使用感测的空气速度的电动自行车马达的制作方法

使用感测的空气速度的电动自行车马达的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种使用感测的空气速度的电动自行车马达。描述一种电动自行车，所述电动自行车包括用于感测自行车处的空气速度的空气速度传感器、向自行车施加原动力的电动马达以及可操作地连接到马达的控制器，所述控制器使用空气速度传感器所感测的空气速度来控制电动马达。所述控制器包括针对马达的输出功率设定的电动马达参数。电动马达参数可以是自行车速度。控制器还可使用地面坡度来确定将由马达输出的用于辅助驱动自行车的功率。控制器可使用地面坡度来确定将由马达输出的用于为自行车中的电池充电的功率。控制器可以将马达辅助的功率设置为在较强的逆风中比在较弱的逆风中更大。控制器使用骑行者体重和骑行者身高作为用于控制马达的参数。
【专利说明】
使用感测的空气速度的电动自行车马达
技术领域
[0001 ]本公开涉及一种具有电动马达的自行车，更具体地，涉及一种在控制结构和方法中使用空气速度的自行车。
【背景技术】
[0002]电动自行车使用电动马达来减小骑行者蹬踏板所需的力。电动马达将动力传递到连接至自行车的人力驱动系统的电力驱动系统。

【发明内容】

[0003]描述了一种电动自行车，所述电动自行车使用多个传感器输入来控制用于驱动自行车的电动马达辅助的量。传感器的一个示例为用于感测自行车处的空气速度的空气速度传感器。控制器可操作地连接到马达，并使用传感器输入(例如，由空气速度传感器感测的空气速度)来控制电动马达。
[0004]在一个示例中，控制器具有针对马达的输出功率设定的电动马达参数。在一个示例中，所述电动马达参数是自行车速度。
[0005]在一个示例中，控制器使用地面坡度来确定将由马达输出的用于辅助驱动自行车的功率。在一个示例中，控制器使用自行车道坡度(例如，地面坡度)来确定将由马达输出的用于为自行车中的电池充电的功率。在一个示例中，控制器将马达辅助的功率设置为在较大的逆风中比在较小的逆风中更大。
[0006]在一个示例中，控制器使用骑行者体重和骑行者身高作为用于控制马达的参数。
[0007]还描述了电动自行车方法。一种方法可包括:设置骑行者的施力水平;感测自行车处的相对的空气速度;基于所感测的空气速度，使用电动马达来辅助骑行者的施力水平。在一个示例中，辅助骑行者的施力水平包括:基于所述空气速度，保持基本恒定的骑行者的施力水平。在一个示例中，辅助骑行者的施力水平包括:感测自行车道的坡度，并基于所述坡度调节电动马达辅助。在一个示例中，辅助骑行者的施力水平包括:当自行车道相对于平坦的自行车道为上坡时，按至少两倍来增加电动马达辅助。在一个示例中，辅助骑行者的施力水平包括:在自行车道相对于平坦的自行车道为下坡的情况下，使用电动马达为电池充电。
[0008]还描述一种电动自行车方法，包括:设置骑行者的施力水平;感测自行车处的相对的空气速度;基于相对的空气速度，使用电动马达来辅助骑行者的施力水平。
[0009]还描述一种用于包括马达的电动自行车的控制系统，所述控制系统包括:控制器，被配置为基于相对于自行车的空气速度来改变马达的功率输出，使得随着空气速度的增大，所述功率输出增加。
[0010]在一个示例中，所述控制器被进一步配置为:改变功率输出，使得随着空气速度的减小，所述功率输出减小。
[0011 ]在一个示例中，所述控制器被进一步配置为:基于自行车的倾斜度来改变所述功率输出。
[0012]在一个示例中，所述控制器被进一步配置为:基于自行车的骑行者的体重来改变所述功率输出。
[0013]在一个示例中，所述控制器被进一步配置为:基于自行车的骑行者的身高来改变所述功率输出。
【附图说明】
[0014]图1是根据实施例的电动自行车的视图；
[0015]图2是根据实施例的电动自行车的示意图；
[0016]图3是根据实施例的电动自行车的示意图；
[0017]图4是根据实施例的电动自行车方法的流程图。
【具体实施方式】
