WO2010094515A1 - Verfahren zum betreiben eines motorisch unterstützten tret-vehikels, insbesondere fahrrads - Google Patents

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WO2010094515A1
WO2010094515A1 PCT/EP2010/050033 EP2010050033W WO2010094515A1 WO 2010094515 A1 WO2010094515 A1 WO 2010094515A1 EP 2010050033 W EP2010050033 W EP 2010050033W WO 2010094515 A1 WO2010094515 A1 WO 2010094515A1
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WO
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pedal
speed
crank
wheel
regulating device
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PCT/EP2010/050033
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Inventor
Georg Mallebrein
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • B62M6/50—Control or actuating devices therefor characterised by detectors or sensors, or arrangement thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/20—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power generated by humans or animals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/12—Bikes

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a computer program, a control and / or regulating device and a pedal vehicle according to the preambles of the independent claims.
  • Bicycles with electromotive treadmill support are known from the market.
  • an evaluation of the treading force or treading torque is usually carried out and subsequently implemented by a controller in a corresponding pedaling assistance by the electric assist motor, so that can be dispensed with a cumbersome manual request by means of a rotary handle or similar setpoint generators.
  • a sensory force or moment measurement is used for the detection of treading or treading on the pedal of the bicycle.
  • Torque detection In general, the immediate force path must interrupted and closed again via a restoring property exhibiting intermediate member, such that in this case takes place a difference measurement between elements in front of and behind this intermediate member.
  • Springs, elastic bodies, piezo components or other displacement transducers are generally used for this purpose. The disadvantage of this and similar
  • Constructions consists in the required intervention in the power train from the driver's foot to the wheel. As a result, the previously known methods are basically more complex and expensive.
  • the object of the invention is to simplify the construction of the pedal vehicle.
  • the fact is used that the pedaling force of a driver of a pedal vehicle over a revolution of the pedal crank is not constant, but is subjected to a cyclic fluctuation with a period of 180 °. It was also recognized that the more pedaling the cyclist puts on, the greater the variation.
  • the torque request currently desired by the driver is determined via a dynamic evaluation of the pedal crank speed, without requiring an actual measurement of the pedaling force or of the torque with respect to the pedal crank axle.
  • the usual sensors can be omitted, making the pedal vehicle as a whole easier to build, weight is saved, and the production costs are reduced.
  • the periodic nonuniformity of the speed of a pedal crank or one of the two wheels is measured.
  • a Speed evaluation over any other time periods made, for example, to have the general acceleration of the pedal vehicle with as a criterion for the control of the drive assistance. It is also favorable over the angle of rotation of the pedal crank or the wheels angle and time appropriately resolved speed measurement. For example, an associated angle segment over the rotation of the crank for such a measurement is 15 degrees angle.
  • a variable characterizing the non-uniformity of the rotational speed is obtained by a time derivation of the rotational speed signal.
  • the time derivative of the speed signal is equal to the angular acceleration of the pedal crank, from which results, for example, in the form of a determined amplitude, a direct measure of the sum of the forces acting on a pedal crankshaft torques.
  • the characterizing quantity is used to detect the driver's desired pedaling assistance, which is expressed by the treading force applied by him.
  • a further embodiment of the invention is that of an average value (corresponding to a mean acceleration) and an amplitude
  • a current load situation characterizing size is determined and the drive support also depends on this determined size.
  • an evaluation and reaction with respect to the current load situation such as the acceleration of the pedal vehicle, the gradient or the
  • Headwinds in conjunction with other known to a control and / or regulating device operating parameters allows, without the need for additional sensors or measuring devices.
  • crankset or wheel is evaluated only in an angular interval.
  • Another possibility considered by the invention is that speed fluctuations of the pedal crank and / or the drive wheel as a result of the pedaling movement by the driver at least partially from the
  • Drive support can be compensated.
  • the speed measurement according to the invention on the crankset and their transmission to the control and / or regulating device allow the latter in interaction with the other known operating parameters to correct the instantaneous speed to a low ripple. As a result, the driving process can be stabilized and the driving comfort can be increased.
  • the solution according to the invention works even better if disturbances in the rotational speed measurement as a result of longitudinal movements of the driver in the control and / or regulating device are filtered out or eliminated.
  • a current gear can be detected by sensing a gear shift.
  • the mechanical position of an encoder for the gear selection queried in which case can be dispensed with a respective second speed detection on the wheel or on the pedal.
  • a further embodiment of the invention is that a reference phase of the pedal crank and / or the wheel characterizing the rotation is detected and transmitted to the control and regulating device.
  • a kind of "zero” or “home position” or an “absolute position” of the crank and / or the wheel is detected, which makes it easier to recognize in the overall course of the time derivative those shares that correspond to the actual pedaling force.
  • Freewheel features so that sets only with adjacent treadle torque on the pedal a precisely synchronized rotary motion between crank and wheel.
  • An advantageous simplification of the pedal vehicle results when it contains a speed sensor wheel for the detection of a rotational speed as well as for a reference phase characterizing the rotation of the pedal, wherein the reference phase is detected by a tooth gap of one or two teeth of the Drehieregeberrads.
