三速电动车.pdf

本发明提供的三速电动车，包括电机、控制器和继电器；电机的绕组包括高、中、低速三档；继电器包括集成在一个壳体内的两个单独的继电器，一有公共端一无公共端，前一继电器常闭触点与另一继电器的动触点连接；控制器的信号切换调理电路包括两个驱动电路，分别由单片机两个I/O端口驱动控制继电器A、B的线圈导通或关断，电机驱动电路的三相输出端口分别通过切换继电器A、B与电机的低、中或高速档绕组连接，电机霍尔传感器通过霍尔信号调理电路与单片机连接，继电器调理电路连接继电器A、B的控制端。由于本发明采用三速电机、三速控制器和三档继电器来控制电动车的速度，因此三个档位之间的转速差较小，转换效果比较平稳、舒适。

权利要求书1.  一种三速电动车，其特征在于：包括三速电机、三速控制器和三档继 电器； 所述三速电机包括转子和定子，所述定子包括电机轴、铁心和绕组，所 述绕组绕于所述铁心上，所述铁心固定于所述电机轴上；所述绕组包括低速 绕组、中速绕组和高速绕组；所述低速绕组包括线圈U1、V1、W1，与电机低 速档出线的端子分别相连接；所述中速绕组由低速绕组线圈U1、V1、W1的 首端分别向外延伸至低速绕组线圈总长的3/5位置处，分别引出U2、V2、W2, 与电机中速档出线的端子相连接；所述高速绕组由低速绕组线圈U1、V1、W1 的首端分别向外延伸至低速绕组线圈总长的1/2位置处，分别引出U3、V3、 W3,与电机高速档出线的端子相连接；所述线圈U1的尾端、线圈V1的尾端 与线圈W1的尾端串连； 所述三档继电器包括外壳和基座，所述外壳和所述基座组成的封闭空间 内设有两个独立的继电器单元，第一个继电器单元配有公共端插头，另一个 继电器单元不配公共端插头，前一继电器单元的常闭触点与另一个继电器单 元的动触点连接； 所述三速控制器包括单片机和继电器信号切换调理电路，所述继电器 信号切换调理电路包括第一驱动电路和第二驱动电路，所述第一驱动电路由 单片机的第一I/O端口JDQ_L驱动控制继电器A的线圈导通或关断，所述第 二驱动电路由单片机的第二I/O端口JDQ_H驱动控制继电器B的线圈导通或 关断，所述第一驱动电路包括三极管QSS2和MOS管QSS1，所述三极管QSS2 的基极通过电阻RSS1与单片机第一I/O端口JDQ_L连接，所述三极管QSS2 的基极通过下拉电阻RSS2接地，三极管QSS2的发射极接地，所述三极管QSS2 的集电极通过一电阻RSS7接12v电源，同时连接MOS管QSS1的栅极，所述 MOS管QSS1的漏极连接续流二极管DSS1的正极，所述MOS管QSS1的源极接 地，所述续流二极管DSS1的负极接整车电源，所述继电器A的线圈并联在 所述续流二极管DSS1的两端；所述第二驱动电路包括三极管QSS4和MOS管 QSS3，所述三极管QSS4的基极通过电阻RSS3与单片机第二I/O端口JDQ_H 连接，所述三极管QSS4的基极通过下拉电阻RSS4接地，三极管QSS4的发 射极接地，所述三极管QSS4的集电极通过一电阻RSS8接12v电源，同时连 接MOS管QSS3的栅极，所述MOS管QSS3的漏极连接续流二极管DSS2的正 极，所述MOS管QSS3的源极接地，所述续流二极管DSS2的负极接整车电源， 所述继电器B的线圈并联在所述续流二极管DSS2的两端，所述单片机驱动 电机驱动电路的三相输出端口分别通过切换继电器A和继电器B与电机的低 速档、中速档或高速档绕组连接，电机霍尔传感器通过霍尔信号调理电路与 单片机连接，所述继电器信号切换调理电路的输出端连接切换继电器A和继 电器B的控制端。 2.  根据权利要求1所述的三速电动车，其特征在于：所述第一驱动电路 上设有容错使能信号调理电路，所述容错使能信号调理电路包括三极管 QSS5、电阻RSS6和电阻RSS5，所述三极管QSS2的集电极连接三极管QSS5 的集电极，所述三极管QSS2的发射极连接三极管QSS5的发射极，所述三极 管QSS5的基极通过下拉电阻RSS6接地，所述三极管QSS5的基极通过电阻 RSS5与单片机连接引入使能信号JDQ_L_EN。 3.  