TWI551507B - Help the bike to help the system - Google Patents

Description

助力自行車之助力提供系統

本發明係與助力自行車有關，特別是指一種助力自行車之助力提供系統。

現有的助力自行車，大多是利用偵測騎乘者的踩踏力矩，進而判斷目前提供的助力是否符合騎乘者的需要。在騎乘者踏力大時，代表需要的助力高，因此提供較高的助力，在踏力小時，即代表需要的助力小，因此提供較低的助力或不提供助力。

然而，由於力矩感應器的成本非常高，因此，雖然有上述技術，但受限於力矩感應器的成本極高，使得助力自行車的價格居高不下，進而使得助力自行車的普及性受到限制。

我國公告第583116號專利，揭露了一種「馬達輔助自行車之控制單元」其係依方程式Ra=f(Pw、△V、V)來計算出助力自行車的實際行駛阻力。其中Ra係助力自行車的實際行駛阻力，Pw係指總驅動力，△V係指車輪速率改變量，而V係指車輪速率。另外，還揭露了一般自行車的行駛阻力Rr，係由標準運行阻力計算(依據車輪速率V的測量圖取得)，因此可以得出馬達助力等於電動自行車的實際行駛阻力(Ra)減去一般自行車的行駛阻力(Rr)。藉由這個技術可讓騎乘者騎乘助力車時會有如同騎乘一般自行車的感受。另外，該案也揭露了可以藉由助力自行車的實際行駛阻力(Ra)與助力自行車的平面運行阻力(R1)相比較，來判斷目前坡度或路面狀況，以調整馬達動力的輸出。

上述專利的實際行駛阻力Ra必須藉由踏力Ta來計算，因此，雖然可以計算出行駛中的實際行駛阻力，然而欲偵測踏力則需使用到高成本的力矩感應器，此仍會有成本居高不下的問題。

日本特開平11-29086號專利，揭露了在助力自行車上偵測行駛中的阻力狀態來調整馬達助力輸出的技術，其係藉由偵測行駛狀態的車速及坡度，進而判斷行駛中阻力的變化，進而控制馬達的助力輸出，調整整體推進力來維持騎乘者踏力的固定輸出，亦即，可保持騎乘者的定量踩踏力矩，騎乘者可以輕鬆騎乘。

上述專利雖是依據行駛阻力來調整馬達助力輸出，然而，其僅用於讓騎乘者踏力輸出維持安定，在遭遇上坡或路面不平整之外在阻力突然增加的狀況時，仍由馬達來輸出額外的助力以克服增加的阴力，騎乘者的踏力不需增加。亦即，騎乘者無論遭遇到什麼樣的路面，其踏力均只需要維持在固定即可。這樣的架構，由於不論路面如何變化，騎乘者都以相同力量踩踏，如此將容易讓騎乘者覺得騎乘的過程較為呆板，不像在騎乘自行車。

本發明之主要目的在於提供一種助力自行車之助力提供系統，其可使提供的助力與行車阻力呈一定比例，藉此可在提供騎乘助力之餘，還能讓騎乘者感到騎乘過程中的阻力而對應的反應在踩踏力量上，使得騎乘助力自行車時仍有騎乘自行車的樂趣。

本發明之再一目的在於提供一種助力自行車之助力提供系統，其不使用力矩感應器而仍可提供所需的助力，相較於習知技術可大幅降低成本。

本發明所提供之一種助力自行車之助力提供系統，設於一助力自行車，該助力自行車具有用來提供助力的一助力馬達，該助力提供系統包含有：一微電腦，係電性連接於該助力馬達，用以控制該助力馬達的輸出助力；該微電腦係儲存有騎乘者的一體重數值、該助力自行車之一車重數值以及輪胎對地面的一輪胎阻尼係數，該微電腦並且儲存有藉由該體重數值與該車重數值對該輪胎阻尼係數所計算而得的一輪胎阻力數值；以及一馬達電流感應器，電性連接於該微電腦，用以感測該助力馬達之電流回授；其中，該微電腦係依據該馬達電流感應器所感測到的電流回授來計算該助力馬達所輸出的助力數值；其中，該微電腦係控制該助力馬達所輸 出的助力數值，使該助力數值為該輪胎阻力數值的一第一預定比例。

