CN1469821A - 具有车载充电***的电动滑板车 - Google Patents

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Abstract

一种主要由电池供电的双轮电动滑板车，所述电池共同提供高于100伏特的电压。该滑板车带有一种车载充电***用于补充电池电源。相应地，该车载充电***并未被要求来为加速和其他运行情况提供主要电源。一个充电***可以用一块燃料电池来实现，它对电池进行点滴式充电；也可以用一台内燃引擎来实现，它通过一个机械充电装置如交流发电机或发电机对电池充电。再生制动也被提供来在制动期间通过反向驱动马达对电池组供电，以进一步节约能量。还提供了用于将外部电源如交流插座接入滑板车的连线，这样就提供了对电池充电的备用装置。

Description

具有车载充电***的电动滑板车
技术领域
本发明涉及一种电动滑板车，在这种滑板车中提供了一种车载充电***用于对电池再充电。
背景技术
现有技术下的电动滑板车是广为人知的。电动滑板车通常带有一组电池用来提供驱动马达的电力。这些电池必须时常充电。充电一般是通过将电池与AC(交流)电源插座相接一段时间来恢复耗尽的能量。为了对电池均匀充电的目的，用于电动滑板车的充电电路已经被开发出来，比如在美国专利5965996号中所公开的那种。在前述的’996专利中，总共在滑板车上提供了10块12伏特的电池。由于这么多电池的重量和体积，滑板车必须具有特殊的框架或是类似的东西来支撑这些附加的重量和体积。美国专利6047768号就是针对一种能够容纳10块这样的12伏特电池的滑板车框架的。
近年来，人们一直都非常希望能将电池充电设备以及电池能量储存设备永久地安置在电动车辆上。题为“Fuel cell/battery hybridpower system for vehicles(用于车辆的燃料电池/电池混合动力***)”的美国专利5631532号展示了在电动车辆中利用一个燃料电池对电池充电。美国专利5713426号则揭示了使用再生制动通过反向驱动马达机构来返回能量。然而，所提及的这些资料都没有结合电动滑板车来说明这些装置。
我们所需要的是一辆带有车载充电***的电动滑板车，充电***能够对电池再充电，而所述的电池被用作驱动滑板车的主要能源。
发明内容
本发明是以一辆双轮滑板车实现的，该滑板车具有足以容纳电池的框架，这些电池共同提供以一定加速度和速度驱动滑板车的功率，而所述的加速度及速度是与一般的运输流量相当的。除了框架和电池，本发明的电动滑板车包括一个电动马达，一个车载充电源用于给电池再充电，一个与外部电源相连的接口用于电池的快速充电，以及帮助电池消耗和恢复的控制和监控装置。
在本发明的一个特征中，充电源是一块燃料电池，它通过一个DC-DC(直流-直流)转换器向电池提供点滴式充电。甲醇或氢都可以被用作正确驱动燃料电池的燃料。
在本发明的另一个特征中，充电源是一种内燃引擎，它使用汽油、柴油或其他燃料，这种充电源通过一种机械充电装置如交流发电机或发电机对电池充电。
在本发明的另一个特征中，提供了再生制动电路，该电路能利用减速期间获取的能量对电池充电。
附图说明
结合附图可以更好地理解本发明：
图1示出了用于支持本发明的元件的原理框图；
图2a和2b分别示出了侧视图和俯视图，显示出在一辆电动滑板车中如何安置图1中所示的各种元件；
图3示出了相应于本发明一个实施例的DC-DC(直流-直流)转换器；
图4示出了图3中DC-DC转换器所用的一个升压转换器；
图5示出了本发明中所用类型的马达控制器；
图6a和6b示出了速度作为时间函数的大致图线，分别对应市郊和市区内的滑板车行驶状况；
图7a-7c示出了不同类型的电池在滑板车中的置放；
