CN1367115A - 具有动力辅助功能的自行车 - Google Patents

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Abstract

一种具有动力辅助功能的自行车包括:用来把一部分推进力和人力相加以便增加人力的推力的电动机;用来向电动机提供电能的电池;用来检测作为推进力的人力的踩力检测电路;以及用来根据检测到的人力的大小控制电动机的操作的控制电路。电动机起利用多余人力的发电机的作用,以便利用一部分再生的电能向电池充电。

Description

具有动力辅助功能的自行车
本发明涉及具有动力辅助功能的自行车，更详细地说，涉及具有动力辅助功能的自行车，后者装有包括电动机的动力辅助装置并且能够把来自多余的人工动力的一部分能量用于对所述电动机的电源充电，以便由此增加自行车能够在动力辅助装置的辅助下行驶的距离。
已经提出一种诸如装有动力辅助装置的自行车的机动车辆，所述动力辅助装置用于以来自电动机等的辅助动力部分地辅助推动动力。
例如，用电动机辅助的自行车当用该电动机辅助时依靠用户加在自行车脚蹬上的踩力而增加其牵引力。
由于电动机的旋转只可以在加速自行车的方向上传送，所以，电动机的旋转经由单向离合器传送到主动轮(活轮)。当仅用人力驱动自行车时，单向离合器有效地避免电动机变成无用负荷。
对于自行车电池中所充的电能数量，动力辅助的自行车能够行驶的距离决定于该电池的容量以及电动机参与驱动自行车所消耗的电流。
下面将描述具有以下技术条件的例子：
电池容量：                           5安培-小时
单个电池充电周期行驶的距离：         30公里
如果该自行车每天行驶10公里，则该自行车上的电池必须每隔两天充一次电。自行车行驶超过30公里后，再也不能够利用电动机协助自行车行驶。当自行车上坡和下坡行驶时，每个电池充电周期中自行车能够行驶的距离减小了。
如上所述，传统的具有基于来自电动机的辅助动力的动力辅助功能的自行车有以下缺点：它在每个电池充电周期中不能够行驶足够远的距离；它需要频繁地对电池充电；以及在行驶超过一定的距离之后，不能够用动力协助。
图16是显示传统的具有动力辅助功能的自行车的基本配置的方块图，而图17是说明传统自行车的动力传输原理的视图。在图16和17中，自行车具有：曲轴1；单向离合器2，6，10；踩力检测电路3；电动机4；减速器5 ；曲轴齿轮7；链条8；驱动齿轮9；主动轮11；电动机驱动/输出控制电路；以及电池13。
踩力检测电路3检测加在曲轴1上的人力。电动机驱动/输出控制电路12根据所述踩力和自行车速度确定辅助动力，并且控制电动机4的电流和电压。如果必要，电动机驱动/输出控制电路12确认所述电压和电流得到适当的控制。辅助动力是这样的，以致它在直至15公里/小时的条件下产生与踩力相同的牵引力，当自行车速度超过15公里/小时时根据自行车速度而减小牵引力，而当自行车速度是24公里/小时时，省去牵引力。
曲轴1上的踩力经由单向离合器2和踩力检测电路3传输到曲轴齿轮7，然后经由链条8传输到驱动齿轮9，从这里经由单向离合器10继续传输，以便驱动主动轮11，于是，自行车按照图17中的箭头所指的行驶方向行驶。电动机4的输出动力经由减速器5和单向离合器6传输到曲轴齿轮7，从这里，以与利用来自曲轴1的踩力时相同的方式继续传输。所述人力和来自电动机的辅助动力相加，并且加到曲轴齿轮7。
单向离合器6用来避免曲轴1的旋转被传输到电动机4，使得当没有辅助动力可利用时所述人力不受损失。
单向离合器2用来避免电动机4的旋转被传输到曲轴1，以便避免曲轴1违背骑车者的意图旋转。
在这种系统中，由于电动机4按照骑车者的意向协助转动曲轴1，所以，原则上，曲轴1不违背骑车者的意向而旋转。但是，由于检测踩力方面的延迟、电动机旋转的惰性、以及其它处理原因，曲轴1可能接收来自电动机4的旋转动力。如果希望最好没有来自电动机4的这种旋转动力到达曲轴1，则需要单向离合器2。
单向离合器10用来避免曲轴1由于自行车行驶时的动量而旋转。如果存在单向离合器2，则在没有单向离合器10的情况下避免曲轴1旋转。如果希望最好没有由链条和曲轴齿轮的旋转引起的损耗，则需要单向离合器10。
