WO2024067971A1 - Verfahren zum steuern einer antriebsvorrichtung für ein fahrrad und steuerungsvorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

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

Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling a drive device of a bicycle which is operated at least temporarily with muscle power using a pedal device.
  • the present invention relates to a method for adjusting a driving force of a drive device in a bicycle designed as a pedelec or e-bike, wherein dynamic operation can also be achieved in different situations.
  • Bicycles with an additional electric drive device to support muscle strength are known.
  • Such bicycles designed as pedelecs or e-bikes are also used in mountainous areas with inclines and declines, since the limitation of muscle power, especially when climbing, is largely eliminated by the support of an electric machine provided in the drive device.
  • a method for controlling a drive device of a bicycle with a pedal device that is operated at least temporarily with muscle power wherein the drive device has at least one electric machine to support operation of the pedal device using muscle power.
  • the method has the following steps: determining inclination information of the bicycle that relates to an inclination angle of the road in a direction of travel of the bicycle, deriving a drive requirement for the bicycle at least from an operation of the pedal device and controlling the electric machine taking into account the inclination information and the drive requirement, so that a downhill force acting in the longitudinal direction of the bicycle is at least partially compensated at least during a dynamic mode of operation of the bicycle.
  • the inclination angle of the road in a longitudinal direction of the bicycle can be determined, estimated or recorded directly.
  • the longitudinal direction of the bicycle is aligned with the direction in which the bicycle normally travels forward. It is also possible to determine inclination information of the bicycle as a relative indication, from which an assessment can be made as to whether the inclination angle of the road is large or small.
  • an input from the rider of the bicycle can also be taken into account.
  • an output torque and additionally or alternatively a speed of the electric machine can be controlled.
  • an electrical input power of the electric machine can be controlled, which represents a relation to the output power of the electric machine.
  • both an uphill and a downhill of the bicycle are taken into account.
  • the downhill force can act forwards in the longitudinal direction of the bicycle if the bicycle is on a slope.
  • the downhill force can act backwards in the longitudinal direction of the bicycle if the bicycle is on an incline.
  • the inclination information defines that the bicycle is on a level surface without a significant downhill force acting, this does not need to be compensated according to the invention.
  • the downhill force acting on an incline thus acts against the direction of travel, while on a downhill the downhill force acts in the direction of travel of the bicycle.
  • a signal from at least one inclination sensor provided on the bicycle can be taken into account.
  • the inclination sensor can be mounted in such a way that the inclination of the bicycle and in particular the inclination angle of the road can be detected. It is assumed that the wheels of the bicycle are on the road.
  • the inclination sensor can be permanently mounted on the bicycle so that an inclination of the bicycle immediately leads to a signal at the inclination sensor.
  • the position of the inclination sensor on the bicycle is not limited as long as the function for detecting the inclination of the bicycle can be detected.
  • the signal from the at least one inclination sensor provided on the bicycle can be a signal from a gyro sensor.
  • Gyro sensors are suitable for detecting an inclination relative to the horizontal. Gyro sensors also emit a quantitative signal that determines the angle of inclination of the bicycle relative to the horizontal.
  • a signal from a GPS system can be taken into account to determine the global position of the bicycle.
  • a GPS system is able to determine the position with a relatively high degree of accuracy.
  • the GPS system can be mounted on the bicycle. The GPS system can thus determine the position of the bicycle and use the position to determine the inclination information relating to the inclination angle of the roadway.
  • the inclination information can be determined directly from the GPS system.
  • the inclination information can be determined from a database based on a position query and at least estimated.
  • an acceleration in the longitudinal direction, in particular in the direction of travel of the bicycle, and at least one piece of information relating to the present driving force of the bicycle can be taken into account in order to determine inclination information as an estimated inclination angle.
  • a force balance can be carried out in order to be able to draw conclusions about the angle of inclination of the road on which the bicycle is located.
  • the entire driving force acting on the bicycle can be taken into account.
  • an acceleration resulting from the driving force acting on the bicycle when the bicycle is on the plane can be taken into account. So in this one Embodiment can be inferred from a deviation from the acceleration that results from a given driving force of the planes on the angle of inclination.
  • At least one cadence can be taken into account when operating the pedal device.
  • the cadence is a speed of the pedal device that is specified by the rider of the bicycle.
  • the cadence can be detected directly or indirectly by a sensor. If the cadence is high, in particular if the speed of the pedal device is high and specified by the rider, it can be assumed that the rider wants the bicycle to be driven dynamically. In contrast, if the cadence is very low, it can be assumed that the dynamic requirements for the operation of the bicycle are rather low.
  • a means can be provided for detecting a torque that is provided by the pedal device for the drive device.
  • This means can in particular be a torque sensor that is linked to the pedal device. If the torque during operation of the pedal device is high, it can be assumed that the driver wants the drive device to operate dynamically. In contrast, if the torque during operation of the pedal device is low, it can be assumed that the dynamic requirements for the driver's drive are low.
  • the driving force of the electric machine to support the drive by the pedal device can be controlled based on a basic map when it is determined that the bicycle is on a road without or with only a slight gradient, wherein the driving force of the electric machine to support the drive is controlled by the pedal device on the basis of a gradient map when it is determined that the bicycle is on a road with a gradient, with reference to a drive request Driving force of the electric machine is larger when controlled with the gradient map than when controlled with the basic map.