图8a和8b以图线形式示出了骑乘者及相应的电池充电状态(SOC)供滑板车使用。
具体实施方式
前面所提到的美国专利5965996号、6047768号、5631532号以及5713426号通过引用被包含进来，达到理解本发明所必须的程度。
图1给出了一张方框图，示出与本发明相关的功能元件。一个电动滑板车马达100提供驱动功率以驱动滑板车。滑板车马达100最好是一种三相槽形无电刷永磁铁马达，由Kollmorgen公司( www.kollmorgen.com)专为此用途制造。下表1列出了用于本发明一个优选实施例中的马达的规格，但要紧记还有无数其他的规格可以满足要求。
滑板车马达100从滑板车马达控制器102接收一个三相电压。滑板车马达控制器102最好输出一个可变波形，如脉宽调制(波形)，来驱动滑板车马达100。滑板车马达控制器102含有高压半导体开关，该开关选通(受控)以便选择性地产生将电池组104连接到滑板车马达上所需的波形。
电池组104最好包含足够的电池，这些电池串连在一起以输出至少100VDC(直流100V)的电压，这在下面将有进一步的说明。电池组104最好由铅酸电池或是镍锌(Ni-Zn)电池组成。无论使用何种类型的电池，对于本发明目标关键的是这些电池必须是可以再充电的。
特性 规格
类型 永磁铁
峰值功率 20kW
峰值扭矩 65.6N-m
电流＠峰值扭矩 325Amps
最高转速 5500RPM
最高线圈温度 155C
每瓦特上升温度 无强迫通风时，0.5C/瓦特
连续扭矩 22.8N-m
气隙 0.082英寸
线圈直流阻抗 63m  10％
线圈电感 80mH 30％
磁极数量 8
转动惯量 0.0093kg-m2
马达重量 最大7.7kg
相数 3
线圈结构 Y形
铁心片材料 低损耗铁
开槽形状 笔直
定子内尺寸 5.8英寸(147mm)
定子外尺寸 7.3英寸(185mm)
定子组长度 1.95英寸(50mm)
静摩擦力 0.8N-m
扭矩灵敏度 0.118N-m每安培峰
后电动势(EMF)常数 0.118伏每弧度每秒
磁铁材料 钕铁硼
冷却技术 借助于马达侧摇臂的被动式
线圈绝缘 NEMA级别H，最少可承受600V RMS
表1-马达参数(25C及120VDC下)
一个常规的电池充电器106是给电池组104充电的一种方式。电池充电器106可以置于滑板车上，并能通过插头108或是类似的东西连接到AC(交流)插座上。另外，电池充电器106也可以与车辆分离，并仅在高电流充电期间被连接到滑板车上。
除了通过连接到一个AC插座以对电池组再充电的电池充电器106以外，在滑板车上还提供了另一种车载充电***110。该车载充电***包括一个车载发电源112、一个燃料供应装置114用于向车载发电源112供应燃料、以及一个转换器/充电控制器116，它能将车载发电源112的输出转换成为适合于对电池组104充电的形式。
一个滑板车控制器118向马达控制器102、电池充电器106(当提供在滑板车上时)、车载发电源112以及转换器/充电控制器116发送信号。对电池组的充电通过一个电池监控器120进行监控，该监控器则被连接到滑板车控制器118上以提供可能影响滑板车控制器工作的信息。电池组的能量状态被显示在电池表122上，以便用户能够监视电池组的状态，这很像在汽油驱动滑板车中所使用的燃料表。类似地，燃料供应装置114的状态被显示在一块燃料表124上为用户提供方便。
