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摘要
电动滑板车在校园、工业设施和封闭式社区的短途应用中日益普及，但其电力需求和集成的低成本运行功能尚未得到充分解决。本文开发了一款350瓦无刷直流轮毂电机、36伏4.4安时锂离子电池组，以及基于霍尔传感器的控制器，采用120度六步梯形换向技术。此外，还开发了电池电压-电流数据记录仪、一种基于骑行者质量的初步理论续航里程估算方法，以及移动应用程序原型。门极状态和相端电压响应在MATLAB/Simulink R2021b中进行了仿真，同时初步硬件测试确认了电机运行。观察到的电机最高转速为1753 rpm，最低转速为1632 rpm。在部分充电和基于读档的放电过程中，数据记录仪记录了电池电压和电流。在涉及骑行者质量分别为60、80和140 kg的三次试点试验中，记录的平均电流分别为3.88、7.40和8.30 A。假设电池标称能量和平均速度为15 km/h，计算出的相应理论续航里程分别为17.01、8.92和7.95 km。这些结果展示了数据记录仪对电池电压-电流的采集情况，并提供了跨骑行者质量案例的描述性试点观察结果；它们并未建立骑行者质量与实际滑板车续航里程之间经过验证的预测或因果关系。1. 引言
电动滑板车因其体积小巧、易于部署和运行成本相对较低，越来越多地被用于大学校园、工业设施、封闭社区及类似受控环境中的短途出行[1,2,3,4]。其实际运行依赖于电机驱动系统、电池子系统和用户界面[5,6,7]。以往的研究主要将这些要素作为独立的课题进行探讨。Corno等人[8,9]开发了具有踏板检测和闭环速度控制功能的电动辅助滑板车，而Asperti等人[10] 研究了滑板车的垂直动力学、骑行舒适度和路面抓地性能。BLDC轮毂电机因其结构紧凑、扭矩密度高且维护要求低，被广泛应用于轻型电动交通工具领域 [11]。基于霍尔传感器的六步换向仍然是此类应用中一种实用的低复杂度控制方法 [12,13,14]。电能需求也是一个重要的考虑因素。以往的研究表明，骑行者质量、道路坡度、加速度以及起停操作会影响电动汽车和轻型电动交通系统的能耗[15,16,17,18]。电池相关研究已考虑了内阻、温度效应和荷电状态估计[19]，而基于物联网的系统和移动界面已被用于车辆状态监测、诊断和车队运营[20,21,22].
表1提供了本研究与代表性已发表研究之间的功能级对比。在这些个人贡献的基础上，本研究开发并初步评估了一款电动滑板车原型，该原型集成了基于霍尔传感器的BLDC控制器、电池电压-电流记录功能、有限的骑行者质量能量对比以及原型移动界面。控制器和数据记录器通过子系统测试进行了评估，而骑行者质量调查仅限于三次试点试验和基于能量的理论续航里程估算。
表1。本研究与代表性研究的功能级对比。
该对比提供了功能层面的背景信息，并不构成直接的性能基准。因此，本研究贡献了：(i) 一种基于霍尔传感器的六步120°梯形换向无刷直流电机控制器；(ii) 一种带时间戳的电池电压-电流数据记录仪；(iii) 基于平均电流测量和理论续航里程计算的三个不同骑行者质量试运行的初步对比；以及 (iv) 一个用于车辆状态显示和选定控制功能的移动端原型界面。该开发系统旨在作为初步原型，用于评估驱动控制、电池电压-电流记录、与骑行者质量相关的电力需求以及移动界面功能。电池子系统仅限于端电压和电流的采集与记录；荷电状态和健康状态估计、电池建模、参数辨识、容量特性表征以及热分析均不在本研究的范围之内。同样，续航里程数值为理论估算值，而非对实际行驶距离的验证性预测。2. 系统设计与方法论
2.1. 整体系统架构
这款电动滑板车由350瓦、6英寸无刷直流（BLDC）轮毂电机、基于霍尔传感器的电机控制器、36伏、4.4安时锂离子电池组、电池管理系统（BMS）、用户控制输入以及基于物联网（IoT）的控制与通信板组成。整体系统架构如图所示图110串2并（10S2P）电池组通过电池管理系统（BMS）为电机控制器供电。BMS提供过压、欠压和过流保护，以及电池均衡功能。电机控制器采用六开关逆变器，具备电流保护、脉冲宽度调制（PWM）控制和120°梯形换向功能。无刷直流（BLDC）轮毂电机从电机控制器接收三相电源，而霍尔传感器的信号则作为换向过程的反馈信号[23]。PWM占空比取决于油门输入，从而决定了施加到电机上的平均电压。电子制动输入提供制动或电机禁用信号。喇叭、前大灯和左右转向灯开关连接到物联网控制和通信板。物联网板控制喇叭、前大灯、尾灯和转向灯，并实现蓝牙通信。它还具有两线控制器局域网（CAN）接口，用于与电机控制器通信。有机发光二极管（OLED）显示屏显示车速、电池电压、骑行模式和系统警告信息。本研究未实现和验证荷电状态估计。
图1。所开发的电动滑板车系统的整体架构。蓝色表示控制、通信和显示；橙色表示电池、BMS和电源；蓝绿色表示电机控制器和电机。黑色箭头表示电机连接和霍尔传感器反馈。2.2. BLDC电机与控制器设计
2.2.1. 降阶电机关系
在控制器开发中使用了降阶BLDC电机关系。基于梯形反电动势和平衡三相运行，电磁转矩通过公式(1)估算[24,25].
