CN112758238A - 用于控制电动自行车的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种车辆包括行走轮和曲柄，该曲柄被配置为接收操作员扭矩并向行走轮提供曲柄动力。扭矩传感器操作性地联接到曲柄并且被配置为检测曲柄处的操作员扭矩。踏频传感器操作性地联接到曲柄并且被配置为检测曲柄的旋转速度。马达驱动地联接到行走轮并且被配置为向行走轮选择性地提供马达功率。控制器被配置为基于行走轮的目标轮速度来控制马达功率。控制器进一步被配置为：响应于旋转速度低于预先限定的阈值，基于操作员扭矩来建立目标轮速度；以及响应于旋转速度处于或高于预先限定的阈值，基于旋转速度来建立目标轮速度。

Description

用于控制电动自行车的系统和方法

技术领域

引言

本公开总体上涉及的领域包括具有基于踏板力的推进系统的电动自行车。

背景技术

电动自行车越来越受欢迎。这种自行车通常包括与电动马达集成的常规自行车部件，该电动马达可用于推进，包括辅助或补充由骑手供应的踏板动力。

发明内容

根据本公开的车辆包括行走轮和驱动地联接到行走轮的曲柄。曲柄被配置为接收操作员扭矩并向行走轮提供曲柄动力。车辆附加地包括扭矩传感器，该扭矩传感器操作性地联接到曲柄并且被配置为检测曲柄处的操作员扭矩。车辆还包括踏频（cadence）传感器，该踏频传感器操作性地联接到曲柄并且被配置为检测曲柄的旋转速度。车辆进一步包括马达，该马达驱动地联接到行走轮并且被配置为向行走轮选择性地提供马达功率。车辆更进一步包括控制器，该控制器与扭矩传感器、踏频传感器和马达通信。控制器被配置为基于行走轮的目标轮速度来控制马达功率。控制器进一步被配置为：响应于旋转速度低于预先限定的阈值，基于操作员扭矩来建立目标轮速度；以及响应于旋转速度处于或高于预先限定的阈值，基于旋转速度来建立目标轮速度。

在示例性实施例中，车辆还包括操作性地联接到曲柄的发电机。发电机被配置为响应于曲柄处的操作员扭矩来选择性地发电。控制器进一步被配置为响应于旋转速度处于或高于预先限定的阈值来控制发电机发电。在这种实施例中，发电机可与曲柄同心地布置。

在示例性实施例中，曲柄经由单速变速器驱动地联接到行走轮。

在示例性实施例中，马达与行走轮的轮毂同心地布置。

在示例性实施例中，预先限定的阈值是40 RPM。在替代性的示例性实施例中，预先限定的阈值是用户限定的阈值。

根据本公开的实施例的控制车辆的方法包括向车辆提供以下各者：行走轮；曲柄，其驱动地联接到行走轮并且被配置为接收操作员扭矩并向行走轮提供曲柄动力；扭矩传感器，其被配置为检测曲柄处的操作员扭矩；踏频传感器，其被配置为检测曲柄的旋转速度；马达，其驱动地联接到行走轮并且被配置为向行走轮选择性地提供马达功率；以及控制器，其与扭矩传感器、踏频传感器和马达通信。该方法还包括：响应于来自踏频传感器的指示旋转速度低于预先限定的阈值的信号，经由控制器基于操作员扭矩来建立行走轮的目标轮速度。该方法附加地包括：响应于来自踏频传感器的指示旋转速度处于或高于预先限定的阈值的信号，经由控制器基于旋转速度来建立目标轮速度。该方法进一步包括：经由控制器基于目标轮速度来自动地控制马达的功率。

在示例性实施例中，该方法还包括提供发电机，该发电机被配置为响应于曲柄处的操作员扭矩来选择性地发电。这种实施例还包括：响应于旋转速度处于或高于预先限定的阈值，经由控制器来自动地控制发电机发电。在这种实施例中，提供发电机可包括将发电机与曲柄同心地布置。

在示例性实施例中，提供驱动地联接到行走轮的曲柄包括经由单速变速器将曲柄驱动地联接到行走轮。

在示例性实施例中，提供马达包括将马达与行走轮的轮毂同心地布置。

在示例性实施例中，预先限定的阈值是40 RPM。在替代性实施例中，预先限定的阈值是用户可限定的值。这种实施例还可包括：从用户接收指示期望的阈值的输入；以及响应于该输入，经由控制器来限定预先限定的阈值。