图2a及2b示出了图1中的许多模块元件在一辆电动滑板车130中的安置情况。滑板车130具有类似于美国专利6047786号中所示的框架132。电池组104被如此放置，使得滑板车具有相对较低的重心。尽管图2a及2b显示出电池组呈直线排布，它们具有大致相似的垂直位置，但要紧记电池也可以按不同的结构安置从而最优地利用滑板车框架中的空间。在图2a中可见，车载发电源112被直接放置在电池组之上，而燃料供应装置114则被放置在发电源之上。燃料供应装置114最好能很方便地从滑板车外部接触到，以便补充燃料和替换。燃料供应装置114可以和车载发电源112整体地形成在一起。滑板车马达100，连同它的相关传动箱，一起驱动滑板车的后轮134，并被放置在接近框架132和后轮134的位置上。滑板车马达控制器102被放置在靠近框架内部的位置，以便减小它和马达100之间的距离。电池充电器106最好被放置在接近电池组的位置，因此也是处在一个相对较低的位置上，从而方便了与外部电源的连接。最后，电池表122和燃料供应表124都被放置在滑板车的前部附近，以方便用户观察。
在一个第一优选实施例中，车载发电源112是一块燃料电池，而燃料供应114是氢或甲醇，这取决于燃料电池112的类型。在一个优选实施例中，使用了一种可从H-power( www.hpower.com)购得的Power PEM-PS系列的燃料电池。这个系列的基于燃料电池的DC(直流)电源可以连续地提供大约250-500瓦特功率。这样的一个***依赖于周围的空气以及燃料箱114中的纯净压缩氢燃料工作。这类燃料电池包括一个质子交换薄膜型(PEM)的电池栈、机械辅助装置以及一个电子控制模块。这样的一块燃料电池可以提供一个功率相对较低的车载电源，它可以工作在连续、稳定的状态输出下。该电池通过DC-DC转换器/充电控制器向电池组104提供了恒定的点滴式充电。如上所述，燃料电池112通常在连续的基本原理上工作，但是有可能通过滑板车控制器118将它有选择性地打开或关闭。
图3示出了一个DC-DC转换器/充电控制器116，它可被用来将燃料电池112的输出转换成一个适合对电池组104充电的电压。转换器/充电控制器包括一对并联的升压转换器116a、116b。尽管这里只示出了两个转换器，但要紧记的是任意数量的转换器都可以被并联在一起以输出维持有效充电所需的电流。升压转换器116a、116b的输入电压范围最好在直流28-40V，并在0.5安培的电流下输出大约140V直流电压。升压转换器116a、116b的正输出极分别由二极管140a、140b引出，这两个二极管最好都是1N4004型的。这样做是为了保证在燃料电池被关闭的情况下，电池总电压不会通过升压转换器回漏电流。升压转换器的输出在正节点142a和负节点142b处被合并起来。节点142a连接到一个20欧姆、25瓦特的限流阻抗144上。这样，DC-DC转换器/充电控制器就能在输出端口146上以最大2安培的电流提供大约138伏特的输出。
图4示出了一个范例升压转换器116a、116b。升压转换器被用来在负载端产生比输入电压更高的电压。当电源开关Q2开启，电感L就被连接到输入端口148上的直流源上，而来自直流源的能量就被储存在电感L中。当电源开关Q2被关闭时，储存在电感L的(磁力)衰减场中的能量就会引起二极管D2阳极上的电压急剧上升。流经二极管D2的电流抬升了滤波电容C0上的电压。这样，输出端口150上的输出电压就要比输入端口148上的电压高。
在图3中可见，DC-DC转换器116的输出端口146被加到了充电控制器160上。充电控制器160是美国专利5965996号中所描述的类型。充电控制器160能够控制导向一个额定120V直流电池组104的电力。充电控制器160首先使用一个恒定电流对一个电池组充电，直到该电池组达到140伏特(电压)，接着施加一个140伏特的恒定电压并再次使用一个恒定电流，直到该电池组达到156伏特(电压)。这些电压设置点中的每一个都可以在滑板车控制器的控制下指定。这时，滑板车控制器再启动DC-DC转换器116，使其通过充电控制器160继续对电池组充电，直到该电池完全充电或是操作者决定关闭***。这样，充电控制器就提供了过电流和过电压限制保护。此外，充电控制器还被设置来将施加到电池组上的波纹电流最小化，以及提供与充气电压需求的变化性相一致的温度补偿。
