基于風能的車載輔助供電系統

張騰+王健+王春峰+仲學軍+史博文

摘 要 介紹一種車載風力供電系統，利用汽車行駛時產生的風能發電，由風力發電機將風能轉化為電能，經交直流轉換并穩壓后將電能儲存在蓄電池中，可為直流負載供電，亦可經逆變器轉換后為交流負載供電。本系統開發利用了汽車產生的風能，將對節能環保產生積極的影響。

關鍵詞 風能；風力發電機；車載供電

中圖分類號：TK89 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0029-01

1 研制背景及意義

手機等電子產品已經成為人們生活中不可或缺的部分，豐富的應用給人們帶來休閑娛樂的同時，也使得手機電量越來越不夠用。尤其是對于乘坐汽車的長途旅客，手機是在車上打發時間的最好方式之一，但是有限的電量卻不能滿足長途旅行的需求，而現在絕大多數車上沒有安裝為手機等電子產品充電的接口。汽車上原有一套發電系統，但是，汽車上的各種儀器儀表都需要消耗電能，原有的發電系統無法提供更多的電能給手機供電。

風能是新型能源，具有無污染、可在生的特點。近年來，國家大力提倡開發風能，但是，目前對風能的開發都集中在大型發電廠，小型風力發電應用很少。因此我們設計了一個利用風力發電的車載輔助供電系統，將其安裝在汽車的前面，既不增加汽車迎風面面積，又能夠利用風力發電，解決車上電能短缺的問題。車載輔助供電系統主要涉及電學、磁學和力學等學科。

2 原理分析

2.1 系統流程圖

如圖1所示，輔助供電系統由風力發電機、整流濾波穩壓電路、蓄電池充電電路和逆變器組成。

圖1 輔助供電系統流程圖

風力發電機將風能轉化為電能，經整流濾波穩壓電路后，將交流電轉換為直流電，然后通過蓄電池充電電路將電能儲存在蓄電池中，直流負載可以直接由蓄電池供電，交流負載通過逆變器后將直流電轉換為交流電后供電。控制電路根據蓄電池的充電狀態控制風力發電機，當蓄電池電量不滿時，風力發電機正常工作；當蓄電池充滿電時，控制電路控制風力發電機上的鎖定裝置使發電機停轉以保護電路。

2.2 工作原理

1）風力發電機。風力發電機[1]由葉片和交流發電機兩部分組成。葉片將風能轉化為機械能，并將機械能傳遞給交流發電機，發電機通過磁場將機械能轉化為電能。風能，即風具有的動能。計上風向風速為，空氣密度為，則橫截面積為，長為的體積內的風能計算公式為

其中，

對上式求導即為風功率

上式給出了風功率，但是轉移到葉片上的能量會有一定的下降，其下降倍率為，根據Betz極限，的最大值為0.593。實際上，的最大值的取值范圍是0.25-0.45。

交流發電機[2]從葉片中獲得機械能，并將其轉化為電能。最終發電機的電功率為

以上從能量轉換的角度計算出了風力發電機的輸出功率。接下來運用電學來進一步計算發電機的輸出特性[3]。

發電機的輸出頻率和電動勢為：

其中為磁極對數，為發動機轉速，單位是。為每相電動勢峰值，為每相電動勢有效值，表示電角速度。

可以通過下式計算得出

其中，為繞組系數，為每相繞組的匝數，為每極的磁通，為電機結構常數。

可見，發電機的輸出電壓的有效值與電機結構常數、每極的磁通和轉速成正比。

2）整流濾波穩壓電路。整流濾波電路由整流二極管和濾波電容及電感組成。整流電路是利用二極管的單向導電性，只有正向電壓能夠通過二極管，反向電壓被阻隔，將交流電轉變為脈動的直流電。濾波電路是利用電容、電感的儲能作用，以平滑輸出電壓。

穩壓電路的作用是保持輸出電壓的穩定，使輸出電壓不隨電網電壓、負載和溫度的變化而變化，能夠使電路能夠通過充電電路平穩的為蓄電池充電。本系統使用78012穩壓集成塊，通過反饋電路實現了很好的穩壓效果。