  • the basic map is used if there is no gradient or only a negligible gradient.
  • the slope map is used when the presence of a slope is determined.
  • Information can be derived from the basic map and the gradient map that can be used to control the driving force of the electric machine. At least information about the drive requirement for the bicycle and the inclination information of the bicycle serve as input variables for the basic map and for the incline map.
  • the driving force resulting from the slope map is greater by a predetermined factor than the driving force resulting from the basic map, the factor being in a predetermined relationship to the angle of inclination of the road.
  • the greater the angle of inclination of the road on an incline the greater the factor.
  • the driving force of the electric machine can be controlled taking into account an optionally variable gear ratio between the electric machine or the pedal device and a drive wheel of the bicycle.
  • the driving force delivered by the electric machine is optionally transmitted to the drive wheel via a transmission device with a gear ratio, the gear ratio being optionally variable.
  • a continuously variable or stepped transmission can be provided in a drive device between the electric machine and the drive wheel of the bicycle.
  • a continuously variable or stepped transmission device can also be provided between the pedal device and the drive wheel. Since the driving force acting on the drive wheel is decisive for the present situation, according to this embodiment, the current transmission ratio between the electric machine or the pedal device and the drive wheel of the bicycle can be taken into account quantitatively.
  • An increase in the driving force when an increase is detected can be carried out according to the basic concept of the present invention, so that in the longitudinal direction of the bicycle, namely against the direction of travel of the bicycle acting downhill force is at least partially compensated for at least during dynamic operation of the bicycle.
  • the concept is not limited to controlling the driving force on a slope. Because according to the concept of the invention, a reduction in the driving force can be made when a slope is detected, so that a downhill force acting in the longitudinal direction of the bicycle, namely in the direction of travel of the bicycle, is at least partially compensated for at least during dynamic operation of the bicycle.
  • a control device of a drive device of a bicycle operated with a pedal device at least temporarily with muscle power wherein the drive device has at least one electric machine for supporting operation of the pedal device by muscle power, wherein the control device has input interfaces for receiving signals and output interfaces for emitting signals as well as a device for controlling a drive force of the at least one electric machine, wherein the control device is set up to carry out the method with one or more of the features described above.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a bicycle to which the embodiments of the method can be applied
  • Figure 2 shows a bicycle on a road in a schematic representation to explain the embodiments.
  • Figure 3 shows a schematic representation of the basic steps of the method.
  • the bicycle 3 shown in Figure 1 has a steerable front wheel and a non-steerable rear wheel.
  • the front wheel and the rear wheel are attached to a frame.
  • the bicycle 3 has a drive device 1 between the front wheel and the rear wheel.
  • the drive device 1 is provided in the area of the bicycle 3 on which a bottom bracket is conventionally arranged.
  • the drive device 1 has an electrical machine 4.
  • the drive device 1 has a pedal device 2 with which the driver can introduce muscle power into the drive device 1 via pedals.
  • the drive device 1 which are intended to combine the driving force introduced by the pedal device 2 and the driving force provided by the electric machine 4.
  • the driving force emitted by the drive device 1 is transmitted to the rear wheel of the bicycle 3 via a traction device (not shown), which in the present embodiment is designed as a chain drive.
  • the bicycle 3 has additional further elements which are used for the operation of the drive device 1, such as an electrical energy storage device in the form of a rechargeable battery, a braking device, a control device and the like.
  • an inclination sensor 5 is mounted on the bicycle 3.
  • the inclination sensor 5 is designed as a gyro sensor and is able to detect the inclination of the bicycle 3 along the longitudinal direction or in the direction of travel.
  • the inclination sensor 5 is able to detect the inclination angle of the road on an incline or decline and pass it on to the control device.
  • the control device not shown in Figure 1, has input interfaces and output interfaces which are in communication with corresponding elements of the bicycle 3.
  • the starting point for the present inventive concept is described below with reference to Figure 2.
  • the entire driving force delivered by the drive device 1 is used to compensate for friction, mainly air friction, and if necessary to accelerate the system consisting of bicycle and rider.
  • the drive force is used for the increasing altitude energy of the system consisting of the bicycle and rider. If in this situation the rider thus generates a drive request to accelerate the bicycle 3 due to an increased crank speed, the resulting acceleration on the climb with the inclination angle a (greater than 0 degrees), as shown in Figure 2, would be lower than on the flat at an inclination angle of 0 degrees.
  • the present invention takes this fact into account by determining inclination information of the bicycle 3 in the method, which relates to an inclination angle of the road in a direction of travel of the bicycle.
  • step S1 inclination information of the bicycle is determined, which relates to an inclination angle of the road in a direction of travel of the bicycle.
  • the inclination sensor 5, which is shown in Figure 1 is queried.
  • the query of the inclination sensor 5 results in the inclination angle a of the road on which the bicycle is currently located.
  • a drive request for the bicycle is derived at least from an operation of the pedal device in a step S2. For this purpose, the speed of the pedal device 3 is queried in the present embodiment.
