背景

眾所周知的是，人類踩踏板的最優(yōu)踏板角速度是在60rpm至90rpm的區(qū)域中。在踏板中施加的力是高度自然動(dòng)態(tài)的，并且不能被預(yù)測(cè)，在最低踩踏力與最高踩踏力之間的動(dòng)態(tài)范圍可以在1000倍的范圍中。

當(dāng)人類源例如在自行車的踏板上施加轉(zhuǎn)矩時(shí)，所得到的能量是受施加力的目的支配，人體生理學(xué)和系統(tǒng)的構(gòu)造將能量傳遞給系統(tǒng)。首先是被施加以形成踏板回轉(zhuǎn)的能量或轉(zhuǎn)矩，并且這是以緩慢的速度來改變的，例如當(dāng)使用者希望以更快或更慢的步調(diào)駕駛、并因此在踏板上置以更多或更少的力時(shí)。

其次是作為人體解剖學(xué)不能夠在踏板的整個(gè)圓周產(chǎn)生相等轉(zhuǎn)矩的結(jié)果的每次踏板回轉(zhuǎn)的低頻雙波形。最后是與發(fā)電機(jī)構(gòu)造相關(guān)的高頻。本發(fā)明描述了控制踏板中的反力的方式，從而適應(yīng)高品質(zhì)用戶體驗(yàn)并且更有效地收獲人體能量，而仍給予駕駛者與駕駛傳統(tǒng)鏈條傳動(dòng)自行車相同的感覺。

眾所周知的是，在自行車中引入電動(dòng)機(jī)，尤其是其中它們?nèi)炕虿糠值叵嗷プ饔靡暂o助使用者通過常規(guī)嵌齒輪及鏈條系統(tǒng)提供動(dòng)力。這是非常能量有效的傳遞能量的方式，但是具有的缺點(diǎn)是，需要維護(hù)所有的機(jī)械零件，齒輪傳動(dòng)是機(jī)械的，具有這種情況的所有缺點(diǎn)，例如，許多嵌齒輪等，并且進(jìn)一步的，許多零件需要呈直線對(duì)齊的構(gòu)造限制。

因此引入了用其他驅(qū)動(dòng)方法代替鏈條的系統(tǒng)，例如在美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?011/266082中披露的“由人類發(fā)電驅(qū)動(dòng)的異步有線傳動(dòng)電動(dòng)踏板車輛(Asynchronous wired-transmission electric pedalling vehicle driven by human generating power)”。在此，該申請(qǐng)披露了具有一種由人類發(fā)電驅(qū)動(dòng)的異步有線傳動(dòng)電動(dòng)踏板車輛，該車輛由人腳驅(qū)動(dòng)并且具有運(yùn)動(dòng)效果，并且其特征為，使用人力驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，并且將由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載。該系統(tǒng)進(jìn)一步披露了被安裝在發(fā)電機(jī)和電機(jī)之間的充電/放電裝置，其中：充電/放電裝置是由可再充電電池、或電容器、或超級(jí)電容器構(gòu)成的。

另一個(gè)文件美國(guó)專利號(hào)7156780披露了一種用于車輛的通過肌肉力量操作的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并且包括腳踏板和與腳踏板機(jī)械連接的機(jī)械發(fā)電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括電力傳動(dòng)系和具有發(fā)電機(jī)的控制程序的電控制系統(tǒng)，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠產(chǎn)生反力矩或負(fù)載力矩(GM)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括用于發(fā)電機(jī)的起動(dòng)控制系統(tǒng)，在腳踏板處借助于該起動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生靜止踏板阻力(TW)和高起動(dòng)力矩(MA)。當(dāng)使用在固定訓(xùn)練設(shè)備上時(shí)，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括具有雙向轉(zhuǎn)換器的電機(jī)操作控制系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)還能夠借助于其作為電機(jī)運(yùn)行。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括電存儲(chǔ)裝置和超級(jí)電容器。

第三個(gè)文件美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?012/0202649披露了一種無(wú)鏈條電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)，該無(wú)鏈條電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)允許騎乘者/使用者踩踏踏板發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生電力傳動(dòng)能源，該電力傳動(dòng)能源為電池充電或者部分地為輪轂電機(jī)提供動(dòng)力、使電池向被包含在這些車輪之一內(nèi)的輪轂電機(jī)放電、允許使用者使用圍繞車把定向的控制來設(shè)定踏板發(fā)電機(jī)的所希望的阻力等級(jí)、允許使用者使用圍繞車把定向的速度控制裝置來激活輪轂電機(jī)、并且允許使用者通過連接標(biāo)準(zhǔn)110V/220V交流電源來為電池充電。無(wú)鏈條自行車是一種自行車，其中來自騎乘者的輸入動(dòng)力沒有被后車輪通過將踏板連接至后車輪的齒輪和鏈條系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成輸出功率。

