一种节能电动车及其驱动、制动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电动车的电源动力设计领域，具体涉及其电源调制产生的周期性时序通断电流、时序供电幅值以及对应电动装置的结构和驱动、制动方法。
【背景技术】
[0002]电动自行车源于在脚踏自行车上加装电源系统助力，满足蹬自行车上坡助力的需求。目前，我国电动自行车已发展为一种纯由电池驱动的行驶工具，据行业披露的数据，我国电动自行车市场保有量已达到1.5亿辆以上。
[0003]随着市场的发展，电动车所配用的电动机也从通用型向专业设计方向发展，新一代专用电机均具有体积小重量轻的优点，其配备的电源控制器也力图运用开关电路，尤其是通过脉冲调制技术降低电机工作过程的无功损耗。目前电动车的动力技术发展主要有两个方向，一是改进电动机专业制造技术，二是改善电动机节能控制，但这两个方向在技术发展思路上都受到了较大局限，例如；
[0004]I)电机:电动自行车习惯配用的是轮毂式电机，市场普遍认为轮毂式电机技术已发展成熟，行业通常使用的电机结构原理大多属于通用型，主要竞争集中在材料和人力成本的控制，较少关注电机变形技术开发带来的应用效能提升。
[0005]2)电机控制:近年市场己普遍应用PWQ技术来控制电机的转速，即占空比可变的脉冲波形，通过其对半导体电力器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相同而宽度不相同的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需的波形。根据其特性，按一定的规则对个脉冲的宽度进行调制，即可改变电路输出电压或输出频率的大小，达到控制电机转速的目的。
[0006]但是，上述电机控制的基本思路，通常仍建立在电动机内部电磁力相互作用模型、绕组结构不改变的基础上，研发主流集中在传统“倒相”所伴随电流相位、电机内部旋转相角带来的相角位控制思想范畴，技术开发收益不尽人意。
[0007]近年来国内外同行均试图开发在轮沿设置原动机构的电动轮，这一思想方法古来有之，中国古代已普遍使用水车，其工作原理并非在水车的轮轴设置旋转动力机，而是沿水车轮页的切线方向在合适的时间给予一杯水(一份势能)，该杯水的下落势能转变成水车环绕轴心旋转的动力。但是，当这一水车模型被平移到电动车领域时，并未获得预期的开发成功。例如市场上一种在车圈外缘设齿并安装输出轴带齿电动机的电动自行车，通过齿轮传递电动机的轴输出动力，这类设计虽有新意，但由于采用传统设计的电动机和常规方式的动力供电，其电能转换效率与轮毂式电机类同，并且在车圈外缘设置电动机会受到功率的限制。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服现有电动车配用单元结构电动机、供电方式局限于逆变电流方向和相角位控制的设计缺陷，提供一种通过电源调制器将直流电源改变为时序供电方式的设计方案，同时电动装置不再采用电动机安装在轮轴位置的流行设计，也无需通过链条传递电动机扭矩，结构简单，转矩大，工艺容易实现。
[0009]本发明提供的一种高效节能的电动车，所述电动车包括电源调制器1、驱动操控装置9a、车架4和至少一个车轮5 ;所述电动车的电源调制器包括电源输入端la、驱动信号输入端Id和时序电流输出端lb，所述的电源输入端电连接电池组8的正负极；所述的电动车至少一个车轮设置电动装置3 ;所述电动装置包括至少一个定子单元3a和至少一个转子单元3b ;所述定子单元安装在靠近车圈6的车架上；所述转子单元设置于车圈上，其由非永磁体的导磁介质固体或软体成形材料制成，且伴随车轮旋转，其与定子单元形成的周期性相对气隙3d不大于10mm ；
[0010]所述电源调制器的时序电流输出端电连接定子单元的内部绕组，驱动信号输入端Id电连接驱动操控装置9a ;所述电源调制器通过驱动操控装置获取用户的指令，并对定子单元的内部绕组输出电流。
[0011]优选的，所述电源调制器的额定功率不超过850W。
[0012]所述转子单元3b设置于车圈上的安装位置包括转子单元嵌合在车圈外缘、内缘或内部以及与车圈实行一体化设计制造；转子单元在不影响安装于车圈的前提下不限形状；若干个转子单元在车圈安装时相间设置，优选均匀排布。
[0013]优选的，所述定子单元3a由至少一组良导线环绕磁介质材料的磁芯而成，其内部线圈绕组可任意串联、并联连接，或通过不同绕组之间引出中间抽头组成多线外接回路；对外电连接的方式可以为两线或多线构成的回路；
[0014]优选的，定子单元内部绕组或若干定子单元组合通电形成的电磁极两极连线12与车轮5的法线10垂直或重合，包括偏转不超过25度角；
[0015]更优选的，若干个定子单元可在靠近车圈6内缘或外缘的车架部位任意组合排布，包括若干所述定子单元3a在车圈6两侧的车架4部位对称安装。
