KR20120001834A

KR20120001834A - 전기 자전거

Info

Publication number: KR20120001834A
Application number: KR1020100062419A
Authority: KR
Inventors: 송준규
Original assignee: 주식회사 만도
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-01-05

Abstract

페달의 구동에 의해 전력을 발생시키는 발전기의 회전속도와 발전기에서 발생된 전력에 의해 구동륜을 회전시키는 모터의 회전속도를 근거로 하여 페달의 부하를 증가시킴으로서 페달과 구동륜을 연결하는 체인 등의 동력전달장치가 없는 전기 자전거에서도 동력전달장치가 있는 듯한 페달감을 구현하는 전기 자전거 및 그 제어방법을 개시한다.

Description

전기 자전거{ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 전기 자전거에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 페달과 후륜을 연결하는 체인이나 베벨기어 등의 동력연결수단이 없는 전기 자전거에 관한 것이다.

자전거는 조향륜인 전륜과 구동륜인 후륜이 프레임의 전후방에 일직선으로 배치되고, 탑승자가 후륜과 연동되는 페달을 밟아 후륜을 회전시킴으로써 앞으로 전진하도록 구성되어 있다.

이러한 자전거에는 페달에서 발생되는 동력을 후륜까지 전달하는 체인이나 베벨기어 등의 동력전달장치가 설치된다. 특히 체인방식의 동력전달장치는 페달의 일측에 설치되는 구동 스프로킷 휠과, 이 구동 스프로킷 휠 보다 직경이 작으면서 구동륜인 후륜에 설치되는 종동 스프로킷 휠과, 구동 스프로킷 휠과 종동 스프로킷 휠을 연결하는 체인으로 이루어져 있다. 따라서, 이와 같은 구성에 의해 탑승자가 페달을 밟으면, 이 페달과 일체로 설치된 구동 스프로킷 휠이 회전하고, 동시에 체인에 의해 종동 스프로킷 휠과 연결되는 후륜도 회전하게 되어 자전거를 앞으로 전진시키는 것이다.

한편, 이와 같은 동력전달장치는 그 구조가 복잡하고, 자전거의 점유면적이 크며, 탑승자의 옷자락이 구동 스프로킷 휠과 체인의 사이에 끼이거나 오염되는 등의 문제가 있었다. 특히, 종동 스프로킷 휠에 다단식 변속장치가 설치된 경우에는 변속중 체인이 스프로킷 휠에서 자주 이탈하는 문제도 있었다.

최근에는 이러한 문제를 감안하여 동력전달장치가 없는 전기 자전거가 개발되어 사용되고 있다.

이러한 전기 자전거는 구동륜인 후륜을 회전시키는 모터와 이 모터에 전원을 공급하는 배터리를 구비하고, 모터에 의해 후륜을 회전시키는 방식으로 전기 자전거를 주행시킨다. 이때, 배터리의 충전은 페달과 연결된 발전기를 페달을 회전시키는 동작에 의해 작동시킴으로서 이루어진다.

하지만, 기존의 전기 자전거는 동력전달장치가 없기 때문에 운전자가 동력전달장치가 있을 때의 페달 답력과 다른 페달감을 느낀다.

본 발명의 일 측면은 페달에서 발생된 동력을 구동륜까지 전달하는 동력전달장치가 없는 전기 자전거에서 동력전달장치가 있는 듯한 페달감을 구현하도록 페달속도와 구동륜속도를 비교하여 페달부하를 조절하는 전기 자전거를 제공한다.

이를 위해 본 발명의 일 측면에 따른 전기 자전거는 페달의 구동에 의해 전력을 발생시키는 발전기와, 구동륜을 회전시키는 모터와, 상기 발전기의 회전속도를 감지하는 발전기속도감지부와, 상기 모터의 회전속도를 감지하는 모터속도감지부와, 상기 페달의 부하를 조절하는 페달부하조절부와, 상기 발전기속도감지부를 통해 감지된 발전기 속도가 상기 모터속도감지부를 통해 감지된 모터속도보다 빠르면, 상기 페달부하조절부를 통해 상기 페달의 부하를 증가시키는 제어부를 포함한다.

