基于可分離式發(fā)電機(jī)的智能能量回收

陶闖闖 蔡煒楨 方昊宇 莊偉建

摘? 要：該文主要介紹一種基于可分離式發(fā)電機(jī)的智能儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)以滑板為載體，以STM32單片機(jī)為控制器，采用徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)搭建可分離式發(fā)電裝置，將制動(dòng)時(shí)滑板的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái)，具體包括剎車(chē)儲(chǔ)能、下坡儲(chǔ)能和避障儲(chǔ)能3種形式。系統(tǒng)采用一定的控制策略，智能高效地回收能量，并將其儲(chǔ)存于滑板電源中。

關(guān)鍵詞：能量回收;STM32單片機(jī);可分離式發(fā)電機(jī);徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM31? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

制動(dòng)能量回收是一種實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的有效措施，其主要應(yīng)用在一些需要頻繁制動(dòng)的交通工具中，以此來(lái)說(shuō)回收再利用制動(dòng)過(guò)程中浪費(fèi)的大量能量[1]。該系統(tǒng)采用新型可分離式發(fā)電機(jī)，以STM32單片機(jī)為控制核心，借助陀螺儀、超聲避障模塊對(duì)是否遇到下坡或障礙物進(jìn)行判斷，在剎車(chē)、下坡及避障時(shí)進(jìn)行能量回收。

1 設(shè)計(jì)方案及工作原理

1.1 系統(tǒng)總體方案

運(yùn)行過(guò)程中，陀螺儀、超聲避障模塊采集到的信號(hào)，以及剎車(chē)信號(hào)都將發(fā)送給STM32單片機(jī)，由單片機(jī)決定是否通過(guò)操動(dòng)機(jī)構(gòu)操縱可分離式發(fā)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子部分的狀態(tài)。當(dāng)定子部分進(jìn)入轉(zhuǎn)子部分，定子線(xiàn)圈切割轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)整流穩(wěn)壓之后，輸送給滑板電源儲(chǔ)存起來(lái)。同時(shí)轉(zhuǎn)子會(huì)受到一個(gè)阻尼電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)一定的制動(dòng)效果。而當(dāng)定、轉(zhuǎn)子分離，發(fā)電機(jī)則不再輸出電能，同時(shí)轉(zhuǎn)子也不再受到阻尼電磁轉(zhuǎn)矩的作用。

1.2 可分離式發(fā)電機(jī)及分離操動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.2.1 發(fā)電機(jī)的選取

與傳統(tǒng)電勵(lì)磁同步電機(jī)相比，永磁同步發(fā)電機(jī)以永磁體替代電勵(lì)磁繞組，不消耗勵(lì)磁功率，還可以省去滑環(huán)和電刷，擁有更高的效率，電機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、可靠性高。剛好滿(mǎn)足該系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)高效率、可分離、可靠性高的要求。

文獻(xiàn)[2]提出：首先，徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率小于切向結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)，外特性較切向結(jié)構(gòu)電機(jī)硬。其次，從功角特性可知，徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性要大于切向結(jié)構(gòu)電機(jī)。最后，徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)的漏磁較小，轉(zhuǎn)子裝配工藝簡(jiǎn)單。

因此該系統(tǒng)采用徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機(jī)，同時(shí)為減小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，采用輪轂電機(jī)的方式，將發(fā)電機(jī)與滑板輪集成到一起。

1.2.2 可分離式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)繞組線(xiàn)圈需相對(duì)于滑板板身徑向靜止，因此將線(xiàn)圈置于定子部分，永磁體置于轉(zhuǎn)子部分，定子套裝在車(chē)軸上，轉(zhuǎn)子嵌入輪胎，采用輪轂電機(jī)式的結(jié)構(gòu)。

