韋依　胡曉錚　梁欣欣　王飛奇

摘要：近年來，共享經濟在我國各大城市悄然興起，而共享單車以其方便快捷、易于停放的特點，極大的方便了市民短距離出行。相關研究表明，雖然共享單車上載有太陽能板為車上的電源進行充電，但仍有很大概率會出現共享單車電源電量不足的情況，增加了運營管理的成本。隨著移動設備的不斷發(fā)展，手機已經成為現代人的生活必需品，由于手機功率不斷提升與手機電池發(fā)展緩慢之間存在矛盾，共享充電寶也就應運而生。然而共享充電寶存在定點取存的缺點，在使用上仍有諸多不便。利用壓電振子和交流發(fā)電裝置，將共享單車行駛時的能量轉換成電能，供給車上的電源。將共享充電寶租借平臺安裝在共享單車上，利用共享單車解決了共享充電寶借還困難的問題，同時能利用共享單車的電源為共享充電寶進行充電，能夠有力解決前述兩個主要問題。

關鍵詞：共享單車;共享充電寶;壓電振子;交流發(fā)電;

Mobile Charging Platform of Shared Power Bank Based on Shared Bicycle

WEI Yi1 HU Xiaozheng3 LIANG Xinxin2 Wang Feiqi1，2*

（1.School Of Traffic And Transportation， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang Province， 150040 China; 2.College of Mechanical and Vehicle Engineering， Hunan University， Changsha， Hunan Province， 410082 China; 3.College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang Province， 150040 China）

Abstract：In recent years， the sharing economy has gradually emerged in major cities in China， and bicycle-sharing has greatly facilitated citizens' short distance travel due to their advantages of convenience and ease of parking. According to the relevant investigation and research， although the shared bikes are loaded with solar panels to charge the power supply， they are still likely to suffer from low power supply， which increases the management cost. With the continuous development of mobile devices， mobile phones have become indispensable devices for modern people. However，on account of the contradiction between the continuous improvement of mobile phone power and the slow development of mobile phone batteries， the shared charging pool came into being. Nevertheless， the shared charging treasure has the disadvantage of fixed-point storage， and it still has many inconveniences in use. Piezoelectric vibrators and ac generators are used to convert the energy of the shared bike into electricity， which is then used to power the vehicle. The shared charging treasure renting platform is installed on the shared bike， which solves the problem that the shared charging treasure is difficult to borrow. At the same time， the power supply of the shared bike can be used to charge the shared charging treasure， which solves the above two main problems.

Key Words： Shared bicycle; Shared power bank; Piezoelectric vibrator; Alternating current power generation

隨著我國社會的快速發(fā)展，共享經濟正在潛移默化地影響著人民的生活，其中最有代表性的當屬共享單車和共享充電寶。共享單車是在“互聯網+”的大背景下誕生的，它不僅改變了市民短距離出行的方式，成為了市民出行短距離換乘的首選交通工具，更響應了國家的低碳環(huán)保戰(zhàn)略，豐富了市民短距離出行的方式^[1]。但是共享單車的GPS、藍牙、智能車鎖等模塊依然會出現電能短缺的問題，給共享單車公司增加了成本，給用戶的騎行帶來了不必要的麻煩^[2-3]。

共享充電寶在一些大城市的商場、火車站、咖啡廳、飯店已經很常見?，F如今一些企業(yè)正在研發(fā)露天式充電寶柜，放置在社區(qū)、學校等。雖然現有的共享充電寶一定程度上方便人們給手機充電，但是共享充電寶的分布范圍還是太小，不能及時滿足人們的需要，借充電寶變得困難。并且從哪借的充電寶必須要還到哪里去，但是實際情況是用戶可能最近不會再回到借充電寶的地方，歸還充電寶也會變得很麻煩^[4-6]。

正如上文所述，雖然共享單車和共享充電寶在一定程度上給生活帶來了便利，但是在實際使用中仍然存在很多亟待解決的問題。本文提出一種創(chuàng)新型共享平臺設計，將共享單車作為共享充電寶移動租賃平臺，大大提高了共享充電寶租借的靈活度，同時通過共享單車車輪的機械運動帶動小型發(fā)電機和車輪中的壓電振子運動并產生電能為共享充電寶充電，進一步節(jié)省了能源。壓電振子和小型發(fā)電機不僅可以為共享充電寶直接充電，也可以為共享單車上的其他用電元件提供電能，從而避免共享單車出現電能虧損的情況。

