CN105799526A - 一种增程电动车及其驱动、制动和电能补充方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增程电动车，包括电源调制器(1)、电池组(8)、增程系统(16)、驱动操控装置(9a)、车架(4)和至少一个车轮(5)；所述的电动车至少一个车轮配套设置电动装置(3)；所述电动装置包括至少一个定子单元(3a)和至少一个导磁体转子单元(3b)；所述定子单元安装在靠近车圈(6)的车架上；所述转子单元设置于车圈上且伴随车轮旋转，其与定子单元形成的周期性相对气隙(3d)不大于80mm；所述电源调制器通过驱动操控装置/电磁制动装置获取用户指令并相应输出时序电流，实现对车轮的驱动/制动；所述电动车的增程系统为电池组补充电能。本发明增程电动车的结构简单、组合多样化、成本低，节能效果明显。

Description

一种增程电动车及其驱动、制动和电能补充方法

技术领域

本发明涉及电动车的电源动力设计领域，特别涉及一种电动装置在车架和车轮分立设置的机械结构及其驱动、制动方法和电动车的增程方法。

背景技术

电动车源于传统脚踏两轮车和脚踏三轮车加装电源系统助力的需求，目前市场已发展为一种纯由电池驱动的行驶工具，电动车用电机也随着市场的发展，从通用型向专业设计方向发展；新一代专用电机均具有体积小重量轻的优点，其配备的控制器也力图运用脉冲调制技术降低电机工作过程的无功损耗。市场近年己普遍应用PWQ技术来控制电机的转速，但控制电机的基本思路，通常是建立在电动机内部结构不改变的基础上，主流研发集中在传统“倒相”控制的思想范畴。

在电动单轮和电动两轮车领域，国内外同行近年来均试图开发在轮沿设置原动机构，这一思想方法古来有之，例如中国古代已普遍使用的水车，其工作原理并非在水车的轮轴设置旋转动力机，而是沿水车轮页的切线方向在合适的时间给予一杯水(一份势能)，该杯水的下落势能转变成水车环绕轴心旋转的动力。但是，当这一水车模型被平移到电动车领域开发时，并未获得预期的成功。例如市场上有一种沿轮沿设置电动装置的电动两轮车，其方法是在车圈外缘设齿并安装输出轴带齿的电动机对接，通过齿轮传递电动机的轴输出动力，这类设计虽有新意，但由于采用传统设计的电动机和常规方式的动力供电，其电能转换效率与轮毂式电机类同，并且在车圈外缘设置这种电动装置会受到电动机功率的限制。

续行里程短是现阶段电动车的软肋，行业普遍认为在高能量电池进入商用前，靠增加电池数量提升电动车的续行里程不现实，因此目前汽车市场主流是发展油、电双源混合车，其设计思想为：当汽车起步或低速时使用电动机的动力，汽车达到某个速度阀值时变换为使用内燃机的动力，从而降低汽车在起步或低速时因燃油在内燃机燃烧不完全引起的排气污染；其技术基础结构特征为：燃料箱19给内燃发动机系统20提供燃料输出动力；在此传统设计基础上并行增加一套电连接电池组8的电动机系统21，电动机由电池组提供电能输出动力；两路动力通过油、电动力转换装置22共用机械传动系统23，将内燃机或电动机的动力传递到轮毂上，这类双源动力的设计可称之为油、电动力并行系统，其基础结构示意如图1所示。

发明内容

本发明的目的，在于克服现有电动车配用单元式电机的供电方式局限于逆变电流方向的缺陷，提供一种在车架和车轮分立设置机械装置、通过时序供电控制的电动装置，同时提供一种增程技术方案，结构简单，转矩大，工艺容易实现。

本发明提供的一种增程电动车，所述电动车包括电源调制器1、电池组8、增程系统16、驱动操控装置9a、车架4和至少一个车轮5；所述的电动车至少一个车轮设置电动装置3；所述电动装置包括至少一个定子单元3a和至少一个导磁体转子单元3b；所述定子单元安装在靠近车圈6的车架4上；所述转子单元设置于车圈上，且伴随车轮旋转，其与定子单元形成的周期性相对气隙3d不大于80mm；

所述电池组8为可重复多次充电使用的二次电池；

所述电动车的电源调制器包括电源输入端1a、驱动信号输入端1d和时序电流输出端1b，所述电源输入端电连接电池组8的正负极，时序电流输出端电连接定子单元3a的内部绕组，驱动信号输入端电连接驱动操控装置9a；所述电源调制器通过驱动操控装置获取用户的指令，并对定子单元的内部绕组输出时序电流。

优选的，本发明中的电源调制器的额定功率不大于15KW。

所述定子单元3a由至少一组良导线环绕磁介质材料的磁芯而成，所述定子单元3a在车架4上组合排布得到的绕组之间通过串联或并联连接，或通过不同绕组之间引出中间抽头组成多线外接回路。

优选的，定子单元3a内部绕组通电形成电磁极的两极连线12与同轴7车轮5的法线10垂直(与相应切线11平行)，包括或偏转不超过25度角；或设置为电磁极的两极连线12与车轮同轴法线10重合，包括偏转不超过25度角；

优选的，若干所述定子单元在靠近车圈6内缘或外缘的车架部位组合排布；

优选的，若干所述定子单元3a在车圈6两侧的车架4部位对称安装。

所述转子单元设置于车圈上的安装位置包括转子单元嵌合在车圈外缘、内缘或内部以及与车圈实行一体化设计制造，在不影响安装于车圈6的前提下不限形状；若干个转子单元在车圈安装时相间设置，优选均匀排布。

优选的，所述电动车还包括传感装置，所述传感装置包括若干能感应所述转子单元3b与定子单元3a相对位置的传感单元3c；所述传感单元与所述电源调制器的传感信号输入端1c电连接；所述电动车至少对应一个车轮5的内缘或外缘设置传感单元；所述的传感单元，可根据控制精度要求在电动车设置一个或多个；

更优选的，所述传感装置还包括定子单元3a的内部绕组，所述内部绕组包括环绕定子单元磁芯的绕组以及若干定子单元绕组之间串联而成的多线外接回路。

优选的，所述电动车还包括电磁刹车装置9b，所述电源调制器还包括制动信号输入端1e，其电连接电磁刹车装置9b，电磁刹车装置获取用户的刹车指令并于相应时序对电动装置的定子单元3a的内部绕组输出电流；当本发明电动车需运用电动装置增加电磁力刹车功能时，所述定子单元相应设置于车圈6的内部。