3）蓄電池充電電路。為了保護蓄電池，延長其使用壽命，充電過程分為維護充電、快速充電和限壓浮沖三種充電模式。

維護充電是當電池電壓較低時（電壓低于9 V），充電電路工作在小電流充電狀態。隨著維護充電的持續，電池電壓逐漸升高，當電池電壓超過9 V時，充電電路轉入大電流快速充電模式。在電池接近充滿電時，充電電路進入限壓浮沖狀態充電電流由快速充電狀態下逐漸下將，至電池完全充足電后，充電電流僅為10～30 mA，用于補充電池因自放電而損失的電量。

4）負載。對于直流負載可以直接有蓄電池供電。如給手機充電，先用穩壓電路進行穩壓。然后通過USB接口為手機供電。對于交流負載，要先經逆變器將直流電轉換為交流電再給負載供電。

3 結論

本文介紹了車載風能輔助供電系統，利用汽車行駛時產生的風能發電，主要研究了整個供電系統的工作原理，而對于風力發電機對汽車造成的阻礙問題，有待進一步研究。本系統節能又環保，本系統的深入研究將有助于解決長途旅客充電困難以及環境保護等問題。

參考文獻

[1]Olimpo Anaya-Lara，Nick Jenkins，等.風力發電的模擬與控制[M].徐政譯.北京：機械工業出版社，2011：2-5.

[2]周順榮.電機學[M].北京：科學出版社，2010：339-351.

[3]秦曾煌.電工學（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2009：217-249.

作者簡介

張騰（1992-），江蘇徐州人，本科，主要從事電子研究工作。endprint

摘 要 介紹一種車載風力供電系統，利用汽車行駛時產生的風能發電，由風力發電機將風能轉化為電能，經交直流轉換并穩壓后將電能儲存在蓄電池中，可為直流負載供電，亦可經逆變器轉換后為交流負載供電。本系統開發利用了汽車產生的風能，將對節能環保產生積極的影響。

關鍵詞 風能；風力發電機；車載供電

中圖分類號：TK89 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0029-01

1 研制背景及意義

手機等電子產品已經成為人們生活中不可或缺的部分，豐富的應用給人們帶來休閑娛樂的同時，也使得手機電量越來越不夠用。尤其是對于乘坐汽車的長途旅客，手機是在車上打發時間的最好方式之一，但是有限的電量卻不能滿足長途旅行的需求，而現在絕大多數車上沒有安裝為手機等電子產品充電的接口。汽車上原有一套發電系統，但是，汽車上的各種儀器儀表都需要消耗電能，原有的發電系統無法提供更多的電能給手機供電。

風能是新型能源，具有無污染、可在生的特點。近年來，國家大力提倡開發風能，但是，目前對風能的開發都集中在大型發電廠，小型風力發電應用很少。因此我們設計了一個利用風力發電的車載輔助供電系統，將其安裝在汽車的前面，既不增加汽車迎風面面積，又能夠利用風力發電，解決車上電能短缺的問題。車載輔助供電系統主要涉及電學、磁學和力學等學科。

2 原理分析

2.1 系統流程圖

如圖1所示，輔助供電系統由風力發電機、整流濾波穩壓電路、蓄電池充電電路和逆變器組成。

圖1 輔助供電系統流程圖

風力發電機將風能轉化為電能，經整流濾波穩壓電路后，將交流電轉換為直流電，然后通過蓄電池充電電路將電能儲存在蓄電池中，直流負載可以直接由蓄電池供電，交流負載通過逆變器后將直流電轉換為交流電后供電。控制電路根據蓄電池的充電狀態控制風力發電機，當蓄電池電量不滿時，風力發電機正常工作；當蓄電池充滿電時，控制電路控制風力發電機上的鎖定裝置使發電機停轉以保護電路。

2.2 工作原理

1）風力發電機。風力發電機[1]由葉片和交流發電機兩部分組成。葉片將風能轉化為機械能，并將機械能傳遞給交流發電機，發電機通過磁場將機械能轉化為電能。風能，即風具有的動能。計上風向風速為，空氣密度為，則橫截面積為，長為的體積內的風能計算公式為