根据本公开的实施例提供了许多优点。例如，本公开提供一种用于在辅助模式下控制电动自行车同时在一定速度范围内提供自然踏板感觉的系统。

方案1. 一种车辆，所述车辆包括：

行走轮；

曲柄，所述曲柄驱动地联接到所述行走轮并且被配置为接收操作员扭矩并向所述行走轮提供曲柄动力；

扭矩传感器，所述扭矩传感器操作性地联接到所述曲柄并且被配置为检测所述曲柄处的操作员扭矩；

踏频传感器，所述踏频传感器操作性地联接到所述曲柄并且被配置为检测所述曲柄的旋转速度；

马达，所述马达驱动地联接到所述行走轮并且被配置为向所述行走轮选择性地提供马达功率；以及

控制器，所述控制器与所述扭矩传感器、所述踏频传感器和所述马达通信，所述控制器被配置为基于所述行走轮的目标轮速度来控制所述马达功率，其中，所述控制器进一步被配置为：响应于所述旋转速度低于预先限定的阈值，基于所述操作员扭矩来建立所述目标轮速度；以及响应于所述旋转速度处于或高于所述预先限定的阈值，基于所述旋转速度来建立所述目标轮速度。

方案2. 根据方案1所述的车辆，所述车辆进一步包括发电机，所述发电机操作性地联接到所述曲柄并且被配置为响应于所述曲柄处的操作员扭矩来选择性地发电，其中，所述控制器进一步被配置为响应于所述旋转速度处于或高于所述预先限定的阈值来控制所述发电机发电。

方案3. 根据方案2所述的车辆，其中，所述发电机与所述曲柄同心地布置。

方案4. 根据方案1所述的车辆，其中，所述曲柄经由单速变速器驱动地联接到所述行走轮。

方案5. 根据方案1所述的车辆，其中，所述马达与所述行走轮的轮毂同心地布置。

方案6. 根据方案1所述的车辆，其中，所述预先限定的阈值是40 RPM。

方案7. 根据方案1所述的车辆，其中，所述预先限定的阈值是用户能够限定的值。

方案8. 一种控制车辆的方法，所述方法包括：

向所述车辆提供以下各者：行走轮；曲柄，所述曲柄驱动地联接到所述行走轮并且被配置为接收操作员扭矩并向所述行走轮提供曲柄动力；扭矩传感器，所述扭矩传感器被配置为检测所述曲柄处的操作员扭矩；踏频传感器，所述踏频传感器被配置为检测所述曲柄的旋转速度；马达，所述马达驱动地联接到所述行走轮并且被配置为向所述行走轮选择性地提供马达功率；以及控制器，所述控制器与所述扭矩传感器、所述踏频传感器和所述马达通信；

响应于来自所述踏频传感器的指示所述旋转速度低于预先限定的阈值的信号，经由所述控制器基于所述操作员扭矩来建立所述行走轮的目标轮速度；

响应于来自所述踏频传感器的指示所述旋转速度处于或高于所述预先限定的阈值的信号，经由所述控制器基于所述旋转速度来建立所述目标轮速度；以及

经由所述控制器基于所述目标轮速度来自动地控制所述马达的功率。

方案9. 根据方案8所述的方法，所述方法进一步包括：

提供发电机，所述发电机被配置为响应于所述曲柄处的操作员扭矩来选择性地发电；以及

响应于所述旋转速度处于或高于所述预先限定的阈值，经由所述控制器来自动地控制所述发电机发电。

方案10. 根据方案9所述的方法，其中，提供发电机包括将所述发电机与所述曲柄同心地布置。

方案11. 根据方案8所述的方法，其中，提供驱动地联接到所述行走轮的曲柄包括经由单速变速器将所述曲柄驱动地联接到所述行走轮。

方案12. 根据方案8所述的方法，其中，提供马达包括将所述马达与所述行走轮的轮毂同心地布置。

方案13. 根据方案8所述的方法，其中，所述预先限定的阈值是40 RPM。

方案14. 根据方案8所述的方法，其中，所述预先限定的阈值是用户能够限定的值，所述方法进一步包括：从用户接收指示期望的阈值的输入；以及响应于所述输入，经由所述控制器来限定所述预先限定的阈值。