电池表120最好由一组LED(发光二极管)构成，最好还包括一个常规的模拟或数字量表以表示电池充电的状态。与电池表相关的LED包括，一个红色的LED，当它亮起时，表示燃料电池正在使用中；一个黄色的LED，当它亮起时，表示电池组被充电到一个预定的百分比，如80％；以及一个绿色的LED，当它亮起时，表示电池组完全充电。这样，该电池表就能向用户告知电池组的状态。
图5中，连同滑板车马达100和电池组104一起，示出了本发明的滑板车马达控制器102。马达控制器102最好包括一个控制器装置，如Ti-TMS 320F240 DSP芯片，可从德州仪器(Texas Instruments)购得。滑板车马达控制器102包含三个由Youngwood，PA的Powerex( www.pwrx.com)制造的型号为CM400DU-12H的IGBT。这些IGBT具有400安培和600伏特的额定峰值，并能维持100安培的最大连续电流。DSP芯片最好借助IGBT利用一个六阶正弦波转换模式来施加一个16kHz的转换频率。加到IGBT上的输入电压是额定120伏特的电池组104，该电池组可由铅酸电池实现，它通常具有80-130伏特的工作范围；或是由镍锌电池实现，它具有90-140伏特的工作范围。
从实用角度来看，单纯为市区内活动而使用滑板车的个人与在郊区环境中使用滑板车的个人，有着不同的电力和耐久度的需求。这是因为在市区环境中，行进的距离比较短，要频繁地停止和启动，因而平均速度比较低。这就对电动滑板车提出了一系列要求。相反，市郊环境中的特征在于很少停下或是启动，而是要持续地高速行进。这就对电动滑板车提出了不同的要求。图6a示出了一个单程中时间对速度的图线170。在图线170中可见，任何一条支线的最大持续时间都要少于100秒，而在这些支线中的任意一条上所达到的最大速度都在50km/h量级上。因此，一辆被设置能在市区环境中有效运作的电动滑板车，必须能够相当频繁地加速和减速，但不需要在一段持续时间内维持高速。
在图6b中可见，市郊环境可能要求一辆滑板车在一条支线的数百秒内维持至少50km/h的速度。因此，一辆被设置能在市郊环境中运作的电动滑板车不需要同样频繁地加速或是减速，但必须能够维持高速。
因此，比较有利的做法是根据预期的环境类型(市区对市郊)设计一种电动滑板车，要求该滑板车能在所述的环境中运作。相应地，人们可以根据电动滑板车要在其中运作的预期环境，选择使用在电池组104中的电池的数量和种类。对于精通本技术的人显而易见的是，减少电池数量、或是降低电池容量，总体来说可以降低一辆电动滑板车的成本。相应的，如果在设计电动滑板车时考虑到预期的工作环境，就可以实现经济效益。图7a示出了一个滑板车框架190，它容纳了10块12伏特的密封铅酸(SLA)电池192，每块电池有16安培-小时的电量，总共可在120伏特电压上提供大约1.9千瓦时(的电功率)。
图7b示出了容纳10块12伏特SLA电池194的相同框架，其中每块电池有26安培-小时的电量，总共可在120伏特电压上提供3.1千瓦时(的电功率)。因为26安培-小时电池194比16安培-小时电池大，因此较大的电池在框架中占据了更多空间。图7c示出了多个24安培-小时的镍锌电池，在同样的能量容量下，这种电池相对SLA电池具有较小的质量，虽然它的成本更高。
