一种自充电自行车

郭博闻

摘要：基于為自行车助力且无需专门充电的思想，本文设计了一种自充电自行车。当骑行自行车时，人的重力和骑行动力大部分作用在后轮上，为压电能量收集存储系统提供了源源不绝的能量;压电系统收集的能量存储到锂电池后，可以驱动无刷直流电机运转，实现为自行车助力的目的。采用合适的设计和材料，可以为骑行者减少1/3的体力消耗，从而大大提高骑行舒适度并增加骑行里程。

关键字：自充电自行车;压电能量收集存储系统;充电控制器;无刷直流电机

1前言

自行车以脚踩踏板为动力，是绿色环保的交通工具。如今，越来越多的人将自行车作为健身器材用来骑行锻炼、自行车出游;自行车也成为一项体育竞技运动，有公路自行车赛、特技自行车比赛等。

随着技术进步，电动自行车应运而生。电动自行车是指以蓄电池为辅助能源，在自行车基础上安装了电机、控制器、蓄电池、转把、闸把等操纵部件和显示仪表系统的机电一体化交通工具。然而，电动自行车需要提前进行充电，具有操作不便且续航里程有限的问题。

2省力型自行车研究现状

自行车自200年前问世以来，经过近100年发展奠定了现代自行车的雏形;近年来为了满足便捷出行需要，诞生了种类繁多的自行车型式，包括：空气自行车、无链条自行车、哥本哈根车轮、FlyKly车轮和脚踏板顺反旋转驱动自行车，等等。

2.1空气自行车

“空气自行车”使用尼龙为材料制作，与钢铝结构的车一样坚固，但质量（重量）却减轻了65%。

不足之处：自行车质量为10-15kg左右，但加上骑车人的体质量，空气自行车车重减轻产生的效果就不是很明显。

2.2无链条自行车

1.杰森.史密斯发明了一种新的自行车传动系统，它没有采用传统的链条设计，但是在效率上却超过传统的链条，预计达到99%。

不足之处：效果还需要实际检验。

2.2012年10月韩国万都公司设计的“无链条自行车”，被称为世界上首款没有链条混合动力电动自行车，像其他助踩式车一样，“无链条自行车”结合了人体动力和电子动力。这种自行车将骑手的动能通过连接至曲柄的发电机直接转变为电能。然而，批评者指出这种机车的综合效率可能是一大缺点。

不足之处：综合效率偏低。

2.3哥本哈根车轮

麻省理工学院学生设计了一款自行车辅助工具——“哥本哈根车轮”，该装置可将现有自行车改装成一种混合动力自行车。这种车轮可以模仿骑车者的运动，将其提供的推进力与骑车者蹬踩踏板所产生的动力进行无缝整合，并且当刹车和滑行时可存储能量，上坡或疲劳时可将存储的能量释放帮助骑行。骑车者蹬踩得越快，就能获得越多推进力。锂离子电池续航大约为30英里（约合48km）。

不足之处：存储的能量不足以抵消消耗，作为电动自行车需要及时充电。

2.4FlyKly车轮

“哥本哈根车轮”的设计和概念启发了一些竞争对手。2013年11月份，FlyKly通过众筹平台Kickstarter筹集了701239美元，这家公司设计生产了一种与“哥本哈根车轮”十分相似的后轮踏板辅助设备。FlyKly在一只车轮上集成了电动机、电池以及与手机等终端相连等功能。普通自行车只需将原有的后轮替换成FlyKly，即可具备手机控制车速、路径优化、下坡自动充电、为手机充电等功能。这只车轮质量为4kg，一次充电能以25km/h的速度行驶50km。

不足之处：作为电动自行车需要及时充电。

2.5脚踏板顺反旋转驱动自行车

我国谢勇发明的“任意踩”，一只脚向前蹬车时，另一只脚自然向后蹬车，前后蹬车都在加力做功。它有两个单向轴承，通过过桥齿轮把它们联系起来，自行车就有了前后任意踩的功能。2013年5月，谢勇获得了由国家知识产权局颁发的“脚踏板顺反旋转驱动的自行车”发明专利证书。