当结合附图理解时，本公开的以上优点以及其他优点和特征将从优选实施例的以下详细描述中显而易见。

附图说明

下文中将结合以下附图来描述所公开的示例，其中，相似的数字表示相似的元件，并且其中：

图1是根据本公开的实施例的电动自行车的图示；以及

图2是根据本公开的实施例的控制自行车的方法的流程图表示。

具体实施方式

本文中描述了本公开的实施例。然而，将理解的是，所公开的实施例仅是示例，并且其他实施例能够采取各种和替代形式。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被夸大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构和功能性细节将不被解释为限制性的，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以各种方式采用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的，参考任一附图图示和描述的各种特征能够与在一个或多个其他附图中图示的特征相结合，以产生没有明确图示或描述的实施例。所图示的特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，对于特定的应用或实施方式可期望符合本公开的教导的特征的各种组合和修改。

图1图示了根据本公开的实施例的电动自行车10。电动自行车10包括基于踏板力的推进系统，该推进系统允许骑手使用脚踏板提供直观的输入命令。该输入命令对于骑手是直观的，并且类似于骑非机动自行车，其中，骑手通过将力施加到向前定位的脚踏板而将顺时针力施加到自行车曲柄以使自行车沿前进方向移动。

本文中关于顺时针方向的参考是相对于自行车的右手侧做出的，其中操作员面向电动自行车的运动的前进方向。

电动自行车10包括自行车车架34。自行车车架34包括连接到座管38的顶管36。轮叉41可枢转地联接到顶管36，并且支撑被定位在电动自行车10的前面的前轮42。手把40通过轮叉41操作性地连接到前轮42。后轮32被定位在电动自行车10的后面。

电动自行车10包括曲柄机构8，该曲柄机构被配置为接收操作员扭矩并向后轮32提供曲柄扭矩。曲柄机构8包括曲轴22，该曲轴具有连接到其的第一踏板组件16和第二踏板组件18。第一踏板组件16可包括第一脚踏板17，并且第二踏板组件18可包括第二脚踏板19。链环或链轮20可操作性地连接到曲轴22以用于驱动链条28，该链条操作性地连接到后轮32的后链轮30。在示例性实施例中，链轮20、30和链条28限定单速变速器，即仅具有由链条28连接的单个链轮30和单个链轮20。

一个或多个传感器26操作性地联接到曲柄组件8和/或轮32、42，并且被配置为检测电动自行车10的操作条件。在示例性实施例中，传感器26包括：轮速度传感器，其被配置为检测轮32和/或42的旋转速度（可从中计算出车辆速度）；踏频传感器，其被配置为检测曲柄的旋转速度；以及扭矩传感器，其被配置为检测施加在曲柄处的操作员扭矩。

电动自行车10包括电动马达/发电机14，该电动马达/发电机可用于向前推进电动自行车10并从马达制动中发电。马达/发电机14与电池组件13电连通，并且被配置为在作为马达操作时自其接收电力且在作为发电机操作时向其提供电力。电动自行车10还包括发电机12（例如，直流发电机），该发电机操作性地联接到曲轴22并且被配置为从曲轴22的致动中发电并向电池组件13提供电力。

在所图示的实施例中，马达/发电机14与后轮32的轮毂同心地安装并且被配置为向其赋予马达扭矩。然而，在其他实施例中，马达/发电机14可以以其他方式定位，例如，在前轮42的轮毂处或与踏板组件16、18、链环20（或带环）和/或曲轴22相邻。马达/发电机14可包括许多种类型的马达/发电机中的任一种，包括但不限于永磁交流电机（表面安装的抑或内部永磁转子）。在许多变型中的任一者中，无刷内动子（in runner）环马达/发电机可包括定子和转子。

在所图示的实施例中，发电机12与曲轴22同心地安装并且被配置为直接自其接收扭矩。然而，在其他实施例中，发电机12可以以其他方式定位，例如，定位在后轮32的轮毂处。

在所图示的实施例中，电池组件13被描绘为与前轮13的轮毂同心地安装的盘。然而，在其他实施例中，电池组件13可以以其他方式定位和/或可包括多个分立的电池组。

控制杆44可设置在手把40上，并且可被构造和布置成与用于控制马达/发电机14和发电机12的电子控制件24通信。电子控制件24可包括电子处理部件，以接收输入信号和发送出信号来控制自行车的变化部件，这可包括发送输出信号以控制电动马达/发电机12的操作。在许多变型中，电子控制件24可包括存储器、处理器以及软件和/或硬件以处理输入信号并生成输出信号，并且可包括公式、查找表或用于比较和处理数据的其他手段。如果需要的话，制动杆46也可设置在手把40上。

