一种便携式电动自行车的设计

谭武龙，丘志敏

（1.江西省核工业地质局二六四大队，江西 赣州 341001；2.韶关学院，广东 韶关 512005）

生活中遍布各式各样的电动自行代步工具，常见的电动自行车基本上是以不同种类的蓄电池作为能源储备装置，通过单片机等电控单元控制电机的工作，及其相应数据通过显示仪器显示的个人交通工具。本文着重进行电动自行车结构设计，尤其关注其便携性和耐用性等，旨在使其便于携带与易于存放，使得出行更加简便和高效[1]。本设计中的电动自行车仅以电能作为能源供给，去除常规自行车的脚踏方式，在非工作时通过折叠进行体积变形。此次设计主要包括：驱动电机的类别分析与选择、能源电池的类型与选择、电路控制系统的选择以及最重要的车身结构设计。便携式电动自行车的配置要求如下。

1 驱动电机

1.1 驱动电机种类

通常情况下，车载用电机可以直接驱动车轮工作类型的电机。常见的车用电机大致分为三种：圆柱式高速电机、有刷电机以及无刷电机。而有刷和无刷又可分为高速和低速两种类型的电机。高速电机需要齿轮传动，这样可以使车轮减速到规定转速，转子包括有铁芯的薄型电枢和无铁芯的盘形电枢两种，一般转速为3 000 r/min；而低速电机的工作时直接进行动力输出，因此转速就是车轮转速，一般为200 r/min，不再另外配备减速齿轮，可靠性较好，使用成本低。电动自行车使用的电机类型通常为中低速电机[2]。

1.2 电机分析与选择

电动自行车主要采用的是柱式以及轮廓电机，分析如下。

1.2.1 柱式有刷电机

普通常规直流电机便是柱式有刷电机，圆柱形有刷直流电机一般是中速电机，属于轴输出，效率高，噪声较小，电机内部并不设置减速机构，一般是在轴输出端安装摩擦轮或链轮。

1.2.2 柱式无刷电机

柱式无刷电机与有刷电机外形结构基本相同，与有刷相比，只是没有换向器与碳刷，并且绕组以及通电导通方式都有不同。这种电机运行时因为省略了换向器碳刷等摩擦因素，因此噪音小、故障少并且几乎没有磨损，无需更换碳刷，相比有刷电机，其效率更高，寿命也更长。

1.2.3 轮廓有刷电机

轮廓有刷电机又被称为有刷有齿电机。大多使用无铁芯的盘形电枢作为转子，它的形状和大小就像一个小光盘，只是稍厚。在盘形电枢表面按设计要求绕了许多放射状的线圈，即绕组。

这种电机的内部有两种不同的构造，一种是无铁芯由印制电路组成的盘形电枢做转子，一种是有铁芯的片形电枢。无铁芯的电机是最轻的，有铁芯的硅钢片组合片数较少，电枢成薄片形，因此它的重量略大于无铁芯的盘形电枢，却大大小于无齿轮减速的低速电机的电枢[3]。

1.3 电机对比与选择

表1 电机经济技术指标参考对比

电机经济技术指标参考对比如表1所示。根据电机特点分析可以推出，电动机转子转速高的，反电动势高和反向电流强，并且驱动电流不能无限制增大，因此高速电机比低速电机更节省电流而且效率更高。

电机的结构形式和传动方式对电动自行车的行驶里程以及爬坡能力有着很大的影响，耗电量效率以及成本都与电机的结构息息相关，有刷电机的碳刷损耗大于9%。有齿轮减速的电机机械损耗同样高，可以占到8%。

根据本设计的电动自行车（便携式）的设计需要及目的，无刷轮廓电机将会成为首要选择。

2 驱动能源分析

2.1 能源供给形式

此次设计所需的蓄电池类型基本有以下几种。

2.1.1 镍氢蓄电电池

最成熟、性能最好的便是通称的镍氢电池，写作MH-Ni。还有一种镍氢电池（H2-Ni）是氢以结合成水的形式储存在金属壳内，其性能较好，但相比于MH-Ni，其结构性和安全性较差，并且需要贵金属做催化剂，电池成本较高，同时使用频率较低[4]。

