基于混合动力自行车的一种高效充电技术

基于混合动力自行车的一种高效充电技术

刘先超高原马歆然

（重庆大学电气工程学院401331）

摘要：基于电磁感应原理和光伏发电设计了一套能搭载于自行车上的混合动力高效充放电装置。通过降压稳压器和整流桥稳压整流、DC-DC变换器高效充放电，将自行车辐条切割磁感线和太阳能板所得不均匀电能整合得以高效利用。该设计可以使得骑行过程中的动能被高效利用，并且对两种混合发电方式高效充电的研究还可以推广应用。

关键词：自行车发电；混合动力；DC-DC变换器；高效充电；节能减排

Abstract：DesignofaHighEfficientChargingSystemBasedonHybridBicyclePowerGenerationDevice.Abicycle-carriedhighefficientchargingdevicewasdesignedbasedonmagneticlinecuttingandsolarenergy.Byusingstep-downtransformerandrectifierbridgetoregulatethevoltageandrectifythecurrent，usingdc-dcconvertertochargethebatteryefficiently，theunevenenergygeneratedbyelectromagneticinductionandsolarenergycanbeintegratedandusedefficiently.Thisdesignwasmeanttomaximizetheavailablekineticenergyduringtheprocessofpedaling.Besides，thiskindofhighefficientchargingsystembasedonhybridpowercanbepopularizedinotherfields.

Keywords：bicyclegeneration；hybridpower；dc-dcconverter；highefficientchargingsystem；energyconservationandemissionreduction

1引言

随着国家生态建设的稳步推进，可持续发展理念将会深入人心，遍及千家万户的自行车也顺应了可持续发展理念的大潮。虽然自行车发电技术已经日趋成熟，例如单纯基于切割磁感线的发电装置、单纯基于光伏发电的自行车储能装置、单纯基于温差发电的自行车发电技术等，然而对于两种及以上的混合动力发电技术研究较少。其原因有混合动力的充电效率普遍较低，能量损失较大、装置比较复杂不易搭载等等。而该项目正是设计了一款能够提高充电效率的DC-DC变换器来攻克混合动力充电效率低的问题，从而使得混合式发电技术能够发挥其动力互补、适用条件更广、动力更充足的优点。该设计对充分利用资源，实现低碳排放和满足骑行爱好者对骑行中对电能的需要具有重要意义。

2成果简介

人在骑行过程中踩踏踏板使车轮转动，若在自行车车轮的辐条上加装一圈强磁铁，便能在骑行过程中，通过切割磁感线将动能转化为电能，再经过整流和稳压模块形成稳定的电压，储存在移动电源中，随时给其他用电设备充电，实现了能量的利用和转换。混合动力发电技术则将车轮辐条切割磁感线产生的电能与太阳能结合达到为电源高效充电的目的。由于对踩踏自行车产生的电流是不均匀的，因此该设计利用了LM2596S降压稳压器和DB207S整流桥为核心的整流稳压模块对不均匀电流进行稳压整流，整流稳压后的电流和太阳能产生的电流同时对电池储能装置进行充电。电池储能装置包括双向DC-DC变换器、测控电路与辅助电源三个主要部分，其中自主设计的DC-DC变换器具有实现电池的充放电功能，可由按键设定，亦可自动转换。

首先，考虑自行车本身的体积和其可以承载的装置的装置大小，该设计的装质量不超过1kg。其次，考虑骑行的速度以及太阳能的功率，该设计还对整个装置进行了优化设计，达到了更高效利用能量的目的。该高效充电技术使过去自行车混合动力发电能量损耗高的缺点得到了改善，通过较为高效的充电电路，更加充分得利用了两种能量，达到了充分利用资源，节能减排的目的，响应了科学可持续发展理念。

3.设计方案

3.1总体设计

该自行车混合动力发电装置主要由整流稳压模块和电池组装置两大部分组成。其中整流稳压模块以LM2596S和DB207S整流桥为核心将太阳能以及切割磁感线的电能整流稳压，输送入电池组装置。而电池组装置则通过自主设计的DC-DC变换器实现电池的高效充放电功能，是本次研究的核心。

