Antriebssystem für ein Elektrofahrrad mit Trainingsmodus

Beschreibung

Die vorgeschlagene Lösung betrifft insbesondere ein Antriebssystem für ein Elektrofahrrad.

Antriebssysteme für Elektrofahrräder mit wenigstens einem Elektromotor zur fremdkraftbetätigten Erzeugung eines zusätzlichen Antriebsdrehmoments und damit zur Bereitstellung einer Unterstützungsleistung zusätzlich zu einer muskelkraftbetätigt aufgebrachten Antriebsleistung sind weithin bekannt. Beispielsweise sind aus der DE 10 2018 001 795 A1 und der DE 10 2019 201 812 B3 Antriebssysteme mit Elektromotoren bekannt, die eine stufenlose Verstellung einer Übersetzung zwischen einem Antrieb und einem Abtrieb ermöglichen. Hierbei ist jeweils ein Planetengetriebe Teil des Antriebssystems, wobei Veränderungen der Übersetzung durch einen ersten Elektromotor geregelt werden. Über einen weiteren Elektromotor wird die Unterstützungsleistung für den Abtrieb zur Verfügung gestellt und gleichzeitig eine an dem ersten Elektromotor auftretende Stellleistung kompensiert, um einen Betrieb des Antriebssystems ohne ein Zuführen zusätzlicher Leistung aus einem Energiespeicher zu ermöglichen.

Aus der DE 10 2016 223 410 A1 ist ein Antriebssystem bekannt, das eine stufenlose Verstellung einer Besetzung und die Bereitstellung einer Unterstützungsleistung mit nur einem Elektromotor ermöglicht. WO 2023/057332 Seite 2 PCT/EP2022/077288

Aus der DE 10 2012 210 842 A1 ist wiederum ein Elektrofahrrad bekannt, bei dem mithilfe eines Tachometers ein elektrischer Antriebsmotor derart steuerbar ist, dass ein das Antriebssystem aufweisendes Elektrofahrrad auch als Fitnessgerät nutzbar ist. Hierbei soll der Antriebsmotor einerseits über einen Fitnessparameter, der von einem Sensorelement erfasst wird, und mindestens einen nutzerseitig eingebbaren zweiten Parameter steuerbar sein. Dem ersten sensorisch erfassten Fitnessparameter liegen dabei beispielsweise biometrische Sensordaten zugrunde, wie beispielsweise ein Puls eines Nutzers des Elektrofahrrads. Der zweite Parameter ist beispielsweise ein Alter oder ein Gewicht eines Nutzers oder ein angestrebter Soll-Kalorienverbrauch für eine mit dem Elektrofahrrad zurückzulegende Strecke. Auf Basis der in der DE 10 2012 210 842 A1 vorgeschlagenen Lösung kann somit beispielsweise ein Antriebsmotor eines Elektrofahrrads derart angesteuert werden, dass ein bestimmter Pulswert für eine definierte zurückzulegende Strecke berücksichtigt wird. Dies führt dann beispielsweise dazu, dass automatisch eine Unterstützungsleistung des Antriebsmotors erhöht wird, wenn ein Soll-Pulswert überschritten wird.

Die beschriebenen Systeme bieten demnach die Möglichkeit Einfluss auf die eingebrachte Fahrerleistung zu nehmen. Allerdings ist die maximale eingebrachte Leistung dabei begrenzt durch die vom Elektrofahrrad zum Fahren einer bestimmten Geschwindigkeit benötigte Leistung. Für ein effektives Training muss mitunter eine sehr hohe Leistung vom Fahrer eingebracht werden, was dann wiederum unweigerlich zu hohen Fahrgeschwindigkeiten in der Ebene führen würde. Darüber hinaus ist es für ein gezieltes Training vorteilhaft eine bestimmte Trittfrequenz zu fahren, die wiederum von der Fahrgeschwindigkeit abhängt. Es ist demnach mit den Systemen nach dem Stand der Technik schwer möglich, die optimalen Parameter für ein gezieltes Fitnesstraining während der Fahrt mit einem Elektrofahrrad einzustellen.

Es besteht somit Bedarf, für dahingehend verbesserte Antriebssysteme.

