串联式混合电动/人力驱动车辆及其操作方法与流程

本公开总体上涉及一种串联式混合电动/人力驱动车辆（例如串联式混合电动助力自行车）及其操作方法。

背景技术：

1、串联式混合电动助力自行车是一种串联式电动/人力驱动车辆，其中来自骑行者的机械能首先由耦合至踏板曲轴的发电机转换成电能。该电能可以存储在电池中和/或用于为与自行车的车轮机械耦合的电动机供电。由于踏板曲轴未与车轮机械耦合，此类串联式混合自行车有时被称为无链自行车。

2、相比之下，大多数市售的电动助力自行车是并联式电动/人力驱动自行车，其中踏板曲轴通常经由单向离合器与驱动轮机械耦合；电机也可以经由离合器耦合至驱动轮，从而允许骑行者和电机同时或独立地对驱动轮进行驱动。一种特别常见的布置将电机设置在曲柄处，并经由传动装置将电机连接至踏板曲柄轴（称为“中驱”电机配置）。由电机提供的助力量由控制逻辑预定，并且通常与骑行者通过踏板输入的转矩或功率成比例地提供。该布置保留了与传统无辅助自行车相似的踏板感，并且可以在电力辅助下操作，但可能具有若干缺点。这些缺点可能包括以下中的一者或多者：重复驱动系统增加的制造复杂性和成本；可能延展、腐蚀和磨损的机械驱动组件，并且可能需要频繁清洁、维护和/或部件更换；由于电动机增加的负载导致的机械部件加速磨损；在滑行时由于踏板与电机脱离接合而缺乏减速时的再生制动以延长续航里程；依赖于精确的档位选择以实现生物力学效率（踩踏的力和速度）和电机效率，这可能需要骑行者具有显著的经验才能有效地控制力度；由于每次旋转中不均匀的踩踏力导致的转矩脉动，这可能导致车轮打滑。

3、相比之下，串联式混合电动驱动系统完全消除了从踏板到车轮的机械驱动，并且仅使用连接至车轮的电动机为车辆提供动力。该布置可以消除上述问题，并且因此可能更容易操作和维护。全自动变速可以较少分散骑行者注意力，并且可以提高道路安全性。使用可靠的电动机/发电机，车辆可能在机械上更耐用，延长使用寿命，减少浪费并降低环境影响。然而，此类串联式混合电动助力自行车往往提供与传统无助力自行车不同的踏板感，骑行者往往觉得不自然。已知的串联式混合电动助力自行车中的踏板阻力由发电机提供，该发电机通常未被配置为提供自然的骑行感，尤其是在骑行者使用踏板输入速度和/或加速度变化时。

4、previdi等人的美国专利第9346515号公开了一种串联式混合电动踏板助力自行车。自行车包括第一车轮和第二车轮。自行车包括与第一车轮和第二车轮机械解耦的踩踏组件，用户可以通过该踩踏组件提供踩踏动力。自行车包括与第一车轮和第二车轮中的至少一个机械耦合的电动机，其能够获取电机动力。自行车包括适于从踩踏动力产生发电机装置电力的发电机装置，该发电机装置布置成与踩踏组件和电动机处于能量交换关系。自行车包括布置成与电动机和发电机装置处于能量交换关系的储能装置。自行车包括控制系统，该控制系统包括用于控制发电机装置所需电力以供应给电动机和/或储能装置的模块。自行车包括适于产生表示心率的信号的心率传感器。用于控制发电机装置所需电力的模块可操作地连接至心率传感器，并且被配置为根据表示心率的信号来确定发电机所需电力。可以修改发电机的运行参数，以改变发电机的功率以及用户遇到的阻力转矩。然而，previdi中没有任何内容公开或建议调整阻力转矩以向骑行者提供自然的踏板感来改进可控性。

5、fuchs等人的美国专利第7156780号公开了一种用于例如自行车等车辆的由肌肉动力操作的电动驱动系统。电动驱动系统包括脚踏板和机械连接至脚踏板的发电机。电动驱动系统包括从发电机到驱动电机的电传动装置。电动驱动系统包括电动控制系统，该电动控制系统包括发电机的控制程序，利用该控制程序可以产生与向前踩踏方向相关的发电机上的反力矩。驱动系统包括发电机的启动控制，利用该启动控制，当脚踏板从静止状态被致动时，产生立即出现的踏板阻力，并且利用该启动控制，在从静止状态启动直至达到最小骑行速度时，在脚踏板上产生高启动力矩。fuchs似乎主要关注于提供从静止状态开始的踏板阻力，并且没有提供在骑行者移动时提供自然踏板感的教导。

