基于可分離式發(fā)電機的智能能量回收

陶闖闖 蔡煒楨 方昊宇 莊偉建

摘? 要：該文主要介紹一種基于可分離式發(fā)電機的智能儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)以滑板為載體，以STM32單片機為控制器，采用徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機搭建可分離式發(fā)電裝置，將制動時滑板的動能轉(zhuǎn)化為電能儲存起來，具體包括剎車儲能、下坡儲能和避障儲能3種形式。系統(tǒng)采用一定的控制策略，智能高效地回收能量，并將其儲存于滑板電源中。

關(guān)鍵詞：能量回收;STM32單片機;可分離式發(fā)電機;徑向結(jié)構(gòu)永磁同步電機

中圖分類號：TM31? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

制動能量回收是一種實現(xiàn)節(jié)能減排的有效措施，其主要應(yīng)用在一些需要頻繁制動的交通工具中，以此來說回收再利用制動過程中浪費的大量能量[1]。該系統(tǒng)采用新型可分離式發(fā)電機，以STM32單片機為控制核心，借助陀螺儀、超聲避障模塊對是否遇到下坡或障礙物進(jìn)行判斷，在剎車、下坡及避障時進(jìn)行能量回收。

1 設(shè)計方案及工作原理

1.1 系統(tǒng)總體方案

運行過程中，陀螺儀、超聲避障模塊采集到的信號，以及剎車信號都將發(fā)送給STM32單片機，由單片機決定是否通過操動機構(gòu)操縱可分離式發(fā)電機的定轉(zhuǎn)子部分的狀態(tài)。當(dāng)定子部分進(jìn)入轉(zhuǎn)子部分，定子線圈切割轉(zhuǎn)子磁場，機械能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)整流穩(wěn)壓之后，輸送給滑板電源儲存起來。同時轉(zhuǎn)子會受到一個阻尼電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)一定的制動效果。而當(dāng)定、轉(zhuǎn)子分離，發(fā)電機則不再輸出電能，同時轉(zhuǎn)子也不再受到阻尼電磁轉(zhuǎn)矩的作用。

1.2 可分離式發(fā)電機及分離操動機構(gòu)

1.2.1 發(fā)電機的選取

與傳統(tǒng)電勵磁同步電機相比，永磁同步發(fā)電機以永磁體替代電勵磁繞組，不消耗勵磁功率，還可以省去滑環(huán)和電刷，擁有更高的效率，電機結(jié)構(gòu)更簡單、可靠性高。剛好滿足該系統(tǒng)設(shè)計對電機高效率、可分離、可靠性高的要求。

文獻(xiàn)[2]提出：首先，徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機的電壓調(diào)整率小于切向結(jié)構(gòu)永磁電機，外特性較切向結(jié)構(gòu)電機硬。其次，從功角特性可知，徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機的運行穩(wěn)定性要大于切向結(jié)構(gòu)電機。最后，徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機的漏磁較小，轉(zhuǎn)子裝配工藝簡單。

因此該系統(tǒng)采用徑向結(jié)構(gòu)永磁同步發(fā)電機，同時為減小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，采用輪轂電機的方式，將發(fā)電機與滑板輪集成到一起。

1.2.2 可分離式發(fā)電機結(jié)構(gòu)

發(fā)電機繞組線圈需相對于滑板板身徑向靜止，因此將線圈置于定子部分，永磁體置于轉(zhuǎn)子部分，定子套裝在車軸上，轉(zhuǎn)子嵌入輪胎，采用輪轂電機式的結(jié)構(gòu)。

考慮到滑板原車輪內(nèi)徑為60 mm，所以選取的磁鋼外徑為60 mm、內(nèi)徑為54 mm。在保證轉(zhuǎn)子與定子可正常分離的情況下，需要盡量減小定子與轉(zhuǎn)子間的氣隙。經(jīng)過試驗，該設(shè)計選取外徑為50 mm的矽鋼片壓制成定子鐵心。另外，考慮到單塊永磁體的大小與磁鋼套大小之間的配合，將電機設(shè)計為24極電機。對于定子線圈繞法的選取，發(fā)電機在運行過程中會產(chǎn)生大量的各次諧波，而其中最主要的就是三次諧波分量[3]，為抑制三次諧波，防止發(fā)電機三相繞組產(chǎn)生很大的三次諧波環(huán)流，導(dǎo)致繞組過熱、能量回收效率降低，所以該發(fā)電機繞組采用星形繞法。

分離操動機構(gòu)主要由定子及磁鐵A總成、驅(qū)動及磁鐵B總成組成。沿車軸軸向?qū)⒍ㄗ优c環(huán)形磁鐵A固定到一起，構(gòu)成定子及磁鐵A總成，其只能沿軸向直線運動。沿車軸軸向?qū)h(huán)形磁鐵B與舵機驅(qū)動固定到一起，構(gòu)成磁鐵B及驅(qū)動總成，磁鐵B只能繞車軸軸線旋轉(zhuǎn)。磁鐵A、B安裝時應(yīng)保證定子與轉(zhuǎn)子成分離狀態(tài)，極性處于“異性相吸”狀態(tài)。

1.2.3 工作原理

在滑板正?；械倪^程中，即發(fā)電機處于非工作狀態(tài)（無阻態(tài)）時，控制電路控制磁鐵B及驅(qū)動總成，使磁鐵B旋轉(zhuǎn)到特定角度，從而使磁鐵A和磁鐵B上、下半部分都為“異極相吸”狀態(tài)，定子及磁鐵A總成被磁鐵B吸引，促使定子及磁鐵A總成與滑板輪及轉(zhuǎn)子總成分離，此時定子線圈不能切割轉(zhuǎn)子磁場，因此沒有電磁阻力，也不會進(jìn)行能量回收，滑板輪在旋轉(zhuǎn)過程中阻力很小。

