TW201836908A - 用於踏板車輛的混合動力系統，用於該混合動力系統的控制單元，踏板車輛 - Google Patents

用於踏板車輛的混合動力系統，用於該混合動力系統的控制單元，踏板車輛 Download PDF

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Abstract

用於諸如一自行車之一踏板車輛之動力系統，該動力系統包含一第一電動馬達及一第二電動馬達以及包含一太陽齒輪、一環齒輪及一行星架之一行星齒輪組，其中該太陽齒輪連接至該第一馬達，該環齒輪連接至接收使用者輸入之曲柄軸，且該行星架連接至該動力系統之一輸出，用於將動力傳動至該車輛之至少一個輸出元件，諸如一車輪，其特徵在於，該第二馬達直接連接至該動力系統之該輸出。

Description

用於踏板車輛的混合動力系統，用於該混合動力系統的控制單元，踏板車輛
本發明係關於一種用於例如自行車之踏板車輛之混合動力系統，其包含至少一個電動馬達。
用於諸如自行車之踏板車輛之混合動力系統通常可包含一個或兩個電動馬達，即不包括或包括動力分配裝置、連接至至少一個車輪作為輸出之行星齒輪組。馬達可由電池供電，且當蹬踏時可向諸如騎車者之使用者提供踏板輔助。通常，混合動力系統用於具有電動助力之自行車。此等自行車與電動機車之不同之處在於，電動助力主要在騎車者蹬踏時發生。
用於電動輔助踏板車輛之各種混合動力系統係已知的。舉例而言，公開案US 5242335描述一種用於使用肌肉力量及輔助馬達之混合驅動車輛之行星齒輪系。馬達驅動太陽輪，且騎車者經由變速器齒輪作用在環齒輪上。對騎車者之輔助程度在每一速度下係固定的。因此，變速器齒輪需要以給定速度調整馬達輔助程度。此外，需要飛輪來允許騎車者換擋。此系統之缺點為其複雜性及高維護。
公開案WO 2010/092331描述一種用於自行車之動力分配傳動裝置，其包括由自行車曲柄軸、三分支行星齒輪組以及第一馬達/發電機及第二馬達/發電機構成之輸入。第一馬達連接至太陽齒輪，第二馬達連接至環齒輪，該 環齒輪亦連接至車輛負載。使用者在行星架上施加其輸入。馬達/發電機連接在一起以控制在兩個馬達/發電機之間傳輸之電力。此系統之缺點為，當所有分支在相同方向上旋轉時，由於連接之馬達/發電機之串聯損耗，系統效率降低。
公開案WO 2013/160477及WO 2016/034574描述一種用於自行車之動力系統，其具有第一馬達及第二馬達以及行星齒輪裝置。第一馬達連接至太陽齒輪，第二馬達及曲柄軸連接至環齒輪，且行星架連接至輸出鏈環。此導致相當複雜之動力系統，其中使用了環齒輪上之外齒及額外之雙齒輪。
此等動力系統之缺點可為電動輔助之程度不可調，因此需要藉由換檔機構增加機械複雜性來調整輔助程度。另一缺點可為動力系統之效率降低，例如，由於動力系統之串行損耗。另外，在一些已知之混合動力系統中，使用離合器。另外，先前技術之混合動力系統通常相對複雜及/或相對較重。因此，需要一種用於諸如自行車之踏板車輛的改良之混合動力系統，詳言之，具有動力分配裝置。詳言之，需要更簡單、成本更低之動力系統。
由此，本發明提供一種用於諸如一自行車之一踏板車輛之動力系統，該動力系統包含一第一電動馬達及一第二電動馬達以及包含一太陽齒輪、一環齒輪及一行星架之一行星齒輪組，其中該太陽齒輪連接至該第一馬達，該環齒輪連接至接收使用者輸入之曲柄軸，且該行星架連接至該動力系統之一輸出，用於將動力傳動至該車輛之至少一個輸出元件，諸如一車輪，其特徵在於，該第二馬達直接連接至該動力系統之該輸出。
由於根據本發明之組態，該第一馬達可以馬達模式操作，其中行星齒輪之所有分支在正方向上旋轉。環齒輪及太陽齒輪上之轉矩作用方向相同，使得架動力為正環齒輪動力與正太陽齒輪動力之總和，從而允許第一馬達在正常使用期間以馬達模式操作。此允許更有效地使用第一馬達。藉由將第二 馬達直接或剛性地(即，無飛輪)提供至動力系統之輸出，其既可用作馬達，亦可用作發電機。第二馬達可例如直接耦接至動力系統之輸出軸，例如，鏈環，或可例如經由行星架連接以作為行星齒輪組之輸出。第二馬達剛性地耦接至動力系統之輸出，即在輸出與第二馬達之間無飛輪。
