CN107253508B - 一种轻量化自行车动力改装套件及其改装控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻量化自行车动力改装套件及其改装控制方法。轻量化自行车动力改装套件包括横梁部件、车把部件、车轮部件，所述横梁部件包括搭载在自行车横梁上的安装包、电池、控制器，所述控制器包括单片机和无刷电机驱动板。车把部件包括刹车断电开关、通过硅胶绑带安装在车把上的控制按钮。车轮部件包括无刷电机、测速磁铁、测速霍尔传感器。所述控制器分别连接电池、控制按钮、无刷电机、刹车断电开关、测速磁铁、测速霍尔传感器组成控制系统。本发明在原有自行车基础上进行改进，使其具有代替人力的电力驱动功能，且具有定速模式、功率模式、助力模式不同模式控制，便于骑行操控。
Description
技术领域
本发明涉及自行车改装领域，尤其是一种轻量化自行车动力改装套件及其改装控制方法。
背景技术
油价高涨、环保意识增强的今日，自行车由于其轻便、灵活的特点依然是现今社会重要的交通工具。由于城市规模逐步扩大，人们的活动范围逐渐增加，造成传统自行车难以满足这种变化，因此电动自行车具备极大的市场。然而，传统铅酸电瓶车十分笨重，充电困难，不适用于大型城市高楼林立的场景。而锂电池电动车价格高，外观种类较为单一，难以满足人们对于性价比和外观的需求。市面上开始出现一些电动车改装套件，这类套件可以把自行车改装成为电动车。但是目前的自行车改装工序复杂，需要对手把、中轴、后轮、变速系统进行拆解，要求用户具备极高的动手能力，因此难以普及。此外电池能量密度小，长距离续航必然要求较大的体积，大型电池严重影响了车辆外观，不易携带和更换。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种轻量化自行车动力改装套件及其改装控制方法，使骑行更方便易控。
本发明采用如下技术方案：
一种轻量化自行车动力改装套件，包括横梁部件、车把部件、车轮部件，所述横梁部件包括搭载在自行车横梁上的双电池、控制器，所述控制器包括单片机和无刷电机驱动板；
所述车把部件包括刹车断电开关、通过硅胶绑带安装在车把上的控制按钮，刹车断电开关包括分别安装在左手刹和右手刹上的左刹车断电开关、右刹车断电开关；
所述车轮部件包括无刷电机、测速磁铁、测速霍尔传感器，无刷电机连接在自行车前轮轴上，测速磁铁、测速霍尔传感器均安装在无刷电机一侧；
所述控制器分别连接双电池、控制按钮、无刷电机、刹车断电开关、测速磁铁、测速霍尔传感器组成控制系统；
所述控制按钮与控制器配合实现自行车的定速模式、功率模式、助力模式运行控制。
所述控制按钮安装在右手车把的内侧，控制按钮具备长按、短按功能，配合控制器进行车辆控制。
所述左刹车断电开关、右刹车断电开关均包括附加式的刹车磁铁、刹车霍尔传感器，刹车磁铁、刹车霍尔传感器分别加装于左手刹和右手刹的刹车杆和刹车固定座两侧。
所述控制器的外壳上设有电源开关、模式切换开关；控制器内还集成有蓝牙模块、GPS定位模块。
所述双电池上设有放电口、充电口、USB口，放电口用来连接控制器进行供电输出，充电口用来对双电池进行充电。
一种轻量化自行车的改装控制方法，依据上述轻量化自行车动力改装套件，所述改装控制方法包括如下步骤：
(1)通过控制器的模式切换按钮切换自行车的运行模式，运行模式包括定速模式、功率模式、助力模式，控制器判定设定的运行模式，依据设定的控制流程控制，三种运行模式配合，使骑行过程中对车速控制仅需几秒，其余时间无需一直按住控制按钮；
(2)在执行步骤(1)的运行模式过程中，控制器实时检测是否有刹车信号输入，如有刹车信号输入，控制器控制电池停止为无刷电机供电。
所述步骤(1)中的定速模式包括如下控制流程：
