手摇发电机制作DIY

包弟 · 发表于 2024-4-10 04:05:05

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我的车车有几次打不着火，原因不明。具体现象是第一次着车有点吃力，之后就再也不着了。充好电断断续续开2天，一切正常，第三天起来又打不着了。出于世界末日的恐惧，而且手上有个2手电机，寻思搞个发电的，户外应急，就这玩意儿：

希望它能帮我给汽车电瓶充电，但是试了一下，不加增速齿轮的话电压很低，大概6V左右，还不够电瓶12V的一半，给电机短路的话转动阻力很大，就是洛伦磁力，这玩意儿后面会涉及到。

新买的氩弧焊机手瘾还没过，角钢也还剩有，正好搞一个齿轮箱，为了避免有地方考虑不周，拆开用UG画一下模型，

拆了之后发现这款电机细节设计很完美的，没什么瑕疵。
然后考虑用什么齿轮装的问题，电机前面轴挺长，但是不好装齿轮箱，后轴虽短，有孔可以固定齿轮箱，
然后装个能套上后轴的最小的齿轮。
QQ截图20240409235649.png

这种1模齿轮某宝挺多的，没想到竟然要4块/个，贵就贵吧
QQ截图20240410000246.png

然后整个齿轮箱纠结半天，开始用的42齿->13齿->42齿->20齿，增速6.78倍，如下图
QQ截图20240410000745.png

后来试了下减速比感觉不太够，又在壳壳上加了一组40->22齿的，增速加到12.3倍，如下图
QQ截图20240410001337.png

细看了里面间隙都合适，只是外观就不那么美观了。我有摩擦阻力恐惧症，所以能用轴承的地方坚决不用呲的。
QQ截图20240410001633.png

然后就是搓齿轮箱，角钢磨出个包围

焊起来继续打磨，达到能舒服的装上去就可以了：

然后焊轴承座子上去，其实就是2个轴承钢圆环：

第一次焊的时候圆环变形了，磨了半天才把轴承装进去。
把外盖也焊出来，接口面打磨平整，见下图：

把齿轮装进去感觉顺滑就行

装完差不多有那味儿了，

上面临时凑合装了个60V的DC-DC，型号是TPS54360，TI的，输出3.5A，降到14V；用了6个DK5V100R15S同步整流的二极管，比普通硅二极管效率高一点，
QQ截图20240410011641.png

用我闲鱼上淘的6个1400F黑金刚试一下充电；

电容刚开始0电时很好充，摇速不需要很快，只要大于TPS54360的启动电压4.5V就行，DC-DC能输出4A左右的电流。
比手册上规定的还大0.5A，还是很佩服TI的设计水平和谦虚态度的！其实这个时候DC-DC输出功率并不大，比如电容电压=2V，电流=4A，功率也才8W，即使电机线圈上损失点也不算啥，但是当电容电压上到8V的时候就很难充了，电压越高越难充，阻力非常大，而且电流特别小，给电容充满14V断断续续的都花了我30分钟，给我累够呛。。。

试了一下电瓶正常的时候帮火，电容能帮忙出80A的电流，感觉还是蛮有希望的，网上说12个1400F黑金刚就可以独立启动感觉也不是不无可能。
虽然发电机能用，但是充电后期太恼火了，用TPS54360耐压也比较低，摇快了容易冒烟。。。都烧了我好十好几块大洋，作为强迫症患者，有必要搞一控制电路板。
首先就是耐压要高，根据我的最快手速，空载电压最高略高于100V，因此控制板的耐压要达到100V；其次就是要把充电后期的阻力降下来，效率提上去。这里不妨分析一下对电压已经达到12V的超级电容的充电过程，手摇充电过程可以分成3段：启动段，直充段和开关段。

1.启动段：手摇转速从0开始，到发电机发出电动势=12V之前，几乎无阻力，因为根本没有充电电流；
2.直充段：电动势>12V，但是小于某个值（可能是24V左右），DC-DC处于直接导通状态，没有进行开关降压，这是因为流过发电机内阻（实测约4Ω左右）的电流较大，导致输出给超级电容的电压只稍大于12V，此时阻力也最大，效率极低，不妨算一下，电路简化如下图，同时作出超级电容和发电机的V-A曲线也如下图
QQ截图20240410013006.png

