CN1255778A - 电动自行车用人－电合力电子控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是电动自行车用的人电合力电子控制器,包括开关电路,人力、电力比例分配电路、低速截止电路、欠压保护电路,欠压讯响提醒、限流装置,缓冲电路和动作传感器等;本发明采用人力骑行动作信号控制电力输出量,使其以适当比例参与驱动车辆前行;缓冲电路可使直流电动机启动平衡无冲击;本发明所述欠压保护电路可防止动力电池过量放电以延长电池使用寿命;欠压讯响电路和限流装置则负责保护整个电力驱动系统的安全运行;本发明所述的人电合力智能电子控制器主要用于电动自行车,也可用于电动三轮车,把人力骑行与电力驱动合一,从而保证电动自行车延长一次充电的续行距离一倍以上,并有效地保护电机和动力电池的安全运行。

Description

电动自行车用人-电合力电子控制器

本发明涉及一种用于电动自行车的人-电合力电子控制器(即EAS系统)。

现有技术中，CN87211198公开了一种“电动、脚踏两用自行车”，该车是在脚踏自行车上装有电动机组、蓄电瓶、电子调速器、摩擦轮接触压紧调节器组成。

CN87213144公开了一种“电动自行车调速器”，该车包括三角波发生器和电压比较器组成的脉冲宽度调制(PWM)电路、输出过流保护电路和蓄电池欠压保护电路。

CN88207434公开了一种“节能型电动与人力双功能自行车”，该车采用外转子电磁绕组式(定子，转子没有一个是永磁体)电动机直接驱动前轮的电动自行车，电机定子轴即前轮轴，前轮的每一根辐条有一端与外转子固定。

CN88209597公开了一种“自行车通用动力电动花鼓筒”，该车将电动机、减速箱、传动机构、制动机构等传动件全部设计在花鼓筒壳内，在骑行中可随时选用电力拖动、人力驱动、电力十人力联合驱动三种运行方式。

CN88210723公开了一种“一种新型的自行车电动装置”，该车包括控制电路和执行机构两大部分，可以方便地实现无级调速、无机械传动和制动。

CN88212914公开了一种“电动自行车多功能控制装置”，它由稳压电路、时基电路、调时电路、蓄电池欠压控制电路、电动机缓冲起动电路、电动机过流控制电路等构成。

CN88214871公开了一种“自行车电动助力装置”，该装置具有一个飞轮和从动轮啮合件安装在自行车后轴套上通过车链链接主动轮，主动轮装在电动机轴上，由电池向电子控制器提供电能产生全电压脉冲波输入电动机使电动机产生可控的电动助力带动主动轮通过车链驱动从动轮和飞轮使自行车产生前进力；该装置还具有刹车，上下车及摔车保护与状态显示等功能。

CN88220528公开了一种“电动自行车”，由自行车零件，电瓶，外转子交流电动机及电器元件装配而成的，采用直—交脉冲调宽PWN逆变驱动车轮转动，整个系统由微机控制，有欠压、过流保护功能及故障显示。

CN94115169公开了一种“电动自行车”，该自行车包括均由自行车的框架可转动地支撑的前轮和后轮、设置在所述轮和一个轮盘之间并用于把人力动力传递到所述轮的链条、与所述轮中的一个相耦合并用于直接驱动所述轮的电马达、以及一个能够向所述马达供电的电源。该下垂或坡度检测器与一个脉冲宽度调制电路相联系。

CN95103616公开了一种“电动自行车”，该电动自行车包括一个利用脚蹬的转动来转动车轮的人力驱动部分、一个利用电动机的驱动来转动车轮的电驱动部分、一个探测人力驱动部分产生的转矩的转矩探测部分、一个控制电动机驱动的控制部分及一个包括电动机和转矩探测部分的盘状壳体。

CN95107165公开了一种“电动辅助自行车”，其特征在于具有辅助力变动型示警手段，该手段在检测出供给电机电力的电池电源的电压降低时，通过故意使电机的运转状态变化，以使辅助力变动，将警报通过行驶感觉来表示。

CN 95115098公开了一种“电动辅助自行车”，当变为行驶状态，这种状态是施加了大于较高的起动时基准值的踏力的状态，则设定较低的行驶状态基准值。这样，不用车速传感器，通过变更基准值，即使停车时脚踏踏板，也不会产生辅助力。

CN95115287公开了一种“电动辅助自行车”，该自行车在不踏脚踏板的状态下，限制电机21的运转；电机驱动限制手段独立于主控制系统；故在CPU等构成的主控系统工作不正常时，不会产生不需要的辅助力。

