胡龍，徐穎

（淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽淮北，235000）

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，乘坐車輛已經(jīng)是人們出行的主要方式，而在交通出行上的能源使用，在總能源使用上占比很高。車輛在下坡或速度過快時(shí)需要通過頻繁剎車控制車速，此過程中，大量能量隨著輪胎與地面摩擦轉(zhuǎn)化為了內(nèi)能，進(jìn)而耗散在了空氣中。為了避免這種能量浪費(fèi)，需要通過動(dòng)能回收裝置對(duì)這些能量進(jìn)行回收。目前動(dòng)能回收裝置已經(jīng)少部分用于高端汽車與高端電動(dòng)摩托車上[1]，主要有輪轂電機(jī)式，機(jī)械飛輪式、車身液壓式和發(fā)動(dòng)機(jī)氣壓式[2]，上述這幾種方法雖然可以有效地對(duì)動(dòng)能進(jìn)行部分回收，但是由于其體型龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且無法人為控制，導(dǎo)致其動(dòng)能回收效率低下的同時(shí)，對(duì)用戶駕駛體驗(yàn)影響較大[3～4]。因此針對(duì)以上現(xiàn)狀我們團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新的動(dòng)能回收裝置，該裝置主要用于電動(dòng)車下坡與車速過快時(shí)的動(dòng)能回收，能有效減少電動(dòng)車騎行時(shí)的能源浪費(fèi)，響應(yīng)了我國(guó)對(duì)節(jié)能減排的號(hào)召。

1 硬件設(shè)計(jì)

該裝置整體硬件設(shè)計(jì)由五部分組成，如圖1 所示，即控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、能量傳遞系統(tǒng)、動(dòng)力來源和能量回收與儲(chǔ)存系統(tǒng)五部分。其中控制系統(tǒng)由MMA8452 三軸加速度傳感器與控制按鈕組成，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由單片機(jī)與其工作電路組成，能量傳遞系統(tǒng)由電磁離合與機(jī)械傳動(dòng)裝置組成，能量回收與儲(chǔ)存系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、穩(wěn)壓模塊和電池組成，動(dòng)力來源為電動(dòng)車車輪動(dòng)能。工作時(shí)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過接收控制系統(tǒng)的信息來判斷是否開啟能量傳遞系統(tǒng)，能量傳遞系統(tǒng)可以開啟或關(guān)閉動(dòng)力來源和能量回收與儲(chǔ)存系統(tǒng)之間的連接，當(dāng)其開啟時(shí)，發(fā)電機(jī)工作，動(dòng)能回收啟動(dòng)。關(guān)閉時(shí)，發(fā)電機(jī)停止工作，動(dòng)能回收停止?？紤]到成本等情況，本設(shè)計(jì)采用 STC89C52 單片機(jī)作為控制核心，控制與協(xié)調(diào)各系統(tǒng)的工作，此類單片機(jī)比較常用且價(jià)格低廉。本設(shè)計(jì)可移植性良好，在后續(xù)對(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)展與優(yōu)化時(shí)可選用更高性能的單片機(jī)。

圖1 電動(dòng)車動(dòng)能回收裝置系統(tǒng)框圖

■1.1 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由STC89C52 單片機(jī)與復(fù)位電路和外部晶振電路組成，電路圖如圖2 所示。STC89C52 單片機(jī)是一種微控制器，它有高性能，低功耗的評(píng)價(jià)，它具有系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器可儲(chǔ)存8K 字節(jié)的數(shù)據(jù)。STC89C52 使用了MCS-51 內(nèi)核，這款內(nèi)核非常經(jīng)典，但是由于STC 的開發(fā)者對(duì)這款單片機(jī)做了很多的改進(jìn)，使得芯片具有了傳統(tǒng)51 單片機(jī)不具備的功能。STC89C52 設(shè)有 40 個(gè)引腳，包括 GND接地電源，VCC 正極電源、兩個(gè)晶振引腳、RST 復(fù)位引腳，以及 P0 到 P3 的32 個(gè)IO 口等。其中：P1 到P3，24 個(gè)管腳均內(nèi)置上拉電阻；P0 管腳為 OC 集電極輸出管腳，其8個(gè)管腳無內(nèi)置上拉電阻，需外加上拉電阻；P3 管腳具有復(fù)用功能。

