Beschreibung

Die vorgeschlagene Lösung betrifft insbesondere ein Antriebssystem für ein

Elektrofahrrad.

Es ist bekannt, an einem Elektrofahrrad, mithin an einem sogenannten E-Bike oder Pedelec, wenigstens einen Elektromotor in Kombination mit einer, z.B. eine Planetenradstufe aufweisenden, Getriebeeinrichtung einzusetzen, um ein eine motorische Unterstützung beim Fahren des Elektrofahrrads bereitzustellen. Ein entsprechendes Antriebssystem weist hierbei zum einen eine Antriebswelle (typischerweise auch als Tretlagerwelle bezeichnet) auf, über die ein von einem Fahrer des Elektrofahrrads erzeugtes Antriebsdrehmoment eingeleitet werden kann und an der hierfür Pedale vorgesehen sind. Zusätzlich zu einem an der Antriebswelle muskelkraftbetätigt eingeleiteten ersten Antriebsdrehmoment kann fremdkraftbetätigt, z.B. mithilfe eines elektrischen Antriebsmotors, ein zweites Antriebsdrehmoment bereitgestellt werden. Über die Getriebeeinrichtung sind der mindestens eine Antriebsmotor und die Abtriebswelle miteinander gekoppelt, sodass über eine mit einem Rad des Elektrofahrrads zu koppelnde Abtriebswelle ein Drehmoment an ein Rad, üblicherweise ein Hinterrad des Elektrofahrrads, übertragen werden kann, das auf das erste und zweite Antriebsdrehmoment zurückgeht. Über eine elektronisch steuerbare Schalteinrichtung, wie sie z.B. aus der DE 10 2020 001 016 A1 bekannt ist, kann ein Übersetzungsverhältnis zwischen dem den wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor aufweisenden Antriebsstrang und dem anzutreibenden Rad verändert werden. Hierbei besteht die grundsätzliche Schwierigkeit, dass ein automatisierter Schaltvorgang zum Verändern des Übersetzungsverhältnisses einerseits nur erfolgen soll, wenn keine Antriebskraft muskelkraftbetätigt über eine Pedalbewegung aufgebracht wird. Andererseits soll der Schaltvorgang elektromotorisch gesteuert durch eine kurzzeitige Vorwärtsbewegung eines Kraftübertragungsglieds, typischerweise eine Kette, erfolgen, über das der Antriebsstrang mit dem anzutreibenden Rad gekoppelt ist. Der Antriebsmotor wird hierfür mit definierter Motordrehzahl betrieben, ohne dass von den Antriebsmotor das Rad angetrieben wird. An dem anzutreibenden Rad ist dementsprechend ein Freilauf vorgesehen, der für den Schaltvorgang nicht in einem Übertragungszustand vorliegen soll, in dem eine von dem wenigstens ein Antriebsmotor erzeugte Antriebskraft an das anzutreibende Rad übertragen wird. Vielmehr soll der Freilauf in einem Entkopplungszustand verbleiben, in dem der Antriebsstrang von dem Rad entkoppelt ist, sodass eine motorisch erzeugte Antriebskraft nicht an das Rad übertragen wird. Während des Schaltvorgangs soll folglich der Freilauf offen und damit in dem Entkopplungszustand bleiben. Offen bleibt der Freilauf dabei aus Motorsicht beispielsweise dadurch, dass eine resultierende Drehzahl eines durch ein Kraftübertragungsglied angetriebenen Ritzels ausreichend geringer ist als die Drehzahl des Hinterrades.

Eine unmittelbare sensorische Erfassung des Zustands des Freilaufs während des Schaltvorgangs ist vergleichsweise aufwendig. Grundsätzlich ist auch eine einfache Regelung der Motordrehzahl und der Drehzahl eines Hinterrad-Ritzels denkbar, bei der eine limitierten Motordrehzahl vorgegeben wird, die gegenüber einer aus der Hinterraddrehzahl und der Schaltübersetzung berechneten Drehzahl deutlich reduziert ist, zum Beispiel um 50 %. Im Fall eines Fehlers bei der Messung der Hinterraddrehzahl durch einen Geschwindigkeitssensor oder im Falle einer falsch angenommen Schaltübersetzung kann es dann aber in einem solchen Fehlerfall zu einer zu großen Motordrehzahl für den Schaltvorgang kommen. Alternativ ist denkbar, einen zusätzlichen Geschwindigkeitssensor für das anzutreibende Rad vorzusehen, um sicherzustellen, dass während des Schaltvorgangs (auch in einem Fehlerfall) keine Beschleunigung des Rades auftritt. Ein solcher zusätzlicher Geschwindigkeitssensor, der gegebenenfalls zu einem ohnehin für die Ermittlung des Übersetzungsverhältnisses vorgesehenen Geschwindigkeitssensors vorgesehen werden müsste, bringt jedoch nicht unerhebliche zusätzliche Kosten mit sich. Der vorgeschlagenen Lösung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem mit der Möglichkeit für eine elektronisch gesteuerte Veränderung eines Übersetzungsverhältnisses bereitzustellen, bei dem ein Schaltvorgang für die Veränderung des Übersetzungsverhältnisses in einfacher Weise durchgeführt und überwacht werden kann.

