可发电健身装置设计

王安华，万东东，王沐阳，王东方，万欣鹏

（黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022）

0 引 言

随着经济文化的快速发展，人们对能源的需求越来越大，而煤、油等不可再生能源污染环境，且资源浪费严重。利用运动健身发电是一项绿色、环保的高新技术，而电动车比油耗汽车更加节能环保，若将两者结合，既可以节省能源，又方便了生活。以健身自行车为例，利用人骑车时的机械功带动发电机转子转动进行发电，进而储存电能，将这种本来浪费了的能源最大限度地储存，并用于照明、手机充电等小功率负载，同时可以利用蓄电池储存的电能给电动机供电，提供动能。

1 系统设计方案

可发电健身装置系统主要包括发电、蓄电和用电三部分，系统硬件组成如图1所示。发电部分由运动电机单元组成，主要实现把脚踏踏板的机械能转变为电能。蓄电部分包括蓄电池组、剩余电量显示单元和过充过放保护单元。用电部分将蓄电池储存的直流电进行逆变和斩波稳压处理，得到需要的AC 220 V和DC 5 V电源。

1.1 蓄电池充电主电路设计

电机发出电压范围为0～36 V，给蓄电池的充电电压为12 V[1]。所以，充电电路必须是升降压型。推挽变换器输出电流瞬态响应速度很高，两个功率管交替导通与截止，输出的电压波形对称，且整个周期内都向负载提供功率，电压输出特性好。此外，推挽变换器的电压利用率是所有开关电源拓扑中最高的，在输入电压很低的情况下，依然能维持很大的输出功率。推挽变换器属于交流-直流-交流变换器，具有电磁隔离，可以大大减少输入噪声和干扰对输出部分造成的影响，且变压器和输出滤波器的体积重量都可以减小。

图1 系统硬件组成

推挽电路工作于电流连续模式时，在一个开关周期内共经历4个开关状态。当第一个开关管导通时，一个二极管承受正向电压导通，另一个二极管承受2倍的反向副边电压；当第二个开关管导通时，第二个二极管导通；当2个开关管全关断时，2个整流二极管全处于通态，各分担电感电流的一半，电感电流逐渐下降。

2个开关管的导通时间为TON，占空比为所以在电流连续时输入电压与输出电压的关系为：

当其中一个开关管处于通态时，加在开关管上的电压为：

当其中一个二极管处于通态时，加在另一个二极管上的电压为：

若推挽变换器处在2个开关管导通时间不对称或通态压降不一致时，以及变压器磁路不对称，都会在变压器初级绕组的高频交流电动势叠加一个数值较小的直流电压。如果长时间积累，就有可能导致直流磁偏，变压器铁芯单方向磁饱和，从而引起较大的磁化电流。所以，在缠绕变压器时一定要保证初级绕组的匝数相同，且推挽变换器常采用电流控制芯片，以防止器件过电流。

1.2 保护电路设计

蓄电池的充电电路的保护电路主要包括输入欠压、过压保护和输出过充、过流保护。

1.2.1 输入过压、欠压保护

参考电压VREF用TL431独立搭建一个参考源，输出参考电压（VREF1）2.5 V[2]。另外，过压欠压电路所用的比较器的供电电源只能从输入侧取，本设计直接从蓄电池取电。

MY1016Z发电机额定输出电压为36 V[2]。为保证充电电路的正常工作，舍弃发电机启动部分，选用10～36 V的电压范围。运算放大器构成输入过压保护。输入过电压关断值V过为：

运算放大器构成输入欠压保护，由开关管和反馈电阻构成具有迟滞比较器，可以防止正常启动过程中由于电压抖动而造成稳压芯片的频繁切保护。启动电压值V启和欠压关断值V欠分别为：

由于输入输出具有电气隔离，所以不能直接取样，需采用光耦隔离取样，输出过充保护。

由运算放大器构成比较器，输出接至稳压芯片的SHUT-DOWN（10脚）。当蓄电池电压Vb高于参考值V过充时，比较器输出高电平，芯片禁用。本文选用骆驼公司生产的6-QWLZ-45A，当蓄电池电压达到13.5 V时，认为充电完毕。

1.2.2 过流保护

稳压电源正常工作时，它的供给负载的输出电流在额定值内[3]。当负载功率过大或由于故障发生过严重过流甚至短路时，将会造成电源电流输出电流无控制地增大，使电源过载损坏。所以，电源必须具有限流保护功能。

过流保护原理为通过电流霍尔传感器ACS712将电流信号线性转换为相应的电压值，ACS712为线性电流传感器IC，最大工作电流为20 A，可以测量±20 A电流，对应模拟量输出100 mV/A。输出电压如下：

ACS712基于霍尔检测的原理，使用时尽量避免磁场对此造成影响。将ACS712的输出电压与参考源经过分压电阻产生的电压值进行比较，当电流取样电压大于触发保护电流值所产生的电压值时，过流保护电路输出负脉冲给NE555。NE555由外围电路构成一个单稳态触发器。单稳态触发器在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态，VOUT=0。当触发信号下降沿到达时，输出为高电平，单稳态电路相当于一个打嗝电路。单稳态触发器输出脉冲宽度tw仅决定于电阻值和电容值，与输入触发信号和电源电压无关。

1.3 逆变电路设计

逆变电路是将来自充电电路稳定的直流电或者来自蓄电池的直流电转化为工频市电，以供用500 W以下用电设备使用，系统框图如图2所示。DC-DC变换器本文依然采用推挽工作方式，作用是将低电压直流电转变为高电压直流电。变压器副边因为电压较高，二次侧整流电路选择桥式整流。

图2 逆变电路系统框图

1.4 手机充电电路电路设计

铅酸蓄电池电压在12 V左右，所以本文手机充电电路拓扑选用电路简单、性能可靠的Buck变换器[4]。由于MOS管的通态内阻RDS（ON）要比续流二极管小得多，特别是低压输出续流二极管的导通压降对效率影响更大。为了提高效率，本设计采用同步整流技术。

在使用同步Buck变换器时，应注意以下两个问题[5]：（1）开关管和续流管共态导通或死区时间太小，一管未完全关断前，另一管已导通，造成电源短路；（2）由于开关管和续流管驱动存在死区时间，当开关管截止时，电感续流而续流管未导通，此时由续流管的体内寄生二极管续流。由于MOSFET的体内寄生二极管导通压降大，而此时电感续流电流为最大值，会影响Buck变换器的效率，且造成续流管的温度上升。一般情况下，可以在续流管两端并联一个肖特基二极管。

2 结 论

本设计构建一个高效环保的健身自行车的发电、蓄电和用电系统，涉及到电机学、开关电源、电子电子技术、机械以及物理等多个学科，无论是理论还是实践都是可行的，经济效益与实用价值突出表现在降低健身房运营成本、节约电能、保护环境等方面，是健美瘦身、强健体魄的时尚生活方式与节能减耗、绿色环保时代主题的完美结合。