Hier schafft die vorgeschlagene Lösung Abhilfe.

So ist insbesondere ein Antriebssystem für ein Elektrofahrrad vorgeschlagen, aufweisend

- eine Tretlagerwelle zum muskelkraftbetätigten Aufbringen einer Antriebsleistung für die Fortbewegung des Elektrofahrrads,

- mindestens einen Antriebsmotor zum Bereitstellen einer fremdkraftbetätigten Unterstützungsleistung zusätzlich zu der Antriebsleistung und WO 2023/057332 Seite 3 PCT/EP2022/077288

- eine elektronische Steuereinheit zum Steuern des mindestens einen Antriebsmotors in einem Fahrmodus, der zur Fortbewegung des Elektrofahrrads mit motorischer Unterstützung durch den mindestens einen Antriebsmotor vorgesehen ist.

Die Steuereinheit ist ferner in einen zu dem Fahrmodus verschiedenen Trainingsmodus schaltbar, in dem der mindestens eine Antriebsmotor während einer Fortbewegung des Elektrofahrrads für die Bereitstellung der Unterstützungsleistung in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Trainingstrittfrequenz für die Tretlagerwelle und einem vorgegebenen Sollwert für eine über die Tretlagerwelle muskelkraftbetätigt aufzubringenden Trainingsleistung gesteuert wird.

Grundgedanke der vorgeschlagenen Lösung ist es somit insbesondere, das Antriebssystem und insbesondere den mindestens einen Antriebsmotor zwischen zwei unterschiedlichen Betriebsmodi schalten zu können. In einem Fahrmodus ist beispielsweise, je nach eingestellter Unterstützungsstufe, ein bestimmtes (fest vorgegebenes) Maß an Unterstützungsleistung in Abhängigkeit von der aufgebrachten Antriebsleistung bereitgestellt, um so einem Nutzer des Elektrofahrrads bis zu einer maximalen Geschwindigkeit, von zum Beispiel 25 km/h, ein Antreiben und Beschleunigen des Elektrofahrrads mit vergleichsweise geringer Trittfrequenz und damit moderater muskelkraftbetätigt aufgebrachter Antriebsleistung zu ermöglichen. In dem hierzu verschiedenen Trainingsmodus wiederum wird der mindestens eine Antriebsmotor in Abhängigkeit von einer Trainingstrittfrequenz und einem Sollwert einer aufzubringenden Trainingsleistung gesteuert, sodass die Höhe der Unterstützungsleistung von anderen Zielgrößen abhängt als in dem Fahrmodus. So kann beispielsweise die Trainingstrittfrequenz nutzerseitig oder von einem mit der Steuereinheit drahtlos kommunizierenden Trainer und damit trainerseitig vorgegeben werden, insbesondere zusätzlich zu einem Sollwert für eine aufzubringenden Trainingsleistung. In dem Trainingsmodus kann somit dann zwar das Elektrofahrrad weiterhin über die muskelkraftbetätigt aufgebrachte Antriebsleistung und die fremdkraftbetätigt aufgebrachte Unterstützungsleistung fortbewegt werden, die Unterstützungsleistung wird aber über die Steuereinheit derart vorgegeben, dass die von dem Nutzer des Elektrofahrrads aufzubringende Antriebsleistung der eingestellten Trainingsleistung entspricht. Die Unterstützungsleistung wird somit beispielsweise in Kenntnis der durch das Antriebssystem insgesamt bereitgestellten Ausgangsleistung als Differenz gesteuert, um die von dem Nutzer des Elektrofahrrads zu erbringende Antriebsleistung einzustellen.

