能耗报警自充式电动车增程装置

我堂哥是个外卖员，曾经两次因电动车掉电自动减速，没能按时将快餐送达被顾客投诉，差点失去工作。得知这件事后，我就思考：怎样才能使电动车在骑行时不掉电？

我从摩托车的正副油箱得到启发，思考能否为电动车增设一个副电池来增加电池容量。在老师的指导下，我开始了本项目的研究。

一、设计目的

当电动车蓄电池容量下降到60%时，可进行能耗报警；研制蓄电池自充式充电器，方便在行驶途中就地给电动车充电，达到增程目的。

二、结构设计

（一）第一次设计

副电池用3.7 V的18650锂电池，通过升压电路使电压升高到48 V，给电动车蓄电池充电。一节3.7 V的18650锂电池输出电流为2.5 A，而电动车放电电流在起步、爬坡、越坎时的电流为11 A左右，匀速行驶时电流为7 A左右。

本方案的输出电流约为输入电流的4倍，易损伤电池，输出电压也不稳定，且升压电路用分立元件，可靠性低、功耗高、故障多，不宜用于电动车的增程设计。在科技老师的指导下，我开始第二次设计。

（二）第二次设计

我拜访了电动车控制器供应商唐叔叔，了解电动车的充电电路，并采纳了他的建议：将输入电压提高到12 V并稳定在一定范围内，保证稳定的DC升压电路模块的输入电压；采用滤波电容对输入电压进行滤波，减少输入电压的纹波，使电压更平稳。

通过改变开关管的开关频率，可调节升压电路模块的输出电压。当开关频率增加时，电感中储存的电能更快地释放，产生更高的输出电压；当开关频率降低时，电感中储存的电能会缓慢地释放，产生更低的输出电压。我更换较大功率的DC-DC升压模块LT8390 IC，优化电子设备中的电路结构，使负载电流分布更均匀。此电路可输出多种电压，是一种较理想的升压电路。

我还研制了电能消耗报警器、电能补给装置，通过连接和组装以上主要部件，能耗报警自充式电动车增程装置就做好了。

三、装置制作

我绘制了DC升压模块设计图，请专业人员制作DC升压模块。我观察到其具体制作步骤为：制作线路板，将微小型电子元器件贴在线路板上，将带引脚的电子元器件焊接到线路板上。

将输入限流保护器的两个端口分别接在电源负极、DC升压模块的输入端。将输入显示器的三个端口分别接在电源正极、输入限流保护器的输出端、DC升压模块的输入端。用导线将DC升压模块与输入、输出限流保护器连接。将输出限流保护器的两个端口分别接在电源正极、DC升压模块的输出端。将输出显示器的三个端口分别接在电源负极、输出限流保护器的输出端、DC升压模块的输出端。

在万能线路板上焊接电阻（10千欧、56千欧）、电容（0.01 uF、1 uF）、蜂鸣器、RC触发器NE555、电压比较器和电源。

用导线连接手刹、继电器、电机、LED灯泡、电源连接头并固定在平板上，将飞轮（大飞轮直径10 cm，小飞轮直径5 cm）固定，并用皮带连接小飞轮与电机。

四、测试

（一）实验室电子负载模拟测试

将电流表、电压表接在充放电升压装置的输入、输出电路中，接通10 V电源，给备用低电压蓄电池充电，测试充放电升压装置负载时的输入及输出的电流、电压等。

通过实验室测试后计算得知，充放电升压装置的工作效率高，能耗小，适用于电动车的增程技术。

（二）能耗报警自充式电动车增程装置实地测试

测试前，我走访了平江县小戴电动车行戴正军师傅，得知电动车每节12 V电池的饱和电压高达14 V。如24 V的电动车充满电后电压约为28 V，80%的容量时，电压为25.2 V，浮充电压约为27 V；60%的容量时，电压约为23.4 V，浮充电压约为26 V。

我以常见电动车车型的24 V、48 V蓄电池为例，进行实地测试。当电池容量降到80%或60%时，将增程装置安装在电动车上，将电池转换开关拨到电动车蓄电池端，接通蓄电池与增程装置。用一字螺丝刀拧电压调节旋钮，调节输出电压，拧加电旋钮，让电动车运行。记录运行和未充电时输入、输出显示器上的电流、电压、功率值。

通过对电动车实地测试后计算得知，能耗报警自充式电动车增程装置的工作效率高、能耗小，适用于电动车的增程技术。

（三）电动车续航里程测试

平江县小戴电动车行老板为我联系到6名电动车车主，又提供了10台全新的某品牌电动车让我做测试，并同意在该电动车行建立平江二中科研基地。同时唐叔叔公司的专业人员按照我提供的样板加工了9套增程装置，免费提供给我用于测试。

我将副电池储能至满容量后安装在电动车上，在包含5段50 m的20°斜坡的柏油路面上进行测试。

将10台充满电的新电动车分别按1—10号编号，将加工好的增程装置安装在电动车上，电池转换开关拨到电动车蓄电池档，记录电动车行驶前里程表读数。挑选60 kg±1 kg体质量相当的测试驾驶员10名，分别驾驶电动车在既定的线路上行驶。

当第一次听到电能消耗报警器报警时，记录此时电动车里程表读数。将电池转换开关拨至增程装置，副电池给蓄电池充电，电动车正常行驶。当再次听到报警时，记录第二次报警时电动车里程表的读数。

用第一次报警时里程表的读数减去行驶前里程表的读数，就等于电动车正常行驶的里程。用第二次报警时里程表的读数减去第一次报警时里程表的读数，就等于电动车增加的里程。

通过实地测试续航里程并计算得知，某品牌的电动车能正常行驶60 km左右，安装能耗报警自充式电动车增程装置后，可增加12.5 km里程。

五、创新点

本装置基于DC升压和蓄电池充电、放电原理，实现了电动车增程。

设计电能消耗报警器，当电池容量达到下限时能进行能耗预报警；探究了电动车增程装置中的能量来源、转换、储存，实现了节约、环保的设计理念；基于电子电路的增程设计、机械能转换成电能的自充式设计，以及峰鸣器预警结构的电能消耗报警设计组合，对电动车的发展具有积极意义。

因电能有限，能耗报警自充式电动车增程装置目前只适用于电动自行车的供能增程。后期我将探究用于电动公交车、电动私家车的增程装置。（指导老师：朱拥军   曾尚林   刘海宽）

专家点评

喻涛林同学的一种能耗报警自充式电动车增程装置，是一件改进型的发明作品。从其发明的选题方式分析，属于缺点列举法，即运用批判性思维，针对现有电动车行驶过程中电能消耗情况未知，因电能耗尽后减速或突然停止等缺点，进行改进发明的思路。从其解题方式分析，其借助已有的电子报警、摩托车双油箱结构等，主要运用移植发明法、组合发明法与集成式创新法等，使该项目达到较高的技术与应用水准。

这里特别指出的是，喻涛林同学有着良好的科技视野，远离“闭门造车”窠臼，将“自动充电电动车”“一种电动车增程装置”“一种电动车快充增程装置”等新专利技术、原理、结构等，在项目中进行集成式地创新应用。

这种集成式创新方法不是模仿、抄袭或简单复制，而是广泛吸纳多种资源为项目所用，把各种简单的技术要素和技术思路集成在一起，取得“1+1＞2”的效果。它在现代企业中已普遍应用，我们不妨也一显身手。

（栏目编辑  秦银银）