DE20002006U1

DE20002006U1 - Steuerung für den elektrischen Hilfsantrieb eines Fahrrads und damit ausgerüstetes Fahrrad

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Publication number: DE20002006U1
Application number: DE20002006U
Authority: DE
Original assignee: SACHSEN ZWEIRAD GmbH
Current assignee: SACHSEN ZWEIRAD GmbH
Priority date: 2000-02-07
Filing date: 2000-02-07
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2010-02-08

Description

Hauptstr. 37 01904 Neukirch (Lausitz)

Steuerung für den elektrischen Hilfsantrieb eines Fahrrads und

damit ausgerüstetes Fahrrad

Be s ehre ibung

Die Erfindung betrifft eine Steuerung für den elektrischen Hilfsantrieb eines Fahrrads. Die Steuerung enthält einen Dreh momentsensor, der das vom Radfahrer aufgebrachte Drehmoment erfaßt und das vom elektrischen Hilfsantrieb erzeugte Drehmoment in Abhängigkeit von dem erfaßten, vom Radfahrer aufgebrachten Drehmoment steuert.

Fahrräder dürfen nach StvZO mit einem elektrischen Hilfsantrieb ausgestattet werden, wenn dieser nicht mehr als 50% der

&iacgr;&ogr; Gesamtantriebsleistung abgibt. Das bedeutet, daß der Hilfsantrieb im Maximum genau dieselbe Leistung abgeben darf, wie der Radfahrer selbst. Für die nachfolgenden Elemente des Antriebssystems (Kurbel, Kettenblatt, Kette, Nabe und Laufrad) hat das zur Folge, daß die Beanspruchungen auf das Doppelte des normalen Betriebes ansteigen können. Handelsübliche Fahrradkomponenten halten häufig derartigen Belastungen nicht stand. Die zulässigen Beanspruchungen werden zeitweise über-

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schritten und Komponenten des Antriebssystems, z.B. die Hinterradnabe, können mechanisch zerstört werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Überbeanspruchungen zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Drehmoment, das von dem elektrischen Hilfsantrieb erzeugt wird, so steuerbar ist, daß es in Abhängigkeit von dem Drehmoment begrenzt wird, das vom Radfahrer aufgebracht wird.

Vorzugsweise ist das Drehmoment, das von dem elektrischen Hilfsantrieb erzeugt wird, so steuerbar, daß das Gesamtdrehmoment des Radfahrers und des elektrischen Hilfsantriebs einen voreinstellbaren Wert nicht überschreitet.

Durch die Erfindung wird das an den Antriebskomponent^en angreifende Drehmoment begrenzt.

Selbstverständlich läßt sich ein Überschreiten des voreinstellbaren Wertes des Gesamtdrehmomentes nicht verhindern, wenn der Radfahrer selbst bereits ein Drehmoment aufbringt, das höher als der voreingestellte Wert ist. Aufgrund der Steuerung liefert der elektrische Hilfsantrieb dann jedenfalls kein zusätzliches Drehmoment.

Wie bekannt, kann der elektrische Hilfsantrieb ferner so gesteuert werden, daß sein Beitrag zum Gesamtdrehmoment maximal dem vom Radfahrer aufgebrachten Drehmoment entspricht. Dadurch werden die Vorschriften der StvZO erfüllt.

Vorzugsweise wird in einer ersten Steuereinheit, die als externe Mikrocontrollersteuerung ausgebildet sein kann, das von dem Drehmomentsensor erzeugte, ankommende Steuersignal ab dem Punkt, an dem es mehr als dem halben Wert des vorgegebenen maximalen Gesamtdrehmoments entspricht, so verändert, daß das abgehende Steuersignal nur noch einem Drehmoment entspricht,

das um den gleichen Betrag unter dem halben Wert des maximalen Gesamtdrehmoments liegt, um den das ankommende Steuersignal über diesem Gesamtdrehmoment lag. In einer zweiten Steuereinheit wird das von der ersten Steuereinheit abgehende Steuersignal dann zur Steuerung des elektrischen Hilfsantriebs verwendet. Die zweite Steuereinheit kann eine interne sein, d.h. sie kann in den Hilfsantrieb integriert sein. Normalerweise wird der elektrische Hilfsantrieb bereits vom Hersteller mit dieser Steuereinheit ausgerüstet. Die Erfindung läßt sich &iacgr;&ogr; in dieser Ausführungsform mit den bereits auf dem Markt verfügbaren Komponenten einfach realisieren, da zu den vorhandenen Komponenten nur die erste, externe Steuereinheit hinzugefügt wird.

is Das zulässige maximale Gesamtdrehmoment kann vorzugsweise durch Software an der ersten Steuereinheit eingestellt werden.

