能量反馈式自行车的改进实践

熊灏

摘 要：共享单车目前已在我国普及，惠及大众生活。本文试图从制动能力再生角度改进自行车动能，将自行车减速或者制动时的一部分机械能转化为电能储存在电池中，从而提高能量使用效率，更好地服务大众。

关键词：自行车；能量反馈式；改进实践

中图分类号：U484 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）05-0106-04

Improvement Practice of Energy Feedback Bicycle

XIONG Hao

（Experimental School of Beihang University，Beijing 100000）

Abstract： The shared bicycle has been popularized in our country and benefited the public life. This paper attempted to improve the bicycle kinetic energy from the perspective of braking capacity regeneration， transformed some of the mechanical energy of the bicycle when braking or braking， and stored it in the battery， so as to improve the efficiency of energy use and better serve the public.

Keywords： bicycle； energy feedback；improvement

1 研究背景

随着经济发展和社会的进步，人们对自行车的需求不断提高。通过不断改进，将普通自行车改造成集速度控制、音乐播放、安全控制、炫彩灯饰、能量反馈、状态检测等功能于一体的交通工具，不仅符合低碳环保的出行理念，而且能满足人们的各种需求[1]。随着共享单车在城市中得到普及，本设计也可以提高共享单车的服务质量和水平。在改造过程中，能量控制与反馈是重点内容。本文介绍了制动能量再生方法，即将自行车减速或者制动时的一部分机械能转化为电能储存在电池中，从而提高能量使用效率。现对该方法进行详细介绍。

2 参数计算

2.1 阻力计算

人车重力产生的基本阻力如式（1）所示：

[F1=Mgω=m1+m2gω] （1）

为计算方便，对公式（1）中的变量进行相应取值。

式（1）中：[m1]表示人体质量，取75kg；[m2]表示车体质量，取35kg；[ω]表示车轮滚动摩擦系数，一般取0.02～0.03（混凝土路面），本计算取0.02；[g]表示重力加速度，为计算方便数值取10。根据上述取值可求得阻力[F1=75+35×10×0.02=22N]。

2.2 惯性力计算

旋转车轮及电机转子等旋转惯性矩折算成平移的惯性力如式（2）所示：

[F2=1+γm1+m2a] （2）

为计算方便，对公式（2）中的变量进行相应取值。

式（2）中：[γ]表示旋转惯性系数，取0.075；[a]表示车体加速度，取0.05。根据上述取值可求得惯性力[F2=1+0.075×75+35×0.05=5.912 5N]，最终结果取6N。

2.3 牵引力计算

由克服阻力和惯性力可求得牵引力，如式（3）所示：

[F=F1+F2] （3）

根据上述求得的结果，可得出[F=22+6=28N]。考虑到风阻系数，取1.2倍数，最终求得牵引力为33.6N。

2.4 制动力矩计算

刹车时产生的制动力矩如式（4）所示：

[T=Tu-Tf-Tre] （4）

[Tu=m1+m2gD/2] （5）

[Tf=m1+m2gωD/2] （6）

式（4）中：[T]表示制動力矩，N·m；[Tu]表示负载力矩作用在制动轴上所形成的摩擦力矩，N·m；[Tf]表示折算到制动轴上的总摩擦力矩，N·m；[Tre]表示再生制动力矩，N·m；D表示自行车后轮直径（0.8m）。根据式（5）和式（6）分别求得：

[Tu=75+35×10×0.8/2=440N·m] [Tf=75+35×10×0.02×0.8/2=8.8N·m] （7）

此处再生制动力矩按照变量处理，分别取5、10、15、20、25N·m。在下坡和用自行车进行锻炼时，此部分再生能量会回馈至电池组，由于与速度有关，当作变量处理较为合适[2]。

2.5 所需电机功率、电流和转速计算

自行车正常行驶时需要的功率如式（8）所示：

[P=Fv3 600η] （8）

式（8）中：P表示所需电机功率，kW；v表示车速，取30km/h；[η]表示电机效率，取0.9。由此，可计算出P约为0.311 1kW。

由赛车类型的自行车改造的电动自行车，设计速度最高为70km/h，根据式（8）可计算出的功率值约为0.72kW，考虑到可靠系数，电机功率选择1.5kW。

可根据式（9）计算不同设计速度所需的电流：

[I=PU] （9）

式（9）中：[U]表示电池电压，本设计选用48V 20AH的磷酸铁锂电池；[I]表示工作电流。当设计速度为30km/h，可求得[I=311.148=6.48A]；设计速度为70km/h，可求得[I=72048=15A]。

可根据式（10）可计算不同设计速度下的转速：

[n=60vπD] （10）

式（10）中：v表示车轮转速，m/s；n表示车轮转速，r/min。根据式（10）可求得速度为30km/h时转速[n=60×30×1 000/3 6003.14×0.8=199r/min]，速度为70km/h时转速[n=60×70×1 000/3 6003.14×0.8=464.4r/min]。

