專利名稱：雙輪驅(qū)動式發(fā)電節(jié)能電動自行車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于電動車節(jié)能技術(shù)產(chǎn)品，傳統(tǒng)電動自行車均為單輪驅(qū)動式，驅(qū)動功率較小，爬坡能力差，須助動才能爬坡，給騎車人帶來困難，此外下坡行駛機械能未得到利用。
本實用新型的目的在于針對上述問題，開發(fā)一種前后雙輪驅(qū)動的電動車，可使驅(qū)動功率增大一倍，爬坡能力強，在坡度小于4°條件下無須人力助動，此外含電刷的直流電機可用于發(fā)電，利用下坡行駛過程中車載勢能轉(zhuǎn)化為動能驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電，給蓄電池補充能量，可以延長行駛路程。
為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案雙輪驅(qū)動式發(fā)電節(jié)能電動自行車，由前后二個電動車輪與20 ～26”自行車車架、控制電路及電池等共同組成，其中電動車輪由專利產(chǎn)品ZYZD型釹鐵硼永磁式直流電機作為動力源，利用轉(zhuǎn)子軸作為支承，定子外殼輪轂與輪輞、輻條共同構(gòu)成；由于ZYZD型電機具有電刷及換向器，可用作發(fā)電機使用，在下坡行駛時用車載勢能轉(zhuǎn)化為動能驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電，給蓄電池補充電力；該電機供電24V，最大功率為225W，轉(zhuǎn)速為170-200r/mim，無須配備減速機構(gòu)，直接驅(qū)動車輪，由于前后二輪均能驅(qū)動，比單輪驅(qū)動增大了一倍功率，使爬坡能力增強，最大驅(qū)動功率450W，在單人輕載條件下，可以爬坡4°以下，若嫌功率還小，可以采用36V供電電機，爬坡能力更強些，在城市交通較為平坦條件下，無須人力助動；控制電路含供電驅(qū)動調(diào)速電路、發(fā)電儲能電路以及電力制動電路等，其中供電驅(qū)動調(diào)速電路含NE555集成電路及外圍RC元件所構(gòu)成的方波發(fā)生器，方波頻率在500-2000HZ之間，通過電位器W1，調(diào)制脈沖寬度及占空比，控制輸出功率，采用二塊智能功放模塊進行功率放大，可以獲得20A驅(qū)動電流，用來驅(qū)動電機ZD1、ZD2。發(fā)電儲能電路其工作原理由電機運動方程和電路平衡方程Mg-Ml＝J(d2θ/dt2)其中Mg為電機的電磁轉(zhuǎn)矩，ML為負載轉(zhuǎn)矩，當電機供電驅(qū)動時(Mg)為正值，非供電驅(qū)動時Mg＝0，Ml為負載轉(zhuǎn)矩，它在轉(zhuǎn)角θ減小的方向為正值，它含有干摩擦轉(zhuǎn)矩(Ml1)取決于轉(zhuǎn)角θ的方向相反，此外固定方向的負載轉(zhuǎn)矩(Ml2)，取決于轉(zhuǎn)動方向，粘滯摩擦型負載轉(zhuǎn)矩(Ml3)，其值與角端度成正比，對轉(zhuǎn)子運動起阻尼作用，即限制角速度的變化。負載轉(zhuǎn)矩Ml＝Ml1+Ml2+Ml3J(d2θ/dt2)為慣性轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)動慣量(J)與車輪的轉(zhuǎn)動加速度(d2θ/dt2)所組成，Ml2取決于轉(zhuǎn)動方向，上坡行駛時是車載勢能增加的過程，即Ml2與運動方向相反起制動作用，須將電能轉(zhuǎn)化為機械能，它隨坡度的增大而加大，須增大電磁轉(zhuǎn)矩(Mg)與之平衡，采用雙輪驅(qū)動來增大電磁轉(zhuǎn)矩；下坡行駛時是車載勢能減小的過程，勢