专利名称：小型电动/助力自行车/三轮车及其控制器与传感器的制作方法
技术领域：
本发明属小型电动车领域，特别是电动/助力自行车、三轮车，也包括多能源/双动力电动自行车/助力车与控制器及其传感器，涉及对整车及电机控制器的测控策略、结构与所使用传感器的全面改进。
随世界性石油资源枯竭的日益临近，高油价时代已到来。作为现代人类的主要交通工具之一的汽车，不仅面临着传统的交通拥挤、对排放与噪声污染及安全等要求与控制日益严格的问题，而且将频频面对缺油、少油及运营成本不断增长的严重威胁。电动车以其不用燃油、节能、低功耗、无污染、低噪声等优秀的环保特性，使其必然成为新世纪的主要交通工具之一，有强大的生命力。
目前，作为自行车王国的中国，2004年电动自行车的年总产量已达到600万辆以上，已连续八年以超过100％的增长率继续增长。与此同时，世界范围内对电动车特别是小型电动车等个人交通工具的研发、制造，也已出现新的热潮。随新能源发展的进步与日渐成熟，电动车产业势必将逐步成长为世界经济的新支柱产业之一，具有极大的市场前景。
背景技术：
迄今的小型电动车中，电动自行车主要分为纯电动式与助力式两大类型，也有混合式的品种；电动摩托车与电动滑板车则几乎均为纯电动式。
纯电动式通常测控系统结构较简单，造价低，在中国已形成广大的市场；与助力式相比，由于未利用骑行者的人力，在一次充电续驶里程相同的条件下，电池的体积、重量通常要大一倍，因而总体相对能耗大、车体重量重、节能效率较低。
1+1助力式或称电力辅助驱动式的特点则正相反，以日本YAMAHA公司的PAS技术为代表，在欧洲、日本市场占主流，这也与当地交通法规将纯电动型视为机动车有关。传统的助力式电动自行车必须安装有用于检测骑行人脚踏力的蹬踏转矩传感器，并同时采用含单片机(微控制器)的智能型电机控制器进行控制。
与纯电动式比较，助力式电动自行车本质上有很多优点是无容置疑的，无论从交通安全还是从车体轻巧、可高效利用有限的能源等角度看仍是上乘之选。特别是电动自行车的主要客户群之一为妇女与老人，从这一使用者的角度看，助力型与纯电动型车相比具有很大优点在一次充电续驶里程相同的情况下，可使电池的体积、重量降低一半。而目前纯电动型自行车通常配备的铅酸蓄电池为10AH的规格，由于其比能量仍低，仅电池重量即可达12Kg以上，这对每日需手提电池、步行上较高楼层回家充电的老人与妇女将不堪其苦。
此外，根据国外有关标准(例如日本)的规定，当车速超过15Km/h后，车速每升高1Km/h，助力比应降低1/9；当车速到达24Km/h时，助力比应降至为零。这种限制措施大大降低了发生交通事故的可能，可有效地遏制纯电动式自行车的飞车族因高速骑行引发交通事故的重大隐患。而超速问题无疑正是目前困扰我国电动车产业健康发展的一个重要暗礁——在我国，虽然国家标准规定了最高车速不得超过20Km/h的限制，然而却常常屡禁不止。电动车生产厂家为争夺市场常片面迎合一些消费者的要求，对车速明限、暗不限——装设用户易于自行拆卸的限速设施，一些电动自行车的实际最高车速竟高达40Km/h以上，极易引发交通事故。这已成为一些地区交管部门做出禁行电动车决策的考虑因素之一，对电动车产业的健康发展十分不利。
目前，纯助力型电动车虽有很大优点，但其产品发展仍主要受到蹬踏转矩传感器高成本的制约。由于蹬踏转矩传感器测控部分的技术含量高，机械结构复杂，制造工艺难度大，因而导致传感器及电动车的总体售价均显著高于普通电动型，不利于在我国及发展中国家大面积推广使用。安装于电动自行车中轴处的蹬踏转矩传感器的另一缺点是骑行人的蹬踏力不是恒定的，在脚蹬曲柄的一周内有两个死点与两个最大值——蹬踏力或蹬踏转矩呈现近正弦或半正弦曲线形状的起伏。现有电助力的驱动控制模式大多数为完全模拟该曲线以控制电动机的输出转矩，因而导致车速与加速度很不均匀。从“微观上”看，整车实际以波浪式的速度跃动前进，这种脉动在一定程度上降低了骑行人骑乘的舒适度与平稳性。另外，控制器依据蹬踏转矩信号控制的电流也以与转矩信号相同的周期、相似的波形、成比例地大幅度变化，这将导致电机驱动效率的劣化、能量转换效率的降低以及电能消耗的增加。日本专利JP2004-314753即是新近为减少上述缺点所作的努力之一例。