所述的驱动操控装置9a可设置为常规旋转把手式、推拉式操纵杆或其他任意手动控制方式，包括外置为遥控。

本发明中，所述电源调制器将直流电源转换为时序电流，使电动装置中的定子单元3a被限定在电源调制器设定的时域周期性地通电和断电。

本发明所述电动车的增程系统16包括逻辑充电装置17和电能补充装置18；所述逻辑充电装置的输入端17a电连接电能补充装置，其输出端17b电连接电池组8的正负极；所述增程系统在设定的逻辑工作状态为电池组补充电能。

优选的，所述增程系统16的电能补充装置18为材料任意的一次电池与控制装置组合而成，所述的控制装置至少包括一次电池启动装置；

优选的，所述增程系统16的电能补充装置18为内燃发电机与控制系统装置组合而成；所述的内燃发电机至少包括内燃机和发电机，所述的控制系统装置至少包括燃料箱19和内燃机启动装置；所述内燃机的燃料任意；

更优选的，所述增程系统16的电能补充装置18由一次电池与控制装置、内燃发电机与系统装置两者组合设置而成。

所述增程系统16的逻辑充电装置17至少包括直流电充电装置，可独立设置，或将其部分逻辑功能或全部逻辑功能集成于电源调制器1内；所述的逻辑充电装置17的设计，亦可兼有一次电池的控制装置或/和发电机的电路控制装置的功能。

本发明所述电动车包括一个轮或多个轮的电动车以及电动、脚踏两用车；所述设置电动装置的车轮，包括单轮以及同轴紧凑安装两个轮的准单轮结构。

本发明还公开了一种前述电动车的驱动方法，该方法根据所述转子单元3a和所述定子单元3b的位置关系通过电源调制器1输出时序驱动电流控制车轮转动；

所述时序根据车轮旋转方向而定义，所述时序电流根据定子单元电磁场在车圈上的有效作用区间结合车圈上的转子单元个数而设置若干个通断周期T，所述通断周期包括供电时域和断电时域；所述的供电时域，位于转子单元在车圈上趋近定子单元时的相应时域，所述为转子单元绕轴并与轴确定的法线与定子单元和轴所确定法线所形成的动态夹角，所述为转子单元在车圈绕轴切线方向与其隔气隙所受定子单元电磁力作用方向相同状态所确定的值；

所述断电时域内电源调制器1不输出电流；

本发明中，所述供电时域的电流不限波形、频率以及占空比。

优选的，所述通电时域T₁内初始的电流、电压或定子单元的磁通强度由传感装置获取行车速度实时值结合驱动操控装置9a给出的指令而调整。

优选的，所述方法还包括校正步骤；所述校正步骤为以定子单元3a与转子单元3b周期性隔气隙3d相对、处于同一法线10的状态(为0)记为基准座标和基准时间，当转子单元3b每次前转至基准座标时，电源调制器1进行一次时间归0校准并记录本次周期时间，通过与转子单元上次前转至基准座标的周期时间比较，从而获知旋转周期时间和车速，并控制输出电流。

本发明还公开了上述电动车的制动方法，该方法通过电磁刹车装置9b操控在内部对应转子单元趋近定子单元、转子单元和定子单元处同轴法线相对以及处于远离状态的至少一个时域中，电源调制器1输出时序电流控制车轮制动；

所述时序根据车轮旋转方向而定义；所述转子单元趋近定子单元为状态的相应时域，所述为转子单元绕轴并与轴确定的法线与定子单元和轴所确定法线所形成的动态夹角，所述为转子单元在车圈绕轴切线方向与其隔气隙所受定子单元电磁力作用方向相同状态所确定的值。

优选的，所述制动方法还包括校正步骤，所述校正步骤为将为0的状态作为基准座标和基准时间，从而获知转子单元趋近/相对/远离定子单元的位置状态。

所述电源调制器的驱动通电和制动通电的逻辑关系设置为或。

本发明中，所述输出电流控制步骤包括：

1)驱动操控装置9a对电源调制器1无输入指令时，电源调制器休眠；

2)驱动操控装置9a给出加速指令时，电源调制器相应输出时序电流；

3)当车速或通电频率达到设定的阈值时，所述的电源调制器断电。

本发明还公开了所述增程电动车的电能补充方法，该方法在电动装置3运行中需要为电池组8持续补充电能，或当电池组的实时电压或残存容量值低于所设定的阀值时，启用增程系统16，使电能补充装置18通过逻辑充电装置17为电池组充电补充电能。

本发明针对电动车的设计特点，对动力电源植入优化的数控编程技术，明确了供电时序周期及其工作逻辑构成，使之实现高效节电。所述电动装置的定子单元在车架上固连可类比于传统电动机的定子，所述转子单元与车圈组合可类比于传统电动机的转子；所述电动装置可使用一次电池或二次电池，所述的一次电池包括所有一次性放电的电池和各种燃料电池，例如锌空气电池、铝空气电池以及氢转换电能等可提供一次性电能的装置；所述的二次电池包括所有放电后可反复充电的电池，例如锂电池、铅电池、金属储氢电池等。鉴于目前电动车市场所配用二次电池的储能密度较低，本发明针对这一技术现状设计了旨在电能补充的增程系统，有效解决电动车续行里程短的公知主要问题。

本发明优点在于：电动装置具有时序供电控制带来的明显节能效果，增程系统可有效克服电动车续行里程短的主要问题，以此方案设计的电动车结构简单、组合多样化、成本低，有效适应高端节能电动车的设计要求。