Das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Lösung besteht dabei in folgendem: Durch eine zusätzliche, externe Mikrocontrollersteuerung wird das vom Motor abgegebene Drehmoment so geregelt, daß in Addition mit dem menschlichen "Drehmoment" das Gesamtdrehmoment auf einen per Software einstellbaren Wert begrenzt wird. Eine Änderung dieses Wertes (notwendig durch andere Komponenten, Übersetzungen usw.) ist durch einfache Neuprogrammierung des Mikrokontrollers durchführbar. Sinnvollerweise sollten je nach Nutzungsart beim Endkunden verschiedenartig programmierte Mikrocontroller zur Auswahl stehen.

Beide Steuereinheiten können auch zu einer einzigen Steuereinheit kombiniert werden, die dann zweckmäßig in den Hilfsantrieb integriert wird.

Mit besonders geringem Aufwand läßt sich das Drehmoment des elektrischen Hilfsantriebs dadurch steuern, daß die Stromaufnähme auf einen vorgegebenen Wert begrenzt ist. Bei dieser Steuerung bleibt das von dem elektrischen Hilfsantrieb erzeugte Drehmoment ab einem vorgegebenen Wert des vom Radfahrer

aufgebrachten Drehmoments konstant. Das Gesamtdrehmoment erhöht sich ab diesem Wert dann nur um den gleichen Betrag, um den der Radfahrer das von ihm aufgebrachte Drehmoment erhöht.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb, der in der oben angegebenen Weise gesteuert wird.

Bei dem elektrischen Hilfsantrieb für Fahrräder, der derzeit &iacgr;&ogr; von der Firma Yamaha angeboten wird, ist der elektrische Hilfsantrieb einschließlich des Drehmomentsensors im Tretlager integriert und wird das Gesamtdrehmoment von der Kette auf das Hinterrad übertragen. Es sind auch Elektrofahrräder bekannt, bei denen der elektrische Hilfsantrieb in die Nabe des Hinterrades oder des Vorderrades integriert ist. Durch die Kette wird dann nur das vom Radfahrer aufgebrachte Drehmoment übertragen, so daß das Kettenblatt und die Kette nicht durch das vom elektrischen Hilfsantrieb erzeugte Drehmoment beansprucht werden. Auch bei dieser Bauart eines Elektrofahrrads ist die Begrenzung des Drehmoments sinnvoll, da sie auch die Akkus schont.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es sind:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Antriebssystems;

Fig. 2 ein Diagramm der Abhängigkeit des Motordrehmoments von

dem Drehmoment, das der Radfahrer aufbringt, und 30

Fig. 3 ein Schaltbild der Steuerung.

Dieser Beschreibung ist ferner der Programm-Code des Mikrocontrollers beigefügt.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel kommt ein elektrischer Fahrrad-Hilfsantrieb des Models P.A.S.

