在了解了電動自行車整機(jī)結(jié)構(gòu)后，應(yīng)能夠從整體上搞清楚電動自行車的工作原理，了解其工作的基本流程和行車中的控制過程，為進(jìn)行實(shí)際檢修做好鋪墊，下面我們從電動自行車整車入手，了解電動自行車的工作原理。

    圖1-15所示為電動自行車的整車關(guān)系方框圖。

    從方框圖中可以看出，電動自行車的整車工作過程即為電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)相互協(xié)作的過程。

蓄電池的充電和供電原理

    蓄電池是一種電能存儲設(shè)備，當(dāng)電量不足時，由充電器為其補(bǔ)充電能；當(dāng)電量充足，安裝到電動自行車后，向外釋放電能，為整車電氣系統(tǒng)提供能量。圖1-16所示為蓄電池的充電和供電關(guān)系。

    下面以常見的鉛酸蓄電池為例介紹其充電和供電（放電）原理。

    鉛酸蓄電池內(nèi)部以二氧化鉛作為正極，純鉛作為負(fù)極，這兩種活性物質(zhì)與硫酸溶液共同作用下實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電過程。

    (l)鉛酸蓄電池的供電原理

    鉛酸蓄電池的供電過程，就是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程，圖1-17所示為鉛酸蓄電池的放電原理示意圖。

    當(dāng)蓄電池外接連接線路進(jìn)行放電時，在電流的作用下，電解液內(nèi)部處于電離狀態(tài)，正極板上的二氧化鉛與負(fù)極板上的純鉛就與電解液中的硫酸起了化學(xué)反應(yīng)，從而生成硫酸鉛和水，化學(xué)方程式為：

       Pb02+2H2S04+Pb=2PbS04+2H20

    化學(xué)反應(yīng)中，生成的硫酸鉛將分別附著在正、負(fù)極板的板面上，而生成的水則重新回到電解液中。隨著放電的進(jìn)行，電解液濃度逐漸下降，正、負(fù)極板上的硫酸鉛逐漸積累。當(dāng)這個過程發(fā)展到一定的程度時，放電極化現(xiàn)象會越來越重，正極板的電勢越來越趨向于負(fù)，負(fù)極板電勢越來越趨向于正，電解液中硫酸的密度越來越低，電池的電壓低到終止電壓時，放電就必須終止。

    (2)鉛酸蓄電池的充電原理

    鉛酸蓄電池充電的過程正好與放電過程相反，也就是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程，圖 1-18所示為鉛酸蓄電池充電原理示意圖。

   利用直流輸出電源進(jìn)行充電，直流電會將硫酸鉛恢復(fù)為原來的活性物質(zhì)，即純鉛和二氧化鉛。其化學(xué)反應(yīng)方程式為：

    2PbS04+2H20 -Pb02+2H2S04+Pb

    當(dāng)蓄電池連接充電器時，充電器供給電壓，附著在正、負(fù)極板上的硫酸鉛逐步溶解，其與電解液中的水相互作用，使電解液中硫酸濃度不斷提高。當(dāng)這個過程進(jìn)行到一定程度，充電極化現(xiàn)象越來越重，正、負(fù)極板先后分別析出氧和氫，充電電流越來越多地產(chǎn)生水解，電解液中硫酸密度越來越高，正極板電勢趨向極正，負(fù)極板電勢趨向極負(fù)，電池電壓不斷升高，最終恢復(fù)到充滿電的狀態(tài)。轉(zhuǎn)把的調(diào)速原理

      轉(zhuǎn)把主要用于向控制器傳送調(diào)速信號，該信號經(jīng)控制器識別處理后輸出控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的驅(qū)動信號。

    圖1-19所示為轉(zhuǎn)把的調(diào)速原理示意圖。

    電動自行車的騎行者通過轉(zhuǎn)動右手的轉(zhuǎn)把來調(diào)節(jié)電動自行車的行駛速度。當(dāng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)把后，帶動內(nèi)部磁鋼轉(zhuǎn)動從而使磁場產(chǎn)生變化。而轉(zhuǎn)把內(nèi)的霍爾IC將根據(jù)該磁場強(qiáng)度和極性不同，輸出不同的電壓值，不同的電壓值作為速度信號送到控制器中，進(jìn)而控制電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，霍爾IC是霍爾元件與放大電路集于一體的半導(dǎo)體器件。