本發(fā)明涉及一種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于由發(fā)電機(jī)和可能的其他能量單元(電池、超級(jí)電容器、發(fā)電機(jī)等)提供動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛，其中發(fā)電機(jī)被連接至自然動(dòng)力源，例如是，但不局限于，生物驅(qū)動(dòng)源，如由人類操作的自行車踏板。自然動(dòng)力源在此背景下應(yīng)被理解為任何環(huán)境類源，例如風(fēng)、水流、日光等，或生物源，例如人類/動(dòng)物驅(qū)動(dòng)的，類似于人類通過連接至自行車的踏板為發(fā)電機(jī)饋送能量。在更具體的實(shí)施例中，本發(fā)明涉及與在這三個(gè)文件中披露的那些自行車類似的一種自行車，然而，其中反力控制被設(shè)計(jì)成根據(jù)使用者的愿望和/或需要來匹配傳統(tǒng)鏈條嵌齒輪系統(tǒng)的駕駛者體驗(yàn)，從而更好地管理駕駛，并且其中避免了機(jī)械零件、齒輪傳動(dòng)和構(gòu)造限制的許多上述缺點(diǎn)。

發(fā)明概述

概括地講，本發(fā)明涉及一種裝置，該裝置以與該裝置外部的多個(gè)條件相關(guān)的動(dòng)態(tài)裝置速度運(yùn)行，并且其中該裝置至少部分地由動(dòng)態(tài)源提供動(dòng)力，該動(dòng)態(tài)源使發(fā)電機(jī)以發(fā)電機(jī)速度來運(yùn)行，其中在該發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生的能量總體上取決于反力并且在更具體的實(shí)施例中取決于反轉(zhuǎn)矩，并且其中該發(fā)電機(jī)是通過取決于發(fā)電機(jī)角速度和裝置速度的輸入基準(zhǔn)來控制的。

在更具體的實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種由動(dòng)態(tài)改變的自然源提供動(dòng)力的車輛，其中在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，這是從自然源通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(例如一組踏板)傳遞給發(fā)電機(jī)的，并且該車輛是自行車。

該發(fā)電機(jī)優(yōu)選地通過控制器來優(yōu)選地連接至電動(dòng)機(jī)，和/或(可能通過控制器)連接至系統(tǒng)的進(jìn)一步的能量源的每一者。由此實(shí)現(xiàn)的是，該車輛可以(通過控制器)由發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力，而不需要進(jìn)一步的能量源，但是還可以用于對(duì)這些能量源充電。

本發(fā)明的主要目的是控制踏板速度(或在下文中僅被稱為踏板速度)以配合人體，從而對(duì)于來自踏板的所經(jīng)受的改變的反力而言來滿足駕駛者需求。踏板速度和發(fā)電機(jī)角速度(或僅被稱為發(fā)電機(jī)速度)是直接關(guān)聯(lián)的，在于由車輛的駕駛者引起的踏板旋轉(zhuǎn)任選地通過一些機(jī)械齒輪傳動(dòng)來產(chǎn)生發(fā)電機(jī)速度。因此本發(fā)明的一個(gè)目的是將踏板速度調(diào)節(jié)成基本上維持在恒定等級(jí)下，這是通過改變踏板中的反力來解決的，這例如是當(dāng)踏板速度降低時(shí)減小反轉(zhuǎn)矩，從而易于踩踏，但同樣減少所產(chǎn)生的能量，并且相應(yīng)地，當(dāng)踏板速度增加時(shí)，反轉(zhuǎn)矩增加，從而在發(fā)電機(jī)中提取更多能量。

因此該目的是補(bǔ)償影響所收獲的動(dòng)力的改變條件，并且這是通過控制器來解決的，該控制器調(diào)整發(fā)電機(jī)的反力并由此調(diào)節(jié)在所施加的轉(zhuǎn)矩與所得到的踏板速度之間的關(guān)系。

本發(fā)明的主要目的是引入一種車輛，該車輛包括通過電動(dòng)機(jī)單獨(dú)旋轉(zhuǎn)的車輪，用于電動(dòng)機(jī)的能量至少部分地是通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力的動(dòng)態(tài)自然動(dòng)力源，其中該發(fā)電機(jī)能夠?qū)⒎戳μ砑拥絺鲃?dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行中，并且其中在發(fā)電機(jī)中的能量產(chǎn)生與反力有關(guān)，并且其中該反力是可控的。

以此方式，由踏板作用在駕駛者上的踏板反力主要是由發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流來確定的。通過將踏板速度(對(duì)應(yīng)于發(fā)電機(jī)速度)與目標(biāo)速度基準(zhǔn)R進(jìn)行對(duì)比，則獲得了誤差信號(hào)ε。通過高增益補(bǔ)償器將這個(gè)誤差信號(hào)放大，從而使該誤差信號(hào)增加一個(gè)因數(shù)(例如成百、成千或甚至更多的量級(jí))，從而形成補(bǔ)償信號(hào)。該補(bǔ)償信號(hào)用于控制發(fā)電機(jī)的負(fù)載、和因此的反力，其中該增益確保了快速響應(yīng)，即使在踏板速度中的小的改變也變成大的補(bǔ)償信號(hào)，并且由此成為反力的快速改變以滿足所希望的角速度。這樣形成了能夠通過控制由發(fā)電機(jī)施加給踏板的反轉(zhuǎn)矩以高度的精度調(diào)節(jié)踏板速度的閉環(huán)系統(tǒng)，而無(wú)視施加到踏板上的力，從而實(shí)施反力、或反轉(zhuǎn)矩的閉合反饋控制以調(diào)節(jié)踏板速度，該車輛進(jìn)一步包括發(fā)電機(jī)控制器，由所述控制器形成的調(diào)節(jié)是基于取決于一個(gè)或多個(gè)用戶輸入(例如齒輪傳動(dòng)比)的第一輸入信號(hào)U1。

