電動車充電樁創(chuàng)新設(shè)計(jì)

王煊赫 祖文婷

(安徽工業(yè)大學(xué) a.機(jī)械與工程學(xué)院；b.商學(xué)院，安徽 馬鞍山 243000)

目前，電動車停放多設(shè)置為直排式，在對應(yīng)的墻面或中部區(qū)域設(shè)置充電插口。由于這種放置方式過于緊密，停車充電以及取車時(shí)很不方便；如果有一個(gè)車體傾倒，很容易導(dǎo)致相鄰的車體如多米諾骨牌一樣，全部傾倒，導(dǎo)致車體損壞；缺乏及時(shí)反饋系統(tǒng)、無法遠(yuǎn)程查看充電站使用狀態(tài)，導(dǎo)致來到充電樁發(fā)現(xiàn)無車位的情況。針對電動車充電和使用問題，徐向宇、徐向倫提出了一種立柱式電動車充電樁結(jié)構(gòu)，雖然引入柱體結(jié)構(gòu)，但作用僅限于杜絕觸電、火災(zāi)等事故的發(fā)生[1]；鄭潔民、張猛提供了一種對充電槍保護(hù)性好、安全、便于移動的電動車充電樁[2]。綜上，可以看出目前電動車充電樁存在的結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理等問題并未得到解決，且缺乏提升其整體性能的方案。因此，針對目前情況，利用TRIZ理論對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行分析、優(yōu)化，所設(shè)計(jì)出的充電樁能夠有效解決移車不便、一車傾倒多車傾倒等問題，實(shí)現(xiàn)了與客戶實(shí)時(shí)交互式對話，提高了充電樁的使用效率。

一、TRIZ 理論

TRIZ是由原俄文翻譯成拉丁文后的首字母縮寫，英文全稱為Theory of the Solution of Inventive Problems，其英文縮寫為TSIP，中文解釋為“發(fā)明創(chuàng)造問題的解決理論”。1946年，以蘇聯(lián)海軍專利部阿奇舒勒(G.S.Altshuler)為首的專家對數(shù)以百萬計(jì)的專利文件進(jìn)行收集整理、歸納總結(jié)，最終發(fā)現(xiàn)對于技術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)創(chuàng)新竟是有規(guī)律可遵循的，并在此研究基礎(chǔ)之上建立了一套系統(tǒng)化的、實(shí)用的、簡單的解決發(fā)明創(chuàng)造類問題的思路方法。

TRIZ理論有兩個(gè)基本含義： 表面上強(qiáng)調(diào)解決實(shí)際問題，尤其是解決發(fā)明創(chuàng)造類問題；本質(zhì)上是通過解決發(fā)明問題從而最終實(shí)現(xiàn)技術(shù)和管理上的創(chuàng)新，因?yàn)榻鉀Q問題就是要符合創(chuàng)新的基本內(nèi)涵，即實(shí)現(xiàn)發(fā)明的實(shí)用化。通過利用TRIZ理論，使用者能夠系統(tǒng)地分析問題，快速找到問題的本質(zhì)，跳出原有的思維模式，拓展思路，準(zhǔn)確地找出現(xiàn)有產(chǎn)品設(shè)計(jì)中亟待解決的問題，站在新的高度看待問題。利用技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則預(yù)測未來的發(fā)展趨勢，找到具有創(chuàng)新性的解決方案，從而達(dá)到縮短發(fā)明周期，提高發(fā)明的成功率，使發(fā)明創(chuàng)造具有可預(yù)見性，而不是隨機(jī)行為的目的。因此，TRIZ可以大大加快人們發(fā)明創(chuàng)造的進(jìn)程，而且也在很大程度上提高了得到高質(zhì)量創(chuàng)新成果的概率，是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的最有效方法。

目前，TRIZ被認(rèn)為是系統(tǒng)地闡述發(fā)明創(chuàng)造和實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的新理論，能夠幫助人們挖掘和開發(fā)自身創(chuàng)造潛能的新方法。一些西方國家的專家甚至把阿奇舒勒所創(chuàng)立的TRIZ理論定義為“20世紀(jì)最偉大的發(fā)明”[3]。

