郭博聞

摘要：基于為自行車助力且無需專門充電的思想，本文設(shè)計(jì)了一種自充電自行車。當(dāng)騎行自行車時(shí)，人的重力和騎行動(dòng)力大部分作用在后輪上，為壓電能量收集存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了源源不絕的能量;壓電系統(tǒng)收集的能量存儲(chǔ)到鋰電池后，可以驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)為自行車助力的目的。采用合適的設(shè)計(jì)和材料，可以為騎行者減少1/3的體力消耗，從而大大提高騎行舒適度并增加騎行里程。

關(guān)鍵字：自充電自行車;壓電能量收集存儲(chǔ)系統(tǒng);充電控制器;無刷直流電機(jī)

1前言

自行車以腳踩踏板為動(dòng)力，是綠色環(huán)保的交通工具。如今，越來越多的人將自行車作為健身器材用來騎行鍛煉、自行車出游;自行車也成為一項(xiàng)體育競技運(yùn)動(dòng)，有公路自行車賽、特技自行車比賽等。

隨著技術(shù)進(jìn)步，電動(dòng)自行車應(yīng)運(yùn)而生。電動(dòng)自行車是指以蓄電池為輔助能源，在自行車基礎(chǔ)上安裝了電機(jī)、控制器、蓄電池、轉(zhuǎn)把、閘把等操縱部件和顯示儀表系統(tǒng)的機(jī)電一體化交通工具。然而，電動(dòng)自行車需要提前進(jìn)行充電，具有操作不便且續(xù)航里程有限的問題。

2省力型自行車研究現(xiàn)狀

自行車自200年前問世以來，經(jīng)過近100年發(fā)展奠定了現(xiàn)代自行車的雛形;近年來為了滿足便捷出行需要，誕生了種類繁多的自行車型式，包括：空氣自行車、無鏈條自行車、哥本哈根車輪、FlyKly車輪和腳踏板順反旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)自行車，等等。

2.1空氣自行車

“空氣自行車”使用尼龍為材料制作，與鋼鋁結(jié)構(gòu)的車一樣堅(jiān)固，但質(zhì)量（重量）卻減輕了65%。

不足之處：自行車質(zhì)量為10-15kg左右，但加上騎車人的體質(zhì)量，空氣自行車車重減輕產(chǎn)生的效果就不是很明顯。

2.2無鏈條自行車

1.杰森.史密斯發(fā)明了一種新的自行車傳動(dòng)系統(tǒng)，它沒有采用傳統(tǒng)的鏈條設(shè)計(jì)，但是在效率上卻超過傳統(tǒng)的鏈條，預(yù)計(jì)達(dá)到99%。

不足之處：效果還需要實(shí)際檢驗(yàn)。

2.2012年10月韓國萬都公司設(shè)計(jì)的“無鏈條自行車”，被稱為世界上首款沒有鏈條混合動(dòng)力電動(dòng)自行車，像其他助踩式車一樣，“無鏈條自行車”結(jié)合了人體動(dòng)力和電子動(dòng)力。這種自行車將騎手的動(dòng)能通過連接至曲柄的發(fā)電機(jī)直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。然而，批評者指出這種機(jī)車的綜合效率可能是一大缺點(diǎn)。

不足之處：綜合效率偏低。

2.3哥本哈根車輪

麻省理工學(xué)院學(xué)生設(shè)計(jì)了一款自行車輔助工具——“哥本哈根車輪”，該裝置可將現(xiàn)有自行車改裝成一種混合動(dòng)力自行車。這種車輪可以模仿騎車者的運(yùn)動(dòng)，將其提供的推進(jìn)力與騎車者蹬踩踏板所產(chǎn)生的動(dòng)力進(jìn)行無縫整合，并且當(dāng)剎車和滑行時(shí)可存儲(chǔ)能量，上坡或疲勞時(shí)可將存儲(chǔ)的能量釋放幫助騎行。騎車者蹬踩得越快，就能獲得越多推進(jìn)力。鋰離子電池續(xù)航大約為30英里（約合48km）。

