自发电装置和电动自行车

1.本发明涉及的电动自行车技术领域，具体是一种自发电装置以及电动自行车。


背景技术：

2.以碳减排促进实现碳中和目标，蓬勃低碳经济，低碳交通是其中非常重要的一环，而电动自行车这种交通工具更是在节能减排中具有普遍性的意义。数据显示，中国电动自行车产业整车头部企业2021年的销售量超过3000万台，2021年中国电动自行车保有量超过3.5亿辆。一辆电动自行车替代燃油机车行驶1万公里，可以减少碳排放480千克。
3.传统的电动自行车产品受到电池容量和电池体积等因素的影响，会产生以下不利影响：
4.1、电动自行车的电池充电速度慢；2、电动自行车的行驶时间有限，时间比较短；3、容易受到低温等因素影响降低电动自行车的行驶里程。4、电动自行车在行驶过程中放热多，直接导致输出功率降低，从而降低设定车速额定值；5、电动自行车受到载重量增大，而电池剩余电量减少会直接导致最大行驶速度衰减迅速。
5.若电动自行车在行驶的过程中能够及时为自身的电池充电，使电池在不断输出电能的过程中能够补充一些电能，则可有效避免由于电池容量和电池体积等因素的影响而产生的不利影响。
6.因此，目前亟需提供一种携带自发电装置电动自行车，在电动自行车行驶的过程中，自发电装置能够为该电动自行车的电池补充电能。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供了一种新型的自发电装置，该装置应用于电动自行车，电动自行车在行驶的过程中，将上下颠簸产生的重力势能转化为电能，将电能输送到该电动自行车的电池，使电池在不断输出电能的过程中能够补充一些电能，能够有效避免由于电池容量和电池体积等因素的影响而产生的不利影响，提高电动自行车的续航能力。
8.一方面，本发明提供了一种自发电装置，电动自行车包括车身本体，所述车身本体包括车架、后轮和电池，所述车架包括第一连杆、第二连杆和后乘座，所述车架分别通过所述第一连杆和所述第二连杆连接所述后轮中心轴的两侧，所述后乘座设置于所述后轮的上方，所述自发电装置包括施力部件、换向组件、减速器、发电机和动态减震组件，所述发电机和所述电池通过线缆连接；所述减速器和所述发电机安装于所述后乘座，所述施力部件的一端安装于所述第一连杆或者所述第二连杆，所述施力部件的另一端与所述换向组件配合，所述换向组件与所述减速器的输入轴连接，所述减速器的输出轴与所述发电机连接；所述动态减震组件包括第一动态减震部件和第二动态减震部件，所述第一动态减震部件和所述第二动态减震部件的其中一端分别连接所述第一连杆和所述第二连杆，另一端连接所述后乘座。
9.所述施力部件为齿条连杆，所述齿条连杆包括支撑杆、支撑板和齿条组件，所述支
撑杆的一端连接所述第一连杆或者所述第二连杆，所述支撑杆的另一端连接所述支撑板，所述齿条组件的其中一端连接所述支撑板，所述齿条组件与所述换向组件配合。
10.在一些可选的实施例中，所述齿条组件包括第一齿条和第二齿条，所述换向组件包括第一换向部件和第二换向部件，所述第一换向部件和所述第二换向部件在所述减速器输入轴的轴向依次设置，所述第一齿条和所述第二齿条中的一者与所述第一换向部件配合，另一者与所述第二换向部件配合。
11.在一些可选的实施例中，所述第一齿条和所述第二齿条分别设置在所述换向组件的两侧。
12.在一些可选的实施例中，所述第一换向部件和所述第二换向部件均为棘轮，所述第一齿条和所述第二齿条中的一者与所述第一换向部件啮合，另一者与所述第二换向部件啮合。
13.在一些可选的实施例中，所述动态减震组件包括第一动态减震部件和第二动态减震部件，所述第一动态减震部件和所述第二动态减震部件设置于所述后轮的两侧，所述第一动态减震部件和所述第二动态减震部件的结构相同，所述第一动态减震部件和所述第二动态减震部件的其中一端分别连接所述第一连杆和所述第二连杆，所述第一动态减震部件和所述第二动态减震部件的另一端连接所述后乘座。