  • the measurement of the speed and the reference phase and their transmission to the control and regulating device can each be carried out uniformly, and thus additional elements or transmission devices can be saved.
  • Figure 1 is a schematic side view of a pedal vehicle
  • FIG. 2 shows a diagram in which various operating parameters of the pedal
  • Vehicles of Figure 1 are plotted on the angle of a pedal for a first operating situation
  • FIG. 3 shows a diagram similar to FIG. 2 for a second operating situation
  • FIG. 4 shows a diagram similar to FIG. 2 for a third operating situation
  • FIG. 5 shows a diagram similar to FIG. 2 for a fourth operating situation
  • FIG. 6 is a flow chart of a method for operating the pedal vehicle of FIG. 1.
  • Figure 1 shows as a pedal vehicle an electric bicycle 1. Schematically shown in particular the frame 2, the two wheels 3, the pedal 4 with perpendicular to the plane extending pedal crank axle (no reference), pedal rods 12 of pedals (not shown), a Transmission means, which in the present case is a chain 5, but alternatively may also be a drive belt or a cardan shaft, a drive unit 6 with an electric assist motor, not shown, which is coupled either to the crank 4 or a hub of the wheels 3, a control - And control device 7, a sensor 1 1 for detecting the speed of the pedal 4, schematically the
  • Figure 2 shows an example of a course of a speed 16 of the pedal crank 4 and an angular acceleration derived therefrom by time derivative 17 ("treading") over a full crank rotation of 360 ° at high pedaling and high counter torque, such as when driving uphill without middle
  • Acceleration ie constant mean speed
  • a normalized treading moment 18 and a basic load caused for example by friction, inclination, head wind and the like, and expressed as normalized counter-torque 19, are indicated. It can be seen that the treading force or the treading moment have a sinusoidal course. This is mainly due to the fact that with approximately horizontal pedal bars 12, the lever arm is maximum, with approximately vertical pedal bars 12, however, minimal.
  • FIG. 3 shows the same variables as in FIG. 2 during heavy pedaling and at high counter torque, as is the case, for example, when driving uphill and at the same time having positive average acceleration (increasing average speed).
  • FIG. 4 shows the same variables as FIG. 2 with weak pedaling and with small counter-torque, as is the case for plane travel (no gradient and no gradient) without average acceleration (constant average speed).
  • FIG. 5 shows the same variables as in FIG. 2 with weak pedaling and with small counter-torque, as is the case for plane travel (no gradient and no gradient) at negative average acceleration (decreasing average speed). It can be seen that the amplitudes of curves 17 and 18 are significantly greater during heavy pedaling (high treading force and thus requesting high support) than when pedaling weakly (low treading force and thus low support requirement).
  • the speed measurement is only required on one element, as in the present case on the pedal crank 4.
  • This one element may alternatively also be one of the two wheels 3.
  • this gear recognition can be accomplished by means of speed comparison via an additional speed measurement on the other element (wheel 3 or pedal 4). This can be done for redundancy also in addition to the sensing by the encoder 14, as in the present bicycle. 1
  • the time derivative 17 or 18 of the rotational speed 16 represents a measure of the total torque acting on the drive wheel 3.
  • the amplitude of the angular acceleration 17 is a measure of the pedaling force, and the mean of the
  • Angular acceleration 17 gives a measure of the acceleration of the entire bicycle 1. Simplified, the acceleration of the bicycle can alternatively be determined for one revolution of the pedal crank 4 over only 180 degrees.
  • the drive unit 6 When driving the driver performs pedaling movements, which in accordance with an actuator 13, a certain part of the total drive power, which in turn depends on the determined pedaling force.
  • the angular velocity of the pedal crank 4 is measured, differentiated in time in the control and regulating device 7 and freed of disturbing variables, such as those caused by the cyclic longitudinal movement of the driver.
  • the disturbance variables are recognized on the basis of their characteristic phase position relative to a reference position, evaluated and subtracted from the signal describing the angular velocity or the angular acceleration.
  • the average and the periodic high and low points of this signal are determined, further the difference of this high and low point is evaluated with a gear-dependent factor and finally used to control the drive unit.
  • additional operating parameters are additionally used and switched on, such as the signal curves or their directly derived parameters such as mean values or amplitudes from previous periods of the pedal crank, the motor current, the temperature of the armature winding or the specification of the actuator 13.
  • the disturbance occurring as a result of longitudinal movements of the driver, which is superimposed on the signal describing the angular velocity and the angular acceleration, has, like this, a periodicity of 180 angular degrees.
  • the sum signal thus formed can then be approximately freed as described from the disturbance when using known
  • Comparative values this disturbance can be detected on the basis of their characteristic phase position.
  • the embodiment according to the invention provides for a mechanical reference phase, that is to say a kind of zero point of the pedal crank, to be detected and transmitted to the control and regulating device 7.
  • the currently selected gear ratio has a great influence on the ripple of the speeds or the angular acceleration and is therefore taken into account in the evaluation in the control and regulating device 7.
  • the ripple at the same pedaling force is significantly smaller than in a low gear.