能轉(zhuǎn)化為動能，即Ml2與運動方向相同，起加速作用，公式為Ml＝Ml1-Ml2+Ml3，坡度越大，Ml2越大，若Ml2＝Ml1+Ml3電機不供電磁轉(zhuǎn)矩Mg＝0，車載保持原有的運動狀態(tài)當Ml2≥Ml1+Ml3時，車載加速運行，須加上制動力矩(MK)，使Ml2-MK＝Ml1+Ml3，傳統(tǒng)電動自行車采用機械制動減速方法，此項機械能未得到充分利用；本實用新型利用此項機械能發(fā)電給蓄電池補充能量，即將電動機作為發(fā)電機使用，由于發(fā)電儲能而產(chǎn)生的電磁制動轉(zhuǎn)矩(MK)，平衡方程式為MK-Ml＝J(d2θ/dt2)，即MK＝Ml+J(d2θ/dt2)，在實際運行中當下行坡度很小情況下，前后雙輪電機均不供電驅(qū)動，也不發(fā)電，保持空載慣性運行狀態(tài)，下行坡度一般條件下，采用一臺電機發(fā)電，一臺空載運行，下行坡度較大時，可采有二臺電機均發(fā)電此外還可用調(diào)節(jié)充電電流的方法，調(diào)節(jié)電磁制動轉(zhuǎn)矩(MK)來調(diào)節(jié)下行的速度，為了實現(xiàn)上述目的，采用發(fā)電儲能電路，其中含恒流充電單元、充電電流調(diào)控單元及充電電壓上限控制單元，分別闡述如下(1)恒流充電單元由VMOS場效應功率管作為調(diào)整管，漏極接電流輸入端，源極作為電流輸出端，棚極作為控制端，在柵源二極上并聯(lián)穩(wěn)壓管，漏棚二極上并聯(lián)一只限流電阻，電流通過時形成柵源恒壓，VMOS管恒流充電輸出；(2)充電電流調(diào)控單元棚源二極上并聯(lián)數(shù)只不同穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓管D5～D10，用轉(zhuǎn)換開關(guān)K5、K6選擇不同檔位的穩(wěn)壓值，便可獲得不同恒流充電值；(3)充電電壓上限控制單元上述恒流充電單元，受控于下列電路，即由電阻分壓電路作為電壓檢測電路，提供給電壓比較判斷電路，即情密基準電壓源LT431，當分壓信號≥2.5V時加到LT431基準極上，便由截止變?yōu)閷?，即UKA電位下降至2V，經(jīng)限流電阻R7、R12發(fā)光管LED1、2使BG1、2VMOS管棚源電壓由正變負，BG1、2VMOS由導通變?yōu)榻刂苟Ｖ钩潆?，電阻分壓值按充電電壓上限值設(shè)計，便可有效地控制充電上限，保證電池不會產(chǎn)生過度充電；控制電路中還含有電力制動單元，它由換向開關(guān)及耗能電阻組成，當行駛過程中如需要緊急剎車的情況，除使用機械制動外，還可用電力制動方法，即用換向開關(guān)換向，改變電機輸入電流的方向，使電磁轉(zhuǎn)矩Mg由正變負，用以克服負載轉(zhuǎn)矩Ml及慣性轉(zhuǎn)矩J(dθ2/dt2)，為防止反向電流急劇發(fā)熱損壞繞組絕緣，采用串聯(lián)耗能電阻的辦法加以克服，同時為防止電機反轉(zhuǎn)造成事故，換向開關(guān)設(shè)置彈簧復位功能，同時換向過程中觸發(fā)停車開關(guān)，切斷供電電路。本實用新型選用電動車專用鎳氫電池(中遼三普電池)取代傳統(tǒng)電動車用的鉛蓄電池。
本實用新型與傳統(tǒng)電動自行車相比具有以下特點(1)雙輪驅(qū)動功率大，爬坡能力增大一倍，平路行駛速度快；(2)利用車載勢能所產(chǎn)生的動能，驅(qū)動電機發(fā)電給鎳氫電池補充能量，合理地利用機械能轉(zhuǎn)化電能，節(jié)能效果明顯，行駛路程可以延長；(3)以發(fā)電制動取狀摩擦制動來達到降速的目的，實現(xiàn)了無磨損控制；(4)恒流充電及電壓上限控制使充電安全、方便；(5)用鎳氫電池取代鉛蓄電池，小型輕便，電流容量大，起動性能好，使用壽命長。