其中，

對上式求導即為風功率

上式給出了風功率，但是轉移到葉片上的能量會有一定的下降，其下降倍率為，根據Betz極限，的最大值為0.593。實際上，的最大值的取值范圍是0.25-0.45。

交流發電機[2]從葉片中獲得機械能，并將其轉化為電能。最終發電機的電功率為

以上從能量轉換的角度計算出了風力發電機的輸出功率。接下來運用電學來進一步計算發電機的輸出特性[3]。

發電機的輸出頻率和電動勢為：

其中為磁極對數，為發動機轉速，單位是。為每相電動勢峰值，為每相電動勢有效值，表示電角速度。

可以通過下式計算得出

其中，為繞組系數，為每相繞組的匝數，為每極的磁通，為電機結構常數。

可見，發電機的輸出電壓的有效值與電機結構常數、每極的磁通和轉速成正比。

2）整流濾波穩壓電路。整流濾波電路由整流二極管和濾波電容及電感組成。整流電路是利用二極管的單向導電性，只有正向電壓能夠通過二極管，反向電壓被阻隔，將交流電轉變為脈動的直流電。濾波電路是利用電容、電感的儲能作用，以平滑輸出電壓。

穩壓電路的作用是保持輸出電壓的穩定，使輸出電壓不隨電網電壓、負載和溫度的變化而變化，能夠使電路能夠通過充電電路平穩的為蓄電池充電。本系統使用78012穩壓集成塊，通過反饋電路實現了很好的穩壓效果。

3）蓄電池充電電路。為了保護蓄電池，延長其使用壽命，充電過程分為維護充電、快速充電和限壓浮沖三種充電模式。

維護充電是當電池電壓較低時（電壓低于9 V），充電電路工作在小電流充電狀態。隨著維護充電的持續，電池電壓逐漸升高，當電池電壓超過9 V時，充電電路轉入大電流快速充電模式。在電池接近充滿電時，充電電路進入限壓浮沖狀態充電電流由快速充電狀態下逐漸下將，至電池完全充足電后，充電電流僅為10～30 mA，用于補充電池因自放電而損失的電量。

4）負載。對于直流負載可以直接有蓄電池供電。如給手機充電，先用穩壓電路進行穩壓。然后通過USB接口為手機供電。對于交流負載，要先經逆變器將直流電轉換為交流電再給負載供電。

3 結論

本文介紹了車載風能輔助供電系統，利用汽車行駛時產生的風能發電，主要研究了整個供電系統的工作原理，而對于風力發電機對汽車造成的阻礙問題，有待進一步研究。本系統節能又環保，本系統的深入研究將有助于解決長途旅客充電困難以及環境保護等問題。

參考文獻

[1]Olimpo Anaya-Lara，Nick Jenkins，等.風力發電的模擬與控制[M].徐政譯.北京：機械工業出版社，2011：2-5.

[2]周順榮.電機學[M].北京：科學出版社，2010：339-351.

[3]秦曾煌.電工學（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2009：217-249.

作者簡介

張騰（1992-），江蘇徐州人，本科，主要從事電子研究工作。endprint

摘 要 介紹一種車載風力供電系統，利用汽車行駛時產生的風能發電，由風力發電機將風能轉化為電能，經交直流轉換并穩壓后將電能儲存在蓄電池中，可為直流負載供電，亦可經逆變器轉換后為交流負載供電。本系統開發利用了汽車產生的風能，將對節能環保產生積極的影響。

關鍵詞 風能；風力發電機；車載供電

中圖分類號：TK89 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）10-0029-01

1 研制背景及意義

手機等電子產品已經成為人們生活中不可或缺的部分，豐富的應用給人們帶來休閑娛樂的同時，也使得手機電量越來越不夠用。尤其是對于乘坐汽車的長途旅客，手機是在車上打發時間的最好方式之一，但是有限的電量卻不能滿足長途旅行的需求，而現在絕大多數車上沒有安裝為手機等電子產品充電的接口。汽車上原有一套發電系統，但是，汽車上的各種儀器儀表都需要消耗電能，原有的發電系統無法提供更多的電能給手機供電。

風能是新型能源，具有無污染、可在生的特點。近年來，國家大力提倡開發風能，但是，目前對風能的開發都集中在大型發電廠，小型風力發電應用很少。因此我們設計了一個利用風力發電的車載輔助供電系統，將其安裝在汽車的前面，既不增加汽車迎風面面積，又能夠利用風力發電，解決車上電能短缺的問題。車載輔助供電系統主要涉及電學、磁學和力學等學科。