CN 95225223公开了一种“电动自行车调速控制器”，它解决了现有技术中以速度给定电位器作为速度给定器的调速控制器内，电位器经常损坏、造成调速控制器难以运转的问题。

CN872087434公开了一种“电动自行车脉冲调制型调速装置“，它主要由控制电源电路，主电源，指示电路、PPM脉冲发生器、驱动电路、功率开关、电动机、过载保护电路所组成。

CN 87209310公开了一种“自行车附加电动装置”，该自行车附加电动装置的主要组成是：电动机、蓄电池、电源开关和座擦轮。

CN96101285公开了一种“电动自行车”，本发明的电动自行车包括：电动马达、电动机电流检测器、踏力检测器、以及控制器。

CN 96103741公开了一种“电动自行车”，该自行车包括用于产生辅助驱动力的马达，用于向马达提供电力的电池，用于检测电动自行车行驶加速度的加速度传感器，以及用于控制提供给马达的电力以使马达根据如此测得的行驶加速度输出辅助驱动力的控制装置。

CN 96104992公开了一种“电动助力自行车”，其特征为：控制上述电动助力自行车的驱动的主控制部，具有踏板操作判断装置，该踏板操作判断装置，能根据由脚踏力检测装置所检测出的脚踏力随时间的变化，判断蹬踏踏板的状态；根据该踏板操作判断装置的判断输出信号，对来自马达的辅助动力的供给控制。

CN 96118099公开了一种“电动自行车驱动控制装置”，其特征在于该装置位于自行车链轮上，链轮上设有安装压缩弹簧的弧形槽和导电元件，链轮内外侧设有内侧盖，与导电元件相触的铜膜PC板、外侧盖和与拉伸弹簧相连的可变电阻，通过位于踏板曲柄上挡杆与凸伸段带动踏板曲柄旋转，其踏板压力经压缩弹簧为弹性相对运动，其压力变化由曲柄凸伸段带动可变电阻以改变其阻值，以变化电池阻供应传动马达的电流，使电动自行车在启动、上坡、平地、下坡时能自动控制。

CN 96121794公开了一种“电动自行车”，其特征在于，在将前轮、鞍座和后轮构成一体化的车体中央下侧部配置有电动驱动装置。

CN 97110935公开了一种“具有电动驱动系统的自行车”，包括一个踏板驱动系统和一个由电池供电的电驱动系统，该电驱动系统在某种情形下承担一部分作用在踏板驱动系统上的载荷。

CN 97113864公开了一种“电动自行车”，其特征在于备有人力驱动的脚踏驱动装置；辅助驱动该脚踏驱动装置的电动驱动装置；内设有微型计算机、控制驱动所述电动驱动装置的第一控制电路；内设有微型计算机、通过对供电给所述电动驱动装置的充电式电池进行监测及/或开关操作对电动自行车进行控制的第二控制电路。

CN 97114603公开了一种“电动助推自行车”，设置有两个动力传递系统。第1动力传递系统具有第1单向离合器，设置在曲柄轴和向后轮传递动力的动力传递构件之间；第2动力传递系统具有第2单向离合器，设置在电动助推马达和上述动力传递构件之间。在这样的动力助推自行车中，电动助推马达的工作是以旋转速度检测手段及扭矩检测手段的检测值为基础、用控制装置来加以控制的。在电动助推马达的助推力给予后轮的情况下，可采用小型、低成本的结构检测代表自行车速度的旋转速度。

CN 97118580公开了一种“电动自行车”，本发明提供了一电动自行车，该自行车具有一安装在自行车车体上且位于车座和后轮外周边之间的电动马达和一用于将马达的转动减速传递给后的皮带传动机构。

CN 97125508公开了一种“电动辅助自行车的动力装置”，其中，动力传递部件可以传递来自曲柄轴的转动动力，被可以自由转动地支承在外壳上，并与后轮相连动和连结；上述电动辅助马达被安装在上述外壳上，它具有其轴线与上述曲柄轴相平行的马达轴，同时使沿该马达轴的轴线的长度比上述曲柄轴的轴长要短。

CN 97201087公开了一种“电动助力省力自行车”，包括车体、电动助力装置、速度检测系统、控制系统、及速度选择器等五部分组成。

CN 98116132公开了一种“电动辅助自行车中的辅助动力控制装置”，该装置是用控制器把电动马达控制成助推比随着踏力检测机构的检测值而变化，在倾斜角检测机构的检测是设定值以上时，使比1大的助推比随着检测值变大而增大。

