RU2556051C1 - Vehicle with combined muscle and electrical drive - Google Patents

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: this vehicle comprises wheels, pedal drive engaged therewith, at least one motor coupled with vehicle wheel via mechanical gearing or directly, and control system. The latter comprises reversible transducer for control over motor rpm and/or torque, storage battery and control component. The latter incorporates the selector of "run - free run - charge" modes coupled with speed selector and brake current. Reversible transducer is equipped with storage battery consumed current sensor, storage battery charge and discharge limiting currents and comparator of actual and ultimate current of storage battery. Comparator output influences via communication assembly the reversible transducer current limiter.

EFFECT: possibility of storage battery charging in motion, longer service life.

3 cl, 1 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение относится к области легких электротранспортных средств, таких как велосипеды, электроскутеры, инвалидные коляски, снабженные педальным (мускульным) и электрическим приводом.The present invention relates to the field of light electric vehicles, such as bicycles, electric scooters, wheelchairs, equipped with pedal (muscle) and electric drive.

С учетом цен на транспортные услуги, в том числе и из-за роста цен на ископаемые углеводороды и растущего внимания к защите окружающей среды, стремления придерживаться здорового образа жизни, возрастает интерес к транспортным средствам с электроприводом. Источником электроэнергии в таких устройствах является аккумуляторная батарея. При уменьшении заряда возникает необходимость в подзарядке батареи. Это можно сделать, подключив аккумуляторную батарею к внешней сети через соответствующе устройство. Наличие у указанных средств и педального привода позволяет использовать для заряда батареи мускульную энергию. Такому решению посвящено настоящее изобретение.Given the prices of transportation services, including due to rising prices for fossil hydrocarbons and growing attention to environmental protection, the desire to adhere to a healthy lifestyle, there is an increasing interest in electric vehicles. The source of electricity in such devices is a rechargeable battery. When the charge decreases, it becomes necessary to recharge the battery. This can be done by connecting the battery to an external network through an appropriate device. The presence of these means and a pedal drive allows you to use muscle energy to charge the battery. Such a solution is dedicated to the present invention.

Уровень техникиState of the art

Хотя изобретение может быть использовано на любом виде указанных транспортных средств, далее оно будет описано на примере велосипеда.Although the invention can be used on any form of these vehicles, it will be further described on the example of a bicycle.

Известны различные технические решения, направленные на обеспечение возможности заряда аккумуляторной батареи с помощью велосипеда и мускульной энергии.There are various technical solutions aimed at ensuring the possibility of charging the battery using a bicycle and muscular energy.

