一种集成式智能助力电踏车系统及智能电踏车的制作方法

1.本实用新型涉及助力电踏车领域，尤其涉及一种集成式智能助力电踏车系统及智能电踏车。


背景技术：

2.助力电踏车，以电池作为原始动力来源，经由bms电池管理模块，借助助力传感器单元的采集信号，利用驱动控制器单元驱动控制电机及减速器动力单元，最终实现人力骑行和电机助力一体化功能的新型交通工具。当人力骑行助力电踏车时，通过传感器单元检测脚踏力量的大小和骑行速度的快慢，并把检测信号传输给驱动控制器，由驱动控制器控制电机输出一定比例的扭矩动力，从而实现人力和电驱动力的共同驱动，达到骑行助力的效果。
3.当前市面上有各种类型的助力电踏车，设计方案主要为电池、电机及减速器动力单元、力矩传感器、驱动控制器分离式设计。其中，力矩传感器主要分为中轴力矩传感器、牙盘式力矩传感器以及内置于电机的力矩传感器。三种力矩传感器对应的安装方式和检测原理如下：1)将中轴力矩传感器安装在车辆中轴五通管内，中轴与中轴牙盘之间弹性构件发生形变时输出传感器信号；2)将力矩传感器安装在牙盘上，利用踩踏曲柄产生的微小弹性形变引起的角度变化输出传感器信号；3)将力矩传感器内置于电机外壳内部，通过感应电机盖板和减速器之间连接扭杆的形变输出传感器信号。并且，通常情况下，驱动控制器置于车架中部，电池放于车架上方或横梁上，电机一般置于前轮或后轮。上述各分离式设计方案一般连线复杂，安装困难，影响使用寿命与系统可靠性；同时各部件占据大量空间，降低整车轻便化程度；离散分布不利于车辆改装和故障部件模块化更换，增加整体生产与维护成本。
4.因此，需要提供一种整体结构集中简单并且可靠性与安全性较高并且智能化实现不同级别的助力扭矩的平滑输出的集成式智能助力电踏车系统来解决上述技术问题。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种集成式智能助力电踏车系统。解决了现有技术中助力电踏车中器件采用分离式设计，造成连线复杂、安装困难和影响使用寿命与系统可靠性的技术问题。
6.本实用新型的技术效果通过如下实现的：
7.一种集成式智能助力电踏车系统，包括信号采集装置、驱动控制器和电池管理模块，所述信号采集装置、所述电池管理模块均和所述驱动控制器电连接，所述驱动控制器用于驱动电踏车的电机运行，所述信号采集装置用于采集骑行者的脚踏力矩信息、电机的转速与加速度信息和车身俯仰角信息发送至所述驱动控制器，所述驱动控制器根据所述脚踏力矩信息、所述电机的转速与加速度信息和所述车身俯仰角信息调节电机的转动力矩的输出以与骑行者的脚踏力矩叠加为电踏车的车轮前进提供动力，所述电池管理模块用于和电
踏车的电池组电连接以对所述驱动控制器提供电能。通过设置信号采集装置，能够实时采集脚踏力矩、电机的速度变化信号以及上下坡等特殊工况下的车身俯仰角等多种传感器信号，从而将这些信号传递给驱动控制器，使得驱动控制器可以借助智能化的控制算法实现多种传感器信号下对应的差别化的力矩输出，从而满足骑行者不同的骑行需求，实现不同助力级别的智能调节。
8.进一步地，所述电踏车包括脚踏力矩传递组件，所述脚踏力矩传递组件包括脚踏、链轮、链条、飞轮和轮辐式外壳，所述脚踏通过曲柄和车身中轴固定连接，所述链轮固定套设于车身中轴上，所述链轮通过链条和位于车身后轮的所述飞轮传动连接，所述飞轮通过驱动轴套固定连接于所述轮辐式外壳上，所述轮辐式外壳通过辐条和车轮轮毂固定连接。