  • accelerations occur as a result of the desired electrical pedaling assistance.
  • Tretkurbel 4 or a response of a coaster brake in a brake hub of the drive wheel 3 or other braking devices a criterion for the control and regulating device 7, the drive unit 6 off or block their activation.
  • a method of operating the pedal vehicle is shown by way of example in FIG.
  • the method begins in 20.
  • the angular speeds of the pedal crank 4 and the drive wheel 3 are detected and transmitted together with the specific reference phases to the control and regulation device 7 and evaluated there. Both are differentiated in time (blocks 23 and 24) and then examined in block 25 both with respect to the engaged gear and the causality of their rotational movements. Subsequently, the signals thus obtained are used in block 26 to determine the support desired by the driver by the drive unit 6 depending on the position of the actuator 13.
  • Essential is the determined in block 23
  • Angular acceleration 17 of the pedal crank 4 which, for example, a Differential value formation of their periodic high and low point is subjected.
  • further operating parameters, measured variables or values are available and are used as needed for support. These are, for example, the actuator 13 for the manual selection of the scope of the drive assistance, the gear selector 14, the knowledge of previous periods of rotation of crank 4 or drive wheel 3, the motor current or the anchor temperature.

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Abstract

Bei einem Elektrofahrrad oder sonstigen motorisch unterstützten Tret-Vehikel (1) wird erfindungsgemäß die vom Fahrer aktuell gewünschte Antriebsunterstützung über eine dynamische Auswertung der Tretkurbeldrehzahl ermittelt, ohne dass eine tatsächliche Messung der Tretkraft oder des Drehmomentes bezüglich der Tretkurbelachse erforderlich ist. Aus der Winkelgeschwindigkeit und/oder der Winkelbeschleunigung der Tretkurbel (4) wird in einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (7) unter Zuhilfenahme sonstiger der Steuer- und/oder Regeleinrichtung (7) bekannter Betriebsparameter auf die gewünschte Drehmomentanforderung geschlossen. Hierdurch können die bisher üblichen Sensoren entfallen, wodurch das Tret-Vehikel (1) insgesamt einfacher baut, Gewicht gespart wird, und die Herstellungskosten gesenkt werden.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben eines motorisch unterstützten Tret-Vehikels, insbesondere Fahrrads
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Computerprogramm, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Tret- Vehikel nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
Fahrräder mit einer elektromotorischen Tretkraftunterstützung sind vom Markt her bekannt. Zur Ermittlung der vom Fahrer gewünschten Tretkraftunterstützung wird üblicherweise eine Auswertung der Tretkraft oder des Tretmomentes vorgenommen und nachfolgend von einer Steuerung in eine entsprechende Tretkraftunterstützung durch den elektrischen Unterstützungsmotor umgesetzt, so dass auf eine umständliche manuelle Anforderung mittels Drehgriff oder ähnlichen Sollwertgebern verzichtet werden kann. Für die Erfassung der Tretkraft oder des Tretmomentes an der Tretkurbel des Fahrrades wird üblicherweise eine sensorische Kraft- beziehungsweise Momentenmessung benutzt.
Aus DE 196 17 959 C1 ist bekannt, das Drehmoment mittels zweier Geberscheiben und ihnen zugeordneter Rückstellmittel und Sensoren zu erfassen. Aus DE 102 43 751 A1 ist ebenfalls eine Drehmomenterfassung mittels Sensorelementen bekannt, die im Bereich der Tretkurbel untergebracht sind. Beiden vorbekannten Verfahren ist gemeinsam, dass die Ermittlung der vom Fahrer aktuell gewünschten Antriebsunterstützung angewiesen ist auf eine in den Antriebsstrang vom Fuß des Fahrers bis zum Rad eingefügte Kraft- oder
Drehmomenterfassung. Hierzu muss allgemein der unmittelbare Kraftweg unterbrochen und über ein ein Rückstellvermögen aufweisendes Zwischenglied wieder geschlossen werden, derart, dass dabei eine Differenzmessung zwischen Elementen jeweils vor und hinter diesem Zwischenglied erfolgt. Zu diesem Zweck kommen allgemein Federn, elastische Körper, Piezobauteile oder sonstige Wegaufnehmer zur Anwendung. Der Nachteil dieser und ähnlicher
Konstruktionen besteht in dem erforderlichen Eingriff in den kraftführenden Strang vom Fuß des Fahrers bis zum Rad. Dadurch werden die vorbekannten Methoden grundsätzlich aufwändiger und teurer.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufbau des Tret-Vehikels zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch ein Computerprogramm, eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung und ein Tret-
Vehikel nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Erfindungsgemäß wird die Tatsache genutzt, dass die Tretkraft eines Fahrers eines Tret-Vehikels über eine Umdrehung der Tretkurbel nicht konstant, sondern einer zyklischen Schwankung mit einer Periode von 180° unterworfen ist. Ferner wurde erkannt, dass die Schwankung umso größer ist, je mehr Tretkraft der Fahrradfahrer aufbringt. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die vom Fahrer aktuell gewünschte Drehmomentanforderung über eine dynamische Auswertung der Tretkurbeldrehzahl ermittelt, ohne dass eine tatsächliche Messung der Tretkraft oder des Drehmomentes bezüglich der Tretkurbelachse erforderlich ist. Hierdurch können die bisher üblichen Sensoren entfallen, wodurch das Tret-Vehikel insgesamt einfacher baut, Gewicht gespart wird, und die Herstellungskosten gesenkt werden.