图8a示出了作为时间函数的速度及充电状态(SOC)图线，该图线对应于被设置用在市郊行驶的电动滑板车，该滑板车带有一个3.1千瓦时容量的镍锌电池组，并使用并联的两个80瓦特燃料电池。在早通勤期间，电池充电状态从100％降至60％。在工作日期间，滑板车被停放起来且燃料电池开始运作，该电池组恢复到了90％充电状态。在晚通勤结束时，电池充电状态减少到了50％。在余下的一整夜中，燃料电池将电池充电状态恢复到100％，以再次开始循环，这样就使得该车可以完全持续使用，从而成为一种可靠的通勤手段。
图8b示出了作为时间函数的速度及充电状态，它对应于被设置用在市区行驶的电动滑板车，该车带有一个1.9千瓦时容量的镍锌电池组和单个100瓦特的燃料电池。与图8a中所示的通勤模式相比，图8b在早通勤和晚通勤支线中各少一个市郊循环。然而，减少后的电池容量仍足以支持该车辆作为所示通勤模式的可行手段。
在图8a及8b中可见，早通勤使得一个完全充电电池组的充电状态下降到某个水平上，而在早通勤和晚通勤之间的工作日期间，燃料电池所进行的充电使得电池组的充电状态重新恢复。然而，电池组在图8a或8b中都没有被充电到它容量的100％。在图8a及8b中，晚通勤期间，在停止和行进阶段(大概接近某人的办公室)，充电状态逐渐降低，并在后一阶段显著降低(大概更接近某人的家而远离办公地区)。然而，不管电池组的原始容量是多少，燃料电池都应该能够在一天的正常使用后将电池组完全充满。在超过正常情况使用的日子里，可以整夜使用外部电源进行额外充电，以备第二天早上使用。
图8a及8b都显示出在高速下充电状态下降稍快，但要注意图8b所示电动滑板车的充电状态比图8a所示电动滑板车下降到一个更低的程度，其中图8a的电动滑板车带有容量为3.1千瓦时的电池组。
在一个第一优选实施例中，电池组104由铅酸电池构成，这种电池可由Missouri的Hawker能源集团( www.hepi.com)购得。铅酸电池最好是Genesis G16EP型(16安培-小时)或是G26EP型(26安培-小时)。当滑板车被设计来仅在一个市区范围的短距离内通勤时，就使用较低安培-小时功率容量的电池；而当滑板车被设计来在郊区行驶或是在城区内较长距离通勤时，则使用26安培-小时的电池。
在一个第二优选实施例中，可以用镍锌(Ni-Zn)电池替代铅酸型电池。最好使用Danbury，Conn的Evercel公司出品的密封镍锌电池。Evercel的25-12型及40-12型电池有12伏特的额定电压，并分别具有22安培-小时和30安培-小时的容量，它们都适用于本发明。
要从外部电源对电池充电，就需要一个电池充电器。对于铅酸电池来说，最好使用Italy Poviglio的Zivan出品的K2型电池充电器。另一方面，如果使用了镍锌电池，那么就最好用Zivian的NG3型电池充电器。这两种电池充电器都可以插到120伏特、60Hz的交流电源上。对于欧洲和其他的用户，还可以得到能工作在220伏特、50Hz交流电源上的充电器。
在以上的实施例中，我们假定使用一块燃料电池作为车载充电源112。在一个第二实施例中，车载充电源是一台内燃引擎。这种情况下，最好使用一台Honda的EU100I型引擎。该引擎带有一个集成的燃料箱，而且是人工启动的。该单相引擎驱动一个机械充电装置，如交流发电机或发电机。该引擎具有900VA的额定输出，最大输出可达1000VA，它与机械充电装置合作输出一个120伏特、60Hz信号对电池充电。该输出被调节来向电池组提供适当的充电。此外，由于内燃引擎需要空气流通，所以在该实施例中必须提供空气入口及排气硬件。另外，(该实施例中)还将提供一块标准的汽油型燃料表来告知操作员燃料水平，以及一个键控开关用于启动和关闭引擎。
最后，尽管上述发明是参照某些优选实施例进行说明的，但应该紧记本发明的范围并不仅限于这些(实施例)。精通该技术的人会发现这些优选实施例的许多变形，但这些变形都落在本发明的设计思想之内，本发明的涵盖范围在以下的权利要求中定义。