附图说明

图1是常规双源混合车的油电动力基础结构示意图。

图2a是本发明应用于两轮车的一种局部结构示意图。

图2b是增程系统与电池组及电动装置的一种工作逻辑关系示意图。

图2c是增程系统与电池组及电动装置的另一种工作逻辑关系示意图。

图3a是定子单元绕组两端连线设置为与车轮法线垂直的示意图。

图3b是定子单元绕组两端连线设置为与车轮法线重合的示意图。

图3c是定子单元凹型绕芯上部正对车圈内缘的结构示意图。

图4a是一种电动装置的基础结构及作用力方向分解示意图。

图4b是转子单元与定子单元处于同轴法线的状态示意图。

图5a是电源调制器的基本工作逻辑示意图。

图5b是一种实现电源调制器的数字技术逻辑的模块组合示意图。

图5c是电源调制器增设电磁刹车装置输入端的工作逻辑示意图。

图6a是电源调制器的输出电流呈周期性通断的时序示意图。

图6b是一个定子单元组合一个转子单元的通电逻辑示意图。

图7a是一个定子单元组合8个转子单元的一种局部结构示意图。

图7b是车轮旋转周期π对应电源调制器的通断电时域示意图。

图7c是对应一个定子单元组合8个转子单元的一种通电逻辑示意图。

图8是一个定子单元组合12个转子单元的一种局部结构示意图。

图9是两个定子单元组合8个转子单元的一种局部结构示意图。

图10是本发明应用于三轮车的一种局部结构示意图。

附图标识：

1、电源调制器；1a、直流电源输入端；1b、时序电流输出端；1c、感应信号输入端；1d、行车信号输入端；1e、刹车信号输入端；2、控制单元；3、电动装置；3a、定子单元；3b、转子单元；3c、传感单元；3d、气隙；4、车架；5、车轮；6、车圈；7、轮轴；8、电池组；9a、驱动操控装置；9b、电磁刹车装置；10、同轴法线；11、车轮切线；12、绕组两极方向连线；16、增程系统；17、逻辑充电装置；17a逻辑充电装置输入端；17b、逻辑充电装置输出端；18、电能补充装置；19、燃料箱；20、内燃发动机系统；21、电动机系统；22、油、电动力转换装置；23、机械传动系统；法线夹角。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步对本发明进行详细说明。

参见图2a，本发明应用于一种两轮车，与普通电动三轮车相比，该电动车没有单元结构的电动机；增程系统的功能仅是在设定逻辑状态为电池组补充电能，其电能补充装置可以是内燃发电机组合的系统或一次电池组合的系统，或其组合；所述增程系统与电池组、电动装置的工作逻辑关系如图2b所示。

本发明所述电动装置的基础结构包括定子单元3a和转子单元3b，定子单元由一组或若干组良导线环绕磁芯而成，良导线通常使用铜线或镀铜铝芯线，磁芯采用普通磁介质，该类磁介质为本领域技术人员公知的一种在磁场作用下内部状态发生变化、并产生更强附加磁场的物质；转子单元由导磁介质固体或软体成形材料制成，该类导磁体为本领域技术人员公知的一种在磁场作用下内部状态发生变化、并产生反向磁场的物质。在定子单元内部绕组通电的磁场作用范围内，导磁体转子单元会感应生磁而受到其电磁力吸引作用，该磁吸作用与定子单元绕组的通电方向无关，定子单元内部绕组越多，导磁体材料的磁导率越高，磁相互作用越强。

如图4a所示，当一个转子单元3b设置在车圈6外缘，一个定子单元3a固定在靠近车圈内缘的车架4上，两者运动相对的气隙3d足够小，则转子单元随车轮趋近绕组通电的定子单元时，会受到电磁吸力使车轮加速运动，转子单元所受到的电磁力F可分解为同轴法线10方向F₁₀与切线11方向F₁₁，其中对转子单元绕轴有贡献的是切向F₁₁；转子单元绕轴受力区间与定子单元设置相关，单个柱状绕芯定子单元电磁力线穿越气隙车圈区间的最大值，对应于电磁极的两极连线12与其在车圈所处法线10垂直(与车圈相应切线11平行)，如图3a所示；柱状绕芯亦可设置为电磁极的两极连线12与其所处法线10重合，如图3b所示，该设置方式通常为多个定子单元组合排布时选用；对凹型绕芯的定子单元，其电磁力对转子单元的有效作用区间，位于凹型绕芯上部两端正对车圈6内缘的两端范围内，如图3c所示。

转子单元在车圈上趋近定子单元时，其绕轴运动所处法线与定子单元和轴所确定的法线为一个动态夹角其通过气隙所受到电磁力F作用方向与绕轴切线方向重合的状态为一特殊点，此时转子单元和轴所确定的法线与定子单元和轴所确定的法线形成了一个夹角转子单元所受定子单元电磁力的有效作用区间，位于为0状态为基准的位置区间内(所述±根据车圈的旋转方向而相对定义)。当为0时，F₁₀为最大值，F₁₁为0，此时对转子单元绕轴完全无贡献，如图4b所示。F₁₁和F₁₀为一对此消彼长的运动变量，其理论强弱变换以为分界点，转子单元在 状态表现为以驱动力F₁₁为主，在状态表现为以制动力F₁₀为主。

本发明电动车的电动装置驱动技术方案为：电源调制器对应状态的时域通电，其余时域断电；在该通电时域，以节电为主的设计应选择在 甚至的时域通电；需要充分利用转体转动惯量的设计，可选择在甚至的时域通电；该驱动电流的通断时域如图6a所示，其中T₁为通电时间，T₂和T₀均为断电时间，(T₁+T₂+T₀)构成了时序驱动电流的周期T；如果在的时域通电，因该状态区间表现为以制动力F₁₀为主，对电动车驱动会失去节电设计的优化意义。当本发明电动车需要增加电磁力制动/刹车功能时，电源调制器提供制动电流的技术方案为：对应状态的时域、为0以及转子单元和定子单元处于远离状态的至少一个时域通电；同理，由于在状态区间存在可观的切向电磁力F₁₁，对电动车的优化制动设计无益。

所述依定子单元在车架设置(包括组合设置)以及转子单元在车圈设置的具体方案而定，通常是运用的特殊位置作为传感装置判断电源调制器工作逻辑的一种依据；是一个与车圈弧度、气隙间距、定子单元绕芯形状及其排布等参数相关的值，有多种理论模型，具体设计时应经实验校准。电源调制器相应输出驱动或制动电流的工作逻辑既可由常规开关控制线路实现，也可采用CPU编程结合功率模块组电路实现，或采用大规模集成专用芯片实现。