  • step S3 the electric machine is controlled taking into account the inclination information, in particular the inclination angle a, and the drive request, in particular the speed of the pedal device.
  • the driving force of the electric machine 4 is controlled at an increase in such a way that that this is higher than for the case in which the bicycle 3 moves in a plane, so that an acceleration request that is detected in step S2 results in a dynamic acceleration behavior of the bicycle 3 that corresponds to the acceleration behavior in the plane , in which the inclination angle of the road is 0°, is comparable.
  • a force balance is carried out in the method in order to be able to conclude whether the bicycle 3 is on a road with an inclination angle a that is greater than 0 degrees.
  • the acceleration behavior of the bicycle with a given driving force is measured in the plane, i.e. H. at an inclination angle of 0 degrees, and compared in the increase with the inclination angle a to be determined. From the acceleration behavior, conclusions can be drawn at least approximately about the angle of inclination a, since the acceleration of the bicycle 3 on a slope with an angle of inclination a is lower than in the plane for a given driving force.
  • the method can be carried out in a similar manner as above, taking into account the output signal of the inclination sensor 5.
  • the above embodiments relate to increasing the driving force of the electric machine when detecting an increase based on a driving force that is specified in the plane.
  • the invention is not limited to this.
  • a reduction in the driving force of the electric machine can also be carried out when a gradient is detected.
  • a transmission with a variable gear ratio is provided between the pedal device 2 and the drive wheel of the bicycle 3.
  • the variable gear ratio also acts on the power transmission path between the electric machine 4 and the drive wheel.
  • signals relating to the present gear ratio are supplied to the control device.
  • the control device controls the driving force according to the concept described above in addition Taking into account the existing gear ratio in the power transmission path between the electric machine 4 and the drive wheel of the bicycle 3.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Steuern einer Antriebsvorrichtung (1) eines mit einer Pedaleinrichtung (2) zumindest zeitweise mit Muskelkraft betriebenen Fahrrads (3), wobei die Antriebsvorrichtung (1) mindestens eine elektrische Maschine (4) zur Unterstützung eines Betriebs der Pedaleinrichtung (2) durch Muskelkraft aufweist. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: (S1) Bestimmen von Neigungsinformationen des Fahrrads (3), die sich auf einen Neigungswinkel der Fahrbahn in einer Fahrtrichtung des Fahrrads (3) beziehen, (S2) Ableiten einer Antriebsanforderung für das Fahrrad (3) zumindest aus einem Betrieb der Pedaleinrichtung (2) und (S3) Steuern der elektrischen Maschine (4) unter Berücksichtigung der Neigungsinformationen und der Antriebsanforderung, so dass eine in Längsrichtung des Fahrrads (3) wirkende Hangabtriebskraft zumindest während einer dynamischen Betriebsweise des Fahrrads (3) zumindest teilweise kompensiert wird.

Description

Verfahren zum Steuern einer Antriebsvorrichtunq für ein Fahrrad und Steuerunqsvorrichtunq zur Durchführung des Verfahrens
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern einer Antriebsvorrichtung eines mit einer Pedaleinrichtung zumindest zeitweise mit Muskelkraft betriebenen Fahrrads. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Einstellen einer Antriebskraft einer Antriebsvorrichtung bei einem als Pedelec oder E-Bike ausgestalteten Fahrrad, wobei eine dynamische Betriebsweise auch in unterschiedlichen Situationen erzielt werden kann.
Stand der Technik
Fahrräder mit einer zusätzlichen elektrischen Antriebsvorrichtung zur Unterstützung der Muskelkraft sind bekannt. Solche als Pedelecs oder E-Bikes ausgestaltete Fahrräder werden auch in bergigen Gegenden mit Steigungen und Gefällen eingesetzt, da die Beschränkung der Muskelkraft insbesondere beim Anstieg durch die Unterstützung durch eine in der Antriebsvorrichtung vorgesehene elektrische Maschine weitestgehend beseitigt werden.
Darstellung der Erfindung
Ein Verfahren zum Steuern einer Antriebsvorrichtung eines mit einer Pedaleinrichtung zumindest zeitweise mit Muskelkraft betriebenen Fahrrads ist vorgesehen, wobei die Antriebsvorrichtung mindestens eine elektrische Maschine zur Unterstützung eines Betriebs der Pedaleinrichtung durch Muskelkraft aufweist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Bestimmen von Neigungsinformationen des Fahrrads, die sich auf einen Neigungswinkel der Fahrbahn in einer Fahrtrichtung des Fahrrads beziehen, Ableiten einer Antriebsanforderung für das Fahrrad zumindest aus einem Betrieb der Pedaleinrichtung und Steuern der elektrischen Maschine unter Berücksichtigung der Neigungsinformationen und der Antriebsanforderung, so dass eine in Längsrichtung des Fahrrads wirkende Hangabtriebskraft zumindest während einer dynamischen Betriebsweise des Fahrrads zumindest teilweise kompensiert wird. Bei der Bestimmung der Neigungsinformationen des Fahrrads kann unmittelbar der Neigungswinkel der Fahrbahn in einer Längsrichtung des Fahrrads bestimmt, geschätzt oder erfasst werden. Dabei ist die Längsrichtung des Fahrrads an der Richtung ausgerichtet, in der das Fahrrad im Regelfall vorwärts fährt. Auch ist es möglich, Neigungsinformationen des Fahrrads als relative Angabe zu bestimmen, aus der eine Bewertung ermöglicht werden kann, ob der Neigungswinkel der Fahrbahn groß oder klein ist. Bei dem Ableiten der Antriebsanforderung für das Fahrrad, die zumindest aus einem Betrieb der Pedaleinrichtung erfolgt, kann zusätzlich eine Eingabe des Fahrers des Fahrrades berücksichtigt werden. Bei dem Steuern der elektrischen Maschine unter Berücksichtigung der Neigungsinformationen und der Antriebsanforderung kann ein Ausgangsdrehmoment und zusätzlich oder alternativ eine Drehzahl der elektrischen Maschine gesteuert werden. Alternativ kann eine elektrische Aufnahmeleistung der elektrischen Maschine gesteuert werden, die eine Relation zu der Ausgangsleistung der elektrischen Maschine darstellt.