Так известна «Аварийная система зарядки на базе велосипеда» (патент US 6717280 B1, A63B 21/005; H02K 7/18, 28/02/2000). В предлагаемом решении к педальному узлу велосипеда, установленного на подставке (переднее колесо), с помощью ремня или цепи подключен генератор с маховиком. Таким образом, велотренажер превращен в электростанцию, приводимую мускульной энергией, позволяющую заряжать аккумуляторную батарею или запитывать требуемые потребители. Недостатком известного решения является необходимость установки дополнительного оборудования (генератор с маховиком) и исключение основной функции велосипеда - возможности передвижения в процессе зарядки аккумуляторной батареи.So known "Emergency charging system based on a bicycle" (patent US 6717280 B1, A63B 21/005; H02K 7/18, 28/02/2000). In the proposed solution, a generator with a flywheel is connected to the pedal assembly of a bicycle mounted on a stand (front wheel) using a belt or chain. Thus, the exercise bike is turned into a power station driven by muscular energy, which allows charging the battery or powering the required consumers. A disadvantage of the known solution is the need to install additional equipment (a generator with a flywheel) and the exclusion of the main function of the bicycle - the possibility of movement during charging of the battery.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является «Электрический велосипед с возможностью самозарядки» (патент US 7906849 B2, F02B 63/04, 30/09/2009). В предлагаемом решении электровелосипед также установлен в опоры (колеса оторваны от земли) и преобразователь переключен в реверсивный режим (движение «назад»). При вращении педалей и вращении заднего колеса в направлении «вперед» преобразователь переходит в тормозной (рекуперативный) режим и происходит преобразование механической энергии в электрическую, которая заряжает аккумуляторную батарею. Уровень зарядного тока может определяться задатчиком скорости (ручкой «газа»). Недостатком известного решения является исключение основной функции велосипеда - возможности передвижения в процессе зарядки. Кроме того, величина номинального зарядного тока обычно существенно меньше разрядного тока. Превышение номинального зарядного тока снижает эффективность (КПД) процесса заряда и сокращает срок службы аккумуляторной батареи. Кроме того, предлагаемое техническое решение может быть применено только в электровелосипедах, в которых электродвигатель (мотор-колесо) установлен в заднем колесе велосипеда, связанном с педальным узлом цепной передачей.Closest to the technical nature of the present invention is an "Electric bike with the possibility of self-charging" (patent US 7906849 B2, F02B 63/04, 30/09/2009). In the proposed solution, the electric bike is also installed in the supports (the wheels are torn off the ground) and the converter is switched to the reverse mode (“backward” movement). When you turn the pedals and rotate the rear wheel in the "forward" direction, the converter goes into braking (regenerative) mode and the mechanical energy is converted into electrical energy, which charges the battery. The level of the charging current can be determined by the speed dial (handle "gas"). A disadvantage of the known solution is the exclusion of the main function of the bicycle - the possibility of movement during charging. In addition, the value of the nominal charging current is usually substantially less than the discharge current. Exceeding the rated charging current reduces the efficiency (efficiency) of the charging process and shortens the battery life. In addition, the proposed technical solution can be applied only in electric bicycles in which an electric motor (motor-wheel) is installed in the rear wheel of a bicycle connected to a pedal assembly by a chain transmission.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Целью настоящего изобретения является устранение ряда отмеченных недостатков известных устройств - обеспечение возможности зарядки аккумуляторной батареи в процессе движения велосипеда, движимого мускульной энергией седока, и обеспечение максимальной длительности жизненного цикла аккумуляторной батареи, путем ограничения величины зарядного тока, задаваемого седоком, не более допустимых значений. Это обстоятельство исключает сокращение срока службы аккумуляторной батареи вследствие некорректных режимов заряда. Кроме того, данное решение может быть применено в электровелосипедах как с задним, так и с передним размещением электродвигателя (мотор-колеса). Использование предложенного решения в двигательном режиме мотор-колеса позволит ограничить разрядный ток аккумуляторной батареи на допустимом заданном уровне, что также способствует увеличению срока службы аккумуляторной батареи.The aim of the present invention is to remedy a number of noted disadvantages of known devices - providing the ability to charge the battery during the movement of the bike, driven by the muscular energy of the rider, and ensuring the maximum life cycle of the battery by limiting the amount of charging current set by the rider to no more than acceptable values. This circumstance eliminates the reduction in battery life due to incorrect charge modes. In addition, this solution can be applied in electric bicycles with both rear and front placement of an electric motor (motor-wheel). Using the proposed solution in the motor mode of the motor-wheel will limit the discharge current of the battery to an acceptable predetermined level, which also helps to increase the battery life.

Указанные цели достигаются в предлагаемом электрическом велосипеде. Он содержит по крайней мере один электродвигатель, связанный с колесом велосипеда через механическую передачу или без нее, и систему управления, включающую в себя обратимый преобразователь, обеспечивающий регулирование скорости и/или момента указанного электродвигателя, источник питания - аккумуляторную батарею и орган управления. Орган управления снабжен переключателем режима работы «движение - свободный ход - зарядка» и задатчиком величины тормозного тока (аналоговым или дискретным), а обратимый преобразователь снабжен датчиком тока потребления от аккумуляторной батареи, задатчиком предельного значения разрядного и зарядного токов аккумуляторной батареи, устройством сравнения фактического и предельного значений тока батареи, выход которого через узел связи воздействует на устройство токоограничения обратимого преобразователя.These goals are achieved in the proposed electric bike. It contains at least one electric motor connected to the bicycle wheel through or without mechanical transmission, and a control system that includes a reversible converter that controls the speed and / or moment of the specified electric motor, the power source is a battery and a control. The control body is equipped with a switch of the "movement - free travel - charging" operating mode and a brake current value adjuster (analog or discrete), and the reversible converter is equipped with a battery current consumption sensor, a limit value of the discharge and charging currents of the battery, and a device for comparing the actual and limiting values of the battery current, the output of which through the communication node acts on the current limiting device of a reversible converter.