2 原理分析

2.1 系統流程圖

如圖1所示，輔助供電系統由風力發電機、整流濾波穩壓電路、蓄電池充電電路和逆變器組成。

圖1 輔助供電系統流程圖

風力發電機將風能轉化為電能，經整流濾波穩壓電路后，將交流電轉換為直流電，然后通過蓄電池充電電路將電能儲存在蓄電池中，直流負載可以直接由蓄電池供電，交流負載通過逆變器后將直流電轉換為交流電后供電。控制電路根據蓄電池的充電狀態控制風力發電機，當蓄電池電量不滿時，風力發電機正常工作；當蓄電池充滿電時，控制電路控制風力發電機上的鎖定裝置使發電機停轉以保護電路。

2.2 工作原理

1）風力發電機。風力發電機[1]由葉片和交流發電機兩部分組成。葉片將風能轉化為機械能，并將機械能傳遞給交流發電機，發電機通過磁場將機械能轉化為電能。風能，即風具有的動能。計上風向風速為，空氣密度為，則橫截面積為，長為的體積內的風能計算公式為

其中，

對上式求導即為風功率

上式給出了風功率，但是轉移到葉片上的能量會有一定的下降，其下降倍率為，根據Betz極限，的最大值為0.593。實際上，的最大值的取值范圍是0.25-0.45。

交流發電機[2]從葉片中獲得機械能，并將其轉化為電能。最終發電機的電功率為

以上從能量轉換的角度計算出了風力發電機的輸出功率。接下來運用電學來進一步計算發電機的輸出特性[3]。

發電機的輸出頻率和電動勢為：

其中為磁極對數，為發動機轉速，單位是。為每相電動勢峰值，為每相電動勢有效值，表示電角速度。

可以通過下式計算得出

其中，為繞組系數，為每相繞組的匝數，為每極的磁通，為電機結構常數。

可見，發電機的輸出電壓的有效值與電機結構常數、每極的磁通和轉速成正比。

2）整流濾波穩壓電路。整流濾波電路由整流二極管和濾波電容及電感組成。整流電路是利用二極管的單向導電性，只有正向電壓能夠通過二極管，反向電壓被阻隔，將交流電轉變為脈動的直流電。濾波電路是利用電容、電感的儲能作用，以平滑輸出電壓。

穩壓電路的作用是保持輸出電壓的穩定，使輸出電壓不隨電網電壓、負載和溫度的變化而變化，能夠使電路能夠通過充電電路平穩的為蓄電池充電。本系統使用78012穩壓集成塊，通過反饋電路實現了很好的穩壓效果。

3）蓄電池充電電路。為了保護蓄電池，延長其使用壽命，充電過程分為維護充電、快速充電和限壓浮沖三種充電模式。

維護充電是當電池電壓較低時（電壓低于9 V），充電電路工作在小電流充電狀態。隨著維護充電的持續，電池電壓逐漸升高，當電池電壓超過9 V時，充電電路轉入大電流快速充電模式。在電池接近充滿電時，充電電路進入限壓浮沖狀態充電電流由快速充電狀態下逐漸下將，至電池完全充足電后，充電電流僅為10～30 mA，用于補充電池因自放電而損失的電量。

4）負載。對于直流負載可以直接有蓄電池供電。如給手機充電，先用穩壓電路進行穩壓。然后通過USB接口為手機供電。對于交流負載，要先經逆變器將直流電轉換為交流電再給負載供電。

3 結論

本文介紹了車載風能輔助供電系統，利用汽車行駛時產生的風能發電，主要研究了整個供電系統的工作原理，而對于風力發電機對汽車造成的阻礙問題，有待進一步研究。本系統節能又環保，本系統的深入研究將有助于解決長途旅客充電困難以及環境保護等問題。

參考文獻

[1]Olimpo Anaya-Lara，Nick Jenkins，等.風力發電的模擬與控制[M].徐政譯.北京：機械工業出版社，2011：2-5.

[2]周順榮.電機學[M].北京：科學出版社，2010：339-351.

[3]秦曾煌.電工學（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2009：217-249.

作者簡介

張騰（1992-），江蘇徐州人，本科，主要從事電子研究工作。endprint