[0018]根据需要，在此公开了本发明的详细实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅为可以以各种和替代的形式实施的本发明的示例。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应该被解释为限制，而仅为用于教导本领域技术人员以各种形式应用本发明的代表性基础。
[0019]自行车(也称为脚踏车或单车)是这样一种车辆，它提供了人力驱动(通常为踏板驱动)的方式来推进车辆。自行车通常为单辙车辆，具有连接到车架的两个车轮，其中一个车轮在另一个车轮的后面。自行车通常具有动力驱动的后轮和自由旋转的可转动的前轮。然而，前轮驱动的自行车也在本公开的范围之内。术语自行车通常是指具有两个(二)圆形布置(轮子)的车辆，但是，本专利申请中所使用的术语自行车也可被认为扩大到具有两个并排的动力驱动的车轮和/或两个并排的自由旋转的车轮或者其它布置的自由车轮和驱动车轮的三轮车和四轮车。术语自行车还可包括具有用于提供稳定性的附加车轮(诸如，稳定器车轮、外伸支架车轮或辅助车轮)的车辆。
[0020]自行车还可包括补充的推进形式，诸如马达(有时称为电动自行车或电动车)或发动机。然而，类似于自行车但没有人力驱动的推进装置的马达或发动机驱动的车辆将被认为是摩托车而不是自行车。如本专利申请中所使用的术语自行车不包括摩托车或类似车辆。
[0021]本公开的示例性实施例包括具有空气速度传感器的电力辅助自行车，所述空气速度传感器确定自行车处的空气速度。所述空气速度可以被用在控制算法中来提供辅助驱动自行车的电功率。
[0022]图1示出了具有车架12的自行车10。车架12限定悬架14、下管16和头管18。车架12的悬架14连接到下管16。车架12的头管18连接到下管16。车架12不具有上管。车架12还可具有用于支撑车座22的车座支撑件20。车座支撑件20可以靠近悬架14连接到下管16，车座支撑件20可以仅连接到悬架14，或者车座支撑件可连接到悬架14和下管16两者。在一个示例中，车座支撑件20中可存放电池。
[0023]可转向的前叉24可用于支撑前轮26。本专利申请中所使用的术语车轮可包括轮胎、轮辋和用于支撑轮胎和轮辋的支撑结构(诸如辐条等)。立管(stem)28可将前叉24连接到一组车把30。立管28可部分地设置在头管18内，并且可具有夹在立管28和头管18的内表面之间的轴承，以允许车把30转动前叉24和前轮26。还可使用前减震器32或前悬挂系统32来在车把30和前轮26之间提供衰减振动。前减震器32可以与前叉24和立管28串联设置或设置在前叉24和立管28之间。
[0024]车座支撑件20的便携式部分(也称为可拆卸的组件)可包括可拆除的支撑件、车座组件22(在此也称为车座22)和座杆。如在此更详细地描述的，座杆可被收缩到可拆除的支撑件中。具体地，座杆可通过座杆锁被解锁。另外，车座22可包括可在铰接接头(未示出)处可折叠的两个车座部分或座翼(flap)22a、22b。尽管图1中未示出，但是车座组件22可包括被构造为锁定和解锁这两个车座部分22a、22b(即，允许车座处于折叠和展开状态)的车座锁。车座锁(未示出)可将车座保持在展开状态，允许车座22保持住骑行者的重量，并防止车座在接头处折叠。车座组件22可包括用于调节车座22的角度偏移(例如，相对于座杆54的竖直位置)的座杆铰链。可拆除的壳体可被构造为罩住自行车10的某些动力元件(诸如，电池、齿轮、马达、电线、控制器和附接机构)。因此，在使用后，车主/用户可拆掉便携式部分，并将车座组件22和包含贵重的动力部件的壳体52随身携带。在第14/635，432号美国专利申请中更详细地描述了示例性的可拆卸的组件，该美国专利申请在此通过引用并入本文用于任何用途。
[0025]踏板50(仅示出了其中一个)可各自连接到关联的踏板臂48，并且可被构造为(例如，通过曲柄)驱动或推进自行车10。用户可推动踏板50以使连接到驱动轴84的齿轮旋转从而驱动后轮62前进。此外或可选地，除在踏板50处的用户交互之外，或者在踏板50处没有用户交互的情况下，动力源(诸如电池和电动马达)也可推进车辆。电池可被保持在车座支撑件的壳体中。