Dazu wird die periodische Ungleichförmigkeit der Drehzahl einer Tretkurbel oder eines der beiden Räder gemessen. Ergänzend wird bedarfsweise eine Drehzahlauswertung über beliebige andere Zeitabschnitte vorgenommen, um zum Beispiel die allgemeine Beschleunigung des Tret-Vehikels mit als Kriterium für die Steuerung der Antriebsunterstützung zur Verfügung zu haben. Günstig ist ferner eine über den Drehwinkel der Tretkurbel beziehungsweise der Räder winkel- und zeitmäßig passend aufgelöste Drehzahlmessung. Beispielsweise beträgt ein zugehöriges Winkelsegment über die Drehung der Tretkurbel für eine solche Messung 15 Winkelgrad.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass eine die Ungleichförmigkeit der Drehzahl charakterisierende Größe durch eine zeitliche Ableitung des Drehzahlsignals gewonnen wird. Die zeitliche Ableitung des Drehzahlsignals ist gleich der Winkelbeschleunigung der Tretkurbeldrehung, woraus sich beispielsweise in Form einer ermittelten Amplitude ein unmittelbares Maß für die Summe der auf eine Tretkurbelachse einwirkenden Drehmomente ergibt. Die charakterisierende Größe wird genutzt, um die vom Fahrer gewünschte Tretkraftunterstützung zu erkennen, die durch die von ihm aufgebrachte Tretkraft zum Ausdruck gebracht wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist es, dass aus einem Mittelwert (entsprechend einer mittleren Beschleunigung) und einer Amplitude
(entsprechend einer Tretkraft) einer Winkelbeschleunigung von Tretkurbel oder Rad eine die aktuelle Lastsituation charakterisierende Größe ermittelt wird und die Antriebsunterstützung auch von dieser ermittelten Größe abhängt. Dadurch wird eine Auswertung und Reaktion auch bezüglich der aktuellen Lastsituation, wie etwa der Beschleunigung des Tret-Vehikels, des Gefälles oder des
Gegenwindes im Zusammenspiel mit sonstigen einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung bekannten Betriebsparametern ermöglicht, ohne dass es zusätzlicher Sensoren oder Messeinrichtungen bedarf.
Ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Winkelbeschleunigung von Tretkurbel oder Rad nur in einem Winkelintervall ausgewertet wird. Dadurch lässt sich etwa die Berechnung zur Ermittlung der vom Fahrer gewünschten Tretkraftunterstützung in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung bei Bedarf vereinfachen, indem das Drehzahlsignal nicht mehr kontinuierlich differenziert, sondern nur einer Differenzenbildung unterzogen werden muss, um im
Zusammenspiel mit sonstigen der Steuer- und/oder Regeleinrichtung bekannten Betriebsparametern die aktuell vom Fahrer gewünschte Tretkraftunterstützung zu ermitteln. Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, solche Winkelintervalle der Tretkurbeldrehung von der Erfassung auszunehmen, in denen Störeinflüsse als Folge der Längsbewegung des Fahrers besonders hoch sind und/oder die Auswertung auf solche Winkelintervalle zu beschränken, in denen die Wirkung der Tretkraft aufgrund der Pedalstellung maximal und minimal ist.
Eine weitere von der Erfindung berücksichtigte Möglichkeit ist, dass Drehzahlschwankungen der Tretkurbel und/oder des Antriebsrades als Folge der Tretbewegung durch den Fahrer zumindest teilweise von der
Antriebsunterstützung ausgeglichen werden. Die erfindungsgemäße Drehzahlmessung an der Tretkurbel und deren Übermittlung an die Steuer- und/oder Regeleinrichtung erlauben es Letzterer im Zusammenspiel mit den sonstigen bekannten Betriebsparametern die Momentangeschwindigkeit auf eine niedrige Welligkeit auszuregeln. Dadurch kann der Fahrvorgang stabilisiert und der Fahrkomfort erhöht werden.
Die erfindungsgemäße Lösung arbeitet noch besser, wenn Störgrößen bei der Drehzahlmessung als Folge von Längsbewegungen des Fahrers in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung herausgefiltert oder herausgerechnet werden. Solche
Längsbewegungen könnten eine an sich gar nicht vorhandene Tretkraft vortäuschen. Durch die vorgeschlagene Maßnahme kann die vom Fahrer gewünschte Tretkraftunterstützung genauer erfasst und ein ungewolltes Verhalten des Systems verhindert werden.