圖2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

1.1.1 晶振電路

晶振又稱晶體振蕩器，由于其通電后可以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，所以晶體振蕩器廣泛應(yīng)用于微芯片的時(shí)鐘電路中。單片機(jī)想要正常工作，需要依靠?jī)?nèi)部的一個(gè)同步時(shí)序電路，單片機(jī)為了保證內(nèi)部電路同步的實(shí)現(xiàn)，需要使內(nèi)部電路在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下，嚴(yán)格地按照時(shí)序工作。晶振的作用就是為給單片機(jī)內(nèi)部電路提供一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。在STC89C52 單片機(jī)的內(nèi)部有一個(gè)高增益反相振蕩器，其輸入端引腳為19 引腳XTAL1，其輸出端引腳為18 引腳XTAL2，只要在這兩個(gè)引腳之間跨接晶體振蕩器并外加兩個(gè)起振電容（容量30pF 左右)，就可以構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，為單片機(jī)提供一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。

1.1.2 復(fù)位電路

任何系統(tǒng)都無法保證可以持續(xù)正常工作，單片機(jī)也不例外。單片機(jī)復(fù)位電路的作用就是：將單片機(jī)進(jìn)行初始化，讓單片機(jī)的程序從頭開始執(zhí)行。復(fù)位電路的目的是：在單片機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常時(shí)通過復(fù)位進(jìn)行初始化，重新開始工作。通?？梢栽陔娐分型ㄟ^對(duì)單片機(jī)RST 引腳施加一定寬度的復(fù)位脈沖，使單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。具體過程為：將RST復(fù)位管腳拉高并維持至少24 個(gè)時(shí)鐘加10μs，使單片機(jī)會(huì)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)RST 復(fù)位管腳拉回低電平后，單片機(jī)結(jié)束復(fù)位狀態(tài)并從用戶程序區(qū)的0000H 處開始正常工作。

■1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由MMA8452 三軸加速度傳感器與兩個(gè)控制按鈕組成。MMA8452 是三軸加速度傳感器，在本設(shè)計(jì)中用來檢測(cè)電動(dòng)車傾斜角并將數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)。兩個(gè)控制按鈕直接與STC89C52 單片機(jī)相連，用于人為控制動(dòng)能回收系統(tǒng)的開閉。

1.2.1 MMA8452 三軸加速度傳感器

MMA8452Q是一款智能低功耗三軸電容式微機(jī)械系統(tǒng)，它具有12 位分辨率的加速計(jì)。MMA8452Q 具有用戶可選的滿量程有±2g、±4g、±8g 等經(jīng)過高通過濾后的數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)可用的未過濾數(shù)據(jù)。MMA8452 可配置成從任何組合產(chǎn)生慣性喚醒中斷信號(hào)，可配置的嵌入式功能允許MMA8452Q監(jiān)控事件，并在閑置期間保持低功耗模式。

在本設(shè)計(jì)中MMA8452 用于檢測(cè)電動(dòng)車傾斜角，其檢測(cè)原理為：設(shè)g為重量加速度，當(dāng)軸加速度傳感器方向與重力加速度同向時(shí)設(shè)為零傾斜角度，其檢測(cè)值為g。當(dāng)傳感器方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，設(shè)偏轉(zhuǎn)后方向與加速度方向夾角為θ，此時(shí)沿軸方向的重力加速度為gcosθ，設(shè)此時(shí)傳感器檢測(cè)結(jié)果為F(θ)，如圖3 所示。則此時(shí)有：

圖3

對(duì)其進(jìn)行求導(dǎo)得：

當(dāng)θ →0 時(shí)：

故當(dāng)傾斜角θ 太小時(shí)角度測(cè)量的精度就會(huì)很小，當(dāng)角度足夠大時(shí)精度才會(huì)上升。所以對(duì)于一軸傾斜角傳感器運(yùn)用方法是：把它的傳感方向與重力加速度方向垂直時(shí)的狀態(tài)設(shè)為零傾斜角度[5]，如圖4 所示。此時(shí)：

圖4

當(dāng)θ →0 時(shí)：

這時(shí)加速度在測(cè)量角度小時(shí)精度更高，對(duì)于本裝置應(yīng)用場(chǎng)景，三軸傳感器僅需測(cè)量z 軸角度便可判斷電動(dòng)車是否處于下坡狀態(tài)，可通過：

