电动自行车的工作原理

    在了解了电动自行车整机结构后，应能够从整体上搞清楚电动自行车的工作原理，了解其工作的基本流程和行车中的控制过程，为进行实际检修做好铺垫，下面我们从电动自行车整车入手，了解电动自行车的工作原理。

    图1-15所示为电动自行车的整车关系方框图。

    从方框图中可以看出，电动自行车的整车工作过程即为电气系统和机械系统相互协作的过程。

 

蓄电池的充电和供电原理

    蓄电池是一种电能存储设备，当电量不足时，由充电器为其补充电能；当电量充足，安装到电动自行车后，向外释放电能，为整车电气系统提供能量。图1-16所示为蓄电池的充电和供电关系。

 

    下面以常见的铅酸蓄电池为例介绍其充电和供电（放电）原理。

    铅酸蓄电池内部以二氧化铅作为正极，纯铅作为负极，这两种活性物质与硫酸溶液共同作用下实现蓄电池的充放电过程。

    (l)铅酸蓄电池的供电原理

    铅酸蓄电池的供电过程，就是化学能转化为电能的过程，图1-17所示为铅酸蓄电池的放电原理示意图。

 

    当蓄电池外接连接线路进行放电时，在电流的作用下，电解液内部处于电离状态，正极板上的二氧化铅与负极板上的纯铅就与电解液中的硫酸起了化学反应，从而生成硫酸铅和水，化学方程式为：

   

   

       Pb02+2H2S04+Pb=2PbS04+2H20

    化学反应中，生成的硫酸铅将分别附着在正、负极板的板面上，而生成的水则重新回到电解液中。随着放电的进行，电解液浓度逐渐下降，正、负极板上的硫酸铅逐渐积累。当这个过程发展到一定的程度时，放电极化现象会越来越重，正极板的电势越来越趋向于负，负极板电势越来越趋向于正，电解液中硫酸的密度越来越低，电池的电压低到终止电压时，放电就必须终止。

    (2)铅酸蓄电池的充电原理

    铅酸蓄电池充电的过程正好与放电过程相反，也就是将电能转化为化学能的过程，图 1-18所示为铅酸蓄电池充电原理示意图。

 

   利用直流输出电源进行充电，直流电会将硫酸铅恢复为原来的活性物质，即纯铅和二氧化铅。其化学反应方程式为：

    2PbS04+2H20 -Pb02+2H2S04+Pb

    当蓄电池连接充电器时，充电器供给电压，附着在正、负极板上的硫酸铅逐步溶解，其与电解液中的水相互作用，使电解液中硫酸浓度不断提高。当这个过程进行到一定程度，充电极化现象越来越重，正、负极板先后分别析出氧和氢，充电电流越来越多地产生水解，电解液中硫酸密度越来越高，正极板电势趋向极正，负极板电势趋向极负，电池电压不断升高，最终恢复到充满电的状态。转把的调速原理

      转把主要用于向控制器传送调速信号，该信号经控制器识别处理后输出控制电动机转速的驱动信号。

    图1-19所示为转把的调速原理示意图。

    电动自行车的骑行者通过转动右手的转把来调节电动自行车的行驶速度。当旋转转把后，带动内部磁钢转动从而使磁场产生变化。而转把内的霍尔IC将根据该磁场强度和极性不同，输出不同的电压值，不同的电压值作为速度信号送到控制器中，进而控制电动机的旋转速度，霍尔IC是霍尔元件与放大电路集于一体的半导体器件。

 

    电动自行车行驶速度的快慢，是由霍尔IC感应磁场极性来决定的，当磁钢的不同极性接近或离开霍尔IC时，霍尔IC输出的电压值将随之增加或减小。通常情况下，当向内转动转把时，霍尔IC输出的电压值将由低到高，称为正把，其电压值为0.8～4_2 V；当向外旋转转把时，霍尔IC输出的电压值将由高到低，称为反把，其电压值为4.2～0.8 V。闸把的刹车原理

    闸把主要用于向控制器传送刹车信号，该信号经控制器识别处理后输出电动机的断电信号。图1-20所示为闸把的刹车原理示意图。

 

