無線充電共享電動(dòng)車立體車庫設(shè)計(jì)

孫美玲，王志忠

（1.秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 秦皇島 066100；2.22冶機(jī)電公司，河北 唐山 064000）

0 引 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，便民設(shè)施更加普及，共享電動(dòng)車或共享電單車進(jìn)入人們的視野，以快速、便捷和省力的特性為人們所喜愛。共享電動(dòng)車主要集中投放在商場、車站和小區(qū)門口等人口密集的地方，方便人們?nèi)∮?。這一便民措施目前沒有得到大力普及，因?yàn)樵谄浒l(fā)展的過程中遇到了瓶頸，制約了其健康有序的發(fā)展。

1 制約共享電動(dòng)車發(fā)展的弊端

目前，市場中流行的共享電動(dòng)車多為無樁[1]，通過掃碼存、取車，操作方便，無需到指定位置停車，方便了使用者。但是，正是因?yàn)檫@種隨意停放的方式，造成了環(huán)境污染和找車?yán)щy的問題。亂停亂放暴露的問題主要包括如下幾個(gè)方面內(nèi)容。第一，電動(dòng)車輛露天放置，風(fēng)吹雨淋，酷暑曝曬，各部分極易老化，增加了損毀率。第二，人為損壞。由于電動(dòng)車不是個(gè)人私有，有些人使用時(shí)隨心所欲，磕磕碰碰難以避免，增加了運(yùn)行成本[2]。第三，電動(dòng)車停放零散，公司維護(hù)人員尋找電動(dòng)車保養(yǎng)和更換電瓶成為一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。第四，不能實(shí)時(shí)監(jiān)控每輛電動(dòng)車的性能，以確保其可安全行駛。第五，電動(dòng)車目前均采用接插件充電方式，接插頭由于頻繁使用，極易出現(xiàn)老化、破損和接觸不良的情況而引起火災(zāi)。因此，建立一個(gè)健康、綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的智能車庫成為當(dāng)下的首選。

2 無線充電共享電動(dòng)車立體車庫設(shè)計(jì)理念

隨著智能交通服務(wù)網(wǎng)理念的提出，5G技術(shù)的應(yīng)用使智能車庫的普及成為可能?；谖锫?lián)網(wǎng)的車庫設(shè)計(jì)理念，主要從安全、經(jīng)濟(jì)、綠色、人工節(jié)約以及便捷等方面出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了大數(shù)據(jù)時(shí)代下的集智能監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)和電子支付于一體的共享電動(dòng)車立體車庫。第一，立體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使車庫容量更大，能夠存放更多的電動(dòng)車，避免了車輛隨便停放，破壞環(huán)境整潔。第二，集中充電方便管理。節(jié)省了大量人力，避免了人工尋找車輛為其充電再投放運(yùn)行的過程。第三，車庫頂層采用太陽能電池板設(shè)計(jì)，一方面可以為車庫提供夜間照明，另一方面多余的電量可以為車輛充電，綠色環(huán)保又節(jié)能。第四，車輛充電采用無線充電技術(shù)，由于沒有接插件，不會(huì)出現(xiàn)打火和接觸不良的情況，極大地保證了安全性，避免了由于充電插頭老化、破損易引起火災(zāi)的情況。第五，設(shè)計(jì)中為每一輛共享電動(dòng)車加裝了物聯(lián)網(wǎng)模塊，監(jiān)控電動(dòng)車的性能，如速度、電量和運(yùn)行軌跡等，確保駕駛員的安全。第六，車庫的控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)和云平臺(tái)對(duì)接，實(shí)時(shí)監(jiān)控車庫的運(yùn)行狀態(tài)，如電動(dòng)車數(shù)量統(tǒng)計(jì)、車輛充電情況、車庫安全性能等參數(shù)。

3 共享立體車庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于目前電動(dòng)車立體停車庫還停留在理論階段，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性制作了一個(gè)模型，以演示其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行。模型立體車庫正面結(jié)構(gòu)和側(cè)面結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 模型立體車庫正面結(jié)構(gòu)圖

圖2 模型立體車庫側(cè)面結(jié)構(gòu)圖

立體車庫結(jié)構(gòu)主要由主框架、停車托盤、傳動(dòng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。模型由上下兩層組成，演示為6個(gè)車位。立體車庫的主框架采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成本低，無毒，無污染，廢棄后還可回收重復(fù)利用。鋼結(jié)構(gòu)的框架也方便后期車輛需求增加時(shí)進(jìn)行加層擴(kuò)建。鋼材的剛性和機(jī)械性，也確保了車庫的穩(wěn)定性。

車庫采用開放式設(shè)計(jì)，正面和后面敞開，方便用戶同時(shí)存取車。兩側(cè)有鋼支架，可以懸掛燈箱等廣告牌，增加了照明和經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)車庫所占位置的面積，可將其設(shè)計(jì)為單排和雙排結(jié)構(gòu)。為了節(jié)約成本，模型設(shè)計(jì)為單排車庫結(jié)構(gòu)。

模型中每層設(shè)計(jì)3個(gè)車位，托盤升降采用棘輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有剎車功能，由兩條直線導(dǎo)軌定位。每個(gè)車位配有光電傳感器、電磁鎖和無線充電線圈。車庫工作區(qū)裝有AS-20人體感應(yīng)開關(guān)和報(bào)警系統(tǒng)，確保車庫運(yùn)行時(shí)的安全性。車庫上方裝有太陽能電池板，可以把太陽能轉(zhuǎn)換為電能用于照明和系統(tǒng)供電。車輛采用無線充電技術(shù)，應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，沒有接插件，不會(huì)出現(xiàn)打火和接觸不良的情況，極大地保證了安全性。

