DE102013226143B3

DE102013226143B3 - Verfahren zur Erfassung eines Belastungseinbruchs eines elektrischen Hilfsantriebs, Steuerverfahren für einen elektrischen Hilfsantrieb eines Fahrrads und Hilfsantriebssteuerung für einen elektrischen Hilfsantrieb

Info

Publication number: DE102013226143B3
Application number: DE201310226143
Authority: DE
Inventors: Armin Hollstein; Friedrich Graf
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Porsche eBike Performance GmbH
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2033-12-18

Abstract

Verfahren zur Erfassung eines Belastungseinbruchs eines elektrischen Hilfsantriebs (50) eines Fahrrads (10), umfassend: Erfassen des Belastungseinbruchs anhand eines Drehzahlanstiegs des Hilfsantriebs (50).

Description

Es ist bekannt, Fahrräder mit einem elektrischen Hilfsantrieb auszustatten, um so den Fahrer zu unterstützen. Derartige Fahrräder werden etwa Pedelecs oder E-Bikes genannt. Da hierbei zwei verschiedene Antriebsarten kombiniert werden, nämlich der übliche Pedalantrieb eines Fahrrads und ein Hilfsmotorantrieb, ergibt sich an zahlreichen Verknüpfungsstellen das Problem, dass sich die beiden Antriebsarten gegenseitig beeinflussen und stören können. Insbesondere ist es erforderlich, den elektrischen Motor des Hilfsantriebs zu schützen, etwa wenn dieser in fehlerhafterweise mechanisch mit dem verbleibenden Antriebsstrang des Fahrrads verbunden ist, etwa aufgrund von Fehlern oder aufgrund von Eingriffen im Antriebsstrang des Fahrrads. Zum Schutz des Elektromotors besteht daher die Notwendigkeit, Zustandsänderungen im restlichen Antriebsstrang zu erfassen, um dadurch den Elektromotor und zugehörige Bauteile schützen zu können.
Hierzu schlägt die Druckschrift WO 2012/025 314 A1 vor, zur Erfassung eines Gangwechsels im Antriebsstrang eines Fahrrads das Signal einer Steuerung heranzuziehen, die ein elektromechanisches Schaltgetriebe ansteuert, wobei alternativ ein Sensor zur Erfassung eines eingestellten Gangs vorgeschlagen wird. Da beide Varianten einen relativen hohen Aufwand mit sich bringen, nämlich die Notwendigkeit, eine elektronische Schaltgetriebesteuerung mit einem Schaltgetriebeaktor oder einen Gangerfassungssensor in dem Antriebsstrang zu verwenden, ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, mit der sich ein Hilfsantrieb mit geringerem Aufwand in einen Antriebsstrang integrieren lässt, während der Hilfsantrieb vor zumindest einigen gefährdenden Zustandsänderungen im Antriebsstrang geschützt ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen 1 und 7 sowie durch die Hilfsantriebssteuerung gemäß Anspruch 9. Weitere Ausgestaltungen lassen sich mit den Merkmalen der Unteransprüche realisieren.
Es wird vorgeschlagen, einen Belastungseinbruch eines elektrischen Hilfsantriebs, der zu kritischen Betriebszuständen des Elektromotors führen kann, anhand eines Drehzahlanstiegs des Hilfsantriebs zu erfassen. Dadurch kann ein Belastungseinbruch ermittelt werden. Es können daraufhin geeignete Maßnahmen getroffen werden, um die elektrische Maschine bzw. den Antriebsstrang des Fahrrads zu schützen. Es wurde erkannt, dass sich Zustandsänderungen wie ein Gangwechsel oder eine Störung im Übertragungsstrang (beispielsweise eine reißende oder abfallende Kette) erfasst werden kann anhand der direkten oder indirekten Betrachtung der Drehzahl des Hilfsantriebs, wobei eine derartige Drehzahl auf einfache Weise direkt oder indirekt ermittelt werden kann, ohne dass zusätzliche Sensoren erforderlich wären. Insbesondere ist es nicht erforderlich, dass ein Gangwechselsteuersignal vorliegt, so dass auch nicht notwendig ist, eine elektrische schaltgetriebene Steuerung zu verwenden. Insbesondere ist es nicht notwendig, zusätzliche Sensoren zu verwenden. Stattdessen werden Größen bzw. Sensoren verwendet, die ohnehin zum Betrieb des Hilfsantriebs notwendig sind und bereits für andere Funktionen verwendet werden. Es werden somit erfindungsgemäß lediglich Größen bzw. Signale ausgewertet, die nicht einer zusätzlichen Einrichtung bedürfen, sondern die durch einfaches Abgreifen eines Signals oder Aufrufen eines hinterlegten Werts (einer Speicherzelle eines Arbeitsspeichers) erhältlich sind.
Es wird daher ein Verfahren zur Erfassung eines Belastungseinbruchs eines elektrischen Hilfsantriebs eines Fahrrads beschrieben, bei dem der Belastungseinbruch anhand eines Drehzahlanstiegs des Hilfsantriebs erfasst wird. Als Belastungseinbruch werden hierbei mechanische Belastungsverläufe des Hilfsantriebs bezeichnet, die eine Verringerungsrate haben, welche vom Betrag her über einen vorbestimmten Grenzwert liegt. Typischerweise fällt die Belastung von einem üblichen, geregelten und angeforderten Wert auf einen Wert von nahezu Null oder auf null, etwa wenn die Kette des Fahrrads reißt, die Kette abspringt, oder wenn das Schaltgetriebe schaltet. Der Belastungseinbruch kann temporär sein oder kann dauerhaft sein, abhängig von der Art der Zustandsänderung (Fehler in Kraftübertragung durch Kette tritt auf oder Gangwechsel) im Antriebsstrang.
Der Hilfsantrieb wird über seine Abtriebswelle belastet, wobei üblicherweise mechanische Leistung vom Hilfsantrieb an den verbleibenden Leistungsstrang übertragen wird und diese Leistung die hier beschriebene Belastung darstellt. Umfasst der Hilfsantrieb einen elektrischen Motor, dessen Drehzahl nicht explizit geregelt wird wie etwa bei einem Synchronmotor, sondern bei dem die Drehzahl über ein motorspezifisches Kennfeld mit elektrischen Ansteuerungsgrößen wie Strom, Leistung und/oder Spannung verknüpft ist, kann bei einem Belastungseinbruch die Drehzahl entsprechend der Verknüpfung über das Kennfeld signifikant und sprunghaft ansteigen. Daher betrifft der hier beschrieben Hilfsantrieb insbesondere Motoren mit einem Kennfeld, bei dem die Drehzahl bei gleicher elektrischer Ansteuerung (gleicher Strom, gleiche Spannung und/oder gleiche Leistung) bei sinkender Belastung, d. h. mechanische Belastung etwa durch mechanische Leistung oder Drehmoment bzw. Drehmoment mal Drehzahl angegeben) steigt. Insbesondere Gleichstrommotoren weisen ein derartiges Kennfeld auf, beispielsweise permanenterregte Gleichstrommotoren, selbsterregte Gleichstrommotoren oder auch fremderregte Gleichstrommotoren. Es ist vorgesehen, dass der Hilfsantrieb mit einem elektrischen Motor ausgestattet ist, der ein derartiges Kennfeld aufweist bzw. der einem derartigen Motortyp entspricht.
Der Belastungseinbruch wird erfasst, indem ein Drehzahlanstieg direkt oder indirekt erfasst wird. Hierbei muss nicht notwendigerweise die Drehzahl selbst als Größe gemessen werden, sondern vielmehr wird eine Größe erfasst, die mit der Drehzahl verknüpft ist. Insbesondere wird eine Größe erfasst, die mit der Drehzahl und der Belastung (das heißt mit der vom Hilfsantrieb gelieferte mechanische Leistung) verknüpft ist, wobei dies insbesondere die Gegen-EMK (EMK: elektromotorische Kraft) ist. Zudem kann die Drehzahl selbst erfasst werden, indem ein Signal verwendet wird, welches die Drehzahl kennzeichnet.
