CN105984552A - 一种轮圈控制式电动车及其驱动、制动和增程方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮圈控制式电动车，包括电源调制器、驱动操控装置、车架、电池组和至少一个车轮；所述电动车至少一个车轮设置电动装置；电动装置包括定子单元和永磁体转子单元；转子单元至少设置1个于车轮的轮圈上；定子单元至少设置一个在车架固定部位且与转子单元的周期相对气隙不大于60mm；所述电池组包括一次电池或二次电池，或两者组合设置；定子单元的电磁极方向与所述转子单元运动相向的磁极相反；电源调制器通过驱动操控装置/电磁制动装置获取用户的指令并相应输出时序电流，使电动车实现驱动/制动；所述电动车的增程系统为二次电池组补充电能。

Description

一种轮圈控制式电动车及其驱动、制动和增程方法

技术领域

本发明涉及电动车及其电源动力设计领域，具体涉及一种电动装置设置于轮圈的电动车及其驱动、制动和增程方法。

背景技术

目前我国电动自行车的市场保有量已达到1.5亿辆以上，电动三轮车保有量逾1000万台，区域用电动四轮车发展迅猛。

市场电动车普遍配用的是永磁无刷电动机，配件产业链成熟，目前正从通用型向专业设计方向发展。电动自行车市场主流配用的是轮毂式电机，行业普遍认为轮毂式电机技术已发展成熟，主要竞争集中在材料和人力成本的控制。对于电机控制，近年市场己普遍应用PWQ技术来控制电机的转速，即占空比可变的脉冲波形，通过其对半导体电力器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相同而宽度不相同的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需的波形。

近年来，国内外同行还试图开发在轮沿设置电动装置的电动车，这一思想方法古来有之，中国古代已普遍使用水车，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时，并未获得预期的开发成功。例如市场上一种在轮圈外缘设齿并安装输出轴带齿电动机的电动自行车，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，并且在轮圈外缘设置电动机会受到功率的限制。

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：燃料箱给内燃发动机系统提供燃料输出动力；在此传统设计基础上并行增加一套电连接电池组的电动机系统，电动机由电池组提供电能输出动力；两路动力通过油、电动力转换装置共用机械传动系统，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，其明显缺陷为造价高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有电动车局限于配用单元式电动机和电流调制方式的设计缺陷，提供一种电动装置设置于轮圈的结构，并将供电方式改变为时序通断控制的技术方案，结构简单，转矩大，工艺容易实现。

本发明提供的一种轮圈控制式电动车，所述电动车包括电源调制器1、驱动操控装置9a、车架4、电池组8和至少一个车轮5；所述电动车至少一个车轮设置至少一套的电动装置；所述的电动装置包括定子单元3a和永磁体转子单元3b；所述转子单元3b至少设置一个于车轮的轮圈6上；当轮圈上设置多个转子单元时，多个转子单元环绕轮圈间隔设置且磁极方向相同；所述定子单元3a至少设置一个在车架4的固定部位，其与转子单元所形成的周期性相对气隙3d不大于60mm；

所述电源调制器1包括电源输入端1a、时序电流输出端1b和驱动信号输入端1d，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；所述电池组8包括一次性使用的一次电池8a或可重复多次充电使用的二次电池8b，或两者组合设置；所述电源调制器对定子单元内部绕组供电使定子单元形成电磁极的方向，设置为与所述转子单元运动相向的磁极相反；电源调制器1通过驱动操控装置9a获取用户的指令并相应输出时序电流，使电动车实现驱动。

优选的，所述电源调制器的额定功率不超过25KW。

优选的，所述转子单元设置于轮圈6上包括设置于轮圈的内缘、外缘或轮圈内部；所述的轮圈6采用合金、塑钢或其他固体成形材料制造，其结构包括一个圆环或多个圆环组合；所述多个圆环组合的轮圈以同轴7的方式通过构件将多个圆环固连为一体，包括一体化设计制造；所述转子单元在不影响安装于轮圈的前提下不限形状；多个转子单元在轮圈间隔安装时优选均匀排布。

