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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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：
变阻力单元固件.rar (2.34 KB, 下载次数: 1)

2023-10-14 05:49 上传

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指示单元固件.rar (2.68 KB, 下载次数: 0)

2023-10-14 05:49 上传

点击文件名下载附件

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！

wfzdm

废土世界上有这个不错

11651189

这个帖子应该加精！

harry_digit

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

yinjiudong

应该是 ，祝大家永远用不上

壹筒江湖

手摇两小时，通话5分钟

酷酷数码

这个好，做个成品的更好

e.woods

这个帖子可以精华了。
给楼主点个赞

msz09861

发电效率和功率怎么样？

douzi707

赶快拿给义乌批量生产，出口巴以地区

msz09861

实验演示一下可以，实用就不行了吧

ckly

改到自行车上面，效率高很多，还是有一定实用性的

l0577

发电机搞大点就完美了

tomyluo

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？

yiguangqiang

一度电消耗一碗饭？

tomyluo

这个装置改造一下，是不是还能用来遛狗？把发电机装在小车的轮子上，然后把遛狗绳子栓在小车上，在小车上栓另外一条绳子牵着，设定好阻力就可以了

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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

t3486784401

11651189 发表于 2023-10-14 06:58
这个帖子应该加精！

感谢支持！

t3486784401

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。

t3486784401

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。