(Power Assist System) der Firma Yamaha zum Einsatz. Er besteht aus einem permanenterregten Gleichstrommotor 10 mit Bürstenkommutator und einer Leistung von 235 Watt. Er wird von einem 24-Volt-Akkupack 12 gespeist. Die Leistungsstellung erfolgt durch eine interne Mikrocontrollersteuereinheit 14, die als mikrocontrollergesteuerter DC-Chopper realisiert ist und sich in der vom Pluspol des Akkupacks 12 zum Gleichstrommotor 10 führenden Leitung befindet. Der gesamte elektrische Hilfsantrieb ist in das Tretlager integriert. Die Mikrocontroller-Steuereinheit 14 ist in einem vergossenen Gehäuse untergebracht und ebenfalls im Tretlagergehäuse eingebaut. Er bietet keinerlei Eingriffsmöglichkeiten von außen. Um den gesetzlichen Anforderungen an Elektrofahrräder zu genügen, ist die Mikrocontrollersteuereinheit 14 so ausgelegt, daß der Motor maximal die Hälfte des Gesamtdrehmomentes liefert. Dazu erhält er von einem Drehmomentsensor 16, der am Kurbelantrieb angebracht ist und ebenfalls im Tretlagergehäuse eingebaut ist, ein analoges Steuersignal 18 als Steuergröße, wobei das Steuersignal das vom Radfahrer aufgebrachte Drehmoment angibt.

Diese soweit bekannte Steuerung verdoppelt durch den elektrischen Hilfsantrieb das vom Radfahrer aufgebrachte Drehmoment. An den einzelnen Elementen des Antriebssystems, insbesondere der Hinterradnabe, darf nach Angaben der jeweiligen Hersteller jedoch nur ein bestimmtes maximales Drehmoment wirken, um die betreffenden Baugruppen vor Beschädigungen zu schützen. Bei einem kräftigen Radfahrer besteht daher die Gefahr, daß das erzeugte Gesamtdrehmoment, nämlich die Summe des vom Radfahrer aufgebrachten Drehmoments und des von dem Gleichstrommotor 10 entwickelten Drehmoments, einzelne Komponenten des Antriebs überbeansprucht.

Bei der erfindungsgemäßen Steuerung wird eine solche Überbeanspruchung dadurch verhindert, daß das vom Kurbelantrieb abgegriffene Drehmoment-Steuersignal 18 zunächst einer weiteren, externen Mikrocontroller-Steuereinheit 20 zugeführt wird und dann erst der internen Mikrocontroller-Steuereinheit 14. Die

externe Mikrocontroller-Steuereinheit 20 verändert das Steuersignal 18 in der Weise, daß das Steuersignal 18 unverändert bleibt, solange es einen Drehmomentwert angibt, der unterhalb des halben Wertes des zulässigen Gesamtdrehmoments liegt. Bis zu diesem Wert leitet die externe Mikrocontroller-Steuereinheit 20 das ankommende Steuersignal 18 im Ergebnis unverändert als abgehendes Steuersignal 22 an die interne Mikrocontroller-Steuereinheit 14 weiter. Ab diesem Wert reduziert die externe Mikrocontroller-Steuereinheit 20 das Steuersignal so, daß das abgehende Steuersignal 22 um den gleichen Betrag unter dem halben Wert des zulässigen Gesamtdrehmoments liegt, den das eingehende Steuersignal über diesem Wert liegt. Bei einem sehr hohen vom Radfahrer aufgebrachten Drehmoment wird das vom Gleichstrommotor erzeugte Drehmoment daher so weit reduziert, daß das zulässige Gesamtdrehmoment nicht überschritten wird. Der Zusammenhang zwischen ankommendem und abgehendem Steuersignal 18 bzw. 22 ist in Fig. 2 graphisch dargestellt, wobei an der X-Achse die Winkelstellung der Tretkurbel und an der Y-Achse das vom Radfahrer aufgebrachte Drehmoment, das zusätzliehe, vom Motor 10 erzeugt Drehmoment und das Gesamtdrehmoment aufgetragen sind. Es ist der Drehmomentverlauf bei einer halben Kurbelumdrehung dargestellt, wobei im Bereich der waagerechten Kurbelstellung das vom Hilfsantrieb erzeugte Drehmoment verringert wird, damit das Gesamtdrehmoment den vorgegebenen Maximalwert nicht überschreitet.

In der ersten, externen Mikrocontroller-Steuereinheit 20 wird das ankommende Steuersignal 18 mittels eines A/D-Wandlers 26 digitalisiert. In einem MikroController 28 wird das digitale.