3.2整流稳压部分

整流稳压电路电路原理图如下：

其中DB207S桥式整流桥起到输入电流整流作用（最大正向整流电流为3A）：

DB207S桥式整流部分

整流过后的电路经过LM2596S进行降压稳压至12V，再经过LM358运算放大器放大后输出。输出电压约为24~36V，为电池组储能装置提供输入电流。

LM2596S降压稳压模块

LM358运算放大电路

78L05为三端稳压模块，它为运放提供稳定的工作电压：

78L05三端稳压器部分

整流稳压模块整体PCB电路图：

3.3电池组储能装置

电池组储能装置如下

其中自主设计的双向DC-DC变换器是电池组储能装置的核心部分，其电路总原理图如下：

双向DC-DC变换器总电路

下图为降压稳压电路，其中LM2596T-3.3和LM2596T-3.3T-5.0起到降压稳压作用，其分别输出3.3V和5V电压，为监视电路工作状态的装置提供工作电压。

监视电路驱动电源电路

下图为电池组充电电路，XL4016和INA282起到对输入的电流降压稳压作用，为电池组提供稳定的电流输入。

充放电电路

4实验验证

经过一系列功能测试，电池组充电装置既可以通过按键也可以自动转换电池充放电模式的功能。假设骑行速度为15~25km/h，天气状况为晴天，该装置能够达到以下效果：

5项目创新点

1.充分利用了骑行车轮辐条切割磁感线产生的电能和太阳能来为电源提供能量，并将装置便携化，即使骑行爱好者休息时，装置仍然可以利用太阳能对电池组进行充电。既解决了骑行爱好者骑行图中需要电能的难题，节约了传统充电的时间，又充分利用了现有的自然资源，达到了节能减排，高效率利用资源的目的。

2.由于人骑行的速度是不均匀的，其产生的输出电流也是不均匀，因此这就需要我们对其产生的电流进行整流和稳压，自主设计的以LM2596S降压稳压器和DB207S整流桥为核心的整流稳压模块，对不均匀电流进行整流稳压，使之能够为电源提供稳定的输入电流。

3.为了达到对电池组高效充电的目的而搭建的电池储能装置通过自主设计的核心部分DC-DC变换器，使输入电压在24~36V内，输入电流的变化精度保持在1%以内，并且在输入电压为30V时，其能量转换效率不低于90%，相比过去的自行车混合动力发电装置，能量转换效率提高了200%左右。

4.目前大部分研究机构对骑行时的能量利用研究较少，尤其是在结合太阳能对电池组进行充电方面，因此，该项目组创造性地将太阳能和骑行时的动能研究结合起来，并设计了较为高效的电池组充电电路，形成了一个完备的电池充电技术，达到了充分利用能量的目的。

6应用前景

相比于传统的充电设备，本次设计创造性得利用了骑行车轮辐条切割磁感线产生的电能和太阳辐射的能量来为电池充电，并且经过实验测试我们的设备可以提供输入电压最高为24V，输入电流最高为2A的充电电压和电流。

随着国家生态建设的稳步推进，可持续发展理念将会深入人心，自行车也已经遍及千家万户，传统的充电设备具有能量利用率不高，便携性能差的缺点，该装置可以让骑行者在骑行过程中为设备进行充电，解决大部分骑行者在途中缺乏电能的问题，同时大大节约使用者的时间，此外本设备还为充电技术的便携化，绿色化和高效率化提供了初步的解决思路和初步实践。再者，本次设计的整套高效发电充电装置不仅只局限于运用在户外自行车骑行上，还可通过附加设计推广运用于健身房单车等腿部健身器械上，优化健身器能量回收技术，真正地实现节能减排的目的

参考文献：

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[4]邱上原.人力自行车发电机之研究.中原大学，2009年：P1-40.

[5]唐治德申利平.《模拟电子技术基础》，北京：科学出版社，2015年：P86-108.

[6]刘先超，男，汉族，籍贯安徽省宣城市，高中毕业，学生，重庆大学，电气工程及其自动化，401331

[7]高原，男，汉族，籍贯安徽宣城市，高中毕业，学生，重庆大学，电气工程及其自动化，401331

[8]马歆然，女，汉族，籍贯四川省大邑县，高中毕业，学生，重庆大学，电能源与动力工程，401331