此外，蹬踏转矩传感器本身的一些设计或制造上的缺陷也在某种程度上影响到其使用性能。例如受传感器采用的弹性元件与安装方法的限制，其转矩量程不够大、线性度不够好；一些光电式传感器怕雨水与灰尘侵入，难于清洗而使用寿命低等。
近几年来，我国市场上出现了一些单纯以蹬踏转速传感器与单片机组合的“智能助力电动车”。这种车的控制器结构简单，成本低，仅以蹬踏转速作为给定信号控制电机，实际仅仅使车速按比例跟踪蹬踏转速，非真“1+1助力”。对此，由于一些控制器生产厂家(包括部分电动车生产厂家)的片面宣传、误导，消费者通常因缺乏专业知识也难于知情，致使整车无法发挥良好的骑行性能这种车由于不能提取骑行人在不同路况下的蹬踏转矩，因而在爬坡与顶风等高骑行阻力、低车速的路况下，蹬踏转速传感器相应输出的只能是低速信号，从而无法使电助力系统提供本应输出的1∶1大功率助力。因此导致骑行费力，无法实现真1+1的助力效果。
此外，一些助力车虽安装有蹬踏力传感器，因其传感器技术性能不好，也无法实现真正的1+1的助力功能。例如，有的传感器使用了检测蹬踏力作用下链条的上下位移的原理，因其蹬踏力—位移的线性比例工作区很小，不确定性很大，加之不可避免的抖动、链条松动等原因，也无法实现良好的助力效果。还有的传感器例如扭轴——应变计式，由于使用了不可靠的旋转接触信号引出测量技术，加之输出信号很小而抗干扰性差，难以适应车辆行驶时的室外恶劣工况，因而寿命低，产品缺乏生命力。目前实际已退出市场。
日本专利JP8258782与中国专利ZL96103741.5中公开了一种使用加速度传感器的电动自行车，该专利只单一采用传统的单轴加速度传感器测定骑行中的加速度，并仅据此控制电辅助驱动系统使其输出相应比例的电功率；其控制策略为当加速度为零——即传感器未测出加速度的情况下，停止电机输出、切断电助力。其缺陷是该方案未考虑到即使加速度为零，电辅助驱动系统也应输出为克服轮胎——地面的滚动阻力及迎风阻力所需的相应电功率。否则，不但将导致骑行过程的断续，也因不能确定骑行所需适宜的电辅助驱动功率而难以保证骑行人的轻松舒适骑行。特别是该方案不能测定也未考虑到爬坡等路面倾斜的路况，爬坡时的下滑力将产生减速度—低车速；反之，下坡时的下滑力将产生加速度；若依据平地骑行的控制器策略——加速度越大、提供的电辅助功率越大，将获得错误的结果并可能造成严重的后果。由于这些原因，该方案同样难以获取全面、良好的1+1助力效果。
近来，日本专利JP2004-322809公开了又一种使用加速度传感器的电动助力自行车。该专利虽使用加速度传感器测定骑行中的加速度与倾角，但为确定助力所需电辅助驱动功率仍主要基于采用的蹬踏转矩传感器的测试结果，蹬踏转矩传感器仍是这种电动助力自行车的核心传感器。该专利采用低通滤波器将蹬踏转矩传感器的输出信号加以平滑，这也是为减少如前所述的因蹬踏转矩传感器输出信号大幅度脉动带来的缺点新近所作的又一努力之一例。该专利提出的技术方案其缺点是不但未能省略蹬踏转矩传感器，反而又增加了加速度与振动传感器，其制造成本较一般电动助力自行车更高。
本发明的目的本发明的目的是克服上述现有技术的不足，不使用目前性能虽较好，但结构较复杂、制造工艺难度大、成本高的由蹬踏转矩传感器为主构成的1+1助力测控方案，也不使用有严重缺陷的、单独由单轴加速度传感器或蹬踏转速传感器构成的测控技术方案。
本发明将根据地面车辆理论以及电动车的助力原理，提出一种全新的、基于RM——路况测定技术、不检测蹬踏力/蹬踏转矩也能实现1+1助力的测控技术方案通过选择低成本、易于大量生产与装配、结构性能更先进的新型传感器作为核心传感器，辅以常规的传感器等进行组合来替代高价的蹬踏转矩传感器；同时提出新的控制策略使用数量最少的传感器却可测量多项参数，并能获得与使用蹬踏转矩传感器一样或更为优良的1+1助力效果，进而形成依据新的检测、控制、助力原理的全系列——包括从简易至豪华的各种类型、可适应不同阶层用户的个性化需求的全新一代的理想的新型电动/助力自行车、三轮车以及多能源/双动力电动/助力车与控制器。
