CN2335880Y - 混合控制轻型电动车 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于轻型电动车结构设计领域，其特点为至少一个车轮装有电动轮毂，一个手把为多功能调节手把，一根装有测力测速传感器装置的中轴。同时手把还装有控制方式选择开关，该车架有结合成一体的蓄电池组和含有混合控制程序的微电脑控制器和一个含有三个位置的开关锁，本实用新型具有既可采用完全手控，还可手控加脚踏，或是用智能方式骑行；且同时还可随时显示蓄电池剩余电能量，骑行时速度，骑行时的电流等诸多优点。

Description

混合控制轻型电动车

本实用新型属于轻型电动车结构设计领域，特别涉及电助动自行车控制方式的改良结构。

近期各种电助动自行车在国内外市场上纷纷亮相，小批量商品车已在国内外市场上销售。作为绿色安全的交通工具已逐渐被世人所接受，正在迅速发展。不同种类的电助动车正努力适应各种消费层次的用户的不同的要求。

电助动自行车(包括轻型电动车)目前在市场上车样层出不穷，形式五花八门，但归纳起来基本上可以分为两大类型：

第一类(主要是)普通型手控型电动车，该车可以是摩托车类型，也可以是自行车类型。其能源都是蓄电池，电能与机械能的转换都是通过电动机来实现。手动转把(或其他类型的手动开关)作为电源输出的控制开关，通过调节电动机输入电流的大小来调节输出功率，以达到调节车速的快慢。早期这种车的控制线路中不含电脑，但近期控制线路中均含电脑。该电脑的主要作用是保护电机和蓄电池，使它们处于正常的、可使用的工作范围，而不至于被烧坏。有些车也装有测速装置，其目的只是为了告诉骑行者当时行驶的车速，一般测速装置测到的信号都不用于控制车的行驶或改变车行驶的状态。

这种手控型电动车的主要特点是：不需要蹬踏，手把一转车便可行驶，方便、舒适和骑摩托车类似。该车型中的自行车类在无电时，也可以象自行车一样，蹬踏行驶。

这类车型的主要瓶颈为：蓄电池提供的电能非常有限。零起动时耗费电能很大，起动加速时间很长，最高时速约30公里。除不污染环境外，其他性能远远比不上燃油助动车。目前用5Ah、24镍镉电池(或7Ah、24V铅酸)作为电源。平道无风行驶一般在15～20公里左右。高速行驶或上坡或顶风行驶一般不超过10公里。而高能蓄电池全世界各大公司都注入了巨大资金进行攻关，目前还未能突破进入实用市场。

第二类(主要是)智能型电助动自行车，由于手控型电动车行驶距离有限，且电池能量问题近期又无法解决。考虑自行车一百多年来本来就是靠人力蹬踏车行驶。于是人们就设计出一种用有限的蓄电池的电能合理地帮助人力的蹬踏，使人们在骑自行车时省力、轻松，特别在顶风或爬坡时由电脑控制给予较大的助力，这样智能型电助动车便诞生了。如本申请人的一项题为“智能型电助动自行车”的专利(专利号为96216048.2)，它同样是以蓄电池作为电能，以电机作为电能与机械能转换的器件。所不同的是它没有手动控制转把(或开关)，而是在它的中轴上安了一套“测力测速机构”，当人们在骑车蹬踏时，测力测速机构中的力和速度传感器立即自动将力和速度信号传送给电脑。电脑根据所获力和速度信号通过计算，启动电动轮毂自动助力。当骑行者不蹬踏时，蹬踏力和蹬踏速度立即消失，力和速度信号立即终止，电脑立即切断电源，助力停止，从而实现了脚一蹬自动上电，助力；脚不蹬，自动断电，不助力。完全和骑自行车一样，不需要作任何其他操作。由于这一类电助动车电脑随时监视着力和速度的传感器的信号状态，随时自动控制助力或不助力，不需要人的干预，故称其为智能型电助动自行车。

这种电助动车的主要特点在于，采用这种方式使用蓄电池中有限的电能(若助力比为1∶1左右)，较完全靠电能行驶的手控型电动车行驶距离增加一倍多。5Ah、24V镍镉电池行驶距离均在35公里以上，而且骑行时较普通自行车轻松、舒适。但强迫你脚蹬才有电、助力，脚不蹬、断电。