下面結(jié)合實例附圖，進一步詳述。
圖1是傳統(tǒng)電動自行車行駛狀況說明圖圖2是雙輪驅(qū)動式發(fā)電節(jié)能電動自行車行駛狀況說明圖。
圖3是雙輪驅(qū)動式發(fā)電節(jié)能電動自行車電路圖。
圖1示出了傳統(tǒng)電動自行車的行駛狀況，由于單輪驅(qū)動方式，一臺電機驅(qū)動功率較小，爬坡不大于2°，行駛速度慢；下坡行駛時未利用機械能發(fā)電補充能量，沒有充分地利用能源，行駛路程較短。
圖2示出了雙輪驅(qū)動式發(fā)電節(jié)能電動車的行駛狀況，由于采用雙輪雙機驅(qū)動功率較大，爬坡能力強，一般能達到4°，平路行駛一般可用單輪驅(qū)動；若需要急速行駛時，采用雙輪雙機驅(qū)動，時速達到25公里以上，下坡行駛時將電路由供電驅(qū)動方式改變?yōu)榘l(fā)電儲能運行方式，發(fā)電能量補給鎳氫電池，合理地利用機械能轉(zhuǎn)化為電能，可以延長行駛路程。
圖3示出了雙輪驅(qū)動式發(fā)電節(jié)能電動車電路圖，其中控制電路含供電驅(qū)動調(diào)速單元、發(fā)電儲能單元、充電電壓上限控制單元及電力制動單元等，詳述如下(1)供電驅(qū)動調(diào)速單元由IC1集成電路NE555及外圍RC元件，其中由電阻R1、R2、電位器W1、電容C1及二極管D1組成方波發(fā)生器，適用頻率范圍500-2000HZ，調(diào)節(jié)W1可使占空比由0.02-0.98之間變化，脈沖寬度也隨之改變，方波脈沖經(jīng)二塊智能功放模塊BTS412后輸出為24V20A功率輸出，驅(qū)動二臺直流電機ZD1、ZD2工作，調(diào)節(jié)W1電阻值，便可調(diào)節(jié)輸出功率從而改變電機轉(zhuǎn)速，BTS412為智能功放模塊其短路電流為30A，起控點為25A，在60μS內(nèi)自行關(guān)斷、具有較強的自我保護功能，ZDl、ZD2為前后輪驅(qū)動直流電機，K2、K3為驅(qū)動—發(fā)電轉(zhuǎn)換開關(guān)，K4為驅(qū)動—制動換向開關(guān)。(2)發(fā)電儲能單元BG1、BG2為VMOS場效應功率管，D3、D4為整流二極管，D5～D10為穩(wěn)壓管，R5、R7為限流電阻，K2、K3為轉(zhuǎn)換開關(guān)；其工作原理在下坡行駛時轉(zhuǎn)換K2、K3至發(fā)電檔位，使ZD1、ZD2接成發(fā)電工作狀態(tài)，將下坡行駛機械能及慣性轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生電動勢，經(jīng)二極管D3、D4整流形成單向脈沖，再經(jīng)BG1、BG2、電阻R5、R7及穩(wěn)壓管D5D10形成恒定柵源電壓，BG1、BG2輸出恒流，對電池E1、E2分別充電，為了調(diào)節(jié)充電電流大小，采用數(shù)只穩(wěn)壓值不同的穩(wěn)壓管D5～D10，變換K5、K6檔位，便改變了BG1、BG2柵源恒壓值，也就改變了BG1、BG2恒流值，(在充電不飽和狀態(tài)下由電池內(nèi)阻而定)，此值調(diào)控應根據(jù)電池充電狀態(tài)以及下坡行駛速度的不同而靈活調(diào)節(jié)，既能達到充電節(jié)能的目的，又能實現(xiàn)電磁制動降速的效果；(3)充電電壓上限控制單元由BG1、BG2、R3，R6、及W2、W3電位器、IC4、IC5精密基準電壓源LT431及發(fā)光管LED1、2共同構(gòu)成。