CN1078154C - 一种辅助式电动车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种辅助式电动车，其特征为利用人力驱动和利用马达25驱动，依据人力扭矩驱动马达25，在控制电路67设置多种电动驱动扭矩相对于人力驱动力的辅助率，利用开关72切换多种辅助模式。此外，除了用开关72切换以外，还在自行驶起点起算的行驶距离达到设定距离时，或人力扭矩的平均值比设定值大时等场合切换辅助率。

Description

一种辅助式电动车

本发明涉及利用人力驱动力和马达的电动驱动力驱动，而且利用按照人力扭矩的大小的电动驱动力辅助行驶的电动车。

以前关于这种辅助式电动车，一般公知的有辅助式电动自行车，是将踏板的人力驱动力和马达的电动驱动力的比值设为1比1，使踩踏板的力减为常规的自行车之一半。

在上述的辅助式电动车中，电动驱动扭矩相对于人力驱动力之比值，即辅助率只设1种。例如，如图6所示，预先决定电动驱动扭矩相对于人力驱动力的辅助率，根据该比值输出电动驱动力。如图6，横轴表示人力扭矩的大小、纵轴表示电动驱动力相对于人力扭矩的辅助率，表示在输入人力扭矩值时以多大的比值输出电动驱动力，人力扭矩小时，例如在平地行驶时，因不太需要电动驱动力，将辅助率设为随着人力扭矩变大而逐渐变大。而在人力扭矩大时，例如在开始骑或爬坡时，因需要大的电动驱动力，设为在人力扭矩超过设定值时到和该人力扭矩一样大的马达输出扭矩。

在这种情况下，通过在人力扭矩小时设定小的辅助率，可抑制蓄电池的消耗，从而蓄电池能持久使用。

可是，在上述情况下，这种控制对抑制蓄电池的消耗有效，但是例如在开始骑或爬坡要使踏板转动的情况下会发生问题。

图12表示此问题。如图12所示，纵轴表示扭矩，横轴表示时间，以实线表示作用于踏板的力的变化，即表示人力扭矩的变化，以虚线表示的曲线表示电动驱动力的输出扭矩的变化。用实线直线表示上述人力扭矩的平均值，用虚线直线表示上述电动驱动力的输出扭矩的平均值。由图可知，因预先如图6所示设定对于人力扭矩的辅助率，得知人力扭矩小时电动驱动力的输出扭矩也变小，即各自的平均值也发生变化。即，在爬坡等辅助率小且扭矩小的部分，发生了使用者觉得扭矩不足的问题。

本发明是鉴于上述缺点而作出的，其目的是提供一种辅助式电动车，可抑制蓄电池的消耗而使蓄电池持久，且在需要电动驱动力辅助的场所充分地起到辅助作用。

根据本发明所提供的辅助式电动车，包括：电动车本体，具有能以人力驱动力和电动驱动力驱动的驱动轮；驱动力赋予部分分，用以赋与驱动该驱动轮的人力驱动力；扭矩检测部分分，用以检测赋与该驱动力赋予部分的人力驱动力；马达，用以藉由电动驱动力辅助驱动该驱动轮；蓄电池，作为马达的电源；及控制部分，根据在扭矩检测部分的检测结果控制该马达。该控制部分具有可根据电动驱动力相对于人力驱动力的辅助率切换的多种辅助模式。

利用这种构造，可根据扭矩检测部分的检测结果以适当的辅助模式控制马达。因此，可抑制蓄电池额外的消耗使蓄电池持久，而且需要大的电动驱动力扭矩辅助时不会令人觉得扭矩不足，可充分辅助。

在本发明的辅助式电动车，用人力驱动力和电动驱动力驱动驱动轮。关于人力驱动力的例子，在电动车本体是自行车，驱动力赋予部分设于自行车踏板的场合，为自行车使用者踩踏板的力。

这种人力驱动力的有无或大小利用设于电动车本体的扭矩检测部分经常加以检测。电力驱动力使用马达的驱动。此马达利用装在电动车本体的电源用蓄电池作为电源，辅助驱动该驱动轮。