藉此，本發明可使提供的助力與行車阻力呈一定比例，藉此可在提供騎乘助力之餘，還能讓騎乘者感到騎乘過程中的阻力而對應的反應在踩踏力量上，使得騎乘助力自行車時仍有騎乘自行車的樂趣。此外，本發明還可達到不使用力矩感應器而仍可提供所需的助力的效果，相較於習知技術可大幅降低成本。

10‧‧‧助力自行車之助力提供系統

11‧‧‧微電腦

12‧‧‧體重數值

14‧‧‧車重數值

16‧‧‧輪胎阻尼係數

17‧‧‧輪胎阻力數值

19‧‧‧目前耗損功率

21‧‧‧馬達電流感應器

23‧‧‧車速感應器

30‧‧‧助力自行車之助力提供系統

31‧‧‧微電腦

32‧‧‧體重數值

34‧‧‧車重數值

37‧‧‧輪胎阻力數值

39‧‧‧總阻力數值

42‧‧‧坡度感應器

421‧‧‧坡度阻力數值

43‧‧‧車速感應器

44‧‧‧踏速感應器

49‧‧‧目前總耗損功率

91‧‧‧助力自行車

92‧‧‧助力馬達

93‧‧‧助力數值

94‧‧‧輸出功率

第1圖係本發明第一較佳實施例之結構示意圖。

第2圖係本發明第一較佳實施例之推導過程示意圖。

第3圖係本發明第一較佳實施例之操作比例示意圖，顯示騎乘時的騎乘者踏力與馬達助力的關係。

第4圖係本發明第一較佳實施例之另一操作比例示意圖。

第5圖係本發明第二較佳實施例之結構示意圖。

第6圖係本發明第二較佳實施例之推導過程示意圖。

第7圖係本發明第二較佳實施例之局部元件示意圖，顯示車速感應器之結構。

第8圖係本發明第二較佳實施例之波形示意圖，顯示踏速感應器所感測到的正踩及反踩波形。

為了詳細說明本發明之技術特點所在，茲舉以下之較佳實施例並配合圖式說明如後，其中：如第1圖至第4圖所示，本發明第一較佳實施例所提供之一種助力自行車之助力提供系統10，係設於一助力自行車91，該助力自行車91具有用來提供助力的一助力馬達92，該助力提供系統10主要由一微電腦11以及一馬達電流感應器21所組成，其中： 該微電腦11，係電性連接於該助力馬達92，用以控制該助力馬達92的輸出助力。該微電腦11係儲存有騎乘者的一體重數值12、該助力自行車91的一車重數值14以及輪胎對地面的一輪胎阻尼係數16。該微電腦11並且儲存有藉由該體重數值12與該車重數值14對該輪胎阻尼係數16所計算而得的一輪胎阻力數值17，其推導過程如第2圖所示。其中，該體重數值12、車重數值14以及該輪胎阻尼係數16均可藉由習知技術中的輸入方式(例如按鍵)來輸入至該微電腦11加以儲存，又，亦可以另外儲存於一個與該微電腦11電性連接的記憶體(圖中未示)。

該馬達電流感應器21，電性連接於該微電腦11，用以感測該助力馬達92之電流回授。於本實施例中，該馬達電流感應器21係可為一種相電流感應器，而可供該微電腦11採用電流回授扭力控制的方式來控制該助力馬達92。

其中，該微電腦11係依據該馬達電流感應器21所感測到的電流回授來計算該助力馬達92所輸出的助力數值93。

其中，該微電腦11係控制該助力馬達92所輸出的助力數值93，使該助力數值93為該輪胎阻力數值17的一第一預定比例。於本實施例中，該第一預定比例係為50%~85%。在該助力數值93為該輪胎阻力數值17的50%時，即代表騎乘者的踏力需要為該輪胎阻力數值17的50%，這樣才能完全克服輪胎阻力數值17，此時該助力自行車91才能有向前維持等速的動力。而在該助力數值93為該輪胎阻力數值17的85%時，即代表騎乘者的踏力需要為該輪胎阻力數值17的15%，才能維持該助力自行車91向前維持等速的動力，在此時騎乘者會感到騎乘上極為省力，並且該助力自行車91仍然會因為騎乘者的踩踏動作而反應，因此仍能感到騎乘的樂趣。而若騎乘者的踏力大於其克服輪胎阻力所需力量時，則該助力自行車91即會增加速度。

