包含发电机的电动自行车电力辅助补充装置及控制方法与流程

本发明涉及电动自行车用电力设备技术领域，尤其是涉及一种包含发电机的电动自行车电力辅助补充装置及控制方法。

背景技术：

目前国内三轮电动自行车和二轮电动自行车行驶路程较短，电瓶使用寿命也不长，当电源不足70％时爬坡能力明显下降，特别是铅酸蓄电池废弃后容易污染环境，使用时间越短对环境的危害也就越大，如果能充分利用和延长铅酸蓄电池的使用寿命就可以将铅酸蓄电池对环境的危害程度减到最小，铅酸蓄电池由于容量小行驶路程短需要经常对铅酸蓄电池进行充电，也因铅酸蓄电池的充电次数所限所以影响了铅酸蓄电池的使用寿命，在一定程度上影响和妨碍了电动自行车即节能又环保的初衷。

超级电容是介于电池和静电电容之间无污染的储能元件，具有高能量密度和高功率密度，很适合做短时间的功率输出源。

一台电机原则上即可作为电动机运行也可以作为发电机运行，电动机在没有外部电源供给状态下电动机处于可逆性发电机状态运行，这时的电动机就成了一部理想的发电机，此时电动机电枢绕组感生出的电动势电能回收就成为了一种可能，电动自行车制动回收动力电能装置就是将电动自行车在行驶过程中制动时产生的电能对蓄电池进行补充。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有电动自行车铅酸蓄电池容量小，使用寿命短，爬坡时放电能力不足的问题，提供一种可以即时给铅酸蓄电池充电，延长铅酸蓄电池使用寿命，可提供充足爬坡电力，方便安装及使用的包含发电机的电动自行车电力辅助补充装置及控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种发电机，包括电动自行车的车轮轮毂、中心轴、车轮两侧封盖，还包括内齿圈以及依次设置在中心轴上的被动变速齿轮及支架、主动转子磁钢盘、定子线圈、被动转子磁钢盘，所述的内齿圈与车轮轮毂固定，所述的被动变速齿轮及支架包括被动齿轮、支架，所述的被动齿轮与内齿圈啮合，所述被动齿轮可转动固定在支架上，所述的支架固接在中心轴上，所述的主动转子磁钢盘包括齿轮、磁钢盘，所述的齿轮与被动齿轮啮合，所述齿轮固接在磁钢盘上，所述的磁钢盘与中心轴可转动连接，所述的定子线圈与中心轴可转动连接，所述定子线圈中心设有出线柱，所述的被动转子磁钢盘与中心轴可转动连接，所述的中心轴上设有与出线柱对应的出线通孔。本方案的内齿圈上设置辐条或者不设置辐条均可实施，内齿圈固定在车轮轮毂上，也可以与车轮轮毂一体制造。

作为优选，所述的被动变速齿轮及支架的支架包括两个圆盘，所述的两个圆盘之间采用定位销固定连接，所述的被动齿轮设于两个圆盘之间，所述被动齿轮与两个圆盘可转动连接。

作为优选，所述的主动转子磁钢盘的磁钢盘、被动转子磁钢盘均包括转盘及多个磁钢片，所述的转盘上设有多个沿着转盘圆周均匀分布的通孔，所述的磁钢片设置在通孔之间，所述磁钢片与转盘固定。

作为优选，所述的被动转子磁钢盘上固定有定位盘，所述的定位盘圆周上设有多个间隔分布的定位齿片。设置了定位盘，磁钢片可以直接放置在定位齿片之间，无需另行定位，安装更为简单。

发电机设置在轮毂内部，为碟式发电机，碟式发电机的散热性能好，体积形状类似轮毂呈扁平形状，二者比较容易结合成为一体化的结构产品；碟式发电机转子盘上安装有数个扇形按N极S极交错排列的磁钢体，并固定于电枢二侧的转子盘，磁钢体在气隙中产生多极的轴向磁化，轮毂发电机的齿圈、齿轮可以采用金属制作也可以采用工程塑料制作，转子磁钢体盘的主动齿轮有一个滚动轴承，转子被动磁铁盘也有一个滚动轴承，轮毂左右两侧封盖各有一个滚动轴承，当电动自行车运行时轮毂内齿圈带动被动变速齿轮及转子磁钢体盘主动齿轮进行旋转，被动转子磁钢体盘上的S极N极通过与主动磁钢转子盘上的磁铁N极S极产生相互吸力运行旋转，磁力线切割定子线圈产生电流，通过出线柱向外传送；电线通过中心轴上的出线通孔与外界连接。

