一种电动助力装置和控制方法与流程

本发明公开一种电动助力装置，属于电动车领域，涉及人力驱动车，特别涉及用于人力驱动车的电动助力装置和控制方法。

背景技术

人力驱动车(例如：自行车、人力三轮车和人力四轮车等，本文以自行车作为实施例，原理相同)仅能依靠人自身的体力驱动，如果能在其上增加电动助力装置可以减少人的体力消耗，或者是在消耗体力一定的情况下延长骑行距离。随着城市化的进程以及绿色通行的倡导，使用人力驱动车(自行车)通勤、游玩的人越来越多，由于通勤和游玩的距离通常较长，在体力一定的情况下增加骑行距离成为一种需求。

现有技术对如何将电机的旋转运动转换成人力驱动车运动，有以下解决方案：

1、将现有人力驱动车的车轮替换为集成了轮毂电机的车轮，轮毂总成位于轮心处，轮毂电机外壳旋转直接带动车轮转动。但是轮毂电机需要预先装配在车轮中心，用户需要总成购买，多花了车轮的钱，而原车的车轮拆下后也没有其他用处，造成了浪费增加了用户成本。另外轮毂也不能自动与车轮转动分离，造成滑行时产生阻力，浪费能量，自主骑行阻力大。

2、将电机驱动一个小轮旋转，小轮通过支架与车轮外胎面接触使用摩擦力驱动车轮旋转，缺点在于小轮的转速很高，由此带来的噪音问题降低了舒适性。另外小轮也不能自动与车轮转动分离，造成滑行时产生阻力，浪费能量，自主骑行阻力大。

3、电机的旋转运动和骑行人员的骑行意图是相互独立的，要由骑行人员分别控制，电机不能够自动跟随骑行人员的骑行意图适时助力。

综上，现有技术中对人力驱动车助力方案存在原车部件浪费、成本高、装配复杂、自主骑行阻力大以及电机不能够自动跟随骑行人员的骑行意图适时助力的问题。

技术实现要素：

本发明主要旨在解决现有技术中对人力驱动车助力方案存在原车部件浪费、成本高、装配复杂以及电机不能够自动跟随骑行人员的骑行意图适时助力的问题，提供一种电动助力装置和控制方法。

为了实现上述目的，所述的方案如下：

提供一种电动助力装置，与人力驱动车的车架固连，其特征是，电动助力装置包括助力轮、供能模块、控制器、力传感器和摆臂，摆臂前部与车架连接，摆臂后部与助力轮连接，助力轮与地面接触，助力轮由控制器控制转动，能量由供能模块提供，推动人力驱动车前进；摆臂受拉伸或受压缩趋势时均会产生形变，力传感器安装在形变处。

进一步地，所述的一种电动助力装置，其特征是，还包括驾驶意图检测器。

进一步地，所述的一种电动助力装置，其特征是，摆臂与车架的连接有两个摆动自由度，分别是远离和接近地面方向的上下摆动自由度，以及可以在前进方向两侧左右摆动的摆动自由度。

进一步地，所述的一种电动助力装置，其特征是，摆臂通过支架与车架连接，支架包括第一支架和第二支架，第一支架与车架固连；第一支架后部与第二支架前部摆动连接，摆动轴的轴线与地面平行与前进方向垂直；第二支架后部与摆臂前部摆动连接，摆动轴的轴线大致沿上下方向。

进一步地，所述的一种电动助力装置，其特征是，第二支架后部与摆臂前部摆动连接的轴线与铅垂线夹角是α，α大于0°且不超过30°。

进一步地，所述的一种电动助力装置，其特征是，摆臂由第一摆臂和第二摆臂组成，第一摆臂的一端和第二摆臂的一端相互套接，第一摆臂和第二摆臂有且仅有沿摆臂结构方向滑动的自由度，力传感器的两端分别与第一摆臂后部和第二摆臂前部固连。

