專利名稱：具有動力輔助功能的自行車的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有動力輔助功能的自行車，更詳細地說，涉及具有動力輔助功能的自行車，后者裝有包括電動機的動力輔助裝置并且能夠把來自多余的人工動力的一部分能量用于對所述電動機的電源充電，以便由此增加自行車能夠在動力輔助裝置的輔助下行駛的距離。
已經(jīng)提出一種諸如裝有動力輔助裝置的自行車的機動車輛，所述動力輔助裝置用于以來自電動機等的輔助動力部分地輔助推動動力。
例如，用電動機輔助的自行車當用該電動機輔助時依靠用戶加在自行車腳蹬上的踩力而增加其牽引力。
由于電動機的旋轉(zhuǎn)只可以在加速自行車的方向上傳送，所以，電動機的旋轉(zhuǎn)經(jīng)由單向離合器傳送到主動輪(活輪)。當僅用人力驅(qū)動自行車時，單向離合器有效地避免電動機變成無用負荷。
對于自行車電池中所充的電能數(shù)量，動力輔助的自行車能夠行駛的距離決定于該電池的容量以及電動機參與驅(qū)動自行車所消耗的電流。
下面將描述具有以下技術條件的例子電池容量 5安培-小時單個電池充電周期行駛的距離30公里如果該自行車每天行駛10公里，則該自行車上的電池必須每隔兩天充一次電。自行車行駛超過30公里后，再也不能夠利用電動機協(xié)助自行車行駛。當自行車上坡和下坡行駛時，每個電池充電周期中自行車能夠行駛的距離減小了。
如上所述，傳統(tǒng)的具有基于來自電動機的輔助動力的動力輔助功能的自行車有以下缺點它在每個電池充電周期中不能夠行駛足夠遠的距離；它需要頻繁地對電池充電；以及在行駛超過一定的距離之后，不能夠用動力協(xié)助。
圖16是顯示傳統(tǒng)的具有動力輔助功能的自行車的基本配置的方塊圖，而圖17是說明傳統(tǒng)自行車的動力傳輸原理的視圖。在圖16和17中，自行車具有曲軸1；單向離合器2，6，10；踩力檢測電路3；電動機4；減速器5；曲軸齒輪7；鏈條8；驅(qū)動齒輪9；主動輪11；電動機驅(qū)動/輸出控制電路；以及電池13。
踩力檢測電路3檢測加在曲軸1上的人力。電動機驅(qū)動/輸出控制電路12根據(jù)所述踩力和自行車速度確定輔助動力，并且控制電動機4的電流和電壓。如果必要，電動機驅(qū)動/輸出控制電路12確認所述電壓和電流得到適當?shù)目刂?。輔助動力是這樣的，以致它在直至15公里/小時的條件下產(chǎn)生與踩力相同的牽引力，當自行車速度超過15公里/小時時根據(jù)自行車速度而減小牽引力，而當自行車速度是24公里/小時時，省去牽引力。
曲軸1上的踩力經(jīng)由單向離合器2和踩力檢測電路3傳輸?shù)角S齒輪7，然后經(jīng)由鏈條8傳輸?shù)津?qū)動齒輪9，從這里經(jīng)由單向離合器10繼續(xù)傳輸，以便驅(qū)動主動輪11，于是，自行車按照圖17中的箭頭所指的行駛方向行駛。電動機4的輸出動力經(jīng)由減速器5和單向離合器6傳輸?shù)角S齒輪7，從這里，以與利用來自曲軸1的踩力時相同的方式繼續(xù)傳輸。所述人力和來自電動機的輔助動力相加，并且加到曲軸齒輪7。
單向離合器6用來避免曲軸1的旋轉(zhuǎn)被傳輸?shù)诫妱訖C4，使得當沒有輔助動力可利用時所述人力不受損失。
單向離合器2用來避免電動機4的旋轉(zhuǎn)被傳輸?shù)角S1，以便避免曲軸1違背騎車者的意圖旋轉(zhuǎn)。
在這種系統(tǒng)中，由于電動機4按照騎車者的意向協(xié)助轉(zhuǎn)動曲軸1，所以，原則上，曲軸1不違背騎車者的意向而旋轉(zhuǎn)。但是，由于檢測踩力方面的延遲、電動機旋轉(zhuǎn)的惰性、以及其它處理原因，曲軸1可能接收來自電動機4的旋轉(zhuǎn)動力。如果希望最好沒有來自電動機4的這種旋轉(zhuǎn)動力到達曲軸1，則需要單向離合器2。
單向離合器10用來避免曲軸1由于自行車行駛時的動量而旋轉(zhuǎn)。如果存在單向離合器2，則在沒有單向離合器10的情況下避免曲軸1旋轉(zhuǎn)。如果希望最好沒有由鏈條和曲軸齒輪的旋轉(zhuǎn)引起的損耗，則需要單向離合器10。
圖17中，減速器5包括傳動帶或鏈條。
至此，如上所述，配置了一種避免自行車行駛時主動軸11轉(zhuǎn)動電動機4的單向離合器10。當自行車被推進時，電動機4經(jīng)由減速器使主動輪11旋轉(zhuǎn)。當自行車由于動量而行駛或者處在再生方式時，主動輪11經(jīng)由減速器使電動機4旋轉(zhuǎn)，放大了電動機4的空載轉(zhuǎn)矩并且增加了自行車在沒有推進動力的情況下行駛時的損耗。單向離合器10就是為了避免這樣的狀態(tài)而設置的。(如果把自行車看做原始的自行車，則當僅僅依靠人力行駛時它會變得沉重，或者當由騎車者步行推動時，它會經(jīng)受一種加大的阻力。)如果電動機的空載轉(zhuǎn)矩是1[kg-cm]并且減速器具有1∶20的減速比，則從主動輪看到的轉(zhuǎn)矩被放大到20[kg-cm]，使得騎車者感覺到來自自行車的非常大的阻力。20[kg-cm]的轉(zhuǎn)矩變換到主動輪的牽引力等于大約6[牛頓]。這使騎車者感覺到大大地增加了阻力，因為，自行車以15公里/小時的速度行駛所需要的牽引力是大約10[牛頓]。
