CN107745780A

CN107745780A - 电力、人力混合动力单车及其控制方法

Info

Publication number: CN107745780A
Application number: CN201710801678.3A
Authority: CN
Inventors: 邓彬
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2018-03-02

Abstract

本发明公开了一种电力、人力混合动力单车，包括单车、控制器、助力感应器、轮毂电机、轮毂转速感应器、蓄电装置和太阳能光伏板；所述太阳能光伏板设于单车的车体中部或车筐内或前、后轮护泥板外壳上；所述助力感应器设于单车中轴与牙盘的连接处；所述轮毂电机设于单车前轮或后轮的轮毂处；所述轮毂转速感应器设于轮毂电机的固定转子上；所述控制器和蓄电装置设于单车的车体管件内；所述太阳能光伏板与蓄电装置连接，所述控制器分别连接助力感应器、轮毂转速感应器、轮毂电机和蓄电装置。本发明还公开了一种电力、人力混合动力单车的控制方法。

Description

电力、人力混合动力单车及其控制方法

技术领域

本发明涉及交通工具领域，特别是一种电力、人力混合动力单车及其控制方法。

背景技术

电力、人力混合动力单车车身轻巧、设计新颖，是一种新型的、理想的、轻盈的代步工具，可以在锻炼身体的同时尽情享受骑行的乐趣。

目前的混合动力单车的主要问题是：

1、电力来源主要手段是外置充电，相对于自充电对单车的使用方便性大大降低；

2、以小型发电机或太阳能为主的自充电装置效率低下，无法达到电能补充的需求；

3、主要以电力驱动为主、弱化了人力驱动，不仅没有达到节能的目的，并且让电力、人力混合动力成为了概念和噱头；

4、以人力骑行带动发电机发电，发电功率缺少智能控制，骑行负载重、舒适感低，不适于广泛推广应用。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种电力、人力混合动力单车及其控制方法，该单车以人力驱动为主，电力驱动为辅，根据当前的骑行速度智能控制轮毂电机处于发电模式或者电力驱动模式，不仅节能环保，且实现真正意义上的电力、人力混合，轮毂电机的发电功率采用智能相位控制，骑行负载轻、舒适感好。

本发明采用的技术方案是：

一种电力、人力混合动力单车，包括单车、控制器、助力感应器、轮毂电机、轮毂转速感应器、蓄电装置和太阳能光伏板；所述太阳能光伏板设于单车的车体中部或车筐内或前、后轮护泥板外壳上；所述助力感应器设于单车中轴与牙盘的连接处；所述轮毂电机设于单车前轮或后轮的轮毂处；所述轮毂转速感应器设于轮毂电机的固定转子上；所述控制器和蓄电装置设于单车的车体管件内；所述太阳能光伏板与蓄电装置连接，所述控制器分别连接助力感应器、轮毂转速感应器、轮毂电机和蓄电装置。

优选地，所述控制器包括整流/逆变MOS管、电压升降元件和控制芯片。

优选地，所述轮毂电机为无刷直流永磁轮毂电机。

优选地，所述助力感应器和轮毂转速感应器均为霍尔转速传感器。

优选地，所述蓄电装置为锂蓄电池或超级电容。

一种如上所述电力、人力混合动力单车的控制方法：判断单车是否有人力输入以及单车的行驶速度与设定的最佳速度之间的大小关系，如单车无人力输入且单车的行驶速度大于等于最佳速度，则控制轮毂电机待机或启动轮毂电机的发电模式；如单车无人力输入且单车的行驶速度小于最佳速度，则控制轮毂电机待机；如单车有人力输入且单车的行驶速度大于等于最佳速度，则启动单车轮毂电机的发电模式；当单车有人力输入且单车的行驶速度小于最佳速度，则启动单车轮毂电机的电力驱动模式。

优选地，判断单车是否有人力输入的方法如下：检测单车牙盘是否转动，当单车牙转动时，表示单车有人力输入；当单车牙盘不转动时，表示单车无人力输入。

优选地，单车的行驶速度由轮毂电机固定转子的转速与单车车轮周长的乘积计算。

本发明的有益效果是：

1、由控制器智能控制切换电力驱动模式和发电模式，瞬时的电力驱动到高速状态，并在高速状态中用长时间的人力做功发电来弥补，完善的解决能源补给问题。

2、由控制器智能控制数据采集和计算，根据要求来提供电力驱动，最大化的节省能源，降低骑行者的体能消耗，增加骑行行程。

3、由控制器的MOS管来实现逆变或整流功能，不需要外接逆变或整流设备，降低了生产成本。

4、由一个轮毂电机来实现电力驱动和发电两种模块，相比于双电机来分别实现两种模块，不仅大幅度地提高了其发电性能，还大幅度降低了能耗和生产成本。

5、由控制器通过电压升降元件智能控制充电时的电压略大于蓄电装置当前电压，将电磁阻力降低到最低，极大程度地优化了充电性能和骑行舒适度。

6、由控制器通过控制电机相位转换来智能控制发电功率，极大程度地优化了发电效率和骑行舒适度。

7、由太阳能光伏板作为辅助手段来补给待机时的功耗和电能流失以及部分的动能消耗。

8、对于骑行来说，用电能解决了起步和上坡等困难骑行的路段，在电力助力的作用下使踏板的踏频趋于最佳踏频状态，提高了骑行舒适度的同时也让骑行者在克服电磁阻力发电，起到了锻炼身体的效果。