[0026]后支撑件(rearstay)60可将后轮62连接到车架12。后支撑件60关于悬架14枢转地连接。后支撑件60可围绕曲柄40枢转地连接到车架12，并且还可连接到支撑后轮62的轮毂68。齿轮箱/电动马达组件76可设置在后轮毂68中。齿轮箱/电动马达组件76可被构造为为自行车10提供多个速度和/或原动力。齿轮箱/电动马达组件76可被构造为为自行车10提供至少两个速度。
[0027]空气速度传感器101位于自行车上，这里示出为在头管18上。空气速度传感器101可位于自行车上的其它位置(例如，车把30或车架的其它部分)。空气速度传感器101还可以是安装到自行车的电气装置的部件。电气装置的示例是移动电话或其它便携式电子装置。空气速度传感器101可以是仪表或用于显示自行车10处的空气速度的其它仪器。在一个示例中，空气速度传感器101可以确定相对的空气速度或真实的空气速度(例如，以海里每小时、英里每小时或其它每单位时间的距离计)。空气速度传感器101可以是压力读数以速度单位表示的差压计。从皮托管的冲压空气压力(ram air pressure )或滞止压力(stagnat1n pressure)与静态压力之间的差来得到空气速度。皮托管面向前方安装。静态压力通常在自行车的一侧或两侧上的静态口处检测得到。两个压力源可被组合在单探头、皮托静压管中。
[0028]图2示出了包括控制器201的电动自行车200，控制器201电连接到电池203，并且控制被供应到辅助驱动至少一个自行车车轮207的电动马达205的电能。电池203和马达205可安装在自行车的车架上或车架中。电池203可通过车轮207驱动电动马达205而被充电。电池203还可通过可以连接到电源213的充电器211而被充电。电源213可以外接到自行车，并且电源213可以是公用电源(例如，AC或其它电源)。充电器211可以将来自电源213的电信号转换成可为电池203充电的信号。
[0029]控制器201还连接至空气速度传感器218和其它传感器220。空气速度传感器218将空气速度数据提供至控制器201，所述控制器201可使用空气速度来控制电动马达的运转和对骑自行车的骑行者的动力辅助。其它传感器220可将其它信息提供至控制器201。传感器220的示例可以是倾斜传感器(例如，倾角传感器)、速度传感器以及感测踏板曲柄或车轮的每分钟转数(或其它旋转数据)、马达或车轮处的扭矩、电池统计数据、控制器和其它外部通信装置之间的通信连接、充电器的充电状态等的其它传感器。
[0030]图3示出了电动自行车系统300的实施例和一些它的部件，所述电动自行车系统300包括具有各种电气部件的自行车301，并包括便携式电子装置303。自行车301包括电池和空气速度传感器。电子装置303电连接至电动自行车301。可以在自行车301和装置303之间交换信息，并且所述信息可包括关于电动自行车301的操作数据、用于电动自行车301的控制数据和多个操作程序(例如，锻炼、通勤、旅行、越野等)。电子装置303基于来自电动自行车301的操作数据和来自电子装置303的控制数据来控制电动自行车301的多个操作。在本方面的特定实施例中，电子装置303基于来自电动自行车301的操作数据来监控电动自行车301的多个操作，以确定电动自行车301的状态。显示器305可连接到电子装置303，以提供自行车骑行者所关注的信息(例如，动力辅助、电池电量、到电池耗尽的时间、自行车的倾斜度和空气速度)。输入(例如，传感器或计算的数据)307被提供到装置303。在一个示例中，空气速度传感器是输入，并且不固定到自行车。在另一示例中，空气速度传感器固定到自行车301。
[0031 ] 监控装置309可被可操作地连接到装置303，以监控自行车301上的自行车骑行者的身体状况。监控装置309可产生数据，并且直接与装置303通信所监控的数据，或者通过电动自行车301与装置303通信所监控的数据。自行车骑行者可以使用多个操作程序来骑电动自行车301，以达到期望的结果。在一个示例中，监控装置309可监控骑行者的心率、汗液、卡路里或其它生理数据。监控装置309或处理装置303可通过骑行者来存储其它数据(诸如，体重、骑行时间和/或目标工作地)。
