一種用于電動(dòng)自行車改裝的制動(dòng)能回收電路

一種用于電動(dòng)自行車改裝的制動(dòng)能回收電路

周松濤

( 雙林集團(tuán)上海電子研發(fā)中心，上海 201799)

摘要：就目前市面上在售和社會(huì)已保有電動(dòng)自行車都沒(méi)有制動(dòng)能回收功能的現(xiàn)狀，提出了一種完全基于硬件控制、接線簡(jiǎn)單、改裝容易的制動(dòng)能回饋控制電路方案，用于現(xiàn)有電動(dòng)自行車的后加裝制動(dòng)能回收，以提高現(xiàn)有電動(dòng)自行車的行駛里程，并給出了具體的實(shí)現(xiàn)電路。利用電路設(shè)計(jì)軟件Altium Designer中的仿真功能模擬不同車速下的電機(jī)發(fā)電狀態(tài)對(duì)電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該電路在不同車速下能有效地實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)能回饋；續(xù)航里程；能量回收控制；電路仿真；電動(dòng)自行車；

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引言

電動(dòng)自行車在目前還是城鄉(xiāng)居民短途出行的主要交通代步工具，在國(guó)內(nèi)保有量巨大。由于電池成本及體積重量等原因要增加電動(dòng)自行車的行續(xù)航里程單獨(dú)依靠增大蓄電池的容量來(lái)實(shí)現(xiàn)已經(jīng)非常困難，所以制動(dòng)能回收利用對(duì)提高電動(dòng)自行車的續(xù)航里程有著非常實(shí)際的意義。尤其在城市道路中行駛，由于紅綠燈頻繁、行人和車輛眾多，電動(dòng)自行車行駛過(guò)程中會(huì)頻繁地出現(xiàn)起步、加速與制動(dòng)等動(dòng)作，在這種路況下實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能回收利用，對(duì)提升電動(dòng)自行車的行駛里程更是意義重大。有研究表明，在行駛狀況變化比較頻繁的路段，采用制動(dòng)能量回收可增加續(xù)駛里程約20%。但從目前市面上在售的和居民保有的電動(dòng)自行車來(lái)看和都不具備制動(dòng)能回收再利用的功能，針對(duì)這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)一款完全由硬件實(shí)現(xiàn)、外部連接簡(jiǎn)單、改裝容易的電動(dòng)自行車制動(dòng)能回收控制電路，用于改裝現(xiàn)有電動(dòng)自行車，有著巨大的商業(yè)價(jià)值和社會(huì)環(huán)保價(jià)值。

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1 制動(dòng)能回收的基本原理

??? 制動(dòng)能量回收是指在電動(dòng)自行車制動(dòng)時(shí)，將車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能依靠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存在電動(dòng)自行車的儲(chǔ)能裝置（蓄電池或超級(jí)電容）中，而發(fā)電機(jī)在給儲(chǔ)能裝置（蓄電池或超級(jí)電容）充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的電磁阻力使電動(dòng)自行車速度降低，達(dá)到制動(dòng)的目的；當(dāng)電動(dòng)自行車再次啟動(dòng)或加速時(shí)控制系統(tǒng)又將存儲(chǔ)的能量再次轉(zhuǎn)化為電動(dòng)自行車行駛時(shí)所需要的能量。這樣就可以減少機(jī)械制動(dòng)時(shí)車輛的動(dòng)能變?yōu)槟Σ翢崮艿南?，有效地減少了能耗，增加一次充電的續(xù)行里程數(shù)，提高了電動(dòng)自行車的能量使用效率。

1.1 電動(dòng)自行車制動(dòng)過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換

假設(shè)車輛是在水平的道路上行駛，電動(dòng)自行車在制動(dòng)過(guò)程中，從初始車速V0減速至車速V1，其能量轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

1/2mV02 - 1/2mV12 = Wf + Wa + Wb

式中 m為電動(dòng)自行車加上人體及所載物品的總質(zhì)量，Wf為滾動(dòng)阻力及傳動(dòng)阻力所作的功，Wa為空氣阻力所作功的和，Wb為制動(dòng)力所作的功。

