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[AVR] 搭建可变阻力手摇充电系统,给可能的山里生活提供应急保障(原创)

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发表于 2023-10-14 05:51:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
放在十年以前,每提及人力发电或者类似,总觉得是从山洞出来的原始人,完全不懂当代社会的效率;

转眼到了封控期间,再提及人力发电,多少觉得有些实用价值,但便捷性仍不及多备几个充电宝;

而今见惯了国际上的种种,恐怕是又要思考人力发电的必要性了。

在极端情况下,手机或许不再是必需品,但收音、对讲这类 1G- 通信方案却对电力有着执着的需求。
作为应急发电的一种,手摇虽不及风电、光伏省力,但却最稳妥:仅为体力副产品,无惧x冬天,无惧地下。


【手摇单元】

发电的原理与电动机正相反,机械功带动转子转动,电机绕组切割磁感线产生电动势进而发电。

从原理上,只要转子或定子一方是永磁体的电动机,都可以反过来用作发电;
而另一类感应式电动机,由于转子、定子在静态不具备永磁特性,无法直接用于发电。



常见的小型玩具电机,有刷无刷基本上都能发电;日常风扇换气扇的感应电机、罩极电机则不行。

从机械的角度,无刷电机更适合发电:电刷的换相作用可以轻易被整流桥取代,随之而来是寿命的显著提升。
正巧某回收站里看到了这款三相无刷,带齿轮减速输出轴,最为适合手摇发电:



电机结构为三相无感无刷,内侧定子为三相线圈,外侧转子为永磁体:



原本应该是个大扭矩的减速电机单元,实际发电反着用,连机械提速机构都省了,正好合适。
至此手摇单元的核心问题变成了:把这个电机和手摇架装在一起,并集成一套三相整流桥。

三相整流原理并不复杂,在传统单相整流桥(四二极管)的基础上,多一组二极管就是三相整流。
线圈绕组端 Y 型与 △ 型接法对应的整流电路一样,均为六二极管桥式:



考虑到电机的槽数以及深不见底的转数,仅了解到开路电压 12-13v,整流桥用料不能省。
于是二极管全上 FR207 快恢复,滤波电容四只起步:



焊好的样子,顶部三相交流 U/V/W 输入,右侧整流滤波直流输出:



找一些铝型材和角码,厚脸皮从 3D 打印那边搞来个摇把,这就装起来:



电机和整流板交错安装,尽可能让工作部位结构紧凑;连线采用插接端子,方便快速拆装:



迫不及待摇一下,嗯会亮:



挂上万用表电压最高 12.66v,短路电流 0.5A,基本满意:



至此,获得了应急充电系统的手摇单元。


【变阻力原理】

有了摇把发电机,只是理论上的可以给电池充电。实际用起来有个很大的问题:发电功率与充电功率不匹配。

以人手为例,20W 的功率相当于 1kg 雪碧在半秒内匀速提起 1m 的机械功,一个成年人很容易办到。
摇把发电同理,单手轻松摇出 20-30W 的机械功率,然而若充电不匹配(例如五伏一安),就会白费很多力气而没充多少电。

为此,类似于山地车的链条变速系统,需要基于 DCDC 的变阻力单元来均衡转速和扭力。
在恰当的变阻力位置,转速和扭力达到人的舒适范围,即 MPPT,可以长时间发电而不疲惫。



考虑到手摇发电开路电压高于电池,因而非常适合 Buck 类降压扩流 DCDC,既适配了电压,又抬高了充电电流,可谓一举两得。

然而事实证明我还是想得太简单了。最常见的恒压(CV)、恒流(CC)源直接用,效果如下:



红色曲线为 CV 模式,摇把阻力主要取决于设定的输出电压。设定值一旦超过电池电压 Vbat,阻力激增,几乎没有所谓调节。
这也是恒压源不适合直接充锂电池的主要原因,压差造成功率过大,电池或电源总有一个先炸为敬。

紫色曲线为 CC 模式,摇把阻力除了受设定的输出电流影响,还和摇把转速负相关。
转速越高,DCDC 降压获得的扩流效果越大,输入电流下降,摇把阻力随之下降;
然而最为反人类的是低转速区间,摇把阻力会不停上升以保证恒流输出,直至电源完全抽风,阻力进入鬼一样的反复横跳状态。

无论是 CV 的旱地拔葱式,还是 CC 的鬼扯负相关,都不是理想的变阻力特性:摇把阻力无法丝滑调节。
观察两种电源反馈环节特性,发现都是稳恒回路在作祟:



两种 DCDC 都在间接的调整开关占空比 Dpwm,以满足恒压、恒流(恒功率)特性。

摇把阻力似乎与开关占空比 Dpwm 有着非常密切的联系,因而这里尝试推导一下。



考虑一个简单的 BUCK 结构,输入高压 Vi,开关以固定占空比 Dpwm 通断,输出 Vo 直连电池 Vbat.

