张腾+王健+王春峰+仲学军+史博文

摘 要 介绍一种车载风力供电系统，利用汽车行驶时产生的风能发电，由风力发电机将风能转化为电能，经交直流转换并稳压后将电能储存在蓄电池中，可为直流负载供电，亦可经逆变器转换后为交流负载供电。本系统开发利用了汽车产生的风能，将对节能环保产生积极的影响。

关键词 风能；风力发电机；车载供电

中图分类号：TK89 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0029-01

1 研制背景及意义

手机等电子产品已经成为人们生活中不可或缺的部分，丰富的应用给人们带来休闲娱乐的同时，也使得手机电量越来越不够用。尤其是对于乘坐汽车的长途旅客，手机是在车上打发时间的最好方式之一，但是有限的电量却不能满足长途旅行的需求，而现在绝大多数车上没有安装为手机等电子产品充电的接口。汽车上原有一套发电系统，但是，汽车上的各种仪器仪表都需要消耗电能，原有的发电系统无法提供更多的电能给手机供电。

风能是新型能源，具有无污染、可在生的特点。近年来，国家大力提倡开发风能，但是，目前对风能的开发都集中在大型发电厂，小型风力发电应用很少。因此我们设计了一个利用风力发电的车载辅助供电系统，将其安装在汽车的前面，既不增加汽车迎风面面积，又能够利用风力发电，解决车上电能短缺的问题。车载辅助供电系统主要涉及电学、磁学和力学等学科。

2 原理分析

2.1 系统流程图

如图1所示，辅助供电系统由风力发电机、整流滤波稳压电路、蓄电池充电电路和逆变器组成。

图1 辅助供电系统流程图

风力发电机将风能转化为电能，经整流滤波稳压电路后，将交流电转换为直流电，然后通过蓄电池充电电路将电能储存在蓄电池中，直流负载可以直接由蓄电池供电，交流负载通过逆变器后将直流电转换为交流电后供电。控制电路根据蓄电池的充电状态控制风力发电机，当蓄电池电量不满时，风力发电机正常工作；当蓄电池充满电时，控制电路控制风力发电机上的锁定装置使发电机停转以保护电路。

2.2 工作原理

1）风力发电机。风力发电机[1]由叶片和交流发电机两部分组成。叶片将风能转化为机械能，并将机械能传递给交流发电机，发电机通过磁场将机械能转化为电能。风能，即风具有的动能。计上风向风速为，空气密度为，则横截面积为，长为的体积内的风能计算公式为

其中，

对上式求导即为风功率

上式给出了风功率，但是转移到叶片上的能量会有一定的下降，其下降倍率为，根据Betz极限，的最大值为0.593。实际上，的最大值的取值范围是0.25-0.45。

交流发电机[2]从叶片中获得机械能，并将其转化为电能。最终发电机的电功率为

以上从能量转换的角度计算出了风力发电机的输出功率。接下来运用电学来进一步计算发电机的输出特性[3]。

发电机的输出频率和电动势为：

其中为磁极对数，为发动机转速，单位是。为每相电动势峰值，为每相电动势有效值，表示电角速度。

可以通过下式计算得出

其中，为绕组系数，为每相绕组的匝数，为每极的磁通，为电机结构常数。

可见，发电机的输出电压的有效值与电机结构常数、每极的磁通和转速成正比。

2）整流滤波稳压电路。整流滤波电路由整流二极管和滤波电容及电感组成。整流电路是利用二极管的单向导电性，只有正向电压能够通过二极管，反向电压被阻隔，将交流电转变为脉动的直流电。滤波电路是利用电容、电感的储能作用，以平滑输出电压。

稳压电路的作用是保持输出电压的稳定，使输出电压不随电网电压、负载和温度的变化而变化，能够使电路能够通过充电电路平稳的为蓄电池充电。本系统使用78012稳压集成块，通过反馈电路实现了很好的稳压效果。