14.在一些可选的实施例中，所述第一动态减震部件和所述第二动态减震部件均包括无油气压缸和弹性部件，所述弹性部件套设于所述无油气压缸的外部，所述弹性部件轴向两端的其中一端连接所述第一连杆或者所述第二连杆，另一端连接所述后乘座。
15.在一些可选的实施例中，所述无油气压缸包括缸筒和活塞，所述活塞的一端能够在所述缸筒内部、沿着所述缸筒的轴向移动，所述活塞的另一端连接所述后乘座，所述缸筒的一端连接所述第一连杆或者所述第二连杆。
16.在一些可选的实施例中，在所述缸筒的内部、位于所述缸筒轴向的两端分别设置有气囊。
17.在一些可选的实施例中，所述缸筒设置有多个通孔，所述缸筒的任意两个通孔在各自中心轴方向的投影不重合。
18.另一方面，本发明提供了一种电动自行车，该电动自行车包括以上任一项所提到的自发电装置。
19.本技术相对于现有技术具有以下技术效果：
20.1.本技术提供了一种自发电装置，该自发电装置能够安装于电动自行车，电动自行车包括车身本体，车身本体包括车架、后轮和电池，车架包括第一连杆、第二连杆和后乘座，车架分别通过第一连杆和第二连杆连接后轮中心轴的两侧，后乘座设置于后轮的上方，自发电装置包括施力部件、换向组件、减速器、发电机和动态减震组件，发电机和电池通过线缆连接，以便将发电机发出的电量及时的储存至电池内。减速器和发电机安装于后乘座，施力部件的一端安装于第一连杆或者第二连杆，施力部件的另一端与换向组件配合，换向组件与减速器的输入轴连接，减速器的输出轴与发电机连接，电动自行车在行驶的过程中会产生上下颠簸，上下颠簸的过程中会导致重力势能发生变化，施力部件通过自身的上下移动带动换向组件转动，换向组件带动减速器的输入轴转动，减速器通过输出轴向发电机传递动能，从而能使发电机源源不断的持续发电，发电机将发出的电能输送至电池。在电动
车行驶的过程中，在颠簸次数相同的情况下，动态减震组件起到提高震动幅度的作用，使得电动自行车在上下颠簸过程中，施力部件和换向部件配合的时间拉长，提高了发电机的工作时间，使电动自行车具有更好的发电效果。
21.2.发电机的转子在切割过程中，会产生电磁阻尼，即发电机产生的电流越大，定子线圈产生的磁场越强，发电机产生的阻尼也就越大，电流强度的变化完全与行驶速度及路面变化状况相适应。电动自行车能够根据各种路况和载荷自适应最佳的减震力，发电功能和减震性能完美统一，使电动自行车的行驶舒适性和运动性完美统一。在发电机的发电过程中，将电磁阻尼转换到电动自行车减震装置，改变了原有刚性避震系统带来的应急调整，该装置在行驶过程中实现了“动态减震”，还大幅提高了骑行者的骑行舒适感。
22.3.该电动自行车在行驶的过程中，将上下颠簸产生的重力势能转化为电能，将电能输送到该电动自行车的电池，使电池在不断输出电能的过程中能够补充一些电能，能够有效避免由于电池容量和电池体积等因素的影响而产生的不利影响，提高电动自行车的续航能力。
附图说明
23.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是本发明一实施例提供的自发电装置的安装结构示意图；
26.图2是本发明一实施例提供的施力部件的结构示意图；
27.图3是本发明一实施例提供的施力部件结构示意图；
28.图4是本发明一实施例提供的施力部件和换向部件在第一状态下配合的结构示意图；
29.图5是本发明一实施例提供的施力部件和换向部件在第二状态下配合的结构示意图；
30.图6是本发明一实施例提供的第一动态减震部件的结构示意图；
31.图7是本发明一实施例提供的第一动态减震部件的内部结构示意图a；
32.图8是本发明一实施例提供的第一动态减震部件的内部结构示意图b。