9、整套***的设计，极大程度提高了发电性能、降低了能量损耗，同时生产成本低，骑行舒适度高，适合大规模的推广和应用。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中轮毂电机与单车车轮的结构示意图；

图3为本发明实施例的电路原理示意图；

附图标记：10-单车，11-车轮，20-太阳能光伏板，30-轮毂电机，31-轮毂转速感应器，40-助力感应器，50-控制器，60-蓄电装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

如图1、图2、图3所示，一种电力、人力混合动力单车，包括单车10、控制器50、助力感应器40、轮毂电机30、轮毂转速感应器31、蓄电装置60和太阳能光伏板20；所述太阳能光伏板20设于单车10的车体中部或车筐内或前、后轮护泥板外壳上；所述助力感应器40设于单车10中轴与牙盘的连接处；所述轮毂电机30设于单车10前轮或后轮的轮毂处；所述轮毂转速感应器31设于轮毂电机30的固定转子上；所述控制器50和蓄电装置60设于单车10的车体管件内；所述太阳能光伏板20与蓄电装置60连接，所述控制器50分别连接助力感应器40、轮毂转速感应器31、轮毂电机30和蓄电装置60。

太阳能光伏板在光照足够的情况下通过光伏发电持续给蓄电装置充电，作为辅助手段弥补蓄电装置的电能损耗。

在其中一个实施例中，所述控制器50包括整流/逆变MOS管、电压升降元件和控制芯片。

当启动电力驱动的时候，直流电流从蓄电装置中流出，经过控制器的逆变MOS管将直流电逆变成交流电供给轮毂电机进行电力驱动；反之，当启动发电模式的时候，交流电流从轮毂电机中流出，经过控制器的整流MOS管将交流电整流成直流电供给蓄电装置蓄电。

由控制器的MOS管实现逆变或整流功能，不需要外接逆变或整流设备，降低了生产成本，而电压升降元件用于将电压适配至适合轮毂电机或蓄电装置的电压范围，控制芯片用于处理所需数据计算以及逻辑计算。

在另外一个实施例中，所述轮毂电机30为无刷直流永磁轮毂电机。

采用无刷直流永磁轮毂电机，并通过控制器分别智能调节三相线各自的相位转换从而控制发电功率(无刷直流永磁轮毂电机的三相线的相位控制对于本领域的技术人员来说，属于现有技术，在此不做过多叙述)，相比常规的三相发电机发电来说，同样的功率输入，发电效率更高，即发电功率相同的情况下，所需要的输入功率降低，达到了能降低电磁阻力的效果，使得骑行负载轻、舒适感好。

在另外一个实施例中，所述助力感应器40和轮毂转速感应器31均为霍尔转速传感器。

霍尔式转速传感器属于霍尔式传感器，是利用霍尔效应的原理制成的，利用霍尔效应使位移带动霍尔元件在磁场中运动产生霍尔电热，即把位移信号转换成电热变化信号的传感器。该传感器具有体积小，结构简单，无触点，启动力矩小等特点，使用寿命长，可靠性高，频率特性好，并可进行连续测量，因此，非常适合用于本发明中，用来获取脚蹬、曲柄是否有带动牙盘进行人力输入以及轮毂电机的转速等参数。

在另外一个实施例中，所述蓄电装置60为锂蓄电池或超级电容。

针对本发明的电力、人力混合动力单车，还提供了一种控制方法，具体如下：

当骑行时，通过脚蹬、曲柄进行人力输入，依次带动中轴、牙盘，助力感应器检测到牙盘转动表示有人力输入，并将感应的信号发送给控制器，控制器接受到助力感应器的信号后，根据轮毂转速感应器获取到的轮毂电机的转速，由该转速计算当前的单车行驶速度，最后根据当前的单车行驶速度来判断轮毂电机是进行电力驱动模式还是进入发电模式；当非骑行状态或者无人力输入时，助力感应器无感应信号，控制器也不会启动轮毂电机的电力驱动模式。

控制器判断轮毂电机是进行电力驱动模式还是进入发电模式的情况如下：

1、当控制器获取人力输入的感应信号并且轮毂转速感应器检测到单车的行驶速度小于最佳速度v₀(最佳速度也是最舒适的速度，让骑行者既不踏空、也不费劲)时，控制器启动轮毂电机的电力驱动模式，否则不启动轮毂电机的电力驱动模式；

2、当控制器获取人力输入的感应信号并且轮毂转速感应器检测到单车的行驶速度大于等于最佳速度v₀时，控制器停止轮毂电机的电力驱动模式，启动轮毂电机的发电模式(发电模式是靠人力来驱动同时给轮毂电机做功发电)；