[0032]显示器305可将信息显示给骑行者。信息的示例包括至自行车的输入和输出、装置303的状态和电动自行车301的状态(包括功率、电池状态、RPM、加速度、空气速度、倾斜度和速度)。自行车骑行者可通过显示器来检查他/她自身和电动自行车301的状态。显示在显示器上的信息可以被实时地显示。
[0033]电子装置303基于来自监控装置309的监控数据、来自电动自动车301的操作数据(例如，空气速度)以及存储在装置303中的其它控制数据来控制电动自行车301的多个操作。电动自行车301的多个操作可包括功率输出水平、换挡、RPM、速度、加速度、电力消耗、电池电力状态等。
[0034]可控制电动自行车301的多个操作，以提供来自电池的任何目标功率消耗或由自行车骑行者输入的目标功率。可将自行车骑行者的工作负荷保持在单一的目标值，或者可根据时间和位置的预定计划来控制自行车骑行者的工作负荷。这个计划可被存储在电子装置303中。
[0035]电子装置303可包括个人数字助理、便携式电话、智能电话、便携式计算装置、平板电脑以及可使用规则和指令来处理输入的其它电路。在一个示例中，显示器305可以与电子装置303集成。电子装置303和电动自行车301可通过无线通信(例如，蓝牙、WIF1、蜂窝或其它无线通信)彼此通信。电子装置303可以通过有线连接(例如，以太网、USB、Firewire(火线)、数字影音、Thunderbolt(雷电)等)与电动自行车301通信。
[0036]电动自行车301的功率可以由电子装置(信息处理器)303控制，以保持目标值(例如，速度、目标心率、电力消耗、电池寿命或其它)。
[0037]电子装置303可以通过网络311与其它装置通信。网络311可包括全球计算机网络(例如，互联网、局域网、个人电脑和/或服务器)。多个操作程序中的每个可通过装置303利用网络311进行实时下载。例如，装置303可通过无线连接或有线连接(例如，蜂窝、WiFi等)连接到网络。
[0038]装置303还可包括导航定位系统，例如，全球定位系统(GPS)、伽利略系统、GPSIIF系统、北斗、C0MPASS、GL0NASS(格洛纳斯)、印度区域导航卫星系统(IRNSS)或QZSS(准天顶卫星系统)，或其它基于卫星的定位系统。目标操作程序可包括使用来自导航系统的数据的信息。导航定位系统可以是由装置303使用的另外的传感器数据。
[0039]另外的传感器220可包括倾角传感器，所述倾角传感器可以测量两个轴的参考平面在两个轴的倾角。在一个示例中，由自行车的车架限定所述参考平面。传感器220可包括全运动传感器，所述全运动传感器将使用至少三个轴并且通常将使用额外的传感器。测量关于地球地平面的倾斜角的一种方式是使用加速度计。这些传感器还可测量自行车的俯仰和侧倾。这些传感器可以是MEMS (Micro Electro Mechanical System，微电子机械系统)装置。
[0040]图4示出了电动自行车的操作过程400。在401处，将骑行者数据存储在例如装置201或303中。骑行者数据可包括骑行者的体重和身高。在403处，设置骑行者将贡献给自行车的原动力的施力的量。在一个示例中，骑行者可设置马达将提供用于使自行车运动的功率的量。功率的量可被设置为特定的瓦特水平或被设置为在行程达到设定量之后剩余的电池功率的水平。例如，电池功率可被设置为在骑行结束时具有电池满电量的一半，或者当自行车到达目的地时电池功率基本为零。目的地可以由骑行者输入或者可以是先前存储的(例如，家、工作地、办公室、杂货店、酒吧、咖啡店或其它经常骑行去的目的地)。
[0041]在405处，使用设置的骑行者的施力和骑行者数据来将控制信号发送到电动马达，以使用来自电池的电能驱动马达。步骤405还可接收空气速度数据409，并使用空气速度来计算将被供应至马达的功率。在407处，马达使用所计算的辅助量来辅助自行车的原动力。
[0042]在411处，可选地，倾角或倾斜度数据可被提供到步骤405，并且可被用于确定马达的辅助量。
