選擇。
  17. 根據申請專利範圍第16項所述之踏板驅動系統，其中所述觸覺呈現器被配置為自動地基於一軌跡選擇信號(trajectory selection signal)而選擇所述多個參考軌跡之一。
  18. 根據前述申請專利範圍中之其中一項所述之踏板驅動系統，其中所述慣性建模器被配置為在對應於小於所述踏板之一旋轉、特別是在所述踏板之旋轉角度之至多10度、至 多5度或至多3度之預定間隔(predetermined intervals)處反覆地適配所述至少一踏板參考軌跡。
  19. 一種具有根據前述申請專利範圍中之其中一項或多項所述之踏板驅動系統之電動車輛，一電子傳動裝置(electronic transmission)將所述發電機連接至一電負載及/或一電驅動電動機(motor)。
  20. 一種具有根據前述申請專利範圍中之其中一項或多項所述之踏板驅動系統之訓練裝置(Training apparatus)。
  21. 一種操作用於從一使用者之肌肉力產生電力之一踏板驅動系統之方法，其具有至少一踏板以及機械地連接所述至少一踏板之一電力發電機，其中施加於所述踏板之一回饋力矩基於至少一踏板參考軌跡而被控制。
  22. 一種用於一車輛之電力驅動系統，其以肌肉力操作並包括至少一踏板、機械地連接所述至少一踏板之一電力發電機、電性連接所述電力發電機之一電力電動機(electric motor)以及一驅動控制器，其中所述驅動控制器被配置為根據基於至少二當前之車輛狀態參數(vehicle state parameters)之一預定關係(predefined relationship)而確定所述車輛之一最大加速度值，基於一使用者之一踩踏表現(pedaling performance)而確定一期望之車輛加速度，以及 操作所述電驅動電動機(electric drive motor)，使得所述車輛加速度藉由所確定之最大加速度值而限制。
  23. 根據申請專利範圍第22項所述之電力驅動系統，其中所述驅動控制器被配置為比較所述使用者之一當前踩踏表現之特性之一性能參數與一預定參考參數，確定對應於性能參數及所述預定參考參數之間之差異之所述期望之車輛加速度。
  24. 根據申請專利範圍第22至23項中之其中一項所述之電力驅動系統，其中所述至少二車輛狀態參數至少包括車輛速度及車輛等級(grade)，使得所述最大加速度值被確定為至少車輛速度及車輛軌道坡度(slope)之函數。
  25. 根據申請專利範圍第22至24項中之其中一項所述之電力驅動系統，其中所述至少二車輛狀態參數至少包括基於所述車輛之所述當前位置(current location)之速度限制資訊(speed limit information)。
  26. 根據申請專利範圍第22至25項中之其中一項所述之電力驅動系統，其中所述驅動控制器被配置為從當前踩踏功率(pedaling power)及根據一輔助加權函數(assist weighing function)之預定輔助功率參數(assist power parameter)之間之差異而調整所述最大加速度值。
  27. 一種具有根據申請專利範圍第22至26項中之其中一項或多項所述之電力驅動系統之電動車輛。
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