由電動機引起的損耗包括鐵的磁滯損耗、軸承損耗、風阻損耗、電刷摩擦損耗等等，尤其是磁滯損耗和電刷摩擦損耗成為難題。
如上所述，具有動力輔助功能的傳統(tǒng)的自行車存在以下問題它在每個電池充電周期中不能夠行駛足夠遠的距離；它需要頻繁地對電池充電；以及在行駛超過一定的距離之后，不能夠用動力協(xié)助。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有動力輔助功能的自行車，它在再生方式時利用自行車下坡行駛時產(chǎn)生的一部分能量或者可以從騎車者獲得的多余的人力，從而增加自行車在用動力輔助時能夠行駛的距離。
為了實現(xiàn)上述目的，提供一種具有動力輔助功能的自行車，它包括電動機，用來把一部分推進力和人力相加，以便增加所述人力的推力；電源裝置，它包括用來向電動機提供電能的電池；控制裝置，用來控制電動機的操作；再生裝置，用來利用來自多余人力的一部分能量再生向電源充電的電能；行駛狀態(tài)檢測裝置，用來檢測行駛狀態(tài)；以及顯示/指示裝置，用來根據(jù)由所述行駛狀態(tài)檢測裝置檢測到的行駛狀態(tài)顯示/指示行駛狀態(tài)和/或行駛目標。顯示/指示裝置能夠向自行車的駕駛者顯示/指示適當?shù)男旭偹俣?，以便大大增加自行車能夠行駛的距離。
行駛目標可以包括人工產(chǎn)生的推進力，顯示/指示裝置包括用來顯示/指示行駛目標和當前行駛狀態(tài)之間的任何差別、以便自行車駕駛者可以精確地確定所述差別的裝置。顯示/指示裝置可以顯示行駛指令，以便自行車駕駛者可以看到這些指令。
行駛狀態(tài)檢測裝置可以包括坡度檢測裝置，用來檢測自行車行駛路徑的坡度；以及速度檢測裝置，用來檢測自行車的當前速度。顯示/指示裝置包括這樣的裝置它顯示/指示目標速度和由速度檢測裝置檢測到的當前行駛速度和/或根據(jù)由坡度檢測裝置檢測到的坡度顯示/指示隨目標速度和當前行駛速度之間差值的超過或不足而變的量。
顯示/指示裝置可以包括這樣的裝置如果由坡度檢測裝置檢測到的坡度是下坡坡度，則它把行駛速度作為目標速度顯示/指示，以便使提供給電源裝置的充電電流達到最大值；而如果由坡度檢測裝置檢測到的坡度是上坡坡度，則它把考慮到實際行駛速度而確定的速度作為目標速度顯示/指示，以便將所述電源裝置消耗的電流減至最小。這樣，所述顯示/指示裝置可以向自行車駕駛者指示適合于上坡或下坡行駛的行駛速度，以便大大增加自行車能夠行駛的距離。
所述控制裝置可以包括用來控制所述再生裝置的工作的裝置。
所述控制裝置可以包括這樣的裝置當自行車行駛在平地同時其行駛速度高于預定的水平時，它控制所述再生裝置再生所述電能。
所述控制裝置可以包括這樣的裝置如果由所述坡度檢測裝置檢測到的坡度是下坡坡度，則它控制所述再生裝置的操作，并且根據(jù)檢測到的下坡坡度控制自行車以最佳行駛速度行駛。
再生裝置可以包括這樣的裝置當啟動制動桿時它利用一部分電能向電源裝置充電。這樣，可以利用比較簡單的裝置非常有效地再生電能，以便進一步增加自行車能夠行駛的距離。
所述電動機可以包括直接驅(qū)動電動機，后者具有直接耦合到前輪的旋轉(zhuǎn)軸和定子以及能夠與前輪一致地旋轉(zhuǎn)的外轉(zhuǎn)子，所述直接驅(qū)動電動機起再生裝置的作用。這樣，所述電動機可以作為再生裝置，使得有可能簡化自行車結構，以便能夠減輕自行車的重量并且提高其效率。
根據(jù)本發(fā)明，還提供一種具有動力輔助功能的自行車，它包括電動機，用來把一部分推進力和人力相加，以便增加所述人力的推力；電源裝置，用來向所述電動機提供電能；人力檢測裝置，用來檢測作為推力的人力；以及控制裝置，用來根據(jù)由所述人力檢測裝置檢測到的人力的大小控制所述電動機的操作；所述電動機包括直接驅(qū)動電動機，后者具有直接耦合到前輪的旋轉(zhuǎn)軸和定子以及能夠與前輪一致地旋轉(zhuǎn)的外轉(zhuǎn)子，所述直接驅(qū)動電動機可以起利用多余人力的發(fā)電機的作用，以便利用一部分再生的電能向所述電源裝置充電。這樣，所述電動機可以作為再生裝置，使得有可能簡化自行車結構，以便能夠減輕自行車的重量并且提高其效率。