    電動自行車行駛速度的快慢，是由霍爾IC感應(yīng)磁場極性來決定的，當(dāng)磁鋼的不同極性接近或離開霍爾IC時，霍爾IC輸出的電壓值將隨之增加或減小。通常情況下，當(dāng)向內(nèi)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)把時，霍爾IC輸出的電壓值將由低到高，稱為正把，其電壓值為0.8～4_2 V；當(dāng)向外旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)把時，霍爾IC輸出的電壓值將由高到低，稱為反把，其電壓值為4.2～0.8 V。閘把的剎車原理

    閘把主要用于向控制器傳送剎車信號，該信號經(jīng)控制器識別處理后輸出電動機(jī)的斷電信號。圖1-20所示為閘把的剎車原理示意圖。

    當(dāng)電動自行車在正常行駛過程中，握住閘把，其手柄位置產(chǎn)生變化，使微動開關(guān)觸頭被彈起,之后由微動開關(guān)觸頭產(chǎn)生將向控制器發(fā)出的剎車控制信號，控制器接收到該信號后，將停止對電動機(jī)的供電，從而電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)剎車功能；同時，閘把圍繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，閘線拉動車閘動作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械制動。資料鏈接

    有些電動自行車中閘把采用電子式閘把．該類閘把通過閘把內(nèi)部的霍爾元件采實(shí)現(xiàn)剎車功能，其主要原理與轉(zhuǎn)把相同。

    在其閘把內(nèi)部包含一個霍爾元件和磁銅，當(dāng)正常行駛過程中，一旦握住閘把進(jìn)行剎車操作時，其手柄位置產(chǎn)生變化，使其內(nèi)部磁鋼所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度發(fā)生改變，霍爾元件并根據(jù)所感應(yīng)磁場強(qiáng)度的不同，向控制器輸出剎車控制信號，使電動機(jī)停止工作．控制器的控制原理

    在電動機(jī)的驅(qū)動控制過程中，核心的控制即是由控制器控制電動機(jī)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)整機(jī)行車、停車、變速行駛等工作狀態(tài)。因此，控制器和電動機(jī)的控制關(guān)系和工作過程就是整機(jī)的控制過程。

    然而，在目前市場上流行的電動自行車中，根據(jù)采用的動力部件電動機(jī)類型的不同，分為有刷電動機(jī)和無刷電動機(jī)兩大類，采用不同類型電動機(jī)的電動自行車，整機(jī)的控制過程基本相同，不同的是其驅(qū)動過程復(fù)雜程度、控制器與電動機(jī)之間的驅(qū)動關(guān)系及驅(qū)動原理。

    (l)有刷電動機(jī)控制器的控制原理

    圖1-21所示為有刷電動機(jī)控制器的控制原理方框圖。

    當(dāng)打開電源鎖后，接通電源，由蓄電池為電動自行車中控制器、指示部件（儀表盤、車燈）、操控部件（轉(zhuǎn)把、閘把）進(jìn)行供電，此時控制器進(jìn)入待機(jī)準(zhǔn)備工作狀態(tài)。

    當(dāng)旋動轉(zhuǎn)把時，調(diào)速信號通過引線送往控制器中的控制芯片中，控制器中的控制芯片根據(jù)接收到的信號作出相應(yīng)的反應(yīng)，并將控制信號或驅(qū)動信號送到功率輸出電路中，由輸出電路將驅(qū)動信號或控制信號送到有刷電動機(jī)中。

    在行駛過程中，當(dāng)按下閘把剎車時，剎車信號經(jīng)連接插件送到控制器中控制芯片，經(jīng)處理后,切斷電動機(jī)的供電，使電動機(jī)停止運(yùn)行，達(dá)到剎車的目的。

    電動自行車在使用過程中，顯示儀表的供電端是由蓄電池進(jìn)行供電，而控制信號則是由主處理芯片通過連接插件在顯示儀表中顯示出來，使駕駛者隨時了解電動自行車的運(yùn)行狀況。資料鏈接