在滑板需要制動的情況下，即發(fā)電機處于工作狀態(tài)（有阻態(tài)）時，控制電路控制磁鐵B及驅(qū)動總成，使磁鐵B旋轉(zhuǎn)到特定角度，從而使磁鐵A和磁鐵B上、下半部分都為“同極相斥”狀態(tài)，定子及磁鐵A總成整體被磁鐵B排斥，促使定子及磁鐵A總成進(jìn)入滑板輪及轉(zhuǎn)子總成的磁鋼中，此時定子線圈切割轉(zhuǎn)子磁場，產(chǎn)生電磁阻力，使高速轉(zhuǎn)動的滑板輪及轉(zhuǎn)子總成由于受到電磁阻力而減速，同時切割磁場所產(chǎn)生的電能輸送給整流儲能電路儲存起來。

1.3 整流電路

首先測出滑板以最高時速行駛時，輪子轉(zhuǎn)速約為2 300 r/min，發(fā)電機輸出交流電線電壓約為24 V，頻率約為900 Hz。經(jīng)三相全橋整流，忽略管壓降，可以得到

式中：Ud為整流輸出電壓平均值，ω為交流電壓角頻率，t為時間。

采用恒流0.5 A給鋰電池充電，穩(wěn)流電路省略不作考慮。忽略功率損耗，流過整流二極管的電流有效值約為0.4 A，通態(tài)平均電流為0.25 A，考慮2倍裕量，選取額定電流為0.5 A的整流二極管。整流二極管承受的峰值電壓為24 V，考慮2倍裕量，應(yīng)選取額定電壓為48 V的整流二極管[4]。選取肖特基整流二極管SS55搭建三相整流電路，其最大可重復(fù)反向峰值電壓為50 V，平均整流輸出電流為5 A，滿足整流要求。二極管整流后的脈動直流，經(jīng)大電容濾波后，紋波已經(jīng)比較小，經(jīng)過穩(wěn)壓后，可以給鋰電池充電。

1.4 陀螺儀及超聲波模塊

該系統(tǒng)選用了MPU-6050陀螺儀模塊和HC-SR04超聲波模塊進(jìn)行測試。MPU-6050可測范圍為±250 °/s、±500 °/s、±1 000 °/s和±2 000 °/s，加速度計可測范圍為±2 g、±4 g、±8 g和±16 g，滿足該系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)通過MPU-6050檢測滑板的運動姿態(tài)，實現(xiàn)上下坡監(jiān)測、滑板提起監(jiān)測、滑板落地監(jiān)測功能。HC-SR04超聲波模塊探測距離為2 cm～450 cm，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的測試，系統(tǒng)通過測量滑板前方障礙物到滑板的距離，來判斷前方是否有障礙物。

2 系統(tǒng)控制方案

系統(tǒng)工作時，通過陀螺儀檢測滑板的運動狀態(tài)，一旦檢測到滑板被拿起，單片機就會控制舵機操動機構(gòu)將定、轉(zhuǎn)子分離開，以減少舵機對電能的消耗。當(dāng)滑板正常行駛時，系統(tǒng)設(shè)定滑板向下傾角在10°～45°時為下坡狀態(tài)。如果通過陀螺儀檢測到正在下坡，或者超聲模塊檢測到前方存在障礙物，亦或是單片機接收到剎車信號，滿足其中任意一個條件，單片機就會控制舵機操動機構(gòu)將定子部分推入轉(zhuǎn)子部分，發(fā)電機開始工作。當(dāng)上述3個條件均不滿足時，單片機才會控制舵機，使定、轉(zhuǎn)子部分分離開，系統(tǒng)不再回收能量，也不再提供制動的電磁阻力。

3 整機實驗與測試結(jié)果

測試時利用GPS進(jìn)行定位，電動滑板負(fù)重50 kg，在平坦水泥地進(jìn)行測試。測試結(jié)果見表1。

從測試結(jié)果可以看出，隨著輪子轉(zhuǎn)速的提高，可分離發(fā)電儲能裝置的功率在提升，制動能量回收效果較明顯，可行性較高。而進(jìn)行下坡及障礙物測試時，系統(tǒng)均能正常工作，其測試回收能量功率與平地剎車測試基本相同。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)以滑板為載體，采用新型可分離式發(fā)電機進(jìn)行能量回收，使用STM32單片機進(jìn)行控制，輔以陀螺儀、超聲避障模塊，實現(xiàn)智能制動能量回收，將回收的電能儲存于鋰電池中，可行性較高。但系統(tǒng)還存在可以改進(jìn)的地方，如鋰電池充放電頻率小、功率密度低、不能迅速儲存大量能量，并且不適合對制動能量進(jìn)行回收。而超級電容由于不依賴化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化，因此充電速率更快、內(nèi)阻更小、可循環(huán)次數(shù)更多、受溫度影響也小、安全性高，更適合進(jìn)行制動能量回收。

該系統(tǒng)不僅能用于電動滑板，而且也可以應(yīng)用在一些大型交通工具中?；厥盏哪芰靠梢杂糜诮煌üぞ叩膯印⒄彰鞯榷鄠€方面，提高了能量的利用率，減少了排放。此外，回收的能量用于交通工具起動時的加速，能使設(shè)備能更快地進(jìn)入最佳工況，不僅提高了能量利用的效率，而且還延長了設(shè)備的壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]許強，張云寧，郭建民，等.汽車制動能量回收方案及比較[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2008（3）：59-60.

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[3]湯蘊繆.電機學(xué) 第五版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[4]王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù) 第五版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2020.