[0043]现在将描述使用在此描述的结构和方法400的具体示例。将骑行者的体重和身高存储在系统中，并且骑行者的体重和身高可用作控制算法的输入。可设置骑行者的施力的水平并将其存储在系统中。对于这种骑行，骑行者的施力可以是固定的。接着，控制算法改变来自马达和电池的辅助量，以在用户的施力是固定的情况下保持速度。空气速度传感器可提供空气速度。算法使用空气速度数据来改变辅助量。例如，当自行车经历强的逆风时，提供更大的马达辅助。在相对平坦的路面上，骑行者的施力设置为100瓦特。马达辅助可以是没有风时的两倍(例如，200瓦特对100瓦特)。如果逆风停止或者减半，则马达辅助的量减少一半或减少四分之一。
[0044]控制算法可使用倾角传感器和风速传感器，以使用自行车倾斜度和空气速度两者来确定马达辅助的量。算法可使用自行车道(例如，公路或小路)海拔和自行车道海拔的变化来确定马达辅助。再次设置骑行者输入。这次可以相对于无逆风和平坦的自行车道的情况进行设置。当自行车在上坡时(这可以由传感器确定)，自行车需要马达提供更多功率来保持相同的骑行者输入的水平，从而保持相似的速度。这里，当算法测量到坡度增大时，算法保持骑行者的施力并增加来自马达的功率输入。在一个示例中，上坡的坡度是5%。骑行者输入是恒定的(例如，100瓦特)，并且马达输入是在平坦的自行车道上的马达输入的至少两倍(例如，200-250瓦特)。在一个示例中，自行车道上坡会使马达辅助增加到在平坦的自行车道上的马达辅助的2.5倍或3倍。然而，马达辅助的量可以部分地取决于骑行者的体重。
[0045]当自行车在自行车道上下坡时，自行车通常会在重力提供原动力的情况下靠惯性滑行。自行车可在重力的作用下随时间加速。这里，使用控制算法的控制器可将马达切换到再生模式。再生模式允许马达产生电能从而为电池充电。这里，骑行者输入可保持相同或者减少因在自行车道上下坡而由重力提供的动力能的量。在另一示例中，预期骑行者将提供与在平坦的道路或上坡时使用的能量输入相同的能量输入(例如，100瓦特)。如果骑行者保持所述能量输入，则下坡能量用于为电池充电。
[0046]在强逆风的情况下，空气压力传感器测量相对于自行车速度的风速。控制器或算法计算即使在逆风的情况下也保持所述骑行者的施力同时还保持相对恒定的速度所需的马达输入。在所有的平坦的自行车道、上坡的自行车道和下坡的自行车道上都感测逆风。空气速度可用在这些使用情况中的任意一种中，以确定马达辅助的量。
[0047]以上算法示例可使用骑行者的体重和身高来估计风对自行车速度和马达所需输入的影响。较高的骑行者相比于较矮的骑行者会更招风并且需要更多的马达辅助。较大的骑行者相比于较小的骑行者由于风的影响较大而会更招风并且需要更多的马达辅助。较重的骑行者相比于较轻的骑行者会需要更多的马达辅助。
[0048]本说明书使用恒定的骑行者输入或固定的骑行者的施力来描述输入到自行车的用于使自行车运动的功率。然而，在每个时间段中，固定的或恒定的功率不是不变的。在此用于描述骑行者的施力的“恒定的”或“固定的”是指在施力的包络线之内(例如，+/-2.0%、5.0%或高达+/-10% (或在2%和10%之间的任意百分比))。控制器不会增大或减小辅助的量，直到骑行者的施力延及到限定恒定的或固定的骑行者的施力的范围之外为止。
[0049]控制器和控制算法使用用于控制电动马达的电动马达参数。在本说明书中使用了这样的电动马达参数的示例，但本公开并不限于这些具体的示例。电动马达参数的示例包括马达的输出功率、电池剩余电力、自行车速度、空气速度、骑行者的体型、自行车道的上坡/下坡及其它。
[0050]在此使用的空气速度可以是相对于自行车的速度的逆风速度。自行车运动得越快，有效的逆风速度越大。可以从测量的逆风中减去由自行车的运动产生的逆风，以获得在控制器或控制算法中使用的真实的逆风。在一个示例中，空气速度传感器通过使用各种差动测量来测量真实的空气速度。