(1-1)测速磁铁、测速霍尔传感器配合实时检测车速，通过长按控制按钮将期望速度增加至指定值，控制器控制功率输出，实现车速稳定巡航于期望速度；
(1-2)如果用户刹车，功率置零，刹车结束后，将期望速度设置为当前速度，用户希望加速时直接从当前速度继续增加，不用再在从零开始；
(1-3)如果用户刹车造成车速小于一个极限值时，功率置零，定速模式设定重复步骤(1-1)。
所述步骤(1)中的功率模式包括如下控制流程：
(2-1)设定期望功率，长按控制按钮将期望功率增加至指定值，控制器控制功率输出，直至功率稳定于期望功率；
(2-2)如果用户刹车，功率置零，刹车结束后，根据助力模式中的速度-功率公式，得到维持当前车速的应有功率P0，将该功率设置为期望功率，保持车速稳定；
(2-3)如果用户刹车造成车速小于一个极限值时，功率置零，功率模式设定重复步骤(2-1)。
所述步骤(1)中的助力模式包括如下控制流程：
(3-1)系统实时根据车辆速度计算当前速度对应的应有功率P0，并将之乘以助力系数r，如果当前功率与之不符则进行调整；
(3-2)用户短按控制按钮，会调整助力系数r，范围自0.6至1.1循环，用户长按控制按钮，系统将下限速度设置为当前车速；
(3-3)如果用户未刹车，但当前车速低于下限速度，系统控制功率增加，使车速不低于下限速度；如果用户刹车，功率置零，刹车结束后，下限速度清零，系统根据刹车结束时的速度输出功率。
所述控制流程(3-1)包括根据当前车轮速度v，测得维持当前速度基本不变的功率P0，利用线性回归拟合速度v和P0之间的关系：P0＝w1*v+w2*v2+w3*v3
其中w1、w2、w3为权重参数。
采用如上技术方案取得的有一技术效果为：
适应性强。普通人仅需替换车轮即可将自行车快速改装为电动车，无需任何专业技巧，操作简单，适用于任何造型和大小的山地车、公路车、普通自行车。
改装简便。仅通过替换前轮、放置动力包即可完成改装，不需要进行复杂的中轴、变速器、把手更换。
不影响车辆外观，隐藏式电机，控制器和电池放在前梁包内，对车辆外观影响轻微，保持车辆原有形态。
双电池设计，控制器可连接两块电池，可以使电池体积减半，重量减半，充电时间减半，单电池模式时限制电机功率以延长电池寿命及减少发热；双电池模式时电机以全功率输出以达到更高的行驶速度。
无转把设计，按钮符合人体工学设计，配合控制逻辑可以极大的减少按钮操作频次，避免传统转把长期操作时带来的手腕疲劳，放置飞车，提升骑行安全。
附图说明
图1为轻量化自行车动力改装套件整体安装示意图。
图2为车轮部分结构示意图。
图3为车把结构示意图。
图4为车把控制按钮示意图。
图5为轻量化自行车动力改装套件结构示意图。
图6为轻量化自行车动力改装套件结构框图。
图7为电池控制模块框图。
图8为定速模式控制逻辑流程图。
图9为功率模式控制逻辑流程图。
图10为助力模式控制逻辑流程图。
图中，1-控制器，2-电池，3-刹车断电开关，5-安装包，6-车轮部件，7-无刷电机，8-测速磁铁，9-测速霍尔传感器，10-刹车霍尔传感器，11-刹车磁铁，12-控制按钮，13-硅胶绑带，101-模式切换开关，102-电源开关，201-USB口，202-放电口，203-充电口。
具体实施方式
结合附图1至10对本发明的具体实施方式做进一步说明：
一种轻量化自行车动力改装套件，包括横梁部件、车把部件、车轮部件6。
横梁部件包括搭载在自行车横梁上的安装包5、电池2、控制器1，所述控制器包括单片机和无刷电机驱动板。所述控制器的外壳上设有电源开关102、模式切换开关101；控制器内还集成有蓝牙模块、GPS定位模块。所述电池上设有放电口202、充电口203、USB口201，放电口用来连接控制器进行供电输出，充电口用来对电池进行充电。整机有日常防水特性。