优选的，所述转子单元3b的材料为磁钢、钕铁硼等一类本领域技术人员公知的永磁体，其自身固有磁性且磁极方向不因外部磁场而改变；所述转子单元在轮圈6上的设置方式，包括N/S两极连线与轮圈的同轴法线10重合/垂直4种典型组合状态，以及在4种典型组合状态基础上N/S两极连线偏转不超过20度角。

优选的，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。

所述定子单元设置在靠近轮圈6的车架4固定部位，包括轮圈内与车轮固定轴固连的机械装置，其组合设置遵循电磁极方向与转子单元3b运动相向磁极相反的基本原则，以其内部绕组通电的磁通量获得穿过气隙3d最大值为优选。所述定子单元在车架固定部位的设置方式，包括内部绕组通电形成的电磁极两极连线12与车轮5的法线10垂直/重合4种典型组合状态，包括电磁极的两极连线偏转不超过20度角；若干个定子单元排布组合包括在轮圈两侧的车架部位对称安装。

优选的，所述电动装置还包括传感装置，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；所述传感单元与电源调制器的传感信号输入端1c电连接；所述电动车至少在轮圈的内缘或外缘设置一传感单元。

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由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制动装置9b，所述电源调制器1还包括刹车信号输入端1e，其电连接电磁制动装置9b；所述电源调制器通过电磁制动装置9b获取用户的指令并相应输出时序电流，实现电动车制动。

本发明中，所述驱动操控装置9a可设置为常规旋转把手式、推拉式操纵杆或其他任意人工控制方式，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。

本发明中，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；所述的车轮5，包括单轮毂以及同轴紧凑安装两个轮毂的准单轮结构。

所述电动车的车架任意；

所述一次电池8a和二次电池8b两者组合设置包括电并联连接。

优选的，所述电动车配置二次电池组8b时加装电能补充装置18，所述电能补充装置包括材料任意的一次电池8a与控制装置组合，或为内燃发电机与系统控制装置组合，或两者组合设置；电能补充装置通过逻辑充电装置17电连接二次电池组；所述的逻辑充电装置独立设置，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。所述的增程系统包括电能补充装置和逻辑充电装置。

所述一次电池8a的控制装置至少包括一次电池启动装置；所述内燃发电机包括内燃机和发电机，所述系统控制装置至少包括内燃机启动及停止装置；所述内燃机的燃料任意；所述电能补充装置的组合设置，包括一次电池与控制装置、内燃发电机与控制装置各设置一套以上。所述逻辑充电装置至少包括充电控制装置，其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。

本发明还公开了一种前述电动车的驱动方法，该方法通过电源调制器1根据所述转子单元3a和所述定子单元3b的位置关系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，每个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隔气隙所受定子单元电磁力作用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。

优选的，所述供电时域的电流不限波形、频率及占空比；

优选的，所述通电时域内初始的电流、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；所述校正步骤为将定子单元与转子单元周期性隔气隙相对、处于同一法线的状态(为0)作为基准座标和基准时间，当转子单元每次前转至基准座标时，电源调制器进行一次时间归0校准并记录本次周期时间，通过与上次转子单元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。

本发明还公开了所述电动车的制动方法，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一法线相对(为0)以及处于远离状态的至少一个时域中，通过操控电磁制动装置9b使电源调制器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电磁力方向重合状态所确定的值。

优选的，所述方法还包括校正步骤，所述校正步骤将为0作为基准座标和基准时间，通过传感装置获知转子单元趋近/相对/远离定子单元的位置状态。

所述电源调制器1输出驱动电流/制动电流的逻辑关系设置为或。

优选的，所述输出电流控制步骤可包括：

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1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电动车配置二次电池组的一种增程方法，该方法在电动装置运行中需要为二次电池组8b持续补充电能，或当二次电池组的实时电压或残存容量值低于所设定的阀值时，启用电能补充装置18为二次电池组补充电能。

本发明针对电动轮圈的设计特点，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，所述转子单元与轮圈组合可类比于传统电动机的转子；所述电动车可使用一次电池、二次电池或两类电池组合，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对二次电池补充电能的增程系统，有效解决电动车续行里程短的公知主要问题。

本发明的优点在于：电动轮圈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1a是转子单元设置于电动车轮圈外缘的一种结构示意图。