因?yàn)轳{駛者自然不能貫穿踏板的整個(gè)圓周向踏板施加均勻的力，在一個(gè)實(shí)施例中，第一輸入信號(hào)進(jìn)一步取決于踏板位置并且根據(jù)取決于踏板位置的預(yù)定曲線來調(diào)整。以此方式，在反力中可以抵消在某些踏板位置處的駕駛者力的缺乏。這個(gè)曲線可以包括，在駕駛者自然地將為踏板遞送較小的力的位置處減小反力。

在具體的電動(dòng)齒輪傳動(dòng)實(shí)施例中，對(duì)反力的調(diào)節(jié)是基于將車輛速度與發(fā)電機(jī)速度之比保持恒定因數(shù)。通過車輛速度和/或踏板位置對(duì)目標(biāo)角速度基準(zhǔn)的這種調(diào)整給予了來自傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)的特性，例如多齒輪傳動(dòng)和/或非圓形鏈條作用。

本發(fā)明的益處包括，不需要昂貴的機(jī)械轉(zhuǎn)矩測(cè)量。通過使用閉環(huán)技術(shù)，抵消了所有的主要公差，例如發(fā)電機(jī)阻抗和轉(zhuǎn)矩測(cè)量。踏板速度的總控制和因此所有可能的使用者體驗(yàn)實(shí)現(xiàn)方式被確保具有車輛駕駛者的駕駛體驗(yàn)的益處。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供與健康有關(guān)的功能性，這使得車輛能夠保護(hù)人體解剖學(xué)不受作用在腿上的過量的力，其中這是通過引入使用者設(shè)定的所產(chǎn)生的反力方面的限制來完成的。

結(jié)果是一種操作模式，其中這些踏板如果經(jīng)受了高于所允許的施加力則將瞬間釋放反力，因此增加踏板速度。

附圖

圖1使用本發(fā)明的控制器的車輛

圖2根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖

圖3根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖

圖4根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖

發(fā)明詳細(xì)說明

本發(fā)明涉及一種車輛，該車輛由自然產(chǎn)生的動(dòng)力、尤其是通過將踩踏動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑蚬β?電壓)而形成的人類產(chǎn)生的動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)，該電能或功率再次直接或間接地饋送到附接到車輛車輪上的電動(dòng)機(jī)，并且其中該電動(dòng)機(jī)然后使車輪旋轉(zhuǎn)，因此形成車輛移動(dòng)。

圖1展示了通過在自行車的實(shí)施例中的車輛1例證的本發(fā)明的基本設(shè)置，其中通過將電能傳遞饋送給電動(dòng)機(jī)4來替代動(dòng)力從踏板2到車輪3的常用鏈條傳動(dòng)。踏板2連接至發(fā)電機(jī)6，因此使踩踏能量變成電能。

在所展示的實(shí)施例中，發(fā)電機(jī)6連接至控制區(qū)段15，并且其中控制區(qū)段15進(jìn)一步控制電池7并且任選地可以連接至記錄踏板2位置和/或踩踏速度的傳感器。

當(dāng)通過踩踏驅(qū)動(dòng)普通的鏈條驅(qū)動(dòng)車輛1(例如自行車)時(shí)，則車輛1的駕駛者體驗(yàn)來自踏板的(其中這例如取決于路徑的傾斜度)還有來自鏈條傳動(dòng)自身的反力。

在單純由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的無(wú)鏈條車輛中，反力通過不同的方法來產(chǎn)生，例如貫穿這個(gè)說明書描述的發(fā)電機(jī)的電子負(fù)載、或發(fā)電機(jī)負(fù)載電流，并且小程度的涉及發(fā)電機(jī)的慣性和其中的渦流損耗。

由使用者在踩踏時(shí)經(jīng)受的反力(也被稱為反轉(zhuǎn)矩(T反))是由發(fā)電機(jī)負(fù)載電流形成的，其中這可以例如通過發(fā)電機(jī)控制器中的功率級(jí)施加給發(fā)電機(jī)的電阻負(fù)載(例如歐姆負(fù)載)形成的。這然后還限定了通過發(fā)電機(jī)提取的能量，電阻負(fù)載越高，發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的能量、或功率越高，并且因此傳遞給電池或電機(jī)的能量越多?？梢酝ㄟ^小于1ms的量級(jí)非常精確和快速地控制這個(gè)負(fù)載。