從以下結合附圖所進行的描述，本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點會變得更加清楚，附圖中示出作為說明性例子的本發(fā)明的最佳實施例。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的具有動力輔助功能的自行車的基本配置的方框圖；圖2是說明具有動力輔助功能的自行車的行駛阻力、牽引力和速度之間的關系的簡圖；圖3是說明在不同的輸出電平下具有動力輔助功能的自行車的牽引力和速度之間的關系的簡圖；圖4是說明具有動力輔助功能的自行車的模擬人工牽引力和輔助牽引力之間的關系的簡圖；圖5是說明自行車以不同的速度下坡行駛1公里時電動機用來產(chǎn)生電功率的情況下充電量的表格；圖6是說明自行車上坡行駛1公里時電動機的消耗電流的表格；圖7是無刷電動機的控制電路的方塊圖；圖8是所述控制電路的電壓、電流和信號波形的簡圖；圖9是顯示無刷電動機處在脈寬控制下時產(chǎn)生的U，V，W相電壓的波形的簡圖；圖10是說明在脈寬調(diào)制控制下以再生方式激勵和驅(qū)動無刷電動機時的電流控制過程和電流波形的簡圖；圖11是說明相對于坡度和總電阻的行駛距離的模擬值的表格；圖12A和12B是說明在固定的總電阻下相對于輪胎直徑的行駛距離的模擬值的表格；圖13是說明最大速度和輪胎直徑之間的關系的簡圖；圖14是說明隨輪胎直徑而變的行駛特性的簡圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的具有動力輔助功能的自行車的基本配置的方框圖；圖16是具有動力輔助功能的傳統(tǒng)自行車的基本配置的方框圖；圖17是說明具有動力輔助功能的傳統(tǒng)自行車的動力傳輸原理的示意圖。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的具有動力輔助功能的自行車的基本配置的方框圖。如圖1中所示，所述自行車具有曲軸1；踩力檢測電路3；電動機4；曲軸齒輪7；鏈條8；驅(qū)動齒輪9；單向離合器10；人工驅(qū)動主動輪11；電動機驅(qū)動/輸出控制電路12；電池13；以及電動機驅(qū)動主動輪14。
可以省去踩力檢測電路3，并且用另一種方法，根據(jù)自行車行駛狀態(tài)，通過逆操作來檢測踩力。但是，為了比較容易理解本發(fā)明，假定自行車包括踩力檢測電路3。
本實施例屬于以下情況由電動機驅(qū)動的主動輪14使該電動機4旋轉(zhuǎn)，以便起用于向電池充電的發(fā)電機的作用。由于始終連接著諸如齒輪的動力傳輸裝置，所以，要求電動機4具有非常小的空載損耗。
如上所述，電動機的損耗包括鐵的磁滯損耗、軸承損耗、風阻損耗、電刷摩擦損耗等等，尤其是磁滯損耗和電刷摩擦損耗成為難題。
根據(jù)本實施例，利用無刷電動機以便消除電刷損耗，利用無鐵心電動機以便消除磁滯損耗，并且利用直接驅(qū)動電動機以便避免增加高速齒輪損耗，從而減小空轉(zhuǎn)損耗。
圖1中，自行車包括前驅(qū)動機構，其中，直接驅(qū)動電動機4安裝在自行車的前輪上。在使整個自行車配置非常簡單方面所述前驅(qū)動機構是有效的。由于電動機4驅(qū)動前輪，故簡化了與曲軸齒輪7相關的機構，使得圖16中所示的單向離合器2、6變成不必要的。單向離合器10用來避免曲軸1在自行車行駛時被主動輪轉(zhuǎn)動。
安裝在前輪上的電動機4是外轉(zhuǎn)子型的，其中，其旋轉(zhuǎn)軸固定在前輪的輪叉上，同時，其外轉(zhuǎn)子可以和前輪一致地旋轉(zhuǎn)。前輪的輻條固定在外轉(zhuǎn)子的外圓周面上。
由于自行車行駛時電動機4總是旋轉(zhuǎn)，所以把它設計成盡可能地減小空載損耗。電動機4沒有電刷因此沒有電刷損耗，其電樞鐵心被設計成具有盡可能小的磁滯損耗，并且這樣設計電動機4，以便減小由電樞鐵心和場系統(tǒng)引起的小旋轉(zhuǎn)速度不規(guī)則性，從而使得自行車行駛時振動小到難于察覺。
在本實施例中，電動機4包括無電刷、直接驅(qū)動電動機。
下面將說明行駛阻力、牽引力和動力輔助的基本概念。
用滾動阻力+風阻損耗阻力+坡度阻力來表示自行車的行駛阻力。
用包括這些阻力的系數(shù)的以下的典型方程來表示行駛阻力R[牛頓]R＝2×2.7+0.027×V2+9.8×W×sinθ其中，V是速度[公里/小時]，W是重量[公斤]，而θ是坡度[°]。這個方程已經(jīng)被簡化，以便在其省略不造成實際問題的限度內(nèi)忽略以下因素忽略騎車者的重量引起的滾動阻力的變化。
忽略騎車者的體形引起的風阻損耗阻力的變化。
省略與坡度阻力有關的cosθ分量。
圖2顯示當總重量為80公斤時行駛阻力、牽引力和速度之間的關系。圖2中，行駛阻力以平方的方式增加。當坡度和重量增加時，曲線向上移動。由于總重量被確定為80公斤，所以，僅僅把坡度作為參數(shù)表示出來。當坡度變成下坡(負值)時，曲線向下移動。如果牽引力大于行駛阻力，則自行車被加速，直至牽引力變成等于行駛阻力時達到平衡狀態(tài)為止。當牽引力小于行駛阻力時自行車被減速。
例如，如果按照牽引力曲線2-1施加牽引力，并且自行車行駛在平地上(坡度0°)，則自行車達到0°下的行駛阻力曲線與牽引力曲線2-1彼此相交時的速度(在本實施例中是大約27公里/小時)。
