武汉大学学报 (工学版)   2017, Vol. 50 Issue (1): 81-89

文章信息

槐青, 丁画, 吕涵清, 王君尧, Muhammad Arslaan Ashfak, Fernando Schlindwein
HUAI Qing, DING Hua, LU Hanqing, WANG Junyao, Muhammad Arslaan Ashfak, Fernando Schlindwein
自行车动力发电系统分析
Analysis of bicycle powered system
武汉大学学报 (工学版), 2017, 50(1): 81-89
Engineering Journal of Wuhan University, 2017, 50(1): 81-89
http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2017-01-012

文章历史

收稿日期: 2016-11-23
自行车动力发电系统分析
槐青, 丁画, 吕涵清, 王君尧, Muhammad Arslaan Ashfak, Fernando Schlindwein     
莱斯特大学工程系,英国 莱斯特 LE1 7RH
摘要:为了了解自行车动力发电系统的工作原理、测试运行条件及参数设定,设计相应实验系统并以投影仪为负载进行一系列的实验分析.实验系统由发电系统、充电系统和逆变器系统组成,并采用概念矩阵的方法分别对3个子系统进行分析,并以实施对照试验的方法完善优化系统最终实现基本功能.研究表明:自行车动力发电的效率为58%左右,能量耗损体现在少量噪音与散热;在正常骑车速度 (60~70 r/min) 下,可循环充电电池在0.5 h左右充电至准饱和 (95%电压最大值);方波逆变器能转换直流电为交流电并满足投影仪的供电条件.
关键词自行车动力    可循环充电电池    逆变器    
Analysis of bicycle powered system
HUAI Qing, DING Hua, LU Hanqing, WANG Junyao, Muhammad Arslaan Ashfak, Fernando Schlindwein     
Engineering Department, Univeristy of Leicester, LE1 7RH, United Kingdom
Abstract: Experimental system was designed and tested with projector as load for the purpose of learning working principle, operating condition and parameter setup in bicycle powered system. Experimental system consisted of generating system, charging system and inverter system, which were analyzed respectively by the method of concept matrix and optimized via control tests, contributing to the achievement of fundamental function. The study reasults illustrate that the efficiency of power generation is about 58% due to power loss in noise and heat dissipation. The battery can be charged to nearly full charge level (95% of maximum voltage) via normal cycling (60-70 r/min) for 30 min. The square wave inverter could supply alternating current to projector by transforming direct current.
Key words: bicycle power     recycled charging battery     inverter    

在人类发展的历史中,大部分机械是依靠转动供能的,例如依靠手柄传动的起重机、人力钻具,再到后来以踩踏板的方式代替手工的缝纫机及用于交通上的单轮自行车[1].踏板装置及相似原理的应用不仅提高了旧时人类做功的效率,而且是现代能源开发的基本途径.近年来,国外有的健身房利用健身机器所产生的电能对健身房进行供电照明,以骑自行车的方式为露天电影院的投影仪供电的创新理念亦获得社会的认可赞同[2, 3].基于该发电方式在野外作业、贫困山区等无电源环境下的实用性,我们根据其原理进行系统设计与实验,以自行车的动力为能源经过能量转换与电能存储后给投影仪供电,同时多余的电能被储存在可循环充电电池,实现了特殊环境下发电与供电.本文将对试验设计的系统组成、模拟测试、结论及讨论进行描述.

1 系统组成

该设计按其功能原理分为3个部分,分别是发电系统、充电系统与逆变器.3个部分的连接布置方式如图 1所示.

图 1 系统连接展示 Figure 1 System connection display 1-传送带;2-发电机;3-充电电池;4-变压器;5-充电电路;6-逆变器;7-固定装置;8-自行车
1.1 发电系统

该系统包括自行车、橡胶传送带、发电机及相应的固定装置,主要作用是对可循环充电电池充电.

人体内的化学能通过机械做功,由自行车经过传送带带动发电机发电,产生的电能储存于充电电池.自行车为单速自行车,后轮直径为660 mm,并有踏板固定装置保持踩踏稳定省力.与其由传送带相连的是24 V有刷直流电机,在转速为2 750 r/min时的输出功率为250 W,转轴直径为8 mm.由于发电中存在机械损耗、电枢铁芯与铜线上的损耗及杂散损耗[4],输出功率较大的电机被选择为此实验的发电机且能提供22 V的电压保证充电电路正常运行.