图17中，减速器5包括传动带或链条。
至此，如上所述，配置了一种避免自行车行驶时主动轴11转动电动机4的单向离合器10。当自行车被推进时，电动机4经由减速器使主动轮11旋转。当自行车由于动量而行驶或者处在再生方式时，主动轮11经由减速器使电动机4旋转，放大了电动机4的空载转矩并且增加了自行车在没有推进动力的情况下行驶时的损耗。单向离合器10就是为了避免这样的状态而设置的。(如果把自行车看做原始的自行车，则当仅仅依靠人力行驶时它会变得沉重，或者当由骑车者步行推动时，它会经受一种加大的阻力。)
如果电动机的空载转矩是1[kg-cm]并且减速器具有1∶20的减速比，则从主动轮看到的转矩被放大到20[kg-cm]，使得骑车者感觉到来自自行车的非常大的阻力。20[kg-cm]的转矩变换到主动轮的牵引力等于大约6[牛顿]。这使骑车者感觉到大大地增加了阻力，因为，自行车以15公里/小时的速度行驶所需要的牵引力是大约10[牛顿]。
由电动机引起的损耗包括铁的磁滞损耗、轴承损耗、风阻损耗、电刷摩擦损耗等等，尤其是磁滞损耗和电刷摩擦损耗成为难题。
如上所述，具有动力辅助功能的传统的自行车存在以下问题：它在每个电池充电周期中不能够行驶足够远的距离；它需要频繁地对电池充电；以及在行驶超过一定的距离之后，不能够用动力协助。
因此，本发明的目的是提供一种具有动力辅助功能的自行车，它在再生方式时利用自行车下坡行驶时产生的一部分能量或者可以从骑车者获得的多余的人力，从而增加自行车在用动力辅助时能够行驶的距离。
为了实现上述目的，提供一种具有动力辅助功能的自行车，它包括：电动机，用来把一部分推进力和人力相加，以便增加所述人力的推力；电源装置，它包括用来向电动机提供电能的电池；控制装置，用来控制电动机的操作；再生装置，用来利用来自多余人力的一部分能量再生向电源充电的电能；行驶状态检测装置，用来检测行驶状态；以及显示/指示装置，用来根据由所述行驶状态检测装置检测到的行驶状态显示/指示行驶状态和/或行驶目标。显示/指示装置能够向自行车的驾驶者显示/指示适当的行驶速度，以便大大增加自行车能够行驶的距离。
行驶目标可以包括人工产生的推进力，显示/指示装置包括用来显示/指示行驶目标和当前行驶状态之间的任何差别、以便自行车驾驶者可以精确地确定所述差别的装置。显示/指示装置可以显示行驶指令，以便自行车驾驶者可以看到这些指令。
行驶状态检测装置可以包括：坡度检测装置，用来检测自行车行驶路径的坡度；以及速度检测装置，用来检测自行车的当前速度。显示/指示装置包括这样的装置：它显示/指示目标速度和由速度检测装置检测到的当前行驶速度和/或根据由坡度检测装置检测到的坡度显示/指示随目标速度和当前行驶速度之间差值的超过或不足而变的量。
显示/指示装置可以包括这样的装置：如果由坡度检测装置检测到的坡度是下坡坡度，则它把行驶速度作为目标速度显示/指示，以便使提供给电源装置的充电电流达到最大值；而如果由坡度检测装置检测到的坡度是上坡坡度，则它把考虑到实际行驶速度而确定的速度作为目标速度显示/指示，以便将所述电源装置消耗的电流减至最小。这样，所述显示/指示装置可以向自行车驾驶者指示适合于上坡或下坡行驶的行驶速度，以便大大增加自行车能够行驶的距离。
所述控制装置可以包括用来控制所述再生装置的工作的装置。
所述控制装置可以包括这样的装置：当自行车行驶在平地同时其行驶速度高于预定的水平时，它控制所述再生装置再生所述电能。
所述控制装置可以包括这样的装置：如果由所述坡度检测装置检测到的坡度是下坡坡度，则它控制所述再生装置的操作，并且根据检测到的下坡坡度控制自行车以最佳行驶速度行驶。
再生装置可以包括这样的装置：当启动制动杆时它利用一部分电能向电源装置充电。这样，可以利用比较简单的装置非常有效地再生电能，以便进一步增加自行车能够行驶的距离。
所述电动机可以包括直接驱动电动机，后者具有直接耦合到前轮的旋转轴和定子以及能够与前轮一致地旋转的外转子，所述直接驱动电动机起再生装置的作用。这样，所述电动机可以作为再生装置，使得有可能简化自行车结构，以便能够减轻自行车的重量并且提高其效率。