其工作原理由分壓電阻R3、W2及R6、W3構(gòu)成電池電壓取樣電路，其分壓信號達到2.5V時加至IC4、IC5的基準極上，IC4、IC5由截業(yè)變?yōu)閷ǎ銾KA＝2V，LED1、2發(fā)光顯示表明電壓已充足，同時BG1、BG2棚源電壓為負值，由導通變?yōu)榻刂苟Ｖ钩潆姡?4)電力制動單元由換向開關(guān)K4及電阻R9組成，工作原理當開關(guān)K4轉(zhuǎn)到制動位時，ZD1、ZD2電機的電流方向換向，換向后產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與慣性轉(zhuǎn)矩方向相反，相互抵銷，電機迅速減速；緊急制動，換向的同時觸動停車開關(guān)K1，切斷電源，以免電機產(chǎn)生反轉(zhuǎn)，R9為耗能電阻，用來保護繞組不致于過熱。
權(quán)利要求1. 雙輪驅(qū)動發(fā)電節(jié)能電動車，含有車架、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、蓄電池等，其特征是前后輪各由一臺釹鐵硼永磁式直流電機與輪轂、輪輞組成的電動車輪，電機內(nèi)含換向器和電刷，通過開關(guān)可連接成電動機驅(qū)動調(diào)速電路或連接成發(fā)電機發(fā)電儲能電路。
2.如權(quán)利要求書1中所述的雙輪驅(qū)動發(fā)電節(jié)能電動車，其特征在于它還含有驅(qū)動調(diào)速電路，由NE555及其外圍元件組成的方波發(fā)生器，輸出端通過電阻連接集成電路BTS412，輸出端通過開關(guān)連接電機。
3.如權(quán)利要求書1中所述的雙輪驅(qū)動發(fā)電節(jié)能電動車，其特征在于它含有發(fā)電儲能電路，由電機(ZD1)電刷正極通過二極管(D2)連接電池(E1)正極，電池負極通過電阻連接恒流充電單元的VMOS(BG2)，再經(jīng)開關(guān)(K3)連接電機(ZD1)負極；電機(ZD2)正極通過開關(guān)(K2)二極管(D3)及電阻連接恒流充電單元的VMOS(BG1)至電池(E2)正極，E2負極通過二極管(D11)連接ZD2負極。
4.如權(quán)利要求書1中所述的雙輪驅(qū)動發(fā)電節(jié)能電動車，其特征在于包含有恒流充電單元，由VMOS場效應管(BG1、2)穩(wěn)壓管組，通過開關(guān)連接在柵源二極上，柵漏極間接電阻，漏極通過電阻連接充電輸入端，源極連接電池(E1、2)。
5.如權(quán)利要求書1中所述的雙輪驅(qū)動發(fā)電節(jié)能電動車，其特征在于還含有充電電壓上限控制單元，由取樣電路分壓端連接精密基準電壓源(TL431)基準極，陰極通過發(fā)光二極管、電阻連接VMOS管(BG1、2)柵極，TL431陽極接電池負極。
6.如權(quán)利要求書1中所述的雙輪驅(qū)動發(fā)電節(jié)能電動車，其特征在于還含有開關(guān)(K4)、電阻(R3)所組成的反接制動電路。
專利摘要雙輪驅(qū)動式發(fā)電節(jié)能電動自行車,由20～26”自行車架及二個電動車輪,控制電路及電池構(gòu)成,其主要特點:雙輪直接驅(qū)動功率大,爬坡能力強,控制電路含供電驅(qū)動調(diào)速、發(fā)電儲能控制及電力制動功能;在下坡行駛時充分地利用機械能發(fā)電,對電池充電儲能,實現(xiàn)節(jié)能效果,延長行駛路程;同時控制充電電流,調(diào)節(jié)電磁制動轉(zhuǎn)矩,來實現(xiàn)電磁制動減速;采用鎳氫電池,體積小、重量輕,起動性能好,使用壽命長。
文檔編號B60K1/00GK2480272SQ0022682
公開日2002年3月6日 申請日期2000年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月26日
發(fā)明者王金東 申請人:王金東