33.附图标记：1-第一连杆；2-车架；21-后轮；3-后乘座；4-自发电装置；41-施力部件；411-支撑杆；412-支撑板；413-齿条组件；4131-第一齿条；4132-第二齿条；42-换向组件；421-第一换向部件；422-第二换向部件；43-减速器；44-发电机；45-动态减震组件；451-第一动态减震部件；4511-无油气压缸；4512-弹性部件；4513-缸筒；4514-活塞； 4515-通孔。
具体实施方式
34.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
35.现有技术中的电动自行车受到电池容量、体积等因素的影响，充电速度慢、使用时间短，行驶过程中放热多，整车在路面减震效果生硬、舒适度低。电动自行车在行驶过程中，会因路面起伏、坡度、速度变化等因素，导致座椅与地面垂直高度发生变化，即骑行者的重力势能发生变化，该重力势能的变化足以引起弹簧与减震器的压缩、反弹。若将该部分势能进行转化，将产生的电能驱动电动机或为电瓶充电，这样可以有效增加行驶的里程，还可实现边缘能量资源的有效转化。
36.为寻找新型能源来源以弥补单纯电瓶供电带来的不足，从电动自行车自身结构装置出发，通过分析发现，在行驶过程中电动自行车后端振动明显、人体起伏不断，符合实际生活现象。充分利用这一部分位移与势能的变化，设计了一种能够安装在电动自行车的自发电装置，该自发电装置利用重力势能变化发电，并将该电能传输给电池。
37.本发明提供了一种新型的自发电装置，如图1所示，该装置安装于电动自行车，本发明所提供的自发电装置能够有效解决电动自行车续航短等问题，该电动自行车包括车身本体，车身本体包括车架2、后轮21和电池，车架2包括第一连杆1、第二连杆和后乘座3，车架2 分别通过第一连杆1和第二连杆连接后轮21中心轴的两侧，后乘座3 设置于后轮21的上方。自发电装置4包括施力部件41、换向组件42、减速器43、发电机44和动态减震组件45，发电机44和电池通过线缆连接。减速器43和发电机44安装于后乘座3，施力部件41的一端安装于第一连杆1或者第二连杆，施力部件41的另一端与换向组件42 配合，换向组件42与减速器43的输入轴连接，减速器43的输出轴与发电机44连接。动态减震组件45的一端连接第一连杆1和第二连杆，另一端连接后乘座3。
38.具体地，自发电装置4包括施力部件41、换向组件42、减速器43、发电机44和动态减震组件45，发电机44和电池通过线缆连接，以便将发电机44发出的电量及时的储存至电池内。减速器43和发电机44 安装于后乘座3，施力部件41的一端安装于第一连杆1或者第二连杆，施力部件41的另一端与换向组件42配合，换向组件42与减速器43 的输入轴连接，减速器43的输出轴与发电机连接，电动自行车在行驶的过程中会产生上下颠簸，上下颠簸的过程中会导致重力势能发生变化，施力部件41通过自身的上下移动带动换向组件42转动，换向组件42带动减速器43的输入轴转动，减速器43通过输出轴向发电机传递动能，从而能使发电机44源源不断的持续发电，发电机44将发出的电能输送至电池。在电动车行驶的过程中，在颠簸次数相同的情况下，动态减震组件45起到提高震动幅度的作用，使得电动自行车在上下颠簸过程中，施力部件41和换向组件42配合的时间拉长，提高了发电机44的工作时间，使电动自行车具有更好的发电效果。该电动自行车在行驶的过程中，将上下颠簸产生的重力势能转化为电能，将电能输送到该电动自行车的电池，使电池在不断输出电能的过程中能够补充一些电能，能够有效避免由于电池容量和电池体积等因素的影响而产生的不利影响，提高电动自行车的续航能力。
