DE102023204476B3

DE102023204476B3 - Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors für ein Elektrofahrrad, Antriebssystem und Elektrofahrrad

Info

Publication number: DE102023204476B3
Application number: DE102023204476.5A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Freudenthaler; Dennis Oexle
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2023-05-12
Filing date: 2023-05-12
Publication date: 2024-09-12
Anticipated expiration: 2043-05-13
Also published as: WO2024235782A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren (22) zum Betreiben eines Elektromotors (16) für ein Elektrofahrrad (10), ein Antriebssystem (12) und ein Elektrofahrrad (10). Der Elektromotor (16) weist einen Freilauf auf und gewährleistet bei geschlossenem Freilauf eine Drehmomentunterstützung für eine Tretkurbel (14) des Elektrofahrrads (10). Ein angefordertes Ausgangsdrehmoment des Elektromotors (16) wird basierend auf einem Vergleich zwischen einem angeforderten Drehzahlgradienten des Elektromotors (16) und einem aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors (16) bestimmt. Der geschlossene Freilauf des Elektromotors (16) wird basierend darauf erkannt, dass ein zeitlicher Verlauf des angeforderten Ausgangsdrehmoments eine stetige Erhöhung aufweist und das angeforderte Ausgangsdrehmoment einen Ausgangsdrehmomentschwellwert überschreitet, oder dass ein zeitlicher Verlauf einer Differenz zwischen dem angeforderten Drehzahlgradienten des Elektromotors (16) und dem aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors (16) eine stetige Erhöhung aufweist und die Differenz einen Differenzschwellwert überschreitet, wobei der angeforderte Drehzahlgradient und die Differenz jeweils positiv sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors für ein Elektrofahrrad, ein Antriebssystem und ein Elektrofahrrad.
Bei Elektrofahrrädern erfolgt eine Unterstützung des Fahrens durch einen Elektromotor. Wird die Tretbewegung gestoppt, stoppt auch die Unterstützung. Die rotatorische Bewegung der Pedale und die des Motors sind durch einen sogenannten Freilauf entkoppelt. Aus diesem Grund muss der Elektromotor immer in Drehzahl nachgeführt werden und auf eine gemeinsame Synchrondrehzahl gebracht werden, die der Fahrer über die Kadenz der Tretbewegung vorgibt. Erst, wenn der Elektromotor auf diese Drehzahl gebracht wurde, kann der Freilauf geschlossen werden. Und erst dann erfolgt eine momentbasierte Unterstützung für den Fahrer. Dieses „Einspuren“ in den Freilauf wird üblicherweise drehzahlgesteuert oder drehzahlgeregelt in Software implementiert.
Eine Implementierung des Einspurens mithilfe einer Drehzahlregelung und/oder Drehzahlsteuerung setzt die genaue Kenntnis der Synchrondrehzahl voraus. Diese wird üblicherweise über die Kadenz des Fahrers bestimmt. In der Regel weist die Kadenzmessung der Tretbewegung des Fahrers nur eine limitierte Präzision auf, da die Kadenz bei der Tretbewegung Schwankungen unterworfen ist, beispielsweise sogar innerhalb einer einzelnen Pedalumdrehung. Aufgrund dieser intrinsischen Schwankungen der Kadenz, ist die Bestimmung des exakten Zeitpunkts, zu dem die Drehzahl des Elektromotors mit der Kadenz der Tretkurbel übereinstimmt, und daher die Einkopplung des Elektromotors in die Tretkurbel erfolgen kann, problematisch. Bisher ist die Bestimmung des Einkoppelzeitpunkts also nur mit limitierter Präzision möglich. Da die Bestimmung des Einkoppelzeitpunkts bisher nur ungenau möglich ist, erfolgt die Einkopplung bisher oftmals doch ungewollt zu Zeitpunkten, an denen die Drehzahl des Elektromotors von der Kadenz abweicht. Deshalb führen bisherige drehzahlbasierte Regelungsmechanismen typischerweise zu einem schlagartigen (plötzlichen) Einkoppeln des Elektromotors (auch Einspuren genannt). Dadurch werden aber akustische Störgeräusche und auch mechanische Bauteilbelastungen bewirkt, wodurch sogar Beschädigungen ausgelöst werden können.
Es besteht daher ein Bedürfnis dafür, ein Verfahren bereitzustellen, das ein verbessertes Regelungsverhalten bezüglich der Bestimmung des Einkoppelzeitpunkts ermöglicht. Insbesondere ist es wünschenswert, schlagartige Einspurvorgänge vermeiden zu können.
JP 2022 - 161 319 A betrifft ein elektromotorisch unterstütztes Fahrrad, das in der Lage ist, die Zeit bis zur Aktivierung der Unterstützung zu verkürzen, wenn ein Mensch das Pedalieren nach einer Pause wieder aufnimmt.
Die objektive technische Aufgabe, die zu lösen ist, kann darin gesehen werden, die Nachteile des Stands der Technik auszuräumen oder zumindest zu verringern. Insbesondere kann die Aufgabe darin gesehen werden, ein Verfahren, ein Antriebssystem und ein Elektrofahrrad bereitzustellen, mittels denen plötzliche Bauteilbelastungen des Antriebssystems des Elektrofahrrads vermieden werden können.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, von denen jeder für sich oder in (Sub-) Kombination Aspekte der Erfindung darstellen kann. Einige Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in Bezug auf Vorrichtungen und andere in Bezug auf entsprechende Verfahren beschrieben. Die Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen, die in Bezug auf die angegebenen Vorrichtungen beschrieben werden, sind jedoch in korrespondierender Weise auf die entsprechenden Verfahren zu übertragen und umgekehrt.
Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Elektromotors für ein Elektrofahrrad bereitgestellt. Der Elektromotor weist einen Freilauf auf und gewährleistet bei geschlossenem Freilauf eine Drehmomentunterstützung für eine Tretkurbel des Elektrofahrrads. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
Ein angefordertes Ausgangsdrehmoment des Elektromotors wird basierend auf einem Vergleich zwischen einem angeforderten Drehzahlgradienten des Elektromotors und einem aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors bestimmt.
Der geschlossene Freilauf des Elektromotors wird basierend darauf erkannt, dass ein zeitlicher Verlauf des angeforderten Ausgangsdrehmoments eine stetige Erhöhung aufweist und das angeforderte Ausgangsdrehmoment einen Ausgangsdrehmomentschwellwert überschreitet.
In einer Alternative oder zusätzlich kann der geschlossene Freilauf des Elektromotors auch basierend darauf erkannt werden, dass ein zeitlicher Verlauf einer Differenz zwischen dem angeforderten Drehzahlgradienten des Elektromotors und dem aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors eine stetige Erhöhung aufweist und die Differenz einen Differenzschwellwert überschreitet, wobei der angeforderte Drehzahlgradient und die Differenz jeweils positiv sind.
Das bedeutet, dass bei dem vorliegenden Verfahren das angeforderte Ausgangsdrehmoment des Elektromotors vorteilhaft basierend auf einem Vergleich zwischen einem angeforderten Drehzahlgradienten des Elektromotors und einem aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors bestimmt wird. Die Berücksichtigung der jeweiligen Gradienten führt dazu, dass die zeitlichen Änderungen der tatsächlichen, aktuellen Motordrehzahl und der angeforderten Drehzahl berücksichtigt werden. Während also bisher nur jeweilige Istwerte verglichen wurden, führt die Berücksichtigung der jeweiligen zeitlichen Entwicklungen dazu, dass das angeforderte Ausgangsdrehmoment stetige und kontinuierliche Änderungen aufweisen kann, statt wie bisher abrupte und schlagartige stufenartige Verläufe aufzuweisen. Dadurch werden plötzliche Bauteilbelastungen reduziert.
Der stetige Verlauf des angeforderten Ausgangsdrehmoments des Elektromotors wird dann ausgewertet, um den geschlossenen Freilauf erkennen zu können. Dies ermöglicht es, den geschlossenen Freilauf über die Berücksichtigung eines Ausgangsdrehmomentschwellwerts erkennen zu können.
Alternativ kann der angeforderte Drehzahlgradient in Beziehung zum tatsächlichen Drehzahlgradienten gesetzt werden. Um den Elektromotor auf die Drehzahl der Tretkurbel zu beschleunigen, wird ein angeforderter Drehzahlgradient bestimmt, der zumindest zeitweise größer sein muss als der tatsächliche Drehzahlgradient. Anderenfalls könnte sich die tatsächliche Motordrehzahl der Kadenz der Tretkurbel nicht „annähern“. Daher ist die Differenz zwischen dem angeforderten Drehzahlgradienten und dem aktuellen Drehzahlgradienten zumindest zeitweise stetig und positiv. Deshalb kann ein Differenzschwellwert berücksichtigt werden, basierend auf dem das Schließen des Freilaufs bestimmbar ist.
So schafft es das vorliegende Verfahren, zwei alternative Entscheidungskriterien bereitzustellen, die einzeln oder auch kumulativ genutzt werden können, um den geschlossenen Freilauf (auch eingekoppelter Freilauf genannt) zuverlässig erkennen zu können. So kann bestimmt werden, ab welchem Zeitpunkt die Drehmomentunterstützung erfolgen kann. Vorteilhaft werden dabei schlagartige fehlerhafte Erkennungen von Einkoppelzeitpunkten vermieden, die anderenfalls zu schlagartigen Bauteilbelastungen führen würden. Daher sind der Nutzerkomfort sowie die Lebensdauer des zugrundeliegenden Antriebssystems vorteilhaft gegenüber bekannten Verfahren verbessert.
Optional kann das angeforderte Ausgangsdrehmoment in Abhängigkeit des Vergleichs zwischen dem angeforderten Drehzahlgradienten des Elektromotors und dem aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors aus einer Reihe von hinterlegten angeforderten Ausgangsdrehmomentverläufen ausgewählt werden. Die angeforderten Ausgangsdrehmomentverläufe können beispielsweise in Form von Umsetzungstabellen (Look-up-Tabellen) hinterlegt sein.
Dies ermöglicht es, angeforderte Ausgangsdrehmomentverläufe mit unterschiedlichen zeitlichen Verläufen zu berücksichtigen, wodurch ein stetiges und kontinuierliches („weiches“) Einkoppeln des Freilaufs ermöglicht wird.
Bevorzugt wird der geschlossene Freilauf ohne eine Erfassung einer Kadenz der Tretkurbel und ohne eine Erfassung eines aktuellen Ausgangsdrehmoments des Elektromotors erkannt. Sowohl die Kadenz der Tretkurbel als auch das aktuelle Ausgangsdrehmoment sind verhältnismäßig großen zeitlichen Schwankungen unterworfen, beispielsweise innerhalb einer Umdrehung der Tretkurbel. So wird eine Unabhängigkeit des Erfassungsmechanismus des geschlossenen Freilaufs von diesen Antriebsparametern und den Schwankungen, denen sie unterworfen sind, geschaffen.
Optional wird eine Motordrehzahl des Elektromotors bestimmt. Dann wird der aktuelle Drehzahlgradient des Elektromotors basierend auf einem zeitlichen Verlauf der Motordrehzahl des Elektromotors bestimmt. Beispielsweise kann dazu ein Drehzahlsensor genutzt werden. Alternativ können auch die Motorströme ausgewertet werden, um beispielsweise über die Induktivität die Motordrehzahl zu erfassen. Die zeitliche Entwicklung gibt dann den aktuellen Drehzahlgradienten an.
