DE102010017742A1

DE102010017742A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines Hilfsmotors eines Fahrrads und Ansteuereinheit

Info

Publication number: DE102010017742A1
Application number: DE102010017742A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: PANTHERWERKE AG
Current assignee: PANTHERWERKE AG
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2012-01-05

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors (M) eines Fahrzeugs, insbesondere eines Fa(FR) ein von dem Elektromotor (M) aufzubringendes Unterstützungsmoment (MMO) in Abhängigkeit von einem von einem Fahrer aufgebrachten Fahrermoment (FM) bestimmt wird, wobei das Fahrermoment (FM) durch einen Vergleich eines in der Steuereinheit (FR) gespeicherten Fahrmodells mit während der Fahrt aufgenommenen Messgrößen (v, tFr, a) geschätzt wird. Desweiteren wird eine Ansteuereinheit beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors, eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Ansteuereinheit.
Elektromotoren zur Unterstützung des Muskelkrafteinsatzes eines Fahrradfahrers sowie deren Ansteuerung sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Das einzustellende Motormoment wird dabei üblicherweise in einem in Fahrversuchen und einfachen Simulationsmodellen optimierten Kennfeld abgelegt, welches zumindest die Trittfrequenz des Fahrers sowie die Geschwindigkeit des Fahrzeugs berücksichtigt.
Bei herkömmlichen Ansteuerverfahren wird zunächst die vom Nutzer des Fahrzeugs eingebrachte Kraft durch Messung eines Drehmomentes auf die Pedale eines Fahrrads oder durch die Verformung von Fahrzeugteilen, die einer von dem Fahrzeugbenutzer ausgeübten Kraft ausgesetzt sind. Anschließend wird mit einer Echtzeitsignalverarbeitung eine kontinuierliche Nachregelung der von dem Hilfsmotor aufzubringenden Motorkraft durchgeführt.
Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Ansteuerverfahren ist zum einen die Anfälligkeit für Störeinflüsse durch ähnlich geartete Verformungen der an der Messung der Krafteinwirkung beteiligten Bauteile, die nicht aus der Kraftausübung des Benutzers stammen.
Ein weiterer Nachteil besteht in der konstruktiven Komplexität der Integration der einzelnen Messelemente in den Antriebsstrang des Fahrzeugs, sowie eine damit einhergehende zusätzliche Masse, die der an der stets geforderten Gewichtsreduzierung solcher Fahrzeuge entgegensteht. Zudem müssen an unterschiedlichen Stellen des Fahrzeugs angebrachte Elemente durch störanfällige Kabelverbindungen miteinander verbunden werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors eines Fahrzeugs sowie eine Ansteuereinheit bereit zu stellen, mit denen die oben genannten Nachteile beseitigt werden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors eines Fahrzeugs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Ansteuereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einer Steuereinheit ein von dem Elektromotor aufzubringendes Unterstützungsmoment in Anhängigkeit von einem von einem Fahrer aufgebrachten Fahrermoment bestimmt, wobei des Fahrermoment durch einen Vergleich eines in der Steuereinheit gespeicherten Fahrmodells mit während der Fahrt aufgenommenen Messgrößen geschätzt wird. Mit einem solchen Verfahren können Drehmomentsensoren oder Sensoren zur Bestimmung der Verformung von Fahrzeugbauteilen sowie deren Verkabelung eingespart werden. Neben der damit einhergehenden Kostenersparnis kann bei der Anwendung dieses Verfahrens auch des Fahrzeuggewicht durch Einsparung der vorgenannten Sensoren reduziert werden.
Die Schätzung des Fahrermoments hat im Gegensatz zur genauen Bestimmung mit Hilfe von Sensoren den Vorteil, dass die Qualität des Fahrgefühls des Fahrers erhöht wird, da die menschliche Wahrnehmung zur Vereinfachung neigt und eine ständig angepasste Anpassung des von dem Elektromotor aufgebrachten Unterstützungsmomentes eher als störend denn als nützlich empfindet.
Vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden als Messgrößen die Geschwindigkeit des Fahrzeuges und/oder die Trittfrequenz des Fahrers aufgenommen. Die Aufnahme dieser Messgrößen erfolgt durch die Nutzung von ohnehin vorhandenen Sensoren, so dass durch einen Vergleich dieser Messgrößen mit dem in der Steuereinheit gespeicherten Fahrmodell eine hinreichend genaue Abschätzung des Fahrermoments erfolgen kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird das Fahrmodell während der Fährt kontinuierlich aktualisiert. Hier können bestimmte Fahrsituationen ausgenutzt wenden, beispielsweise das Rollen, beim dem das vom Fahrer ausgeübte Fahrermoment = 0 ist oder beim Fahren mit konstanter Geschwindigkeit, bei dem die Beschleunigung = 0 ist, um einzelne Parameter des Fahrmodells, beispielsweise die Gesamtmasse, bestehend aus Fahrzeug und Fahrer oder den Rollwiderstand weiter an die aktuellen Bedingungen anzupassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante kann der Fahrer das von dem Elektromotor aufzubringende Unterstützungsmoment über eine Auswahl eines von mehreren in der Steuereinheit gespeicherten Fahrmodellen einstellen. Dadurch hat der Fahrer die Möglichkeit, den von ihm geforderten Muskelkrafteinsatz je nach Wunsch zu erhöhen oder zu erniedrigen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand Von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf de beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung der Ansteuerung des Elektromotors.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors eines Fahrzeugs anhand einer Fahrerunterstützung eines an einem Fahrrad angebrachten Elektromotors erläutert. Diese Anwendung des Verfahrens bei einem Elektromotor eines Fahrrads ist aber nicht einschränkend zu verstehen. Das Verfahren lässt sich auch auf andere Typen von Mensch-Motor-Hybridfahrzeuge wie beispielsweise Roller mit Fußabstoßantrieb oder Elektrorollstühlen mit kombiniertem Handmotorantrieb übertragen.