    有刷電動機(jī)是在控制囂驅(qū)動電路作用下啟動、運(yùn)轉(zhuǎn)而工作的，有刷電動機(jī)驅(qū)動電路如圖1-22所示。

    在有刷電動機(jī)構(gòu)成的電氣回路中，蓄電池為有刷電動機(jī)供電．在供電電路中設(shè)有一個控制晶體管,圖中VTl是場效應(yīng)晶體管，如果場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通，則蓄電池的供電電路接通，電動機(jī)則旋轉(zhuǎn)，如果場效應(yīng)晶體管截止，供電電路被切斷，電動機(jī)則停轉(zhuǎn)．為了能實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制，常采用脈沖控制方式，通過改變場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通周期的時間可以改變送給電動機(jī)的平均能量，來實(shí)現(xiàn)速度控制，這種方式被稱為脈寬調(diào)制方式． (2)無刷電動機(jī)的控制原理圖1-23所示為無刷電動機(jī)控制器的控制原理方框圖。

    當(dāng)打開電動自行車的電源鎖接通電源后，由蓄電池為電動自行車進(jìn)行供電，儀表盤顯示蓄電池的當(dāng)前狀態(tài)，同時控制器處于待機(jī)準(zhǔn)備狀態(tài)。

    當(dāng)旋動轉(zhuǎn)把時，調(diào)速信號通過引線送往控制器中的控制芯片中。控制器中的控制芯片根據(jù)接收到的信號作出相應(yīng)的反應(yīng)，并將控制信號和驅(qū)動信號送到邏輯電路和功率晶體管中，再輸出給電動機(jī)控制信號和驅(qū)動信號，使無刷電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

    電動機(jī)旋轉(zhuǎn)后，其內(nèi)部的位置傳感器，即霍爾元件將檢測到轉(zhuǎn)子磁極的位置信號，反饋到控制器中的控制芯片中，控制逆變器的輸出狀態(tài)。

    當(dāng)按下閘把時，其閘把的剎車信號經(jīng)連接插件送到控制器中，控制器中控制芯片對該信號進(jìn)行處理后，輸出的制動信號使得功率晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，使無刷電動機(jī)斷電，達(dá)到剎車的目的。

    在電動自行車進(jìn)行控制的過程中，控制芯片把當(dāng)前的控制信號均通過連接插件，在顯示儀表中顯示出來。資料鏈接

    在無刷電動機(jī)控制器中，6只功率管構(gòu)成逆變器電路，該電路將直流電壓變成交流電流，為電動機(jī)拱電．

    6只功率管在控制器控制芯片或PWM信號產(chǎn)生電路控制下，實(shí)現(xiàn)交替循環(huán)導(dǎo)通和截止控制，從而不斷改變電流的方向．驅(qū)動信號的流程和相位關(guān)系示意圖如圖1-24所示．

    在t0～t1時刻（0°～120°）：功率管U+和V-導(dǎo)通時，其他功率管截止，其信號流程為：電源電流經(jīng)正端→功率管U+→U線圈→V線圈→功率管V→R806→負(fù)端或到地。

    在t1～t2時刻(120°～ 240°)：功率管V+和w-導(dǎo)通時，其他功率管截止，信號流程為：電源電流經(jīng)正端→功率管V+→V線圈→W線圈→功率管W-→R806→負(fù)端或到地．

    在t2～t3時刻（240°～360°）：功率管W十和U-導(dǎo)通時，其他功率管截止，信號流程為：電源電流經(jīng)正端→功率管W+→W線圈→U線圈→功率管U-→R806→負(fù)端或到地。電動機(jī)轉(zhuǎn)動原理

    電動機(jī)是電動自行車中的核心部件，它通過內(nèi)部電氣部件構(gòu)成一定的電磁關(guān)系將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，最終實(shí)現(xiàn)電動自行車電力騎行的功能。

    因此，能夠搞清電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理是維修電動機(jī)必備的知識。電動自行車有刷電動機(jī)和無刷電動機(jī)的功能相同，但工作原理卻不同，下面就分別介紹這兩種電動機(jī)的工作原理。

    (l)有刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理   根據(jù)有刷電動機(jī)結(jié)構(gòu)特征，在有刷電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子繞組和換向器旋轉(zhuǎn)，定子永磁體及電刷不轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組中的電流是電刷與換向器靠壓力彈簧壓力互相接觸傳送的：轉(zhuǎn)子繞組電流方向的交替變化是隨電動機(jī)轉(zhuǎn)動的換向器以及與其相關(guān)的電刷完成的。

    將有刷電動機(jī)接通直流電源時，直流電源的正負(fù)極通過電刷、換向器與電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組接通，圖1-25所示為有刷電動機(jī)的工作原理示意圖。