또한, 상기 제어부는 상기 발전기 속도가 상기 모터속도보다 미리 설정된 속도이상이 빠르면, 상기 페달의 부하를 증가시키는 것을 포함한다.

또한, 상기 제어부는 상기 페달의 부하를 증가시키기 위해 상기 페달부하조절부를 통해 상기 발전기의 출력측을 서로 단락시키는 것을 포함한다.

또한, 상기 제어부는 상기 발전기속도가 상기 모터속도보다 느리면, 상기 모터를 구동시키는 모터구동부를 통해 상기 모터에 공급되는 전류를 일시 차단하는 것을 더 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 전기 자전거는 페달의 구동에 의해 전력을 발생시키는 발전기와, 구동륜을 회전시키는 모터와, 상기 페달의 회전속도를 감지하는 페달속도감지부와, 상기 구동륜의 회전속도를 감지하는 구동륜속도감지부와, 상기 페달의 부하를 조절하는 페달부하조절부와, 상기 페달속도감지부를 통해 감지된 페달속도가 상기 구동륜속도감지부를 통해 감지된 구동륜속도보다 미리 설정된 속도 이상 빠르면, 상기 페달부하조절부를 통해 상기 페달의 부하를 증가시키는 제어부를 포함한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 개략적인 제어블록도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자전거의 개략적인 제어블록도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자전거의 제어방법에 대한 제어흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 구성을 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거는 프런트프레임(10)과, 센터 프레임(20)과, 새들 프레임(30) 및 리어 프레임(40)을 포함한다.

이러한 프레임들(10,20,30,40)은 힌지 축에 의해 순차적으로 축 결합되어 힌지 축을 중심으로 전후로 회동 가능하게 마련되는 힌지플레이트(60)와 결합된다.

프런트 프레임(10)의 일단은 앞바퀴(11)와 핸들부(17)가 연결되는 핸들스테이(12)가 결합되는 헤드튜브(13)의 후방에 결합된다. 이때, 프런트 프레임(10)과 헤드튜브(13)은 일체형으로 이루어질 수도 있다.

핸들부(17)는 핸들스테이(12)의 상단에 결합되는 핸들 스템(14)과, 이 핸들 스템(14)에 결합되는 핸들바(15)와, 이 핸들바(15)에 설치되는 핸들 그립(16)을 포함한다.

여기서, 핸들 스템(14)은 핸들부(17)의 높이 조절을 위해 마련된다. 핸들바(15)는 자전거의 조향을 결정하기 위해 마련된다. 핸들 그립(16)에는 후술할 센터 프레임(20)의 발전기(21)를 통한 답력을 조절하는 동시에 후술할 리어 프레임(40)의 모터(44)의 구동속도를 조절할 수 있도록 조절유닛이 마련된다. 이러한 조절유닛은 후술할 전자제어유닛(43)과 전기적으로 연결된다.

핸들스테이(12)의 하단 일측에는 앞바퀴(11)가 회전 가능하게 결합된다. 이때, 본 발명의 실시예에서 앞바퀴(11)는 전기 자전거를 후방에서 바라볼 때를 기준으로 핸들스테이(12)의 하단 우측에 결합될 수 있으며, 앞바퀴(11)는 통상적인 자전거처럼 포크형상으로 이루어진 핸들스테이에 결합될 수도 있다.

센터 프레임(20)의 일단에는 발전기(21)가 마련되고, 이 발전기(21)의 양 측에는 페달(23)이 회전 가능하게 장착된다. 즉, 사용자가 페달(23)을 회전시키면 이 페달(23)의 회전력을 발전기(21)에서 전기적 에너지로 변환되고, 이러한 발전기(21)의 전기적 에너지는 후술할 메인배터리(45)에 축전될 수 있다.

새들 프레임(30)의 일단에는 사용자가 안착되는 안장(31)이 장착된다. 이러한 새들 프레임(30)은 사용자의 체격에 따라 힌지축을 중심으로 회전폭을 조정할 수 있다.

리어 프레임(40)의 일단 좌측에는 뒷바퀴(41)가 회전 가능하게 장착된다.