其中，滾動(dòng)阻力和空氣阻力及傳動(dòng)阻力所作的功（消耗的能量）是無(wú)法加以回收的；而制動(dòng)力由機(jī)械摩擦力和電機(jī)再生制動(dòng)時(shí)的電磁力兩部分組成，機(jī)械摩擦制動(dòng)力使車輛減速所作的功都轉(zhuǎn)化成熱能散發(fā)在空氣中不能被回收利用，所以只有電機(jī)產(chǎn)生的再生制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電磁力才能將車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，通儲(chǔ)能裝置（蓄電池或超級(jí)電容）存儲(chǔ)起來(lái)加以重新利用。

1.2 電動(dòng)自行車的制動(dòng)模式

具備制動(dòng)能回饋系統(tǒng)電動(dòng)自行車的制動(dòng)模式一般有以下幾種模式：緊急制動(dòng)模式、正常制動(dòng)模式、長(zhǎng)下坡制動(dòng)模式。

（1）緊急制動(dòng)模式是在電動(dòng)自行車車速較快出情況下，出于安全考慮，需要車輛快速停止情況下所采用的制動(dòng)模式。在這種模式下機(jī)械制動(dòng)的摩擦力和電機(jī)工作在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)時(shí)的電磁力是同時(shí)發(fā)揮制動(dòng)作用共同完成制動(dòng)過(guò)程。但由于一般路況下緊急制動(dòng)出現(xiàn)的頻次較少，加上制動(dòng)過(guò)程持續(xù)時(shí)間很短，所以在這種模式下能夠回收的能量較少，大部分的動(dòng)能多消耗在機(jī)械制動(dòng)摩擦所產(chǎn)生的熱能上。

（2）正常制動(dòng)模式是在電動(dòng)自行車行駛過(guò)程中需要減速但不急于使車輛停止時(shí)采取的制動(dòng)模式。這種制動(dòng)模式下制動(dòng)過(guò)程明顯地被分成了減速過(guò)程和停止過(guò)程兩個(gè)階段，在減速階段為了最大限度地回收制動(dòng)能量，制動(dòng)力矩完全由工作在制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁力提供；在車速降到一定程度后，由于電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)已經(jīng)很小，加上制動(dòng)能回饋電路中某些電子元器件本身電氣參數(shù)特性的限制（如二極管的正向壓降等），驅(qū)動(dòng)電機(jī)的制動(dòng)扭矩已經(jīng)很小（或基本消失）不足于使車輛完全停止下來(lái)，這時(shí)為了讓車輛完全停止下來(lái)，應(yīng)及時(shí)切換到機(jī)械制動(dòng)狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程就是停止階段。這兩個(gè)制動(dòng)過(guò)程的切換點(diǎn)由電機(jī)特性和控制系統(tǒng)的參數(shù)來(lái)共同確定，掌握好正確的切換點(diǎn)就能夠回收盡可能多的制動(dòng)能量。

（3）長(zhǎng)下坡制動(dòng)模式是電動(dòng)自行車在長(zhǎng)距離下坡道上行駛時(shí)，為了使車輛保持在一定的安全車速而采取的一種制動(dòng)模式。這種制動(dòng)模式和普通正常制動(dòng)模式中的減速階段類似，制動(dòng)力矩完全由工作在發(fā)電狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電磁力提供，可以將車輛下坡時(shí)由勢(shì)能產(chǎn)生的車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能存儲(chǔ)起來(lái)加以回收利用。

1.3 能量回饋系統(tǒng)的控制策略

制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)的控制策略，其實(shí)質(zhì)就是在保證安全的前提下，為了使能量最大程度的被回收利用，使制動(dòng)過(guò)程工作在最合適的制動(dòng)模式。基于成本的原因，電動(dòng)自行車制動(dòng)能量回收策略不需要（也不可能）像電動(dòng)汽車那樣，有復(fù)雜的（軟硬件）算法，制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)模式的切換是完全是由駕駛?cè)藛T的意志通過(guò)操作電動(dòng)自行車的剎車手柄來(lái)完成。

本設(shè)計(jì)使用的電動(dòng)自行車制動(dòng)能回收的策略是在電動(dòng)自行車剎車手柄捏下1/3 行程以內(nèi)時(shí)制動(dòng)力矩完全由電機(jī)發(fā)電制動(dòng)的電磁力提供，在這種情況下，系統(tǒng)能提供較多制動(dòng)能回饋；在剎車手柄捏下超過(guò)1/3行程后，制動(dòng)力矩由電機(jī)發(fā)電制動(dòng)時(shí)的電磁力和機(jī)械制動(dòng)的摩擦力共同提供，在這種情況下只有部分的制動(dòng)能被回收利用。