Hierfür ist ein Antriebssystem für ein Elektrofahrrad vorgeschlagen, bei dem die elektronische Steuereinheit des Antriebssystems für eine Veränderung des Übersetzungsverhältnisses zur Durchführung eines Schaltvorgangs konfiguriert ist, bei dem über die elektronische Steuereinheit eine Drehzahl des wenigstens einen Antriebsmotors vorgegeben, insbesondere geregelt wird und der wenigstens eine Antriebsmotor über die elektronische Steuereinheit mit einem veränderlichen Motorstrom betreibbar ist. Die elektronische Steuereinheit ist ferner konfiguriert, den Schaltvorgang bei Vorliegen eines einen Übertragungszustand des Freilaufs anzeigenden Abbruchkriteriums abzubrechen und für eine Detektion, dass das Abbruchkriterium vorliegt, einen Verlauf der Drehzahl und/oder einen Verlauf des Motorstroms des wenigstens einen Antriebs motors auszuwerten.

Grundgedanke der vorgeschlagenen Lösung ist es somit, einen elektronisch gesteuerten Schaltvorgang, der bei rollendem Elektrofahrrad ohne Pedalbewegung zur Veränderung eines Übersetzungsverhältnisses zwischen Antriebsstrang und antreibbarem Rad auszuführen ist, abzubrechen, wenn ein Freilauf des Rades geschlossen ist oder wird und somit eine Antriebskraft des Antriebsmotors an das Rad übertragen wird und damit zu einer unerwünschten Beschleunigung des Rades führen würde. Der Zustand des Freilaufs wird dabei indirekt detektiert, und zwar über den Verlauf der (Motor-) Drehzahl und/oder den Verlauf des Motorstroms des wenigstens einen Antriebsmotors, und damit, ohne dass hierfür eine zusätzliche Sensorik vorgesehen werden müsste. Nach Auslösen eines Schaltvorgangs wird bei der vorgeschlagenen Lösung folglich auf Basis eines (zeitlichen) Verlaufs der Drehzahl und/oder eines (zeitlichen) Verlaufs des Motorstroms des wenigstens einen Antriebsmotors auf den Zustand des Freilaufs geschlossen, von dem abhängig ist, ob der bereits ausgelöste Schaltvorgang entweder durchgeführt respektive abgeschlossen oder aber abgebrochen wird.

Der Schaltvorgang kann dabei grundsätzlich in an sich bekannter Weise automatisch ausgelöst werden. Die Auslösung und damit der Start des Schaltvorgangs sind dabei beispielsweise in einer entsprechenden Ausführungsvariante davon abhängig, dass aktuell muskelkraftbetätigt keine Antriebskraft erzeugt wird und mithin an einer Tretlagerwelle drehfest angebrachte Pedale des Elektrofahrrads nicht gedreht werden. Die für die Durchführung des Schaltvorgangs vorzugebende Solldrehzahl des Antriebsmotors wird dann von der elektronischen Steuereinheit auf Basis einer Fahrgeschwindigkeit (zum Beispiel bestimmt über ein Sensorsignal eines an dem anzutreibenden Rad vorgesehenen Geschwindigkeitssensors) und einem aktuell eingestellten Übersetzungsverhältnis zwischen Antriebsstrang und anzutreibendem Rat berechnet und vorgegeben. Die elektronische Steuereinheit kann mithin insbesondere konfiguriert sein, eine Solldrehzahl (auf die der wenigstens eine Antriebsmotor für den Schaltvorgang zu beschleunigen ist) auf Basis eines für eine aktuelle Fahrgeschwindigkeit des Elektrofahrrads repräsentativen Sensorsignals und einem aktuell (d. h. vor dem Start des Schaltvorgangs) eingestellten Übersetzungsverhältnis zu bestimmen. Nach dem Starten des Schaltvorgangs soll der Antriebsmotor lediglich ein Kraftübertragungsglied des Antriebsystems bei offenem Freilauf in Bewegung versetzen, sodass über die Schalteinrichtung elektronisch gesteuert mindestens ein Gang gewechselt werden kann, beispielsweise durch Betätigung eines Umwerfers der Schalteinrichtung. Bei geschlossenem Freilauf soll der Schaltvorgang automatisch abgebrochen werden.