另外，由於騎車者輸入與環齒輪之間無飛輪，騎車者輸入永久連接至輸出。因此，動力系統永久地「感覺」到騎車者輸入，且反之亦然，騎車者亦在惰行及制動期間永久地「感覺」到動力系統。由此，對於騎車者而言更直觀之使用係可能的，因為其可藉由其腿部輸入影響助力或再生性制動程度。此種效果可類似於利用在學習騎自行車時常用於兒童的固定齒輪自行車所體驗之效果。
在較佳實施例中，在環齒輪與行星架之間或在太陽齒輪與動力系統之殼體之間亦無離合器。與先前技術相反，此允許非常低之最小齒輪比，但具有有限之最大動力輸出。為了在陡峭爬升期間最大化所提供之動力並保證平穩啟動，已為此較佳實施例開發了特殊控制策略。
以此方式，可使用動力分配裝置在緊急制動以外之所有條件下僅藉由腿部輸入來控制車輛之全部潛力。第一馬達及第二馬達之裝機功率藉由特殊控制策略而最小化，從而避免了高峰值騎車者輸入轉矩。此與先前技術之系統形成對比，先前技術之系統通常由於在使用者與其至動力分配裝置之輸入之間應用飛輪離合器或在蹬踏者輸入與動力系統輸出或第一馬達與外殼之間應用單向離合器而不能使用高動態可變齒輪比之全部潛力。雖然此等離合器並未完全消除滑倒之風險，但其限制了總體系統齒輪比。
由於無飛輪且由於第二馬達直接連接至動力系統之輸出，因此制動能量有可能經由第二馬達及/或第一馬達再生至連接至第一馬達及/或第二馬達之電池。在此佈局中可能之再生模式不僅對提高效率而且對動力系統之更直 觀使用而言係重要的。此可允許使用者藉由其腿部輸入來亦控制減速。此外，由於耦接至大車輛慣性之其轉矩，因此第二馬達轉矩波動可能對使用者而言更加受阻。有利地，系統之不同比率以如下方式設定：使第一電動馬達及第二電動馬達在負載下以最佳最大轉速或速度運行，例如4500rpm。此外，該等比率被設定為最佳化不同動力源之負載分配以提高效率。由於使用者與第一馬達之功率之間的關係對於每一車輛速度及曲軸速度係固定的，因此選擇操作條件，其中使用者輸入與對應第一馬達輸入之總和等於車輛阻力。
有利地，提供控制單元以控制由第一馬達及/或第二馬達提供之動力。由於第一馬達始終連接至動力系統之太陽齒輪且騎車者輸入始終連接至動力系統之環齒輪，因此無騎車者輸入之解耦。因此，控制單元可在任何時間直接自騎車者曲柄軸獲得、自如行星齒輪中已知之速度及/或轉矩關係量測及/或計算諸如位置、速度及/或轉矩之資訊。由此，控制單元不僅可在加速及/或巡航期間，而且亦可在惰行及/或制動期間基於騎車者輸入，較佳基於曲柄軸之位置及/或速度及/或轉矩之時間歷史將控制信號提供至第一馬達及/或第二馬達。由諸如位置及/或速度及/或轉矩之曲柄輸入控制之馬達制動可導致更加直觀之車輛控制。基於此輸入，可計算第一馬達及第二馬達之控制信號。有利地，控制單元經組態以判定騎車者之輸入，即曲柄軸轉矩及/或速度及/或位置。騎車者輸入可加以估計或可由量測產生。舉例而言，藉由量測曲柄軸上之位置及/或速度及/或轉矩。在一實例中，可量測(角度)位置，且基於此角度位置，可判定曲柄軸之速度或騎車者之踏板頻率。使用行星齒輪組之速度及/或轉矩關係，可基於第一馬達及/或第二馬達之轉矩來估計曲柄軸上之轉矩。控制單元接著提供用於第一馬達之控制信號，詳言之，速度控制信號，且提供用於第二馬達之控制信號，詳言之，用於控制曲柄之速度或位置及傳動系之輔助程度之轉矩控制信號。
另外，控制單元可經組態以例如藉由提供第一馬達之速度之即時 改變來允許齒輪比之即時改變。由此，可向騎車者模擬飛輪，而動力系統中不存在實體飛輪組件。
由於經由曲柄軸之騎車者輸入始終連接至行星齒輪組，因此騎車者之腿部實際上形成第一馬達及第二馬達與控制單元之間的界面。第一馬達由控制單元進行速度控制，以提供最佳之曲柄速度或控制曲柄位置。第二馬達的轉矩經控制以向使用者提供可調整之輔助程度。