本发明的技术方案按本发明的新测控技术方案，其特征是使用新型传感器随时检测路况，包括骑行时的滚动、爬坡与迎风阻力，同时检测车况，即骑行人实际加、减车速时形成的加速阻力并进行综合处理，计算出骑行所需的总功率，进而确定实现1+1助力所需的供电电流，再经控制器提供与人力驱动功率成比例的电机驱动功率。依据本发明，可按照骑行人的意愿提供所希望的其他助力比，也可按照骑行人的意愿由工作模式选择开关切换到传统的纯电动模式，成为助力/电动双控式的电动自行车，以适应不同客户群的个性化需求。
本发明的技术特征是为感测路况变化选择的新型核心传感器是基于先进的微机械MEMS技术、采用不断飞速发展的先进集成电路工艺制造，可检测加速度、也可检测倾角，具有双轴或三轴的低g值、超低噪声的新型单片微加速度传感器，传感器优选基于电容或热气团等工作原理的类型。该传感器有高可靠，微型化的优点，虽然制造工艺难度也大，但技术成熟、已大批量生产，价格仍在逐步降低，目前已达到在小型电动车产品上使用的可接受水平。
本发明的另一特征是仅使用一只该传感器，其输出信号按本发明的方式进行组合与运算处理，即可同时检测出多项骑行——路况/车况参数加速度——加速阻力、滑行——制动减速度、路面坡度/倾角——爬坡阻力、路面不平度——骑行滚动阻力系数与阻力，车速与行驶里程/骑行距离，以及发出已驻车车体被移动或被被盗，或被风吹倾翻或被碰倒等的报警信号，真正实现多功能又低成本的目标。
按本发明，其特征还在于，需与上述单片多轴加速度——倾角核心传感器组合、并行使用的辅助传感器还有常规的电压、电流传感器。电压、电流传感器仍用于常规的电池欠压、电机与控制器的过流保护、飞车保护以及转矩控制等。虽由加速度传感器的输出信号经积分即可获得车速信号，但为减少单片机的运算工作量，提高其实时处理能力，也可另装单独的车速传感器或蹬踏转速传感器。这是由于实际骑行中车体的加速度或车速会经常连续不断地发生变化，计算车速时的多次累计误差常可产生相当大的偏差。按本方案，为克服这一缺点，必须对单片机的运算精度或IC硬件积分器的精度提出很高的要求，从而大大提高了制造成本。根据本发明，用车速传感器直接测量车速即可有效克服上述缺点。考虑到电动车为民品，根据本发明，选用的上述辅助传感器均成本低廉，可以达到显著降低整车总体制造成本的效果。
按本发明，其特征还在于，根据所测得的各项参数，主单片机由诊断程序中依据所选择的判据即可准确地判定车况，例如由倾角的有无及符号判断平地、爬坡或下坡；由加速度的有无及符号判断匀速、加速或减速；由工作模式选择开关的位置/状态确定已选定的工作模式助力、电动、定速(巡航——自动驾驶)或自检(故障诊断)等；由车速、踏速、电压、电流及刹车等各信号的有无、变化与大小判断启动、调速、定速、滑行、反充或刹车制动等工作状态；以及运行正常、发生故障(例如断电或飞车失控)及欠压、过流或超速等车况。依据车况与路况，单片机按程序流程进入相应处理子程序，提供运算、控制、显示、语音提示或报警等输出信号。
虽然本发明仍是基于“1∶1助力系指人力驱动功率与电机驱动功率之比”的定义所确定的助力原理，但实现助力的方法与现有技术完全不同。现有技术采用蹬踏转矩传感器作为核心传感器，测量的实质是人力输入驱动功率。按本发明，其特征在于系按新的测控策略进行处理采用单片多轴加速度传感器作为核心传感器，或再与辅助的车速、踏速等传感器组合，测量的实质是由在骑行路况/车况条件下所需的整车输出功率。而后，通过常规的电压、电流等辅助传感器的配合，由功能较强的单片机进行运算处理，实时计算出实现1+1助力所需的、与人力输入驱动功率成比例的电辅助驱动功率，从而获得与电机驱动功率成比例的电流给定信号，再由此信号经控制器/驱动器相应实时控制电机，即可实现1+1助力。按本发明对其它辅助传感器的选择为电压、电流传感器仍为通常流行的直流电阻分压式与金属电阻取样式；车速传感器可用目前电动车上通常使用的磁钢——霍尔式非接触脉冲传感器。还可进一步选择替代使用车速传感器的方案不用车速传感器，车速信号直接由直流有刷电机电枢电压的脉动成分或直流无刷电机的换向信号电压中提取。