控制部分和扭矩检测部分电气地连接，根据扭矩检测部分的检测结果控制马达。亦即，控制部分具有可切换的多种辅助模式，控制马达时，从这些辅助模式中选择最佳的一种。设想依据电力驱动力相对于人力驱动力的辅助率控制马达的状态，制作这些辅助模式，并预先存入控制部分。

存储于控制部分的多种辅助模式有经济模式与动力模式。经济模式中，到人力扭矩达到设定值为止，均按照人力扭矩的增加提高辅助率，当人力扭矩超过设定值时将辅助率设为定值。而动力模式中，则不管人力扭矩值大小都将辅助率设为定值。

本发明的辅助式电动车，其扭矩检测部分检测有无人力驱动力，最好是定量检测人力驱动力的大小。

采用前者的构造，扭矩检测部分检测到有人力驱动力时，以所要的一种辅助模式(例如后述之动力模式)控制马达；而在扭矩检测部分检测到没有人力驱动力时，以所要的另一种辅助模式(例如后述之将辅助率设为0之模式)控制马达。

而采用后者的构造，则可按照由扭矩检测部分定量检测到的人力驱动力的大小，例如以后述之动力模式或经济模式控制马达。

在后述构造的扭矩检测部分的一例中，将线圈弹簧朝驱动轮的转动方向伸缩量变换为朝驱动轮的轴向的移动量后，利用感应线圈以电气信号检测该移动量。

根据本发明的辅助式电动车，还具有用以由多种辅助模式任意选择其中之一的开关，使用者操作此开关就可选择辅助模式的此开关，设于自行车的把手或蓄电池安装部分，使用者在自行车开始行驶前或行驶中等切换开关，就可选择任一辅助模式。

根据本发明的辅助式电动车，还具有计算从某停车点的连续行驶距离的行驶距离计算部分，当行驶距离计算部分计算出的该行驶距离达到设定值时，控制部分就指示由该多种辅助模式之一切换为其他的模式。

利用行驶距离计算部分计算自某停车点的连续行驶距离的原理如下。即，赋与驱动力赋予部分的人力驱动力，在开始行驶时，即由停车状态移到行驶状态时有必要特别大，而在开始行驶后到停车为止的期间比较小也没关系，所以计算从一停车点开始的连续行驶距离，依据连续行驶距离控制马达，使得到该计算值达到设定值为止对驱动轮施加比较大的马达辅助，而该计算值达到设定值以上时对驱动轮施加比较小的马达辅助。

本发明的辅助式电动车，还具有计算人力驱动力平均值的人力扭矩计算部分，控制部分按照人力扭矩计算部分计算出的人力驱动力的平均值指示由该多种辅助模式之一切换为其他的模式。人力驱动力的平均值使用例如赋与驱动力赋予部分的人力驱动力的大小的平均值，或只在设定次数赋与驱动力赋予部分的人力驱动力的大小的平均值。

本发明与已有技术相比优点和积极效果非常明显，由上述技术方案可知，本发明的优点在于：

本发明包括具有用人力驱动力和电动驱动力的驱动轮的电动车本体、赋与驱动该驱动轮的人力驱动力之驱动力赋予部分、检测赋与该驱动力赋予部分人力驱动力之扭矩检测部分、以电动驱动扭矩辅助驱动驱动轮的马达、作为马达的电源的蓄电池、及根据在扭矩检测部分的检测结果控制马达的控制部分，因控制部分具有可依据电动驱动扭矩相对于人力驱动力的辅助率切换的多种辅助模式，可抑制蓄电池的消耗而使蓄电池持久，且在需要电动驱动扭矩辅助之场所充分辅助等效果。

又，辅助模式根据扭矩检测部分的检测结果由辅助率小的切换为大的，切换为按照行驶状态的辅助率，可得到适合行驶状态之辅助。

还具有由多种辅助模式任意选择其中之一的开关，使用者操作此开关就可选择辅助模式，可按照使用者的喜好选择辅助模式，提高使用方便性。

而且还具有计算自某停车点的连续行驶距离的行驶距离计算部，当行驶距离计算部分计算出该行驶距离达到设定值时，控制部分指示由该多种辅助模式之一切换为其他之一，自动切换辅助率，可抑制蓄电池的消耗而使蓄电池持久，且在需要电动驱动扭矩辅助之场所充分辅助等效果。