虽然被描述为自行车，但是在本公开范围内的各种实施例中，电动自行车10可以是自行车、三轮自行车或四轮电动自行车，其具有被构造和布置成允许骑手使用第一踏板组件16和第二踏板组件18向其提供输入的曲柄组件8。

电动自行车10可被配置为以各种操作模式进行操作，包括至少一种辅助操作模式，其中，电动马达/发电机向后轮32提供马达扭矩，而操作员提供曲轴22处的操作员扭矩。在这种操作期间，期望向操作员提供舒适的踏板感觉。作为示例，操作员可能更偏爱将曲柄踏频保持在大约70 RPM以下，并且还可能更偏爱在踏板17、19处的一些扭矩响应措施。在辅助模式下控制电动自行车的已知方法可能会导致令人不舒适地快的踏板旋转、扭矩响应的缺乏、或两者。

现在参考图2，以流程图形式图示了根据本公开的控制自行车的方法。在示例性实施例中，经由响应于来自传感器26的信号而控制马达/发电机14和发电机12的控制器24来执行该方法，如下文将进一步详细讨论的。

该方法在框100处开始，例如当用户发动电动自行车10时。这可以以任何合适的方式来执行，例如，经由控制杆44、经由移动装置或任何其他方式。

确定辅助模式是否有效，如在操作102处所图示的。如先前讨论的，辅助模式是指这样的一种模式，其中，电动马达/发电机向后轮32提供马达扭矩，而操作员提供曲轴22处的操作员扭矩。操作员可以以任何合适的方式选择期望的模式，例如，经由控制杆44、经由移动装置或任何其他方式。

响应于确定操作102是否定的（即，某种其他模式有效），根据所选择的模式来控制自行车10，如在框104处所图示的。控制然后返回到操作102。由此，除非辅助模式被激活且直到辅助模式被激活，否则以常规模式来控制自行车10。

响应于确定操作102是肯定的（即，辅助模式有效），则检测曲柄踏频、曲柄扭矩和车辆速度，如在框106处所图示的。在示例性实施例中，这经由来自各种传感器26的信号来执行，所述传感器包括与曲柄26相关联的扭矩传感器、与曲柄26相关联的踏频传感器、以及与一个或两个轮32、42相关联的轮速度传感器。可基于速度传感器与之相关联的轮32、42的半径来计算车辆速度。

确定曲柄踏频是否超过预先限定的阈值，如在操作108处所图示的。在示例性实施例中，预先限定的阈值是40 RPM；然而，可使用如对于给定配置来说适当的更高或更低的阈值。在一些实施例中，可由操作员建立预先限定的阈值，例如经由控制杆44、与电子控制件24通信的移动装置、或通过其他合适的手段。

响应于确定操作108是否定的（即，踏板踏频不超过阈值），则基于检测到的曲柄扭矩来设置电动自行车10的目标速度，如在框110处所图示的。这可被称为基于扭矩的控制模式。在示例性实施例中，经由存储在非易失性计算机存储器中的第一查找表来确定目标速度，该第一查找表包括与对应的多个曲柄扭矩相关联的多个目标速度。优选地，目标速度与曲柄扭矩成正比。在示例性实施例中，在基于扭矩的控制模式下可用的最大速度为大约18kph。

然后，基于目标速度来控制马达功率，如在框112处所图示的。这可经由如对于给定配置来说适当的用于基于期望的轮速度来控制马达速度和/或扭矩的任何常规方案来执行。控制然后返回到操作102。

响应于确定操作108是肯定的（即，踏板踏频超过阈值），则电动自行车10的目标速度是基于检测到的踏板踏频，如在框114处所图示的。这可被称为基于踏频的控制模式。在示例性实施例中，经由存储在非易失性计算机存储器中的第二查找表来确定目标速度，该第二查找表包括与对应的多个踏板踏频值相关联的多个目标速度。优选地，目标速度与踏板踏频成正比。在示例性实施例中，在基于踏频的控制模式下可用的最小速度为大约18kph，并且可用的最大速度为大约32 kph。最大速度可对应于大约70 RPM，其中更高的RPM不会导致附加的速度增加。

在单速变速器的这种速度下，操作员将感觉到曲柄处的相对小的阻力扭矩。因此，控制发电机12以提供电力，如在框116处所图示的。在示例性实施例中，经由存储在非易失性计算机存储器中的第三查找表来确定由发电机提供的阻力（resistive）扭矩，该第三查找表包括与对应的多个踏板踏频值相关联的多个阻力扭矩。替代地，可提供大致恒定的阻力扭矩。控制然后进行到框112。