在-2°的坡度處(下坡)，當速度低時，由于坡度力是負的，所以，自行車在沒有施加力的情況下被加速，于是，行駛阻力隨著速度而上升，并且在牽引力變成等于行駛阻力時達到平衡狀態(tài)(本實施例中是大約28公里/小時)。
根據(jù)牽引力持續(xù)時間、年齡、性別、訓練經(jīng)驗、體格等，各種人產(chǎn)生各種各樣的牽引力。
當速度比較低時，牽引力比較大。隨著速度的提高，牽引力變小。通常，能夠在長時間內(nèi)產(chǎn)生的牽引力是大約50瓦，而在短時間內(nèi)能夠產(chǎn)生的牽引力是大約200瓦。據(jù)說，經(jīng)過訓練的人能夠產(chǎn)生幾倍于上述數(shù)值的牽引力。
圖3說明在不同輸出電平下自行車的牽引力和速度之間的關系，舉50瓦、200瓦和400瓦的牽引力數(shù)值為例。由于輸出電平是按照速度和牽引力的乘積來計算的，所以，當速度低時，牽引力變大，而當速度為零時，牽引力是無窮大。當然，人們產(chǎn)生的力在數(shù)值上(以及速度)是有限的，并且根據(jù)舉例說明的各不變的輸出電平的特性而具有不同的特性。從圖3可以看出，甚至在50瓦輸出電平的情況下，在平地上自行車也能夠以十幾公里/小時的速度行駛。
下面將說明人力和輔助力建立的基礎。由于人工牽引力是復雜的，不能夠象上述那樣單值地表達，所以，如圖4中那樣用模擬的方式表示它們。圖4示出自行車的模擬人工牽引力和輔助牽引力之間的關系。人工牽引力曲線4-1表示人工(踩)牽引力，在速度V1范圍之內(nèi)它們是常數(shù)，超過速度V1之后下降，而在速度V3處變?yōu)榱恪?br>
輔助牽引力曲線4-2表示由電動機產(chǎn)生的牽引力，在速度V1范圍內(nèi)它們與人工牽引力相同，超過速度V1之后下降，而在速度V2處變?yōu)榱?。和傳統(tǒng)的情況一樣，分別用15公里/小時和24公里/小時表示速度V1，V2。速度V3不是預先確定的值，表示為30公里/小時。
總牽引力曲線4-3代表表示人工牽引力和輔助牽引力之和的總牽引力?？偁恳υ谒俣萔1范圍之內(nèi)是人工牽引力的兩倍，超過速度V1之后下降，而超過速度V2之后等于人工牽引力。
當圖1中所示的自行車下坡行駛時，由于電動機4直接連接到前輪，所以，電動機4起發(fā)電機的作用。如果以某種方式使所產(chǎn)生的電力返回電池13，則電池13被充電，在增加自行車的推力的同時增加了自行車能夠行駛的距離。
為了甚至當由電動機4產(chǎn)生的電力的電壓低于電池的電壓時也能夠獲得充電電流，該自行車需要具有升壓功能的控制電路。在本實施例中，把用于控制直流無電刷電動機的控制電路安排成雙向控制，使得當由來自電池13的電能控制電動機時，降低來自電池13的電能的電壓，而當由電動機產(chǎn)生的電能向電池13充電時，提高由電動機產(chǎn)生的電能的電壓。下面將描述該控制電路的實施例。
超過一定的速度時，電動機的電動勢高于電池電壓，因此，甚至在不提高所產(chǎn)生的電能的電壓時也能夠獲得充電電流。在充電電流流通的同時，由于自行車遭受再生減速，所以，自行車經(jīng)受減速力。
這樣，當自行車以一定的速度下坡行駛時，自行車上的電池可以被充電。用來向電池充電的電能的數(shù)量隨著下坡斜面坡度和速度等而不同。
圖5顯示在電動機具有以下技術指標的情況下，自行車以不同速度下坡行駛1公里時充電的數(shù)量所述電動機的主要技術指標型號直流無刷電動機額定電壓28.8伏空載電流0.5安培轉(zhuǎn)矩常數(shù)12千克·厘米/安培內(nèi)部電阻0.4歐姆其它技術指標電池內(nèi)部電阻大約0.16歐姆線路電阻大約0.08歐姆(包括控制電路)控制電路損耗大約3瓦(不變)圖5中，在用粗線表示的格子中充電量達到最大值。在-2°坡度的情況下，在大約14公里/小時的速度下充電量達到最大值。隨著下坡坡度的增加，獲得最大充電量的速度也增大。當在比較小的坡度下提高速度時，行駛阻力增加，于是，可用以向電池充電的電能減少了。當自行車以低速在陡峭的下坡斜面上行駛時，由于由大電流引起的鐵心內(nèi)部電阻(IIR)損耗以及由電動機的低旋轉(zhuǎn)速度引起的發(fā)電量的不足，充電量減少了。
圖5中較低速度的空白格表示電動機未能產(chǎn)生足以保持這些較低速度的制動力。換言之，由于所產(chǎn)生的電力電壓低，所以未能流通足以保持所述較低速度的制動電流。
在圖6所示的表格中給出自行車上坡行駛時的消耗電流。
對于上坡行駛的自行車，隨著坡度而變存在這樣一些速度，在這些速度下消耗電流達到最小值(見用粗線表示的格子)。在較低和較高速度下消耗電流較大，因為，在較低速度下電動機以較低效率工作，而在較高速度下，風阻消耗加大，于是行駛阻力加大。此外，由于依據(jù)電動機和驅(qū)動系統(tǒng)的設計，最小值可能存在于不實際的速度處，所以，必須選擇不會遭遇實際問題的速度。
隨著坡度的增大，最小消耗電流的速度增大。這是由于隨著坡度的增大，風阻消耗的增大對坡度阻力的比值變小了。
用橫杠代表的格子表示旋轉(zhuǎn)速度太低，以致自行車不能利用現(xiàn)有的電池電壓(28.8伏)以這樣的速度行駛。
