能量反饋式自行車的改進(jìn)實(shí)踐

熊灝

摘 要：共享單車目前已在我國普及，惠及大眾生活。本文試圖從制動能力再生角度改進(jìn)自行車動能，將自行車減速或者制動時的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池中，從而提高能量使用效率，更好地服務(wù)大眾。

關(guān)鍵詞：自行車；能量反饋式；改進(jìn)實(shí)踐

中圖分類號：U484 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）05-0106-04

Improvement Practice of Energy Feedback Bicycle

XIONG Hao

（Experimental School of Beihang University，Beijing 100000）

Abstract： The shared bicycle has been popularized in our country and benefited the public life. This paper attempted to improve the bicycle kinetic energy from the perspective of braking capacity regeneration， transformed some of the mechanical energy of the bicycle when braking or braking， and stored it in the battery， so as to improve the efficiency of energy use and better serve the public.

Keywords： bicycle； energy feedback；improvement

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對自行車的需求不斷提高。通過不斷改進(jìn)，將普通自行車改造成集速度控制、音樂播放、安全控制、炫彩燈飾、能量反饋、狀態(tài)檢測等功能于一體的交通工具，不僅符合低碳環(huán)保的出行理念，而且能滿足人們的各種需求[1]。隨著共享單車在城市中得到普及，本設(shè)計(jì)也可以提高共享單車的服務(wù)質(zhì)量和水平。在改造過程中，能量控制與反饋是重點(diǎn)內(nèi)容。本文介紹了制動能量再生方法，即將自行車減速或者制動時的一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能儲存在電池中，從而提高能量使用效率?，F(xiàn)對該方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 參數(shù)計(jì)算

2.1 阻力計(jì)算

人車重力產(chǎn)生的基本阻力如式（1）所示：

[F1=Mgω=m1+m2gω] （1）

為計(jì)算方便，對公式（1）中的變量進(jìn)行相應(yīng)取值。

式（1）中：[m1]表示人體質(zhì)量，取75kg；[m2]表示車體質(zhì)量，取35kg；[ω]表示車輪滾動摩擦系數(shù)，一般取0.02～0.03（混凝土路面），本計(jì)算取0.02；[g]表示重力加速度，為計(jì)算方便數(shù)值取10。根據(jù)上述取值可求得阻力[F1=75+35×10×0.02=22N]。

2.2 慣性力計(jì)算

旋轉(zhuǎn)車輪及電機(jī)轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)慣性矩折算成平移的慣性力如式（2）所示：

[F2=1+γm1+m2a] （2）

為計(jì)算方便，對公式（2）中的變量進(jìn)行相應(yīng)取值。

式（2）中：[γ]表示旋轉(zhuǎn)慣性系數(shù)，取0.075；[a]表示車體加速度，取0.05。根據(jù)上述取值可求得慣性力[F2=1+0.075×75+35×0.05=5.912 5N]，最終結(jié)果取6N。

2.3 牽引力計(jì)算

由克服阻力和慣性力可求得牽引力，如式（3）所示：

[F=F1+F2] （3）

根據(jù)上述求得的結(jié)果，可得出[F=22+6=28N]?？紤]到風(fēng)阻系數(shù)，取1.2倍數(shù)，最終求得牽引力為33.6N。

2.4 制動力矩計(jì)算

剎車時產(chǎn)生的制動力矩如式（4）所示：

[T=Tu-Tf-Tre] （4）

[Tu=m1+m2gD/2] （5）

[Tf=m1+m2gωD/2] （6）

式（4）中：[T]表示制動力矩，N·m；[Tu]表示負(fù)載力矩作用在制動軸上所形成的摩擦力矩，N·m；[Tf]表示折算到制動軸上的總摩擦力矩，N·m；[Tre]表示再生制動力矩，N·m；D表示自行車后輪直徑（0.8m）。根據(jù)式（5）和式（6）分別求得：

