TW201406604A - 電動輔助裝置及電動交通工具的驅動方法 - Google Patents

Abstract

一種電動輔助裝置及電動交通工具的驅動方法。適用於電動交通工具的電動輔助裝置包括角度感測單元、驅動模組以及控制模組。角度感測單元感測電動交通工具於行進路段的傾斜角度。驅動模組包括一功率驅動單元以及一馬達，所述驅動模組接收一控制信號以透過所述馬達驅動所述電動交通工具。控制模組耦接所述角度感測單元以及所述驅動模組。控制模組依照傾斜角度的變化調整所述控制信號，以在所述電動交通工具於上坡路段時增加馬達的扭力。

Description

電動輔助裝置及電動交通工具的驅動方法

本發明是有關於一種交通工具及其驅動技術，且特別是有關於一種適用於電動交通工具以在巔坡路段仍具有足夠動力的電動輔助裝置及電動交通工具的驅動方法。

自行車原是一種以人力行駛且不需消耗石化能源的交通工具。由於能源短缺等問題，許多廠商在原本的自行車結構上加裝電動馬達、電池...等設備，並以電力驅動自行車，因而製造了電動自行車。某些電動自行車保有腳踏板等設備，讓使用者在騎乘電動自行車時能夠選擇以人力或是電力作為其行駛動力。部份類型的電動自行車則類似於摩托車一般並無腳踏板等設備，只是由石化能源(例如，汽油)行駛改成以電力行駛。

由於電動自行車在各國的交通法規上皆屬於慢速交通工具，並且難以限制電動自行車的駕駛員年齡，因此各國皆以法令限制電動自行車的時速不可過快，並限制了車身重量或電動馬達的輸出功率，降低交通事故的發生率。然而，當使用者在巔坡或上坡路段騎乘電動自行車時，往往因為電動馬達的輸出功率不足而使動力輸出不如預期，嚴重影響到電動自行車或是電動交通工具的行駛。相對地，使用者在下坡路段騎乘電動自行車的話則經常由於車速過快而難以煞車，可能會讓使用者在行駛中更容易發生危險。

因此，如何讓電動自行車在上坡路段騎乘時能夠得到足夠的動力輸出，並且在平路或下坡路段則能夠讓使用者穩定且安全地行駛著電動自行車，便是目前亟待解決的課題。

本發明提供一種電動輔助裝置及電動交通工具的驅動方法，其可使電動交通工具在巔坡路段中仍具有足夠動力，且在下坡路段時讓電動交通工具以滑行方式行駛，讓使用者穩定且安全地行駛電動交通工具。

本發明提出一種電動輔助裝置，適用於電動交通工具。所述電動輔助裝置包括角度感測單元、驅動模組以及控制模組。角度感測單元感測所述電動交通工具於行進路段的傾斜角度。驅動模組則包括功率驅動單元以及電動馬達。功率驅動單元接收控制信號以產生驅動電流，且電動馬達接收所述驅動電流並驅動所述電動交通工具。控制模組耦接角度感測單元以及驅動模組。控制模組依照所述傾斜角度的變化以調整控制信號，以在所述電動交通工具於上坡路段時增加所述電動馬達的扭力。

於本發明之一實施例中，上述之傾斜角度小於下坡預定角度時，控制模組調整所述控制信號以停止提供所述電動馬達的驅動電流。

於本發明之一實施例中，當傾斜角度大於上坡預定角度時，控制模組調整所述控制信號以增加所述電動馬達的驅動電流。

於本發明之一實施例中，上述之電動輔助裝置更包括一電源供應模組。此電源供應模組包括電池以及電源轉換單元。電池用以供應所述驅動模組的電源。電源轉換單元耦接所述電池。電源轉換單元依據所述電池所提供的電源以分別轉換並提供符合所述角度感測單元以及所述控制模組的電源。