自行车站架通过软件Solidworks2015设计,采用木材制作而成,用于固定自行车的位置.在设计过程中对该站架应力分布进行有限元分析,其结果显示木制站架与自行车后轮中心处的支架之间的凹槽结构压力最大,应对其进行固定保证实验安全,通过对站架的形变分析可知垂直木板为最易形变的部分,需采用较高强度的材料.

发电机转轴转速与自行车后轮转速的关系如下 (同一时间段内压过的传送带距离相等):

2πd1n1=2πd2n2

式中:d1为自行车后轮直径;n1为自行车后轮转速;d2为发电机转轴直径;n2为发电机转轴转速.

代入实际数据可得自行车后轮转一周在理论上可带动发电机转轴转动82.5周,自行车后轮实际转速可由固定在其后轮支架上的速率传感器测得.

1.2 充电系统

该系统包含充电控制电路和可循环充电电池,其目的是保证电池的安全充电与同步控制电池的状态.设计充电控制电路的基本要求包括了充电电流的限制、短路保护、过度充电保护和深放电保护.如图 2所示,由于铅蓄电池为可重复充电电池,其容量较大且从电池阴极有电流流进或流出,需要二极管以电流的方向与阴极相连防止电流逆流.同时为了延长电池寿命,针对主要损害电池且不可避免的因素进行了处理,如图 4中的过度充电保护电路与深度放电保护电路.因此,电路主要分为3个部分:过度充电保护电路,深放电保护电路,恒定电流充电电路.

图 2 充电电路图[5] Figure 2 Charging circuit diagram[5]
图 4 ID-VDS特征图 Figure 4 ID-VDS Characteristics
1.2.1 充电电池

充电电池的寿命受到许多因素影响,例如自身老化、温度、深度放电、过度充电、欠充电和误用等,然而影响电池寿命最常见的原因为过放电和欠充电[6].如图 3所示,当电池深度放电使电池电压低于零界点EDV时,继续放电会使电池电压迅速下降至0并使损坏电池;持续充电使电池电压达到满电压值时,继续充电会使电池电压迅速上升并提高了电池的温度.当温度上升至终端失控温度,电池可能会炸裂导致事故[7].同时充电电流应控制在一定范围内,过大的充电电流会产生过大电压 (超过电池的析气电压) 导致电池膨胀爆裂,过小电流不能提供足够大的电压以致电池电压低于临界值EDV[8].

图 3 充电放电过程中的电池电压 Figure 3 Battery voltage changes of charging and discharging
1.2.2 恒定电流充电

恒定电流充电电路包含了LM236-5二极管、电容、电阻、BJT晶体管和MOSFET管.其中流经MOSFET漏极的充电电流ID根据欧姆定律与基尔霍夫定律可得:

    (1)

式中:VCC为电路供电电压;VBATT为电池电压;VDS为漏源极电压.

当晶体管T5导通,MOSFET漏极与地之间产生电压VD.由于漏极与源极之间存在电阻,两极之间的电压VDS取决于MOSFET管的闭合程度.MOSFET是一种场效应管并有相应的操作区间,闭合程度与基极和发射极之间的电压VGS成正比[3].如图 4所示,当VGS小于其阈值VGS (th)时MOSFET断开.据晶体管IRF540数据表,VGS (th)在2~4 V之间,则该管在VGS大于2 V时导通并在VGS大于4 V时完全导通.当流过参照二极管LM236-5的电流在600 μA与10 mA之间时,二极管分压为5 V.为了保证晶体管T5处于导通状态,其充电电流应小于5.5 A.电阻R10R11与参照二极管并联,晶体管T5与R2串联后再和电阻R10及可调电阻VR1并联,栅极电压VGS可以通过调节滑动变阻器VR1控制.与参照二极管D2并联的电容起到消除噪音的作用.BJT晶体管T1防止电路过度充电,其饱和电压为0.6 V.当充电电流经过电阻R2时会激发集电极与发射极之间的电压VCEVCE上升至0.7 V时,晶体管T1导通.为了防止电池过度充电,充电电流应控制在一定范围内以保证晶体管T1处于断开状态.由于T1支路电阻几乎为零,从R11流过的绝大部分电流会流经T1,则流经电阻R10与可调电阻VR1的电流减少,栅极电压的阈值VGS (th)相应降低,最终充电电流被限制在正常范围并保证电路不会因过度充电而受损害.