6、earle等人的美国专利第2022/0161890 a1号公开了一种用于电动踏板助力自行车的电机控制器。电动踏板助力自行车包括可旋转地耦合至车架的车轮。电动踏板助力自行车包括被配置为驱动车轮的传动系统。传动系统包括曲柄组和电动机。电动踏板助力自行车包括被配置为确定踩踏踏频信息的踩踏传感器。电动踏板助力自行车包括被配置为确定自行车的俯仰方位的方位传感器。电动踏板助力自行车包括被配置为基于踩踏踏频信息和俯仰方位来驱动电机以平稳地推进自行车的电子控制器。earle没有公开或建议被配置为在骑行时向骑行者提供自然踏板感以提高可控性的控制器。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决串联式混合电动/人力驱动车辆的普遍可用性方面所面临的至少一些以下挑战，例如包括用于向电动驱动系统输入人力能量以及控制自行车速度和加速度的踏板曲柄组的串联式混合电动助力自行车。

2、第一项挑战是提供一种持续的阻力，该阻力踩踏起来舒适，并且响应于踩踏踏频和所施加力的变化而变化。如果没有合适的反作用力，人/用户/骑行者的肢体可能在恒定负载下快速加速，并且其肌肉可能被反向激活以降低踩踏速率。这可能使关节承受令人不适的重复性负载，以维持对人体舒适的恒定踏频。这因以下事实而变得复杂：踏板速度和转矩是用于指示期望车辆速度和加速度的主要输入，并且如果波动，则可能在电机接合和脱离接合时导致不均匀的停止/启动进程。相反，为平滑进程而进行的过度滤波可能导致一种脱节感，从而加剧下一项挑战。

3、第二项挑战是提供一种响应于踩踏力和加速度的细微变化的车辆，如同传统自行车那样，以避免对人体关节造成过度压力，并提供自然的骑行体验和直观的速度控制。为了加速自行车，用户对车辆的主要控制应该是其踩踏动作。这可以使骑行者能够直观地控制自行车，允许用户的手完全控制制动和转向，并提供有益的锻炼，同时还能延长车辆续航里程。为了发出需要加速的信号，自然的反应是使用小幅增加的力来加速踏板曲柄。这随后可能需要车辆做出双重响应。第一重响应是在检测到踏板加速度时立即增加阻力以模拟惯性。这可以使骑行者能够设定精确的踩踏踏频和加速度，从而为车辆提供关于期望车辆速度和加速度的明确指令。这可以使骑行者始终感到与车辆速度相连并处于控制之中。第二重响应是使用电机控制器基于骑行者的变化输入来调整电机电流和车辆速度。对骑行者而言，该结果可能既直观，又对于避免骑行者未预料到的意外加速或减速至关重要。本文所述的人力驱动车辆或其踏板被配置为用作类触觉反馈装置，该装置发出车辆负载变化的信号，使得骑行者可以判断达到目标速度和加速度所需的确切努力，从而创建人在回路控制系统，同时确保不会使骑行者过度劳累。

4、第三项挑战是提供对表面坡度（和/或风阻力、颠簸阻力或滚动阻力）变化的适当响应，这些变化可能独立地作用于车辆，使其在给定的电机输出下减速或加速。例如，当上坡行驶时，维持相同速度所需的电机功率可能比在平地上所需的功率急剧增加。由于电机尺寸和功率限制，无论用户要求的速度如何，车辆可以达到的最大速度都可能下降。在没有阻力改变的情况下，骑行者可能会自然地通过增加踩踏速度来应对速度下降，特别是在陡坡或逆风情况下，行驶速度可能下降到接近阈值平衡速度。为了抵消踏板速度和车辆速度之间的这种反比关系，阻力应该增加，使得踏板速度可以自然地降低。其目的仅是部分地复制传统自行车，因为电动驱动的一个优点是，无论坡度和风力如何，都可以控制努力程度，从而可以避免过度劳累。

5、随着外部车辆负载增加，本文所述系统的反应如下：i）车辆减速，ii）骑行者增加踩踏速率，iii）系统增加阻力负载，iv）踩踏速率降低到目标水平，以及v）如果在预设的最大阻力负载下踩踏加速度持续存在，则车辆被配置为尝试加速到电机容量的极限，该极限由其电流和温度阈值确定。一旦达到此极限，踩踏速度的增加应导致系统提供高得多的阻力负载，该阻力负载可能持续增加，直到踩踏速率被迫下降到稳定的踏频。

