TWI805119B - 電動機車之電子換檔裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明為電動機車之電子換檔裝置，包含一電子打檔單元、一電子離合器單元及一油門位置感測器，根據騎乘者的操作而對應輸出一換檔信號、一離合器信號及一油門開度信號，一整車控制器接收該換檔信號、該離合器信號及該油門開度信號而判斷出電動機車的一目標檔位，該整車控制器依據該目標檔位查表找出一馬達扭力命令並且輸出該馬達扭力命令至一馬達控制器，令該馬達控制器控制該電動機車的一動力馬達，使電動機車在毋需增加實體離合器及變速箱等換檔機構的情況下，可模擬出一般打檔車之動力表現。

Description

電動機車之電子換檔裝置
本發明關於一種電動機車，特別是指一種應用於電動機車之電子模擬排檔裝置。
一般電動機車的動力來源主要是以車子的電池組提供電動馬達所需要的工作電源。藉由調整施加在該電動馬達上的工作電源大小，可直接改變電動馬達的轉速而變化電動機車的騎乘速度。有部分電動機車為了提供較佳的騎乘體驗，會在電動機車上增設一加速按鈕(boost)，供使用者在「加速模式」與「一般模式」之間進行切換，當啟動該加速按鈕以進入該加速模式時，電動機車具有更快的騎乘速度。
但市面上的電動機車與傳統打檔式機車仍有極大不同，由於一般業者所開發的電動機車之車型不具有離合器、變速箱等換檔機構，因此這種車型的電動機車不具備換檔功能，無法在不同檔位提供不同的馬達扭力輸出。
有鑑於一般電動機車缺乏換檔功能，本發明在不增加實體離合器及變速箱等換檔機構的情況下，為電動機車提供一種電子換檔裝置，令電動機車具有操作換檔功能。
依據本發明一較佳實施例，該電動機車之電子換檔裝置包含有：一電子打檔單元，輸出一換檔信號；一電子離合器單元，輸出一離合器信號；一油門位置感測器，輸出一油門開度信號；一整車控制器，連接該電子打檔單元、該電子離合器單元及該油門位置感測器，該整車控制器依據該換檔信號、該離合器信號以及該油門開度信號以判斷出該電動機車切換至一目標檔位，並對應產生該目標檔位的一馬達扭力命令；一馬達控制器，連接該整車控制器以接收該馬達扭力命令，根據該馬達扭力命令控制該電動機車的一動力馬達。
依據本發明另一較佳實施例，該電動機車之電子換檔裝置包含有：一電子打檔單元，輸出一換檔信號；一電子離合器單元，輸出一離合器信號；一油門位置感測器，輸出一油門開度信號；一控制器，連接該電子打檔單元、該電子離合器單元及該油門位置感測器，該控制器依據該換檔信號、該離合器信號以及該油門開度信號以判斷出該電動機車切換至一目標檔位，並對應產生該目標檔位的一馬達扭力命令，並根據該馬達扭力命令控制該電動機車的一動力馬達。
本發明在不需要額外增加實體離合器及變速箱等換檔機構的情況下，於電動機車上設置一電子打檔單元及一電子離合器單元供騎乘者進行換檔操控，該電子打檔單元與該電子離合器單元分別產生一換檔信號及一離合器 信號，使電動機車運作在一目標檔位，藉由預設不同檔位之馬達特性曲線，電動機車的動力馬達在不同檔位下根據對應的馬達特性曲線產生不同的扭力輸出，令電動機車模擬出一般打檔車之換檔操作的功能。
1:電動機車
1A:把手
10:電子打檔單元
11:升檔按鈕
12:降檔按
13:空檔按鈕
14:換檔踏桿
15:換檔踏桿位置感測器
20:電子離合器單元
21:離合器拉桿
22:微動開關
30:油門位置感測器
40:整車控制器
50:馬達控制器
60:動力馬達
70:控制器
100:電池組
S1:換檔信號
S2:離合器信號
S3:油門開度信號
S4:馬達扭力命令
S5:回充電流命令
S6:馬達轉速信號
圖1：本發明電子換檔裝置第一實施例電路方塊圖。
圖2：本發明電子打檔單元第一實施例之示意圖。
圖3：本發明電子打檔單元第二實施例之示意圖。
圖4：本發明電子離合器單元之示意圖。
圖5A：動力馬達之扭力-轉速之間的基本關係曲線示意圖。
圖5B~圖5E：本發明第一實施例為不同檔位分別預設馬達扭力-轉速關係的曲線示意圖。
圖6：油門係數及油門開度之相對關係曲線圖。
圖7：本發明第二實施例為不同檔位分別預設馬達扭力-轉速關係的曲線示意圖。
圖8：本發明針對不同檔位預設馬達轉速及回充電流之關係曲線圖。
圖9：本發明電子換檔裝置第二實施例電路方塊圖。
