共享單車新型充電裝置的設計開發(fā)

劉泓利，呂昆嶺，劉子博，許宇偉，顧越，王子赟

（江南大學物聯(lián)網工程學院，江蘇無錫，214122)

0 引言

隨著越來越多的共享單車被投放到了各個城市，可以預見，未來共享單車將成為人們近距離出行的最優(yōu)選擇之一，具有巨大的市場潛力。因此本項目選擇以共享單車作為載體，為方便用戶騎行，研究共享單車的搭載分離式卡片充電裝置的設計和開發(fā)課題。

在對于自行車搭載充電設備的研究上，日本Thanko設計出了一款輕便易用的USB發(fā)電機DICHERBY[1]，只需要將設備安裝在單車的車輪上，行駛時即可將動能轉化為電力，并為手機等裝置供電。2015年美國Pinetics Inc公司推出了一套自行車移動充電設備Cydekick[2]。這套設備利用電磁感應原理，將騎行產生的動力轉換成電能[3]。我們計劃在充電模塊采用無摩擦的電磁感應技術，并為用戶附設充電裝置，解決用戶需求。目前，國內也出現了幾款試驗型的能給手機充電的共享單車，但功能仍在拓展中。

目前，搭載的充電裝置多為有線設備，如果能用無線設備代替有線，將擺脫繁瑣的電線，極大的方便我們的單車用戶。但無線充電存在效率低下的問題，且當下少有可投入使用的無線充電相關技術，因此我們設計了新的充電模式來達到無線充電的效果，且具有較高的能量轉換效率。

本文設計的分離式卡片充電裝置優(yōu)點在于它可以適配當前市面上不同類型共享單車。此外，本設計采用了電池容量檢測裝置，用戶可以在手機移動端實現實時監(jiān)控蓄電池的電池容量。

1 硬件設計與選型

1.1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)總體結構如圖1所示，太陽能電池板和電磁感應裝置通過能量轉換對蓄電池進行充電，充電卡片，藍牙模塊作為與手機通信的通道，進行數據采集。由于本設計最終將用于共享單車上的搭載，因此該裝置體積、重量均不宜過大。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 發(fā)電單元

本設計選擇太陽能板和電磁感應發(fā)電裝置共同作為發(fā)電器件，這兩種發(fā)電設備相對于傳統(tǒng)的輪軸發(fā)電裝置，不會增加用戶的騎行負擔，同時又提高了充電效率。本文中太陽能板選用APM36M5W25x24型單晶硅板，該型號太陽能板峰值功率為5W，峰值電壓為17.3V，峰值電流為0.29A，尺寸為249x235x30（mm）[4],符合本文所設計裝置的參數要求。電磁感應發(fā)電裝置計劃選用TQ-25-2型，該型號發(fā)電裝置重量和體積較小且符合設計要求。

1.3 儲能單元

儲能元件選擇體積小，重量輕，容量大且環(huán)保的全心18650電芯電池，該電池充電電壓2.8-4.2V，直徑18.25MM，長度65MM，容量高達2000MA，是一款可并聯(lián)式充電鋰電池。

1.4 測溫模塊

本文采用的測溫模塊是DS18B20芯片。DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可，節(jié)省引腳，測溫范圍 －55℃～+125℃，固有測溫誤差1°，符合本次設計的要求，并且具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高等優(yōu)點。

1.5 容量檢測模塊

本產品的剩余電量監(jiān)測模塊是采用DS2438芯片，該芯片體積較小、硬件廉價、精準度較好等特點，達到本產品的容量監(jiān)測功能。DS2438在系統(tǒng)中定時自動測量電池瞬時電流后更改ICA寄存器的數值，電池剩余電量即可由電流積分累加ICA寄存器的數值求得。只需單片機讀出ICA寄存器的數值，然后將讀出的數值帶入計算公式后便可得到電池的剩余電量[5]。DS2438管腳分配細致并且該芯片功能很多，測溫范圍是-40°C至+85°C，并且獨特的1-Wire接口僅需一個端口引腳即可進行通訊，片上A/D轉換器監(jiān)視電池電壓，作為終止充電和終止放電的判據，可以讓系統(tǒng)更安全，片上集成的電流累積器提供電量計量。