In einer Ausführungsvariante ist die elektronische Steuereinheit konfiguriert, dass Vorliegen des Abbruchkriteriums (und damit einen eventuell geschlossenen Freilauf) auf Basis des Verlaufs der Drehzahl und/oder des Verlaufs des Motorstroms des wenigstens einen Antriebsmotors zu detektieren. Dies schließt insbesondere ein, dass das Vorliegen des Abbruchkriteriums ausschließlich auf Basis eines oder mehrerer der genannten Verläufe detektiert wird. Beispielsweise ist die elektronische Steuereinheit hierfür konfiguriert, das Vorliegen des Abbruchkriteriums allein auf Basis des Verlaufs des Motorstroms oder in Kombination mit dem Verlauf der Drehzahl des wenigstens einen Antriebsmotors zu detektieren. So wurde erkannt, dass aus dem Verlauf des Motorstroms allein oder in Kombination mit einem erfassten Verlauf der (Motor-) Drehzahl darauf schließen lässt, in welchem Zustand sich ein Freilauf an dem antreibbaren Rad befindet. Über eine, zum Beispiel über Software in der Steuerelektronik implementierte, Auswertelogik lässt sich somit anhand eines erfassten Verlaufs darauf schließen, ob der Freilauf offen oder geschlossen ist, ohne dass es hierfür zusätzlicher Sensorik an dem Freilauf selbst bedarf.

Beispielsweise ist vorgesehen, dass für den Entkopplungszustand des Freilaufs und damit für einen offenen Zustand des Freilaufs während des Schaltvorgangs wenigstens ein Referenzdrehzahlverlauf für eine zeitliche Entwicklung der Drehzahl und/oder wenigstens ein Referenzstromwertverlauf für eine zeitliche Entwicklung des Motorstroms des wenigstens einen Antriebsmotors in einem Speicher der elektronischen Steuereinheit hinterlegt sind. Die elektronische Steuereinheit kann dann konfiguriert sein, bei einer eine Toleranzschwelle überschreitenden Abweichung von einem oder mehreren erfassten Messwerten gegenüber dem Referenzdrehzahlverlauf und/oder gegenüber dem Referenzstromwertverlauf das Vorliegen des Abbruchkriteriums zu detektieren. So ergeben sich ein charakteristischer Referenzdrehzahlverlauf und/oder ein charakteristischer Referenzstromwertverlauf, wenn während eines Schaltvorgangs der Freilauf offen ist und offen bleibt und mithin in einem Entkopplungszustand vorliegt. Wird während des Schaltvorgangs eine Abweichung von einem oder mehreren dieser gespeicherten Verläufe detektiert, kann darauf geschlossen werden, dass der Freilauf nicht (mehr) offen, sondern geschlossen ist.

Zur Detektion, ob das Abbruchkriterium vorliegt und damit der Freilauf unter Umständen in einem Übertragungszustand vorliegt oder in einen solchen Übertragungszustand gewechselt hat, kann die elektronische Steuereinheit beispielsweise konfiguriert sein, während des Schaltvorgangs zu prüfen, ob

- die Drehzahl des Antriebsmotors unter Vorgabe eines bis auf ein Stromwertmaximum ansteigenden Motorstroms bis zum Erreichen einer vorgegebenen Solldrehzahl ansteigt und bei Erreichen und Beibehaltung der Solldrehzahl der Motorstrom abfällt (erstes Prüfszenario) oder

- die Drehzahl des Antriebsmotors unter Vorgabe eines bis auf einen Sollstromwert ansteigenden Motorstroms bis auf die Solldrehzahl ansteigt und die Solldrehzahl unter Beibehaltung des unterhalb des Stromwertmaximums liegenden Sollstromwerts aufrechterhalten bleibt (zweites Prüfszenario).

Die vorstehend zuerst genannte Prüfung entspricht einem ersten Prüfszenario, bei dem mithilfe der elektronischen Steuereinheit geprüft wird, ob sich Motordrehzahl und Motorstrom während einer Beschleunigungsphase des Antriebsmotors für den Schaltvorgang und in einer anschließenden Schaltphase wie vorgesehen entwickeln und damit von einem offenen Freilauf ausgegangen werden kann. So lässt der Anstieg des Motorstroms und ein abschließender Abfall unterhalb eines vorgegebenen Stromwertmaximums, während gleichzeitig die Drehzahl des Antriebsmotors bis auf die gewünschte Solldrehzahl beschleunigt und beibehalten wird, darauf schließen, dass der Freilauf offen ist und bleibt. Bei Beibehaltung der Solldrehzahl kann dann eine Schaltphase abgeschlossen werden, während der über die Schalteinrichtung das Übersetzungsverhältnis verändert wird.