2个V-A特性曲线的交点是电路稳定时的工作点；工作点上，发电机内阻电压 +电池端电压 =电动势E；同时发电机和电池电流相等。转速增加的过程可以表示为发电机V-A特性曲线右移的过程，因为根据法拉第电磁感应定律，E=BLV ，即：感应电动势和磁感应强度B成正比，和磁场中导线长度l成正比，和导线切割磁力线的速度V成正比。即是说V增加，E也增加，而且是成比例的增加。发电机内阻不变，即图中紫色虚线斜率不变，仅E增大，所以发电机V-A特性曲线随着转速增加而右移：如下图
QQ截图20240410013503.png

这里大概标定了一下超级电容（电池）的V-A特性曲线，如下：
QQ截图20240410015517.png

通过上述分析不难算出当手摇输入功率30W（一般如此）时，充电电流等参数如下：
QQ截图20240410013747.png

可以发现由于内阻和负载消耗等量的电流，有63%的功率消耗在发电机内阻上，效率为37%；有人可能会说摇快些，电压提高些，在DC-DC输出不变的情况下，流过发电机内阻的电流不就小了，效率就提高了呀？我只能说确是这样子的，我是多算了几组数据对比的：
QQ截图20240410014613.png

比如最后一栏，表示摇的劲儿很大，电动势达到23.3V，由于内阻的压降为10.3V，DC-DC的输入电压也只有13V，电流2.6A，DC-DC还是处于直接导通状态，效率44.1%，然而要求输入功率60W，对于人是不可能的。就是说在这个阶段，即使使出吃奶的劲儿，DC-DC的输入电压也提不上去，也就无法使DC-DC进入开关模式。

3.开关段：当不用超级电容作负载，用5W甚至更小的LED作负载时，在直充段持续加力使转速更大，电动势更大，此时DC-DC才可以进入开关状态，发电机内阻电流减小，效率陡然提升，阻力会瞬间减小。此时效率可以轻松达到80%以上，这才是我希望的。
大概画一下这3个阶段的阻力和效率随转速的示意图：
QQ截图20240410021346.png

通过以上分析，关键在于突破直充段变到开关段的高阻力障碍，这是控制板需要重点解决的问题。一种很直接的想法是：在直充段时，↓DC-DC输出电压，输出电流↓，输入电流↓，内阻损耗↓，输出电压↑，可使DC-DC进入开关模式。我没有什么模拟电路经验，打算用单片机采集输入的电压，输出电流、电压信号，然后控制输出电压。而且还可以扩展一个太阳能的MPPT功能，白天用太阳，晚上用手摇，嘿嘿。

主输出DC-DC没有什么好的选择，用的LM5013，还是TI的，主要参数如下100V耐压，输出3.5A：
QQ截图20240410022403.png

打算通过调整LM5013的FB引脚电压来控制输出电压，用一个数字电位器MCP41050来搞，MCP41050全量程50K，上电默认在中位25K，这部分电路是这样子的：

R5用来手动调节输出电压，这样即使单片机挂掉也可以调压，只不过不是动态的了。其调节范围用个曲线图来感受一下（横坐标表示MCP41050阻值单位KΩ，纵坐标为输出电压单位V）：
QQ截图20240410022906.png

可以看到高低压调节的细腻程度是不一样的，但是我主要用来给14V电瓶充电，大不了再调个24V，这个区间还是够细腻了。同时考虑一下MCP41050和R5取极限的情况，看看最低输出是多少，最高会不会炸管之类的：
QQ截图20240410023936.png

比如R5调为50%（250K）时，通过程序控制MCP41050最低可以输出7.92V；上电默认（单片机失效或者不控制MCP41050）输出14.64V，直接充6串2.5V超级电容也还勉强不得超标；程序控制最高的话可以接近DC-DC输入电压。电流的话只对输出采样，用的ACS724LLCTR-10AU，单向10A，模拟量电压输出。
QQ截图20240410025630.png

本来想用ACS724LLCTR-05AU，单向5A的，精度可以高点，结果在3个商家那儿买了4次都发错了。。。要么发成AB尾缀的，要么发成50AU的，真是搞不懂。最大4A电流ACS724LLCTR-10AU输出大概是2V左右，如果直接把ACS724LLCTR-10AU输出送到单片机采样，幅度还是有点低，不利于提高精度，还是搞个运放上去运一下，
QQ截图20240410025718.png