按本发明，其特征还在于不同于普通电动助力车，对于高档豪华电动助力车，本发明为感测路况变化增加的另一辅助新型传感器是风速传感器，该传感器可以是小型叶轮、风压板、热敏电阻、热球或热线及热线——热电偶、小型IC动压力及流速传感器等等之一，其输出信号相应于迎风状况(包括从顺风经无风至逆风，与之对应的迎风阻力为由负至正或由小至大)，用于确定骑行风阻。此外，高档的电动助力车使用的辅助传感器还可增加负载(载重)传感器与轮胎气压传感器，由负载及轮胎气压可自动对车况与路况进行更精确的修正，以确定更适宜的助力比。更高档的豪华电动/助力车还可进一步加装GPS全球定位——报警系统，以期进一步提高整车的防盗与安全性。由上述选用的传感器组合可形成适合不同客户个性化需求的全新系列高可靠助力或电动——助力双控电动车以及多能源/双动力电动车。
按本发明，其特征还在于按本发明的测控新策略，路况参数采用新的测试方法，对于路面状况(从平坦柏油路面至沙石或泥泞路面与骑行阻力由小至大对应)可由本发明采用的单片多轴加速度传感器测定的垂直加速度分量的低频域(≤10——50Hz)幅度的测试结果自动确定轮胎——地面间的滚动阻力系数。当不采用由多轴加速度传感器测定垂直加速度分量确定滚动阻力系数、也不采用风速传感器测定风阻时，可选择的另外替代简化方案是滚动阻力系数与风阻均可由骑行者根据实际路况(路面良好、一般、泥土、砂石、泥泞；风力无风、微风、小风、劲风、强风；风向顺风、逆风)进行手动调节；人工调节的部件可以是从最简单的直线滑移式电位器到复杂的可自锁、带LED线列显示与升降按钮、可自锁的数字电位器，也可是带自锁功能的线性霍尔电压调节器。调节部件的位置可安放在骑行者方便调节的位置，例如车把的手把套附近。调节部件的输出信号大小与路面状况好坏或迎风风向及风力大小相对应。
按本发明，其特征还在于核心传感器的安装与信号组合方式为两轴微型加速度传感器的X轴与Y轴的所在平面垂直于地平面且与助力车车体的前后轮中心面平行或共面，X轴与Y轴对重垂线(重力线)成±45°对称且方向向上，通过微调传感器部件的位置可使其在车体水平、静止时的输出信号大小相等，符号相反。三轴微型加速度传感器的X轴与Y轴的安装位置同两轴传感器，Z轴的位置为水平并垂直于助力车车体的前后轮中心面。加速度传感器部件可安装于车身的任意位置，可考虑优先安装于在车身的质心处，即在鞍座下方的立管处，也可安装在控制器内。安装加速度传感器部件的外壳上设置有安装角度的微调孔及与车体的锁紧装置。辅助的车速传感器可安装于前轮及前叉或后轮及后叉或平叉处均可，优先安装在前轮及前叉处。辅助的风速传感器可安装于车把正中的专用通风孔或管道中，也可与安装仪表显示板的外壳组合在一起，且要求风速传感器的前后方附近的设计布局应使其它部件不妨碍流过风速敏感元件处的空气流通。
按本发明，其特征还在于，需由主单片机对各传感器的输出信号进行组合运算处理，其具体方法是由加速度传感器的X轴与Y轴的输出信号经单片机或运算电路先求出其加速度的水平分量a(平行于路面)、路面坡度或倾角α及加速度的垂直分量z(垂直于路面)；计算的方法为矢量法。近而继续计算求出滚动阻力系数f(或由人工路况调节器送来的f给定信号代替)并进一步计算出骑行总阻力值
F＝mg(fCosα+a/g+Sinα)+Fw式中，m为负载总质量(车体与骑行人及所载物之质量总和)，g为重力加速度，Fw为迎风阻力。而后，再由加速度的水平分量a经积分计算出车速V(或直接由车速传感器送来的信号V代替)，再进一步计算出使人力与电力的驱动功率之比为1∶1时电辅助驱动系统驱动应提供的所需电流给定值I＝V[mg(fCosα+a/g+Sinα)+Fw]/(K+1)Uη式中，U为经电压传感器检测出的电池电压；η为预先测出的所选定电机——控制器组合的综合效率，为骑行总阻力F的函数；K为系数——为车速V的函数，K＝1/ζ。ζ为助力比，对标准助力模式，ζ＝1-(V-15)/9。