圖10：本發明電子打檔單元及電子離合器設置在一打檔車的示意圖。
本發明「電動機車之電子換檔裝置」係應用於電動機車，令電動機車具備如同打檔車的換檔功能，使用者可以根據各種騎乘需求自行升檔、降檔或切換至空檔等，例如在1檔
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N檔
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2檔
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3檔
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4檔
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5檔之間依序升降切換；或是在N檔
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5檔之間循環切換，其中檔位的數量及循環變化方式可參考目前常見的打檔車操作方式而制訂，並無特別侷限。參考 圖1所示的電路方塊圖，本發明包含有：一電子打檔單元10、一電子離合器單元20、一油門位置感測器(throttle position sensor,TPS)30、一整車控制器40、一馬達控制器50、一動力馬達60。
請參考圖2，該電子打檔單元10設置在一電動機車1(如圖10所示)上，供使用者操作以產生一換檔信號S1，該換檔信號S1可以是一升檔信號、一降檔信號或是一空檔信號。該電子打檔單元10的第一實施例包含有：一升檔按鈕11、一降檔按鈕12及一空檔按鈕13，該些按鈕可設置在該電動機車1方便使用者操作按壓的位置，例如鄰近該電動機車1的其中一個把手1A，當該升檔按鈕11、該降檔按鈕12或該空檔按鈕13被使用者按壓觸發後，係分別對應產生一升檔信號、一降檔信號及一空檔信號。
請參考圖3及圖10所示，該電子打檔單元10的第二實施例包含了一換檔踏桿14及一換檔踏桿位置感測器15，該換檔踏桿14供使用者踏壓，該換檔踏桿位置感測器15的動作原理類似一多段開關，隨著使用者每次踩壓該換檔踏桿14時，可循環改變該換檔踏桿位置感測器15內部的接點狀態而輸出一換檔信號S1，例如在1檔、N檔、2檔、3檔、4檔、5檔之間升降切換，該換檔信號S1代表欲切換的目標檔位。
請參考圖4及圖10所示，該電子離合器單元20設置在電動機車1上，供使用者操作以產生一離合器信號S2。在一較佳實施例中，該電子離合器單元20包括了一離合器拉桿21及一微動開關22，該離合器拉桿21設在該電動機車1鄰近把手1A處供使用者握放操作，該微動開關22連接該該離合器拉桿21並根據該離合器拉桿21的狀態而輸出一離合器信號S2，例如當該離合器拉桿21被拉動時，該微動開關22被觸發而輸出一高準位的離合器信號S2；相反的當該離合器拉桿21未被拉動時，該微動開關22不被觸發而不會輸出離合器信號S2。在另一較佳實施例中，該電子離合器單元20中的微動開關22以一拉桿位置感測器 所取代，該拉桿位置感測器可根據該離合器拉桿21的狀態產生0~5伏特的離合器信號S2。
該油門位置感測器30偵測使用者當下操作油門時的油門開度大小，並據以產生一油門開度信號S3，以反映使用者需求的扭力。
該整車控制器40係連接該電子打檔單元10、該電子離合器單元20及該油門位置感測器30，接收該換檔信號S1、該離合器信號S2以及該油門開度信號S3，根據該些信號判斷出該電動機車1欲切換的一目標檔位，例如整車控制器40在一預設時間內有接收到該換檔信號S1及該離合器信號S2，代表騎乘者進行換檔動作，欲切換至一目標檔位。當切換至該目標檔位後，依據該目標檔位產生一馬達扭力命令S4，關於該馬達扭力命令S4的產生方式將於後文進一步詳細說明。除了馬達扭力命令S4之外，在一較佳實施例中，該整車控制器40還可以根據該目標檔位以及該油門開度信號S3輸出一回充電流命令S5，該回充電流命令S5係輸出給馬達控制器50，該馬達控制器50根據該回充電流命令S5輸出一回充電流對該電動機車1的一電池組100進行充電。