1.6 藍牙模塊

由于該模塊同時需要發(fā)送和接受信號，故本文設計選擇主從一體的HC-05藍牙模塊，實現與用戶手機的通訊[6]。HC-05藍牙模塊實物圖如圖2所示，只要進行串口通信，并與手機匹配，即可進行數據的發(fā)送和接收。如此，用戶便可掌握其他模塊的工作情況，并對其加以控制[7]。

圖2 HC-05藍牙模塊

1.7 充電模塊

本文以充電寶設計為原型，將其縮小為一個充電卡片，靈巧輕便的卡片可在與儲能單元分離的情況下為手機提供充能，達到了“無線”充電的效果。本項目利用單片機控制三個MOS管，Q3負責升壓，MCU提供的PWM信號，配合電感，產生的高電壓經過Q2整流，由MCU控制Q1導通周期，輸出到放電口。當DC IN與蓄電池的放電部分連接時，MUC切斷，Q1、Q3控制Q2導通周期，輸出到放電口從而達到給手機充電的效果。Q4為過充過放保護，電源電壓經過兩個電阻分壓以后，輸入單片機引腳，進行電源電壓檢測。

圖3 充電卡片結構圖

圖4 卡槽結構圖

充電卡片外部裝有三種手機充電插頭，可供市面上主要機型（iphone,Android,Type-C）進行充電。充電卡片及卡槽的結構如圖3和圖4所示。

2 手機APP功能

2.1 電量顯示功能

手機APP主要實現兩個功能：第一將單車蓄電池中剩余電量數據轉化為可視化數值并顯示，如圖5所示。

用戶在移動端APP界面按下“電量顯示按鈕”，之后移動端藍牙與裝置中的藍牙模塊建立連接，發(fā)射一個信號，若藍牙模塊收到信號，則容量檢測模塊開始工作；若未收到信號，則返回到發(fā)射信號前，重新發(fā)射信號。得到容量檢測結果后向藍牙模塊返回一個信號，若信號發(fā)送成功則將電量數值顯示在移動端APP上并結束流程；若發(fā)送失敗則重新返回信號。

圖5 電量顯示功能

圖6 卡片鎖功能

2.2 卡片鎖模塊

第二是接收卡片鎖裝置的反饋并監(jiān)控其狀態(tài)，如圖6所示。

用戶在移動端APP界面按下“結束行程”按鈕后，移動端藍牙向電流檢測裝置發(fā)送一個信號，之后檢測儲能單元的電流值，若該電流值大于等于設定值則返回藍牙信號；若電流值小于設定值則重新發(fā)射藍牙信號。裝置中的藍牙模塊將識別該信號，若識別成功則結束行程；若識別失敗則重新返回藍牙信號[8]。

3 結束語

分離式卡片充電裝置可在用戶騎行共享單車時將機械能、太陽能轉化為電能并存儲在蓄電池中，進而為充電卡片供電。用戶可從蓄電池的充電板槽將充電卡片拔下為手機提供電能，實現了“無線充電”的效果。同時，卡片鎖的設計也可有效防止充電卡片的丟失。在該設計中，每個人騎行時產生的電量都將被存儲供他人使用，每個使用者也可以使用他人存儲的電量。這樣的設計使得共享單車的騎行成為了新型的生活方式，且在一定程度上實現了“低碳出行，綠色環(huán)?！钡淖谥肌?/p>

參考文獻

[1]Christopher D.Rahn,Chao-Yang Wang[J].電池系統(tǒng)工程，2014.

[2](美)Brent A Miller,Chatschik Bisdikian.藍牙核心技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[3]高亮.發(fā)電機組微機繼電保護及自動裝置[M].中國電力出版社,2009.

[4]惠晶.新能源發(fā)電與控制技術[M].機械工業(yè)出版社,2012.

[5]肖伸平.單片機原理及應用[M].清華大學出版社,2016.

[6]朱剛,談振輝,周賢偉.藍牙技術原理與協(xié)議[M].北京:北方交通大學出版社,清華大學出版社,2002.

[7]馬建倉,羅亞軍,趙玉亭.藍牙核心技術及應用[M].北京:科學出版社,2003.

[8]趙峰,曾文海.藍牙無線通信技術[J].信息技術與應用,2002.