以上說明了本第一實施例的架構，接下來說明本第一實施例的動作狀態。

如第3圖所示，在正常騎乘狀態時，該微電腦11係可供騎乘者設定助力比例，以本第一實施例而言係為50%~85%。在設定助力比例 為50%時，即代表該助力數值93為該輪胎阻力數值17的50%，此時騎乘者的踏力需要為該輪胎阻力數值17的50%，因此騎乘者會感到有助力的協助，但仍需要出點力量。在設定助力比例更高時，例如75%或甚至85%，則騎乘者的踏力需求即降低至25%甚至15%，因此騎乘者會感到大幅度的助力協助，騎乘的感覺更為省力。

在實際控制上，亦有使用控制功率的手段，亦即，控制該助力馬達92輸出功率的方式。如第4圖所示，此種狀況下需配合一車速感應器23電性連接於該微電腦11，藉以感測該助力自行車91之車速；並且定義一目前耗損功率19，係由該微電腦11將該輪胎阻力數值17與目前車速進行運算所得之結果；其中，該微電腦11即不控制該助力馬達92的助力，而改為控制該助力馬達92的輸出功率94，並使該助力馬達92的輸出功率94為該目前耗損功率19與該第一預定比例之乘積，騎乘者僅需施力踩踏至其踩踏功率補足其餘的部分即可滿足該目前耗損功率19。其中，該微電腦11係依據該馬達電流感應器21所感測到的電流回授來計算該助力馬達92的輸出功率94。

由上可知，本第一實施例可使該助力馬達92所提供的助力與行車阻力呈一定比例，藉此可在提供騎乘助力之餘，還能讓騎乘者感到騎乘過程中的阻力而對應的反應在踩踏力量上，使得騎乘助力自行車91時仍有騎乘自行車的樂趣。此外，本第一實施例不需使用高成本的力矩感應器，而是直接藉由計算輪胎與地面的磨擦阻力來提供所需的助力，相較於習知技術可大幅降低成本。

請再參閱第5圖至第8圖，本發明第二較佳實施例所提供之一種助力自行車之助力提供系統30，主要概同於前揭第一實施例，不同之處在於：更包含有一坡度感應器42、一車速感應器43以及一踏速感應器44。

該坡度感應器42，電性連接於該微電腦31，用以感測目前的路面坡度。該微電腦31係藉由該體重數值32與該車重數值34相加後，再與該坡度感應器42所感應到的坡度相運算(例如三角函數中的正弦運 算)，而得到一坡度阻力數值421，其推導過程如第6圖所示。並且，在本第二實施例中係定義一總阻力數值39，而為該輪胎阻力數值37與該坡度阻力數值421之總和；其中，該微電腦31係控制該助力馬達92所輸出的助力數值93，使該助力數值93為該總阻力數值39的一第二預定比例，而該第二預定比例係以50%~80%為例。而由於騎乘過程中路面的坡度是隨時變化的，因此實施時即建議每隔一段預定時間即藉由該坡度感應器42來感測目前的路面坡度。

該車速感應器43，電性連接於該微電腦31，用以感測該助力自行車91之車速。並且，在本第二實施例中定義一目前總耗損功率49，係由該微電腦31將該總阻力數值39與目前車速進行運算後所得之結果；其中，該微電腦31係不同於第一實施例的控制該助力馬達92的助力，而改為控制該助力馬達92的輸出功率94，使該助力馬達92的輸出功率94為該目前總耗損功率49與該第二預定比例之乘積。於本實施例中，如第7圖所示，該車速感應器43係為一種多極(例如8極)的磁鐵感應器，而可在小角度(8極即為45度)內即量測到轉速。

該踏速感應器44，電性連接於該微電腦31，用以感測騎乘者的踩踏速度及踩踏方向。由於該助力馬達92提供助力的時機，必須在騎乘者是真正向前踩踏至所需速度的時間點，而不是在反踩或不踩的狀況下，因此，該微電腦31係藉由該踏速感應器44來感應目前的踩踏狀況，藉以判斷是否控制該助力馬達92提供助力。於本實施例中，該踏速感應器44係為一種多極(例如32極磁環)轉速感應器(RPM sensor)配合二個或二個以上的霍爾元件，安裝於自行車的BB軸中，藉由其多極的特性可以在極小的角度量測到踩踏速度，並且可以藉由該等霍爾元件感測之輸出波形超前或落後來判斷正踩或反踩，其波形如第8圖所示。