图1b是转子单元设置于电动车轮圈内缘的一种结构示意图。

图2a是转子单元在轮圈上的一种磁极方向设置示意图。

图2b是转子单元在轮圈上的另一种磁极方向设置示意图。

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轮圈内缘的结构示意图。

图4a是转子单元所受电磁力的方向分解及绕轴动态夹角示意图。

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关系示意图。

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是电源调制器增设刹车信号输入端的工作逻辑关系示意图。

图6是电源调制器输出电流呈周期性通断的时序示意图。

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是轮圈逆时针旋转对应的一种通断电时域示意图。

图7c是一个定子单元组合8个转子单元的一种通电逻辑示意图。

图7d是轮圈顺时针旋转对应的一种通断电时域示意图。

图8a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8b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8c是12个定子单元组合12个转子单元的一种局部结构示意图。

图9a是增程系统对二次电池组充电的一种逻辑控制结构示意图。

图9b是增程系统对二次电池组充电的另一种逻辑控制结构示意图。

图10a是电动两轮车加装增程系统的一种局部结构示意图。

图10b是电动四轮车加装增程系统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、驱动信号输入端；1e、刹车信号输入端；3a、定子单元；3b、永磁体转子单元；3c、传感单元；3d、气隙；4、车架；5、车轮；6、轮圈；7、轮轴；8、电池组；8b、二次电池组；9a、驱动操控装置；9b、电磁制动装置；10、同轴法线；11、车轮切线；12、绕组两极方向连线；17、逻辑充电装置；18、电能补充装置；转子单元绕轴的动态夹角。

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1a和图1b，本发明应用于电动两轮车，图1a示例是转子单元设置在轮圈的外缘，图1b示例是转子单元设置在轮圈(轮毂)的内缘部位；定子单元由良导线环绕磁芯而成，良导线通常使用铜线或镀铜铝芯线，磁芯为本领域技术人员公知的一种在外磁场作用下内部状态发生变化、可产生更强附加磁场的磁介质。

参见图2a，轮圈6外缘设置一个转子单元3b，S极面向轮圈内；一个定子单元3a设置在靠近轮圈内缘的车架固定部位，其绕组通电的N极面向轮圈，两者运动相对的气隙3d足够小，则转子单元趋近定子单元时，两者磁作用为相吸而使车轮加速运动；在另一个实施例中，转子单元的S极运动相向定子单元，定子单元绕组通电的N极逆车轮旋转方向与其相对，两者磁作用同样为相吸，如图2b所示；该定子单元电磁极与转子单元相吸关系设置是本发明所述电动轮圈的基础模型。

上述运动模型中，转子单元3b隔气隙受到的电磁力F可分解为法线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F₁₁，转子单元绕轴并和轴所确定的法线与定子单元和轴所确定的法线为一个动态夹角如图4a所示；转子单元所受电磁力的作用区间与定子单元的设置方案相关，例如单个柱状或工字形绕芯的定子单元电磁力线穿越气隙的最大值，对应于电磁极的两极连线12与其在车圈所处的法线10垂直(与相应切线11平行)，如图3a所示；柱状或工字形绕芯的定子单元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时选用；凹型绕芯定子单元的电磁力对转子单元的有效作用区间，位于绕芯上部正对车圈6内缘的两端范围内，如图3c所示。

转子单元在车圈上绕轴时，其绕轴切线方向与隔气隙所受到电磁力F作用方向重合为一特殊状态，此时夹角为定值转子单元所受电磁力的有效作用区间，位于以为0状态为基准的位置区间内(所述±根据车圈的旋转方向而定义)。当为0时，F₁₀为最大值，F₁₁为0，此时转子单元对绕轴无贡献，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，在的状态表现为以驱动力F₁₁为主，而在的状态表现为以制动力F₁₀为主。