CN91112399公开了一种人力-电力合力控制系统，它是由电子控制器、显示器3、电动机(或驱动器)1、调速器4、电池5和钥匙控制开关2组成的；具体地讲，电子控制器是控制本发明所述所有动作的电子线路，显示器3是用来反映来自各个传感器的各种参数以及骑行人的设定值的；调速器是用来设定设定的控制装置；电池或动力电池是用来向电动机提供电力的，当然，还有很少量的电力提供给灯光照明、喇叭等。

上述及其他的公开文献中所体现的现有技术中，电动自行车的电力驱动方式和相应的电子控制器有三类：

(1)全电力行驶电子控制器，(2)人-电合力电子控制系统，(3)全电力行驶和人-电合力驱动以及人力骑行相结合的电子控制系统(器)，(见发明专利申请号97112399.3)。

全电动行驶的电子控制器主要是通过调节调速手柄的转角，控制功率管导通的程度，改变电动自行车的直流电动机电流大小，从而获得不同的行驶速度，这种运行方式，可以省力；但因受电动自行车配备的动力电池容量和重量的制约一次充电续行里程较短。

人电合力运行方式的电子控制器的现有技术有多种，主要的为：

(1)在电动自行车上装有人力驱动和电力驱动二个系统以及人力检测装置与行驶控制装置、电机辅助限制装置。通过力矩传感器把脚踩的力量大小转换成控制电动机电流的控制信号，每隔一固定时间测出人力驱动的大小量，并把电动机辅力限制在一个指定范围内。(中国专利申请号9419644，公告号107112)，这个方法的主要缺点，骑车人不踏脚踏板，就无信号输入控制器，电动车的动力电池也就无电力输出，这个系统也不能转为全电动行驶。

(2)电动自行车的电子控制器由脉宽调制(PWM)的无级调速线路，集成放大显示电路，限流电路，保护电路等组成。从主电路中提取电流信号的采样电阻，对该电路信号进行放大，集成放大显示电路，当电流信号超过最大限控值时，进行保护动作。(中国专利申请号94218308，公告号2210119)。

(3)采用差动轮系，将电动速度和人动速度合成后输出给链轮，可以获得人动无级调速。有电时，可行到高速、中速、低速，无电时和自行车同样工作(中国专利申请号90219063，公告号2097158)。

(4)在电动自行车的下管与后下叉位置间设置驱动机构和感测辅助踏力的装置，感测并分析踏力大小与行车速度，控制电动机输出的力距，(中国专利ZL96214245.X)。驱动结构包含减速机构、驱动部、辅助部等，辅助部包含感测器、感测螺杆、感测螺帽、感测片；感测器固定在护罩一侧以相邻感测片，感测器中央为接收信号的感应装置，将扭力讯号分析踏力值及行车速度，机动变化电动机输出力，便未达设定行车速度值前，踏力值与电动机辅助力值呈正比变化，可有效节约电池电力。

本发明的目的是提供一种电动自行车用人电合力电子控制器，既可把人力和电力的能量合为一体；又可通过一只三档钥匙控制开关或按纽式开关，把电动自行车的人力-电力合力电子控制系统转换为全电动行驶或全人力骑行的电子控制器，从而使本发明所述的电动自行车的电力驱动系统中可以延长动力电池一次充电的续行里程并能够保护动力电池和直流电动机的安全运行。

本发明的目的可以通过如下方法得以实现，它由开关电路、人力与电力分配电路、骑行动作传感器、缓冲电路、限流保护装置、欠压保护电路、欠压讯响提醒电路等组成，而这些电路组成的电动自行车用人-电合力电子控制器结合电动机、电池及自行车的其他配件即可形成本发明所述的电动自行车。

其中，所述的人-电合力电子控制器，包括开关电路，人力、电力比例分配电路、低速截止电路、欠压保护电路，欠压讯响提醒、限流装置，缓冲电路和动作传感器等；本发明特别采用人力骑行动作信号控制电力输出量，使其以适当比例参与驱动车辆前行；所采用的缓冲电路可使直流电动机启动平衡无冲击；本发明所述欠压保护电路可防止动力电池过量放电以延长电池使用寿命；欠压讯响电路和限流装置则负责保护整个电力驱动系统的安全运行；本发明所述的人电合力智能电子控制器主要用于电动自行车，也可用于电动三轮车，把人力骑行与电力驱动合一，从而保证电动自行车延长一次充电的续行距离一倍以上，并有效地保护电机和动力电池的安全运行。

