王博+麻友良+舒國(guó)全+姜莉

摘 要：自行車發(fā)電裝置因其實(shí)用、環(huán)保的特點(diǎn)而受到越來越多人的關(guān)注，但市場(chǎng)上已有的自行車發(fā)電裝置都必須長(zhǎng)期固定在車架上，安裝和拆卸極為不便。文章分析了現(xiàn)有自行車發(fā)電裝置普遍存在的不足，并以裝卸簡(jiǎn)便、使用安全可靠為設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出了一種易裝卸的自行車發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)，并對(duì)發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：自行車；發(fā)電裝置；簡(jiǎn)便可靠；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 概述

隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高，自行車作為一種綠色、健康的交通工具而受到越來越多人的青睞。而近幾年一些智能設(shè)備尤其是智能手機(jī)的普及，雖然給人們的生活帶來了方便，但是也存在著耗電快、充電不便的問題。為了解決騎行時(shí)充電不便的問題，同時(shí)也為了踐行節(jié)能、環(huán)保的理念，人們?cè)O(shè)計(jì)了一些自行車發(fā)電裝置，利用電磁感應(yīng)原理將自行車騎行時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，進(jìn)而為電子設(shè)備供電。一種是采用自行車鏈條與齒輪之間摩擦進(jìn)行發(fā)電[1]，此方式雖然發(fā)電效率較高，但是其發(fā)電裝置必須長(zhǎng)期固定于車架上，安裝和拆卸極為不便。在不需要自行車發(fā)電時(shí)，鏈條與發(fā)電裝置之間的摩擦反而會(huì)給自行車的騎乘造成阻礙。另一種則是將一圈強(qiáng)磁鐵固定在自行車輻條上，在行駛中通過磁鐵切割磁感線產(chǎn)生電流，進(jìn)而為電子設(shè)備供電[2]。此方式雖然為無摩擦發(fā)電，但其將磁鐵固定于自行車的輻條上，不利于發(fā)電裝置的安裝和拆卸。在不需要自行車發(fā)電時(shí)，笨重的磁鐵無疑會(huì)給自行車的騎乘帶來相當(dāng)大的阻力。可見現(xiàn)有自行車發(fā)電裝置雖然實(shí)現(xiàn)了發(fā)電這一功能，但由于安裝拆卸困難而導(dǎo)致其實(shí)用性較差，不能很好地滿足人們對(duì)于自行車發(fā)電裝置的要求。因此，研究和開發(fā)裝卸簡(jiǎn)便、使用安全可靠的自行車發(fā)電裝置顯得尤為必要。

2 總體方案設(shè)計(jì)

文章設(shè)計(jì)了一種易裝卸的自行車發(fā)電裝置，該裝置主要由發(fā)電模塊和電能儲(chǔ)存模塊組成。其中發(fā)電模塊由可插撥的發(fā)電核心組件及其支持裝置組成，發(fā)電核心組件主要由接觸輪和交流發(fā)電機(jī)組成，其支持裝置可固定于車架上。電能儲(chǔ)存模塊主要由整流穩(wěn)壓電路和移動(dòng)電源組成。當(dāng)需要自行車發(fā)電時(shí)，通過接觸輪和自行車后輪之間的傳動(dòng)帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)發(fā)電，其輸出的電能可儲(chǔ)存于移動(dòng)電源中或直接為其它電子設(shè)備供電。當(dāng)不需要自行車發(fā)電時(shí)，可卸下發(fā)電核心組件，從而避免對(duì)自行車的行駛造成阻礙以及影響騎乘體驗(yàn)。

3 系統(tǒng)功能分析

自行車發(fā)電方式：

圖1為自行車發(fā)電裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，發(fā)電核心組件通過其支持裝置固定于自行車車架上，二者共同構(gòu)成發(fā)電模塊。在自行車行駛時(shí)，其后輪帶動(dòng)接觸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生電流。所產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流穩(wěn)壓電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，并經(jīng)USB輸出接口儲(chǔ)存于移動(dòng)電源中或?yàn)橹苯悠渌娮釉O(shè)備供電。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 發(fā)電模塊

發(fā)電模塊是整車中最重要的模塊，也是本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)所在。如圖2及圖3所示，發(fā)電模塊由發(fā)電核心組件及其支持裝置組成，而發(fā)電核心組件由接觸輪、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、交流發(fā)電機(jī)組成，支持裝置由殼體Ⅰ、與另一殼體Ⅰ連為一體的盒體Ⅰ、蓋板、盒體Ⅱ、彈簧組成，并固定于自行車中軸與后軸之間的車架上。彈簧一端固定于盒體Ⅰ內(nèi)壁，不僅可將盒體Ⅱ定位，而且可使接觸輪與自行車后輪始終保持良好接觸。當(dāng)自行車后輪受到?jīng)_擊并傳導(dǎo)至交流發(fā)電機(jī)時(shí)，可利用彈簧受力壓縮的特性吸收沖擊能量，起到吸能緩沖、保護(hù)發(fā)電核心組件之作用。