下面將說明在圖5和6所示的實施例中當自行車上坡和下坡行駛時所消耗的電流和自行車能夠行駛的距離。
如果自行車以與最小消耗電流有關的速度上坡行駛并且以與最大再生電流有關的速度下坡行駛，那么，當自行車在2°的坡度下以10公里/小時的速度上坡行駛1公里時，消耗電流達到最小值，并且電池以0.223安培小時的速率放電，而當自行車在2°的坡度下以10公里/小時的速度下坡行駛1公里時，再生電流達到最大值，并且電池被以0.133安培小時的速率充電。
當自行車在一個周期中上坡行駛1公里并且下坡行駛1公里，那么，消耗0.223-0.133＝0.090安培小時的電流。如果電池的滿充電容量是5安培小時，則自行車能夠行駛的距離為2×5/0.09＝111[公里]這個距離大大超過沒有任何再生功能情況下自行車能夠行駛的距離，因為，后一種距離是2×5/0.223＝45[公里]由于選擇了良好的行駛條件，所以獲得以上結果。如果不考慮行駛條件，則可能存在不能由再生功能實現(xiàn)本質(zhì)上的優(yōu)勢的情況。例如，如果自行車以6公里/小時的速度慢慢上坡行駛，并且以24公里/小時的較高速度下坡行駛，那么，在上坡行駛時從電池消耗0.233安培小時的電流，并且在下坡時再生0.045安培小時的電流，結果，自行車能夠行駛52公里的距離。因此，基本上不能實現(xiàn)什么優(yōu)勢。
能夠用來實現(xiàn)最佳優(yōu)勢的速度隨著各種因素而變化，這些因素包括電動機的特性，重量以及行駛距離。坡度以及自行車的總重量將影響最佳速度。
可以用傳感器檢測坡度，并且可以根據(jù)坡度和加速度計算重量。下面將簡單地說明確定自行車的總重量m的過程。
1)如果人力檢測裝置根據(jù)坡度和加速度而不是踩力檢測總重量，那么，當根據(jù)曲軸的旋轉(zhuǎn)判斷沒有人力可利用時，從電動機轉(zhuǎn)矩、坡度和已知的行駛阻力確定加速/減速力(f)，于是，根據(jù)加速/減速力(f)和加速度/減速度(a速度的變化率)確定總重量m如下m＝f/a2)如果可以利用踩力檢測電路，則根據(jù)人力、電動機動力、坡度和行駛阻力來確定加速/減速力(f)，然后，根據(jù)加速/減速力(f)和加速度/減速度a按照以上方程確定總重量m。
下面將參考圖7、8和9描述控制電路和無電刷電動機的再生控制。
下面將簡單地說明對無電刷電動機的控制。
在具有電刷的普通直流電動機中，利用通稱為換向器的換向裝置把電刷固定在滑動觸點上，以便向電樞提供電流。在磁場的極性變化的位置，電刷和換向器改變線圈中電流的方向，使得電動機在一個方向旋轉(zhuǎn)。
在無刷電動機中，利用包括諸如場效應管(FET)的電開關器件的控制電路代替電刷和換向器，所述控制電路響應在磁體和線圈之間切換的位置信號而改變線圈中的電流。無刷電動機的控制電路基本上按照與三相同步電動機的控制電路的相同的方式工作。圖7示出無刷電動機的控制電路的方塊圖。
圖8顯示該控制電路中的電壓、電流和信號波形。對應于相應的三相的U，V，W各相備有由開關器件FET1，F(xiàn)ET2，...，F(xiàn)ET5，F(xiàn)ET6提供的相應的電壓U，V，W。下面將以電壓U為例來描述。控制電路向各FET提供門信號，使得當FET1導通時FET2截止，而當FET1截止時FET2導通。當FET1導通時，電壓U等于電池電壓+FET1兩端的電壓，而當FET2導通時，電壓U等于電池電壓-FET2兩端的電壓(接地)。流過U相的電流與其它各相的電壓相關地具有正和負值，如圖8中U相電流所示那樣。類似地，流過V相和W相的電流如圖8中V相電流和W相電流所示那樣具有正和負值。這些相電流彼此之間具有120°的相位差，產(chǎn)生使電動機旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。
下面將描述脈寬調(diào)制(PWM)控制和再生控制。
當對控制電路的開關器件進行PWM控制時，可以改變電壓。圖9示出在PWM控制過程中U，V，W各相電壓的波形。在圖9所示的實施例中，電池電壓具有50％的占空比(一半電壓)。
圖10顯示在PWM控制過程中，在無電刷電動機被激勵并且工作在再生方式下時U相的電流控制過程和電流波形。下面將參考圖10說明所述電流控制過程。
50％占空比意味著在電流將流入電動機的時間間隔中，即，在圖8中電壓U的位置FET1導通的時間間隔中，F(xiàn)ET1導通、即、FET2截止的時間間隔構成一半，而FET2導通、即、FET1截止的時間間隔構成一半。見圖10中波形10-1。
當電動機的電動勢(VM)低于U相平均電壓(Ua)時，在FET1導通(FET2截止)時電流流過路徑I1，而在FET2導通(FET1截止)時電流流過路徑I2。這樣，一種連續(xù)電流按照激勵電動機的方向流過電動機的線圈。該電流具有圖10中的波形10-2。