於本發明之一實施例中，上述之角度感測單元為重力感測器或陀螺儀。

於本發明之一實施例中，上述之控制模組包括微處理器以及驅動轉換單元。微處理器接收開關信號以及所述重力控制單元的傾斜角度，微處理器依照所述開關信號以設定電動馬達的轉速，且依據所述傾斜角度的變化調整一脈寬調變信號。驅動轉換單元耦接所述微處理器，其接收所述脈寬調變信號以產生所述控制信號。

於本發明之一實施例中，上述之電動輔助裝置更包括一驅動開關，其耦接所述微處理器。此驅動開關用以產生所述開關信號。

於本發明之一實施例中，上述之電動馬達為直流無刷馬達。

從另一角度來看，本發明提出一種電動交通工具的驅動方法，其包括下列步驟。利用角度感測單元以感測所述 電動交通工具於行進路段的傾斜角度。依照所述傾斜角度的變化調整控制信號。利用功率驅動單元接收所述控制信號以產生驅動電流。利用電動馬達接收所述驅動電流並驅動所述電動交通工具，使所述電動交通工具於上坡路段時增加電動馬達的扭力。

於本發明之一實施例中，依照所述傾斜角度的變化調整所述控制信號包括下列步驟。當所述傾斜角度大於上坡預定角度且維持一預定時間後，增加所述電動馬達的驅動電流以提升所述電動馬達的扭力。

於本發明之一實施例中，增加所述電動馬達的驅動電流以提升所述電動馬達的扭力包括下列步驟。當所述傾斜角度大於所述上坡預定角度時，判斷所述傾斜角度位於一第一角度區間還是一第二角度區間。當所述傾斜角度位於第一角度區間且維持預定時間後，增加所述電動馬達的驅動電流至第一電流倍率。以及，當所述傾斜角度位於第二角度區間且維持預定時間後，增加所述電動馬達的驅動電流至第二電流倍率，其中第一倍率小於第二倍率。

於本發明之一實施例中，增加所述電動馬達的驅動電流以提升所述電動馬達的扭力包括下列步驟。當所述傾斜角度大於所述上坡預定角度時，依據所述傾斜角度查詢一電流調節表以獲得傾斜角度對應的電流倍率，並增加所述電動馬達的驅動電流至所述電流倍率。

基於上述，本發明實施例的電動輔助裝置及電動交通工具的驅動方法是利用角度感測單元來偵測電動交通工具 的傾斜角度，處理模組便可依據傾斜角度的變化而動態調整電動馬達的驅動電壓/電流，使電動交通工具在上坡路段中仍具有足夠的扭力行駛，維持住電動交通工具在上坡時的車速。並且，此電動交通工具在下坡路段時將停止電動馬達的運轉，讓電動交通工具以滑行方式行駛，使用者可穩定且安全地行駛電動交通工具。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

請參照圖1，圖1是根據本發明一實施例說明電動輔助裝置10的示意圖。如圖1所示，電動輔助裝置10適用於電動交通工具中。於本實施例中，電動交通工具是同時具有人力行駛設備以及電動輔助裝置10的電動自行車，例如是鍊條式、皮帶式與輪轂式電動腳踏車。當然，本發明實施例也可適用於不具備人力行駛設備而單純以電能行駛的電動自行車。

電動輔助裝置10包括角度感測單元110、驅動模組120以及控制模組130。角度感測單元110用以感測電動交通工具於行進路段的傾斜角度。換句話說，角度感測單元110可偵測電動交通工具的行進路段相對於水平面的夾角以作為偵測到的傾斜角度，藉以得知電動交通工具的位置以及路徑變化。於本實施例中，角度感測單元110可以是重力感測器(G sensor)，其可感測電動交通工具之運動方向的重 力變化以提供三軸加速度值(例如，X軸、Y軸以及Z軸的重力加速度值)，從而提供了上述的傾斜角度。控制模組130中的微處理器122便可藉此三軸重力加速度值，並配合相應演算法以統合運算出電動交通工具的傾斜角度、位置等變化，從而判斷電動自行車目前行駛之路徑的坡度為何。於部分實施例中，角度感測單元110也可以採用機械式的陀螺儀來感測電動交通工具的傾斜角度。