[0051]马达被控制为提供至少四种水平的辅助。第一，没有马达辅助。第二，骑行者蹬踏板以提供恒定的功率输入，而马达提供可变的功率辅助。所述可变的功率辅助可以是基于相对于自行车的速度的空气速度的。第三种辅助是提供再生模式的负的辅助。负的辅助产生电能以为电池充电。第四种模式是在骑行者蹬踏板的情况下的负的辅助，这也可为电池充电。
[0052]本公开的实施例通常提供多个电路或其它电气装置。对电路和其它电气装置以及各自提供的功能的所有引用并不意味着限于仅包含本文中示出和描述的。虽然公开的各种电路或其它电气装置会分配特定的标签，但这些标签并不意味着限制这些电路和其它电气装置的操作的范围。基于期望的电气的/操作的实施方式的特定类型，这些电路和其它电气装置可以彼此组合和/或以任何方式分开。应认识到，在此公开的任何电路或其它电气装置可包括任意数量的微处理器、可编程的逻辑阵列、集成电路、存储装置(例如，闪存、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(R0M)、电可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)或它们的其它合适的变型)以及指令(例如，软件)，它们彼此协作以执行在此公开的操作。此外，任何一个或更多个电气装置可被配置为执行在计算机可读介质中体现的计算机程序，所述计算机可读介质被配置为执行所公开的任意数量的功能和特征。所述计算机可读介质可以是非临时性的或者是机器或电气部件可读的任意形式。
[0053]本公开为电动自行车提供允许骑行者设置施力水平并保持设定速度的控制。施力水平可被设置为使得骑行者能够到达目的地并且不会过多出汗或过度疲劳。在另一示例中，骑行者可设置辅助的水平，从而在整个骑行中通过一些电动马达辅助来最大程度地使用电池中的电能。在另一个示例中，马达辅助可被设置为在前往目的地的途中比回家的途中更大。这些益处提供增强的骑行者体验，并且可提高电动自行车的接受度，这可对环境和骑行者的健康有益。
[0054]虽然以上描述了示例性实施例，但是并不意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。更确切地，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制，并且应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可做出各种改变。另外，可组合各种实施的实施例的特征以形成本发明的进一步的实施例。
【主权项】
1.一种电动自行车，包括: 空气速度传感器，用于感测所述自行车处的空气速度； 电动马达，用于向所述自行车施加原动力； 控制器，可操作地连接到所述马达，所述控制器利用由空气速度传感器感测的空气速度来控制电动马达。2.根据权利要求1所述的电动自行车，其中，所述控制器具有针对所述电动马达的输出功率设定的电动马达参数。3.根据权利要求2所述的电动自行车，其中，所述电动马达参数是自行车速度。4.根据权利要求3所述的电动自行车，其中，所述控制器使用地面坡度来确定将由马达输出的用于辅助驱动自行车的功率。5.根据权利要求4所述的电动自行车，其中，所述控制器使用地面坡度来确定将由马达输出的用于为所述自行车中的电池充电的功率。6.根据权利要求5所述的电动自行车，其中，所述控制器将由马达输出的功率设置为在较大的逆风中比在较小的逆风中更大。7.根据权利要求6所述的电动自行车，其中，所述控制器使用骑行者体重和骑行者身高作为用于控制所述马达的参数。8.根据权利要求4所述的电动自行车，其中，当坡度为负并且重力辅助驱动所述自行车前进时，所述控制器切换至再生模式，以通过电动马达为电池充电。9.根据权利要求1所述的电动自行车，其中，所述控制器设置恒定的骑行者功率输入，并调节由电动马达提供的功率以保持所述恒定的骑行者功率输入。
【文档编号】B62M6/50GK106043580SQ201610238131
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】理查德·科拉温, 托马斯·罗伯特·乔治·汤普森
【申请人】福特全球技术公司