Bei dem Steuern der elektrischen Maschine unter Berücksichtigung der Neigungsinformationen und der Antriebsanforderungen, so dass eine in Längsrichtung des Fahrrads wirkende Hangabtriebskraft zumindest während einer dynamischen Betriebsweise des Fahrrads zumindest teilweise kompensiert wird, wird sowohl ein Anstieg als auch eine Abfahrt des Fahrrads berücksichtigt. Dabei kann die Hangabtriebskraft in Längsrichtung des Fahrrads nach vorne wirken, wenn sich das Fahrrad an einem Gefälle befindet. Ferner kann die Hangabtriebskraft in Längsrichtung des Fahrrads nach hinten wirken, wenn sich das Fahrrad an einem Anstieg befindet. Für den Fall, dass die Neigungsinformationen definieren, dass das Fahrrad sich auf einer Ebene befindet, ohne dass eine nennenswerte Hangabtriebskraft wirkt, ist diese erfindungsgemäß nicht zu kompensieren. Die an einem Anstieg wirkende Hangabtriebskraft wirkt somit entgegen der Fahrtrichtung, während bei einer Abfahrt die Hangabtriebskraft in Fahrtrichtung des Fahrrads wirkt.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt zum Bestimmen von Neigungsinformationen des Fahrrads ein Signal von zumindest einem am Fahrrad vorgesehenen Neigungssensor berücksichtigt werden. Dabei kann der Neigungssensor so montiert sein, dass die Neigung des Fahrrads und insbesondere der Neigungswinkel der Fahrbahn erfasst werden können. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Räder des Fahrrads sich auf der Fahrbahn befinden. Der Neigungssensor kann dabei fest an dem Fahrrad montiert sein, so dass eine Neigung des Fahrrads unmittelbar zu einem Signal an dem Neigungssensor führt. Die Position des Neigungssensors am Fahrrad ist nicht beschränkt, solange die Funktion zur Erfassung der Neigung des Fahrrads erfassbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Signal von dem zumindest einen am Fahrrad vorgesehenen Neigungssensor ein Signal von einem Gyrosensor sein. Gyrosensoren sind geeignet, um eine Neigung relativ zu der Horizontalen zu erfassen. Gyrosensoren geben zudem ein quantitatives Signal ab, aus dem sich der Neigungswinkel des Fahrrads relativ zu der Horizontalen ergibt.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt zum Bestimmen von Neigungsinformationen des Fahrrads ein Signal von einem GPS-System zur Bestimmung der globalen Position des Fahrrads berücksichtigt werden. Ein GPS-System ist in der Lage, die Position mit einer relativ hohen Genauigkeit zu bestimmen. Das GPS-System kann dabei an dem Fahrrad montiert sein. Somit kann das GPS-System die Position des Fahrrads bestimmen und mithilfe der Position die Neigungsinformationen bestimmen, die sich auf den Neigungswinkel der Fahrbahn beziehen. Hierzu können die Neigungsinformationen aus dem GPS-System direkt bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Neigungsinformationen aus einer Datenbank aufgrund einer Positionsabfrage ermittelt und zumindest schätzungsweise bestimmt werden.