所產(chǎn)生的能量E發(fā)電機(jī)與反轉(zhuǎn)矩T反、和踩踏速度V踏板相關(guān)，或呈數(shù)學(xué)關(guān)系：

E發(fā)電機(jī)＝T反x V踏板

在踏板的完整旋轉(zhuǎn)過程中，由駕駛者遞送的可能轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化，當(dāng)踏板處于豎直位置中時(shí)，則駕駛者將能夠?qū)μぐ暹f送顯著比在水平位置中更少的力，其中踏板的位置是相對(duì)于駕駛者來看的。這導(dǎo)致在踏板的完整旋轉(zhuǎn)過程中的不均勻的能量遞送，或者在系統(tǒng)沒有對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下對(duì)于使用者的不均勻體驗(yàn)。

一種特殊的情況是在車輛1的起動(dòng)過程中，其中踩踏速度非常低。在此，可能必須跨發(fā)電機(jī)施加負(fù)電壓以便產(chǎn)生足夠的反力。在這種特殊情況下，能量被花費(fèi)在控制踏板位置和/或速度方面。

進(jìn)一步的因素是由在一整圈踩踏上平均來看的駕駛者遞送的能量，以及在這種改變時(shí)控制器的反作用。

電池因此涉及至少兩個(gè)控制，一個(gè)與發(fā)電機(jī)中的反力有關(guān)，并且第二個(gè)與添加到電機(jī)上的駕駛輔助能量有關(guān)。第三個(gè)控制可以是通過吸收制動(dòng)能量。

在替代實(shí)施例中，車輛將不包括電池，被遞送給電機(jī)的所有能量則將來自發(fā)電機(jī)，或者可能有替代的額外的動(dòng)力源，例如燃料電池或太陽(yáng)能電池。

可以基于不同的輸入對(duì)控制采用多種不同的策略。

圖2展示了根據(jù)本發(fā)明的車輛1的控制系統(tǒng)，該圖示出了發(fā)電機(jī)6，該發(fā)電機(jī)形成了踩踏系統(tǒng)2的一部分并且被連接至發(fā)電機(jī)控制器20。發(fā)電機(jī)控制器包括將發(fā)電機(jī)6產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化并且將其饋送至電池7和/或電機(jī)4的高效的交流至直流功率轉(zhuǎn)換級(jí)。發(fā)電機(jī)電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩或反轉(zhuǎn)矩T反緊密相關(guān)，如在以上關(guān)于圖1已經(jīng)描述過的。發(fā)電機(jī)控制器進(jìn)一步包括電流模式控制器，該電流模式控制器使得能夠通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩命令信號(hào)U1對(duì)反力進(jìn)行直接控制。

以相同的方式，電機(jī)控制器22將直流能量轉(zhuǎn)變成交流信號(hào)以用于控制電機(jī)。電機(jī)控制器還包括用于通過施加轉(zhuǎn)矩命令信號(hào)U2來控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的器件。

施加給電機(jī)4的功率是由發(fā)電機(jī)6和/或電池7提供的。電機(jī)經(jīng)受外部阻力，對(duì)于所展示的實(shí)例，該外部阻力可以包括車輛上坡駕駛、頂風(fēng)駕駛等、或小程度地涉及系統(tǒng)自身內(nèi)的阻力損耗。這些因素中的許多是高度動(dòng)態(tài)的。

電機(jī)控制器22控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩T電機(jī)，以及在來自發(fā)電機(jī)6的供應(yīng)功率之外的由電池7供應(yīng)的功率比。電機(jī)控制器22控制并獲知電機(jī)的實(shí)際角速度(電機(jī)速度)，這是與車輛速度直接相關(guān)的。

發(fā)電機(jī)6至少部分地產(chǎn)生用于電機(jī)4的功率，其中這個(gè)功率取決于發(fā)電機(jī)速度和反轉(zhuǎn)矩T反。反轉(zhuǎn)矩越高，踏板的每次回轉(zhuǎn)提取的功率越多，同樣如上所述。因此，獲知反轉(zhuǎn)矩和所產(chǎn)生的電壓，就可以計(jì)算發(fā)電機(jī)速度，對(duì)應(yīng)于回環(huán)于該調(diào)節(jié)電路作為系統(tǒng)輸出的踏板角速度，箱30是代表找出發(fā)電機(jī)速度的踏板速度檢測(cè)塊，其中本發(fā)明不局限于任何特定的方法。

本發(fā)明的基礎(chǔ)是將控制引入在基本上不可預(yù)知的動(dòng)態(tài)反條件下以裝置速度運(yùn)行的裝置(在表面上以對(duì)應(yīng)于電機(jī)速度的車輛速度駕駛的車輛、或更確切地自行車)，其中該裝置至少部分地由基本上不可預(yù)知的動(dòng)態(tài)源提供動(dòng)力，該動(dòng)態(tài)源使發(fā)電機(jī)以發(fā)電機(jī)速度(例如自然源，類似于人類驅(qū)動(dòng)自行車的發(fā)電機(jī))運(yùn)行并且任選地由更加可預(yù)知的動(dòng)力源(例如電容器和/或電池)來部分地提供動(dòng)力。本發(fā)明的本質(zhì)不必是使裝置維持在某個(gè)給定的或預(yù)定的速度(車輛速度或電機(jī)速度)下、也不必是使發(fā)電機(jī)維持在某個(gè)預(yù)定速度下，而是以任選通過某個(gè)齒輪傳動(dòng)比將其關(guān)系維持恒定的目的進(jìn)行調(diào)節(jié)。