驅動模組120則用於驅動電動交通工具。由於電動交通工具的驅動方式會隨電動交通工具的種類不同(例如，鍊條式、皮帶式與輪轂式電動自行車)而有不同的作法，因此本實施例並不限制如何驅動電動交通工具的車輪以使其行駛在道路上。詳細來說，驅動模組120包括功率驅動單元122以及電動馬達124。功率驅動單元122為功率開關元件的組合，是驅動負載(也就是，電動馬達124)的主要元件。功率驅動單元122接收由控制模組130傳送而來的控制信號CS以及由電源供應模組140所供應的直流電壓DC1藉以產生驅動電流DI。電動馬達124則接收驅動電流DI以驅動電動交通工具。

於本實施例中，電動馬達124以直流無刷馬達為實現方式。雖然直流無刷馬達在馬達轉速愈高時會降低馬達的輸出扭力，並且馬達轉速與輸出扭力的降低成一定線性關係。然而，在提供固定的驅動電壓給予直流無刷馬達的情況下，若提供較多的驅動電流DI給予直流無刷馬達時， 直流無刷馬達的輸出扭力也會相應提高。所提供之驅動電流的數值也與馬達的輸出扭力成一定的線性關係。

有鑑於此，耦接至角度感測單元110以及驅動模組120的控制模組130便可依照電動交通工具的傾斜角度變化來調整控制信號CS，以在電動交通工具於上坡路段時增加驅動電流DI，藉以增加電動馬達120的扭力。相對地，當電動交通工具於下坡路段時，也可停止提供驅動電流DI以使電動馬達124停止運作，使用者便可利用下坡路段以及重量慣性等方式讓電動交通工具以滑行方式行駛，藉以節省電源消耗。

於本實施例中，控制模組130包括驅動開關150、微處理器132以及驅動轉換單元130。驅動開關150用以產生開關信號WS。例如，驅動開關150例如是腳踏開關，本發明實施例將電動馬達124被微處理器132所設定的最大轉速配合腳踏開關本身所能夠呈現的段數來調整電動馬達124的轉速。也就是，電動輔助裝置10的驅動開關150可藉由其本身呈現的段數以對應到不同的馬達轉速，藉以決定電動馬達124應具有的正常轉速。因此，腳踏開關的作動方式類似於汽車的油門開關，對於腳踏開關施加不同的外力時，電動馬達會有不同的轉速輸出。

例如，圖2為驅動開關150的段數對應電動馬達124的轉速的示意圖。請同時參照圖1及圖2，使用者可利用按下驅動開關150的力道來設定電動馬達124的轉速，例如當驅動開關150的段速為”5”時，電動馬達124的轉速便 預計會達到1500每分鐘轉速(Revolutions Per Minute；RPM)，而當驅動開關150的段速為”10”時，電動馬達124的轉速便預計會達到3000每分鐘轉速。

微處理器132負責電動交通工具之環境資料的收集、運算、判斷與控制電動馬達124。特別是，微處理器132接收開關信號WS以及重力控制單元110所量測到的傾斜角度資訊。微處理器132將依照上述開關信號WS以設定電動馬達124的轉速，且依據傾斜角度的變化來調整脈寬調變信號PWM。驅動轉換單元134則耦接微處理器132，其接收脈寬調變信號PWM以產生控制信號CS。驅動轉換單元134是微處理器132與功率驅動單元122之間的轉換介面單元，其將微處理器132用以控制馬達的脈寬調變信號PWM轉換為控制馬達的電壓/電流準位，藉以成為控制信號CS。

此外，圖1所繪示的電動輔助裝置10更包括電源供應模組140。此電源供應模組140包括電池142以及電源轉換單元144。電池142用以供應驅動模組120以及電源轉換單元144所需的電源。電源轉換單元144耦接電池142。電源轉換單元144則依據電池142所提供的電源以分別轉換並提供符合角度感測單元110以及控制模組130的電源。例如，電源轉換單元144提供+3.3V直流電壓DC2給予角度感測單元110以及控制模組130，而電池142提供+12V/+24V直流電壓給予驅動模組120以及電源轉換單元144。