上述电源调制器根据状态对通、断电的控制，可近似变换为相对时间控制，因为为0状态和为90度状态均为显态，电源调制器通过时序校准可判知从90度到0度、即(T₁+T₂)的时间段，只要设定T₁与T₂的相对时间，即近似于对相应状态的通、断电控制；例如控制对应90度至45度的时域通电，可近似设定为：在(T₁+T₂)的时间段起始1/2时域通电，之后1/2时域断电；同理，当控制对应30度至0度的时域通电，可近似设定为：在(T₁+T₂)的时间段起始2/3时域断电，之后1/3时域通电；但(T₁+T₂)时间段是一个与车轮转速相关的量，以周期时间控制的实时状态在变速时会有偏差，由于电源调制器对应θ为0度状态设置有时间校准，得予在下一周期及时校正。

对一个定子单元3a组合一个转子单元3b的简单分析例来说，转子单元绕轴周期大部分时间不处于定子单元的电磁力作用有效区间，编程时应首先考虑优选电流时序周期T内的中断时间T₀，进而优选断电时间T₂和通电时间T₁，提高电能的利用率，图6b是本简单分析例的一种驱动通电的时序逻辑示意图。

图7a是一个定子单元对应8个转子单元的结构示意简图，定子单元在车圈一个旋转周期π分别与8个转子单元发生磁作用，电源调制器对应的时序电流理论划分为8个(T₁+T₂+T₀)周期，图7b标示了一种设定T为π/8、与车圈旋转方向对应的T₁、T₂和T₀示意时域，图7c为其中一个周期的通电逻辑示意图，这种组合设计对电源调制器提出了较高要求。图8是一个定子单元对应12个转子单元的结构示意简图，定子单元在车圈一个旋转周期中分别与12个转子单元发生电磁力作用。转子单元并非在车圈上越多越好，其设置数目n受限于所受定子单元电磁力有效作用区间相应的空间占位，否则会影响电源调制器输出时序电流的周期设计。

如图9所示，在车轮旋转周期中，电源调制器要为两个定子单元分别提供8个周期为(T₁+T₂+T₀)的时序电流，这种组合对电源调制器提出了更高的设计要求。进一步可选择4个定子单元组合10个转子单元、6个定子单元组合12个转子单元，等等。理论上当H个定子单元3a与n个转子单元3b组合设计时，如果电源调制器对H个定子单元3a绕组分立供电，需对应设计n*H个电流时序，即n*H个(T₁+T₂+T₀)电流时序，编程将十分复杂；因此在多个定子单元的实用系统设计中，优选H个定子单元绕组电串联组合，或H个定子单元绕组分为若干组外接电源调制器，例如4个定子单元的内部绕组串联，串联绕组中间引出抽头共三根线对外电连接电源调制器，技术上还可利用该三根线两两比较的微分电位的不同，作为一种转子单元与定子单元相对位置判别的信号源，替代独立设置的传感单元。

理论上，也可以在车圈安装一个转子单元与车架上若干个定子单元组合，但这种等效设计在技术上虽可实施，但因定子单元的造价相对较高，非优选方案。

电源调制器可用常规开关电路设计或脉冲数字技术实现，优选后者，其基础功能模块一般包括电源变换电路、内存贮有工作程序的微处理器和信号输入输出电路，能通过传感单元3c反馈信号相应地控制驱动模块输出的时序电流，对电动装置3进行动态控制，其工作逻辑如图5a简示，图5b是一种实现电源调制器基本功能的数字技术逻辑的模块组合示意图。

电源调制器的工作逻辑变换指令信号通常是从固连在车架上的传感单元3c获得，传感单元不限于使用磁电感应绕组或霍尔元件，也可使用光电编码器等，当转子单元绕轴周期性运动时，传感单元可获得电流(电压)的变化率反馈给电源调制器，电源调制器依据这一感应信号判知转子单元的相对位置而相应发出电流时序。根据对传感单元的工作精度及可靠性要求，可在车架上设置一个或若干个传感单元，甚至变形为从上述定子单元多绕组反馈的方式以及运用定子单元双线环绕的绕组反馈方式获得工作逻辑变换指令信号，此时电源调制器的感应信号输入端1c相应内置，其响应处理对电源调制器的逻辑程序提出了较高要求。由于大规模集成电路技术的发展，实现上述工作逻辑变换的编程技术为行业专业人士所公知，所需了解的是时序电流周期、通电子集时域和幅值变化以及其间中断时间等基础设计参数。

综上，所述的电源调制器是一个逻辑电源开关系统，时序通电周期/频率反映了单位时间内定子单元3a对转子单元3b的通电作用次数，该时序频率间接定义了车速及定子单元所需要的通电幅值或电磁力(源于电源调制器向定子单元的绕组通电)，通电幅值越大，单位时间内定子单元通电对转子单元的作用力越大、作用次数越多，其结果反映了车速越快。电源调制器所输出电流的时序频率，与车圈旋转一个周期隐含的(T₁+T₂+T₀)时序作用次数、通电平均强度以及车速是相互对应的诸物理量关系，因此当电源调制器的诸多设定条件进入逻辑工作状态后，控制了时序通电的频率也就是控制了车速。该人工控制车速是通过驱动操控装置9a电连接电源调制器的输入端1d来实现，电源调制器可安装在车架上的任意位置。

当电动车增设电磁力刹车功能时，电源调制器相应增设刹车信号输入端1e与电磁刹车装置9b电连接，如图5c所示；电磁刹车装置可设置为一个可调变阻器，其功能为控制电源调制器输出的电流，电流强度越大，制动效果越好。

转子单元3a固连于刚性金属车圈6的方案可以有多种,例如将转子单元固连在车圈的内缘或外缘，也可以把转子单元嵌合在车圈内部与车圈实行一体化设计制造。定子单元在车架上的设置要点，是要使转子单元在周期性旋转中与其形成两者有效发生磁作用必须的相对气隙3d，该气隙是定子单元向转子单元传递电磁力作用的能量通道，气隙越小越有利于磁能量作用传递，但气隙过小易发生机械接触，设计时需综合把握材料的刚性和机械加工精度。

电动装置3至少安装在电动车的一个车轮，所述一个车轮包括单轮以及同轴紧凑安装两个轮的准单轮结构。图2a所示电动装置布局是定子单元设置在车圈内缘车架上的一种示例，该布局也可改变为定子单元设置在车圈外缘车架上的结构。