包含所述发电机的电动自行车电力辅助补充装置，还包括电动机、超级电容、蓄电池、控制器、钥匙开关，所述的发电机、电动机、超级电容、蓄电池、控制器、钥匙开关相互由电路连通，所述的电路中还设有全桥逆变器、双向DC/DC变换器，所述的超级电容与蓄电池之间设有双向DC/DC变换器，所述的发电机通过全桥逆变器与超级电容、双向DC/DC变换器、蓄电池形成第一充电回路，所述的蓄电池通过控制器与电动机形成第一放电回路，所述超级电容通过双向DC/DC变换器、控制器与电动机形成第二放电回路。

作为优选，所述的电路中还设有单向DCDC增压模块、三相全桥整流器，所述的电动机为可发电电动机，所述电动机通过三相全桥整流器、单向DCDC增压模块与蓄电池形成第二充电回路。

作为优选，所述的三相全桥逆变器与超级电容之间、超级电容与蓄电池之间分别设有直流接触器。

作为优选，所述的三相全桥整流器与单向DCDC增压模块之间设有直流接触器。

轮毂发电机输出端加载了一个输入宽电压的三相全桥逆变器，发电机输出的三相电压通过三相全桥逆变器输送至超级电容，由于超级电容储存的能量与其端电压的平方成正比，超级电容的端电压变化范围比较大，发电机电压通过三相全桥逆变器输送至超级电容经双向DC/DC加以平衡输送至蓄电池，电动自行车正常行驶过程中超级电容和蓄电池处于并联连接状态，加速、爬坡性能有很好的提升，单纯的蓄电池电动自行车在加速、爬坡时由于蓄电池放电能量较小电力输出功率较低造成电机输出功率不足，加速、爬坡的性能较差，所以在加速、爬坡、行驶时超级电容能优先提供给电动机足够的辅助电力使电动机产生强劲动力，另外蓄电池存放电过程是一种化学反应过程，受材料工艺条件的制约存在循环寿命差、高低温性能差、深度放电性能容量恢复困难等因素，通常情况下蓄电池在环境温度低于>-20度时放电功能几乎为零，而超级电容可以在日常环境温度<-40度的环境中保持良好的工作状态，蓄电池作为能量储存指标的能量密度约为40Wh/kg，作为能量转化指标的功率密度一般只有几十～几百W/Kg相对较低，加速、爬坡行驶过程中造成的蓄电池深度放电缩短了蓄电池使用寿命。超级电容充电速度很快几秒至几分钟即可达到其额定容量的95％以上，循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达几十万次且没有记忆效应，而蓄电池天生具有记忆效应循环次数也仅有数千次，随着循环次数的增加蓄电池的储存能力也会很快下降，超级电容大电流放电能力强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90％，其比功率密度可高达10KW/kg，将超级电容和蓄电池并联使用时超级电容所释放电流时间速度远快于蓄电池电流释放输出的时间速度，在这个状态下超级电容的电流会优先供给给蓄电池并持续对电动自行车电机放电，这样在正常行驶、加速、爬坡时可以减小蓄电池的放电量延长蓄电池的使用寿命。