Das Verfahren zur Erfassung des Belastungseinbruchs kann ferner vorsehen, dass nach dem Erfassen eines Belastungseinbruchs ein Signal vorgesehen beziehungsweise abgegeben oder übermittelt wird, welches einen Belastungseinbruch kennzeichnet, entweder ein binäres Signal oder ein wertdiskretes oder analoges Signal, welches das Ereignis kennzeichnet, dass ein Belastungseinbruch stattfindet, das den Belastungseinbruch selbst kennzeichnet, und insbesondere die Stärke des Belastungseinbruchs, und/oder dass die Dauer des Belastungseinbruchs kennzeichnet, beispielsweise in Form einer Zeitdauer oder in Form einer Information, die wiedergibt, ob der Belastungseinbruch nur temporär war oder dauerhaft ist.
Dieses Signal, welches den Belastungseinbruch wiedergibt, kann abgegeben werden im Sinne einer Anzeige oder einer anderen Übermittlung an einen Fahrer des Fahrrads, etwa über eine optische Schnittstelle, eine graphische Schnittstelle, eine akustische Schnittstelle und/oder eine haptische Schnittstelle sein kann. Zudem ist es möglich, dass das Signal, welches dem Belastungseinbruch kennzeichnet, angezeigt wird und/oder bei der Steuerung des Hilfsantriebs berücksichtigt wird. Insbesondere kann bei Auftreten eines Belastungseinbruchs die Leistung des Hilfsantriebs verringert werden, insbesondere auf null.
Der durch den Belastungseinbruch hervorgerufene Drehzahlanstieg kann erfasst werden durch Ermitteln einer Gegen-EMK. Diese Gegen-EMK kann ermittelt werden durch Ermitteln einer Spannung des Hilfsantriebs, die die Gegen-EMK wiedergibt, oder die eine Spannungskomponente aufweist, welche der Gegen-EMK entspricht. Im letztgenannten Fall ergibt sich die Gegen-EMK durch Entfernen anderer Komponenten als die Gegen-EMK aus dem Spannungssignal, insbesondere durch Subtraktion. Andere Komponenten sind insbesondere die Spannung, die an Innenwiderstand des Motors abfällt.
Die Gegen-EMK wird als eine erste Größe mit einem vorgegebenen Grenzwert, welche eine zweite Größe darstellt, verglichen. Hierbei kann die Gegen-EMK selbst oder eine zeitliche Ableitung, insbesondere die erste zeitliche Ableitung mit einem entsprechenden, vorgegebenen Grenzwert verglichen werden. Der Grenzwert kann eine Konstante sein oder kann von einer Betriebsgröße des Hilfsantriebs oder allgemein des Fahrradantriebs abhängen. Der Belastungseinbruch wird festgestellt, wenn als Ergebnis des Vergleichs ermittelt wird, dass die erste Größe über der zweiten Größe liegt bzw. dass die Gegen-EMK über den Grenzwert hinaus geht. Wenn der Belastungseinbruch festgestellt wird, kann ein entsprechendes Signal abgegeben werden, welches den Belastungseinbruch wie vorangehend beschrieben kennzeichnet.
Es bestehen mehrere Möglichkeiten zur Ermittlung der Gegen-EMK. Hierbei kann die Gegen-EMK ermittelt werden durch Erfassen einer Klemmenspannung des Hilfsantriebs. Insbesondere kann hierbei eine angelegte Ansteuerspannung als Klemmenspannung verwendet werden, wobei ferner auch ein Stromfluss zum Hilfsantrieb ermittelt wird. Anhand des Innenwiderstands des Hilfsantriebs und anhand des Stromflusses kann erfasst werden, wie stark die Gegen-EMK die angelegte Spannung aufhebt. Das Maß, in der die Gegen-EMK die angelegte Spannung kompensiert, ist ein Maß für die Stärke des Belastungseinbruchs. Der Innenwiderstand kann hierbei vorgegeben sein, insbesondere als eine Kenngröße des Hilfsantriebs.
Alternativ oder in Kombination hierzu kann die Gegen-EMK ermittelt bzw. erfasst werden durch Abgreifen aus einer Regelung oder Steuerung des Hilfsantriebs. Da üblicherweise Regelungen oder Steuerungen eines elektrischen Hilfsantriebs die Gegen-EMK im Rahmen der Regelung oder Steuerung verwenden, kann diese Größe auf sehr einfache Weise erfasst werden durch Bereitstellen eines Gegen-EMK-Werts (der die Gegen-EMK wiedergibt) aus der Regelung oder Steuerung des Hilfsantriebs heraus. Vorzugsweise wird in dieser Regelung oder Steuerung, aus der der Gegen-EMK-Wert entnommen wird, als Regelungs- oder Steuerungsgröße (oder auch als Eingangsgröße) verwendet. Hierbei kann eine entsprechende Stelle der Regelung oder Steuerung, an der der Gegen-EMK-Wert auftritt, angezapft werden, wobei bei digital umgesetzten Regelungen oder Steuerungen ein (Arbeits-)Speicher vorliegt, in dem dieser Wert abgelegt ist. Insbesondere wird aus einem Regelungs- oder Steuerungssignal innerhalb der Regelung oder Steuerung ein Signal abgezweigt, das die Gegen-EMK wiedergibt. Der Gegen-EMK-Wert kann im Rahmen des hier beschriebenen Verfahrens durch einfaches Auslesen des betreffenden Werts aus dem Speicher oder durch erfassen des abgezweigten Signals ermittelt werden.
Der Drehzahlanstieg, der insbesondere von dem Belastungseinbruch hervorgerufen wird, kann erfasst werden durch Ermitteln der Drehzahl des Hilfsantriebs zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Ferner wird die Differenz der zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfassten Drehzahl ermittelt und als erste Größe mit einem vorgegebenen Grenzwert, der eine zweite Größe bildet, verglichen. Hierbei kann die Differenz auf die Zeitdifferenz zwischen den betreffenden Zeitpunkten bezogen werden. Insbesondere wird die Differenz normiert auf bzw. dividiert durch die Zeitdifferenz zwischen den unterschiedlichen Zeitpunkten. Der Belastungseinbruch wird festgestellt, wenn als Ergebnis des Vergleichs ermittelt wird, dass die erste Größe über der zweiten Größe liegt. Alternativ oder in Kombination hierzu kann durch das Ermitteln der Drehzahl zu unterschiedlichen Zeitpunkten der zeitliche Verlauf der Zeitpunkte ermittelt werden. Aus dem zeitlichen Verlauf wird eine positive Steigung der Drehzahl über die Zeit, das heißt ein Ansteigen der Drehzahl ermittelt. Übersteigt die Stärke dieses Anstiegs bzw. die (positive) Steigung einen vorgegebenen Grenzwert, so wird der Belastungseinbruch festgestellt. Mit anderen Worten kann eine erste zeitliche Ableitung aus dem Drehzahlverlauf ermittelt werden, die als Maß gegenüber einem entsprechenden vorgegebenen Grenzwert für einen Drehzahlanstieg verwendet wird. Hierbei kann die erste zeitliche Ableitung mit einem entsprechenden vorgegebenen Grenzwert verglichen werden, wobei bei Überschreiten des Grenzwerts der Belastungseinbruch festgestellt wird.
Die Drehzahl des Hilfsantriebs wird ermittelt anhand eines Winkel- oder Drehzahlgebers einer Welle des Hilfsantriebs, insbesondere der Läuferwelle. Der Winkel- oder Drehzahlgeber kann auch an einer Welle vorgesehen sein, die bewegungsübertragend mit der Läuferwelle des Hilfsantriebs verbunden ist, und die somit die Drehzahl wiedergibt. Die Drehzahl ergibt sich aus einem Signal des Winkelgebers durch zeitliche Ableitung.
