一种自充电自行车

郭博文

基于不用专门充电就能辅助自行车的思想，设计了一种自充电自行车。骑自行车时，人的重力和骑行动力大多作用在后轮上，为压电能量收集储存系统提供了源源不断的能量。压电系统收集的能量储存在锂电池后，可以驱动无刷DC电机运转，从而达到助力自行车的目的。通过适当的设计和材料，骑行者的体力消耗可以减少1/3，从而大大提高骑行舒适度，增加骑行里程。

关键词:自充电自行车；压电能量收集和储存系统；充电控制器；无刷DC电机

1前言

自行车脚踏驱动，它是一种绿色环保的交通工具。现在越来越多的人把自行车作为骑行锻炼和骑行旅行的健身器材；自行车也成为一项竞技运动，包括公路自行车和特技自行车。

随着科技的进步，电动自行车应运而生。电动自行车是指以电池为辅助能源，在自行车的基础上配备电机、控制器、电池、手柄、刹车手柄等操作部件和显示仪表系统的机电一体化车辆。而电动自行车需要提前充电，存在操作不方便、续航里程有限的问题。

2省力自行车的研究现状

自自行车问世200年以来，经过近100年的发展，现代自行车的雏形已经确立。近年来，为了满足便捷出行的需求，诞生了种类繁多的自行车车型，包括:空气动自行车、无链自行车、哥本哈根轮、飞速轮、踏板驱动自行车等。

2.1空燃气自行车

“空空中自行车”由尼龙制成，与钢铝结构的汽车一样坚固，但质量(重量)却减轻了65%。

缺点:自行车的重量在10-15kg左右，但是加上骑车人的体重，空燃气自行车的减重效果并不明显。

2.2无链自行车

1.詹森·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，但它的效率超过了传统的链条，预计将达到99%。

缺点:效果有待实践检验。

2.2012年10月，由韩国万度公司设计的“无链自行车”被称为世界上第一辆无链混合动力电动自行车。像其他踏板自行车一样，“无链自行车”结合了人力和电力。这种自行车通过连接在曲柄上的发电机直接将骑车人的动能转化为电能。然而，批评者指出，这种机车的综合效率可能是一个很大的缺点。

缺点:综合效率低。

2.3哥本哈根车轮

麻省理工学院的学生设计了一款自行车辅助工具——“哥本哈根轮”，可以将现有的自行车改造成混合动力自行车。这种轮子可以模仿骑车人的运动，将其提供的推进力与骑车人踩踏板产生的动力无缝集成，并可以在刹车和滑行时储存能量，在上坡或疲劳时释放储存的能量帮助骑车人骑行。骑自行车的人踩得越快，获得的推进力就越大。锂离子电池续航约30英里(约48公里)。

缺点:储存的能量不足以抵消消耗。作为电动自行车，需要及时充电。

2.4飞轮

“哥本哈根轮”的设计和概念启发了一些竞争对手。2013年11月，FlyKly通过众筹平台Kickstarter筹集了701239美元。这家公司设计生产了一款与哥本哈根轮非常相似的后轮踏板辅助装置。FlyKly将电机、电池、连接手机等终端的功能集成在一个轮子上。普通自行车只需要把原来的后轮换成FlyKly，就可以具备控制手机速度、优化路径、自动下坡充电、给手机充电等功能。这个轮子的重量是4kg，一次充电可以以25km/h的速度行驶50km。

缺点:作为电动自行车，需要及时充电。

2.5踏板向前和向后旋转驱动自行车。

中国谢勇发明的“任意蹬”是指一只脚向前蹬，另一只脚自然向后蹬，前后蹬都在发力做功。它有两个单向轴承，由一个桥齿轮连接，使自行车可以随意前进和后退。2013年5月，谢勇获得国家知识产权局颁发的“踏板正反转驱动自行车”发明专利证书。

缺点:结构复杂，容易损坏。

3自充电自行车的技术背景

3.1压电发电的研究现状

近年来，能量收集引起了越来越多的关注。压电材料因其优异的机械能-电能转换特性而成为获取电能的重要手段。由压电材料制成的压电发电装置不仅结构简单、成本低，而且可以实现小型化和集成化，因此成为新的研究热点。

3.1.1在可穿戴设备等领域，压电能量收集技术用于收集周围环境的振动能量。

3.1.1.1麻省理工学院采用压力驱动方式，分别在运动鞋中安装PZT和PVDF在1Hz的行走速度下，PVDF的峰值输出功率约为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。

格兰斯特伦、3.1.1.2等。利用PVDF压电材料的柔性特性，将PVDF压电材料安装在肩带中；PVDF通过背包的质量(重量)变形产生电能，实验证明可以产生平均45.6 mW的功率。

3.1.1.3Feenstra等人在Rome等人的研究基础上设计了一种“悬挂负载”的背包，通过将20-38kg负载在垂直运动中的机械能转化为电能，正常行走时可产生7.4W的功率。

3.1.2压电发电技术在道路应用中的相关研究:

Innowatech公司在大功率压电发电方面取得突破。2009年1月，他们开通了世界上第一条能够发电的道路，并进行了现场演示。

据研究人员介绍，具体发电量取决于路上通行车辆的数量、质量和速度。理想情况下，每公里路段每小时最大发电量为200kWh。

3.1.2.2长安大学研究了压电发电技术在道路应用中的可行性，并围绕用压电方法收集路面机械振动能量的目的进行了实验。

可以看出，直径为30 mm、厚度为0.2 mm的压电片，在764N的力的作用下，被试验轮滚动，可以产生0.23 mJ的电能。

实测电能数据与理论计算值相差较大。认为压电材料老化、制造工艺缺陷、压电元件变形导致电信号变小，被测压电换能器元件只接LED，未使用稳压整流电路整理电信号。最后，由压电换能器产生的电能的实际值远小于理论数据。

