CN115416796A - 一种电子无级变速自行车传动*** - Google Patents

一种电子无级变速自行车传动*** Download PDF

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Abstract

本发明属于电子传动技术领域，具体涉及一种电子无级变速自行车传动***，包括通过电路连接的无刷发电机、一级传感器、升压组件、高速电子开关四、二级传感器、高速电子开关五、三级传感器、电子调速器和无刷动力电机，所述无刷动力电机与电子调速器电连接，所述电子调速器用于驱动无刷动力电机的反应转速，上述中所述无刷发电机、一级传感器、升压组件、高速电子开关四、二级传感器、高速电子开关五、三级传感器、电子调速器与无刷动力电机均由微控制单元（MCU）控制。本发明满足对生活品质有更高要求的骑乘者，对健身、代步、休闲用自行车在骑乘使用过程中提升更舒适的体验，且具有较广的应用范围，对市场需求的适应性更强。

Description

一种电子无级变速自行车传动***
技术领域
本发明属于电子传动技术领域，具体涉及一种电子无级变速自行车传动***。
背景技术
通常的自行车（包含助力自行车和含有脚踏人力驱动的两轮及三轮电动车），其传动部分为链条加齿轮传动，较少见的有传动轴传动，均没有变速功能或仅有依靠手动的几档固定变比齿轮。
而以上情况会有如下缺点：传动部分为机械活动部件，需要维护且故障率高，尤其是有机械变档功能的更是如此，即使有机械变档功能也需要手动操作，操作繁琐不便，且不一定会切换到合适档位，有限的几个档位造成变比覆盖范围小，并且只有几个固定档位，变档过程达不到丝滑、连续的效果。综上所述，采用常规传动方式的自行车无法达到免维护、低故障率、大变比范围、自适应连续变档的效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种电子无级变速自行车传动***，能够实现满足对生活品质有更高要求的骑乘者，对健身、代步、休闲用自行车在骑乘使用过程中提升更舒适的体验，且具有较广的应用范围，对市场需求的适应性更强。
本发明采取的技术方案具体如下：
一种电子无级变速自行车传动***，包括：
无刷发电机，所述无刷发电机适配车载固定。
一级传感器，所述一级传感器与无刷发电机电连接。
升压组件，所述升压组件与一级传感器电连接。
高速电子开关四，所述高速电子开关四与升压组件电连接控制。
二级传感器，所述二级传感器与高速电子开关四电连接。
高速电子开关五，所述高速电子开关五与二级传感器电连接。
三级传感器，所述三级传感器与高速电子开关五电连接。
电子调速器，所述电子调速器与三级传感器电连接。
无刷动力电机，所述无刷动力电机与电子调速器电连接，所述电子调速器用于驱动无刷动力电机的反应转速。
其中，上述中所述无刷发电机、一级传感器、升压组件、高速电子开关四、二级传感器、高速电子开关五、三级传感器、电子调速器与无刷动力电机均由微控制单元（MCU）控制。
所述二级传感器与所述高速电子开关五之间还设置有用于防止电能逆流的二极管，确保电流的单向流动。
所述二级传感器与所述高速电子开关五之间还设置有用于能量缓冲的高功率储能模块。
所述高功率储能模块的蓄电量定义为BCT。
其中，高功率储能模块的满电量为1，空电量为0。
所述升压组件包括并联连接的高速电子开关一、高速电子开关二和高速电子开关三。
所述升压组件还包括串联连接的一级DCDC升压模块与二级DCDC升压模块。
所述高速电子开关一、高速电子开关与一级DCDC升压模块、二级DCDC升压模块通过电连接控制，所述高速电子开关三与二级升压模块的输出端连接。
所述高速电子开关一、高速电子开关二与高速电子开关三均由微控制单元（MCU）控制，五个高速电子开关均可进行PWM调制，其中，完全闭合状态定义为1，完全断开状态定义为0，初始状态为0。
所述电子调速器定义油门信号为THR。
其中，油门信号满输出为1，零输出为0，初始值为0。
定义电子调速器信号接受周期常数为TESC。
定义常数油门敏感度常数KTHR，油门敏感度常数KTHR用于调节THR的反应速度。
一种电子无级变速自行车传动***，包括如下运行步骤：
步骤一，测量骑乘者踩动无刷发电机发电，经同步整流处理后输出直流电电压，微控制单元（MCU）采集一级传感器的电压数据，发电电压足够用于能量缓冲模块充电则进入步骤四，电压低于进入步骤四则进入步骤二；