上式计算之结果送至控制器作为根据路况测定结果确定之所需电流给定值，再与电流传感器送来的信号Id相减后送至直流或三相交流PWM(脉宽调制器)驱动电路以PI或PID闭环控制、自适应控制、模糊控制或其他高效的控制模式控制电机，即可使直流有刷或无刷电机输出相应于人力蹬踏功率的电机驱动功率，使两者成1∶1或其它助力比例的线性函数关系。
至于豪华型助力/电动车使用的风速传感器测定的迎风相对风速信号W，则被用于计算风阻Fw通过单片机将W平方后再与风阻系数Kw相乘即可得出，此风阻可用于更精确地校正相应路况下所需的总驱动功率，将使其在顺风或强顶风的路况下的助力效果更优良。而为降低成本的手控替代方案则已如前述。对于简易款电动车，还可以简化方案，用输入相应于一般风力的固定数值风阻来近似，以期进一步降低整车制造总成本。
在使用蹬踏转速传感器的情况下，计算的方法与上述公式类似，但计算的结果为平均所需蹬踏力矩。可将与此计算结果相应的信号直接送入目前通用的1+1力矩助力控制器，即可得到与目前使用的蹬踏转矩传感器的助力车同样或更为优良的骑行效果。此方案的缺点是需另外使用一只蹬踏转速传感器，仅其制造成本略有增加。
各传感器的输出信号将依其信号特征(模拟或数字)送入单片机相应的接口；单片机的输出信号可以是模拟或数字信号，可直接或通过专用电机控制芯片控制电机，这类技术由于属公知技术，故不再详述。
按本发明，其特征还在于，与控制器组合有车——人系统总和质量在滑行时的惯性能量回馈/再生——反充电/电制动控制部分其反充电/电制动控制技术使用的是本发明者已获授权的基本专利技术“ZL00231334.0电动自行车/电动摩托车用回充电控制器”。按本发明，具有反充电电流(即电制动)的可控性与对无刷有刷电机均适用是使用该专利的最大优点，也是与目前世界专利中已公开的同类能量回馈/再生——反充电/电制动控制技术的主要区别。由于电流可控，其优点还在于没有损伤电池的可能。与无专用反充电部分的同类技术相比，其不足之处仅成本稍高。另外，实现可控性的方法及与现有反充电/电制动控制技术的不同在于反充电/电制动的控制应使用带有刹把位置检测传感器的新型刹车把。按本发明的新型刹车把，其内部安装有一对同极性相对、可随刹把同轴移(转)动的钕铁硼永久磁钢，两磁钢之间装设有一只固定位置的线性霍尔元件，该霍尔元件的输出信号大小由刹把位置而定，可代表骑行人刹车/减速或电制动的程度或意愿。该输出信号送至上述反充电/电制动控制部分，可以将滑行能量转换成适当大小的反充电——电制动电流，进而可按照骑行人的意愿控制电制动强度与制动减速度，相应改变滑行距离。
按本发明，其特征还在于电池剩余电量显示信号为通过单片机将电流传感器的输出信号对时间积分后再经计算获得。积分结果为已用电量，此结果与电池容量之差为剩余电量。这比目前流行的电压测量法要精确，与专用电池IC芯片法比成本要低。显示器还可测量车速与里程，车速信号的获取已如前述，里程信号则由车速信号经积分或计数获得。由于这些显示信号获取过程简洁，无需增加过多硬件电路，可使仪表显示板电路结构简化，成本降低。仪表显示板上还包括工作模式选择开关，可由薄膜开关选择助力、电动、定速、自检模式。在自检模式时，骑行人可按规定的方式依次操纵电动车的被检部件，由单片机检测并确定其好坏。按本发明，仪表显示板的测量、显示工作可在低价格的单片机控制下进行，该单片机可与主单片机间经串行通信口进行通信。由于这也属于公知技术，故不再赘述。
按本发明，其特征还在于多能源系指除蓄电池外，还可增加小型燃油/燃气发动机/发电机，也包括超级电容等。双动力指除电动机外还可增加小型燃油/燃气发动机。
图一为按本发明之一例的助力/电动双控型电动自行车的侧视图。图中，1为前轮，2为前叉，3为车速传感器，4为车架，5为带大灯及风速传感器的仪表显示板，6为车把，7为带电制动——反充电控制的刹车把，8为调速转把，9为带踏速传感器的中轴，10为链轮罩与大链轮，11为链条，12为内部PCB板角位置可微调、内置加速度传感器等的检测部件，13为鞍座，14为电池，15为货架，16为后轮，17为轮毂电机，18为车梯，19为飞轮，20为控制器。