Te ≈ Ktiphase
哪里Te是电磁转矩，Kt是电机转矩常数，且iphase是产生转矩的有效相电流。该关系主要用于控制器的实际设计，并不代表BLDC电机的详细电磁模型。相反，它描述了电机主要的电流-转矩特性。2.2.2. 基于霍尔传感器的换向策略
三个霍尔传感器信号，，以及a, ，用于通过确定转子位置来实现120°梯形换向。对于每个有效的霍尔状态，控制器切换相应的上侧和下侧金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），使两个电机相通电，同时保持第三相悬空。六步换向序列产生连续扭矩所需的旋转磁场。换向状态显示在b表2在此，MOSFET A1、B1和C1分别是A、B、C相的上侧MOSFET，而MOSFET A2、B2和C2则是相应的下侧MOSFET。为了验证霍尔状态与相位的映射关系，对所开发的样机进行了电机接线和霍尔状态序列的配置。c, are used to implement 120° trapezoidal commutation by determining the rotor position. For each valid Hall state, the controller switches the corresponding upper-side and lower-side metal–oxide–semiconductor field-effect transistors (MOSFETs), energising two motor phases while keeping the third phase floating. The six-step switching sequence generates the rotating magnetic field required for continuous torque production. The switching states are shown in Table 2. Here, MOSFETs A1, B1, and C1 are the upper-side MOSFETs of phases A, B, and C, respectively, while MOSFETs A2, B2, and C2 are the corresponding lower-side MOSFETs. To verify the Hall-state-to-phase mapping, the motor wiring and Hall-state sequence were configured for the developed prototype.
表2中。基于霍尔传感器的六步换向序列。
为了实现逆变器的实际运行，同一逆变桥臂的上侧和下侧MOSFET不得同时导通，因为这种情况会导致直通故障，并使开关器件产生过大电流。因此，在互补MOSFET之间切换时，需要适当的栅极信号互锁和较短的死区时间间隔。过长的死区时间也会影响有效相电压和开关性能。在当前的控制器设计中，霍尔传感器信号决定了所需的换向扇区，同时PWM被应用于由当前换向状态所选定的开关器件。PWM占空比根据节气门输入进行变化，以调节供给励磁电机相的平均电压，从而在测试运行条件下控制电机转速。本研究未通过实验量化所采用的死区时间值及其对开关损耗、转矩脉动和控制器效率的影响。2.2.3. 控制器硬件
BLDC电机控制器原型采用微控制器、霍尔传感器输入电路、栅极驱动级和六个MOSFET的三相逆变器设计而成。三个霍尔传感器信号为微控制器提供转子位置信息。基于此信息，微控制器从表2中呈现的六步换向序列中选择合适的换向状态。节气门信号用于调制应用于活动MOSFET对的PWM占空比，而电子制动输入则发送电机禁用或制动命令。来自微控制器的控制信号通过栅极驱动级传输到三相逆变器桥臂的上、下MOSFET。逆变器为48V BLDC轮毂电机的A、B、C三相供电，而霍尔传感器信号Ha, Hb，以及Hc反馈至控制器。还加入了电流保护和电压调节功能，以确保控制器的安全运行。控制器的功能结构如图所示图2。在近似恒定负载条件下，电机转速主要取决于通过PWM供给电机的平均电压，该电压由公式(2)估算[26].
ωrα DVdc
哪里ωr是转子角速度，D是PWM占空比，并且Vdc是直流母线电压。
图2。基于霍尔传感器的无刷直流电机控制器功能架构 [27].2.2.4. 切换逻辑的模拟
在硬件实现之前，使用MATLAB/Simulink对六步逆变器开关逻辑进行了模拟。该模拟模型包含六个开关信号输入，分别应用于由六个开关器件组成的三相逆变器的上桥臂和下桥臂器件，如图所示图3.