9.进一步地，所述信号采集装置包括静止霍尔传感器、活动弹杆和位于活动弹杆的凹槽中的永磁体，所述静止霍尔传感器包括多个霍尔元件，多个霍尔元件呈圆周形均匀设置在所述驱动轴套的外侧，所述活动弹杆和所述驱动轴套外壁固定连接，所述信号采集装置设置为当骑行者的脚踏力矩经由所述链条传递至所述飞轮，并带动所述驱动轴套同步转动，以使所述活动弹杆向圆周外部弹起，位于所述活动弹杆的凹槽中的所述永磁体与所述霍尔元件之间的空间距离发生变化时，采集到与空间距离对应的脚踏力矩信息。通过设置信号采集装置，使得当骑行者的脚踏力矩经由链条传至飞轮，并带动驱动轴套同步转动时，活动弹杆向圆周外部弹起，活动弹杆的凹槽中的永磁体与静止霍尔传感器之间的空间距离发生变化，从而使得采集到的力矩信号大小跟随空间距离变化而变化，完成骑行者的脚踏力矩信号的采集过程。
10.进一步地，所述信号采集装置还设置为通过设于电机内部的转子位置传感器得到电机的转速与加速度信息。
11.进一步地，所述信号采集装置还包括imu角度测量模块，所述imu角度测量模块用于检测车身的俯仰角。
12.进一步地，所述电机包括转动力矩传递组件，所述转动力矩传递组件包括定子、支撑中轴和转子，所述定子通过键槽结构固定连接于所述支撑中轴上，所述转子通过花键和减速器连接，所述减速器通过花键和所述轮辐式外壳连接。
13.进一步地，所述驱动控制器和所述电池管理模块通信连接，所述电池管理模块用于发送电池组的当前状态至所述驱动控制器，所述驱动控制器用于根据所述电池组的当前状态控制所述电池管理模块完成对电池组的管理。电池组的当前状态包括电池组的故障报警信号、电量以及充电状态等关键信息。通过电池管理模块发送电池组的故障报警信号、电量以及充电状态等关键信息至驱动控制器，使得驱动控制器可以根据所述关键信息控制电池管理模块发出对应的处理信号至电池组完成对电池组的管理。
14.进一步地，所述电池组、所述电池管理模块、包括所述电机和所述减速器的电机及减速器动力单元、所述信号采集装置和所述驱动控制器一体化集成在所述轮辐式外壳内。通过将电池组、电池管理模块、包括电机和减速器的电机及减速器动力单元、信号采集装置和驱动控制器一体化集成在轮辐式外壳内，无暴露于轮辐式外壳外部的复杂的电气接线，相比于离散式系统，本技术的集成式智能助力电踏车系统的整体结构集中简单，可靠性与安全性更高；并且，本技术的集成式智能助力电踏车系统采用一体化的设计方案的同时，轮辐式外壳的尺寸标准按照常规自行车尺寸进行设计，可以作为标准件进行快速拆装替换，
并且只与车体通过机械连接，在安全性能方面不存在电气故障隐患，独立性与灵活性较高。
15.另外，还提供一种智能电踏车，包括电池组、电机及减速器动力单元、和上述的集成式智能助力电踏车系统。
16.如上所述，本实用新型具有如下有益效果：
17.1)通过将电池组、电池管理模块、包括电机和减速器的电机及减速器动力单元、信号采集装置和驱动控制器一体化集成在轮辐式外壳内，无暴露于轮辐式外壳外部的复杂的电气接线，相比于离散式系统，本技术的集成式智能助力电踏车系统的整体结构集中简单，可靠性与安全性更高。
18.2)本技术的集成式智能助力电踏车系统采用一体化的设计方案的同时，轮辐式外壳的尺寸标准按照常规自行车尺寸进行设计，可以作为标准件进行快速拆装替换，并且只与车体通过机械连接，在安全性能方面不存在电气故障隐患，独立性与灵活性较高。
19.3)通过设置信号采集装置，能够实时采集脚踏力矩、电机的速度变化信号以及上下坡等特殊工况下的车身俯仰角等多种传感器信号，从而将这些信号传递给驱动控制器，使得驱动控制器可以借助智能化的控制算法实现多种传感器信号下对应的差别化的力矩输出，从而满足骑行者不同的骑行需求，实现不同助力级别的智能调节。
20.4)通过采用静止霍尔传感器、活动弹杆和位于活动弹杆的凹槽中的永磁体构成信号采集装置，使得当骑行者的脚踏力矩经由链条传至飞轮，并带动驱动轴套同步转动时，活动弹杆向圆周外部弹起，活动弹杆的凹槽中的永磁体与静止霍尔传感器之间的空间距离发生变化，从而使得采集到的力矩信号大小跟随空间距离变化而变化，完成骑行者的脚踏力矩信号的采集过程。
