一种节能电动车及其驱动、制动方法_3

文档序号:9855781阅读:来源:国知局
; 2个通电强度随时序递减的子集,例如设置两段后阶恒定电流比前阶恒定电流小的子集、5阶段强度依次递减恒定电流构成的子集,利用脉冲数字技术设置m为30、3K或30Κ幅值依次递减构成的子集等等;该优选方案有别于通过驱动操控装置9a减少电流平均强度对电动装置的作用效果,因为人工操控的最佳电流值总存在实时微偏差,不可能在极短时间内按优选方式及时降流而充分节省电能。所述通电强度/幅值随时序递减,包括了 T1时序启动时设置最大值,或启动不超过!/3时域达到最大值,之后随时序以任意方式递减,至T1时序终止时设置最小值或归O。通电强度/幅值随时序递减的技术方案众多,例如设置为随时序线性递减,也可设置为由最大值按2K关系时序递减,K取值范围为0.1至0.99的正数,等等;图6b是一种两阶恒流随时序递减的设计方案,图6c是一种首阶电流恒定、二阶电流呈曲线递减的设计方案,图6d是一种多阶电流呈连续递减的设计方案,其多阶电流强度的幅值包络越接近It/A= (10-1g)Sine的优选关系,节电效果越好;图6e是一种通电时序终止时刻的电流不为O、其间强度随时序递减的幅值包络趋势示意图。
[0074]对一个定子单元3a组合一个转子单元3b的简单分析例来说,转子单元绕轴周期大部分时间不处于定子单元的电磁力作用有效区间,编程时应首先考虑电流时序周期T内的中断时间T。,进而优选断电时间T2和驱动通电时间T1,提高电能的利用率,图6f是本简单分析例的一种驱动通电的时序逻辑示意图。
[0075]对一个定子单元3a组合η个转子单元3b的分析例来说,定子单元3a对应车圈一个旋转周期η是与η个转子单元发生电磁作用,电源调制器I优选发出η个周期为T的通电时序,对应车圈一个旋转周期有η个Tpn个T2以及η个Τ。的时序工作逻辑,这种组合设计对电源调制器提出了较高要求。转子单元并非设置越多越好,其在车圈上的数目η受限于所受定子单元电磁力有效作用区间相应的空间占位,否则电源调制器对应输出的时序电流周期会重叠。
[0076]图7a是一个定子单元组合8个转子单元的结构示意简图,定子单元在车圈一个旋转周期η分别与8个转子单元发生磁作用,电源调制器I对应的理论时序电流划分为8个(WT0)周期,图7b标示了一种设定T为/8时、在车圈旋转方向对应的T1' T2和T0示意时域,图7c为其中一个周期T的通电逻辑示意图。图8是一个定子单元组合12个转子单元的结构示意简图,定子单元在车圈一个旋转周期分别与12个转子单元发生电磁力作用。
[0077]图9所示的是两个定子单元对应8个转子单元的结构示意简图,在车轮旋转周期中,电源调制器要为两个定子单元分别提供8个周期为(Ti+L+T。)的时序电流,这种组合对电源调制器提出了更高的设计要求。进一步可选择3个定子单元组合8个转子单元、6个定子单元组合12个转子单元,等等。理论上当H个定子单元组合η个转子单元设计时,如果电源调制器对H个定子单元绕组分立供电,需对应设计η*Η个(TAT2+!;)电流时序,编程将十分复杂;因此在多个定子单元的实用系统设计中,优选H个定子单元绕组电串联组合,或H个定子单元绕组分为若干组外接电源调制器,例如4个定子单元的内部绕组串联,串联绕组中间引出抽头共三根线对外电连接电源调制器,技术上还可利用该三根线两两比较的微分电位的不同,作为一种判别转子单元相对位置的信号源,替代独立设置的传感单元。
[0078]理论上,也可以在车圈安装一个转子单元与车架上若干个定子单元组合,但这种等效设计在技术上虽可实施,但因定子单元的造价相对较高,非优选方案。
[0079]电源调制器I可用常规开关电路设计或脉冲数字技术实现,优选后者,后者的基础功能模块一般包括电源变换电路、内存贮有工作程序的微处理器和信号输入输出电路,能通过传感单元3c反馈信号相应地控制驱动模块输出的时序电流,对电动装置3进行动态控制,其工作逻辑如图5a简示,图5b是一种实现电源调制器基本功能的数字技术逻辑的模块组合示意图。
[0080]综上,所述的电源调制器I是一个包括两级周期/频率设计的逻辑电源开关系统,一是T1通电时域内m个子集的周期/频率设计,该频率越高越利于迫近理论节电优化的幅值递减关系设计;二是时序通电周期/频率,反映了单位时间内定子单元3a对转子单元3b的通电作用次数,该时序频率间接定义了车速及定子单元所需要的通电幅值或电磁力(源于电源调制器I向定子单元的绕组通电),因为T1通电时域的幅值越大,单位时间内定子单元通电对转子单元的作用力越大、作用次数越多,其结果反映了车速越快。电源调制器I所输出电流的时序频率,与车圈旋转周期隐含的(Ti+L+T。)时序作用次数、通电平均强度以及车速是相互对应的诸物理量关系,因此当电源调制器的诸多设定条件进入逻辑工作状态后,控制了时序通电的频率也就是控制了车速。该人工控制车速是通过驱动操控装置9a电连接电源调制器的输入端Id来实现,电源调制器可安装在车架上的任意位置。