또, 뒷바퀴(41)는 도시되지는 않았지만 통상적인 자전거와 같이 포크 형상으로 마련되는 리어 프레임(40)에 장착될 수도 있다.

이러한 뒷바퀴(41)에는 이 뒷바퀴(41)를 회전시켜 자전거를 전진시키기 위한모터(44)가 장착된다. 모터(44)에는 사용자가 조절유닛의 조작으로 인해 뒷바퀴(41)의 회전속도를 변화시킬 수 있도록 변속기(미도시)가 장착될 수 있다.

이와 같이 리어 프레임(40)의 일단 좌측에 장착되는 뒷바퀴(41)에는 접이식 자전거를 펼칠 경우 프런트 프레임(10)에 결합되는 핸들스테이(12)의 하단 우측에 결합되는 앞바퀴(11)와 일직선상에 배치되도록 마련된다.

이를 위해 리어 프레임(40)은 뒷바퀴(41)와 앞바퀴(11)가 일직선상에 배치될 수 있도록 리어 프레임(40)의 타단에서 외측으로 굽은 형상을 가진다.

또, 센터 프레임(20)에 장착되는 발전기(21)의 중심 즉, 발전기(21)의 양 측에 장착되는 페달(23)의 중심과, 새들 프레임(30)에 장착되는 안장(31)의 중심 및 핸들스테이(12)에 연결되는 핸들바(15)의 중심은 앞바퀴(11)와 뒷바퀴(41)를 연장하는 일직선상에 배치된다. 이를 위해 센터 프레임(20) 역시 상술한 리어 프레임(40)과 같이 외측으로 굽은 형상을 가질 수 있다.

또, 리어 프레임(40)에는 발전기(21)를 통해 변환된 전기적 에너지를 축전시키는 메인배터리(45)와 전자제어유닛(43)이 내장될 수 있다.

이때, 메인배터리(45)는 상술한 바와 같이 리어 프레임(40)에 내장될 뿐만 아니라 센터 프레임(20)에 내장될 수도 있다.

전자제어유닛(43)은 발전기(21), 메인배터리(45), 모터(44) 및 후술할 보조배터리(47)를 전기적으로 제어하는 역할을 한다.

또, 본 발명의 실시예에서는 메인배터리(45) 뿐만 아니라 외부로부터 착탈

가능하게 마련되는 외장형 보조배터리(47)와, 메인배터리(45)와 보조배터리(47) 사

이의 전원을 연결 및 차단하는 커넥터(46)를 포함할 수 있다. 이때, 커넥터(46)는 메인배터리(45)의 일측에 배치되어 보조배터리(47)가 장착되지 않은 경우 전자제어유닛(43)이 모터(44)를 구동시킬 수 있도록 메인배터리(45)와 모터(44)를 연결하게 한다.

또, 본 발명의 실시예에서는 프런트 프레임(10)과 센터 프레임(20)의 사이에 와이어부재(71)가 설치된다. 와이어부재(71)는 각 프레임(10,20,30,40)이 사용자의 체중으로 인해 발생되는 하중을 견딜 수 있도록 하는 역할을 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거의 개략적인 제어블록을 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기 자전거는 발전기속도감지부(100), 모터속도감지부(110), 페달부하조절부(120), 모터구동부(130) 및 제어부(140)를 포함한다.

발전기속도감지부(100)는 발전기(21)의 회전속도를 감지한다. 발전기속도감지부(100)는 발전기(21)의 회전자의 회전량 혹은 된 발전기(21)로부터 출력되는 전압 파형으로 발전기(21)의 회전속도를 감지한다.

모터속도감지부(110)는 구동륜을 회전시키는 모터(44)의 회전속도를 감지한다. 이때, 구동륜은 통상의 자전거와 같이 후륜이다.

페달부하조절부(120)는 발전기(21)의 구동 부하를 조절하여 페달부하를 조절한다. 발전기(21)의 구동 부하를 제어하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 그 일예로서, 발전기(21)의 출력측을 서로 단락시키면 유도 기전력에 의해 강한 브레이크 효과가 발생하는 것을 이용할 수 있다. 이러한 경우, 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식을 이용한 스위칭 회로를 이용하여 발전기(21)의 구동 부하를 조절하는 방식으로 페달부하를 조절할 수 있다. 이 경우, 스위칭 장치로는 릴레이 등의 기계적 소자의 사용도 가능하나, 부드러운 부하 변화를 가능하게 하기 위해서는 비교적 높은 주파수의 펄스를 사용하는 것이 바람직한 사항을 고려할 때, 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor) 등의 반도체 스위칭 소자를 사용하는 것이 좀 더 바람직하다.