由於控制單元有可能基於來自第一馬達及第二馬達之資訊(分別為速度及轉矩)來估計騎車者輸入，且接著進一步計算用於第一馬達及第二馬達之其他控制信號，因此飛輪或離合器可在動力系統中消除。與先前技術相反，在先前技術中，在輸出與第一馬達及第二馬達中之一者之間需要飛輪。在先前技術之自行車中，當使用飛輪時，騎車者與動力系統之間失去接觸，從而導致更難以控制動力系統。由此，藉由提供使用騎車者輸入作為輸入參數之控制單元，可消除飛輪，使得可提供具有相對較少組件之相對緊湊且簡單之動力系統。而且，由於提供了使用騎車者輸入作為其控制策略之輸入參數的控制單元，因此控制單元可提供對動力系統之更快及/或更智慧之控制。
有利地，保持動力系統與騎車者之間的接觸，從而導致動力系統之更直觀使用。此可允許使用者進行更安全之操作且更迅速地接受動力系統。而且，由於曲柄軸輸入、第一馬達及第二馬達與輸出之間存在連接，且由於不存在飛輪，因此可消除感測器。因此，不需要使用感測器或需要使用更少或有限之感測器，從而允許更穩健之動力系統。
踏板車輛可為公路自行車或陸地自行車，亦可為水上自行車。公路或陸地自行車通常具有兩個、三個或四個車輪作為輸出元件，水上自行車可具有葉片作為輸出元件。輸出軸因此可連接至作為輸出元件之一或多個車輪，或連接至一或多個葉片或任何其他待驅動之輸出元件。踏板車輛可為普通之兩 輪自行車，或可為手提式自行車，或可為三輪車或單輪車等。舉例而言，對於單輪車而言，踏板與車輪之間存在永久接觸，使得添加齒輪係不可能的。在此種情況下，在無飛輪的情況下，可在維持曲柄及車輪與根據本發明之動力系統之間的連續連接之同時獲得可變齒輪比。
藉由提供經組態以允許負速度之第一馬達，有可能更直觀地使用動力系統。由此，相對較低之傳動比係可能的，如自例如用於上坡騎行之習知自行車所已知。然而，當第一馬達以負速度運行時，第一馬達實際上係作為發電機而工作，從而減小動力系統之總動力輸出。因此，當動力系統之總可用動力輸出大於車輛負載時，此模式較佳用於中等斜坡。
對於更陡峭之斜坡，替代地及/或另外，可提供爬升增壓模式。在爬升增壓模式下，使用者可將踏板保持大致靜止，而第一馬達可以最大可能速度運行，且第二馬達可根據車輛速度而以相對較低之速度運行。由此，動力系統之總動力輸出可得以最佳化及/或最大化。在上坡騎行時，騎車者可提供有限之速度輸入，曲柄軸甚至可處於大致靜止位置。在彼情況下，騎車者可提供相對較高之轉矩輸入，其可為連續的。第一馬達可以最大速度運行，且可取決於曲柄軸上之轉矩輸入來控制第二馬達，以向輸出提供額外之轉矩及/或速度。控制器可以曲柄位置設定點而非曲柄速度設定點為目標。由於使用者可連續地控制恆定轉矩，而非週期性地改變轉矩，因此可提供非常精確之爬坡輔助。此外，在低速高梯度操作期間，對於任何給定之馬達尺寸，組合之系統動力輸出將得以最大化。
有利地，電池耦接至第一馬達及第二馬達，從而允許在踏板車輛上之獨立應用。因為在動力系統之輸入與輸出之間無飛輪或單向離合器，因此再生制動係可能的，從而允許在輸出上接收之制動能量經由第二馬達及/或經由第一馬達對電池充電。此可提供更安全及/或更高效之動力系統。
較佳地，第二馬達經配置以利用輸出軸上之制動能量對電池充電。由於第二馬達直接耦接至輸出軸，因此當曲柄已經保持靜止時，再生制動成為可能。詳言之，由於無飛輪或離合器，再生制動成為可能。由此，輸出軸上之制動能量可經由第二馬達傳遞至電池。此亦允許使用者更直觀地使用動力系統。再生制動可由控制單元使用曲柄軸上之位置、速度及/或轉矩中之一或多者的實際或時間歷史來加以控制。在曲柄軸上，可提供位置感測器，該位置感測器偵測曲柄軸之角位置，該位置感測器亦可用於判定曲柄軸之速度及/或加速度。使用例如曲柄軸之位置資訊，可估計使用者之制動意圖，此可用來判定需要多少再生制動。
有利地，第一馬達經配置以利用來自輸出之額外過量制動能量對電池充電。可能所產生之制動能量比第二馬達可吸收之制動能量多，在此種情況下，第一馬達經組態以利用過剩制動能量對電池充電可為有利的。當提供由使用者施加之曲柄軸上之負轉矩時，經由第一馬達之再生制動可為可能的。輸出軸上之過剩制動能量接著可經由第一馬達對電池充電，其由施加在曲柄軸上之實際轉矩控制。曲柄軸上之實際轉矩可基於曲柄軸之角度位置量測值及/或第一馬達轉矩及/或速度來判定。