根据权利要求1所述的三速电动车，其特征在于：所述电机轴为空 心轴，所述线圈的引出线端子均伸出空心轴的一端或两端与相应的电机引出 线端子连接。 4.  根据权利要求1所述的三速电动车，其特征在于：所述前一继电器 单元的常闭触点为向外壳方向延伸的L形。 5.  根据权利要求4所述的三速电动车，其特征在于：所述前一继电器 单元的常闭触点分别通过连接线与后一继电器单元对应的动触点连接。 6.  根据权利要求1-5任一项所述的三速电动车，其特征在于：所述外 壳与基座之间的连接处及基座上各插头的引出端根部均涂有高密度防水胶。

说明书三速电动车
技术领域
本发明属于电动车技术领域，涉及一种三速电动车。
背景技术
现有的电动车通常为两档电动车，两档电动车通常存在如下问题：1.转 换不够平稳、舒适；2.电机动力不足；3.电机工作效率低；4.单个继电器不 能满足多档切换的需要；如何解决上述问题成为本领域技术人员研究的课 题。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种转换平稳舒适的三速电动车。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案：一种三速电动车，包括三速 电机、三速控制器和三档继电器；
所述三速电机包括转子和定子，所述定子包括电机轴、铁心和绕组，所 述绕组绕于所述铁心上，所述铁心固定于所述电机轴上；所述绕组包括低速 绕组、中速绕组和高速绕组；所述低速绕组包括线圈U1、V1、W1，与电机低 速档出线的端子分别相连接；所述中速绕组由低速绕组线圈U1、V1、W1的 首端分别向外延伸至低速绕组线圈总长的3/5位置处，分别引出U2、V2、W2, 与电机中速档出线的端子相连接；所述高速绕组由低速绕组线圈U1、V1、W1 的首端分别向外延伸至低速绕组线圈总长的1/2位置处，分别引出U3、V3、 W3,与电机高速档出线的端子相连接；所述线圈U1的尾端、线圈V1的尾端 与线圈W1的尾端串连；
所述三档继电器包括外壳和基座，所述外壳和所述基座组成的封闭空间 内设有两个独立的继电器单元(即继电器A和继电器B)，第一个继电器单 元(继电器A)配有公共端插头，另一个继电器单元(继电器B)不配公共端 插头，前一继电器单元的常闭触点与另一个继电器单元的动触点连接；
所述三速控制器包括单片机和继电器信号切换调理电路，所述继电器 信号切换调理电路包括第一驱动电路和第二驱动电路，所述第一驱动电路由 单片机的第一I/O端口JDQ_L驱动控制继电器A的线圈导通或关断，所述第 二驱动电路由单片机的第二I/O端口JDQ_H驱动控制继电器B的线圈导通或 关断，所述第一驱动电路包括三极管QSS2和MOS管QSS1，所述三极管QSS2 的基极通过电阻RSS1与单片机第一I/O端口JDQ_L连接，所述三极管QSS2 的基极通过下拉电阻RSS2接地，三极管QSS2的发射极接地，所述三极管QSS2 的集电极通过一电阻RSS7接12v电源，同时连接MOS管QSS1的栅极，所述 MOS管QSS1的漏极连接续流二极管DSS1的正极，所述MOS管QSS1的源极接 地，所述续流二极管DSS1的负极接整车电源，所述继电器A的线圈并联在 所述续流二极管DSS1的两端；所述第二驱动电路包括三极管QSS4和MOS管 QSS3，所述三极管QSS4的基极通过电阻RSS3与单片机第二I/O端口JDQ_H 连接，所述三极管QSS4的基极通过下拉电阻RSS4接地，三极管QSS4的发 射极接地，所述三极管QSS4的集电极通过一电阻RSS8接12v电源，同时连 接MOS管QSS3的栅极，所述MOS管QSS3的漏极连接续流二极管DSS2的正 极，所述MOS管QSS3的源极接地，所述续流二极管DSS2的负极接整车电源， 所述继电器B的线圈并联在所述续流二极管DSS2的两端，所述单片机驱动 电机驱动电路的三相输出端口分别通过切换继电器A和继电器B与电机的低 速档、中速档或高速档绕组连接，电机霍尔传感器通过霍尔信号调理电路与 单片机连接，所述继电器信号切换调理电路的输出端连接切换继电器A和继 电器B的控制端。