不足之處：存儲(chǔ)的能量不足以抵消消耗，作為電動(dòng)自行車需要及時(shí)充電。

2.4FlyKly車輪

“哥本哈根車輪”的設(shè)計(jì)和概念啟發(fā)了一些競爭對手。2013年11月份，F(xiàn)lyKly通過眾籌平臺(tái)Kickstarter籌集了701239美元，這家公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)了一種與“哥本哈根車輪”十分相似的后輪踏板輔助設(shè)備。FlyKly在一只車輪上集成了電動(dòng)機(jī)、電池以及與手機(jī)等終端相連等功能。普通自行車只需將原有的后輪替換成FlyKly，即可具備手機(jī)控制車速、路徑優(yōu)化、下坡自動(dòng)充電、為手機(jī)充電等功能。這只車輪質(zhì)量為4kg，一次充電能以25km/h的速度行駛50km。

不足之處：作為電動(dòng)自行車需要及時(shí)充電。

2.5腳踏板順反旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)自行車

我國謝勇發(fā)明的“任意踩”，一只腳向前蹬車時(shí)，另一只腳自然向后蹬車，前后蹬車都在加力做功。它有兩個(gè)單向軸承，通過過橋齒輪把它們聯(lián)系起來，自行車就有了前后任意踩的功能。2013年5月，謝勇獲得了由國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的“腳踏板順反旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的自行車”發(fā)明專利證書。

不足之處：結(jié)構(gòu)復(fù)雜容易損壞。

3自充電自行車技術(shù)背景

3.1壓電發(fā)電研究現(xiàn)狀

近年來，能量收集日益引起關(guān)注。壓電材料因具有優(yōu)良的機(jī)械能一電能轉(zhuǎn)換特性，成為一種獲得電能的重要方法。利用壓電材料制作的壓電發(fā)電裝置不但結(jié)構(gòu)簡單、不易發(fā)熱、低成本，而且能夠?qū)崿F(xiàn)小型化、集成化等優(yōu)點(diǎn)，因此利用壓電裝置發(fā)電已經(jīng)成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

3.1.1可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域以壓電能量收集技術(shù)采集周圍環(huán)境振動(dòng)能量

3.1.1.1麻省理工學(xué)院采用壓力驅(qū)動(dòng)方式，將PZT和PVDF分別安裝在運(yùn)動(dòng)鞋里;1Hz步行速率下，PVDF的輸出峰值功率約為20mW，平均功率為1.1 mW;PZT的輸出峰值功率約為80mW，平均功率為1_8mWL。

3.1.1.2 Granstrom等人利用PVDF壓電材料柔性強(qiáng)的特性，將PVDF壓電材料安裝在雙肩包背帶內(nèi);通過背包的質(zhì)量（重量）使PVDF變形產(chǎn)生電能，實(shí)驗(yàn)證明可以產(chǎn)生45.6 mW平均功率。

3.1.1.3Feenstra等在Rome等的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了“懸掛式負(fù)重”的背包;通過將20-38kg負(fù)重垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，正常行走時(shí)可產(chǎn)生7.4W功率。

3.1.2壓電發(fā)電技術(shù)在道路應(yīng)用中的相關(guān)研究：

3.1.2.1以色列Innowatech公司在大功率壓電發(fā)電上取得突破，他們于2009年1月開放了世界上第一條可發(fā)電的公路并進(jìn)行現(xiàn)場演示。

研究人員表示，具體發(fā)電量取決于路面上通行車輛的數(shù)量、質(zhì)量和行駛速度，理想情況下每公里路段每小時(shí)最大可發(fā)電量200kWh。

3.1.2.2長安大學(xué)針對壓電發(fā)電技術(shù)在道路應(yīng)用中的可行性進(jìn)行了研究，圍繞采用壓電方式來收集路面內(nèi)的機(jī)械振動(dòng)能這一目的進(jìn)行了試驗(yàn)。