考慮到滑板原車(chē)輪內(nèi)徑為60 mm，所以選取的磁鋼外徑為60 mm、內(nèi)徑為54 mm。在保證轉(zhuǎn)子與定子可正常分離的情況下，需要盡量減小定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，該設(shè)計(jì)選取外徑為50 mm的矽鋼片壓制成定子鐵心。另外，考慮到單塊永磁體的大小與磁鋼套大小之間的配合，將電機(jī)設(shè)計(jì)為24極電機(jī)。對(duì)于定子線(xiàn)圈繞法的選取，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的各次諧波，而其中最主要的就是三次諧波分量[3]，為抑制三次諧波，防止發(fā)電機(jī)三相繞組產(chǎn)生很大的三次諧波環(huán)流，導(dǎo)致繞組過(guò)熱、能量回收效率降低，所以該發(fā)電機(jī)繞組采用星形繞法。

分離操動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由定子及磁鐵A總成、驅(qū)動(dòng)及磁鐵B總成組成。沿車(chē)軸軸向?qū)⒍ㄗ优c環(huán)形磁鐵A固定到一起，構(gòu)成定子及磁鐵A總成，其只能沿軸向直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。沿車(chē)軸軸向?qū)h(huán)形磁鐵B與舵機(jī)驅(qū)動(dòng)固定到一起，構(gòu)成磁鐵B及驅(qū)動(dòng)總成，磁鐵B只能繞車(chē)軸軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)。磁鐵A、B安裝時(shí)應(yīng)保證定子與轉(zhuǎn)子成分離狀態(tài)，極性處于“異性相吸”狀態(tài)。

1.2.3 工作原理

在滑板正常滑行的過(guò)程中，即發(fā)電機(jī)處于非工作狀態(tài)（無(wú)阻態(tài)）時(shí)，控制電路控制磁鐵B及驅(qū)動(dòng)總成，使磁鐵B旋轉(zhuǎn)到特定角度，從而使磁鐵A和磁鐵B上、下半部分都為“異極相吸”狀態(tài)，定子及磁鐵A總成被磁鐵B吸引，促使定子及磁鐵A總成與滑板輪及轉(zhuǎn)子總成分離，此時(shí)定子線(xiàn)圈不能切割轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，因此沒(méi)有電磁阻力，也不會(huì)進(jìn)行能量回收，滑板輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中阻力很小。

在滑板需要制動(dòng)的情況下，即發(fā)電機(jī)處于工作狀態(tài)（有阻態(tài)）時(shí)，控制電路控制磁鐵B及驅(qū)動(dòng)總成，使磁鐵B旋轉(zhuǎn)到特定角度，從而使磁鐵A和磁鐵B上、下半部分都為“同極相斥”狀態(tài)，定子及磁鐵A總成整體被磁鐵B排斥，促使定子及磁鐵A總成進(jìn)入滑板輪及轉(zhuǎn)子總成的磁鋼中，此時(shí)定子線(xiàn)圈切割轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，產(chǎn)生電磁阻力，使高速轉(zhuǎn)動(dòng)的滑板輪及轉(zhuǎn)子總成由于受到電磁阻力而減速，同時(shí)切割磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電能輸送給整流儲(chǔ)能電路儲(chǔ)存起來(lái)。

1.3 整流電路

首先測(cè)出滑板以最高時(shí)速行駛時(shí)，輪子轉(zhuǎn)速約為2 300 r/min，發(fā)電機(jī)輸出交流電線(xiàn)電壓約為24 V，頻率約為900 Hz。經(jīng)三相全橋整流，忽略管壓降，可以得到

式中：Ud為整流輸出電壓平均值，ω為交流電壓角頻率，t為時(shí)間。

采用恒流0.5 A給鋰電池充電，穩(wěn)流電路省略不作考慮。忽略功率損耗，流過(guò)整流二極管的電流有效值約為0.4 A，通態(tài)平均電流為0.25 A，考慮2倍裕量，選取額定電流為0.5 A的整流二極管。整流二極管承受的峰值電壓為24 V，考慮2倍裕量，應(yīng)選取額定電壓為48 V的整流二極管[4]。選取肖特基整流二極管SS55搭建三相整流電路，其最大可重復(fù)反向峰值電壓為50 V，平均整流輸出電流為5 A，滿(mǎn)足整流要求。二極管整流后的脈動(dòng)直流，經(jīng)大電容濾波后，紋波已經(jīng)比較小，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓后，可以給鋰電池充電。