所述第一驱动电路上设有容错使能信号调理电路，所述容错使能信号调 理电路包括三极管QSS5、电阻RSS6和电阻RSS5，所述三极管QSS2的集电 极连接三极管QSS5的集电极，所述三极管QSS2的发射极连接三极管QSS5 的发射极，所述三极管QSS5的基极通过下拉电阻RSS6接地，所述三极管QSS5 的基极通过电阻RSS5与单片机连接引入使能信号JDQ_L_EN。
所述电机轴为空心轴，所述线圈的引出线端子均伸出空心轴的一端或两 端与相应的电机引出线端子连接。
所述前一继电器单元的常闭触点为向外壳方向延伸的L形。
所述前一继电器单元的常闭触点分别通过连接线与后一继电器单元对 应的动触点连接。
所述外壳与基座之间的连接处及基座上各插头的引出端根部均涂有高 密度防水胶。
本发明具有的优点和积极效果是：由于本发明采用三速电机、三速控制 器和三档继电器来控制电动车的速度，因此控制器三个档位之间的转换效率 提高，电机的转速差变小，转换效果更加平稳、舒适；控制器具有第一驱动 电路连接的容错使能信号调理电路，可以保证当控制器低速绕组驱动电路出 现问题的情况下通过容错使能信号调理电路自动切换到控制器的中速绕组 驱动电路，使控制器三相线路默认和电机中速绕组连接，驱动电机以中速档 继续工作，运行于高低双档容错模式，这样在具备三档控制器功能的同时保 留了双档控制器的性能，挺高适应性的同时又具备容错功能；继电器采用两 个现有继电器集成在一个壳体内，省略了一个公共端，布线整齐有序，相较 于两个单独的继电器节省空间，使用时，接线方便。
附图说明
图1是本发明继电器信号切换调理电路的原理图；
图2是本发明继电器信号切换调理电路配合继电器的电路原理图；
图3是本发明控制器12v电源电路原理图；
图4是本发明控制器12v转5v电路原理图；
图5是本发明控制器5v转3.3v电路原理图；
图6是本发明单片机外围电路原理图；
图7是本发明控制器仪表信号调理电路原理图；
图8是本发明控制器转把信号调理电路；
图9是本发明控制器温度保护电路原理图；
图10是本发明控制器霍尔信号调理电路原理图；
图11是本发明控制器电流检测电路原理图；
图12是本发明控制器过流中断保护电路原理图；
图13是本发明电机三相驱动电路原理图；
图14是本发明继电器信号切换调理电路配合继电器的原理图；
图15是本发明的控制流程图；
图16是本发明的容错控制流程图；
图17是本发明智能电子档控制器设置转速、电流双滞环控制示意图；
图18是本发明的继电器立体结构示意图；
图19是本发明继电器的原理图；
图20是本发明继电器的内部结构示意图；
图21是本发明继电器的内部结构的立体图；
图22是本发明电机绕组的连接原理图。
图中：1.外壳，2.基座，31、32.电源端子，33.常开触点，34.常闭 触点，35.动触点，4.电磁铁，5.连接线。
具体实施方式
现根据附图对本发明进行较详细的说明，如图1-22所示，一种三速电 动车，包括三速电机、三速控制器和三档继电器；
所述三速电机包括转子和定子，所述定子包括电机轴、铁心和绕组，所 述绕组绕于所述铁心上，所述铁心固定于所述电机轴上；所述绕组包括低速 绕组、中速绕组和高速绕组；所述低速绕组包括线圈U1、V1、W1，与电机低 速档出线的端子分别相连接；所述中速绕组由低速绕组线圈U1、V1、W1的 首端分别向外延伸至低速绕组线圈总长的3/5位置处，分别引出U2、V2、W2, 与电机中速档出线的端子相连接；所述高速绕组由低速绕组线圈U1、V1、W1 的首端分别向外延伸至低速绕组线圈总长的1/2位置处，分别引出U3、V3、 W3,与电机高速档出线的端子相连接；所述线圈U1的尾端、线圈V1的尾端 与线圈W1的尾端串连；
所述电机轴为空心轴，所述线圈的引出线端子均伸出空心轴的一端或两 端与相应的电机引出线端子连接。空心电机轴可以将线圈引出线端子通过其 中由两端引出，节省空间的同时可以使得引线的排布更加合理有序，方便接 线；