[0016]优选的，所述电动车还包括传感装置，所述传感装置包括若干能感应所述转子单元3b与定子单元3a相对位置的传感单元3c ;所述传感单元与所述电源调制器的传感信号输入端Ic电连接；所述电动车至少在车架4上的前轮或后轮、车轮5的内缘或外缘设置一传感单元；
[0017]优选的，所述传感装置包括定子单元的内部绕组，所述内部绕组包括环绕定子单元磁芯的绕组或由若干定子单元绕组之间串联而成的多线外接回路。
[0018]优选的，所述电动车还包括电磁制动装置9b，所述电源调制器I还包括制动信号输入端le，其电连接电磁制动装置％，通过电磁制动装置获取用户的刹车指令并于相应时序对电动装置的定子单元的内部绕组输出电流。当本发明电动车需要运用电动装置增加电磁制动功能时，所述定子单元相应设置于车圈内缘的车架位置。
[0019]所述驱动操控装置9a可设置为常规旋转把手式、推拉式操纵杆或其他任意手动控制方式，包括外置为遥控。
[0020]本发明中，所述电源调制器将直流电源转换为时序电流，使电动装置中的定子单元被限定在电源调制器设定的时域周期性地通电和断电。
[0021]本发明中，所述电动车包括一个轮或多个轮的电动车以及电动、脚踏两用车；所述设置电动装置的车轮，包括单轮以及同轴紧凑安装两个轮的准单轮结构。
[0022]本发明还公开了一种前述电动车的驱动方法，该方法根据所述转子单元3a和所述定子单元3b的位置关系通过电源调制器I输出时序电流控制车轮转动；
[0023]所述时序根据车轮旋转方向而定义，所述时序电流根据定子单元电磁场在车圈上的有效作用区间结合车轮上的转子单元个数而设置若干个通断周期T，每个通断周期T包括供电时域和断电时域；所述供电时域位于10度< Θ < 90度相应的时间段，Z Θ为转子单元在车轮上绕轴所受定子单元电磁场吸引力与其法向分力的方向所形成的动态夹角，所述供电时域的电流不限波形、频率及占空比；
[0024]所述断电时域内电源调制器I不输出电流。
[0025]优选的，所述电源调制器在供电时域内至少包括两段不同电流幅值不同的子时域，且顺时序呈幅度依次变小，供电时域或其子时域的幅值随时序呈线性递减关系；
[0026]或呈2K递减关系，所述的指数K取值0.1至0.99 ;
[0027]或为如下关系:It/A= (10-1g) Sin Θ，其中I。为起始通电强度，Ig为通电终止时刻的电流强度。
[0028]优选的，所述通电时域T1内初始的电流、电压或定子单元的磁通强度由传感装置获取行车速度实时值结合驱动操控装置9a给出的指令而调整。
[0029]优选的，所述方法还包括校正步骤；所述校正步骤为将定子单元与转子单元周期性隔气隙相对、处于同一法线的状态(Z Θ为O)作为基准座标和基准时间，当转子单元每次前转至基准座标时，电源调制器进行一次时间归O校准并记录本次周期时间，通过与上次转子单元前转至基准座标的周期时间比较，从而获知旋转周期时间和车速，并控制输出电流。
[0030]本发明还公开了所述电动车的制动方法，该方法根据所述转子单元趋近定子单元、转子单元和定子单元处同一法线相对(Z Θ为O)以及处于远离状态的至少一个时域中，通过操控电磁制动装置9b使电源调制器I输出时序电流控制车轮制动；
[0031]所述时序根据车轮旋转方向而定义；所述转子单元趋近定子单元为O < Θ < 30度相应的时间段，Z Θ为转子单元在车圈上绕轴所受定子单元电磁场吸引力与其法向分力的方向所形成的动态夹角。
[0032]优选的，所述方法还包括校正步骤，所述校正步骤将Θ为O作为基准座标和基准时间，通过传感装置获知转子单元趋近/相对/远离定子单元的位置状态。
[0033]优选的，所述输出电流控制步骤包括:
[0034]I)驱动操控装置9a对电源调制器I无输入指令时，电源调制器休眠；
[0035]2)驱动操控装置9a给出加速指令时，电源调制器I相应输出时序电流；
[0036]3)当车速或通电频率达到设定的阈值时，所述的电源调制器断电。
[0037]本发明针对电动车的应用特点，对动力电源植入优化的数控编程技术，明确了动力电流的供电时序周期T及其内部通电时域的子集强度特点和断电时域等工作逻辑构成，使之可运用设定的时序逻辑电流实现高效节电。
[0038]本发明的电动装置在机械结构上并不象传统电动机那样设计为单元结构形式，所述定子单元在车架上固连可类比于电动机的定子，可设置一个或若干个；所述转子单元与车圈组合可类比于电动机的转子，同样可设置一个或若干个；伴随车轮周期性旋转，转子单元与定子单元会形成周期性的磁相互作用，由于传感装置总是被周期性感应，电源调制器从其获得的信号通过数据总线实时处理，可判知转子单元与定子单元的相对位置，从而相应发出具有规律性的时序电流。
[0039]上述设计可带来了两项明显的节电效益:一是电动装置中的定子单元3a被限定在电源调制器设定的时域周期性地通电工作，在不需要工作的时域休眠，既节省了电能又减少了通电积热；二是在电源调制器设定的工作周期内，通电强度呈设定的规律性变化及中断，使电能的使用效率进一步提闻，通电积热进一步减少。
[0040]本发明适合于制造节能型电动车，