Die Steuereinheit ist somit beispielsweise konfiguriert, in dem Trainingsmodus nur so viel Unterstützungsleistung bereitzustellen, dass eine Antriebsleistung in Höhe des Sollwerts WO 2023/057332 Seite 4 PCT/EP2022/077288 nur unter muskelkraftbetätigter Drehung der Tretlagerwelle mit mindestens der Trainingstrittfrequenz erreichbar ist. Die Steuereinheit berücksichtigt somit die - zum Beispiel als Anzahl Umdrehungen der Tretlagerwelle je Minute - vorgegebenen Trainingstrittfrequenz und die sich als Kombination der aktuell anliegenden Antriebsleistung und der Unterstützungsleistung durch das Antriebssystem insgesamt bereitgestellten Ausgangsleistung, um die Unterstützungsleistung dynamisch und gegebenenfalls wiederholt für einzelne Trainingszeitintervalle derart einzuregeln, dass ein Nutzer des Elektrofahrrads die der gewünschten Trainingsleistung entsprechende Antriebsleistung durch Drehung der Tretlagerwelle mit mindestens der Trainingstrittfrequenz aufbringen muss. Dies schließt beispielsweise ein, dass in dem Trainingsmodus die Unterstützungsleistung dynamisch gezielt abgesenkt und/oder begrenzt wird, sodass ein Nutzer tatsächlich die Antriebsleistung in Höhe des Sollwerts muskelkraftbetätigt aufbringen muss. Eine Unterstützungsleistung ist folglich über die Steuereinheit in dem Trainingsmodus dynamisch anpassbar, und hierbei z.B. in Abhängigkeit davon, mit welcher Geschwindigkeit sich das Elektrofahrrad aktuell fortbewegt respektive fortbewegen soll, und zwar unter Berücksichtigung des Sollwerts für die Trainingsleistung und der Trainingstrittfrequenz als Zielgröße. Eine aktuelle Fahrgeschwindigkeit des Elektrofahrrads respektive ein hierfür repräsentatives Geschwindigkeitssignal kann beispielsweise als Eingangsgröße in eine softwareseitig und/oder hardwareseitig implementierte Steuerungslogik (mit einem entsprechenden Berechnungsalgorithmus) der Steuereinheit eingehen, um die Unterstützungsleistung entsprechend vorzugeben und gegebenenfalls zu variieren.

Der mindestens eine Antriebsmotor kann über die Steuerelektronik zur Bereitstellung einer Unterstützungsleistung ansteuerbar sein, die der aktuell an der Tretlagerwelle muskelkraftbetätigt aufgebrachten Antriebsleistung multipliziert mit einem über die Steuereinheit vorgegebenen Faktor entspricht. Beispielsweise wird eine Unterstützungsleistung in Höhe des 0,3-fachen, 1 ,0-fachen, 1 ,5-fachen oder 2,5-fachen der aktuell anliegenden Antriebsleistung bereitgestellt. Der Faktor kann hierbei in Stufen vorgegeben sein. In dem Trainingsmodus kann die Steuereinheit die Höhe der bereitzustellenden Unterstützungsleistung über die Größe dieses Faktors variieren. Der Faktor der Unterstützungsleistung wird somit im Trainingsmodus dynamisch an eine Fahrsituation des Elektrofahrrads anpassbar.

Die Steuereinheit kann ferner konfiguriert sein, in dem Trainingsmodus den mindestens einen Antriebsmotor zur Bereitstellung einer variablen Unterstützungsleistung unter Beibehaltung einer vorgegebenen Fahrgeschwindigkeit des Elektrofahrrads und/oder WO 2023/057332 Seite 5 PCT/EP2022/077288 unter Beibehaltung einer vorgegebenen Beschleunigung des Elektrofahrrads anzusteuern. Während der Fortbewegung des Elektrofahrrads wird somit ein Nutzer weiterhin in die Lage versetzt, mit dem Elektrofahrrad eine Wegstrecke zurückzulegen. Unter Berücksichtigung einer gewünschten Fahrgeschwindigkeit wird dann aber im Trainingsmodus der Fokus auf eine zu erbringende Trainingsleistung und nicht auf ein möglichst schnelles Erreichen eines Fahrziels gelegt. Grundsätzlich kann die Steuereinheit also konfiguriert sein, in dem Trainingsmodus weiterhin die Fortbewegung des Elektrofahrrads zu ermöglichen, und zwar insbesondere über eine Kombination der Antriebsleistung und der Unterstützungsleistung. Die muskelkraftbetätigt aufgebrachte Antriebsleistung dient im Trainingsmodus jedoch vornehmlich zur Erzielung und Aufrechterhaltung der Trainingsleistung in Höhe des Sollwerts, nicht aber einer Beschleunigung des Elektrofahrrads.

