苗潼超
【摘 要】節能是一个世界范围的课题，对于电动单车而言，行驶过程中频繁刹车，刹车能量的损耗相当巨大，无论从节能以及能量回收再利用的角度，还是从提高电动单车续航能力的角度，对这一问题进行研究，采用简单实用的方式，对刹车能量进行回收显得尤为重要。本文综合考虑多种因素，对电动单车刹车能量的回收进行了研究，给出了一种简单可行的思路和策略。
【关键词】刹车;发电;充电;能量回收
中图分类号：TK02 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）17-0127-002
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.060
燃油、燃气以及电动、混合动力车诞生以来，其续航性能一直是人们关注的重点，目前很多电动汽车都已安装了刹车能量回收系统。研究表明，在刹车比较频繁的路段，采用刹车能量回收可增加行驶里程约20%。然而，电动单车的刹车能量回收问题却迟迟没有得到很好解决。电动单车的刹车能量回收系统既不能完全照搬传统自行车即收即用的摩电灯，也不能借用电动汽车的能量回收系统[1]，究其原因不外乎技术、工艺以及成本问题，因此对这一问题进行研究，探索一个实用性强、成本低廉的电动单车刹车能量回收系统迫在眉睫。
1 电动单车的刹车耗能现状
根据我国目前的发展以及城市规划状况，电动单车在人们生活中非常普及，尤其在城市，大多数电动单车行驶在非机动车道，经常和步行者混在一起，因此在骑行过程中频繁主动或被动紧急刹车，再加上红绿灯前的常规刹车，刹车能量的损失可想而知。本文为了验证这种刹车的能量损耗，新买了一辆电动单车，商家标称一次充满电可行驶60公里，然而本设计者骑车上路，勉强行驶了44公里，再次充电，在空旷无人的操场上骑行，在没有一次刹车的情况下行驶了59公里，也就是说刹车引起的行驶路程缩短了约四分之一、刹车引起的能量损耗达到了约四分之一。
节能已经是一个世界范围的课题，传统单车上现有的摩电灯是为了单车夜间行驶的方便，而在行驶过程中持续进行摩擦发电，并将电能直接提供给灯泡，起到照明作用。本质而言，这种装置不是一种节能以及能量回收系统，其目的在于骑行过程中机械能向电能以及光能的转化，其缺点在于，一是没有将刹车的耗散能量进行回收，二是骑行过程持续摩擦会降低车速，三是没有储能系统，瞬间发电、瞬间使用，给能量再利用及其效率的提高带来很多不便。因此，对于电动单车而言，要真正实现节能以及提高续航能力，电动单车刹车能量回收的研究和探索具有重要意义。
2 电动单车刹车能量回收的研究和探索
2.1 电动单车刹车能量回收的基本想法
本文对电动单车刹车能量回收研究和探索的基本思路，是基于锂电池和铅酸蓄电池电动单车，针对目前符合国家安全技术规范强制性标准所要求的电动单车，探索一个简单实用的刹车及其能量回收系统，在不明显增加电动单车成本的前提下，有效实现电动单车的刹车、能量回收和能量再利用。
2.2 电动单车刹车能量回收的技术分析和研究
本文对电动单车刹车能量回收系统的研究和探索，兼顾电动单车与传统单车在结构上的相似，以及电动单车与电动汽车在动力源上的相似[2]，综合考虑技术、实用性以及成本因素，将该刹车能量回收系统分为三大部分，分别为刹车及发电部分、能量回收及储存部分、二次充电部分。
该刹车能量回收系统的大致工作过程为，将普通电动单车的碟刹或抱刹简单改装或设计成V刹（类似于我国七八十年代传统老式单车的V刹），将微型发电机安装在电动单车上前后V刹的位置，每侧一个，一共四个，通过前后闸线控制微型发电机与轮胎的接触和分离，依靠微型发电机转子前端的摩擦轮与电动单车轮胎之间的滚动摩擦，驱动微型发电机转子转动，实现在刹车过程中同时进行刹车和发电;这种通过刹车摩擦发电所产生的是单向低压大电流，因此，在发电机和能量回收电池之间加装一个自动开关脉冲式电感充电电路，通过该电路动态地实现低压发电向高压能量回收电池的充电;在能量回收电池和电动单车工作电池之间再加一个自动开关脉冲式大电感充电电路，当电动单车工作电池完成一个工作周期、工作电能基本消耗完毕之后，静态情况下，能量回收电池开始向电动车工作电池进行充电，进行二次充电，最终实现刹车能量的回收和利用，工作流程见图1。
2.3 电动单车刹车能量回收的探索与实现
