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