可發電健身裝置設計

王安華，萬東東，王沐陽，王東方，萬欣鵬

（黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

隨著經濟文化的快速發展，人們對能源的需求越來越大，而煤、油等不可再生能源污染環境，且資源浪費嚴重。利用運動健身發電是一項綠色、環保的高新技術，而電動車比油耗汽車更加節能環保，若將兩者結合，既可以節省能源，又方便了生活。以健身自行車為例，利用人騎車時的機械功帶動發電機轉子轉動進行發電，進而儲存電能，將這種本來浪費了的能源最大限度地儲存，并用于照明、手機充電等小功率負載，同時可以利用蓄電池儲存的電能給電動機供電，提供動能。

1 系統設計方案

可發電健身裝置系統主要包括發電、蓄電和用電三部分，系統硬件組成如圖1所示。發電部分由運動電機單元組成，主要實現把腳踏踏板的機械能轉變為電能。蓄電部分包括蓄電池組、剩余電量顯示單元和過充過放保護單元。用電部分將蓄電池儲存的直流電進行逆變和斬波穩壓處理，得到需要的AC 220 V和DC 5 V電源。

1.1 蓄電池充電主電路設計

電機發出電壓范圍為0～36 V，給蓄電池的充電電壓為12 V[1]。所以，充電電路必須是升降壓型。推挽變換器輸出電流瞬態響應速度很高，兩個功率管交替導通與截止，輸出的電壓波形對稱，且整個周期內都向負載提供功率，電壓輸出特性好。此外，推挽變換器的電壓利用率是所有開關電源拓撲中最高的，在輸入電壓很低的情況下，依然能維持很大的輸出功率。推挽變換器屬于交流-直流-交流變換器，具有電磁隔離，可以大大減少輸入噪聲和干擾對輸出部分造成的影響，且變壓器和輸出濾波器的體積重量都可以減小。

圖1 系統硬件組成

推挽電路工作于電流連續模式時，在一個開關周期內共經歷4個開關狀態。當第一個開關管導通時，一個二極管承受正向電壓導通，另一個二極管承受2倍的反向副邊電壓；當第二個開關管導通時，第二個二極管導通；當2個開關管全關斷時，2個整流二極管全處于通態，各分擔電感電流的一半，電感電流逐漸下降。

2個開關管的導通時間為TON，占空比為所以在電流連續時輸入電壓與輸出電壓的關系為：

當其中一個開關管處于通態時，加在開關管上的電壓為：

當其中一個二極管處于通態時，加在另一個二極管上的電壓為：

若推挽變換器處在2個開關管導通時間不對稱或通態壓降不一致時，以及變壓器磁路不對稱，都會在變壓器初級繞組的高頻交流電動勢疊加一個數值較小的直流電壓。如果長時間積累，就有可能導致直流磁偏，變壓器鐵芯單方向磁飽和，從而引起較大的磁化電流。所以，在纏繞變壓器時一定要保證初級繞組的匝數相同，且推挽變換器常采用電流控制芯片，以防止器件過電流。

1.2 保護電路設計

蓄電池的充電電路的保護電路主要包括輸入欠壓、過壓保護和輸出過充、過流保護。

1.2.1 輸入過壓、欠壓保護

參考電壓VREF用TL431獨立搭建一個參考源，輸出參考電壓（VREF1）2.5 V[2]。另外，過壓欠壓電路所用的比較器的供電電源只能從輸入側取，本設計直接從蓄電池取電。

MY1016Z發電機額定輸出電壓為36 V[2]。為保證充電電路的正常工作，舍棄發電機啟動部分，選用10～36 V的電壓范圍。運算放大器構成輸入過壓保護。輸入過電壓關斷值V過為：

運算放大器構成輸入欠壓保護，由開關管和反饋電阻構成具有遲滯比較器，可以防止正常啟動過程中由于電壓抖動而造成穩壓芯片的頻繁切保護。啟動電壓值V啟和欠壓關斷值V欠分別為：

由于輸入輸出具有電氣隔離，所以不能直接取樣，需采用光耦隔離取樣，輸出過充保護。

由運算放大器構成比較器，輸出接至穩壓芯片的SHUT-DOWN（10腳）。當蓄電池電壓Vb高于參考值V過充時，比較器輸出高電平，芯片禁用。本文選用駱駝公司生產的6-QWLZ-45A，當蓄電池電壓達到13.5 V時，認為充電完畢。

1.2.2 過流保護

穩壓電源正常工作時，它的供給負載的輸出電流在額定值內[3]。當負載功率過大或由于故障發生過嚴重過流甚至短路時，將會造成電源電流輸出電流無控制地增大，使電源過載損壞。所以，電源必須具有限流保護功能。

過流保護原理為通過電流霍爾傳感器ACS712將電流信號線性轉換為相應的電壓值，ACS712為線性電流傳感器IC，最大工作電流為20 A，可以測量±20 A電流，對應模擬量輸出100 mV/A。輸出電壓如下：

ACS712基于霍爾檢測的原理，使用時盡量避免磁場對此造成影響。將ACS712的輸出電壓與參考源經過分壓電阻產生的電壓值進行比較，當電流取樣電壓大于觸發保護電流值所產生的電壓值時，過流保護電路輸出負脈沖給NE555。NE555由外圍電路構成一個單穩態觸發器。單穩態觸發器在沒有觸發信號時，電路只有一種穩定狀態，VOUT=0。當觸發信號下降沿到達時，輸出為高電平，單穩態電路相當于一個打嗝電路。單穩態觸發器輸出脈沖寬度tw僅決定于電阻值和電容值，與輸入觸發信號和電源電壓無關。

1.3 逆變電路設計

逆變電路是將來自充電電路穩定的直流電或者來自蓄電池的直流電轉化為工頻市電，以供用500 W以下用電設備使用，系統框圖如圖2所示。DC-DC變換器本文依然采用推挽工作方式，作用是將低電壓直流電轉變為高電壓直流電。變壓器副邊因為電壓較高，二次側整流電路選擇橋式整流。

圖2 逆變電路系統框圖

1.4 手機充電電路電路設計

鉛酸蓄電池電壓在12 V左右，所以本文手機充電電路拓撲選用電路簡單、性能可靠的Buck變換器[4]。由于MOS管的通態內阻RDS（ON）要比續流二極管小得多，特別是低壓輸出續流二極管的導通壓降對效率影響更大。為了提高效率，本設計采用同步整流技術。

在使用同步Buck變換器時，應注意以下兩個問題[5]：（1）開關管和續流管共態導通或死區時間太小，一管未完全關斷前，另一管已導通，造成電源短路；（2）由于開關管和續流管驅動存在死區時間，當開關管截止時，電感續流而續流管未導通，此時由續流管的體內寄生二極管續流。由于MOSFET的體內寄生二極管導通壓降大，而此時電感續流電流為最大值，會影響Buck變換器的效率，且造成續流管的溫度上升。一般情況下，可以在續流管兩端并聯一個肖特基二極管。

2 結 論

本設計構建一個高效環保的健身自行車的發電、蓄電和用電系統，涉及到電機學、開關電源、電子電子技術、機械以及物理等多個學科，無論是理論還是實踐都是可行的，經濟效益與實用價值突出表現在降低健身房運營成本、節約電能、保護環境等方面，是健美瘦身、強健體魄的時尚生活方式與節能減耗、綠色環保時代主題的完美結合。