Das bedeutet, dass die Erfassung des geschlossenen Freilaufs einzig auf der Erfassung der aktuellen Motordrehzahl des Elektromotors beruht. Diese Sensorik muss bei den zugrundeliegenden Regelungstechniken aber systembedingt immer vorhanden sein, um einen Vergleichsparameter erfassen zu können, der bestimmt, inwieweit die Drehzahl des Elektromotors mit der Synchrondrehzahl der Tretkurbel übereinstimmt. Vorteilhaft werden nun nach dem beschriebenen Verfahren aber keine weiteren Sensoriken benötigt, um den geschlossenen Freilauf zuverlässig erfassen zu können.
In einigen Ausführungsformen wird der angeforderte Drehzahlgradient des Elektromotors basierend auf einem Vergleich einer Synchrondrehzahl der Tretkurbel des Elektrofahrrads mit der aktuellen Motordrehzahl des Elektromotors bestimmt. Die Synchrondrehzahl der Tretkurbel ist dabei durch deren Kadenz bestimmt. Die Abweichung zwischen der Synchrondrehzahl der Tretkurbel des Elektrofahrrads mit der aktuellen Motordrehzahl des Elektromotors stellt ein Maß dafür dar, inwieweit die aktuelle Motordrehzahl korrigiert werden muss, um diese der Synchrondrehzahl anzugleichen. Deshalb kann basierend auf dem Vergleich ein entsprechender angeforderter Drehzahlgradient bestimmt werden, um die Abweichung zu reduzieren. Optional können auch hier Umsetzungstabellen zur Bestimmung des angeforderten Drehzahlgradienten genutzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist das zuvor beschriebene Verfahren zumindest teilweise als computerimplementiertes Verfahren ausgebildet. Das bedeutet, dass zumindest einige Schritte des zu vorgeschriebenen Verfahrens von einer Datenverarbeitungsvorrichtung ausführbar sind.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt wird auch ein Computerprogrammprodukt bereitgestellt, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren oder die Schritte des Verfahrens wie zuvor beschrieben auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein computerlesbares Speichermedium bereitgestellt, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren oder die Schritte des Verfahrens wie zuvor beschrieben auszuführen.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt wird auch ein Antriebssystem mit einem Elektromotor und einer dem Elektromotor zugeordneten Steuervorrichtung für ein Elektrofahrrad bereitgestellt.
Die Steuervorrichtung ist eingerichtet, um ein angefordertes Ausgangsdrehmoment des Elektromotors basierend auf einem Vergleich zwischen einem angeforderten Drehzahlgradienten des Elektromotors und einem aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors zu bestimmen.
Zusätzlich ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um einen geschlossenen Freilauf des Elektromotors basierend darauf zu erkennen, dass ein zeitlicher Verlauf des angeforderten Ausgangsdrehmoments eine stetige Erhöhung aufweist und das angeforderte Ausgangsdrehmoment einen Ausgangsdrehmomentschwellwert überschreitet.
Auch ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um alternativ einen geschlossenen Freilauf des Elektromotors basierend darauf zu erkennen, dass ein zeitlicher Verlauf einer Differenz zwischen dem angeforderten Drehzahlgradienten des Elektromotors und dem aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors eine stetige Erhöhung aufweist und die Differenz einen Differenzschwellwert überschreitet. Dabei sind der angeforderte Drehzahlgradient und die Differenz jeweils positiv.
Die technischen Vorteile, die im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen Verfahren erläutert wurden, werden in entsprechender Weise auch durch das hier beschriebene Antriebssystem erzielt. Insbesondere wird ein Antriebssystem geschaffen, mittels dem eine zuverlässige Erfassung des geschlossenen Freilaufs gewährleistet werden kann, und zwar unabhängig von der Erfassung der Kadenz, die Schwankungen unterworfen ist. Dadurch kann die Erkennung von fehlerhaften Einkoppelzeitpunkten vermieden werden, wodurch schlagartige und plötzliche Bauteilbelastungen verhindert werden können. Die Lebensdauer des Antriebssystems und seiner Komponenten ist verlängert.
Der Elektromotor des Elektrofahrrads kann sich bezüglich der Tretkurbel in einem davon entkoppelten oder in einem damit gekoppelten Zustand (geschlossener Freilauf) befinden. Bevorzugt ist die Steuervorrichtung auch eingerichtet, um in Folge eines erkannten, geschlossenen Freilaufs des Elektromotors eine Drehmomentunterstützung für eine Tretkurbel des Elektrofahrrads auszulösen. So kann die Unterstützungsleistung für den Fahrer des Elektrofahrrads bewirkt werden.
Optional weist das Antriebssystem ferner zumindest einen Drehzahlsensor zur Erfassung der aktuellen Drehzahl des Elektromotors auf. So können die aktuelle Motordrehzahl und basierend darauf der aktuelle Drehzahlgradient des Elektromotors bestimmt werden.
Bevorzugt ist die Steuervorrichtung mit dem Drehzahlsensor gekoppelt und empfängt dessen Messwerte.
Optional weist das Antriebssystem eine Leistungselektronik auf, die dem Elektromotor zugeordnet ist. Die Steuervorrichtung ist dann mit der Leistungselektronik gekoppelt. Beispielsweise kann die Leistungselektronik Leistungsschaltelemente, wie Transistoren aufweisen, um basierend auf Steuersignalen der Steuervorrichtung entsprechende Motorströme an Komponenten des Elektromotors auszugeben, beispielsweise an Elektromagneten. In einigen Ausführungsformen können diese Motorströme auch hinsichtlich der Induktivität ausgewertet werden, um die aktuelle Drehzahl des Elektromotors indirekt zu erfassen.
Optional ist die Steuervorrichtung mit zumindest einer Speichervorrichtung gekoppelt, in der Regelungsinformationen abgelegt sein können, beispielsweise entsprechende Umsetzungstabellen.
