TW201325989A - 可串並聯雙動力電動腳踏車 - Google Patents

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TW201325989A TW100147070A TW100147070A TW201325989A TW 201325989 A TW201325989 A TW 201325989A TW 100147070 A TW100147070 A TW 100147070A TW 100147070 A TW100147070 A TW 100147070A TW 201325989 A TW201325989 A TW 201325989A
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Zheng-Hu Chen
wei-zhi Shi
yu-zhen Fu
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Univ Nat Ilan
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62M—RIDER PROPULSION OF WHEELED VEHICLES OR SLEDGES; POWERED PROPULSION OF SLEDGES OR SINGLE-TRACK CYCLES; TRANSMISSIONS SPECIALLY ADAPTED FOR SUCH VEHICLES
    • B62M6/00—Rider propulsion of wheeled vehicles with additional source of power, e.g. combustion engine or electric motor
    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/60—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor power-driven at axle parts
    • B62M6/65—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor power-driven at axle parts with axle and driving shaft arranged coaxially
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    • B62M6/40—Rider propelled cycles with auxiliary electric motor
    • B62M6/45—Control or actuating devices therefor

Abstract

本發明可串並聯雙動力電動腳踏車，使用兩顆直驅式的輪轂馬達，分別裝置於腳踏車之前輪與後輪，使電動腳踏車具備雙動力輸出的功能，以改善電動腳踏車的動力輸出、轉換效率及再生煞車回收能源的比率。可藉由自行設計的雙向驅動控制器，依據不同的行車模式與負載條件，決定該由前輪驅動、後輪驅動或兩輪同動力串聯或並聯輸出。本發明加入再生煞車控制技術，依據電動腳踏車車速高低，兩顆馬達可做串聯或並聯輸出，使電動腳踏車在煞車期間所產生的動能可轉換更多的電能回充於電瓶中，以提升電動腳踏車之續航力。