根据本发明，还提供一种具有动力辅助功能的自行车，它包括：电动机，用来把一部分推进力和人力相加，以便增加所述人力的推力；电源装置，用来向所述电动机提供电能；人力检测装置，用来检测作为推力的人力；以及控制装置，用来根据由所述人力检测装置检测到的人力的大小控制所述电动机的操作；所述电动机包括直接驱动电动机，后者具有直接耦合到前轮的旋转轴和定子以及能够与前轮一致地旋转的外转子，所述直接驱动电动机可以起利用多余人力的发电机的作用，以便利用一部分再生的电能向所述电源装置充电。这样，所述电动机可以作为再生装置，使得有可能简化自行车结构，以便能够减轻自行车的重量并且提高其效率。
从以下结合附图所进行的描述，本发明的上述和其它目的、特征和优点会变得更加清楚，附图中示出作为说明性例子的本发明的最佳实施例。
图1是根据本发明的第一实施例的具有动力辅助功能的自行车的基本配置的方框图；
图2是说明具有动力辅助功能的自行车的行驶阻力、牵引力和速度之间的关系的简图；
图3是说明在不同的输出电平下具有动力辅助功能的自行车的牵引力和速度之间的关系的简图；
图4是说明具有动力辅助功能的自行车的模拟人工牵引力和辅助牵引力之间的关系的简图；
图5是说明自行车以不同的速度下坡行驶1公里时电动机用来产生电功率的情况下充电量的表格；
图6是说明自行车上坡行驶1公里时电动机的消耗电流的表格；
图7是无刷电动机的控制电路的方块图；
图8是所述控制电路的电压、电流和信号波形的简图；
图9是显示无刷电动机处在脉宽控制下时产生的U，V，W相电压的波形的简图；
图10是说明在脉宽调制控制下以再生方式激励和驱动无刷电动机时的电流控制过程和电流波形的简图；
图11是说明相对于坡度和总电阻的行驶距离的模拟值的表格；
图12A和12B是说明在固定的总电阻下相对于轮胎直径的行驶距离的模拟值的表格；
图13是说明最大速度和轮胎直径之间的关系的简图；
图14是说明随轮胎直径而变的行驶特性的简图；
图15是根据本发明的第二实施例的具有动力辅助功能的自行车的基本配置的方框图；
图16是具有动力辅助功能的传统自行车的基本配置的方框图；
图17是说明具有动力辅助功能的传统自行车的动力传输原理的示意图。
图1是根据本发明的第一实施例的具有动力辅助功能的自行车的基本配置的方框图。如图1中所示，所述自行车具有：曲轴1；踩力检测电路3；电动机4；曲轴齿轮7；链条8；驱动齿轮9；单向离合器10；人工驱动主动轮11；电动机驱动/输出控制电路12；电池13；以及电动机驱动主动轮14。
可以省去踩力检测电路3，并且用另一种方法，根据自行车行驶状态，通过逆操作来检测踩力。但是，为了比较容易理解本发明，假定自行车包括踩力检测电路3。
本实施例属于以下情况：由电动机驱动的主动轮14使该电动机4旋转，以便起用于向电池充电的发电机的作用。由于始终连接着诸如齿轮的动力传输装置，所以，要求电动机4具有非常小的空载损耗。
如上所述，电动机的损耗包括铁的磁滞损耗、轴承损耗、风阻损耗、电刷摩擦损耗等等，尤其是磁滞损耗和电刷摩擦损耗成为难题。
根据本实施例，利用无刷电动机以便消除电刷损耗，利用无铁心电动机以便消除磁滞损耗，并且利用直接驱动电动机以便避免增加高速齿轮损耗，从而减小空转损耗。
图1中，自行车包括前驱动机构，其中，直接驱动电动机4安装在自行车的前轮上。在使整个自行车配置非常简单方面所述前驱动机构是有效的。由于电动机4驱动前轮，故简化了与曲轴齿轮7相关的机构，使得图16中所示的单向离合器2、6变成不必要的。单向离合器10用来避免曲轴1在自行车行驶时被主动轮转动。
安装在前轮上的电动机4是外转子型的，其中，其旋转轴固定在前轮的轮叉上，同时，其外转子可以和前轮一致地旋转。前轮的辐条固定在外转子的外圆周面上。
由于自行车行驶时电动机4总是旋转，所以把它设计成尽可能地减小空载损耗。电动机4没有电刷因此没有电刷损耗，其电枢铁心被设计成具有尽可能小的磁滞损耗，并且这样设计电动机4，以便减小由电枢铁心和场系统引起的小旋转速度不规则性，从而使得自行车行驶时振动小到难于察觉。
在本实施例中，电动机4包括无电刷、直接驱动电动机。
下面将说明行驶阻力、牵引力和动力辅助的基本概念。
用滚动阻力+风阻损耗阻力+坡度阻力来表示自行车的行驶阻力。
用包括这些阻力的系数的以下的典型方程来表示行驶阻力R[牛顿]：
R＝2×2.7+0.027×V2+9.8×W×sinθ
