基于可分离式发电机的智能能量回收

陶闯闯 蔡炜桢 方昊宇 庄伟建

摘  要：该文主要介绍一种基于可分离式发电机的智能储能系统，该系统以滑板为载体，以STM32单片机为控制器，采用径向结构永磁同步电机搭建可分离式发电装置，将制动时滑板的动能转化为电能储存起来，具体包括刹车储能、下坡储能和避障储能3种形式。系统采用一定的控制策略，智能高效地回收能量，并将其储存于滑板电源中。

关键词：能量回收;STM32单片机;可分离式发电机;径向结构永磁同步电机

中图分类号：TM31          文献标志码：A

0 前言

制动能量回收是一种实现节能减排的有效措施，其主要应用在一些需要频繁制动的交通工具中，以此来说回收再利用制动过程中浪费的大量能量[1]。该系统采用新型可分离式发电机，以STM32单片机为控制核心，借助陀螺仪、超声避障模块对是否遇到下坡或障碍物进行判断，在刹车、下坡及避障时进行能量回收。

1 设计方案及工作原理

1.1 系统总体方案

运行过程中，陀螺仪、超声避障模块采集到的信号，以及刹车信号都将发送给STM32单片机，由单片机决定是否通过操动机构操纵可分离式发电机的定转子部分的状态。当定子部分进入转子部分，定子线圈切割转子磁场，机械能转化为电能，经整流稳压之后，输送给滑板电源储存起来。同时转子会受到一个阻尼电磁转矩，实现一定的制动效果。而当定、转子分离，发电机则不再输出电能，同时转子也不再受到阻尼电磁转矩的作用。

1.2 可分离式发电机及分离操动机构

1.2.1 发电机的选取

与传统电励磁同步电机相比，永磁同步发电机以永磁体替代电励磁绕组，不消耗励磁功率，还可以省去滑环和电刷，拥有更高的效率，电机结构更简单、可靠性高。刚好满足该系统设计对电机高效率、可分离、可靠性高的要求。

文献[2]提出：首先，径向结构永磁同步发电机的电压调整率小于切向结构永磁电机，外特性较切向结构电机硬。其次，从功角特性可知，径向结构永磁同步发电机的运行稳定性要大于切向结构电机。最后，径向结构永磁同步发电机的漏磁较小，转子装配工艺简单。

因此该系统采用径向结构永磁同步发电机，同时为减小系统结构的复杂程度，采用轮毂电机的方式，将发电机与滑板轮集成到一起。

1.2.2 可分离式发电机结构

发电机绕组线圈需相对于滑板板身径向静止，因此将线圈置于定子部分，永磁体置于转子部分，定子套装在车轴上，转子嵌入轮胎，采用轮毂电机式的结构。

考虑到滑板原车轮内径为60 mm，所以选取的磁钢外径为60 mm、内径为54 mm。在保证转子与定子可正常分离的情况下，需要尽量减小定子与转子间的气隙。经过试验，该设计选取外径为50 mm的矽钢片压制成定子铁心。另外，考虑到单块永磁体的大小与磁钢套大小之间的配合，将电机设计为24极电机。对于定子线圈绕法的选取，发电机在运行过程中会产生大量的各次谐波，而其中最主要的就是三次谐波分量[3]，为抑制三次谐波，防止发电机三相绕组产生很大的三次谐波环流，导致绕组过热、能量回收效率降低，所以该发电机绕组采用星形绕法。

分离操動机构主要由定子及磁铁A总成、驱动及磁铁B总成组成。沿车轴轴向将定子与环形磁铁A固定到一起，构成定子及磁铁A总成，其只能沿轴向直线运动。沿车轴轴向将环形磁铁B与舵机驱动固定到一起，构成磁铁B及驱动总成，磁铁B只能绕车轴轴线旋转。磁铁A、B安装时应保证定子与转子成分离状态，极性处于“异性相吸”状态。

1.2.3 工作原理

在滑板正常滑行的过程中，即发电机处于非工作状态（无阻态）时，控制电路控制磁铁B及驱动总成，使磁铁B旋转到特定角度，从而使磁铁A和磁铁B上、下半部分都为“异极相吸”状态，定子及磁铁A总成被磁铁B吸引，促使定子及磁铁A总成与滑板轮及转子总成分离，此时定子线圈不能切割转子磁场，因此没有电磁阻力，也不会进行能量回收，滑板轮在旋转过程中阻力很小。

