TW201710148A - 自行車之智能輔助動力系統 - Google Patents

Abstract

一種自行車之智能輔助動力系統，包括：電動馬達、電力輔助驅動模組以及儲能裝置，該電動馬達安裝於自行車車輪之輪鼓；該儲能裝置是透過該電力輔助驅動模組耦接於該電動馬達；該電力輔助驅動模組包括慣性感測器、電能回收裝置、處理器及馬達驅動裝置，該處理器接收由該慣性感測器所得之該自行車的前進動量及車姿態等資訊，另經運算得該電動馬達的轉速及轉矩等資訊，該處理器根據所得各資訊，經控制演算法運算後，透過該馬達驅動模組驅動該電動馬達，或藉由該電能回收裝置將電動馬達所發電能對儲能裝置充電；藉此，讓騎乘者能在騎乘自行車，系統得依據自行車的前進動量、車姿態，電動馬達的轉速、轉矩等，自適應性地控制輔助動力的輸出。

Description

自行車之智能輔助動力系統

本創作為一種自行車之智能輔助動力系統的技術領域，尤其指一種依據騎乘者的出力、車速與車姿態，智能式調整輔助動力輸出的設計。

自行車為一種利用人力驅動的交通工具，兼具運動及縮短往返時間的效果，不會有空氣污染的問題，在環保意識高漲的時代，廣泛地被人們所接受，作為短程路途的輔助交通工具，或者是休假長途旅行的騎乘工具。

電動自行車是改裝電動馬達於車體結構中，由電力驅動該電動馬達運轉使自行車前進，騎乘者藉由輸入單元(如加速把手)控制輸出電量，使電動馬達隨著輸出電量大小而改變轉速，或是由觸動一個控制開關而啟動該電動馬達運轉，節省使用者腳踏施力，如此一來，已喪失自行車由腳踏驅動的原始設計。

都市與鄉間的道路具有各種不同的路況(如平地或山坡路)，自行車騎乘者可藉由變速器調整不同的轉速及轉矩，改變車速的快、慢，於各種路況中維持適當速度前進，但有時亦也會造成騎乘者的負擔。

本發明之主要目的是提供一種自行車之智能輔助動力系統，主要精神為騎乘者協同出力下，輔助動力會智能地依狀況輸出，因此安裝本創作智 能輔助動力系統於自行車中，能保有原踏腳才能驅動的自行車精神，在騎乘過程中該系統將依據車姿態、前進動量、轉速及轉矩等資訊，智能地調整適當輔助動力驅動自行車前進，讓騎乘者保有腳踏驅動的自行車樂趣，且也不會持續過度施力，減少負擔。

為達上述之目的，本發明包括一電動馬達、一電力輔助驅動模組Eelectric Auxiliary Power Device(E-AUX)、以及一儲能裝置，該電動馬達安裝於自行車車輪之輪鼓；該電力輔助驅動模組包括慣性感測器、電能回收裝置、處理器及馬達驅動裝置，該處理器接收由該慣性感測器所得之該自行車的前進動量及車姿態等資訊，經運算得該電動馬達的轉速及轉矩等資訊，該處理器根據所得各資訊，經控制演算法運算後，透過該馬達驅動模組驅動該電動馬達，或是藉由該電能回收裝置將電動馬達所發電能對儲能裝置充電。該儲能裝置是由該電力輔助驅動模組耦接於該電動馬達。

再者，該慣性感測器包括有加速度計、陀螺儀、及磁力計，該慣性感測器安裝於車體，得以偵測自行車行進中的車姿態與前進動量。該車姿態包括車體的側翻角度、俯仰角度及偏航角度。前進動量則包括重力加速度、旋轉角速度等。

再者，本發明儲能裝置為電池，其可採外露方式安裝於自行車車體，運用此方式，本發明智能輔助動力系統安裝於自行車中，自行車構件就不需大幅更改或修改原自行車的架構。但是也可採用另一種安裝方式，即將電池隱藏安裝於車體骨架內，例如安裝於中空的骨架鋼管內，此設計能使外型更為精實，減少電線外露的情形，防水性佳，安全高，也使小偷無法竊取高單價的電池。