    當(dāng)有刷電動機(jī)接通電源一瞬間時，直流電源的正、負(fù)兩極通過電刷A和B與電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組接通，直流電流經(jīng)電刷A、換向器1、繞組ab和cd、換向器2、電刷B返回到電源的負(fù)極。根據(jù)電磁感應(yīng)理論，載流導(dǎo)體ab和cd在磁場中要受到電磁力的作用。

    根據(jù)左手定則，由于導(dǎo)體ab中的電流方向由a到b，而導(dǎo)體cd中的電流方向由c到d，因此，兩者的受力方向均為逆時針方向。這樣就產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩，從而使電樞（轉(zhuǎn)子）逆時針方向旋轉(zhuǎn)。【特別提示】

    有刷電動機(jī)中，一個線圈邊從一個磁極范圍經(jīng)過中性面到了相鄰的異性磁極范圍時，通過線圈的電流方向已改變二次，因而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向保持不變。改變線圈中電流方向是靠挨向器和電刷來完成的。

    圖1-26所示為有刷電動機(jī)轉(zhuǎn)予轉(zhuǎn)過90°時的工作過程。當(dāng)有刷電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過90° 時，兩個繞組邊處于磁場物理中性面，且電刷不與換向器接觸，繞組中沒有電流流過，F(xiàn)=0，轉(zhuǎn)矩消失。由于慣性的作用轉(zhuǎn)子會繼續(xù)旋轉(zhuǎn)并越過中性面(o點(diǎn))，換向器2與電刷A接觸，繞組中又產(chǎn)生電流，使轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。

    圖1-27所示為有刷電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過180°的工作過程。此時直流電流經(jīng)電刷A、換向器2，繞組dc和ba、換向器1、電刷B返回到電源的負(fù)極。

    由此可見，一個繞組從一個磁極范圍經(jīng)過中性面到了相對的異性磁極范圍時，通過繞組的電流方向已改變一次，因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向保持不變。改變繞組中電流方向是靠換向器和電刷來完成的。

 資料鏈接

    左手定則是確定通電導(dǎo)體在外磁場中受力方向的定刖．其判斷方法如圖1-28所示．即伸開左手，使拇指與其余四指垂直，并都與手掌在同一平面內(nèi)，讓磁力線穿入手心（手心面向磁場N極），四指指向電流方向，拇指所指方向就是導(dǎo)體的受力方向。

    (2)無刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理

    無刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永久磁鋼構(gòu)成的，它在圓周上設(shè)有多對磁極(N、S)。繞組繞制在定子上，當(dāng)接通直流電源時，電源為定子繞組供電，轉(zhuǎn)子磁極受到定子磁場的作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩并旋轉(zhuǎn)。

    無刷電動機(jī)定子繞組必須根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極的方位切換其中電流的方向，才能使轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)，因此在無刷電動機(jī)內(nèi)必須設(shè)置一個轉(zhuǎn)子磁極位置的傳感器，這種傳感器通常采用霍爾元件。    霍爾元件安裝在無刷直流電動機(jī)靠近轉(zhuǎn)子磁極的位置，輸出端分別加到兩個晶體三極管的基極，用于輸出極性相反的電壓，控制晶體三極管導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)，從而控制繞組中的電流，使其繞組產(chǎn)生磁場吸引轉(zhuǎn)子連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

    圖1-29所示為霍爾元件靠近轉(zhuǎn)子S極時轉(zhuǎn)子繞組中電流及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向。

    當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動90°時，霍爾元件處于中性位置，此時的轉(zhuǎn)子繞組中的電流及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向如圖1-30所示。此時無輸出，兩晶體三極管都截止，但電動機(jī)的轉(zhuǎn)子會因慣性而繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

    當(dāng)轉(zhuǎn)子N極轉(zhuǎn)到霍爾元件的位置時，霍爾元件靠近轉(zhuǎn)子N極，此時的轉(zhuǎn)子繞組中的電流及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向如圖1-31所示。此時霍爾元件受到與前次相反的磁極作用，霍爾元件的輸出B為正A為負(fù)，則VT2導(dǎo)通，L2中有電流，產(chǎn)生磁極為S，S極吸引轉(zhuǎn)子的N極，則轉(zhuǎn)子繼續(xù)反時針轉(zhuǎn)動，這樣就可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)起來。