來計(jì)算傾斜角。

■1.3 能量傳遞系統(tǒng)

能量傳遞系統(tǒng)主要由電磁離合與其相應(yīng)機(jī)械裝置組成，電磁離合是在傳統(tǒng)離合裝置的基礎(chǔ)上，使用電磁鐵產(chǎn)生的磁力來替代傳統(tǒng)離合裝置中人為提供給彈簧片的壓力。相較于傳統(tǒng)離合裝置，電磁離合在使用中更為方便，常用于自動(dòng)化與無人駕駛汽車等。機(jī)械傳動(dòng)裝置由齒輪、鏈條、法蘭盤組成，用于將電動(dòng)車輪的動(dòng)能傳遞給動(dòng)能回收與儲(chǔ)存系統(tǒng)。

1.3.1 電磁離合

電磁離合是電磁力產(chǎn)生壓緊力的摩擦式離合器。按結(jié)構(gòu)可分為：干式電磁離合器、濕式電磁離合器、磁粉離合器、轉(zhuǎn)差式電磁離合器等。按工作方式電磁離合又可分為：通電結(jié)合和斷電結(jié)合。由于電磁離合能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操縱，控制能量小，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)床自動(dòng)化，同時(shí)動(dòng)作快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，獲得了廣泛的應(yīng)用。電磁離合器的作用是將提供給主動(dòng)軸的力矩從傳遞到從動(dòng)軸一側(cè)。由于其具可以對(duì)動(dòng)力傳遞進(jìn)行實(shí)時(shí)切斷與連接，所以它廣泛用于各種機(jī)構(gòu)（如機(jī)床中的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和汽車等)，以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速等功能。相比傳統(tǒng)離合器（液壓式或氣動(dòng)式離合器)，電磁離合器使用電能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使其易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，所以它是自動(dòng)控制系統(tǒng)中一種重要的元件。

電磁離合器的工作原理利用線圈通電時(shí)產(chǎn)生磁力使銜鐵的彈簧片產(chǎn)生變形，從而使動(dòng)盤與“銜鐵”吸合在一起，使離合器處于接合狀態(tài)，利用磁力傳動(dòng)來傳遞轉(zhuǎn)矩。當(dāng)線圈斷電時(shí)，磁力消失，“銜鐵”在彈簧片彈力的作用下彈回，使主動(dòng)部分與從動(dòng)部分處于分離狀態(tài)。在分離過程中主動(dòng)部分與從動(dòng)部分仍可以繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)[6]，其主要結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 電磁離合結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 機(jī)械傳動(dòng)裝置

機(jī)械傳動(dòng)裝置如圖6 所示，使用了兩個(gè)法蘭盤、一個(gè)電磁離合器與一個(gè)齒輪，使用鏈條、鋼軸與皮帶進(jìn)行傳動(dòng)。其作用是將動(dòng)力源即電動(dòng)車輪的動(dòng)力傳遞給動(dòng)能回收與儲(chǔ)存系統(tǒng)。

圖6 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)

機(jī)械傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)為：法蘭盤L1 附在電動(dòng)車車輪上，L1 與L2 之間用鏈條相連，作用是將電動(dòng)車車輪的動(dòng)能傳遞給法蘭盤L2。法蘭盤L2 與電磁離合L3 用D 形軸相連。電磁離合未通電時(shí)，L2 傳遞的動(dòng)能無法通過D 形軸傳遞給發(fā)電齒輪L4。只有將電磁離合通電時(shí)，發(fā)電齒輪L4 才會(huì)通過D 形軸與法蘭盤L2 同步轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)裝置是可控動(dòng)能回收的關(guān)鍵，開啟時(shí)，其可通過一系列動(dòng)能傳遞將動(dòng)力源與能量回收與儲(chǔ)存系統(tǒng)相連。

■1.4 能量回收與儲(chǔ)存系統(tǒng)

能量回收與儲(chǔ)存系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、穩(wěn)壓模塊以及電池組成，可以將電動(dòng)車輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存。本設(shè)計(jì)選用直流發(fā)電機(jī)與12V 穩(wěn)壓模塊。具體過程為：通過能量傳遞系統(tǒng)將車輪動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)工作輸出電流，由于此時(shí)電流不穩(wěn)定，故通過穩(wěn)壓模塊將發(fā)電機(jī)輸出電流轉(zhuǎn)化為12V 電壓的穩(wěn)定電流，給電池充電儲(chǔ)存電能。