此外，还具有计算人力驱动力的平均人力扭矩计算部分，控制部分按照人力扭矩计算部分计算的人力驱动力平均值指示由该多种辅助模式之一切换为其他之一，自动切换辅助率，可抑制蓄电池的消耗而使蓄电池持久，且在需要电动驱动扭矩辅助之场所充分辅助等效果。

下面参照附图通过最佳实施例对本发明辅助式电动机详细说明。

附图中：

图1表示本发明的实施例1的控制电路的方块图。

图2是本发明的实施例1的驱动部分的侧面剖面图。

图3是本发明的实施例1的驱动部分的平面构造图。

图4是本发明的实施例1的扭矩检测部分的动作的简图。

图5是本发明实施例1的整体构造图。

图6表示本发明的实施例1在经济模式的辅助率。

图7表示本发明的实施例1在动力模式的辅助率。

图8表示在本发明的实施例2的控制电路的方块图。

图9表示在本发明的实施例2的控制电路的动作之流程图。

图10表示在本发明实施例3的控制电路的方块图。

图11表示在本发明实施例3的控制电路的动作的流程图。

图12表示常规的人力扭矩和电动驱动的输出扭矩的输出波形。

以下根据图1至图11详述本发明之实施例。

首先，根据图5说明电动自行车的整体构造。

1是和设于前部的前管2、设于鞍座3之下方的座管4连结的主车架，在该主车架和座管4连结部分安装作为可用人力转动的驱动力赋予部分的踏板5。

6是前轮，和把手7的动作连动，通过操作把手7决定行驶方向，该前轮6由轮幅8、轮线9、轮胎10构成。

11是成为驱动轮的后轮，该后轮11也由轮胎12、轮缘13、轮幅14及用以驱动后轮11的驱动部分15构成。

16是和该踏板5一起转动的前链轮，在该前链轮16上挂着链条17，将前链轮16的转动传给设于该驱动部分15的车轴的后链轮50。

18是成为后述马达25的电源的蓄电池，可为24伏特的镍镉电池。又，蓄电池18可拆下，充电时可在室内充电。

在图2和图3具体表示上述驱动部分15的构造。

21是固装在主车架1的圆盘形的固定侧外壳21，22是和该固定侧外壳21同轴并转动固定侧外壳21外侧的转动侧外壳22。这些固定侧外壳21和转动侧外壳22一起构成轮毂。该固定侧外壳21利用厚度2毫米的轻合金形成。

23是设于该转动侧外壳22的外围的L形环形肋23，该环形肋23固定在该转动侧外壳22上多处，自环形肋23向装着轮胎12的轮缘13张设轮幅14。又环形肋23利用钢板形成，厚度为2.3毫米。该环形肋23和该转动侧外壳22为不同的零件，在承受轮幅14的力而需要大强度的环形肋23时，采用强度大且厚的材料，而在作用力比较小的转动侧外壳22，采用比环形肋23弱、薄的材料，彼此改变材质、材厚。采用这种构造可减轻驱动部分15的总重，又改变材料，可降低成本。

25是成为驱动源的马达，26是转子，27是定子。该马达25装在该固定侧外壳21上，在自该马达25的转动侧外壳22凸出的部分用马达盖27盖住，用轴承29支撑马达25的输出轴28。30是用螺丝固定在该固定侧外壳21并嵌入保持部分31的行星滚子减速机构30，和输出轴28同一轴为中心配置。

下面说明该行星滚子减速机构30的构造。

32是用螺丝固定在保持部分31的固定轮，在该固定轮32之内圈设置4个行星滚子33，配置成该行星滚子33之外围在外侧和该固定轮32之内围接触，而在内侧和马达25的轮出轴28接触。在行星滚子33的中心设置输出销34，在输出销34和行星滚子33之间设置滚针轴承35。

该行星滚子减速机构30，当马达25的输出轴28转动时，接触的行星滚子33就以输出销34为中心开始自转同时接触固定轮32，就以输出轴28为中心开始公转。通过取出来自输出销34的转动输出可取出马达25的减速的输出。