    当电动自行车在正常行驶过程中，握住闸把，其手柄位置产生变化，使微动开关触头被弹起,之后由微动开关触头产生将向控制器发出的刹车控制信号，控制器接收到该信号后，将停止对电动机的供电，从而电动机停止转动，实现刹车功能；同时，闸把围绕转轴转动，闸线拉动车闸动作，实现机械制动。资料链接

    有些电动自行车中闸把采用电子式闸把．该类闸把通过闸把内部的霍尔元件采实现刹车功能，其主要原理与转把相同。

    在其闸把内部包含一个霍尔元件和磁铜，当正常行驶过程中，一旦握住闸把进行刹车操作时，其手柄位置产生变化，使其内部磁钢所产生的磁场强度发生改变，霍尔元件并根据所感应磁场强度的不同，向控制器输出刹车控制信号，使电动机停止工作．控制器的控制原理

    在电动机的驱动控制过程中，核心的控制即是由控制器控制电动机的工作状态，实现整机行车、停车、变速行驶等工作状态。因此，控制器和电动机的控制关系和工作过程就是整机的控制过程。

    然而，在目前市场上流行的电动自行车中，根据采用的动力部件电动机类型的不同，分为有刷电动机和无刷电动机两大类，采用不同类型电动机的电动自行车，整机的控制过程基本相同，不同的是其驱动过程复杂程度、控制器与电动机之间的驱动关系及驱动原理。

    (l)有刷电动机控制器的控制原理

    图1-21所示为有刷电动机控制器的控制原理方框图。

 

    当打开电源锁后，接通电源，由蓄电池为电动自行车中控制器、指示部件（仪表盘、车灯）、操控部件（转把、闸把）进行供电，此时控制器进入待机准备工作状态。

    当旋动转把时，调速信号通过引线送往控制器中的控制芯片中，控制器中的控制芯片根据接收到的信号作出相应的反应，并将控制信号或驱动信号送到功率输出电路中，由输出电路将驱动信号或控制信号送到有刷电动机中。

    在行驶过程中，当按下闸把刹车时，刹车信号经连接插件送到控制器中控制芯片，经处理后,切断电动机的供电，使电动机停止运行，达到刹车的目的。

    电动自行车在使用过程中，显示仪表的供电端是由蓄电池进行供电，而控制信号则是由主处理芯片通过连接插件在显示仪表中显示出来，使驾驶者随时了解电动自行车的运行状况。资料链接

    有刷电动机是在控制嚣驱动电路作用下启动、运转而工作的，有刷电动机驱动电路如图1-22所示。

 

    在有刷电动机构成的电气回路中，蓄电池为有刷电动机供电．在供电电路中设有一个控制晶体管,图中VTl是场效应晶体管，如果场效应晶体管导通，则蓄电池的供电电路接通，电动机则旋转，如果场效应晶体管截止，供电电路被切断，电动机则停转．为了能实现调速控制，常采用脉冲控制方式，通过改变场效应晶体管导通周期的时间可以改变送给电动机的平均能量，来实现速度控制，这种方式被称为脉宽调制方式． (2)无刷电动机的控制原理图1-23所示为无刷电动机控制器的控制原理方框图。

 

    当打开电动自行车的电源锁接通电源后，由蓄电池为电动自行车进行供电，仪表盘显示蓄电池的当前状态，同时控制器处于待机准备状态。

    当旋动转把时，调速信号通过引线送往控制器中的控制芯片中。控制器中的控制芯片根据接收到的信号作出相应的反应，并将控制信号和驱动信号送到逻辑电路和功率晶体管中，再输出给电动机控制信号和驱动信号，使无刷电动机运转。

    电动机旋转后，其内部的位置传感器，即霍尔元件将检测到转子磁极的位置信号，反馈到控制器中的控制芯片中，控制逆变器的输出状态。

    当按下闸把时，其闸把的刹车信号经连接插件送到控制器中，控制器中控制芯片对该信号进行处理后，输出的制动信号使得功率晶体管处于关闭状态，使无刷电动机断电，达到刹车的目的。