传感单元3c优选设置在隔气隙与转子单元周期性相对的车圈内位置，也可以设置在车圈外，对两轮车甚至可以安装在另一个车圈位置，因为两个车圈总是同步旋转，从一个轮采集的旋转位置信号可间接反映另一个轮的相对同步状态。电动车的控制单元2一般包括照明灯、转弯/刹车信号灯、音鸣控制等常规功能，由若干个电源开关组成，可单独设置，亦可将其相关功能植入电源调制器系统实现。

驱动操控装置9a的传统产品为一个变形设计的、人工易操控的变阻器或电位器，伴随近年的技术发展，不少建立在光敏、霍尔控制原理基础上的专用操控装置日趋成熟，这类产品一般设计为常规旋转把手式，亦可设计为推拉式操纵杆或其他任意手动控制方式，包括遥控。电池组8可以放置在专用电池箱以任意方式安装在车架4上，或安装在车架内部，或与车架上的部件嵌合，例如将后座架设计为双层，中间夹层用于放置电池箱；亦可在后座架的下部设计有电池箱的吊装固连装置，电池箱设计为两个分体分别吊装在后座架下的后轮两侧，等等。

目前市场主流电动车是配置二次电池，由于二次电池的比能量低，铅电池一般仅为40VAh/Kg，锂电池一般为120VAh/Kg，配车的续航里程欠理想；一次电池的优点是自放电小、比能量高，铝空气电池的理论比能量可达到8000VAh/Kg以上，但这类金属电极一次电池普遍伴随内阻大的缺陷，其比能量虽高但大电流放电能力却不强，虽然其未来应用前景被业界看好，但现阶段仍难满足电动车的电动装置放电性能需求，较稳健的技术方案是作为电动车的辅助能源使用。

本发明电动车在电动装置配置二次电池的技术基础上设置增程系统16，所述增程系统包括逻辑充电装置17和电能补充装置18；所述逻辑充电装置的一项主要功能是监测电池组8的实时状态，并在设定的工作逻辑下为电池组补充电能，如图2a所示；所述电池组的实时状态至少包括实时电压或残存容量，例如某电动车的铅电池组的标称工作电压为48V，其正常工作电压区间为42.0V至53.2V，当设定铅电池组补充电的电压阀值为47V时，只要逻辑充电装置监测到电池组的实时电压下降至47V，即自动或人工启动电能补充装置18为电池组补充电。所述的逻辑充电监测和直流充电控制的功能，也可以部分或全部移植至电源调制器实现，图2c所示的是一种由电源调制器1监测电池组实时电压并控制充电逻辑、直流充电功能由逻辑充电装置17完成的基础结构示意图。所述增程系统的电能补充装置，可以为材料任意的一次电池与直流充电控制装置组合而成，例如采用铝空气电池。

电能补充装置也可以为燃料箱、内燃机、发电机和整流装置组合而成，该类装置组合均为相对成熟技术，所述的燃料包括但不限于甲醇、乙醇、汽油、柴油、天燃气、气态或液态氢等；业内公知，内燃机的一个重要特点是在低速或变速时的状态燃烧不充分，但在定速尤其是高速的恒功率状态下工况一般都较理想，由于本发明电动车的增程系统功能仅是为电池组补充电能，内燃机可设置在恒功率工况，即使电能补充装置的电能来源是采用内燃机燃料，燃料的燃烧排放也十分低。

所述增程系统的两类电能补充装置，在电动车设计可组合并用。

本发明所述优选例仅为推荐，若干技术方案可组合并用，可部分使用也可加入其他成熟技术。只要根据电动装置的磁流能量特点，通过对电源调制器设计可精确控制的时序电流并配置增程系统，即可实现本发明方案的基本技术目标。

对电动车以及电动机技术较深入了解的专业人士，都不难在本发明所述的方案基础上，举一反三地变形实施本发明内容。例如在现有市场的脉冲直流电动机基础上，通过传感方式的改变以及控制器电流程序变换来部分实施本发明。本发明所述电源调制器的电流时序控制方法、电动装置的基础结构、增程系统方案及其衍生的技术变形实施，均应被列入本发明的保护范围。

实施例1、

一种前后两轮结构的助力型增程电动两轮车，包括电动装置13电池组8和增程系统16；电动装置设置于后轮，其配套车架4及机械局部结构如图2a所示；该电动车的电池组8选用标称24V10Ah的磷酸铁锂电池，安装在车架内部；增程系统以甲醇发电机系统为电能补充装置18，发电机系统由甲醇燃料箱、甲醇内燃机、发电机和整流装置组合而成；增程系统的逻辑充电装置17主要由电池组实时电压监测模块、恒电压限定电流充电模块和工作逻辑控制模块等功能模块所组成，其输入端17a电连接电能补充装置，其输出端17b电连接电池组的正负极。

该电动车设置电动装置3的车轮5周长为1000mm，电动装置3设计为一个转子单元3b与一个定子单元3a的组合。转子单元3b选择导磁体，加工成长度为15mm的盒型小单元，宽度在不影响车圈外橡胶轮的情况下取最大值，紧密安装在钛铝合金材料制成的车圈6的外缘；定子单元3a的绕芯选择常规凹形铁磁体，其内部存在较多磁畴，在外磁场作用下磁畴易转向产生与外磁场方向一致且强得多的附加磁场，把凹形绕芯下部加工成与车圈对应的圆弧形；线圈绕组由一根直径0.80mm的铜线环绕凹形磁芯45圈而成，安装要点：安装要点：通过外加螺丝将定子单元固连在靠近车圈内缘的车架4部位，凹形绕芯上部正对车圈6的内缘(如图3c所示)，两端对应同轴车圈6占位45度机械角，两端上部与车圈内缘形成9mm的间隔。

设定最大时速约20km/h即5.6m/s，计取限速对应的车轮5旋转周期时间为180ms，即限速对应的(T₁+T₂+T₀)时序周期最小值T为180ms，其中限速值对应的驱动通电时间T₁取值7ms，其余173ms均为断电状态。电源调制器对应最大时速输出的平均电流在额定电压设置为24V时为15A，该电流值是一个根据整车重量、驾驶员额定体重结合电动装置3设计并经实验校准的值，以实验值为准。

