一種便攜式電動自行車的設(shè)計

譚武龍，丘志敏

（1.江西省核工業(yè)地質(zhì)局二六四大隊(duì)，江西 贛州 341001；2.韶關(guān)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005）

生活中遍布各式各樣的電動自行代步工具，常見的電動自行車基本上是以不同種類的蓄電池作為能源儲備裝置，通過單片機(jī)等電控單元控制電機(jī)的工作，及其相應(yīng)數(shù)據(jù)通過顯示儀器顯示的個人交通工具。本文著重進(jìn)行電動自行車結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其關(guān)注其便攜性和耐用性等，旨在使其便于攜帶與易于存放，使得出行更加簡便和高效[1]。本設(shè)計中的電動自行車僅以電能作為能源供給，去除常規(guī)自行車的腳踏方式，在非工作時通過折疊進(jìn)行體積變形。此次設(shè)計主要包括：驅(qū)動電機(jī)的類別分析與選擇、能源電池的類型與選擇、電路控制系統(tǒng)的選擇以及最重要的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計。便攜式電動自行車的配置要求如下。

1 驅(qū)動電機(jī)

1.1 驅(qū)動電機(jī)種類

通常情況下，車載用電機(jī)可以直接驅(qū)動車輪工作類型的電機(jī)。常見的車用電機(jī)大致分為三種：圓柱式高速電機(jī)、有刷電機(jī)以及無刷電機(jī)。而有刷和無刷又可分為高速和低速兩種類型的電機(jī)。高速電機(jī)需要齒輪傳動，這樣可以使車輪減速到規(guī)定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子包括有鐵芯的薄型電樞和無鐵芯的盤形電樞兩種，一般轉(zhuǎn)速為3 000 r/min；而低速電機(jī)的工作時直接進(jìn)行動力輸出，因此轉(zhuǎn)速就是車輪轉(zhuǎn)速，一般為200 r/min，不再另外配備減速齒輪，可靠性較好，使用成本低。電動自行車使用的電機(jī)類型通常為中低速電機(jī)[2]。

1.2 電機(jī)分析與選擇

電動自行車主要采用的是柱式以及輪廓電機(jī)，分析如下。

1.2.1 柱式有刷電機(jī)

普通常規(guī)直流電機(jī)便是柱式有刷電機(jī)，圓柱形有刷直流電機(jī)一般是中速電機(jī)，屬于軸輸出，效率高，噪聲較小，電機(jī)內(nèi)部并不設(shè)置減速機(jī)構(gòu)，一般是在軸輸出端安裝摩擦輪或鏈輪。

1.2.2 柱式無刷電機(jī)

柱式無刷電機(jī)與有刷電機(jī)外形結(jié)構(gòu)基本相同，與有刷相比，只是沒有換向器與碳刷，并且繞組以及通電導(dǎo)通方式都有不同。這種電機(jī)運(yùn)行時因?yàn)槭÷粤藫Q向器碳刷等摩擦因素，因此噪音小、故障少并且?guī)缀鯖]有磨損，無需更換碳刷，相比有刷電機(jī)，其效率更高，壽命也更長。

1.2.3 輪廓有刷電機(jī)

輪廓有刷電機(jī)又被稱為有刷有齒電機(jī)。大多使用無鐵芯的盤形電樞作為轉(zhuǎn)子，它的形狀和大小就像一個小光盤，只是稍厚。在盤形電樞表面按設(shè)計要求繞了許多放射狀的線圈，即繞組。

這種電機(jī)的內(nèi)部有兩種不同的構(gòu)造，一種是無鐵芯由印制電路組成的盤形電樞做轉(zhuǎn)子，一種是有鐵芯的片形電樞。無鐵芯的電機(jī)是最輕的，有鐵芯的硅鋼片組合片數(shù)較少，電樞成薄片形，因此它的重量略大于無鐵芯的盤形電樞，卻大大小于無齒輪減速的低速電機(jī)的電樞[3]。

1.3 電機(jī)對比與選擇

表1 電機(jī)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)參考對比

電機(jī)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)參考對比如表1所示。根據(jù)電機(jī)特點(diǎn)分析可以推出，電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高的，反電動勢高和反向電流強(qiáng)，并且驅(qū)動電流不能無限制增大，因此高速電機(jī)比低速電機(jī)更節(jié)省電流而且效率更高。

電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和傳動方式對電動自行車的行駛里程以及爬坡能力有著很大的影響，耗電量效率以及成本都與電機(jī)的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，有刷電機(jī)的碳刷損耗大于9%。有齒輪減速的電機(jī)機(jī)械損耗同樣高，可以占到8%。

根據(jù)本設(shè)計的電動自行車（便攜式）的設(shè)計需要及目的，無刷輪廓電機(jī)將會成為首要選擇。

2 驅(qū)動能源分析

2.1 能源供給形式

此次設(shè)計所需的蓄電池類型基本有以下幾種。

2.1.1 鎳氫蓄電電池

最成熟、性能最好的便是通稱的鎳氫電池，寫作MH-Ni。還有一種鎳氫電池（H2-Ni）是氫以結(jié)合成水的形式儲存在金屬殼內(nèi)，其性能較好，但相比于MH-Ni，其結(jié)構(gòu)性和安全性較差，并且需要貴金屬做催化劑，電池成本較高，同時使用頻率較低[4]。