    在电动自行车进行控制的过程中，控制芯片把当前的控制信号均通过连接插件，在显示仪表中显示出来。资料链接

    在无刷电动机控制器中，6只功率管构成逆变器电路，该电路将直流电压变成交流电流，为电动机拱电．

    6只功率管在控制器控制芯片或PWM信号产生电路控制下，实现交替循环导通和截止控制，从而不断改变电流的方向．驱动信号的流程和相位关系示意图如图1-24所示．

    在t0～t1时刻（0°～120°）：功率管U+和V-导通时，其他功率管截止，其信号流程为：电源电流经正端→功率管U+→U线圈→V线圈→功率管V→R806→负端或到地。

    在t1～t2时刻(120°～ 240°)：功率管V+和w-导通时，其他功率管截止，信号流程为：电源电流经正端→功率管V+→V线圈→W线圈→功率管W-→R806→负端或到地．

    在t2～t3时刻（240°～360°）：功率管W十和U-导通时，其他功率管截止，信号流程为：电源电流经正端→功率管W+→W线圈→U线圈→功率管U-→R806→负端或到地。电动机转动原理

    电动机是电动自行车中的核心部件，它通过内部电气部件构成一定的电磁关系将电能转换为机械能，最终实现电动自行车电力骑行的功能。

    因此，能够搞清电动机的转动原理是维修电动机必备的知识。电动自行车有刷电动机和无刷电动机的功能相同，但工作原理却不同，下面就分别介绍这两种电动机的工作原理。

    (l)有刷电动机的转动原理   根据有刷电动机结构特征，在有刷电动机转动时，转子绕组和换向器旋转，定子永磁体及电刷不转，转子绕组中的电流是电刷与换向器靠压力弹簧压力互相接触传送的：转子绕组电流方向的交替变化是随电动机转动的换向器以及与其相关的电刷完成的。

    将有刷电动机接通直流电源时，直流电源的正负极通过电刷、换向器与电动机的转子绕组接通，图1-25所示为有刷电动机的工作原理示意图。

 

 

 

    当有刷电动机接通电源一瞬间时，直流电源的正、负两极通过电刷A和B与电动机的转子绕组接通，直流电流经电刷A、换向器1、绕组ab和cd、换向器2、电刷B返回到电源的负极。根据电磁感应理论，载流导体ab和cd在磁场中要受到电磁力的作用。

    根据左手定则，由于导体ab中的电流方向由a到b，而导体cd中的电流方向由c到d，因此，两者的受力方向均为逆时针方向。这样就产生一个转矩，从而使电枢（转子）逆时针方向旋转。【特别提示】

    有刷电动机中，一个线圈边从一个磁极范围经过中性面到了相邻的异性磁极范围时，通过线圈的电流方向已改变二次，因而转子的转动方向保持不变。改变线圈中电流方向是靠挨向器和电刷来完成的。

    图1-26所示为有刷电动机转予转过90°时的工作过程。当有刷电动机转子转过90° 时，两个绕组边处于磁场物理中性面，且电刷不与换向器接触，绕组中没有电流流过，F=0，转矩消失。由于惯性的作用转子会继续旋转并越过中性面(o点)，换向器2与电刷A接触，绕组中又产生电流，使转子继续旋转。

    图1-27所示为有刷电动机转子转过180°的工作过程。此时直流电流经电刷A、换向器2，绕组dc和ba、换向器1、电刷B返回到电源的负极。

    由此可见，一个绕组从一个磁极范围经过中性面到了相对的异性磁极范围时，通过绕组的电流方向已改变一次，因此转子的转动方向保持不变。改变绕组中电流方向是靠换向器和电刷来完成的。

 

 

 资料链接

    左手定则是确定通电导体在外磁场中受力方向的定刖．其判断方法如图1-28所示．即伸开左手，使拇指与其余四指垂直，并都与手掌在同一平面内，让磁力线穿入手心（手心面向磁场N极），四指指向电流方向，拇指所指方向就是导体的受力方向。

    (2)无刷电动机的转动原理

    无刷电动机的转子是由永久磁钢构成的，它在圆周上设有多对磁极(N、S)。绕组绕制在定子上，当接通直流电源时，电源为定子绕组供电，转子磁极受到定子磁场的作用而产生转矩并旋转。

 

