Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Fahrrads, bei welchem ein Antriebsmotor und eine elektrische Schaltung aus einer gemeinsamen Energiequelle versorgt werden. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Notgangstrategie für ein derartiges elektrisches Fahrrad.

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Schaltungen, wie bspw. Kettenschaltungen, bekannt, die sowohl mechanisch als auch elektrisch aktuiert werden können. Ferner sind Fahrräder mit Elektromotorunterstützung, im Folgenden auch als elektrische Fahrräder bezeichnet, wie bspw. Pedelecs oder E-Bikes, mit verschiedenen Arten von Schaltungen bekannt.

Bei derartigen elektrischen Fahrrädern können Probleme auftreten, wenn sowohl die elektrische Schaltung als auch der Elektromotor zur Unterstützung des Vortriebs aus demselben Energiespeicher bzw. derselben Batterie versorgt werden. Insbesondere in einer derartigen Situation ist mit Einschränkungen der elektrischen Schaltung und auch der Motorunterstützung zu rechnen, wenn der Ladezustand der Batterie einen bestimmten Wert unterscheidet.

Darstellung der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Fahrrad sowie ein Steuerverfahren für selbiges bereitzustellen, welches ein verbessertes Verhalten bei einem geringen Ladezustand der Batterie aufweist.

Ein Verfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Fahrrads, wobei das elektrische Fahrrad eine Batterie und eine elektrische Schaltung aufweist und wobei die Batterie eingerichtet ist, sowohl den Antriebsmotor als auch die elektrische Schaltung mit Energie zu versorgen. Unter einem elektrischen Fahrrad ist hierbei ein Fahrrad mit einer Pedaleinrichtung zu verstehen, welches zumindest zeitweise mit Muskelkraft betrieben wird, jedoch auch über einen Antriebsmotor verfügt. Der Antriebsmotor ist zur Unterstützung des Vortriebs des elektrischen Fahrrads ausgebildet und kann auch als Antriebsvorrichtung bzw. elektrische Maschine bezeichnet werden. Diese elektrische Maschine dient hierbei der Unterstützung eines Betriebs der durch Muskelkraft betriebenen Pedaleinrichtung. Unter einer Batterie ist hierbei eine Energiespeichereinrichtung zu verstehen, welche elektrische Ladung speichern kann und welche bevorzugt wiederaufladbar über eine externe Stromquelle ausgebildet ist. Hierbei umfasst der Begriff Batterie auch Akkumulatoren.

Unter einer elektrischen Schaltung ist hierbei eine Schaltung zu verstehen, bei welcher die Aktuierung der Schaltung durch elektrische Impulse erfolgt und beispielsweise mittels diesen elektrischen Impulsen ein Schaltwerk oder Umwerfer betätigt werden. Die Aktuierung kann hierbei automatisch, d.h. basierend auf einer Gangautomatik, oder basierend auf einer Benutzeranforderung erfolgen.

Als erster Schritt des Verfahrens erfolgt die Bestimmung eines Ladezustands der Batterie. Ein derartiger Ladezustand, im Englischen auch als state of charge bezeichnet, kennzeichnet die noch verfügbare Kapazität der Batterie im Verhältnis zum Nominalwert. Dem Fachmann sind diverse Methoden zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie bzw. eines Energiespeichers bekannt. Unter der Bestimmung eines Ladezustands soll hier auch die Bestimmung eines Entladezustands verstanden werden.

Im nachfolgenden Schritt soll ein Betriebszustand von einem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand gewechselt werden, wenn der Ladezustand einen ersten Schwellwert unterschreitet. Ein derartiger Betriebszustand kann beispielsweise ein Betriebszustand der Steuerung des elektrischen Fahrrads, d. h. ein interner Betriebszustand der Steuereinrichtung des elektrischen Fahrrads sein. Als Schwellwert kann hierbei ein beliebiger Wert zwischen einer vollständigen Ladung und einer vollständigen Entladung der Batterie definiert werden.