36是底面被该输出销34支撑并贯穿输出轴28的圆筒形支撑件36，该支撑件36经由轴承37设于笸输出轴28之间，还在前端侧经由轴承38设置。

39是装在该支撑件36之外围的单方向离合器，该单方向离合器39的作用为使得来自该踏板5的力不会传给马达25，而将马达25的驱动力传给转动侧外壳22。

40是在该输出轴28经由2个轴承，再经由该单方向离合器39装成和输出轴28同轴的第1皮带轮，在该第1皮带轮40挂着橡胶制皮带41。

42是挂着皮带41的另一端的第2皮带轮，该第2皮带轮42利用螺栓43固定在转动侧外壳22。第2皮带轮42中空，在其内部设置后述的扭矩检测部分56。

44为用于调整该皮带41的张力的张力轮，该张力轮44在支撑物45的一端安装滚子46，在另一端设置用于装在固定侧外壳21的螺丝47，支撑物45能以装着螺丝47的部分为中心摆动，锁紧另一方的螺丝48就固定张力轮44，压住该皮带41可调整皮带41的张力。

49是内藏在转动侧外壳22的控制电路板，该控制电路板49内藏在无皮带轮的部分。该控制电路板49是按照扭矩检测部分56的输出结果控制马达25转动的微电脑除外，包括以脉冲宽度调制(PWM)方式控制马达25的驱动电路，用以输入起动电压的定电压电路、扭矩检测电路等。

50是挂着该链条17的后链轮，该后链轮50相对于车轴51经由轴承52设置，经由单方向离合器53装在后述的转动板57。

54是经由轴承55设在车轴51的转动筒54，该转动筒54和转动侧外壳22一起转动。

56是装在第2皮带轮42和车轴51附近的扭矩检测部分，该扭短检测部分56是为了检测经由链条17传动人力驱动力即人力扭力而设置的。

其次，根据图4说明该扭矩检测部分56。图4是扭矩检测部分的简图，说明各部分。

转动板57和车轴51成同心圆，在相向之2处在轴向一体形成压棒58和变换棒59。该压棒58以吊钟形面形成柱形，用吊钟形曲面部分压住弹性物，即弹簧60。而转动板57使弹簧60伸缩，在弹簧60的另一端压住第2皮带轮42之内壁下第2皮带轮42转动。又，该变换棒59是向车轴51方向延伸的长方体，斜斜地形成，使得前端部分朝转动方向变短。

被该压棒58压住的弹簧60的另一端和转动侧外壳22的一部分接触，在人力驱动力的传动顺序上由转动板57经由压棒58使弹簧60伸缩，使转动侧外壳22转动。此时，按照伸缩弹簧60的伸缩大小，在和转动侧外壳22发生稍微的变形下转动板57转动。而且此转动板57按照人力引起的变形转动。同时，由于转动板57稍微转动，变换棒59也转动，利用在变换棒59前端形成的倾斜部分61推动和倾斜部分61接触的山形部分62，向车轴51方向移动。在此山形部分62安装铝环63，利用山形部分62移动使得环63也移动。在此环63的前端设置C环64和弹簧65，将环63推向转动板57侧。因而环63向车轴51方向只移动转动侧外壳22和转动板57的变形量。

66是在该固定侧外壳21设于该环63外围附近的线圈，该线圈66可将该环63的接近引起的电感变化变换为电气信号，利用此输出可检测人力扭矩。综合以上图4所示零件称为侦矩检测部分56。该变换棒59、山形部分62等将转动方向的运动变换为车轴51方向的运动的零件称为变换零件。

其次用以上的构造说明动力传动。

首先说明人力驱动系，用踏板5供给的人力经链条17传到后链轮50，经由转动板57、弹簧60使后轮11转动。其次说明电动驱动系，用变换零件将弹簧60的伸缩量即转动板57的转动移动距离变换为车轴51方向的移动，使得环63和该移动一起移动。将此环63的移动变换为线圈66的电感变化，以电气信号输入控制电路板49。控制电路板49内藏在固定侧外壳21内。然后，在控制电路板49输入线圈66的信号，据此输出驱动信号，使马达25转动。然后，马达25的输出被行星滚减速机构30减速，经由第1皮带轮41转动后轮11。

