一種便攜式電動自行車的設計

譚武龍，丘志敏

（1.江西省核工業地質局二六四大隊，江西 贛州 341001；2.韶關學院，廣東 韶關 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，通過單片機等電控單元控制電機的工作，及其相應數據通過顯示儀器顯示的個人交通工具。本文著重進行電動自行車結構設計，尤其關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]。本設計中的電動自行車僅以電能作為能源供給，去除常規自行車的腳踏方式，在非工作時通過折疊進行體積變形。此次設計主要包括：驅動電機的類別分析與選擇、能源電池的類型與選擇、電路控制系統的選擇以及最重要的車身結構設計。便攜式電動自行車的配置要求如下。

1 驅動電機

1.1 驅動電機種類

通常情況下，車載用電機可以直接驅動車輪工作類型的電機。常見的車用電機大致分為三種：圓柱式高速電機、有刷電機以及無刷電機。而有刷和無刷又可分為高速和低速兩種類型的電機。高速電機需要齒輪傳動，這樣可以使車輪減速到規定轉速，轉子包括有鐵芯的薄型電樞和無鐵芯的盤形電樞兩種，一般轉速為3 000 r/min；而低速電機的工作時直接進行動力輸出，因此轉速就是車輪轉速，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類型通常為中低速電機[2]。

1.2 電機分析與選擇

電動自行車主要采用的是柱式以及輪廓電機，分析如下。

1.2.1 柱式有刷電機

普通常規直流電機便是柱式有刷電機，圓柱形有刷直流電機一般是中速電機，屬于軸輸出，效率高，噪聲較小，電機內部并不設置減速機構，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

柱式無刷電機與有刷電機外形結構基本相同，與有刷相比，只是沒有換向器與碳刷，并且繞組以及通電導通方式都有不同。這種電機運行時因為省略了換向器碳刷等摩擦因素，因此噪音小、故障少并且幾乎沒有磨損，無需更換碳刷，相比有刷電機，其效率更高，壽命也更長。

1.2.3 輪廓有刷電機

輪廓有刷電機又被稱為有刷有齒電機。大多使用無鐵芯的盤形電樞作為轉子，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計要求繞了許多放射狀的線圈，即繞組。

這種電機的內部有兩種不同的構造，一種是無鐵芯由印制電路組成的盤形電樞做轉子，一種是有鐵芯的片形電樞。無鐵芯的電機是最輕的，有鐵芯的硅鋼片組合片數較少，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的電樞[3]。

1.3 電機對比與選擇

表1 電機經濟技術指標參考對比

電機經濟技術指標參考對比如表1所示。根據電機特點分析可以推出，電動機轉子轉速高的，反電動勢高和反向電流強，并且驅動電流不能無限制增大，因此高速電機比低速電機更節省電流而且效率更高。

電機的結構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的結構息息相關，有刷電機的碳刷損耗大于9%。有齒輪減速的電機機械損耗同樣高，可以占到8%。

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

2 驅動能源分析

2.1 能源供給形式

此次設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）是氫以結合成水的形式儲存在金屬殼內，其性能較好，但相比于MH-Ni，其結構性和安全性較差，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

鋰離子電池結構基本有三種：第一種是每節電池都是一個單格且電壓為3.6～3.8 V，容量可以達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施且是方形碟片組合的疊層鋰電池；第三種是根據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是固體的，聚合物電解質質量更輕并且工藝性非常好，同時容易成膜以及彈性好，能防止電解質泄露，所以相對更加安全，整體電池質量更輕。

2.2 能源電池分析和選擇

對列舉的三種蓄電池特性技術進行分析，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，電導率降低并且質子傳輸速度減小，同時電池的歐姆內阻也變大。因此，無論是充電還是放電都將變得更加困難，進而阻礙電動車工作時的電流釋放。

表2 蓄電池特性參數對比

低溫條件下放電困難很容易產生極化，不僅容量不能發揮并且很容易到達放點終止電壓。極化則容易發熱，發熱速率會超過金屬氧化物放電時的吸熱速度，進而造成熱積累，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比較成熟，其沒有液體成分并且其聚合物電介質的可加工性能非常好，可以做成任意形狀，使尺寸設計更加靈活簡便。聚合物的電池比能量高，自放電小，安全性能良好，循環壽命長。但是，鋰離子電池在充放電時若操作不當會導致爆炸或者起火等危險，需要改進。

因此，此次設計的電動自行車根據便攜性的宗旨，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 單片機電路選擇

無刷電機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的故障率升高。因此，此次將選用無傳感器無刷電機作為設計動力來源，而驅動集成電路同樣對應將選用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設計了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的內部模塊結構如圖1所示。

圖1 ML4425原理框圖

為了能夠換相，ML4425芯片內設置了壓控振蕩器Vco（15.16腳），反電動勢采樣誤差放大器以及交換控制模塊；設置了PWM調制、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，而高端驅動2.3.4和低端驅動9.10.11則分別是兩種驅動輸出。

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調制值[7]。

3 車身結構與部件的匹配

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

圖2 車身結構布局示意圖

圖3 工作原理示意圖

4 結論

此次設計的便攜式電動自行車在體積方面有著極佳的先天性優勢,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，不僅節省室內空間，還可以存放在汽車后拖箱內，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勢給車身的尺寸設計節省了大量的所需體積，形狀易于設計的優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的鋼鐵材質，極大減輕了攜帶重量。另外，無刷輪廓電機的運用，不僅提高了車輛使用的穩定性，也兼顧了設計美感。

無傳感器（霍爾傳感器）無刷輪廓低速電機，同時搭配ML4425電路控制單元進行車輛能源與驅動的工作控制，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。車身結構以便攜為第一設計原則，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，提高出行質量。