1.2.3 深度放电电路与过度充电电路

深度放电电路和过度充电电路可通过LED显示电池充放电状态并调节充电电流的大小.当LED1亮红灯时,表明电池电压低于深度放电电压,电池需要充电;当LED2亮绿灯时,表明电池满电,应停止充电.深度放电电压可通过人工调节电阻来设定不同阈值.充电电路连接发电机与电池,利用二极管限制电流方向的特性防止电池漏电给发电机.二极管D1为低功率schottky二极管SB560,其最大压降约为0.25 V.

过度充电电路包括了齐纳二极管ZD1、晶体管T2、光耦合器IC1及电阻.当输入电压达到齐纳二极管的击穿电压5.1 V时,二极管导通,电流经过二极管流向电阻,二极管的压降约为5.1 V.晶体管T2为NPN型,作为开关控制LED1和光耦合器IC1.据其数据表,最大基极-发射极饱和电压VBE (max)在0.6~1.2 V之间.当VBE达到0.6 V时,T2导通并使电流流过电阻R5,同时LED2亮绿灯,导通光耦合器.

晶体管状态由可调节电阻VR2控制,VBE由以下公式计算:

    (2)

式中:Vovercharge为过度充电电压;VZD1为齐纳二极管上的压降 (5.1 V).该等式也可用于计算电池满电压时电阻VR2的大小.

光耦MCT2E连接过度充电电路与恒定电流充电电路.当电流流过LED1,芯片开始工作,电流流过R11后直接流进光耦合器IC1的集电极和发射极再接地,其将会短路MOSFET T5,从而恒定电流充电电路停止工作.同时LED1会亮绿灯,电池为满电状态.

深度放电保护电路的结构与过度充电保护电路结构相似但作用相反.当晶体管T3导通,晶体管T4的基极发射极电压将会为0,T4停止工作,LED2的红灯熄灭显示电池处于正常状态.当电池电压下降至深度放电电压时,晶体管T3停止导通,电流经过R8和T4到地.T4导通后LED2红灯点亮显示电池为低电量需要充电.

晶体管T3的状态由可调电阻VR3控制,VBE由以下公式计算:

    (2)

式中:VDeepdischarge为电池深度放电电压;VZD2为齐纳二极管上的压降 (3.6 V).

1.3 逆变器系统 1.3.1 工作原理

逆变器是该系统的主要原件并连接电池与投影仪,主要目的是把电池输出的直流电转化为交流电给投影仪供电.

图 5所示,该电路将12 V的铅蓄电池直流电压转化为主线交流电压并给电子设备供电.其中芯片ICCD4047的10号管脚和11号管脚产生50 Hz占空比为50%的方波.二极管1N4007置于主线路以防止电流逆流.与该电路连接的电池由与二极管相连的手动开关控制,LED (D2) 显示电池的工作状态,与变压器连接的2个MOSFET作为电子开关装置产生交流电,其开关工作时电路情况如下.

图 5 逆变器电路图 Figure 5 Inverter circuit

当10号管脚为高电平时,Q1导通Q2断开.从电池流出的电流的流经路线如图 6,首先流进变压器一次侧的上半线圈,再经过MOSFET Q1的漏极与源极,最终流进与电池负极相接的地极.当11号管脚为高电平时,Q1断开,电流流入变压器一次侧的下半线圈后流过Q2再到地极,其线路如图 7.交流电流由切换MOSFET Q1和Q2的导通状态而产生.变压器为升压变压器,将12 V的输入电压提高至230 V的主线电压.由于MOSFET以50%的占空比进行开关切换,变压器选择中心抽头变压器 (12 V-0-12 V或者2个0-12 V).

图 6 Q1导通Q2断开时电流流向 Figure 6 Current direction (Q1 on, Q2 off)
图 7 Q1断开Q2导通时电流流向 Figure 7 Current direction (Q1 off, Q2 on)
1.3.2 芯片CD4047

芯片CD4047是一种CMOS低功率单稳态/非稳态多谐振荡器,拥有稳态与非稳态2个运行模式.在非稳态模式中,CD4047可产生稳定的频率并在10号管脚和11号管脚产生输出频率,输出频率由时间系数 (3号管脚与1号管脚间的外部电容、2号管脚与3号管脚之间的外部电阻) 控制.同时芯片输出50%占空比的脉冲,满足逆变器产生一定频率的电压脉冲的要求.