本第二實施例在操作時，由於加入了坡度的考量，因此可以真實反應實際路面，而所得到的總阻力數值39所對應的助力數值93，即更為準確的代表騎乘者目前所需求的助力，因此可以較第一實施例所提供的助力更為準確。

此外，本第二實施例，在控制該助力馬達92的輸出時，係 可控制該助力馬達92輸出的助力數值93，而為總阻力數值39的50%~85%(即第二預定比例)。亦可控制該助力馬達92的輸出功率94，而為目前總耗損功率49的50%~85%(即第二預定比例)。

本第二實施例之其餘結構及所能達成的功效係概同於前揭第一實施例，容不再予贅述。

10‧‧‧助力自行車之助力提供系統

11‧‧‧微電腦

12‧‧‧體重數值

14‧‧‧車重數值

16‧‧‧輪胎阻尼係數

17‧‧‧輪胎阻力數值

21‧‧‧馬達電流感應器

23‧‧‧車速感應器

Claims (10)

1. 一種助力自行車之助力提供系統，設於一助力自行車，該助力自行車具有用來提供助力的一助力馬達，該助力提供系統包含有：一微電腦，係電性連接於該助力馬達，用以控制該助力馬達的輸出助力；該微電腦係儲存有騎乘者的一體重數值、該助力自行車之一車重數值以及輪胎對地面的一輪胎阻尼係數，該微電腦並且儲存有藉由該體重數值與該車重數值對該輪胎阻尼係數所計算而得的一輪胎阻力數值；以及一馬達電流感應器，電性連接於該微電腦，用以感測該助力馬達之電流回授；其中，該微電腦係依據該馬達電流感應器所感測到的電流回授來計算該助力馬達所輸出的助力數值；其中，該微電腦係控制該助力馬達所輸出的助力數值，使該助力數值為該輪胎阻力數值的一第一預定比例。
2. 依據申請專利範圍第1項之助力自行車之助力提供系統，其中：更包含有一坡度感應器，電性連接於該微電腦，用以感測目前的路面坡度。
3. 依據申請專利範圍第2項之助力自行車之助力提供系統，其中：該微電腦係藉由該體重數值與該車重數值相加後，再與該坡度感應器所感應到的坡度相運算，而得到一坡度阻力數值。
4. 依據申請專利範圍第3項之助力自行車之助力提供系統，其中：係定義一總阻力數值，而為該輪胎阻力數值與該坡度阻力數值之總和；其中，該微電腦係控制該助力馬達所輸出的助力數值，使該助力數值為該總阻力數值的一第二預定比例。
5. 依據申請專利範圍第4項之助力自行車之助力提供系統，其中：該第二預定比例係為50%~85%。
6. 依據申請專利範圍第4項之助力自行車之助力提供系統，其中：更包含有一車速感應器，電性連接於該微電腦，用以感測該助力自行車之車速；並定義一目前總耗損功率，係由該微電腦將該總阻力數值與目前車速進 行運算所得之結果；其中，該微電腦係不控制該助力馬達的助力，而改為控制該助力馬達所輸出的功率，使該助力馬達輸出功率為該目前總耗損功率與該第二預定比例之乘積。
7. 依據申請專利範圍第2項之助力自行車之助力提供系統，其中：該微電腦係每隔一預定時間即藉由該坡度感應器感測目前的路面坡度。
8. 依據申請專利範圍第1項之助力自行車之助力提供系統，其中：該第一預定比例係為50%~85%。
9. 依據申請專利範圍第1項之助力自行車之助力提供系統，其中：更包含有一車速感應器，電性連接於該微電腦，用以感測該助力自行車之車速；並且更定義一目前耗損功率，係由該微電腦將該輪胎阻力數值與目前車速進行運算所得之結果；其中，該微電腦係不控制該助力馬達的助力，而改為控制該助力馬達所輸出的功率，並使該助力馬達輸出功率為該目前耗損功率與該第一預定比例之乘積。
10. 依據申請專利範圍第1項之助力自行車之助力提供系統，其中：更包含有一踏速感應器，電性連接於該微電腦，用以感測騎乘者的踩踏速度及踩踏方向。