Besonders hilfreich bei der Filterung von Störgrößen bei der Drehzahlmessung als Folge von Längsbewegungen des Fahrers ist es, wenn die Filterung oder Rechnung von einer Phase der Tretkurbeldrehung abhängt. Hierdurch wird der Tatsache Rechnung getragen, dass Geschwindigkeitsschwankungen des Tret- Vehikels aufgrund von Fahrer-Längsbewegungen periodisch auftreten, jedoch gegenüber der Welligkeit der Drehzahl aufgrund der Fahrer-Tretkraft eine typische Phasenbeziehung aufweisen. Wird die Phase beziehungsweise die absolute Winkelstellung der Tretkurbel berücksichtigt, kann der Störeinfluss besonders einfach detektiert und von der Tretbewegung des Fahrers unterschieden werden. Günstig ist es ferner, wenn der aktuell eingelegte Gang bei der Auswertung des Drehzahlverlaufs berücksichtigt wird. Dadurch ist die Steuer- und/oder Regeleinrichtung in der Lage, die von der Drehzahlmessung an der Tretkurbel oder am Rad übermittelte Winkelgeschwindigkeit oder Winkelbeschleunigung auch in bezug auf die aktuelle Fahrsituation auszuwerten und somit die vom
Fahrer tatsächlich gewünschte Tretkraftunterstützung besser abzuschätzen. In einem hohen Gang sind die periodisch auftretenden Drehzahlschwankungen nämlich üblicherweise geringer als in einem niedrigen Gang.
Dabei besteht eine erste besonders einfache Möglichkeit zur Gangerkennung darin, dass ein aktueller Gang mit Hilfe von je mindestens einem Drehzahlsensor an der Tretkurbel und am Rad erkannt wird. Diese Ausführung ist vorteilhaft anzuwenden, wenn bereits solche Drehzahlsensoren sowohl an der Tretkurbel als auch am Rad vorhanden sind, da dann auf zusätzliche Sensoren verzichtet werden kann. Dabei erfolgt die Erkennung des eingelegten Ganges durch eine
Auswertung des Drehzahlunterschieds oder Drehzahlverhältnisses, ohne dass eine Vorrichtung, mit welcher die mechanische Stellung eines Gebers für die Gangwahl abgefragt wird, erforderlich ist.
Alternativ kann ein aktueller Gang über eine Sensierung einer Gangschaltung erkannt werden. Hierbei wird mittels einer Vorrichtung die mechanische Stellung eines Gebers für die Gangwahl abgefragt, wobei dann auf eine jeweils zweite Drehzahlerfassung am Rad oder an der Tretkurbel verzichtet werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass eine die Drehung charakterisierende Bezugsphase der Tretkurbel und/oder des Rads detektiert und an die Steuer- und Regeleinrichtung mit übermittelt wird. Es wird also eine Art "Null-" oder "Ausgangsstellung" beziehungsweise eine "Absolutstellung" der Tretkurbel und/oder des Rads erfasst, was es erleichtert, in dem Gesamtverlauf der zeitlichen Ableitung jene Anteile zu erkennen, die der tatsächlichen Tretkraft entsprechen.
Vorteilhaft ist ein Verfahren, bei dem die Drehzahlen von Tretkurbel und Antriebsrad und/oder deren zeitliche Ableitungen daraufhin geprüft werden, ob diese in einem kausalen Zusammenhang stehen, beispielsweise ob ein
Kraftschluss zwischen Tretkurbel und Antriebsrad vorliegt, und die Antriebsunterstützung nur aktiviert wird, wenn ein kausaler Zusammenhang bestätigt wurde. Hierdurch können zufällige Pedalbewegungen, wie sie beispielsweise beim Schieben des Tret-Vehikels auftreten, erkannt werden, und es kann ausgeschlossen werden, dass das Tret-Vehikel dabei ungewollt angetrieben wird. Grundgedanke dabei ist, dass ein Tret-Vehikel über einen
Freilauf verfügt, so dass sich nur bei anliegendem Tret-Drehmoment an der Tretkurbel eine exakt synchrone Drehbewegung zwischen Tretkurbel und Rad einstellt. Hierbei ist es hilfreich, wenn die aktuelle Übersetzung zwischen Tretkurbel und Rad bekannt ist.
Eine vorteilhafte Vereinfachung des Tret-Vehikels ergibt sich, wenn es ein Drehzahlgeberrad enthält für die Erfassung einer Drehzahl sowie für eine die Drehung der Tretkurbel charakterisierenden Bezugsphase, wobei die Bezugsphase über eine Zahnlücke von ein oder zwei Zähnen des Drehzahlgeberrads erkannt wird. Damit können die Messung der Drehzahl und der Bezugsphase sowie deren Übermittlung an die Steuer- und Regeleinrichtung jeweils einheitlich ausgeführt werden, und damit zusätzliche Elemente oder Übermittlungsvorrichtungen gespart werden.
Nachfolgend wird eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine schematische Seitenansicht eines Tret-Vehikels;
Figur 2 ein Diagramm, in dem verschiedene Betriebsparameter des Tret-
Vehikels von Figur 1 über dem Winkel einer Tretkurbel für eine erste Betriebssituation aufgetragen sind;
Figur 3 ein Diagramm ähnlich zu Figur 2 für eine zweite Betriebssituation;
Figur 4 ein Diagramm ähnlich zu Figur 2 für eine dritte Betriebssituation;
Figur 5 ein Diagramm ähnlich zu Figur 2 für eine vierte Betriebssituation; und.