如可看出的，本公开提供了一种电动自行车，该电动自行车能够使用单速动力传动系统来实现完整的操作速度范围，与具有多速轮毂或拨链器（derailleur）相反。除了简化机械部件、降低成本和质量的益处之外，用户体验还将得益于不必手动换挡就能调节速度。这在时走时停循环期间在城市骑行方面尤为有用。

如先前所描述的，各种实施例的特征能够被组合以形成可能没有被明确描述或图示的本发明的另外的实施例。虽然各种实施例可能已被描述为相对于一个或多个期望的特性提供优点或优于其他实施例或现有技术实施方式，但是本领域普通技术人员认识到，一个或多个特征或特性能够被折衷以实现期望的整体系统属性，这些系统属性取决于具体的应用和实施方式。这些属性能够包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、适销性、外观、包装、尺寸、服务能力、重量、可制造性、易于组装性等。因而，被描述为就一个或多个特性而言不如其他实施例或现有技术实施方式理想的实施例并没有位于本公开的范围之外，并且对于特定应用而言能够是期望的。

Claims (10)

1.一种车辆，所述车辆包括：

行走轮；

曲柄，所述曲柄驱动地联接到所述行走轮并且被配置为接收操作员扭矩并向所述行走轮提供曲柄动力；

扭矩传感器，所述扭矩传感器操作性地联接到所述曲柄并且被配置为检测所述曲柄处的操作员扭矩；

踏频传感器，所述踏频传感器操作性地联接到所述曲柄并且被配置为检测所述曲柄的旋转速度；

马达，所述马达驱动地联接到所述行走轮并且被配置为向所述行走轮选择性地提供马达功率；以及

控制器，所述控制器与所述扭矩传感器、所述踏频传感器和所述马达通信，所述控制器被配置为基于所述行走轮的目标轮速度来控制所述马达功率，其中，所述控制器进一步被配置为：响应于所述旋转速度低于预先限定的阈值，基于所述操作员扭矩来建立所述目标轮速度；以及响应于所述旋转速度处于或高于所述预先限定的阈值，基于所述旋转速度来建立所述目标轮速度。

2.根据权利要求1所述的车辆，所述车辆进一步包括发电机，所述发电机操作性地联接到所述曲柄并且被配置为响应于所述曲柄处的操作员扭矩来选择性地发电，其中，所述控制器进一步被配置为响应于所述旋转速度处于或高于所述预先限定的阈值来控制所述发电机发电。

3.根据权利要求2所述的车辆，其中，所述发电机与所述曲柄同心地布置。

4.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述曲柄经由单速变速器驱动地联接到所述行走轮。

5.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述马达与所述行走轮的轮毂同心地布置。

6.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述预先限定的阈值是40 RPM。

7.根据权利要求1所述的车辆，其中，所述预先限定的阈值是用户能够限定的值。

8.一种控制车辆的方法，所述方法包括：

向所述车辆提供以下各者：行走轮；曲柄，所述曲柄驱动地联接到所述行走轮并且被配置为接收操作员扭矩并向所述行走轮提供曲柄动力；扭矩传感器，所述扭矩传感器被配置为检测所述曲柄处的操作员扭矩；踏频传感器，所述踏频传感器被配置为检测所述曲柄的旋转速度；马达，所述马达驱动地联接到所述行走轮并且被配置为向所述行走轮选择性地提供马达功率；以及控制器，所述控制器与所述扭矩传感器、所述踏频传感器和所述马达通信；

响应于来自所述踏频传感器的指示所述旋转速度低于预先限定的阈值的信号，经由所述控制器基于所述操作员扭矩来建立所述行走轮的目标轮速度；

响应于来自所述踏频传感器的指示所述旋转速度处于或高于所述预先限定的阈值的信号，经由所述控制器基于所述旋转速度来建立所述目标轮速度；以及

经由所述控制器基于所述目标轮速度来自动地控制所述马达的功率。

9.根据权利要求8所述的方法，所述方法进一步包括：

提供发电机，所述发电机被配置为响应于所述曲柄处的操作员扭矩来选择性地发电；以及

响应于所述旋转速度处于或高于所述预先限定的阈值，经由所述控制器来自动地控制所述发电机发电。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，提供发电机包括将所述发电机与所述曲柄同心地布置。

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