電動單車剎車能量回收的研究與探索

苗潼超

【摘 要】節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巨大，無論從節能以及能量回收再利用的角度，還是從提高電動單車續航能力的角度，對這一問題進行研究，采用簡單實用的方式，對剎車能量進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行了研究，給出了一種簡單可行的思路和策略。

【關鍵詞】剎車;發電;充電;能量回收

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

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.060

燃油、燃氣以及電動、混合動力車誕生以來，其續航性能一直是人們關注的重點，目前很多電動汽車都已安裝了剎車能量回收系統。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既不能完全照搬傳統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[1]，究其原因不外乎技術、工藝以及成本問題，因此對這一問題進行研究，探索一個實用性強、成本低廉的電動單車剎車能量回收系統迫在眉睫。

1 電動單車的剎車耗能現狀

根據我國目前的發展以及城市規劃狀況，電動單車在人們生活中非常普及，尤其在城市，大多數電動單車行駛在非機動車道，經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，商家標稱一次充滿電可行駛60公里，然而本設計者騎車上路，勉強行駛了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到了約四分之一。

節能已經是一個世界范圍的課題，傳統單車上現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進行摩擦發電，并將電能直接提供給燈泡，起到照明作用。本質而言，這種裝置不是一種節能以及能量回收系統，其目的在于騎行過程中機械能向電能以及光能的轉化，其缺點在于，一是沒有將剎車的耗散能量進行回收，二是騎行過程持續摩擦會降低車速，三是沒有儲能系統，瞬間發電、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，要真正實現節能以及提高續航能力，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規范強制性標準所要求的電動單車，探索一個簡單實用的剎車及其能量回收系統，在不明顯增加電動單車成本的前提下，有效實現電動單車的剎車、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分析和研究

本文對電動單車剎車能量回收系統的研究和探索，兼顧電動單車與傳統單車在結構上的相似，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、實用性以及成本因素，將該剎車能量回收系統分為三大部分，分別為剎車及發電部分、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計成V剎（類似于我國七八十年代傳統老式單車的V剎），將微型發電機安裝在電動單車上前后V剎的位置，每側一個，一共四個，通過前后閘線控制微型發電機與輪胎的接觸和分離，依靠微型發電機轉子前端的摩擦輪與電動單車輪胎之間的滾動摩擦，驅動微型發電機轉子轉動，實現在剎車過程中同時進行剎車和發電;這種通過剎車摩擦發電所產生的是單向低壓大電流，因此，在發電機和能量回收電池之間加裝一個自動開關脈沖式電感充電電路，通過該電路動態地實現低壓發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脈沖式大電感充電電路，當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，靜態情況下，能量回收電池開始向電動車工作電池進行充電，進行二次充電，最終實現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

該剎車能量回收系統要同時實現剎車和能量回收兩個目的，首先是剎車，其次是發電。該系統依靠發電機轉子與電動單車外輪之間的滾動摩擦進行剎車，要求總摩擦力要足夠大，足夠電動單車實現有效剎車。但是如果只安裝一個剎車及發電裝置，則起不到剎車效果，因此本文在前后輪、雙側安裝本剎車及發電裝置，共計四組，經過實驗，這種情況下，電動單車剎車不會抱死，并能在可控時間內實現有效剎車。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電，時間太長會影響剎車效果，時間太短則發電量太少。根據國家標準委員會最新發布的電動單車安全技術規范強制性國家標準，電動單車時速不能超過25公里，整車質量不能超過55公斤，蓄電池額定電壓不能超過48伏，經過實驗，符合上述要求的電動單車在加裝了本系統之后，根據拉閘的快慢和松緊程度，完全可以在0.5-1.5秒之間實現有效剎車，剎車效果很好，但是發電時間稍短。

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

由于目前工藝技術的原因，剎車及發電裝置無法做到更小，隨著工藝技術的發展，當剎車及發電裝置最大限度的小型化時，可以實現根據個人剎車的快慢以及習慣適當增加剎車及發電裝置的個數，使得剎車以及能量回收的效率更高。

單個發電裝置可發出6伏、0.4安的脈沖直流電，將各發電裝置并聯、串聯于自動開關脈沖式電感充電電路，可實現發電裝置向較高壓能量回收電池的充電。實驗發現，兩組前輪發電裝置串聯然后再和兩組后輪發電裝置并聯接入自動開關脈沖式電感充電電路[3]，實現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24伏向48伏的電動單車工作電池進行充電，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脈沖式大電感充電電路，在靜態情況下實現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行充電，整個過程均無需充電保護以及電壓反潰電路，電路設計簡單實用，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，簡單實用，將普通電動單車的碟剎或抱剎簡單改裝或設計成V剎，使發電機的摩擦輪和電動單車的外輪接觸而產生摩擦，實現滾動摩擦發電，同時實現有效剎車;在發電機軸上固定飛輪，同時采用單向離合技術，使得發電時間成倍延長，并部分地利用了飛輪儲能的技術;利用簡單的自動開關大脈沖電感充電電路，兩次實現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;采用了靜態二次充電，不會對電池壽命產生明顯影響。

4 結束語

電動單車剎車能量回收和利用的研究具有非常重要的現實意義，這一問題看似簡單，實則復雜，其復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，暨不能過多增加電動單車的成本，又要實現有效剎車，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、節能和能量回收、實用以及成本等多種因素，對這一問題進行了研究，并結合實踐，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】

[1]唐鵬，孫駿.電動汽車驅動系統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研究[J].客車技術與研究，2003（6）.

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