21.5)通过电池管理模块发送电池组的故障报警信号、电量以及充电状态等关键信息至驱动控制器，使得驱动控制器可以根据所述关键信息控制电池管理模块发出对应的处理信号至电池组完成对电池组的管理。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能够根据这些附图获得其它附图。
23.图1为本说明书实施例提供的集成式智能助力电踏车系统与电池组、电机及减速器动力单元的结构示意图；
24.图2为本说明书实施例提供的集成式智能助力电踏车系统与车体的配合结构爆炸图。
25.其中，图中附图标记对应为：
26.信号采集装置1、静止霍尔传感器11、活动弹杆12、永磁体13、imu 角度测量模块14、驱动控制器2、电池管理模块3、电机4、电池组5、飞轮6、轮辐式外壳7、支撑中轴8、减速器9。
具体实施方式
27.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
29.实施例1：
30.如图1所示，本说明书实施例提供了一种集成式智能助力电踏车系统，包括信号采集装置1、驱动控制器2和电池管理模块3，信号采集装置1、电池管理模块3均和驱动控制器2电连接，驱动控制器2用于驱动电踏车的电机4运行，信号采集装置1用于采集骑行者的脚踏力矩信息、电机4 的转速与加速度信息和车身俯仰角信息发送至驱动控制器2，驱动控制器2 根据脚踏力矩信息、电机4的转速与加速度信息和车身俯仰角信息调节电机4的转动力矩的输出以与骑行者的脚踏力矩叠加为电踏车的车轮前进提供动力，电池管理模块3用于和电踏车的电池组5电连接以对驱动控制器2 提供电能。
31.优选地，电池组5、电池管理模块3、包括电机4和减速器9的电机及减速器动力单元、信号采集装置1和驱动控制器2一体化集成在轮辐式外壳7内。
32.需要说明的使，通过将电池组5、电池管理模块3、包括电机4和减速器9的电机及减速器动力单元、信号采集装置1和驱动控制器2一体化集成在轮辐式外壳7内，无暴露于轮辐式外壳外部的复杂的电气接线，相比于离散式系统，本技术的集成式智能助力电踏车系统的整体结构集中简单，可靠性与安全性更高。
33.本技术的集成式智能助力电踏车系统采用一体化的设计方案的同时，轮辐式外壳1的尺寸标准按照常规自行车尺寸进行设计，可以作为标准件进行快速拆装替换，并且只与车体通过机械连接，在安全性能方面不存在电气故障隐患，独立性与灵活性较高。
34.优选地，电踏车包括脚踏力矩传递组件，脚踏力矩传递组件包括脚踏、链轮、链条、飞轮6和轮辐式外壳7，脚踏通过曲柄和车身中轴固定连接，链轮固定套设于车身中轴上，链轮通过链条和位于车身后轮的飞轮6传动连接，飞轮6通过驱动轴套固定连接于轮辐式外壳7上，轮辐式外壳7通过辐条和车轮轮毂固定连接。其中，车身中轴为装在电踏车的车架五通内的用于连接左右曲柄的转动部件。
35.具体地，如图1所示，驱动电踏车的车轮前进的能量来源分为两个部分，第一部分为骑行者的脚踏力矩，第二部分为集成式智能助力电踏车系统中电机的转矩输出。
36.如图2所示，脚踏力矩传递组件具有如下连接关系：脚踏固定连接于电踏车车身两侧的曲柄，曲柄固定连接于车身中轴，车身中轴上设计有和其同步转动的链轮，链轮通过链条与位于车身后轮的飞轮6组成链式传动系统，飞轮2通过驱动轴套连接于轮辐式外壳7，轮辐式外壳7通过辐条与车轮轮毂固定，车轮轮毂与套装其上的橡胶外胎一起构成车胎。
37.骑行者的脚踏力矩对应的能量流的传输过程如下：
38.1)骑行者通过脚踏产生初始力矩，通过曲柄传递于车身的车身中轴，带动车身中
轴按照初始力矩产生的圆周转动方向转动；
39.2)车身中轴带动链轮同步转动，经由链条将力矩传递给飞轮6；