CD4047结构如图 8,4、5、6、14号管脚与电池电源VDD相连,剩余的7、8、9、12号管脚与地极VSS相连,10、11、13号管脚输出信号.10号管脚和11号管脚的输出时间间隔tA(10, 11)=4.40RC,13号管脚的输出时间间隔tA(13)=2.20RCR为外部电阻的阻值,C为外部电容的容量.

图 8 CD4047结构图 Figure 8 CD4047 block diagram

为了获得50 Hz的输出频率,经计算该试验中选择455 kΩ的电阻与0.01 μF的电容.由于CD4047产生的频率存在一定的偏离误差,电路中安置了可调电阻VR1来调整外部电阻大小进而更准确地调整输出频率.电阻的可调范围为390~490 kΩ,对应的频率可调范围为47~58 Hz.

2 实验测试与分析 2.1 发电机位置的选择

测试的目的是观察自行车后轮轴心与发电机转轴轴心的距离 (保证系统运作正常) 对发电效率的影响,其间距取值分别为92 cm和94 cm,偏大或偏小的间距使传送带过紧或过松导致实验失败.测试结果如图 9所示,发电机在转速为2 750 r/min时的发电电压为24 V,效率η1=2 520/(56×82.5)×100%=55%(d=92 cm);效率η2=2 520/(53×82.5)×100%=58%(d=94 cm).

图 9 不同间距下电压与转速的关系 Figure 9 V-RPM in different distances

发电机与自行车的间距为94 cm时产生22 V电压所需转速约为53 r/min,少于另一组产生22 V电压所需转速.自行车正常速度为60~70 r/min,高于所需转速53 r/min.因此正常速度的骑行可以保证足够的功率给电池充电.在测试过程中,53~55 r/min被认定为较为耐久的骑行速度.

2.2 晶体管与二极管测试

晶体管是充电电路中的重要组成部分,应单独进行功能测试,其测试电路如图 10所示,测试当晶体管导通时LED是否发光.实验结果表明LED在晶体管导通时发光,即功能正常.

图 10 晶体管测试电路 Figure 10 Transisitor test circuit

图 11所示,参考二极管的工作电流范围为600 μA至10 mA,根据其工作电流范围,测试模拟二极管上的电压设置为5 V以保证正常工作,再增大输入电压Vin观察二极管电压VD.

图 11 参考二极管测试 Figure 11 Reference diode test

测试结果如图 12所示,当输入电压达到9.43 V时正向电压才达到5 V,则当输入电压不足9.43 V会对恒定充电存在一定的影响.电阻VR1设置为一定值以控制T5的门极电压.当参考二极管电压小于5 V时,如果不及时调整可调电阻,R10与VR1上的分压相应减小,门极电压和MOSFET的正向电压也随之减小,导致充电效率降低甚至停止充电.因此输入电压应不低于9.43 V.

图 12 输入电压与二极管电压的关系 Figure 12 Input voltage-diode voltage
2.3 电路测试 2.3.1 过度充电保护电路和深度放电保护电路

充电电池选为12 V 22 Ah铅酸蓄电池,可调节电阻VR2和VR3的阻值由式 (2)、(3) 可得.当电压为满电电压12.2 V时,电阻VR2应设置为1 100 Ω,LED绿灯点亮显示电池电压达到或超过12.2 V.当深度放电电压设为11.8 V时,电阻VR3应为1 200 Ω,LED亮红灯显示电池电压低于11.8 V.测试结果表明功能正常:电池充电至12.19 V,LED亮绿灯,充电电流缓慢减少至0即停止充电;当电池放电至电压为11.8 V,LED亮红灯.

当LED灯没有在电池相应状态做出反应时,与晶体管并联的可调节电阻需要进行检查.

2.3.2 充电电路

对充电电路进行了2组测试,电阻R2分别设为0.14 Ω与0.5 Ω.