本发明电动车的轮圈驱动技术方案为：电源调制器对应的时域供电，其余时域断电；当设计目标为节电时，优选甚至的时域供电；当需要充分利用车轮的转动惯量时，优选甚至 的时域供电；因的状态以制动力F₁₀为主，在状态通电对驱动已失去节电设计意义；该驱动电流的通断时域如图6所示，其中T₁为供电时间，T₂和T₀均为断电时间，(T₁+T₂+T₀)构成了时序驱动电流周期T。本发明电动车的轮圈制动技术方案为：电源调制器对应T₂和T₀的部分时域或全部时域设置为供电，所述T₂为转子单元绕轴对应的时域，所述T₀为转子单元远离定子单元的相应时域；同理，状态存在可观的切向力F₁₁，对制动无益。

上述根据对应状态的通、断电控制，可近似变换为相对时间控制，因为电源调制器通过时序校准可判知从到0、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、断电时域控制；例如控制对应至的时域供电，可近似设定为在(T₁+T₂)的时间段起始1/2时域，之后1/2时域断电；当控制对应至0的时域供电，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时域供电；(T₁+T₂)是一个与车轮转速相关的量，以时序电流周期时间确定在变速状态时会出现偏差，换言之是一种近似控制方式，由于电源调制器对应为0度状态设置有时间校准，得予在下一周期及时校正。

为一个关联定子单元及转子单元设置方案的磁作用隐变量，通常是运用为0及为的显态位置作为传感装置判断电动装置内部相对位置的一种依据；的精确位置是一个与车圈弧度、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，或采用大规模集成电路技术制造的专用芯片实现。

图7a是一个定子单元组合8个转子单元的局部结构示意图，定子单元在车轮一个旋转周期π分别与8个转子单元发生磁作用，电源调制器对应输出的时序电流划分为8个(T₁+T₂+T₀)周期，图7b标示了一种设定T为π/8、对应轮圈逆时针旋转方向的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。图8a是一个定子单元对应12个转子单元的局部结构示意图，定子单元对应车轮旋转周期分别与12个转子单元发生磁作用。转子单元并非设置越多越好，其在轮圈上设置数目受限于定子单元电磁力有效作用区间，否则时序电流周期会重叠。

电源调制器启动供电的时刻和所设定的电流时序直接定义了车轮旋转方向，当时序电流对应所述转子单元位于为至为的状态区间设置(此处－值区间以为0、相对前述供电时域对应转子单元位于的设置区间而相对定义)，则轮圈相应顺时针方向旋转，图7d标示了一种结构与图7b类同、与轮圈顺时针旋转方向相对应的T₁、T₂和T₀时序的示意区域。

图8b是两个定子单元组合8个转子单元的局部结构示意图，在车轮旋转周期中，电源调制器要为两个定子单元的绕组分别提供8个周期为(T₁+T₂+T₀)的时序电流；进一步可选择4个定子单元组合10个转子单元、12个定子单元组合12个转子单元(如图8c所示)，等等。理论上当H个定子单元与n个转子单元组合时，如果电源调制器对H个定子单元的绕组分立供电，需对应设计n*H个(T₁+T₂+T₀)电流时序，编程将十分复杂；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。

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，后者的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的传感单元获得，常规传感单元使用磁电感应绕组、霍尔元件或光电编码器等，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。

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对转子单元的通电作用次数，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)，驱动通电的幅值越大，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，与轮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。

当电动车需要增设电磁力刹车功能时，电源调制器相应增设的刹车信号输入端1e与电磁制动装置9b电连接，如图5c所示；电磁制动装置的功能为可控制电源调制器所输出的电流，电流强度越大，电磁制动效果越好。

本发明电动车启动时有一种特殊状态，当转子单元刚好处于与定子单元隔气隙处于同一法线10、为0时，容易出现堵转。如果电动车不是设计为助动起步，可对电源调制器相应设计电动车的静态启动程序；所述电动车静态启动程序的一个简单例，是当电源调制器在设定时间最大值得不到传感装置反馈信号的情况下，实时发出与正常驱动电流方向相反的启动电流，使轮圈上至少一个转子单元受到同极性相斥作用而偏离φ为0的状态，避免电动车启动不畅顺。

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。图1a是定子单元设置在轮圈外缘车架的一种示例，定子单元也可设置在如图1b所示轮圈(轮毂)内缘的固定部位。

传感单元优选设置在隔气隙与转子单元周期性相对的轮圈内位置，也可以设置在轮圈外，对两轮车甚至可以安装在另一个轮圈位置，因为两个轮圈总是同步旋转，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。