具体公式就是电感充放电那一套,这里不再展开,直接贴上结论。
当 Dpwm > Vbat/Vi 时,电感电流会不受控发散,阻力正比于励磁电流(红色),同样无限制增长:



当 Dpwm = Vbat/Vi 时,电感工作在连续电流模式(CCM),阻力(红色均值)恒定:



当 Dpwm < Vbat/Vi 时,电感工作在断续电流模式(DCM),阻力(红色均值)均匀减小:



很显然在 Dpwm ≤ Vbat/Vi 的阶段,调整占空比 Dpwm 就可以均匀调整转动阻力,效果拔群。
分析到这里,变阻力单元实际就是个开环的 BUCK 斩波器,用户设定占空比 Dpwm 来实现阻力调节。


【变阻力单元】

实际操作过程中,手头 NMOS 发育较为良好,因而对常见 BUCK 进行改进,改为低端开关结构。
单片机只需要用 0-3.3v 逻辑就可以顺利驱动 Q2(NMOS),简单粗暴:



画图打样也都是套路,主控选用了最爱的 ATTINY13 @3.3v,低压工作降低了能量浪费:



软件读取个电位器位置,直接映射到 PWM 占空比就完事了,其余要求低功耗。上 ICCAVR:



实测变阻力效果良好,手摇单元在 5-12v 范围内可以均匀调节手摇阻力,开关及电感不发热。
在斩波器的加持下,手摇转数、手摇阻力被合理分配,实现了人肉 MPPT 效果,手摇充电变得更加舒适。


【指示单元】

手摇发电、变阻力单元都有了,如果说给电池充电还需要啥,大概就缺个进度条了。
由于前级电路的特点(阻力可调),充电瞬时功率会有所跳变,因而成品充电板基本失效。

每次充电都挂个万用表显然不像话,电池浪费还不够发电的,所以需要一个低功耗充电指示器。
拿出某次淘来的环形点阵画个电压表,这次换 ATTINY24 驱动发光点阵:



代码一如既往地用 ICCAVR,用 AVR 自带基准测量电源电压,直接在点阵上打点显示:



电压从 3.0v(左下) 指示到 4.4v (右下),有着表盘一般的快乐。
图中为 4.1v 状态,实测工作电流 <3mA,对于电能的消耗可忽略不计。



至此,完成了充电系统的指示单元,用于判定充电进度。


【完整系统】

各单元凑一起,可以给常见锂电进行紧急充电,摇电两小时,通话五分钟:



找个收纳箱,主体单元+配件线缆一并装起,应急的可变阻力手摇充电系统,拎包就走,开箱就摇:




最后附上各固件供参考:



链接:https://pan.baidu.com/s/1MPvpjT3je6vVFm_LYZm1DA
提取码:ghdg

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以上,用三相无刷减速电机搭建了手摇发电架,并针对锂电充电设计了相应的变阻力单元、充电指示单元,
使紧急状态下手摇充电不再枯燥,同时保护了发电人员的身心健康,可谓山洞日常之利器。

最后祝大家发电顺利,周末愉快!


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 楼主| 发表于 2023-10-14 09:21:25 | 显示全部楼层
wfzdm 发表于 2023-10-14 06:15
废土世界上有这个不错

哈哈感谢支持!  就是要随时随地不停电
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 楼主| 发表于 2023-10-14 09:22:12 | 显示全部楼层
11651189 发表于 2023-10-14 06:58
这个帖子应该加精!

感谢支持!
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 楼主| 发表于 2023-10-14 09:23:23 | 显示全部楼层
harry_digit 发表于 2023-10-14 07:39
看中了你的那一节26650的耐杰我有一节18650的,用了7-8年了,容量没减多少 ...

还不错哟,目前用来给一串灯供电,平均 2 天一个循环,容量没见着衰减。
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 楼主| 发表于 2023-10-14 09:24:44 | 显示全部楼层
yinjiudong 发表于 2023-10-14 08:04
应该是 ,祝大家永远用不上

又不是盖革计,先不那么悲观嘛。
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 楼主| 发表于 2023-10-14 09:25:58 | 显示全部楼层
壹筒江湖 发表于 2023-10-14 08:07
手摇两小时,通话5分钟

功率不匹配就会这效果
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 楼主| 发表于 2023-10-14 09:26:21 | 显示全部楼层
e.woods 发表于 2023-10-14 08:28
这个帖子可以精华了。
给楼主点个赞

感谢支持!
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 楼主| 发表于 2023-10-14 09:28:46 | 显示全部楼层
msz09861 发表于 2023-10-14 08:31
发电效率和功率怎么样?