Figur 6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben des Tret-Vehikels von Figur 1 . Figur 1 zeigt als Tret-Vehikel ein elektrisches Fahrrad 1. Schematisch dargestellt sind insbesondere der Rahmen 2, die beiden Räder 3, die Tretkurbel 4 mit sich senkrecht zur Blattebene erstreckender Tretkurbelachse (ohne Bezugszeichen), Pedalstangen 12 von Pedalen (nicht gezeigt), ein Mittel zur Kraftübertragung, welches vorliegend eine Kette 5 ist, alternativ aber auch ein Treibriemen oder eine Kardanwelle sein kann, eine Antriebseinheit 6 mit einem nicht gezeigten elektrischen Unterstützungsmotor, der entweder mit der Tretkurbel 4 oder einer Nabe eines der Räder 3 gekoppelt ist, eine Steuer- und Regeleinrichtung 7, einen Sensor 1 1 zur Erfassung der Drehzahl der Tretkurbel 4, schematisch die
Übermittlung der Signale des Sensors 1 1 an das Steuer- und Regeleinrichtung 7 durch einen Pfeil 8, einen Radsensor 15 zur Erfassung der Drehzahl des hinteren Rads 3, schematisch die Übermittlung der Signale des Radsensors 15 an die Steuer- und Regeleinrichtung 7 durch einen Pfeil 9, die Übermittlung von Steuersignalen von der Steuer- und Regeleinrichtung 7 an die Antriebseinheit 6 durch einen Pfeil 10, ein Stellglied 13 für die manuelle Wahl des Umfangs der Antriebsunterstützung, und einen Geber 14 für die Gangwahl. Schematisch dargestellt sind außerdem eine Gangschaltung 27 und die damit schaltbaren Gänge 28, allgemein in einer Anzahl "n", wie sie einer konkreten Ausgestaltung eines Tret-Vehikels entsprechen.
Figur 2 zeigt beispielhaft einen Verlauf einer Drehzahl 16 der Tretkurbel 4 und einer hieraus durch zeitliche Ableitung gewonnenen Winkelbeschleunigung 17 ("Tretmoment") über eine volle Tretkurbelumdrehung von 360° bei starkem Treten und bei hohem Gegenmoment, wie es etwa bei Bergauffahrt ohne mittlere
Beschleunigung (also konstante mittlere Geschwindigkeit) der Fall ist. Ein normiertes Tretmoment 18 und eine Grundbelastung, verursacht beispielsweise durch Reibung, Steigung, Gegenwind und dergleichen, und ausgedrückt als normiertes Gegenmoment 19, sind mit angegeben. Man erkennt, dass die Tretkraft beziehungsweise das Tretmoment einen sinusförmigen Verlauf aufweisen. Dies hängt vor allem damit zusammen, dass bei in etwa horizontalen Pedalstangen 12 der Hebelarm maximal, bei in etwa vertikalen Pedalstangen 12 dagegen minimal ist. Figur 3 zeigt die gleichen Größen wie Figur 2 bei starkem Treten und bei hohem Gegenmoment, wie es etwa bei Bergauffahrt und zugleich positiver mittlerer Beschleunigung (zunehmende mittlere Geschwindigkeit) der Fall ist.
Figur 4 zeigt die gleichen Größen wie Figur 2 bei schwachem Treten und bei kleinem Gegenmoment, wie es etwa bei Ebenenfahrt (keine Steigung und kein Gefälle) ohne mittlere Beschleunigung (konstante mittlere Geschwindigkeit) der Fall ist.
Figur 5 zeigt die gleichen Größen wie Figur 2 bei schwachem Treten und bei kleinem Gegenmoment, wie es etwa bei Ebenenfahrt (keine Steigung und kein Gefälle) bei negativer mittlerer Beschleunigung (abnehmende mittlere Geschwindigkeit) der Fall ist. Man erkennt, dass die Amplituden der Kurven 17 und 18 bei starkem Treten (hohe Tretkraft und somit Anforderung einer hohen Unterstützung) deutlich größer sind als bei schwachem Treten (geringe Tretkraft und somit Anforderung einer geringen Unterstützung).
Grundsätzlich ist die Drehzahlmessung nur an einem Element erforderlich, wie vorliegend an der Tretkurbel 4. Dieses eine Element kann alternativ auch eines der beiden Räder 3 sein. Für den Fall, dass eine Gangerkennung in direkter
Weise wie vorliegend durch den Geber 14 nicht in Frage kommt, kann über eine zusätzliche Drehzahlmessung am jeweils anderen Element (Rad 3 beziehungsweise Tretkurbel 4) diese Gangerkennung mittels Drehzahlvergleich bewerkstelligt werden. Dies kann zur Redundanz auch zusätzlich zur Sensierung durch den Geber 14 erfolgen, wie bei dem vorliegenden Fahrrad 1 .