6、进一步的挑战/需求是使阻力负载配置文件对每个人都是独特的，本文所述的系统能够在行程中实时调整。由于每个人的身体状况不同，他们对舒适或紧张的踩踏速度的定义，以及可以在短期和较长持续时间内施加的踏板力也不同。因此，可能难以定义对每个人而言都理想的车辆控制系统的目标值，并且这些值可能需要随着时间的推移，随着他们变得更能干或更不能干而进行调整，或者在每个行程内，随着因行驶距离或先前活动而增加的疲劳水平进行调整。

7、另一个进一步的挑战是由于涉及通过曲柄将大部分垂直肌肉力转换为旋转扭矩的人体运动学，导致单次旋转期间踩踏力量的不规则性。当在一次旋转内提供完全恒定的阻力时，用户可能会感觉到不均匀的阻力，并且由于在上死点附近相对于从上死点大约90度处可施加的力相对较低，而无法以恒定速度踩踏。与例如通过链条连接的车轮相比，这种感觉在更高的力下可能更明显，此时发电机的相对较小的角动量不足以在低力角度期间维持踏板速度。对用户而言，该结果可能是不舒适的，同时也使踏板速度和加速度的测量以及要提供的最终车辆速度复杂化。因此，负载配置文件还应该能够在踏板运动的每半转内进行调整，以至于即使在循环踏板力的最大波动期间，也能感觉到均匀的阻力，并且踏板速度能够平滑。

8、本发明旨在解决至少一些上述挑战。根据本发明的一个方面，提供了一种改进的串联式混合电动和人力驱动车辆，包括：车架；至少一个车轮，可旋转地耦合至车架；发电机；人力能量输入装置，可移动地耦合至发电机并且可由用户移动以向发电机提供动能；电机，与发电机电耦合并且与至少一个车轮机械耦合；用户输入阻力装置，耦合至人力能量输入装置并且可操作为向人力能量输入装置提供阻力；以及控制系统，与人力能量输入装置、电机和用户输入阻力装置通信。控制系统被配置为从人力能量输入装置接收速度和加速度输入信号，基于输入信号指示电机驱动至少一个车轮，并且指示用户输入阻力装置向人力用户输入装置提供补充阻力，该补充阻力响应于用户踏频和/或力的变化而变化，该补充阻力补充由发电机提供给人力能量输入装置的发电阻力。

9、车辆可以是具有一个或多个车轮的自行车，其中人力能量输入装置是曲柄组，该曲柄组包括可旋转地耦合至发电机的脚踏板或手踏板。

10、车辆还可以包括与发电机和电机电耦合的电池。用户输入阻力装置可以包括以下中的一者或多者：摩擦垫、离合器、液压耗散器、风扇、磁铁、或脉宽调制（pwm）可切换电路，该电路使用电磁铁、涡流、感应器、电阻器或电容器、电流注入、极性切换或电流再循环中的一者或多者来修改负载。

11、在本发明的一些方面中，用户输入阻力装置包括耦合至发电机的三相电机的换流器，其中换流器可操作为对由人力能量输入装置旋转三相电机时三相电机的反电动势产生的交流电进行整流，同时提供再生制动电路，其能可变地调整对人力能量输入装置的阻力。换流器可以包括半导体开关阵列，以在对由发电机输出的三相电流整流的同时提供再生制动电路，并且控制系统包括处理器和存储器，存储器具有指令，指令在由处理器执行时使用具有可变占空比的pwm可控地打开和关闭半导体开关，从而可变地控制补充阻力的量。

12、控制系统存储器还可以包括指令，该指令在由处理器执行时测量响应于所提供的补充阻力和发电阻力而由用户施加到人力能量输入装置的踏频和力，基于所测量的踏频和/或力确定用户期望的目标车辆速度和加速度，并指示电机以所确定的目标车辆速度驱动车轮。

13、控制系统存储器还可以存储指令，该指令在由处理器执行时，根据至少给定车辆速度的瞬时空气阻力和瞬时惯性阻力确定踏板总阻力，然后根据总踏板阻力和发电阻力确定补充阻力。

14、车辆还可以包括一个或多个传感器，该传感器被配置为测量车辆的速度和加速度，并且处理器基于使用在给定车辆速度下测量的速度和加速度估计的空气阻力和惯性阻力来确定给定车辆速度下的总踏板阻力。

15、替代地，存储器可以存储查找表，该查找表包括车辆在不同车辆速度下的多个瞬时空气阻力和瞬时惯性阻力值，并且处理器基于从查找表获得的瞬时空气阻力和瞬时惯性阻力值来确定总踏板阻力。