Description

可串並聯雙動力電動腳踏車
本發明涉及一種電動腳踏車，尤其是使用一雙向驅動控制器來驅動前輪與後輪馬達以進行各種輸出模式的可串並聯雙動力電動腳踏車。
在於現今能源短缺的時代，再加上各式各樣的空氣污染，使得人們對於空氣方面的環保議題越來越關注，也因此有不少人推動在短距離行程的情況下，以騎腳踏車的方式代替騎摩托車或開汽車來減少二氧化碳等空氣廢物的排放量。然而腳踏車雖能有效節能減碳，但對於體力不好的婦女，或者是老人家來說，在過於長程的距離下騎腳踏車就反而變成是一種負擔，也因此電動腳踏車也為之興起，以解決腳踏車在過於長程距離的情況下體力不足的問題。
傳統型的電動腳踏車採用單一馬達設計，用單一馬達驅動腳踏車的其中一輪胎。然而在電動腳踏車需要較快的速度，或者是車上的載重較大，又或者是騎乘路面的坡度較陡時，單一馬達的輸出功率常無法滿足使用者的動力需求。為了提高馬達的輸出功率，若使用較大輸出功率的馬達，相對來說體積也更為龐大，對於現行的腳踏車車體架構來說，很難再放入更大體積的馬達，因此，需要有另一種改良方式，既可以提高輸出功率，又可以不佔用比現行驅動馬達更大的體積與空間。
因此，本發明所針對前述所提到的缺點，乃積極著手從事改良，以期能解決上述之問題，經過不斷嘗試與努力，終於開發出本發明。
本發明的目的在於解決習知電動腳踏車的輸出功率不足，以及提高輸出功率時造成馬達體積過大的問題。本發明設計將電動腳踏車前後輪裝置不同功率的馬達，並以一雙向驅動控制器來控制前後輪的馬達進行各種模式的輸出，使電動腳踏車具備雙動力輸出的功能，並改善電動腳踏車的動力輸出及轉換效率。此外，由於將二馬達置於腳踏車的前後輪，比起習知的馬達更能節省佔用的空間，克服空間的問題。
本發明的特徵在於以下幾點：
1.使用兩個相同功率或不同功率的馬達分別置於腳踏車的前後輪，以達到雙動力輸出的目的。
2.設計一雙向驅動控制器以驅動前後輪馬達，並且可將馬達的轉速及電樞電流傳回雙向驅動控制器，進行回授控制。
3.雙向驅動控制器可根據使用者操作的電門開度命令，以及回授的轉速以及電流資訊，將馬達操作在前輪驅動模式、後輪驅動模式、兩輪同動力串聯輸出驅動模式、兩輪同動力並聯輸出驅動模式等四種模式，以建立最佳的驅動控制命令。
4.當電動腳踏車在下坡時，雙向驅動控制器可切換為再生煞車模式，使電動腳踏車在減速過程中可將馬達的動能透過雙向驅動控制器轉換成電能，並將電能儲存於電瓶中，進而提高電動腳踏車的續航力及能源使用效率。
本發明為一種可串並聯雙動力電動腳踏車，包括：一車體，具有一前輪、一後輪與一龍頭；一前輪馬達，設置於該前輪上；一後輪馬達，設置於該後輪上；一電門與一煞車裝置，設置於該龍頭處；一電瓶，設置於該車體後方；一雙向驅動控制器，與該電瓶、該前輪馬達及該後輪馬達電性連結，用以控制該前輪馬達與該後輪馬達，並在不同的負載條件及行車速度下，依據電門開度的大小，使該雙向驅動控制器可切換為前輪驅動、後輪驅動、兩輪同動力串聯輸出、兩輪同動力並聯輸出、再生煞車模式。
本發明建立了雙動力電動腳踏車的相關控制技術，具備雙動力的電動腳踏車其再生煞車系統與一般電動載具不同。在一般驅動模式時，兩顆馬達可採用串聯模式、並聯模式做動力輸出，藉此讓電動腳踏車有較佳的爬坡能力與加速性，而在煞車時，則可依車速的高低選擇應該採用串聯模式充電或並聯模式充電，以提升再生煞車過程中的回收能量及制動轉矩，達到現有電動載具無法達到之性能。
本創作的特點可參閱本案圖式及實施例之詳細說明而獲得清楚的了解。
參考第一圖，本發明為一種可串並聯雙動力電動腳踏車，包括：一車體1，具有一前輪11、一後輪12與一龍頭13；一前輪馬達2，設置於該前輪上11；一後輪馬達3，設置於該後輪12上；一電門131與一煞車裝置132，設於該龍頭13處；一雙向驅動控制器4，與該電門131、該前輪馬達2及該後輪馬達3電性連結，該電門131發送訊號至雙向驅動控制器4以控制該前輪馬達2與該後輪馬達3。該前輪馬達2與該後輪馬達3皆以輪轂馬達方式實施，其特點在於馬達可以直接與輪框耦合驅動，傳遞損失較低，轉換效率高，而不像傳統馬達還需要皮帶等額外機構元件去帶動輪子的轉軸。此外，另設有一電瓶5，用以提供該雙向驅動控制器4與該前輪馬達2與該後輪馬達3電力。
參考第二圖，為本發明的流程方塊圖，並同時參考第三圖，為本發明在各種不同的情況下，改變各種驅動方式以符合使用者的需求與環境的條件，現以前輪馬達2為小功率馬達，後輪馬達3為大功率馬達作為說明。首先在(III)stage時，使用者於腳踏車啟動或爬坡啟動時騎乘本發明，由於腳踏車於啟動瞬間的電流是額定電流的三倍以上，若透過單一雙向驅動控制器控制雙動力電動腳踏車串聯模式輸出，將可有效降低驅動器所需之啟動電流，達到保護驅動器內電晶體的目的。操作者在啟動電門後，電門131會經過與該雙向驅動控制器4連結的電線電路，發送一電門訊號Sa至該雙向驅動控制器4，接著電瓶供電給雙向驅動控制器4，然後該雙向驅動控制器4發送一訊號Sc至馬達串並聯控制器41，而在腳踏車由靜止開始啟動的狀態下，系統採用一預設設定使前輪馬達2與後輪馬達3以串聯方式驅動，其電壓路徑為馬達串並聯控制器41傳送一電壓訊號VP1至前輪馬達2的正極，再由前輪馬達2的負極回流一電壓訊號VN1至馬達串並聯控制器41後，同時發送一電壓訊號VP2進入後輪馬達3的正極，再由後輪馬達3的負極回流一電壓訊號VN2至馬達串並聯控制器41後形成一串聯電壓迴路，驅動前輪馬達2與後輪馬達3同時轉動。