2.1.2 锂离子蓄电池

锂离子电池结构基本有三种：第一种是每节电池都是一个单格且电压为3.6～3.8 V，容量可以达到几十甚至上百安时的卷极圆柱电池；第二种是尺寸较小适合小容量低消耗用电设施且是方形碟片组合的叠层锂电池；第三种是根据容量要求来确定电池板面积的板式锂电池[5]。

2.1.3 聚合物锂离子蓄电池

聚合物锂离子蓄电池的电解质是固体的，聚合物电解质质量更轻并且工艺性非常好，同时容易成膜以及弹性好，能防止电解质泄露，所以相对更加安全，整体电池质量更轻。

2.2 能源电池分析和选择

对列举的三种蓄电池特性技术进行分析，如表2所示。

2.3 不同电池对比

镍氢电池的低温性能较差，在低温条件时，电解液黏度变大，电导率降低并且质子传输速度减小，同时电池的欧姆内阻也变大。因此，无论是充电还是放电都将变得更加困难，进而阻碍电动车工作时的电流释放。

表2 蓄电池特性参数对比

低温条件下放电困难很容易产生极化，不仅容量不能发挥并且很容易到达放点终止电压。极化则容易发热，发热速率会超过金属氧化物放电时的吸热速度，进而造成热积累，对电解液隔膜以及储氢合金都不利。

聚合物锂离子电池技术比较成熟，其没有液体成分并且其聚合物电介质的可加工性能非常好，可以做成任意形状，使尺寸设计更加灵活简便。聚合物的电池比能量高，自放电小，安全性能良好，循环寿命长。但是，锂离子电池在充放电时若操作不当会导致爆炸或者起火等危险，需要改进。

因此，此次设计的电动自行车根据便携性的宗旨，综合不同电池的性能特性将使用聚合物锂离子电池作为电源部件[3]。

2.4 单片机电路选择

无刷电机并不存在碳刷及其磨损的问题，需要霍尔传感器，而霍尔传感器的存在将会使无刷电机的故障率升高。因此，此次将选用无传感器无刷电机作为设计动力来源，而驱动集成电路同样对应将选用ML4425作为控制芯片[6]。美国公司Micro Liner专门为三相无刷无位置传感器电机设计了ML4425这款芯片，其有启动制动、电流限制、速度控制和交换控制逻辑等模块功能，ML4425的内部模块结构如图1所示。

图1 ML4425原理框图

为了能够换相，ML4425芯片内设置了压控振荡器Vco（15.16脚），反电动势采样误差放大器以及交换控制模块；设置了PWM调制、生成和速度信号的输入（8脚）模块；接口22.23.24是ABC三相绕组的反电动势过零鉴别输入接口，而高端驱动2.3.4和低端驱动9.10.11则分别是两种驱动输出。

Rt与6脚外界电容Ct共同组成的振荡电路是5脚，PWM的频率则是由电容和电阻锁决定的。PWM矩形波的正负电压差由12脚控制，在锯齿波上由13脚控制截取波形的位置，从而得到工作所需的PWM调制值[7]。

3 车身结构与部件的匹配

综合便携式的设计宗旨以及各种配置的特性，本设计的便携式电动自行车车身结构如图2所示，其工作原理如图3所示。

图2 车身结构布局示意图

图3 工作原理示意图

4 结论

此次设计的便携式电动自行车在体积方面有着极佳的先天性优势,通过车身的折叠可以显著提升空间利用率。在车身折叠后，其只需要较小空间便可以储存，不仅节省室内空间，还可以存放在汽车后拖箱内，在长途跋涉后作为短距离代步工具。同时，车身使用聚合物锂电池作为能源装置来提供工作所需能量，聚合物锂电池的高能量比和体积优势给车身的尺寸设计节省了大量的所需体积，形状易于设计的优势使电池可以直接置于车身中，不仅隐蔽还兼顾了外形的美观。其使用的铝制车身并不是常规的钢铁材质，极大减轻了携带重量。另外，无刷轮廓电机的运用，不仅提高了车辆使用的稳定性，也兼顾了设计美感。

无传感器（霍尔传感器）无刷轮廓低速电机，同时搭配ML4425电路控制单元进行车辆能源与驱动的工作控制，电源装置也是以便携体积小、储备能量大、能量比高的聚合物锂电池来代替。车身结构以便携为第一设计原则，使其在城市道路使用时以最小的体积带来无与伦比的效率，改善人们的代步方式，提高出行质量。