Bei der vorstehend angesprochenen Prüfung auf das Vorliegen eines Abbruchkriterium gemäß einem zweiten Prüfszenario wird davon ausgegangen, dass in einer Beschleunigungsphase die Drehzahl zunächst bis auf die Solldrehzahl ansteigt, ohne dass der Motorstrom das Stromwertmaximum erreicht, sondern nur bis zu einem Sollstromwert unterhalb des Stromwertmaximums ansteigt. Die Solldrehzahl des Antriebsmotors bleibt dann bei offenem Freilauf erhalten, während der Motorstrom weiterhin auf dem Sollstromwert verharrt. Werden entsprechende Verläufe des Motorstroms und der Drehzahl des wenigstens einen Antriebsmotors erfasst, wird auf einen offenen Freilauf geschlossen und der Schaltvorgang ohne Abbruch abgeschlossen.

Grundsätzlich kann ein vorstehend angesprochenes Stromwertmaximum ein in der elektronischen Steuereinheit hinterlegter Begrenzungswert sein, der von einer mit der Steuereinheit implementierten Regelung als Maximalwert für den Motorstrom zur Beschleunigung des wenigstens einen Antriebsmotors auf die Solldrehzahl vorgegeben werden kann. Das Stromwertmaximum kann somit ein unterlagerter Stromsollwert sein, der auf einen vergleichsweise kleinen Wert begrenzt ist, der ausreicht, den Antriebsmotor im Freilauf ausreichend zu beschleunigen. Beim Beschleunigen des Antriebsmotors wird folglich die Regelung in Begrenzung maximal einen dem Stromwertmaximum entsprechenden Maximalstrom anfordern (können).

Indem die elektronische Steuereinheit in einer entsprechenden Ausführungsvariante eine Prüfung vornimmt, ob sich Motorstrom und/oder Drehzahl des wenigstens einen Antriebsmotors während des Schaltvorgangs wie vorgesehen entwickeln, kann anhand von Abweichungen entsprechender Referenzverläufe auf ein Schließen des Freilaufs und damit auf das Vorliegen des Abbruchkriteriums geschlossen werden. So führt beispielsweise ein Schließen des Freilaufs nach Erreichen der Solldrehzahl und einem vorherigen Abfall des Motorstroms beim Motorstrom zu einem erneuten Anstieg in Richtung des Stromwertmaximums. Nach Abschluss der Beschleunigungsphase ist wiederum mit einem Schließen des Freilaufs ein temporärer Abfall im Drehverlauf beobachtbar. Eine Auswertelogik der elektronischen Steuereinheit ist hier folglich eingerichtet, anhand von Abweichungen von hinterlegten Referenzverläufen zu detektieren, dass an dem Freilauf des antreibbaren Rades ein Wechsel von einem Entkopplungszustand zu einem Übertragungszustand stattgefunden hat und damit ein während des Schaltvorgangs unerwünschtes Übertragen eines Antriebsmoments von dem Antriebsmotor auf das anzutreibende Rad erfolgt.

Alternativ oder ergänzend kann die elektronische Steuereinheit zur Detektion, ob das Abbruchkriterium vorliegt (also um das Vorliegen des Abbruchkriterium zu detektieren), während des Schaltvorgangs prüfen, ob innerhalb eines vordefinierten Prüfzeitraums die Drehzahl des wenigstens einen Antriebsmotors eine vorgegebene Solldrehzahl erreicht. Dies schließt eine Prüfung ein, ob eine vorgesehene Beschleunigung des Antriebsmotors erreicht wird und/oder die Drehzahl des wenigstens einen Antriebsmotors - d.h. z.B. eines Rotors des Antriebsmotors - nicht weiter bis zur Solldrehzahl erhöht werden kann. Ist dies der Fall und anhand des Verlaufs der Motordrehzahl elektronisch erfassbar, ist davon auszugehen, dass der Freilauf geschlossen ist und dementsprechend die von dem Antriebsmotor erzeugte Antriebskraft an das anzutreibende Rad übertragen wird. Das Abbruchkriterium ist somit erfüllt und der Schaltvorgang wird abgebrochen.

Grundsätzlich kann ein Abbruch des Schaltvorgangs durch die elektronische Steuereinheit eine Reduktion der Drehzahl des wenigstens einen Antriebsmotors bis auf einen Abbruchwert einschließen. Alternativ kann bei einem Abbruch des Schaltvorgangs der wenigstens eine Antriebsmotor zu einem Wechsel in einen Fehlerzustand angesteuert werden oder deaktiviert und mithin abgeschaltet werden.

Die vorgeschlagene Lösung schließt ferner auch ein Elektrofahrrad mit einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagen Antriebssystems ein.