In einer theoretischen Betrachtungsweise kann man die entkoppelte Konfiguration des Elektromotors (geöffneter Freilauf) wie folgt beschreiben: ${\dot{ω}}_{M} I_{M} \approx T_{M} - k_{f} ω_{M}$
Dabei beschreibt ω_M indirekt die aktuelle Motordrehzahl (eigentlich die Motorwinkelgeschwindigkeit, über die die Motordrehzahl bestimmbar ist) und ω̇_M die zeitliche Entwicklung davon, also den aktuellen Drehzahlgradienten (eigentlich Winkelbeschleunigung). Ferner beschreibt k_f den Reibungskoeffizienten, T_M das aktuelle, vom Elektromotor ausgegebene Drehmoment und I_M das Motorträgheitsmoment. In der entkoppelten Konfiguration ist der Elektromotor nicht mit der Tretkurbel gekoppelt, weshalb die am Ausgang des Elektromotors anliegende Drehmomentlast T_L Null ist, also T_L ≈ 0.
Ist der Freilauf geschlossen (eingekoppelte Konfiguration), in der der Elektromotor mit der Tretkurbel gekoppelt ist, wird die Gesamtleistung des Antriebs durch eine Superposition der Anteile vom Elektromotor und dem Fahrer bewirkt. In diesem Fall ist die am Ausgang des Elektromotors anliegende Drehmomentlast T_L von Null verschieden, also T_L ≠ 0. Diese Konfiguration lässt sich wie folgt beschreiben: ${\dot{ω}}_{A} I_{A} \approx T_{M} \cdot i + T_{F} - T_{L}$
Dabei beschreibt ώ_A die zeitliche Entwicklung der Winkelgeschwindigkeit des Antriebs (eigentlich Winkelbeschleunigung des Antriebs). Da der Elektromotor nur dann mit der Tretkurbel gekoppelt sein kann, wenn die Drehzahl des Elektromotors mit der Drehzahl der Tretkurbel (näherungsweise) übereinstimmt, stellt ω̇_A auch die zeitliche Entwicklung der Winkelgeschwindigkeit der Tretkurbel dar, also die Winkelbeschleunigung davon. I_A beschreibt das Trägheitsmoment des Antriebs.
Das Produkt der Winkelbeschleunigung des Antriebs mit dem Trägheitsmoment des Antriebs wird zum Vortrieb genutzt. Dieses Produkt entspricht deshalb der Summe der Anteile, die vom Elektromotor und dem Fahrer bewirkt werden, von dem lediglich noch das entsprechende bei der Bewegung auftretende Lastdrehmoment subtrahiert werden muss. Dabei wird wiederum mit T_M das aktuelle vom Elektromotor ausgegebene Drehmoment bezeichnet, das gegebenenfalls mit einer Übersetzung i zu berücksichtigen ist, soweit ein Getriebe für den Elektromotor vorgesehen ist. Ferner wird mit T_F das aktuelle vom Fahrer bewirkte Drehmoment bezeichnet.
Die vorliegende Erfindung macht sich nun einen Regelungsmechanismus zu Nutze, der auf mehreren Effekten beruhen kann, um ein Angleichen des aktuellen Istwerts der Motordrehzahl an den Sollwert, also die Synchrondrehzahl, in bedarfsgerechter Weise zu ermöglichen. Die Synchrondrehzahl ist dabei über die Kadenz der Tretkurbel bestimmbar.
Einerseits kann eine Vorwärtsregelung berücksichtigt werden, und zwar basierend auf der Änderung des Drehzahlgradienten des Elektromotors: ω̇_M. Andererseits kann eine Rückkoppelungsregelung berücksichtigt werden, und zwar basierend auf der Änderung des aktuellen, vom Elektromotor ausgegebenen Drehmoments T_M.
Diese Regelungsmechanismen können vorliegend wahlweise implementiert werden, beispielsweise auch gemeinsam, um die Regelung an die jeweiligen Bedürfnisse anzupassen und schlagartige Drehmomentvariationen oder Drehzahländerungen zu vermeiden. So kann der Nutzerkomfort erhöht werden, während gleichzeitig die Belastung für Antriebskomponenten gesenkt wird.
Die Kombination der Vorwärtsregelung mit der Rückkopplungsregelung wird auch als sogenannte Trajektorienfolgeregelung bezeichnet. Dabei wird während des Einspurvorgangs zu jedem Zeitpunkt ein Stellmoment für den Elektromotor berechnet, welches einen Vorsteuerwert und einen Regelungswert aufweist, und zwar auf Basis eines Vergleichs des Istwerts der Motordrehzahl mit dem Sollwert der Motordrehzahl (Synchrondrehzahl), sowie dem Istwert des Drehzahlgradienten des Elektromotors mit dem angeforderten Drehzahlgradienten.
Generell soll das aktuelle, vom Elektromotor ausgegebene Drehmoment T_M einem angeforderten Drehmoment des Elektromotors T_anf entsprechen.
Die Vorwärtsregelung kann dann genutzt werden, um einen angeforderten Drehzahlgradienten ω̇_anf des Elektromotors zu bestimmen. Dies kann insbesondere wie folgt beschrieben werden: $T_{M} = T_{a n f} = {\dot{ω}}_{a n f} I_{M} + k_{f} ω_{M}$
Ferner wird dabei der Reibungskoeffizient gleich Null gewählt, also k_f = 0 sofern die aktuelle Motordrehzahl ω_M kleiner als ein Maximalwert der Motordrehzahl ω̂_M ist, also gilt: ω_M < ω̂_M. Anders ausgedrückt wird die Reibung bei der Regelung vernachlässigt, sofern die maximale Motordrehzahl nicht erreicht ist. Übersteigt die aktuelle Motordrehzahl ω_M den Maximalwert der Motordrehzahl ω̂_M, wird der Reibungskoeffizient k_f auf einen vorbestimmten konstanten Wert gesetzt.
