CN114701595A - 一种基于行星齿轮机构及前后双电机的电动助力自行车用驱动系统 - Google Patents

一种基于行星齿轮机构及前后双电机的电动助力自行车用驱动系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于行星齿轮机构及前后双电机的电动助力自行车用驱动系统，其特征为通过行星轮系、调速电机组成电子变速ECVT系统，此系统的机械结构去除了牙盘齿片、拨链器、飞轮等传统变速结构。整车控制器依据内置控制策略，确定前驱动电机及调速电机的工作模式。爬坡或加速工况下，前电机切换为驱动模式；滑行或制动减速工况下，前电机切换为再生制动模式，实现制动能量回收并提供再生制动力。控制指令经CAN总线传输至电机控制器，通过控制调速电机实现一定范围内的无级变速，且可以保持踩踏频率和力矩在适宜的区间，从而提升骑乘舒适性。单向离合器会阻断后轮到行星齿轮支架的动力传递，防止助力车滑行时出现脚踏“打脚”问题，避免意外伤害。

Description

一种基于行星齿轮机构及前后双电机的电动助力自行车用驱 动系统
技术领域
本发明涉及电动助力自行车，特别是一种基于行星齿轮机构及前后双电机的电动助力自行车。
背景技术
快速的城市化进程带来了人口密集、交通拥堵、空气污染等一系列问题，城市居民也越来越多地选择步行、自行车等绿色通勤方式。电动助力自行车以动力电池为主要或辅助动力来源，能够供人骑行，并且可以实现人力与电力交替或共同驱动车辆。
与传统的自行车相比，一般的电动助力自行车可以看作是在传统自行车的动力系统上加装中置助力电机、动力电池和力矩传感器，力矩传感器的作用是监测施加在脚踏板上的力的变化情况。常见的车用动力电池包括铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子聚合物电池等不同的种类，其中目前应用最为广泛的是锂离子聚合物电池，其优点是储能容量大，具有相对较高的能量密度，对环境造成的污染比较小。目前，电动助力自行车大多在车架中间位置布置助力电机，再通过链条传递动力至后轮以驱动车辆，当电池亏电时，骑行者可以通过电机两侧的脚踏来正常驱动车辆。
行至户外大坡度路面或障碍路面时，一般的单电机助力驱动方案，助力自行车的起步和爬坡性能常常受到挑战。考虑到电机的尺寸与重量等因素，仅选用更大功率等级的电机也并不现实。目前，在该助力驱动方案下，匹配5~6 Ah电池的助力自行车的助力续航里程大多在40 km左右。因此，电动助力自行车的能源驱动系统仍有技术革新的需求，以实现其更优秀的动力性能和更佳的能源利用率，这有助于开拓电动助力自行车在户外越野及城市远距离通勤等方向的市场。
发明内容
根据以上现有技术中的不足，本发明提供一种基于行星齿轮机构及前后双电机的电动助力自行车用驱动系统。通过行星轮系、调速电机组成电子变速ECVT系统，可实现较大带宽的变速范围，且在一定范围内实现无级变速。此系统的机械结构去除了牙盘齿片、拨链器、飞轮等传统变速结构，车辆可通过嵌入式控制程序控制调速电机来实现自动变速功能，系统自动适应路况调整速比，可以使骑行者保持在更舒适的踩踏频率和踩踏力矩区间持续轻便地骑行。当车辆在爬坡、大负重等工况下，前电机的介入，可以额外提供动力输出，保证车辆平稳行驶。车辆滑行或制动减速时，行星齿轮机构没有输出，此时前电机切换为再生制动工作模式，回馈制动能量输送到锂动力电池，同时提供一定的制动力用于车辆减速。
本发明技术方案是：提供一种基于行星齿轮机构及前后双电机的电动助力自行车用驱动系统，包括：CAN总线、整车控制器、前减速器、前电机、行星齿轮机构、调速电机、锁定器、单向离合器、脚踏减速器、锂动力电池及其管理系统、电机控制器。
上述部件的具体作用为：
