一種自充電自行車

郭博聞

摘要：基于為自行車助力且無需專門充電的思想，本文設計了一種自充電自行車。當騎行自行車時，人的重力和騎行動力大部分作用在后輪上，為壓電能量收集存儲系統提供了源源不絕的能量;壓電系統收集的能量存儲到鋰電池后，可以驅動無刷直流電機運轉，實現為自行車助力的目的。采用合適的設計和材料，可以為騎行者減少1/3的體力消耗，從而大大提高騎行舒適度并增加騎行里程。

關鍵字：自充電自行車;壓電能量收集存儲系統;充電控制器;無刷直流電機

1前言

自行車以腳踩踏板為動力，是綠色環保的交通工具。如今，越來越多的人將自行車作為健身器材用來騎行鍛煉、自行車出游;自行車也成為一項體育競技運動，有公路自行車賽、特技自行車比賽等。

隨著技術進步，電動自行車應運而生。電動自行車是指以蓄電池為輔助能源，在自行車基礎上安裝了電機、控制器、蓄電池、轉把、閘把等操縱部件和顯示儀表系統的機電一體化交通工具。然而，電動自行車需要提前進行充電，具有操作不便且續航里程有限的問題。

2省力型自行車研究現狀

自行車自200年前問世以來，經過近100年發展奠定了現代自行車的雛形;近年來為了滿足便捷出行需要，誕生了種類繁多的自行車型式，包括：空氣自行車、無鏈條自行車、哥本哈根車輪、FlyKly車輪和腳踏板順反旋轉驅動自行車，等等。

2.1空氣自行車

“空氣自行車”使用尼龍為材料制作，與鋼鋁結構的車一樣堅固，但質量（重量）卻減輕了65%。

不足之處：自行車質量為10-15kg左右，但加上騎車人的體質量，空氣自行車車重減輕產生的效果就不是很明顯。

2.2無鏈條自行車

1.杰森.史密斯發明了一種新的自行車傳動系統，它沒有采用傳統的鏈條設計，但是在效率上卻超過傳統的鏈條，預計達到99%。

不足之處：效果還需要實際檢驗。

2.2012年10月韓國萬都公司設計的“無鏈條自行車”，被稱為世界上首款沒有鏈條混合動力電動自行車，像其他助踩式車一樣，“無鏈條自行車”結合了人體動力和電子動力。這種自行車將騎手的動能通過連接至曲柄的發電機直接轉變為電能。然而，批評者指出這種機車的綜合效率可能是一大缺點。

不足之處：綜合效率偏低。

2.3哥本哈根車輪

麻省理工學院學生設計了一款自行車輔助工具——“哥本哈根車輪”，該裝置可將現有自行車改裝成一種混合動力自行車。這種車輪可以模仿騎車者的運動，將其提供的推進力與騎車者蹬踩踏板所產生的動力進行無縫整合，并且當剎車和滑行時可存儲能量，上坡或疲勞時可將存儲的能量釋放幫助騎行。騎車者蹬踩得越快，就能獲得越多推進力。鋰離子電池續航大約為30英里（約合48km）。

不足之處：存儲的能量不足以抵消消耗，作為電動自行車需要及時充電。

2.4FlyKly車輪

“哥本哈根車輪”的設計和概念啟發了一些競爭對手。2013年11月份，FlyKly通過眾籌平臺Kickstarter籌集了701239美元，這家公司設計生產了一種與“哥本哈根車輪”十分相似的后輪踏板輔助設備。FlyKly在一只車輪上集成了電動機、電池以及與手機等終端相連等功能。普通自行車只需將原有的后輪替換成FlyKly，即可具備手機控制車速、路徑優化、下坡自動充電、為手機充電等功能。這只車輪質量為4kg，一次充電能以25km/h的速度行駛50km。

不足之處：作為電動自行車需要及時充電。

2.5腳踏板順反旋轉驅動自行車

我國謝勇發明的“任意踩”，一只腳向前蹬車時，另一只腳自然向后蹬車，前后蹬車都在加力做功。它有兩個單向軸承，通過過橋齒輪把它們聯系起來，自行車就有了前后任意踩的功能。2013年5月，謝勇獲得了由國家知識產權局頒發的“腳踏板順反旋轉驅動的自行車”發明專利證書。