Zur Fahrerunterstützung eines Radfahrers mit Hilfe eines Elektromotors wird einem mehrstufigen, in 1 schematisch dargestellten Regelkonzept realisiert. Dabei erfolgt die Ansteuerung eines Motors M in einem Motorregler MR, der von einem Fahrregler FR angesteuert wird.
Der Motorregler übernimmt dabei die Regelung des von dem Elektromotor abzugebenden Unterstützungsmomentes M_MO, während der Fahrregler das vom Fahrer aufgebrachte Fahrermoment M_F ermittelt, daraus das geforderte Unterstützungsmoment M_Mo ableitet und diese als Sollvorgabe an den Motorregler MR weitergibt.
Im Folgenden soll ein Ansatz zur modellbasierten Regelung skizziert werden. Das wirksame Gesamtmoment M_Ges, das zum Antrieb eines Fahrzeugrades wirksam ist, kann durch ein einfaches Fahrmodell ausgedrückt werden als
Das Gesamtmoment M_Ges setzt sich zusammen aus dem vom Motor aufgebrachten Unterstützungsmoment M_Mo und dem vom Fahrer im aufgebrachten Fahrermoment M_F, welches abhängig von einem aktuellen Übersetzungsverhältnis z2/z1 eines das Fahrermoment M_F aufnehmenden Getriebes in die Berechnung des Gesamtmomentes eingeht. Diese aus dem Gesamtmoment in dies resultierende Kraft wird zur Beschleunigung a_x des Fahrrads, zur Überwindung einer aktuellen Steigung α und/oder zum Ausgleich von geschwindigkeitsabhängigen Kräften wie Reibung und Luftwiderstand genutzt. Zur Momenten-basierten Steuerung kann vom motorausgeübte Unterstützungsmoment M_Mo so vorgegeben werden, dass immer ein gewisser Anteil oder ein konstanter Wert des notwendigen Gesamtmoments vom Fahrer aufgebracht werden muss. Dazu muss das vom Fahrer aufgebrachte Moment M_F bekannt sein. Demgemäß muss das Fahrermoment M_F entweder gemessen werden, wie es im Stand der Technik der Fall ist, oder durch eine Abschätzung aus bekannten Sensorgrößen, wie es bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist, bestimmt werden.
Das Fahrermoment M_F wird basierend auf einem fahrdynamischen Modell abgeschätzt, in dem vorhandene Informationen vom Fahrregler FR genutzt werden. Als Eingangsgrößen dienen dabei die Trittfrequenz des Fahrers, die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs, das eingestellte Motormoment M_Mo und gegebenenfalls ein Beschleunigungssensor, der bevorzugt eine Beschleunigung in mehreren Achsen messen kann. Dabei wird aus der Beschleunigungsmessung die Steigung der Fahrtstrecke bestimmt Die Fahrgeschwindigkeit sowie die Trittfrequenz gehen in die Schätzung der Übersetzung ein. Mit diesen Daten kann aus einem Vergleich mit dem zugrunde liegenden Fahrmodell das Fahrermoment M_F geschätzt werden.
Das zugrunde liegende Fahrmodell kann zudem in bestimmten Fahrsituationen adaptiert werden. So können beispielsweise während einer Rollphase des Fahrzeuges, bei dem Fahrermoment M_F = 0 ist oder bei konstanter Geschwindigkeit, bei dem die Beschleunigung a_x = 0 ist Fahrparameter wie die Masse, der Rollwiderstand und gegebenenfalls weitere Fahrparameter angepasst werden.
Bevorzugt sind in der hier als Fahrregler ausgebildeten Steuereinheit mehrere Unterstützungsmodelle gespeichert, die über eine am Fahrzeug angebrachte Schalteinrichtung eingestellt werden.
Gemäß einer besonderen Ausführungsvariante ist diese Schalteinrichtung als Drehgriff am Lenker eines als Fahrrad ausgebildeten Fahrzeugs ausgebildet, wobei durch die Stellung des Drehgriffs die Unterstützung des Fahrers situationsabhängig angepasst wenden kann. Diese vom Fahrer über die Schalteinrichtung eingegebene Information kann zusätzlich in die Adaption des Fahrmodells eingehen und so eine weiter verbesserte Anpassungsmöglichkeit schaffen.
Die Fahrmodelle können beispielsweise dergestalt sein, dass das vom Motor aufzubringende Unterstützungsmoment M_Mo so angesteuert wird, dass das vom Fahrer aufzubringende Fahrermoment M_F konstant gehalten wird und dem Fahrer so auch bei einem Anstieg des Geländes eine gleichbleibende Beanspruchung abverlangt. Bei einem alternativen Funktionsansatz wird das Unterstützungsmoment M_Mo so angesteuert, dass das vom Fahrer aufzubringende Fahrermoment M_F abhängig von der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeugs verändert wird.
Wichtig ist, dass die Bestimmung des Unterstützungsmomentes M_Mo mit wenigen Messsensoren auskommt, insbesondere eine Messung des Fahrermomentes M_F vermieden werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Ansteuereinheit ist außerdem eine Reduzierung der Prozessorlast ermöglicht, da die Anzahl Regelungsstufen in diesem Verfahren auf ein Maß begrenzt ist, dass der menschlichen Wahrnehmung entspricht.
Bezugszeichenliste