二、利用Triz 系統(tǒng)功能分析法進(jìn)行問題分析

圖1 系統(tǒng)功能分析

圖1通過組件模型分析導(dǎo)致舊式電動車充電樁使用不方便的原因：停車樁位直排式的布局限制了電動車的有序停放；投幣系統(tǒng)使支付不方便；不聯(lián)網(wǎng)且簡單的顯示面板無法有效及時(shí)反饋信息。

三、運(yùn)用TRIZ 工具解決問題

(一)最終理想解

充電樁系統(tǒng)的最終理想解分析如下頁表1所示。

表1 最終理想解

(二)技術(shù)矛盾分析

1.充電樁樁位的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)充電樁的缺點(diǎn)包括投幣不便、指示不明、停車擁擠、樁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，致使停車擁擠、移車不便和一車傾倒多車傾倒等問題，給用戶帶來了極大的不便。

這是個(gè)典型的技術(shù)矛盾，即為了方便管理、安全用電而將電動車集中停放并集中充電，卻由于樁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成了停車擁擠、移車不便、一車傾倒多車傾倒等問題。優(yōu)化靜止的物體面積這個(gè)技術(shù)參數(shù)，惡化時(shí)間損失、可靠性這兩個(gè)參數(shù)。

通過查找TRIZ矛盾矩陣表得表2。

表2 矛盾矩陣表

從表2可以看到，解決這個(gè)問題可以從10，35，17，4，32，40號發(fā)明原理中找到方案。對所得到的6條發(fā)明原理進(jìn)行篩選和評價(jià)，最終選擇采用10預(yù)先作用原理，即預(yù)先優(yōu)化樁體結(jié)構(gòu)設(shè)置為避免發(fā)生停車擁擠、移車不便、一車傾倒多車傾倒等問題得到：

方案一：將直排式樁體架改成環(huán)形，下設(shè)向外凸起的支撐桿，以把每個(gè)電動車隔開(如圖2)。

方案二：將直排式樁體架設(shè)置成波形，以把每個(gè)電動車隔開(如圖3)。

圖2 環(huán)形樁體架

圖3 波形樁體架

方案一、方案二將目前直排式電動車充電樁改為環(huán)形、波形的樁位設(shè)置，“間接或直接”增大了兩車的?？烤嚯x，巧妙避免了停車擁擠、移車不便、一車傾倒多車傾倒問題。

2.提高充電樁利用效率的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

現(xiàn)如今的電動車充電樁大多數(shù)為了易于制造還是停留在低智能的階段，在很多方面都不能滿足現(xiàn)代生活的基本需求，存在諸多缺點(diǎn)。例如：(1)充電站狀態(tài)的不可預(yù)測性：用戶很難實(shí)時(shí)掌握電動車充電狀態(tài)，也不能準(zhǔn)確掌握充電樁是否有空余位子可供充電。(2)用戶支付不方便，結(jié)算方式不合理：若用戶臨時(shí)用車而未能充滿預(yù)設(shè)時(shí)長，將會造成額外的金錢損失。(3)充電站管理不科學(xué)，致使其整體利用率低：部分使用者態(tài)度隨意，基本是停車投幣充電，然后到使用時(shí)再去移車，占用了其他用戶的充電時(shí)間，降低了充電站的使用效率。

生產(chǎn)商為了便于生產(chǎn)、縮小成本降低設(shè)備的復(fù)雜性，使充電樁使用方便與否的自動化程度參數(shù)隨之下降，從而構(gòu)成了設(shè)備復(fù)雜性和自動化程度之間的技術(shù)矛盾。優(yōu)化了設(shè)備復(fù)雜性這個(gè)技術(shù)參數(shù)，但因這一改變而惡化了裝置的自動化程度。由此通過查找TRIZ矛盾矩陣表得表3。