不足之處：結構復雜容易損壞。

3自充電自行車技術背景

3.1壓電發電研究現狀

近年來，能量收集日益引起關注。壓電材料因具有優良的機械能一電能轉換特性，成為一種獲得電能的重要方法。利用壓電材料制作的壓電發電裝置不但結構簡單、不易發熱、低成本，而且能夠實現小型化、集成化等優點，因此利用壓電裝置發電已經成為一個新的研究熱點。

3.1.1可穿戴設備等領域以壓電能量收集技術采集周圍環境振動能量

3.1.1.1麻省理工學院采用壓力驅動方式，將PZT和PVDF分別安裝在運動鞋里;1Hz步行速率下，PVDF的輸出峰值功率約為20mW，平均功率為1.1 mW;PZT的輸出峰值功率約為80mW，平均功率為1_8mWL。

3.1.1.2 Granstrom等人利用PVDF壓電材料柔性強的特性，將PVDF壓電材料安裝在雙肩包背帶內;通過背包的質量（重量）使PVDF變形產生電能，實驗證明可以產生45.6 mW平均功率。

3.1.1.3Feenstra等在Rome等的研究基礎上，設計了“懸掛式負重”的背包;通過將20-38kg負重垂直運動時的機械能轉換成電能，正常行走時可產生7.4W功率。

3.1.2壓電發電技術在道路應用中的相關研究：

3.1.2.1以色列Innowatech公司在大功率壓電發電上取得突破，他們于2009年1月開放了世界上第一條可發電的公路并進行現場演示。

研究人員表示，具體發電量取決于路面上通行車輛的數量、質量和行駛速度，理想情況下每公里路段每小時最大可發電量200kWh。

3.1.2.2長安大學針對壓電發電技術在道路應用中的可行性進行了研究，圍繞采用壓電方式來收集路面內的機械振動能這一目的進行了試驗。

可知，直徑30 mm、厚度0.2 mm的壓電片在764N作用力下，一次試輪碾壓可產生0.23 mJ電能。

實測電能數據與理論計算值相差較大。分析認為壓電材料老化、制作工藝缺陷、壓電元件產生變形導致電信號變小、試驗的壓電換能器元件僅與發光二級管相連，沒有采用穩壓整流電路對電信號進行梳理等原因;最終導致壓電換能器所產生的電能實際值遠小于理論數據。

3.2壓電發電材料研究現狀

壓電材料分為無機壓電材料、有機壓電材料和復合壓電材料。

無機壓電材料分為壓電晶體和壓電陶瓷，壓電陶瓷壓電性強、介電常數高、但機械品質因子較低、電損耗較大、穩定性差，適合于大功率換能器等應用。石英等壓電單晶壓電性弱，介電常數很低，但穩定性很高，機械品質因子高，多用作標準頻率控制的振子等。

有機壓電材料又稱壓電聚合物，如聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜等。這類材料以其材質柔韌、低密度、低阻抗和高壓電電壓常數（g）等優點為世人矚目，且發展十分迅速，在壓力傳感等方面獲得應用。不足之處是壓電應變常數d偏低，使之作為有源發射換能器受到很大的限制。

復合壓電材料是由兩種或多種材料復合而成的壓電材料。常見的復合壓電材料為壓電陶瓷和聚合物（例如PVDF和環氧樹脂）的兩相復合材料。這種材料兼具壓電陶瓷和聚合物的長處，具有很好的柔韌性和加工性能，并具有較低的密度;此外，還具有壓電常數高的特點。

傳統壓電陶瓷較其他類型的壓電材料壓電效應強，從而得到了廣泛應用。但作為大應變、高能換能材料，傳統壓電陶瓷的壓電效應仍不能滿足要求。近年來研制出的PbTi03單晶的d33最高可達2600pc/N（壓電陶瓷d33最大為850pc/N），k33可高達0.95（壓電陶瓷K33最高達0.8），其應變>1.7%，幾乎比壓電陶瓷應變高一個數量級。儲能密度高達130J/kg，而壓電陶瓷儲能密度在10J/kg以內。鐵電壓電學者們稱這類材料的出現是壓電材料發展的又一次飛躍。國內在這方面也取得了很大進展，例如：東南大學開發的有機一無機鈣鈦礦鐵電體在壓電性能上達到了傳統壓電陶瓷的水平，同時具有分子材料的柔韌性、抗彎折等優勢。