Die Vorwärtsregelung stellt nun auch die Möglichkeit bereit, den geschlossenen Freilauf zuverlässig erkennen zu können, und zwar unabhängig von der Kadenz der Tretkurbel. Dazu wird der angeforderte Drehzahlgradient ω̇_anf des Elektromotors mit dem tatsächlichen, aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors ω̇_M verglichen. Der geschlossene Freilauf wird dann basierend darauf erkannt, dass der angeforderte Drehzahlgradient ω̇_anf des Elektromotors den aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors ω̇_M überschreitet, also: ${\dot{ω}}_{a n f} \geq {\dot{ω}}_{M} .$
Optional kann dabei ein Differenzschwellwert zwischen dem angeforderten Drehzahlgradient ω̇_anf des Elektromotors und aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors ω̇_M im Sinne einer Hysterese (oder eines Toleranzintervalls) vorgesehen sein. Das bedeutet, dass der geschlossenen Freilauf dann basierend darauf erkannt wird, dass der angeforderte Drehzahlgradient ω̇_anf des Elektromotors den aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors ω̇_M um ein vorgegebenes Maß überschreiten muss. So wird ein belastbarer Erkennungsmechanismus geschaffen und es können fehlerhafte kurzzeitige Überschreitungen, die einen sprunghaften Erkennungsmechanismus zur Folge haben könnten, vermieden werden.
Bei der Rückkoppelungsregelung kann beispielsweise ein Pl-Regler genutzt werden, also ein Regler mit Proportional- und Integral-Regelstufe, um das angeforderte Drehmoment des Elektromotors T_anf zu bestimmen.
In diesem Fall kann der geschlossene Freilauf zuverlässig basierend darauf erkannt werden, dass der Wert des angeforderten Drehmoments des Elektromotors T_anf einen bestimmten, vordefinierten zeitlichen Verlauf aufweist. Insbesondere wird der geschlossene Freilauf basierend darauf erkannt, dass das angeforderte Drehmoment des Elektromotors T_anf eine stetige Erhöhung aufweist und einen Ausgangsdrehmomentschwellwert überschreitet.
Wie bereits erwähnt, können die Regelungsmechanismen auch kombiniert werden. Dann ergibt sich: $T_{M} = T_{a n f} = T_{V o r w} + T_{R \ddot{u} c k k} .$
Dabei beschreibt T_Vorw den Anteil des angeforderten Drehmoments des Elektromotors, der mittels der Vorwärtsregelung bestimmt wird, also das Produkt ω̇_anfI_M, und T_Rückk den Anteil des angeforderten Drehmoments des Elektromotors, der mittels der Rückkoppelungsregelung bestimmt wird, also mittels des PI-Reglers.
Für die Summe beider Anteile T_Vorw und T_Rückk kann ferner eine Mittelung berücksichtigt werden.
Wahlweise kann auch eine Gewichtung der Anteile T_Vorw und T_Rückk erfolgen, um einen Regelungsmechanismus dem anderen gegenüber zu bevorzugen.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt wird auch ein Elektrofahrrad bereitgestellt. Das Elektrofahrrad weist ein Antriebssystem wie zuvor beschrieben auf oder einen Elektromotor, der nach einem Verfahren wie zuvor beschrieben betreibbar ist.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden.
Es zeigen:

- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektrofahrrads,
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Elektromotors, und
- 3 schematische Darstellungen des Regelungsverlaufs anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Alle nachstehend in Bezug auf die Ausführungsbeispiele und/oder die begleitenden Figuren offengelegten Merkmale können allein oder in einer beliebigen Unterkombination mit Merkmalen der Aspekte der vorliegenden Offenbarung, einschließlich Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen, kombiniert werden, vorausgesetzt, die sich ergebende Merkmalskombination ist für einen Fachmann auf dem Gebiet der Technik sinnvoll.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektrofahrrads 10.
Das Elektrofahrrad 10 umfasst ein Antriebssystem 12 und eine Tretkurbel 14. Das Antriebssystem 12 weist einen Elektromotor 16 auf und eine dem Elektromotor 16 zugeordnete Steuervorrichtung 18. Gemäß dieser Ausführungsform weist das Antriebssystem 12 auch einen mit dem Elektromotor 16 gekoppelten Drehzahlsensor 20 auf.
Der Drehzahlsensor 20 ist mit der Steuervorrichtung 18 gekoppelt und eingerichtet, um eine aktuelle Motordrehzahl des Elektromotors 16 zu erfassen.
In einer Alternative kann der Drehzahlsensor 20 auch intrinsisch in der Steuervorrichtung 18 ausgebildet sein, die die Motorströme des Elektromotors 16 auswertet, um indirekt die aktuelle Motordrehzahl des Elektromotors 16 zu bestimmen. Dies ist beispielsweise über die Erfassung der momentanen Induktivität möglich. Dazu ist die Steuervorrichtung 18 zumindest mit einer Leistungselektronik gekoppelt, die dem Elektromotor 16 zugeordnet ist. Die Leistungselektronik wird verwendet, um mittels Leistungsschaltern entsprechende Motorströme für den Elektromotor 16 bereitzustellen.
Der Elektromotor 16 ist angeordnet und eingerichtet, um mit der Tretkurbel 14 gekoppelt zu werden. Das bedeutet, dass ein Freilauf des Elektromotors 16 mit der Tretkurbel 14 geschlossen wird. Bei geschlossenem Freilauf kann von dem Elektromotor 16 für die Tretkurbel 14 eine Drehmomentunterstützung für eine Tretbewegung eines Fahrers bereitgestellt werden. Die Steuervorrichtung 18 ist optional eingerichtet, um die Drehmomentunterstützung für die Tretkurbel 14 bei geschlossenem Freilauf freizugeben.
Der Elektromotor 16 kann sich daher bezüglich der Tretkurbel 14 in einem ausgekoppelten und einem eingekoppelten Zustand (geöffneter/geschlossener Freilauf) befinden.