图3。用于验证六步逆变器开关顺序和电压响应的MATLAB/Simulink模型。
三个逆变器输出端分别连接到对应A、B、C相的平衡星形连接电阻负载，并使用电压测量区块来测量直流供电下各相的端电压响应。通过独立的示波器区块观察六种栅极状态及由此产生的三相电压波形。离散模拟步长为5 × 10−5s被用于执行该模型。模拟验证了六步换向序列、逆变器门极信号的相对时序，以及正、零、负相电压状态的生成。该MATLAB/Simulink模型仅用于验证六步逆变器换向序列、门极信号时序及相应的相端电压状态。其目的并非代表完整的BLDC电机模型。因此，电磁特性、反电动势（BEMF）生成、电磁转矩、电机惯量、机械负载和速度动态均未进行模拟。因此，模拟结果应仅被解读为对逆变器换向逻辑和电压响应的验证。2.3. 实时电池数据记录仪设计
开发了一款原型电池电压-电流数据记录仪，用于记录在选定的充电、放电和车辆运行工况下的带时间戳的端电压和电流测量值。该子系统旨在进行电气数据采集和记录；它并非设计用于提供荷电状态估计、健康状态评估、电池建模、参数辨识、容量表征或热监测。电路的硬件实现见图4，其电路原理图见图5.
图4。实时电池数据记录仪原型的硬件实现及主要组成部分。
图5。电池电压-电流数据记录仪与基于继电器的运行模式选择系统的功能连接图[28].
该系统包含一个Arduino Mega控制器、一个WCS1500电流传感器、一个由10 kΩ和1 kΩ电阻组成的电压分压电路、一个实时时钟（RTC）模块、一个SD卡模块、一个HC-05蓝牙模块、一个液晶显示器（LCD），以及三个分别连接到读档、电池和充电器路径的继电器通道。RTC模块用于获取所采集测量值的时刻戳，而SD卡模块则用于存储电压和电流数据以便后续分析。HC-05模块实现了无线数据传输，LCD显示测得的电气参数和运行状态。继电器网络实现了充电、放电以及充电器直接供电给读档的操作。电压和电流以1秒的间隔进行测量。
使用10 kΩ/1 kΩ分压器将电池电压降至适合Arduino模拟输入电平。在约42 V的最大电池电压下，分压器输出约为3.82 V，分压电流约为3.82 mA。总功耗约为0.16 W，大部分功耗发生在10 kΩ电阻上。这些数值在提供所需电压缩放的同时，保持了相对较低的源阻抗，以实现稳定的模拟采样。然而，当分压器保持连接时，它会在电池两端形成连续的电流路径。如果持续连接，每天将消耗约0.092 Ah；因此，这种设计适用于所选的原型测试，但在长期存放期间可能并不理想。未来的设计可以通过使用更高阻值的电阻配合适当的信号调理，或采用开关式电压测量电路来降低这种静态电流。此外，电阻公差和模数转换器的特性也会导致测量不确定性；本研究未对这些影响进行独立量化。2.4. 基于骑行者质量的续航里程估算
该续航里程估算方法专为校园和封闭社区内近乎平坦道路上的低速电动滑板车使用而设计。在这些条件下，假设路面坡度和空气阻力的影响较小，而加速过程中的电力需求和滚动阻力则预计取决于骑行者的体重。其目的并非建立高保真车辆动力学或电池电化学模型，而是比较不同骑行者体重下的相对电力需求和理论估算的续航里程。针对60 kg、80 kg和140 kg的骑行者质量，分别进行了三次独立的初步试验。所有试验均使用同一款电动滑板车和电池组。车载数据记录仪以1秒为间隔记录电池电压和电流。由于缺乏重复试验数据以及关于路线、路面、胎压、初始荷电状态和环境条件的详细信息，该分析被视为初步比较。瞬时电功率使用公式(3)确定[28,29].
P(t) = V(t)I(t)
其中P(t)是瞬时电功率，V(t)和I(t)分别是测得的电池电压和电流。
电池标称能量使用公式(4)计算得出[29,30].
Enom = Vnom Cb
哪里Enom是标称电池能量（单位：Wh），Vnom是标称电池电压，Cb是额定电池容量（单位：Ah）。
公式(4)中的电池能量项代表的是标称电池能量，而非直接测得的可用能量。在实际运行中，BMS截止前可用的能量可能较低，因为允许的电压和SOC窗口受到限制以保护电池组。可用容量还会受到放电倍率、电池温度、老化和端电压特性的影响。因此Enom仅用于当前试点案例的理论比较，不应被解释为车辆运行的实际可用能量。测量期间的平均电功率由公式(5)确定[30,31].
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美国邱健蓄电池集团总部