39.进一步地，电池容量和电池体积等因素的影响而产生的不利影响至少包括以下几点：1、电动自行车的电池充电速度慢；2、电动自行车的行驶时间有限，时间比较短；3、容易受到低温等因素影响降低电动自行车的行驶里程。4、电动自行车在行驶过程中放热多，直接导致输出功率降低，从而降低设定车速额定值；5、电动自行车受到载重量增大，而电池剩余电量减少会直接导致最大行驶速度衰减迅速。
40.进一步地，本发明所提供的自发电模块能够广泛适用于山地越野车和摩托车等电动代步工具。
41.在一些可选的实施例中，如图2所示，施力部件41为齿条连杆，齿条连杆41包括支撑杆411、支撑板412和齿条组件413，支撑杆411 的一端连接第一连杆1或者第二连杆，支撑杆411的另一端连接支撑板412，齿条组件413的其中一端连接支撑板412，齿条组件413与换向组件42配合。可选的，支撑杆411与第一连杆1或者第二连杆铰链连接。支撑杆411、支撑板412和齿条组件413一体成型。
42.具体地，电动自行车在上下颠簸的过程中，会导致重力势能的变化，施力部件41跟随电动自行车上下移动，齿条组件413通过自身上下移动的过程中会带动换向组件42转动，换向组件42转动会带动减速器43的输入轴发生转动，减速器43的输出轴与发电机连接，换向组件43通过减速器43将动能专递给发电机44。
43.进一步地，发电机44的转子在切割过程中，会产生电磁阻尼，即发电机产生的电流越大，定子线圈产生的磁场越强，发电机产生的阻尼也就越大，电流强度的变化完全与行驶速度及路面变化状况相适应。电动自行车能够根据各种路况和载荷自适应最佳的减震力，发电功能和减震性能完美统一，使电动自行车的行驶舒适性和运动性完美统一。在发电机44的发电过程中，将电磁阻尼转换到电动自行车减震装置，改变了原有刚性避震系统带来的应急调整，该装置在行驶过程中实现了“动态减震”，还大幅提高了骑行者的骑行舒适感。
44.可选的，发电机44的发电过程中，线圈在强磁场中进行旋转切割磁感线，产生变化的电压、电流。电动自行车的电动机正常工作电压为48v，输出电压达到45v即可使电动机工作，通过控制盒单片机对输出电信号进行整流放大调整，使之产生高于45v的电压，供电动机工作；若产生电压高于48v，则产生的额外电流将为电动自行车的电池充电。
45.在一些可选的实施例中，齿条组件413包括第一齿条4131和第二齿条4132，换向组件42包括第一换向部件421和第二换向部件422，第一换向部件421和第二换向部件422在减速器43输入轴的轴向依次设置，第一齿条4131和第二齿条4132中的一者与第一换向部件421 配合，第一齿条4131和第二齿条4132中的另一者与第二换向部件422 配合。
46.具体地，第一齿条4131和第二齿条4132设置于换向组件42的同侧，可选的，第一齿条4131和第二齿条4132设置于换向组件42的左侧，第一齿条4131和第二齿条4132设置于换向组件42的右侧；当第一齿条4131和第二齿条4132向上移动或者向下移动的时候会带动换向组件42转动，换向组件42转动会带动减速器43的输入轴发生转动，减速器43的输出轴与发电机连接，换向组件43通过减速器43将动能专递给发电机44。优选的，第一齿条4131和第二齿条4132分别设置在换向组件413的两侧，当第一齿条4131和第二齿条4132向上移动和向下移动的过程中均会带动换向组件42转动，换向组件42转动会带动减速器43的输入轴发生转动，减速器43的输出轴与发电机连接，换向组件43通过减速器43将动能专递给发电机44，在一定程度上增加了发电的时间。
47.在一些可选的实施例中，如图3所示，第一换向部件421和第二换向部件422均为棘轮，第一齿条4131和第二齿条4132中的一者与第一换向部件421啮合，第一齿条4131和第二齿条4132中的另一者与第二换向部件422啮合。