為了暫時儲存過剩之制動能量，可提供超級電容器，例如當電池之充電電流不足以利用可獲得之過剩能量對電池充電時，諸如在陡峭之下坡上制動時。替代地及/或另外，可提供功率電阻器以耗散過剩之制動能量，例如，當電池充滿電時。提供電容器及/或電阻器可防止在最大制動期間電池之損壞。由於在第一馬達與輸出之間不存在飛輪或單向離合器，使得第一馬達始終連接至輸出，因此可獲得動力系統之更直觀使用，因為可使用曲柄軸輸入作為控制單元之輸入。由此，由騎車者提供動力之曲柄軸在動力系統之輸入及輸出與控制單元之輸入之間形成界面。
舉例而言，第一馬達與第二馬達之尺寸可大致相同。此與先前技術形成對比，在先前技術中，第二馬達之尺寸通常盡可能小，因為在先前技術中，第二馬達耦接至行星齒輪組且傳動比由第一馬達判定。藉由提供大致相同尺寸之馬達，此可導致較低之工具投資及/或生產成本，及/或可更有效地使用馬達。而且，在踏板車輛之典型速度範圍內，兩個馬達皆可用於馬達模式，而非發電機模式。此允許降低總裝機功率，且因此允許更緊湊之傳動。
此外，動力系統可經組態以提供曲柄軸之停駐位置，使得一旦踏板上之使用者轉矩輸入下降至預定義轉矩臨限值以下，踏板即可移動至停駐位置。接著，可偵測到制動或惰行，且曲柄軸上之踏板移動至預定位置。在車輛惰行期間及/或在車輛停止之後，停駐機構可將曲柄軸上之踏板帶至停駐位置。此對於再次開始蹬踏係有利的，例如，在惰行之後再次開始移動踏板時，或在靜止之後啟動車輛時。此種停駐機構可體現為例如在曲柄軸之殼體中設置有凹口之環，在曲柄軸於車輛停止時位於預定位置時，例如安裝在曲柄軸上的對應環之突起可裝配在該等凹口中。可提供機構以允許突起僅在車輛靜止時裝配在凹口中。舉例而言，彈簧偏置及/或允許環相對於彼此之軸向平移等。許多實施例係可能的。
或者，控制單元可經組態以當騎車者在曲柄軸上之踏板轉矩輸入下降至某個預定義臨限值以下時(通常，一旦騎車者停止提供踏板轉矩輸入)將踏板帶至停駐位置。以此方式，踏板不僅可在車輛靜止時設定，而且可在制動、惰行及逐漸靜止期間被帶至停駐位置。與停駐位置模式相反，在爬升增壓模式中，騎車者可在踏板上提供高於停駐位置臨限值之轉矩輸入，使得控制單元以爬升增壓模式而非停駐位置模式操作。此外，曲柄軸上之位置感測器可經提供以量測曲柄軸之位置，且因此判定曲柄軸何時處於預定停駐位置。基於來自第一馬達及/或第二馬達及/或曲柄軸之速度及/或轉矩輸入，可判定車輛之踏板 靜止模式。在此種靜止模式中，控制單元經組態以將曲柄軸及安裝至其之踏板帶至停駐位置。
有利地，處於停駐位置之踏板分別位於踏板循環之死點之前的象限中。由此，當使用者再次開始蹬踏時，其移動踏板並施加轉矩在踏板上。然而，由於踏板停駐在靠近踏板循環之死點之前的位置，使用者可施加至踏板上之轉矩係相當有限的。此允許，詳言之在起動期間之第一馬達，以啟動模式運行且加快速度。由此，一旦使用者將踏板推過死點，第一馬達已經充分配合以向使用者提供輔助。接著，使用曲柄軸之位置或速度控制將車輛帶至最小設定速度。藉由提供此種停駐位置，可防止或至少限制騎車者猛烈地蹬踏踏板，且因此給予高峰值轉矩輸入以獲得來自車輛之強初始回應。因此，藉由提供此種停駐位置，自行車在騎車者可施加大轉矩輸入之前啟動係可能的，同時仍然接收來自車輛之直接回應。為曲柄軸提供踏板停駐在踏板循環之死點之前的象限中之位置的此種停駐位置可防止在啟動期間馬達，詳言之第一馬達，之失速。而且，行星齒輪組之尺寸可設定為獲得較小之最大轉矩，由此行星齒輪組可變小。
第一馬達及第二馬達之各種配置可為可能的。有利地，第二馬達可直接耦接至踏板車輛之非驅動輪轂，例如，前輪之輪轂。第一馬達可耦接至踏板車輛之從動輪轂，通常為後輪之輪轂。替代組態亦可為可能的，諸如從動輪轂處之兩個馬達，或曲柄軸處之馬達中之一者，及從動或非從動輪轂處之另一馬達。
另外，第二馬達可設有可切換之齒輪減速器。藉由為第二馬達提供可切換齒輪，此可允許在特定速度之上及/或在上坡騎行時對騎車者提供額外之電動助力。
動力系統之尺寸較佳使得獲得自行車之預定典型速度範圍。有利 地，第二馬達之尺寸被設定成使得在此預定車輛速度以上，第二馬達產生正動力且用作馬達，且在此預定車輛速度以下，該第二馬達可用作發電機。此允許兩個馬達在典型速度範圍內之更有效使用及更有效輔助。