以下配合圖式及元件符號對本發明之實施方式做更詳細說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

1‧‧‧電動馬達

2‧‧‧儲能裝置

3‧‧‧電子輔助驅動模組

31‧‧‧慣性感測器

32‧‧‧電能回收裝置

33‧‧‧處理器

34‧‧‧馬達驅動裝置

4‧‧‧自行車

41‧‧‧前輪

42‧‧‧後輪

43‧‧‧骨架鋼管

44‧‧‧骨架鋼管

45‧‧‧骨架鋼管

46‧‧‧充電連接座

圖1為本發明之方塊圖；圖2為本發明安裝於自行車的第一實施例示意圖；圖3為本發明安裝於自行車的第二實施例示意圖；圖4為本發明在各模式的操作示意圖。

如圖1及圖2所示，為本發明之方塊圖及安裝於自行車車體之示意圖。本發明自行車之智能輔助動力系統包括：電動馬達1、儲能裝置2、以及電子輔助驅動模組3。

該電動馬達1為一輪鼓式電動馬達，在本實施例中是安裝於自行車4的前輪41輪鼓，此實施例最能簡化車體的換裝作業，當然亦可安裝於後輪42的輪鼓。另外該電動馬達1內部亦具有霍爾元件能輸出馬達轉軸位置至該電子輔助驅動模組3的處理器33，由該處理器33計算馬達轉速，亦為自行車的速度。

該儲能裝置2為電池，是經由該電子輔助驅動模組3耦接於該電動馬達1。以電力驅動該電動馬達1轉動，或將回收該電動馬達1所產生的電力對該儲能裝置2進行充電。

如圖3所示，為本發明安裝於自行車的另一實施例示意圖，在本實施例中該儲能裝置2是隱藏安裝於車體中空的骨架內，例如安裝於中空的骨架鋼管43、44、45內，而座墊下方另具有隱藏式充電連接座46，此設計能使外露電線以最短距離與該電動馬達1相接，安全性高，外型上更為簡潔，該儲能裝置2電池的防水性佳、提升安全性，也讓小偷無法竊取高單價的電池。

該電子輔助驅動模組3是依據自行車的車姿態、前進動量、馬達轉速及轉矩等資訊，經控制演算法運算後，智能地控制輸出電流大小，依不同路況及模式適時驅動該電動馬達1；另外也能適時回收該電動馬達的電力至該儲能裝置2。該電子輔助驅動模組3可為純電子元件模組，可選擇內嵌於該自行車4前輪41電動馬達安裝處，或是與該儲能裝置2安裝在一起。

該電子輔助驅動模組3包括慣性感測器31、電能回收裝置32、處理器33及馬達驅動裝置34。該慣性感測器31耦接於該處理器33，為3D空間感測器，經該處理器運算後，可得知自行車之車姿態及前進動量等資訊。該慣性感測器31包括加速度計、陀螺儀及磁力計等。該加速度計是偵測三維空間笛卡爾座標x,y,z各分量重力加速度。該陀螺儀是偵測三維空間笛卡爾座標x,y,z各分量旋轉角速度。結合該加速度計與該陀螺儀資訊經計算可得知目前自行車的車姿態及前進動量。該前進動量包括重力加速度及旋轉角速度等。該車姿態包括車體的側翻角度、俯仰角度及偏航角度。該磁力計是因該陀螺儀本身會產生漂移造成角度量測累積誤差，需用磁力計消除此誤差。

該處理器33另電性連接至該馬達驅動裝置34與該電動馬達1相連的線路，量測線路之電流大小，數位化後回傳該處理器33，經運算得出相對於該電動馬達1的輸出轉矩。再者，如前述內容，該處理器33經由與該電動馬達1 內霍爾元件相連的線路，經運算可得該電動馬達1之轉速。綜合以上所述，該處理器33是由該慣性感測器31取得自行車之車姿態與前進動量等資訊，加上該電動馬達1的轉速及轉矩等資訊，經控制演算法運算，自適應性地依據不同的狀態，經由該馬達驅動裝置34輸出功率驅動該電動馬達1或是回收電力對該儲能裝置2充電。

本發明是由自行車運行中所得的車姿態、前進動量、轉速及轉矩等資訊，由該電子輔助驅動模組3依據前述資訊而得各模式，依由該處理器33依控制演算法，自適應性地切換至各模式，作不同的功率輸出，即驅動該電動馬達1輸出動力，各模式及動力輸出狀態與相對應的資訊，說明如下：

1.平路模式，穩定動力輸出：騎乘者需踩踏運動自行車後，輔助動力才會輸出。所得的資訊狀態為轉速漸、前進動量漸增、車姿態並非傾斜狀態。

2.減緩模式，減緩或停止動力輸出：騎乘者停止踩踏運動自行車，輔助動力放緩或停止輸出，最終自行車停止。所得資訊狀態為轉矩漸增、車姿態無變化。

3.爬坡模式，增量動力輸出：所得資訊狀態為轉矩漸增、前進動量漸減、車姿態為仰角狀態。

4.下坡模式，停止動力輸出或進行充電作業：所得資訊狀態為轉矩漸減、車姿態為俯角狀態。

5.過彎模式，遞減動力輸出：所得資訊狀態為車姿態的側翻角或偏航角，超過預設臨界值。

6.煞車模式，停止動力輸出或進行充電作業：所得資訊狀態為轉速驟減、前進動量驟減(例如騎乘者煞車)、或轉速超過預設值。

請參閱圖3，接著就實際路況中各模式的切換與運作模式作一說明：煞車模式具有最高優先權，此時車輪轉速驟減，該慣性感測器偵測到自行車前進動量驟減、或是車輪轉速超過安全速限，則進入煞車模式，停止動力輸出。