In dem ersten Betriebszustand soll hierbei der Antriebsmotor und die elektrische Schaltung in einem Normalzustand betrieben werden. Als Normalzustand ist hierbei beispielsweise der Betrieb ohne Einschränkung der jeweiligen Leistungsfähigkeit oder Funktionalität zu verstehen. Auch ein vordefiniertes Verhalten der Komponenten kann hierbei als Normalzustand vorgesehen sein.

In dem zweiten Betriebszustand soll entweder die Leistungsaufnahme des Antriebsmotors begrenzt oder die elektrische Schaltung in einen eingeschränkten Betriebsmodus versetzt werden.

Zur Reduzierung der Leistungsaufnahme kann hierbei beispielsweise die maximale Leistungsaufnahme des Antriebsmotors auf einen vordefinierten Wert begrenzt werden. Das heißt, die Unterstützung und damit beispielsweise das Drehmoment des Elektromotors, welches auf die Pedaleinheit oder ein Rad des Fahrrads aufgebracht wird, wird begrenzt. Auch kann das Ausgangsdrehmoment des Antriebsmotors begrenzt werden, da die Leistungsaufnahme in Relation zum Antriebsdrehmoment steht. Ferner kann eine Begrenzung auf null derart erfolgen, dass eine Abschaltung des Elektromotors erfolgt.

Bei dem Betrieb einer elektrischen Schaltung in einem eingeschränkten Betriebsmodus können wiederum beispielsweise Funktionalitäten und Eigenschaften der elektrischen Schaltung derart begrenzt werden, dass eine Aktuierung abweichend von der Aktuie- rung im Normalzustand erfolgt. Als Beispiel seien hierbei die Änderung des Schaltverhaltens, Unterdrückung der Aktuierung, das Schalten in einen vorbestimmten Notgang oder ähnliches genannt.

Entsprechend kann durch die Umschaltung in den zweiten Betriebszustand sichergestellt werden, dass die Einflüsse eines geringeren Ladezustands der Batterie auf die Funktionalität insbesondere der elektrischen Schaltung reduziert wird, da einerseits durch die Reduzierung der Leistungsaufnahme des Antriebsmotors oder eine Herabsetzung auf null, die Funktionalität der elektrischen Schaltung sichergestellt wird. Andererseits kann die Funktionalität der elektrischen Schaltung durch eine Änderung des Schaltverhaltens der Schaltung sichergestellt werden.

In einer Ausführungsform kann hierbei im zweiten Betriebszustand die Beschränkung der Leistungsaufnahme durch ein Derating des Antriebsmotors vorgenommen werden. Entsprechend wird die Motorleistung herabgesetzt, was wiederum die Leistungsaufnahme des Motors reduziert. Somit kann die Funktionalität, insbesondere der elektrischen Schaltung länger sichergestellt werden.

In einer weiteren Ausführungsform kann in dem zweiten Betriebszustand eine Beschränkung der Leistungsaufnahme durch eine Abschaltung des Antriebsmotors vorgenommen werden. Da somit die Leistungsaufnahme des Motors auf null herabgesetzt wird, ist sichergestellt, dass die elektrische Schaltung über einen deutlich verlängerten Zeitraum betriebsbereit gehalten wird.

In einer weiteren Ausführungsform kann in dem zweiten Betriebszustand die elektrische Schaltung derart in einen eingeschränkten Betriebsmodus versetzt werden, das mittels der Schaltung in einen vordefinierten Notgang geschalten wird und bevorzugt weitere Schaltvorgänge unterdrückt werden. Ein vordefinierter Notgang kann hierbei beispielsweise durch einen Benutzer mittels einer Applikation vordefiniert werden. Wird der Schwellwert erreicht, so schaltet die Schaltung somit in diesen vordefinierten Notgang. Dies erlaubt es, die Schaltung in einen Gang zu schalten, bei welchem ein Fortkommen durch reine Muskelkraft auch möglich ist, wenn die elektrische Unterstützung durch den Antriebsmotor ausgefallen ist. Werden sodann weitere Schaltvorgänge unterdrückt, kann der Benutzer nicht mehr aus diesem Notgang heraus wechseln und das Vorankommen im Notgang ist somit sichergestellt.