其他有利之實施例在附屬項中表示。
本發明進一步係關於一種包含此種動力系統之踏板車輛。
1‧‧‧動力系統
2‧‧‧輸入
3‧‧‧輸出
4‧‧‧行星齒輪組
5‧‧‧太陽齒輪
6‧‧‧行星架
7‧‧‧環齒輪
8‧‧‧第一馬達
8a‧‧‧定子部分
8b‧‧‧轉子部分
9‧‧‧第二馬達
9a‧‧‧定子部分
9b‧‧‧轉子部分
10‧‧‧電池
11‧‧‧輪轂殼體
12‧‧‧輪轂軸
13‧‧‧行星輪
13a‧‧‧第一行星輪
13b‧‧‧第二行星輪
14‧‧‧齒輪減速器
15‧‧‧行星齒輪
15a‧‧‧第一行星齒輪
15b‧‧‧第二行星齒輪
16a‧‧‧第一太陽齒輪
16b‧‧‧第二固定太陽齒輪
17‧‧‧行星架
18‧‧‧皮帶
19‧‧‧皮帶
20‧‧‧踏板
21‧‧‧曲柄
22‧‧‧非踏板驅動前輪輪轂
23‧‧‧控制單元
24‧‧‧控制器
25‧‧‧控制信號
26‧‧‧控制信號
27‧‧‧轉矩信號
28‧‧‧轉矩信號
29‧‧‧曲柄軸輸入信號
30‧‧‧計算器
31‧‧‧曲柄軸位置信號
32‧‧‧記憶體
本發明將參考附圖進一步闡明。
在附圖中：圖1展示根據本發明之動力系統之示意性配置，其指示用於驅動模式之動力路徑；圖2展示圖1之動力系統之示意性配置，其指示具有空電池之動力路徑；圖3展示圖1之動力系統之示意性配置，其指示用於再生制動之動力路徑；圖4展示巡航期間之助力之示意圖；圖5展示圖1之動力系統之一實施例之示意性表示，其中第一馬達及第二馬達定位在踏板驅動輪轂中；圖6展示圖5之實施例之示意圖表示；圖7展示替代實施例之示意圖表示；圖8展示根據本發明之用於控制動力系統之控制單元之示意性表示；圖9a至圖9e展示動力系統之可能內置位置之各種實施例。
在附圖中，各圖僅作為本發明之示意性表示而給出。對應元件用對應元件符號標示。
圖1展示根據本發明之用於諸如自行車之踏板車輛之混合動力系統1的示意性表示。動力系統1包含由騎車者在曲柄軸上提供之輸入2，通常經由 踏板來提供。動力系統1進一步包含至輸出軸之輸出3，通常為自行車車輪之輪轂。此外，動力系統1包含具有太陽齒輪5、行星架6及環齒輪7之行星齒輪組4。而且，動力系統1包含第一馬達8及第二馬達9。第一馬達8及第二馬達9通常為電動馬達，其可用作馬達/發電機。根據本發明之動力系統1之組態包含曲柄軸2連接至環齒輪7，第一馬達8連接至太陽齒輪5，且第二馬達9直接連接至輸出軸3。第二馬達9直接連接至輸出軸3，即在輸出軸3與第二馬達之間無飛輪。此與先前技術之動力系統形成對比，在先前技術之動力系統中，在輸出軸與一個或兩個馬達之間設置有飛輪。第一馬達8及第二馬達9連接至電池10。由太陽齒輪5提供之轉矩與由環齒輪7提供之轉矩具有相同操作方向，在此圖中用「+」標記，而行星架6在相反方向上提供反轉矩，用「-」表示，反過來用於驅動輸出軸3。當所有行星齒輪軸在相同方向上旋轉時，在每一軸上提供之動力具有與對應轉矩相同之操作方向。舉例而言，當對應轉矩具有正操作方向且對應軸之對應旋轉方向為正時，在其中一個軸上提供之動力為正。由此，無串行損失，且最佳地使用行星齒輪系統。第二馬達9藉由直接向輸出軸3提供動力而直接促成對騎車者之輔助。
在巡航期間，電池10向第一馬達8及第二馬達9兩者充電。然而，在空電池10的情況下，如圖2所示，騎車者2向行星齒輪組4提供動力。第二馬達9，因為其剛性連接至輸出軸3，與輸出軸3一起運行。第二馬達9在彼處獲得之動力可被饋送至第一馬達8。此處，第二馬達9接著作為發電機工作，從而允許在此種情況下，由於第二馬達9與第一馬達8之間的直接連接而導致一些串行損耗。然而，由於在太陽齒輪5與動力系統1之殼體之間或環齒輪7與行星架6之間不存在離合器，因此第一馬達8較佳始終被供以動力以避免騎車者在空電池之情況下滑動。而且，由於第二馬達9與輸出軸3之直接連接，且由於在騎車者輸入2與環齒輪7之間無飛輪，因此再生制動成為可能，如圖3所示。在圖3之實施例中， 第二馬達9利用輸出軸3上接收到之過量制動能量提供電池10之充電。因此，過剩制動能量可自輸出軸3經由第二馬達9傳遞至電池10以對電池10充電。當踏板保持靜止時，因此在曲柄軸3之靜止位置處，已經有可能利用第二馬達9對電池10充電。當騎車者進一步在曲柄軸上且因此在環齒輪上提供負轉矩時，經由第一馬達8之再生制動亦成為可能。