Alternativ wird die Drehzahl des Hilfsantriebs ermittelt durch Erfassen einer Frequenz, mit der lokale Optima d. h. Maxima oder Minima, mit der Nulldurchgänge oder mit der andere einen Poldurchlauf charakterisierenden Signalkomponenten einer Klemmenspannung des Hilfsantriebs erfasst werden. Da Poldurchgänge oder andere Unstetigkeiten im Verlauf der Klemmenspannung die Bewegung des Läufers im Stator wiedergeben, kann anhand der Auftrittsfrequenz erfasst werden, wie hoch die Drehzahl des Hilfsantriebs ist.
Alternativ oder in Kombination hierzu kann ein Drehzahlwert bereitgestellt werden, der bereits in einer Regelung oder Steuerung des Hilfsantriebs verwendet wird. Hierbei wird im Rahmen einer Regelung oder Steuerung des Hilfsantriebs die Drehzahl als Eingangsgröße oder auch als Regelungs- oder Stellgröße verwendet. Dieser Wert kann bereitgestellt werden durch Anzapfen entsprechender Stellen der Steuerung oder Regelung. Bei Regelungen oder Steuerungen, die mikroprozessorbasiert sind, kann der Drehzahlwert durch einfaches Auslesen aus einem Speicher, insbesondere einem Arbeitsspeicher, ermittelt werden. Hierbei wird der Drehzahlwert bereits innerhalb der Regelung oder Steuerung verwendet, insbesondere im Rahmen eines Programms, dass auf dem Mikroprozessor abläuft und das einen Arbeitsspeicher verwendet, indem der Drehzahlwert im Rahmen der Regelung der Steuerung des Hilfsantriebs abgelegt wird. Zudem kann ein Regelungs- oder Steuerungssignal der Regelung oder Steuerung angezapft werden, das die Drehzahl wiedergibt.
Wie vorangehend bemerkt wird die Gegen-EMK mittelbar oder unmittelbar ermittelt, oder es wird die Drehzahl mittelbar oder unmittelbar ermittelt und als Vergleichsgröße herangezogen (als erste Größe), um zu ermitteln, dass ein Belastungseinbruch stattfindet. Alternativ zur Drehzahl kann auch das Drehmoment ermittelt werden, entweder durch einen Drehmomentgeber oder mittelbar durch Auslesen eines Werts im Rahmen einer Regelung oder Steuerung, der das Drehmoment wiedergibt, welches in der Regelung oder Steuerung verwendet wird. Da das Drehmoment über das Kennfeld des Hilfsantriebs direkt mit der Drehzahl gekoppelt ist, lässt sich aus dem Drehmoment auch die Drehzahl erfassen.
Der Belastungseinbruch wird festgestellt als ein Signal, das Belastungseinbruchssignal genannt wird. Tritt dieses auf, so gibt dies wieder, dass ein Belastungseinbruch stattfindet, bzw. stattfand. Das Belastungseinbruchssignal wird eingegeben, wenn erfasst wird, dass die erste Größe über der zweiten Größe liegt. Hierbei kann die erste Größe mit der zweiten Größe verglichen werden, um zu ermitteln, ob die erste Größe über der zweiten Größe liegt (oder nicht).
Ferner wird eine Zeitdauer ermittelt, während der die erste Größe über der zweiten Größe liegt. Es wird ein Übertragungsstrang-Fehlersignal abgegeben, wenn diese Zeitdauer größer ist als eine vorgegebene Mindestzeitdauer ist. Dies betrifft einen Aspekt der Erfindung, gemäß dem das Belastungseinbruchssignal ausgewertet wird, ob ein dauerhafter Fehler im Übertragungsstrang vorliegt, beispielsweise eine gerissene Kette oder eine andere Störung, bei der der Antriebsstrang den Hilfsantrieb fehlerhafterweise nicht oder nur ungenügend mit dem Abtrieb verbindet.
Tritt das Belastungseinbruchssignal nur temporär auf, so wird ermittelt, dass ein Gangwechsel stattfindet, insbesondere ein Gangwechsel des Schaltgetriebes. Da während dem Schaltvorgang der Hilfsantrieb nicht vollständig mit dem Abtrieb verbunden ist, ergibt sich auch hier ein temporärer Anstieg der Drehzahl, so dass anhand der Zeitdauer, während der das Übertragungsstrang-Fehlersignal vorliegt, ermittelt werden kann, ob eine Störung im Übertragungsstrang (dauerhaft) oder ein Schaltvorgang bzw. ein Gangwechsel stattgefunden hat, der nur temporär zur Erhöhung der Drehzahl führt. Somit wird eine Zeitdauer ermittelt, während der die erste Größe über der zweiten Größe liegt, wobei ein Gangwechselsignal abgegeben wird, wenn diese Zeitdauer nicht größer als eine vorgegebene Mindestzeitdauer ist.
Anstatt zu ermitteln, über welche Zeitdauer das Belastungseinbruchssignal vorliegt, bzw. während der die erste Größe über der zweiten Größe liegt, kann auch ein Zeitwertsignal aus dem Vergleich der ersten mit der zweiten Größe ermittelt werden, die die Zeitdauer angibt. Beispielsweise bei mikroprozessorgestützten Ermittlungsverfahren kann nicht nur ermittelt werden, ob die erste Größe über der zweiten Größe ermittelt wird, sondern auch wie lange, wobei die Dauer als ein Zeitdauerwert in dem Vergleichssignal abgegeben wird.
Somit kann allgemein ein Belastungseinbruchssignal abgegeben werden, wenn die erste Größe über der zweiten Größe liegt. Darüber hinaus kann das Belastungseinbruchssignal unterteilt werden in einen Übertragungsstrang-Fehlersignal und ein Gangwechselsignal, die angeben, ob die Zeitdauer, während der die erste Größe über der zweiten Größe liegt, über einer vorgegebenen Mindestzeitdauer liegt, oder nicht. Hierbei geben das Übertragungsstrang-Fehlersignal und das Gangwechselsignal mehreren Aufschluss über die Art der Störung, während das Belastungseinbruchssignal lediglich angibt, dass ein Belastungseinbruch stattfindet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Steuerverfahren für einen elektrischen Hilfsantrieb eines Fahrrads, insbesondere eines Hilfsantriebs, wie er hierin beschrieben ist. Hierbei wird das hier beschriebene Verfahren zur Erfassung eines Belastungseinbruchs ausgeführt. Der Leistungsfluss zu dem elektrischen Hilfsantrieb hin wird verringert, auf null reduziert, oder in seiner Flussrichtung umgekehrt, wenn ein Belastungseinbruch erfasst wird. Wird beispielsweise ein Gangwechselsignal erfasst, so wird die elektrische Leistung auf null verringert oder auch nur auf einen Wert größer Null reduziert (oder auch im Vorzeichen umgekehrt). Die elektrische Leistung, die dem Hilfsantrieb zugeführt wird, wird verringert oder vorzugsweise auf null reduziert, wenn ein Übertragungsstrang-Fehlersignal ermittelt wird. Ferner kann ein Leistungsfluss von dem Hilfsantrieb weg erzeugt werden, wenn ein Übertragungsstrang-Fehlersignal ermittelt wird. Dadurch dreht sich die Richtung des vom Hilfsantrieb erzeugten Drehmoments um. Insbesondere kann durch den von dem Hilfsantrieb weg führenden Leistungsfluss vom Hilfsantrieb ein Drehmoment erzeugt werden, das dem Pedaldrehmoment entgegenwirkt. Tritt so ein Belastungseinbruch durch eine Störung im Übertragungsstrang auf, so wird verhindert, dass der Fahrer eine unkontrolliert schnelle Bewegung am Pedal ausführt, die sich durch den Belastungseinbruch ergibt. Hierbei wirkt der Hilfsantrieb bei auftretendem Übertragungsstrang-Fehlersignal der Pedalkurbel entgegen und bremst oder stoppt so die ruckartige Bewegung, die der Fahrer bei plötzlichem Belastungseinbruch ausführen würde. Der Hilfsantrieb kann zur Erzeugung einer Leistungsflussrichtung, die vom Hilfsantrieb weg führt, kurzgeschlossen werden, an einen Widerstand als Leistungssenke angeschlossen werden oder an eine Batterie oder einen anderen Energiespeicher angeschlossen werden und derart angesteuert werden, dass Strom von dem Hilfsantrieb zu der Batterie (bzw. dem Energiespeicher fließt). Nach Umkehrung des Leistungsflusses kann der Betrag der Leistung verringert werden, vorzugsweise im Wesentlichen kontinuierlich, um den Hilfsantrieb nicht zu überlasten. Der von dem Hilfsantrieb weg führende Leistungsfluss kann derart angesteuert werden, dass die Drehgeschwindigkeit der Pedalkurbel nicht über eine vorbestimmte Grenze geht. Dadurch wird die Lage des Fahrrads und des Fahrers bei Belastungseinbruch stabilisiert. In einer spezifischen Ausführungsform kann auch bei nur temporärem Belastungseinbruch, d. h. bei Auftreten eines Gangwechselsignals, die Flussrichtung der Leistung bezüglich des Hilfsantriebs umgekehrt werden. Auch dies kann nur temporär sein und insbesondere ausgeführt werden, wie es anhand des Übertragungsstrang-Fehlersignals dargelegt ist.