智能识别解锁。控制器具有密码保护功能，开机以后需要输入正确密码才可以正常骑行。控制器可通过感应手机蓝牙实现接近自动解锁。安装专用APP或手机软件，用户可通过手机解锁控制器，设置解锁密码，切换骑行模式，查看当前的速度、输出功率、本次行驶的里程、总里程、电池电量等信息。模式切换开关功能可通过手机替代控制。
控制器内集成GPS模块，可记录车辆位置，实现轨迹追踪和防盗功能。
电池具有USB接口可以当作移动电源使用。
安装包设有两个安装袋5，所述电池有两块并分别设置于安装袋内，所述控制器设置在两个安装包之间。
电池为锂电池，且电池连接有多电池管理电路。管理电路中U3，U4为两块电池，U2为总开关。两块电池通过两个二极管D1、D2后给电机供电，避免反向充电。控制器通过两个引脚A2、A3检测U4、U3的电池电压。当A2、A3电压符合标准时，两块电池同时工作，控制器可根据用户意图进行全速输出；当某个引脚电压过低或者无电压时，控制器判断相应电池无法输出功率，此时将最大功率减半。
锂电池本身的电压3.7V，要驱动电动车需要36V或48V电压，因此至少需要10节或13节锂电池，下面按照48V作解释。根据18650锂电池的长宽高，13节电池可做到手掌大小4cm厚度。但是锂电池放电电流小，要实现如450w功率需要单节电池放电10A左右，放电发热严重，因此市面上常采用电池模组并联的形式，先按照N节电池组成一个并联单位，然后将13个单位组成48V的串联模组，从而每个电池放电电流为10/N安。所以电池的数量只能是13、26、39、…，对应电流分别为10A、5A、3.3A、…对于自行车来说26和39节的电池模组过大，携带不便，隐形效果差，改装严重影响外观。如果采用36伏或24伏，体积虽可以降低25％和50％，单要达到450w则需要更大的电流，目前没有电池能达到上述放电能力。目前没有能够同时满足体积小和大功率输出的电芯，故采用两个13节锂电池实现外部供电，既减少了单个电池的体积，又满足足够的功率输出。
双电池供电的电压均衡：电池内部并联再串联供电，不存在电池电压差的问题，而外部供电两块电池有可能会出现电压不同的现象。当电池A电压大于电池B时，电池B不输出。本发明可使用双电池、单电池供电，为了保护电池，单双电池供电下均会动态酌情调整功率上限。
双电池的输出控制，电池供电时随着电流增加，自身会存在压降，输出电压降低，一旦单节电池电压低于3.2V，电池保护板强制断电。这意味着电池即使超过3.2V，也会由于突然的加速造成断电，因此供电时应该随着电池的电压逐步调整电流输出。
本发明利用两块单串电池供电，每块电池体积仅相当于移动电源大小，便于隐藏。通过特定电路和检测装置即可控制两个电池协同工作、也可单电池低功耗工作，实现了续航能力和动力的双提升，实现了外观的小型化、隐形化。
车把部件包括刹车断电开关3、通过硅胶绑带13安装在车把上的控制按钮12，刹车断电开关包括分别安装在左手刹和右手刹上的左刹车断电开关、右刹车断电开关。所述左刹车断电开关、右刹车断电开关均包括刹车磁铁11、刹车霍尔传感器10，刹车磁铁、刹车霍尔传感器分别位于左手刹和右手刹的刹车杆和刹车固定座两侧。当用户刹车时霍尔传感器与磁铁分离，控制器判断用户刹车。控制器强制将PWM输出设为0即停止动力。该装置非常敏感，可检测1mm左右的位移。
本发明抛弃了转把控制方法，采用期望速度、期望功率等方式，仅用一个按钮进行控制，用户骑行过程中不需要一直保持把手的拧动状态。由于把手不转动，用户能够更好地把握车辆，大大提高骑行安全，且避免了对各类车辆把手的拆装。
车轮部件包括无刷电机7、测速磁铁8、测速霍尔传感器9，无刷电机连接在自行车前轮轴上，测速磁铁、测速霍尔传感器均安装在无刷电机一侧。
电池分别连接控制器、左刹车断电开关、右刹车断电开关、无刷电机、测速霍尔传感器，并为其供电。