Darüber hinaus ist von der vorgeschlagenen Lösung ein Verfahren zum Betrieb eines Antriebssystems an einem Elektrofahrrad umfasst. Ein solches Antriebssystems für ein Elektrofahrrad weist mindestens einen Antriebsstrang mit wenigstens einem elektrischen Antriebsmotor zum Aufbringen einer Antriebskraft für das Antreiben eines Rads des Elektrofahrrads und eine (elektronisch steuerbare) Schalteinrichtung zur Veränderung eines Übersetzungsverhältnisses zwischen dem Antriebsstrang und dem anzutreibenden Rad auf. An dem anzutreibenden Rad ist ein Freilauf vorgesehen, der in einem Übertragungszustand eine von dem wenigstens einen Antriebsmotor erzeugte Antriebskraft an das Rad überträgt, während in einem Entkopplungszustand des Freilaufs der Antriebsstrang von dem Rad entkoppelt ist. Für eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses wird ein Schaltvorgang durchgeführt, bei dem elektronisch gesteuert eine Drehzahl des wenigstens einen Antriebsmotors vorgegeben, insbesondere geregelt wird und der wenigstens eine Antriebsmotor mit einem veränderlichen Motorstrom betrieben wird. Der Schaltvorgang wird bei Vorliegen eines den Übertragungszustand des Freilaufs anzeigenden Abbruchkriteriums abgebrochen, wobei für eine Detektion, dass das Abbruchkriterium vorliegt, ein Verlauf der Drehzahl und/oder ein Verlauf des Motorstroms des wenigstens einen Antriebsmotors ausgewertet wird.

Ein vorgeschlagenes Betriebsverfahren ist insbesondere mit einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Antriebssystems durchführbar. Vorstehend und nachstehend erläuterte Merkmale und Vorteile einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Antriebssystems gelten somit auch für eine Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Betriebsverfahrens und umgekehrt.

Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsbeispiele der vorgeschlagenen Lösung.

Hierbei zeigen:

Figur 1 ein Elektrofahrrad mit einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Antriebssystems;

Figur 2 einen Referenzwertverlauf für einen Motorstrom während eines elektronisch gesteuerten Schaltvorgangs mit dem Antriebssystem der Figur 1;

Figur 3 weitere Referenzverläufe für Motorstrom und Motordrehzahl während eines Schaltvorgangs;

Figur 4 ein Ablaufdiagramm für eine Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Betriebsverfahrens.

Die Figur 1 zeigt exemplarisch ein Elektrofahrrad 1 , mit einem Rahmen 10, an dem ein Vorderrad 11 und ein Hinterrad 12 drehbar gelagert sind. Das Hinterrad 12 ist über ein Antriebsystem mit einem Antriebsstrang A elektromotorisch unterstützt antreibbar. Hierfür weist der Antriebsstrang A wenigstens einen elektrischen Antriebsmotor in Form eines Elektromotors M auf. Ein von dem Elektromotor M erzeugtes Antriebsdrehmoment ist dabei - gegebenenfalls zusätzlich zu einem muskelkraftbetätigt über eine Antriebswelle/Tretlagerwelle T aufgebrachtes Antriebsdrehmoment - mithilfe eines Kraftübertragungsglieds, zum Beispiel in Form einer Kette oder eines Riemens, an das Hinterrad 12 übertragbar. An das Hinterrad 12 kann derart nicht nur ein erstes Antriebsdrehmoment übertragen werden, das über mit der Tretlagerwelle T verbundene Pedale von einem Fahrer des Elektrofahrrads 1 aufgebracht wird. Vielmehr kann das Hinterrad 12 auch über ein zweites Antriebsdrehmoment angetrieben werden, das von dem Elektromotor M erzeugt wird.

Eine von dem Elektromotor M aufgebrachte Antriebsleistung wird dabei über eine elektronische Steuereinheit SE der Antriebseinheit A vorgegeben. Diese elektronische Steuereinheit SE gibt beispielsweise in Abhängigkeit von nutzerseitig ausgewählten Unterstützungsstufen die elektromotorisch aufzubringende Antriebsleistung vor, mit der ein Fahrer des Elektrofahrrads 1 beim Treten in die Pedale unterstützt wird, vor. Eine entsprechende Unterstützungsstufe wird dann beispielsweise über eine Betätigungseinheit 2 vorgegeben. Diese mit der Steuereinheit SE gekoppelte Betätigungseinheit 2 ist bei dem Elektrofahrrad 1 der Figur 1 an einem Lenker des Elektrofahrrads 1 vorgesehen und mit einem Display 20 ausgestattet.