Wird somit ein Fehlersignal erfasst, wird mittels des Hilfsantriebs ein Drehmoment erzeugt, das der Bewegung der Pedalkurbel entgegensteht. Hierzu kann eine ggf. vorliegende Kupplung oder ein anderes Element des Antriebstrangs den Hilfsantrieb mit der Pedalkurbel verbinden, entweder direkt, über eine Getriebe oder indem der Hilfsantrieb und die Pedalkurbel mit dem gleichen Abschnitt des Antriebstrangs kraftübertragend verbunden werden. Hierzu kann nicht nur ein Leistungsansteuersignal vorgesehen werden, mit dem die Leistung bzw. die Leistungsrichtung des Hilfsantriebs gesteuert wird, sondern es kann auch ein Kupplungssignal für eine Kupplung abgegeben werden, über das Hilfsantrieb angeschlossen ist.
Vorzugsweise wird beim Ermitteln eines Gangwechselsignals die elektrische Leistung nur verringert, jedoch nicht auf null reduziert.
Vorzugsweise wird die elektrische Leistung derart verringert, dass sich eine Drehzahl ergibt, die der Drehzahl (unmittelbar) vor dem Abgeben des Gangwechselsignals entspricht oder kleiner als diese ist. Das Steuerverfahren kann ferner umfassen, dass eine Leistungsvorgabe erfasst wird, die vom Benutzer stammt oder die von einer übergeordneten Steuerung stammt, mit der der Benutzer beispielsweise ein Fahrprofil oder eine Leistungsstufe allgemein angeben kann. Diese Leistungsanforderung wird nicht unmittelbar umgesetzt, wenn ein Belastungseinbruch erfasst wird, sondern wird verringert (auf einen Wert größer null oder gleich null) wobei der Hilfsantrieb gemäß dieser verringerten Leistung angesteuert wird. Daher wird in die Steuerung beziehungsweise Regelung des Hilfsantriebs gemäß einer Leistungsvorgabe einbegriffen, indem bei Erfassen eines Belastungseinbruchs die (Antriebs-)Leistung des Hilfsantriebs (von einem positiven Wert auf einen kleineren, positiven Wert) verringert wird, abgeschaltet, oder die Flussrichtung der Leistung umgekehrt wird.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die elektrische Leistung, mit der der Hilfsantrieb versorgt wird, wieder erhöht wird (oder die Flussrichtung wieder umgekehrt wird, sofern diese zuvor umgekehrt wurde), wenn erfasst wird, dass der Belastungseinbruch nicht mehr besteht. Insbesondere wird die Leistung wieder erhöht, vorzugsweise auf einen Wert gemäß der Leistungsvorgabe, wenn nicht nur erfasst wird, dass der Belastungseinbruch nicht dauerhaft besteht, sondern auch wenn ermittelt wird, dass der Belastungseinbruch nicht länger als eine Zeitdauer bestand, die kürzer als eine vorgegebene Mindestzeitdauer ist. Daher wird die Leistung wieder erhöht, wenn ein Gangwechselsignal abgegeben wurde, wobei der Zeitpunkt des Erhöhens der Leistung nach einem Zeitpunkt liegt, an dem erfasst wurde, dass der Belastungseinbruch nicht mehr besteht.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Hilfsantriebssteuerung für einen elektrischen Hilfsantrieb eines Fahrrads, insbesondere für einen wie hier beschriebenen Hilfsantrieb. Die Hilfsantriebssteuerung umfasst einen Ausgang zum Anschluss an den Hilfsantrieb. Die Hilfsantriebssteuerung weist ferner eine Steuerschaltung auf. Die Steuerschaltung ist dem Ausgang vorgeschaltet. Die Steuerschaltung weist einen Vergleicher auf, die eingerichtet ist, die erste Größe, welche die Drehzahl kennzeichnet, mit einem Grenzwert zu vergleichen. Als Größe, die die Drehzahl kennzeichnet, kann ein unmittelbarer Wert verwendet werden, die die Drehzahl selbst wiedergibt, oder es kann in indirekter Weise die Gegen-EMK oder auch das Drehmoment herangezogen werden, wie es vorangehend beschrieben ist.
Die Steuerschaltung weist ferner eine Reduktionseinrichtung auf, die zur Verringerung oder Abschaltung der Leistung oder auch zur Umkehrung des Leistungsflusses des Hilfsantriebs eingerichtet ist. Die Reduktionseinrichtung ist dem Vergleicher nachgeschaltet. Dadurch ist die Reduktionseinrichtung ausgestaltet, gemäß dem Ergebnis des Vergleichers die Leistung des Hilfsantriebs temporär oder dauerhaft zu verringern, abzuschalten oder deren Flussrichtung umzukehren (insbesondere durch Kurzschließen mittels eines Schalters, durch Anschließen an einen Lastwiderstand mittels eines Schalters, oder durch Wandeln einer Klemmenspannung des Hilfsantriebs auf eine Spannung größer als eine Spannung einer Batterie und Anschließen dieser Spannung an die Batterie). Zum Wandeln und Anschließen an eine Batterie, um dieser Strom zuzuführen, kann ein Stromwandler und ein Schalter vorgesehen sein. Der Schalter ist an dem Hilfsantrieb angeschlossen, wobei an diesem Schalter ferner gegebenenfalls ein Widerstand in Serie angeschlossen ist. Bei Verwendung eines Wandlers ist dieser zwischen dem Hilfsantrieb und der Batterie angeschlossen. Diese ist vorzugsweise wiederaufladbar.
Ergibt das Ergebnis des Vergleichers, dass die erste Größe über mehr als eine vorgegebene Mindestzeitdauer größer als die zweite Größe ist, dann wird die Leistung des Hilfsantriebs abgeschaltet, wobei die Reduktionseinrichtung zur Ausführung des Schritts ausgestattet ist.