控制器分别连接电池、控制按钮、无刷电机、刹车断电开关、测速磁铁、测速霍尔传感器组成控制系统。
上述轻量化自行车的改装控制方法，包括如下步骤：
(1)通过控制器的模式切换按钮切换自行车的运行模式，运行模式包括定速模式、功率模式、助力模式，控制器判定设定的运行模式，依据设定的控制流程控制；
(2)在执行步骤(1)的运行模式过程中，控制器实时检测是否有刹车信号输入，如有有刹车信号输入，控制器控制电池停止为无刷电机供电。
在速度模式下，按下按钮会使控制器的期望速度增加，通过PID算法使实际速度维持在期望速度。在功率模式下，按下按钮会使控制器的期望输出功率增加，线性增加至期望功率。在助力模式下，通过短按按钮调整助力系数、通过长按按钮锁定最低速度，可以实现车辆的各类加速控制。
当用户刹车时，刹车霍尔效应传感器与刹车磁铁分离，霍尔电位反转，电机每10ms检查一下霍尔状态，如果发现用户刹车立刻停止所有输出。此时车辆速度会随着刹车力度逐步降低，当刹车借结束时，车辆保持刹车结束时的状态，即速度模式下会维持刹车结束时的当前车轮速度，功率模式会依据当前车轮速度，按照助力系数＝1时计算功率，将车辆维持在该功率上，可以实现各类减速控制。
刹车时功率输出强制置零，刹车结束后，在速度模式下，设置期望速度为当前的车轮速度；在功率模式下，根据当前车轮速度计算出助力比100％时的功率，设置为期望功率；在助力模式下，根据刹车后速度和助力系数计算合适的功率值。该逻辑使自行车刹车结束后能够继续维持当前的车速，在路况复杂需要频繁刹车的环境下，可避免用户每次刹车后重头开始设置速度。
也就是说，这个按钮并不控制减速，而是刹车控制。这种全新的控制方式实际的用户体验非常好。多人测试后均表示比现有的油门技术感觉好。完全避免了转把式油门带来的手腕疲劳、冲击痛，以及拨动式油门的拇指疲劳，抓握不牢固的问题。
所述步骤(1)中的定速模式包括如下控制流程：
(1-1)测速磁铁、测速霍尔传感器配合实时检测车速，通过按下控制按钮设定一个期望速度，控制器利用PID控制功率增减，实现车速稳定于循环速度；
(1-2)如果用户刹车，功率PWM强制置零，刹车结束后，将期望速度设置为当前速度，用户希望加速时直接从当前速度继续增加，不用在从零开始；
(1-3)如果用户刹车造成车速小于一个极限值时，期望速度清零，定速模式设定重复步骤(1-1)。
低于极限值，功率不输出，避免推车行走过程中飞车，但是期望速度不改变，因为功率已经没有输出了。
所述步骤(1)中的功率模式包括如下控制流程：
(2-1)设定期望功率，按下控制按钮，如果系统当前的功率低于期望功率，则PWM不断增加，连续增加期望功率，如果系统当前的功率高于期望功率，则PWM不变，功率不再增加；
(2-2)如果用户刹车，功率PWM强制置零，刹车结束后，利用助力模式中的速度-功率公式，得到r＝1.0的应有功率，将该功率设置为期望功率，在此基础上提高期望功率；
(2-3)如果用户刹车造成车速小于一个极限值时，期望功率清零，功率模式设定重复步骤(2-1)。
所述步骤(1)中的助力模式包括如下控制流程：
(3-1)系统实时根据车辆速度计算应有功率P0，并将之乘以助力系数r，如果当前功率与之不符则进行PID调整；
(3-2)用户短按控制按钮，会调整助力比，范围0.6-1.1，用户长按控制按钮，系统设置下限速度为当前车速；
(3-3)如果用户刹车，PWM输出为0，刹车结束后，下线速度清零，系统根据刹车结束时的速度输出PWM。
数字电路里没有高低电压之分，因此无刷电机用PWM控制。PWM是调整一个方波的占空比。一个方波如果高电平时间很短，大部分是低电平，就会实现模拟电路里面滑动变阻器“低电压”的效果，反之高电平比例高就是高电压。PWM输出为0-255，代表了0功率到最大功率。定速模式中，控制PWM使车辆达到期望速度；功率模式中，控制PWM到期望PWM，达到期望功率。