本实用新型的目的在于为克服已有技术的不足之处，设计出一种更加随心所欲使用的电助动车，具有即可采用完全手控，还可手控加脚踏，或是用智能方式骑行；且同时还可随时显示蓄电池剩余电能量，骑行时速度，骑行时的电流等诸多优点。

本实用新型设计的一种混合控制轻型电动车，包括普通自行车的一个车把、车座、车架、脚蹬，其特征在于至少一个车轮(可以是前轮，也可以是后轮，或是两个轮)装有电动轮毂，另一个手把为可以调节电动轮毂输出功率大小的多功能调节手把及一根装有测力测速传感器装置的中轴。同时在手把的适当部位还装有控制方式选择开关，它可以选择手控方式和智能方式。该车身部分是一块带有可提手把的蓄电池组(电池模块)和含有混合控制程序的微电脑控制器的外壳，两者有机的结合成一体。该车还可含有一个车头，车头的正面有一个类似摩托车的一个车灯，它的上方设有一块显示屏，该显示屏可以显示车速，剩余蓄电池电能，行驶时使用的电流以及方式选择指示灯。该车架还可有一个含有三个位置的开关锁，其位置一是打开电源(该车可选择手控方式，也可以选择智能方式，助动行驶)。其位置二是关闭电源，用于完全脚踏方式，以及有时又不需要充电时的关电源方式。其三是电池模块与塑料盒分离的开锁状态，这状况位置，电池盒可以手提拆下充电。故本实用新型车型有四种行驶状态：

1．关电源，与普通自行车完全一样，用于健身或无电时骑行。

2．选择智能方式，若希望骑行里程较长或路途中爬坡、顶风较多，为了省电，附加脚踏‘到达较远的目的地可采用这种方式。

3．选择手控方式，若需要到达的目的很近，希望舒适一点，或有时人已累了，电池能量也完全足够，可采用手控方式，潇洒、舒适。

4．若想尽快达目的地，也可采用手控加脚踏的方式，把手控拧到最大，得到最大的电动轮毂的输出，再加上人力的脚踏便可达到最高的车速。

有关的各部件的详细结构及工作机理，已在以前本申请人的电助动车各项专利中描述过，这里不再赘述。

本实用新型的主要贡献在于集以前各种电助动车的优点于一身，可更加随心所欲的使用自己的电助动车，因而具有更加广大的应用前景。

附图简要说明：

图1为本实用新型的实施例总体结构示意图。

图2为本实施例的微型计算机控制单元组成及电路原理图。

图3为本实施例的混合控制程序框图。

本实施例的总体结构如图1所示。主要包括车把1，车座2，车架3，测力测速中轴4，脚蹬5，前车轮61，装有电动轮毂的后车轮62，前车灯7，显示屏8，智能、手控方式选择开关9，装有微电脑控制器的塑料盒10，手提式蓄电池块11和三位置开关锁12。

其中的电动轮毂，测力测速中轴，手控调节手把工作原理：已在本申请人以前申请的专利中作过详细的描述，这里不再赘述。

其中智能、手控方式选择开关9，是一弱电控制开关，由它选择微电脑的两种控制模式。当它选择智能控制方式时微电脑只接收测力测速中轴传感器送过来的信号，按智能型自行车的控制模式控制车的行驶，此时切断手控手把的信号，即手控手把不起作用。当它选择手控方式时，测力测速中轴传感器的信号被切断，微电脑只接收手控手把传过来的控制信号，自行车按手控方式行驶。两种方式的行驶控制特点也已在以前申请的专利中详细描述过，这里不再赘述。

本实施例混合控制车型的微机控制单元及程序框图如图2、图3所示。

微机控制单元包括：单片机线路Ⅰ，人力信号和速度给定信号接口电路Ⅱ，电力接口电路Ⅲ，速度信号接口电路Ⅳ，功率放大电路Ⅴ，保护电路Ⅵ，电源电路Ⅶ和工作状态控制电路Ⅷ八部分组成。各部分组成如图2中虚线框所示，其功能分别描述如下：

单片机线路Ⅰ

此单元由一片集成电路和少量外围电路(复位电路R1、D1、C1振荡电路的石英晶体XTAL，电容C2、C3，方式选择开关K1(mode select)和R37、R38和C10组成的电机端电压的检测电路)组成，单片机可以采用Motorola的MC68HC05P6或MC68HC05P9,Microchip的PIC16C71,PIC16C73及日本Hitachi的HD404394等型号，它们都具有不需外扩存，不需外扩A/D转换电路，体积小，功能低等特点。