1移動充電平臺系統整體設計

該系統主要由交流發(fā)電機、壓電振子發(fā)電單元、整流模塊、穩(wěn)壓模塊、充電模塊、Arduino單片機控制模塊、充電寶密封電池倉等組成。在自行車行駛的時候，車輪的運動帶動12V6W交流發(fā)電機轉動，進而產生電能，通過導線連接到整流模塊和穩(wěn)壓模塊，可以將交流發(fā)電機發(fā)出的12V交流電轉變成5V的直流電;同時在免充氣實心車輪胎的內部裝有壓電振子模塊，當車輪剛接觸地面時，壓電振子受到壓力產生變形，進而產生電壓，通過位于自行車內部輪轂中的導線將壓電振子與穩(wěn)壓模塊和整流模塊相連，進而得到穩(wěn)定的5V直流電壓。上述裝置產生的電能可以為共享充電寶倉里的共享充電寶進行充電，同時也可以為共享單車內置電源進行充電。Arduino單片機控制模塊可以接收到來自共享單車控制單元的信號，可以控制充電寶倉的自動開啟與自動關閉，實現了取還充電寶的便捷操作^[7]。系統的結構框架圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1交流發(fā)電裝置機械設計

交流發(fā)電機作為系統主要的發(fā)電單元之一，必須保證在單車行駛過程中，它能夠為電源提供穩(wěn)定的電能供給。采用12V6W的永磁無刷交流小型發(fā)電機，外殼的材質為鋁合金^[8]，有效解決了發(fā)電機散熱的問題，同時永磁無刷的結構，可以減小發(fā)電機運行時的噪音，提高發(fā)電機的使用壽命，避免發(fā)電機在運行時產生電火花。該系統采用的是胎磨式發(fā)電裝置，必須保證發(fā)電機的摩擦輪與車輪能夠有良好的接觸，因此在設計中需要考慮到發(fā)電機摩擦體與車輪的接觸壓力。

針對前述問題，提出設計一種將小型交流發(fā)電機固定在單車車前叉架上的固定裝置，固定裝置在單車上的安裝示意圖如圖2所示。該固定裝置通過前安裝耳3和后安裝耳12用螺栓固定在自行車的前叉架4上。前安裝板的右端有一連接耳16，通過活動銷軸與安裝板8相連接。安裝板8的右端通過安裝結構9固定安裝有交流發(fā)電機10，安裝板8的中部固連在豎板7上。后部安裝耳12有一與其一體成型的立板13，立板13的右端連接有與其一體成型的橫板5，橫板5上套接有移動座15，該移動座通過螺栓14與橫板15進行連接。移動座15前部連接有L型板6，L型板的后部設置了兩個分別位于安裝板8上下方的銷桿17，在銷桿17上套接有彈簧18并貫穿安裝板8與其后部的豎板7連接^[9]。

共享單車行駛過程中車輪胎會出現磨損，交流發(fā)電機上的摩擦輪9也會被磨損，上述兩種磨損情況均會造成摩擦傳動的傳動效率下降，從而造成發(fā)電效率下降。在固定裝置中，彈簧18保證了在上述磨損發(fā)生時，交流發(fā)電機依然保持較高的發(fā)電效率。當磨損發(fā)生時，在彈簧18的彈簧力作用下豎板7帶動安裝板8向著車輪側移動，始終保證摩擦輪19與車輪有較好的接觸壓力，以此確保交流發(fā)電機能以較高的發(fā)電效率運行。

1.實心免充氣輪胎 2.車輪轂 3.前安裝耳 4.自行車前叉架 5.橫板 6.L型板 7.豎板 8.安裝板 9.安裝結構 10.交流發(fā)電機 11.固定螺釘12.后安裝耳13.立板14.固定螺釘 15.移動座 16.連接耳17.銷桿18.彈簧19.摩擦輪20.半圓形固定座（1） 21.半圓形固定座（2）22.固定螺釘

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2.2壓電振子發(fā)電裝置設計

壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料，壓電陶瓷利用其材料在機械應力作用下，引起內部正負電荷中心相對位移而發(fā)生極化，導致材料兩端表面出現符號相反的束縛電荷即壓電效應而制作。共享單車在行進的過程中輪胎胎面的不同位置會與地面周期性地接觸，輪胎內部也會周期性地受到壓力的作用，利用這個特征，在免充氣實心輪胎的內部加入壓電陶瓷模塊，其示意圖如圖3所示。實心免充氣輪胎1中沿圓周均布6個多層層疊壓電振子23，壓電振子通過導線經過輻條24與車軸的電刷進行連接，外部電路可通過與電刷建立連接構成回路。在共享單車行駛過程中，輪胎的每一次變形都會使壓電振子產生形變，進而在壓電振子上形成電動勢，通過其與外部回路進行連接，將機械能轉變成了電能^[10-11]。