进一步地，所述的一种电动助力装置的控制方法，其特征是，包括以下步骤：1)控制器检测力传感器的数值，判断力传感器是否处于拉伸状态；

2)当控制器检测到力传感器的数值表明力传感器是拉伸状态，控制器驱动助力轮转动并持续一段时间c后停止助力；

3)控制器开始重新检测力传感器的数值，重复上述步骤。

进一步地，所述的一种电动助力装置的控制方法，其特征是，步骤1增加以下判断条件，当控制器检测力传感器数值，数值大于阈值a并且持续时间大于b，则判断力传感器是否处于拉伸状态，其中a和b是标定值。

进一步地，所述的一种电动助力装置的控制方法，其特征是，步骤2增加以下策略，当助力轮助力的时间c内，对助力轮的减速度监控，当减速度超过设定阈值d时，立即停止助力，并执行步骤3。

进一步地，所述的一种电动助力装置的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

1)控制器检测驾驶意图检测器，当驾驶意图检测器被促动，按照意图给与对应的助力程度，并实时检测驾驶意图检测器是否被促动；当控制器检测到驾驶意图检测器不被促动了，则立即停止助力，并执行步骤2；

2)当控制器检测力传感器数值，数值大于阈值a并且持续时间大于b，则判断力传感器是否处于拉伸状态，其中a和b是标定值。

3)当控制器检测到力传感器的数值表明力传感器是拉伸状态，控制器驱动助力轮转动并持续一段时间c后停止助力；

当助力轮助力的时间c内，对助力轮的减速度监控，当减速度超过设定阈值d时，立即停止助力；

4)重复上述步骤。

本发明不需要拆卸原车部件，成本低、装配简单以及电机能够自动跟随骑行人员的骑行意图适时助力，解决了现有技术中的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。为不显凌乱，附图表达时隐藏了人力驱动车后轮辐条，在附图中，：

图1电动助力装置与人力驱动车连接示意图；

图2电动助力装置与车架连接结构爆炸图；

图3是图1顶视图，描述电动助力装置的摆动动作；

图4是人力驱动车转向时，电动助力装置的车轮与地面垂直接触；

图5是电动助力装置与人力驱动车连接示意图(正在助力状态)；

图6是图5的顶视图；

图7描述电动助力装置与地面接触原理(即将助力状态)；

图8是图7法向相反方向视图(未助力状态)；

图9电动助力装置与人力驱动车连接示意图；

图10电动助力装置应用力传感器的结构一；

图11电动助力装置应用力传感器的结构二；

图12电动助力装置应用力传感器的结构三；

图13电动助力装置与人力驱动车连接示意图；

图14电动助力装置与人力驱动车连接立体视图；

图15电动助力装置控制方法一；

图16电动助力装置控制方法二；

图17电动助力装置控制方法三；

以上，图1至4是实施例一，图5和8是实施例二，图9至12是实施例三，图13至14是实施例四。

图中标记为：

1、电动助力装置；

11、摆臂；111、第一摆臂；112、第二摆臂；1121、第二摆臂前段；1122、箱体；1123第二摆臂后段；

12、支架；121、第一支架；122、第二支架；

13、供能模块；

14、助力轮；141、车轮；142、电机；

15、复位装置；16、力传感器；17、驾驶意图检测器；18、限位装置；

2、人力驱动车；21、车架。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1所示，人力驱动车指的是自行车、人力三轮车、人力四轮车等依靠人自身体力为动力的车，当然，按照本发明所述的方案设计出来的仅靠电力驱动的车也属于本发明保护范围内。上述人力驱动车包括车架21和车轮，车架21上设置有驱动车轮转动的驱动装置，使车减速或停止的制动装置，使车改变行驶方向的转向装置，还有供人乘坐的座位，以上属于对现有技术的结构描述，定义本发明的应用领域。