步骤二，发电电压足够用于二级DCDC升压模块输入，则升压后进入步骤四，进而由微控制单元（MCU）控制电子开关，断开高速电子开关一、高速电子开关二，闭合高速电子开关三、高速电子开关四，否则进入步骤三；
步骤三，发电电压足够用于一级DCDC升压模块输入，则经一级DCDC升压模块、二级DCDC升压模块逐级升压后进入步骤四，不足则跳转至步骤一；
其中，电压不低于一级DCDC升压模块额定输出电压，但低于二级DCDC升压模块额定输出电压，则由MCU控制电子开关，断开高速电子开关一、高速电子开关三，闭合高速电子开关二、高速电子开关四，然后进入步骤六；
步骤四，测量发电功率，并向电子调速器发送油门信号，使无刷动力电机输出功率约等于发电功率，使总体发电量用电量相平衡；
其中，电压不低于一级DCDC升压模块额定输入电压，但低于一级DCDC升压模块额定输出电压，则由MCU控制电子开关，断开高速电子开关二、高速电子开关三，闭合高速电子开关一、高速电子开关四，然后进入步骤六；
步骤五，若在电子调速器油门信号已经到到最大的条件下，发电功率依然大于无刷电机输出功率，则通过PWM调制电子开关限制发电功率，使总体发电量用电量相平衡；
其中，电压低于一级DCDC升压模块额定输入电压，则由MCU控制断开高速电子开关一、高速电子开关二、高速电子开关三、高速电子开关四，然后进入步骤一；
步骤六，MCU采集二级传感器有效发电功率数据；
步骤七，MCU向ESC发送控制信号，并由PWM调制高速电子开关四，基于传输功率最大化的原则，使三级传感器测得功率约等于二级传感器；
其中，当所述高功率储能模块电量偏高时，则三级传感器测得功率数据大于二级传感器，反之三级传感器测得功率数据则小于二级传感器，使BT模块尽量处于半电量状态，有利于其延长使用寿命并保持最佳工作状态，三级传感器与二级传感器之间的功率差则由BT模块来平衡，之间的功率差则由BT模块来平衡；
步骤八，返回步骤一，进入下一个循环。
所述运行步骤适用于两轮脚踏车、三轮脚踏车或是以电力驱动工作的电动两轮车、三轮车等。
本发明取得的技术效果为：
本发明，整个***传动方式由传统的机械传动变为机械能转为电能，再由电能转换为机械能的能量传动方式，避免了传动的机械损耗以及传动机械故障；其次，当无刷发电机处于低转速状态下，所发直流电电压过低时，依然可通过单级、多级升压有效利用能量，弥补此工况下能量转换效率过低甚至无法转换的缺点。
本发明，可使自行车等的传动***达到免维护、低故障率、大变比范围、自适应连续变档的效果，免去用户掉链条的烦恼，以及给齿轮上油的麻烦，也不需要手动换挡，更不需要担心所换挡位不合适，也没有换挡瞬间的顿挫感，给人以丝滑的骑乘体验。当用户追求更佳的骑乘体验时，此传动***是极具应用价值的。
附图说明
图1是本发明的电子无级变速传动***框架结构示意图；
图2是本发明的电子无级变速传动***原理结构示意图。。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种电子无级变速自行车传动***或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
如图1中所示：
GMOTOR—无刷发电机；
A/V—传感器；
SW1—高速电子开关一；
SW2—高速电子开关二；
SW3—高速电子开关三；
SW4—高速电子开关四；
SW5—高速电子开关五；
D—二极管；
BT—高功率储能模块；
ESC—电子调速器；
Motor—无刷动力电机。
如图1中所示：一种电子无级变速自行车传动***，包括无刷发电机，无刷发电机适配车载固定，其中无刷发电机可以为脚踏式同步整流输出。
一级传感器，一级传感器与无刷发电机电连接，无刷发电机启动后，一级传感器感应工作，微控制单元（MCU）采集一级电压数据传感器。
升压组件，升压组件与一级传感器电连接，升压组件包括并联连接的高速电子开关一、高速电子开关二和高速电子开关三；
升压组件还包括串联连接的一级DCDC升压模块与二级DCDC升压模块；
高速电子开关一、高速电子开关与一级DCDC升压模块、二级DCDC升压模块通过电连接控制，高速电子开关三与二级升压模块的输出端连接；
高速电子开关一、高速电子开关二与高速电子开关三均由微控制单元（MCU）控制，五个高速电子开关均可进行PWM调制，其中，完全闭合状态定义为1，完全断开状态定义为0，初始状态为0。