40.3)飞轮6通过驱动轴套将力矩传递给轮辐式外壳7；
41.4)轮辐式外壳7通过辐条将力矩传递给车轮轮毂，以实现车轮整体转动，实现车辆前行效果。
42.通过设置信号采集装置1，能够实时采集脚踏力矩、电机的速度变化信号以及上下坡等特殊工况下的车身俯仰角等多种传感器信号，从而将这些信号传递给驱动控制器2，使得驱动控制器2可以借助智能化的控制算法实现多种传感器信号下对应的差别化的力矩输出，从而满足骑行者不同的骑行需求，实现不同助力级别的智能调节。
43.优选地，信号采集装置1包括静止霍尔传感器11、活动弹杆12和位于活动弹杆12的凹槽中的永磁体13，静止霍尔传感器11包括多个霍尔元件，多个霍尔元件呈圆周形均匀设置在驱动轴套的外侧，活动弹杆12和驱动轴套外壁固定连接，信号采集装置1设置为当骑行者的脚踏力矩经由链条传递至飞轮6，并带动驱动轴套同步转动，以使活动弹杆12向圆周外部弹起，位于活动弹杆12的凹槽中的永磁体13与霍尔元件之间的空间距离发生变化时，采集到与空间距离对应的脚踏力矩信息。
44.具体地，集成式智能助力电踏车系统的控制关系即控制流，主要以驱动控制器2为核心，并由3条分支构成，分别为信号采集装置1单向流入驱动控制器2的信号采集支路、驱动控制器2、电池管理模块3以及电池组 5之间双向通信支路、驱动控制器2与电机4之间的双向通信支路。
45.如图2所示，信号采集装置1单向流入驱动控制器2的信号采集支路对应的脚踏力矩信息的采集过程如下：
46.当骑行者的脚踏力矩经由链条传至飞轮6，并带动驱动轴套转动，使信号采集装置1上的活动弹杆12向圆周外部弹起，使得活动弹杆12的凹槽中的永磁体13与静止霍尔传感器11之间的空间距离发生变化，使得静止霍尔传感器11采集到的力矩信号大小跟随空间距离变化而变化。
47.优选地，信号采集装置1还设置为通过设于电机4内部的转子位置传感器得到电机4的转速与加速度信息。
48.优选地，信号采集装置1还包括imu角度测量模块14，imu角度测量模块14用于检测车身的俯仰角。
49.静止霍尔传感器11将采集到的力矩信号发送至驱动控制器2，驱动控制器2根据力矩信号的大小智能调节不同的助力级别，力矩信号越强，代表骑行者骑行越吃力，调节的助力级别越强；借助设于电机4内部的转子位置传感器来得到电机的转速与加速度信号，辅助调节助力级别；imu角度测量模块14通过检测车身俯仰角，智能调节上下坡等特殊工况下的助力级别，如上坡状态下增大该助力级别。由上述可得到电机最终输出助力力矩，助力力矩t
motor
表达式如下:
50.t
motor
＝k
t
*te+kv*te+k
imu
*te51.其中，k
t
、kv和k
imu
分别为力矩信号、速度与加速度信号和车身俯仰角信号的助力级别，te为电机的电磁转矩输出，信号采集装置1将采集到对应的脚踏力矩信息、电机4的转速与加速度信息和车身俯仰角信息单向输入到驱动控制器2。
52.优选地，电机4包括转动力矩传递组件，转动力矩传递组件包括定子、转子和支撑中轴8，定子通过键槽结构固定连接于支撑中轴8上，转子通过花键和减速器9连接，减速器9通过花键和轮辐式外壳7连接。
53.需要说明的是，集成式智能助力电踏车系统的初始能量来源为电池组 5，利用电池组5的能量驱动电机4输出转动力矩，助力电踏车前行。
54.具体地，如图2所示，转动力矩传递组件具有如下连接关系：电机4 的定子通过键槽结构连接于支撑中轴8，电机4的定子、支撑中轴8同属于静止部分；电机4的转子与减速器9通过花键连接，减速器9通过花键和轮辐式外壳7连接，轮辐式外壳7通过辐条与车轮轮毂固定，电机4的转子、减速器9、轮辐式外壳7和车轮轮毂同属于旋转部分。
55.电机4输出转动力矩对应的能量流的传输过程如下：