Wird ermittelt, dass die erste Größe nur kurzfristig, das heißt kürzer als eine vorgegebene Mindestzeitdauer, über der zweiten Größe liegt, dann wird die Leistung verringert (auf einen Wert größer null) oder abgeschaltet oder gegebenenfalls von einer positiven auf eine negative Leistung (umkehrbar) verringert. Die Reduktionseinrichtung ist auch hierfür ausgestaltet. Zudem ist die Reduktionseinrichtung ausgestaltet, um gemäß dem Ergebnis des Vergleichers die Leistung des Hilfsantriebs auch wieder zu erhöhen bzw. wieder im Vorzeichen umzukehren, insbesondere wenn das Ergebnis des Vergleichers angibt, dass die erste Größe nur für eine Zeitdauer über der zweiten Größe lag, die kürzer als eine vorgegebene Mindestzeitdauer ist. Dadurch kann die Reduktionseinrichtung die Leistung temporär verringern, wenn nur ein Gangwechselsignal abgegeben wurde (das heißt nur ein Gangwechsel vorliegt), während die Reduktionseinrichtung ausgestaltet ist, die Leistung dauerhaft abzuschalten, beispielsweise bis zu einem Reset, wenn ermittelt wurde, dass die erste Größe für eine Zeitdauer über der zweiten Zeitgröße lag bzw. liegt, die größer als die vorgegebene Mindestzeitdauer ist. Die Hilfsantriebssteuerung kann insbesondere einen Eingang für eine Leistungsanforderung umfassen, wobei die Reduktionseinrichtung diesem Eingang nachgeschaltet ist, um die Leistungsvorgabe verringert weiter zu geben, wenn ein Belastungseinbruch ermittelt wurde.
In einer Ausführungsform der Hilfsantriebssteuerung umfasst die Steuerschaltung eine Gegen-EMK-Erfassungseinheit. Diese ist dem Vergleicher vorgeschaltet. Der Vergleicher erhält somit Werte, die die Gegen-EMK-Erfassungseinheit ermittelt und die die Gegen-EMK wiedergeben.
Die Gegen-EMK-Erfassungseinheit kann auf besonders einfache Weise auf eine Anzapfung eines Regelungs- oder Steuerungskreises der Steuerschaltung vorgesehen werden. Hierbei ist die Regelung oder der Steuerkreis ausgestaltet, im Rahmen einer Regelung oder Steuerung einen Gegen-EMK-Wert zu verwenden. Dieser wird durch die Anzapfung an den Vergleicher übertragen. Als Anzapfung kann insbesondere eine Speicherzelle angesehen werden, in der der Regelungs- oder Steuerungskreis einen Wert ablegt, der die Gegen-EMK wiedergibt, und der im Rahmen der Steuerung bzw. Regelung innerhalb der Steuerschaltung verwendet wird.
Ferner kann die Gegen-EMK-Erfassungseinheit als eine Spannungserfassungseinheit vorgesehen sein, deren Eingang mit dem Ausgang zum Anschluss an den Hilfsantrieb verbunden ist. Die Spannungserfassungseinheit kann hierbei die Klemmenspannung des Hilfsantriebs erfassen, da diese an den Ausgang angeschlossen ist. Die Spannungserfassungseinheit ist insbesondere ausgestaltet, um anhand der Klemmenspannung die Gegen-EMK zu ermitteln. Hierbei kann die Spannungserfassungseinheit mit einer Stromerfassungseinheit der Hilfsantriebssteuerung verbunden sein, die dem zum Hilfsantrieb geleiteten Strom misst. Die Gegen-EMK-Erfassungseinheit kann auch diese Stromerfassungseinheit umfassen, wobei eine Berechnungseinheit der Gegen-EMK-Erfassungseinheit mit der Spannungserfassungseinheit und der Stromerfassungseinheit verbunden ist und eingerichtet ist, anhand der gelieferten Spannungs- und Stromwerte der betreffenden Erfassungseinheiten die Gegen-EMK zu ermitteln. Die Berechnungseinheit kann hierbei insbesondere ein Kennfeld (oder einen Innenwiderstand) des Hilfsantriebs aufweisen, das beispielsweise in einem Speicher abgelegt sein kann.
Eine weitere Möglichkeit ist es, dass die Steuerschaltung eine dem Vergleicher vorgeschaltete Drehzahlerfassungseinheit umfasst. Die Drehzahlerfassungseinheit kann auf einfache Weise umgesetzt sein als Eingang, der ausgestaltet ist zum Anschluss an einen Drehzahl- oder Winkelgeber. Dieser Drehzahl- oder Winkelgeber kann an dem Hilfsantrieb vorgesehen sein.
Alternativ kann die Drehzahlerfassungseinheit auch als Spannungserfassungseinheit ausgestaltet sein, deren Eingang mit dem Ausgang verbunden ist, der zum Anschluss an den Hilfsantrieb vorgesehen ist. Die Spannungserfassungseinheit umfasst eine Frequenzerfassungseinheit, die mit dem Eingang verbunden ist. Die Frequenzerfassungseinheit ist ausgestaltet, lokale Optima, Nulldurchgänge oder eine andere einen Poldurchlauf charakterisierende Signalkomponente zu erfassen, und insbesondere um deren Austrittshäufigkeit bezogen auf die Zeit, das heißt deren Frequenz zu ermitteln. Alternativ kann die Spannungserfassungseinheit einen Zähler aufweisen, der mit dem Eingang verbunden ist. Der Zähler kann hierbei insbesondere einem Filter nachgeschaltet sein, der Optima oder Nulldurchgänge oder andere charakterisierende Signalkomponenten aus dem Spannungssignal herausfiltert, so dass der Zähler die Anzahl der Optima, der Nulldurchgänge oder anderer Signalkomponenten ermitteln kann. Mit dem Zähler lässt sich auf diese Weise die Frequenz erfassen, mit der diese Signalkomponenten auftreten, so dass sich aus dem Zählerwerk die Drehzahl ergibt. Der Zähler kann insbesondere zeitlich normiert sein, beispielsweise durch Rücksetzung des Zählerwerks auf null zu regelmäßigen und insbesondere periodischen zeitlichen Abständen.
Weiterhin kann die Drehzahlerfassungseinheit besonders einfach realisiert sein als die Anzapfung eines Regelungs- oder Steuerungskreises der Steuerschaltung. Diese Steuerschaltung verwendet die Drehzahl als Eingangs-, Regel- oder Stellgröße, so dass durch einfaches Anzapfen der Drehzahlwert ermittelt werden kann. Die Anzapfung kann wie oben beschrieben ausgeführt sein, beispielsweise als Speicherzelle, in der der Regelungs- oder Steuerkreis die aktuelle Drehzahl ablegt.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die 1 zeigt ein Fahrrad, dass mit einem Hilfsantrieb ausgestattet ist und zur Erläuterung einer Ausgestaltung des hier beschriebenen Verfahrens dient und
die 2 zeigt eine Ausführungsform einer Hilfsantriebssteuerung.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Die 1 zeigt ein Fahrrad 10 mit einer Antriebskurbel 20. Neben der Antriebskurbel 20 ist ein Hilfsantrieb 50 vorgesehen, der als elektrischer Motor ausgestaltet ist. Sowohl die Antriebskurbel 20 als auch der Hilfsantrieb 50 wirken über die Kette 42 auf ein Abtriebsrad 30. Ein Schaltgetriebe 40 verbindet den Hilfsantrieb 50 und auch die Antriebskurbel 20 mit dem Abtriebsrad 30, wobei das Untersetzungsverhältnis in Stufen einstellbar ist. Das Untersetzungsverhältnis entspricht einem einstellbaren Gang, der mit dem Schaltgetriebe 40 eingestellt werden kann.