其中，V是速度[公里/小时]，W是重量[公斤]，而θ是坡度[°]。这个方程已经被简化，以便在其省略不造成实际问题的限度内忽略以下因素：
忽略骑车者的重量引起的滚动阻力的变化。
忽略骑车者的体形引起的风阻损耗阻力的变化。
省略与坡度阻力有关的cosθ分量。
图2显示当总重量为80公斤时行驶阻力、牵引力和速度之间的关系。图2中，行驶阻力以平方的方式增加。当坡度和重量增加时，曲线向上移动。由于总重量被确定为80公斤，所以，仅仅把坡度作为参数表示出来。当坡度变成下坡(负值)时，曲线向下移动。如果牵引力大于行驶阻力，则自行车被加速，直至牵引力变成等于行驶阻力时达到平衡状态为止。当牵引力小于行驶阻力时自行车被减速。
例如，如果按照牵引力曲线2-1施加牵引力，并且自行车行驶在平地上(坡度：0°)，则自行车达到0°下的行驶阻力曲线与牵引力曲线2-1彼此相交时的速度(在本实施例中是大约27公里/小时)。
在-2°的坡度处(下坡)，当速度低时，由于坡度力是负的，所以，自行车在没有施加力的情况下被加速，于是，行驶阻力随着速度而上升，并且在牵引力变成等于行驶阻力时达到平衡状态(本实施例中是大约28公里/小时)。
根据牵引力持续时间、年龄、性别、训练经验、体格等，各种人产生各种各样的牵引力。
当速度比较低时，牵引力比较大。随着速度的提高，牵引力变小。通常，能够在长时间内产生的牵引力是大约50瓦，而在短时间内能够产生的牵引力是大约200瓦。据说，经过训练的人能够产生几倍于上述数值的牵引力。
图3说明在不同输出电平下自行车的牵引力和速度之间的关系，举50瓦、200瓦和400瓦的牵引力数值为例。由于输出电平是按照速度和牵引力的乘积来计算的，所以，当速度低时，牵引力变大，而当速度为零时，牵引力是无穷大。当然，人们产生的力在数值上(以及速度)是有限的，并且根据举例说明的各不变的输出电平的特性而具有不同的特性。从图3可以看出，甚至在50瓦输出电平的情况下，在平地上自行车也能够以十几公里/小时的速度行驶。
下面将说明人力和辅助力建立的基础。由于人工牵引力是复杂的，不能够象上述那样单值地表达，所以，如图4中那样用模拟的方式表示它们。图4示出自行车的模拟人工牵引力和辅助牵引力之间的关系。人工牵引力曲线4-1表示人工(踩)牵引力，在速度V1范围之内它们是常数，超过速度V1之后下降，而在速度V3处变为零。
辅助牵引力曲线4-2表示由电动机产生的牵引力，在速度V1范围内它们与人工牵引力相同，超过速度V1之后下降，而在速度V2处变为零。和传统的情况一样，分别用15公里/小时和24公里/小时表示速度V1，V2。速度V3不是预先确定的值，表示为30公里/小时。
总牵引力曲线4-3代表表示人工牵引力和辅助牵引力之和的总牵引力。总牵引力在速度V1范围之内是人工牵引力的两倍，超过速度V1之后下降，而超过速度V2之后等于人工牵引力。
当图1中所示的自行车下坡行驶时，由于电动机4直接连接到前轮，所以，电动机4起发电机的作用。如果以某种方式使所产生的电力返回电池13，则电池13被充电，在增加自行车的推力的同时增加了自行车能够行驶的距离。
为了甚至当由电动机4产生的电力的电压低于电池的电压时也能够获得充电电流，该自行车需要具有升压功能的控制电路。在本实施例中，把用于控制直流无电刷电动机的控制电路安排成双向控制，使得当由来自电池13的电能控制电动机时，降低来自电池13的电能的电压，而当由电动机产生的电能向电池13充电时，提高由电动机产生的电能的电压。下面将描述该控制电路的实施例。
超过一定的速度时，电动机的电动势高于电池电压，因此，甚至在不提高所产生的电能的电压时也能够获得充电电流。在充电电流流通的同时，由于自行车遭受再生减速，所以，自行车经受减速力。
这样，当自行车以一定的速度下坡行驶时，自行车上的电池可以被充电。用来向电池充电的电能的数量随着下坡斜面坡度和速度等而不同。
图5显示在电动机具有以下技术指标的情况下，自行车以不同速度下坡行驶1公里时充电的数量：
所述电动机的主要技术指标：
型号：直流无刷电动机
额定电压：28.8伏
空载电流：0.5安培
转矩常数：12千克·厘米/安培
内部电阻：0.4欧姆
其它技术指标：
电池内部电阻：大约0.16欧姆
线路电阻：大约0.08欧姆(包括控制电路)
控制电路损耗：大约3瓦(不变)