In einer Ausführungsvariante ist die Steuereinheit konfiguriert, ein Übersetzungsverhältnis zu variieren, das zwischen einem Antriebsdrehmoment der Tretlagerwelle und einem Abtriebsdrehmoment eines zum Antrieb des Elektrofahrrads vorgesehenen Abtriebselements des Antriebssystems besteht. Ein solches Übersetzungsverhältnis spiegelt folglich auch das Verhältnis zwischen einer Drehzahl der Tretlagerwelle und einer Abtriebsdrehzahl wieder. Die Steuereinheit ist folglich in einer solchen Ausführungsvariante konfiguriert, das Übersetzungsverhältnis zwischen Antrieb und Abtrieb automatisch und damit elektronisch gesteuert zu variieren.

In einer Weiterbildung kann die Steuereinheit nun konfiguriert sein, dieses Übersetzungsverhältnis in Abhängigkeit von einem für die Fahrgeschwindigkeit des Elektrofahrrads repräsentativen Geschwindigkeitssignals zu variieren. Hierbei kann bei einer das Erreichen des Sollwerts für die Trainingsleistung zu geringen Antriebsleistung, die durch muskelkraftbetätigte Drehung der Tretlagerwelle mit der Trainingstrittfrequenz aufgebracht wird, beispielsweise das Übersetzungsverhältnis automatisch erhöht werden. Die elektronische Steuereinheit sorgt folglich dafür, dass ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis eingestellt und gegebenenfalls angepasst wird, um auf Basis der Fahrgeschwindigkeit des Elektrofahrrads nutzerseitig eine Trainingsleistung über die Tretlagerwelle aufzubringen, die dem eingestellten Sollwert entspricht.

Das Übersetzungsverhältnis kann grundsätzlich über eine Schaltung des Antriebssystems variierbar sein. Hierbei kann die Schaltung ein Schaltwerk, zum Beispiel am Hinterrad eines Elektrofahrrads, eine Nabenschaltung, einen stufenlosen, mechanischen Schaltungsmechanismus (wie er zum Beispiel von der Fallbrook WO 2023/057332 Seite 6 PCT/EP2022/077288

Technologies, Inc. im Geschäftsbereich „enviolo“ vermarktet) und/oder eine motorisch steuerbaren, stufenlosen Stellantrieb umfassen.

In einer Ausführungsvariante ist die Steuereinheit konfiguriert, für eine Höhe der in dem Trainingsmodus bereitzustellenden Unterstützungsleistung auch eine Routeninformation zu einer geplanten, mit dem Elektrofahrrad zu fahrenden Route zu berücksichtigen. Dies schließt beispielsweise ein, dass die Trainingstrittfrequenz und/oder der Sollwert für die Trainingsleistung zumindest teilweise basierend auf einem Routenverlauf einer zu fahrenden Route vorgegeben werden. In wenigstens einem Abschnitt der geplanten Route und/oder für eine von gegebenenfalls mehreren unmittelbaren aufeinanderfolgenden Trainingsphasen eines Trainingszeitfensters wird somit die Unterstützungsleistung beispielsweise temporär angepasst, um dem Verlauf der Strecke, beispielsweise an einem Anstieg oder einem Gefälle, Rechnung zu tragen. Dies kann insbesondere eine Veränderung der Trainingstrittfrequenz und/oder des Sollwerts für die Trainingsleistung in dem Trainingsmodus bereits im Vorfeld, d.h., vor Erreichen des entsprechenden Routenabschnitts, einschließen. Insbesondere in diesem Zusammenhang kann auch ein gezielter Leistungsrückfluss aus dem Antriebssystem in einen Energiespeicher berücksichtigt werden. So kann beispielsweise bei abfallendem Gelände die Unterstützungsleistung negativ werden und damit der mindestens eine Antriebsmotor in dem Trainingsmodus generatorisch betreibbar sein. In einem solchen Fall kann beispielsweise auch der Ladezustand des Energiespeichers und der (weitere oder komplette) Verlauf der zu fahrenden Route berücksichtigt werden.