（1）CAN总线，设计用于实现各控制单元间的信号传输；
（2）整车控制器，设计用于采集来自脚踏板、锂动力电池管理系统、电机控制器的信号，并依据内置的控制策略，向上述各子控制单元输出相关控制指令；
（3）前减速器，设计用于对前电机的输出减速增扭，提高爬坡动力；
（4）前电机，设计用于在爬坡等大动力需求时工作，为车辆提供额外输出动力，满足爬坡等工况的动力性需要；
（5）行星齿轮机构，设计用于与调速电机、脚踏输入共同组成电子变速ECVT系统，用此结构取代传统机械变速结构，实现踏板输入转速、调速电机转速和输出轴转速的匹配，且能实现在一定范围内传动速比的连续变化；
（6）调速电机，设计用于根据行星齿轮机构中三个端口的转速耦合关系，在不同骑行工况下通过控制调速电机的转速变化来实现连续的速比变化，保持骑行者脚踩踏板的频率在舒适的区间；
（7）锁定器，设计用于锁定或释放齿圈和调速电机轴与静态车架之间的固定连接；
（8）单向离合器，设计用于限制行星齿轮支架与后轮轴之间动力的单向传递；
（9）脚踏减速器，设计用于实现脚踏人力输入端到行星齿轮系统中太阳轮端口的转速、转矩变化；
（10）锂动力电池及其管理系统，动力电池设计用于为车辆提供助力驱动能量，电池管理系统，设计用于监测并向整车控制器发送动力电池运行状态信号，接收并执行整车控制器输出的控制指令；
（11）电机控制器，设计用于依据其收到的控制信号及指令来控制不同行驶工况需求下电机的工作状态。
本发明的优点在于：1、本发明通过设计一种基于行星齿轮机构及前后双电机的电动助力自行车用驱动系统，一方面可充分利用前后双电机双动力源的优势，保证助力自行车有更强的动力性能；另一方面，可充分利用带有调速电机的行星齿轮机构速度解耦的优势，根据踏板输入转速、调速电机转速和输出轴转速的匹配关系，在不同骑行工况下通过控制调速电机的转速来进行调速，且能实现传动速比在一定范围内的连续变化，即构成电子变速ECVT系统。2、本发明通过设计一种基于行星齿轮机构及前后双电机的电动助力自行车用驱动系统，借助行星齿轮系统构成的电子变速ECVT系统，控制调速电机对车辆进行调速，用此结构可以取代牙盘齿片、拨链器、飞轮等传统机械式变速结构。3、本发明通过设计一种基于行星齿轮机构及前后双电机的电动助力自行车用驱动系统，借助行星齿轮系统构成的电子变速ECVT系统，通过嵌入式控制器控制调速电机来实现自动变速功能，系统自动适应路况调整速比，优势在于可以使骑行者保持在舒适的踩踏频率和踩踏力矩区间持续轻便地骑行，从而提升骑乘舒适性。4、本发明通过设计一种基于行星齿轮机构及前后双电机的电动助力自行车用驱动系统，当车辆滑行或制动减速时，行星齿轮机构没有输出，此时前电机切换为再生制动工作模式，回馈部分制动能量输送到锂动力电池，同时提供一定的制动力用于车辆减速。制动能量回收帮助提升助力车的能量利用率，有利于提高车辆续驶里程。
附图说明
图1为基于行星齿轮机构及前后双电机的电动助力自行车用驱动系统平面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
图1为基于行星齿轮机构及前后双电机的电动助力自行车用驱动系统平面结构示意图，包括：CAN总线、整车控制器、前减速器、前电机、行星齿轮机构、调速电机、锁定器、单向离合器、脚踏减速器、锂动力电池及其管理系统、电机控制器、前后轮、脚踏。
该电动助力自行车驱动系统包含两个动力源，前驱动电机和行星齿轮机构。如图1所示，前电机经过前减速器连接到前轮，当助力车在爬坡工况时，嵌入式控制器控制前电机进入工作，通过前减速器减速增扭以辅助车辆爬坡。行星齿轮机构三个端口的拓扑结构为，踏板输入经脚踏减速器连接到中心太阳轮，调速电机连接到齿圈，后轮经单向离合器连接到行星齿轮支架。锁定器用于锁定或释放齿圈和调速电机轴与静态车架之间的固定连接。锂动力电池连接到电机控制器、前电机和调速电机，给整车的电气系统供电。整车控制器通过CAN总线实时采集车辆、动力电池、踏板转矩转速等信号，为内置控制策略输入因素。进一步，整车控制器依据内置控制策略，确定前驱动电机以及调速电机的工作模式，并向前电机、调速电机、动力电池输出相关控制指令。系统的具体工作模式及特点如下。
