一種節(jié)能電動車及其驅(qū)動、制動方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電動車的電源動力設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及其電源調(diào)制產(chǎn)生的周期性時序通斷電流、時序供電幅值以及對應(yīng)電動裝置的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動、制動方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電動自行車源于在腳踏自行車上加裝電源系統(tǒng)助力，滿足蹬自行車上坡助力的需求。目前，我國電動自行車已發(fā)展為一種純由電池驅(qū)動的行駛工具，據(jù)行業(yè)披露的數(shù)據(jù)，我國電動自行車市場保有量已達(dá)到1.5億輛以上。
[0003]隨著市場的發(fā)展，電動車所配用的電動機(jī)也從通用型向?qū)I(yè)設(shè)計方向發(fā)展，新一代專用電機(jī)均具有體積小重量輕的優(yōu)點，其配備的電源控制器也力圖運用開關(guān)電路，尤其是通過脈沖調(diào)制技術(shù)降低電機(jī)工作過程的無功損耗。目前電動車的動力技術(shù)發(fā)展主要有兩個方向，一是改進(jìn)電動機(jī)專業(yè)制造技術(shù)，二是改善電動機(jī)節(jié)能控制，但這兩個方向在技術(shù)發(fā)展思路上都受到了較大局限，例如；
[0004]I)電機(jī):電動自行車習(xí)慣配用的是輪轂式電機(jī)，市場普遍認(rèn)為輪轂式電機(jī)技術(shù)已發(fā)展成熟，行業(yè)通常使用的電機(jī)結(jié)構(gòu)原理大多屬于通用型，主要競爭集中在材料和人力成本的控制，較少關(guān)注電機(jī)變形技術(shù)開發(fā)帶來的應(yīng)用效能提升。
[0005]2)電機(jī)控制:近年市場己普遍應(yīng)用PWQ技術(shù)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即占空比可變的脈沖波形，通過其對半導(dǎo)體電力器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相同而寬度不相同的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需的波形。根據(jù)其特性，按一定的規(guī)則對個脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變電路輸出電壓或輸出頻率的大小，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。
[0006]但是，上述電機(jī)控制的基本思路，通常仍建立在電動機(jī)內(nèi)部電磁力相互作用模型、繞組結(jié)構(gòu)不改變的基礎(chǔ)上，研發(fā)主流集中在傳統(tǒng)“倒相”所伴隨電流相位、電機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)相角帶來的相角位控制思想范疇，技術(shù)開發(fā)收益不盡人意。
[0007]近年來國內(nèi)外同行均試圖開發(fā)在輪沿設(shè)置原動機(jī)構(gòu)的電動輪，這一思想方法古來有之，中國古代已普遍使用水車，其工作原理并非在水車的輪軸設(shè)置旋轉(zhuǎn)動力機(jī)，而是沿水車輪頁的切線方向在合適的時間給予一杯水(一份勢能)，該杯水的下落勢能轉(zhuǎn)變成水車環(huán)繞軸心旋轉(zhuǎn)的動力。但是，當(dāng)這一水車模型被平移到電動車領(lǐng)域時，并未獲得預(yù)期的開發(fā)成功。例如市場上一種在車圈外緣設(shè)齒并安裝輸出軸帶齒電動機(jī)的電動自行車，通過齒輪傳遞電動機(jī)的軸輸出動力，這類設(shè)計雖有新意，但由于采用傳統(tǒng)設(shè)計的電動機(jī)和常規(guī)方式的動力供電，其電能轉(zhuǎn)換效率與輪轂式電機(jī)類同，并且在車圈外緣設(shè)置電動機(jī)會受到功率的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有電動車配用單元結(jié)構(gòu)電動機(jī)、供電方式局限于逆變電流方向和相角位控制的設(shè)計缺陷，提供一種通過電源調(diào)制器將直流電源改變?yōu)闀r序供電方式的設(shè)計方案，同時電動裝置不再采用電動機(jī)安裝在輪軸位置的流行設(shè)計，也無需通過鏈條傳遞電動機(jī)扭矩，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)矩大，工藝容易實現(xiàn)。
