中北大学 036000
摘要：目前中国汽车的产量不断增加，到2020年我国的汽车总产量预计达到4000万辆，伴随汽车销量增加带来环境污染的问题，清洁能源代替石油的趋势日趋明显，风能是无污染能源之一，风能的开发和利用成为全球能源探索的重点项目。本设计主要研究风力发电在汽车行驶过程中收集风能充电的应用，设计风电转换电路，将风能转换为机械能到电能；设计直流转换电路，将交流电转换为直流电给蓄电池充电；设计充电保护电路，对蓄电池进行充电保护，防过充，通过对各个模块的设计，达到车载风能充电器的要求和目标。
关键词：风力发电 电能变换 整流 充电保护
一.风能充电器的电能变换装置及其工作原理
1.1 风力发电的特点
由于风能的特殊性，与常规的水火电系统相比风电系统具有很大的差别，主要表现在风能的随机性，风速随着大气的气温、气压、湿度、干度等因素的不同而不同，是随机和不可控的，这样作用在风力机叶片上的风能也就是随机的和不可控制的[1]。
1.2 车载风能充电器装置的组成
车载风能充电器装置主要由风电转换电路，输入整流电路、充电保护电路，蓄电池组、和手摇装置五个部分组成。
1.2.1 风电转换装置
车载风能充电器的风能收集模块是利用直流无刷发电机和风扇叶片，将风能转化为动能，通过无刷发电机电磁感应原理，将机械能转化为三相交流电能。
1.2.2 输入整流电路
整流电路的作用是将发电机发出的三相交流电转为直流电，在车载风能充电器装置中，蓄电池组充电需要直流电，因此，车载风能充电器中整流电路功能是把交流电变为直流电为蓄电池提供稳定直流电，保证电压稳定 输出。
1.3 车载风能充电器电能变换装置的工作原理
风力发电电能变换装置原理:
当风力发电正常时，输出电压经过整流滤波电路，经过斩波器送入充电器给蓄电池补充能量。风能转化为三相交流电利用电磁感应原理，三相交流电通过三相桥式全控整流电路将交流电转化为直流电，通过直流斩波电路将直流电转化成可控电压的直流电输出给蓄电池供电。
二.主要供电装置——蓄电池
2.1 蓄电池的种类和特性
蓄电池是化学电池的一种，一般使用的化学电池分为原电池和蓄电池两种。原电池，就是我们说的干电池，它只能使用一次。蓄电池可以反复使用。当蓄电池使用一段时间后，即部分放电或完全放电，用适当的反向电流通入电池，则蓄电池可以再次将电能转化为化学能储存起来。这种反向充电补充能量的过程即是电池充电过程，而电池将自身的化学能转化为电能供给外线路使用的过程叫放电过程[8]。
2.2 铅酸蓄电池的基本概念
蓄电池的充电本身就是一门较深的研究课题，为了能够更好的理解本课题，简要介绍铅酸蓄电池有关的一些知识。
1.电池容量
蓄电池的电池容量是使用过程中的一个重要参数，它是指蓄电池在满电时放电到终止电压时所输出的电量，也就是在特定的放电环境下可以从电池中获得的总电量。单元电池内活性物质的数量决定了单元电池含有的电荷量，因此，电池越大，它的容量越高。电池容量用C表示，其单位用Ah、mAh表示。
2.充电速率和放电速率
对容量不同的电池进行比较时，蓄电池的充电电流不用电流的绝对值来表示，用电池的额定容量C和放电时间t的比来表示，称为电池的充电速率或放电倍率[9]。例如一个额定容量C为100Ah的电池，充电2小时后，电池完全充满，则它的充电电流为：
I=C/2=0.5C（A） (3.l)
即它的充电速率为0.5C：若用1O小时就达到充满状态，则它的充电电流为：
I=C/10=0.1C（A） (3.2)
即它的充电速率为0.1C。放电速率的描述和充电速率相同。
3.充电终止电压和放电终止电压
蓄电池充满电时，极板上的活性物质处于保护状态，即使不终止充电，蓄电池的电压也不会上升，该电压称为充电终止电压。放电终止电压是指蓄电池可放电的最低电压，如果电压低于放电终止电压后继续放电，电池两段电压会迅速下降，形成过放电。这极易对电池造成永久性损害，影响蓄电池的使用寿命。放电终止电压和放电率有关[10]。
三.相关电路概述
3.1 保护电路概述
充电保护电路由定值电阻，三端稳压器7806，NE555芯片以及继电器等组成。
3.2保护电路工作原理
这种电源的蓄电池在平时工作时是给电池充电的，只有当主电源停电或者发生故障时才会对外供电，电池是一直并接在充电器上的，虽然电池在充满时的电流比较小，是涓流充电的，但是电池的长时间充电，有可能会造成故障或者降低电池的使用寿命，所以这个电路的作用是通过检测电池的电压，当电池充满时，电压高于定值，会将充电器与电池断开，随着电池的使用或者是自放电造成电压降低，当降低到一定值时，会将充电器接入进行充电，充满自动断电就可以有效延长电池的使用寿命，并且能够自动接入充电器保证电池的容量，下面我们来看一下这个电路的构成以及工作原理，
这个电路是由一片NE555实际电路构成的双稳态电路，电路的供电是由电池电压供电的，蓄电池的电压输入之后，首先会经过两路电阻分压，这两路分别为电压的上限和下限的采样，由电阻R3构成的这一路是上限电压的检测，由电阻R1构成的这一路是下限电压的检测，电源电压的另一路通过三端稳压7806的稳压之后给芯片供电，这个三端稳压可以把高电压降低给芯片供电，同时可以提供一个稳定的电压给芯片提供电压基准.
如下图为保护电路仿真图：
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图5.1防过充电路图
四 手摇发电功能
6.1手摇发电传动装置构成
由于车载风能充电器是风力吹动叶片带动发电机转子旋转来进行发电，风力发电机实现手摇发电功能需要通过传动装置使发电机定子旋转，需要链条，两个齿轮以及手摇把手。
6.2手摇发电原理介绍
手摇发电需要在发电机转子的末端加齿轮传动装置，通过链条链接另一固定于车内的手摇齿轮，当没有风力时可通过手摇车内齿轮带动发电机转子旋转，从而达到发电目的。
参考文献：
1. 陈听宽、章燕谋、温龙，《新能源发电》，高等教育出版社，1989
2. 王兆安、黄俊，《电力电子技术》，机械工业出版社，2000
3. 叶杭冶，《风力发电机组的控制技术》，机械出版社，2002
4. 张占松、蔡宣三，《开关电源的原理与设计》，电子工业出版社，1998