Signal dann mit einem Schwellwert verglichen. Liegt es unterhalb des Schwellwertes, so wird es unverändert weiter geleitet. Liegt das digitale Signal dagegen über dem Schwellwert, so wird es um den doppelten Betrag reduziert, um den es über dem Schwellwert liegt. Das so verarbeitete digitale Signal wird dann in einem D/A-Wandler 30 wieder in ein analoges Signal umgewandelt. Dieses wird als das abgehende Steuersignal

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22 an den Steuereingang der zweiten, internen Mikrocontroller-Steuereinheit 18 gelegt.

Fig. 3 ist das Schaltbild der externen Mikrocontroller-Steuereinheit 20. Das analoge, ankommende Steuersignal 18 des Drehmomentsensors 16 wird an den Kanal 0 eines PIC12C671-Prozessors 3 0 angelegt und in einen Digitalwert umgewandelt. Der PIC12C671-Prozessor 30 fungiert damit auch als A/D-Wandler. Dieser Drehmoment-Digitalwert wird in dem PIC12C671-Prozessor

&iacgr;&ogr; 30 ferner mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen und bei Überschreiten des Grenzwertes so korrigiert, daß der digitale Ausgabewert um den doppelten Wert reduziert ist, den der unkorrigierte Wert über dem vorgegebenen Schwellwert lag. Der korrigierte digitale Ausgabewert wird in einem AD5300-Baustein 34, der den D/A-Wandler 30 darstellt, wieder in einen analogen Wert umgewandelt und als abgehendes Steuersignal 22 der internen Mikrocontroller-Steuereinheit 14 zugeführt, &ngr;

Bezuqszeichenliste

10 Gleichstrommotor

12 24-Volt-Akkupack

14 interne Mikrocontrollersteuereinheit

16 Drehmomentsensor

18 ankommendes Steuersignal

20 externe Mikrocontroller-Steuereinheit

22 abgehende Steuersignal

26 A/D-Wandlers

28 Mikrocontroller

30 D/A-Wandler

32 PIC12C671-Prozessors

34 AD5300-Baustein

Claims

1. Steuerung für den elektrischen Hilfsantrieb eines Fahrrads mit einem Drehmomentsensor (16), der das vom Radfahrer aufgebrachte Drehmoment erfaßt und das vom elektrischen Hilfsantrieb (10) erzeugte Drehmoment in Abhängigkeit von dem erfaßten, vom Radfahrer aufgebrachten Drehmoment steuert, dadurch gekennzeichnet,

1. daß das Drehmoment, das von dem elektrischen Hilfsantrieb (10) erzeugt wird, so steuerbar ist, daß es in Abhängigkeit von dem Drehmoment begrenzt wird, das vom Radfahrer aufgebracht wird.

2. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmoment, das von dem elektrischen Hilfsantrieb (10) erzeugt wird, so steuerbar ist, daß das maximale Gesamtdrehmoment des Radfahrers und des elektrischen Hilfsantriebs (10) auf einen voreinstellbaren Wert begrenzbar ist.

3. Steuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Drehmomentsensor (16) erzeugte Steuersignal (18) ab dem Punkt, an dem es mehr als dem halben Wert des vorgegebenen maximalen Gesamtdrehmoments entspricht, in einer ersten Steuereinheit (20) so verändert wird, daß das abgehende Steuersignal (22) nur noch einem Drehmoment entspricht, das um den gleichen Betrag unter dem halben Wert des maximalen Gesamtdrehmoments liegt, um den das ankommende Steuersignal (18) über diesem Gesamtdrehmoment lag, und daß in einer zweiten Steuereinheit (14) das von der ersten Steuereinheit (20) abgehende Steuersignal (22) dann zur Steuerung des elektrischen Hilfsantriebs (10) verwendet.

4. Steuerung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Steuereinheit zu einer einzigen Steuereinheit zusammengefaßt sind.

5. Steuerung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das maximale Gesamtdrehmoment durch Software einstellbar ist.

6. Steuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des Drehmoments des elektrischen Hilfsantriebs (10) dadurch erfolgt, daß die Stromaufnahme des elektrischen Hilfsantriebs (10) auf einen vorgegebenen Wert begrenzt ist.

7. Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb (10), gekennzeichnet durch eine Steuerung für den elektrischen Hilfsantrieb (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.