图5中，在用粗线表示的格子中充电量达到最大值。在-2°坡度的情况下，在大约14公里/小时的速度下充电量达到最大值。随着下坡坡度的增加，获得最大充电量的速度也增大。当在比较小的坡度下提高速度时，行驶阻力增加，于是，可用以向电池充电的电能减少了。当自行车以低速在陡峭的下坡斜面上行驶时，由于由大电流引起的铁心内部电阻(IIR)损耗以及由电动机的低旋转速度引起的发电量的不足，充电量减少了。
图5中较低速度的空白格表示电动机未能产生足以保持这些较低速度的制动力。换言之，由于所产生的电力电压低，所以未能流通足以保持所述较低速度的制动电流。
在图6所示的表格中给出自行车上坡行驶时的消耗电流。
对于上坡行驶的自行车，随着坡度而变存在这样一些速度，在这些速度下消耗电流达到最小值(见用粗线表示的格子)。在较低和较高速度下消耗电流较大，因为，在较低速度下电动机以较低效率工作，而在较高速度下，风阻消耗加大，于是行驶阻力加大。此外，由于依据电动机和驱动系统的设计，最小值可能存在于不实际的速度处，所以，必须选择不会遭遇实际问题的速度。
随着坡度的增大，最小消耗电流的速度增大。这是由于随着坡度的增大，风阻消耗的增大对坡度阻力的比值变小了。
用横杠代表的格子表示旋转速度太低，以致自行车不能利用现有的电池电压(28.8伏)以这样的速度行驶。
下面将说明在图5和6所示的实施例中当自行车上坡和下坡行驶时所消耗的电流和自行车能够行驶的距离。
如果自行车以与最小消耗电流有关的速度上坡行驶并且以与最大再生电流有关的速度下坡行驶，那么，当自行车在2°的坡度下以10公里/小时的速度上坡行驶1公里时，消耗电流达到最小值，并且电池以0.223安培小时的速率放电，而当自行车在2°的坡度下以10公里/小时的速度下坡行驶1公里时，再生电流达到最大值，并且电池被以0.133安培小时的速率充电。
当自行车在一个周期中上坡行驶1公里并且下坡行驶1公里，那么，消耗0.223-0.133＝0.090安培小时的电流。如果电池的满充电容量是5安培小时，则自行车能够行驶的距离为：
           2×5/0.09＝111[公里]
这个距离大大超过没有任何再生功能情况下自行车能够行驶的距离，因为，后一种距离是：
          2×5/0.223＝45[公里]
由于选择了良好的行驶条件，所以获得以上结果。如果不考虑行驶条件，则可能存在不能由再生功能实现本质上的优势的情况。例如，如果自行车以6公里/小时的速度慢慢上坡行驶，并且以24公里/小时的较高速度下坡行驶，那么，在上坡行驶时从电池消耗0.233安培小时的电流，并且在下坡时再生0.045安培小时的电流，结果，自行车能够行驶52公里的距离。因此，基本上不能实现什么优势。
能够用来实现最佳优势的速度随着各种因素而变化，这些因素包括：电动机的特性，重量以及行驶距离。坡度以及自行车的总重量将影响最佳速度。
可以用传感器检测坡度，并且可以根据坡度和加速度计算重量。下面将简单地说明确定自行车的总重量m的过程。
1)如果人力检测装置根据坡度和加速度而不是踩力检测总重量，那么，当根据曲轴的旋转判断没有人力可利用时，从电动机转矩、坡度和已知的行驶阻力确定加速/减速力(f)，于是，根据加速/减速力(f)和加速度/减速度(a：速度的变化率)确定总重量m如下：
m＝f/a
2)如果可以利用踩力检测电路，则根据人力、电动机动力、坡度和行驶阻力来确定加速/减速力(f)，然后，根据加速/减速力(f)和加速度/减速度a按照以上方程确定总重量m。
下面将参考图7、8和9描述控制电路和无电刷电动机的再生控制。
下面将简单地说明对无电刷电动机的控制。
在具有电刷的普通直流电动机中，利用通称为换向器的换向装置把电刷固定在滑动触点上，以便向电枢提供电流。在磁场的极性变化的位置，电刷和换向器改变线圈中电流的方向，使得电动机在一个方向旋转。
在无刷电动机中，利用包括诸如场效应管(FET)的电开关器件的控制电路代替电刷和换向器，所述控制电路响应在磁体和线圈之间切换的位置信号而改变线圈中的电流。无刷电动机的控制电路基本上按照与三相同步电动机的控制电路的相同的方式工作。图7示出无刷电动机的控制电路的方块图。