下面是附图说明，通过附图并结合以下的详细描述，可以清楚地理解本发明，其中：

附图1是采用本发明所述的控制器的电动自行车的方框图；

附图2是本发明所述的人电合力电子控制器的信号来源示意图；

附图3是本发明所述的人电合力电子控制器的单稳电路图；

其中，1是人力输入，2是蓄电池，3是限流保护装置，4是链轮速度传感器，5是电子控制器，6是欠压保护，7是欠压讯响提醒装置，8是电动机及减速器，9是自行车，10是磁钢，11是链轮，12是自行车踏脚板，13是传感器？，14是链条，15是电压显示器，16是运转开关，17是刹车断电开关，18是电源开关，19是干簧管20是电源，21是驱动器。

下面是对本发明的详细描述，通过以下的详细描述并结合实施例，可以更清楚地理解本发明。

电动自行车是一种绿色交通工具，本发明的研究人员经过多年的开发与改进，在设计、生产了电动自行车的基础上，又进一步研制出人-电合力自行车，并做到合二为一，使其功能更齐全，能满足使用者更广泛的不同需求。

人-电合力的设计基于以下的指导思想，全部使用电力驱动的自行车，骑车人是轻松了，但不可能用较轻、小的电池行驶较长的距离。为了解决这个矛盾，我们设想出人力与电力(大体上各占一半)共同驱动的方案。这样骑行者能感到骑行轻快，而充一次电能行驶的路程可以增加近一倍。

具体实施方案是在所述的自行车的链轮上安装两块磁钢(见图2)，在车架上安装干簧管作为传感器。

人骑行时能磁钢10与传感器13之间形成循环的接近合分离的动作，这样就可以得到连续产生的脉冲信号，将它送到单稳电路的输入端(详见图2、3)；单稳电路在连续脉冲信号作用下便可输出高电平，经过分压得到一个适当数值的驱动电压，让电动机输出约1/2额定功率。

这样，在骑行时有一半功率是电力供给的，人就会感觉骑行轻松。

如果要当全电动车辆用，只要用右手按动运输按钮就可实现。此时电路的A点得到全额的驱动电压，使功率管全导通，电动机在全电压情况下工作。

本发明的具体设置如下：

1.本发明的一个具体例子是在电动自行车的把手上设置一只具有防水能力的三档电子锁，用它可以方便地对电动车的运行方式进行择择转换，它有三个档次：I为“停止”；II为全电动，III为人-电合力。

在“停止”档，可将电子锁的钥匙拔出，以确保不能开通电路系统，避免电气设备的意外损害。

“全电动”或“人-电合力”之间的转换，骑车人只要转动一下电子锁的钥匙即告完成。

2.在本发明所述的电动自行车的车架近链轮处设置一只动作传感器13，见附图2，传感器13将脚踩踏板的快慢转换成推动电动机运转的控制电信号，这样人力与电动机的驱动力就可以共同作用于自行车，如果人的脚停止运动，那么控制信号就不出现，电动机也就不工作；也就是说，人踩就给电，不踩就不给电，车辆不必配备运行操纵开关，只要以自然方式骑行，就能实现人-电合力的驱动要求。

3.本发明的电子控制器有合理的线路设计，能够产生适当的控制电压，它在得到骑车人脚踩的信号后，能够将信号放大并经过各种波形处理，使之在各种不同的行进速度之下，人力的付出与电池电能的输出都有合理的比例，使骑车人能较省力地借助于电池的电能骑行较长的路程。

当车速在5公里/小时以下时(如刚启动等)能保证主电路完全截止，这就避免了电动机在无反电势情况下带负载启动等恶劣工况的出现；当车速大于5公里/小时时，能使电力与人力以合适的比例共同驱动车辆前行。

4.为了保证蓄电池得到合理使用，防止过量放电造成极板损伤、容量减小、寿命缩短，本线路设置了欠压保护装置，此装置在电池组放电后期电压下降到设定值时，能自动地逐渐减小直至截止电动机的工作电流，保证电池组的电压不致下降到设定的安全值以下。

5.为使骑车人及时了解欠压状态即将到来，本控制器设置了欠压讯响提醒装置。当系统快要进入欠压保护状态时，蜂鸣器就会发出断续的鸣叫声，用以引起骑车人的注意。它告诉骑车人：此时系统即将进入欠压保护状态，电池组已经没有多少电能可再利用了，应及时断开钥匙开关，等待充电，而不要听任其鸣叫。因为即使电动机不工作了，但控制线路本身及蜂鸣器还要耗电，尽管此电流数值很小(数量约二十几毫安)，但时间长了也是不利的。同样道理，当到达目的地停用车辆时，应及时关掉电门拔下钥匙，避免小电流长时间放电。特别是在车辆搁置过夜时更应注意这个问题。

