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(dòng)自行代步工具，常見(jiàn)的電動(dòng)自行車(chē)基本上是以不同種類(lèi)的蓄電池作為能源儲(chǔ)備裝置，通過(guò)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(guò)顯示儀器顯示的個(gè)人交通工具。本文著重進(jìn)行電動(dòng)自行車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jiǎn)便和高效[1]。本設(shè)計(jì)中的電動(dòng)自行車(chē)僅以電能作為能源供給，去除常規(guī)自行車(chē)的腳踏方式，在非工作時(shí)通過(guò)折疊進(jìn)行體積變形。此次設(shè)計(jì)主要包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)的類(lèi)別分析與選擇、能源電池的類(lèi)型與選擇、電路控制系統(tǒng)的選擇以及最重要的車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。便攜式電動(dòng)自行車(chē)的配置要求如下。

1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)種類(lèi)

通常情況下，車(chē)載用電機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪工作類(lèi)型的電機(jī)。常見(jiàn)的車(chē)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(wú)刷電機(jī)。而有刷和無(wú)刷又可分為高速和低速兩種類(lèi)型的電機(jī)。高速電機(jī)需要齒輪傳動(dòng)，這樣可以使車(chē)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(wú)鐵芯的盤(pán)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(shí)直接進(jìn)行動(dòng)力輸出，因此轉(zhuǎn)速就是車(chē)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(dòng)自行車(chē)使用的電機(jī)類(lèi)型通常為中低速電機(jī)[2]。

1.2 電機(jī)分析與選擇

電動(dòng)自行車(chē)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(wú)刷電機(jī)

柱式無(wú)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(méi)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(shí)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](méi)有磨損，無(wú)需更換碳刷，相比有刷電機(jī)，其效率更高，壽命也更長(zhǎng)。

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(wú)鐵芯的盤(pán)形電樞作為轉(zhuǎn)子，它的形狀和大小就像一個(gè)小光盤(pán)，只是稍厚。在盤(pán)形電樞表面按設(shè)計(jì)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(wú)鐵芯由印制電路組成的盤(pán)形電樞做轉(zhuǎn)子，一種是有鐵芯的片形電樞。無(wú)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(wú)鐵芯的盤(pán)形電樞，卻大大小于無(wú)齒輪減速的低速電機(jī)的電樞[3]。

1.3 電機(jī)對(duì)比與選擇

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

電機(jī)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)參考對(duì)比如表1所示。根據(jù)電機(jī)特點(diǎn)分析可以推出，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高的，反電動(dòng)勢(shì)高和反向電流強(qiáng)，并且驅(qū)動(dòng)電流不能無(wú)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(dòng)方式對(duì)電動(dòng)自行車(chē)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(jì)的電動(dòng)自行車(chē)（便攜式）的設(shè)計(jì)需要及目的，無(wú)刷輪廓電機(jī)將會(huì)成為首要選擇。

2 驅(qū)動(dòng)能源分析

2.1 能源供給形式

此次設(shè)計(jì)所需的蓄電池類(lèi)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(xiě)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(chǔ)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(shí)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(gè)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(shí)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(lái)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(shí)容易成膜以及彈性好，能防止電解質(zhì)泄露，所以相對(duì)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(duì)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(duì)比

鎳氫電池的低溫性能較差，在低溫條件時(shí)，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(shí)電池的歐姆內(nèi)阻也變大。因此，無(wú)論是充電還是放電都將變得更加困難，進(jìn)而阻礙電動(dòng)車(chē)工作時(shí)的電流釋放。

表2 蓄電池特性參數(shù)對(duì)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(huì)超過(guò)金屬氧化物放電時(shí)的吸熱速度，進(jìn)而造成熱積累，對(duì)電解液隔膜以及儲(chǔ)氫合金都不利。

聚合物鋰離子電池技術(shù)比較成熟，其沒(méi)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(jì)更加靈活簡(jiǎn)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(zhǎng)。但是，鋰離子電池在充放電時(shí)若操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致爆炸或者起火等危險(xiǎn)，需要改進(jìn)。

因此，此次設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車(chē)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(wú)刷電機(jī)并不存在碳刷及其磨損的問(wèn)題，需要霍爾傳感器，而霍爾傳感器的存在將會(huì)使無(wú)刷電機(jī)的故障率升高。因此，此次將選用無(wú)傳感器無(wú)刷電機(jī)作為設(shè)計(jì)動(dòng)力來(lái)源，而驅(qū)動(dòng)集成電路同樣對(duì)應(yīng)將選用ML4425作為控制芯片[6]。美國(guó)公司Micro Liner專(zhuān)門(mén)為三相無(wú)刷無(wú)位置傳感器電機(jī)設(shè)計(jì)了ML4425這款芯片，其有啟動(dòng)制動(dòng)、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(dòng)勢(shì)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(hào)的輸入（8腳）模塊；接口22.23.24是ABC三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零鑒別輸入接口，而高端驅(qū)動(dòng)2.3.4和低端驅(qū)動(dòng)9.10.11則分別是兩種驅(qū)動(dòng)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(chē)身結(jié)構(gòu)與部件的匹配

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

圖2 車(chē)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(jì)的便攜式電動(dòng)自行車(chē)在體積方面有著極佳的先天性優(yōu)勢(shì),通過(guò)車(chē)身的折疊可以顯著提升空間利用率。在車(chē)身折疊后，其只需要較小空間便可以儲(chǔ)存，不僅節(jié)省室內(nèi)空間，還可以存放在汽車(chē)后拖箱內(nèi)，在長(zhǎng)途跋涉后作為短距離代步工具。同時(shí)，車(chē)身使用聚合物鋰電池作為能源裝置來(lái)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(shì)給車(chē)身的尺寸設(shè)計(jì)節(jié)省了大量的所需體積，形狀易于設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)使電池可以直接置于車(chē)身中，不僅隱蔽還兼顧了外形的美觀。其使用的鋁制車(chē)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(wú)刷輪廓電機(jī)的運(yùn)用，不僅提高了車(chē)輛使用的穩(wěn)定性，也兼顧了設(shè)計(jì)美感。

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