图二为内部PCB板角位置可微调、内置加速度传感器与信号调理等电路的检测部件的内部结构示意图。图中，21为单片微机械MEMS两轴或三轴加速度传感器，22为微调套管式内螺母，23为固定螺母，24为铰链螺钉，25为销钉，26为连杆，27为外壳，28为PCB板，29为旋转中心轴，30为固定卡箍。
图三为控制器及检测部件部分的电原理框图的一例。图中，31为单片微机械MEMS两轴或三轴加速度传感器，其中Ax、Ay、Az分别为其X、Y、Z轴的经滤波放大处理后的输出信号；32为低通滤波器组，33为信号调理电路，34为用作电压传感器的直流分压器，U为电压采样信号；35为用作电流传感器的大电流“分流器”(金属电阻)，I为电流采样信号；36为调速转把传感器，Um为调速给定信号，37为刹车把电制动传感器，Ub为电制动(反充电)给定信号，38为车速传感器，V为车速信号；39为蹬踏转速传感器，Vm为踏速信号；40为刹车把制动开关，Ub0为制动断电信号；41为风速传感器，W为风速信号；42为高性能单片计算机，43低通滤波器，44为无刷电机控制芯片；45为直流永磁轮毂式无刷电动机；46为反充电/电制动控制部分；47为仪表显示板；48为工作模式选择按钮，49为开关锁；50为电池；51为熔断器；52为飞车保护装置，53为直流稳压器，54为锁相倍频器。
图四为带有刹把位置检测传感器的刹车把原理简图。图中，55为刹车把体，56为刹车手把，57为刹车开关，58为线性磁敏霍尔传感器，59为一对极性相对的磁钢。
图五为一例带风速传感器的仪表显示板的外观示意图。图中，60为小叶轮风速传感器，61为带风道的上壳，62为下壳，63为车把安装卡箍，64为带薄膜开关的面板，65为剩余电量显示，66为车速显示，67为里程显示，68为工作模式选择按键，69为工作模式指示灯。
图六为负载传感器的结构简图。图中，70为下架板，71为磁钢套管，72为电缆，73为传感器座，74为线性霍尔敏感元件，75为下壳，76为套管，77和84为一对极性相对的磁钢，78为上壳，79为铰链螺钉，80为螺钉，81为上架板，82为上壳座，83为销钉，85为鞍座，86为鞍座弹簧。
图七为人工调节的部件的外形简图。图中，87为路面状况设置按键，88为风力大小设置按键，89为路面状况设置指示灯，90为风力大小设置指示灯，91为风向设置按键，92为风向指示灯。
以下结合附图
对本发明的具体实施方式
作进一步的说明。
参照附图一，按本发明的助力/电动自行车/三轮车及多能源/双动力电动/助力车均包括人力驱动部分与电辅助驱动部分，人力驱动部分与普通自行车/三轮车及电动自行车/三轮车没有本质区别，特别是均包括脚蹬、链轮、链条、飞轮或还有机械变速器部分等实现人力驱动必需的基本部件；电力驱动部分与普通电动自行车/三轮车也没有重大区别，均具有蓄电池、电机、控制器、电刹把等实现电辅助驱动必需的基本部分。与1+1助力型电动车的重大区别主要在于以新型核心单片微型多轴加速度传感器完全取代了蹬踏转矩传感器。因而，实施本发明的重大优点是显而易见的不但克服了传统的蹬踏力矩传感器输出信号随时间大幅度变化带来的车速与加速度很不均匀、骑行人骑乘的舒适度与平稳性降低，以及控制器的电流大幅度变化导致电机驱动效率的劣化、能量转换效率的降低和电能消耗的增加的缺陷；也克服了由于蹬踏转矩传感器机械结构复杂，测控部分的技术含量高、制造工艺难度大、成本高的缺点。按本发明的新技术方案，由于主要部件的电子化程度远高于使用蹬踏转矩传感器的助力型，因而易于大批量生产、易于装配调整、成本也低，且随生产批量增大，仍有较大的进一步降价空间。此外，按本发明的电动助力车功能完善、性能优良、助力骑行平滑，有高的性价比，也易于组合形成全系列新型电动车，可适应不同消费者的个性化需求。
权利要求