可知，直徑30 mm、厚度0.2 mm的壓電片在764N作用力下，一次試輪碾壓可產(chǎn)生0.23 mJ電能。

實(shí)測電能數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值相差較大。分析認(rèn)為壓電材料老化、制作工藝缺陷、壓電元件產(chǎn)生變形導(dǎo)致電信號(hào)變小、試驗(yàn)的壓電換能器元件僅與發(fā)光二級管相連，沒有采用穩(wěn)壓整流電路對電信號(hào)進(jìn)行梳理等原因;最終導(dǎo)致壓電換能器所產(chǎn)生的電能實(shí)際值遠(yuǎn)小于理論數(shù)據(jù)。

3.2壓電發(fā)電材料研究現(xiàn)狀

壓電材料分為無機(jī)壓電材料、有機(jī)壓電材料和復(fù)合壓電材料。

無機(jī)壓電材料分為壓電晶體和壓電陶瓷，壓電陶瓷壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高、但機(jī)械品質(zhì)因子較低、電損耗較大、穩(wěn)定性差，適合于大功率換能器等應(yīng)用。石英等壓電單晶壓電性弱，介電常數(shù)很低，但穩(wěn)定性很高，機(jī)械品質(zhì)因子高，多用作標(biāo)準(zhǔn)頻率控制的振子等。

有機(jī)壓電材料又稱壓電聚合物，如聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜等。這類材料以其材質(zhì)柔韌、低密度、低阻抗和高壓電電壓常數(shù)（g）等優(yōu)點(diǎn)為世人矚目，且發(fā)展十分迅速，在壓力傳感等方面獲得應(yīng)用。不足之處是壓電應(yīng)變常數(shù)d偏低，使之作為有源發(fā)射換能器受到很大的限制。

復(fù)合壓電材料是由兩種或多種材料復(fù)合而成的壓電材料。常見的復(fù)合壓電材料為壓電陶瓷和聚合物（例如PVDF和環(huán)氧樹脂）的兩相復(fù)合材料。這種材料兼具壓電陶瓷和聚合物的長處，具有很好的柔韌性和加工性能，并具有較低的密度;此外，還具有壓電常數(shù)高的特點(diǎn)。

傳統(tǒng)壓電陶瓷較其他類型的壓電材料壓電效應(yīng)強(qiáng)，從而得到了廣泛應(yīng)用。但作為大應(yīng)變、高能換能材料，傳統(tǒng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)仍不能滿足要求。近年來研制出的PbTi03單晶的d33最高可達(dá)2600pc/N（壓電陶瓷d33最大為850pc/N），k33可高達(dá)0.95（壓電陶瓷K33最高達(dá)0.8），其應(yīng)變>1.7%，幾乎比壓電陶瓷應(yīng)變高一個(gè)數(shù)量級。儲(chǔ)能密度高達(dá)130J/kg，而壓電陶瓷儲(chǔ)能密度在10J/kg以內(nèi)。鐵電壓電學(xué)者們稱這類材料的出現(xiàn)是壓電材料發(fā)展的又一次飛躍。國內(nèi)在這方面也取得了很大進(jìn)展，例如：東南大學(xué)開發(fā)的有機(jī)一無機(jī)鈣鈦礦鐵電體在壓電性能上達(dá)到了傳統(tǒng)壓電陶瓷的水平，同時(shí)具有分子材料的柔韌性、抗彎折等優(yōu)勢。

3.3自行車騎行輸出功率研究

根據(jù)一項(xiàng)國外自行車訓(xùn)練的測定資料，如表2所示;可見功率是可變的，維持時(shí)間越長，功率越小。這是5次測定的結(jié)果，所以逐漸下降;一般可取最低一行。例如：體質(zhì)量為70kg的男子，可以爆發(fā)出約735W功率，但只能維持5s;而120W可維持20min。能長時(shí)間不過分疲勞的功率是最大功率的1/10左右，即70W（女子約50W）。

4自充電自行車設(shè)計(jì)方案

基于為自行車助力且無需專門充電的思想，設(shè)計(jì)了一種自充電自行車。當(dāng)騎行自行車時(shí)，人的重力和騎行動(dòng)力大部分作用在后輪上，為壓電能量收集存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了源源不絕的能量;壓電系統(tǒng)收集的能量存儲(chǔ)到鋰電池后，可以驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)為自行車助力的目的。根據(jù)如上研究采用合適的設(shè)計(jì)和材料，可以為騎行者減少1/3的體力消耗，從而大大提高騎行舒適度并增加騎行行程。