Подробное описание изобретенияDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого технического решения.Figure 1 presents the structural diagram of the proposed technical solution.

Схема содержит педальный узел (1), связанный механически с колесом (2) (колесами) транспортного средства, которые в свою очередь связаны с обратимым электродвигателем (3). Электродвигателем (3) управляет обратимый преобразователь (4), снабженный датчиком тока (5) аккумуляторной батареи (6). Транспортное средство имеет переключатель режима работы (7), связанный с задатчиком скорости (8) и задатчиком тока торможения (9), с помощью которых человек выбирает режим - движение, свободный ход либо зарядка батареи (5) и управляет движением транспортного средства. Также схема содержит задатчик предельного значения зарядного и разрядного тока батареи (10), с выхода которого сигналы поступают на устройство сравнения (11), где они сравниваются с сигналом с датчика тока. Результат сравнения воздействует на устройство токоограничения (12) обратимого преобразователя (4) через узел связи (13).The circuit includes a pedal assembly (1) mechanically connected to the wheel (2) (wheels) of the vehicle, which in turn are connected to a reversible electric motor (3). The electric motor (3) is controlled by a reversible converter (4), equipped with a current sensor (5) of the battery (6). The vehicle has an operating mode switch (7) associated with a speed controller (8) and a brake current controller (9), with which a person selects a mode - movement, free travel or battery charging (5) and controls the movement of the vehicle. The circuit also contains a limiter for the limit value of the charging and discharge current of the battery (10), from the output of which the signals are sent to a comparison device (11), where they are compared with the signal from the current sensor. The comparison result affects the current limiting device (12) of the reversible transducer (4) through the communication unit (13).

Рассмотрим работу схемы, представленной на примере велосипеда. Возможны три режима работы.Consider the operation of the circuit shown in the example of a bicycle. Three operating modes are possible.

1. Режим «движение» - на электрическом ходу, при котором человек, управляющий транспортным средством, выбрав на переключателе работы (7) режим «движение», управляет величиной скорости либо моментом, подведенным к колесу велосипеда от электродвигателя с помощью задатчика скорости (8) при разгоне и с помощью задатчика тормозного момента (9) при торможении. При этом тормозной и разгонный токи аккумуляторной батареи ограничены заданными необходимыми величинами с помощью устройства сравнения (11) через узел связи (13), который воздействует на устройство токоограничения (12) преобразователя (14). При превышении модуля тока аккумуляторной батареи над заданным значением на выходе устройства сравнения (11) подается сигнал, который через узел связи (13) воздействует на вход устройства токоограничения (12) преобразователя, уменьшая ток двигателя (13) и, соответственно, ток батареи до заданного уровня.1. “Movement” mode - on the electric course, in which the person driving the vehicle, choosing the “movement” mode on the operation switch (7), controls the speed value or the moment brought to the bicycle wheel from the electric motor with the help of the speed adjuster (8) during acceleration and with the help of a braking torque adjuster (9) during braking. In this case, the braking and accelerating currents of the battery are limited by the specified required values using the comparison device (11) through the communication unit (13), which acts on the current limiting device (12) of the converter (14). When the battery current module exceeds a predetermined value, a signal is output at the output of the comparison device (11), which, through the communication unit (13), acts on the input of the current limiting device (12) of the converter, reducing the motor current (13) and, accordingly, the battery current to a predetermined value level.

2. Режим «свободный ход» - движение от педального привода, преобразователь блокирован.2. The mode of "free play" - movement from the pedal drive, the converter is blocked.