当以PAO为代表的单片机输入端接入高电位+5V时(此时选择开关K1为打开状态)根据混合控制程序框图，图3中所示。PAO=1程序执行左边部分，即按智能型电助动车方式运行。当PAO接地时，(此时选择开关K1为闭合状态)PAO≠1程序执行右边部分，即按手控型电动车方式运行。图2中的方式选择开关K1便是安装在混合控制电助动自行车手把上的一个弱电开关，通过K1的切换，可以选择电助动车是按智能方式骑行还是按手控方式骑行。

人力信号和速度给定信号接口电路Ⅱ，此电路有两个部分：

一、人力信号的检测是通过中轴机构，把脚蹬上蹬踏力的大小转化为位移，再由传感器将该位移转化为电压。它的功能是：计算出传感器在人力作用下输出电压的变化量，经放大后送给微型计算机。骑车人施加给自行车的作用力通过中轴传感装置转化为位移的大小，利用线性霍尔传感器一人力传感器检测位移的变化，将位移的变化转化为电压的变化。由电阻R5-R13，电容C6，运算放大器A1、A2、A3、A4组成的电路接收霍尔传感器的输出电压，计算出变化量，并放大到适当的值后，送给微型计算机的A/D通道PC6。图中的运算放大器A1-A4为通用运算放大器，可采用LM324,LM358及其它可代换型号的芯片。

二、速度给定信号：

骑车人通过手拧多功能控制手把，直接改变手把中的磁片与线性霍尔之间位置关系，从手把的线性霍尔中直接给出速度给定信号Vgd，这个速度给定电压信号幅度较大，可以直接送给微型计算机的A/D通道PC3口。

当微型计算机单元Ⅰ中的方式选择开关K1打开时，PAO=1，单片机执行智能型方式程序，单片机从PC6口作数据采样。根据人力与电力1∶1控制轮毂的功率输出，此时车按智能型方式运行。

当微型计算机单元Ⅰ中的方式选择开关K1闭合时，PAO≠1，单片机执行手控型方式程序，单片机从PC3口作数据采样，根据多功能手把给出的控制信号，控制轮毂的功率输出。此时单片机的PC5口还监视着电机端电压，用电机端电压的反馈，与手把给定的速度信号之间进行车速闭环控制，如程序框图3中来判别Vm＜Vgd Yes或No来调整车速，以稳定给定的车速Vgd。

电力信号接口电路Ⅲ电机输出电力的大小可通过枢电流的大小反映，串联在电枢回路中的电阻R14可将电流的大小转化为电压大小。R15-R21,C7,A5,A6组成的接口电路将该电压滤波放大后送至微型计算机的A/D通道PC4。运算放大器A5、A6可选用LM358及其代换型号的芯片。

速度信号接口电路Ⅳ

速度传感器采用的是磁控开关，当磁性物质接近开关时，磁场加强，开关接通，磁性物质离开时，磁场变弱，开关断开，连续地接通和断开，就形成了脉冲系列。由集电极开路输出的比较器CMP3把反映速度信号的脉冲系列调整到合适的幅值后，送给微型计算机。速度信号的接口电路由R4、R29、R30及比较器CMP3组成，速度传感器(干簧管)安装在自行车中轴上。当骑行者蹬踏自行车时，速度传感器一干簧管将产生闭合、断开的连续动作，R30上的电压也将不停地变化，比较器CMP3将R30上的电压转化为幅值为5V的规则脉冲信号送给微型计算机的PC1。比较器CMP3可选LM339,LM393及其相应代换型号的芯片。

功率放大电路Ⅴ

该电路由R26、T2、T3、R27、DW、T4及C8、D2、D3组成。微型计算机从TCMP端口输出脉冲控制信号，控制脉冲经T2、T3、R26组成的推挽放大电路放大后，驱动大功率的VDMOS晶体管快速地开通或截止，从而控制电机电力的输出；D2是T4截止时电机的泄流通路；R28、D3、C8组成吸收网络，吸收T4截止时电机线圈产生的反电势，可有效的保护VDMOS的漏极不被击穿；R27和DW限制VDMOS控制极的电压并防止电荷积累，可有效地防止VDMOS控制极击穿。电机驱动电路-功率放大器的效率也是影响助动自行车用电效率的一个重要因素。功率放大器有如下特点：