    无刷电动机定子绕组必须根据转子磁极的方位切换其中电流的方向，才能使转子连续旋转，因此在无刷电动机内必须设置一个转子磁极位置的传感器，这种传感器通常采用霍尔元件。    霍尔元件安装在无刷直流电动机靠近转子磁极的位置，输出端分别加到两个晶体三极管的基极，用于输出极性相反的电压，控制晶体三极管导通与截止状态，从而控制绕组中的电流，使其绕组产生磁场吸引转子连续运转。

    图1-29所示为霍尔元件靠近转子S极时转子绕组中电流及转子的转动方向。

 

    当转子转动90°时，霍尔元件处于中性位置，此时的转子绕组中的电流及转子转动方向如图1-30所示。此时无输出，两晶体三极管都截止，但电动机的转子会因惯性而继续转动。

 

    当转子N极转到霍尔元件的位置时，霍尔元件靠近转子N极，此时的转子绕组中的电流及转子的转动方向如图1-31所示。此时霍尔元件受到与前次相反的磁极作用，霍尔元件的输出B为正A为负，则VT2导通，L2中有电流，产生磁极为S，S极吸引转子的N极，则转子继续反时针转动，这样就可以连续旋转起来。

 

【要点说明】在无刷电动机转动工程中，霍尔元件作为一种磁感应传感器，它可以检测磁场的位置，转子上的小磁体转过霍尔元件时，霍尔元件会有信号产生，定子绕组中的激励电流根据霍尔元件的信号进行切换就可以形成旋转磁场，驱动永磁转子旋转。

    图1-32所示为无刷电动机中霍尔元件及绕组线圈的工作过程。

 

    霍尔元件经限流电阻器接到电源上，有偏流I流过，这种情况，如受到磁通(B)的作用，霍尔元件的左右会输出极性相反的电压，使VT1截止、VT2导通。VTI截止，W1无电流;VT2导通，W2有电流，其所产生的磁场会吸引转子磁极反时针旋转，仪表盘、车灯、扬声器的工作原理

    仪表盘、车灯和扬声器是电动自行车中的辅助电气部件，这些部件的工作过程比较简单，通常由蓄电池直接供电，或蓄电池输出电压经转换器转换为12V电压后供电，然后由各自的控制开关控制iTU断电状态，完成工作。

    图1-33所示为两种典型电动自行车仪表盘、车灯、扬声器的工作原理方框图。

    由图1-33 (a)可知，接通电源锁后，36 V蓄电池直接为仪表盘、扬声器和车灯提供电源。且在接通蓄电池瞬间，仪表盘上的电量表显示当前蓄电池电量。

    当按动扬声器按钮开关时，按下按钮瞬间，扬声器接通电源工作发出声响；手抬起时，按钮开关自动复位，扬声器停止发声：

    当车转向需要提示转动方向时，若将转向灯控制开关拨打左侧，电动自行车前后的左转向灯得到电源点亮；同时，仪表盘内的左转向指示灯（发光二极管）也得电点亮，指示当前为左转向；若将转向灯控制开关拨打右侧，电动自行车前后的右转向灯得到电源点亮；同时，仪表盘内的右转向指示灯（发光二极管）也得电点亮，指示当前为右转向。

    当在光线较暗状态下骑行时，可闭合前灯开关，蓄电池直接为前灯供电，前灯得电点亮，同时仪表盘上的前照明指示灯也得电发光，指示当前前大灯为点亮状态。

    图1-33中的图(b)与图(a)工作原理相同，不同的是，该电动自行车中的仪表盘、扬声器、车灯等需要的电压为12 V，该电压是蓄电池输出的48V电压经转换器转换而来的。

 

机械系统的传动原理

   电动自行车的机械部件构成整车的动力传动部分，电动自行车的骑行工作过程示意图如图1-34所示。

 

    当借助电力骑行时，电动机在电气系统作用下开始旋转，由于电动机与后轮为一体，因此电动机带动后轮转动，后轮与前轮在车架作用下形成一定联动关系，后轮转动驱动前轮同方向转动，由此实现电动自行车向前方行进。

    当需要人力骑行电动自行车时，通过踩踏脚蹬带动轮盘转动，轮盘通过链条使后轮处的飞轮转动，从而带动后轮转动，推动电动自行车前进。