Um den Hilfsantrieb 50 zu steuern, ist eine Benutzereingabeschnittstelle 60 vorgesehen, über die die Leistung direkt oder indirekt im Rahmen eines Fahrprofils eingegeben werden kann. Eine Hilfsantriebssteuerung 100, die anhand der 2 näher erläutert wird, ist am Hilfsantrieb 50 vorgesehen, und ist eingerichtet, den Hilfsantrieb 50 mit Leistung zu versorgen. Ferner ist ein optionaler Drehzahlsensor 22 an dem Hilfsantrieb 50 angeordnet, um dessen Drehzahl zu erfassen.
Findet ein Gangwechsel statt durch Schalten des Schaltgetriebes 40, so bricht die mechanische Belastung des Hilfsantriebs 50 kurzfristig ein. Dies hat zur Folge, dass sich die Gegen-EMK an den Klemmen des Hilfsantriebs 50 beziehungsweise an dessen Wicklung in gleichem Maße erhöht. Da die Hilfsantriebssteuerung 100 mit dem Hilfsantrieb 50 elektrisch verbunden ist, lässt sich an der Hilfsantriebssteuerung 100 auch eine Spannung erfassen, die am Hilfsantrieb 50 anliegt. Vorzugsweise ist ferner ein Stromsensor vorgesehen, etwa ein Shunt-Widerstand, der den zwischen Hilfsantrieb 50 und Hilfsantriebssteuerung 100 fließenden Strom erfasst. Dadurch kann die Gegen-EMK ermittelt werden. Die Hilfsantriebssteuerung 100 ist ferner eingerichtet, anhand der ermittelten Gegen-EMK einen starken (über einem Grenzwert liegenden) Anstieg der Gegen-EMK oder eine Gegen-EMK oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts zu erfassen, um dadurch den Belastungseinbruch festzustellen.
Tritt der Belastungseinbruch nur kurzfristig auf bzw. ist die Gegen-EMK nur temporär erhöht (das heißt für eine Zeitdauer kleiner als eine vorgegebene Mindestzeitdauer) so wird festgestellt, dass das Schaltgetriebe 40 die Untersetzung geändert hat, wobei durch die Änderung temporär die mechanische Belastung am Hilfsantrieb 50 einbricht. Nachdem somit eine starke Erhöhung der Gegen-EMK festgestellt wurde und eine Verringerung der Gegen-EMK innerhalb des gleichen Zeitfensters, das kürzer als die Mindestzeitdauer ist, so wird ein Schaltvorgang am Schaltgetriebe 40 festgestellt. Tritt eine Erhöhung der Gegen-EMK auf, die jedoch länger als die Mindestzeitdauer fortbesteht, so wird ein Kettenabriss oder allgemein eine Störung im Antriebsstrang (zwischen Kurbel 20 bzw. vorderem Zahnrad an der Kurbel 20 und Abtrieb 30) festgestellt.
Alternativ oder in Kombination hierzu kann ein Drehzahlsensor 22 an dem Hilfsantrieb 50 vorgesehen sein. Tritt ein mechanischer Belastungseinbruch auf, so erhöht sich die Drehzahl des Hilfsantriebs entsprechend, gemäß einem Kennfeld des Hilfsantriebs 50 und der zugeführten elektrischen Leistung. Somit kann auch ein Kettenabriss der Kette 42 ermittelt werden oder eine andere Störung des Antriebsstrangs, wenn die Drehzahl für eine Zeitdauer länger als eine Mindestzeitdauer erhöht ist bzw. wenn die Drehzahl sich nicht innerhalb einer Mindestzeitdauer verringert, die mit dem Erhöhen der Drehzahl beginnt. Hierbei wird nicht jede Erhöhung der Drehzahl berücksichtigt, insbesondere nicht Drehzahlerhöhungen, die sich durch eine schnellere Bewegung des Fahrrads 10 ergeben, sondern nur Drehzahlerhöhungen, deren Antriebsgeschwindigkeit über einen Mindestgrenzwert liegt. Der Mindestgrenzwert für den Anstieg der Drehzahl ist insbesondere vorgegeben. Der Mindestgrenzwert gibt das Verhalten des Hilfsantriebs 50 wieder, wenn sich die Belastung sprungartig ändert, insbesondere wenn diese sprungartig abfällt, und dient zur Abgrenzung gegenüber üblichen Drehzahlerhöhungen (gemäß einer Drehzahlvorgabe des Fahrers) im Drehzahlverlauf des Fahrrads 10.
Auch hier kann ermittelt werden, ob sich die Drehzahl innerhalb einer Mindestzeitdauer (die mit der Erhöhung der Drehzahl beginnt) auch wieder verringert, wobei im letztgenannten Fall auf einen Schaltvorgang des Schaltgetriebes 40 geschlossen wird und andernfalls, falls sich die Drehzahl nicht innerhalb der Mindestzeitdauer wieder verringert, auf eine fortbestehende Störung im Antriebsstrang geschlossen wird, beispielsweise auf eine gerissene oder abgesprungene Kette. Zudem kann nur erkannt werden, ob ein Belastungseinbruch stattfindet, indem erfasst wird, dass sich die Gegen-EMK stark erhöht, das heißt mit einer über einen Mindestgrenzwert liegenden Anstiegsgeschwindigkeit und/oder über einen Mindestgrenzwert hinaus. Alternativ kann ein Belastungseinbruch allgemein festgestellt werden, wenn die Drehzahl mit einer Anstiegsgeschwindigkeit ansteigt, die größer als ein Mindestgrenzwert ist und/oder in dem festgestellt wird, dass sich die Drehzahl um einen Betrag oder auf einen Wert erhöht, der größer als ein vorgegebener Mindestgrenzwert ist.
Zur Erfassung eines Belastungseinbruchs kann daher die Anstiegsgeschwindigkeit und/oder der Absolutwert und/oder ein Änderungsbetrag herangezogen werden, die bzw. der mit einem entsprechenden vorgegebenen Mindestgrenzwert verglichen wird. Die hierbei verwendeten Größen können die Gegen-EMK, die Drehzahl oder das Drehmoment sein.
Die 2 zeigt eine Ausführungsform einer Hilfsantriebssteuerung 100, die an einen Hilfsantrieb 150 angeschlossen ist. Die Hilfsantriebssteuerung 100 umfasst eine Eingangsschnittstelle 110 mit mindestens einem Eingang. Diese Eingänge sind als Pfeil dargestellt, die zu der Eingangsschnittstelle 110 hin gerichtet sind. Beispielsweise die unteren beiden Pfeile, die auf die Eingangsschnittstelle 110 gerichtet sind, können Eingänge für die Klemmenspannung an dem Hilfsantrieb 150 sowie für den Strom sein, der dem Hilfsantrieb 150 zugeführt wird. Da sowohl Strom als auch Klemmenspannung an dem Hilfsantrieb 150 vorliegen, ist der funktionelle Weg der Signalübertragung mit einer Punktlinie dargestellt. Die Eingangsschnittstelle 110 kann ferner eine Leistungsvorgaben empfangen, wie sie mit dem oberen der drei Pfeile auf der linken Seite der Eingangsschnittstelle 110 dargestellt ist. Diese Leistungsvorgabe kann von einer Benutzereingabeschnittstelle wie die Benutzereingabeschnittstelle 60 der 1 stammen.
Die Klemmenspannung und der zum Hilfsantrieb 150 geleitete Strom werden von Eingangsschnittstelle 110 an eine Gegen-EMK-Erfassungseinheit 120 übermittelt. Diese weist ferner ein Kennfeld 130 (oder einen Innenwiderstand des Hilfsantriebs 150) auf, das der Klemmenspannung und dem Strom einerseits Gegen-EMK-Werte andererseits zuweist. Alternativ kann das Kennfeld 130 auch eine Funktion sein oder allgemein eine Abbildung, die der Klemmenspannung und den Strom (als Argumente der Abbildung) auf Gegen-EMK-Werte abbildet. Hierzu kann die Abbildung insbesondere den Innenwiderstand des Hilfsantriebs 150 umfassen, um die Gegen-EMK berechnen zu können.