高速电子开关四，高速电子开关四与升压组件电连接控制。
二级传感器，二级传感器与高速电子开关四电连接。
高速电子开关五，高速电子开关五与二级传感器电连接。
三级传感器，三级传感器与高速电子开关五电连接。
电子调速器，电子调速器与三级传感器电连接，电子调速器定义油门信号为THR；
其中，油门信号满输出为1，零输出为0，初始值为0；
定义电子调速器信号接受周期常数为TESC，例如5ms，随着数值减小反应速度越快；
定义常数油门敏感度常数KTHR，油门敏感度常数KTHR用于调节THR的反应速度，例如0.005，随着数值增大敏感增大。
无刷动力电机，无刷动力电机与电子调速器电连接，电子调速器用于驱动无刷动力电机的反应转速。
其中，上述中无刷发电机、一级传感器、升压组件、高速电子开关四、二级传感器、高速电子开关五、三级传感器、电子调速器与无刷动力电机均由微控制单元（MCU）控制。
根据上述结构，三个传感器均为电压电流传感器，所测量数据传至微控制单元（MCU）。
当Brake—BOOL量时，表示是否处于刹车状态，默认为0；
当EPASS—BOOL量时，表示***是否进行传动，默认为0；
如图1所示，US1、IS1、US2、IS2、US3、IS3为图中对应的电压电流传感器的测量值，且
定义U1in为一级DCDC升压模块最低输入电压常数；
定义U2in为二级DCDC升压模块最低输入电压常数；
定义U1out为一级DCDC升压模块额定输出电压常数，其中U1out＞U2in；
定义U2out为二级DCDC升压模块额定输出电压常数。
二级传感器与高速电子开关五之间还设置有用于防止电能逆流的二极管，确保电流的单向流动。
二级传感器与高速电子开关五之间还设置有用于能量缓冲的高功率储能模块，可使用动力锂电池组、超级电容电池组等，要求BT模块低自放电率（自行车上还有其他电子设备需要用电，以免长时间不使用出现电子设备断电的情况），因为是作为能量缓冲用，所以对模块的容量没有高要求，高功率储能模块的蓄电量定义为BCT，高功率储能模块的满电量为1，空电量为0，定义BT最佳蓄电量为BTCB（通常为0.5），定义调整系数K（值小于1，例如0.5），用于调节模块蓄电量使BTC接近BTCB。
高功率储能模块电量偏高时，则三级传感器测得功率数据大于二级传感器，反之三级传感器测得功率数据则小于二级传感器，使BT模块尽量处于半电量状态，有利于其延长使用寿命并保持最佳工作状态，三级传感器与二级传感器之间的功率差则由BT模块来平衡。
本申请中***的具有运行步骤如下：
步骤一：MCU获取传感器数据BTC、Brake、US1、IS1、US2、IS2、US3、IS3。
步骤二：
SW1 = (US1 >= U1in && US1 < U2in)，
SW2 = (US1 >= U2in && US1 < U2out)，
SW3 = (US1 >= U2out)。
步骤三：
SW4 = SW4 * EPASS，
SW5 = EPASS，
EPASS = !Brake && (US1 >= U1in)，
THR = THR * EPASS，
如果EPASS == 0则等待至下一个TESC周期跳转至步骤一。
步骤四：如果(THR < 1 && US3 * IS3 <= (US2 * IS2 * ((BTC - BTCB) * K +1)))则THR = THR + KTHR，并检查THR数值，如果(THR > 1)则THR = 1，然后跳至步骤八。
步骤五：如果(THR == 1 && US3 * IS3 <= (US2 * IS2 * ((BTC - BTCB) * K +1)))则SW4 = SW4 - KTHR，并检查SW4数值，如果(SW4 < 0)则SW4 = 0，然后跳至步骤八。
步骤六：如果(SW4 < 1 && US3 * IS3 > (US2 * IS2 * ((BTC - BTCB) * K +1)))则SW4 = SW4 + KTHR，并检查SW4数值，如果(SW4 > 1)则SW4 = 1，然后跳至步骤八。
步骤七：如果(SW4 == 1 && US3 * IS3 > (US2 * IS2 * ((BTC - BTCB) * K +1)))则THR = THR - KTHR，并检查THR数值，如果(THR < 0)则THR = 0，然后跳至步骤八。
