電動自行車及其控制器簡介

　　電動自行車自從20世紀80年代發(fā)明以來經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程，在20世紀90年代北京的道路上曾經(jīng)出現(xiàn)過電動自行車，但由于很多技術并沒有過關以及交通管理上的一些問題，逐漸在馬路上消失了。當時主要的問題是電源沒過關，那時的電動自行車使用的電源是汽車用的鉛酸蓄電池，維護非常麻煩，除了要及時充電外，還要經(jīng)常換蒸餾水，而且電池體積重量都很大。到了最近，電源問題得到較好的解決，于是電動自行車就得到了迅速的發(fā)展。電動自行車有很多的優(yōu)點，它不像汽車、摩托車那樣有廢氣及噪音污染，速度低、易于駕駛，一般只要會騎自行車，用不了一個小時就能掌握電動自行車的操作，因此特別適合婦女及老人的使用。當然不用諱言，電動自行車雖然對環(huán)境沒有直接污染。但若對廢舊電池處理不好，和汽車的蓄電池一樣對環(huán)境也會造成很大的污染，因此在我國有些城市對電動自行車的發(fā)展進行了限制。但我想，隨著電池行業(yè)的發(fā)展以及找到對廢舊電池的更好處理方法，電動自行車還會繼續(xù)得到發(fā)展。

　　電動自行車由車架、電機、電源、控制器四部分組成（見圖1）。

　　1.車架 電動自行車的車架雖然與普通自行車相似，但由于電動自行車的車速較快（雖然規(guī)定的電動自行車的最快速度為20公里，但大多電動自行車可達25～30公里）、自重較大（主要是增加了電機及電池的重量，一般電動自行車的自重在25～40公斤左右）。因此電動自行車的車架要比普通自行車結實，選用較粗的鋼管作為結構件，制動器（剎車）的制動力也比普通自行車大。為了增加騎行的舒適度，前后叉通常都加有減震器，并且為了安全，裝有轉把鎖、電池鎖等鎖具，并且與摩托車一樣，裝有儀表板、前大燈、轉向燈以及加速手把（“油門”）、控制按鈕、帶電開關的制動手把等控制設備。此外車架上還要考慮安放電池及控制器等艙體。

　　2.電機 電動自行車大都使用輪轂電機，即把電機做成輪轂的樣子，直接驅動后輪，從而降低了成本，又提高了驅動效率。部分電動自行車采用高速電機加減速器的方案，這種方案由于使用了減速器，牽引力較大，所以爬坡的能力較大。同時電機運行的效率較高。當然，這種結構增加了成本。

　　在電動自行車中使用的電機有三種類型：高效低速稀土永磁直流無刷電機、高效低速稀土永磁直流有刷電機、高效高速稀土永磁直流有刷電機。輪轂電機都是低速電機，高速電機都帶減速器。而有刷與無刷是指電機的換向的方法。我們知道直流電機在轉動的過程中繞組中的電流要不斷地改變方向以使轉子向一個方向轉動。普通的直流電機是用電刷與換向器通過機械接觸進行換向，這就是我們前面所說的有刷電機，而無刷電機則是通過傳感器（通常用霍爾磁傳感器）檢測出繞組的位置，并通過單片機或專用的集成電路接通相應的功率器件給繞組供電。這種電機由于沒有電刷與換向器的機械接觸與磨損，不需要經(jīng)常換電刷等易損件，從而提高了電機的壽命，減少了維修的費用。這在電動自行車上是非常重要的，因為在電動自行車上要打開輪轂電機是非常困難的。此外，無刷電機在運行時不會像有刷電機那樣產(chǎn)生火花，干擾車上的電器設備（儀表、控制器）。但是，無刷電機需要比較復雜的控制器，因此控制器的成本要比有刷電機的高，但考慮到整車性能以及維護方面的方便，目前絕大多數(shù)的電動自行車都使用高效低速稀土永磁無刷電機作為動力。