Um bei Bedarf ein Übersetzungsverhältnis und damit ein Verhältnis von einer (Motor-) Drehzahl des Elektromotors M zu einer Drehzahl des anzutreibenden Hinterrades 12 anzupassen, weist das Elektrofahrrad 1 zusätzlich eine Schalteinrichtung 14 auf. Diese Schalteinrichtung 14 ist von der elektronischen Steuereinheit SE steuerbar, sodass dann beispielsweise mithilfe eines Umwerfers der Schalteinrichtung 14 an einer Nabe des Hinterrads 12 zwischen verschiedenen Kettenblättern für die Kette 13 gewechselt werden kann. Für einen von der elektronischen Steuereinheit SE ausgelösten Schaltvorgang zum Verändern eines Übersetzungsverhältnisses wird eine kurzzeitige Vorwärtsbewegung der Kette 13 verursacht, für die der Elektromotor M mit einer definierten Solldrehzahl betrieben wird. Hierbei muss ein Freilauf 15 im Bereich der Nabe des Hinterrads 12 offen sein, sodass eine von dem Elektromotor M erzeugte Antriebskraft nicht an das Hinterrad 12 übertragen wird. So soll ein automatisierter Schaltvorgang an dem sich fortbewegenden Elektrofahrrad 1 auch ausgeführt werden, wenn keine Pedalbewegung an der Tretlagerwelle T erfolgt. Dementsprechend darf durch den Schaltvorgang keine Beschleunigung des Elektrofahrrades 1 auftreten.

Die vorgeschlagene Lösung gestattet nun eine Plausibilisierung und damit Überwachung des Schaltvorgangs, ohne dass es hierfür zusätzliche Sensorik bedürfte. So ist die elektronische Steuereinheit SE zwar mit einem Geschwindigkeitssensor 21 für das Hinterrad 12 gekoppelt, um anhand einer mit dem Geschwindigkeitssensor 21 gemessenen Radgeschwindigkeit und dem aktuell eingestellten Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl des Elektromotors M und einer Drehzahl des Hinterrads 12 auf die Notwendigkeit für eine Veränderung des Übersetzungsverhältnisses und eine hierfür vorgesehene Solldrehzahl des Elektromotors M bei der Durchführung eines Schaltvorgangs zu schließen und einen solchen Schaltvorgang automatisch auszulösen. Der Schaltvorgang selbst wird jedoch ohne Hinzuziehung weiterer Sensorsignale, insbesondere ohne Hinzuziehung eines zusätzlichen Geschwindigkeitssensors, überwacht, indem während des Schaltvorgangs über die elektronische Steuereinheit SE lediglich die zeitliche Entwicklung eines Motorstroms I des Elektromotors M und die zeitliche Entwicklung seiner Drehzahl n überwacht werden.

Vorliegend ist hierfür über die elektronische Steuereinheit SE eine Regelung für die Durchführung des Schaltvorgangs implementiert, mit der während des Schaltvorgangs der Elektromotor M auf eine konstante Solldrehzahl nsoii geregelt wird. Ein unterlagerter Stromsollwert für den Motorstrom wird ferner auf einen vergleichsweise kleinen Wert als Stromwertmaximum l _ma x (z.B. im Bereich von 2A) begrenzt. Dieser Stromwert ist ausreichend, den Elektromotor M bei offenem Freilauf 15 hinreichend zu beschleunigen. Beim Beschleunigen des Elektromotors M kann folglich der Regler der elektronischen Steuereinheit SE in Begrenzung maximal das Stromwertmaximum l _ma x für den Motorstrom I anfordern (wobei beim Beschleunigen selbstverständlich auch ein Strom unterhalb des Stromwertmaximums angefordert werden kann). Ist während des Schaltvorgangs der Freilauf 15 geschlossen, läuft damit der Motorstrom I auf einen Stromwert unterhalb des Stromwertmaximums l _ma x hoch und der Elektromotor M erreicht die vorgegebene Solldrehzahl n _S oii-

Dies ist anhand des Diagramms der Figur 2 näher veranschaulicht. Hier ist der Motorstrom I über die Zeit t aufgetragen. Während des Schaltvorgangs steigt der Motorstrom I in einer ersten Beschleunigungsphase bis zu einem Zeitpunkt h bis aus das Stromwertmaximum l _ma x an. Dreht der Elektromotor M dann mit der Solldrehzahl nsoii fällt der Motorstrom I ab einem Zeitpunkt t2 wieder charakteristisch ab und bleibt deutlich unterhalb des Stromwertmaximums l _ma x. Der Schaltvorgang wird dann bis zu einem Zeitpunkt t ₃ abgeschlossen.

Während des Schaltvorgangs muss folglich der angeforderte Motorstrom I aus dem Regler der elektronischen Steuereinheit SE unter dem Stromwertmaximum l _ma x bleiben, wenn der Freilauf 15 offen ist und sich folglich in einem Entkopplungszustand befindet. Wird der Freilauf 15 demgegenüber geschlossen, steigt der angeforderte Motorstrom I in Richtung des Stromwertmaximums l _ma x wieder signifikant an, nachdem die Solldrehzahl nsoii erreicht wurde. So ist dann auch nach oder vor dem Zeitpunkt h bei Schließen des Freilaufs 15 ein kurzer Abfall der Drehzahl n erkennbar. Typischerweise tritt ein Abfall der Drehzahl n zuvor auf, da im Regelungsprozess gerade ein Abfall der Drehzahl b eine Erhöhung des angeforderten Stromes zur Folge hat. Schließt der Freilauf 15 bereits in der Beschleunigungsphase, d. h. vor dem Zeitpunkt ti , ist ein kurzes Überschwingen der Drehzahl n des Elektromotors M beobachtbar.