（1）起步工况下，整车控制器根据脚踏板处传感器采集的踏板转矩、转速信号计算车辆起步加速需求功率。锁定器释放齿圈和调速电机轴与静态车架之间的固定连接。如果整车起步加速需求功率大于行星齿轮机构的最大允许输出功率，则整车控制器控制行星齿轮机构与前驱动电机共同运行于功率输出模式，此时，前驱动电机工作并参与驱动，辅助助力车起步加速；否则，整车控制器控制行星齿轮机构运行于功率输出模式，而前电机不参与整车驱动。
（2）爬坡工况下，车辆需求的驱动功率往往较大，当行星齿轮机构的最大允许输出功率小于整车需求驱动功率时，整车控制器控制行星齿轮机构与前驱动电机共同运行于功率输出模式，此时，前驱动电机工作并参与驱动，为车辆提供额外输出动力，满足爬坡工况的动力性需求。
（3）正常骑行该电动助力车时，整车控制器依据内置控制策略，实时计算前后电机输出功率。锁定器释放齿圈和调速电机轴与静态车架之间的固定连接。如果整车驱动需求功率大于行星齿轮机构的最大允许输出功率，则整车控制器控制行星齿轮机构与前驱动电机共同运行于功率输出模式，此时，前驱动电机工作并参与驱动，辅助助力车加速；否则，整车控制器控制行星齿轮机构运行于功率输出模式，而前电机不参与整车驱动。控制指令经CAN总线传输至电机控制器，根据踏板输入端、调速电机和输出轴的转速、转矩匹配关系，在不同骑行工况下通过控制调速电机来进行调速，且能实现传动速比在一定范围内的连续变化，即构成电子变速ECVT系统。系统自动适应路况调整速比，在满足车辆驱动力需求的同时，可以始终使骑行者保持在舒适的踩踏频率和踩踏力矩区间持续轻便地骑行，从而提升骑乘舒适性。
（4）骑行者猛踩脚踏时，施加在脚踏板上的力很大，此时整车控制器根据脚踏板处传感器采集的踏板信号计算分配到行星齿轮机构调速电机的输出功率过大，当扭矩超过调速电机最大输出扭矩时，调速电机切换为发电机工作模式，吸收、转换部分机械能为电能并输送到锂动力电池。
（5）车速达到某助力设计车速时，锁定器将齿圈锁定在静态车架上，而调速电机被释放。此时，调速电机不参与整车驱动，行星齿轮系统等效为一固定速比的减速器，解除助力，仅靠脚踏板处人力输入驱动车辆。
（6）滑行工况下，骑行者不踩脚踏板，脚踏端无输入，整车控制器控制调速电机无功率输出。此时前电机切换为再生制动工作模式，回收部分惯性势能转换为电能并输送到锂动力电池，同时提供一定的制动力用于车辆减速。制动能量回收帮助提升助力车的能量利用率，有利于提高车辆续驶里程。由于惯性，车辆继续向前滑行，此时，后轮与行星齿轮支架之间的单向离合器会切断后轮到行星齿轮支架的动力传递，防止助力车在滑行时出现脚踏板“打脚”问题，避免意外伤害。
（7）制动减速工况下，脚踏端无输入，整车控制器控制调速电机无功率输出。此时前电机切换为再生制动工作模式，回馈部分制动能量输送到锂动力电池，同时提供一定的再生制动力以辅助机械制动进行车辆减速。制动能量回收帮助提升助力车的能量利用率，有利于提高车辆续驶里程。

Claims (3)

1.一种基于行星齿轮机构及前后双电机的电动助力自行车用驱动系统，其特征在于：根据不同的骑行工况，控制前电机以及调速电机的工作模式；通过行星齿轮机构可以在一定范围内连续调整传动比，在满足车辆驱动力需求的同时，还可以控制踏板的踩踏频率和踩踏力矩保持在一合理的区间；助力车滑行或制动减速时，前电机回收部分惯性势能转换为电能并输送到锂动力电池，具体特征为：一种基于行星齿轮机构及前后双电机的电动助力自行车用驱动系统包括CAN总线、整车控制器、前减速器、前电机、行星齿轮机构、调速电机、锁定器、单向离合器、脚踏减速器、锂动力电池及其管理系统、电机控制器、前后轮、脚踏。