1.4 陀螺儀及超聲波模塊

該系統(tǒng)選用了MPU-6050陀螺儀模塊和HC-SR04超聲波模塊進(jìn)行測(cè)試。MPU-6050可測(cè)范圍為±250 °/s、±500 °/s、±1 000 °/s和±2 000 °/s，加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2 g、±4 g、±8 g和±16 g，滿(mǎn)足該系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)通過(guò)MPU-6050檢測(cè)滑板的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)上下坡監(jiān)測(cè)、滑板提起監(jiān)測(cè)、滑板落地監(jiān)測(cè)功能。HC-SR04超聲波模塊探測(cè)距離為2 cm～450 cm，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試，系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量滑板前方障礙物到滑板的距離，來(lái)判斷前方是否有障礙物。

2 系統(tǒng)控制方案

系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)陀螺儀檢測(cè)滑板的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，一旦檢測(cè)到滑板被拿起，單片機(jī)就會(huì)控制舵機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)將定、轉(zhuǎn)子分離開(kāi)，以減少舵機(jī)對(duì)電能的消耗。當(dāng)滑板正常行駛時(shí)，系統(tǒng)設(shè)定滑板向下傾角在10°～45°時(shí)為下坡?tīng)顟B(tài)。如果通過(guò)陀螺儀檢測(cè)到正在下坡，或者超聲模塊檢測(cè)到前方存在障礙物，亦或是單片機(jī)接收到剎車(chē)信號(hào)，滿(mǎn)足其中任意一個(gè)條件，單片機(jī)就會(huì)控制舵機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)將定子部分推入轉(zhuǎn)子部分，發(fā)電機(jī)開(kāi)始工作。當(dāng)上述3個(gè)條件均不滿(mǎn)足時(shí)，單片機(jī)才會(huì)控制舵機(jī)，使定、轉(zhuǎn)子部分分離開(kāi)，系統(tǒng)不再回收能量，也不再提供制動(dòng)的電磁阻力。

3 整機(jī)實(shí)驗(yàn)與測(cè)試結(jié)果

測(cè)試時(shí)利用GPS進(jìn)行定位，電動(dòng)滑板負(fù)重50 kg，在平坦水泥地進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著輪子轉(zhuǎn)速的提高，可分離發(fā)電儲(chǔ)能裝置的功率在提升，制動(dòng)能量回收效果較明顯，可行性較高。而進(jìn)行下坡及障礙物測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)均能正常工作，其測(cè)試回收能量功率與平地剎車(chē)測(cè)試基本相同。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)以滑板為載體，采用新型可分離式發(fā)電機(jī)進(jìn)行能量回收，使用STM32單片機(jī)進(jìn)行控制，輔以陀螺儀、超聲避障模塊，實(shí)現(xiàn)智能制動(dòng)能量回收，將回收的電能儲(chǔ)存于鋰電池中，可行性較高。但系統(tǒng)還存在可以改進(jìn)的地方，如鋰電池充放電頻率小、功率密度低、不能迅速儲(chǔ)存大量能量，并且不適合對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回收。而超級(jí)電容由于不依賴(lài)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，因此充電速率更快、內(nèi)阻更小、可循環(huán)次數(shù)更多、受溫度影響也小、安全性高，更適合進(jìn)行制動(dòng)能量回收。

該系統(tǒng)不僅能用于電動(dòng)滑板，而且也可以應(yīng)用在一些大型交通工具中。回收的能量可以用于交通工具的啟動(dòng)、照明等多個(gè)方面，提高了能量的利用率，減少了排放。此外，回收的能量用于交通工具起動(dòng)時(shí)的加速，能使設(shè)備能更快地進(jìn)入最佳工況，不僅提高了能量利用的效率，而且還延長(zhǎng)了設(shè)備的壽命。

參考文獻(xiàn)

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