CN2480272Y - 双轮驱动式发电节能电动自行车 - Google Patents

Abstract

双轮驱动式发电节能电动自行车,由20～26”自行车架及二个电动车轮,控制电路及电池构成,其主要特点:双轮直接驱动功率大,爬坡能力强,控制电路含供电驱动调速、发电储能控制及电力制动功能;在下坡行驶时充分地利用机械能发电,对电池充电储能,实现节能效果,延长行驶路程;同时控制充电电流,调节电磁制动转矩,来实现电磁制动减速;采用镍氢电池,体积小、重量轻,起动性能好,使用寿命长。

Description

双轮驱动式发电节能电动自行车。

本实用新型属于电动车节能技术产品，传统电动自行车均为单轮驱动式，驱动功率较小，爬坡能力差，须助动才能爬坡，给骑车人带来困难，此外下坡行驶机械能未得到利用。

本实用新型的目的在于：针对上述问题，开发一种前后双轮驱动的电动车，可使驱动功率增大一倍，爬坡能力强，在坡度小于4°条件下无须人力助动，此外含电刷的直流电机可用于发电，利用下坡行驶过程中车载势能转化为动能驱动电机旋转发电，给蓄电池补充能量，可以延长行驶路程。

为实现上述目的，采用如下技术方案：双轮驱动式发电节能电动自行车，由前后二个电动车轮与20 ～26”自行车车架、控制电路及电池等共同组成，其中电动车轮由专利产品ZYZD型钕铁硼永磁式直流电机作为动力源，利用转子轴作为支承，定子外壳轮毂与轮辋、辐条共同构成；由于ZYZD型电机具有电刷及换向器，可用作发电机使用，在下坡行驶时用车载势能转化为动能驱动电机旋转发电，给蓄电池补充电力；该电机供电24V，最大功率为225W，转速为170-200r/mim，无须配备减速机构，直接驱动车轮，由于前后二轮均能驱动，比单轮驱动增大了一倍功率，使爬坡能力增强，最大驱动功率450W，在单人轻载条件下，可以爬坡4°以下，若嫌功率还小，可以采用36V供电电机，爬坡能力更强些，在城市交通较为平坦条件下，无须人力助动；控制电路含供电驱动调速电路、发电储能电路以及电力制动电路等，其中供电驱动调速电路含NE555集成电路及外围RC元件所构成的方波发生器，方波频率在500-2000HZ之间，通过电位器W₁，调制脉冲宽度及占空比，控制输出功率，采用二块智能功放模块进行功率放大，可以获得20A驱动电流，用来驱动电机ZD₁、ZD₂。发电储能电路其工作原理：由电机运动方程和电路平衡方程：M_g-M_l＝J(d²θ/dt²)其中M_g为电机的电磁转矩，M_L为负载转矩，当电机供电驱动时(M_g)为正值，非供电驱动时M_g＝0，M_l为负载转矩，它在转角θ减小的方向为正值，它含有干摩擦转矩(M_l1)取决于转角θ的方向相反，此外固定方向的负载转矩(M_l2)，取决于转动方向，粘滞摩擦型负载转矩(M_l3)，其值与角端度成正比，对转子运动起阻尼作用，即限制角速度的变化。负载转矩M_l＝M_l1+M_l2+M_l3 J(d²θ/dt²)为惯性转矩由转动惯量(J)与车轮的转动加速度(d²θ/dt²)所组成，M_l2取决于转动方向，上坡行驶时是车载势能增加的过程，即M_l2与运动方向相反起制动作用，须将电能转化为机械能，它随坡度的增大而加大，须增大电磁转矩(M_g)与之平衡，采用双轮驱动来增大电磁转矩；下坡行驶时是车载势能减小的过程，势能转化为动能，即M_l2与运动方向相同，起加速作用，公式为：M_l＝M_l1-M_l2+M_l3，坡度越大，M_l2越大，若M_l2＝M_l1+M_l3电机不供电磁转矩M_g＝0，车载保持原有的运动状态：当M_l2≥M_l1+M_l3时，车载加速运行，须加上制动力矩(M_K)，使M_l2-M_K＝M_l1+M_l3，传统电动自行车采用机械制动减速方法，此项机械能未得到充分利用；本实用新型利用此项机械能发电给蓄电池补充能量，即将电动机作为发电机使用，由于发电储能而产生的电磁制动转矩(M_K)，平衡方程式为：M_K-M_l＝J(d²θ/dt²)，即M_K＝M_l+J(d²θ/dt²)，在实际运行中当下行坡度很小情况下，前后双轮电机均不供电驱动，也不发电，保持空载惯性运行状态，下行坡度一般条件下，采用一台电机发电，一台空载运行，下行坡度较大时，可采有二台电机均发电：此外还可用调节充电电流的方法，调节电磁制动转矩(M_K)来调节下行的速度，为了实现上述目的，采用发电储能电路，其中含恒流充电单元、充电电流调控单元及充电电压上限控制单元，分别阐述如下：(1)恒流充电单元：由VMOS场效应功率管作为调整管，漏极接电流输入端，源极作为电流输出端，棚极作为控制端，在栅源二极上并联稳压管，漏棚二极上并联一只限流电阻，电流通过时形成栅源恒压，VMOS管恒流充电输出；(2)充电电流调控单元：棚源二极上并联数只不同稳压值的稳压管D₅～D₁₀，用转换开关K₅、K₆选择不同档位的稳压值，便可获得不同恒流充电值；(3)充电电压上限控制单元：上述恒流充电单元，受控于下列电路，即由电阻分压电路作为电压检测电路，提供给电压比较判断电路，即情密基准电压源LT431，当分压信号≥2.5V时加到LT431基准极上，便由截止变为导通，即U_KA电位下降至2V，经限流电阻R₇、R₁₂发光管LED_1、2使BG_1、2VMOS管棚源电压由正变负，BG_1、2VMOS由导通变为截止而停止充电，电阻分压值按充电电压上限值设计，便可有效地控制充电上限，保证电池不会产生过度充电；控制电路中还含有电力制动单元，它由换向开关及耗能电阻组成，当行驶过程中如需要紧急刹车的情况，除使用机械制动外，还可用电力制动方法，即用换向开关换向，改变电机输入电流的方向，使电磁转矩M_g由正变负，用以克服负载转矩M_l及惯性转矩J(dθ²/dt²)，为防止反向电流急剧发热损坏绕组绝缘，采用串联耗能电阻的办法加以克服，同时为防止电机反转造成事故，换向开关设置弹簧复位功能，同时换向过程中触发停车开关，切断供电电路。本实用新型选用电动车专用镍氢电池(中辽三普电池)取代传统电动车用的铅蓄电池。