电源调制器1采用常规脉冲数字技术实现(也可通过常规电子控制线路实现)，设计最大过载功率550W，其电源输入端1a电连接电池组8的正负极，时序驱动电流输出端1b电连接定子单元3a的线圈绕组，感应信号输入端1c电连接传感单元3c，行车信号输入端1d电连接驱动操控装置9a。传感单元由一个磁电感应绕组构成，通过外加螺丝将传感单元固连在车架4上靠近前轮5车圈6内缘的部位。

该电动两轮车的驱动操控装置9a采用无级变阻的旋转式电位器，常规把手式，通过与电子控制线路的配套设计，可通过改变阻值实时控制电源调制器输出的电流强度，从而控制电动车的正常车速。电动两轮车常规使用的照明灯、转弯/刹车信号灯、音鸣等通断电操控的控制单元2，均采用市购产品配套。

电源调制器设定的工作逻辑为：以定子单元3a与转子单元3b周期性隔气隙3d相对、处于同一法线10的状态(为0的状态位置)记为基准座标和基准时间，当驱动操控装置9a或加人力助动给出电动三轮车驱动信号、并且转子单元3b绕轴至与基准座标的同轴法向夹角达到的位置时(约20度角，对应转子单元进入凹形绕芯两端范围内相对的初始时刻，精细值经实验校准)，传感单元3c发出感应信号通知电源调制器启动输出9A电流；当转子单元每次绕轴至基准座标时，电源调制器进行一次时间归0校准并记录本次周期时间，通过与转子单元上次前转至基准座标的周期时间比较，获知本次周期时间的实时值，并根据实时状态对下一步工作逻辑进行判定：如果驱动操控装置无输入指令，电源调制器休眠；如果驱动操控装置给出的指令是加速，则电源调制器在下一周期达到位置的时刻，执行T₁与(T₂+T₀)比值为7：173的通、断电时序，实时通电的平均强度由驱动操控装置给出；如果驱动操控装置维持在对应电源调制器输出电流接近15A的状态，该设定的逻辑状态将使电源调制器时序通电的频率越来越高，对应车轮5每周期中定子单元3a对转子单元3b的电磁力作用次数越来越多，车速越来越快；当时序通电频率高于所设定的1/180ms或电源调制器输出电流连续3s维持在15A的状态时时，电源调制器无条件断电而达到自动限速的设计目标。

增程系统的逻辑充电装置17设定的工作逻辑为：当监测到电池组8的实时电压下降至23V时，自动启动甲醇发电机系统为电池组8补充电能，其充电工作方式为恒定电压29.4V限制最大电流3A，当充电电流小于0.5A时自动停止充电。

本实施例所述的电动装置，可在前、后轮同时设置，亦可相应安装在单轮车或两轮车、三轮车的前轮；可对应每个车轮安装一套电动装置，也可对应一个车轮安装两套甚至多套电动装置；本实施例所述的增程系统由于采用甲醇为电能补充装置的燃料，且甲醇内燃机设置在恒功率工况，排放十分低；该两轮车的助力续航里程，主要取决于燃料箱携带的甲醇而不是电池组8的容量。

该两轮车在骑座下设置有脚踏大链轮，通过链条与设置在后轮轴的飞轮相连接，由于电动装置使用铁磁体并配备时序电流控制，脚踏不象使用普通电动机那样具有阻尼，使之成为电动、脚踏两用性能皆优越的电动车。

实施例2、

将实施例1增程系统的电能补充装置由甲醇发电机系统改变为铝空气一次电池；电源调制器1采用脉冲数字技术实现，核心模块包括常规CPU和一个设计功率550W的驱动模块，其细化工作逻辑如图5b所示，其中脉冲变换调理电路主要是完成将脉冲信号转换为阶梯波信号，脉冲信号发生器主要产生所需的脉冲信号，其次经微分电路输出尖峰脉冲，然后经过限幅电路将尖峰脉冲的负半周滤除，剩下正半轴尖峰脉冲，用集成运放组成的积分电路进行积分累加，加上电压比较器和控制电路，就组成了完整的阶梯脉冲信号，对电路的各个元件进行参数调整，从而得到满足工作逻辑要求的阶梯波信号。电源调制器在T₁通电时序内，通过控制芯片(CPU)使驱动模块产生一系列幅值随时序递减的脉冲电流，脉冲频率30KHz。

增程系统的逻辑充电装置17的功能设定为以恒定电压、限定电流的方式对电池组8充电，其工作逻辑指令由电源调制器1发出；电源调制器兼有对电池组实时容量监测和信号处理的功能，内部有计时器、信号触发器和逻辑处理器等功能模块，其外围设备包括放电容量检验装置，该放电容量检验装置在市购专用的放电容量仪、引出放电容量显示的线路改造而成；增程系统的工作逻辑为：放电容量检验装置对电池组8每5分钟进行一次微分流检验容量，当电池组的实时容量在标称容量的45％以上时，信号触发器模块不工作，逻辑充电装置相应为静态；当电池组的实时容量≤45％标称容量时，信号触发器模块发出信号，逻辑处理器模块相应发出信号启动铝空气电池系统18通过逻辑充电装置17为电池组8补充电能。

本实施例两轮车的电动助力增程取决于铝空气电池的储电容量；所述的铝空气电池，也可以置换为锌空气电池或储氢电能转换装置。前述电源调制器启动通电的时刻，可改变为同轴法向夹角为19度或18度的状态。

实施例3、

将前述增设电磁力刹车功能。

电源调制器相应增设的刹车信号输入端1e电连接，电磁刹车装置9b为一个十级变阻器，如图5c所示。电源调制器的制动逻辑为：当人工控制电磁刹车装置9b发出刹车信号时，电源调制器切断T₁对应的时序电流，同时启动T₂时域通电，T₂启动时域设定在传感单元3c感知转子单元3b绕轴7前转至为6度到0位置的时间段；电源调制器所输出的制动电流对应电磁刹车装置9b的十级阻档设置为十级强度，设定输出的十级电流强度为：首级6A、末级15A，十级电流平均设置。

