電動單車剎車能量回收的研究與探索

苗潼超

【摘 要】節(jié)能是一個世界范圍的課題，對于電動單車而言，行駛過程中頻繁剎車，剎車能量的損耗相當(dāng)巨大，無論從節(jié)能以及能量回收再利用的角度，還是從提高電動單車?yán)m(xù)航能力的角度，對這一問題進(jìn)行研究，采用簡單實用的方式，對剎車能量進(jìn)行回收顯得尤為重要。本文綜合考慮多種因素，對電動單車剎車能量的回收進(jìn)行了研究，給出了一種簡單可行的思路和策略。

【關(guān)鍵詞】剎車;發(fā)電;充電;能量回收

中圖分類號：TK02 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）17-0127-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.060

燃油、燃?xì)庖约半妱?、混合動力車誕生以來，其續(xù)航性能一直是人們關(guān)注的重點，目前很多電動汽車都已安裝了剎車能量回收系統(tǒng)。研究表明，在剎車比較頻繁的路段，采用剎車能量回收可增加行駛里程約20%。然而，電動單車的剎車能量回收問題卻遲遲沒有得到很好解決。電動單車的剎車能量回收系統(tǒng)既不能完全照搬傳統(tǒng)自行車即收即用的摩電燈，也不能借用電動汽車的能量回收系統(tǒng)[1]，究其原因不外乎技術(shù)、工藝以及成本問題，因此對這一問題進(jìn)行研究，探索一個實用性強(qiáng)、成本低廉的電動單車剎車能量回收系統(tǒng)迫在眉睫。

1 電動單車的剎車耗能現(xiàn)狀

根據(jù)我國目前的發(fā)展以及城市規(guī)劃狀況，電動單車在人們生活中非常普及，尤其在城市，大多數(shù)電動單車行駛在非機(jī)動車道，經(jīng)常和步行者混在一起，因此在騎行過程中頻繁主動或被動緊急剎車，再加上紅綠燈前的常規(guī)剎車，剎車能量的損失可想而知。本文為了驗證這種剎車的能量損耗，新買了一輛電動單車，商家標(biāo)稱一次充滿電可行駛60公里，然而本設(shè)計者騎車上路，勉強(qiáng)行駛了44公里，再次充電，在空曠無人的操場上騎行，在沒有一次剎車的情況下行駛了59公里，也就是說剎車引起的行駛路程縮短了約四分之一、剎車引起的能量損耗達(dá)到了約四分之一。

節(jié)能已經(jīng)是一個世界范圍的課題，傳統(tǒng)單車上現(xiàn)有的摩電燈是為了單車夜間行駛的方便，而在行駛過程中持續(xù)進(jìn)行摩擦發(fā)電，并將電能直接提供給燈泡，起到照明作用。本質(zhì)而言，這種裝置不是一種節(jié)能以及能量回收系統(tǒng)，其目的在于騎行過程中機(jī)械能向電能以及光能的轉(zhuǎn)化，其缺點在于，一是沒有將剎車的耗散能量進(jìn)行回收，二是騎行過程持續(xù)摩擦?xí)档蛙囁伲菦]有儲能系統(tǒng)，瞬間發(fā)電、瞬間使用，給能量再利用及其效率的提高帶來很多不便。因此，對于電動單車而言，要真正實現(xiàn)節(jié)能以及提高續(xù)航能力，電動單車剎車能量回收的研究和探索具有重要意義。

2 電動單車剎車能量回收的研究和探索

2.1 電動單車剎車能量回收的基本想法

本文對電動單車剎車能量回收研究和探索的基本思路，是基于鋰電池和鉛酸蓄電池電動單車，針對目前符合國家安全技術(shù)規(guī)范強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)所要求的電動單車，探索一個簡單實用的剎車及其能量回收系統(tǒng)，在不明顯增加電動單車成本的前提下，有效實現(xiàn)電動單車的剎車、能量回收和能量再利用。