【要點(diǎn)說明】在無刷電動機(jī)轉(zhuǎn)動工程中，霍爾元件作為一種磁感應(yīng)傳感器，它可以檢測磁場的位置，轉(zhuǎn)子上的小磁體轉(zhuǎn)過霍爾元件時，霍爾元件會有信號產(chǎn)生，定子繞組中的激勵電流根據(jù)霍爾元件的信號進(jìn)行切換就可以形成旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

    圖1-32所示為無刷電動機(jī)中霍爾元件及繞組線圈的工作過程。

    霍爾元件經(jīng)限流電阻器接到電源上，有偏流I流過，這種情況，如受到磁通(B)的作用，霍爾元件的左右會輸出極性相反的電壓，使VT1截止、VT2導(dǎo)通。VTI截止，W1無電流;VT2導(dǎo)通，W2有電流，其所產(chǎn)生的磁場會吸引轉(zhuǎn)子磁極反時針旋轉(zhuǎn)，儀表盤、車燈、揚(yáng)聲器的工作原理

    儀表盤、車燈和揚(yáng)聲器是電動自行車中的輔助電氣部件，這些部件的工作過程比較簡單，通常由蓄電池直接供電，或蓄電池輸出電壓經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為12V電壓后供電，然后由各自的控制開關(guān)控制iTU斷電狀態(tài)，完成工作。

    圖1-33所示為兩種典型電動自行車儀表盤、車燈、揚(yáng)聲器的工作原理方框圖。

    由圖1-33 (a)可知，接通電源鎖后，36 V蓄電池直接為儀表盤、揚(yáng)聲器和車燈提供電源。且在接通蓄電池瞬間，儀表盤上的電量表顯示當(dāng)前蓄電池電量。

    當(dāng)按動揚(yáng)聲器按鈕開關(guān)時，按下按鈕瞬間，揚(yáng)聲器接通電源工作發(fā)出聲響；手抬起時，按鈕開關(guān)自動復(fù)位，揚(yáng)聲器停止發(fā)聲：

    當(dāng)車轉(zhuǎn)向需要提示轉(zhuǎn)動方向時，若將轉(zhuǎn)向燈控制開關(guān)撥打左側(cè)，電動自行車前后的左轉(zhuǎn)向燈得到電源點(diǎn)亮；同時，儀表盤內(nèi)的左轉(zhuǎn)向指示燈（發(fā)光二極管）也得電點(diǎn)亮，指示當(dāng)前為左轉(zhuǎn)向；若將轉(zhuǎn)向燈控制開關(guān)撥打右側(cè)，電動自行車前后的右轉(zhuǎn)向燈得到電源點(diǎn)亮；同時，儀表盤內(nèi)的右轉(zhuǎn)向指示燈（發(fā)光二極管）也得電點(diǎn)亮，指示當(dāng)前為右轉(zhuǎn)向。

    當(dāng)在光線較暗狀態(tài)下騎行時，可閉合前燈開關(guān)，蓄電池直接為前燈供電，前燈得電點(diǎn)亮，同時儀表盤上的前照明指示燈也得電發(fā)光，指示當(dāng)前前大燈為點(diǎn)亮狀態(tài)。

    圖1-33中的圖(b)與圖(a)工作原理相同，不同的是，該電動自行車中的儀表盤、揚(yáng)聲器、車燈等需要的電壓為12 V，該電壓是蓄電池輸出的48V電壓經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換而來的。

機(jī)械系統(tǒng)的傳動原理

   電動自行車的機(jī)械部件構(gòu)成整車的動力傳動部分，電動自行車的騎行工作過程示意圖如圖1-34所示。

    當(dāng)借助電力騎行時，電動機(jī)在電氣系統(tǒng)作用下開始旋轉(zhuǎn)，由于電動機(jī)與后輪為一體，因此電動機(jī)帶動后輪轉(zhuǎn)動，后輪與前輪在車架作用下形成一定聯(lián)動關(guān)系，后輪轉(zhuǎn)動驅(qū)動前輪同方向轉(zhuǎn)動，由此實(shí)現(xiàn)電動自行車向前方行進(jìn)。

    當(dāng)需要人力騎行電動自行車時，通過踩踏腳蹬帶動輪盤轉(zhuǎn)動，輪盤通過鏈條使后輪處的飛輪轉(zhuǎn)動，從而帶動后輪轉(zhuǎn)動，推動電動自行車前進(jìn)。