如图1所示，本发明的核心结构是，在人力驱动车2的后部(本文定义,与前进方向相反的方向是后部，与前进方向相同的方向是前部，)设置一个电动助力装置1，电动助力装置1包括助力轮14和摆臂11，摆臂11与车架21连接，助力轮14驱动旋转时与地面接触，推动人力驱动车2前进。

实施例一：

如图1至图4所示，人力驱动车2的后部设置一个电动助力装置1，电动助力装置1包括助力轮14、供能模块13和摆臂11，摆臂11一端与车架21连接，摆臂11另一端与助力轮14连接，助力轮14与地面接触，助力轮14由驾驶意图检测器17(骑行人员通过手拧动或者用脚踩踏此件，实现检测骑行人员的意图，即油门)控制转动，能量由供能模块13提供，推动人力驱动车2前进。

详细的，

如图1至图4所示，摆臂11与车架21的连接有两个摆动自由度，分别是远离和接近地面方向的上下摆动自由度，以及可以在前进方向两侧左右摆动的摆动自由度，以适应人力驱动车2的俯仰(适应路面起伏)和转向姿态。

这两个摆动自由度可以均是回转副，也可以均是螺纹副，还可以一个是回转副一个是螺纹副。

更详细的，

如图2所示，摆臂11通过支架12与车架21连接，支架12包括第一支架121和第二支架122，第一支架121与车架21固连，第一支架121本体设置一个通孔，用于被人力驱动车2后轮拉杆穿过后与车架21固连，为了第一支架121与车架21固连时周向状态位于设计状态，第一支架121设计周向限位结构，更具体的，设置一个凸台与车架21的工艺或结构空间配合，实现周向限位功能。第一支架121本体后部与第二支架122前部摆动连接；具体的，是上下方向的摆动连接，摆动轴的轴线与地面平行与前进方向垂直；更具体的，第一支架121后部设置有凸轴，凸轴轴向与人力驱动车2车轮的轴向平行，凸轴顶部设有外螺纹，外螺纹大径小于凸轴外径，第二支架122前部设有与第一支架121后部的凸轴微小间隙配合的孔，第一支架121后部的凸轴高度略大于第二支架122前部的孔的厚度，螺母紧固在第一支架121后部的凸轴顶部的外螺纹上，实现第一支架121与第二支架122在上下方向的摆动连接。

第二支架122后部与摆臂11前部摆动连接；具体的，是左右方向的摆动连接，摆动轴的轴线大致沿上下方向；更具体的，第二支架122后部设置有凸轴，凸轴轴向与人力驱动车2车轮的轴向垂直，凸轴顶部设有外螺纹，外螺纹大径小于凸轴外径，摆臂11前部设有与第二支架122后部的凸轴微小间隙配合的孔，第二支架122后部的凸轴高度略大于摆臂11前部的孔的厚度，螺母紧固在第二支架122后部的凸轴顶部的外螺纹上，实现第二支架122与摆臂11在左右方向的摆动连接；更进一步具体的，如图1和图4所示，为了保证在人力驱动车2过弯时助力轮14的赤道面和地面还是大致垂直的，第二支架122后部与摆臂11前部摆动连接的轴线与铅垂线夹角是α，且α是锐角，优先大于0°且不超过30°的区间。

摆臂11后部与助力轮14的主轴固连，主轴的方向与人力驱动车2车轮的轴向平行(直线行驶时)，如图3所示，为了当摆臂11左右摆动时不予车轮干涉，摆臂11优选“l”形。

助力轮14由车轮141和电机142组成，电机142驱动车轮141在与摆臂11固连的主轴上转动，优选，电机142位于车轮141的中心，电机142的主轴是定子，与摆臂11固连，电机142的外壳是转子，与车轮141固连。

供能模块13可以为助力轮14的转动提供能量，能量是电能，供能模块13可以是燃料电池、燃油发电机组或蓄电池，优选蓄电池。供能模块13可以安装在车架21上，也可以安装在摆臂11上，为了整个系统的模块化设计，可选，供能模块13与摆臂11固连，优选，摆臂11设计为管状，供能模块13安装在摆臂11内部。为了电动助力装置1平顺性更好，需要减小电动助力装置1的非簧载质量，优选，供能模块13尽可能的位于摆臂11的前部。