Auf die Gegen-EMK-Erfassungseinheit 120 folgt ein Vergleicher 140, der den Gegen-EMK-Wert der Gegen-EMK-Erfassungseinheit 120 mit einem vorgegebenen Grenzwert 142 vergleicht. Alternativ kann nicht nur der Absolutwert, sondern beispielsweise auch ein Relativwert mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen werden, der einen Anstiegsbetrag der Gegen-EMK wiedergibt. Weiterhin kann der Vergleicher 140 eine Anstiegsrate der Gegen-EMK, wie sie von der Erfassungseinheit 120 erzeugt wurde, mit einem entsprechenden Grenzwert 142 (der ebenso eine Anstiegsrate betrifft) vergleichen, um einen sprunghaften Anstieg oder auch einen besonders hohen Gegen-EMK-Wert erfassen zu können.
Das Vergleichsergebnis des Vergleichers 140 wird einer nachfolgenden Reduktionseinrichtung 160 zugeführt. Diese erhält ferner die Leistungsvorgabe von der Eingangsschnittstelle 110, wie es durch den gestrichelten Pfeil dargestellt ist. Die Reduktionseinrichtung 160 gibt die Leistungsvorgabe reduziert weiter, wenn der Vergleicher 140 ermittelt, dass ein Belastungseinbruch vorliegt, insbesondere wenn der Vergleicher 140 feststellt, dass die erste Größe (von der Erfassungseinheit 120 geliefert) länger als eine vorgegebene Zeitdauer größer als eine zweite Größe ist, welche von dem vorgegebenen Grenzwert 142 vorgesehen wird. Die Reduktionseinrichtung 160 kann ferner die Leistungsvorgabe nicht weitergeben und dadurch den Hilfsantrieb 150 abschalten, wenn der Vergleicher 140 ermittelt, dass ein Belastungseinbruch vorliegt, insbesondere wenn der Vergleicher 140 feststellt, dass die erste Größe (von der Erfassungseinheit 120 geliefert) länger als eine vorgegebene Zeitdauer größer als eine zweite Größe ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Leistungsvorgabe eine negative Leistung abgibt, wenn der Vergleicher 140 ermittelt, dass ein Belastungseinbruch vorliegt, insbesondere wenn der Vergleicher 140 feststellt, dass die erste Größe (von der Erfassungseinheit 120 geliefert) länger als eine vorgegebene Zeitdauer größer als eine zweite Größe ist. Ob die Reduktionseinrichtung 160 eine verringerte Leistung, keine Leistung oder eine im Vorzeichen umgekehrte Leistung weitergibt, kann davon abhängen, wie lange die erste Größe über der zweiten Größe liegt, wie stark die erste Größe über der zweiten Größe liegt und/oder wie schnell die erste Größe hierbei ansteigt. Je länger die erste Größe über der zweiten Größe liegt, desto mehr weicht der von der Reduktionseinrichtung 160 an den Hilfsantrieb 50 abgegebene Leistungswert von der Leistungsvorgabe (auch ins Negative) ab, die die Reduktionseinrichtung erhält. Dies gilt insbesondere auch, je mehr die erste Größe von der zweiten abweicht. Zur Umkehrung des Leistungsflusses kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Reduktionseinrichtung 160 die magnetische Erregung oder die Phase des Drehfelds des Hilfsantriebs 150 derart ansteuert, dass sich die mechanische Leistung des Hilfsantriebs 150 beziehungsweise die elektrische Leistung des Hilfsantriebs 150 umkehrt.
Der Vergleicher 140 kann verschiedene Ausprägungen (Amplitudenverlauf und zeitliche Ableitung hiervon) der Gegen-EMK miteinander verknüpfen. Insbesondere kann der Vergleicher 140 zur Erfassung des Beginns eines Belastungseinbruchs eine Anstiegsrate der Gegen-EMK mit einem entsprechenden Grenzwert vergleichen und zur Erfassung der Zeitdauer für die der Belastungseinbruch besteht, kann der Vergleicher einen Absolutwert als Gegen-EMK-Wert mit einem entsprechenden Grenzwert (ebenso ein Absolutwert) vergleichen.
Der Vergleicher 140 gibt hierbei das Belastungseinbruchssignal ab, und insbesondere das Übertragungsstrang-Fehlersignal oder das Gangwechselsignal. Die Reduktionseinrichtung 160 erhält dieses Signal, und verringert dementsprechend die Leistungsvorgabe, die die Reduktionseinrichtung 160 von der Eingangsschnittstelle 110 erhält. Der Vergleicher 160 kann einen Timer aufweisen, sowie insbesondere eine vorgegebene Zeitdauer, um zu ermitteln, ob die erste Größe für eine Zeitdauer größer als eine vorgegebene Mindestzeitdauer über der zweiten Größe liegt, oder nicht. Die Mindestzeitdauer kann hierbei in dem Vergleicher 140 vorgesehen sein, beispielsweise abgelegt sein.
Die Reduktionseinrichtung 160 gibt ein entsprechendes (ansteuerndes) Signal an den Hilfsantrieb 150 ab. Hierbei kann die Reduktionseinrichtung 160 selbst den Strom vorsehen, mit dem der Hilfsantrieb 150 betrieben wird, oder es kann eine Leistungssteuerung 180 vorgesehen sein, die eine Leistungsstufe umfasst, um den von der Reduktionseinrichtung 160 gelieferten (ggf. verringerten) Leistungsanforderungswert (oder Leistungsflussrichtung) umzusetzen und mit einer entsprechenden Leistung den Hilfsantrieb 150 zu betreiben.
Der Pfeil 170 stellt die von dem Motor 150 erzeugte (und abgegebene) mechanische Leistung dar. Falls diese Leistung einbricht, da die Belastung schlagartig nachlässt, dann spiegelt sich dies insbesondere in der Klemmenspannung und auch in der Gegen-EMK innerhalb des Hilfsantriebs 150 wieder. Anstatt die Klemmenspannung und vorzugsweise auch den Strom des Hilfsantriebs 150 zu erfassen, kann auch die Drehzahl des Motors erfasst werden, die sich ebenso in der Klemmenspannung des Motors wiederspiegelt. Auch in diesem Fall ergibt sich ein Informationsfluss, wie er durch die punktierte Verbindung dargestellt ist, wobei die Klemmenspannung und damit auch eine Signalkomponente, die die Drehgeschwindigkeit wiedergibt, an die Eingangsschnittstelle 110 übertragen wird. Beispielsweise kann anhand der Welligkeit (gegeben durch lokale Optima, Nulldurchgänge oder ähnliches) in der Klemmenspannung erfasst werden, mit welcher Geschwindigkeit sich der Hilfsantrieb 150 dreht. Diese Geschwindigkeit wird als Drehzahl erfasst und wie oben beschrieben verarbeitet, insbesondere in einer Hilfsantriebssteuerung 100, die ausgestaltet sein kann wie in 2 dargestellte Hilfsantriebssteuerung 100. Falls jedoch die Drehzahl als Größe verwendet wird, so ist mit dem Bezugszeichen 120 eine Drehzahlerfassungseinheit bezeichnet, die nicht notwendigerweise ein Kennfeld wie das Kennfeld 130 umfasst. Eine Erfassungseinheit für die Drehzahl würde in diesem Fall anhand der Welligkeit die Drehgeschwindigkeit erfassen können, und insbesondere eine Frequenzerfassungseinheit umfassen, wie sie mit dem Kasten 120 in 2 dargestellt ist. Der Vergleicher 140 würde bei der derart erfassten Drehzahl die Drehzahl mit einem vorgegebenen Grenzwert 142 vergleichen. Vorzugsweise würde ein derartiger Vergleicher 140 die Anstiegsrate der von der Frequenzerfassungseinheit 120 abgegebenen Frequenz, die der Drehzahl entspricht, mit einem Grenzwert einer Drehzahlanstiegsrate, die etwa in dem Kasten 142 abgelegt sein kann.