6.为了防止由于意外短路而烧毁元件、损伤电池，本车在电池盒内安装了新型的保护器件-自复原聚合开关。这是保险丝的升级换代产品，体积很小，呈扁平状，便于安装，既安全又轻巧。它串联于主电路中，当系统发生短路电流剧增时，它能迅速地转变成一个大电阻，使电流立即减小下来(到毫安级)，从而保护了元器件和电池组。

此聚合开关还有一个独特的优点：具有自变原性能。即在短路故障排除以后，它能自动复原，而不必进行更换或做任何操作，这就给使用者带来很大方便。有了它，整个系统就具有限流保护功能，增加了安全可靠性。

使用本电子控制器的电动自行车，除了能按人-电合力运行方式工作之外，还能作为普通自行车使用，只要把钥匙开关关掉，就实现了这个转换，这一点在骑行中电池电能用完后是很必要的。由于电动机传动机构部分装有棘轮，故不会增加阻力，等于是普通的自行车。

本发明所述的使电动自行车用人力-电力合力电子控制器(EAS系统)，可由骑车人根据自己的体力现况，电池的剩余电量多少，以及道路、风力状况等多种因素综合考虑决定采用何种运行方式更为合适。一般在平地，无坡，低风速下人力骑行时，最佳行驶速度约12公里/时，平均蹬力约35Kg-f；在上坡逆风或行驶速度超过12公里/时，平均蹬力约65Kg-f；随着坡度增加或逆风风力增加，相应增加蹬力有困难，可通过钥匙控制开关使“人力-电力合力”电子控制系统投入工作并就以电力为主，人力为辅。

采用本发明所述的人电合力电动自行车控制器，对骑车人来说操作简便，完全等同于骑自行车，不必另有其它操作。

在本发明所述的控制器的控制电路上加设有“或”逻辑电路，使全电动与人-电合力两种工况之间不需作任何转换操作；具体地讲，本发明的另一个实施例是不采用钥匙开关，而采用按钮式开关，不打开电源时，就是完全的人力，只要电源总开关一开，就可随意使用，脚踩就是人-电合力，手按运输开关就是全电动，该设计给骑车人带来使用的方便。

本发明所述的电动自行车还设有限流保护装置，当工作电流增至设定值后，限流保护电路就起作用，使工作电流不会随负载的加重而继续增大，而是限制在设定的安全范围之内，即使在带电流截止(俗称“堵转”)也不会给电机、电池带来损害。

本发明所述的电动自行车还具有欠压保护功能，当电池放电到后期电压降到设定值时，能逐步减小工作电流，保证电池端电压不会降到设定值以下，对电池起了安全保护作用。

本发明所述的电动自行车还设置了由蜂鸣器BZ等组成的欠压提醒电路，当系统进入欠压保护状态时，蜂鸣器就能发出断续鸣叫声，对骑车人起到提醒的作用。

本发明所述的电动自行车具有软启动功能，手按运转开关时，电动机工作电流不会出现冲击，而是缓冲上升，使启动平稳，骑行舒适。

本发明所述的电动自行车还有刹停断电保护功能，当操作后刹车停车时，手把内的常闭触点断开，切断驱动电压的来源，使电动机不再得到供电，以保护整个系统的安全。

Claims (3)

1.一种电动自行车用人电合力电子控制器(即EAS系统)，其特征在于所述的人电合力电子控制器由开关电路，人力电力比例分配电路、低速截止电路、欠压保护电路、欠压讯响提醒电路、限流装置、缓冲电路、动作传感器等组成，通过一只钥匙控制开关，可把电动自行车的人电合力电子控制系统转换为全电动行驶或全人电骑行，在人电合力控制系统中可根据骑行者的体力任意给定的蹬力或行驶速度，自动调节电力助力系统的输入功率，在3-24公里/时行驶速度范围内的任意速度上，使人力消耗降至最小值，并能使自行车的动力电池，延长一次充电行驶距离50％以上。

2.根据权利要求1所述的电动自行车人-电合力电子控制器，其特征在于在电动自行车的踏脚上的最大蹬力位置上，安装一个动位传感器，将动作信号输入至EAS系统，当蹬力超出给定值时，EAS系统就开始工作，电动机投入运转后，就使蹬力保持在给定值上；如需提高行驶速度，可以通过EAS系统的速度调节器，使电动机增加输入功率，就可提高行驶速度，直到最大行驶速度24小时/时。

3.根据权利要求1所述的电动自行车人-电合力控制器(EAS系统)的待征，在于通过电动自行车安装的动作或传感器，将动作或信号输入EAS系统，人力骑行到给定值(3公里/时或5公里/时)时，EAS系统就开始工作，电动机投入运行，并加速到EAS系统的约定的速度，就可由EAS系统控制24公里/时以内的行驶速度。

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