摘 要：自行車發(fā)電裝置因其實用、環(huán)保的特點而受到越來越多人的關(guān)注，但市場上已有的自行車發(fā)電裝置都必須長期固定在車架上，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，并以裝卸簡便、使用安全可靠為設(shè)計目標，提出了一種易裝卸的自行車發(fā)電裝置的設(shè)計，并對發(fā)電和儲能系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。

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

1 概述

隨著人們環(huán)保意識的不斷提高，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。為了解決騎行時充電不便的問題，同時也為了踐行節(jié)能、環(huán)保的理念，人們設(shè)計了一些自行車發(fā)電裝置，利用電磁感應(yīng)原理將自行車騎行時產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換為電能，進而為電子設(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，鏈條與發(fā)電裝置之間的摩擦反而會給自行車的騎乘造成阻礙。另一種則是將一圈強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，笨重的磁鐵無疑會給自行車的騎乘帶來相當大的阻力?？梢姮F(xiàn)有自行車發(fā)電裝置雖然實現(xiàn)了發(fā)電這一功能，但由于安裝拆卸困難而導(dǎo)致其實用性較差，不能很好地滿足人們對于自行車發(fā)電裝置的要求。因此，研究和開發(fā)裝卸簡便、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

文章設(shè)計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)電機組成，其支持裝置可固定于車架上。電能儲存模塊主要由整流穩(wěn)壓電路和移動電源組成。當需要自行車發(fā)電時，通過接觸輪和自行車后輪之間的傳動帶動交流發(fā)電機發(fā)電，其輸出的電能可儲存于移動電源中或直接為其它電子設(shè)備供電。當不需要自行車發(fā)電時，可卸下發(fā)電核心組件，從而避免對自行車的行駛造成阻礙以及影響騎乘體驗。

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，其后輪帶動接觸輪轉(zhuǎn)動，進而帶動交流發(fā)電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電流。所產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流穩(wěn)壓電路進行調(diào)節(jié)，并經(jīng)USB輸出接口儲存于移動電源中或為直接其他電子設(shè)備供電。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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)計的創(chuàng)新點所在。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)動軸、交流發(fā)電機組成，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。當自行車后輪受到?jīng)_擊并傳導(dǎo)至交流發(fā)電機時，可利用彈簧受力壓縮的特性吸收沖擊能量，起到吸能緩沖、保護發(fā)電核心組件之作用。

安裝時，可將交流發(fā)電機沿豎槽放置于盒體Ⅱ內(nèi)，并使接觸輪與其傳動軸連接。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)動時即可帶動交流發(fā)電機轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生電流。所產(chǎn)生的交流電經(jīng)整流穩(wěn)壓電路進行調(diào)節(jié)，并經(jīng)USB輸出接口儲存于移動電源中。當不需要進行發(fā)電時，可打開蓋板并取出發(fā)電核心組件，從而避免對自行車的行駛造成礙。

4.2 電能儲存模塊

4.2.1 整流穩(wěn)壓電路。因為在騎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)電機發(fā)出電壓、頻率脈動的三相交流電，經(jīng)過三相二極管整流橋變?yōu)殡妷好}動的直流電[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直流電源以供移動電源或其他電子設(shè)備使用。

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

5 結(jié)束語

文章設(shè)計的自行車發(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，不會影響騎乘體驗。該裝置采用了模塊化設(shè)計，主要由兩大模塊組成：發(fā)電模塊和電能儲存模塊。本設(shè)計最具特色的是發(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便。當需要自行車發(fā)電時，安裝好發(fā)電模塊和電能儲存模塊，便可在騎行時獲得所需的電能。當不需要自行車發(fā)電時，可卸下發(fā)電核心組件，從而避免對自行車的行駛造成阻礙以及影響騎乘體驗。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、裝卸簡便，使用安全可靠，具有較高的實用價值。

參考文獻

[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[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[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)漢文版），2015（44）：617-619.

[3]段波.自行車發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，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，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)。