2.所述前电机串联所述前减速器，所述前减速器串联所述前轮，所述行星齿轮机构三个端口的拓扑结构为，所述脚踏经所述脚踏减速器连接到中心太阳轮，所述调速电机连接到齿圈，所述后轮经所述单向离合器连接到行星齿轮支架；所述锁定器用于锁定或释放齿圈和调速电机轴与静态车架之间的固定连接；所述锂动力电池经电机控制器分别连接到所述前电机和调速电机，给整车的电气系统供电；所述脚踏、锂动力电池及电池管理系统、整车控制器和其它控制信号分别连接到CAN总线。
3.起步工况下，整车控制器根据脚踏板处传感器采集的踏板转矩、转速信号计算车辆起步加速需求功率；锁定器释放齿圈和调速电机轴与静态车架之间的固定连接；如果整车起步加速需求功率大于行星齿轮机构的最大允许输出功率，则整车控制器控制行星齿轮机构与前驱动电机共同运行于功率输出模式，此时，前驱动电机工作并参与驱动，辅助助力车起步加速；否则，整车控制器控制行星齿轮机构运行于功率输出模式，而前电机不参与整车驱动；爬坡工况下，车辆需求的驱动功率往往较大，当行星齿轮机构的最大允许输出功率小于整车需求驱动功率时，整车控制器控制行星齿轮机构与前驱动电机共同运行于功率输出模式，此时，前驱动电机工作并参与驱动，为车辆提供额外输出动力，满足爬坡工况的动力性需求；正常骑行该电动助力车时，整车控制器依据内置控制策略，实时计算前后电机输出功率；锁定器释放齿圈和调速电机轴与静态车架之间固定连接；如果整车驱动需求功率大于行星齿轮机构的最大允许输出功率，则整车控制器控制行星齿轮机构与前驱动电机共同运行于功率输出模式，此时，前驱动电机工作并参与驱动，辅助助力车加速；否则，整车控制器控制行星齿轮机构运行于功率输出模式，而前电机不参与整车驱动；控制指令经CAN总线传输至电机控制器，根据踏板输入端、调速电机和输出轴的转速、转矩匹配关系，在不同骑行工况下通过控制调速电机来进行调速，且能实现传动速比在一定范围内的连续变化，即构成电子变速ECVT系统；系统自动适应路况调整速比，在满足车辆驱动力需求的同时，可以始终使骑行者保持在舒适的踩踏频率和踩踏力矩区间持续轻便地骑行，从而提升骑乘舒适性；骑行者猛踩脚踏时，施加在脚踏板上的力很大，此时整车控制器根据脚踏板处传感器采集的踏板信号计算分配到行星齿轮机构调速电机的输出功率过大，当扭矩超过调速电机最大输出扭矩时，调速电机切换为发电机工作模式，吸收、转换部分机械能为电能并输送到锂动力电池；车速达到某助力设计车速时，锁定器将齿圈锁定在静态车架上，而调速电机被释放；此时，调速电机不参与整车驱动，行星齿轮系统等效为一固定速比的减速器，解除助力，仅靠脚踏板处人力输入驱动车辆；滑行工况下，骑行者不踩脚踏板，脚踏端无输入，整车控制器控制调速电机无功率输出；此时前电机切换为再生制动工作模式，回收部分惯性势能转换为电能并输送到锂动力电池，同时提供一定的制动力用于车辆减速；制动能量回收帮助提升助力车的能量利用率，有利于提高车辆续驶里程；由于惯性，车辆继续向前滑行，此时，后轮与行星齿轮支架之间的单向离合器会切断后轮到行星齿轮支架的动力传递，防止助力车在滑行时出现脚踏板“打脚”问题，避免意外伤害；制动减速工况下，脚踏端无输入，整车控制器控制调速电机无功率输出；此时前电机切换为再生制动工作模式，回馈部分制动能量输送到锂动力电池，同时提供一定的再生制动力以辅助机械制动进行车辆减速；制动能量回收帮助提升助力车的能量利用率，有利于提高车辆续驶里程。
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