电动车的常规控制单元一般包括照明灯、转弯/刹车信号灯、音鸣等功能的开关控制，由若干个电连接电池组的电源开关组成，该类开关可单独设置，亦可将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人工控制方式，包括遥控。

电池组8可以以任意方式安装在车架上，包括使用专用电池箱。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。

本发明所述电动车优选在配置二次电池的技术基础上，增加设置电能补充装置18和逻辑充电装置17，行业习惯统称为增程系统；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9a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，即启动电能补充装置18为电池组补充电。所述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9b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。

本说明书所述的优选例仅为推荐，若干技术方案可部分使用，也可加入或组合并用其他成熟技术。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，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。本发明所述电动车的电动轮圈基础结构、电源调制器的电流时序控制方法、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电动两轮车，选用图1a所示的车架4，选用周长为1000mm的车轮5，电动装置设计为一个定子单元3a与轮圈6上8个永磁体转子单元3b组合，转子单元设置在轮圈外缘，定子单元安装在后轮内缘的车架上。

电池组选用24V10Ah磷酸铁锂电池，安装在车架内专设部位。

永磁体转子单元3b的长度为20mm，宽度在不影响轮圈外橡胶轮的情况下取最大值，紧密安装在钛铝合金制成的轮圈6的外缘，转子单元的两极连线与轮圈切线平行，8个转子单元的S极全部面向车轮5旋转的方向；定子单元绕芯材料选择市场易于采购的凹形铁磁体，凹形绕芯下部加工成与轮圈对应的弧形；绕组由一根直径0.55mm的铜线环绕磁芯42圈而成，安装要点：通过外加螺丝将定子单元固连在轮圈6外缘的车架4固定部位，凹形绕芯的下部弧形与轮圈外缘平行设置，两者之间的气隙3d为11mm，凹形绕芯两端对应轮圈6占位38度机械角。

电源调制器1的电源输入端1a电连接磷酸铁锂电池组的正负极，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，驱动信号输入端1d电连接驱动操控装置9a。传感单元3c由一个磁电感应绕组构成，外加螺丝将传感单元固连在靠近后轮的轮圈6内缘的固定部位。电源调制器对定子单元3a内部绕组的通电方向，设置为N极逆车轮5旋转的方向。

设定电动车的最大时速约20km/h即5.6m/s，计取限速对应的车轮5旋转周期时间为180ms，即对应8个转子单元的(T₁+T₂+T₀)时序周期最小值T为22.5ms，设定T₁：(T₂+T₀)为1：5，电源调制器对应限速输出的电流强度在24V时为12A，该电流值根据整车重量、驾驶员额定体重结合电动装置设计并经实验校准。

该电动两轮车外置的驱动操控装置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1输出的电流强度，从而控制电动自行车的车速。电动自行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，均采用市购产品配套。

电源调制器采用脉冲数字技术实现，其核心模块包括常规CPU和一个设计功率500W的驱动模块，其工作逻辑如图5b所示，脉冲频率50KHz，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。

电源调制器设定的工作逻辑为：以定子单元与转子单元3b周期性隔气隙相对、处于同一法线10(为0)的状态记为基准座标和基准时间，当人力助动或驱动操控装置9a给出电动车驱动信号、并且传感单元3c感知转子单元绕轴至夹角达到位置的时刻(约19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，以实验值为准)，电源调制器启动输出T₁电流为7A、T₁与(T₂+T₀)比值为1：5的通、断电时序；当轮圈每旋转一个周期(相应转子单元8次绕轴至基准座标)，电源调制器进行一次时间归0校准并记录本次周期时间，通过与上次周期时间比较获知实时值，并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对应转子单元绕轴至夹角达到位置的时刻，继续执行T₁与(T₂+T₀)比值为1：5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电源调制器输出电流接近12A的状态，上述设定的逻辑状态将使电源调制器的时序通电频率越来越高，对应车轮每周期中定子单元对转子单元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1/22.5ms或电源调制器输出的电流强度连续4s维持在12A状态，电源调制器无条件断电而达到自动限速的设计目标。