(1)采用PWM控制方式

在这种工作方式下，功率晶体管工作在开关状态。当功率晶体管全导通时，尽管其中流过的电流会很大，但其上压降很小，这时晶体管的功耗不大；当晶体管截止时，其中漏电流极小，尽管会有很高的压降，但功耗P=UI仍是极小的。

(2)选用导通电阻极小的低压大电流型VDMOS功率晶体管，这种晶体管截止时漏电流极小，功耗也就极小；当电完全导通时，由于导通电阻非常小，其上的压降也就很小。例如导通电阻为Rd=0.018Ω，在24V电源下工作，工作电流I=10A，此时功率放大器的效率约为99.25％。

(3)高效率驱动电路

功率晶体管在PWM工作方式下，全导通和完全截止时功耗很小，但在其开通过程或关断过程中会有较大功耗，因此，驱动电路使功率晶体管快速地开通和快速地截止，也是保证功率放大电路高效率的重要措施。

保护电路Ⅵ

该电路由R22-R25及比较器CMP1、CMP2组成。当电池电压过低时，CMP1输出低电平，关断功放电路的控制脉冲，禁止电池继续放电起到保护电池的作用；当电机电流超过设定值时，CMP2输出低电压，关断VDMOS晶体管T4，达到过载保护的目的。

电源电路Ⅶ

该电路由两个LM317及R01-R04,L1,C01,C02组成，输出+5V和+12V稳定电压，作为计算机电路电源和功率放电电路的电源。

工作状态控制电路Ⅷ

由于选用前述的单片微型计算机，可使微型计算机控制系统的工作电流在30mA以内，但是，当助动自行车不工作时，这20-30mA的电流长时间给电池放电，不但浪费电能，而且还会对电池造成极大的损害。因此，微型计算机控制系统还设置了一种非工作状态-“休眠状态”、“休眠状态”与“工作状态”之间可以自动切换。骑行自行车时，进入工作状态，微机工作；不再骑行时，自动进入”休眠状态“，使微型机控制系统的工作电流降至最小。

在工作状态下，整个控制电路都有电源供应，当不骑自行车时，进入休眠状态，切断功率放大电路和计算机电路的电源，进一步节约电能和保护电池。切换电路由速度传感器-干簧管与R29-R37,CMP4-CMP7和T1组成。当人不断地蹬踏自行车时，R30上电压不停地变化，C9上的电压将保持在VA与VB之间，使得CMP4,CMP5输出高电平，CMP6输出低电压，T1导通，为控制电路提供电源；否则，R30上电压不再变化，C9上电压大于VA或小于VB，使CMP4或CMP5输出低电平，CMP6输出高电压，关断T1，切断控制电路电源。

本实施例设定：车速小于15km/h时，电力与人力的比例为1∶1；车速在15-24km/h区间，随车速增加，电力在总驱动力中所占比例将由50％逐渐降至0；车速高于24km/h时，不允许有电力驱动。要实现这种配合关系，可以测出人力的驱动力，并根据车速进行调整(修正)，送给微型计算机，作为给定量，计算机输出电机驱动信号，并测量电力输出的大小，由计算机软件进行电力的反馈控制，实现电力与人力关系的配合关系。微机控制程序流程如图3所示。由于人力与电力的配合是控功率匹配进行控制的，故需进行功率计算，而电功率由改变脉冲占空比来进行控制，车速在15km/h＜V＜24km/h区间，驱动力中电力所占比例将随车速增高而减小，故在此区间给人力驱动功率乘了一个系数β，且 $\mathrm{\β}=\frac{24-V}{9}$ 。在反馈控制过程中，人力驱动功率作为给定量，电驱动功率Pt是输出量。这是一个输出反馈控制的过程。

Claims (4)

1．一种混合控制轻型电动车，包括普通自行车的一个车把、车座、车架、脚蹬，其特征在于至少一个车轮装有电动轮毂，另一个手把为可以调节电动轮毂输出功率大小的多功能调节手把，一根装有测力测速传感器装置的中轴。同时在手把的适当部位还装有控制方式选择开关，该车架有结合成一体的蓄电池组和含有混合控制程序的微电脑控制器。

2．如权利要求1所述的混合控制轻型电动车，其特征在于该车架有一个含有三个位置的开关锁。

3．如权利要求1所述的混合控制轻型电动车，其特征在于该车还含有一个车头，车头的正面是一个车灯，它的上方设有一块显示屏。

4．如权利要求1所述的混合控制轻型电动车，其特征在于所说的蓄电池组带有可提手把。

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