Gemäß einer Ausführungsform können im Schritt zum Bestimmen von Neigungsinformationen des Fahrrads eine Beschleunigung in Längsrichtung, insbesondere in Fahrtrichtung des Fahrrads und zumindest ein sich auf die vorliegende Antriebskraft des Fahrrads beziehende Information berücksichtigt werden, um eine Neigungsinformation als geschätzten Neigungswinkel zu bestimmen. In dieser Ausführungsform kann eine Kräftebilanz vorgenommen werden, um auf einen Neigungswinkel der Fahrbahn zurückschließen zu können, auf der sich das Fahrrad befindet. Dabei kann die gesamte auf das Fahrrad wirkende Antriebskraft berücksichtigt werden. Ferner kann eine Beschleunigung berücksichtigt werden, die sich aus der auf das Fahrrad wirkenden Antriebskraft ergibt, wenn sich das Fahrrad in der Ebenen befindet. Somit kann in dieser Ausführungsform aus einer Abweichung von der Beschleunigung, die sich bei vorgegebener Antriebskraft der Ebenen ergibt, auf den Neigungswinkel zurückgeschlossen werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt zum Ableiten einer Antriebsanforderung für das Fahrrad zumindest eine Kadenz bei einem Betrieb der Pedaleinrichtung berücksichtigt werden. Die Kadenz ist dabei eine Drehzahl der Pedaleinrichtung, die von dem Fahrer des Fahrrads vorgegeben wird. Die Kadenz kann durch einen Sensor direkt oder indirekt erfasst werden. Bei hoher Kadenz, insbesondere bei hoher Drehzahl der Pedaleinrichtung, die von dem Fahrer vorgegeben wird, kann davon ausgegangen werden, dass der Fahrer einen dynamischen Antrieb des Fahrrads wünscht. Dagegen kann bei sehr geringer Kadenz davon ausgegangen werden, dass die Dynamikanforderungen an den Betrieb des Fahrrads eher gering sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt zum Ableiten einer Antriebsanforderung für das Fahrrad zumindest ein Drehmoment bei einem Betrieb der Pedaleinrichtung berücksichtigt werden. In dieser Ausführungsform kann ein Mittel zum Erfassen eines Drehmoments vorgesehen werden, das durch die Pedaleinrichtung für die Antriebsvorrichtung bereitgestellt wird. Dieses Mittel kann insbesondere ein Drehmomentsensor sein, der mit der Pedaleinrichtung verknüpft ist. Bei einem hohen Drehmoment beim Betrieb der Pedaleinrichtung kann davon ausgegangen werden, dass der Fahrer eine dynamische Betriebsweise der Antriebsvorrichtung wünscht. Dagegen kann bei einem geringen Drehmoment bei dem Betrieb der Pedaleinrichtung davon ausgegangen werden, dass die Dynamikanforderungen an den Antrieb des Fahrers gering sind.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt zum Steuern der elektrischen Maschine unter Berücksichtigung der Neigungsinformationen und der Antriebsanforderung die Antriebskraft der elektrischen Maschine zur Unterstützung des Antriebs durch die Pedaleinrichtung auf der Grundlage eines Basiskennfelds gesteuert werden, wenn bestimmt wird, dass das Fahrrad sich auf einer Fahrbahn ohne oder mit nur geringer Steigung befindet, wobei die Antriebskraft der elektrischen Maschine zur Unterstützung des Antriebs durch die Pedaleinrichtung auf der Grundlage eines Steigungskennfelds gesteuert wird, wenn bestimmt wird, dass das Fahrrad sich auf einer Fahrbahn mit einer Steigung befindet, wobei bezogen auf eine Antriebsanforderung die Antriebskraft der elektrischen Maschine bei Steuerung mit dem Steigungskennfeld größer ist als bei Steuerung mit dem Basiskennfeld. Dabei wird das Basiskennfeld eingesetzt, wenn keine oder nur eine vernachlässigbare Steigung vorliegt. Das Steigungskennfeld wird eingesetzt, wenn das Vorliegen einer Steigung bestimmt wird. Aus dem Basiskennfeld und aus dem Steigungskennfeld können Informationen abgeleitet werden, die für die Steuerung der Antriebskraft der elektrischen Maschine verwendet werden können. Als Eingangsgröße für das Basiskennfeld und für das Steigungskennfeld dienen zumindest Informationen zur Antriebsanforderung für das Fahrrad sowie die Neigungsinformationen des Fahrrads. In einer Ausführungsform kann für eine vorgegebene Antriebskraftanforderung vorgesehen sein, dass die sich aus dem Steigungskennfeld ergebende Antriebskraft um einen vorbestimmten Faktor größer ist als die sich aus dem Basiskennfeld ergebende Antriebskraft, wobei der Faktor in einem vorbestimmten Zusammenhang zum Neigungswinkel der Fahrbahn steht. Insbesondere ist der Faktor umso größer, je größer der Neigungswinkel der Fahrbahn in einem Anstieg ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Antriebskraft der elektrischen Maschine unter Berücksichtigung eines optional veränderlichen Übersetzungsverhältnisses zwischen der elektrischen Maschine bzw. der Pedaleinrichtung und einem Antriebsrad des Fahrrads gesteuert werden. In dieser Ausführungsform wird berücksichtigt, dass die von der elektrischen Maschine abgegebene Antriebskraft gegebenenfalls über eine Getriebevorrichtung mit einem Übersetzungsverhältnis auf das Antriebsrad übertragen wird, wobei das Übersetzungsverhältnis optional variabel ist. Insbesondere kann in einer Antriebsvorrichtung ein stufenloses oder gestuftes Getriebe zwischen der elektrischen Maschine und dem Antriebsrad des Fahrrads vorgesehen sein. Ferner kann auch zwischen der Pedaleinrichtung und dem Antriebsrad eine stufenlose oder gestufte Getriebevorrichtung vorgesehen sein. Da für den vorliegenden Sachverhalt die auf das Antriebsrad wirkende Antriebskraft maßgeblich ist, kann gemäß dieser Ausführungsform das gegenwärtig vorliegende Übersetzungsverhältnis zwischen der elektrischen Maschine bzw. der Pedaleinrichtung und dem Antriebsrad des Fahrrads quantitativ berücksichtigt werden.