调节电阻VR2至LED绿灯熄灭,将电池与充电电路连接并逐渐增大输入电压VCC(15~26 V),存在充电电流ID流经电阻R2.根据电池的电压VBatt、漏源极电压VDS及漏极与地之间的压降VDGND的变化可得下列等式:

参数Id为预期充电电流,R2为根据实际测试数据计算出的阻值,测试结果如表 1所示.

表 1 充电电路测试结果 (R2=0.14 Ω) Table 1 Charging circuit test result (R2=0.14 Ω)
VCC VBatt/V VDGND/V VDS/V Id/A Id/A R2
15.91 12.13 2.38 2.32 0.58 0.42 0.10
16.83 12.24 2.99 2.85 1.20 1.00 0.11
17.88 12.37 3.78 3.62 1.56 1.14 0.10
18.54 12.43 4.44 4.29 1.59 1.07 0.09
19.54 12.45 5.36 5.20 1.66 1.14 0.09
20.50 12.44 6.74 6.58 1.45 1.14 0.11
21.40 12.44 7.77 7.65 1.40 0.85 0.08
22.30 12.43 8.79 8.59 1.29 1.40 1.15
23.50 12.42 10.18 10.07 1.18 0.78 0.11
25.30 12.42 12.26 12.14 1.06 0.85 0.11
26.20 12.41 13.24 13.15 1.04 0.64 0.08

表 1可知,电池电压起始随充电电压的增加而上升且LED绿灯逐渐变亮,电池电压升至12.4 V左右时不再因充电电压的增大而升高,则可认为电池的满电电压为12.4 V.在比较充电电流测量值Id与其计算值Id两组数据发现Id呈现异常波动,同时计算值R2也出现波动.其原因可能是晶体管T1与MOSFET T5之间的相互牵制作用,并且测试中的元件发热导致电阻变化.

表 2表明,当电池未处于满电状态时,充电电流Id随充电电压增大而升高,并且当电池电压不变时趋于稳定.电阻R2为0.5 Ω时,计算值Id与测量值Id差别明显.计算值R2由测量数据VDGNDVDSId计算而得,由该组数据可知R2应为0.35 Ω左右.该系列测试证明电阻R2取0.5 Ω并不准确,但是却更好地保证了电路的稳定.

表 2 充电电路测试结果 (R2=0.5 Ω) Table 2 Charging circuit test result (R2=0.5 Ω)
VCC VBatt/V VDGND/V VDS/V Id/A Id/A R2
15.9 11.90 2.65 2.42 0.73 0.46 0.31
17.6 12.00 4.03 3.49 1.45 1.08 0.37
18.2 12.13 4.46 3.92 1.49 1.08 0.28
19.2 12.15 5.50 4.95 1.55 1.10 0.35
20.5 12.17 6.79 6.23 1.59 1.12 0.35
21.7 12.17 8.02 7.45 1.61 1.14 0.35
22.8 12.15 9.09 8.52 1.62 1.14 0.35
23.9 12.17 10.22 9.65 1.64 1.14 0.35
25.2 12.18 11.46 10.89 1.65 1.14 0.35
26.2 12.18 12.49 11.92 1.66 1.14 0.34
2.4 充电时间测试

该测试目的为确定电池在无负载时的充电时间,耐久转速54 r/min对应的电压为21 V,因此本实验采用21V DC电压进行测试.测试的相关数据如图 13所示.

图 13 电池电压与充电电流折线图 Figure 13 Line chart of battery voltage and charging current

实验结果表明,起始电池电量低,LED1的红灯点亮,电池电压上升较快且充电电流为常量.当电池电压达到11.8 V时,LED1的红灯熄灭.当电池电压上升至11.88 V时,LED2的绿灯开始以微光闪烁,充电电流开始逐渐下降.此现象表明晶体管T2处于开关临界状态.当晶体管T2的基射极电压小于0.6 V,T2将开始导通,电流将选择一条支路流经LED1、IC1和T2的集电极与发射极.因此光耦IC1导通,给电阻R10和VR1分配电压,进而流经晶体管T5的栅极电流将会减小 (式 (1)).当电池电压上升至12 V,LED2的绿灯亮强光,表明电池几乎为满电状态.此时充电电流快速下降至0.7 A左右.此后电池电压呈波动状态并稳定于12 V.在110 min时,由于风扇对MOSFET降温以至其内阻降低,充电电流产生轻微的反弹现象,随后电流逐渐减少至0.24 A.当电池结束充电,由于其内部存在的化学反应,电池电压存在小幅度的下降.起初电池能被充电至12.8 V,但随后数次充电过程中发现其最大电压不高于12.5 V.根据Peukert定律,可循环充电电池的容量将会随着不同放电速率而改变,电池的容量因放电速率的增加而降低[9].