56.1)电池组5通过电池管理模块3给驱动控制器2提供电能；
57.2)驱动控制器2为电机4的定子上的定子绕组提供驱动电压，进而生成旋转电枢磁场，并与电机4的转子上永磁体产生的永磁磁场耦合作用，生成电机4的转子的转动力矩；
58.3)减速器9与电机4的转子同步转动，进行力矩传递；
59.4)减速器9通过花键带动轮辐式外壳7同步转动；
60.5)轮辐式外壳7通过辐条将力矩传递给车轮轮毂，实现车轮整体转动，实现车辆前行效果。
61.优选地，驱动控制器2和电池管理模块3通信连接，电池管理模块3 用于发送电池组5的当前状态至驱动控制器2，驱动控制器2用于根据电池组5的当前状态控制电池管理模块3完成对电池组5的管理。
62.其中，电池组5和电池管理模块3通信连接，电池管理模块3用于实现对电池组5的充放电管理、电池状态估算和电池参数检测。
63.具体地，驱动控制器2、电池管理模块3以及电池组5之间双向通信支路对应的控制关系如下：
64.集成式智能助力电踏车系统的能量初始来源为电池组5，电池组5与电池管理模块3通过串口进行实时双向通信。
65.电池管理模块3用于实现对电池组5的充放电管理、电池参数检测、电池状态估算、故障诊断与告警、电池系统保护、电池均衡、实时数据记录、电池包防伪认证等功能，保障电池安全的同时，延长电池使用寿命。
66.驱动控制器2与电池管理模块3之间通信内容包括两部分：其一是电池管理模块3向驱动控制器2发送电池组5的故障报警信号、电量以及充电状态等反应当前电池状态的关键信息；其二是驱动控制器8根据关键信息控制电池管理模块3输出相关动作的处理信号至电池组5以完成对电池组5的管理。
67.优选地，驱动控制器2和电机4通信连接，驱动控制器2接收电机4 实时发送的运行参数信息以实现对电机4的保护功能。
68.具体地，驱动控制器2与电机4之间双向通信支路对应的控制关系如下：
69.驱动控制器2控制电机4的各种运行工况，包括启动运行、待机、停机、以及运行模式下不同助力级别智能调节。
70.驱动控制器2的控制模块用于结合接收到的信号采集装置1采集的力矩信号、速度
与加速度信号以及车身俯仰角信号，确定合适助力比，智能调节助力级别。
71.驱动控制器2的驱动模块用于驱动电机4的电枢磁场和永磁磁场耦合作用，产生最终需要的助力力矩。
72.同时，电机4需要实时把运行参数信息以及故障报警信息传送回驱动控制器2，以使驱动控制器2做出相应保护动作。保护动作实现对应的保护功能包括电机母线欠过压、母线硬件与软件过流、相电流过流、电机缺相以及过温保护等。
73.实施例2：
74.本说明是实施例提供了一种智能电踏车，包括电池组5、电机及减速器动力单元、和实施例1中的集成式智能助力电踏车系统。通过在智能电踏车中设置本技术中的集成式智能助力电踏车系统，电机4最终的助力力矩输出与骑行者的脚踏力矩叠加共同构成车轮前进动力，使得骑行者有效节省体力，骑行距离得以延伸，并享受更好骑行体验。
75.虽然本实用新型已经通过优选实施例进行了描述，然而本实用新型并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本实用新型范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
76.在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
77.在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征能够相互结合。
78.以上所揭露的仅为本实用新型一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。