根據(jù)本發(fā)明的在調(diào)節(jié)中的本質(zhì)是如在圖2中可見的兩個(gè)環(huán)路調(diào)節(jié)，其中第一環(huán)路C1基于輸出Y和基準(zhǔn)R與發(fā)電機(jī)控制器20相關(guān)，并且第二環(huán)路C2涉及產(chǎn)生基準(zhǔn)R。

在第一控制環(huán)路C1中，第一系統(tǒng)輸入U(xiǎn)1是用于發(fā)電機(jī)控制器20的控制基準(zhǔn)，該控制基準(zhǔn)具有標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部調(diào)節(jié)并且調(diào)整被施加給發(fā)電機(jī)6的反轉(zhuǎn)矩T反，如果踏板角速度30變得比第一系統(tǒng)輸入U(xiǎn)₁更高則將其升高，并且反之亦然。

為了控制踏板速度，形成了負(fù)反饋環(huán)路，該負(fù)反饋環(huán)路包括踏板速度檢測(cè)塊30、基準(zhǔn)信號(hào)R、差分算子41和補(bǔ)償器21。Y是與任選地被重新安排的所檢測(cè)(測(cè)量或計(jì)算)的車輛速度相關(guān)的反饋信號(hào)，當(dāng)將電機(jī)速度與基準(zhǔn)輸入R進(jìn)行對(duì)比時(shí)，給出誤差信號(hào)ε。然后將誤差信號(hào)通過足夠的增益來饋送給補(bǔ)償器單元21，該增益使得環(huán)路能夠通過參照基準(zhǔn)輸入R通過控制施加給發(fā)電機(jī)6的反轉(zhuǎn)矩T反來調(diào)節(jié)踏板速度。這個(gè)環(huán)路被稱為“踏蹬頻率環(huán)路”。

在這個(gè)塊中作為對(duì)補(bǔ)償器21的輸入的誤差ε被給予了足夠的增益來獲得對(duì)系統(tǒng)的精確控制，輸出是第一系統(tǒng)輸入U(xiǎn)1。通過將呈傳遞功能的任何數(shù)量的極點(diǎn)和零點(diǎn)安排成其方式使得獲得穩(wěn)定的閉路，可以在連續(xù)時(shí)間或離散時(shí)間域中實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償器?？梢詫?shí)現(xiàn)呈單極點(diǎn)/零點(diǎn)系統(tǒng)的形式的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)方式，也被稱為PI或PID控制器。

引入第二控制環(huán)路C2來產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)R。這個(gè)環(huán)路使得能夠通過將自行車速度與踏板速度的控制相關(guān)聯(lián)來模擬鏈條自行車的傳統(tǒng)運(yùn)行。該環(huán)路包含自行車速度檢測(cè)器33、由在下文中被稱為“齒輪比”的控制輸入31因數(shù)進(jìn)行的乘法40。速度檢測(cè)器30的輸出乘以齒輪比31信號(hào)并且饋送至踏蹬頻率環(huán)路C1的基準(zhǔn)輸入R。這樣通過因數(shù)將踏板速度與車輛速度(或重新安排為電機(jī)速度)關(guān)聯(lián)起來，“齒輪比”31指從踏板至車輛的相對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)可以根據(jù)用于鏈條自行車的普通機(jī)械齒輪傳動(dòng)來改變，然而與機(jī)械齒輪不同的是不存在齒輪級(jí)。可以通過常見的方式由使用者設(shè)定齒輪等級(jí)(等級(jí)1、等級(jí)2)來直接控制齒輪比31，其中齒輪比31可以是該齒輪等級(jí)、或者可以成比例、或用于算法、或自動(dòng)控制，如在稍后描述的。

用于電機(jī)控制的第二控制信號(hào)U2是由第一控制信號(hào)U1乘以以下被稱為“轉(zhuǎn)矩比”的控制信號(hào)34來形成的。目的是為自行車駕駛者對(duì)施加力到踏板的感覺與所得到的與傳統(tǒng)鏈條自行車接近的電機(jī)轉(zhuǎn)矩給出緊密配合，但是沒有動(dòng)力轉(zhuǎn)換的損耗以及尤其是在發(fā)電機(jī)和電機(jī)中的電阻損耗。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)和電機(jī)被控制在當(dāng)前的區(qū)域中，電阻損耗不在方程中并且可以獲得小于5％的轉(zhuǎn)矩比誤差。

