把旅行变成修行之“装备篇（上）”

敏捷

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灵魂自行车的“心脏”——链条发电机及摩电发电机的原理

 

自行车骑行作为一项“绿色”环保的旅行方式，已经被越来越多的户外旅行爱好者所推崇。而在我的上一篇博文《把旅行变成修行--TI销售工程师的15天绿色环岛骑行梦》中也特别强调了这是一次“绿色”的环岛骑行，所以在此次台湾1300公里大环岛之旅中，我将用尽所有可能的方式来实现“绿色”骑行，这包括我随身携带的所有“TI Inside”电子装备，都必须做到“绿色”使用，即尽可能不增加能源的消耗。

 

所以我打算尝试一下全程不接市电的骑行，而要实现这个计划，首先就必须为自己的全程旅行装备增加一个源源不断将我的“生物能”转换成电能的“心脏”——人力发电机。这一切就是在我的“灵魂实验室”（图1）里完成的。

图1.我的“灵魂实验室”工作台。

 

摩电发电机设计灵感和原理

 

在设计灵魂自行车的总体框架时，我首先考虑的问题是这个发电系统需要多大的输出功率，因为身上的所有电子设备，如果同时开启，总共的耗电功率差不多是接近10W（包括LED前车灯照明，GPS全天候导航，手机通话，移动视频监控系统等），如果是间歇性开启，那也至少需要平均5W的功率，因此，设计一个输出功率接近10W的发电系统是很有必要的。我的灵感来源于小时候邻居家的高级自行车上装着的一个不需要用电池就能点亮的小灯。在一个靠摩擦轮胎而发电的小发电机后接上两个白炽灯珠，在骑行时轮胎带动摩电机产生电能使小灯点亮，而且骑行速度越快，灯就越亮，当自行车停下后灯也就灭了。

 

经过一番搜寻，功夫不负有心人，我终于在一辆老式自行车上找到了当年的摩电发电机，并拆了下来，打算用它来改装一个带USB输出端口，并可为蓄电池充电的小型自行车发电蓄电系统。该摩电发电机外形如下图2所示。

 

图2. 从老式自行车上拆下来的摩电发电机。

 

老式的摩电发电机之所以可以直接接上小灯珠实现照明，是因为其发电所产生的交流电在白炽灯上可以直接点亮工作，而如果用他来实现5V直流电的供电，那还需要增加整流电路，稳压电流及限流保护电路。

 

经过测试验证，在车轮旋转时，在示波器上测量发电机的输出端可见发电机的输出电压为+/- 12V左右的近似正弦交流电，且周期随车轮速度的改变而改变，如下图3所示。

图3. 在示波器上测量发电机输出端电压。

 

这种交流发电机是最为简单的单相交流发电机，可以简单地看作如下图4所示的原理，当磁铁在转动时，不停地改变着线圈里感应出的电动势方向，形成了随着转速变化的交流电动势

图4. 最简单的单相交流发电机原理。

 

我用了四个二极管做了一个最典型和简单的桥式整流电路，然后再配上一个大的滤波电容滤波，如下图5所示：

图5. 用四个二极管制成的桥式整流电路及滤波电容构成的回路。

 

由于滤波之后的电压不稳定，且随着发电机转速的变化会产生较大纹波，因此在基本的滤波电路之后需要经过一级可靠的稳压电路来实现稳定的5V输出。我选用了TPS5430作为稳压输出的DCDC开关电源。TPS5430拥有最大36V的输入电压范围，虽然发电机的标称发电电压是12V，但是不排除由于发电机转速不同时会产生超过12V的电压的可能，在汽车电路设计上，电压的耐压余量都要求在标称工作电压的2.5倍以上，所以选用TPS5430可以完全不用担心耐压的问题。此外，其最大3A电流的输出能力，理论上可以在我的系统上实现最大15W的输出，完全满足设计要求的负载能力，且TPS5430的Demo板面积很小，周边电路简单，只需稍微调整两个反馈电阻即可调整输出电压，具有很好的设计方便性。如下图6所示。经过TPS5430输出的电压就是很稳定的直流5V电压了。

图6. 用TPS5430作为稳压输出的DCDC开关电源。

 

灵魂自行车的“心脏”——发电系统

 

整个灵魂自行车整个发电系统的架构如下图7所示：

图7. 整个发电系统的架构。

 

