一种易装卸的自行车发电装置的设计

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摘 要：自行车发电装置因其实用、环保的特点而受到越来越多人的关注，但市场上已有的自行车发电装置都必须长期固定在车架上，安装和拆卸极为不便。文章分析了现有自行车发电装置普遍存在的不足，并以装卸简便、使用安全可靠为设计目标，提出了一种易装卸的自行车发电装置的设计，并对发电和储能系统进行了优化设计。

关键词：自行车；发电装置；简便可靠；优化设计

1 概述

随着人们环保意识的不断提高，自行车作为一种绿色、健康的交通工具而受到越来越多人的青睐。而近几年一些智能设备尤其是智能手机的普及，虽然给人们的生活带来了方便，但是也存在着耗电快、充电不便的问题。为了解决骑行时充电不便的问题，同时也为了践行节能、环保的理念，人们设计了一些自行车发电装置，利用电磁感应原理将自行车骑行时产生的机械能转换为电能，进而为电子设备供电。一种是采用自行车链条与齿轮之间摩擦进行发电[1]，此方式虽然发电效率较高，但是其发电装置必须长期固定于车架上，安装和拆卸极为不便。在不需要自行车发电时，链条与发电装置之间的摩擦反而会给自行车的骑乘造成阻碍。另一种则是将一圈强磁铁固定在自行车辐条上，在行驶中通过磁铁切割磁感线产生电流，进而为电子设备供电[2]。此方式虽然为无摩擦发电，但其将磁铁固定于自行车的辐条上，不利于发电装置的安装和拆卸。在不需要自行车发电时，笨重的磁铁无疑会给自行车的骑乘带来相当大的阻力。可见现有自行车发电装置虽然实现了发电这一功能，但由于安装拆卸困难而导致其实用性较差，不能很好地满足人们对于自行车发电装置的要求。因此，研究和开发装卸简便、使用安全可靠的自行车发电装置显得尤为必要。

2 总体方案设计

文章设计了一种易装卸的自行车发电装置，该装置主要由发电模块和电能储存模块组成。其中发电模块由可插拨的发电核心组件及其支持装置组成，发电核心组件主要由接触轮和交流发电机组成，其支持装置可固定于车架上。电能储存模块主要由整流稳压电路和移动电源组成。当需要自行车发电时，通过接触轮和自行车后轮之间的传动带动交流发电机发电，其输出的电能可储存于移动电源中或直接为其它电子设备供电。当不需要自行车发电时，可卸下发电核心组件，从而避免对自行车的行驶造成阻碍以及影响骑乘体验。

3 系统功能分析

自行车发电方式：

图1为自行车发电装置整体结构示意图。如图1所示，发电核心组件通过其支持装置固定于自行车车架上，二者共同构成发电模块。在自行车行驶时，其后轮带动接触轮转动，进而带动交流发电机转动产生电流。所产生的交流电经整流稳压电路进行调节，并经USB输出接口储存于移动电源中或为直接其他电子设备供电。

4 系统硬件设计

4.1 发电模块

发电模块是整车中最重要的模块，也是本设计的创新点所在。如图2及图3所示，发电模块由发电核心组件及其支持装置组成，而发电核心组件由接触轮、转动轴、交流发电机组成，支持装置由壳体Ⅰ、与另一壳体Ⅰ连为一体的盒体Ⅰ、盖板、盒体Ⅱ、弹簧组成，并固定于自行车中轴与后轴之间的车架上。弹簧一端固定于盒体Ⅰ内壁，不仅可将盒体Ⅱ定位，而且可使接触轮与自行车后轮始终保持良好接触。当自行车后轮受到冲击并传导至交流发电机时，可利用弹簧受力压缩的特性吸收冲击能量，起到吸能缓冲、保护发电核心组件之作用。

安装时，可将交流发电机沿竖槽放置于盒体Ⅱ内，并使接触轮与其传动轴连接。轻拨弹簧一端，将盒体Ⅱ置于盒体Ⅰ中，并盖上盖板，调整发电核心组件的支持装置在车架上的位置，使接触轮与自行车后轮接触良好，自行车后轮转动时即可带动交流发电机转动而产生电流。所产生的交流电经整流稳压电路进行调节，并经USB输出接口储存于移动电源中。当不需要进行发电时，可打开盖板并取出发电核心组件，从而避免对自行车的行驶造成碍。

4.2 电能储存模块

4.2.1 整流稳压电路。因为在骑行中自行车的速度是在不断发生改变的，所以交流发电机产生的电流的大小和方向也在不断发生改变。为了得到移动电源或其他电子设备可直接利用的恒定的5V直流电，必须设置整流、滤波和稳压电路，电路原理如图4所示。整流电路采用的是三相桥式整流电路，发电机发出电压、频率脉动的三相交流电，经过三相二极管整流桥变为电压脉动的直流电[3]。滤波电路采用的是低通电容C2，可将交流电压分量滤出，从而使输出电压平滑[4]。稳压电路则采用的是7805三端固定式集成稳压器，其内部电路和基本工作原理与采用集成运算放大器的串联型稳压电路的相同。而且用三端固定输出电源的集成稳压器可以很方便地构成固定输出稳压电源，W78××/W79××系列的最后两位数表示该集成电路的输出电压值[5]。即采用7805三端固定式集成稳压器可输出稳定的5V直流电源以供移动电源或其他电子设备使用。

4.2.2 移动电源。移动电源可选择市场上所销售的款式，既方便实用又能简化设计电路[6]。移动电源能够提供温度保护、短路保护、Reset保护、输入过压保护、输入防反保护、输入过流保护、输出过压保护、电池过充过放保护、电芯PTC保护，并全面提升充放电效率。

5 结束语

文章设计的自行车发电装置可为骑乘者提供持久、稳定的绿色能源，而且易于安装和拆卸，不会影响骑乘体验。该装置采用了模块化设计，主要由两大模块组成：发电模块和电能储存模块。本设计最具特色的是发电模块，其可插拨的发电核心组件及支持装置使得发电模块的安装和拆卸十分简便。当需要自行车发电时，安装好发电模块和电能储存模块，便可在骑行时获得所需的电能。当不需要自行车发电时，可卸下发电核心组件，从而避免对自行车的行驶造成阻碍以及影响骑乘体验。该装置结构简单、装卸简便，使用安全可靠，具有较高的实用价值。

参考文献

[1]颜禹张，张欢韵.自行车发电及安全预警系统设计[J].电子技术，2012（12）：62-64.

[2]闫俊伢.一种基于磁感线的自行车发电装置设计[J].内蒙古师范大学学报（自然科学汉文版），2015（44）：617-619.

[3]段波.自行车发电系统的动态分析[J].科技创新导报，2009（4）：18-19.

[4]秦曾煌.电工学（6版）[M].北京：高等教育出版社，2004.

[5]宋玉阶，吴建国，张彦，等.电工与电子技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2012.

[6]徐文伟，肖兵，杨传海.电能回馈装置与二极管整流装置并联研究[J].电力电子技术，2013（1）：1-3.

作者简介：王博（1993-），男，湖北孝感人，武汉科技大学汽车与交通工程学院学生，本科，主要研究方向：新能源汽车、汽车电气与电控技术。