所述控制流程(3-1)包括根据当前车轮速度v，测得维持当前速度基本不变的功率P0，利用线性回归拟合速度v和P0之间的关系：P0＝w1*v+w2*v2+w3*v3
其中w1、w2、w3为权重参数。
此模式下短按控制开关，可以调整助力系数r，助力系数在0.6-1.1之间循环，最终输出功率为P＝P0*r。由于不同车辆阻力、顺滑程度不同，用户可根据车辆自行调整助力系数r。助力系数取0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1。即有多种助力强度，用户通过短按按钮进行切换。不同速度对应的P0形成一个非线性曲线，因此我们采用三阶方程拟合实际数据。给定v，即可得到该速度下保持匀速所需要的功率P0。当r＝1.0时，车辆可以维持当前速度，如果r<1，维持当前速度则需要一定的人力，r越小，需要的人力越大。如果r>1，会感到力量被放大，轻松踩踏即可显著地提高车辆速度。
控制器判定设定的运行模式时，也同时检测电池的状态，包括判断电池个数、设置上限功率、功率输出时锁定电池电压。
判断电池个数，测试得出电池最大输出，压降<x伏，因此如果双侧电池单节电压差超过x伏(13节电池串起来就是13x伏)视之为单电池工作状态、或双电池但仅一个电池能够对外输出。
设置上限功率，根据电池数目设置上限功率。如果数目为1，此时的最大功率设置为：
Pmax＝150+(高电池电压-Vs)*40
x是一节电池全功率输出时的最大压降，功率范围利用PWM控制，PWM限定在0-255，Vs代表电池充满电的电压。例如18650锂电池为4.2伏。
如果数目为2，最大功率设置为：
Pmax＝255+(低电池电压-Vs)*40
功率输出时锁定电池电压，卡尔曼滤波对A2、A3电压进行滤波。
根据设置上限功率的策略，容易发现当电池停止放电时电压较高，因为功率上限高，一旦开始放电，电压降低，造成功率上限降低。如果用户全速行驶，较大的功率上限造成电池压降过大，从而降低功率上限，一旦功率上限降低，电池放电电流减少，造成电压回升，功率上限又回升，回升后又会造成压降。如此往复形成一个不稳定的震荡系统。因此系统采用卡尔曼滤波对A2、A3电压进行滤波，实现电压的平滑变化，同时在有功率输出时，系统将电压测定的频率降低，避免车辆速度产生震荡。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (10)
1.一种轻量化自行车动力改装套件，其特征在于，包括横梁部件、车把部件、车轮部件(6)，
所述横梁部件包括搭载在自行车横梁上的双电池(2)、控制器(1)，所述控制器(1)包括单片机和无刷电机驱动板；
所述车把部件包括刹车断电开关(3)、通过硅胶绑带(13)安装在车把上的控制按钮(12)，刹车断电开关(3)包括分别安装在左手刹和右手刹上的左刹车断电开关、右刹车断电开关；
所述车轮部件(6)包括无刷电机(7)、测速磁铁(8)、测速霍尔传感器(9)，无刷电机(7)连接在自行车前轮轴上，测速磁铁(8)、测速霍尔传感器(9)均安装在无刷电机(7)一侧；
所述控制器(1)分别连接双电池(2)、控制按钮(12)、无刷电机(7)、刹车断电开关(3)、测速磁铁(8)、测速霍尔传感器(9)组成控制系统；
所述控制按钮(12)与控制器(1)配合实现自行车的定速模式、功率模式、助力模式运行控制。
2.根据权利要求1所述的一种轻量化自行车动力改装套件，其特征在于，所述控制按钮(12)安装在右手车把的内侧，控制按钮(12)具备长按、短按功能，配合控制器进行车辆控制。