23.壓電陶瓷24.輻條25.導線

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2.3 整流濾波穩(wěn)壓電路的設計

由于交流發(fā)電機產生的是電壓不穩(wěn)定的交流電，因此需要利用整流電路將交流電轉換成單向脈動性直流電。在整流之后輸出的直流電隨著電壓的變化而變化，經過整流穩(wěn)壓電路輸出穩(wěn)定的直流電壓。整流濾波后的電壓是不穩(wěn)定的，在本系統電網電壓或負載變化時，該電壓都會產生變化。在經過整流濾波后，還須經過穩(wěn)壓電路，才能使輸出電壓在一定的范圍內穩(wěn)定不變，才可以為充電寶和共享單車的內置電源提供電能。本系統的整流濾波穩(wěn)壓電路如圖4所示。D1整流橋可以將交流電轉換成直流電^[12-16]，經過C1濾波，C2濾除高頻干擾然后再通過LC17805模塊穩(wěn)壓便可以得到穩(wěn)定的5V直流電壓以供共享單車內部電源和充電寶倉使用^[17-18]。本電路的設計簡單可靠，用LM78系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。

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2.4共享充電寶倉的設計

共享充電寶倉被安裝在共享單車的后輪上方。與常見的共享充電寶倉不同，此共享充電寶倉不僅要能為共享充電寶提供電能，還要保證在惡劣的天氣條件下能夠使內部電路正常工作，即要求它具有良好的雨水密封性和粉塵密封性。因此，在此共享充電寶倉上加裝一蓋子，蓋子的四周利用薄橡膠片進行密封。當用戶需要取用充電寶時，可以從手機APP上得知充電寶的電量，當選擇使用共享充電寶并進行付費之后，共享單車內部控制電路通過I/O 1口發(fā)送信號給Arduino單片機控制模塊，接收到信號之后，單片機通過I/O3口控制與充電寶倉蓋連接的舵機進行旋轉，打開充電寶倉，可以讓用戶取出選擇使用的充電寶，然后檢測到充電寶被取出之后，充電寶倉會通過I/O2口向Arduino單片機控制模塊發(fā)送反饋信號，單片機控制上述舵機進行旋轉，使充電寶倉蓋關閉，保證了它良好的密封性。充電寶倉控制電路如圖5所示^[19]。

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3充電時間與節(jié)能分析

3.1充電時間計算

每個充電寶倉裝兩個共享充電寶，每個共享充電寶的標定容量為5000mAh，則電池倉的總容量為10000mAh，發(fā)電機的標定功率為12W，壓電振子的標定功率為28W，以5V4A的充電規(guī)格對兩個5000mAh的充電寶進行充電，2個小時即可從0%充到100%。據有關資料調查研究表明，目前共享單車的實際使用時間為每輛車每天使用1.5小時，則每天利用發(fā)電機和壓電振子充電能充滿兩個充電寶75%的電量。

3.2節(jié)能分析

根據工信部發(fā)布的《2020年1-8月中國通信業(yè)經濟運行報告》顯示，截至2020年8月末，我國移動寬帶用戶（即3G和4G用戶）總數達12.8億戶。考慮到嚴寒地區(qū)以及沙漠地區(qū)等特殊環(huán)境中共享單車尚未發(fā)展完全，計算采用保守估計，假設每天至少1億用戶采用共享充電寶充電。根據智研咨詢發(fā)布的《2017-2022年中國無線充電市場運營態(tài)勢及發(fā)展趨勢研究報告》顯示，大多數人每天至少需要給手機充一次電。在理論計算中，我們采用每人每天一次，即每日共享充電寶的使用量至少為1億次，當今大多數智能手機電量約為3000mAh。鋰電池電壓約為3.8V，故每機電池容量約為0.0114kWh。采用共享充電寶充電后平均每天節(jié)省電量為10⁶kWh，則每年為全國節(jié)省電量為4.161*10⁸kWh即4.161億千瓦時。并且隨著使用用戶的不斷增加，節(jié)省電量成倍增長^[20]。

4結語

本項目的設計利用自行車用小型發(fā)電機產生電流，將自行車的機械能轉換為電能，通過加裝電子穩(wěn)壓器來產生充電電流，并對充電寶進行充電，與此同時通過加裝壓電陶瓷也可以為共享單車用電元件及充電寶倉提供電能。目前市場上尚無類似的產品存在，而充電寶與共享單車已經普及到現實生活中來，對于共享充電寶的充電問題也可以與當下已基本實現普及的共享單車結合起來，解決了共享充電寶租借、歸還困難，共享單車電能不足的問題。

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