本实用新型与传统电动自行车相比具有以下特点：(1)双轮驱动功率大，爬坡能力增大一倍，平路行驶速度快；(2)利用车载势能所产生的动能，驱动电机发电给镍氢电池补充能量，合理地利用机械能转化电能，节能效果明显，行驶路程可以延长；(3)以发电制动取状摩擦制动来达到降速的目的，实现了无磨损控制；(4)恒流充电及电压上限控制使充电安全、方便；(5)用镍氢电池取代铅蓄电池，小型轻便，电流容量大，起动性能好，使用寿命长。

下面结合实例附图，进一步详述。

图1是传统电动自行车行驶状况说明图

图2是双轮驱动式发电节能电动自行车行驶状况说明图。

图3是双轮驱动式发电节能电动自行车电路图。

图1示出了传统电动自行车的行驶状况，由于单轮驱动方式，一台电机驱动功率较小，爬坡不大于2°，行驶速度慢；下坡行驶时未利用机械能发电补充能量，没有充分地利用能源，行驶路程较短。

图2示出了双轮驱动式发电节能电动车的行驶状况，由于采用双轮双机驱动功率较大，爬坡能力强，一般能达到4°，平路行驶一般可用单轮驱动；若需要急速行驶时，采用双轮双机驱动，时速达到25公里以上，下坡行驶时将电路由供电驱动方式改变为发电储能运行方式，发电能量补给镍氢电池，合理地利用机械能转化为电能，可以延长行驶路程。