图8显示该控制电路中的电压、电流和信号波形。对应于相应的三相的U，V，W各相备有由开关器件FET1，FET2，...，FET5，FET6提供的相应的电压U，V，W。下面将以电压U为例来描述。控制电路向各FET提供门信号，使得当FET1导通时FET2截止，而当FET1截止时FET2导通。当FET1导通时，电压U等于电池电压+FET1两端的电压，而当FET2导通时，电压U等于电池电压-FET2两端的电压(接地)。流过U相的电流与其它各相的电压相关地具有正和负值，如图8中U相电流所示那样。类似地，流过V相和W相的电流如图8中V相电流和W相电流所示那样具有正和负值。这些相电流彼此之间具有120°的相位差，产生使电动机旋转的旋转磁场。
下面将描述脉宽调制(PWM)控制和再生控制。
当对控制电路的开关器件进行PWM控制时，可以改变电压。图9示出在PWM控制过程中U，V，W各相电压的波形。在图9所示的实施例中，电池电压具有50％的占空比(一半电压)。
图10显示在PWM控制过程中，在无电刷电动机被激励并且工作在再生方式下时U相的电流控制过程和电流波形。下面将参考图10说明所述电流控制过程。
50％占空比意味着：在电流将流入电动机的时间间隔中，即，在图8中电压U的位置FET1导通的时间间隔中，FET1导通、即、FET2截止的时间间隔构成一半，而FET2导通、即、FET1截止的时间间隔构成一半。见图10中波形10-1。
当电动机的电动势(VM)低于U相平均电压(Ua)时，在FET1导通(FET2截止)时电流流过路径I1，而在FET2导通(FET1截止)时电流流过路径I2。这样，一种连续电流按照激励电动机的方向流过电动机的线圈。该电流具有图10中的波形10-2。
下面将描述在再生方式下电动机的工作。当电动机的电动势(VM)高于U相平均电压(Ua)时，没有电流流过路径I2，但是，当FET1截止(FET2导通)时相反的电流流过路径I3，并且，当FET1导通(FET2截止)时，电流按照向电池充电的方向流过路径I4。该电流具有图10中的波形10-3。波形10-2，10-3中画阴影线的区域代表流入电池的电流。
因此，在PWM控制过程中，在所述电动势高于所述平均电压的限度内，甚至当电动机的电动势低于电池电压时，也有可能向电池提供再生电流。
所述再生电流(充电电流)以同电动机激励电流(放电电流)相同的大小流动，所述电池必须是可以用大电流充电的电池。所述电池可以包括铅蓄电池，镍镉(Ni-Cd)蓄电池，Ni-MH蓄电池，锂(离子)电池等等。由于以上原因而选择对充电电流较少限制的电池。
在上述电流控制过程中，已经描述了按照180°提供的简单的矩形电流。但是，在实际应用中，鉴于所使用的电动机的特性，最好利用按照120°提供的矩形电流，而在PWM控制过程中，使用调制成正弦波形的波形。
本实施例属于在再生方式下可控的动力传输机制，在再生方式下控制电动机的控制电路，以及关于行驶状态和行驶条件的显示(指示)装置。
上面已经说明，当自行车以取决于上坡和下坡坡度的最佳速度行驶时，可以增加自行车能够行驶的距离。
但是，自行车驾驶者难以精确地感觉到该自行车当前正在其上行驶的斜面的坡度，并且，可能由于假象或者身体条件而对上坡和下坡坡度有不同的感觉。
为了避免这种缺陷，向骑车者显示(指示)随上坡和下坡坡度而变的行驶条件，使骑车者可以按照所显示(指示)的行驶条件操纵自行车。骑车者根据所显示的信息踩脚蹬或者操作制动杆，从而控制自行车的速度。
在骑车者能够判明的下坡斜面上，自行车以自动形成的速度下坡行驶，同时，骑车者根据其自己的意向不踩脚蹬。甚至在骑车者不能判明的下坡斜面上，骑车者也能够根据以下的显示信息，按照适当的条件操纵自行车。
通过基于表示检测到的坡度、检测到的踩力以及必要时的温度、电池容量(未示出)的信息所进行的计算(或根据表格)，初步确定行驶条件。
可以用各种方法中的任何方法显示所述信息。例如，可以显示所计算的行驶条件和当前运行条件之间的差别，或者可以直接显示所计算的行驶条件和当前运行条件，或者可以显示所述差别是正在消除还是正在加大，或者可以以可视方式或可闻方式显示所述信息。只要能够有效地向骑车者提供用于最佳地操纵自行车的信息，这些显示方法中的任何方法都可以使用。
下面将说明在再生方式下增加自行车能够行驶的距离的方法。