3. Режим «зарядка» - режим движения, при котором водитель имеет возможность задавать небольшой тормозной момент, используя энергию педалирования при движении для заряда аккумуляторной батареи. При этом ток заряда аккумуляторной батареи прямо пропорционален заданному тормозному моменту и скорости движения велосипеда от педалей. С увеличением скорости движения растет и ток заряда аккумуляторной батареи. При превышении тока аккумуляторной батареи над заданным значением на выходе устройства сравнения появляется сигнал, который через узел связи воздействует на вход устройства токоограничения преобразователя, уменьшая тормозной ток двигателя и, соответственно, ток батареи до заданного уровня. Таким образом, при увеличении скорости движения обеспечивается автоматическое ограничение зарядного тока аккумуляторной батареи на заданном уровне. Применение предложенного устройства обеспечивает еще одно положительное свойство. Таким образом, в режиме ограничения зарядного тока аккумуляторной батареи при увеличении скорости уменьшается дополнительный механический момент сопротивления, связанный с зарядом аккумуляторной батареи, и повышается комфортность движения.3. “Charging” mode - a driving mode in which the driver is able to set a small braking torque using the pedaling energy when driving to charge the battery. In this case, the charge current of the battery is directly proportional to the set braking torque and the speed of the bicycle from the pedals. With increasing speed, the charge current of the battery also increases. When the battery current exceeds a predetermined value, a signal appears at the output of the comparison device, which, through the communication node, acts on the input of the current limiting device of the converter, reducing the braking current of the motor and, accordingly, the battery current to a predetermined level. Thus, with an increase in the speed of movement, the charging current of the battery is automatically limited to a predetermined level. The use of the proposed device provides another positive property. Thus, in the mode of limiting the charging current of the battery with increasing speed decreases the additional mechanical moment of resistance associated with the charge of the battery, and increases the comfort of movement.

Для повышения мощности приводной установки электрического велосипеда без кардинального изменения конструктивных элементов (толщины обода, диаметра спиц и т.д.) можно установить электродвигатели в оба колеса, и переднее, и заднее, с соответствующими обратимыми преобразователями. Система управления таким велосипедом должна быть верхнего уровня, которая в соответствии с режимом движения сконфигурирована таким образом, что обеспечено следующее распределение моментов (мощностей): при разгоне доминирует заднее колесо, при торможении - переднее.To increase the power of the drive installation of an electric bicycle without a fundamental change in structural elements (rim thickness, diameter of spokes, etc.), electric motors can be installed in both wheels, front and rear, with corresponding reversible converters. The control system of such a bicycle must be of the highest level, which, in accordance with the driving mode, is configured in such a way that the following distribution of moments (powers) is ensured: during acceleration, the rear wheel dominates, and when braking, the front wheel dominates.

Claims (3)

1. Транспортное средство с комбинированным мускульным и электрическим приводом, содержащее колеса, связанный с ними педальный привод, по крайней мере один электродвигатель, связанный с колесом транспортного средства через механическую передачу или непосредственно, и систему управления, включающую в себя обратимый преобразователь, обеспечивающий регулирование скорости и/или момента указанного электродвигателя, источник питания - аккумуляторную батарею и орган управления, включающий в себя переключатель режима работы «движение - свободный ход - зарядка», связанный с задатчиком скорости и тормозного тока, а обратимый преобразователь снабжен датчиком тока потребления от аккумуляторной батареи, задатчиком предельного значения разрядного и зарядного токов аккумуляторной батареи, устройством сравнения фактического и предельного значений тока батареи, выход которого через узел связи воздействует на устройство токоограничения обратимого преобразователя.1. A vehicle with a combined muscular and electric drive, comprising wheels, an associated pedal drive, at least one electric motor connected to the vehicle wheel via mechanical transmission or directly, and a control system including a reversible converter providing speed control and / or the moment of the specified electric motor, the power source is a storage battery and a control element, which includes a “motion - free” operating mode switch “water supply - charging” associated with the speed and braking current setter, and the reversible converter is equipped with a battery current consumption sensor, a setpoint for the limit value of the discharge and charging currents of the battery, a device for comparing the actual and limit values of the battery current, the output of which acts through the communication unit to the current limiting device of a reversible converter. 2. Транспортное средство по п.1, в котором электродвигатели установлены в переднее и заднее колеса.2. The vehicle according to claim 1, in which the electric motors are installed in the front and rear wheels. 3. Транспортное средство по п.2, которое снабжено системой управления, которая в соответствии с режимом движения автоматически обеспечивает такое распределение моментов (мощностей), что при разгоне доминирует заднее колесо, а при торможении - переднее. 3. The vehicle according to claim 2, which is equipped with a control system that, in accordance with the driving mode, automatically provides such a distribution of moments (power) that when accelerating, the rear wheel dominates, and when braking, the front wheel dominates.