1.一种小型电动/助力车、特别是电动/助力自行车/三轮车，以及多能源/双动力电动自行车/助力车与控制器及其传感器，包括有人力驱动部分与电辅助驱动部分，人力驱动部分包括脚蹬、链轮、链条、飞轮或还有机械变速器部分等实现人力驱动必需的基本部件；电力驱动部分具有蓄电池、电机、控制器、电刹把等实现电辅助驱动必需的基本部件，也包括仪表显示板；其特征在于以单片微型多轴加速度传感器为核心传感器，并以电压、电流、车速或还有踏速传感器以及风速传感器为辅助传感器，取代现有1+1助力型电动车的蹬踏转矩传感器；实现1+1助力基于RM——路况测定技术的新方法以多轴加速度传感器由高性能、低价格单片机按矢量法计算出水平与垂直加、减速度与坡度/倾角，继而计算出路况与车况参数，包括骑行时的滚动、爬坡与迎风阻力、加速阻力并进行综合处理，再由单片机继续计算出骑行所需的总功率并确定实现1+1助力所需的供电电流，后经控制器提供与人力驱动功率成比例的电机驱动功率；与控制器组合有反充电电流(即电制动)可控的车——人系统总和质量在滑行时的惯性能量回馈/再生——反充电/电制动控制部分；骑行人由选择开关选择工作模式，也可选择其他助力比以适应不同客户群的个性化需求；依据横向倾角的变化发出已驻车车体被移动或被被盗、被风吹倾翻或被碰倒等的报警信号；高档电动/助力车使用的辅助传感器增加有负载(载重)传感器，还可增加轮胎气压传感器，以确定更适宜的助力比。豪华电动/助力车可加装GPS全球定位——报警系统，以提高整车的防盗与安全性。
2.根据权利要求1，其特征在于核心传感器是基于先进的微机械MEMS技术、采用集成电路工艺制造，可检测加速度、也可检测倾角，具有双轴或三轴的低g值、超低噪声的新型单片微加速度传感器，传感器优选基于电容或热气团等工作原理的类型；使用的核心两轴加速度传感器的安装/信号组合方式为X轴与Y轴的所在平面垂直于地平面且与助力车车体的前后轮中心面平行或共面，X轴与Y轴对重垂线(重力线)成±45°对称且方向向上，通过微调传感器部件的位置可使其在车体水平、静止时的输出信号大小相等，符号相反；当使用三轴微型加速度传感器时，X轴与Y轴的安装位置同两轴传感器，Z轴的位置为水平并垂直于助力车车体的前后轮中心面；加速度传感器部件可安装于车身的任意位置，可考虑优先安装于在车身的质心处，即在鞍座下方的立管处，也可安装在控制器内；安装加速度传感器部件的外壳上设置有加速度传感器安装角度的微调孔及与车体的锁紧装置，其内部安装有加速度传感器与信号调理电路等检测部件的PCB板的角位置可由微调零件调整后锁定；辅助传感器中电压、电流传感器为直流电阻分压式与金属电阻取样式；辅助的车速传感器为磁钢——霍尔式非接触脉冲传感器，车速传感器可安装于前轮及前叉或后轮及后叉或平叉处均可，优先安装在前轮及前叉处；辅助的风速传感器可以是小型叶轮、风压板、热敏电阻、热球、热线、热线——热电偶、小型IC动压力及流速传感器等之一；风速传感器优先安装于车把正中的专用通风孔或管道中，也可与安装仪表显示板的外壳组合在一起，风速传感器的前后方附近的设计布局为使其它部件不妨碍流过风速敏感元件处的空气流通；替代使用车速传感器的另一方案为车速信号直接由直流有刷电机电枢电压的脉动成分或直流无刷电机的换向信号电压中提取；负载传感器优先安装于鞍座中，也可安装于前或后避震叉内；安装于鞍座中的负载传感器固定在上、下架板之间，上、下架板固定在鞍座后部的一对鞍座弹簧上；负载传感器由上壳座、上壳、铰链螺钉、磁钢套管、一对极性相对的磁钢、在磁钢之间的线性霍尔敏感元件、传感器座、磁钢间的间隔套管，下壳，下架板及电缆等组成；上壳座与上壳或下壳与下架板间之一的连接为铰链连接。
3.根据权利要求1，其特征在于主单片机由所测得的各项参数按诊断程序中依据判据判定车况由纵向倾角的有无及符号判断平地、爬坡或下坡；由加速度的有无及符号判断匀速、加速或减速；由工作模式选择开关的位置/状态判定骑行人已选定的工作模式助力、电动、定速(巡航——自动驾驶)或自检(故障诊断)；由车速、踏速、电压、电流及刹车等各信号的有无、变化与大小判断启动、调速、定速、滑行、反充/电制动或刹车制动等工作状态；以及运行正常、发生故障(例如断电或飞车失控)及欠压、过流或超速等车况；依据车况与路况，单片机按程序流程进行运算、提供控制、显示、语音提示或报警等输出信号；路况参数采用新的测试方法，对于路面状况(从平坦柏油路面至沙石或泥泞路面与骑行阻力由小至大对应)采用由单片多轴加速度传感器测定的垂直加速度分量的低频域(≤10--50Hz)幅度的测试结果确定轮胎——地面间的滚动阻力系数；其特征在于单片机对各传感器的输出信号进行组合运算处理，其具体方法是骑行总阻力值F＝mg(fCosα+a/g+Sinα)+Fw式中，m为负载总质量(车体与骑行人及载物之质量总和)，g为重力加速度，α为倾角，a为加速度，Fw为迎风阻力。