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2021年全国大学生电子设计竞赛

具有发电功能的储能小车（I 题）

【高职高专组】

2021年11月7日

具有发电功能的储能小车（I 题）

摘要

关键字

1方案论证

1．比较与选择

方案一、

方案二、

方案三

2．具有发电功能的智能小车方案

根据题目要求，将车轮摩擦产生机械能量传递发电机,利用超级电容储存的电能驱动小车,并通过改进机械结构,优化控制电路设计,实现设计并制作一个具有发电功能的智能小车。

系统框图如图1-1所示：

发电机 超级电容 控制电路 电动机

图1-1具有发电功能的智能小车系统框图

该系统主要由：发电机、超级电容、控制电路、电动机4部分组成。小车单向直线运动，完成手动发电，并为超级电容充电，充电完成后的小车，按要求完成规定动作。

二、理论分析与计算

1．理论分析

小车摩擦做的功：

??

1

=FS=mgμS 式中，F是摩擦力，S是路程距离 ，u是滑动摩擦因数，与材料有关。

电容储存的能量：E=

1

2

??

??

2

;电容上所充电压的平方乘容量的一半。

由公式可得,要使超级电容储存的电能驱动小车的效率=1,则需要W1=E。要想提高效率，则E-W1差值越小越好。

下面分析一下损耗来源：

（1）驱动电机效率：转速和效率，单位能量下，谁跑的远（电动车 速度 效率 关系 图，）

（2）元器件的损耗：例如MOSFET管小于BJT管。

（3）电容充放电的损耗：体现在内阻，低阻抗超级电容。

（4）导线直径和电流的匹配。

此项目中重点解决电机的最佳工作点，速度问题。

2.系统提高效率的方法

1．发电机的选择

发电机有直流发电机、三相永磁发电机、多相永磁发电机等多种选择，直流电机具有结构简单、方便控制的特点，在此选取多减速比直流发电机。

2.行驶距离要求，选用效率高电动机。通过实测，转速和效率匹配，找到电机的最佳工作点，提高电机效率。

3.发电电路设计，为防止能量倒灌，增加了桥式整流，以及D3二极管。

4.驱动电路中，选用低导通电压的MOSFAT，减小功耗。CPU选择低功耗。驱动电路设计时，根据车载轻重，选择匹配的电机，若单电机驱动时，可考虑用斩波电路或H桥，其余匹配摩擦力的考虑，选用斩波电路作为驱动。

5.显示部分要求有数量、距离的显示，在OLED、水墨屏两者之间，放弃功率低，显示内容有限的水墨屏，选用0LED。

6.电容的选择：为提高效率，提高电容的驱动能力，选用低电阻电容。

三、电路与程序设计

1、发电机电路设计

发电机电路如图3-1所示：D3、C5组成超级电容充电电路，其与充电指示灯电路R1、D1,以及R2、R3串联组成的电压采集电路。

发电机同时当电动机时，为防止能量倒灌，可增加了桥式整流。

/

图3-1 发电机电路设计

第一级超级电容C5对第二级超级电容C6充电，使其保持在5V。当电压低于5V时，升压电路BOOST使其保持5V，如图3-2所示。

/

图3-2 发电机升压电路设计

2、驱动电路设计

驱动电路设计时，根据车载轻重，选择匹配的电机，若单电机驱动时，可考虑用斩波电路或H桥，其余匹配摩擦力的考虑，选用斩波电路作为驱动。驱动电路由斩波电路、斩波驱动电路组成。其中，斩波电路的开关由MOSFAT替代，电机安装在MOSFET的漏极，如图 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 看出曲线1和曲线2基本重合，说明预先分析完全一致。

二、由曲线得到最佳工作点

5结论与心得

参考文献

[1] 瓮嘉民等.单片机应用开发技术-基于proteus单片机仿真和C语言编程[M].XX：中国电力出版社，2010.

[2]刘某某,曹某某.晶体管微电弧电源主电路与驱动电路设计[J].电子设计工程,2017,25(23):130-134+138.

[3]?李某某等.?电子工艺训练教程.XX：电子工业出版社，2010.

[4]?李某某等??单片机原理及应用.XX：清华大学出版社，2009.

[5]?田立等.51单片机C语言程序设计快速入门.XX：XX航空航天大学出版社，2008.?

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