Eine Erhöhung der Antriebskraft bei Erfassung eines Anstieges kann nach dem Grundkonzept der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden kann, so dass eine in Längsrichtung des Fahrrads, nämlich entgegen der Fahrtrichtung des Fahrrads wirkende Hangabtriebskraft zumindest während einer dynamischen Betriebsweise des Fahrrads zumindest teilweise kompensiert wird. Das Konzept ist jedoch nicht auf die Steuerung der Antriebskraft an einem Anstieg beschränkt. Denn gemäß dem Konzept der Erfindung kann eine Verringerung der Antriebskraft kann bei Erfassung eines Gefälles vorgenommen werden kann, so dass eine in Längsrichtung des Fahrrads, nämlich in der Fahrtrichtung des Fahrrads wirkende Hangabtriebskraft zumindest während einer dynamischen Betriebsweise des Fahrrads zumindest teilweise kompensiert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Steuerungseinrichtung einer Antriebsvorrichtung eines mit einer Pedaleinrichtung zumindest zeitweise mit Muskelkraft betriebenen Fahrrads vorgesehen, wobei die Antriebsvorrichtung mindestens eine elektrische Maschine zur Unterstützung eines Betriebs der Pedaleinrichtung durch Muskelkraft aufweist, wobei die Steuerungseinrichtung Eingabeschnittstellen zur Aufnahme von Signalen und Ausgabeschnittstellen zur Abgabe von Signalen sowie eine Einrichtung zur Steuerung einer Antriebskraft der zumindest einen elektrischen Maschine aufweist, wobei die Steuerungseinrichtung eingerichtet ist, um das Verfahren mit einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale auszuführen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Fahrrad, auf das die Ausführungsformen des Verfahrens anwendbar sind;
Figur 2 zeigt ein Fahrrad auf einer Fahrbahn in einer schematischen Darstellung zur Erläuterung der Ausführungsformen; und
Figur 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die grundlegenden Schritte des Verfahrens.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Zunächst wird unter Bezugnahme auf Figur 1 ein Fahrrad 3 erläutert, auf das das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist. Das in Figur 1 gezeigte Fahrrad 3 weist ein lenkbares Vorderrad und ein nicht lenkbares Hinterrad auf. Das Vorderrad und das Hinterrad sind an einem Rahmen befestigt. Zwischen dem Vorderrad und dem Hinterrad weist das Fahrrad 3 eine Antriebseinrichtung 1 auf. Die Antriebseinrichtung 1 ist in dem Bereich des Fahrrads 3 vorgesehen, an dem herkömmlich ein Tretlager angeordnet ist. Die Antriebsvorrichtung 1 weist eine elektrische Maschine 4 auf. Ferner weist die Antriebseinrichtung 1 eine Pedaleinrichtung 2 auf, mit der der Fahrer über Pedale Muskelkraft in die Antriebsvorrichtung 1 einbringen kann.
In der Antriebsvorrichtung 1 sind verschiedene Elemente vorgesehen, die dazu vorgesehen sind, die von der Pedaleinrichtung 2 eingeleitete Antriebskraft und die von der elektrischen Maschine 4 bereitgestellte Antriebskraft zu kombinieren. Über ein nicht gezeigtes Zugmittel, das in der vorliegenden Ausführungsform als Kettenantrieb ausgestaltet ist, wird die von der Antriebsvorrichtung 1 abgegebene Antriebskraft auf das Hinterrad des Fahrrads 3 übertragen.
Das Fahrrad 3 weist zusätzliche weitere Elemente auf, die für den Betrieb der Antriebsvorrichtung 1 eingesetzt werden, wie z. B. eine elektrische Energiespeichereinrichtung in der Form eines aufladbaren Akkumulators, eine Bremseinrichtung, eine Steuerungseinrichtung und dergleichen.
An dem Fahrrad 3 ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Neigungssensor 5 montiert. Der Neigungssensor 5 ist in der vorliegenden Ausführungsform als Gyrosensor ausgebildet und in der Lage, die Neigung des Fahrrads 3 entlang der Längsrichtung bzw. in Fahrtrichtung zu erfassen. Insbesondere ist der Neigungssensor 5 in der Lage, den Neigungswinkel der Fahrbahn an einem Anstieg oder einem Gefälle zu erfassen und an die Steuerungseinrichtung weiterzugeben.
Die in Figur 1 nicht gezeigte Steuerungseinrichtung weist Eingabeschnittstellen und Ausgabeschnittstellen auf, die mit entsprechenden Elementen des Fahrrads 3 in Kommunikationsverbindung stehen. Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf Figur 2 der Ausgangspunkt für das vorliegende Erfindungskonzept beschrieben. Wenn das Fahrrad 3 auf einer ebenen Fahrbahn fährt, die einen Neigungswinkel von ungefähr 0 Grad aufweist, wird die gesamte von der Antriebsvorrichtung 1 abgegebene Antriebskraft zum Ausgleich von Reibung, hauptsächlich Luftreibung, und gegebenenfalls zum Beschleunigen des Systems bestehend aus Fahrrad und Fahrer verwendet.