表3 矛盾矩陣表

從表3可以看到，解決這個(gè)問題可以從15，24，10號發(fā)明原理中找到方案。對所得到的3條發(fā)明原理進(jìn)行篩選和評價(jià)，最終選擇采用10預(yù)先作用原理及24借助中介物原理，即預(yù)先在充電樁內(nèi)設(shè)置智能收費(fèi)充電系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)裝置，在充電樁架安裝智能顯示面板，顯示車位預(yù)約信息、充電狀態(tài)、支付二維碼等，開發(fā)微信小程序、APP等與充電樁實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，用戶借助在移動端使用的微信小程序、APP等中介物可以實(shí)時(shí)查詢充電狀況，查詢所在位置周圍的可用充電位，并進(jìn)行充電預(yù)約；使用開始后也可以實(shí)時(shí)查詢具體的時(shí)長及使用金額和剩余金額；充電中斷或完成由充電樁反饋到云端控制APP彈出界面提醒用戶續(xù)充或移車；未使用金額返回賬戶余額，電子賬戶智能管控也防止了用戶因臨時(shí)用車而未能充滿預(yù)設(shè)時(shí)長所帶來的額外花費(fèi)(系統(tǒng)自動將當(dāng)次剩余金額轉(zhuǎn)回賬戶余額)。

具體的實(shí)施步驟為：步驟一：登陸APP查看所在地附近充電站使用情況。步驟二：檢查插座松緊確保無誤后連接充電器和插座；插線模塊如下頁圖4、圖5。步驟三：掃描微信/支付寶碼后通過對線上APP的授權(quán)。步驟四：授權(quán)后進(jìn)入付款界面，輸入充電時(shí)長，系統(tǒng)會根據(jù)單價(jià)和時(shí)長計(jì)算并顯示金額。步驟五：付款后，當(dāng)顯示器倒計(jì)時(shí)開始即表示充電。步驟六：充電完成后，充電站會對云端進(jìn)行反饋，云端會通過網(wǎng)絡(luò)控制APP彈出提示界面，顯示充電完成的綠色標(biāo)志、充電時(shí)長、剩余時(shí)長、使用金額及“充電完成，請及時(shí)移車”的信息，等待車主將車移走。這樣就會大大提高充電樁的有效自動化程度、大大方便用戶的使用。

圖4 波形樁體架

圖5 環(huán)形樁體架

四、技術(shù)方案整理

經(jīng)過分析設(shè)計(jì)出最終傳動方案。如圖6、圖7所示。

圖6 波形樁體架

圖7 波形樁體架

該新式電動車充電樁，包括樁體，樁體主要由支撐桿和支撐環(huán)或波形架組成，支撐桿間隔排布，其下端固定在地面上，其上端與支撐環(huán)固連；支撐環(huán)上設(shè)置有插口模塊，用于連接插頭，為電動車充電。支撐桿為弧形，其弧形開口朝向支撐環(huán)的內(nèi)側(cè)，樁體所在區(qū)域設(shè)置有遮雨棚，并可通過投幣或掃碼形式進(jìn)行付費(fèi)充電。把充電樁設(shè)置為環(huán)形或波形，停放車子后，外部空間較大，不會妨礙人員通過，而且避免了整體傾倒的問題。波形架環(huán)形架上設(shè)置顯示模塊，用于顯示充電信息和付費(fèi)二維碼。充電樁系統(tǒng)內(nèi)增設(shè)無線發(fā)射模塊，利用手機(jī)終端上的APP軟件查看對應(yīng)的充電時(shí)間、付費(fèi)情況等信息，使用方便，便于充電管理[4]。

五、結(jié)語

針對當(dāng)前電動車充電樁存在的停車擁擠、移車不便、一車傾倒多車傾倒、無法及時(shí)反饋給用戶充電信息等問題，提出應(yīng)用TRIZ體系進(jìn)行問題分析，來對現(xiàn)有的電動車充電樁存在的問題進(jìn)行分析，從而對現(xiàn)有電動車充電樁進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。首先對現(xiàn)有的電動車充電樁系統(tǒng)功能模型中存在的問題進(jìn)行分析，接著通過最終理想解法理想化定義所存問題，明確了最終理想解所在的位置與方向，借助技術(shù)矛盾分析法定義了充電樁系統(tǒng)的技術(shù)矛盾，最終利用TRIZ理論的矛盾矩陣表找出解決相應(yīng)矛盾的辦法。該新式充電樁很好地解決了停車擁擠、移車不方便、一車傾倒多車傾倒、無法及時(shí)反饋給用戶充電信息等問題，很大程度提升了充電樁的使用效率，大大提升了用戶體驗(yàn)感。