Wird erfasst, dass die Anstiegsrate schneller als der vorgegebene Mindestgrenzwert (siehe Bezugszeichen 142) ist, dann wird ein entsprechendes Signal an die Reduktionseinrichtung 160 abgegeben, woraufhin diese die Leistungsanforderung wie oben beschrieben nur reduziert umsetzt (oder nicht umsetzt oder den Leistungsfluss umkehrt).
Alternativ kann ein Winkelgeber oder ein Drehzahlsensor vorgesehen sein, der die erfasste Drehzahl unmittelbar an den Vergleicher abgibt (nicht dargestellt).
Das Verfahren zur Erfassung des Belastungseinbruchs wird insbesondere von der Eingangsschnittstelle 110, der Erfassungseinheit 120 und dem Vergleicher 140 bzw. dessen vorgegebenem Grenzwert 142 umgesetzt. Darüber hinaus ist zur Umsetzung des Steuerverfahrens noch die Reduktionseinrichtung 160 sowie ggf. die Leistungssteuerung 180 vorgesehen.
Bezugszeichenliste

10: Fahrrad
20: Antriebskurbel
22: Drehzahlsensor
30: Abtriebsrad
40: Schaltgetriebe
42: Kette
50: Hilfsantrieb
60: Benutzereingabeschnittstelle
100: Hilfsantriebsteuerung
110: Eingangsschnittstelle/Eingang
120: Gegen-EMK-Erfassungseinheit
130: Kennfeld
140: Vergleicher
142: vorgegebener Grenzwert
150: Hilfsantrieb
160: Reduktionseinrichtung
170: Pfeil
180: Leistungssteuerung

Claims

Verfahren zur Erfassung eines Belastungseinbruchs eines elektrischen Hilfsantriebs (50) eines Fahrrads (10), umfassend: Erfassen des Belastungseinbruchs anhand eines Drehzahlanstiegs des Hilfsantriebs (50).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der durch den Belastungseinbruch hervorgerufene Drehzahlanstieg erfasst wird durch Ermitteln einer Gegen-EMK und durch Vergleichen der Gegen-EMK als erste Größe mit einem vorgegebenen Grenzwert als zweite Größe, wobei der Belastungseinbruch festgestellt wird, wenn als Ergebnis des Vergleichs ermittelt wird, dass die erste Größe über der zweiten Größe liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Gegen-EMK ermittelt wird durch Erfassen einer Klemmenspannung des Hilfsantriebs (50) oder die Gegen-EMK ermittelt wird durch Bereitstellen eines Gegen-EMK-Werts einer Regelung oder Steuerung des Hilfsantriebs (50), in der die Gegen-EMK als Regelungs- oder Steuerungsgröße verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der durch den Belastungseinbruch hervorgerufene Drehzahlanstieg erfasst wird durch Ermitteln der Drehzahl des Hilfsantriebs (50) zu unterschiedlichen Zeitpunkten, und durch Vergleichen der Differenz der zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfassten Drehzahlen, bezogen auf die Zeitdifferenz zwischen den Zeitpunkten, als erste Größe, mit einem vorgegebenen Grenzwert als zweite Größe, wobei der Belastungseinbruch festgestellt wird, wenn als Ergebnis des Vergleichs ermittelt wird, dass die erste Größe über der zweiten Größe liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Drehzahl des Hilfsantriebs (50) ermittelt wird mittels eines Winkel- oder Drehzahlgebers (22) an einer Läuferwelle des Hilfsantriebs (50) oder einer damit bewegungsübertragend verbundenen Welle, oder die Drehzahl des Hilfsantriebs (50) ermittelt wird durch Erfassen einer Frequenz, mit der lokale Optima, Nulldurchgänge, oder eine andere einen Poldurchlauf charakterisierende Signalkomponente einer Klemmenspannung des Hilfsantriebs (50), oder durch Bereitstellen eines Drehzahlwerts einer Regelung oder Steuerung des Hilfsantriebs (50), in der als Eingangsgröße die Drehzahl verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–5, wobei – ein Belastungseinbruchsignal abgegeben wird, wenn erfasst wird, dass die erste Größe über der zweiten Größe liegt; – eine Zeitdauer ermittelt wird, während der die erste Größe über der zweiten Größe liegt, wobei ein Übertragungsstrang-Fehlersignal abgeben wird, wenn diese Zeitdauer größer als eine vorgegebene Mindestzeitdauer ist, und/oder – eine Zeitdauer ermittelt wird, während der die erste Größe über der zweiten Größe liegt, wobei ein Gangwechselsignal abgeben wird, wenn diese Zeitdauer nicht größer als eine vorgegebene Mindestzeitdauer ist.
Steuerverfahren für einen elektrischen Hilfsantrieb (50) eines Fahrrads (10), umfassend das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der elektrische Hilfsantrieb (50) mit einer elektrischen Leistung versorgt wird, die verringert wird, auf null reduziert wird oder in ihrer Flussrichtung umgekehrt wird, wenn ein Belastungseinbruch erfasst wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 7, wobei die elektrische Leistung wieder erhöht wird oder die Flussrichtung der Leistung umgekehrt wird, wenn zum einen erfasst wird, dass der Belastungseinbruch nicht mehr besteht, und zum anderen der Belastungseinbruch nicht länger als eine Zeitdauer bestand, die kürzer als eine vorgegebene Mindestzeitdauer ist.
Hilfsantriebsteuerung (100) für einen elektrischen Hilfsantrieb (50) eines Fahrrads (10), mit einem Ausgang zum Anschluss an den Hilfsantrieb (50), wobei die Hilfsantriebsteuerung (100) ferner eine Steuerschaltung aufweist, die dem Ausgang vorgeschaltet ist, wobei die Steuerschaltung einen Vergleicher (140) aufweist, der eingerichtet ist, eine erste die Drehzahl kennzeichnende Größe mit einem Grenzwert zu vergleichen, wobei die Steuerschaltung ferner eine Reduktionseinrichtung (160) aufweist, die zur Verringerung, Abschaltung oder Umkehrung der Leistung des Hilfsantriebs (50) eingerichtet ist, wobei die Reduktionseinrichtung dem Vergleicher (140) nachgeschaltet und dadurch eingerichtet ist, gemäß dem Ergebnis des Vergleichers (140) die Leistung des Hilfsantriebs (50) temporär oder bedingungslos zu verringern oder abzuschalten.
Hilfsantriebsteuerung nach Anspruch 9, wobei – die Steuerschaltung eine dem Vergleicher (140) vorgeschaltete Gegen-EMK-Erfassungseinheit (120) umfasst, die (a) als Anzapfung eines Regelungs- oder Steuerungskreises der Steuerschaltung oder (b) als Spannungserfassungseinheit, deren Eingang mit dem Ausgang zum Anschluss an den Hilfsantrieb verbunden ist, vorgesehen ist; oder wobei – die Steuerschaltung eine dem Vergleicher (140) vorgeschaltete Drehzahlerfassungseinheit umfasst, die (a) als Eingang eingerichtet zum Anschluss an einen Drehzahl- oder Winkelgeber (22); (b) als Spannungserfassungseinheit, deren Eingang mit dem Ausgang zum Anschluss an den Hilfsantrieb (50) verbunden ist, und die eine mit dem Eingang verbundene Frequenzerfassungseinheit oder einen mit dem Eingang verbundenen Zähler umfasst; oder (c) als Anzapfung eines Regelungs- oder Steuerungskreises der Steuerschaltung, die die Drehzahl als Eingangs- oder Regelgröße verwendet, vorgesehen ist.