本实施例亦可将传感单元设置为多个，所述的电动轮圈亦可相应配置单轮车或两轮车和三轮车的前轮，包括在两轮车和三轮车的前轮、后轮同时配置。

实施例2、

实施例1增设电磁力刹车功能。

电磁制动装置9b为一个十级变阻器，电源调制器相应增设刹车信号输入端1e与电磁制动装置电连接，如图5c所示。电源调制器的制动逻辑为：当人工控制电磁制动装置发出刹车信号时，电源调制器切断T₁对应的时序电流，同时启动T₂时域通电，该T₂时域设定为传感单元3c感知转子单元3b绕轴至从到为0位置的时间段。电源调制器所输出的制动电流，对应电磁制动装置9b的十级阻档设置为十级强度，设定输出的电流强度为：首级6A、末级12A，十级电流平均设置。

前述定子单元安装在后轮外缘的车架部位亦可改变为安装在后轮内缘的结构。

实施例3、

将实施例2的制动逻辑进一步优化为：电源调制器启动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，所述该T₀部分时域的数值与(T₁+T₂)相等，T₀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。本实施例增加了转子单元远离定子单元状态的时域通电，加强了电动装置的电磁制动/刹车效果，可对应周期时序简要设定为：在(T₁+T₂+T₀)时序中，起始1/3的T₁时域断电，之后2/3的(T₂+T₀)时域通电。。

本实施例将定子单元绕组改变为双线环绕磁芯，一个绕组由直径0.55mm的铜线环绕磁芯42圈而成，用于动力供电，电连接电源调制器的时序电流输出端；另一个绕组由直径0.20mm的铜线环绕磁芯15圈而成，用作传感回路替代独立设置的传感单元，作为转子单元伴随车轮5旋转内部相对位置的判别信号源。

前述为度位置的制动时域也可以更改为度位置的时间段。

实施例4、

在实施例1基础上将定子单元3a增设为2个，绕芯改为圆柱形，绕组匝数相同，安装时圆柱形绕芯两端连线12与同轴轮圈6的相应法线垂直，如图3a所示；轮圈与转子单元3b实行一体化设计制造，其局部结构如图8b所示。

两个定子单元3a安装在车架4上轮圈的任意一侧、靠近轮圈内缘9mm的环形部位，技术要求与车轮旋转方向毗邻转子单元的机械间距相同，内部绕组电串联连接，在车轮旋转周期中共同与轮圈上均匀分布的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。

本实施例所述驱动电流时域定义为从到为位置的时间段。

本实施例亦可将两个定子单元改为在轮圈两侧的车架4上空间对称分别安装，电串联时两个定子单元内部绕组的通电磁场方向相同。

实施例5、

在实施例4的基础上，采用8个圆柱形绕芯定子单元在轮圈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：绕芯两端连线12与定子单元所处同轴轮圈的法线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的时序驱动电流输出端1b，每个定子单元绕组的通电磁极方向相同，每侧4个定子单元在轮圈上占位45度角平均设置；电源调制器驱动供电时域定义为从到为位置相应的时间段，对应周期时序T简要设定为：在(T₁+T₂+T₀)时序中，起始1/3的T₁时域通电，之后2/3的(T₂+T₀)时域断电。

实施例6、

将实施例5所述的电动装置同时安装在电动两轮车的两个车轮上，即前轮和后轮对应的车架4部位均设置有2×4个定子单元3a、前轮和后轮的轮圈6均安装有8个与轮圈实行一体化设计制造的转子单元3b，在前轮和后轮的轮圈6内缘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前轮和后轮定子单元3a的线圈绕组，可取得倍增的电动效果。

电池组改用18V60Ah的铅空气一次电池，安装在表面设计有若干凹槽的专用电池箱，该表面凹槽与电动车的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。其余设置方法与实施例5类同。

实施例7、

将实施例6电动装置同时安装在前后两轮的设计，变形为两个电动轮圈在横梁两端同轴安装。两个电动轮圈对应的车架4部位均设置有2×4个定子单元3a、轮圈6均安装有8个与轮圈实行一体化设计制造的转子单元3b，两个电动轮轮圈6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同轴并行两轮的定子单元3a，同样可取得倍增的电动效果。