3）蓄电池充电电路。为了保护蓄电池，延长其使用寿命，充电过程分为维护充电、快速充电和限压浮冲三种充电模式。

维护充电是当电池电压较低时（电压低于9 V），充电电路工作在小电流充电状态。随着维护充电的持续，电池电压逐渐升高，当电池电压超过9 V时，充电电路转入大电流快速充电模式。在电池接近充满电时，充电电路进入限压浮冲状态充电电流由快速充电状态下逐渐下将，至电池完全充足电后，充电电流仅为10～30 mA，用于补充电池因自放电而损失的电量。

4）负载。对于直流负载可以直接有蓄电池供电。如给手机充电，先用稳压电路进行稳压。然后通过USB接口为手机供电。对于交流负载，要先经逆变器将直流电转换为交流电再给负载供电。

3 结论

本文介绍了车载风能辅助供电系统，利用汽车行驶时产生的风能发电，主要研究了整个供电系统的工作原理，而对于风力发电机对汽车造成的阻碍问题，有待进一步研究。本系统节能又环保，本系统的深入研究将有助于解决长途旅客充电困难以及环境保护等问题。

参考文献

[1]Olimpo Anaya-Lara，Nick Jenkins，等.风力发电的模拟与控制[M].徐政译.北京：机械工业出版社，2011：2-5.

[2]周顺荣.电机学[M].北京：科学出版社，2010：339-351.

[3]秦曾煌.电工学（上册）[M].北京：高等教育出版社，2009：217-249.

作者简介

张腾（1992-），江苏徐州人，本科，主要从事电子研究工作。endprint

摘 要 介绍一种车载风力供电系统，利用汽车行驶时产生的风能发电，由风力发电机将风能转化为电能，经交直流转换并稳压后将电能储存在蓄电池中，可为直流负载供电，亦可经逆变器转换后为交流负载供电。本系统开发利用了汽车产生的风能，将对节能环保产生积极的影响。

关键词 风能；风力发电机；车载供电

中图分类号：TK89 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0029-01

1 研制背景及意义

手机等电子产品已经成为人们生活中不可或缺的部分，丰富的应用给人们带来休闲娱乐的同时，也使得手机电量越来越不够用。尤其是对于乘坐汽车的长途旅客，手机是在车上打发时间的最好方式之一，但是有限的电量却不能满足长途旅行的需求，而现在绝大多数车上没有安装为手机等电子产品充电的接口。汽车上原有一套发电系统，但是，汽车上的各种仪器仪表都需要消耗电能，原有的发电系统无法提供更多的电能给手机供电。

风能是新型能源，具有无污染、可在生的特点。近年来，国家大力提倡开发风能，但是，目前对风能的开发都集中在大型发电厂，小型风力发电应用很少。因此我们设计了一个利用风力发电的车载辅助供电系统，将其安装在汽车的前面，既不增加汽车迎风面面积，又能够利用风力发电，解决车上电能短缺的问题。车载辅助供电系统主要涉及电学、磁学和力学等学科。

2 原理分析

2.1 系统流程图

如图1所示，辅助供电系统由风力发电机、整流滤波稳压电路、蓄电池充电电路和逆变器组成。

图1 辅助供电系统流程图

风力发电机将风能转化为电能，经整流滤波稳压电路后，将交流电转换为直流电，然后通过蓄电池充电电路将电能储存在蓄电池中，直流负载可以直接由蓄电池供电，交流负载通过逆变器后将直流电转换为交流电后供电。控制电路根据蓄电池的充电状态控制风力发电机，当蓄电池电量不满时，风力发电机正常工作；当蓄电池充满电时，控制电路控制风力发电机上的锁定装置使发电机停转以保护电路。

2.2 工作原理

1）风力发电机。风力发电机[1]由叶片和交流发电机两部分组成。叶片将风能转化为机械能，并将机械能传递给交流发电机，发电机通过磁场将机械能转化为电能。风能，即风具有的动能。计上风向风速为，空气密度为，则横截面积为，长为的体积内的风能计算公式为