Anhand des zeitlichen Verlaufs des Motorstroms I des Elektromotors M, gegebenenfalls in Kombination mit dem zeitlichen Verlauf der Drehzahl n des Elektromotors M lässt sich somit unter Berücksichtigung der in der elektronische Steuereinheit SE implementierten Regelung darauf schließen, ob der Freilauf 15 offen oder geschlossen ist.

Da aber bei geschlossenem Freilauf 15 von den Elektromotor M eine Antriebskraft an das Hinterrad 12 eingeleitet wird, gleichwohl dies während des Schaltens ausgeschlossen werden soll, wird Schaltvorgang bei Detektion eines geschlossenen Freilaufs 15 elektronisch gesteuert abgebrochen. Ein Abbruchkriterium liegt hier folglich vor, wenn eine - über eine Messungenauigkeiten berücksichtigenden Toleranzschwelle liegende Abweichung - von einem hinterlegten Referenzwertverlauf für den Motorstrom und/oder die Motordrehzahl erfasst wird, die auf ein Schließen des Freilaufs 15 hinweist. In Reaktion auf ein solches Abbruchkriterium bricht die elektronische Steuereinheit SE den Schaltvorgang ab und reduziert die Drehzahl des Elektromotors M stark oder schalten den Elektromotor M sogar ab. Weiterhin kann über das Abbruchkriterium auf eine fehlerhafte eine Geschwindigkeitsmessung für das Elektrofahrrad 1 oder eine falsch angenommene Schaltübersetzung signalisiert werden, wodurch das Antriebsystem in der Folge in einen Fehlerzustand versetzt werden kann.

In der Figur 3 sind charakteristische Verläufe des Motorstroms I und der Drehzahl n des Elektromotors M bei einem Schaltvorgang veranschaulicht, die ebenfalls seitens der elektronischen Steuereinheit SE für eine Prüfung auf einen ordnungsgemäßen Ablauf des Schaltvorgangs herangezogen werden können. Hier erreicht die Drehzahl n die vorgesehene Motordrehzahl nsoii zu einem Zeitpunkt t2, ohne dass der Motorstrom I bis auf den Begrenzungswert respektive das Stromwertmaximum l _ma x ansteigt. Der Motorstrom I steigt vielmehr lediglich bis zu einem unterhalb des Stromwertmaximums ax liegenden Sollstromwert l _So ii an. Der angeforderte Motorstrom I verharrt dann auf diesem Wert, während die Drehzahl n bei der Solldrehzahl nsoii verbleibt. Ist der Schaltvorgang abgeschlossen, fällt der Motorstrom I ab, ebenso die Drehzahl n (vergleiche Zeitpunkte t ₃ und t4 der Figur 3). Anhand der erfassten Verläufe des Motorstroms I und der (Motor-) Drehzahl n Elektromotors M lässt sich somit indirekt auf einen geschlossenen Freilauf 15 schließen, was wiederum zu einem Abbruch des Schaltvorgangs führen muss.

Bei einem geschlossenen Freilauf 15 während der Beschleunigung des Elektromotors M oder nach Abschluss der Beschleunigungsphase ergibt sich eine charakteristische Abweichung von den in der Figur 3 dargestellten Verläufen. Dies schließt dann beispielsweise auch ein, dass die Drehzahl n nicht bis zur Solldrehzahl n _So ii erhöht werden kann oder die Solldrehzahl n _So ii innerhalb eines definierten Prüfzeitraums überhaupt nicht erreicht wird.

Bei einer beispielhaften Ausführungsvariante wird bei dem Elektrofahrrad 1 beispielsweise von der elektronische Steuereinheit SE bei stehenden Pedalen auf Basis einer aktuellen Schaltungsübersetzung und der über den Geschwindigkeitssensor 21 gemessenen Radgeschwindigkeit ein Schaltimpuls für die elektronisch steuerbare Schalteinrichtung 14 berechnet. Ein Schaltimpuls wird dann über eine definierte Schaltzeit, zum Beispiel 0,5 bis 1 ,5 Sekunden, mit der berechneten und damit vorgegebenen Solldrehzahl nsoii bei einem vorgegebenen Stromwertmaximum l _ma x (zum Beispiel 1A bis 3A) über einen in der elektronischen Steuereinheit SE implementierten Drehzahlregler realisiert. Die Drehzahl des Elektromotors M soll dabei über die Schaltzeit konstant vorgegeben werden. Die Drehzahl des Elektromotors M kann hierbei beispielsweise so ausgelegt sein, dass sich an einem Hinterradritzel basierend auf der Drehzahl des Elektromotors M eine Drehzahl ergibt, die 50 % der Hinterraddrehzahl entspricht. Damit wäre der Freilauf sicher entkoppelt. Während der Schaltzeit und bei stehenden Pedalen ist ein aktives Antreiben des Hinterrades 12 durch den Elektromotor M nicht erlaubt. Mit dem vorgeschlagenen Antriebssystem ist es nun möglich zu detektieren, dass der Freilauf 14 am Hinterrad 12 während des Schaltvorgangs offen ist und bleibt und mithin während des Schaltvorgangs durch den betätigten Elektromotor M kein Antreiben des Hinterrads 12 erfolgt.