1.4.1 直流發(fā)電機(jī)

直流發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。主要用在電解、電鍍、電冶煉、充電等需要直流電的地方，也用作電力整流元件，把交流電變成直流電。從使用方便、運(yùn)行的可靠性等角度和某些工作性能方面來看，直流電動(dòng)機(jī)目前還不能和交流發(fā)電機(jī)相比。直流發(fā)電機(jī)的電勢(shì)波形比較好，電磁干擾較小、但由于其存在換向器，其制造、維護(hù)復(fù)雜，價(jià)格相比交流發(fā)電機(jī)較高。其工作原理為：通過電磁感應(yīng)原理，線圈切割永磁體磁場(chǎng)產(chǎn)生交變電流 。再通過電刷與換向器接觸輸出直流電。

1.4.2 穩(wěn)壓模塊

穩(wěn)壓模塊可以將電壓不穩(wěn)定的直流電輸出為電壓恒定的穩(wěn)定直流電。穩(wěn)壓模塊的運(yùn)用場(chǎng)景非常廣泛，它經(jīng)常用在各類充電電路，電子產(chǎn)品，芯片供電中，可以說，幾乎所有電器的供電都離不開降壓模塊。它的工作原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，即當(dāng)連接電路的磁通量改變時(shí)，電路中感應(yīng)到的電動(dòng)勢(shì)與磁通量變化率成正比。在降壓模塊中的傳輸動(dòng)作是通過繞組之間的相互感應(yīng)來完成的。

2 電路設(shè)計(jì)

本裝置中的電路設(shè)計(jì)主要用于連接硬件設(shè)計(jì)中的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與能量傳遞系統(tǒng)，具體電路圖如圖7所示。電路中：STC89C52 單片機(jī)通過5V 電源供電，其XTAL1 和XTAL2 與晶振電路相連，RST 與復(fù)位電路相連，構(gòu)成了數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。單片機(jī)的21 到25 管腳與控制系統(tǒng)相連，用于接收控制系統(tǒng)傳輸?shù)男盘?hào)。單片機(jī)的39 管腳與一型號(hào)為MPS3703 的PNP 型三極管相連，用于控制電磁離合的開閉，通過對(duì)電磁離合的控制，來達(dá)到對(duì)能量傳遞系統(tǒng)的控制。在控制系統(tǒng)中：使用了兩個(gè)控制按鈕與MMA8452 三軸加速度傳感器，控制按鈕一端與單片機(jī)連接，一端接地。按鍵按下過程中會(huì)產(chǎn)生一定抖動(dòng)，一般需在程序中加入延時(shí)函數(shù)進(jìn)行消抖。MMA8452 與單片機(jī)使用同一5V 電源供電，啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)檢測(cè)三軸加速度值，并將數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)。能量傳遞系統(tǒng)中：由于繼電器與單片機(jī)無法使用同一電源供電，故使用了三極管與一路繼電器模塊來控制電磁離合工作。

圖7 電路設(shè)計(jì)圖

3 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)很重要的一部分，軟件編寫的好壞直接影響裝置的可靠性[7]。為方便后續(xù)的優(yōu)化升級(jí)，本設(shè)計(jì)采用模塊化。主控程序的主要任務(wù)是系統(tǒng)初始化，控制各硬件子模塊運(yùn)行，根據(jù)接收到的外部指令執(zhí)行相應(yīng)的子程序，程序流程圖如圖8所示。程序執(zhí)行流程為：當(dāng)單片機(jī)通電后程序開始運(yùn)行，并進(jìn)入初始化給單片機(jī)各引腳設(shè)置電平，MMA8452 開始工作。初始化后，單片機(jī)開始檢測(cè)控制系統(tǒng)的信號(hào)，即兩個(gè)控制按鈕的電平與MMA8452 傳遞的加速度數(shù)據(jù)。若檢測(cè)到開啟按鈕按下則執(zhí)行開啟動(dòng)能回收函數(shù)，若檢測(cè)到關(guān)閉按鈕按下則執(zhí)行關(guān)閉動(dòng)能回收函數(shù)，若按鈕未按下則執(zhí)行傾斜角角度計(jì)算函數(shù)。傾斜角角度計(jì)算完成之后進(jìn)入判斷函數(shù)，若角度大于設(shè)定值，則執(zhí)行開啟動(dòng)能回收函數(shù)，若角度小于設(shè)定值則返回接收控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，判斷傾斜角步驟是下坡自動(dòng)開啟動(dòng)能回收的關(guān)鍵。當(dāng)程序執(zhí)行到開啟或關(guān)閉動(dòng)能回收之后，若電源關(guān)閉，則程序結(jié)束。若電源未關(guān)閉，在經(jīng)過延時(shí)函數(shù)延時(shí)之后返回到系統(tǒng)初始化，此過程是為了使裝置在運(yùn)行過程中更穩(wěn)定。經(jīng)過上述程序運(yùn)行過程，可實(shí)現(xiàn)本裝置的下坡自動(dòng)開啟動(dòng)能回收、人為控制動(dòng)能回收等功能。