安裝時(shí)，可將交流發(fā)電機(jī)沿豎槽放置于盒體Ⅱ內(nèi)，并使接觸輪與其傳動(dòng)軸連接。輕撥彈簧一端，將盒體Ⅱ置于盒體Ⅰ中，并蓋上蓋板，調(diào)整發(fā)電核心組件的支持裝置在車架上的位置，使接觸輪與自行車后輪接觸良好，自行車后輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)即可帶動(dòng)交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生電流。所產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流穩(wěn)壓電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，并經(jīng)USB輸出接口儲(chǔ)存于移動(dòng)電源中。當(dāng)不需要進(jìn)行發(fā)電時(shí)，可打開蓋板并取出發(fā)電核心組件，從而避免對(duì)自行車的行駛造成礙。

4.2 電能儲(chǔ)存模塊

4.2.1 整流穩(wěn)壓電路。因?yàn)樵隍T行中自行車的速度是在不斷發(fā)生改變的，所以交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流的大小和方向也在不斷發(fā)生改變。為了得到移動(dòng)電源或其他電子設(shè)備可直接利用的恒定的5V直流電，必須設(shè)置整流、濾波和穩(wěn)壓電路，電路原理如圖4所示。整流電路采用的是三相橋式整流電路，發(fā)電機(jī)發(fā)出電壓、頻率脈動(dòng)的三相交流電，經(jīng)過三相二極管整流橋變?yōu)殡妷好}動(dòng)的直流電[3]。濾波電路采用的是低通電容C2，可將交流電壓分量濾出，從而使輸出電壓平滑[4]。穩(wěn)壓電路則采用的是7805三端固定式集成穩(wěn)壓器，其內(nèi)部電路和基本工作原理與采用集成運(yùn)算放大器的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的相同。而且用三端固定輸出電源的集成穩(wěn)壓器可以很方便地構(gòu)成固定輸出穩(wěn)壓電源，W78××/W79××系列的最后兩位數(shù)表示該集成電路的輸出電壓值[5]。即采用7805三端固定式集成穩(wěn)壓器可輸出穩(wěn)定的5V直流電源以供移動(dòng)電源或其他電子設(shè)備使用。

4.2.2 移動(dòng)電源。移動(dòng)電源可選擇市場(chǎng)上所銷售的款式，既方便實(shí)用又能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)電路[6]。移動(dòng)電源能夠提供溫度保護(hù)、短路保護(hù)、Reset保護(hù)、輸入過壓保護(hù)、輸入防反保護(hù)、輸入過流保護(hù)、輸出過壓保護(hù)、電池過充過放保護(hù)、電芯PTC保護(hù)，并全面提升充放電效率。

5 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)的自行車發(fā)電裝置可為騎乘者提供持久、穩(wěn)定的綠色能源，而且易于安裝和拆卸，不會(huì)影響騎乘體驗(yàn)。該裝置采用了模塊化設(shè)計(jì)，主要由兩大模塊組成：發(fā)電模塊和電能儲(chǔ)存模塊。本設(shè)計(jì)最具特色的是發(fā)電模塊，其可插撥的發(fā)電核心組件及支持裝置使得發(fā)電模塊的安裝和拆卸十分簡(jiǎn)便。當(dāng)需要自行車發(fā)電時(shí)，安裝好發(fā)電模塊和電能儲(chǔ)存模塊，便可在騎行時(shí)獲得所需的電能。當(dāng)不需要自行車發(fā)電時(shí)，可卸下發(fā)電核心組件，從而避免對(duì)自行車的行駛造成阻礙以及影響騎乘體驗(yàn)。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝卸簡(jiǎn)便，使用安全可靠，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]顏禹張，張歡韻.自行車發(fā)電及安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)，2012（12）：62-64.

[2]閆俊伢.一種基于磁感線的自行車發(fā)電裝置設(shè)計(jì)[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)漢文版），2015（44）：617-619.

[3]段波.自行車發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009（4）：18-19.

[4]秦曾煌.電工學(xué)（6版）[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5]宋玉階，吳建國(guó)，張彥，等.電工與電子技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2012.

[6]徐文偉，肖兵，楊傳海.電能回饋裝置與二極管整流裝置并聯(lián)研究[J].電力電子技術(shù)，2013（1）：1-3.

作者簡(jiǎn)介：王博（1993-），男，湖北孝感人，武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院學(xué)生，本科，主要研究方向：新能源汽車、汽車電氣與電控技術(shù)。