最后我们要考虑的是这套电源系统对手机及iPad等设备的过流保护等问题，如果要支持iPad和iPhone/ipod充电，该设备还需在后级增加一个iPad及iPhone/ipod自动识别并根据不同设备进行限流保护的器件。由于iPhone和iPad等苹果系列设备需要特别的检测来输出不同限流值的充电电流，普通的充电电路无法正常对iPad进行充电，而TI的TPS2543可以很好地实现这个功能，实现1A/2.1A的切换，这一点其实也是制作兼容iPad和iPhone充电器所必须注意的问题，不然iPad就会显示“没有充电”的字符。

 

同时采用摩电发电机和链条发电机两套系统的目的是为了互作备份，因此次路途遥远，如果长时间使用摩电发电机，担心轮胎磨损会较为严重，故另外采用了挂载在链条上的发电机，其原理与摩电系统类似。另外，当自行车在下坡时，将摩电发电机挂载上，还可以有效地起到阻尼的作用，一来可以限制车速，二来可以实现势能的回收，一举两得。

 

灵魂自行车的“心脏”就先讲到这里，在我的下一篇《把旅行变成修行之装备篇（下）》中，我将为大家介绍关于与灵魂自行车配套的其他一些装备技术细节，欢迎大家继续围观啊！

 

wangfuchong

请问您的链条发电机是什么样的哪里来的呀？能买到？

wangfuchong

考虑最高电压
那最小电压是怎么考虑的呢？是不是单独弄个锂电池做缓冲？不然设备例如手机之类的会不会不停的屏幕间隙性显示充电插上了充电拔下了之类的？

lyzhangxiang

装备真好啊

wangfuchong

晕 ，看到没有人讨论，我还真的打开了官网看看TPS5430参数，原来是降压的呀，可是发电机有负载的时候输出电压就不是12V了吧？特别是转动慢的时候电压可能比5V还低的，有负载更是可能这样了吧？这样整个充电输出电压可能就会出现类似于震荡的现象？

另外楼主能不能秀秀携带的刀？
我只有便宜的短刀，山寨的可能还是假的，一点也不锋利。

觉得楼主还是住旅店的好，毕竟骑车已经够累的了，要休息好，回来还上班呢

dontium

原来是为TI宣传的啊，哈哈

使用摩擦发电机，人力发电，效率显得尤为重要。看楼主使用的整流器件，好象是硅二极管。桥式，就有1.4V的压降了。
建议找锗二极管、肖特基二极管、硒整流器；或者干脆用同步整流法。
后面再配以效率高的BUCK型供电。

[ 本帖最后由 dontium 于 2012-9-23 14:50 编辑 ]

wangfuchong

原帖由 dontium 于 2012-9-23 14:33 发表
原来是为TI宣传的啊，哈哈

使用摩擦发电机，人力发电，效率显得尤为重要。看楼主使用的整流器件，好象是硅二极管。桥式，就有1.4V的压降了。
建议找锗二极管、肖特基二极管、硒整流器；或者干脆用同步整流法。
...

笑什么笑？
最近我看你不顺眼吆，说话不尽言直率，兜圈子下套之类的之嫌

我不知道我随便的猜测是否有道理？
就是人家真的发电机真的是有负载电压会低的平常那种，人家就是没注意到又怎么了？又有什么大不了的？人家不小心或者人家本来不是搞模电的。
再说人家说不定是在论坛逗着玩玩呢

我之所以感兴趣匆匆看一眼（我不想花多时间仔细看帖子），是因为我老早曾经在脑中构想过类似这种但是比较庞大复杂得多的方案。

[ 本帖最后由 wangfuchong 于 2012-9-23 15:00 编辑 ]

wangfuchong

好奇
有没有人能不能大概说说效率？人的做功在自行车中占多大比例？例如充满一块手机电池需要相当于人做多大的运动量？

dontium

原帖由 wangfuchong 于 2012-9-23 14:59 发表

笑什么笑？
最近我看你不顺眼吆，说话不尽言直率，兜圈子下套之类的之嫌

我不知道我随便的猜测是否有道理？
就是人家真的发电机真的是有负载电压会低的平常那种，人家就是没注意到又怎么了？又有什么大不了的 ...

