可發(fā)電健身裝置設(shè)計(jì)

王安華，萬東東，王沐陽，王東方，萬欣鵬

（黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)文化的快速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求越來越大，而煤、油等不可再生能源污染環(huán)境，且資源浪費(fèi)嚴(yán)重。利用運(yùn)動(dòng)健身發(fā)電是一項(xiàng)綠色、環(huán)保的高新技術(shù)，而電動(dòng)車比油耗汽車更加節(jié)能環(huán)保，若將兩者結(jié)合，既可以節(jié)省能源，又方便了生活。以健身自行車為例，利用人騎車時(shí)的機(jī)械功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，進(jìn)而儲(chǔ)存電能，將這種本來浪費(fèi)了的能源最大限度地儲(chǔ)存，并用于照明、手機(jī)充電等小功率負(fù)載，同時(shí)可以利用蓄電池儲(chǔ)存的電能給電動(dòng)機(jī)供電，提供動(dòng)能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

可發(fā)電健身裝置系統(tǒng)主要包括發(fā)電、蓄電和用電三部分，系統(tǒng)硬件組成如圖1所示。發(fā)電部分由運(yùn)動(dòng)電機(jī)單元組成，主要實(shí)現(xiàn)把腳踏踏板的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。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(hù)單元。用電部分將蓄電池儲(chǔ)存的直流電進(jìn)行逆變和斬波穩(wěn)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(shè)計(jì)

電機(jī)發(fā)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(tài)響應(yīng)速度很高，兩個(gè)功率管交替導(dǎo)通與截止，輸出的電壓波形對(duì)稱，且整個(gè)周期內(nèi)都向負(fù)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(guān)電源拓?fù)渲凶罡叩?，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(duì)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(tǒng)硬件組成

推挽電路工作于電流連續(xù)模式時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)共經(jīng)歷4個(gè)開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，一個(gè)二極管承受正向電壓導(dǎo)通，另一個(gè)二極管承受2倍的反向副邊電壓；當(dāng)?shù)诙€(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，第二個(gè)二極管導(dǎo)通；當(dāng)2個(gè)開關(guān)管全關(guān)斷時(shí)，2個(gè)整流二極管全處于通態(tài)，各分擔(dān)電感電流的一半，電感電流逐漸下降。

2個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間為TON，占空比為所以在電流連續(xù)時(shí)輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為：

當(dāng)其中一個(gè)開關(guān)管處于通態(tài)時(shí)，加在開關(guān)管上的電壓為：

當(dāng)其中一個(gè)二極管處于通態(tài)時(shí)，加在另一個(gè)二極管上的電壓為：

若推挽變換器處在2個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱或通態(tài)壓降不一致時(shí)，以及變壓器磁路不對(duì)稱，都會(huì)在變壓器初級(jí)繞組的高頻交流電動(dòng)勢(shì)疊加一個(gè)數(shù)值較小的直流電壓。如果長(zhǎng)時(shí)間積累，就有可能導(dǎo)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(shí)一定要保證初級(jí)繞組的匝數(shù)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(hù)電路設(shè)計(jì)

蓄電池的充電電路的保護(hù)電路主要包括輸入欠壓、過壓保護(hù)和輸出過充、過流保護(hù)。

1.2.1 輸入過壓、欠壓保護(hù)

參考電壓VREF用TL431獨(dú)立搭建一個(gè)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(cè)取，本設(shè)計(jì)直接從蓄電池取電。

MY1016Z發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)啟動(dòng)部分，選用10～36 V的電壓范圍。運(yùn)算放大器構(gòu)成輸入過壓保護(hù)。輸入過電壓關(guān)斷值V過為：

運(yùn)算放大器構(gòu)成輸入欠壓保護(hù)，由開關(guān)管和反饋電阻構(gòu)成具有遲滯比較器，可以防止正常啟動(dòng)過程中由于電壓抖動(dòng)而造成穩(wěn)壓芯片的頻繁切保護(hù)。啟動(dòng)電壓值V啟和欠壓關(guān)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(hù)。

由運(yùn)算放大器構(gòu)成比較器，輸出接至穩(wěn)壓芯片的SHUT-DOWN（10腳）。當(dāng)蓄電池電壓Vb高于參考值V過充時(shí)，比較器輸出高電平，芯片禁用。本文選用駱駝公司生產(chǎn)的6-QWLZ-45A，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到13.5 V時(shí)，認(rèn)為充電完畢。