圖4展示巡航期間可能之助力之示意圖。鑒於行星齒輪組關係，使用者之動力與第一馬達之間的關係對於每一車輛速度及曲柄速度係固定的。因此，可選擇操作條件，其中使用者輸入與對應第一馬達輸入之總和大致等於車輛阻力。對於自行車而言，此等值可設定為例如在25kph之標稱速度下為100W之騎車者輸入功率，其中起動節奏為70rpm且自行車損失為156W。在此實例中，第一馬達之功率在25kph及70rpm之節奏下因此約為56W，以避免在此最小巡航條件下第二馬達將以發電機模式工作。有利地，動力系統之不同比率被設定成使得第一馬達及第二馬達以最佳之最大轉速或速度運行，例如在加載條件下為4500rpm。此外，動力系統比率較佳被設定以最佳化不同動力源之負載分配以便提高效率。在此實例中，在標稱巡航速度設定為25kph、在70rpm之節奏下典型騎車者輸入為100W之情況下，可看出，第二馬達之尺寸經設定而以25kph之巡航速度開始提供動力。在較低之轉速下，第二馬達貢獻之負動力略有下降，因此在發電機模式下工作，雖然有限。對於不同之標稱速度，第一馬達及第二馬達之尺寸可不同。有利地，第一馬達之尺寸設定成使得靜止時之踏板力達成最大反轉矩。有利地，第二馬達之尺寸設定成使得第二馬達在最大速度下提供足夠之動力。在上述實例中，第一馬達及第二馬達可為例如裝機功率為例如500W之電動馬達。因此，總裝機電功率大約為例如1000W。
圖5及圖6示意性地展示一實施例，其中兩個電動馬達8、9設置在踏板驅動輪轂殼體11上。輪轂軸12穿過輪轂殼體11。第一馬達8及第二馬達9安 裝至輪轂軸12上。第一馬達8具有定子部分8a及轉子部分8b，且第二馬達9具有定子部分9a及轉子部分9b。第一馬達定子8a及第二馬達定子9a連接至輪轂軸12。太陽齒輪5連接至第一馬達轉子8b。行星輪13可旋轉地耦接至太陽輪5，且由行星架6支撐。有利地，行星齒輪組4為如圖5、圖6或圖7所示之兩級行星齒輪組4或複合行星齒輪組4。接著可提供複合行星輪13，該複合行星輪包含具有第一直徑之第一行星輪13a(該第一行星輪耦接至太陽齒輪5)且包含具有第二直徑之第二行星輪13b，該第二行星輪耦接至環形輪7。第二直徑有利地小於第一直徑，此允許比用單級行星齒輪組可獲得之更大之減速比。
行星架6固定地連接至輪轂殼體11，由此形成動力系統1之輸出3。環形輪7可旋轉地耦接至行星輪13且連接至動力系統1之輸入2。輸入2在此處為皮帶輪或鏈輪，用於接收來自安裝至曲柄之踏板之騎車者輸入。在輪轂殼體11之另一側，第二馬達轉子9b連接至輪轂殼體11作為輸出3，在第二馬達9與輪轂殼體11之間具有齒輪減速器14。齒輪減速器14係可選的，但為了將相對較高之馬達轉速降低至例如輪轂之較低輸出速度而為較佳的。齒輪減速器14在此處由連接至第二馬達轉子9b之第一太陽齒輪16a及在一端處可旋轉地耦接至第一齒輪16a且在另一端與第二固定太陽齒輪16b嚙合之行星齒輪15形成。行星齒輪15由固定地連接至輪轂殼體11作為輸出3之行星架17支撐。此處，齒輪減速器14體現為複合齒輪減速器，其中行星齒輪15包含耦接至具有第一直徑之第一太陽齒輪16a的第一行星齒輪15a，且包含耦接至具有第二直徑之第二固定太陽齒輪16b之第二行星齒輪15b。為了獲得有利之減速比，第一行星齒輪15a之第一直徑小於第二行星齒輪15b之第二直徑。因此，第二馬達9在此處經由齒輪減速器14連接至輸出3，以便提供自第二馬達9之轉速至例如輪轂殼體11之輸出3之轉速之減小，該輪轂殼體通常以低於馬達轉速之速度運行。
圖7展示動力系統1之替代實施例。此處，第一馬達8定位在踏板 驅動輪轂殼體11處。第二馬達9可定位在其他地方，例如在非踏板驅動輪轂或框架處。