实施例4、

将实施例3电源调制器的制动逻辑优化为：当启动T₂时域通电的同时，将T₀部分时域的工作逻辑同步变换为通电，该T₀部分时域的数值记为(T₁+T₂)，通电启动时刻以为0开始计时；电源调制器在该T₀部分时域所输出的制动电流强度与T₂时域相同(该时域对应车轮沿前转方向运行20度角)。

本实施例对电动装置的制动通电时域增加了转子单元绕轴远离定子单元的时间段，该制动通电时域可对应周期时序近似设定为：在(T₁+T₂+T₀)时序中，起始7/20的T₁时域断电，之后7/20的(T₂+T₀)的时域均设置为通电。

前述的为6度到0度位置的时间段也可以更改为3度～0度位置的时间段。

实施例5、

在前述实施例1的基础上，在车圈6改变为安装8个转子单元3b，8个转子单元在车圈6上均匀相间安装，其组合结构示意如图7a所示。

本实施例中，定子单元3a在车轮一个旋转周期中分别与车圈上均匀分布的8个转子单元发生电磁力作用，基础参数继续参照实施例1选定，例如车轮周长选用为1000mm，最大时速约20Km/h即5.6m/s、最大时速对应的车轮旋转周期时间为180ms；电源调制器1对应车轮5一个旋转周期相应设计有8个(T₁+T₂+T₀)的电流时序，车轮周期模型对应的T₁、T₂和T₀时序区域如图7b所示，最大车速对应的时序周期为22.5ms，(T₁：T₂：T₀)时间段相对比值4.25：7：11.25。电源调制器选用大规模数字逻辑开关集成电路，通过编程实现每个时序的工作逻辑控制。

本实施例中的电池组8改用标称24V12Ah铅酸胶体电池，将电池组安装在表面设计有若干凹槽的电池箱，该表面凹槽与双层后座架夹层内部的凸形筋条一一对应，使电池箱可方便地嵌入双层后座架的夹层，外加紧固件。电源调制器通过周期校准记录的时序通电频率，可获知实时车速，当时序通电频率高于1/22.5ms时，电源调制器无条件断电而达到自动限速。

增程系统对电池组的电能补充、控制方式与实施例1类同。

实施例6、

本实施例的电动装置在车架4上设置两个定子单元3a，定子单元绕芯改为圆柱形，绕组匝数与实施例1相同，安装时圆柱形绕芯两端连线12与同轴车圈6的相应法线垂直，如图3a所示，两个定子单元3a串形组合安装在靠近车圈内缘的部位，两端与车圈内缘间隔气隙8mm，首尾两端在车圈上对应占位与轴心夹角约36度角；在车圈6安装8个转子单元3b，其局部结构如图9所示。

8个转子单元3b与车圈6实行一体化设计，把转子单元嵌合在车圈内部。

两个定子单元3a安装在车架4上车圈的任意一侧，内部绕组电串联，在车轮旋转周期中共同对车圈均匀分布的8个转子单元发生电磁力作用；电源调制器对应车轮旋转周期时间为8个(T₁+T₂+T₀)时序；电源调制器启动驱动电流的时刻为传感单元3c感知转子单元绕轴至夹角达到(约18度角位置，转子单元绕轴切线方向与所受电磁力方向重合的状态，精细位置由实验测定)位置的时刻。

本实施例中，驱动供电时域定义为从至相应的时间段，可对应周期时序T而简要设定为：在(T₁+T₂)时序中，起始2/3时域通电，之后1/3时域断电；增程系统16对电池组8的电能补充、控制方式与实施例2类同。

本实施例亦可将两个定子单元改为在车圈两侧的车架4上空间对称分别安装，两个定子单元内部绕组通电的电磁力方向相同。

实施例7、

在实施例6的基础上，本实施例采用8个如实施例6所述的圆柱形绕芯定子单元，在车圈6内缘的车架4上对称设置，每侧设置4个定子单元，安装要点：圆柱形绕芯两端连线12与定子单元所处同轴车圈的法线10重合，如图3b所示；两侧4个定子单元内部绕组串联后并联电连接电源调制器1的时序驱动电流输出端1b，电串联时注意每个定子单元内部绕组的通电磁场方向相同，每侧4个定子单元在车圈上占位60度机械角平均设置，其余与实施例6类同。

增程系统16对电池组8的电能补充、控制方式与实施例2类同。

本实施例中，驱动供电时域定义为从位置至位置相应的时间段，制动供电时域定义为从位置至0度位置相应的时间段。

实施例8、

将前述一个车轮变形为同轴紧凑安装的两个车轮(准单轮)，电动装置3安装在准单轮上，两个车轮5的车圈6均内置一体化设计制造的8个转子单元3b，定子单元3a设置在两个同轴紧凑安装的车圈6中间部位的车架4上，电源调制器1和电池组8安装在车架4上的任意位置。本实施例可使电动车行驶更稳定。

实施例9、

将电动装置3变形为在同一横梁两端的两个轮上安装，两个电动轮对应的车架4部位均设置有4个定子单元3a、车圈6均安装有12个与车圈实行一体化设计制造的转子单元3b，两个电动轮车圈内缘的车架上各设置一个传感单元3c，电源调制器1相应设置为两路电流输出并分别电连接两个轮定子单元3a的串联绕组。

电池组8选用18V10Ah铅酸胶体电池，增程系统16对电池组的电能补充控制方式，设置为电能补充装置18在电动车运行中持续对电池组充电。电能补充装置既可以是燃料发电机系统，也可以是一次电池系统；由于电能补充装置的工作方式是在电动车启动时同步工作，并在电动装置运行中对电池组浮充电，逻辑充电装置17设计为恒定电压21V、限定最大充电电流1A的工作方式。

本实施例中，电动车的驱动通电时域定义为从到位置的时间段，制动通电时域定义为从到为0位置的时间段。

本实施例在同一横梁两端的两个轮上安装电动装置的技术方案，也可增加电动装置3的功率、增加电池组8的电压及容量后，在如图10所示的三轮车上实施，同时可推广至所有区域用的低速电动四轮车，甚至设计为四个轮均安装所述电动装置；本实施例因转弯行驶时两个电动轮存在差速，应特别设计限速，或对电源调制器内置转弯行驶的差速程序，使转弯行驶更稳定。