모터구동부(130)는 구동륜을 구동시키는 모터(44)를 구동시킨다.

제어부(140)는 발전기속도감지부(100)를 통해 감지된 발전기속도와 모터속도감지부(110)을 통해 감지된 모터속도를 비교하여 발전기속도가 모터속도보다 빠르면, 페달부하조절부(120)를 통해 페달의 부하를 증가시킨다. 또한, 제어부(140)는 발전기속도가 모터속도보다 느리면 모터구동부(130)를 통해 모터(44)의 구동을 일시 정지시키기 위해 모터(44)에 공급되는 전류를 일시적으로 차단한다.

상기한 구성을 갖는 전기 자전거의 작동을 좀더 자세히 살펴보면, 먼저 제어부(140)는 발전기속도감지부(100)를 통해 발전기(21)의 회전속도를 감지한다.

발전기(21)의 회전속도를 감지한 후 제어부(140)는 모터속도감지부(110)를 통해 모터(44)의 회전속도를 감지한다.

그리고, 제어부(140)는 발전기(21)의 회전속도와 모터(44)의 회전속도를 비교하여 발전기속도가 모터속도에 미리 설정된 상수를 곱한 속도값 이상인지를 판단한다(202). 이때, 미리 설정된 상수는 예를 들면, 페달속도와 구동륜속도의 비율(일예로, 튜닝인자)이다.

만약, 발전기속도가 모터속도에 미리 설정된 상수를 곱한 속도값 이상인 경우, 제어부(140)는 페달부하조절부(120)를 통해 발전기(21)의 출력측을 서로 단락시켜 페달부하를 증가시킨다.

한편, 발전기속도가 모터속도에 미리 설정된 상수를 곱한 속도값 미만인 경우, 제어부(140)는 모터(44)의 구동을 일시 정지시키기 위해 모터구동부(130)를 통해 모터(44)에 공급되는 전류를 일시 차단시킨다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자전거의 개략적인 제어블록을 나타낸 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자전거는 페달속도감지부(200), 구동륜속도감지부(210), 페달부하조절부(120), 모터구동부(130) 및 제어부(140)를 포함한다.

페달속도감지부(200)는 페달의 회전속도를 감지한다. 페달속도감지부(200)는 발전기 내에 마련된 회전자의 회전량 혹은 모터로부터 출력되는 전압 파형으로 페달의 회전속도를 감지한다. 이외에도 페달속도감지부(200)는 페달의 회전속도를 직접적으로 감지하기 위한 속도센서일 수 있다.

구동륜속도감지부(200)는 휠 속도센서로 이루어지며, 구동륜의 속도를 감지한다. 이때, 구동륜은 통상의 자전거와 같이 후륜이다.

페달부하조절부(120)는 발전기(21)의 구동 부하를 조절하여 페달부하를 조절한다. 발전기(21)의 구동 부하를 제어하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 그 일예로서, 발전기(21)의 출력측을 서로 단락시키면 유도 기전력에 의해 강한 브레이크 효과가 발생하는 것을 이용하는 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation) 방식을 이용한 스위칭 회로가 가능하다.

제어부(140)는 페달속도와 구동륜속도를 비교하여 페달속도가 구동륜속도에 대비하여 미리 설정된 값 이상인 경우, 페달의 부하를 증가시킨다.

이때, 제어부(140)는 페달속도와 구동륜속도를 비교하여 페달속도가 구동륜속도에 미리 설정된 상수를 곱한 속도값 이상인지를 판단한다.

또한, 제어부(140)는 페달속도가 구동륜속도에 미리 설정된 상수를 곱한 속도값 이상인 경우, 발전기(21)의 출력측을 서로 단락시켜 페달부하를 증가시킨다.