2.1.2 鋰離子蓄電池

鋰離子電池結(jié)構(gòu)基本有三種：第一種是每節(jié)電池都是一個單格且電壓為3.6～3.8 V，容量可以達(dá)到幾十甚至上百安時的卷極圓柱電池；第二種是尺寸較小適合小容量低消耗用電設(shè)施且是方形碟片組合的疊層鋰電池；第三種是根據(jù)容量要求來確定電池板面積的板式鋰電池[5]。

2.1.3 聚合物鋰離子蓄電池

聚合物鋰離子蓄電池的電解質(zhì)是固體的，聚合物電解質(zhì)質(zhì)量更輕并且工藝性非常好，同時容易成膜以及彈性好，能防止電解質(zhì)泄露，所以相對更加安全，整體電池質(zhì)量更輕。

2.2 能源電池分析和選擇

對列舉的三種蓄電池特性技術(shù)進(jìn)行分析，如表2所示。

2.3 不同電池對比

鎳氫電池的低溫性能較差，在低溫條件時，電解液黏度變大，電導(dǎo)率降低并且質(zhì)子傳輸速度減小，同時電池的歐姆內(nèi)阻也變大。因此，無論是充電還是放電都將變得更加困難，進(jìn)而阻礙電動車工作時的電流釋放。

表2 蓄電池特性參數(shù)對比

低溫條件下放電困難很容易產(chǎn)生極化，不僅容量不能發(fā)揮并且很容易到達(dá)放點(diǎn)終止電壓。極化則容易發(fā)熱，發(fā)熱速率會超過金屬氧化物放電時的吸熱速度，進(jìn)而造成熱積累，對電解液隔膜以及儲氫合金都不利。

聚合物鋰離子電池技術(shù)比較成熟，其沒有液體成分并且其聚合物電介質(zhì)的可加工性能非常好，可以做成任意形狀，使尺寸設(shè)計更加靈活簡便。聚合物的電池比能量高，自放電小，安全性能良好，循環(huán)壽命長。但是，鋰離子電池在充放電時若操作不當(dāng)會導(dǎo)致爆炸或者起火等危險，需要改進(jìn)。

因此，此次設(shè)計的電動自行車根據(jù)便攜性的宗旨，綜合不同電池的性能特性將使用聚合物鋰離子電池作為電源部件[3]。

2.4 單片機(jī)電路選擇

無刷電機(jī)并不存在碳刷及其磨損的問題，需要霍爾傳感器，而霍爾傳感器的存在將會使無刷電機(jī)的故障率升高。因此，此次將選用無傳感器無刷電機(jī)作為設(shè)計動力來源，而驅(qū)動集成電路同樣對應(yīng)將選用ML4425作為控制芯片[6]。美國公司Micro Liner專門為三相無刷無位置傳感器電機(jī)設(shè)計了ML4425這款芯片，其有啟動制動、電流限制、速度控制和交換控制邏輯等模塊功能，ML4425的內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ML4425原理框圖

為了能夠換相，ML4425芯片內(nèi)設(shè)置了壓控振蕩器Vco（15.16腳），反電動勢采樣誤差放大器以及交換控制模塊；設(shè)置了PWM調(diào)制、生成和速度信號的輸入（8腳）模塊；接口22.23.24是ABC三相繞組的反電動勢過零鑒別輸入接口，而高端驅(qū)動2.3.4和低端驅(qū)動9.10.11則分別是兩種驅(qū)動輸出。

Rt與6腳外界電容Ct共同組成的振蕩電路是5腳，PWM的頻率則是由電容和電阻鎖決定的。PWM矩形波的正負(fù)電壓差由12腳控制，在鋸齒波上由13腳控制截取波形的位置，從而得到工作所需的PWM調(diào)制值[7]。

3 車身結(jié)構(gòu)與部件的匹配

綜合便攜式的設(shè)計宗旨以及各種配置的特性，本設(shè)計的便攜式電動自行車車身結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理如圖3所示。

圖2 車身結(jié)構(gòu)布局示意圖

圖3 工作原理示意圖

4 結(jié)論

此次設(shè)計的便攜式電動自行車在體積方面有著極佳的先天性優(yōu)勢,通過車身的折疊可以顯著提升空間利用率。在車身折疊后，其只需要較小空間便可以儲存，不僅節(jié)省室內(nèi)空間，還可以存放在汽車后拖箱內(nèi)，在長途跋涉后作為短距離代步工具。同時，車身使用聚合物鋰電池作為能源裝置來提供工作所需能量，聚合物鋰電池的高能量比和體積優(yōu)勢給車身的尺寸設(shè)計節(jié)省了大量的所需體積，形狀易于設(shè)計的優(yōu)勢使電池可以直接置于車身中，不僅隱蔽還兼顧了外形的美觀。其使用的鋁制車身并不是常規(guī)的鋼鐵材質(zhì)，極大減輕了攜帶重量。另外，無刷輪廓電機(jī)的運(yùn)用，不僅提高了車輛使用的穩(wěn)定性，也兼顧了設(shè)計美感。

無傳感器（霍爾傳感器）無刷輪廓低速電機(jī)，同時搭配ML4425電路控制單元進(jìn)行車輛能源與驅(qū)動的工作控制，電源裝置也是以便攜體積小、儲備能量大、能量比高的聚合物鋰電池來代替。車身結(jié)構(gòu)以便攜為第一設(shè)計原則，使其在城市道路使用時以最小的體積帶來無與倫比的效率，改善人們的代步方式，提高出行質(zhì)量。