2.2 電動單車剎車能量回收的技術(shù)分析和研究

本文對電動單車剎車能量回收系統(tǒng)的研究和探索，兼顧電動單車與傳統(tǒng)單車在結(jié)構(gòu)上的相似，以及電動單車與電動汽車在動力源上的相似[2]，綜合考慮技術(shù)、實用性以及成本因素，將該剎車能量回收系統(tǒng)分為三大部分，分別為剎車及發(fā)電部分、能量回收及儲存部分、二次充電部分。

該剎車能量回收系統(tǒng)的大致工作過程為，將普通電動單車的碟剎或抱剎簡單改裝或設(shè)計成V剎（類似于我國七八十年代傳統(tǒng)老式單車的V剎），將微型發(fā)電機(jī)安裝在電動單車上前后V剎的位置，每側(cè)一個，一共四個，通過前后閘線控制微型發(fā)電機(jī)與輪胎的接觸和分離，依靠微型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子前端的摩擦輪與電動單車輪胎之間的滾動摩擦，驅(qū)動微型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)在剎車過程中同時進(jìn)行剎車和發(fā)電;這種通過剎車摩擦發(fā)電所產(chǎn)生的是單向低壓大電流，因此，在發(fā)電機(jī)和能量回收電池之間加裝一個自動開關(guān)脈沖式電感充電電路，通過該電路動態(tài)地實現(xiàn)低壓發(fā)電向高壓能量回收電池的充電;在能量回收電池和電動單車工作電池之間再加一個自動開關(guān)脈沖式大電感充電電路，當(dāng)電動單車工作電池完成一個工作周期、工作電能基本消耗完畢之后，靜態(tài)情況下，能量回收電池開始向電動車工作電池進(jìn)行充電，進(jìn)行二次充電，最終實現(xiàn)剎車能量的回收和利用，工作流程見圖1。

2.3 電動單車剎車能量回收的探索與實現(xiàn)

該剎車能量回收系統(tǒng)要同時實現(xiàn)剎車和能量回收兩個目的，首先是剎車，其次是發(fā)電。該系統(tǒng)依靠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與電動單車外輪之間的滾動摩擦進(jìn)行剎車，要求總摩擦力要足夠大，足夠電動單車實現(xiàn)有效剎車。但是如果只安裝一個剎車及發(fā)電裝置，則起不到剎車效果，因此本文在前后輪、雙側(cè)安裝本剎車及發(fā)電裝置，共計四組，經(jīng)過實驗，這種情況下，電動單車剎車不會抱死，并能在可控時間內(nèi)實現(xiàn)有效剎車。同時，電動單車從開始剎車到完全停止，需要一定時間，這段時間正好用來摩擦發(fā)電，時間太長會影響剎車效果，時間太短則發(fā)電量太少。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)委員會最新發(fā)布的電動單車安全技術(shù)規(guī)范強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)，電動單車時速不能超過25公里，整車質(zhì)量不能超過55公斤，蓄電池額定電壓不能超過48伏，經(jīng)過實驗，符合上述要求的電動單車在加裝了本系統(tǒng)之后，根據(jù)拉閘的快慢和松緊程度，完全可以在0.5-1.5秒之間實現(xiàn)有效剎車，剎車效果很好，但是發(fā)電時間稍短。

為了延長發(fā)電時間，本文一方面在轉(zhuǎn)軸上加裝飛輪，增加了整個轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量，使得整個轉(zhuǎn)子在完成發(fā)電的同時起到了飛輪儲能的作用。另一方面為了使整個轉(zhuǎn)子在摩擦輪停止轉(zhuǎn)動以后還能利用慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動而發(fā)電，在摩擦輪和轉(zhuǎn)子之間加裝摩擦輪只能對轉(zhuǎn)子進(jìn)行單向作用的微型離合，這樣，電動單車完全剎車之后，摩擦輪停止轉(zhuǎn)動，但是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子仍繼續(xù)轉(zhuǎn)動，繼續(xù)發(fā)電，直到轉(zhuǎn)子徹底停止，發(fā)電時間可由1.5秒延長到5.8秒，機(jī)械能完全轉(zhuǎn)化為儲存的電能，發(fā)電機(jī)示意圖見圖2。