Beim Anstieg mit einem Steigungswinkel a, wie in Figur 2 gezeigt ist, wird zusätzlich zu der Beschleunigung des Systems aus Fahrrad und Fahrer und zum Ausgleich von Reibungsverlusten die Antriebskraft für die zunehmende Höhenenergie des Systems aus Fahrrad und Fahrer verwendet. Wenn in dieser Situation der Fahrer aufgrund einer erhöhten Kurbeldrehzahl somit eine Antriebsanforderung zur Beschleunigung des Fahrrads 3 erzeugt, wäre die sich ergebende Beschleunigung an dem Anstieg mit dem Neigungswinkel a (größer als 0 Grad), wie in Figur 2 gezeigt ist, geringer als in der Ebene bei einem Neigungswinkle von 0 Grad. Diesen Sachverhalt berücksichtigt die vorliegende Erfindung, indem in dem Verfahren Neigungsinformationen des Fahrrads 3 bestimmt werden, die sich auf einen Neigungswinkel der Fahrbahn in einer Fahrtrichtung des Fahrrads beziehen.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf Figur 3 der Ablauf des Verfahrens kurz erläutert. Das in Figur 3 gezeigte Verfahren wird kontinuierlich durchgeführt und hat seinen Ausgangspunkt in einem Schritt S1 . In Schritt S1 werden Neigungsinformationen des Fahrrads bestimmt, die sich auf einen Neigungswinkel der Fahrbahn in einer Fahrtrichtung des Fahrrads beziehen. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Neigungssensor 5, der in Figur 1 gezeigt ist, abgefragt. Aus der Abfrage des Neigungssensors 5 ergibt sich der Neigungswinkel a der Fahrbahn, an der das Fahrrad sich aktuell befindet. Ferner wird eine Antriebsanforderung für das Fahrrad zumindest aus einem Betrieb der Pedaleinrichtung in einem Schritt S2 abgeleitet. Hierzu wird die Drehzahl der Pedaleinrichtung 3 in der vorliegenden Ausführungsform abgefragt.
In dem Schritt S3 wird die elektrische Maschine unter Berücksichtigung der Neigungsinformationen, insbesondere des Neigungswinkels a, und der Antriebsanforderung, insbesondere der Drehzahl der Pedaleinrichtung, gesteuert. Dabei wird, wie in Figur 2 gezeigt ist, an einem Anstieg die Antriebskraft der elektrischen Maschine 4 so gesteuert, dass diese höher ist als für den Fall, in dem sich das Fahrrad 3 in einer Ebene bewegt, so dass eine Beschleunigungsanforderung, die in dem Schritt S2 erfasst wird, ein dynamisches Beschleunigungsverhalten des Fahrrads 3 zur Folge hat, das mit dem Beschleunigungsverhalten in der Ebene, in der der Neigungswinkel der Fahrbahn 0° beträgt, vergleichbar ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird anstelle des Neigungssensors 5 in dem Verfahren eine Kräftebilanz vorgenommen, um darauf rückschließen zu können, ob sich das Fahrrad 3 auf einer Fahrbahn mit einem Neigungswinkel a befindet, der größer als 0 Grad ist. Hierzu wird das Beschleunigungsverhalten des Fahrrads bei vorgegebener Antriebskraft jeweils in der Ebene, d. h. bei einem Neigungswinkel von 0 Grad, und in dem Anstieg mit dem zu bestimmenden Neigungswinkel a verglichen. Aus dem Beschleunigungsverhalten kann somit zumindest näherungsweise auf den Neigungswinkel a zurückgeschlossen werden, da die Beschleunigung des Fahrrads 3 an einem Anstieg mit einem Neigungswinkel a bei vorgegebener Antriebskraft geringer ist als in der Ebene. Auf der Basis des näherungsweise bestimmten Steigungswinkels a kann in der vorliegenden Ausführungsform das Verfahren in ähnlicher Weise durchgeführt werden, wie vorstehend unter Berücksichtigung des Ausgangssignals des Neigungssensors 5.
Die vorstehenden Ausführungsformen betreffen die Erhöhung der Antriebskraft der elektrischen Maschine bei Erfassung eines Anstiegs ausgehend von einer Antriebskraft, die in der Ebenen vorgegeben wird. Hierauf ist die Erfindung nicht beschränkt. In einer Ausführungsform kann ausgehend von eines Antriebskraft, die in der Ebenen vorgegeben wird, auch eine Verringerung der Antriebskraft der elektrischen Maschine bei Erfassung eines Gefälles vorgenommen werden.
In einer Ausführungsform ist ein Getriebe mit variablem Übersetzungsverhältnis zwischen der Pedaleinrichtung 2 und dem Antriebsrad des Fahrrads 3 vorgesehen. Für den Fall, dass die elektrische Maschine 4 mit der Pedaleinrichtung 2 gekoppelt ist, wirkt das variable Übersetzungsverhältnis auch auf die Kraftübertragungspfad zwischen der elektrischen Maschine 4 und dem Antriebsrad. Gemäß einer Ausführungsform werden Signale bezüglich des vorliegenden Übersetzungsverhältnisses der Steuerungseinrichtung zugeführt. Die Steuerungseinrichtung steuert in dieser Ausführungsform die Antriebskraft gemäß dem vorstehend beschriebenen Konzept unter zusätzlicher Berücksichtigung des vorliegenden Übersetzungsverhältnisses im Kraftübertragungspfad zwischen der elektrischen Maschine 4 und dem Antriebsrad des Fahrrads 3.