選取剎車手柄1/3行程處作為機(jī)械制動(dòng)的切換點(diǎn)是基于以下的考慮：

1、剎車把手的行程1/3是人手比較容許把控的點(diǎn)，由于制動(dòng)策略的實(shí)施是完全依賴于駕駛?cè)藛T的意志通過(guò)人手實(shí)現(xiàn)的，所以制動(dòng)模式的切換點(diǎn)必須在選在人手易于把控的位置；

2、制動(dòng)模式的切換點(diǎn)如果設(shè)置過(guò)小（如剎車手把行程的1/5或1/10），人手不易把控，容易使機(jī)械制動(dòng)過(guò)早地介入，不利于制動(dòng)能的最大回收利用；

3、制動(dòng)模式的切換點(diǎn)如果設(shè)置過(guò)大（如剎車手把行程的1/2或2/3），人手切換到機(jī)械制動(dòng)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，在緊急情況下不利于行安全。

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2 控制電路設(shè)計(jì)

由于電路設(shè)計(jì)目的是用于現(xiàn)有電動(dòng)自行車制動(dòng)能回收的加改裝，所以控制電路的設(shè)計(jì)應(yīng)使外部的連線盡可能的最少，并且不能改變電動(dòng)自行車的原有線路，以確保電動(dòng)自行車原有線路的安全完整。

制動(dòng)能回收電路是否需要工作是通過(guò)判斷電動(dòng)自行車剎車燈開(kāi)關(guān)是否閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電動(dòng)自行車的剎車燈開(kāi)關(guān)分為高邊控制和低邊控制兩種方式，高邊控制是指剎車開(kāi)關(guān)是串連在電源端和剎車燈之間 的一種控制方式，低邊控制是指剎車燈開(kāi)關(guān)串連在剎車燈與地之間的一種控制方式。目前市面上的電動(dòng)車存在兩種不同的制動(dòng)燈控制方式，論文針對(duì)這兩種不同方式分別設(shè)計(jì)了兩種制動(dòng)能回收電路。圖1和圖2別給出了這兩種適合不同制動(dòng)燈控制方式的電動(dòng)自行車制動(dòng)能回收控制器的原理圖。

圖1：用于制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)在高邊的主動(dòng)能回收控制原理圖

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圖2 用于制動(dòng)燈開(kāi)關(guān)在低邊的制動(dòng)能回收控制原理圖

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2.1 控制電路與電動(dòng)自行車的連接

(1)控制動(dòng)燈控制為高邊制的電動(dòng)自行車連接：將制動(dòng)能回收控制電路中的Pa、Pb、Pc端口分別連接電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)電機(jī)A、B、C三個(gè)相線（沒(méi)有相序要求，可以任意連接），控制電路中的P-端口連接電動(dòng)自行車蓄電池的負(fù)極、P+端口連接蓄電池正極，控制電路中的P12端口連接制動(dòng)燈的正端，只需6根連線就可以使普通的電動(dòng)自行車具有制動(dòng)能回收功能，無(wú)需改動(dòng)電動(dòng)自行車原有的電路。圖1虛線框外為連接示意圖（端口Pg可以不連接）。

(2)制動(dòng)燈控制為低邊控制的電動(dòng)自行車連接：和制動(dòng)燈控制為高邊控制的一樣，將制動(dòng)能回收控制電路中的Pa、Pb、Pc端口分別連接電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)電機(jī)A、B、C三個(gè)相線（沒(méi)有相序要求，可以任意連接），控制電路中的P-端口連接電動(dòng)自行車蓄電池的負(fù)極、P+端口連接蓄電池正極；不同的是，控制電路中的P12端口連接是電動(dòng)自行車DC/DC模塊的12V輸出端口，需要多連接一個(gè)端口Pg至制動(dòng)燈的開(kāi)關(guān)，需7根連線，比高邊控制方式的多一根連接線，和高邊控制方式一樣也無(wú)需改動(dòng)電動(dòng)自行車原有的電路。圖2虛線框外為連接示意圖 。