下面將描述在再生方式下電動機的工作。當電動機的電動勢(VM)高于U相平均電壓(Ua)時，沒有電流流過路徑I2，但是，當FET1截止(FET2導通)時相反的電流流過路徑I3，并且，當FET1導通(FET2截止)時，電流按照向電池充電的方向流過路徑I4。該電流具有圖10中的波形10-3。波形10-2，10-3中畫陰影線的區(qū)域代表流入電池的電流。
因此，在PWM控制過程中，在所述電動勢高于所述平均電壓的限度內(nèi)，甚至當電動機的電動勢低于電池電壓時，也有可能向電池提供再生電流。
所述再生電流(充電電流)以同電動機激勵電流(放電電流)相同的大小流動，所述電池必須是可以用大電流充電的電池。所述電池可以包括鉛蓄電池，鎳鎘(Ni-Cd)蓄電池，Ni-MH蓄電池，鋰(離子)電池等等。由于以上原因而選擇對充電電流較少限制的電池。
在上述電流控制過程中，已經(jīng)描述了按照180°提供的簡單的矩形電流。但是，在實際應用中，鑒于所使用的電動機的特性，最好利用按照120°提供的矩形電流，而在PWM控制過程中，使用調(diào)制成正弦波形的波形。
本實施例屬于在再生方式下可控的動力傳輸機制，在再生方式下控制電動機的控制電路，以及關于行駛狀態(tài)和行駛條件的顯示(指示)裝置。
上面已經(jīng)說明，當自行車以取決于上坡和下坡坡度的最佳速度行駛時，可以增加自行車能夠行駛的距離。
但是，自行車駕駛者難以精確地感覺到該自行車當前正在其上行駛的斜面的坡度，并且，可能由于假象或者身體條件而對上坡和下坡坡度有不同的感覺。
為了避免這種缺陷，向騎車者顯示(指示)隨上坡和下坡坡度而變的行駛條件，使騎車者可以按照所顯示(指示)的行駛條件操縱自行車。騎車者根據(jù)所顯示的信息踩腳蹬或者操作制動桿，從而控制自行車的速度。
在騎車者能夠判明的下坡斜面上，自行車以自動形成的速度下坡行駛，同時，騎車者根據(jù)其自己的意向不踩腳蹬。甚至在騎車者不能判明的下坡斜面上，騎車者也能夠根據(jù)以下的顯示信息，按照適當?shù)臈l件操縱自行車。
通過基于表示檢測到的坡度、檢測到的踩力以及必要時的溫度、電池容量(未示出)的信息所進行的計算(或根據(jù)表格)，初步確定行駛條件。
可以用各種方法中的任何方法顯示所述信息。例如，可以顯示所計算的行駛條件和當前運行條件之間的差別，或者可以直接顯示所計算的行駛條件和當前運行條件，或者可以顯示所述差別是正在消除還是正在加大，或者可以以可視方式或可聞方式顯示所述信息。只要能夠有效地向騎車者提供用于最佳地操縱自行車的信息，這些顯示方法中的任何方法都可以使用。
下面將說明在再生方式下增加自行車能夠行駛的距離的方法。
如上所述，通過在具有一定坡度的向上和向下斜面上行駛，可以增加自行車能夠行駛的距離。但是，當自行車在平地上行駛時就不能增加自行車能夠行駛的距離，因為，這里沒有可以利用再生方式的機會。當自行車在平地上以一定的或者較高的速度行駛時，可以對自行車實行逆動力輔助以便以再生方式運行，使得甚至當自行車在平地上行駛時也能夠以再生方式產(chǎn)生電能。由于使自行車在平地上行駛所需要的力很小，所以，沒有察覺得到的負載加在人力上。
對于自行車來說，輕微下坡行駛時需要與在平地上行駛時的相同的人力。這種需要不會使騎車者感到難于應付，因為騎車者不能判明輕微的下坡坡度。
在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)的效率極其重要。重要的是把包括電動機、傳動機構和輪子的滾動阻力的機械損耗，騎車者和自行車身的風阻損耗以及電池、控制電路和電動機的電損耗減至最小。如果這些損耗小，則自行車上坡行駛所需要的電流量減小，而自行車下坡行駛時在再生方式下所產(chǎn)生的電流量增加。
作為例子，下面將描述減小電損耗的情況。
由于典型的電損耗是電阻，所以，對隨著電動機和線路的電阻以及電池內(nèi)部電阻的減小自行車在各種坡度下能夠行駛的距離進行了模擬。圖11中示出模擬結果。總的電阻表示如下總電阻＝電動機內(nèi)部電阻+器件導通時控制電路的電阻+導線電阻+電池內(nèi)部電阻。
隨著電阻(總電阻)的減小，自行車能夠行駛的距離增加，直至變成無限大。當自行車在平地上行駛時采用減小電阻的方法未獲得什麼改進，但是，當自行車在具有坡度的斜面上行駛時，通過減小電阻可以獲得比較大的改進。
實際電阻是電動機0.38歐姆，控制裝置0.04歐姆，線路0.03歐姆，電池0.16歐姆，產(chǎn)生的總電阻是大約0.6歐姆。把總電阻從0.6歐姆減小到0.1歐姆是非常困難的。
但是，顯然，通過減小電阻、雖然不是很大，但也可以大大增加自行車能夠行駛的距離，并且改善了其它損耗。
圖12A和12B中示出在當前0.6歐姆總電阻和容易實現(xiàn)的0.52歐姆總電阻的情況下，具有安裝在小輪子上的、有相同技術指標的電動機的自行車的行駛距離。
當電動機安裝在小輪子上時，即使內(nèi)部電阻具有當前的等級，也可以實現(xiàn)很大的優(yōu)點。能夠?qū)崿F(xiàn)這些優(yōu)點的速度低于自行車具有24英寸情況下相應的速度，但是在從10公里/小時到15公里/小時的范圍內(nèi)，這種速度實際上有點低。
