一種易裝卸的自行車發電裝置的設計

摘 要：自行車發電裝置因其實用、環保的特點而受到越來越多人的關注，但市場上已有的自行車發電裝置都必須長期固定在車架上，安裝和拆卸極為不便。文章分析了現有自行車發電裝置普遍存在的不足，并以裝卸簡便、使用安全可靠為設計目標，提出了一種易裝卸的自行車發電裝置的設計，并對發電和儲能系統進行了優化設計。

關鍵詞：自行車；發電裝置；簡便可靠；優化設計

1 概述

隨著人們環保意識的不斷提高，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，同時也為了踐行節能、環保的理念，人們設計了一些自行車發電裝置，利用電磁感應原理將自行車騎行時產生的機械能轉換為電能，進而為電子設備供電。一種是采用自行車鏈條與齒輪之間摩擦進行發電[1]，此方式雖然發電效率較高，但是其發電裝置必須長期固定于車架上，安裝和拆卸極為不便。在不需要自行車發電時，鏈條與發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生電流，進而為電子設備供電[2]。此方式雖然為無摩擦發電，但其將磁鐵固定于自行車的輻條上，不利于發電裝置的安裝和拆卸。在不需要自行車發電時，笨重的磁鐵無疑會給自行車的騎乘帶來相當大的阻力。可見現有自行車發電裝置雖然實現了發電這一功能，但由于安裝拆卸困難而導致其實用性較差，不能很好地滿足人們對于自行車發電裝置的要求。因此，研究和開發裝卸簡便、使用安全可靠的自行車發電裝置顯得尤為必要。

2 總體方案設計

文章設計了一種易裝卸的自行車發電裝置，該裝置主要由發電模塊和電能儲存模塊組成。其中發電模塊由可插撥的發電核心組件及其支持裝置組成，發電核心組件主要由接觸輪和交流發電機組成，其支持裝置可固定于車架上。電能儲存模塊主要由整流穩壓電路和移動電源組成。當需要自行車發電時，通過接觸輪和自行車后輪之間的傳動帶動交流發電機發電，其輸出的電能可儲存于移動電源中或直接為其它電子設備供電。當不需要自行車發電時，可卸下發電核心組件，從而避免對自行車的行駛造成阻礙以及影響騎乘體驗。

3 系統功能分析

自行車發電方式：

圖1為自行車發電裝置整體結構示意圖。如圖1所示，發電核心組件通過其支持裝置固定于自行車車架上，二者共同構成發電模塊。在自行車行駛時，其后輪帶動接觸輪轉動，進而帶動交流發電機轉動產生電流。所產生的交流電經整流穩壓電路進行調節，并經USB輸出接口儲存于移動電源中或為直接其他電子設備供電。

4 系統硬件設計

4.1 發電模塊

發電模塊是整車中最重要的模塊，也是本設計的創新點所在。如圖2及圖3所示，發電模塊由發電核心組件及其支持裝置組成，而發電核心組件由接觸輪、轉動軸、交流發電機組成，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。當自行車后輪受到沖擊并傳導至交流發電機時，可利用彈簧受力壓縮的特性吸收沖擊能量，起到吸能緩沖、保護發電核心組件之作用。

安裝時，可將交流發電機沿豎槽放置于盒體Ⅱ內，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，調整發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，自行車后輪轉動時即可帶動交流發電機轉動而產生電流。所產生的交流電經整流穩壓電路進行調節，并經USB輸出接口儲存于移動電源中。當不需要進行發電時，可打開蓋板并取出發電核心組件，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 整流穩壓電路。因為在騎行中自行車的速度是在不斷發生改變的，所以交流發電機產生的電流的大小和方向也在不斷發生改變。為了得到移動電源或其他電子設備可直接利用的恒定的5V直流電，必須設置整流、濾波和穩壓電路，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，發電機發出電壓、頻率脈動的三相交流電，經過三相二極管整流橋變為電壓脈動的直流電[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]。穩壓電路則采用的是7805三端固定式集成穩壓器，其內部電路和基本工作原理與采用集成運算放大器的串聯型穩壓電路的相同。而且用三端固定輸出電源的集成穩壓器可以很方便地構成固定輸出穩壓電源，W78××/W79××系列的最后兩位數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壓器可輸出穩定的5V直流電源以供移動電源或其他電子設備使用。

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 結束語

文章設計的自行車發電裝置可為騎乘者提供持久、穩定的綠色能源，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計，主要由兩大模塊組成：發電模塊和電能儲存模塊。本設計最具特色的是發電模塊，其可插撥的發電核心組件及支持裝置使得發電模塊的安裝和拆卸十分簡便。當需要自行車發電時，安裝好發電模塊和電能儲存模塊，便可在騎行時獲得所需的電能。當不需要自行車發電時，可卸下發電核心組件，從而避免對自行車的行駛造成阻礙以及影響騎乘體驗。該裝置結構簡單、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.自行車發電及安全預警系統設計[J].電子技術，2012（12）：62-64.

[2]閆俊伢.一種基于磁感線的自行車發電裝置設計[J].內蒙古師范大學學報（自然科學漢文版），2015（44）：617-619.

[3]段波.自行車發電系統的動態分析[J].科技創新導報，2009（4）：18-19.

[4]秦曾煌.電工學（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[M].武漢：華中科技大學出版社，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研究[J].電力電子技術，2013（1）：1-3.

作者簡介：王博（1993-），男，湖北孝感人，武漢科技大學汽車與交通工程學院學生，本科，主要研究方向：新能源汽車、汽車電氣與電控技術。