而后，直接由车速传感器送来的信号V测定车速，也可由加速度的水平分量a经积分计算出车速V；电辅助驱动系统驱动应提供的所需电流给定值I＝V[mg(fCosα+a/g+Sinα)+Fw]/(K+1)Uη式中，U为经电压传感器检测出的电池电压；η为预先测出的所选定电机——控制器组合的综合效率，是骑行总阻力F的函数；K为系数——为车速V的函数，K＝1/ζ；ζ为助力比，对标准助力模式，ζ＝1-(V-15)/9；计算结果送至控制器作为根据路况测定结果确定之所需电流给定值，再与电流传感器送来的信号Id相减后送至直流或三相交流PWM(脉宽调制器)驱动电路以PI或PID闭环控制、自适应控制、模糊控制或其他高效的控制模式控制电机；风速传感器测定的迎风相对风速信号W，用于计算迎风阻力(风阻)Fw；计算方法是通过单片机将W平方后再与风阻系数Kw相乘；对于简易款电动车，还可不用风速传感器，而用输入相应于一般风力的固定数值风阻来近似。
4.根据权利要求1，其特征在于对本发明的简化的方案，滚动阻力系数与风阻可依据路面状况与风力进行人工手动调节设定；人工调节的部件可以是从最简单的直线滑移式电位器到复杂的可自锁、带LED线列显示与升降按钮、可保持的数字电位器，也可是带自锁功能的线性霍尔电压调节器。调节部件的位置可安放在骑行者方便调节的位置，例如车把的手把套附近；人工调节的部件包括路面状况与风力大小设置按键，路面状况与风力大小设置指示灯。
5.根据权利要求1，其特征在于在使用蹬踏转速传感器的情况下，计算的方法与上述公式类似，但计算的结果为平均所需蹬踏力矩；可将与此计算结果相应的信号直接送入目前通用的1+1力矩助力控制器。
6.根据权利要求1，其特征在于实现反充电电流(即电制动)可控性的方法在于反充电/电制动的控制应使用带有刹把位置检测传感器的新型刹车把；新型刹车把内部安装有一对同极性相对、可随刹把同轴移(转)动的钕铁硼永久磁钢，两磁钢之间装设有一只固定位置的线性霍尔元件，该霍尔元件的输出信号大小由刹把位置而定。
7.根据权利要求1，其特征在于电池剩余电量显示信号为通过单片机将电流传感器的输出信号对时间积分后再经计算获得。积分结果为已用电量，此结果与电池容量之差为剩余电量。
8.根据权利要求1，其特征在于仪表显示板上还包括薄膜开关式的工作模式选择开关，可选择助力、电动、定速、自检模式；仪表显示板的测量、显示另由低价格的单片机进行控制，该单片机与主单片机间经串行通信口进行通信。
9.根据权利要求1，其特征在于多能源系指除蓄电池外可增加小型燃油/燃气发动机/发电机，也包括超级电容等；双动力指出电动机外可增加小型燃油/燃气发动机。
全文摘要
一种对现有小型电动车(包括各种电动/助力自行车/三轮车，以及多能源/双动力电动/助力车等)的测控模式进行了全面改进的新型、高性能、多模式、节能电动车及其控制器与传感器，其特点是使用新型传感器代替传统的人力蹬踏转矩传感器，并实行与车速、蹬踏转速等多传感器融合，组合有滑行惯性能量回馈/再生－反充电/电制动控制部分，实现对电动车的全面控制。新系列电动车与控制器根据路况参数智能确定控制策略，实现电动车的高性能、多功能、低功耗、低成本化，也易于大批量生产，满足高油价时代公众对电动车产品的巨大新需求。新技术可使电动车根据不同用户的个性化需求增减功能或组合，构成多种款式与功能的新系列电动/助力车。
文档编号G05B15/02GK1765692SQ20051001587
公开日2006年5月3日 申请日期2005年11月3日 优先权日2005年11月3日
发明者李平 申请人:李平, 李丽华