为了骑行人员能够方便的控制电动助力装置1的助力，在握把或其他便于操作的位置安装驾驶意图检测器17，通过骑行人员转动或滑动驾驶意图检测器17，控制电动助力装置1的助力程度或速度值。

实施例二：

为了将实施例一设计的更紧凑，并减小纯人力骑行时的滚动阻力。如图5至8所示，助力轮14的接地点在摆臂11摆动轴的后部，摆臂11与车架21的连接仅有一个摆动自由度，即仅有在远离和接近地面方向的上下摆动自由度，以适应人力驱动车2的俯仰(适应路面起伏)姿态；这个摆动自由度可以是回转副，也可以均是螺纹副。

当助力轮14与驱动车2的后轮接地点在前进方向上相距很近时，转向带来的助力轮14在地面上的滑动也较小，另外，在转向时大多数情况下是不需要助力的，助力轮14会自动与地面脱离接触；在纯人力骑行时，即不助力时，助力轮14不转动，在回位力的作用下与地面脱离接触；在需要助力时，助力轮14在自身转动产生的反馈力矩t2的作用下摆动至与地面接触，并在驱动力的作用下与地面保持接触，直至助力请求解除后与地面脱离接触。即实施例二。

如图5至8所示，第一支架121与车架21固连，第一支架121本体设置一个通孔，用于被人力驱动车2后轮拉杆穿过后与车架21固连，为了第一支架121与车架21固连时周向状态位于设计状态，第一支架121设计周向限位结构，更具体的，设置一个凸台与车架21的工艺或结构空间配合，实现周向限位功能。

第一支架121与摆臂11摆动连接；具体的，是在远离和接近地面方向的上下摆动；更具体的，第一支架121后部设置有凸轴，凸轴轴向与人力驱动车2车轮的轴向平行，凸轴顶部设有外螺纹，外螺纹大径小于凸轴外径，摆臂11设有与第一支架121后部的凸轴微小间隙配合的孔，第一支架121后部的凸轴高度略大于摆臂11孔的厚度，螺母紧固在第一支架121后部的凸轴顶部的外螺纹上，实现第一支架121与摆臂11在上下方向的摆动连接。

为了实现在不助力的时候，助力轮14与地面不接触，如图7所示，在第一支架121和摆臂11之间设置一个复位装置15，使得助力轮14不助力的时候与地面不接触，具体的，复位装置15是拉伸弹簧，一端钩挂在车架21上，即第一支架121的延伸部分，另一端钩挂在摆臂11上。相同功能的实现还可以是扭转弹簧等。还可以将摆臂11向前延伸，通过供能模块13在摆臂11上的安装位置，使得电动助力装置1的重心位于摆臂11的摆动轴以前，实现在不助力的时候，助力轮14与地面不接触的目的。另外,为了助力轮14回位时要停留在一个确定的位置,避免受到颠簸时助力轮14震动,还需要设置限位装置18,如图8所示,限位装置18固设在第一支架121侧面,当助力轮14向上摆动到设定位置时,限位装置18与摆臂11接触,实现对助力轮14的限位。

如图7所示，助力轮14接收到驾驶意图检测器17发来的助力信号，开始转动(或由前一个循环的残余转动开始加速转动)的瞬间，电机142会给车轮141施加一个驱动力矩t1，这个驱动力矩t1反作用于电机142的定子产生旋向相反的反馈力矩t2，由于电机142的定子和摆臂11固连，即反馈力矩t2作用于摆臂11上，使摆臂11绕摆臂11的摆动轴摆动，从而带动助力轮14与地面接触；当助力轮14与地面接触并助力时，地面会对助力轮14接地点施加向前的推力，这个推力使得助力轮14贴向地面；当助力轮14与地面接触并解除助力时，助力轮14接地点的地面施加的推力消失，助力轮14在复位力的作用下与地面脱离接触，这个复位力可以是复位装置15提供、可以是电动助力装置1的重心分力提供、还可以是前两者共同提供。