煞車解除，騎乘者若持續需踩踏運動自行車，轉速增加，該慣性感測器偵測到自行車前進動量漸增及車姿態(非傾斜模式)，即進入平路模式，穩定輸出動力。

若騎乘者停止腳踏動作，未協同出力，自行車為維持轉速，馬達耗電量逐漸增加，相對輸出轉矩漸增，該慣性感測器持續偵測到自行車之車姿態未變化，即進入減緩模式，減緩或停止動力輸出，最後至自行車停止；若騎乘者重新持續腳踏施力，則再切換至該平路模式。

由平路進入上坡，該慣性感測器自行車偵測到車姿態為仰角形態，前進動量漸減，自行車為維持轉速，馬達耗電量逐漸增加，相對輸出轉矩漸增，則進入爬坡模式，增量動力輸出，分擔騎乘者的施力。

離開上坡進入平路，馬達的耗電流逐漸減少，相對輸出轉矩漸減，該慣性感測器偵測到自行車姿態變化為水平形態，則回至該平路模式。

由平路進入下坡，該慣性感測器偵測到自行車姿態變化為俯角形態，馬達轉距持續降低，馬達的耗電流逐漸減少，進入下坡模式，停止動力輸出或進行充電作業。

離開下坡進入平路，馬達的耗電流逐漸增高，相對輸出轉矩漸增，該慣性感測器偵測到自行車姿態變化為水平形態，若騎乘者停止腳踏動作 則進入減緩模式，若騎乘者持續需踩踏運動自行車，轉速增加，則進入平路模式。

過彎模式，為平行發生於平路、下坡、爬坡模式，當慣性感測器偵測到車姿態側翻角大於預設臨界值(自行車傾斜)，或是車姿態偏航角大於預設臨界值(自行車轉彎)，則進入過彎模式，遞減動力輸出。

綜合以上所述，將本發明智能輔助動力系統安裝於自行車中，該處理器依所得之資訊，負責實現自適應性輔助動力控制演算法，自適應性輔助動力輸出，讓使用者在輕鬆騎乘下，仍能保有自行車踩踏的樂趣。此外在剎車與下坡狀態此系統亦提供環保發電回充電。

以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施例之範圍。即凡依本發明申請專利範圍所作的均等變化及修飾，皆為本發明之專利範圍所涵蓋。

1‧‧‧電動馬達

2‧‧‧儲能裝置

3‧‧‧電子輔助驅動模組

31‧‧‧慣性感測器

32‧‧‧電能回收裝置

33‧‧‧處理器

34‧‧‧馬達驅動裝置

Claims (7)

1. 一種自行車之智能輔助動力系統，包括：一電動馬達，安裝於自行車車輪之輪鼓；一儲能裝置，透過一電力輔助驅動模組耦接於該電動馬達；以及該電力輔助驅動模組，包括慣性感測器、電能回收裝置、處理器及馬達驅動裝置，該處理器接收由該慣性感測器所得之該自行車的前進動量及車姿態等資訊，該處理器經運算得該電動馬達的轉速及轉矩等資訊，該處理器根據所得各資訊，經控制演算法運算後，經該馬達驅動模組驅動該電動馬達，或藉由該電能回收裝置將電動馬達所發電能對儲能裝置充電。
2. 如申請專利範圍第1項所述之自行車之智能輔助動力系統，其中該慣性感測器包括有加速度計、陀螺儀、及磁力計。
3. 如申請專利範圍第1項所述之自行車之智能輔助動力系統，其中該前進動量包括重力加速度、旋轉角速度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之自行車之智能輔助動力系統，其中該車姿態包括車體的側翻角度、俯仰角度及偏航角度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之自行車之智能輔助動力系統，其中該處理器電性連接至該馬達驅動裝置與該電動馬達相連的線路，量測線路之電流大小，數位化後回傳該處理器，經運算得出相對於該電動馬達的輸出轉矩。
6. 如申請專利範圍第1項所述之自行車之智能輔助動力系統，其中該儲能裝置為電池，並隱藏安裝於該自行車車體中空的骨架內。
7. 如申請專利範圍第1項所述之自行車之智能輔助動力系統，其中該電動馬達為直流鼓式馬達。