[0009]本發(fā)明提供的一種高效節(jié)能的電動車，所述電動車包括電源調(diào)制器1、驅(qū)動操控裝置9a、車架4和至少一個車輪5 ;所述電動車的電源調(diào)制器包括電源輸入端la、驅(qū)動信號輸入端Id和時序電流輸出端lb，所述的電源輸入端電連接電池組8的正負(fù)極；所述的電動車至少一個車輪設(shè)置電動裝置3 ;所述電動裝置包括至少一個定子單元3a和至少一個轉(zhuǎn)子單元3b ;所述定子單元安裝在靠近車圈6的車架上；所述轉(zhuǎn)子單元設(shè)置于車圈上，其由非永磁體的導(dǎo)磁介質(zhì)固體或軟體成形材料制成，且伴隨車輪旋轉(zhuǎn)，其與定子單元形成的周期性相對氣隙3d不大于10mm ；
[0010]所述電源調(diào)制器的時序電流輸出端電連接定子單元的內(nèi)部繞組，驅(qū)動信號輸入端Id電連接驅(qū)動操控裝置9a ;所述電源調(diào)制器通過驅(qū)動操控裝置獲取用戶的指令，并對定子單元的內(nèi)部繞組輸出電流。
[0011]優(yōu)選的，所述電源調(diào)制器的額定功率不超過850W。
[0012]所述轉(zhuǎn)子單元3b設(shè)置于車圈上的安裝位置包括轉(zhuǎn)子單元嵌合在車圈外緣、內(nèi)緣或內(nèi)部以及與車圈實行一體化設(shè)計制造；轉(zhuǎn)子單元在不影響安裝于車圈的前提下不限形狀；若干個轉(zhuǎn)子單元在車圈安裝時相間設(shè)置，優(yōu)選均勻排布。
[0013]優(yōu)選的，所述定子單元3a由至少一組良導(dǎo)線環(huán)繞磁介質(zhì)材料的磁芯而成，其內(nèi)部線圈繞組可任意串聯(lián)、并聯(lián)連接，或通過不同繞組之間引出中間抽頭組成多線外接回路；對外電連接的方式可以為兩線或多線構(gòu)成的回路；
[0014]優(yōu)選的，定子單元內(nèi)部繞組或若干定子單元組合通電形成的電磁極兩極連線12與車輪5的法線10垂直或重合，包括偏轉(zhuǎn)不超過25度角；
[0015]更優(yōu)選的，若干個定子單元可在靠近車圈6內(nèi)緣或外緣的車架部位任意組合排布，包括若干所述定子單元3a在車圈6兩側(cè)的車架4部位對稱安裝。
[0016]優(yōu)選的，所述電動車還包括傳感裝置，所述傳感裝置包括若干能感應(yīng)所述轉(zhuǎn)子單元3b與定子單元3a相對位置的傳感單元3c ;所述傳感單元與所述電源調(diào)制器的傳感信號輸入端Ic電連接；所述電動車至少在車架4上的前輪或后輪、車輪5的內(nèi)緣或外緣設(shè)置一傳感單元；
[0017]優(yōu)選的，所述傳感裝置包括定子單元的內(nèi)部繞組，所述內(nèi)部繞組包括環(huán)繞定子單元磁芯的繞組或由若干定子單元繞組之間串聯(lián)而成的多線外接回路。
[0018]優(yōu)選的，所述電動車還包括電磁制動裝置9b，所述電源調(diào)制器I還包括制動信號輸入端le，其電連接電磁制動裝置％，通過電磁制動裝置獲取用戶的剎車指令并于相應(yīng)時序?qū)﹄妱友b置的定子單元的內(nèi)部繞組輸出電流。當(dāng)本發(fā)明電動車需要運用電動裝置增加電磁制動功能時，所述定子單元相應(yīng)設(shè)置于車圈內(nèi)緣的車架位置。
[0019]所述驅(qū)動操控裝置9a可設(shè)置為常規(guī)旋轉(zhuǎn)把手式、推拉式操縱桿或其他任意手動控制方式，包括外置為遙控。
[0020]本發(fā)明中，所述電源調(diào)制器將直流電源轉(zhuǎn)換為時序電流，使電動裝置中的定子單元被限定在電源調(diào)制器設(shè)定的時域周期性地通電和斷電。
[0021]本發(fā)明中，所述電動車包括一個輪或多個輪的電動車以及電動、腳踏兩用車；所述設(shè)置電動裝置的車輪，包括單輪以及同軸緊湊安裝兩個輪的準(zhǔn)單輪結(jié)構(gòu)。
[0022]本發(fā)明還公開了一種前述電動車的驅(qū)動方法，該方法根據(jù)所述轉(zhuǎn)子單元3a和所述定子單元3b的位置關(guān)系通過電源調(diào)制器I輸出時序電流控制車輪轉(zhuǎn)動；
[0023]所述時序根據(jù)車輪旋轉(zhuǎn)方向而定義，所述時序電流根據(jù)定子單元電磁場在車圈上的有效作用區(qū)間結(jié)合車輪上的轉(zhuǎn)子單元個數(shù)而設(shè)置若干個通斷周期T，每個通斷周期T包括供電時域和斷電時域；所述供電時域位于10度< Θ < 90度相應(yīng)的時間段，Z Θ為轉(zhuǎn)子單元在車輪上繞軸所受定子單元電磁場吸引力與其法向分力的方向所形成的動態(tài)夾角，所述供電時域的電流不限波形、頻率及占空比；