实施例10、

在任一前述例电动装置的基础上，设计一种双增程系统的电动车，电池组8根据电动车的动力、行程需求与性价比而选用。

双增程系统16的电能补充装置18分别由铝空气一次电池系统18a(包括铝空气电池及其控制系统)以及内燃发电机系统18b(包括燃料箱、内燃机、发电机和整流装置及其控制系统)组合而成；双增程系统的逻辑充电装置17的功能模块包括充电模块和控制模块，充电模块设置有两路输入端，分别电连接铝空气电池系统18a的电能输出端和电连接内燃发电机系统18b的电能输出端；逻辑充电装置17的充电模块输出端电连接电池组8，其工作启动由逻辑充电装置17的控制模块通过电连接电源调制器1实现逻辑控制。

逻辑充电装置17通过电源调制器1的编程控制，实现对电池组8的实时电压/残存容量的监测和充电控制功能，其对铝空气电池系统18a的控制方法以及对内燃发电机系统18b的控制方法如实施例1和实施例2所述；双增程系统16为电池组8补充电能时，优先启用内燃发电机系统18b，当内燃发电机系统不能工作时继续启用铝空气电池系统18a。内燃发电机系统使用的燃料任意。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种增程电动车，其特征在于，所述电动车包括电源调制器(1)、电池组(8)、增程系统(16)、驱动操控装置(9a)、车架(4)和至少一个车轮(5)；所述的电动车至少一个车轮设置电动装置(3)；所述电动装置包括至少一个定子单元(3a)和至少一个导磁体转子单元(3b)；所述定子单元安装在靠近车圈(6)的车架上；所述转子单元设置于车圈上且伴随车轮旋转，其与定子单元形成的周期性相对气隙(3d)不大于80mm；所述电池组(8)为可重复多次充电使用的二次电池；

所述电动车的电源调制器包括电源输入端(1a)、驱动信号输入端(1d)和时序电流输出端(1b)，所述电源输入端电连接电池组的正负极，时序电流输出端电连接定子单元的内部绕组，驱动信号输入端电连接驱动操控装置(9a)；所述电源调制器通过驱动操控装置获取用户的指令，并对定子单元的内部绕组输出电流。

2.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述定子单元(3a)由至少一组良导线环绕磁介质材料的磁芯而成，其在车架上组合排布得到的绕组之间通过串联或并联连接，或通过不同绕组之间引出中间抽头组成多线外接回路。

3.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述电动车还包括传感装置，所述传感装置包括若干能感应所述转子单元(3b)与定子单元(3a)相对位置的传感单元(3c)；所述传感单元与所述电源调制器的传感信号输入端(1c)电连接；所述电动车在车架(4)至少对应一个车轮(5)的内缘或外缘设置传感单元。

4.根据权利要求3所述的电动车，其特征在于，所述电动车的传感装置还包括定子单元(3a)的内部绕组，所述内部绕组包括环绕定子单元磁芯的绕组以及若干定子单元绕组之间串联而成的多线外接回路。

5.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述电动车还包括电磁刹车装置(9b)，所述电源调制器还包括制动信号输入端(1e)，其电连接电磁刹车装置(9b)，通过电磁刹车装置(9b)获取用户的刹车指令并于相应时序对电动装置(3)的定子单元(3a)的内部绕组输出电流。

6.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述电动车的增程系统(16)包括逻辑充电控制装置(17)和电能补充装置(18)；所述逻辑充电装置的输入端(17a)电连接电能补充装置(18)，其输出端(17b)电连接电池组(8)的正负极；所述增程系统在设定的逻辑工作状态为电池组补充电能。

7.根据权利要求1或6所述的电动车，其特征在于，所述增程系统(16)的电能补充装置(18)为材料任意的一次电池与控制装置组合而成；或为内燃发电机与系统装置组合而成；或两者组合设置。

8.根据权利要求1或6所述的电动车，其特征在于，所述增程系统(16)的逻辑充电装置(17)至少包括直流电充电装置，其独立设置，或将其部分逻辑功能或全部逻辑功能集成于电源调制器(1)内。

9.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述电动车包括一个车轮及或多个车轮的电动车以及电动、脚踏两用车；所述设置电动装置(3)的车轮(5)，包括单轮以及同轴紧凑安装两个车轮的准单轮结构。

10.基于权利要求1～9任一电动车的驱动方法，该方法根据所述转子单元(3a)和所述定子单元(3b)的位置关系通过电源调制器输出时序驱动电流控制车轮转动；

所述时序根据车轮旋转方向而定义，所述时序电流根据定子单元电磁场在车圈上的有效作用区间结合车圈上的转子单元个数而设置若干个通断周期T，所述通断周期包括供电时域和断电时域；所述供电时域位于相应的时间段，所述为转子单元绕轴并与轴确定的法线与定子单元和轴所确定法线所形成的动态夹角，所述为转子单元绕轴切线方向与其所受电磁力方向重合状态所确定的值；

所述断电时域内电源调制器(1)不输出电流。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述通电时域T1内初始的电流、电压或定子单元(3a)的磁通强度由传感装置获取行车速度实时值结合驱动操控装置(9a)给出的指令而调整。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法还包括校正步骤；所述校正步骤为以定子单元(3a)与转子单元(3b)周期性隔气隙(3d)相对、为0的状态记为基准座标和基准时间，当转子单元每次转至基准座标时，电源调制器进行一次时间归0校准并记录本次周期时间，通过与转子单元上次转至基准座标的周期时间比较，从而获知旋转周期时间和车速，并控制输出电流。

13.基于权利要求1～9任一电动车的制动方法，该方法根据所述转子单元趋近定子单元、转子单元和定子单元处同轴法线相对以及处于远离状态的至少一个时域中，电源调制器(1)输出时序电流控制车轮制动；

所述转子单元趋近定子单元的时域为状态的相应时间段，所述为转子单元绕轴并与轴确定的法线与定子单元和轴所确定法线所形成的动态夹角，所述为转子单元绕轴切线方向与其所受定子单元电磁力方向相同状态所确定的值。

14.基于权利要求1～9任一电动车的电能补充方法，该方法在电动轮毂装置(13)运行中需要为电池组(8)持续补充电能，或当电池组的实时电压或残存容量值低于所设定的阀值时，启用增程系统(16)，使电能补充装置(18)通过逻辑充电装置(17)为电池组充电补充电能。