또한, 제어부(140)는 페달속도가 구동륜속도에 미리 설정된 상수를 곱한 속도값 미만인 경우, 구동륜을 회전시키는 모터(44)의 구동을 일시 정지시키기 위해 모터(44)에 공급되는 전류를 일시 차단시킨다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 자전거의 제어흐름을 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 먼저 제어부(140)는 페달속도감지부(200)를 통해 페달속도를 감지한다.

페달속도를 감지한 후 제어부(140)는 구동륜속도감지부(210)를 통해 구동륜(예를 들면, 후륜)의 회전속도를 감지한다.

그리고, 제어부(140)는 작동모드 300에서 감지된 페달속도와, 작동모드 301에서 감지된 후륜속도를 비교하여 페달속도가 후륜속도에 미리 설정된 상수를 곱한 속도값 이상인지를 판단한다(302). 이때, 미리 설정된 상수는 예를 들면, 페달속도와 구동륜속도의 비율(일예로, 튜닝인자)이다.

만약, 작동모드 302의 판단결과 페달속도가 후륜속도에 미리 설정된 상수를 곱한 속도값 이상인 경우, 제어부(140)는 페달부하조절부(120)를 통해 발전기(21)의 출력측을 서로 단락시켜 페달부하를 증가시킨다(303). 이때, 제어부(140)는 페달부하를 페달속도와 후륜속도의 속도차에 비례하게 증가시킨다. 이후 작동모드 300으로 리턴하여 이하의 단계를 수행한다.

한편, 작동모드 302의 판단결과 페달속도가 후륜속도에 미리 설정된 상수를 곱한 속도값 미만인 경우, 제어부(140)는 모터의 구동을 일시 정지시키기 위해 모터구동부(130)을 통해 모터(44)에 공급되는 전류를 일시 차단시킨다(304).

이후 작동모드 300으로 리턴하여 이하의 단계를 수행한다.

100 : 페달속도감지부 110 : 후륜속도감지부
120 : 페달부하조절부 130 : 모터구동부
140 : 제어부 200 : 발전기속도감지부
210 : 모터속도감지부

Claims

페달의 구동에 의해 전력을 발생시키는 발전기와,
구동륜을 회전시키는 모터와,
상기 발전기의 회전속도를 감지하는 발전기속도감지부와,
상기 모터의 회전속도를 감지하는 모터속도감지부와,
상기 페달의 부하를 조절하는 페달부하조절부와,
상기 발전기속도감지부를 통해 감지된 발전기 속도가 상기 모터속도감지부를 통해 감지된 모터속도보다 빠르면, 상기 페달부하조절부를 통해 상기 페달의 부하를 증가시키는 제어부를 포함하는 전기 자전거.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 발전기 속도가 상기 모터속도보다 미리 설정된 속도이상이 빠르면, 상기 페달의 부하를 증가시키는 것을 포함하는 전기 자전거.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어부는 상기 페달의 부하를 증가시키기 위해 상기 페달부하조절부를 통해 상기 발전기의 출력측을 서로 단락시키는 것을 포함하는 전기 자전거.
제2항에 있어서,
상기 제어부는 상기 발전기속도가 상기 모터속도보다 느리면, 상기 모터를 구동시키는 모터구동부를 통해 상기 모터에 공급되는 전류를 일시 차단하는 것을 더 포함하는 전기 자전거.
페달의 구동에 의해 전력을 발생시키는 발전기와,
구동륜을 회전시키는 모터와,
상기 페달의 회전속도를 감지하는 페달속도감지부와,
상기 구동륜의 회전속도를 감지하는 구동륜속도감지부와,
상기 페달의 부하를 조절하는 페달부하조절부와,
상기 페달속도감지부를 통해 감지된 페달속도가 상기 구동륜속도감지부를 통해 감지된 구동륜속도보다 미리 설정된 속도 이상 빠르면, 상기 페달부하조절부를 통해 상기 페달의 부하를 증가시키는 제어부를 포함하는 전기 자전거.
제5항에 있어서,
상기 제어부는 상기 페달의 부하를 증가시키기 위해 상기 페달부하조절부를 통해 상기 발전기의 출력측을 서로 단락시키는 것을 포함하는 전기 자전거.