其次根据图1说明控制电路。

67利用驱动用切换元件68以PWM方式控制该马达25的控制电路，该控制电路67由按照该扭矩检测部分56检测的扭矩的输出驱动。

68是将马达25通电开(ON)、关(OFF)之切换元件，用根据来自控制电路67之信号输出的马达驱动电路69控制该切换元件68开(ON)、关(OFF)。

70是和马达25并联的飞轮二极管70。

71是定电压电路71，将蓄电池18降压后产生使控制电路67动作的电压。

72是装在自行车本体的用以切换二种模式的开关装置，即开关72切换动力模式和经济模式这二种模式。图6及图7所示之图表示电动驱动部分的输出扭矩相对于人力扭矩之比值的设定值，将该开关72设为经济模式时根据图6的图输出电动驱动力，而将该开关72设为动力模式时根据图7之图输出电动驱动力。预先在控制电路67设定这些在图6及图7所示的图的设定值，作为表资料。

首先说明图6的经济模式，横轴表示人力扭矩、纵轴表示电动驱动扭矩相对于人力扭矩的辅助率，人力扭矩小时减少电动驱动扭矩，随着人力扭矩增加而提高辅助率，而当人力扭矩超过设定值以上时，将辅助率设为定值。例如，当人力扭矩超过设定值以上时，将辅助率设为1，设为只能输出和人力扭矩一样的大小。

其次说明图7的动力模式。不管人力扭矩为多少，都将辅助率设为1，和经济模式相比，当人力扭矩小时也可得到大的电动驱动扭矩。

其次，说明控制电路的动作。

动作前，配合用开关72设定的模式设定控制电路67内的辅助率。

然后，一旦踩踏板5，即从扭矩检测部分56将扭矩信号输入至控制电路67。依据此信号，按照在控制电路67设定的模式向马达驱动电路69输出驱动信号，驱动马达25，通过切换切换元件68以PWM方式控制马达25。

例如设为经济模式，当人力扭矩小时，即行驶在平地等时因不太需要辅助力，辅助率小也没关系，而人力扭矩大时，即在起动或爬坡时因需要辅助力，设为大的辅助率。这样设定可抑制蓄电池18的消耗，使得蓄电池18持久。

而设为动力模式时，因人力扭矩小时也输出相同的电动驱动扭矩，可得到大的辅助力。

于是，因可利用开关72切换动力模式和经济模式，在爬陡坡等需要大的辅助力时使用者本身切换，就可调整辅助力，使用者可选择行驶方式。

此外，在实施例1依据图6的经济模式和图7的动力模式控制，但是也可改为依据不管人力扭矩的大小辅助率总是为2.0的动力模式，及和图7一样辅助率总是为1.0的经济模式控制。辅助模式具有多个辅助率也没关系。

接着说明实施例2。

因本实施例的自行车其构造和实施例1一样，省略说明。

其次，根据图8说明控制电路。对于控制电路和实施例1相同的部分，因编号相同，省略说明。

73是检测车轮的转速的速度感测器，该速度感测器73由设于该转动侧外壳22的磁铁各设于固定侧外壳21的磁簧开关构成，两者合起来构成速度感测器。然后将检测到的转速输入控制电路67，也可计算行驶距离。速感测器73利用控制电路67也可计算行驶距离，称为行驶距离计算装置。

其次，根据图9说明本实施例的控制电路的动作。

首先开始动作时，自速度感测器73输入速度，确认在停止状态后，根据速度感测器73输入的信号开始计算行驶距离。此时，将行驶的设定模式设为图7所示的动力模式，到行驶10公尺为止以辅助率高的动力模式辅助行驶。一行驶过10公尺，就将行驶的设定模式设为图6所示的经济模式，以后到停止为止一直以经济模式行驶。此流程图表示在控制上，一直输入速度，自速度为0的地点开始到行驶10公尺为止以动力模式行驶，以后到停止为止一直以经济模式行驶。

如上所示，在由开始行驶到10公尺之间，在开始骑需要大扭矩时设为动力模式辅助行驶，一超过10公尺就设为经济模式行驶，在开始骑需要大扭矩时可得到充分之辅助力，在开始行驶后为了减轻蓄电池的消耗而切换为经济模式，提高使用方便性。