但是，不能夠滿足對自行車實現(xiàn)動力輔助的高達25公里/小時的原始要求。通過對電動機實行弱磁場控制了提高電動機的轉(zhuǎn)速，提高電池電壓以及利用變速箱是有效的。由于減小輪胎直徑等效于安裝變速箱，所以，使用有效的減速器和大直徑的輪胎是可能的。
使用小直徑輪胎意味著利用比較高的電動機轉(zhuǎn)速和比較高的電動機效率。由于減小了自行車的速度，所以減小了風阻損耗，包括自行車行駛時的效率，結果，自行車能夠行駛的距離增大了。
下面將說明最大速度和輪胎直徑之間的關系。圖13示出最大速度和輪胎直徑之間的關系。
當輪胎直徑變小時，最大速度自然降低。例如，盡管24英寸輪胎時自行車的最大速度是大約26公里/小時，但是，12英寸輪胎時自行車的最大速度卻是大約13公里/小時。
下面將說明由不同輪子直徑引起的行駛特性的差別。
圖14示出隨輪胎直徑而變的行駛特性。圖14中，牽引力曲線A代表使用12英寸輪胎時牽引力對速度的特性曲線。按照牽引力曲線A，隨著速度的增加，牽引力減小，并且當速度是大約13公里/小時時牽引力變?yōu)榱?。牽引力曲線A與行駛阻力之間的交叉點代表相對于各坡度的速度。因此，在平地上，自行車只能以大約12公里/小時的速度行駛。
牽引力曲線B代表使用24英寸輪胎時牽引力對速度的特性曲線。自行車能夠以大約24公里/小時的速度行駛。
由于行駛阻力隨著速度的增加而增加，所以，如果在穩(wěn)定的行駛速度范圍內(nèi)自行車以盡可能低的速度行駛，則行駛效率較高。下面就行駛穩(wěn)定性和行駛效率來分析自行車以10公里/小時的速度行駛的情況。
當使用24英寸輪胎時，在10公里/小時附近使用低效率區(qū)域，如效率曲線B所示。
當使用12英寸輪胎時，使用高效率區(qū)域，如效率曲線A所示，但是，最大速度受到限制。
如果通過磁場削弱控制和變速箱而實現(xiàn)效率曲線A、B兩者，則能夠使用從低速度到高速度的高效率區(qū)域，使得它得到優(yōu)化，以便增加自行車能夠行駛的距離。如果要改變速度的話，自行車最好具有在效率曲線A，B之間的連續(xù)可變的變速箱，并且，在效率曲線A，B之間最好包括若干個齒輪比。
圖15示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的具有動力輔助功能的自行車的基本配置的方塊圖，它包括上述組合在一起的各種功能。
圖15中，自行車具有曲軸1；踩力檢測電路3；電動機4；曲軸齒輪7；鏈條8；驅(qū)動齒輪9；單向離合器10；人工驅(qū)動主動輪11；電動機驅(qū)動/輸出控制電路；電池13；以及電動機驅(qū)動主動輪14，坡度檢測電路21，行駛狀態(tài)/輔助狀態(tài)設置電路22，顯示電路23及制動桿和再生電路24。
將根據(jù)第二實施例的具有動力輔助功能的自行車概述如下當使用再生控制方法時，以再生控制方法提供驅(qū)動自行車(上坡行駛時主要由電動機推進)時消耗的電流，增加了自行車能夠行駛的距離。
如果自行車被起動之后有效地行駛并且以再生方式行駛，那么，大大地增加了自行車能夠行駛的距離。
有效的自行車行駛的主要例子是與上坡和下坡坡度匹配的速度。
當下坡行駛時，有可能設置再生制動力，以便將狀態(tài)最佳化。但是，在上坡行駛時，不可能設置由自行車駕駛者產(chǎn)生的力。
向騎車者顯示(指示)信息，以便根據(jù)騎車者的意向，以最佳條件驅(qū)動自行車。
所述最佳條件必須考慮動力系統(tǒng)(電動機，傳動裝置，控制電路，電池等)的效率和行駛效率的組合。為了增加組合效率，還附加考慮有效的變速箱和磁場削弱控制方法。
雖然電動機的效率是重要的，但是，對于自行車來說，行駛在電動機具有高效率的區(qū)域是不夠的。
在這種系統(tǒng)中最好使用鋰離子電池，因為，其充電和放電效率是大約100％，并且，對于充電電流的任何限制原則上都是小的。
在組合效率高于一定水平，驅(qū)動自行車時所消耗的電流和該自行車在再生方式下所提供的電流之間的差別是零的條件下，該自行車可以無限地行駛下去。
經(jīng)過一個接一個的一定的上坡和下坡斜面，該自行車能夠無限地行駛下去。
在平地和緩慢的斜面行駛時，對輔助控制的分布曲線略作修改，以便使人力可以利用再生方式。
在平地和緩慢的斜面上，由于自行車需要小的力，所以，騎車者的任何負荷都是小的，并且，騎車者不能判明坡度，騎車者未感覺到難于應付和過分的負荷。
自行車不但在下坡行駛時而且在被制動到停止時以再生方式行駛。可以在拉制動桿時、正好在閘瓦起動之前通過電開關激勵再生方式，使得可以得到再生電流。
除了電開關之外，可以正好在閘瓦起動之前利用線性檢測器進行檢測，以便實現(xiàn)線性再生控制。
由于自行車被制動時能夠返回電池的電流是非常小的，所以，當自行車以非自動設定的速度下坡行駛時，制動桿是有效的。
當自行車在相當陡峭的下坡斜面上行駛時，可以起動與再生制動結合的機械制動，以便產(chǎn)生增加的再生電流。