In einer weiteren Ausführungsform kann in dem zweiten Betriebszustand die elektrische Schaltung in einen derart eingeschränkten Betriebsmodus versetzt werden, dass manuelle Gangwechsel durch den Benutzer unterbunden werden und Schaltvorgänge in Abhängigkeit einer Gangautomatik gesteuert werden. Entsprechend können Gangwechselanfragen, welche beispielsweise über eine Eingabeeinrichtung vom Benutzer empfangen werden, unterdrückt werden. Durch eine Wahl der Gänge mittels einer Gangautomatik, kann sodann eine für den noch möglichen Grad der Unterstützung und die noch mögliche Anzahl der Gangwechsel geeignetes Ansteuerverhalten ausgebildet werden. Beispielsweise kann ein Gangwechsel nur deutlich seltener als in einem sonst üblichen Automatikmodus erfolgen, um die Leistungsaufnahme durch die elektrische Schaltung zu reduzieren. Ferner kann beispielsweise eine Gangwahl nur derart erfolgen, dass auch im Falle eines Unterschreitens des für einen Gangwechsel notwendigen Ladezustands der Batterie in dem derzeit gewählten Gang ein Fortkommen nur noch mit Muskelkraft ermöglicht wird.

In einer weiteren Ausführungsform wird ferner ein dritter Betriebszustand ausgebildet, in welchen gewechselt wird, wenn der Ladezustand einen zweiten Schwellwert unterschreitet. Dieser zweite Schwellwert kann beispielsweise niedriger sein als der erste Schwellwert.

Auch in dem dritten Betriebszustand können die bereits oben genannten möglichen Steuerungen der elektrischen Schaltung oder der Leistungsaufnahme des Antriebsmotors ausgebildet sein. Entsprechend ist es auch möglich, mehrstufig geeignete Maßnahmen zu ergreifen, wenn nacheinander bestimmte Ladezustände unterschritten werden.

Beispielsweise kann zunächst in einer ersten Stufe, und damit im zweiten Betreibsmo- dus, die Leistungsaufnahme des Elektromotors mittels eines Deratings reduziert werden. In einer weiteren Stufe, und damit im dritten Betriebszustand, könnte sodann in einen vordefinierten Notgang geschalten werden, um ein Fortkommen zu sichern.

Demzufolge erlaubt es die Hinzufügung eines weiteren Betriebszustands mit einer weiteren Schwelle eine geeignete Abfolge von Maßnahmen zu ergreifen, um die Funktionalität des Elektromotors und/oder der elektrischen Schaltung möglichst lange in geeigneter Weise sicherzustellen, auch wenn der Ladezustand der Batterie abnimmt.

Entsprechend ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, einen weiteren vierten Betriebszustand mit einer dritten Schwelle vorzusehen. Auch dieser kann entsprechend den obigen Ausführungen ausgebildet werden.

So erlaubt es die Hinzufügung eines vierten Betriebszustands die Steuerung in Abhängigkeit des Ladezustands noch genauer auszubilden.

So kann beispielsweise zunächst ein Derating des Elektromotors im zweiten Betriebszustand erfolgen, sodann kann in einem dritten Betriebszustand nur ein automatisches Schalten erlaubt werden, wie oben ausgeführt, und anschließend kann im vierten Betriebszustand in einen Notgang geschaltet, wie oben bereits ausgeführt. Dies erlaubt somit eine weiter verbesserte Anpassung der Leistung des Elektromotors und der elektrischen Schaltung in Abhängigkeit des Ladezustands.

Die oben genannten Verfahrensschritte sind nicht auf die dargestellte Reihenfolge beschränkt zu verstehen, sondern können auch, falls technisch möglich, in anderer Reihenfolge ausgeführt werden.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein elektrisches Fahrrad mit einer Batterie, einem Antriebsmotor und einer elektrischen Schaltung, wobei die Batterie eingerichtet ist, sowohl den Antriebsmotor als auch die elektrische Schaltung mit Energie zu versorgen, und wobei das elektrische Fahrrad ferner eine Steuereinrichtung umfasst, die zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der oben genannten Ausführungsformen ausgebildet ist.

Bezüglich der Definition der Begriffe wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.