电池组选用18V25Ah锌镍二次电池，安装在车架内专设部位。

本实施例因两个电动轮圈在横梁两端安装，转弯行驶时两个电动轮圈存在差速，因此应特别设计限速，或通过对电源调制器1内置转弯行驶的差速程序，使转弯行驶更稳定。本实施例在横梁两端同轴安装两个电动轮圈的技术方案，可适配功率设计进一步推广至三轮车和四轮车作为辅助动力源。

实施例8、

一种准单轮结构的电动车，所述准单轮结构是同轴紧凑安装两个轮圈6(轮毂)，两个轮毂均内置一体化设计制造的8个转子单元3b，8个电串联的定子单元3a环形设置在靠近两个轮圈6中间部位的固定部位，电源调制器安装在车架任意位置。

电池组选用18V25Ah锌镍二次电池和18V80Ah的铅空气一次电池的并联组合，驱动操控装置9a和电磁制动装置9b均外置为手动遥控方式。

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

本实施例所述同轴紧凑安装两个轮毂的准单轮结构可进一步在前后两轮电动车的前轮、后轮甚至前后两个轮加以变形实施，使电动车行驶效果更稳定。

实施例9、

对实施例1定子单元3a凹形绕芯的安装方法改变为：凹形绕芯的上部逆车轮旋转方向偏转5度角，转子单元3b相应逆车轮旋转方向偏转5度角，其余类同。本实施例因定子单元内部线圈绕组通电后形成电磁场的偏转角，更符合转子单元3b伴随车轮5在绕轴旋转中被周期性相吸的动态模型，实施效果比实施例1要好。

本实施例可进一步加装增程系统，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，工作逻辑为：当监测到电池组的实时电压下降至23V时，自动启动甲醇发电机系统为磷酸铁锂电池组8b补充电能，其充电工作方式为恒定电压28.2V限制最大电流4A，当充电电流小于0.5A时自动停止充电。

实施例10、

一种电动装置的转子单元3b设置在轮圈(轮毂)内的前后两轮结构电动两轮车，转子单元3b在后轮的设置部位和选用的车架4如图1b所示；车轮5为双环形钛铝合金轮圈结构，外环周长为1000mm，内环周长为500mm，内环与外环设置有6根固连筋条，一体化制造；电动装置设计为12个定子单元3a与12个永磁体转子单元3b组合，12个永磁体转子单元沿轮圈(轮毂)内缘间隔平均设置；12个定子单元安装在靠近后轮内缘的部位，通过机械装置与后轮的固定轴固连。

电池组选用24V20Ah磷酸铁锂电池，安装在车架内专设部位。

12个永磁体转子单元3b的长度为15mm，宽度在不影响轮圈外橡胶轮的情况下取最大值，紧密安装在轮圈6内环的内缘，N极全部正对轴7；定子单元绕芯材料选择工字形铁磁体，绕组由一根直径0.55mm的铜线环绕磁芯35圈而成，安装要点：定子单元沿靠近轮圈6的内缘部位固连，工字形磁芯上部正对轮圈(轮毂)内缘设置，两者之间的气隙3d为8mm，12个定子单元间隔平均环形设置。

12个定子单元的绕组电串联连接，每4个定子单元的绕组中间引出抽头，对外形成3根线组成电外接回路(类似于传统电动机内部绕组的Δ形接法)，在轮圈旋转周期中与其均匀分布的12个转子单元发生电磁力作用；电源调制器的电连接方式对应设计为三线回路，其相应输出的时序脉冲电流在三线构成的各个回路中平均分配；电源调制器对定子单元绕组的通电方向设置为绕芯S极逆轮圈旋转方向；本实施例可以进一步利用定子单元3a绕组外接两相反馈的两两比较微分电位差，作为定子单元与转子单元内部位置判别的信号源，替代独立设置的传感单元。

本实施例的驱动供电时域定义为从到为相应的时间段，制动供电时域定义为从至为0相应的时间段。该电动轮圈可在电动车独立设置，也可配合中央动力式的电动车在轮毂内安装，使之成为辅助电动装置。