以另一種觀點而言，本實施例也可以利用圖1及上述揭示的硬體架構來實現下述電動交通工具的驅動方法。圖3是根據本發明一實施例說明電動交通工具的驅動方法之流程圖。請同時參照圖1及圖3，首先，於步驟S310中，電動輔助裝置10中的微處理器132利用角度感測單元110以感測電動交通工具於行進路段的傾斜角度。於步驟S320中，微處理器132便依照角度感測單元110所量測之傾斜角度的變化來調整控制信號CS。於步驟S330中，則微處理器132利用功率驅動單元122接收控制信號CS以產生驅動電流DI。步驟S340則是利用電動馬達124以接收驅動電流DI並驅動電動交通工具，使電動交通工具於上坡路段時增加電動馬達124的扭力。

詳細來說，於圖3的步驟S320中，利用傾斜角度的變化調整控制信號CS，以在電動交通工具於上坡路段時增加馬達扭力的實現方式有多種作法，以下利用圖4來詳細說明。圖4是圖3步驟S320的第一詳細流程圖。請同時參照圖1及圖4，於步驟S410中，微處理器132判斷電動交通工具的傾斜角度是否大於上坡預定角度(例如，+10度)。當傾斜角度小於上坡預定角度(+10度)時，表示電動交通工具位於較為平坦的路段上，本實施例將電動輔助裝置10位於平坦路段上的狀態稱為正常使用模式，也就是電動輔助裝置10此時位於正常使用模式(步驟S415)。

相對地，當控制模組130判斷電動交通工具的傾斜角度大於上坡預定角度(+10度)且維持預定時間(例如，3到5 秒)之後，控制模組130便會透過控制信號CS以增加驅動電流DI的數值，以提升電動馬達124的扭力。

例如，於步驟S410進入步驟S420後，控制模組130判斷電動交通工具的傾斜角度是否位於第一角度區間，此處的第一角度區間例如是+10度到+25度之間。當所述傾斜角度位於第一角度區間且維持預定時間(3到5秒)後(步驟S430)，控制模組130透過控制信號CS以增加電動馬達的驅動電流至第一電流倍率(例如，30%)(步驟S440)，於本實施例中，微處理器132將電動馬達124於正常使用模式時的驅動電流再多增加30%，從而提升電動馬達124的扭力。

當控制模組130判斷電動交通工具的傾斜角度並未位於第一角度區間而是位於第二角度區間時，此處的第二角度區間例如是大於+25度的角度區間，便從步驟S420透過步驟S450進入步驟S460，以判斷傾斜角度是否維持所述預定時間(3到5秒)(步驟S460)。當所述傾斜角度位於第二角度區間且維持預定時間(3到5秒)後(步驟S460)，控制模組130透過控制信號CS以增加電動馬達的驅動電流至第二電流倍率(例如，50%)(步驟S440)。由於第二角度區間中的傾斜角度皆大於第一角度區間，因此當從步驟S460中進入步驟S470後，表示電動交通工具需要更大的扭力以維持車輛速度，因此第一電流倍率(30%)將小於第二電流倍率(例如，50%)。於本實施例中，微處理器132將電動馬達 124於正常使用模式時的驅動電流再多增加50%，從而提升電動馬達124的扭力。

實現在電動交通工具於上坡路段時增加馬達扭力的另一種方式則為，當所述傾斜角度大於上坡預定角度(10度)時，微處理器132可依據所述傾斜角度來查詢內建於微處理器132中的電流調節表，以獲得此傾斜角度相對應的電流倍率。並且，微處理器132便透過調整控制信號CS以增加電動馬達124的驅動電流DI至所述電流倍率。