為了甚至很小程度地提高效率，由于良好的效率對再生的影響增加，所以，在高效率的情況下來設計系統(tǒng)的各種部件。
為了輔助，可以不要對腳蹬直接施加脈動的力，而可以平緩地施加力，以便避免脈動電流，并且，可以用適當?shù)难b置檢測輪胎充氣壓力和行駛變速箱系統(tǒng)的潤滑作用，并且以適當?shù)难b置向騎車者顯示，以便敦促對自行車的維修。鑒于這些考慮來構成所述系統(tǒng)是很重要的。
根據(jù)本發(fā)明，通常能夠做到1.大大地增加自行車在動力輔助下能夠行駛的距離；2.如果可以縮短自行車能夠行駛的距離，則允許減小電池的容量；3.減小具有動力輔助功能的自行車的成本和重量；4.產(chǎn)生諸如長距離動力輔助自行車競賽的新運動項目的可能性5.增加自行車能夠行駛的距離，部分地覆蓋摩托車的范圍，以便改善環(huán)境。
已經(jīng)以用于具有動力輔助功能的自行車的形式描述了本發(fā)明。但是，本發(fā)明的原理適用于輪椅和人工驅(qū)動的小型機動車輛。
雖然已經(jīng)詳細地顯示和描述了本發(fā)明的一些最佳實施例，但是，顯然，可以在不脫離后附的權利要求書的范圍的情況下在其中作出各種變化和修改。
權利要求
1.一種具有動力輔助功能的自行車，它包括電動機，用來把一部分推進力和人力相加，以便增加所述人力的推力；電源裝置，它包括用來向所述電動機提供電能的電池；控制裝置，用來控制所述電動機的操作；再生裝置，用來利用來自多余人力的一部分能量再生向所述電源充電的電能；行駛狀態(tài)檢測裝置，用來檢測行駛狀態(tài)；以及顯示/指示裝置，用來根據(jù)由所述行駛狀態(tài)檢測裝置檢測到的行駛狀態(tài)顯示/指示行駛狀態(tài)和/或行駛目標。
2.權利要求1的自行車，其特征在于所述行駛目標包括人工產(chǎn)生的推進力，所述顯示/指示裝置包括用來顯示/指示所述行駛目標和當前行駛狀態(tài)之間的任何差別、以便自行車駕駛者可以精確地確定所述差別的裝置。
3.權利要求1的自行車，其特征在于所述行駛狀態(tài)檢測裝置包括坡度檢測裝置，用來檢測自行車行駛路徑的坡度；以及速度檢測裝置，用來檢測自行車的當前速度；所述顯示/指示裝置包括這樣的裝置它顯示/指示目標速度和由所述速度檢測裝置檢測到的當前行駛速度和/或根據(jù)由所述坡度檢測裝置檢測到的坡度顯示/指示隨所述目標速度和所述當前行駛速度之間差值的超過或不足而變的量。
4.權利要求3的自行車，其特征在于所述顯示/指示裝置包括這樣的裝置如果由所述坡度檢測裝置檢測到的坡度是下坡坡度，則它把行駛速度作為所述目標速度顯示/指示，以便使提供給所述電源裝置的充電電流達到最大值；而如果由所述坡度檢測裝置檢測到的坡度是上坡坡度，則它把考慮到實際行駛速度而確定的速度作為所述目標速度顯示/指示，以便將所述電源裝置消耗的電流減至最小。
5.權利要求1的自行車，其特征在于所述控制裝置包括用來控制所述再生裝置的工作的裝置。
6.權利要求5的自行車，其特征在于所述控制裝置包括這樣的裝置當自行車行駛在平地同時其行駛速度高于預定的水平時，它控制所述再生裝置再生電能。
7.權利要求3的自行車，其特征在于所述控制裝置包括這樣的裝置如果由所述坡度檢測裝置檢測到的坡度是下坡坡度，則它控制所述再生裝置的操作，并且根據(jù)所述檢測到的下坡坡度控制自行車以最佳行駛速度行駛。
8.權利要求1的自行車，其特征在于所述再生裝置包括這樣的裝置當啟動制動桿時它利用一部分電能向所述電源裝置充電。
9.權利要求1的自行車，其特征在于所述電動機包括直接驅(qū)動電動機，后者具有直接耦合到前輪的旋轉(zhuǎn)軸和定子以及能夠與前輪一致地旋轉(zhuǎn)的外轉(zhuǎn)子，所述直接驅(qū)動電動機起所述再生裝置的作用。
10.一種具有動力輔助功能的自行車，它包括電動機，用來把一部分推進力和人力相加，以便增加所述人力的推力；電源裝置，用來向所述電動機提供電能；人力檢測裝置，用來檢測作為推進力的人力；以及控制裝置，用來根據(jù)由所述人力檢測裝置檢測到的人力的大小控制所述電動機的操作；所述電動機包括直接驅(qū)動電動機，后者具有直接耦合到前輪的旋轉(zhuǎn)軸和定子以及能夠與前輪一致地旋轉(zhuǎn)的外轉(zhuǎn)子，所述直接驅(qū)動電動機起利用多余人力的發(fā)電機的作用，以便利用一部分再生的電能向所述電源裝置充電。
全文摘要
一種具有動力輔助功能的自行車包括:用來把一部分推進力和人力相加以便增加人力的推力的電動機;用來向電動機提供電能的電池;用來檢測作為推進力的人力的踩力檢測電路;以及用來根據(jù)檢測到的人力的大小控制電動機的操作的控制電路。電動機起利用多余人力的發(fā)電機的作用,以便利用一部分再生的電能向電池充電。
文檔編號B62M6/00GK1251342SQ99121399
公開日2000年4月26日 申請日期1999年10月12日 優(yōu)先權日1998年10月12日
發(fā)明者江口安仁 申請人:索尼公司