如上所述，通过在具有一定坡度的向上和向下斜面上行驶，可以增加自行车能够行驶的距离。但是，当自行车在平地上行驶时就不能增加自行车能够行驶的距离，因为，这里没有可以利用再生方式的机会。当自行车在平地上以一定的或者较高的速度行驶时，可以对自行车实行逆动力辅助以便以再生方式运行，使得甚至当自行车在平地上行驶时也能够以再生方式产生电能。由于使自行车在平地上行驶所需要的力很小，所以，没有察觉得到的负载加在人力上。
对于自行车来说，轻微下坡行驶时需要与在平地上行驶时的相同的人力。这种需要不会使骑车者感到难于应付，因为骑车者不能判明轻微的下坡坡度。
在本系统中，系统的效率极其重要。重要的是把包括电动机、传动机构和轮子的滚动阻力的机械损耗，骑车者和自行车身的风阻损耗以及电池、控制电路和电动机的电损耗减至最小。如果这些损耗小，则自行车上坡行驶所需要的电流量减小，而自行车下坡行驶时在再生方式下所产生的电流量增加。
作为例子，下面将描述减小电损耗的情况。
由于典型的电损耗是电阻，所以，对随着电动机和线路的电阻以及电池内部电阻的减小自行车在各种坡度下能够行驶的距离进行了模拟。图11中示出模拟结果。总的电阻表示如下：
总电阻＝电动机内部电阻+器件导通时控制电路的电阻+导线电阻+电池内部电阻。
随着电阻(总电阻)的减小，自行车能够行驶的距离增加，直至变成无限大。当自行车在平地上行驶时采用减小电阻的方法未获得什麽改进，但是，当自行车在具有坡度的斜面上行驶时，通过减小电阻可以获得比较大的改进。
实际电阻是：电动机0.38欧姆，控制装置0.04欧姆，线路0.03欧姆，电池0.16欧姆，产生的总电阻是大约0.6欧姆。把总电阻从0.6欧姆减小到0.1欧姆是非常困难的。
但是，显然，通过减小电阻、虽然不是很大，但也可以大大增加自行车能够行驶的距离，并且改善了其它损耗。
图12A和12B中示出在当前0.6欧姆总电阻和容易实现的0.52欧姆总电阻的情况下，具有安装在小轮子上的、有相同技术指标的电动机的自行车的行驶距离。
当电动机安装在小轮子上时，即使内部电阻具有当前的等级，也可以实现很大的优点。能够实现这些优点的速度低于自行车具有24英寸情况下相应的速度，但是在从10公里/小时到15公里/小时的范围内，这种速度实际上有点低。
但是，不能够满足对自行车实现动力辅助的高达25公里/小时的原始要求。通过对电动机实行弱磁场控制了提高电动机的转速，提高电池电压以及利用变速箱是有效的。由于减小轮胎直径等效于安装变速箱，所以，使用有效的减速器和大直径的轮胎是可能的。
使用小直径轮胎意味着利用比较高的电动机转速和比较高的电动机效率。由于减小了自行车的速度，所以减小了风阻损耗，包括自行车行驶时的效率，结果，自行车能够行驶的距离增大了。
下面将说明最大速度和轮胎直径之间的关系。图13示出最大速度和轮胎直径之间的关系。
当轮胎直径变小时，最大速度自然降低。例如，尽管24英寸轮胎时自行车的最大速度是大约26公里/小时，但是，12英寸轮胎时自行车的最大速度却是大约13公里/小时。
下面将说明由不同轮子直径引起的行驶特性的差别。
图14示出随轮胎直径而变的行驶特性。图14中，牵引力曲线A代表使用12英寸轮胎时牵引力对速度的特性曲线。按照牵引力曲线A，随着速度的增加，牵引力减小，并且当速度是大约13公里/小时时牵引力变为零。牵引力曲线A与行驶阻力之间的交叉点代表相对于各坡度的速度。因此，在平地上，自行车只能以大约12公里/小时的速度行驶。
牵引力曲线B代表使用24英寸轮胎时牵引力对速度的特性曲线。自行车能够以大约24公里/小时的速度行驶。
由于行驶阻力随着速度的增加而增加，所以，如果在稳定的行驶速度范围内自行车以尽可能低的速度行驶，则行驶效率较高。下面就行驶稳定性和行驶效率来分析自行车以10公里/小时的速度行驶的情况。
当使用24英寸轮胎时，在10公里/小时附近使用低效率区域，如效率曲线B所示。
当使用12英寸轮胎时，使用高效率区域，如效率曲线A所示，但是，最大速度受到限制。
如果通过磁场削弱控制和变速箱而实现效率曲线A、B两者，则能够使用从低速度到高速度的高效率区域，使得它得到优化，以便增加自行车能够行驶的距离。如果要改变速度的话，自行车最好具有在效率曲线A，B之间的连续可变的变速箱，并且，在效率曲线A，B之间最好包括若干个齿轮比。