[0081]对技术要求较高的电动车应增设电磁力刹车功能,电源调制器相应增设刹车信号输入端Ie与电磁制动装置%电连接,如图5c所示。从安全第一的设计理念出发,不仅T2时域启动通电,而且优选T。的部分或全部时域相应同步变换为通电工作逻辑,增强制动效果,同时不必为电动车制动通电的节能问题过多考虑。电磁制动装置9b可设置为一个连续或多级变阻器,其功能为控制电源调制器所输出的制动电流强度,电流强度越大,电磁制动效果越好。
[0082]定子单元在车架上的设置要点,是要使转子单元在周期性旋转中与其形成两者有效发生磁作用必须的相对气隙3d,该气隙是定子单元向转子单元传递电磁力作用的能量通道,气隙越小越有利于磁能量作用传递,但气隙过小易发生机械接触,设计时需综合把握材料的刚性和机械加工精度。
[0083]电动装置至少安装在电动车的一个车轮,所述车轮包括单轮以及同轴紧凑安装两个车轮的准单轮结构。图1所示电动两轮车的电动装置布局是转子单元设置在车圈外缘、定子单元设置在车圈内缘车架上的一种示例,该布局也可改变为定子单元设置在车圈外缘车架上的结构;需注意,当定子单元设置于车圈外缘时,转子单元受到电磁力的法向分力是背离轴心,无相应的电磁力制动功能。
[0084]传感单元3c优选设置在隔气隙与转子单元周期性相对的车圈内车架位置,也可设置在车圈外,对两轮车甚至可以安装在另一个车圈位置,因为两个车圈总是同步旋转,从一个轮采集的旋转位置信号可间接反映另一个轮的相对同步状态。
[0085]一般电动车的控制单元2包括照明灯、转弯/刹车信号灯、音鸣控制等常规使用功能,由若干个电连接电池组的电源开关组成,该类电源开关可单独设置,亦可将相关功能植入电源调制器系统实现,共用数据母线统一编程。
[0086]驱动操控装置9a的传统产品为一个变形设计的、人工易操控的变阻器或电位器,伴随近年的技术发展,不少建立在光敏、霍尔控制原理基础上的专用操控装置日趋成熟,这类产品一般设计为常规旋转把手式,亦可设计为推拉式操纵杆或其他任意手动控制方式,包括遥控方式。
[0087]本发明电动车由于使用了导磁体为磁载体基材并配备时序电流控制的方案,脚踏不再像使用普通轮毂式电动机的电动车那样具有阻尼,适合加装脚踏功能,例如在骑座下设置有脚踏大链轮,通过链条与设置在后轮轴的飞轮相连接,使之成为电动、脚踏两用的电动车。本发明优选例仅为推荐,若干技术方案可组合并用,可部分使用也可加入其他成熟技术。只要根据电动装置的磁流能量特点,通过对电源调制器I设计可精确控制的时序电流,即可实现本发明方案的基本技术目标。
[0088]对电动车以及电动机技术较深入了解的专业人士,都不难在本发明所述的方案基础上,举一反三地变形实施本
【发明内容】
。例如在现有市场的脉冲直流电动机基础上,通过传感方式的改变以及控制器电流程序变换来部分实施本发明。本发明所述电源调制器的电流时序控制方法和通电时域的幅值递减设计特征、电动装置的基础结构方案及其衍生的技术变形实施,均应被列入本发明的保护范围。
[0089]实施例1、
[0090]一种前后两轮结构的大众款助力型电动自行车,选用如图1所示的轻便型车架4,选用周长为100mm的车轮5,电动装置3设计为一个转子单元3b与一个定子单元3a的组合,安装在电动自行车的后轮上,电池组8选用磷酸铁锂电池,不专设电池箱,电池组8安装在车架4的横杠内。
[0091]转子单元3b选择市场易于采购的铁磁体,加工成盒型小单元,长度为15_,宽度在不影响车圈外橡胶轮的情况下取最大值,紧密安装在钛铝合金材料制成的车圈6的外缘;定子单元3a的绕芯材料选择市场易于采购的凹形铁磁体,这种铁磁体内部存在较多磁畴,在外磁场作用下磁畴易转向产生与外磁场方向一致且强得多的附加磁场,凹形绕芯下部加工成与车圈对应的圆弧形,线圈绕组由一根直径0.50mm的铜线环绕凹形磁芯38圈而成,安装要点:通过外加螺丝将定子单元固连在靠近车圈内缘的车架4部位,凹形绕芯上部正对车圈6的内缘(如图3c所示),与车圈内缘形成8mm的间隔,两端对应同轴车圈6占位30度角。
[0092]设定最大时速约20km/h即5.6m/s,计取限速对应的车轮5旋转周期时间为180ms,即(WT0)时序周期最小值为180ms,设定T1: (T2+T。)为1:35,即最大时速对应的驱动通电时间T1取值5ms,其余175ms均为断电;电源调制器对应最大时速输出的电流强度在额定电压24V时为16A,该电流值是一个根据整车重量、驾驶员额定体重结合电动装置设计并经实验校准的值,以实验值为准。
[0093]电源调制器I通过常规电子控制线路实现,设计最大过载功率450W,其电源输入端Ia电连接电池组8的正负极,时序驱动电流输出端Ib电连接定子单元3a的线圈绕组,行车信号输入端Id电连接驱动操控装置9a,感应信号输入端Ic电连接传感单元3c。传感单元3c由一个磁电感应绕组构成,通过外加螺丝将传感单元固连在靠近后轮车圈6内缘的车架4部位。
[0094]该电动自行车外置的驱动操控装置9a采用无级变阻的旋转式电位器,常规把手式,通过与电子控制线路的配套设计,可通过改变阻值实时控制电源调制器I输出的电流强度
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