1.2.2 過流保護(hù)

穩(wěn)壓電源正常工作時(shí)，它的供給負(fù)載的輸出電流在額定值內(nèi)[3]。當(dāng)負(fù)載功率過大或由于故障發(fā)生過嚴(yán)重過流甚至短路時(shí)，將會(huì)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(hù)功能。

過流保護(hù)原理為通過電流霍爾傳感器ACS712將電流信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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(cè)量±20 A電流，對(duì)應(yīng)模擬量輸出100 mV/A。輸出電壓如下：

ACS712基于霍爾檢測(cè)的原理，使用時(shí)盡量避免磁場(chǎng)對(duì)此造成影響。將ACS712的輸出電壓與參考源經(jīng)過分壓電阻產(chǎn)生的電壓值進(jìn)行比較，當(dāng)電流取樣電壓大于觸發(fā)保護(hù)電流值所產(chǎn)生的電壓值時(shí)，過流保護(hù)電路輸出負(fù)脈沖給NE555。NE555由外圍電路構(gòu)成一個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，電路只有一種穩(wěn)定狀態(tài)，VOUT=0。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)下降沿到達(dá)時(shí)，輸出為高電平，單穩(wěn)態(tài)電路相當(dāng)于一個(gè)打嗝電路。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖寬度tw僅決定于電阻值和電容值，與輸入觸發(fā)信號(hào)和電源電壓無關(guān)。

1.3 逆變電路設(shè)計(jì)

逆變電路是將來自充電電路穩(wěn)定的直流電或者來自蓄電池的直流電轉(zhuǎn)化為工頻市電，以供用500 W以下用電設(shè)備使用，系統(tǒng)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(zhuǎn)變?yōu)楦唠妷褐绷麟姟Ｗ儔浩鞲边呉驗(yàn)殡妷狠^高，二次側(cè)整流電路選擇橋式整流。

圖2 逆變電路系統(tǒng)框圖

1.4 手機(jī)充電電路電路設(shè)計(jì)

鉛酸蓄電池電壓在12 V左右，所以本文手機(jī)充電電路拓?fù)溥x用電路簡(jiǎn)單、性能可靠的Buck變換器[4]。由于MOS管的通態(tài)內(nèi)阻RDS（ON）要比續(xù)流二極管小得多，特別是低壓輸出續(xù)流二極管的導(dǎo)通壓降對(duì)效率影響更大。為了提高效率，本設(shè)計(jì)采用同步整流技術(shù)。

在使用同步Buck變換器時(shí)，應(yīng)注意以下兩個(gè)問題[5]：（1）開關(guān)管和續(xù)流管共態(tài)導(dǎo)通或死區(qū)時(shí)間太小，一管未完全關(guān)斷前，另一管已導(dǎo)通，造成電源短路；（2）由于開關(guān)管和續(xù)流管驅(qū)動(dòng)存在死區(qū)時(shí)間，當(dāng)開關(guān)管截止時(shí)，電感續(xù)流而續(xù)流管未導(dǎo)通，此時(shí)由續(xù)流管的體內(nèi)寄生二極管續(xù)流。由于MOSFET的體內(nèi)寄生二極管導(dǎo)通壓降大，而此時(shí)電感續(xù)流電流為最大值，會(huì)影響B(tài)uck變換器的效率，且造成續(xù)流管的溫度上升。一般情況下，可以在續(xù)流管兩端并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管。

2 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)構(gòu)建一個(gè)高效環(huán)保的健身自行車的發(fā)電、蓄電和用電系統(tǒng)，涉及到電機(jī)學(xué)、開關(guān)電源、電子電子技術(shù)、機(jī)械以及物理等多個(gè)學(xué)科，無論是理論還是實(shí)踐都是可行的，經(jīng)濟(jì)效益與實(shí)用價(jià)值突出表現(xiàn)在降低健身房運(yùn)營(yíng)成本、節(jié)約電能、保護(hù)環(huán)境等方面，是健美瘦身、強(qiáng)健體魄的時(shí)尚生活方式與節(jié)能減耗、綠色環(huán)保時(shí)代主題的完美結(jié)合。