该刹车能量回收系统要同时实现刹车和能量回收两个目的，首先是刹车，其次是发电。该系统依靠发电机转子与电动单车外轮之间的滚动摩擦进行刹车，要求总摩擦力要足够大，足够电动单车实现有效刹车。但是如果只安装一个刹车及发电装置，则起不到刹车效果，因此本文在前后轮、双侧安装本刹车及发电装置，共计四组，经过实验，这种情况下，电动单车刹车不会抱死，并能在可控时间内实现有效刹车。同时，电动单车从开始刹车到完全停止，需要一定时间，这段时间正好用来摩擦发电，时间太长会影响刹车效果，时间太短则发电量太少。根据国家标准委员会最新发布的电动单车安全技术规范强制性国家标准，电动单车时速不能超过25公里，整车质量不能超过55公斤，蓄电池额定电压不能超过48伏，经过实验，符合上述要求的电动单车在加装了本系统之后，根据拉闸的快慢和松紧程度，完全可以在0.5-1.5秒之间实现有效刹车，刹车效果很好，但是发电时间稍短。
为了延长发电时间，本文一方面在转轴上加装飞轮，增加了整个转动部分的转动惯量，使得整个转子在完成发电的同时起到了飞轮储能的作用。另一方面为了使整个转子在摩擦轮停止转动以后还能利用惯性继续转动而发电，在摩擦轮和转子之间加装摩擦轮只能对转子进行单向作用的微型离合，这样，电动单车完全刹车之后，摩擦轮停止转动，但是发电机的转子仍继续转动，继续发电，直到转子彻底停止，发电时间可由1.5秒延长到5.8秒，机械能完全转化为储存的电能，发电机示意图见图2。
由于目前工艺技术的原因，刹车及发电装置无法做到更小，随着工艺技术的发展，当刹车及发电装置最大限度的小型化时，可以实现根据个人刹车的快慢以及习惯适当增加刹车及发电装置的个数，使得刹车以及能量回收的效率更高。
单个发电装置可发出6伏、0.4安的脉冲直流电，将各发电装置并联、串联于自动开关脉冲式电感充电电路，可实现发电装置向较高压能量回收电池的充电。实验发现，两组前轮发电装置串联然后再和两组后轮发电装置并联接入自动开关脉冲式电感充电电路[3]，实现12伏、0.8安向较高压能量回收电池的充电，综合效果最佳，充电电路见图3。
较高压能量回收电池被充满电时，电压仅为24伏，要实现24伏向48伏的电动单车工作电池进行充电，需要在高压能量回收电池和电动单车工作电池之间再加装一个自动开关脉冲式大电感充电电路，在静态情况下实现较高电压的能量回收电池向高电压的电动单车工作电池的充电，充电电路见图4。
本文对能量回收电池，以及能量回收电池和电动单车工作电池之间的电压以及容量匹配进行了实验研究，选择了电压和容量比较合适的能量回收電池，使得电动单车工作电池充满电正常骑行至工作电能基本耗尽，然后能量回收电池再向电动单车工作电池进行充电，整个过程均无需充电保护以及电压反溃电路，电路设计简单实用，安全可靠。
3 本文电动单车刹车能量回收的特点
本电动单车刹车能量回收的实现，简单实用，将普通电动单车的碟刹或抱刹简单改装或设计成V刹，使发电机的摩擦轮和电动单车的外轮接触而产生摩擦，实现滚动摩擦发电，同时实现有效刹车;在发电机轴上固定飞轮，同时采用单向离合技术，使得发电时间成倍延长，并部分地利用了飞轮储能的技术;利用简单的自动开关大脉冲电感充电电路，两次实现了低电压向高电压的充电;合理选择能量回收电池的电压和容量以及充电电路的电感和脉冲频率，使得整个充电过程无须反馈，电路简洁、高效、安全。选择了能量储存电池，使得电能回收变得简单;采用了静态二次充电，不会对电池寿命产生明显影响。
4 结束语
电动单车刹车能量回收和利用的研究具有非常重要的现实意义，这一问题看似简单，实则复杂，其复杂性在于能量回收和利用对于电动单车而言，要简单实用、易于实现，暨不能过多增加电动单车的成本，又要实现有效刹车，还要最大限度地回收和利用刹车能量。本文受到传统单车摩电灯和电动汽车刹车能量回收的启示，综合考虑了电动单车刹车、节能和能量回收、实用以及成本等多种因素，对这一问题进行了研究，并结合实践，给出了这一问题的一个简单可行的思路和对策，以期对电动单车刹车能量的回收和利用有所帮助。
【参考文献】
[1]唐鹏，孙骏.电动汽车驱动系统再生制动特性分析与仿真[J].移动电源与车辆.2006（4）.
[2]周奉香，苑士华，李辉.公交车辆制动能量回收与再利用系统研究[J].客车技术与研究，2003（6）.
[3]程嫁夫.中学奥林匹克竞赛物理教程·电磁学篇（第二版）[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2013：456-457.