步骤八，MCU根据计算所得的SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、THR数据，向高速电子开关SW1、SW2、SW3、SW4、SW5以及ESC发送控制信号。
步骤九，等待至下一个TESC周期，然后返回步骤一，进入下一次循环。
上述运行步骤适用于两轮脚踏车、三轮脚踏车或是以电力驱动工作的电动两轮车、三轮车等。
本发明的工作原理为：步骤一，测量骑乘者踩动无刷发电机发电，经同步整流处理后输出直流电电压，微控制单元（MCU）采集一级传感器的电压数据，发电电压足够用于能量缓冲模块充电则进入步骤四，电压低于进入步骤四则进入步骤二；
步骤二，发电电压足够用于二级DCDC升压模块输入，则升压后进入步骤四，进而由微控制单元（MCU）控制电子开关，断开高速电子开关一、高速电子开关二，闭合高速电子开关三、高速电子开关四，否则进入步骤三；
步骤三，发电电压足够用于一级DCDC升压模块输入，则经一级DCDC升压模块、二级DCDC升压模块逐级升压后进入步骤四，不足则跳转至步骤一；
其中，电压不低于一级DCDC升压模块额定输出电压，但低于二级DCDC升压模块额定输出电压，则由MCU控制电子开关，断开高速电子开关一、高速电子开关三，闭合高速电子开关二、高速电子开关四，然后进入步骤六；
步骤四，测量发电功率，并向电子调速器发送油门信号，使无刷动力电机输出功率约等于发电功率，使总体发电量用电量相平衡；
其中，电压不低于一级DCDC升压模块额定输入电压，但低于一级DCDC升压模块额定输出电压，则由MCU控制电子开关，断开高速电子开关二、高速电子开关三，闭合高速电子开关一、高速电子开关四，然后进入步骤六；
步骤五，若在电子调速器油门信号已经到到最大的条件下，发电功率依然大于无刷电机输出功率，则通过PWM调制电子开关限制发电功率，使总体发电量用电量相平衡；
其中，电压低于一级DCDC升压模块额定输入电压，则由MCU控制断开高速电子开关一、高速电子开关二、高速电子开关三、高速电子开关四，然后进入步骤一；
步骤六，MCU采集二级传感器有效发电功率数据；
步骤七，MCU向ESC发送控制信号，并由PWM调制高速电子开关四，基于传输功率最大化的原则，使三级传感器测得功率约等于二级传感器；
其中，当高功率储能模块电量偏高时，则三级传感器测得功率数据大于二级传感器，反之三级传感器测得功率数据则小于二级传感器，使BT模块尽量处于半电量状态，有利于其延长使用寿命并保持最佳工作状态，三级传感器与二级传感器之间的功率差则由BT模块来平衡，之间的功率差则由BT模块来平衡；
步骤八，返回步骤一，进入下一个循环。
以人力车（通常为自行车）通常使用的传动方式为例，有固定单档位链条传动、多档位多变比齿轮的链条传动、以及较少见的传动轴传动等。其有着各种各样的缺点：
1.变比范围小或根本没有变比范围，导致载具的可适应速度范围小，在某些速度段要么会给人很费力的感觉，要么会给人使不上劲的感觉；
2.即使有变档功能也仅有几个档位，会遇到一个档位似乎有点费劲但另一个档位有似乎有点使不上劲的感觉，但又不能无限制增加档位，否则会导致变速机构过于复杂，进而导致高故障率、高维护成本及高购买成本；
3.即使有变档功能也需要人手动操作变档，需要消耗人的精力，而且在选择档位后，选择的档位不一定让人觉得合适，又会需要人反复变档进行尝试，从而找出自己觉得最舒适的档位，导致整个过程较繁琐；
4.机械传动机构故障率高，比如经常遇到的掉链子等等问题，而且维护麻烦，需要定时清洁并补充润滑油等，否则就又会经常遇到机械故障。
在使用本发明提供的传动***后：该***的变比范围大大增大，适应范围广，且与市场的适应性强，其范围将由无刷发电机和无刷动力电机的电气性能决定；该***没有档位概念，属于连续的无级变速传动***，可以杜绝换挡时的顿挫感；***通过直接传输电能量的方式进行传动，可自适应至最佳变比，无需人手动操作也无需来回尝试不同档位；传动***为固态电子器件，没有活动机械部件，并可做封闭式三防处理，故障率低，可轻易实现免维护。如采用本发明提供的传动***，整台人力车上的主要活动机械构件将只剩下轮子和脚踏，产品会变得极为简洁，降低车体故障率与维修率，相比传统的车体，使用寿命更长，与此同时使用过程简洁，使用体感舒适。