M_F: Fahrermoment
FR: Fahrregler
M_Ges,: Gesamtmoment
M: Motor
MR: Motorregler
M_Mo: Unterstützungsmoment
α: Steigung
a_x: Beschleunigung

Claims

Verfahren zur Ansteuerung eines Elektromotors (M) eines Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrrads, wobei in einer Steuereinheit (FR) ein von dem Elektromotor (M) aufzubringendes Unterstützungsmoment (M_Mo) in Abhängigkeit von einem von einem Fahrer aufgebrachten Fahrermoment (M_F) bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrermoment (M_F) durch einen Vergleich eines in der Steuereinheit (FR) gespeicherten Fahrmodells mit während der Fahrt aufgenommenen Messgrößen (v, t_Fr, a) geschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messgrößen die Geschwindigkeit des Fahrzeugs (v) und/oder die Trittfrequenz (t_Fr,) des Fahrers aufgenommen wenden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs über die Raddrehzahl eines Fahrzeugrades bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Messgröße die Steigung (α) des Fahrweges bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung (α) des Fahrweges über die Beschleunigung des Fahrrades bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrmodell während der Fahrt kontinuierlich aktualisiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterstützungsmoment (M_Mo) so angesteuert wird, dass das vom Fahrer aufzubringende Fahrermoment (M_F) konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterstützungsmoment (M_Mo) so angesteuert wird, dass das vom Fahrer aufzubringende Fahrermoment (M_F) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit (v) des Fahrzeugs verändert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über eine Auswahl eines von mehreren in der Steuereinheit (FR) gespeicherten Fahrmodellen das Unterstützungsmoment (M_Mo) einstellbar ist
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrmodell über eine am Fahrzeug angebrachte Schalteinrichtung (SE) eingestellt wird.
Ansteuereinheit eines mit einem Elektromotor (M) ausgestatteten Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrrads, aufweisend mehrere Sensoren zur Messung verschiedener Messgrößen wie Geschwindigkeit (v), Trittfrequenz (t_Fr) und/oder Beschleunigung (a) sowie einer Steuereinheit (FR) zur Bestimmung eines von dem Elektromotor (M) auszuübenden Unterstützungsmoment (M_Mo) zur Unterstützung eines von einem Fahrer ausgeübten Fahrermomentes (M_F), dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrermoment (M_F) durch einen Vergleich eines in der Steuereinheit (FR) gespeicherten Fahrmodells mit während der Fahrt aufgenommenen Messgrößen (v, t_Fr, a) schätzbar ist.
Ansteuereinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterstützungsmoment (M_Mo) stufenweise ansteuerbar ist.
Ansteuereinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der ansteuerbaren Unterstützungsmomente (M_Mo) auf 10 bis 20 begrenzt ist.