放大1.5倍。为了方便看参数，加个OLED不过分，0.91寸的OLED，型号QG-2832TSWFG02，128x32像素的，
QQ截图20240410031231.png

开始RES脚没接单片机，全是麻子点点，不过被我并个好像是10uf的电容到地就可以了，原理就是先给OLED上电，再使其复位脚变高，好像就可以了。单片机这边1级电源用的LM5163，还是TI的，100V输入，6V/1A输出，选6V的目的是控制NMOS管，可以点个LED，高压包什么的，
QQ截图20240410030310.png

手上还有库存的STM32F030F4P6单片机，就用它了，但是引脚有点吃紧，只有把OSC引脚当IO了
QQ截图20240410030716.png

SPI的MISO引脚没有功能也被我拿来连IO了，不知道硬件SPI会放手这根儿线不？有没有大佬可以指教一下的，thanks！
预留一个整流后直接输出的接口，可以对外直接输出高压电，也可以走这儿把太阳能电传进来，一个LED接口可以提供照明，充电输出就是充超级电容或者电瓶啦。预留一个旋转编码器调输出电压，电流等参数。

PCB根据结构来设计的，放在上面可以看显示屏，也方便给LM5013散热，只是空间小只能放8只330uF的储能电容。
QQ截图20240410032550.png

装完实物图就这样子

全景看一下

接着研究程序，为了手摇发电突破高阻力障碍，我选择抑制发电机侧最大电流，当发电机侧电流超过1A时，降低输出电压，低于1A时则限制输出电压为设定值，比如给LED供电时为10V，给超级电容充电时为14.5V，控制周期为5ms。
QQ截图20240410034615.png

同时显示输入输出电压，输入输出电流，输出功率，输入模式，输入电流限制值，输出电压限制值，刚好把平面空间用完。
接个40W恒流LED试试效果：

就40W感觉还是能坚持十来分钟，但是因为LM5013限流了，所以本来应该14.5V的输出电压只有10.4V，不过也是实打实的40W了。
暂时玩到此处，空了再给超级电容来充个电，看几分钟可以辅助打火。。。

创作不易，希望多多支持！

aacyxjz · 发表于 2024-4-10 08:15:01

楼主厉害了，前排围观

fhm1 · 发表于 2024-4-10 08:21:27

太厉害了，佩服佩服

铃兰花匠 · 发表于 2024-4-10 08:22:54

一辈子用不到3次的东西，还是直接叫保险公司来搭电靠谱，反正也是免费的！

yiguangqiang · 发表于 2024-4-10 08:24:02

这也能手搓。。。。。。

zjf5156 · 发表于 2024-4-10 08:24:09

我靠，这是末日神器啊！

微尘78217 · 发表于 2024-4-10 08:30:35

太厉害了，佩服佩服

菜鸟爱好者 · 发表于 2024-4-10 08:30:49

楼主动手能力十分了得，制图水平也是让本人佩服

ch104517745 · 发表于 2024-4-10 08:32:39

手搓的不错。

已经推精。

壹筒江湖 · 发表于 2024-4-10 08:34:52

看到国外有的机车用子弹来启动，真绝！

solarshen666 · 发表于 2024-4-10 08:35:35

大制作啊，精华的节奏

阻力大的话增加力矩就行了，不过摇柄要结实

jtxch · 发表于 2024-4-10 08:40:30

动手能力超强，应该改在单车上用，毕竟手摇太累了！

daphon · 发表于 2024-4-10 08:40:42

佩服楼主，不会编程的金工不是好电工。
楼主换个思维，超级电容用汽车电池的余电逆变充电，不然大热天摇发电可不是好活

xxwwmm2017 · 发表于 2024-4-10 08:47:50

这也太强大了

liuhaob · 发表于 2024-4-10 08:49:30

这个厉害

bass · 发表于 2024-4-10 08:53:02

精华帖啊，膜拜手搓大神

bboroo · 发表于 2024-4-10 08:53:02

还是觉得买个应急启动电源方便。

sadfun · 发表于 2024-4-10 09:04:42

谢谢分享~学习一下

wangxiangtan2 · 发表于 2024-4-10 09:08:02

是solidworks画的三维吗？那个电路板也是？真形象生动啊，楼主太牛逼了，机械电气嵌入式样样精通呐

yujian8620 · 发表于 2024-4-10 09:10:03

原因不明。具体现象是第一次着车有点吃力，之后就再也不着

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