對(duì)于自行車的實(shí)例，U1是對(duì)應(yīng)于駕駛者踩踏有多困難、或者更一般地說對(duì)應(yīng)于自然源作用在發(fā)電機(jī)上有多困難、或具有多少轉(zhuǎn)矩的因數(shù)。然后參照實(shí)際車輛速度以由齒輪傳動(dòng)比31設(shè)定的比例來調(diào)整發(fā)電機(jī)中的反轉(zhuǎn)矩T反。然而當(dāng)車輛被電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，將相同的信號(hào)發(fā)送給電機(jī)作為對(duì)電機(jī)控制器的控制信號(hào)，該電機(jī)控制器通過給電機(jī)饋送對(duì)應(yīng)于實(shí)際踏板速度的齒輪關(guān)系的功率、或轉(zhuǎn)矩(或更廣義來講對(duì)應(yīng)于由自然源遞送至發(fā)電機(jī)的實(shí)際功率)來作出反應(yīng)。

電機(jī)控制器于是通過從電池汲取額外所需的功率來確保將所需要的功率(電壓)供應(yīng)至電機(jī)。

在鏈條驅(qū)動(dòng)自行車中的經(jīng)驗(yàn)是將所有功率從踏板通過鏈條直接傳遞至車輪，對(duì)于這種車輛而言這是明顯的事情，這還有助于維持平衡。然而，對(duì)于無(wú)鏈條車輛，其中電機(jī)4基于此來驅(qū)動(dòng)車輪2是不那么明顯的。

在僅具有一個(gè)齒輪傳動(dòng)的傳統(tǒng)自行車中，傳統(tǒng)的機(jī)械齒輪傳動(dòng)可以具有例如約0.43的比率(嵌齒輪轉(zhuǎn)矩除以踏板轉(zhuǎn)矩)。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，齒輪比被校準(zhǔn)成使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)踏板(發(fā)電機(jī))轉(zhuǎn)矩之比被設(shè)定成1/0.43，或更廣義來講為齒傳動(dòng)比的倒數(shù)。

這是由于將另一個(gè)因數(shù)乘以控制內(nèi)的信號(hào)‘轉(zhuǎn)矩比’34，該轉(zhuǎn)矩比是因數(shù)乘以第一系統(tǒng)輸入U(xiǎn)1形成作為對(duì)電機(jī)控制器22的控制輸入的第二系統(tǒng)輸入U(xiǎn)2。這個(gè)因數(shù)被設(shè)定成使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩與踏板轉(zhuǎn)矩的總比率將是0.43、或更一般的講在任何預(yù)定總轉(zhuǎn)矩比下，當(dāng)任選使用者設(shè)置‘輔助等級(jí)’為1的‘中性’設(shè)置是按比例的以便通過這個(gè)因數(shù)形成轉(zhuǎn)矩比。

這例如可以是以與用于齒輪的相同方式，這些把手之一具有1、2等‘輔助等級(jí)’設(shè)置，其中‘1’是‘中性’設(shè)置，因數(shù)2則是雙倍轉(zhuǎn)矩比等?！o助等級(jí)’于是與多倍的‘轉(zhuǎn)矩比’34是成比例的，從而形成第二系統(tǒng)輸入U(xiǎn)2。由于第二系統(tǒng)輸入不影響用于發(fā)電機(jī)控制器20的信號(hào)U1、而僅影響電機(jī)控制器22，因此改變了電機(jī)速度和因此的車輛速度，與由踏板2產(chǎn)生的動(dòng)力相關(guān)聯(lián)地看出，這是與根據(jù)使用者所希望的輔助的踏板速度相關(guān)來看的對(duì)車輛的額外輔助功率。然后，因?yàn)殡姍C(jī)4將需要比由發(fā)電機(jī)6供應(yīng)的更多的功率，電機(jī)控制器22將自動(dòng)從電池7中汲取這個(gè)功率。

轉(zhuǎn)矩比信號(hào)34可以被使用者直接設(shè)定為輔助等級(jí)、或自動(dòng)設(shè)定，如稍后解釋的。

這兩個(gè)因數(shù)乘以控制信號(hào)(齒輪傳動(dòng)比31和轉(zhuǎn)矩比34)可以如以上例證地是簡(jiǎn)單的使用者設(shè)定，其中使用者選擇多個(gè)可能的設(shè)定之一。可替代地，它們中的一者或兩者可以基于考慮多種因素的多個(gè)高等算法，例如外部參數(shù)(類似于環(huán)境條件、雨的狀態(tài)、風(fēng)、溫度、濕度、上坡或下坡等)，該系統(tǒng)于是任選地包括增加這些信息的所需要的傳感器或通信裝置。

算法可以與齒輪傳動(dòng)比31和轉(zhuǎn)矩比34之間的關(guān)系相關(guān)，該齒輪傳動(dòng)比和該轉(zhuǎn)矩比任選地基于調(diào)整相關(guān)齒輪等級(jí)和/或有助于等級(jí)的外部或駕駛者參數(shù)，從而對(duì)一個(gè)或另一個(gè)進(jìn)行更多調(diào)節(jié)。