不足之处：结构复杂容易损坏。

3自充电自行车技术背景

3.1压电发电研究现状

近年来，能量收集日益引起关注。压电材料因具有优良的机械能一电能转换特性，成为一种获得电能的重要方法。利用压电材料制作的压电发电装置不但结构简单、不易发热、低成本，而且能够实现小型化、集成化等优点，因此利用压电装置发电已经成为一个新的研究热点。

3.1.1可穿戴设备等领域以压电能量收集技术采集周围环境振动能量

3.1.1.1麻省理工学院采用压力驱动方式，将PZT和PVDF分别安装在运动鞋里;1Hz步行速率下，PVDF的输出峰值功率约为20mW，平均功率为1.1 mW;PZT的输出峰值功率约为80mW，平均功率为1_8mWL。

3.1.1.2 Granstrom等人利用PVDF压电材料柔性强的特性，将PVDF压电材料安装在双肩包背带内;通过背包的质量（重量）使PVDF变形产生电能，实验证明可以产生45.6 mW平均功率。

3.1.1.3Feenstra等在Rome等的研究基础上，设计了“悬挂式负重”的背包;通过将20-38kg负重垂直运动时的机械能转换成电能，正常行走时可产生7.4W功率。

3.1.2压电发电技术在道路应用中的相关研究：

3.1.2.1以色列Innowatech公司在大功率压电发电上取得突破，他们于2009年1月开放了世界上第一条可发电的公路并进行现场演示。

研究人员表示，具体发电量取决于路面上通行车辆的数量、质量和行驶速度，理想情况下每公里路段每小时最大可发电量200kWh。

3.1.2.2长安大学针对压电发电技术在道路应用中的可行性进行了研究，围绕采用压电方式来收集路面内的机械振动能这一目的进行了试验。

可知，直径30 mm、厚度0.2 mm的压电片在764N作用力下，一次试轮碾压可产生0.23 mJ电能。

实测电能数据与理论计算值相差较大。分析认为压电材料老化、制作工艺缺陷、压电元件产生变形导致电信号变小、试验的压电换能器元件仅与发光二级管相连，没有采用稳压整流电路对电信号进行梳理等原因;最终导致压电换能器所产生的电能实际值远小于理论数据。

3.2压电发电材料研究现状

压电材料分为无机压电材料、有机压电材料和复合压电材料。

无机压电材料分为压电晶体和压电陶瓷，压电陶瓷压电性强、介电常数高、但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，适合于大功率换能器等应用。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，但稳定性很高，机械品质因子高，多用作标准频率控制的振子等。

有机压电材料又称压电聚合物，如聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜等。这类材料以其材质柔韧、低密度、低阻抗和高压电电压常数（g）等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，在压力传感等方面获得应用。不足之处是压电应变常数d偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。

复合压电材料是由两种或多种材料复合而成的压电材料。常见的复合压电材料为压电陶瓷和聚合物（例如PVDF和环氧树脂）的两相复合材料。这种材料兼具压电陶瓷和聚合物的长处，具有很好的柔韧性和加工性能，并具有较低的密度;此外，还具有压电常数高的特点。

传统压电陶瓷较其他类型的压电材料压电效应强，从而得到了广泛应用。但作为大应变、高能换能材料，传统压电陶瓷的压电效应仍不能满足要求。近年来研制出的PbTi03单晶的d33最高可达2600pc/N（压电陶瓷d33最大为850pc/N），k33可高达0.95（压电陶瓷K33最高达0.8），其应变>1.7%，几乎比压电陶瓷应变高一个数量级。储能密度高达130J/kg，而压电陶瓷储能密度在10J/kg以内。铁电压电学者们称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。国内在这方面也取得了很大进展，例如：东南大学开发的有机一无机钙钛矿铁电体在压电性能上达到了传统压电陶瓷的水平，同时具有分子材料的柔韧性、抗弯折等优势。