Das Antriebssystem 12 ist basierend auf dem Elektromotor 16 und der Steuervorrichtung 18 zumindest eingerichtet, um das mit Bezug auf 2 erläuterte Verfahren auszuführen.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens 22 zum Betreiben eines Elektromotors 16. Optionale Schritte sind gestrichelt dargestellt.
Im Schritt 24 wird ein angefordertes Ausgangsdrehmoment des Elektromotors 16 basierend auf einem Vergleich zwischen einem angeforderten Drehzahlgradienten des Elektromotors 16 und einem aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors 16 bestimmt. Dazu kann beispielsweise der Drehzahlsensor 20 genutzt werden, mittels dem die zeitliche Entwicklung der Motordrehzahl des Elektromotors 16, also der aktuelle Drehzahlgradient des Elektromotors 16 bestimmbar ist. Der Drehzahlsensor 20 kann die erfassten Drehzahlwerte des Elektromotors 16 an die Steuervorrichtung 18 übermitteln.
Im Schritt 26 wird ein geschlossener Freilauf erfasst. Dies kann auf zwei verschiedenen Beurteilungstechniken basieren. Die Beurteilungstechniken können jeweils einzeln oder auch gemeinsam herangezogen werden, um den geschlossenen Freilauf zu erfassen.
Im Schritt 28 wird gemäß einer ersten Beurteilungstechnik der geschlossene Freilauf basierend darauf erkannt, dass ein zeitlicher Verlauf des angeforderten Ausgangsdrehmoments des Elektromotors 16 eine stetige Erhöhung aufweist und das angeforderte Ausgangsdrehmoment einen Ausgangsdrehmomentschwellwert überschreitet. Der Ausgangsdrehmomentschwellwert ist vorbestimmt. Alternativ kann der Ausgangsdrehmomentschwellwert auch einstellbar oder vom Nutzer auswählbar sein. Ferner kann der Ausgangsdrehmomentschwellwert aus einer Reihe verschiedener Ausgangsdrehmomentschwellwerte basierend auf Antriebsparametern des Antriebssystems 12 auswählbar sein, beispielsweise durch die Steuervorrichtung 18 anhand von Umsetzungstabellen.
Im Schritt 30 wird gemäß einer zweiten Beurteilungstechnik der geschlossene Freilauf basierend darauf erkannt, dass ein zeitlicher Verlauf einer Differenz zwischen dem angeforderten Drehzahlgradienten des Elektromotors 16 und dem aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors 16 eine stetige Erhöhung aufweist und die Differenz einen Differenzschwellwert überschreitet. Dabei sind der angeforderte Drehzahlgradient und die Differenz jeweils positiv. Der Differenzschwellwert ist vorbestimmt. Alternativ kann der Differenzschwellwert auch einstellbar oder vom Nutzer auswählbar sein. Ferner kann der Differenzschwellwert aus einer Reihe verschiedener Differenzschwellwerte basierend auf Antriebsparametern des Antriebssystems 12 auswählbar sein, beispielsweise durch die Steuervorrichtung 18 anhand von Umsetzungstabellen.
Das bedeutet, dass der geschlossene Freilauf des Elektromotors 16 erkannt werden kann, ohne dass dazu eine Erfassung einer Kadenz der Tretkurbel 14 oder eine Erfassung eines aktuellen Ausgangsdrehmoments des Elektromotors 16 benötigt wird. Dadurch ermöglicht das Verfahren 22 eine verbesserte Präzision bei der Bestimmung der Einkoppelzeitpunkte des Elektromotors 16, da Schwankungen der Basiswerte, die der Erfassung zugrunde liegen, weitgehend vermieden werden können. Zusätzlich kann das Verfahren 22 durch den optionalen Schritt 32 weitergebildet werden. Im Schritt 32 wird die Motordrehzahl des Elektromotors 16 bestimmt, beispielsweise anhand des Drehzahlsensors 20. Die Steuervorrichtung kann dann den aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors 16 basierend auf einem zeitlichen Verlauf der Motordrehzahl des Elektromotors 16 bestimmen. Die Motordrehzahl des Elektromotors 16 muss zu Regelungszwecken ohnehin erfasst werden. Vorteilhaft sind keine weiteren Größen notwendig, um den geschlossenen Freilauf zu erkennen.
Im Schritt 30 kann optional der angeforderte Drehzahlgradient des Elektromotors 16 basierend auf einem Vergleich einer Synchrondrehzahl der Tretkurbel 14 des Elektrofahrrads 10 mit der aktuellen Motordrehzahl des Elektromotors 16 bestimmt werden. Der angeforderte Drehzahlgradient spiegelt dann ein Korrekturmaß der aktuellen Motordrehzahl des Elektromotors 16 gegenüber der Synchrondrehzahl wieder.
Das Verfahren 22 kann ferner durch den optionalen Schritt 33 weitergebildet werden. Im Schritt 33 wird eine Drehmomentunterstützung für eine Tretkurbel 14 des Elektrofahrrads 10 durch die Steuervorrichtung 18 ausgelöst, sofern durch die Steuervorrichtung 18 ein geschlossener Freilauf des Elektromotors 16 erkannt wird. Dadurch kann der Nutzerwunsch nach einer Leistungsunterstützung bedient werden. Vorteilhaft erfolgt die Drehmomentunterstützung erst dann, wenn der geschlossene Freilauf zuverlässig erkannt worden ist. Erst wenn die Drehmomentunterstützung ausgelöst wird, treten auch Bauteilbelastungen der Komponenten des Antriebssystems 12 auf. Da die Präzision der Bestimmung der Einkoppelzeitpunkte gegenüber bisherigen Ansätzen verbessert ist, können Fehlbelastungen der Komponenten des Antriebssystems 12 vorteilhaft verhindert werden. Die Lebensdauer des Antriebssystems 12 ist daher verbessert und der Nutzerkomfort ist erhöht.