48.具体地，如图4和图5所示，第一齿条4131和第二齿条4132面向换向组件42的表面设置有连续啮合传递运动和动力的齿。第一齿条 4131和第一换向部件421啮合，第二齿条
4132和第二齿条4132啮合，或者，第一齿条4131和第二换向部件422啮合，第二齿条4132和第一齿条4131啮合。当齿条组件413处于下行的状态时，第一换向部件 421处于空转状态，当齿条组件413处于上行的状态时，第一换向部件 421的棘爪锁死，带动减速器43的输入轴转动，从而将动能传递给发电机44；当齿条组件413处于下行的状态时，第二换向部件422的棘爪锁死，带动减速器43的输入轴转动，从而将动能传递给发电机44，当齿条组件413处于上行的状态时，第二换向部件422处于空转状态。巧妙利用双程位移变化高效回收重力势能，将间歇回收为连续能量回收。充分利用重心往复的双程位移变化，设计双向双程传动结构，通过齿条组件带动换向组件42将半周期间隔工作的发电机44转变为连续工作状态，解决了电动自行车向上或向下单次振动中半周期间断性工作的问题。
49.在一些可选的实施例中，如图6，动态减震组件45包括第一动态减震部件451和第二动态减震部件，第一动态减震部件451和第二动态减震部件设置于后轮21的两侧，第一动态减震部件451和第二动态减震部件的结构相同，第一动态减震部件451和第二动态减震部件的其中一端分别连接第一连杆1和第二连杆，第一动态减震部件451和第二动态减震部件的另一端连接后乘座3。
50.具体地，在电动自行车行驶的过程中，第一动态减震部件451和第二动态减震部件不仅能够提高乘客的舒适度，而且能够提高电动自行车的振动幅度，提高齿条组件413与换向部件23配合的时间，进一步提高了动能转化为电能的效率。
51.在一些可选的实施例中，第一动态减震部件451和第二动态减震部件均包括无油气压缸4511和弹性部件4512，弹性部件4512套设于无油气压缸4511的外部，弹性部件4512轴向两端的其中一端连接第一连杆1或者第二连杆，弹性部件4512轴向两端的另一端连接后乘座 3。
52.具体地，传统电动自行车行驶过程中硬质弹簧和液压油缸带来无效热损耗，在压缩与恢复的过程中，硬质弹簧比较硬，并且液压油缸附带无用的热能损失。本发明中的弹性部件4512为软质减震弹簧，采用软质减震弹簧和无油气压缸4511配合，在电动自行车上下颠簸的过程中，不仅提高乘客的舒适度，而且能够有效的降低热量损失。动态减震组件45充分转化潜在可利用能源为电能，发电机44利用人与车重心竖直方向位置的高频变化进入正常工作状态，将重力势能为电能。
53.进一步的，车身向下压时，软质减震弹簧起到缓冲作用，有效减少了传统油压缸压缩中产生的热量，使颠簸产生的重力势能不会完全以热能的形式散失，并能够快速地恢复原有形态。在上下振动过程中，较软弹簧与无油气压缸配合，相较于传统电动自行车能够起到更好的减震作用，实现了减震消震以及能量转换。
54.在一些可选的实施例中，如图7和图8所示，无油气压缸4511包括缸筒4513和活塞4514，活塞4514的一端能够在缸筒4513内部、沿着缸筒4513的轴向移动，活塞4514的另一端连接后乘座3，缸筒4513 的一端连接第一连杆1或者第二连杆。
55.在一些可选的实施例中，在缸筒4513的内部、位于缸筒4513轴向的两端分别设置有气囊。
56.具体地，为防止活塞4514与缸筒4513碰撞，缸筒4513轴向两端的端面不开孔，缸筒4513轴向两端均设置气囊，以起到对缸筒4513 保护作用。缸筒4513中气体在缸体内部体积减小时能及时排出，活塞回弹时气体再次进入缸筒4513，使得活塞在缸筒4513有限制地往
复运动。
57.在一些可选的实施例中，缸筒4513设置有多个通孔4515，缸筒4513的任意两个通孔4515在各自中心轴方向的投影不重合。