3.根据权利要求1所述的一种轻量化自行车动力改装套件，其特征在于，所述左刹车断电开关、右刹车断电开关均包括附加式的刹车磁铁(11)、刹车霍尔传感器(10)，刹车磁铁(11)、刹车霍尔传感器(10)分别加装于左手刹和右手刹的刹车杆和刹车固定座两侧。
4.根据权利要求1所述的一种轻量化自行车动力改装套件，其特征在于，所述控制器(1)的外壳上设有电源开关(102)、模式切换开关(101)；控制器(1)内还集成有蓝牙模块、GPS定位模块。
5.根据权利要求1所述的一种轻量化自行车动力改装套件，其特征在于，所述双电池(2)上设有放电口(202)、充电口(203)、USB口(201)，放电口(202)用来连接控制器(1)进行供电输出，充电口(203)用来对双电池(2)进行充电。
6.一种轻量化自行车的改装控制方法，根据权利要求1至5任一项所述的一种轻量化自行车动力改装套件，其特征在于，所述改装控制方法包括如下步骤：
(1)通过控制器的模式切换按钮切换自行车的运行模式，运行模式包括定速模式、功率模式、助力模式，控制器判定设定的运行模式，依据设定的控制流程控制，三种运行模式配合，使骑行过程中对车速控制仅需几秒，其余时间无需一直按住控制按钮；
(2)在执行步骤(1)的运行模式过程中，控制器实时检测是否有刹车信号输入，如有刹车信号输入，控制器控制电池停止为无刷电机供电。
7.根据权利要求6所述的一种轻量化自行车的改装控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中的定速模式包括如下控制流程：
(1-1)测速磁铁、测速霍尔传感器配合实时检测车速，通过长按控制按钮将期望速度增加至指定值，控制器控制功率输出，实现车速稳定巡航于期望速度；
(1-2)如果用户刹车，功率置零，刹车结束后，将期望速度设置为当前速度，用户希望加速时直接从当前速度继续增加，不用再在从零开始；
(1-3)如果用户刹车造成车速小于一个极限值时，功率置零，定速模式设定重复控制流程 (1-1)。
8.根据权利要求6所述的一种轻量化自行车的改装控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中的功率模式包括如下控制流程：
(2-1)设定期望功率，长按控制按钮将期望功率增加至指定值，控制器控制功率输出，直至功率稳定于期望功率；
(2-2)如果用户刹车，功率置零，刹车结束后，根据助力模式中的速度-功率公式，得到维持当前车速的应有功率P0，将该功率设置为期望功率，保持车速稳定；
(2-3)如果用户刹车造成车速小于一个极限值时，功率置零，功率模式设定重复控制流程 (2-1)。
9.根据权利要求6所述的一种轻量化自行车的改装控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中的助力模式包括如下控制流程：
(3-1)系统实时根据车辆速度计算当前速度对应的应有功率P0，并将之乘以助力系数r，如果当前功率与之不符则进行调整；
(3-2)用户短按控制按钮，会调整助力系数r，范围自0.6至1.1循环，用户长按控制按钮，系统将下限速度设置为当前车速；
(3-3)如果用户未刹车，但当前车速低于下限速度，系统控制功率增加，使车速不低于下限速度；如果用户刹车，功率置零，刹车结束后，下限速度清零，系统根据刹车结束时的速度输出功率。
10.根据权利要求9所述的一种轻量化自行车的改装控制方法，其特征在于，所述控制流程(3-1)包括根据当前车轮速度v，测得维持当前速度基本不变的功率P0，利用线性回归拟合速度v和P0之间的关系：P0＝w1*v+w2*v2+w3*v3
其中w1、w2、w3为权重参数。
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