3.2压电发电材料的研究现状

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。

无机材料分为压电晶体和压电陶瓷。压电陶瓷具有强压电性、高介电常数，但机械品质因数低、电损耗大、稳定性差，因此适用于大功率换能器等应用。应时等压电单晶具有弱压电性、低介电常数、高稳定性和高机械品质因数，常用作标准频率控制的振子。

有机材料也称为压电聚合物，如聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜。这类材料以其柔性材料、低密度、低阻抗和高电压常数(G)而受到世界范围的关注，发展迅速，应用于压力传感。缺点是压电应变常数D低，这限制了它作为主动发射换能器。

复合压电材料是由两种或两种以上材料组成的压电材料。常见的复合压电材料是压电陶瓷和聚合物(如PVDF和环氧树脂)的两相复合材料。这种材料具有压电陶瓷和聚合物的优点，良好的柔韧性和可加工性，以及低密度。此外，它还具有压电常数高的特点。

与其他类型的压电材料相比，传统压电陶瓷具有更强的压电效应，因此被广泛应用。然而，作为一种大应变、高换能材料，传统压电陶瓷的压电效应仍然不能满足要求。近年来PbTi03单晶最大d33为2600pc/N(压电陶瓷最大d33为850pc/N)，最大k33为0.95(压电陶瓷最大K33为0.8)，其应变超过1.7%，几乎比压电陶瓷高一个数量级。储能密度高达130J/kg，而压电陶瓷储能密度不到10J/kg。铁电学者称这类材料的出现是压电材料发展的又一次飞跃。中国也取得了巨大的进步。比如东南大学研发的有机-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，具有分子材料的柔性和抗弯曲的优点。

3.3自行车骑行输出功率研究

根据国外自行车训练的测量数据，如表2所示；可见功率是可变的，维护时间越长，功率越小。这是五次测量的结果，所以逐渐减少；一般来说，最低线是可取的。比如一个体重70kg的男人，能爆735W左右，但只能持续5s；而120W可以持续20分钟。不能长时间过度疲劳的功率约为最大功率的1/10，即70W(女性约50W)。

4自充电自行车设计方案

基于不用专门充电辅助自行车的思想，设计了一种自充电自行车。骑自行车时，人的重力和骑行动力大多作用在后轮上，为压电能量收集储存系统提供了源源不断的能量。压电系统收集的能量储存在锂电池后，可以驱动无刷DC电机运转，从而达到助力自行车的目的。根据以上研究，采用合适的设计和材料，可以减少骑行者1/3的体力消耗，从而大大提高骑行舒适度，增加骑行距离。

4.1自充电自行车的背景技术

目前，国内压电相关领域的研究已成为热点。以下文章对本文的研究很有帮助。

1.基于压电聚能技术的充电器设计(荣勋，《电子技术的设计与应用》，2015年8月)。

2.一种具有巨大压电响应的有机-无机钙钛矿铁电体(熊仁根，科学，2017年7月)。

3.压电式换能器的设计及能量获取特性研究(刘兴娟，电气研究，2010年1月)。

4.以热电为辅助能源的压电式能量采集电路设计(王一强，无线通信技术，2018年3月)

5.基于压电材料的振动能量获取技术研究(王强，电子元器件与材料，2008年3月)。

6.压电发电技术研究综述(王健，压电与声光，2011年6月)。

4.2自充电自行车设计方案

根据上述背景技术，超级电容器可以快速储存回收的电能，而电池充电速度较慢，回收的电能不能立即使用，但其放电时间较长，供电电压相对稳定。研究表明，超级电容器的充电效率高达95%，理论充电次数可以达到无穷大。而锂电池的充电效率最高可达92%，寿命可达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，因此锂电池可以在充电器的控制下通过压电能量收集存储系统进行充电，锂电池可以驱动无刷DC电机辅助驱动自行车。

压电材料的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1实验结果:一个尺寸为50mmx50 mmx0.2 mm悬臂梁的压电双晶片陶瓷片，在激励频率为11Hz时，对一个8mAh的锂电池充电约1h，电压从2.24V达到3.04V根据背景技术和相关研究，悬臂梁压电双晶片陶瓷在谐振状态下一次激励可以输出高达5%的材料自然能量(压电陶瓷的储能密度为10J/kg)。然而，压电片在一次直接轧制中可以输出其固有能量的6%以上，因此通过直接轧制压电材料可以获得更多的能量[

如果在自行车后轮圆周上布置一定数量的专门设计的压电聚能器(如12个)，后轮圆周为1.5m，一个质量为60kg的人骑行1h (20 ~ 25km)，可获得20W左右的功率(每圈4 ~ 5J)，这是一个额定电压为12V的锂电池(充电器最大输出电压为14.4V，电池电压从8.3V左右到8.6左右达到12.6V左右)。这种锂电池提供的驱动力至少可以减少骑行者1/3的体力消耗，大大提高骑行乐趣，使骑行路程覆盖5km以上。

5结束语

本文提出的自充电自行车已经成功申请了一项实用新型专利(发明名称:一种自充电自行车，申请号:201821986172.0)。

在自行车共享中引入这种自充电助力自行车，可以扩大自行车共享的受众和覆盖范围。此外，由于自充电自行车电能充足，可以实现自动锁定电机的功能，从而实现共享单车的远程开关控制，降低运营成本和管理风险。

对于热爱骑行的人来说，这款自充电自行车可以大大提高骑行舒适度，增加骑行距离。