发布时间：2021-05-13所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 在国内节能减排认识不断深化背景下，环保理念愈发受人们重视，很多节能装置的设计越来越被提倡并且层出不穷。近些年，国外一些健身房依靠健身器材运动满足室内照明需求，通过骑自行车给露天影院投影仪供电理念同样被人们广泛支持。野外、山区等无电源条件下
在国内节能减排认识不断深化背景下，环保理念愈发受人们重视，很多节能装置的设计越来越被提倡并且层出不穷。近些年，国外一些健身房依靠健身器材运动满足室内照明需求，通过骑自行车给露天影院投影仪供电理念同样被人们广泛支持。野外、山区等无电源条件下，这种发电方式展现出良好实用性，按照其实现原理完成系统开发和实验，将自行车动力当作能源，依靠能量转化完成电能集中存储与利用，而多出部分保存于充电电池内，有利于解决特殊场合发电供电问题。因此，本文提出了自行车健身制动发电系统的设计，并详细介绍系统结构、模拟测试与结论。
经过对比，采用发电花鼓与蓄电池结合的方法，在骑行时发电并对蓄电池充电具有较明显的优势。也就是说，在自行车产业蓬勃发展的情况下，自行车发电花鼓现实价值非常显著，已成为推动国内节能减排建设、贯彻可持续发展思路最关键途径之一。此外，自行车发电花鼓涉及机、电等两个方面，制造工艺和质量控制的技术门槛远高于车闸等传统产品，这具有十分重要的创新意义。基于以上原因，进军自行车制动发电等领域，更多融入公民的健身市场，从而实现多元化转型，维护城市环境长期稳健发展，意义十分重大。
自行车健身制动发电系统的设计不仅可以解决城市环境污染的问题，同时避免了高额发电所耗费能源的成本，提高发电利用率。进一步促进节能减排业的发展，对机械结构节能化环保化的研究具有巨大的理论意义和实用价值。系统总体设计
根据功能原理进行划分，本系统又包含发电、充电、逆变器三个子系统，系统总体结构详情参见图1。其中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。
其中，发电部分利用自行车、发电机、橡胶传送带等组成;充电部分利用对应控制电路与充电电池组成;逆变器属于不可或缺关键元件，相连电池和投影仪，核心宗旨在于将电池输出直流电转变成交流电，满足供电需求。
系统部分硬件设计
事实上，身体化学能采用机械做功，依靠传送带牵引发电机动作，所形成电能保存到充电电池内。结合实际情况考虑，本次选择单速车，后轮直径660mm，同时配备踏板固定装置，更轻松、更省力。依靠传送带相连24VBDC电机，转速2750r/min状态下，输出250W，转轴直径8mm.因为发电期间会有机械等诸多损耗，所以本实验采用输出功率偏大电机，还可以产生22V电压，促使充电电路始终稳定工作。引用真实数据资料不难发现，理论层面后轮旋转1周时，发电机转轴旋转82.5周。针对后轮转速，能够以支架上安装速率传感器方式采集确定。
充电系统核心宗旨在于维护电池充电安全性并完成状态控制。构建控制电路时，必须考虑各方面问题，包括充电电流限制以及短路等保护问题。系统充电电路硬件结构图如图2所示，因为铅蓄电池具有可重复充电、容量大特点，阴极存在电流输入或输出，二极管必须按电流流向接入阴极，避免出现逆流问题。另外考虑到电池寿命情况，面向一些必然性影响因素开展优化调整，尽可能降低影响程度，详情参见下图2，包括过度充电与深放电保护、恒定电流充电电路。
其中，充电电池工作过程中，如果深放电致使电压处于零界点EDV以下，再次放电将造成电压快速到0，同时影响正常寿命甚至遭受不可挽回破坏;持续充电期间，一旦处于满电压水平，再次充电将造成电压快速升高，电池温度也会升高，若升高到终端失控温度，容易发生炸裂情况，后果非常恶劣。另外，充电电流必须限定到相应区间内，如果偏大，必然出现较大电压(大于析气电压)，引起电池爆裂，如果偏小，无法满足实际需求，造成电池电压小于EDV。
系统软件设计
恒流充电电路组成较多，主要有LM236二极管、BJT、MOSFET管等等，按照Ohm定律和Kirchhoff定律计算流过MOSFET漏极充电电流TD，相关表达式如下：
在发电机选择位置进行发电的过程中，要首先注意发动机位置范围。观测后轮、发电机转轴两者轴心距(维护系统稳定运行)与发电效率间关系，其间距可依次设定成92cm、94cm，太大/太小都将产生不良影响，即造成传送带太紧/太松，最终让实验无法顺利完成。发动机位置设置工作流程图如图3所示。
结合上图进行说明，2750r/min转速条件下，发电电压是24V：
效率1=2520/(56*82.5)*100%=55%(d=92cm);
效率2=2520/(53*82.5)*100%=58%(d=94cm)
发电机与车间距94cm情况下，产生22V电压所要求转速是53r/min左右，明显低于另一组。正常车速是60r/min~70r/min，高于所需转速53r/min。换言之，常速骑行能够满足电池充电需求。实际测试阶段，53r/min~55r/min被视作相对耐久骑速。
系统实验结果
为获得零负载状态下充电时长，耐久转速54r/min，电压21V，结合实际情况考虑，本次选择21VDC电压来测试。测试的电池电压与充电电流相关数据折线图如图4、5所示。
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结合上图进行说明，通过图例分析不难发现，初始电池电量低，LED1红灯显示，电压快速提高，充电电流是常量。只要处于11.8V水平，那么显示随之熄灭。继续提高到11.88V，LED2绿灯微闪，充电电流慢慢变小。这种情况下，可判断T2(BJT)呈开关临界态。如果T2的VGS不超过0.6V，那么T2正常导通，电流会确定相应支路，并依次流向LED1、IC1及T2集电极和发射极。
光耦IC1导通，面向RI0、VRI完成电压分配，那么通过T5(BJT)栅极电流随之变小。当电池电压上升至12V，LED2绿灯亮(亮度很高)，可判断当前大致呈满电态。充电电流迅速减小到约0.7A。接着电压波动同时稳定在12V。在110min时，散热装置使MOSFET降温，内阻也随之变小，充电电流出现反弹，再慢慢变小到0.24A。当电池结束充电，由于其内有化学反应，电压出现轻微降低。刚开始电池可充电到12.8V，但接着几次充电时，最大电压始终小于或等于12.5V。根据peukert定律，这类电池容量随放电速率升高而减小。
结语
通过与我国城市环境现状的对比，本文设计了自行车健身制动发电系统的发电、整流稳压、蓄电、用电过程。骑行过程中通过安装发电花鼓给蓄电池充电，可随时随地实现对电子产品的供电，必要时也可通过手摇脚踏板发电。同时，对产生的其他电流可以进行统一储备，具有较好的推广价值和应用前景。自行车健身制动发电系统的设计不仅可以解决城市环境污染的问题，同时避免了高额发电所耗费能源的成本，提高发电利用率。在该产业日益成熟背景下，自行车发电花鼓现实价值非常显著，已成为推动国内节能减排建设、贯彻可持续发展思路最关键途径之一。——论文作者：高玉健 宋佳硕 刘佳泓
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