算法可以推翻使用者對(duì)齒輪傳動(dòng)比31和/或轉(zhuǎn)矩比34的設(shè)定，或者它們可以考慮僅暫時(shí)地對(duì)其進(jìn)行調(diào)整或永久地對(duì)其進(jìn)行調(diào)整直到重置。

算法還可以涉及相對(duì)暫時(shí)或永久地(直到再次改變)動(dòng)態(tài)地及時(shí)設(shè)定齒輪傳動(dòng)比31和/或轉(zhuǎn)矩比34，從而將車輛1調(diào)節(jié)至給定速度、踏蹬頻率等。

發(fā)電機(jī)控制器20和電機(jī)控制器22在物理上可以不是兩個(gè)不同的控制器，而是一種控制器與車輛相關(guān)的兩種控制功能。

一種調(diào)節(jié)是基于已知車輛1的駕駛者的踏蹬頻率，這是使用者踩踏有多快的踏板角速度，并因此直接涉及使用者將如何體驗(yàn)駕駛車輛1向前。這里可以例如是通過將傳感器附接到踏板2上來測(cè)量的，還可以是已知直接相關(guān)的發(fā)電機(jī)角速度來計(jì)算的，踏板2可以直接連接至發(fā)電機(jī)6或間接通過一些機(jī)械或電動(dòng)齒輪傳動(dòng)。發(fā)電機(jī)6的實(shí)際角速度30(或在下文中僅被稱為發(fā)電機(jī)速度)例如是通過來自發(fā)電機(jī)6的輸出交流電壓直接測(cè)量、例如通過零交叉測(cè)量、通過峰值測(cè)量、通過使用電機(jī)處的一個(gè)或多個(gè)霍爾元件等。當(dāng)使用多個(gè)霍爾元件時(shí)，可以通過添加更多的霍爾元件來增加測(cè)量的精度。為了使類似于電磁噪音等的因素最小化，可以在引入并連接至發(fā)電機(jī)的分開的虛擬線圈處進(jìn)行(零交叉或峰值)測(cè)量。

踏板角速度和發(fā)電機(jī)角速度30(或發(fā)電機(jī)/踏板角速度)是直接關(guān)聯(lián)的，一者可以由另一者直接計(jì)算得到，因此在以下實(shí)施例中，即使稱為發(fā)電機(jī)速度30(或僅發(fā)電機(jī)速度30)，則這也可以被測(cè)量的踏板速度30替代。

通過控制流自/流向電池7的能量，發(fā)電機(jī)控制器20可以改變發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流，并且由此獲得用于控制踏板速度從峰值轉(zhuǎn)矩水平直至高于150Nm的0rpm至120rpm所必要的反力。

在低踏板速度下，發(fā)電機(jī)控制器可能需要能夠施加發(fā)電機(jī)負(fù)電壓，以便克服發(fā)電機(jī)內(nèi)的電阻損耗。當(dāng)所產(chǎn)生的電動(dòng)力(電壓)由于發(fā)電機(jī)中的串聯(lián)電阻而小于壓降時(shí)，將出現(xiàn)這種模式。

發(fā)電機(jī)可以具有所有可能的類型，即：?jiǎn)蜗嘟涣鳌蜗嘀绷鳌?相感應(yīng)發(fā)電機(jī)、3相感應(yīng)等。

如在圖3中可見，當(dāng)踏板經(jīng)過一個(gè)點(diǎn)時(shí)，踏板角位置32可以通過附接到估算的至少一個(gè)傳感器來測(cè)量，由此可以計(jì)算踩踏的實(shí)際頻率并且因此可以在任何時(shí)間以基本上良好的精度來估算踏板位置?？梢蕴砑痈嗟膫鞲衅饕栽黾泳?，正如替代方法，從而測(cè)量或估算正如也可以被實(shí)施的踏板位置。

圖3基本上展示了與圖2相同的系統(tǒng)，但是具有額外的調(diào)節(jié)因數(shù)，該調(diào)節(jié)因數(shù)用于模擬橢圓形的鏈條，其中考慮了駕駛者取決于踏板位置32將力遞送給踏板，因此使因數(shù)與取決于踏板位置的基準(zhǔn)R相乘43，從而對(duì)抗使用者遞送力的能力。這貫穿踏板的完全旋轉(zhuǎn)使駕駛者在踏板2中的感覺均勻化，從而給出更平滑的騎乘。

這是根據(jù)踏板位置對(duì)所希望的踏蹬頻率進(jìn)行的踏板曲線修改。這種模式將模擬使用非圓形鏈環(huán)的效果。從機(jī)械鏈條傳動(dòng)已知，一些人認(rèn)為這種效果增加了人類的動(dòng)力性能。

還可以通過多種不同的方式來測(cè)量或估算車輛1的速度33，例如，眾所周知的例如使用附接到車輪上的磁性元件的自行車碼表(cycle computer)、或使用GPS、或在電機(jī)中使用霍爾元件。