图15示出根据本发明的第二实施例的具有动力辅助功能的自行车的基本配置的方块图，它包括上述组合在一起的各种功能。
图15中，自行车具有：曲轴1；踩力检测电路3；电动机4；曲轴齿轮7；链条8；驱动齿轮9；单向离合器10；人工驱动主动轮11；电动机驱动/输出控制电路；电池13；以及电动机驱动主动轮14，坡度检测电路21，行驶状态/辅助状态设置电路22，显示电路23及制动杆和再生电路24。
将根据第二实施例的具有动力辅助功能的自行车概述如下：
当使用再生控制方法时，以再生控制方法提供驱动自行车(上坡行驶时主要由电动机推进)时消耗的电流，增加了自行车能够行驶的距离。
如果自行车被起动之后有效地行驶并且以再生方式行驶，那么，大大地增加了自行车能够行驶的距离。
有效的自行车行驶的主要例子是与上坡和下坡坡度匹配的速度。
当下坡行驶时，有可能设置再生制动力，以便将状态最佳化。但是，在上坡行驶时，不可能设置由自行车驾驶者产生的力。
向骑车者显示(指示)信息，以便根据骑车者的意向，以最佳条件驱动自行车。
所述最佳条件必须考虑动力系统(电动机，传动装置，控制电路，电池等)的效率和行驶效率的组合。为了增加组合效率，还附加考虑有效的变速箱和磁场削弱控制方法。
虽然电动机的效率是重要的，但是，对于自行车来说，行驶在电动机具有高效率的区域是不够的。
在这种系统中最好使用锂离子电池，因为，其充电和放电效率是大约100％，并且，对于充电电流的任何限制原则上都是小的。
在组合效率高于一定水平，驱动自行车时所消耗的电流和该自行车在再生方式下所提供的电流之间的差别是零的条件下，该自行车可以无限地行驶下去。
经过一个接一个的一定的上坡和下坡斜面，该自行车能够无限地行驶下去。
在平地和缓慢的斜面行驶时，对辅助控制的分布曲线略作修改，以便使人力可以利用再生方式。
在平地和缓慢的斜面上，由于自行车需要小的力，所以，骑车者的任何负荷都是小的，并且，骑车者不能判明坡度，骑车者未感觉到难于应付和过分的负荷。
自行车不但在下坡行驶时而且在被制动到停止时以再生方式行驶。可以在拉制动杆时、正好在闸瓦起动之前通过电开关激励再生方式，使得可以得到再生电流。
除了电开关之外，可以正好在闸瓦起动之前利用线性检测器进行检测，以便实现线性再生控制。
由于自行车被制动时能够返回电池的电流是非常小的，所以，当自行车以非自动设定的速度下坡行驶时，制动杆是有效的。
当自行车在相当陡峭的下坡斜面上行驶时，可以起动与再生制动结合的机械制动，以便产生增加的再生电流。
为了甚至很小程度地提高效率，由于良好的效率对再生的影响增加，所以，在高效率的情况下来设计系统的各种部件。
为了辅助，可以不要对脚蹬直接施加脉动的力，而可以平缓地施加力，以便避免脉动电流，并且，可以用适当的装置检测轮胎充气压力和行驶变速箱系统的润滑作用，并且以适当的装置向骑车者显示，以便敦促对自行车的维修。鉴于这些考虑来构成所述系统是很重要的。
根据本发明，通常能够做到：
1.大大地增加自行车在动力辅助下能够行驶的距离；
2.如果可以缩短自行车能够行驶的距离，则允许减小电池的容量；
3.减小具有动力辅助功能的自行车的成本和重量；
4.产生诸如长距离动力辅助自行车竞赛的新运动项目的可能性；
5.增加自行车能够行驶的距离，部分地覆盖摩托车的范围，以便改善环境。
已经以用于具有动力辅助功能的自行车的形式描述了本发明。但是，本发明的原理适用于轮椅和人工驱动的小型机动车辆。
虽然已经详细地显示和描述了本发明的一些最佳实施例，但是，显然，可以在不脱离后附的权利要求书的范围的情况下在其中作出各种变化和修改。

Claims (1)

1.一种具有动力辅助功能的自行车，它包括：
电动机，用来把一部分推进力和人力相加，以便增加所述人力的推力；
电源装置，用来向所述电动机提供电能；
人力检测装置，用来检测作为推进力的人力；以及
控制装置，用来根据由所述人力检测装置检测到的人力的大小控制所述电动机的操作；
所述电动机包括直接驱动电动机，后者具有直接耦合到前轮的旋转轴和定子以及能够与前轮一致地旋转的外转子，所述直接驱动电动机起利用多余人力的发电机的作用，以便利用一部分再生的电能向所述电源装置充电。
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