实施例三：

为了实现电动助力装置1可以自动检测骑行人员的意图，从而自动的助力或不助力，以便与骑行人员的意图匹配，如图9所示，在实施例一的基础上，在摆臂11上增加力传感器16，控制器(具有检测并控制助力轮14转动的功能，与摆臂11固连，图中未示出，是现有技术)检测助力轮14是否有远离或接近人力驱动车2的趋势，以及具体程度，配合控制策略，实现与骑行人员的意图匹配。进一步，上述问题可以转换为检测摆臂11受拉伸或受压缩，及具体程度的问题。更进一步，即，将摆臂11设计成受拉伸或受压缩趋势时均会产生形变的结构，在形变处安装力传感器16检测其趋势。

具体的，

力传感器16应用，方案一，如图9和图10所示，摆臂11由第一摆臂111和第二摆臂112组成，第一摆臂111的一端和第二摆臂112的一端相互套接，第一摆臂111和第二摆臂112有且仅有沿摆臂11结构方向滑动的自由度，力传感器16的两端分别与第一摆臂111后部和第二摆臂112前部固连，控制器检测力传感器16受压力或受拉力及具体数值，即可获得助力轮14是否有远离或接近人力驱动车2的趋势，以及具体程度。

力传感器16应用，方案二，如图11所示，摆臂11由第一摆臂111和第二摆臂112组成，第一摆臂111和第二摆臂112在摆臂11上部摆动连接，第一摆臂111和第二摆臂112有且仅有一个摆动的自由度，力传感器16的两端分别与第一摆臂111和第二摆臂112固连，检测力传感器16受压力或受拉力及具体数值，即可获得助力轮14是否有远离或接近人力驱动车2的趋势，以及具体程度。

力传感器16应用，方案三，如图12所示，摆臂11由第一摆臂111和第二摆臂112组成，第一摆臂111和第二摆臂112在摆臂11侧面摆动连接，第一摆臂111和第二摆臂112有且仅有一个摆动的自由度，力传感器16的两端分别与第一摆臂111和第二摆臂112固连，控制器检测力传感器16受压力或受拉力及具体数值，即可获得助力轮14是否有远离或接近人力驱动车2的趋势，以及具体程度。

具体的控制方法如下，控制方法一，

如图15所示，电动助力装置1的系统启动后，控制器立即开始检测力传感器16的数值，当检测的数值为正值时(假定正值为拉力，负值为压力，本领域技术人员可以根据传感器和具体的装配结构灵活定义，说明书、权利要求书、摘要中的此定义应按此注释理解)，判断力传感器16是否处于拉伸状态，当控制器检测到力传感器16的数值为正值表明力传感器16是拉伸状态，即相当于助力轮14有远离人力驱动车2的趋势，从而表明骑行人员的意图是前进或加速前进，这时电动助力装置1的控制器开始驱动助力轮14转动并持续一段时间c秒(c是可以标定的值，可以出厂设定好，也可以由用户调节)，给人力驱动车2助力，帮助骑行人员实现前进或加速前进的意图，当助力轮14的助力持续时间长度c时，立即停止助力，控制器开始重新检测力传感器16的数值，重复上述过程。

实际人力驱动车2和电动助力装置1在行进的过程中，因道路不是绝对的平整，会有颠簸和震动产生，力传感器16发出的数值会有摆动，会对骑行人员意图误判，为了避免这种情况发生，在上段所述的控制方法中增加另外两个条件，当控制器检测力传感器16的数值为正值，数值大于阈值a并且持续时间大于b(a和b是可以标定的值，可以出厂设定好，也可以由用户调节)，则判断力传感器16是否处于拉伸状态，即骑行人员的意图是前进或加速前进。