16、控制系统存储器还可以存储指令，该指令在由处理器执行时，根据至少瞬时空气阻力、瞬时惯性阻力、瞬时风阻力、瞬时坡度阻力、瞬时滚动阻力和瞬时颠簸阻力确定总踏板阻力，所有这些阻力均在给定车辆速度下并经过一个或多个可调用户修正因子修正。一个或多个可调用户修正因子可基于用户身体状况、用户努力偏好和车辆状况中的一者或多者进行调整。更具体地，一个或多个可调用户修正因子可以基于用户配置文件是可调的，该用户配置文件包括至少一个转矩-速度曲线，转矩-速度曲线定义了在给定车辆速度下用户在曲柄组上的预期转矩之间的关系。控制系统存储器还可以包括指令，该指令在由处理器执行时，在操作车辆时从用户接收生理测量值，并动态调整一个或多个可调用户修正因子，以维持来自用户的期望功率输出。

17、控制系统存储器还可以包括指令，该指令在由处理器执行时，响应于检测到的用户踏频增加到超过踏频上限阈值，指示用户输入阻力装置增加补充阻力，直到检测到的用户踏频返回到或低于踏频上限阈值。

18、根据本发明的另一个方面，提供了一种用于串联式混合电动/人力驱动车辆的控制系统组件，该串联式混合电动/人力驱动车辆具有车架、可旋转地耦合至车架的至少一个车轮、发电机、与发电机电耦合并与至少一个车轮机械耦合的电机、以及可移动地耦合至发电机并由用户移动以向发电机提供机械能量的人力能量输入装置。控制系统组件包括：用户输入阻力装置，被配置为耦合至人力能量输入装置并且可操作为向人力能量输入装置提供阻力；以及控制系统，与用户输入阻力装置通信，并且被配置为与人力能量输入装置、电机和发电机通信，以从人力能量输入装置接收速度和加速度输入信号，基于输入信号指示电机驱动至少一个车轮，并且指示用户输入阻力装置向人力用户输入装置提供补充阻力，补充阻力响应于用户踏频和/或力的变化而变化，补充阻力补充由发电机提供给人力能量输入装置的发电阻力。

19、用户输入阻力装置可以包括用于耦合至发电机的三相电机的换流器，其中换流器可操作为对由人力能量输入装置旋转三相电机时三相电机的反电动势产生的交流电进行整流，同时提供能可变地调整对人力能量输入装置的阻力的再生制动电路。更具体地，换流器可以包括半导体开关阵列，以在对由发电机输出的三相电流整流的同时提供再生制动电路，并且控制系统包括处理器和存储器，存储器具有指令，该指令在由处理器执行时使用具有可变占空比的脉宽调制（pwm）可控地打开和关闭半导体开关，从而可变地控制补充阻力的量。

20、根据本发明的另一个方面，提供了一种用于控制串联式混合电动/人力驱动车辆的方法，该串联式混合电动/人力驱动车辆具有车架、可旋转地耦合至车架的至少一个车轮、发电机、与发电机电耦合并与至少一个车轮机械耦合的电机、可移动地耦合至发电机并由用户移动以向发电机提供机械能量的人力能量输入装置、以及耦合至人力能量输入装置并可操作以向人力能量输入装置提供阻力的用户输入阻力装置。该方法包括：从人力能量输入装置接收速度和加速度输入信号，基于输入信号指示电机驱动至少一个车轮，并且指示用户输入阻力装置向人力能量输入装置提供补充阻力，该补充阻力响应于用户踏频和/或力的变化而变化，该补充阻力补充由发电机提供给人力能量输入装置的发电阻力。

21、根据本发明的又一个方面，提供了一种人力驱动车辆模拟器，例如固定式健身自行车。模拟器包括：车架；发电机；人力能量输入装置，可移动地耦合至发电机并且可由用户移动以向发电机提供机械能；用户输入阻力装置，耦合至人力能量输入装置并且可操作为向人力能量输入装置提供阻力；以及控制系统。控制系统与人力能量输入装置和用户输入阻力装置通信，控制系统被配置为从人力能量输入装置接收速度和加速度输入信号，并且指示用户输入阻力装置向人力能量输入装置提供补充阻力，该补充阻力响应于用户的踏频和/或施加到人力能量输入装置的力的变化而变化，该补充阻力补充由发电机提供给人力能量输入装置的发电阻力。

22、其他方面和示例实施例在附图中示出和/或在以下描述中描述。