圖8 程序流程圖

4 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

對(duì)于本裝置，在忽略空氣阻力等其他因素后，我們做了如下理論計(jì)算。

目前我國(guó)新國(guó)標(biāo)電動(dòng)自行車后輪輪轂大多為半徑r=0.4064m。設(shè)定裝置中L1半徑為r1=0.25m，厚度為0.01m；L2 半徑為r2=0.10m，厚度為0.01m；L3 半徑為r3=0.07m；L4半徑為r4=0.07m，厚度為0.01m。設(shè)電動(dòng)車下坡時(shí)的速度為 ν m/s，發(fā)電機(jī)功率為240W。

后輪角速度為：

可得L1 轉(zhuǎn)動(dòng)角速度：

由于L1 與L2 之間用鏈條傳動(dòng)，有：

可得L2 轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω2：

L2 與L3 用D 形軸傳動(dòng)，得：

由r4=r3得：

得轉(zhuǎn)動(dòng)1s 后 L4 轉(zhuǎn)角θ：

得發(fā)電機(jī)工作1s 發(fā)電量：

如果以電動(dòng)車下坡50km/h 的速度計(jì)算，1s 大概發(fā)電0.52J。如果電池容量為1A/h，則只需2.3h 動(dòng)能回收裝置就能給該車充滿電。

5 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

■5.1 創(chuàng)新點(diǎn)

（1)傳統(tǒng)動(dòng)能回收裝置主要用于汽車等大型交通工具，而本裝置主要用于電動(dòng)車等小型交通工具。

（2)相較于傳統(tǒng)動(dòng)能回收裝置，本裝置使用了電磁離合，在未開啟動(dòng)能回收時(shí)發(fā)電機(jī)不工作，對(duì)正常行駛幾乎無影響。而傳統(tǒng)動(dòng)能回收裝置將發(fā)電機(jī)集成在動(dòng)力輪上，在未開啟動(dòng)能回收時(shí)發(fā)電機(jī)也會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差，對(duì)行駛過程中有一定安全隱患。

（3)相較于傳統(tǒng)動(dòng)能回收裝置，本裝置使用了單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，可對(duì)動(dòng)能回收系統(tǒng)的開閉進(jìn)行操控，用作輔助剎車對(duì)速度進(jìn)行控制。而傳統(tǒng)動(dòng)能回收裝置一般在剎車時(shí)自動(dòng)開啟，開啟時(shí)車輛停止時(shí)間短，在一些情況下容易產(chǎn)生追尾事故。

（4)相較于傳統(tǒng)動(dòng)能回收裝置，本裝置使用了MMA8452 三軸加速度傳感器，可在下坡時(shí)智能開啟動(dòng)能回收裝置，對(duì)速度進(jìn)行控制，保證行駛安全。而傳統(tǒng)動(dòng)能回收裝置在下坡時(shí)，只有在一定條件才可以開啟動(dòng)能回收裝置[2]。

■5.2 預(yù)計(jì)應(yīng)用前景

可應(yīng)用在電動(dòng)車、三輪車等交通工具上，可在速度過快或下坡時(shí)對(duì)動(dòng)能進(jìn)行回收，可使電動(dòng)車?yán)m(xù)航更長(zhǎng)，減少了一定的能源浪費(fèi)。

對(duì)本裝置進(jìn)行一定改造，還可用在電動(dòng)汽車上，預(yù)計(jì)在電動(dòng)汽車上的動(dòng)能回收效率更高，但缺點(diǎn)是對(duì)汽車底盤的空間要有一定的占用。