Eine Steuereinrichtung kann hierbei beispielsweise ein Mikroprozessor sein, welcher extern oder in einem der anderen hier aufgeführten Komponenten ausgebildet ist. Auch kann die Steuereinrichtung als Softwarekomponente in einer bereits vorhandenen Software ausgebildet sein, welche auf einem bereits vorhandenen Mikroprozessor oder Berechnungseinheit ausgeführt wird. Auch eine Verteilung der Funktionalitäten der Steuereinrichtung auf mehrere Mikroprozessoren kann hierbei vorgesehen sein.

Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt ein Diagramm mit einer Darstellung des Wechsels des Betriebszustände nach einer Ausführungsform.

Figur 2 zeigt einen Ablauf des Verfahrens nach einer Ausführungsform.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung nach einer Ausführungsform. Detaillierte Beschreibung der Ausführunqsformen

Figur 1 zeigt die Wechsel der Betriebszustände in Abhängigkeit des Ladezustands einer Batterie. Dieser soll nachfolgend mit Bezugnahme auf das in Figur 2 gezeigte Verfahren sowie die in Figure 3 gezeigte schematische Darstellung der Vorrichtung beschrieben werden.

Wie zu erkennen, ist ein möglicher Verlauf eines Ladezustands über die Zeit in Figure 1 aufgetragen. Zunächst bestimmt die Steuereinrichtung 302 des Fahrrads 301 in Figur 3 den Ladezustand der Batterie 304, Schritt S1 in Figur 2. Wird hierbei festgestellt, dass der Ladezustand der Batterie einen ersten Schwellwert unterschreitet, wie dies zum Zeitpunkt P1 in Figur 1 der Fall ist, wird von einem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand gewechselt, Schritt S2 in Figur 2.

In diesem wird im vorliegenden Beispiel zunächst ein Derating des Antriebsmotors 303 in Figur 3 vorgenommen, das heißt die Leistungsaufnahme des Antriebsmotors 303 wird begrenzt, um die Funktionalität des Antriebsmotors 303 und der elektrischen Schaltung 305 möglichst lang zu erhalten.

Wird sodann im weiteren Verlauf zum Zeitpunkt P2 festgestellt, dass der Ladezustand der Batterie 304 den zweiten Schwellwert unterschreitet, so wird zum Zeitpunkt P2 in Figur 1 in den dritten Betriebszustand gewechselt, Schritt S3 in Figur 2. In diesem wird im vorliegenden Beispiel die Leistungsaufnahme des Antriebsmotors 303 dadurch auf null reduziert, dass der Antriebsmotors 303 abgeschaltet wird. Somit ist ein Schalten mit der elektrischen Schaltung 305 noch deutlich länger möglich, da keinerlei elektrische Leistungsaufnahme durch den Antriebsmotors 303 erfolgt.

Wird dennoch zum Zeitpunkt P3 in Figur 1 festgestellt, dass auch der dritte Schwellwert unterschritten wird, so wechselt die Steuerung in den Betriebszustand 4, Schritt S4 in Figur 2. In diesem wird im vorliegenden Beispiel durch eine Ansteuerung der elektrischen Schaltung 305 in einen Notgang geschaltet, welcher beispielsweise vorab mittels einer Applikation durch den Benutzer festgelegt werden kann. Dieser Notgang ermöglicht es dem Fahrer mit seinem Fahrrad auch ohne einen Gangwechsel die restliche noch notwendige Strecke zurückzulegen. Bezuqszeichen

P1 Zeitpunkt des Wechsels von Betriebszustand 1 zu Betriebszustand 2

P2 Zeitpunkt des Wechsels von Betriebszustand 2 zu Betriebszustand 3

P3 Zeitpunkt des Wechsels von Betriebszustand 3 zu Betriebszustand 4

S1 Bestimmen des Ladezustands

S2 Wechsel in Betriebszustand 2

S3 Wechsel in Betriebszustand 3

S4 Wechsel in Betriebszustand 4

301 Fahrrad

302 Steuereinrichtung

303 Antriebsmotor

304 Batterie

305 elektrische Schaltung