[0024]所述斷電時域內(nèi)電源調(diào)制器I不輸出電流。
[0025]優(yōu)選的，所述電源調(diào)制器在供電時域內(nèi)至少包括兩段不同電流幅值不同的子時域，且順時序呈幅度依次變小，供電時域或其子時域的幅值隨時序呈線性遞減關(guān)系；
[0026]或呈2K遞減關(guān)系，所述的指數(shù)K取值0.1至0.99 ;
[0027]或為如下關(guān)系:It/A= (10-1g) Sin Θ，其中I。為起始通電強(qiáng)度，Ig為通電終止時刻的電流強(qiáng)度。
[0028]優(yōu)選的，所述通電時域T1內(nèi)初始的電流、電壓或定子單元的磁通強(qiáng)度由傳感裝置獲取行車速度實時值結(jié)合驅(qū)動操控裝置9a給出的指令而調(diào)整。
[0029]優(yōu)選的，所述方法還包括校正步驟；所述校正步驟為將定子單元與轉(zhuǎn)子單元周期性隔氣隙相對、處于同一法線的狀態(tài)(Z Θ為O)作為基準(zhǔn)座標(biāo)和基準(zhǔn)時間，當(dāng)轉(zhuǎn)子單元每次前轉(zhuǎn)至基準(zhǔn)座標(biāo)時，電源調(diào)制器進(jìn)行一次時間歸O校準(zhǔn)并記錄本次周期時間，通過與上次轉(zhuǎn)子單元前轉(zhuǎn)至基準(zhǔn)座標(biāo)的周期時間比較，從而獲知旋轉(zhuǎn)周期時間和車速，并控制輸出電流。
[0030]本發(fā)明還公開了所述電動車的制動方法，該方法根據(jù)所述轉(zhuǎn)子單元趨近定子單元、轉(zhuǎn)子單元和定子單元處同一法線相對(Z Θ為O)以及處于遠(yuǎn)離狀態(tài)的至少一個時域中，通過操控電磁制動裝置9b使電源調(diào)制器I輸出時序電流控制車輪制動；
[0031]所述時序根據(jù)車輪旋轉(zhuǎn)方向而定義；所述轉(zhuǎn)子單元趨近定子單元為O < Θ < 30度相應(yīng)的時間段，Z Θ為轉(zhuǎn)子單元在車圈上繞軸所受定子單元電磁場吸引力與其法向分力的方向所形成的動態(tài)夾角。
[0032]優(yōu)選的，所述方法還包括校正步驟，所述校正步驟將Θ為O作為基準(zhǔn)座標(biāo)和基準(zhǔn)時間，通過傳感裝置獲知轉(zhuǎn)子單元趨近/相對/遠(yuǎn)離定子單元的位置狀態(tài)。
[0033]優(yōu)選的，所述輸出電流控制步驟包括:
[0034]I)驅(qū)動操控裝置9a對電源調(diào)制器I無輸入指令時，電源調(diào)制器休眠；
[0035]2)驅(qū)動操控裝置9a給出加速指令時，電源調(diào)制器I相應(yīng)輸出時序電流；
[0036]3)當(dāng)車速或通電頻率達(dá)到設(shè)定的閾值時，所述的電源調(diào)制器斷電。
[0037]本發(fā)明針對電動車的應(yīng)用特點，對動力電源植入優(yōu)化的數(shù)控編程技術(shù)，明確了動力電流的供電時序周期T及其內(nèi)部通電時域的子集強(qiáng)度特點和斷電時域等工作邏輯構(gòu)成，使之可運用設(shè)定的時序邏輯電流實現(xiàn)高效節(jié)電。
[0038]本發(fā)明的電動裝置在機(jī)械結(jié)構(gòu)上并不象傳統(tǒng)電動機(jī)那樣設(shè)計為單元結(jié)構(gòu)形式，所述定子單元在車架上固連可類比于電動機(jī)的定子，可設(shè)置一個或若干個；所述轉(zhuǎn)子單元與車圈組合可類比于電動機(jī)的轉(zhuǎn)子，同樣可設(shè)置一個或若干個；伴隨車輪周期性旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子單元與定子單元會形成周期性的磁相互作用，由于傳感裝置總是被周期性感應(yīng)，電源調(diào)制器從其獲得的信號通過數(shù)據(jù)總線實時處理，可判知轉(zhuǎn)子單元與定子單元的相對位置，從而相應(yīng)發(fā)出具有規(guī)律性的時序電流。
[0039]上述設(shè)計可帶來了兩項明顯的節(jié)電效益:一是電動裝置中的定子單元3a被限定在電源調(diào)制器設(shè)定的時域周期性地通電工作，在不需要工作的時域休眠，既節(jié)省了電能又減少了通電積熱；二是在電源調(diào)制器設(shè)定的工作周期內(nèi)，通電強(qiáng)度呈設(shè)定的規(guī)律性變化及中斷，使電能的使用效率進(jìn)一步提聞，通電積熱進(jìn)一步減少。
[0040]本發(fā)明適合于制造節(jié)能型電動車，