該馬達控制器50連接該整車控制器40，接收該整車控制器40輸出的該馬達扭力命令S4，依據該馬達扭力命令S4驅動該動力馬達60轉動，該動力馬達60上可設有一轉速感測器，用於感測動力馬達60的轉速並將感測結果提供給馬達控制器50，令馬達控制器50可得到一馬達轉速信號S6，該馬達轉速信號S6提供至整車控制器40，使整車控制器40可以獲得目前的車速。
關於該馬達扭力命令S4的產生方式，是由該整車控制器40利用內建的一判斷程序進行運算而得到。請參考圖5A，為動力馬達60之馬達扭力(縱軸)及馬達轉速(橫軸)的基礎相對關係，本發明以該基礎相對關係作為參考基礎，分別為不同檔位建立了表示馬達扭力-馬達轉速關係的特性曲線，圖5B~圖5E各別表示1檔、2檔、3檔及空檔(即N檔)時的四種不同馬達特性曲線，其 中，N檔的馬達扭力值始終維持為0，而低檔位(如1檔)在低馬達轉速時具有較高的馬達扭力值但極速較低，高檔位(如3檔)在低馬達轉速時具有較低的馬達扭力值但極速較高，藉此模擬出變速箱在不同檔位下的動力輸出，該整車控制器40係依據該電動機車1當下的檔位，查表使用對應的關係曲線。
請參考圖6，該整車控制器40內建有油門係數及油門開度之相對關係，可根據該油門開度信號S3的大小查找對應的一油門係數(%)。油門係數與油門開度正相關，當油門開度越大時油門係數也越大，代表騎乘者操作油門時希望馬達能有更大的扭力輸出。
在一實施例中，整車控制器40可以根據馬達扭力值與油門係數的乘積可以設定為該馬達扭力命令S4，計算式如下：馬達扭力命令=馬達扭力值×油門係數
其中，整車控制器40從圖5B~5E選用對應檔位的關係曲線以得到馬達扭力值，配合圖6查找出油門係數(%)，便可以計算出該馬達扭力命令S4。例如馬達扭力值為80%、油門係數為80%時，該整車控制器40可以計算出馬達扭力命令為64%，並將該馬達扭力命令提供給馬達控制器50。
請參考圖7所示，根據本發明另一較佳實施例，馬達扭力-馬達轉速關係可以採用圖中所示的曲線，圖中顯示1檔、2檔、3檔及空檔(即N檔)四種不同檔位的關係曲線，分別以G1、G2、G3、GN表示，該些曲線與前述圖5B~圖5E的區別之處在於除了1檔及N檔以外的其它檔位(本實施例即為2檔與3檔)，在該檔位的換檔轉速區間提升該檔位的扭力，騎乘者即可透過動力的瞬間變化感受到換檔操作的機車動力差異。透過提升該檔位的扭力，本發明可以提升該檔位的最大功率輸出、提升該檔位在切換時的加速感、在高速檔爬坡時轉速不會下降過多而需要立即降檔。
該整車控制器40還可根據不同的檔位進行不同的回充電流規劃，請參考圖8所示的回充電流曲線I1~I3(分別對應1檔~3檔)、IN(空檔)，在相同馬達轉速的情況下，本發明針對低檔位設定相對較大的回充電流，針對高檔位設定相對較低的回充電流，因此當整車控制器40根據油門開度信號S3判斷油門全閉時(即油門開度為0%)，整車控制器40選擇對應目前檔位的一回充電流曲線並送出一回充電流命令S5至該馬達控制器50，該馬達控制器50根據該回充電流命令S5輸出一回充電流給電池組100，因為在低檔位時具有較大的回充電流，所以可以模擬出一般打檔車之變速箱在低檔位具有較高的傳動剎車的效果。
而在整車控制器40判斷目前為N檔或是該電子離合器單元20有輸出該離合器信號S2時(即離合器拉桿21被拉)，該整車控制器40除了控制馬達扭力輸出為零，還可再輸出回充電流命令S5給該馬達控制器50，控制該馬達控制器50輸出數值為零或極低的回充電流給電池組100，藉此模擬出一般打檔車動力被切開後僅以後輪滑行的情境。
請參考圖9，為本發明電動機車之電子換檔裝置第二實施例的電路方塊圖，與圖1的第一實施例差異之處在於該整車控制器40及馬達控制器50整合為單一個控制器70，該控制器70執行上述該整車控制器40及馬達控制器50的功能。
本發明在不增加實體離合器及變速箱等換檔機構的情況下，在電動機車上設置一電子打檔單元及一電子離合器單元供騎乘者進行換檔操作，並預設不同檔位之馬達特性曲線，使得電動機車的動力馬達在不同檔位下根據對應的馬達特性曲線產生不同的扭力輸出，模擬打檔車於換檔時可呈現的動力輸出。也可以進一步的在換檔區間額外追加扭力輸出，在適當的轉速切換檔位時，有更佳的加速表現。此外，本發明對各檔位規劃不同的回充電流，讓低檔 位具有較高的回充電流，模擬出機械變速箱傳動剎車的功能；本發明在空檔或離合器分離時，控制馬達處在低電流的再生回充模式，藉由模擬車輛的動力切開，無阻力滑行的效果。