[Tu=75+35×10×0.8/2=440N·m] [Tf=75+35×10×0.02×0.8/2=8.8N·m] （7）

此處再生制動力矩按照變量處理，分別取5、10、15、20、25N·m。在下坡和用自行車進(jìn)行鍛煉時，此部分再生能量會回饋至電池組，由于與速度有關(guān)，當(dāng)作變量處理較為合適[2]。

2.5 所需電機(jī)功率、電流和轉(zhuǎn)速計(jì)算

自行車正常行駛時需要的功率如式（8）所示：

[P=Fv3 600η] （8）

式（8）中：P表示所需電機(jī)功率，kW；v表示車速，取30km/h；[η]表示電機(jī)效率，取0.9。由此，可計(jì)算出P約為0.311 1kW。

由賽車類型的自行車改造的電動自行車，設(shè)計(jì)速度最高為70km/h，根據(jù)式（8）可計(jì)算出的功率值約為0.72kW，考慮到可靠系數(shù)，電機(jī)功率選擇1.5kW。

可根據(jù)式（9）計(jì)算不同設(shè)計(jì)速度所需的電流：

[I=PU] （9）

式（9）中：[U]表示電池電壓，本設(shè)計(jì)選用48V 20AH的磷酸鐵鋰電池；[I]表示工作電流。當(dāng)設(shè)計(jì)速度為30km/h，可求得[I=311.148=6.48A]；設(shè)計(jì)速度為70km/h，可求得[I=72048=15A]。

可根據(jù)式（10）可計(jì)算不同設(shè)計(jì)速度下的轉(zhuǎn)速：

[n=60vπD] （10）

式（10）中：v表示車輪轉(zhuǎn)速，m/s；n表示車輪轉(zhuǎn)速，r/min。根據(jù)式（10）可求得速度為30km/h時轉(zhuǎn)速[n=60×30×1 000/3 6003.14×0.8=199r/min]，速度為70km/h時轉(zhuǎn)速[n=60×70×1 000/3 6003.14×0.8=464.4r/min]。

2.6 平路無障礙路段續(xù)航里程計(jì)算

由于電池選擇20AH容量，根據(jù)滿容量放電考慮，電機(jī)電流按70km/h時的工作電流15A計(jì)算放電時間為：

[T=WI=2015=1.33h] （11）

式（11）中：[T]表示電池放電時間；W表示電池容量。

續(xù)航里程計(jì)算為：

[S=Tv=1.33×70=93.3KM] （12）

式（12）中：S表示續(xù)航里程，km；v表示車速，km。

3 設(shè)計(jì)過程概述

3.1 組成部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在電動自行車的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，改進(jìn)后的自行車結(jié)構(gòu)模塊分為騎行及發(fā)電系統(tǒng)模塊、彩色輪轂系統(tǒng)模塊、主動照明系統(tǒng)模塊、輔助系統(tǒng)模塊、保障模塊等。

3.1.1 騎行及發(fā)電系統(tǒng)模塊。本模塊提供3種騎行方式：一是普通騎行，與賽車一樣，通過雙腳驅(qū)動自行車行進(jìn)；二是電動騎行方式，此方式與電動自行車一樣，通過車把上的速度控制器調(diào)節(jié)自行車快慢，用電池儲存的能量驅(qū)動自行車行進(jìn)；三是充電騎行方式，這是本項(xiàng)目獨(dú)有的方式，在雙腳驅(qū)動自行車行進(jìn)過程中，輕握右剎車車把，就會有一部分能量儲存到電池組中。充電騎行方式適用于兩種情況：第一種情況是自行車下坡時，能量存儲；第二種情況是通過腳踏自行車鍛煉時，人體能量變成自行車能量進(jìn)行存儲，此時可將自行車后輪架高，脫離地面，雙腳保持騎行，能量就會儲存到電池組中，達(dá)到充電和鍛煉的雙重目的[3]。