于是可以通過多種不同的方式使用任何單個(gè)或多個(gè)輸入，在下文中將對(duì)其中一些進(jìn)行描述。本發(fā)明的系統(tǒng)可以使得預(yù)定使用這些實(shí)施例之一，或者例如使用者可以在不同實(shí)施例中的一些或全部之間進(jìn)行選擇。

圖2和圖3進(jìn)一步示出了控制區(qū)段15，該控制區(qū)段包括補(bǔ)償器21，在此處在給定的簡(jiǎn)單或高級(jí)算法下對(duì)比、添加和修改這些信號(hào)。

圖4展示了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，展示了兩個(gè)進(jìn)一步的方面，一個(gè)方面是使用者的設(shè)定等級(jí)43例如但不限于設(shè)定齒輪傳動(dòng)等級(jí)和輔助等級(jí)，如所展示的，根據(jù)例如踏板速度30和車輛速度33的修改通過一些算法形成輸入齒輪比31和轉(zhuǎn)矩比34(但將還應(yīng)用例如車輛1外部的替代或附加參數(shù)。

該圖進(jìn)一步展示了另一個(gè)實(shí)施例，該實(shí)施例不限于本圖的實(shí)施例，而將還應(yīng)用于圖2和圖3的實(shí)施例，其中將車輛速度比例信號(hào)被添加至踏蹬頻率偏置值42。

如上所述，根據(jù)本發(fā)明的對(duì)車輛1的控制可以利用多種非常不同的策略和算法，從而在控制區(qū)段15中產(chǎn)生控制誤差。車輛1可以是通過它們中的任一者或多者來預(yù)先制造的，或者它們可以是對(duì)于駕駛者的使用者任選選項(xiàng)。在一些算法下，還可以自動(dòng)在其之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

系統(tǒng)可以引入不同控制策略中的一種或多種，并且可以包括在不同策略之間的改變。當(dāng)達(dá)到了一定速度等級(jí)時(shí)，例如可以存在在車輛起動(dòng)過程中改變至另一個(gè)的一個(gè)選擇控制策略。在制動(dòng)時(shí)，還可以改變至不同的控制策略。

在另一個(gè)實(shí)施例中，車輛1進(jìn)一步包括電容器，其中可以在電池、電容器和電動(dòng)機(jī)的任一者之間傳遞功率或能量。

因此電能可以直接從發(fā)電機(jī)傳遞至電動(dòng)機(jī)、或從電池和/或電容器或以任意組合并且具有從其傳遞的能量的任何相對(duì)分?jǐn)?shù)。

在發(fā)電機(jī)中形成的電能可以存儲(chǔ)在電池和/或電容器中，正如存儲(chǔ)在電容器中的能量可以傳遞用于存儲(chǔ)在電池中，和/或反之亦然。

還可以將對(duì)電池和電容器進(jìn)行充電的其他器件引入到系統(tǒng)中，例如制動(dòng)能量。當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，許多動(dòng)能由于車輛的速度和運(yùn)動(dòng)而被變換成熱量，而例如將電動(dòng)機(jī)用作為發(fā)電機(jī)，可以替代地將能量存儲(chǔ)為電池和/或電容器中的能量，這些連接并因此將能量從電動(dòng)機(jī)傳遞至電池和電容器?？梢酝ㄟ^向后踩踏來激活制動(dòng)，其中踏板在向后的方向上在齒輪中被機(jī)械妨礙，并且通過取決于踏板上的力的負(fù)載來使輪內(nèi)電機(jī)反向。制動(dòng)還可以通過手動(dòng)制動(dòng)或組合和/或包括系統(tǒng)，其中制動(dòng)的第一部分是通過發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載同樣如上所述將能量傳遞至存儲(chǔ)器件來完成的，并且其中制動(dòng)隨后是以任何已知的方式純機(jī)械的。引入這種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械制動(dòng)將還在電氣零件以某種方式損壞的情況下引入安全機(jī)構(gòu)。獲得能量的其他器件還可以例如與太陽(yáng)電池相關(guān)。最后，該系統(tǒng)可以包括出于實(shí)際的原因可以在非常不同的電壓等級(jí)下工作的其他不同的動(dòng)力源，例如，電池、超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池、或甚至燃料電池，它們分別在所在的電壓等級(jí)下最有效地工作。

本發(fā)明關(guān)鍵的是，車輛不取決于具有類似于電容器和電池的功率存儲(chǔ)器件，而是可以通過發(fā)電機(jī)對(duì)其提供動(dòng)力來直接運(yùn)行。類似于電容器和電池的存儲(chǔ)器件也可以是借助于車輛外部來可移除和可再充電的，但是其中車輛無(wú)論如何可以使用。

本發(fā)明在一個(gè)實(shí)施例中可以引入器件，由此車輛的使用者可以能夠設(shè)定(改變)何時(shí)使用哪種能量源(并且使用多少)的規(guī)則。

該系統(tǒng)還可以包括反轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的可能性，則意味著發(fā)電機(jī)運(yùn)行作為電動(dòng)機(jī)和/或電動(dòng)機(jī)運(yùn)行作為發(fā)電機(jī)。