由于目前工藝技術(shù)的原因，剎車及發(fā)電裝置無法做到更小，隨著工藝技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)剎車及發(fā)電裝置最大限度的小型化時，可以實現(xiàn)根據(jù)個人剎車的快慢以及習(xí)慣適當(dāng)增加剎車及發(fā)電裝置的個數(shù)，使得剎車以及能量回收的效率更高。

單個發(fā)電裝置可發(fā)出6伏、0.4安的脈沖直流電，將各發(fā)電裝置并聯(lián)、串聯(lián)于自動開關(guān)脈沖式電感充電電路，可實現(xiàn)發(fā)電裝置向較高壓能量回收電池的充電。實驗發(fā)現(xiàn)，兩組前輪發(fā)電裝置串聯(lián)然后再和兩組后輪發(fā)電裝置并聯(lián)接入自動開關(guān)脈沖式電感充電電路[3]，實現(xiàn)12伏、0.8安向較高壓能量回收電池的充電，綜合效果最佳，充電電路見圖3。

較高壓能量回收電池被充滿電時，電壓僅為24伏，要實現(xiàn)24伏向48伏的電動單車工作電池進(jìn)行充電，需要在高壓能量回收電池和電動單車工作電池之間再加裝一個自動開關(guān)脈沖式大電感充電電路，在靜態(tài)情況下實現(xiàn)較高電壓的能量回收電池向高電壓的電動單車工作電池的充電，充電電路見圖4。

本文對能量回收電池，以及能量回收電池和電動單車工作電池之間的電壓以及容量匹配進(jìn)行了實驗研究，選擇了電壓和容量比較合適的能量回收電池，使得電動單車工作電池充滿電正常騎行至工作電能基本耗盡，然后能量回收電池再向電動單車工作電池進(jìn)行充電，整個過程均無需充電保護(hù)以及電壓反潰電路，電路設(shè)計簡單實用，安全可靠。

3 本文電動單車剎車能量回收的特點

本電動單車剎車能量回收的實現(xiàn)，簡單實用，將普通電動單車的碟剎或抱剎簡單改裝或設(shè)計成V剎，使發(fā)電機(jī)的摩擦輪和電動單車的外輪接觸而產(chǎn)生摩擦，實現(xiàn)滾動摩擦發(fā)電，同時實現(xiàn)有效剎車;在發(fā)電機(jī)軸上固定飛輪，同時采用單向離合技術(shù)，使得發(fā)電時間成倍延長，并部分地利用了飛輪儲能的技術(shù);利用簡單的自動開關(guān)大脈沖電感充電電路，兩次實現(xiàn)了低電壓向高電壓的充電;合理選擇能量回收電池的電壓和容量以及充電電路的電感和脈沖頻率，使得整個充電過程無須反饋，電路簡潔、高效、安全。選擇了能量儲存電池，使得電能回收變得簡單;采用了靜態(tài)二次充電，不會對電池壽命產(chǎn)生明顯影響。

4 結(jié)束語

電動單車剎車能量回收和利用的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義，這一問題看似簡單，實則復(fù)雜，其復(fù)雜性在于能量回收和利用對于電動單車而言，要簡單實用、易于實現(xiàn)，暨不能過多增加電動單車的成本，又要實現(xiàn)有效剎車，還要最大限度地回收和利用剎車能量。本文受到傳統(tǒng)單車摩電燈和電動汽車剎車能量回收的啟示，綜合考慮了電動單車剎車、節(jié)能和能量回收、實用以及成本等多種因素，對這一問題進(jìn)行了研究，并結(jié)合實踐，給出了這一問題的一個簡單可行的思路和對策，以期對電動單車剎車能量的回收和利用有所幫助。

【參考文獻(xiàn)】

[1]唐鵬，孫駿.電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)再生制動特性分析與仿真[J].移動電源與車輛.2006（4）.

[2]周奉香，苑士華，李輝.公交車輛制動能量回收與再利用系統(tǒng)研究[J].客車技術(shù)與研究，2003（6）.

[3]程嫁夫.中學(xué)奧林匹克競賽物理教程·電磁學(xué)篇（第二版）[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2013：456-457.