本實施例除了可讓電動交通工具於上坡路徑增加馬達扭力以外，也可讓電動交通工具於下坡路徑以滑行方式行駛，圖5是圖3步驟S320的第二詳細流程圖。請同時參照圖1及圖5，於步驟S510中，微處理器132判斷判斷電動交通工具的傾斜角度是否小於下坡預定角度(例如，-10度)。當傾斜角度大於下坡預定角度(-10度)時，表示電動交通工具位於較為平坦的路段上(例如位於+10度到-10度之間)，也就是電動輔助裝置10位於正常使用模式(步驟S515)。

相對地，當控制模組130判斷電動交通工具的傾斜角度小於下坡預定角度(-10度)(步驟S510)且維持預定時間(例如，3到5秒)之後(步驟S520)，控制模組130便會調整控制信號CS以停止提供電動馬達124的電源，例如停止提供電動馬達124的驅動電流DI(步驟S530)，讓電動交通工具以滑行或是以人力方式行駛，從而節省電源。因此，電動輔助裝置10於下坡路徑時將會自行關掉電動馬達124 的電源，甚至可透過下坡路徑讓電動輔助裝置10主動對電動馬達124回充電力，以達省電之效。

綜上所述，本發明實施例的電動輔助裝置及電動交通工具的驅動方法是利用角度感測單元來偵測電動交通工具的傾斜角度，處理模組便可依據傾斜角度的變化而動態調整電動馬達的驅動電壓/電流，使電動交通工具在上坡路段中仍具有足夠的扭力行駛，維持住電動交通工具在上坡時的車速。並且，此電動交通工具在下坡路段時將停止馬達的運轉，讓電動交通工具以滑行方式行駛，使用者可穩定且安全地行駛電動交通工具。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧電動輔助裝置

110‧‧‧角度感測單元

120‧‧‧驅動模組

122‧‧‧功率驅動單元

124‧‧‧電動馬達

130‧‧‧控制模組

132‧‧‧微處理器

134‧‧‧驅動轉換單元

140‧‧‧電源供應模組

142‧‧‧電池

144‧‧‧電源轉換單元

150‧‧‧驅動開關

S310~S530‧‧‧步驟

CS‧‧‧控制信號

DI‧‧‧驅動電流

WS‧‧‧開關信號

PWM‧‧‧脈寬調變信號

DC1、DC2‧‧‧直流電壓

圖1是根據本發明一實施例說明電動輔助裝置的示意圖。

圖2為驅動開關的段數對應電動馬達的轉速的示意圖。

圖3是根據本發明一實施例說明電動交通工具的驅動方法之流程圖。

圖4是圖3步驟S320的第一詳細流程圖。

圖5是圖3步驟S320的第二詳細流程圖。

10‧‧‧電動輔助裝置

110‧‧‧角度感測單元

120‧‧‧驅動模組

122‧‧‧功率驅動單元

124‧‧‧電動馬達

130‧‧‧控制模組

132‧‧‧微處理器

134‧‧‧驅動轉換單元

140‧‧‧電源供應模組

142‧‧‧電池

144‧‧‧電源轉換單元

150‧‧‧驅動開關

CS‧‧‧控制信號

DI‧‧‧驅動電流

WS‧‧‧開關信號

PWM‧‧‧脈寬調變信號

DC1、DC2‧‧‧直流電壓

Claims (14)