啟動後，接著進入第三圖中的(I)stage，假設此時腳踏車的時速為10km/hr，且使用者並沒有提高電門，故電門訊號Sa維持一定值，接著轉動中的後輪馬達3回授一電樞電流I2與一轉速W至雙向驅動控制器4，此時雙向驅動控制器4藉由輸入的電門訊號Sa、電樞電流I2與轉速W，經過其內部的程式運算後得知目前腳踏車的行駛條件是在平地，使用者所需的速度不用太快，且由後輪馬達3回授的電樞電流I2與轉速W表示目前的路況不需要使用馬達串連模式輸出來驅動腳踏車，故雙向驅動控制器4會再次發送一訊號Sc至馬達串並聯控制器41，使其將串聯模式的迴路切斷，並開啟前輪馬達2的迴路，意即輸入一電壓訊號VP1至前輪馬達2的正極，再由前輪馬達2的負極回流一電壓訊號VN1至馬達串並聯控制器41後形成一電壓迴路後即驅動前輪馬達2使前輪開始轉動，使電動腳踏車以較低輸出功率的前輪馬達2來驅動電動腳踏車前進。
接著在(II)stage時，假設使用者想要加快腳踏車速度至20km/hr時，使用者提高電門訊號Sa送至雙向驅動控制器4，雙向驅動控制器4以此資訊並且根據前輪馬達2回授的電樞電流I1以及後輪馬達3回授的轉速W加以判斷使用者希望加快速度，接著就發送訊號Sc至馬達串並聯控制器41，將小功率的前輪馬達2的電壓迴路切斷，並啟動後輪馬達3的電壓迴路，意即對後輪馬達3發送一電壓訊號VP2進入後輪馬達3的正極，再由後輪馬達3的負極回流一電壓訊號VN2至馬達串並聯控制器41後形成一電壓迴路後即驅動後輪馬達3使後輪開始轉動，使腳踏車的速度加快至所需的20km/hr。
然後在(IV)stage時，腳踏車行駛於斜坡時，此時將前輪馬達2的電樞電流I1、後輪馬達3的電樞電流I2與轉速W回授給雙向驅動控制器4，雙向驅動控制器4由這些資訊判斷目前需要更大功率的輸出，因此發送一訊號Sc至馬達串並聯控制器41，使前輪馬達2與後輪馬達3以並聯方式同時開啟，其電壓路徑為馬達串並聯控制器41同時間內，分別發送電壓訊號VP1與VP2進入前輪馬達2與後輪馬達3的正極，接著再由前輪馬達2與後輪馬達3的負極分別發送電壓訊號VN1與VN2回到馬達串並聯控制器41，形成一並聯電壓迴路，使前輪馬達2與後輪馬達3以並聯方式輸出，該並聯方式輸出比單一輪輸出的功率更大，故可使腳踏車應付更陡峭的斜坡。
最後使用者來到(V)stage，此時腳踏車處於下坡並且使用者啟動龍頭13上的煞車裝置132，並發送煞車訊號Sb至雙向驅動控制器4，接著再發送訊號Sc至馬達串並聯控制器41，使其切斷前輪馬達2與後輪馬達3的迴路，接著雙向驅動控制器4啟動再生煞車模式，亦即對電瓶5進行充電。可參考第四A圖，為串聯模式下對電瓶回充的簡易示意圖。電流由後輪馬達3的正極流出流到前輪馬達2的負極，再從前輪馬達2的正極流出，再注入電瓶的正極，接著再由電瓶負極流出回到後輪馬達3的負極，形成一串聯充電迴路，使前輪馬達2與後輪馬達3對電瓶充電。另外第四B圖為並聯模式下對電瓶回充的簡易示意圖。電流分別從前輪馬達2與後輪馬達3的正極流出並注入至電瓶的正極，接著再由電瓶的負極分別流回前輪馬達2與後輪馬達3的負極，形成一並聯充電迴路，使前輪馬達2與後輪馬達3對電瓶充電。在一般下坡情況下，雙向驅動控制器4預設使用串聯模式對電瓶充電，因串聯模式下，馬達在低轉速時，有較大的制動轉矩，故較適合運用在再生煞車模式。
另外，若使用者希望不以電力方式驅動腳踏車，而以傳統腳踏方式驅動時，參考第二圖，僅需以腳踩踏腳踏板，再透過齒輪與鍊條等機械傳動結構，即可帶動後輪12使腳踏車前進。
以上所述者僅為用以解釋本創作之較佳實施例，並非企圖具以對本創作做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之創作精神下所作有關本創作之任何修飾或變更，皆仍應包括在本創作意圖保護之範疇。
1．．．車體
11．．．前輪
12．．．後輪
13．．．龍頭
131．．．電門
132．．．煞車裝置
2．．．前輪馬達
3．．．後輪馬達
4．．．雙向驅動控制器
41．．．馬達串並聯控制器
5．．．電瓶
Sa．．．電門訊號
Sb．．．煞車訊號
Sc．．．訊號
VP1．．．電壓訊號
VP2．．．電壓訊號
VN1．．．電壓訊號
VN2．．．電壓訊號
I1．．．電樞電流
I2．．．電樞電流
W．．．轉速
所附圖式其中提供關於本發明實施例的進一步理解並且結合與構成本說明書的一部份，說明本發明的實施例並且描述一同提供對於本發明實施例之原則的解釋。圖式中：
第一圖為顯示本發明之整體結構示意圖。
第二圖為顯示本發明之訊號方塊圖。
第三圖為顯示本發明在各種不同行車環境下之示意圖。
第四A圖為顯示本發明之前輪馬達與後輪馬達對電瓶串聯充電之電路示意圖。
第四B圖為顯示本發明之前輪馬達與後輪馬達對電瓶並聯充電之電路示意圖。
1．．．車體
11．．．前輪
12．．．後輪
13．．．龍頭
131．．．電門
132．．．煞車裝置
2．．．前輪馬達
3．．．後輪馬達
4．．．雙向驅動控制器
5．．．電瓶