　　圖2是一種高效低速稀土永磁無刷電機的結構，電機的轉動部分是轉子，與普通電機不同，這種電機的繞組在定子上，而轉子上嵌有三組稀土制成的高磁強永磁體，一般為24塊，它的磁場強度決定了電機的效率和驅動力的大小，所以用戶不要隨意打開電機，不僅由于定子與轉子之間的磁力很大卸開后沒有專用工具很難裝好，而且定子卸走后會使磁鋼退磁，從而降低了電機的性能。定子上繞有繞組的鐵芯及用于固定到車架的空心軸，在定子的邊緣裝有三個霍爾器件作為轉子的位置傳感器。所有接線都從固定軸的中孔中引出。引出線分兩組，比較粗的一組是電機的驅動線，用來驅動電機。要求能持續(xù)通上10A并在瞬時有通過30A電流的能力。這一組三條線A、B、C分別連接到星形連接的三相電機繞組的接線端。另一組接線通常連在一個5線插頭上（雖然目前還沒有一個標準，但為了能使各種電機與不同廠家的控制器相接或者說為了使各種控制器能與不同廠家的電機相連接，這些連接器的規(guī)格、定義都在靠攏。），該組接線用于檢測繞組的位置，其中1為檢測器電源，通常為12V或5V，5為地，2、3、4為繞組相應的霍爾位置檢測器的輸出a、b、c，它們與繞組的響應關系用顏色標記（例如2（a）是紅色，則紅色的粗線為A），在控制電路中通常采用三相全波式供電，對a、b、c三種信號的組合進行譯碼后向六個功率管提供驅動信號來驅動無刷電機。為了讓大家對電動自行車的電機有一個概念，附表給出一些電動自行車的電機數(shù)據(jù)。

　　3.電源 電動自行車幾乎都用能多次充電的蓄電池作為能源，目前使用的有全封閉免維護鉛酸蓄電池、鎘鎳電池、鎳氫電池、鋰電池、燃料電池等。由于全封閉免維護鉛酸蓄電池在價格上有較大的優(yōu)勢，所以絕大多數(shù)電動自行車使用這種電池。電動自行車上將電池串聯(lián)成電池組安裝在專用的電池盒中，每個電池的容量通常為12安時（大的有18安時）。 這種電池的壽命約為500次放電（壽命與電池質量與使用方法有很大關系），因此使用電動自行車時的日常費用決不能只考慮使用的電費，而要把一年要換一次的蓄電池的費用考慮進去（約400元）。

　　4.電動自行車的控制器 電動自行車的控制器用于控制電動自行車的運行，從功能上來看，它單單只是使電動自行車能夠起停，總的要求有：

　　運行控制：使電動自行車的速度能按照手把轉動的角度發(fā)生變化從零速度到最大速度；

　　具有電流過載保護功能，在各種運行狀態(tài)電流都不超過保護值；

　　過熱保護：當電動自行車長期運行在額定電流狀態(tài)控制器溫度過高時切斷電源供應；

　　剎車時自動斷開供電電源；

　　欠壓保護：當電源供電不足電池電壓下降到電池最低電壓時切斷電源，以保護電池。酸鉛電池不怕充足就怕沒電。

　　其它功能：為提高使用性能，電動自行車常附帶有一些其它功能。非零啟動功能是為了防止起動電流過大，具有該功能的自行車只有當電動自行車的車速大于某一速度（例如5公里/小時）后控制才起作用，以保護蓄電池，使蓄電池不在大電流放電狀態(tài)下工作；軟起動的目的同前，使電動自行車工作電流保持恒定，使蓄電池不在大電流放電狀態(tài)下工作；保持功能是使電動自行車的運行速度在手把給定的最大速度運行，以減輕長途騎行時的疲勞，即你騎行時將車速增加到某個速度運行時，可放開手把，自行車則維持在該速度上運行，若要增加速度則可通過增加手把轉角，但要降低車速則必須使用剎車解除來保持狀態(tài)；1:1功能是電動自行車行業(yè)的一個行話，實際上是一種助力功能，即電動自行車在比較輕松的騎行中運行，以使電池處于比較省電而騎行又比較省力，實際上真正要做到1:1功能需要在腳蹬上加力的傳感器，根據(jù)傳感器信號來控制供給電機的電流，但現(xiàn)在很多控制器的1:1功能僅僅是給電機一個固定的控制電壓，因此在上橋或迎風的時候，還會感到比較累。

　　下面以一個具體的控制器為例來說明電動自行車控制器的原理。圖3為某種電動自行車控制器電原理圖。在圖中16V8為譯碼器，將霍爾元件檢測出來的換相信號轉換為六個驅動功率管的控制信號；IR2136為無刷電機專用控制電路，為驅動功率管提供驅動信號；P87LPC767是帶有AD輸入及PMW輸出的單片機，它將手把的電平信號轉換為脈沖調寬信號，同時完成諸如過載保護、欠壓保護、保持、非零啟動等功能；LM358用于過載電流的放大；電動自行車的電源電壓為36V，而IR2136需要15V供電，單片機需要5V供電，因此使用7815、7805提供15V與5V電源；T1～T6（IRFZ44N）為六個N通道功率場效應管，接成三相全波電路，為三相電機繞組供電（RO1、YO1、BO1）。