其中，

对上式求导即为风功率

上式给出了风功率，但是转移到叶片上的能量会有一定的下降，其下降倍率为，根据Betz极限，的最大值为0.593。实际上，的最大值的取值范围是0.25-0.45。

交流发电机[2]从叶片中获得机械能，并将其转化为电能。最终发电机的电功率为

以上从能量转换的角度计算出了风力发电机的输出功率。接下来运用电学来进一步计算发电机的输出特性[3]。

发电机的输出频率和电动势为：

其中为磁极对数，为发动机转速，单位是。为每相电动势峰值，为每相电动势有效值，表示电角速度。

可以通过下式计算得出

其中，为绕组系数，为每相绕组的匝数，为每极的磁通，为电机结构常数。

可见，发电机的输出电压的有效值与电机结构常数、每极的磁通和转速成正比。

2）整流滤波稳压电路。整流滤波电路由整流二极管和滤波电容及电感组成。整流电路是利用二极管的单向导电性，只有正向电压能够通过二极管，反向电压被阻隔，将交流电转变为脉动的直流电。滤波电路是利用电容、电感的储能作用，以平滑输出电压。

稳压电路的作用是保持输出电压的稳定，使输出电压不随电网电压、负载和温度的变化而变化，能够使电路能够通过充电电路平稳的为蓄电池充电。本系统使用78012稳压集成块，通过反馈电路实现了很好的稳压效果。

3）蓄电池充电电路。为了保护蓄电池，延长其使用寿命，充电过程分为维护充电、快速充电和限压浮冲三种充电模式。

维护充电是当电池电压较低时（电压低于9 V），充电电路工作在小电流充电状态。随着维护充电的持续，电池电压逐渐升高，当电池电压超过9 V时，充电电路转入大电流快速充电模式。在电池接近充满电时，充电电路进入限压浮冲状态充电电流由快速充电状态下逐渐下将，至电池完全充足电后，充电电流仅为10～30 mA，用于补充电池因自放电而损失的电量。

4）负载。对于直流负载可以直接有蓄电池供电。如给手机充电，先用稳压电路进行稳压。然后通过USB接口为手机供电。对于交流负载，要先经逆变器将直流电转换为交流电再给负载供电。

3 结论

本文介绍了车载风能辅助供电系统，利用汽车行驶时产生的风能发电，主要研究了整个供电系统的工作原理，而对于风力发电机对汽车造成的阻碍问题，有待进一步研究。本系统节能又环保，本系统的深入研究将有助于解决长途旅客充电困难以及环境保护等问题。

参考文献

[1]Olimpo Anaya-Lara，Nick Jenkins，等.风力发电的模拟与控制[M].徐政译.北京：机械工业出版社，2011：2-5.

[2]周顺荣.电机学[M].北京：科学出版社，2010：339-351.

[3]秦曾煌.电工学（上册）[M].北京：高等教育出版社，2009：217-249.

作者简介

张腾（1992-），江苏徐州人，本科，主要从事电子研究工作。endprint

摘 要 介绍一种车载风力供电系统，利用汽车行驶时产生的风能发电，由风力发电机将风能转化为电能，经交直流转换并稳压后将电能储存在蓄电池中，可为直流负载供电，亦可经逆变器转换后为交流负载供电。本系统开发利用了汽车产生的风能，将对节能环保产生积极的影响。

关键词 风能；风力发电机；车载供电

中图分类号：TK89 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0029-01

1 研制背景及意义

手机等电子产品已经成为人们生活中不可或缺的部分，丰富的应用给人们带来休闲娱乐的同时，也使得手机电量越来越不够用。尤其是对于乘坐汽车的长途旅客，手机是在车上打发时间的最好方式之一，但是有限的电量却不能满足长途旅行的需求，而现在绝大多数车上没有安装为手机等电子产品充电的接口。汽车上原有一套发电系统，但是，汽车上的各种仪器仪表都需要消耗电能，原有的发电系统无法提供更多的电能给手机供电。

风能是新型能源，具有无污染、可在生的特点。近年来，国家大力提倡开发风能，但是，目前对风能的开发都集中在大型发电厂，小型风力发电应用很少。因此我们设计了一个利用风力发电的车载辅助供电系统，将其安装在汽车的前面，既不增加汽车迎风面面积，又能够利用风力发电，解决车上电能短缺的问题。车载辅助供电系统主要涉及电学、磁学和力学等学科。