Anhand der Figuren 2 bis 5 ist zu erkennen, dass die zeitliche Ableitung 17 bzw. 18 der Drehzahl 16 ein Maß darstellt für das gesamte am Antriebsrad 3 wirkende Drehmoment. Die Amplitude der Winkelbeschleunigung 17 (als zeitliche Ableitung der Drehzahl 16) ist ein Maß für die Tretkraft, und der Mittelwert der
Winkelbeschleunigung 17 gibt ein Maß für die Beschleunigung des gesamten Fahrrades 1. Vereinfacht kann die Beschleunigung des Fahrrades alternativ für einen Umlauf der Tretkurbel 4 über nur 180 Grad bestimmt werden.
Im Fahrbetrieb führt der Fahrer Tretbewegungen aus, welche nach Maßgabe eines Stellglieds 13 einen bestimmten Teil der gesamten Antriebsleistung erbringen, oder umgekehrt: Je nach gewählter Stellung des Stellglieds 13 stellt die Antriebseinheit 6 einen gewünschten Anteil an der gesamten Antriebsleistung bereit, die wiederum von der ermittelten Tretkraft abhängt. Die Winkelgeschwindigkeit der Tretkurbel 4 wird gemessen, in der Steuer- und Regeleinrichtung 7 zeitlich differenziert und von Störgrößen befreit, wie sie etwa durch die periodische Längsbewegung des Fahrers verursacht werden. Dazu werden ausgehend von der konkreten Ausführungsform des Fahrrades 1 mittels bekannter Vergleichswerte die Störgrößen an Hand ihrer charakteristischen auf eine Bezugslage bezogene Phasenlage erkannt, bewertet und von dem die Winkelgeschwindigkeit oder die Winkelbeschleunigung beschreibenden Signal subtrahiert. Danach werden beispielsweise der Mittelwert und der periodische Hoch- und Tiefpunkt dieses Signals bestimmt, weiterhin wird die Differenz dieses Hoch- und Tiefpunktes mit einem vom eingelegten Gang abhängigen Faktor bewertet und schließlich zur Steuerung der Antriebseinheit verwendet. Je nach der konkreten Ausführungsform werden dafür weitere Betriebsparameter zusätzlich genutzt und aufgeschaltet, wie etwa die Signalverläufe oder deren unmittelbar hergeleitete Kenngrößen wie Mittelwerte oder Amplituden aus vorangehenden Perioden der Tretkurbeldrehung, der Motorstrom, die Temperatur der Ankerwicklung oder die Maßgabe des Stellgliedes 13.
Die als Folge von Längsbewegungen des Fahrers auftretende Störgröße, welche sich dem die Winkelgeschwindigkeit und die Winkelbeschleunigung beschreibenden Signal überlagert, besitzt wie dieses eine Periodizität von 180 Winkelgrad. Das derart gebildete Summensignal lässt sich dann näherungsweise wie beschrieben von der Störgröße befreien, wenn mittels bekannter
Vergleichswerte diese Störgröße an Hand ihrer charakteristischen Phasenlage erkannt werden kann. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht dazu vor, eine mechanische Bezugsphase, also eine Art Nullpunkt der Tretkurbel, zu detektieren und an die Steuer- und Regeleinrichtung 7 zu übermitteln.
Die aktuell gewählte Gangübersetzung hat einen großen Einfluss auf die Welligkeit der Drehzahlen beziehungsweise der Winkelbeschleunigungen und wird daher bei der Auswertung in der Steuer- und Regeleinrichtung 7 mit berücksichtigt. In einem hohen Gang ist die Welligkeit bei gleicher Tretkraft deutlich kleiner als in einem niedrigen Gang. Weiterhin treten Beschleunigungen als Folge der gewünschten elektrischen Tretkraftunterstützung auf. Diese sind der Steuer- und Regeleinrichtung 7 bekannt und können daher herausgerechnet werden.
Eine für den sicheren Betrieb des Fahrrads 1 wichtige Möglichkeit ist es, die
Drehzahlen von Tretkurbel 4 und Antriebsrad 3 und/oder deren zeitliche Ableitungen daraufhin zu überprüfen, ob diese in einem kausalen Zusammenhang stehen, und die Antriebsunterstützung nur dann zu aktivieren, wenn ein solcher kausaler Zusammenhang bestätigt wurde. Dies ist beispielsweise von Bedeutung, wenn das Fahrrad 1 vom Fahrer geschoben wird, damit das Antriebselement 6 nicht ungewollt einschaltet. Dazu werden etwa die Drehbewegungen von Tretkurbel 4 und Antriebsrad 3 auf Kausalität verglichen. Bei vorhandenem Freilauf und Schieben des Fahrrads 1 besteht ein solch kausaler Zusammenhang nicht, woraus die Steuer- und Regeleinrichtung 7 diesen Fall erkennen kann. Ein ähnlicher Fall ergibt sich bei einer Bergabfahrt, bei der der Fahrer eher stochastische Tretbewegungen ausführt. Dabei können auch weitere der Steuer- und Regeleinrichtung 7 bekannte Parameter zu einer differenzierten Behandlung solcher Betriebsfälle genutzt werden. Beispielsweise lässt sich aus der Momentangeschwindigkeit des Tret-Vehikels 1 die Bergabfahrt vom Schiebevorgang unterscheiden. Ebenso bedeuten ein Rückwärtstreten der
Tretkurbel 4, beziehungsweise ein Ansprechen einer Rücktrittbremse in einer Bremsnabe des Antriebsrades 3 oder sonstiger Bremsvorrichtungen ein Kriterium für die Steuer- und Regeleinrichtung 7, die Antriebseinheit 6 abzuschalten bzw. deren Aktivierung zu blockieren.