由于本发明电机采用三组绕组，三组绕组之间的转速差较小，因此转换 效果比较平稳、舒适；通过三组绕组进行绕线，铁心单槽的槽满率得到了提 高，进而增加了低速起步和爬坡时的扭矩，提升了电机的动力；同时也提高 了电机的效率；与双速电机相比，增加了一个档位就是增加了一个效率点， 因此它的扭矩更大，负载能力更强，续行里程更长。
三档继电器，包括外壳1和基座2，所述外壳1和所述基座2组成的封 闭空间内设有两个独立的继电器单元A和B，继电器单元A和继电器单元B 包括两路弹簧、两路电磁铁、两路衔铁、十二个静触点(三个一组，两组常 闭触点，两组常开触点)、六个动触点35(三个一组)、基座2和后壳，所 述继电器单元A配有公共端插头，继电器单元B不配公共端插头，继电器单 元A的常闭触点34与继电器单元B的动触点35连接。通过继电器单元A和 继电器单元B的相互配合来完成继电器的三档变换工作。
所述继电器单元A的常闭触点34为向外壳1方向延伸的L形。方便连 接线的焊接，同时节省空间。
所述继电器单元A的常闭触点34分别通过连接线5与继电器单元B对 应的动触点35连接。布线比较整齐。
所述外壳1与基座2之间的连接处及基座2上各插头的引出端根部均涂 有高密度防水胶。以避免继电器内部进水而导致损坏。
所述继电器单元A的常开触点33与电机低速档连接，所述继电器单元B 的常闭触点34与电机中速档连接，所述继电器单元B的常开触点33与电机 高速档连接。
继电器结构及工作过程如下：
继电器单元A的公共端插头与动触点35连接，在不通电时与继电器单 元A的常闭触点34导通，在通电时，继电器单元A的动触点35与继电器单 元A的常开触点33导通，(此状态为接电机低速绕组)；继电器单元A的 电磁铁断电时，继电器单元A的公共端与继电器单元A的常闭触点34导通， 由于继电器单元A的常闭触点34和继电器单元B的动触点35是连通的，此 时继电器单元B电磁铁释放，继电器单元A的公共端与继电器单元B的常闭 触点34导通，(此状态接电机中速绕组)；当继电器单元B电磁铁通电， 继电器单元A的公共端与继电器单元B的常开触点33导通，(此状态接电 机高速绕组)。
三速控制器包括单片机、继电器信号切换调理电路、电源电路、仪表信 号调理电路、转把信号调理电路、仪表信号调理电路、温度保护电路、霍尔 信号调理电路、电流检测电路、过流中断保护电路、电机三相驱动电路等；
如图1、2、14所示，继电器信号切换调理电路包括第一驱动电路和第 二驱动电路，所述第一驱动电路由单片机的第一I/O端口JDQ_L驱动控制继 电器A的线圈导通或关断，所述第二驱动电路由单片机的第二I/O端口JDQ_H 驱动控制继电器B的线圈导通或关断，所述第一驱动电路包括三极管QSS2 和MOS管QSS1，所述三极管QSS2的基极通过电阻RSS1与单片机第一I/O 端口JDQ_L连接，所述三极管QSS2的基极通过下拉电阻RSS2接地，三极管 QSS2的发射极接地，所述三极管QSS2的集电极通过一电阻RSS7接12v电源， 同时连接MOS管QSS1的栅极，所述MOS管QSS1的漏极连接续流二极管DSS1 的正极，所述MOS管QSS1的源极接地，所述续流二极管DSS1的负极接整车 电源(整车电源的额定电压为48v或60v等)，所述继电器A的线圈并联在 所述续流二极管DSS1的两端；所述第二驱动电路包括三极管QSS4和MOS管 QSS3，所述三极管QSS4的基极通过电阻RSS3与单片机第二I/O端口JDQ_H 连接，所述三极管QSS4的基极通过下拉电阻RSS4接地，三极管QSS4的发 射极接地，所述三极管QSS4的集电极通过一电阻RSS8接12v电源，同时连 接MOS管QSS3的栅极，所述MOS管QSS3的漏极连接续流二极管DSS2的正 极，所述MOS管QSS3的源极接地，所述续流二极管DSS2的负极接整车电源， 所述继电器B的线圈并联在所述续流二极管DSS2的两端，所述单片机驱动 电机驱动电路的三相输出端口分别通过切换继电器A和继电器B与电机的低 速档、中速档或高速档绕组连接，电机霍尔传感器通过霍尔信号调理电路与 单片机连接，所述继电器信号切换调理电路的输出端连接切换继电器A和继 电器B的控制端。