每輛電動(dòng)車加裝了物聯(lián)網(wǎng)模塊，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛性能，在手機(jī)APP上顯示電動(dòng)車的電量和運(yùn)行狀態(tài)，在危險(xiǎn)地段能夠提醒駕駛?cè)藛T減速慢行，同時(shí)監(jiān)控電動(dòng)車的行駛軌跡，提高駕駛?cè)藛T的騎行安全。立體停車庫也加裝了物聯(lián)網(wǎng)模塊，以便和云平臺(tái)交換數(shù)據(jù)，監(jiān)控車庫運(yùn)行狀態(tài)。這些高性能的實(shí)現(xiàn)都依賴于5G技術(shù)的運(yùn)營和云計(jì)算，為物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控提供大數(shù)據(jù)運(yùn)算支持。此模型中電動(dòng)車立體車庫的控制核心為西門子PLC，主要工作是采集數(shù)據(jù)、控制電源、報(bào)警系統(tǒng)和光伏電池板，并通過物聯(lián)網(wǎng)模塊與云平臺(tái)鏈接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

4 共享立體車庫工作過程設(shè)計(jì)

模型車庫設(shè)計(jì)為上下兩層，下層為一層，上層為二層，工作原理如圖3所示。當(dāng)用戶取車時(shí)，可以掃描車輛二維碼，電磁鎖解鎖，手機(jī)APP顯示指定車輛的性能數(shù)據(jù)，包括電量和可行駛里程等。當(dāng)一層沒有車輛時(shí)，用戶可以按“取車按鈕”，這時(shí)二層車位托盤平臺(tái)下降，紅外傳感器檢測是否有人靠近。若有，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)并停止下降；若無，則二層托盤下降到位后，用戶可取車操作。

圖3 立體車庫工作原理圖

當(dāng)用戶存車時(shí)，把車輛停放到車位指定位置，光電傳感器檢測到車輛，并將信號(hào)傳遞給PLC。PLC發(fā)出信號(hào)給電磁鎖，使其工作吸合固定電動(dòng)車，然后對(duì)電動(dòng)車電池進(jìn)行電量檢測，判斷其是否需要充電。如果電動(dòng)車電池電量高于80%，則PLC不發(fā)送接通無線充電線圈指令，該車位處于有車斷電等待狀態(tài)。用戶可以掃碼取車，PLC和物聯(lián)網(wǎng)模塊將進(jìn)行解鎖和計(jì)時(shí)操作。如果電動(dòng)車電池電量低于80%，則PLC發(fā)送接通無線充電線圈指令，使電動(dòng)車進(jìn)入快速充電狀態(tài)。充滿電后，該車位將進(jìn)入有車斷電等待狀態(tài)。若車位光電傳感器沒有檢測到該車位有車時(shí)，則該車位處于空位斷電狀態(tài)，等待用戶進(jìn)行存車操作?？刂屏鞒倘鐖D4所示。

當(dāng)二層托盤車輛存滿后，如果還有用戶存車，則按“存車按鈕”，二層車位平臺(tái)會(huì)自動(dòng)上升，這時(shí)用戶可以對(duì)一層進(jìn)行存車操作。

電源裝置為照明系統(tǒng)、PLC、無線充電裝置等設(shè)施供電。它主要有兩路供配電線路：一路為太陽能電池板，為車庫照明系統(tǒng)供電，若有剩余則存儲(chǔ)電能，為車庫提供充電電源；另一路為外接電源線路，若太陽能電池儲(chǔ)能不足，則用于提供一切電源供給。PLC為裝置的核心，一切的檢測信號(hào)和輸出信號(hào)均由PLC控制。主要的檢測信號(hào)如下：（1）光度傳感器，當(dāng)夜晚降臨時(shí)，光度傳感器檢測到光線暗信號(hào)，則啟動(dòng)車庫照明裝置；（2）人體感應(yīng)開關(guān)，當(dāng)平臺(tái)下降時(shí)若有人或小動(dòng)物在檢測范圍內(nèi)，則平臺(tái)停止下降，確保安全；（3）按鈕操作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)二層平臺(tái)上升、下降和急停操作。本設(shè)計(jì)中采用的急停按鈕為硬件急停，當(dāng)按下時(shí)所有設(shè)備停電，避免故障發(fā)生造成意外傷害。每個(gè)車位有固定的光電傳感器，檢測車位是否有車輛停放。PLC輸出信號(hào)包括控制無線充電線圈是否工作、電磁鐵吸合、電機(jī)正反轉(zhuǎn)和停止運(yùn)行以及照明裝置接通等。

圖4 基于PLC的車庫充電控制流程

PLC通過物聯(lián)網(wǎng)模塊和云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過云端形成大數(shù)據(jù)。平臺(tái)服務(wù)人員通過對(duì)大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，檢測共享車庫是否運(yùn)行良好。同時(shí)，云平臺(tái)要通過物聯(lián)網(wǎng)模塊對(duì)每一輛電動(dòng)車進(jìn)行性能監(jiān)控，使立體車庫和每輛電動(dòng)車通過物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體。

5 結(jié) 論

基于物聯(lián)網(wǎng)的無線充電共享電動(dòng)車立體車庫目前只是概念，這種設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)新，是對(duì)未來智能交通的一種設(shè)想，目前還沒有實(shí)際產(chǎn)品。但是，隨著5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，它必將具有廣闊的市場前景，是一項(xiàng)益民、便民的共享交通工具。