2.5 芯片CD4047功能测试

芯片CD4047的功能测试在图 5所示的换流器电路的信号输出部分进行.电路板与电池相接作为输入并用示波器观察10号、11号和13号管脚的输出波形、电压大小与频率.在测试中为了降低电池损坏的风险,电路板与电池之间加入了线路保险丝.LED绿灯点亮表明电池能够给电路板正常供电.

图 14所示,上行波形为11号管脚的输出信号,下行波形为10号管脚的输出信号.根据芯片CD4047的数据表,两个管脚输出的信号频率相同且都为50%占空比的信号.从测试结果可知,两个管脚输出的信号频率存在微小的差异,其原因是芯片存在一定的频偏且外界噪音可能会影响读数.如图 15所示,上行波形为13号管脚的输出信号,下行波形为10号管脚的输出信号.根据读数,13号管脚的输出信号频率为100.5 Hz,10号管脚的输出信号频率为50.13 Hz,前者约为后者的2倍.此结果符合芯片CD4047的频率等式,即芯片功能正常、输出信号良好.

图 14 11和10号管脚的电压波形 Figure 14 Waveform at pin 11 and 10
图 15 13和10号管脚的电压波形 Figure 15 Waveform at pin 13 and 10
2.6 MOSFET测试

该换流器电路采用N-channel增强型MOSFET管 (IRF540) 作为开关原件,理由为该管能进行快速开关切换且其导通电阻较低、运行温度达175 ℃.对于此类型MOSFET管,VGS为正时MOSFET导通,VGS为负时MOSFET断开.芯片CD4047的10号与11号管脚分别与MOSFET管相连,电阻R5R6置于管脚和MOSFET管之间以限制流过MOSFET的电流.两个MOSFET的源端相连再接地.因此MOSFET的栅极上为正电压,MOSFET导通.

按电路连接后对MOSFET的管脚进行绝缘处理,检查电路后进行测试,MOSFET管的漏极输出波形如图 16所示.图 16中,上行波形为Q1的漏极输出信号,下行波形为Q2的漏极输出信号,Q1、Q2交替切换开关状态,符合其运行规律.MOSFET开关切换较快易产生电压脉冲 (如图 17所示),长期工作下易导致MOSFET损坏,因此在后续试验中对MOSFET开关配置了相应的缓冲电路.

图 16 MOSFET漏极输出波形 Figure 16 Waveform of MOSFET (drain)
图 17 输出信号中的电压脉冲 Figure 17 Output signal with voltage pulse
2.7 变压器测试

为了满足输出功率的要求,此实验采用了功率较大的环形变压器[10],初级侧为230 V电压,次级侧为2个12 V 6.6 A的线圈.环形变压器被认为比一般标准E-I型变压器更高效,并且重量与尺寸较小,利于散热.此变压器每个线圈能供电79.2 W,满足投影仪的用电需求.

测试先以低功率台灯检验可行性并计算效率.在低压侧,V=11.90 V,I=0.61 A,P=7.259 W;在高压侧,V=226 V,I=0.029 A,其乘积所得的理论功率值为6.554 W,效率为90.28%.

根据投影仪的额定功率可知,电池侧的电流为4.58 A (55 A/12=4.58 A).测试显示,电池与MOSFET的漏极之间的压降为0.3 V,为了减少线路上的电压损耗,对电路连接进行了改进.首先,将电路连接导线改为横截面积更大的导线以减小线路上的电阻,进而使电压损耗减小;其次,在实际情况允许的条件下,尽可能地缩短接线端子与电池的距离,减小电阻及线路上的压降;最后,两个MOSFET管开关安置散热片以减少元件长期工作下温度升高对其内阻的影响.

2.8 综合测试 2.8.1 投影仪工作时间

放电时间、电池电压、变压器电压及电流、功率为系统整体测试的目标,同时观测当无人骑车发电的情况下满电电池维持投影仪工作的时间,实验结果如图 18所示.