控制方法二，

上述的控制方法一还有一个工况是可以继续完善的，当电动助力装置1处于助力的的持续时间c内，此时如果恰好骑行人员的驾驶意图转变为减速或减速至静止，这种情况，控制方法一可以通过缩短持续时间c来降低这种工况出现的概率，但是持续时间c太短的话又会影响助力的平顺性。

如图16所示，控制方法二在控制方法一的基础上，当电动助力装置1的助力轮14助力的时间c内，在这段时间内，还同时对助力轮14的减速度进行实时监控，当减速度超过设定阈值d时(d是可以标定的值，可以出厂设定好，也可以由用户调节)，即便助力还在时间c内，电动助力装置1也会立即停止助力，控制器开始重新检测力传感器16的数值，重复上述过程。这样就可以实现骑行人员的减速或减速至静止的意图优先级最高。

现有技术助力轮14采用无刷电机时可以通过读电调发出的脉冲信号计算减速度值，不需要额外增加成本，本领域中无刷电机的份额占比绝大多数，应用广泛；如果使用有刷电机，则需要在人力驱动车2的车轮上或者助力轮14加装额外的轮速传感器计算得出减速度值。

还可以在人力驱动车2的制动系统上增加制动信号开关，当骑行人员促动制动系统工作时，制动信号开关受到促动从而同时发出制动信号(制动信号开关促动原理可以参照汽车摩托车领域设计，本领域技术人员都已知晓)，电动助力装置1收到制动开关信号时，即便助力还在时间c内，电动助力装置1也会立即停止助力，控制器开始重新检测力传感器16的数值，重复上述过程。这样就可以实现骑行人员的减速或减速至静止的意图优先级最高。

控制方法三，

控制方法一和控制方法二，由于需要通过条件判断骑行人员的加速意图，需要有一定的响应时间，另外骑行人员可能也会需要更多选择和控制感。

如图17所示，基于控制方法一或控制方法二，在进入判断力传感器16是否处于拉伸状态之前，先判断是否为自动模式，所谓自动模式就是控制器检测驾驶意图检测器17是否被促动(即油门是否被拧)，被促动就不是自动模式，反之是自动模式(油门位于自由状态)；当电动助力装置1的控制器检测到驾驶意图检测器17被促动，则直接按照意图给与对应的助力程度，并实时检测驾驶意图检测器17是否被促动，在助力过程中如果控制器检测到驾驶意图检测器17不被促动了，则立即停止助力，返回程序初始位置，如果控制器依旧检测到驾驶意图检测器17不被促动，则判断进入自动模式，按照控制方法一或控制方法二执行。

实施例四：

为了满足载物的需求，在实施例一或实施例三的基础上，将箱体1122与摆臂11固连，实现载物，

具体的，

在实施例一基础上，在摆臂11中部固连一个箱体1122，实现载物。

还可以，

在实施例三的基础上，在第二摆臂112中部固连一个箱体1122，即第二摆臂前段1121、箱体1122和第二摆臂后段1123构成第二摆臂112。为了避免装载不同重物会对力传感器16产生除平行前进方向以外的分力，力传感器16要水平布置，优选力传感器16的应用方案一；次优选优选力传感器16的应用方案三。另外，力传感器16设置在箱体1122之前时，骑行人员加速或者减速时，由于箱体1122质量的影响，力传感器16承受的惯性力较大，探测的意图更准确，是优选布置位置。可选力传感器16设置在箱体1122之后。

可以预见，实施例四在实施例三的基础上增加料斗时，实施例三中的控制方法一或控制方法二或控制方法三，均可以适用实施例四。

以上实施例一至四，可以应用于人力驱动车的所有的车轮，或者是部分的车轮，构成部分车轮驱动或全轮驱动，且同一个人力驱动车的不同车轮应用的实施例的方案可以任意组合。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。