接着说明实施例3。

因本实施例的自行车其构造和实施例1、2一样，省略说明。

其次，根据图10说明控制电路。对于控制电路和实施例1、2相同的部分，因编号相同，省略说明。在此，将扭矩检测部分56称为人力扭矩计算装置。

其次，根据图11说明本实施列的控制电路的动作。

首先开始动作时，自扭矩检测部分56输入指定期间的人力扭矩，用控制电路67运算该值求平均值。然后判断平均值是否是150千克·厘米以上，如果是150千克·厘米以上，就设为已设在控制电路67内的图7所示的动力模式行驶。即，150千克·厘米以上的指是在爬坡或开始行驶时等需要大辅助力时以辅助率大的动力模式辅助行驶。其次，关于人力扭矩的平均值为150千克·厘米以下之情况，设为已设在控制电路67内的图6所示的经济模式行驶。即，150千克·厘米以下意指是在平地行驶时等不太需要辅助力时以辅助率小的经济模式辅助行驶。于是，在控制上，因依据人力扭矩的平均值切换式、经济模式设定，自动切换辅助率，在使用者需要需要辅助力时可得到充分的辅助，而在不太需要辅助力时抑制蓄电池的消耗。

以上，在实施例1到实施例3，所记载的设定模式为图6和图7两种，但是不限于此，由辅助率小的到大的为止设定几个也没关系。

Claims (12)

1、一种辅助式电动车，包括：

电动车本体，具有能以人力驱动力和电动驱动力驱动的驱动轮；

驱动力赋与部分，用以赋与驱动该驱动轮的人力驱动力；

扭矩检测部分，用以检测赋与该驱动力赋与部分的人力驱动力；

马达，用以藉由电动驱动力辅助驱动该驱动轮；

蓄电池，作为马达的电源；及

控制部分，根据扭矩检测部分的检测结果来控制该马达；

其特征为：该控制部分具有可对应于人力驱动力的大小来设定辅助率的多种辅助模式。

2、如权利要求1所述的辅助式电动车，其特征在于：该控制部分具有可对应于人力驱动力的大小来改变辅助率的辅助模式；及与人力驱动力的大小无关地维持固定辅助率的辅助模式。

3、如权利要求1所述的辅助式电动车，其特征在于：该扭矩检测部分用于检测是否有人力驱动力。

4、如权利要求1所述的辅助式电动车，其特征在于：该扭矩检测部分用于定量检测人力驱动力的大小。

5、如权利要求1所述的辅助式电动车，其特征在于：该扭矩检测部分将线圈弹簧向驱动轮转向的伸缩量变换为向驱动轮的轴向的移动量后，利用感应线圈以电气信号检测其移动量。

6、如权利要求1所述的辅助式电动车，其特征在于：该控制部分具有经济模式，直到人力扭矩达到设定值为止按照人力扭矩的增加提高辅助率，当人力扭矩超过设定值时将辅助率设为定值；而动力模式是将辅助率设为定值。

7、如权利要求1所述的辅助式电动车，其特征在于：该控制部分的辅助模式根据扭矩检测部分的检测结果将辅助率从小的辅助率切换为大的辅助率。

8、如权利要求1所述的辅助式电动车，其特征在于：该控制部分的辅助模式根据扭矩检测部分的检测结果将辅助率从大的辅助率切换为小的辅助率。

9、如权利要求1所述的辅助式电动车，其特征在于：还具有用于计算从某停车点的连续行驶距离的行驶距离计算部分，当行驶距离计算部分计算出该行驶距离达到了设定值时，即由该控制部分指示从该多种辅助模式之一切换为其他的模式。

10、权利要求1所述的辅助式电动车，其特征在于：还具有计算人力驱动力的平均值的人力扭矩计算部分，该控制部分按照由人力扭矩计算部分计算出的人力驱动力的平均值指示从该多种辅助模式之一切换为其他的模式。

11、权利要求9所述的辅助式电动车，其特征在于：由人力扭矩计算部分计算出的人力驱动力的平均值是在指定时间内赋与驱动力赋与部分的人力驱动力的平均值。

12、权利要求10所述的辅助式电动车，其特征在于：由人力扭矩计算部分计算出的人力驱动力的平均值是仅于指定次数赋与驱动力赋与部分的人力驱动的平均值。

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