3.3自行车骑行输出功率研究

根据一项国外自行车训练的测定资料，如表2所示;可见功率是可变的，维持时间越长，功率越小。这是5次测定的结果，所以逐渐下降;一般可取最低一行。例如：体质量为70kg的男子，可以爆发出约735W功率，但只能维持5s;而120W可维持20min。能长时间不过分疲劳的功率是最大功率的1/10左右，即70W（女子约50W）。

4自充电自行车设计方案

基于为自行车助力且无需专门充电的思想，设计了一种自充电自行车。当骑行自行车时，人的重力和骑行动力大部分作用在后轮上，为压电能量收集存储系统提供了源源不绝的能量;压电系统收集的能量存储到锂电池后，可以驱动无刷直流电机运转，实现为自行车助力的目的。根据如上研究采用合适的设计和材料，可以为骑行者减少1/3的体力消耗，从而大大提高骑行舒适度并增加骑行行程。

4.1自充电自行车背景技术

目前国内在压电相关领域的研究已经成为一个热点。如下文章对于本文的研究很有帮助。

1.基于压电能量收集技术的充电器设计（荣训，电子技术设计与应用，2015.8）。

2.一种具有巨大压电响应的有机一无机钙钛矿铁电体（熊仁根，科学，2017.7）。

3.压电换能器设计与能量获取特性研究（刘杏娟，电工研究，2010.1）。

4.热电为辅助能量的压电能量采集电路设计（王义强，无线通信技术，2018.3）

5.基于压电材料的振动能量获取技术的研究（王强，电子元件与材料，2008.3）。

6.压电发电技术研究综述（王剑，压电与声光，2011.6）。

4.2自充電自行车设计方案

根据如上背景技术，超级电容可以迅速存储回收电能，而电池充电速度较慢不能立即使用回收电能，但其放电时间长，供电电压比较稳定。研究表明，超级电容充电效率高达95%，充电次数理论可达无穷;而锂电池充电效率最高92%，寿命为300～1000次。基于充电控制技术，当电池输出电压高于一定值时，充电器不会给电池充电，所以通过压电能量收集存储系统在其充电器控制下为锂电池充电，锂电池能够驱动无刷直流电机实现辅助驱动自行车行驶。

压电材料主要性能参数包括：压电电压常数、机械品质因数、机电耦合系数等。

背景技术1的实验结果：一个尺寸50mmx50 mmx0.2 mm悬臂梁型式压电双晶陶瓷片在激振频率为11Hz时，为8mAh锂电池充电约1h，电压从2.24V达到3.04V。根据背景技术及相关研究，悬臂梁型式压电双晶陶瓷片在谐振状态下，一次激振最多可以输出材料固有能量的5%（压电陶瓷储能密度10J/kg）;而压电片在一次直接碾压时可以输出固有能量的6%以上，所以采用直接碾压压电材料的方式可以获得更多的能量[。

若在自行车后轮圆周上配置一定数量专门设计的压电能量收集器（如12个），后轮周长1.5m，一个体质量60kg的人骑行1h（20～25km）能够获得约20W功率（每圈4～5J），为3Ah、额定电压12V的锂电池（充电器最大输出电压14.4V，电池电压从亏电电压约8.3V达到约12.6V）充电。此锂电池提供的驱动力至少可以减少骑行人1/3的体力消耗，大大提升骑行快感，使骑行行程覆盖到5km以上。

5结束语

本文提出的自充电自行车，已成功申请实用新型专利（发明创造名称：一种自充电自行车，申请号：201821986172.0）。

在共享单车领域导入这种自充电后驱动助力自行车可以扩大共享单车的受众群体和覆盖范围。另外，由于这种自充电自行车电能充足，可以实现自动锁电机功能，从而能够实现共享单车的远程开关控制，降低了运营成本和管理风险。

对于热爱骑行的人士，采用这种自充电自行车可以大大提高骑行舒适度并增加骑行行程。