实施例11、

对实施例10的电动两轮车加装增程系统，如图10a所示，电能补充装置18采用标称24V120Ah铝空气电池系统，工作方式设置为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工作逻辑为：每10分钟对电池组的容量进行一次微分流监测，当监测到电池组的容量下降至8Ah时，自动启动铝空气电池系统为磷酸铁锂电池组8b补充电能，其充电工作方式为恒定电压28.2V限制最大电流4A，当充电电流小于0.5A时自动停止充电。

实施例12、

将实施例10所述的轮圈电动装置进一步加大功率设计，增加定子单元绕组匝数和转子单元体积，电池组选用60V100Ah铅酸胶体电池，安装在如图10b所示的四轮车的车架，电动轮圈设置为四轮车的两个前轮，设计双增程系统。

本实施例所述四轮车的倒车，通过电源调制器对电动装置逆车轮旋转方向而定义对定子单元绕组启动供电的时刻和电流时序，时序电流启动对应于从到为的区间而设置(此处所述的－值区间，是以为0的状态作为基准座标、并根据前述车轮旋转方向对转子单元与定子单元的内部相对位置而定义)。

所述双增程系统的电能补充装置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；双增程系统为电池组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 (11)

1.一种轮圈控制式电动车，其特征在于，所述电动车包括电源调制器(1)、驱动操控装置(9a)、车架(4)、电池组(8)和至少一个车轮(5)；所述电动车至少一个车轮设置至少一套的电动装置；所述电动装置包括定子单元(3a)和永磁体转子单元(3b)；所述转子单元(3b)至少设置一个于车轮的轮圈(6)上；当轮圈上设置多个转子单元时，多个转子单元环绕轮圈间隔设置且磁极方向相同；所述定子单元(3a)至少设置一个在车架(4)的固定部位，其与转子单元所形成的周期性相对气隙(3d)不大于60mm；

所述电源调制器(1)包括电源输入端(1a)、时序电流输出端(1b)和驱动信号输入端(1d)，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)；所述电池组(8)包括一次性使用的一次电池(8a)或可重复多次充电使用的二次电池(8b)，或两者组合设置；所述电源调制器对定子单元内部绕组供电使定子单元形成电磁极的方向，设置为与所述转子单元运动相向的磁极相反；电源调制器(1)通过驱动操控装置(9a)获取用户的指令并相应输出时序电流，使电动车实现驱动。

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(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。

3.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述电动装置还包括传感装置，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(1)的传感信号输入端(1c)电连接；所述电动车至少在轮圈(6)的内缘或外缘设置一传感单元。

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由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制动装置(9b)，所述电源调制器还包括刹车信号输入端(1e)，其电连接电磁制动装置(9b)；所述电源调制器(1)通过电磁制动装置(9b)获取用户的指令并相应输出时序电流，使电动车实现制动。

6.根据权利要求1所述的电动车，其特征在于，所述电动车配置二次电池组(8b)时加装电能补充装置(18)，所述电能补充装置包括材料任意的一次电池(8a)与控制装置组合，或为内燃发电机与系统控制装置组合，或两者组合设置；电能补充装置通过逻辑充电装置(17)电连接二次电池组；所述的逻辑充电装置独立设置，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。

7.权利要求1～5任一电动车的驱动方法，该方法通过电源调制器(1)根据所述转子单元(3a)和所述定子单元(3b)的位置关系输出时序电流控制车轮(5)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，每个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。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通电时域内初始的电流、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。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括校正步骤；所述校正步骤为将转子单元(3b)和定子单元处同轴法线相对、为0的状态作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，通过与上次转子单元(3b)前转至基准座标的周期时间比较，从而获知车轮(5)旋转周期时间和车速，并控制输出电流。

10.基于权利要求1～5任一电动车的制动方法，该方法在所述转子单元(3b)趋近定子单元、转子单元(3b)和定子单元处同轴法线相对以及转子单元(3b)和定子单元处于远离状态的至少一个时域中，输出时序电流控制车轮(5)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电磁力方向重合状态所确定的值。

11.基于权利要求6所述电动车的增程方法，该方法在电动装置运行中需要为二次电池组(8b)持续补充电能，或当二次电池组的实时电压或残存容量值低于所设定的阀值时，启用电能补充装置(18)为二次电池组充电补充电能。