Das Regelungsverhalten der Steuervorrichtung 18 wird nachfolgend mit Bezug auf 3 näher erläutert. 3 zeigt schematische Darstellungen des Regelungsverlaufs anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens 22.
Im oberen Teil von 3 ist die Drehzahl n gegenüber der Zeit t aufgetragen. Darin ist mit 36 die Drehzahl der Tretkurbel 14 des Elektrofahrrads 10 bezeichnet. Mit 38 ist die Drehzahl des Elektromotors 16 bezeichnet.
Im unteren Teil von 3 ist das Drehmoment T gegenüber der Zeit t aufgetragen. Mit 40 wird dabei das angeforderte Drehmoment T_anf bezeichnet. Mit 42 wird das vom Elektromotor 16 ausgegebene Drehmoment T_M bezeichnet. Gemäß dieser Ausführungsform wird ein kombinierter Regelungsmechanismus verwendet. Das bedeutet, dass sowohl die Vorwärtsregelung als auch die Rückkopplungsregelung genutzt werden. Deshalb setzt sich das vom Elektromotor 16 ausgegebene Drehmoment T_M aus zwei Anteilen 44, 46 zusammen. Der Anteil 44 bezeichnet den durch die Vorwärtsregelung bewirkten Anteil des Drehmoments des Elektromotors 16, nämlich T_Vorw. Mit 46 wird der Anteil T_Rückk des Drehmoments des Elektromotors 16 bezeichnet, der durch die Rückkopplungsregelung bestimmt ist.
Mit 42a ist der Verlauf des von dem Elektromotor 16 ausgegebenen Drehmoments T_M in gestrichelten Linien dargestellt, der sich ergeben würde, wenn ausschließlich die Vorwärtsregelung genutzt werden würde, um das von dem Elektromotor 16 tatsächlich ausgegebene Drehmoment T_M an das angeforderte Drehmoment T_anf anzugleichen. Der Verlauf 42a zeigt ein stufenartiges zeitliches Verhalten. Man erkennt, dass sich in diesem Fall zu den unterschiedlichen Zeitpunkten t1, t2, t3 abrupte und damit schlagartige Änderungen des tatsächlich von dem Elektromotor 16 ausgegebenen Drehmoments T_M ergeben würden. Würde der Verlauf des angeforderten Drehmoments 42a genutzt, um die Einkoppelzeitpunkte des Freilaufs zu erfassen, so käme es zu Abweichungen von der tatsächlichen Übereinstimmung der Motordrehzahl mit der Synchrondrehzahl. Daher käme es zu schlagartigen Bauteilbelastungen für Komponenten des Antriebssystems 12, wodurch deren Lebensdauer verkürzt wäre. Zusätzlich wäre der Nutzerkomfort limitiert, beispielsweise durch Geräuschentwicklungen. Diese abrupten Änderungen können vorliegend vermieden werden. Durch die Nutzung der Rückkopplungsregelung werden kontinuierliche und stetige Änderungen des von dem Elektromotor 16 ausgegebenen Drehmoments T_M bewirkt, siehe den Verlauf 42.
Die Regelung, die durch die Steuervorrichtung 18 bewirkt wird, gewährleistet zum Zeitpunkt t1 eine Erhöhung der Drehzahl des Elektromotors 16. Über die Zeitpunkte t2 und t3 hinweg wird die Drehzahl des Elektromotors 16 der Kadenz der Tretkurbel 14 angepasst. Beim Zeitpunkt t4 entspricht die Drehzahl des Elektromotors 16 im Wesentlichen der Kadenz der Tretkurbel 14 und damit der Synchrondrehzahl. Erst jetzt kommt überhaupt ein Einkoppeln des Elektromotors 16 mit der Tretkurbel 14 infrage.
Zusätzlich werden gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Vorwärtsregelung und die Rückkopplungsregelung genutzt, um das tatsächlich vom Elektromotor 16 ausgegebene Drehmoment T_M gemäß dem Verlauf 42 dem angeforderten Drehmoment T_anf gemäß dem Verlauf 40 anzupassen. Zum Zeitpunkt t5 ist diese Anpassung so weit erfolgt, dass die Einkopplung des Elektromotors 16 in die Tretkurbel 14 erfolgen kann.
Zur Erfassung des geschlossenen Freilaufs des Elektromotors 16 können nun zwei Beurteilungstechniken 48, 50 individuell oder gemeinsam genutzt werden.
Mit 48 ist eine erste Beurteilungstechnik gezeigt, die auf dem zeitlichen Verlauf einer Differenz zwischen dem angeforderten Drehzahlgradienten des Elektromotors 16 und dem aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors 16 basiert. Weist die Differenz eine stetige Erhöhung auf und überschreitet die Differenz einen Differenzschwellwert, wobei der angeforderte Drehzahlgradient und die Differenz jeweils positiv sind, so wird der geschlossene Freilauf erkannt. Die angeforderte Drehzahl des Elektromotors 16 ist über die Synchrondrehzahl, also die Drehzahl 36 der Tretkurbel 14 bestimmt. Wird die aktuelle Drehzahl 38 des Elektromotors 16 über die Zeitpunkte t1, t2, t3 hinweg der angeforderten Drehzahl des Elektromotors 16 angenähert, so „überschießt“ die aktuelle Drehzahl 38 des Elektromotors 16 die angeforderte Drehzahl des Elektromotors 16 im Verlauf der Angleichung, beispielsweise zum Zeitpunkt t4. Das führt dazu, dass der angeforderte Drehzahlgradient des Elektromotors 16 positiv wird und größer als der aktuelle Drehzahlgradient des Elektromotors 16. Folglich ist die Differenz zwischen beiden positiv. Daher kann ein bedarfsgerechter Differenzschwellwert vorgesehen werden, basierend auf dem der geschlossene Freilaufs des Elektromotors 16 zuverlässig erkennbar ist.