Die vorgeschlagene Lösung betrifft ferner ein Elektrofahrrad mit einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Antriebssystems.

Ferner ist ein Verfahren zur Steuerung eines Antriebssystems eines Elektrofahrrads vorgeschlagen, bei dem über eine Tretlagerwelle muskelkraftbetätigt eine Antriebsleistung für die Fortbewegung des Elektrofahrrads aufbringbar ist und über mindestens einen in einem Fahrmodus betriebenen Antriebsmotor fremdkraftbetätigt eine Unterstützungsleistung zusätzlich zu der Antriebsleistung aufbringbar ist. Ein zusätzlicher zu dem Fahrmodus verschiedener Trainingsmodus erlaubt es, den mindestens einen Antriebsmotor während einer Fortbewegung des Elektrofahrrads für die Bereitstellung der Unterstützungsleistung in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Trainingstrittfrequenz für die Tretlagerwelle und einem vorgegebenen Sollwert für eine über die Tretlagerwelle muskelkraftbetätigt aufzubringenden Trainingsleistung zu steuern. Das Elektrofahrrad respektive sein Antriebssystem kann somit gezielt als Fitnessgerät genutzt werden. WO 2023/057332 Seite 7 PCT/EP2022/077288

Mit einem vorgeschlagenen Elektrofahrrad können zum Beispiel Pendelfahrten ohne weiteres als Trainingsfahrten genutzt werden, wobei ein Nutzer respektive Fahrer des Elektrofahrrads eine Trittfrequenz nicht selbst einregeln muss.

Bei einem Verfahren im Trainingsmodus ist beispielsweise auch ein generatorischer Betrieb eines als Elektromotors vorgesehenen Antriebsmotors wahrscheinlicher, wodurch ein Energiespeicher für den Elektromotor, wie zum Beispiel ein Akku, aufgeladen werden kann.

Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.

Hierbei zeigen:

Figur 1 ein Elektrofahrrad mit einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Antriebssystems;

Figur 2 schematisch ein Bedienteil, eine Steuereinheit und einen

Antriebsmotor des Antriebssystems für das Elektrofahrrad der Figur 1 unter Darstellung unterschiedlicher ausgetauschter Signale.

Die Figur 1 zeigt in Seitenansicht ein Elektrofahrrad 1 mit einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Antriebssystems A. Das Elektrofahrrad 1 umfasst einen Rahmen 10, an dem ein Vorderrad 11 und ein Hinterrad 12 drehbar gelagert sind. Das Hinterrad 12 ist über ein Kraftübertragungsglied in Form einer Kette oder eines Riemens 13 mit dem Antriebssystem A gekoppelt. Das Antriebssystem A weist eine drehbar gelagerte Tretlagerwelle T mit Pedalen für die Einbringung eines Fahrerdrehmoments mittels Muskelkraft und damit für das muskelkraftbetätigte Aufbringen einer Antriebsleistung durch einen Nutzer des Elektrofahrrads 1 auf. Zudem ist in dem Antriebssystem A eine Motoreinheit M mit mindestens einem hydraulischen oder elektrischen Antriebsmotor M vorgesehen, der ein zusätzliches Antriebsdrehmoment zum Antreiben des Hinterrades 12 und damit eine zusätzliche Unterstützungsleistung bereitstellt.

Das Antriebssystem A weist ferner eine Steuereinheit SE auf, über die die Motoreinheit M respektive deren wenigstens einer Antriebsmotor steuerbar ist. Die Steuereinheit SE ist vorliegend mit einem ein Display 20 aufweisenden Bedienteil 2 gekoppelt. Dieses WO 2023/057332 Seite 8 PCT/EP2022/077288

Bedienteil 2 kann im Bereich eines Lenkers des Elektrofahrrads 1 vorgesehen sein und kann für einen Nutzer die Möglichkeit zum Wechseln zwischen verschiedenen Unterstützungsstufen bieten, in denen über die Motoreinheit M unterschiedlich hohe Unterstützungsleistungen bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann ein Nutzer über das Bedienteil zwischen zwei unterschiedlichen Funktionsmodi des Antriebssystems A schalten, nämlich einem Fahrmodus und einem Trainingsmodus.