电动自行车的电机具有电动机和发电机二种功能，二者的功能是可逆的，一台电机原则上即可作为电动机运行也可以作为发电机运行即可逆原理，制动回收电能装置是利用电动自行车这种可逆性电动机电枢绕组感生出的电动势将回收的电能补充到蓄电池，习惯上当电动自行车驾车人进行制动时会自然而然地将手把的位置转到电源关闭状态，此时电动机因为没有外部电源的供给电动机处于可逆性发电机状态运行，这时的电动机就成了一部理想的利用惯性发电的发电机，这时电动机电枢绕组感生出的电动势电能回收就成为了一种可能，电动自行车制动回收动力电能装置就是将电动自行车在行驶过程中制动时产生的电能对蓄电池进行补充，以最大限度地达到利用电动自行车产生的电能回收，由于电动自行车在行驶过程中的速度不稳定造成发电机产生的电压也不稳定，为了避免这种不利因素影响对超级电容电压的快速饱和充值，电动机制动产生的电能通过输出端电路中的单向DCDC稳压模块直接补充至蓄电池，单向DCDC稳压模块能将电动机制动反馈产生的输出电压稳定在一个稳定值，通过这个DCDC模块产生的稳定输出电压对蓄电池进行补充电能不会对蓄电池造成不利因素，因为电动自行车的自身重量惯性和行驶速度所限蓄电池电压在再生制动过程中不会发生明显的变化，因此电枢电流的上升也不会有太大的变化，所以制动反馈的电能通过单向DCDC稳压可以直接输送至蓄电池，无需再加以蓄电池充电电流为被控对象的恒定充电电流的制动方式，但是在超级电容中串联了一个双向DC/DC模块，并且和蓄电池并联连接，是为了稳定平衡超级电容电压电流和蓄电池的电压电流，以防铅酸畜电池电压电流发生快速变化时减弱超级电容的负载均衡作用。

电动自行车电力辅助补充装置的控制方法，根据蓄电池的电流变化开启或者关闭直流接触器；电动自行车正常行驶时，由第一充电回路向蓄电池充电，第一放电回路向电动机供电；电动自行车加速或者爬坡行驶时，关闭第一充电回路，开启第二放电回路，第一放电回路、第二放电回路向电动机供电；电动自行车下坡或者制动时，关闭第一放电回路与第二放电回路，开启第一充电回路、第二充电回路，第一充电回路向超级电容充电，第二充电回路向蓄电池充电。

因此，本发明具有如下有益效果：(1)结构简单，安装方便；(2)发电机产生的电能通过超级电容实现快速储存和快速放电；(3)延长铅酸蓄电池使用寿命，可提高电动自行车爬坡能力和续航能力；(4)收集电动机行驶过程中产生的再生制动能量回收向蓄电池进行补充。

附图说明

图1是本发明发电机的一种结构爆炸示意图。

图2是本发明发电机中心轴的一种结构示意图。

图3是本发明发电机内齿圈的一种结构示意图。

图4是本发明发电机被动变速齿轮及支架的一种结构示意图。

图5是本发明发电机主动转子磁钢盘的一种结构示意图。

图6是本发明发电机被动转子磁钢盘的一种机构爆炸示意图。

图7是本发明电动自行车电力辅助补充装置的一种电路原理图。

图中：1、车轮轮毂 2、中心轴 3、内齿圈 4、被动变速齿轮及支架

5、主动转子磁钢盘 6、定子线圈 7、被动转子磁钢盘

8、被动齿轮 9、支架 10、齿轮 11、磁钢盘

12、出线柱 13、出线通孔 14、圆盘 15、定位销

16、转盘 17、磁钢片 18、通孔 19、定位盘

20、定位齿片。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1至图6所示，一种发电机，包括电动自行车的车轮轮毂1、中心轴2、车轮两侧封盖，还包括内齿圈3以及依次设置在中心轴2上的被动变速齿轮及支架4、主动转子磁钢盘5、定子线圈6、被动转子磁钢盘7，内齿圈3与车轮轮毂1固定，被动变速齿轮及支架4包括被动齿轮8、支架9，被动齿轮8与内齿圈3啮合，被动齿轮8可转动固定在支架9上，支架9固接在中心轴2上，主动转子磁钢盘5包括齿轮10、磁钢盘11，齿轮10与被动齿轮8啮合，齿轮10固接在磁钢盘11上，磁钢盘11与中心轴2可转动连接，定子线圈6与中心轴2可转动连接，定子线圈6中心设有出线柱12，被动转子磁钢盘7与中心轴2可转动连接，中心轴2上设有与出线柱12对应的出线通孔13；被动变速齿轮及支架4的支架9包括两个圆盘14，两个圆盘14之间采用定位销15固定连接，被动齿轮8设于两个圆盘14之间，被动齿轮8与两个圆盘14可转动连接；主动转子磁钢盘5的磁钢盘11、被动转子磁钢盘7均包括转盘16及多个磁钢片17，转盘16上设有多个沿着转盘16圆周均匀分布的通孔18，磁钢片17设置在通孔18之间，磁钢片17与转盘16固定；被动转子磁钢盘7上固定有定位盘19，定位盘19圆周上设有多个间隔分布的定位齿片20。