所述第一驱动电路上设有容错使能信号调理电路，所述容错使能信号调 理电路包括三极管QSS5、电阻RSS6和电阻RSS5，所述三极管QSS2的集电 极连接三极管QSS5的集电极，所述三极管QSS2的发射极连接三极管QSS5 的发射极，所述三极管QSS5的基极通过下拉电阻RSS6接地，所述三极管QSS5 的基极通过电阻RSS5与单片机连接引入使能信号JDQ_L_EN。
控制器工作原理：
1、继电器信号切换调理电路原理：电阻RSS1、RSS3为限流电阻，通过 RSS1、RSS3限定单片机IO端口驱动三极管QSS2、QSS4的驱动电流，电阻 RSS2、RSS4为下拉电阻，当单片机上电复位端口处于高阻态时，通过RSS2， RSS4将QSS2、QSS4基极拉低使QSS2、QSS4关断，QSS1、QSS3控制继电器 的导通关闭，当QSS1、QSS3的栅极为12V，即三极管QSS,2、QSS4关闭时， QSS1、QSS3导通，继电器A、B线圈吸合，当QSS1、QSS3的栅极为0V，即 三极管QSS,2、QSS4导通时，继电器A、B线圈释放。因为继电器为感性器 件，当关断的瞬间会产生较大的反向电压，二极管DSS1、DSS2在继电器关 闭瞬间起续流作用，减小或消除继电器电感产生的反向电压，起到保护驱动 电路和继电器的作用。
2、三速切换原理：当车辆通电并处于静止状态时，控制器低速绕组控 制模块工作：继电器A线圈吸合，继电器B线圈释放，此时继电器A线圈的 常开触点与控制器三相A、B、C导通，电机低速绕组工作，以低速档驱动车 辆；电机速度不断上升，当控制器检测到电机转速大于10KM且电流小于18A 时，控制器中速绕组控制模块工作：继电器A线圈释放,继电器B线圈释放， 此时继电器B的常闭触点与控制器三相A、B、C导通，电机中速绕组工作， 以中速档驱动车辆；电机速度仍不断上升，当控制器检测到电机转速大于 18KM且电流小于15A时，继电器A线圈释放，继电器B线圈吸合，控制器高 速绕组控制模块工作：此时继电器B的常开触点与控制器三相A、B、C导通， 电机高速绕组工作，以高速档驱动车辆；
反之，当车辆以高速档运行，控制器检测到电机转速低于16KM时，控 制器中速绕组控制模块工作：继电器A线圈释放，继电器B线圈释放，此时 继电器B的常闭触点与控制器三相A、B、C导通，电机中速绕组工作，以中 速档驱动车辆；当控制器检测到电机转速低于8KM时，控制器低速绕组模块 工作：继电器A线圈吸合，继电器B线圈释放，此时继电器A线圈的常开触 点与控制器三相A、B、C导通，电机低速绕组工作，以低速档驱动车辆来提 升扭矩。
三档位智能电子控制器控制电机绕组切换效果：由于三档位智能电子控 制器通过控制2组继电器分别切换电机三相绕组，控制器三个档位之间的转 速差较小，所以转换效果比较平稳、舒适；通过控制2组继电器分别切换电 机三相绕组，突出了切换方式的多样性和灵活性，增加了低速起步和爬坡时 的扭矩，提升了控制器的控制性能；同时也提高了电机的效率；与双档位智 能电子控制器相比，增加了一个档位就是增加了一个效率点，因此三档位智 能电子控制器的控制性能更佳，能够充分挖掘电机的运行高效和输出扭矩大 的良好特性。
为了确保2组继电器及时、准确切换，本智能电子控制器设计了电子换 挡电路，如图1所示。
控制器中的低速绕组驱动电路故障后，控制器位于双档位切换容错运行 模式，容错使能端JDQ_L_EN置1，此时无论控制低速绕组驱动电路通断的信 号JDQ_L如何变化，MOS管QSS1都关闭，继电器A的线圈断电，故障绕组驱 动电路始终断开。这样，确保控制器运行时始终接入的是中速绕组驱动电 路和高速绕组驱动电路，提高了控制器的可靠性和使用寿命。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳 实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均 等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。