4.1自充電自行車背景技術(shù)

目前國內(nèi)在壓電相關(guān)領(lǐng)域的研究已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)。如下文章對于本文的研究很有幫助。

1.基于壓電能量收集技術(shù)的充電器設(shè)計(jì)（榮訓(xùn)，電子技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，2015.8）。

2.一種具有巨大壓電響應(yīng)的有機(jī)一無機(jī)鈣鈦礦鐵電體（熊仁根，科學(xué)，2017.7）。

3.壓電換能器設(shè)計(jì)與能量獲取特性研究（劉杏娟，電工研究，2010.1）。

4.熱電為輔助能量的壓電能量采集電路設(shè)計(jì)（王義強(qiáng)，無線通信技術(shù)，2018.3）

5.基于壓電材料的振動(dòng)能量獲取技術(shù)的研究（王強(qiáng)，電子元件與材料，2008.3）。

6.壓電發(fā)電技術(shù)研究綜述（王劍，壓電與聲光，2011.6）。

4.2自充電自行車設(shè)計(jì)方案

根據(jù)如上背景技術(shù)，超級電容可以迅速存儲(chǔ)回收電能，而電池充電速度較慢不能立即使用回收電能，但其放電時(shí)間長，供電電壓比較穩(wěn)定。研究表明，超級電容充電效率高達(dá)95%，充電次數(shù)理論可達(dá)無窮;而鋰電池充電效率最高92%，壽命為300～1000次。基于充電控制技術(shù)，當(dāng)電池輸出電壓高于一定值時(shí)，充電器不會(huì)給電池充電，所以通過壓電能量收集存儲(chǔ)系統(tǒng)在其充電器控制下為鋰電池充電，鋰電池能夠驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)輔助驅(qū)動(dòng)自行車行駛。

壓電材料主要性能參數(shù)包括：壓電電壓常數(shù)、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)等。

背景技術(shù)1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：一個(gè)尺寸50mmx50 mmx0.2 mm懸臂梁型式壓電雙晶陶瓷片在激振頻率為11Hz時(shí)，為8mAh鋰電池充電約1h，電壓從2.24V達(dá)到3.04V。根據(jù)背景技術(shù)及相關(guān)研究，懸臂梁型式壓電雙晶陶瓷片在諧振狀態(tài)下，一次激振最多可以輸出材料固有能量的5%（壓電陶瓷儲(chǔ)能密度10J/kg）;而壓電片在一次直接碾壓時(shí)可以輸出固有能量的6%以上，所以采用直接碾壓壓電材料的方式可以獲得更多的能量[。

若在自行車后輪圓周上配置一定數(shù)量專門設(shè)計(jì)的壓電能量收集器（如12個(gè)），后輪周長1.5m，一個(gè)體質(zhì)量60kg的人騎行1h（20～25km）能夠獲得約20W功率（每圈4～5J），為3Ah、額定電壓12V的鋰電池（充電器最大輸出電壓14.4V，電池電壓從虧電電壓約8.3V達(dá)到約12.6V）充電。此鋰電池提供的驅(qū)動(dòng)力至少可以減少騎行人1/3的體力消耗，大大提升騎行快感，使騎行行程覆蓋到5km以上。

5結(jié)束語

本文提出的自充電自行車，已成功申請實(shí)用新型專利（發(fā)明創(chuàng)造名稱：一種自充電自行車，申請?zhí)枺?01821986172.0）。

在共享單車領(lǐng)域?qū)脒@種自充電后驅(qū)動(dòng)助力自行車可以擴(kuò)大共享單車的受眾群體和覆蓋范圍。另外，由于這種自充電自行車電能充足，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鎖電機(jī)功能，從而能夠?qū)崿F(xiàn)共享單車的遠(yuǎn)程開關(guān)控制，降低了運(yùn)營成本和管理風(fēng)險(xiǎn)。

對于熱愛騎行的人士，采用這種自充電自行車可以大大提高騎行舒適度并增加騎行行程。