Wie vorstehend erläutert kann hierbei in einem ersten Schritt während der Beschleunigungsphase der Anstieg der Drehzahl n bis auf die Solldrehzahl nsoii mit einer über das Stromwertmaximum l _ma x vorgegebenen Mindestbeschleunigung überwacht werden. Wird eine zulässige Beschleunigung unterschritten, wird auf einen geschlossenen Freilauf 15 geschlossen und der Schaltvorgang wird abgebrochen. Wird also die Solldrehzahl nsoii nicht innerhalb eines definierten Prüfzeitraums erreicht, wird angenommen, dass der Freilauf 15 geschlossen ist und mithin der Schaltvorgang abgebrochen werden muss.

Ist demgegenüber der Drehzahlregler optimal eingestellt, stellt sich ein Motorstrom I unterhalb des erlaubten Stromwertmaximums l _ma x ein, der dann ab Erreichen der Solldrehzahl n _So ii (nahezu) konstant bleibt oder kleiner wird. Erhöht sich der Motorstrom I nach Erreichen der Solldrehzahl n _So ii weiter, insbesondere während sich die Drehzahl n verringert oder konstant bleibt, ist der Freilauf 15 geschlossen worden und der Schaltvorgang ist abzubrechen.

Analog wird auf einen geschlossenen Freilauf 15 geschlossen, wenn der Motorstrom I nach Erreichen der Solldrehzahl nsoii in der Schaltphase (nach dem Zeitpunkt h bis zum Zeitpunkt t ₃ ) wieder in Richtung des Stromwertmaximums l _ma x ansteigt.

Die einzelnen vorstehend genannten Schritte eines entsprechenden Betriebsverfahrens für das Antriebssystem veranschaulicht auch das Ablaufdiagramm der Figur 4. So wird zunächst der Schaltvorgang mithin automatisch gestartet und damit elektronisch gesteuert ausgelöst (Schritt 401). In Reaktion hierauf erfolgt über die Regelung der elektronischen Steuereinheit SE eine Erhöhung der Motordrehzahl n in Richtung eines für den Schaltvorgang berechneten Solldrehzahlwerts nsoii (Schritt 402). Um hierbei den Zustand des Freilaufs 15 zu überwachen und auszuschließen, dass über die Betätigung des Elektromotors M eine Antriebskraft auf das Hinterrad 12 übertragen wird, werden die Drehzahl- und Motorstromverläufe für den Elektromotor M überwacht (Schritt 403). Anhand hinterlegter Referenzverläufe wird dabei das Vorliegen eines Abbruchkriteriums geprüft, das auf einen geschlossenen Freilauf 15 hinweist (Schritt 404). Wird während des Schaltvorgangs das Vorliegen des Abbruchkriteriums nicht detektiert und bleibt folglich der Freilauf 15 offen, wird der Schaltvorgang ordnungsgemäß abgeschlossen (Schritt 405). Wird demgegenüber das Vorliegen des Abbruchkriteriums detektiert, wird elektronisch gesteuert der Schaltvorgang abgebrochen (Schritt 406). Ein entsprechender Abbruch führt dann zu einer signifikanten Absenkung der Drehzahl des Elektromotors M bis auf einen Abbruchwert oder zu einem Abschalten des Elektromotors M (Schritt 407).

Mit der vorgeschlagenen Lösung wird eine Möglichkeit zur Verfügung gestellt, unabhängig von einem Geschwindigkeitssensor festzustellen, dass ein Freilauf 15 nicht geschlossen ist und damit gegebenenfalls ein Schaltvorgang abgebrochen werden muss, was die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Antriebssystems insbesondere bei der Vornahme eines Schaltvorgangs unterstützt, ohne hierfür zusätzliche Kosten für eine erweiterte Sensorik in Kauf nehmen zu müssen.

Bezugszeichenliste

1 Elektrofahrrad

10 Rahmen

11 Vorderrad

12 Hinterrad

13 Kraftübertragungsglied

14 Schalteinrichtung

15 Freilauf

2 Betätigungseinheit

20 Display

21 Geschwindigkeitssensor

A Antriebsstrang

M Elektromotor

SE Elektronische Steuereinheit

T Tretlager- / Antriebswelle