图 18 测试结果 Figure 18 Test result

图 18可知,当投影仪工作时,变压器的电压为162.64 V.在无充电操作的情况下满电电池可维持投影仪工作45 min.在前40 min内,电池电压从11.77 V下降至10.00 V,变压器电压从162.64 V下降至140.70 V,变压器电流从0.369 6 A上升至0.57 A.最后5 min电池放电速度加快,电池电压迅速下降,同时电流迅速上升.当电压低于100 V时投影仪自动停止工作.随着工作时间增长,电池放电速率相应增大.当投影仪工作时,功率存在微小的波动,根据放电时间-功率图,平均功率为58.2 W左右.

2.8.2 模拟测试

在检测完毕系统各部分功能并确定正常后,对其进行模拟充电测试,即以自行车后轮60 r/min的速度对电池进行充电.测试数据包括车轮转速、变压器电压和电池电压,过程历经10 min,读数如表 3左栏所示.

表 3 不同转速下的变压器电压与电池电压 Table 3 Transformer voltage and battery voltage at different speed
时间/min 转速/(r·min-1) 变压器电压/V 电池电压/V
0 0 163.80 11.84
2 54 163.68 11.85
4 63 163.54 11.85
6 60 162.73 11.83
8 56 162.62 11.82
10 59 162.54 11.81
0 0 156.70 11.73
2 41 155.92 11.71
4 58 156.02 11.72
6 65 155.92 11.72
8 63 155.32 11.70
10 61 155.19 11.69

测试中,车轮速度维持在60 r/min左右,电池电压与变压器电压成正相关.当速度高于60 r/min时,电池电压维持在稳定水平或略微升高;当速度低于60 r/min时,电池电压呈下降趋势,但速度越接近60 r/min,电池电压下降越慢.相比于前一个测试,10 min内,电压下降大幅度减少 (Δ1=11.77-11.61=0.16 V;Δ2=11.84-11.81=0.03 V).

2.8.3 模拟测试 (加负载)

在模拟测试的基础上增加一个功率为8 W的台灯,记录测试数据,结果如表 3右栏所示.该实验中,负载增大使系统消耗更大,电池放电速率加快,需要速度更快地踩踏自行车维持电池电压稳定.电池电压存在小幅度上升,其原因可能是由于电池内存在电阻,当电池接入负载,电池内阻将会分压,导致输出电压减小.

3 结论与讨论

该设计方案实现了自行车动力发电的目的并成功给投影仪供电.在自行车以正常速度运转下,能维持投影仪工作45 min左右,30 min可将电池充电至准饱和状态,发电效率为58%左右.该装置作为在无电源的特殊环境下的人力发电方式,满足对通信设备等较低功率负载供电,且工作时间长度基本满足需求.

测试发现系统中存在值得改进完善的部分,例如对于MOSFET管的保护可分为散热处理[11]及缓冲电路的配置.MOSFET管高频切换开关状态的特性易导致工作温度上升,影响电子元件及电路的工作稳定性,因此MOSFET应安置散热片以避免高温引起的不良影响.同时MOSFET管在作为开关工作时快速中断电流引起电压脉冲,在长期工作下易对元件造成损坏.RC缓冲电路[12]在后续改进实验中被采用以减小电压脉冲的幅值,其基本原理是并联电容的电压不能瞬变,瞬变电流流经电容并在短时间内缓慢减小,则开关电压在开关断开时增加缓慢,从而避免了过大的电压脉冲.缓冲电路中的电阻与电容取值可由相关实验数据计算而得,但仍存在多种计算取值方法和电路设计[13],因此在未来研究中缓冲电路设计的优化可通过基数更大的试验测试来完善.发电系统中的传动装置的效率可通过以下方式提高:将皮带轮换为调速轮以实现车轮变速,在充电电压允许的情况下提高机械能的利用率;轮毂发电机[14]可代替整个传送带装置,将发电机置于自行车后轮的转轴内,使用者直接踩踏自行车踏板发电,避免了传送带带来的能量损耗,提高发电效率.考虑到该装置的便携性,车架材料应选择轻型复合材料[15],折叠车架或易拆装车身组件可提高其实用性.同时发电机的位置可做适当调整,例如安置发电机于中轴附近的车架并在发电机轴头安装齿轮装置配合链条的驱动发电,可减小安装体积与能量损耗[16].