2.6 平路无障碍路段续航里程计算

由于电池选择20AH容量，根据满容量放电考虑，电机电流按70km/h时的工作电流15A计算放电时间为：

[T=WI=2015=1.33h] （11）

式（11）中：[T]表示电池放电时间；W表示电池容量。

续航里程计算为：

[S=Tv=1.33×70=93.3KM] （12）

式（12）中：S表示续航里程，km；v表示车速，km。

3 设计过程概述

3.1 组成部件结构设计

在电动自行车的基础上进行改造，改进后的自行车结构模块分为骑行及发电系统模块、彩色轮毂系统模块、主动照明系统模块、辅助系统模块、保障模块等。

3.1.1 骑行及发电系统模块。本模块提供3种骑行方式：一是普通骑行，与赛车一样，通过双脚驱动自行车行进；二是电动骑行方式，此方式与电动自行车一样，通过车把上的速度控制器调节自行车快慢，用电池储存的能量驱动自行车行进；三是充电骑行方式，这是本项目独有的方式，在双脚驱动自行车行进过程中，轻握右刹车车把，就会有一部分能量储存到电池组中。充电骑行方式适用于两种情况：第一种情况是自行车下坡时，能量存储；第二种情况是通过脚踏自行车锻炼时，人体能量变成自行车能量进行存储，此时可将自行车后轮架高，脱离地面，双脚保持骑行，能量就会储存到电池组中，达到充电和锻炼的双重目的[3]。

选择电动骑行方式时，应注意以下事项：必须做好安全防护，安全护具完整，速度控制适当；刹车时先刹后轮，再刹前轮，防止惯性翻车。

3.1.2 彩色轮毂系统模块。在气门芯和部分辐条安装彩色LED，增加运动美感。

3.1.3 主动照明系统模块。前后部位安装LED主动照明灯，增加安全性。

3.1.4 辅助系统模块。辅助系统模块包括音乐播放、里程记录、时速测量、运动时间记录、防盗报警和GPS定位与导航系统等，增加运动乐趣。

3.1.5 保障模块。保障模块包括补胎气泵及电动修理工具，可利用这些工具及时修理骑行过程中的损坏。

3.2 动力与重心结构设计

①电池。选用安全性高的磷酸铁锂20AH动力锂电电池，持久耐力，循环充放电2 000次以上，正常使用寿命在5年以上[4]。

②电机。选用1 500W大功率永磁轮毂电机，可电动，可发电。电机外形及电机转子如图1所示。

③考虑到速度较快，本设计主动降低重心，将电池组制作成三角形，安装在自行车三角区，节省空间，同时降低重心。其结构如图2所示。

3.3 电气设计

电气部分设计如图3所示。

4 性能测试

测试内容与项目指标如表1至表6所示。

5 使用方法

5.1 自行车方式

使用方法与普通自行车一致，双脚踩踏驱动自行车，速度一般在40km/h以下。

5.2 电动自行车方式

使用方法与普通电动自行车一致，需要注意以下几点：①安全措施必须到位，包括安全头盔、各类护肘；②城市骑行速度选择低速挡，骑行中控制车速；③刹车顺序：先后轮，再前轮；④夜间行车，要调整好前行灯角度，并按要求行车。

5.3 自行车充电骑行方式

使用方法为轻刹后轮，自行车就切换到发电状态，自行车处于充电骑行方式，此时脚蹬的能量一部分提供给自行车行进，一部分反馈到动力电池，返回电流可以从车前库仑计读出，反馈电流上限一般控制在80A左右，防止对电池造成大电流冲击，影响使用寿命。自行车在下坡过程中就是处于此状态，能量通过控制器反馈到动力电池组进行存储，上坡时助力，从而降低骑行强度，增加运动乐趣[5]。

5.4 锻炼骑行方式

将自行车后轮安放在脱离地面的支架上，保持骑行，轻捏右刹车把，此时电机发电能量全部回馈至电池组，电池组充电，骑行越快，电池组充电越快，反馈电流要控制在40A以下，以免电池组过充电。

6 小结

通过相关计算，忽略次要因素后，对自行车做能量反馈式改进，对下面三个部分进行改造和完善：①动力部分，包括安装轮毂电机、磷酸铁锂电池、发电和电动控制器、库仑计等；②安全灯饰部分，包括安装轮毂彩灯、气门芯彩灯、前后警示灯等；③自行车本体部分，包括安装增安型前后轮毂、刹车控制、码表以及安全护具等。

通过三部分有机组合，控制电路设计以及现场调试等工序，保证骑行的安全性、舒适性和竞技性。

參考文献：

[1]沈鸿.电机工程手册[M].北京：机械工业出版社，1977.

[2]肖晗.共享单车市场巨头全面“开战”[N].深圳商报，2017-03-02（A05）.

[3]邱宣怀.机械设计[M].4版.北京：高等教育出版社，1997.

[4]罗玉涛，俞明，陈炳坤，等.电动车制动能量再生反馈控制研究[J].机床与液压，2002（5）：162-164.

[5]陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京：北京理工大学出版社，2004.