图3示出了双轮驱动式发电节能电动车电路图，其中控制电路含供电驱动调速单元、发电储能单元、充电电压上限控制单元及电力制动单元等，详述如下：(1)供电驱动调速单元：由IC₁集成电路NE555及外围RC元件，其中由电阻R₁、R₂、电位器W₁、电容C₁及二极管D₁组成方波发生器，适用频率范围：500-2000HZ，调节W₁可使占空比由0.02-0.98之间变化，脉冲宽度也随之改变，方波脉冲经二块智能功放模块BTS412后输出为24V20A功率输出，驱动二台直流电机ZD₁、ZD₂工作，调节W₁电阻值，便可调节输出功率从而改变电机转速，BTS412为智能功放模块其短路电流为30A，起控点为25A，在60μS内自行关断、具有较强的自我保护功能，ZD_l、ZD₂为前后轮驱动直流电机，K₂、K₃为驱动—发电转换开关，K₄为驱动—制动换向开关。(2)发电储能单元：BG₁、BG₂为VMOS场效应功率管，D₃、D₄为整流二极管，D₅～D₁₀为稳压管，R₅、R₇为限流电阻，K₂、K₃为转换开关；其工作原理：在下坡行驶时转换K₂、K₃至发电档位，使ZD₁、ZD₂接成发电工作状态，将下坡行驶机械能及惯性转矩所产生电动势，经二极管D₃、D₄整流形成单向脉冲，再经BG₁、BG₂、电阻R₅、R₇及稳压管D₅ D₁₀形成恒定栅源电压，BG₁、BG₂输出恒流，对电池E₁、E₂分别充电，为了调节充电电流大小，采用数只稳压值不同的稳压管D₅～D₁₀，变换K₅、K₆档位，便改变了BG₁、BG₂栅源恒压值，也就改变了BG₁、BG₂恒流值，(在充电不饱和状态下由电池内阻而定)，此值调控应根据电池充电状态以及下坡行驶速度的不同而灵活调节，既能达到充电节能的目的，又能实现电磁制动降速的效果；(3)充电电压上限控制单元：由BG₁、BG₂、R₃，R₆、及W₂、W₃电位器、IC₄、IC₅精密基准电压源LT431及发光管LED_1、2共同构成。其工作原理：由分压电阻R₃、W₂及R₆、W₃构成电池电压取样电路，其分压信号达到2.5V时加至IC₄、IC₅的基准极上，IC₄、IC₅由截业变为导通，其U_KA＝2V，LED_1、2发光显示表明电压已充足，同时BG₁、BG₂棚源电压为负值，由导通变为截止而停止充电；(4)电力制动单元：由换向开关K₄及电阻R₉组成，工作原理：当开关K₄转到制动位时，ZD₁、ZD₂电机的电流方向换向，换向后产生的电磁转矩与惯性转矩方向相反，相互抵销，电机迅速减速；紧急制动，换向的同时触动停车开关K₁，切断电源，以免电机产生反转，R₉为耗能电阻，用来保护绕组不致于过热。

Claims (6)

1、  双轮驱动发电节能电动车，含有车架、转向机构、蓄电池等，其特征是前后轮各由一台钕铁硼永磁式直流电机与轮毂、轮辋组成的电动车轮，电机内含换向器和电刷，通过开关可连接成电动机驱动调速电路或连接成发电机发电储能电路。

2、如权利要求书1中所述的双轮驱动发电节能电动车，其特征在于：它还含有驱动调速电路，由NE555及其外围元件组成的方波发生器，输出端通过电阻连接集成电路BTS412，输出端通过开关连接电机。

3、如权利要求书1中所述的双轮驱动发电节能电动车，其特征在于：它含有发电储能电路，由电机(ZD₁)电刷正极通过二极管(D₂)连接电池(E₁)正极，电池负极通过电阻连接恒流充电单元的VMOS(BG₂)，再经开关(K₃)连接电机(ZD₁)负极；电机(ZD₂)正极通过开关(K₂)二极管(D₃)及电阻连接恒流充电单元的VMOS(BG₁)至电池(E₂)正极，E₂负极通过二极管(D₁₁)连接ZD₂负极。

4、如权利要求书1中所述的双轮驱动发电节能电动车，其特征在于：包含有恒流充电单元，由VMOS场效应管(BG_1、2)稳压管组，通过开关连接在栅源二极上，栅漏极间接电阻，漏极通过电阻连接充电输入端，源极连接电池(E_1、2)。

5、如权利要求书1中所述的双轮驱动发电节能电动车，其特征在于：还含有充电电压上限控制单元，由取样电路分压端连接精密基准电压源(TL431)基准极，阴极通过发光二极管、电阻连接VMOS管(BG_1、2)栅极，TL431阳极接电池负极。

6、如权利要求书1中所述的双轮驱动发电节能电动车，其特征在于：还含有开关(K₄)、电阻(R₃)所组成的反接制动电路。

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