我是指楼主。

原来我以为纯粹的体育运动，或者是为两岸关系。

看我顺不顺眼倒是小事。我既没有给你兜圈子，也没有给你下套子。分辨事非在自己。

[ 本帖最后由 dontium 于 2012-9-23 18:15 编辑 ]

wangfuchong

原帖由 dontium 于 2012-9-23 18:02 发表

我是指楼主。

原来我以为纯粹的体育运动，或者是为两岸关系。

看我顺不顺眼倒是小事。我既没有给你兜圈子，也没有给你下套子。分辨事非在自己。

带开点玩笑的，别介意

打个比方，即使真的有什么，我也不会那么介意的
这里是技术论坛，还那么小心眼呀

wangfuchong

4. 發電機功率與家電用電量的關係
安培（A） 功率（W）
IV＝P
每小時功率
（WHr）
度（kWHr） 約 需 踩
圈數
10（A） 10*12 ＝ 120
（W）
120（WHr） 0.12 度 3600
20（A） 20*12 ＝ 240
（W）
240（WHr） 0.24 度 3720
30（A） 30*12 ＝ 360
（W）
360（WHr） 0.36 度 3960
表三
家電 瓦數
電腦 300～500W
檯燈 15W
日光燈 40W
電扇 15～100W
表四
        上表三為我們在不考慮能量流失，每小時發電機
功率的理論值，只要再對應表四，我們即可知道要用
多久的電器需踩多久的腳踏車，還有大概會踩幾圈。
例如假設電腦功率為 360（W），發電機瞬時發電量以
30（A）來計，若要使用一個小時的電腦必須踩腳踏車
1 個小時，所踩的圈數大約為 3960 圈。由此可知，若
要同時間供應數種電器，光靠直接由發電機發電的量
是不夠的，所以我們才會再接上鉛酸電池，平時可以
先儲存電能，以備所需時使用。

敏捷

这个说的也是有道理的，这次效率之类确实没有顾上太多，只要能把功能整出来就先用着了

dontium

如果楼主仅为TI宣传而行动，我就不给你加油了。

wanghongyang

摩擦发电是比较省事儿的，以前这个东西我用过，不过是发电的车灯。

jishuaihu

我也一直想做这个类似的东西，电机我选的是那种手连续按发电的手电筒上的那种电机，因为手头正好有一个，但是还没有想好怎么安装，因为那个电机没有类似的摩擦轮。我记的小时候试过这样跟轮胎摩擦的发电机，但是安上之后骑着明显费力了，而且对轮胎侧面的摩擦也比较明显。我打算弄一个小的飞轮安装在链条上，飞轮可以选变速器上的那个小飞轮。自己改装一下。
说到整流，我觉得可以有更好的方案，就是用普通的直流电机做发电机用，普通的直流电机有换向器（电刷），这样发出来的电就不再是交流电了，用一个电容滤波就可以了。这个应该可以吧
另外wangfuchong说的电压时高时低的问题确实也是值得注意的。还是用个容量比较大的蓄电池转一下比较合适，不过用铅酸电池体积会有些大，用锂电池或者镍氢电池会比较好一些。当然价格高一些，但是对于骑行的人来说肯定是可以接受的。
再一个根据能量守恒定律来说，你发的电肯定会消耗人的体力，少了可能感觉不到，如果路远了应该就有感觉了，因此发电机最好还能控制开断比较好。不过用太阳能会是一个更好的选择。

[ 本帖最后由 jishuaihu 于 2012-9-24 12:56 编辑 ]

winterschs

支持用太阳能！

wangfuchong

原帖由 jishuaihu 于 2012-9-24 12:49 发表
我也一直想做这个类似的东西，电机我选的是那种手连续按发电的手电筒上的那种电机，因为手头正好有一个，但是还没有想好怎么安装，因为那个电机没有类似的摩擦轮。我记的小时候试过这样跟轮胎摩擦的发电机，但是安 ...

我是随便说说的，也许这个发电机在车轮不是特别慢的情况下电压就不会低呢，就是负载特别大也只是费劲吧了，具体对于发电机的原理不了解，随便猜猜的。
不过还是有疑问，对于y链条式，是不是还是容易出现？没看电源芯片的资料，是不是还要加上单片机之类的智能控制吆

chaoyue51196

自己动手做装备，支持！