2 原理分析

2.1 系统流程图

如图1所示，辅助供电系统由风力发电机、整流滤波稳压电路、蓄电池充电电路和逆变器组成。

图1 辅助供电系统流程图

风力发电机将风能转化为电能，经整流滤波稳压电路后，将交流电转换为直流电，然后通过蓄电池充电电路将电能储存在蓄电池中，直流负载可以直接由蓄电池供电，交流负载通过逆变器后将直流电转换为交流电后供电。控制电路根据蓄电池的充电状态控制风力发电机，当蓄电池电量不满时，风力发电机正常工作；当蓄电池充满电时，控制电路控制风力发电机上的锁定装置使发电机停转以保护电路。

2.2 工作原理

1）风力发电机。风力发电机[1]由叶片和交流发电机两部分组成。叶片将风能转化为机械能，并将机械能传递给交流发电机，发电机通过磁场将机械能转化为电能。风能，即风具有的动能。计上风向风速为，空气密度为，则横截面积为，长为的体积内的风能计算公式为

其中，

对上式求导即为风功率

上式给出了风功率，但是转移到叶片上的能量会有一定的下降，其下降倍率为，根据Betz极限，的最大值为0.593。实际上，的最大值的取值范围是0.25-0.45。

交流发电机[2]从叶片中获得机械能，并将其转化为电能。最终发电机的电功率为

以上从能量转换的角度计算出了风力发电机的输出功率。接下来运用电学来进一步计算发电机的输出特性[3]。

发电机的输出频率和电动势为：

其中为磁极对数，为发动机转速，单位是。为每相电动势峰值，为每相电动势有效值，表示电角速度。

可以通过下式计算得出

其中，为绕组系数，为每相绕组的匝数，为每极的磁通，为电机结构常数。

可见，发电机的输出电压的有效值与电机结构常数、每极的磁通和转速成正比。

2）整流滤波稳压电路。整流滤波电路由整流二极管和滤波电容及电感组成。整流电路是利用二极管的单向导电性，只有正向电压能够通过二极管，反向电压被阻隔，将交流电转变为脉动的直流电。滤波电路是利用电容、电感的储能作用，以平滑输出电压。

稳压电路的作用是保持输出电压的稳定，使输出电压不随电网电压、负载和温度的变化而变化，能够使电路能够通过充电电路平稳的为蓄电池充电。本系统使用78012稳压集成块，通过反馈电路实现了很好的稳压效果。

3）蓄电池充电电路。为了保护蓄电池，延长其使用寿命，充电过程分为维护充电、快速充电和限压浮冲三种充电模式。

维护充电是当电池电压较低时（电压低于9 V），充电电路工作在小电流充电状态。随着维护充电的持续，电池电压逐渐升高，当电池电压超过9 V时，充电电路转入大电流快速充电模式。在电池接近充满电时，充电电路进入限压浮冲状态充电电流由快速充电状态下逐渐下将，至电池完全充足电后，充电电流仅为10～30 mA，用于补充电池因自放电而损失的电量。

4）负载。对于直流负载可以直接有蓄电池供电。如给手机充电，先用稳压电路进行稳压。然后通过USB接口为手机供电。对于交流负载，要先经逆变器将直流电转换为交流电再给负载供电。

3 结论

本文介绍了车载风能辅助供电系统，利用汽车行驶时产生的风能发电，主要研究了整个供电系统的工作原理，而对于风力发电机对汽车造成的阻碍问题，有待进一步研究。本系统节能又环保，本系统的深入研究将有助于解决长途旅客充电困难以及环境保护等问题。

参考文献

[1]Olimpo Anaya-Lara，Nick Jenkins，等.风力发电的模拟与控制[M].徐政译.北京：机械工业出版社，2011：2-5.

[2]周顺荣.电机学[M].北京：科学出版社，2010：339-351.

[3]秦曾煌.电工学（上册）[M].北京：高等教育出版社，2009：217-249.

作者简介

张腾（1992-），江苏徐州人，本科，主要从事电子研究工作。endprint