1. 一種電動輔助裝置，適用於一電動交通工具，該電動輔助裝置包括：一角度感測單元，感測該電動交通工具於行進路段的一傾斜角度；一驅動模組，包括一功率驅動單元以及一電動馬達，該功率驅動單元接收一控制信號以產生一驅動電流，該電動馬達接收該驅動電流並驅動該電動交通工具；以及控制模組，耦接該角度感測單元以及該驅動模組，該控制模組依照該傾斜角度的變化調整該控制信號，以在該電動交通工具於上坡路段時增加該電動馬達的扭力。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電動輔助裝置，其中該傾斜角度小於一下波預定角度時，該控制模組調整該控制信號以停止提供該電動馬達的該驅動電流。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電動輔助裝置，其中當該傾斜角度大於一上坡預定角度時，該控制模組調整該控制信號以增加該電動馬達的該驅動電流。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電動輔助裝置，更包括一電源供應模組，該電源供應模組包括：一電池，供應該驅動模組的電源；以及一電源轉換單元，耦接該電池，該電源轉換單元依據該電池所提供的電源以分別轉換並提供符合該角度感測單元以及該控制模組的電源。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電動輔助裝置，其中該角度感測單元為重力感測器或陀螺儀。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電動輔助裝置，其中該控制模組包括：一微處理器，接收一開關信號以及該重力控制單元的該傾斜角度，該微處理器依照該開關信號設定該電動馬達的轉速，且依據該傾斜角度的變化調整一脈寬調變信號；以及一驅動轉換單元，耦接該微處理器，接收該脈寬調變信號以產生該控制信號。
7. 如申請專利範圍第6項所述之電動輔助裝置，更包括：一驅動開關，耦接該微處理器，用以產生該開關信號。
8. 如申請專利範圍第1項所述之電動輔助裝置，其中該電動馬達為直流無刷馬達。
9. 一種電動交通工具的驅動方法，包括下列步驟：利用一角度感測單元以感測該電動交通工具於行進路段的一傾斜角度；依照該傾斜角度的變化調整一控制信號；利用一功率驅動單元接收該控制信號以產生一驅動電流；利用一電動馬達接收該驅動電流並驅動該電動交通工具，使該電動交通工具於上坡路段時增加該電動馬達的扭力。
10. 如申請專利範圍第9項所述之驅動方法，更包括下列步驟：當該傾斜角度小於一下坡預定角度且維持一預定時間後，調整該控制信號以停止提供該電動馬達的該驅動電流。
11. 如申請專利範圍第9項所述之驅動方法，依照該傾斜角度的變化調整該控制信號包括下列步驟：當該傾斜角度大於一上坡預定角度且維持一預定時間後，增加該電動馬達的該驅動電流以提升該電動馬達的扭力。
12. 如申請專利範圍第11項所述之驅動方法，依照該傾斜角度的變化調整該控制信號包括下列步驟：當該傾斜角度大於該上坡預定角度時，判斷該傾斜角度位於一第一角度區間還是一第二角度區間；當該傾斜角度位於該第一角度區間且維持該預定時間後，透過該控制信號以增加該電動馬達的該驅動電流至一第一電流倍率；以及當該傾斜角度位於該第二角度區間且維持該預定時間後，透過該控制信號以增加該電動馬達的該驅動電流至一第二電流倍率，其中該第一倍率小於該第二倍率。
13. 如申請專利範圍第11項所述之驅動方法，依照該傾斜角度的變化調整該控制信號包括下列步驟：當該傾斜角度大於該上坡預定角度時，依據該傾斜角度查詢一電流調節表以獲得該傾斜角度對應的電流倍率， 透過該控制信號以增加該電動馬達的驅動電流至該電流倍率。
14. 一種電動交通工具的驅動方法，包括下列步驟：利用一角度感測單元以感測該電動交通工具於行進路段的一傾斜角度；依照該傾斜角度的變化調整一控制信號；利用一功率驅動單元接收該控制信號以產生一驅動電流；利用一直流無刷馬達接收該驅動電流並驅動該電動交通工具，使該電動交通工具於上坡路段時增加該電動馬達的扭力；其中，當該傾斜角度大於一上坡預定角度且維持一預定時間後，增加該電動馬達的該驅動電流以提升該電動馬達的扭力；當該傾斜角度大於該上坡預定角度時，判斷該傾斜角度位於一第一角度區間還是一第二角度區間；當該傾斜角度位於該第一角度區間且維持該預定時間後，透過該控制信號以增加該電動馬達的該驅動電流至一第一電流倍率；以及當該傾斜角度位於該第二角度區間且維持該預定時間後，透過該控制信號以增加該電動馬達的該驅動電流至一第二電流倍率，其中該第一倍率小於該第二倍率。