Claims (14)

1.一种双轮电动滑板车，包括：
一个滑板车框架，它包括一个舱室，该舱室被确定形状及尺寸以容纳一个电池电源；
一个电动马达，它通过至少一个开关连接到所述的电池电源上，该电动马达被设置来驱动滑板车的后轮；
一个车载电源，被设置来对电池电源充电；
一个第一充电电路，被设置来将车载电源与电池电源相连；
一个第二充电电路，被设置来将电池电源与一个外部电源相连；以及
一个连接到马达上的马达控制器电路，该电路被设置来在滑板车减速时对电池电源充电。
2.根据权利要求1所述的电动滑板车，其中：
所述的车载电源包括一块燃料电池，该燃料电池被设置来通过所述的第一电路对电池电源进行点滴式充电；以及
一个燃料箱，被设置来存放适用于驱动燃料电池的燃料。
3.根据权利要求2所述的电动滑板车，其中所述燃料电池的点滴式充电输出低于2安培。
4.根据权利要求2所述的电动车辆，其中所述的燃料是包括氢和甲醇在内的燃料中的一种。
5.根据权利要求1所述的电动车辆，其中所述的车载电源包括一台内燃引擎，该引擎被设置来驱动一个机械充电装置，该装置被连接来对电池电源充电；以及
一个燃料箱，它被设置来存放适合驱动内燃引擎的燃料。
6.根据权利要求5所述的电动滑板车，其中所述的引擎和机械充电装置合作输出一个10安培的最大直流电流。
7.根据权利要求1所述的电动车辆，其中所述的电池电源具有最低100伏特的电压。
8.根据权利要求1所述的双轮电动滑板车，其中所述的第一充电电路包括一个升压转换器，该转换器接收燃料电池输出的第一电压，并向电池电源输出一个第二电压，该第二电压比第一电压大。
9.一种双轮电动滑板车，包括：
一个滑板车框架，它包括一个舱室，该舱室被确定形状及尺寸以容纳一个电池电源；
一个电动马达，它通过至少一个开关连接到所述的电池电源上，该电动马达被设置来驱动滑板车的后轮；
至少一块燃料电池，被设置来对电池电源进行点滴式充电；
一个第一充电电路，被设置来将燃料电池与电池电源相连，以便对电池电源充电；
一个燃料箱，被设置来存放适合驱动燃料电池的燃料；
一个第二充电电路，被设置来将电池电源与一个外部电源相连；以及
一个连接到马达上的马达控制器电路，该电路被设置来在滑板车减速时对电池电源充电。
10.根据权利要求9所述的双轮电动滑板车，其中所述的第一充电电路包括一个升压转换器，该转换器接收燃料电池输出的第一电压，并向电池电源输出一个第二电压，该第二电压比第一电压大。
11.根据权利要求9所述的电动滑板车，其中所述燃料电池的点滴式充电输出低于2安培。
12.根据权利要求11所述的电动车辆，其中所述的燃料是包括氢和甲醇在内的燃料中的一种。
13.根据权利要求12所述的电动车辆，其中所述的电池电源具有最低100伏特的电压。
14.一种双轮电动滑板车，包括：
一个滑板车框架，它包括一个舱室，该舱室被确定形状及尺寸以容纳一个具有至少100伏特电压的电池电源；
一个电动马达，它通过至少一个开关连接到所述的电池电源上，该电动马达被设置来驱动滑板车的后轮；
燃料电池，被设置来对电池电源进行点滴式充电，该燃料电池依靠氢或甲醇运作，该燃料电池输出低于2安培的点滴式充电电流；
一个第一充电电路，被设置来将燃料电池与电池电源相连，以便对电池电源充电，该第一充电电路包括一个升压转换器，该转换器接收燃料电池输出的第一电压，并向电池电源输出一个第二电压，该第二电压比第一电压大；
一个燃料箱，被设置来存放氢或甲醇燃料；
一个第二充电电路，被设置来将电池电源与一个外部电源相连；以及
一个连接到马达上的马达控制器电路，该电路被设置来在滑板车减速时对电池电源充电。
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