如图7所示，包含发电机的电动自行车电力辅助补充装置，还包括电动机、超级电容、蓄电池、控制器、钥匙开关，发电机、电动机、超级电容、蓄电池、控制器、钥匙开关相互由电路连通，电路中还设有三相全桥逆变器、双向DC/DC变换器，发电机通过三相全桥逆变器与超级电容、蓄电池形成第一充电回路，超级电容与蓄电池之间设有双向DC/DC变换器，蓄电池通过控制器与电动机形成第一放电回路，超级电容通过双向DC/DC变换器、控制器与电动机形成第二放电回路；电路中还设有单向DCDC增压模块、三相全桥整流器(MDS)，电动机为可发电电动机，电动机通过三相全桥整流器(MDS)、单向DCDC增压模块与蓄电池形成第二充电回路；三相全桥逆变器与超级电容之间、超级电容与蓄电池之间分别设有直流接触器KM1、KM3；三相全桥整流器与单向DCDC增压模块之间设有直流接触器KM2；KM1、KM3、KM2分别受开关K1、K3、K2控制。

如图7所示，KM1由K1控制，松转把滑行包括下坡滑行和正常行驶减速滑行，电动车滑行时手转把处于电源关闭状态，此时K1控制KM1处于闭合状态，K3控制KM3处于开路状态，发电机通过全桥逆变器给电容充电，蓄电池处于休眠状态；KM2由K2控制，正常行驶无制动动作时K2控制KM2处于开路状态，制动时K2控制KM2闭合，此时电动机M产生的电能通过三相全桥整流器、单向DCDC变换器稳压给蓄电池进行充电；KM3由K3控制，爬坡及加速状态时手转把处于旋转加速中，K3控制KM3处于闭合状态，K1控制KM1处于开路状态，此时电容给蓄电池充电的同时也给电动机提供电源，以避免爬坡和加速过程中蓄电池大电流放电。

电动自行车电力辅助补充装置的控制方法，根据蓄电池的电流变化开启或者关闭直流接触器；电动自行车正常行驶时，由第一充电回路向蓄电池充电，第一放电回路向电动机供电；电动自行车加速或者爬坡行驶时，第一充电回路继续向蓄电池充电，开启第二放电回路，第一放电回路与第二放电回路一起向电动机供电；电动自行车制动时，开启第二充电回路，第一充电回路与第二充电回路一起向蓄电池充电，第一放电回路和第二放电回路均关闭。

具体实施过程是，如图7所示，骑用电动自行车时，先打开钥匙开关接通电路，电动自行车正常行驶时，发电机产生电流，KM1常开不导通，KM3常闭导通，KM2呈常开状态，此时超级电容和蓄电池共同向电动机输电，电动机运行工作；

自动检测蓄电池电流的变化交叉控制KM1、KM3的常开与常闭状态，通过双向DC/DC变换器避免减弱超级电容的负载均衡作用也防止蓄电池的过度放电造成对蓄电池的损害；

电动自行车松把滑坡、溜行时KM1、KM3可以经过手动转把控制K1、K3对其的闭合导通工作状态，滑坡、溜行情况下KM1导通，KM3常开不导通，此时发电机给超级电容进行充电，当再度加速或蓄电池电压电流发生快速变化时KM1常开KM3常闭此时充满电的超级电容向蓄电池进行电力补充；

电动自行车在启动、爬坡或者加速时，电动机所需电流较大，手转把处于旋转加速中，K3控制KM3处于闭合状态，K1控制KM1处于开路状态，采用超级电容和蓄电池共同向电动机供电，可保护蓄电池免受大电流损伤；

当电动自行车制动时，KM2闭合，此时电动机因为没有外部电源供给，电动机成可逆性状态，此时电动机产生的电能即可补充到蓄电池。