Bezuqszeichen
1 Antriebsvorrichtung
2 Pedaleinrichtung
3 Fahrrad
4 elektrische Maschine
5 Neigungssensor a Neigungswinkel
51 Bestimmen von Neigungsinformationen des Fahrrads
52 Ableiten einer Antriebsanforderung
53 Steuern der elektrischen Maschine

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Steuern einer Antriebsvorrichtung (1 ) eines mit einer Pedaleinrichtung (2) zumindest zeitweise mit Muskelkraft betriebenen Fahrrads (3), wobei die Antriebsvorrichtung (1 ) mindestens eine elektrische Maschine (4) zur Unterstützung eines Betriebs der Pedaleinrichtung (2) durch Muskelkraft aufweist, mit den folgenden Schritten:
(51 ) Bestimmen von Neigungsinformationen des Fahrrads (3), die sich auf einen Neigungswinkel (a) der Fahrbahn in einer Fahrtrichtung des Fahrrads (3) beziehen,
(52) Ableiten einer Antriebsanforderung für das Fahrrad (3) zumindest aus einem Betrieb der Pedaleinrichtung (2),
(53) Steuern der elektrischen Maschine (4) unter Berücksichtigung der Neigungsinformationen und der Antriebsanforderung, so dass eine in Längsrichtung des Fahrrads (3) wirkende Hangabtriebskraft zumindest während einer dynamischen Betriebsweise des Fahrrads (3) zumindest teilweise kompensiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (S1 ) zum Bestimmen von Neigungsinformationen des Fahrrads (3) ein Signal von zumindest einem am Fahrrad (3) vorgesehenen Neigungssensor (5) berücksichtigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal von dem zumindest einen am Fahrrad (3) vorgesehenen Neigungssensor (5) ein Signal von einem Gyrosensor ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (S1 ) zum Bestimmen von Neigungsinformationen des Fahrrads (3) ein Signal von einem GPS- System zur Bestimmung der Position des Fahrrads (3) berücksichtigt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (S1 ) zum Bestimmen von Neigungsinformationen des Fahrrads (3) eine Beschleunigung in Fahrtrichtung des Fahrrads und zumindest ein sich auf die vorliegende Antriebskraft des Fahrrads (3) beziehende Information berücksichtigt werden, um eine Neigungsinformation als geschätzten Neigungswinkel (a) zu bestimmen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (S2) zum Ableiten einer Antriebsanforderung für das Fahrrad (3) zumindest eine Kadenz bei einem Betrieb der Pedaleinrichtung (2) berücksichtigt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (S2) zum Ableiten einer Antriebsanforderung für das Fahrrad (3) zumindest ein Drehmoment bei einem Betrieb der Pedaleinrichtung (2) berücksichtigt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (S3) zum Steuern der elektrischen Maschine (4) unter Berücksichtigung der Neigungsinformationen und der Antriebsanforderung die Antriebskraft der elektrischen Maschine (4) zur Unterstützung des Antriebs durch die Pedaleinrichtung (2) auf der Grundlage eines Basiskennfeldes gesteuert wird, wenn bestimmt wird, dass das Fahrrad (3) sich auf einer Fahrbahn ohne oder mit nur geringer Steigung befindet, wobei die Antriebskraft der elektrischen Maschine (4) zur Unterstützung des Antriebs durch die Pedaleinrichtung (2) auf der Grundlage eines Steigungskennfeldes gesteuert wird, wenn bestimmt wird, dass das Fahrrad (3) sich auf einer Fahrbahn mit einer Steigung befindet, wobei bezogen auf eine Antriebsanforderung die Antriebskraft der elektrischen Maschine (4) bei Steuerung mit dem Steigungskennfeld größer ist als bei Steuerung mit dem Basiskennfeld.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebskraft der elektrischen Maschine (4) unter Berücksichtigung eines optional veränderlichen Übersetzungsverhältnisses zwischen der elektrischen Maschine (4) bzw. der Pedaleinrichtung (2) und einem Antriebsrad des Fahrrads (3) gesteuert wird.
10. Steuerungseinrichtung einer Antriebsvorrichtung (1 ) eines mit einer Pedaleinrichtung (2) zumindest zeitweise mit Muskelkraft betriebenen Fahrrads (3), wobei die Antriebsvorrichtung (1 ) mindestens eine elektrische Maschine (4) zur Unterstützung eines Betriebs der Pedaleinrichtung (2) durch Muskelkraft aufweist, wobei die Steuerungseinrichtung Eingabeschnittstellen zur Aufnahme von Signalen und Ausgabeschnittstellen zur Abgabe von Signalen sowie eine Einrichtung zur Steuerung einer Antriebskraft der zumindest einen elektrischen Maschine (4) aufweist, wobei die Steuerungseinrichtung eingerichtet ist, um das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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