Ein Verfahren zum Betreiben des Tret-Vehikels ist beispielhaft in Figur 6 gezeigt. Das Verfahren beginnt in 20. In 21 und 22 werden die Winkelgeschwindigkeiten der Tretkurbel 4 und des Antriebsrads 3 erfasst und zusammen mit den spezifischen Bezugsphasen in die Steuer- und Regeleinrichtung 7 übertragen und dort ausgewertet. Beide werden zeitlich differenziert (Blöcke 23 und 24) und danach im Block 25 sowohl in bezug auf den eingelegten Gang als auch die Kausalität ihrer Drehbewegungen untersucht. Nachfolgend werden die so gewonnenen Signale im Block 26 benutzt, um die vom Fahrer gewünschte Unterstützung durch die Antriebseinheit 6 abhängig von der Stellung des Stellglieds 13 zu bestimmen. Wesentlich ist dabei die im Block 23 ermittelte
Winkelbeschleunigung 17 der Tretkurbel 4, welche beispielsweise einer Differenzwertbildung ihres periodischen Hoch- und Tiefpunktes unterzogen wird. Auch ohne die ausdrückliche Darstellung versteht es sich, dass weitere Betriebsparameter, Messgrößen oder -werte zur Verfügung stehen und bedarfsweise zur Unterstützung herangezogen werden. Dabei handelt es sich etwa um das Stellglied 13 für die manuelle Wahl des Umfangs der Antriebsunterstützung, den Geber 14 für die Gangwahl, die Kenntnis vorangegangener Perioden der Umdrehung von Tretkurbel 4 oder Antriebsrad 3, den Motorstrom oder die Ankertemperatur.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben eines motorisch unterstützten Tret-Vehikels, insbesondere Fahrrads (1 ), bei dem eine Größe, die das vom Fahrer durch eine Tretbewegung erzeugte Drehmoment charakterisiert, ermittelt und eine gewünschte Antriebsunterstützung durch eine Antriebseinheit (6) aus dem ermittelten Drehmoment bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die das Drehmoment charakterisierende Größe aus einer Ungleichförmigkeit einer Drehzahl einer Tretkurbel (4) oder eines der Räder (3) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Ungleichförmigkeit der Drehzahl durch eine zeitliche Ableitung des Drehzahlsignals gewonnen wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Mittelwert und einer Amplitude einer
Winkelbeschleunigung von Tretkurbel (4) oder Rad (3) eine die aktuelle Lastsituation charakterisierende Größe ermittelt wird und die gewünschte Antriebsunterstützung auch von dieser ermittelten Größe abhängt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelbeschleunigung von Tretkurbel (4) oder Rad (3) nur in einem Winkelintervall von weniger als 180° innerhalb einer vollen Umdrehung der Tretkurbel (4) ausgewertet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Drehzahlschwankungen der Tretkurbel (4) und/oder des Rades (3) als Folge der Tretbewegung durch den Fahrer zumindest teilweise von der Antriebsunterstützung ausgeglichen werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Störgrößen bei der Drehzahlmessung als Folge von Längsbewegungen des Fahrers in einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (7) herausgefiltert oder herausgerechnet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterung oder Rechnung von einer Phase der Tretkurbeldrehung abhängt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aktuell eingelegte Gang bei der Auswertung der Ungleichförmigkeit der Drehzahl berücksichtigt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller Gang mit Hilfe von je mindestens einem Drehzahlsensor (1 1 , 15) an der Tretkurbel (4) und am Rad (3) erkannt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein aktueller Gang über eine Sensierung eines Gebers (14) einer Gangschaltung erkannt wird.
1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Drehung der Tretkurbel (4) charakterisierende
Bezugsphase detektiert und an eine Steuer- und Regeleinrichtung (7) übermittelt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlen von Tretkurbel (4) und Antriebsrad (3) und/oder deren zeitliche Ableitungen daraufhin geprüft werden, ob diese in einem kausalen Zusammenhang stehen, und die Antriebsunterstützung nur aktiviert wird, wenn ein kausaler Zusammenhang bestätigt wurde.
13. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
14. Steuer- und/oder Regeleinrichtung (7) für ein Tret-Vehikel, insbesondere Fahrrad (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
15. Tret-Vehikel, insbesondere Fahrrad (1 ), mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinrichtung (7) zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
16. Tret-Vehikel nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Drehzahlgeberrad enthält für eine Erfassung einer Drehzahl einer Tretkurbel (4) sowie für eine die Drehung der Tretkurbel (4) charakterisierenden Bezugsphase, wobei die Bezugsphase über eine Zahnlücke von ein oder zwei Zähnen des Drehzahlgeberrads erkannt wird.
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