在滑板需要制动的情况下，即发电机处于工作状态（有阻态）时，控制电路控制磁铁B及驱动总成，使磁铁B旋转到特定角度，从而使磁铁A和磁铁B上、下半部分都为“同极相斥”状态，定子及磁铁A总成整体被磁铁B排斥，促使定子及磁铁A总成进入滑板轮及转子总成的磁钢中，此时定子线圈切割转子磁场，产生电磁阻力，使高速转动的滑板轮及转子总成由于受到电磁阻力而减速，同时切割磁场所产生的电能输送给整流储能电路储存起来。

1.3 整流电路

首先测出滑板以最高时速行驶时，轮子转速约为2 300 r/min，发电机输出交流电线电压约为24 V，频率约为900 Hz。经三相全桥整流，忽略管压降，可以得到

式中：Ud为整流输出电压平均值，ω为交流电压角频率，t为时间。

采用恒流0.5 A给锂电池充电，稳流电路省略不作考虑。忽略功率损耗，流过整流二极管的电流有效值约为0.4 A，通态平均电流为0.25 A，考虑2倍裕量，选取额定电流为0.5 A的整流二极管。整流二极管承受的峰值电压为24 V，考虑2倍裕量，应选取额定电压为48 V的整流二极管[4]。选取肖特基整流二极管SS55搭建三相整流电路，其最大可重复反向峰值电压为50 V，平均整流输出电流为5 A，满足整流要求。二极管整流后的脉动直流，经大电容滤波后，纹波已经比较小，经过稳压后，可以给锂电池充电。

1.4 陀螺仪及超声波模块

该系统选用了MPU-6050陀螺仪模块和HC-SR04超声波模块进行测试。MPU-6050可测范围为±250 °/s、±500 °/s、±1 000 °/s和±2 000 °/s，加速度计可测范围为±2 g、±4 g、±8 g和±16 g，满足该系统的需求。系统通过MPU-6050检测滑板的运动姿态，实现上下坡监测、滑板提起监测、滑板落地监测功能。HC-SR04超声波模块探测距离为2 cm～450 cm，可以实现对系统的测试，系统通过测量滑板前方障碍物到滑板的距离，来判断前方是否有障碍物。

2 系统控制方案

系统工作时，通过陀螺仪检测滑板的运动状态，一旦检测到滑板被拿起，单片机就会控制舵机操动机构将定、转子分离开，以减少舵机对电能的消耗。当滑板正常行驶时，系统设定滑板向下倾角在10°～45°时为下坡状态。如果通过陀螺仪检测到正在下坡，或者超声模块检测到前方存在障碍物，亦或是单片机接收到刹车信号，满足其中任意一个条件，单片机就会控制舵机操动机构将定子部分推入转子部分，发电机开始工作。当上述3个条件均不满足时，单片机才会控制舵机，使定、转子部分分离开，系统不再回收能量，也不再提供制动的电磁阻力。

3 整机实验与测试结果

测试时利用GPS进行定位，电动滑板负重50 kg，在平坦水泥地进行测试。测试结果见表1。

从测试结果可以看出，随着轮子转速的提高，可分离发电储能装置的功率在提升，制动能量回收效果較明显，可行性较高。而进行下坡及障碍物测试时，系统均能正常工作，其测试回收能量功率与平地刹车测试基本相同。

4 结论

该系统以滑板为载体，采用新型可分离式发电机进行能量回收，使用STM32单片机进行控制，辅以陀螺仪、超声避障模块，实现智能制动能量回收，将回收的电能储存于锂电池中，可行性较高。但系统还存在可以改进的地方，如锂电池充放电频率小、功率密度低、不能迅速储存大量能量，并且不适合对制动能量进行回收。而超级电容由于不依赖化学反应实现能量转化，因此充电速率更快、内阻更小、可循环次数更多、受温度影响也小、安全性高，更适合进行制动能量回收。

该系统不仅能用于电动滑板，而且也可以应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启动、照明等多个方面，提高了能量的利用率，减少了排放。此外，回收的能量用于交通工具起动时的加速，能使设备能更快地进入最佳工况，不仅提高了能量利用的效率，而且还延长了设备的寿命。

参考文献

[1]许强，张云宁，郭建民，等.汽车制动能量回收方案及比较[J].交通科技与经济，2008（3）：59-60.

[2]赵朝会，李遂亮，王新威.径向和切向结构永磁同步发电机的比较研究[J].大电机技术，2007（4）：1-4.

[3]汤蕴缪.电机学 第五版[M].北京：机械工业出版社，2014.

[4]王兆安，刘进军.电力电子技术 第五版[M].北京：机械工业出版社，2020.