Mit 50 ist eine zweite Beurteilungstechnik gezeigt, die den geschlossenen Freilauf des Elektromotors 16 basierend darauf erkennt, dass ein zeitlicher Verlauf des angeforderten Ausgangsdrehmoments 40 des Elektromotors 16 eine stetige Erhöhung aufweist und das angeforderte Ausgangsdrehmoment 40 des Elektromotors 16 einen Ausgangsdrehmomentschwellwert überschreitet. Dadurch, dass der Freilauf in diesem Fall geschlossen ist, setzt die Drehmomentunterstützung ein. Von dem Elektromotor 16 wird dann ein sich erhöhendes angefordertes Ausgangsdrehmoment 40 gewünscht. Der sich ergebende Verlauf des angeforderte Ausgangsdrehmoments 40 kann daher als Beurteilungskriterium zur Erkennung des geschlossenen Freilaufs des Elektromotors 16 genutzt werden.
Beispielsweise wird die Tretbewegung des Fahrers dann vom Zeitpunkt t5 an durch eine Drehmomentunterstützung, die durch den Elektromotor 16 bewirkt wird, unterstützt und damit erleichtert.
In der vorliegenden Anmeldung kann auf Mengen und Zahlen Bezug genommen werden. Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind solche Mengen und Zahlen nicht als einschränkend zu betrachten, sondern als Beispiele für die möglichen Mengen oder Zahlen im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung. In diesem Zusammenhang kann in der vorliegenden Anmeldung auch der Begriff „Mehrzahl“ verwendet werden, um auf eine Menge oder Zahl zu verweisen. In diesem Zusammenhang ist mit dem Begriff „Mehrzahl“ jede Zahl gemeint, die größer als eins ist, zum Beispiel zwei, drei, vier, fünf, und so weiter. Die Begriffe „etwa“, „ungefähr“, „nahe“ und so weiter bedeuten plus oder minus 5 % des angegebenen Wertes.

Claims

Verfahren (22) zum Betreiben eines Elektromotors (16) für ein Elektrofahrrad (10), wobei der Elektromotor (16) einen Freilauf aufweist und bei geschlossenem Freilauf eine Drehmomentunterstützung für eine Tretkurbel (14) des Elektrofahrrads (10) gewährleistet, wobei: ein angefordertes Ausgangsdrehmoment des Elektromotors (16) basierend auf einem Vergleich zwischen einem angeforderten Drehzahlgradienten des Elektromotors (16) und einem aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors (16) bestimmt wird, und der geschlossene Freilauf des Elektromotors (16) basierend darauf erkannt wird, dass ein zeitlicher Verlauf des angeforderten Ausgangsdrehmoments eine stetige Erhöhung aufweist und das angeforderte Ausgangsdrehmoment einen Ausgangsdrehmomentschwellwert überschreitet, oder ein zeitlicher Verlauf einer Differenz zwischen dem angeforderten Drehzahlgradienten des Elektromotors (16) und dem aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors (16) eine stetige Erhöhung aufweist und die Differenz einen Differenzschwellwert überschreitet, wobei der angeforderte Drehzahlgradient und die Differenz jeweils positiv sind.
Verfahren (22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Freilauf ohne eine Erfassung einer Kadenz der Tretkurbel (14) und ohne eine Erfassung eines aktuellen Ausgangsdrehmoments des Elektromotors (16) erkannt wird.
Verfahren (22) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Motordrehzahl des Elektromotors (16) bestimmt wird, und wobei der aktuelle Drehzahlgradient des Elektromotors (16) basierend auf einem zeitlichen Verlauf der Motordrehzahl des Elektromotors (16) bestimmt wird.
Verfahren (22) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der angeforderte Drehzahlgradient des Elektromotors (16) basierend auf einem Vergleich einer Synchrondrehzahl der Tretkurbel (14) des Elektrofahrrads (10) mit der aktuellen Motordrehzahl des Elektromotors (16) bestimmt wird.
Antriebssystem (12) mit einem Elektromotor (16) und einer dem Elektromotor (16) zugeordneten Steuervorrichtung (18) für ein Elektrofahrrad (10), wobei die Steuervorrichtung (18) eingerichtet ist, um ein angefordertes Ausgangsdrehmoment des Elektromotors (16) basierend auf einem Vergleich zwischen einem angeforderten Drehzahlgradienten des Elektromotors (16) und einem aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors (16) zu bestimmen, einen geschlossenen Freilauf des Elektromotors (16) basierend darauf zu erkennen, dass ein zeitlicher Verlauf des angeforderten Ausgangsdrehmoments eine stetige Erhöhung aufweist und das angeforderte Ausgangsdrehmoment einen Ausgangsdrehmomentschwellwert überschreitet, oder ein zeitlicher Verlauf einer Differenz zwischen dem angeforderten Drehzahlgradienten des Elektromotors (16) und dem aktuellen Drehzahlgradienten des Elektromotors (16) eine stetige Erhöhung aufweist und die Differenz einen Differenzschwellwert überschreitet, wobei der angeforderte Drehzahlgradient und die Differenz jeweils positiv sind.
Antriebssystem (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (18) eingerichtet ist, um in Folge eines erkannten, geschlossenen Freilaufs des Elektromotors (16) eine Drehmomentunterstützung für eine Tretkurbel (14) des Elektrofahrrads (10) auszulösen.
Antriebssystem (12) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem (12) ferner zumindest einen Drehzahlsensor (20) zur Erfassung der aktuellen Drehzahl des Elektromotors (16) aufweist.
Elektrofahrrad (10) mit einem Antriebssystem (12) nach einem der Ansprüche 5 bis 7 oder einem Elektromotor (16), der nach einem Verfahren (22) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 betreibbar ist.