3.3自行車騎行輸出功率研究

根據一項國外自行車訓練的測定資料，如表2所示;可見功率是可變的，維持時間越長，功率越小。這是5次測定的結果，所以逐漸下降;一般可取最低一行。例如：體質量為70kg的男子，可以爆發出約735W功率，但只能維持5s;而120W可維持20min。能長時間不過分疲勞的功率是最大功率的1/10左右，即70W（女子約50W）。

4自充電自行車設計方案

基于為自行車助力且無需專門充電的思想，設計了一種自充電自行車。當騎行自行車時，人的重力和騎行動力大部分作用在后輪上，為壓電能量收集存儲系統提供了源源不絕的能量;壓電系統收集的能量存儲到鋰電池后，可以驅動無刷直流電機運轉，實現為自行車助力的目的。根據如上研究采用合適的設計和材料，可以為騎行者減少1/3的體力消耗，從而大大提高騎行舒適度并增加騎行行程。

4.1自充電自行車背景技術

目前國內在壓電相關領域的研究已經成為一個熱點。如下文章對于本文的研究很有幫助。

1.基于壓電能量收集技術的充電器設計（榮訓，電子技術設計與應用，2015.8）。

2.一種具有巨大壓電響應的有機一無機鈣鈦礦鐵電體（熊仁根，科學，2017.7）。

3.壓電換能器設計與能量獲取特性研究（劉杏娟，電工研究，2010.1）。

4.熱電為輔助能量的壓電能量采集電路設計（王義強，無線通信技術，2018.3）

5.基于壓電材料的振動能量獲取技術的研究（王強，電子元件與材料，2008.3）。

6.壓電發電技術研究綜述（王劍，壓電與聲光，2011.6）。

4.2自充電自行車設計方案

根據如上背景技術，超級電容可以迅速存儲回收電能，而電池充電速度較慢不能立即使用回收電能，但其放電時間長，供電電壓比較穩定。研究表明，超級電容充電效率高達95%，充電次數理論可達無窮;而鋰電池充電效率最高92%，壽命為300～1000次。基于充電控制技術，當電池輸出電壓高于一定值時，充電器不會給電池充電，所以通過壓電能量收集存儲系統在其充電器控制下為鋰電池充電，鋰電池能夠驅動無刷直流電機實現輔助驅動自行車行駛。

壓電材料主要性能參數包括：壓電電壓常數、機械品質因數、機電耦合系數等。

背景技術1的實驗結果：一個尺寸50mmx50 mmx0.2 mm懸臂梁型式壓電雙晶陶瓷片在激振頻率為11Hz時，為8mAh鋰電池充電約1h，電壓從2.24V達到3.04V。根據背景技術及相關研究，懸臂梁型式壓電雙晶陶瓷片在諧振狀態下，一次激振最多可以輸出材料固有能量的5%（壓電陶瓷儲能密度10J/kg）;而壓電片在一次直接碾壓時可以輸出固有能量的6%以上，所以采用直接碾壓壓電材料的方式可以獲得更多的能量[。

若在自行車后輪圓周上配置一定數量專門設計的壓電能量收集器（如12個），后輪周長1.5m，一個體質量60kg的人騎行1h（20～25km）能夠獲得約20W功率（每圈4～5J），為3Ah、額定電壓12V的鋰電池（充電器最大輸出電壓14.4V，電池電壓從虧電電壓約8.3V達到約12.6V）充電。此鋰電池提供的驅動力至少可以減少騎行人1/3的體力消耗，大大提升騎行快感，使騎行行程覆蓋到5km以上。

5結束語

本文提出的自充電自行車，已成功申請實用新型專利（發明創造名稱：一種自充電自行車，申請號：201821986172.0）。

在共享單車領域導入這種自充電后驅動助力自行車可以擴大共享單車的受眾群體和覆蓋范圍。另外，由于這種自充電自行車電能充足，可以實現自動鎖電機功能，從而能夠實現共享單車的遠程開關控制，降低了運營成本和管理風險。

對于熱愛騎行的人士，采用這種自充電自行車可以大大提高騎行舒適度并增加騎行行程。