2.2 電路的工作原理

制動(dòng)能回收的基本原理是在車輛制動(dòng)期間使驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，給蓄電池充電，但驅(qū)動(dòng)電機(jī)即使在全速運(yùn)行狀態(tài)（驅(qū)動(dòng)電路給電機(jī)施加占空比為100%的工作電壓的運(yùn)行狀態(tài)）電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)也不可能超過(guò)電源電壓，所以如果沒(méi)有制動(dòng)能回饋控制器的協(xié)助，雖然在車輛制動(dòng)期間驅(qū)動(dòng)電機(jī)的端口有電勢(shì)出現(xiàn)，沒(méi)有制動(dòng)回收電路的普通電動(dòng)自行車是不會(huì)有能量回饋給蓄電池。

本電路的工作原理見(jiàn)圖1和2是將電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)三相直流無(wú)刷電機(jī)在制動(dòng)時(shí)輸出的 三相交流電經(jīng)D4至D9等6個(gè)二極管組成的三相全橋整流，經(jīng)C1濾波后在D點(diǎn)得到一個(gè)直流電壓，由于這個(gè)電壓比蓄電池的電壓低，所以不可能直接給蓄電池充電。因此由L1、Q1和D1組成一個(gè)典型的Boost升壓電路，通過(guò)電感L將驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的電壓較低的能量搬運(yùn)到電壓較高的蓄電池中。R是一個(gè)電流采樣電阻，U1A組成一個(gè)運(yùn)算放大器，將R兩端的電流信號(hào)放大51倍后 送到比較器 U2A的反向輸入口與U1B組成的電壓跟隨器輸出的電流設(shè)定值進(jìn)行比較。比較器是遲滯比較器，遲滯電壓被控制在正負(fù)0.7V左右（由二極管D2和D3雙向限制），當(dāng)電流低于設(shè)定值加一個(gè)固定的遲滯值時(shí)比較器輸出一個(gè)高電平，這個(gè)電平經(jīng)Q2、Q3電流放大后驅(qū)動(dòng)Q1（MOSFET）導(dǎo)通，這樣驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)整流后的電壓就加在電感L兩端，電感中的電流將隨時(shí)間線性上升，上升的斜率與驅(qū)動(dòng)電機(jī)整流后的輸出電壓有關(guān)，這期間電感L從驅(qū)動(dòng)電機(jī)獲取能量J=1/2（⊿i+）2L。同時(shí)電流采樣電阻R上的電壓也隨電流增加，經(jīng)運(yùn)放放大后送到比較器輸入端的電壓也相應(yīng)增加，當(dāng)大于設(shè)定值+0.7V后比較輸出變?yōu)榈碗娖?，這時(shí)Q1被迅速關(guān)閉截止。由于電感中的電流不能突變，電流將經(jīng)二極管D1給蓄電池充電，期間電感L種的電流隨時(shí)間直線下降，電感中電流下降的斜率和蓄電池電壓的高低有關(guān)。這期間電感向蓄電池轉(zhuǎn)移能量J=1/2（⊿i-）2L。此時(shí)采樣電阻R上的電壓也隨著下降，經(jīng)運(yùn)放放大后送到比較器輸入端的電壓也降低，當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值-0.7V是，比較器輸出又跳變?yōu)楦唠娖?，Q1又將被打開(kāi)，電感又開(kāi)始從驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出取得能量，循環(huán)往復(fù)，整個(gè)電路形成一個(gè)自我閉環(huán)的自激震蕩。

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3 電路的仿真分析

電路仿真是利用電路設(shè)計(jì)軟件Altium Designer中Pspise仿真模塊進(jìn)行電路瞬態(tài)仿真分析。為了簡(jiǎn)化分析，將電路中制動(dòng)過(guò)程中工作在發(fā)電狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和整流電路用一個(gè)可變的直流電壓源來(lái)模擬，電動(dòng)自行車中的蓄電池用一個(gè)48V的直流電壓源來(lái)模擬，這樣的模擬和實(shí)際是比較吻合的，蓄電池本來(lái)就是個(gè)直流電壓源；驅(qū)動(dòng)電機(jī)在制動(dòng)期間工作在發(fā)電狀態(tài)，其端口輸出的是三相交流電壓，經(jīng)整流濾波后得到一個(gè)直流電源，所以也可以把它看作一個(gè)直流電壓源，只不過(guò)這個(gè)電壓會(huì)隨車速不同而變化，車速低時(shí)輸出電壓也低，車速高時(shí)輸出電壓也比例升高。