圖9展示動力系統1之組態之可能實施例。圖9a展示在踏板驅動後輪轂11處之第一馬達8及行星齒輪組4以及在非踏板驅動前輪輪轂22處之第二馬達9。騎車者經由安裝至曲柄21之踏板20之輸入經由鏈條或皮帶18接收在後輪轂11上。圖9b展示第一馬達8及第二馬達9以及在踏板驅動後輪轂11處之行星齒輪組4。圖9c展示定位於自行車框架處之第一馬達8，行星齒輪組位於踏板驅動後輪轂11處，且第二馬達9位於非踏板驅動前輪轂22處。接著，第一馬達8可經由額外鏈條或皮帶19連接至行星齒輪組4。在圖9d之實施例中，第一馬達8及行星齒輪組4皆定位在曲柄上。因此，騎車者輸入可直接自曲柄21接收，動力系統1之輸出接著可經由鏈條或皮帶18傳遞，此處傳遞至後輪。在圖9e之實施例中，動力系統1定位在曲柄21處。
關於圖7之實施例，第一馬達定子8a連接至輪轂殼體11可旋轉地安裝在其上之輪轂軸12。第一馬達轉子8b連接至可旋轉地連接至行星齒輪13之太陽齒輪5。行星架6支撐行星齒輪13且固定地連接至輪轂殼體11，從而形成用於驅動連接至輪轂殼體11之車輪的輸出3。騎車者輸入2經由皮帶或鏈條接收至環齒輪7。
圖8展示用於控制動力系統1之控制單元23之實施例，如例如結合前圖所描述。控制單元23包含控制器24，其經組態以向第一馬達8及第二馬達9提供輸入信號。第一馬達8的速度被控制，而第二馬達9的轉矩被控制。第一馬達8之控制信號25為速度控制信號，且第二馬達9之控制信號26為轉矩控制信號。自第一馬達8及第二馬達9，馬達8、9之速度及轉矩係已知的，且分別被提供為組合速度及轉矩信號27及組合速度及轉矩信號28。控制器24可接收關於第一馬達8之速度及轉矩之資訊，且視情況接收關於第二馬達9之速度及轉矩之資 訊以及曲柄軸輸入，諸如組合之位置、速度及轉矩輸入信號29。曲柄軸輸入信號29由計算器30至少基於第一馬達8之速度及轉矩信號27及曲柄軸位置信號31來計算。曲柄軸21之位置可例如藉由曲柄軸位置感測器來量測。組合速度及轉矩信號27及組合速度及轉矩信號28及計算出之曲柄軸輸入信號29可儲存在記憶體32中，自該記憶體，可將此等信號輸入至控制器24。藉由儲存此等信號27、28及/或29，控制器24亦可使用此等信號之時間歷史來向第一馬達8及/或第二馬達9提供輸入。接著，控制器24經組態以提供用於第一馬達8之速度控制信號25及用於第二馬達9之轉矩控制信號26，以控制曲柄軸速度或曲柄軸位置。
此外，控制器24可接收來自使用者界面33之輸入。在使用者界面上，使用者可在巡航期間給出關於較佳曲柄速度之輸入，或巡航及/或爬升期間之較佳輔助程度等。使用者界面可體現為車輛自身上之界面(例如，使用使用者可選擇較佳設定之機械輸入裝置，例如，藉由調整杠桿或使用例如具有觸控螢幕之數位輸入裝置)，或可為可體現為行動通信裝置上之應用程式之遠端輸入裝置。
此外，控制單元23可經組態而以所謂之爬升增壓模式運行，以與曲柄軸轉矩成比例地、依第一馬達之最大速度及靜止曲柄軸輸入來控制該第一馬達之功率。在此種爬升增壓模式中，曲柄軸係靜止的，即，使用者保持踏板大致靜止，但使用者可將轉矩施加至踏板且因此施加至曲柄軸。因為第二馬達9直接連接至動力系統1之輸出軸且因此與車輛連接，因此第一馬達8接著可以最大速度允許且第二馬達9以與車輛速度相對應之相對低之速度允許。在此爬升增壓模式下，由於曲柄位置保持大致靜止，因此控制器24可將曲柄位置設定點而非曲柄速度設定點作為目標。爬升增壓模式對於陡峭爬坡尤其有利，其中騎車者幾乎不能將車輛推進，但仍然可將轉矩輸入給予踏板。對於輕微之上坡梯度，控制器24可允許第一馬達8以負速度運行，而騎車者仍然可提供輸入功率，且因 此亦以非常低之速度推進車輛。第二馬達9接著可向騎車者提供輔助。此模式僅適用於中等或輕度上坡梯度，因為第一馬達實際上作為發電機而工作，因此會損害總體系統輸出。
為了清楚且簡潔之描述，本文中將特徵描述為相同或分開之實施例之一部分，然而，應瞭解，本發明之範圍可包括具有所描述之全部或一些特徵之組合的實施例。可理解，除了被描述為不同之處之外，所展示之實施例具有相同或類似之組件。