選擇電動騎行方式時，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：必須做好安全防護(hù)，安全護(hù)具完整，速度控制適當(dāng)；剎車時先剎后輪，再剎前輪，防止慣性翻車。

3.1.2 彩色輪轂系統(tǒng)模塊。在氣門芯和部分輻條安裝彩色LED，增加運(yùn)動美感。

3.1.3 主動照明系統(tǒng)模塊。前后部位安裝LED主動照明燈，增加安全性。

3.1.4 輔助系統(tǒng)模塊。輔助系統(tǒng)模塊包括音樂播放、里程記錄、時速測量、運(yùn)動時間記錄、防盜報(bào)警和GPS定位與導(dǎo)航系統(tǒng)等，增加運(yùn)動樂趣。

3.1.5 保障模塊。保障模塊包括補(bǔ)胎氣泵及電動修理工具，可利用這些工具及時修理騎行過程中的損壞。

3.2 動力與重心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

①電池。選用安全性高的磷酸鐵鋰20AH動力鋰電電池，持久耐力，循環(huán)充放電2 000次以上，正常使用壽命在5年以上[4]。

②電機(jī)。選用1 500W大功率永磁輪轂電機(jī)，可電動，可發(fā)電。電機(jī)外形及電機(jī)轉(zhuǎn)子如圖1所示。

③考慮到速度較快，本設(shè)計(jì)主動降低重心，將電池組制作成三角形，安裝在自行車三角區(qū)，節(jié)省空間，同時降低重心。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3 電氣設(shè)計(jì)

電氣部分設(shè)計(jì)如圖3所示。

4 性能測試

測試內(nèi)容與項(xiàng)目指標(biāo)如表1至表6所示。

5 使用方法

5.1 自行車方式

使用方法與普通自行車一致，雙腳踩踏驅(qū)動自行車，速度一般在40km/h以下。

5.2 電動自行車方式

使用方法與普通電動自行車一致，需要注意以下幾點(diǎn)：①安全措施必須到位，包括安全頭盔、各類護(hù)肘；②城市騎行速度選擇低速擋，騎行中控制車速；③剎車順序：先后輪，再前輪；④夜間行車，要調(diào)整好前行燈角度，并按要求行車。

5.3 自行車充電騎行方式

使用方法為輕剎后輪，自行車就切換到發(fā)電狀態(tài)，自行車處于充電騎行方式，此時腳蹬的能量一部分提供給自行車行進(jìn)，一部分反饋到動力電池，返回電流可以從車前庫侖計(jì)讀出，反饋電流上限一般控制在80A左右，防止對電池造成大電流沖擊，影響使用壽命。自行車在下坡過程中就是處于此狀態(tài)，能量通過控制器反饋到動力電池組進(jìn)行存儲，上坡時助力，從而降低騎行強(qiáng)度，增加運(yùn)動樂趣[5]。

5.4 鍛煉騎行方式

將自行車后輪安放在脫離地面的支架上，保持騎行，輕捏右剎車把，此時電機(jī)發(fā)電能量全部回饋至電池組，電池組充電，騎行越快，電池組充電越快，反饋電流要控制在40A以下，以免電池組過充電。

6 小結(jié)

通過相關(guān)計(jì)算，忽略次要因素后，對自行車做能量反饋式改進(jìn)，對下面三個部分進(jìn)行改造和完善：①動力部分，包括安裝輪轂電機(jī)、磷酸鐵鋰電池、發(fā)電和電動控制器、庫侖計(jì)等；②安全燈飾部分，包括安裝輪轂彩燈、氣門芯彩燈、前后警示燈等；③自行車本體部分，包括安裝增安型前后輪轂、剎車控制、碼表以及安全護(hù)具等。

通過三部分有機(jī)組合，控制電路設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場調(diào)試等工序，保證騎行的安全性、舒適性和競技性。

參考文獻(xiàn)：

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