Entsprechend der Darstellung der Figur 2 kann die Steuereinheit SE über ein Modussignal m von dem Fahrmodus in den Trainingsmodus und wieder zurück geschaltet werden, wenn ein Nutzer an dem Bedienteil 2 dies entsprechend auslöst. Über das Bedienteil 2 gibt ein Nutzer auch eine gewünschte Trainingstrittfrequenz und eine gewünschte Trainingsleistung für den Trainingsmodus vor. Die entsprechenden Werte werden über ein Trittfrequenzsignal f _n und ein Leistungssignal p _n an die Steuereinheit SE übermittelt. Darüber hinaus erhält die Steuereinheit SE auch ein Geschwindigkeitssignal v, beispielsweise über einen Radsensor, das für die aktuelle Fahrgeschwindigkeit des Elektrofahrrads 1 repräsentativ ist.

In dem Trainingsmodus steuert nun die Steuereinheit SE den mindestens einen (hydraulischen oder elektrischen) Antriebsmotor der Motoreinheit M derart, dass seine Unterstützungsleistung in Abhängigkeit von der vorgegebenen Trainingstrittfrequenz für die Tretlagerwelle T und dem vorgegebenen Sollwert für die muskelkraftbetätigt aufzubringende Trainingsleistung gesteuert wird. Hierfür wird beispielsweise der Faktor der Unterstützungsleistung dynamisch an die aktuelle Fahrsituation angepasst, sodass ein Nutzer des Elektrofahrrads 1 unter Drehung der Tretlagerwelle T mit der eingestellten Trainingstrittfrequenz gerade die gewünschte Trainingsleistung aufbringt und folglich die Unterstützungsleistung der Motoreinheit M nicht zu hoch ist. Wird beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis zwischen Antrieb und Abtrieb über einen (elektro)motorischen Stellantrieb gesteuert, nimmt die Steuereinheit SE hierauf über ein Steuersignal s Einfluss. So wird dann das Übersetzungsverhältnis auf Basis der Geschwindigkeit des Elektrofahrrads 1 und der eingestellten Sollwerte automatisch gegenüber dem Fahrmodus abweichend vorgegeben, wenn das Antriebssystem A in den Trainingsmodus geschaltet wurde. Die Motoreinheit M kann beispielsweise über ein Informationssignal i der Steuereinheit SE Informationen über die Ausgangsleistung der Motoreinheit M zur Verfügung stellen. WO 2023/057332 Seite 9 PCT/EP2022/077288

Ist kein motorisch gesteuerter Stellantrieb für die Einstellung des Übersetzungsverhältnisses vorgesehen, kann eine Übersetzung über eine separate Schaltung S einstellbar sein, beispielsweise über ein Schaltwerk am Hinterrad 12 oder eine Nabenschaltung am Hinterrad 12. Das Übersetzungsverhältnis kann auch hier elektronisch gesteuert werden, dann aber über ein entsprechendes Schaltsignal g der Steuereinheit SE an die jeweilige Schaltung S.

Ziel ist es in jedem Fall, über den aktivierten Trainingsmodus das Elektrofahrrad 1 als Fitnessgerät nutzen zu können, über das nach Leistungswerten und in verschiedenen Trittfrequenzbereichen mit automatisch eingestelltem Übersetzungsverhältnis trainiert werden kann, während das Elektrofahrrad 1 weiterhin für die Fortbewegung genutzt wird.

WO 2023/057332 Seite 10 PCT/EP2022/077288

Bezugszeichenliste

1 Elektrofahrrad

10 Rahmen

101 Lenker

11 Vorderrad

12 Hinterrad

13 Kette / Riemen (Kraftübertragungsglied)

2 Bedienteil

20 Display (Anzeigeelement)

A Antriebssystem fn Trittfrequenzsignal g Schaltsignal i Informationssignal

M Elektromotor m Modussignal

Pn Leistungssignal

S Steuersignal

S Schaltung

SE Steuereinheit

T Tretlagerwelle v Geschwindigkeitssignal