在申請專利範圍中，置放在括號之間的任何參考符號不應被解釋為限制申請專利範圍。「包含」一詞不排除申請專利範圍中列出之其他特徵或步驟之存在。此外，「一(a、an)」不應被解釋為限於「僅一個」，而是被用來表示「至少一個」，且不排除多個。在相互不同之技術方案中敘述某些措施之事實並不表示此等措施之組合不能被用於獲益。對於此技術領域中具有通常知識者而言，許多變化係顯而易見的。所有變化應理解為包含在以下申請專利範圍中限定之本發明之範圍內。

Claims (17)

  1. 一種用於諸如一自行車之一踏板車輛之動力系統，該動力系統包含一第一電動馬達及一第二電動馬達以及包含一太陽齒輪、一環齒輪及一行星架之一行星齒輪組，其中該太陽齒輪連接至該第一馬達，該環齒輪連接至接收使用者輸入之曲柄軸，且該行星架連接至該動力系統之一輸出，用於將動力傳動至該車輛之至少一個輸出元件，諸如一車輪，其特徵在於，該第二馬達直接連接至該動力系統之該輸出。
  2. 如申請專利範圍第1項之動力系統，其進一步包含一控制單元，該控制單元建構成基於一曲柄軸輸入而將控制信號提供至該第一馬達及/或該第二馬達。
  3. 如申請專利範圍第2項之動力系統，其中該控制單元建構成以一爬升增壓模式運行，以與曲柄軸轉矩成比例地、依該第一馬達之最大速度及一靜止曲柄軸輸入來控制該第一馬達之功率。
  4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之動力系統，其進一步包含耦接至該第一馬達及該第二馬達之一電池。
  5. 如申請專利範圍第4項之動力系統，其中該第二馬達經配置以利用自該動力系統之該輸出接收之制動能量對該電池充電。
  6. 如申請專利範圍第5項之動力系統，其中該第一馬達經配置以利用在該動力系統之該輸出上與該曲柄軸轉矩成比例之額外制動能量對該電池充電。
  7. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之動力系統，其中該動力系統建構成提供該曲柄軸之一停駐位置。
  8. 如申請專利範圍第7項之動力系統，其中在踏板循環之一死點之前，處於該停駐位置之踏板分別定位在一個象限中。
  9. 如申請專利範圍第7或8項之動力系統，其中該控制單元建構成將該等踏板帶至該等停駐位置。
  10. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之動力系統，其中該第二馬達耦接至一自行車之一車輪的一輪轂，較佳為該踏板車輛之非踏板驅動車輪輪轂。
  11. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之動力系統，其中該行星齒輪組及該第一馬達配置在該踏板車輛之一踏板驅動車輪輪轂中。
  12. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之動力系統，其中該動力系統之尺寸設定成使得在一預定車輛負載以上，該第二馬達產生正動力以輔助使用者。
  13. 一種踏板車輛，其包含如前述申請專利範圍第1至12項中任一項之動力系統。
  14. 一種用於控制一踏板車輛之一動力系統之控制單元，其中該動力系統包含一第一電動馬達及一第二電動馬達以及包含一太陽齒輪、一環齒輪及一行星架之一行星齒輪組，其中該太陽齒輪連接至該第一馬達，該環齒輪連接至接收使用者輸入之曲柄軸，且該行星架連接至該動力系統之一輸出，用於將動力傳動至該車輛之至少一個輸出元件，諸如一車輪，其中該第二馬達剛性地連接至該動力系統之該輸出，其中該控制單元建構成基於一曲柄軸輸入而將控制信號提供至該第一馬達及/或該第二馬達。
  15. 如申請專利範圍第14項之用於一動力系統之控制單元，其中該控制單元建構成以一爬升增壓模式運行，以與曲柄軸轉矩成比例地、依該第一馬達之最大速度及一靜止曲柄軸輸入來控制該第一馬達之功率。
  16. 如申請專利範圍第14或15項之用於一動力系統之控制單元，其中該控制單元建構成將踏板帶至停駐位置。
  17. 如申請專利範圍第14或15項之用於一動力系統之控制單元，其中該控制單元建構成在該曲柄軸輸入自該曲柄軸之一停駐位置起動時以一啟動模式運行。
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