Claims (7)

  1. 一種可串並聯雙動力電動腳踏車，包括：一車體，具有一前輪、一後輪與一龍頭；一前輪馬達，設置於該前輪上；一後輪馬達，設置於該後輪上；一電門與一煞車裝置，設置於該龍頭處；一電瓶，設置於該車體；一雙向驅動控制器，與該電瓶、該前輪馬達及該後輪馬達電性連結，用以控制該前輪馬達與該後輪馬達，並在不同的負載條件及行車速度上，針對電門開度的大小，使該雙向驅動控制器可使該前輪馬達與該後輪馬達以複數模式驅動。
  2. 根據申請專利範圍第1項之可串並聯雙動力電動腳踏車，其中該車體另設置有一車架，使該雙向驅動控制器置於其上。
  3. 根據申請專利範圍第1項之可串並聯雙動力電動腳踏車，其中該複數模式為前輪驅動、後輪驅動、兩輪同動力串聯輸出、兩輪同動力並聯輸出或可對該電瓶充電的再生煞車串聯模式及再生煞車並聯模式。
  4. 根據申請專利範圍第1項之可串並聯雙動力電動腳踏車，其中該前輪馬達與該後輪馬達為輪轂馬達。
  5. 根據申請專利範圍第1項之可串並聯雙動力電動腳踏車，其中該前輪馬達與該後輪馬達的功率大小為相同。
  6. 根據申請專利範圍第1項之可串並聯雙動力電動腳踏車，其中該前輪馬達為相對小功率馬達，該後輪馬達為相對大功率馬達。
  7. 根據申請專利範圍第1項之可串並聯雙動力電動腳踏車，其中該前輪馬達為相對大功率馬達，該後輪馬達為相對小功率馬達。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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