参考文献
[1] Megalingam R K, Veliyara P S, Prabhu R M, Katoch R. Pedal power generation[J]. International Journal of Applied Engineering Research, 2012, 7(11): 1473–1477.
[2] Tom Gibson. These exercise machines turn sweat into electricity[J]. IEEE Spectrum, 2011, 48(7): 50–55. DOI:10.1109/MSPEC.2011.5910449
[3] Strzeleki R, Jarnut M, Benysek G. Exercise bike powered electric generator for fitness club appliances[C]// 2007 European Conference on Power Electronics and Applications, 2007, 7(3):36.
[4] 辜承林, 陈乔夫, 熊永前. 电机学[M]. 第3版. 武汉: 华中科技大学出版社, 2010.
Gu Chengling, Chen Qiaofu, Xiong Yongqian. Electromechanics[M]. 3rd Edition. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology Press, 2010.
[5] Monoj Das. Constant-current battery charger[J]. Electronics for You, 2009(8): 114–115.
[6] 郝晓红, 钦建峰, 王金都, 高云芳. 新能源系统储能用铅酸电池使用寿命的影响因素分析[J]. 能源工程, 2012(4): 10–14.
Hao Xiaohong, Qin Jianfeng, Wang Jindu, Gao Yunfang. Analysis of factors influencing the lifetime of lead acid battery for renewable enerfy storage system[J]. Energy Engineering, 2012(4): 10–14.
[7] Barsukov Y, Qian J. Battery Power Management for Portable Devices[M]. Artech House, 2013: 101-102.
[8] Linden D. Handbook of Batteries[M]. McGraw-Hill, 2002.
[9] 周智勇, 龚文超. 基于Peukert方程的铅酸蓄电池容量计算方法研究[J]. 蓄电池, 2013, 50(2): 55–57.
Zhou Zhiyong, Gong Wenchao. Study on calculation methods about the capacity of marine lead-acid battery based on the Peukert equation[J]. Battery, 2013, 50(2): 55–57.
[10] 李庆霖, 刘佩玲, 李劲涛. 环形变压器及其应用[J]. 电源技术应用, 2002, 5(11): 572–577.
Li Qinglin, Liu Peiling, Li Jingtao. Toroidal transformer and its application[J]. Power Supply Technologies and Applications, 2002, 5(11): 572–577.
[11] 王赋攀, 杨鹏. MOSFET功率开关器件的散热计算[J]. 通信电源技术, 2005, 22(1): 31–33.
Wang Fupan, Yang Peng. Heat dispersion calculation of power switching device[J]. Telecom Power Technologies, 2005, 22(1): 31–33.
[12] 梁伟恩, 付翔, 杨军. 开关电源中RC缓冲电路的设计[J]. 电子元器件应用, 2010, 12(6): 40–42.
Liang Weien, Fu Xiang, Yang Jun. Design of RC snubber circuit in switching power supply[J]. Electronic Component & Device Applications, 2010, 12(6): 40–42.
[13] 姜栋栋, 王烨, 卢峰. IGBT过电压产生机理分析及RC缓冲电路的设计[J]. 电力科学与工程, 2011, 27(4): 23–29.
Jiang Dongdong, Wang Ye, Lu Feng. Analysis of the reasons of over voltage for IGBT and the design of RC sunbber circuit[J]. Electric Power Science and Engineering, 2011, 27(4): 23–29.
[14] EP1155948B1, Fukuda, Hitoshi, Bicycle hub dynamo and bicycle[P]. European Patent, 01111785.0, 28/10/2009.
[15] 杜希岩, 李炜. 纤维增强复合材料在体育器材上的应用[J]. 纤维复合材料, 2007, 24(1): 14–17.
Du Xiyan, Li Wei. Application of fiber reinforced composites for sports instruments[J]. Fiber Composites, 2007, 24(1): 14–17.
[16] 蔡启蒙, 化佳欢, 袁海明, 王正斌, 师玉宝. 一种自发式电助力自行车的设计思路[J]. 科技创新导报, 2007, 9(14): 16.
Cai Qimeng, Hua Jiahuan, Yuan Haiming, Wang Zhengbin, Shi Yubao. Design ideas of a self generating power assisted bicycle[J]. Science and Technology Innovation Herald, 2007, 9(14): 16.