10:電子打檔單元
20:電子離合器單元
30:油門位置感測器
40:整車控制器
50:馬達控制器
60:動力馬達
100:電池組
S1:換檔信號
S2:離合器信號
S3:油門開度信號
S4:馬達扭力命令
S5:回充電流命令
S6:馬達轉速信號

Claims (12)

  1. 一種電動機車之電子換檔裝置，包含： 一電子打檔單元，輸出一換檔信號； 一電子離合器單元，輸出一離合器信號； 一油門位置感測器，輸出一油門開度信號； 一整車控制器，連接該電子打檔單元、該電子離合器單元及該油門位置感測器，該整車控制器依據該換檔信號、該離合器信號以及該油門開度信號以判斷出該電動機車切換至一目標檔位，並對應產生該目標檔位的一馬達扭力命令； 一馬達控制器，連接該整車控制器以接收該馬達扭力命令，根據該馬達扭力命令控制該電動機車的一動力馬達。
  2. 一種電動機車之電子換檔裝置，包含： 一電子打檔單元，輸出一換檔信號； 一電子離合器單元，輸出一離合器信號； 一油門位置感測器，輸出一油門開度信號； 一控制器，連接該電子打檔單元、該電子離合器單元及該油門位置感測器，該控制器依據該換檔信號、該離合器信號以及該油門開度信號以判斷出該電動機車切換至一目標檔位，並對應產生該目標檔位的一馬達扭力命令，並根據該馬達扭力命令控制該電動機車的一動力馬達。
  3. 如請求項1或2所述電動機車之電子換檔裝置，其中該電子打檔單元包含有設置在該電動機車的一升檔按鈕、一降檔按鈕及一空檔按鈕，當該升檔按鈕、該降檔按鈕及該空檔按鈕任一個被觸發時係產生該換檔信號。
  4. 如請求項1或2所述電動機車之電子換檔裝置，其中該電子打檔單元包含有：一換檔踏桿以及一換檔踏桿位置感測器，其中，該換檔踏桿位置感測器連接該換檔踏桿。
  5. 如請求項1或2所述電動機車之電子換檔裝置，其中該電子離合器單元包含：一離合器拉桿及一微動開關，該微動開關根據該離合器拉桿的狀態輸出該離合器信號。
  6. 如請求項1或2所述電動機車之電子換檔裝置，其中該電子離合器單元包含：一離合器拉桿及一拉桿位置感測器，該拉桿位置感測器根據該離合器拉桿的狀態輸出該離合器信號。
  7. 如請求項1所述電動機車之電子換檔裝置，其中，該整車控制器係預設有對應不同檔位的馬達特性曲線，該馬達特性曲線包含有馬達扭力值與馬達轉速之間的關係，其中，一空檔信號所對應的的馬達扭力值為零，於低檔位且低轉速時，具有較高的該馬達扭力值而極速較低，於高檔位且低轉速時，該馬達扭力值較低而極速較高。
  8. 如請求項1所述電動機車之電子換檔裝置，其中，該整車控制器係預設有對應不同檔位的回充電流曲線，該回充電流曲線包含有回充電流大小與馬達轉速之間的關係，於低檔位的回充電流大於高檔位的回充電流； 該整車控制器根據該油門開度信號判斷該電動機車的油門全閉時，係根據對應電動機車檔位的該回充電流曲線輸出一回充電流命令給該馬達控制器，使該馬達控制器輸出一回充電流至一電池組。
  9. 如請求項1所述電動機車之電子換檔裝置，當該整車控制器判斷該離合器信號產生時或是該電動機車切換至空檔時，該整車控制器令該動力馬達的動力輸為出零。
  10. 如請求項2所述電動機車之電子換檔裝置，其中，該控制器係預設有對應不同檔位的馬達特性曲線，該馬達特性曲線包含有馬達扭力值與馬達轉速之間的關係，其中，一空檔信號所對應的的馬達扭力值為零，於低檔位且低轉速時，具有較高的該馬達扭力值而極速較低，於高檔位且低轉速時，該馬達扭力值較低而極速較高。
  11. 如請求項2所述電動機車之電子換檔裝置，其中，該控制器係預設有對應不同檔位的回充電流曲線，該回充電流曲線包含有回充電流大小與馬達轉速之間的關係，於低檔位的回充電流大於高檔位的回充電流； 該控制器根據該油門開度信號判斷該電動機車的油門全閉時，係根據對應電動機車檔位的該回充電流曲線輸出一回充電流至一電池組。
  12. 如請求項2所述電動機車之電子換檔裝置，當該控制器判斷該離合器信號產生時或是該電動機車切換至空檔時，該控制器令該動力馬達的動力輸為出零。
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