本发明提出的方法适用于各种人力驱动的载具，包括但不仅限于两轮脚踏自行车、三轮脚踏自行车、含有人力驱动功能的助力自行车、含有人力驱动功能的电动两轮或三轮车等。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。

Claims (10)

1.一种电子无级变速自行车传动***，其特征在于，包括：
无刷发电机，所述无刷发电机适配车载固定；
一级传感器，所述一级传感器与无刷发电机电连接；
升压组件，所述升压组件与一级传感器电连接；
高速电子开关四，所述高速电子开关四与升压组件电连接控制；
二级传感器，所述二级传感器与高速电子开关四电连接；
高速电子开关五，所述高速电子开关五与二级传感器电连接；
三级传感器，所述三级传感器与高速电子开关五电连接；
电子调速器，所述电子调速器与三级传感器电连接；
无刷动力电机，所述无刷动力电机与电子调速器电连接，所述电子调速器用于驱动无刷动力电机的反应转速；
其中，上述中所述无刷发电机、一级传感器、升压组件、高速电子开关四、二级传感器、高速电子开关五、三级传感器、电子调速器与无刷动力电机均由微控制单元（MCU）控制。
2.根据权利要求1所述的一种电子无级变速自行车传动***，其特征在于：所述二级传感器与所述高速电子开关五之间还设置有用于防止电能逆流的二极管，确保电流的单向流动。
3.根据权利要求1所述的一种电子无级变速自行车传动***，其特征在于：所述二级传感器与所述高速电子开关五之间还设置有用于能量缓冲的高功率储能模块。
4.根据权利要求3所述的一种电子无级变速自行车传动***，其特征在于：所述高功率储能模块的蓄电量定义为BCT；
其中，高功率储能模块的满电量为1，空电量为0。
5.根据权利要求3所述的一种电子无级变速自行车传动***，其特征在于：当所述高功率储能模块电量偏高时，则三级传感器测得功率数据大于二级传感器，反之三级传感器测得功率数据则小于二级传感器，使高功率储能模块处于半电量状态，使其保持稳定的工作状态，三级传感器与二级传感器之间的功率差则由高功率储能模块来平衡。
6.根据权利要求1所述的一种电子无级变速自行车传动***，其特征在于：所述升压组件包括并联连接的高速电子开关一、高速电子开关二和高速电子开关三；
所述升压组件还包括串联连接的一级DCDC升压模块与二级DCDC升压模块；
所述高速电子开关一、高速电子开关与一级DCDC升压模块、二级DCDC升压模块通过电连接控制，所述高速电子开关三与二级升压模块的输出端连接。
7.根据权利要求4所述的一种电子无级变速自行车传动***，其特征在于：所述高速电子开关一、高速电子开关二与高速电子开关三均由微控制单元（MCU）控制，五个高速电子开关均可进行PWM调制，其中，完全闭合状态定义为1，完全断开状态定义为0，初始状态为0。
8.根据权利要求1所述的一种电子无级变速自行车传动***，其特征在于：所述电子调速器定义油门信号为THR；
其中，油门信号满输出为1，零输出为0，初始值为0；
定义电子调速器信号接受周期常数为TESC；
定义常数油门敏感度常数KTHR，油门敏感度常数KTHR用于调节THR的反应速度。
9.根据权利要求1至7任意一项所述电子无级变速自行车传动***，其特征在于：包括如下运行步骤：
步骤一，测量骑乘者踩动无刷发电机发电，经同步整流处理后输出直流电电压，发电电压足够用于能量缓冲模块充电则进入步骤四，电压低于进入步骤四则进入步骤二；
步骤二，发电电压足够用于二级DCDC升压模块输入，则升压后进入步骤四，否则进入步骤三；
步骤三，发电电压足够用于一级DCDC升压模块输入，则经一级DCDC升压模块、二级DCDC升压模块逐级升压后进入步骤四，不足则跳转至步骤一；
步骤四，测量发电功率，并向电子调速器发送油门信号，使无刷动力电机输出功率约等于发电功率，使总体发电量用电量相平衡；
步骤五，若在电子调速器油门信号已经到到最大的条件下，发电功率依然大于无刷电机输出功率，则通过PWM调制电子开关限制发电功率，使总体发电量用电量相平衡；
步骤六，返回步骤一，进入下一个循环。
10.根据权利要求9所述的一种电子无级变速自行车传动***，其特征在于：所述运行步骤适用于两轮脚踏车、三轮脚踏车或是以电力驱动工作的电动两轮车、三轮车等。
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