手摇满功率应该是 10W 以内,再大了摇杆受不了;

效率这真没法测,因为一头挂着机械功。只能说整套设备摇个十来分钟没见着发热。
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 楼主| 发表于 2023-10-14 09:33:38 | 显示全部楼层
douzi707 发表于 2023-10-14 08:31
赶快拿给义乌批量生产,出口巴以地区

义乌的塑料品,我觉着半个小时就能摇劈叉。

得稍微加点规格,用铝合金
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 楼主| 发表于 2023-10-14 09:35:11 | 显示全部楼层
msz09861 发表于 2023-10-14 08:32
实验演示一下可以,实用就不行了吧

不过倒是指明了一些方向,可以参考其他朋友建议,换大型单车
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 楼主| 发表于 2023-10-14 09:36:13 | 显示全部楼层
ckly 发表于 2023-10-14 08:45
改到自行车上面,效率高很多,还是有一定实用性的

这个建议很不错,把核心的 DCDC 也重制一遍,换上超大非晶磁环电感,应该也是很好的路线。
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 楼主| 发表于 2023-10-14 09:40:37 | 显示全部楼层
tomyluo 发表于 2023-10-14 09:10
能把输入电流作为反馈量吗,控制输入电流不变,阻力是不是就不变了? ...

是的,这个应该是最理想的状态。

实际操作就还差个低转速保护:低转速时电压偏低,DCDC 自身不能死机
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 楼主| 发表于 2023-10-14 09:46:16 | 显示全部楼层
yiguangqiang 发表于 2023-10-14 09:16
一度电消耗一碗饭?

每度电约么 860 千卡, 再算上损害差不多得 1000 千卡。

四两米饭大约 200 千卡,差不多得五大碗才够摇出一度电。
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 楼主| 发表于 2023-10-14 09:55:17 | 显示全部楼层
胡奚曷 发表于 2023-10-14 09:26
罩极式电机为啥不能发电……
以前用过电视天线的转向电机发电,那种是不是罩极式电机 ...

若是转起来就能有电,肯定不是罩极式电机。目测你这个是步进电机,或者减速版步进电机。

罩极电机也是感应电机的一种,转子没有永磁的。再说就罩极环那个设计,就算能发电也得浪费掉不少
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 楼主| 发表于 2023-10-14 09:56:15 | 显示全部楼层
msz09861 发表于 2023-10-14 09:43
改到健身车上不错,锻炼的同时还能发电,充到电瓶里备用。

这两天在隔壁公园里找到了免费的发电健身车,锻炼一下身心舒畅。

虽然也不知道功率给谁用掉了。
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 楼主| 发表于 2023-10-14 09:59:49 | 显示全部楼层
zhkrid 发表于 2023-10-14 09:51
有点废饭,山洞里本来就没多少吃的

这么点能量,主要得留给应急通信,比如民用对讲机。

这样就用不到 度 这个量级了
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 楼主| 发表于 2023-10-14 16:00:07 | 显示全部楼层
l68990040 发表于 2023-10-14 14:39
只要你力量够大,可以搞个伺服电机来做发电机,效率刚刚的,就是需要多吃两碗饭才摇得动 ...

最近在公园里找到了免费的发电健身车,两腿不到 500W,双臂不到 200W.

最理想的是自行车 100-200W 状态发电,人不太累可以坚持半小时以上。
不过这个量级的发电机、转换器都不便宜
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 楼主| 发表于 2023-10-14 21:48:00 | 显示全部楼层
comicfansh 发表于 2023-10-14 17:40
我发现有些电动自行车宣传有动能回收系统。
这是否为一个发电机直接充电池? ...

是的,电动三轮几乎是标配电子刹车,二轮部分有。

无刷电机工作的时候,电调负责在准确的位置切换磁场方向(换相)。
磁场总是领先转子,则转子倾向于加速,这种是电动机状态,母线电流流入电机;
磁场保持落后转子,则转子倾向于减速,这种是发电机状态,电机流出电流到母线。

电动车急刹车瞬间,发电功率几乎等于电动功率,所以额外的母线电流流回蓄电池最稳妥。
如果是大功率电阻,没几下就热熟了。

我试过 60v 三轮电动车:电瓶静置 65v,地板油加速能到 60-62v;但如果高速踩死刹车,瞬间 75v...
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 楼主| 发表于 2023-10-14 21:49:54 | 显示全部楼层
soma 发表于 2023-10-14 17:15
这个创意不错啊

未雨绸缪,电工也不能闲着
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 楼主| 发表于 2023-10-14 21:50:49 | 显示全部楼层
yunzhang 发表于 2023-10-14 19:50
让孩子摇啊摇,充好多电池点亮好多灯!

对就是这个感觉。健身房里额外能量要是都能带走,就热闹了。
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