3、当控制器没有获取到人力输入的感应信号并且轮毂转速感应器检测到单车的行驶速度小于最佳速度v₀时，控制器控制轮毂电机待机；

4、当控制器没有获取到人力输入的感应信号并且轮毂转速感应器检测到单车的行驶速度大于等于速度v₀时，即表示单车处于滑行状态，控制器控制轮毂电机待机或者启动轮毂电机的发电模式。

在控制器中预设有一个最佳速度v₀，在骑行一段时间后，控制器会计算骑行的平均速度v，并用平均速度v的值替换最佳速度v₀的值，且平均速度v会持续刷新。

当单车骑行速度小于v₀或者轮毂电机正处于电力驱动模式时，不启动轮毂电机的发电模式。

显然，判断单车的行驶速度与v₀之间的关系，也可以通过单车的车轮的转速(即轮毂转速感应器检测到的轮毂电机的转速)与最佳速度v₀对应的车轮转速之间的关系得出，当车轮的转速大于等于最佳速度v₀对应的车轮转速，即表示单车的行驶速度大于等于最佳速度v₀；当车轮的转速小于最佳速度v₀对应的车轮转速，即表示单车的行驶速度小于最佳速度v₀。

当单车刚刚起步，或者遇到困难骑行路段时，比如向上倾斜的路面、陡坡、上桥，此时的骑行速度小于最佳速度v₀，控制器控制轮毂电机进行电力驱动，让轮毂电机驱动单车在极短的时间内达到最佳速度v₀，当电力助力单车速度达到最佳速度v₀后，便停止电力驱动，切换进入发电模式，此时依靠人力来长时间做功维持骑行速度并提供动能给轮毂电机发电，同时起到了锻炼的效果。

假设，单车的质量为M，重力加速度为g，单车电力驱动助力达到最佳速度v₀的时间为t，进入发电模式的单车平均行驶速度为V，行驶时间为T，那么电力驱动助力的能耗e＝fl＝Mg*v₀t/2，发电的电能E＝FL＝Mg*VT*r(r为发电效率)，因为V≥v₀，而为了使发电得到的电能大于电力助力的能耗，即E>e，则必须满足rT>t/2。实际中单车由电力驱动助力达到最佳速度v₀所需要的时间t非常短，大约为2-3秒，而维持速度V的时间T根据骑行情况(路况)而定，通常时间T约为1-5分钟，是远远大于t的。

从公式e＝fl＝Mg*v₀t/2和公式E＝FL＝Mg*VT*r可以看出，当T＝t时，发电效率r只要高于50％就能满足充放电的电能平衡需求，在T远远大于t的情况下，发电效率r即使是远远低于50％也是能满足发电需求的，而实际情况下永磁电机的发电效率r可高达75％-80％。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种电力、人力混合动力单车，其特征在于，包括单车、控制器、助力感应器、轮毂电机、轮毂转速感应器、蓄电装置和太阳能光伏板；所述太阳能光伏板设于单车的车体中部或车筐内或前、后轮护泥板外壳上；所述助力感应器设于单车中轴与牙盘的连接处；所述轮毂电机设于单车前轮或后轮的轮毂处；所述轮毂转速感应器设于轮毂电机的固定转子上；所述控制器和蓄电装置设于单车的车体管件内；所述太阳能光伏板与蓄电装置连接，所述控制器分别连接助力感应器、轮毂转速感应器、轮毂电机和蓄电装置。

2.根据权利要求1所述的电力、人力混合动力单车，其特征在于，所述控制器包括整流/逆变MOS管、电压升降元件和控制芯片。

3.根据权利要求1所述的电力、人力混合动力单车，其特征在于，所述轮毂电机为无刷直流永磁轮毂电机。

4.根据权利要求1所述的电力、人力混合动力单车，其特征在于，所述助力感应器和轮毂转速感应器均为霍尔转速传感器。

5.根据权利要求1所述的电力、人力混合动力单车，其特征在于，所述蓄电装置为锂蓄电池或超级电容。

6.一种如权利要求1-5任一项所述电力、人力混合动力单车的控制方法，其特征在于，判断单车是否有人力输入以及单车的行驶速度与设定的最佳速度之间的大小关系，如单车无人力输入且单车的行驶速度大于等于最佳速度，则控制轮毂电机待机或启动轮毂电机的发电模式；如单车无人力输入且单车的行驶速度小于最佳速度，则控制轮毂电机待机；如单车有人力输入且单车的行驶速度大于等于最佳速度，则启动单车轮毂电机的发电模式；当单车有人力输入且单车的行驶速度小于最佳速度，则启动单车轮毂电机的电力驱动模式。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，判断单车是否有人力输入的方法如下：检测单车牙盘是否转动，当单车牙转动时，表示单车有人力输入；当单车牙盘不转动时，表示单车无人力输入。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，单车的行驶速度由轮毂电机固定转子的转速与单车车轮周长的乘积计算。