圖3 是實(shí)際用于仿真分析的電路原理。圖中，電壓源V2用于模擬車輛在制動(dòng)期間驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)整流濾波后的輸出電壓；電壓源V3用于模擬電動(dòng)自行車中48V的蓄電池；電壓源V1用于模擬提供電路工作的12V電源。R0是為了觀察充電電流波形而設(shè)置的一個(gè)采樣電阻，由于其阻值設(shè)得很小（可以把它看作V3的一個(gè)內(nèi)阻），不會(huì)影響仿真的結(jié)果，其它部分的電路是和控制器的實(shí)際電路完全一樣。

圖3 用于仿真的制動(dòng)能回饋控制電路

首先設(shè)置電壓源V2電壓設(shè)為1V來(lái)模擬車速較低時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)整流后的輸出電壓，對(duì)電路進(jìn)行仿真，來(lái)驗(yàn)證電動(dòng)自行車在車速較低的時(shí)候制動(dòng)能量是否有效回饋給蓄電池。圖4是該狀態(tài)下得仿真波形，圖中藍(lán)色的是F點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)Q1的電壓波形，紅色的是E點(diǎn)是電路給蓄電池充電的電壓波形，r0[i]為充電電流波形，L1[i]為電感中的電流波形。電感中電流上升的時(shí)間實(shí)際是從電壓源V2（模擬驅(qū)動(dòng)電機(jī)在制動(dòng)發(fā)電時(shí)的電壓）吸取能量的過(guò)程，電感中電流下降的這段時(shí)間實(shí)際是電感中的能量向電壓源V3（模擬電動(dòng)自行車中的48V蓄電池）充電轉(zhuǎn)移的過(guò)程。從仿真波形的結(jié)果可以看出，由于車速較低時(shí)動(dòng)能較小，充電電流波形的占空比很小，平均充電電流很小，回收到的能量也就較小。

圖4 V2設(shè)為1V來(lái)模擬車速很低情況下制動(dòng)時(shí)控制電路的仿真波形

圖5 是將電壓源V2電壓設(shè)為24V模擬一般車速下制動(dòng)時(shí)控制電路的工作波形。從充電電流波形可以看出，此時(shí)充電電流的占空比較大，平均充電電流也較大，這說(shuō)明車較快時(shí)，車輛動(dòng)能就大，回收到的制動(dòng)能也較多。

圖5 V2設(shè)為24V來(lái)模擬一般車速下制動(dòng)時(shí)控制電路的仿真波形

圖6 是將電壓源V2電壓設(shè)為47V模擬車輛高速情況下制動(dòng)時(shí)的控制電路的工作波形。這時(shí)充電電流波形的占空比已經(jīng)很高，所以平均充電電流也高，回收的制動(dòng)能量也高。

圖6 是將電壓源V2電壓設(shè)為47V模擬車輛高速情況下制動(dòng)時(shí)的控制電路的工作波形。這時(shí)充電電流波形的占空比已經(jīng)很高，所以平均充電電流也高，回收的制動(dòng)能量也高。

圖6 V2設(shè)為47V時(shí)模擬較高車速時(shí)制動(dòng)能回收電路的仿真波形

5 結(jié)論(結(jié)語(yǔ))

1.這是一個(gè)純硬件工作原理的能量回收電路，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的控制算法，在實(shí)際的商業(yè)的設(shè)計(jì)考慮中實(shí)用性很高，成本低，跟現(xiàn)有電動(dòng)自行車原有電路不沖突，不需要改變?cè)须娐?，可?shí)施性很高。

2.從電路原理仿真結(jié)果看，能量回饋在整個(gè)車速范圍之內(nèi)制動(dòng)能都能有效回收，能達(dá)到制動(dòng)能回收的目的延長(zhǎng)了一次充電后的續(xù)航里程。符合國(guó)家提倡的環(huán)保節(jié)能的政策。

3. 這是一個(gè)完全原創(chuàng)的能量回饋控制電路，在現(xiàn)有市面上的電動(dòng)自行車一般都沒(méi)有制動(dòng)能回收裝置，所以對(duì)新型環(huán)保電動(dòng)自行車有巨大的市場(chǎng)需求和商業(yè)價(jià)值。

仿真結(jié)果驗(yàn)證了給電路，在從低速到高速不同的車速下制動(dòng)時(shí)，都能有效地回收制動(dòng)能量給電池充電。

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