58.具体地，无油气压缸4511起到支撑车架2定位作用和终端保护作用。缸筒4513的多个通孔4515错开，使得缸筒4513的任意两个通孔 4515在各自中心轴方向的投影不重合，避免水平或圆周内形成空气死驱现象(进气排气无明显流动)，有效解决了传统电动自行车配备对称油压缸以起到明显抗震缓冲作用但舒适性不佳的问题。
59.本电动自行车经过回收振动产生的重力势能变化，将其转化为电能，理论上可以产生400w的功率；本装置可以在电动自行车在电量不足的情况下持续给电动自行车供电，维持电动自行车的运行，延长电动自行车的行驶里程。根据现有技术中电动自行车相关数据(轮胎直径、发动机、电池容量选用与设计计算中保持一致)显示，其电动自行车充电一次可以保证续航40km。
60.经计算，本发明中提供的电动自行车与现有技术相比具有明显的增程作用，例如，电动自行车的电动机采用电机额定功率为p＝400w，额定电压为48v，额定扭矩为t＝10n
·
m。减震弹簧的弹性系数 k＝170000n/m，取人的体重为m＝70kg，人在颠簸时的上下振幅取h＝0.03m，与齿条连杆相连的齿轮半径为r5＝0.024m，电动自行车的轮胎外径d＝0.711m。从发电机44角度出发，计算过程如下图表格 (一)中所示。从电动自行车最低的颠簸频率出发，计算发电机44的功率，误差计算如下图表格(二)中所示。
[0061][0062]
图(一)
[0063]
经过上述计算表明：由于电动自行车颠簸频率通常集中在10～20hz，远远大于最后计算结果中的1.9hz，因此，本发明所眼球的新型电动车有比较好的增程作用。
[0064][0065]
图(二)
[0066]
本发明的电动自行车和现有技术中的电动自行车相比，具有高的效益，若按照一
天10km的行驶距离，一次行驶周期内只实现两次振动能量利用，一年使用260天计算，一辆电动自行车在一年内行驶的里程数将会增加4219.8km；原本4年的电动自行车使用寿命将会增加至 6.49年，即电动自行车的寿命增加了62.25％。按照电动自行车平均时速15km/h计算，在一年内，电动自行车将行驶173h，本发电装置完整工作时间为86.5h，发电量约为34.6kwh，相当于节省23次充满电瓶所需电量(充满一次约耗费1.5kwh)。电动自行车寿命的增加可以使其更新换代的时间延长，在全年电动自行车需求里程不变的情况下，按照目前电动自行车年产量3000万辆(即需求里程为260
×
10
×3×ꢀ
107km)计算，采用本方案中带有振动能量回收系统的电动自行车，可以使得每年产量降为1875万辆。每年由新系统多发的电约为 6.49
×
108kwh,相当于18万个每月耗电量为300度的家庭一年的耗电量。
[0067]
在一辆电动自行车的生产、运输以及报废全生命周期内，碳排放占为258g/公里，其中生产制造电动自行车过程碳排放占比约27％。由此可以计算，生产一辆电动自行车的碳排放约为181.12kg，而产量的减少也带来了碳排放的减少，预估每年减少量约为(3000-1875)
×ꢀ
104×
181.12＝2.04
×
106t，相当于植树造林1.13
×
108颗；根据蚂蚁森林提供数据：种树1亿棵，占地140万亩，可换算超1000km2，折算近5个敦煌月牙泉的面积，按照一棵树占地3平方米计算，所植树造林的面积为3.39
×
108m2,相当于近7个西湖的面积，节能减排效益显著，高速助力实现碳达峰、碳中和的目标。
[0068]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0069]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。