共享單車自供電照明裝置的設計和開發(fā)

劉占豪,孫 增,程 琳*

(1.浙江理工大學 信息科學與工程學院,浙江 杭州 310018;2.浙江理工大學 理學院,浙江 杭州 310018)

1 共享單車的機遇和挑戰(zhàn)

共享單車商業(yè)模式的實質(zhì)是一種新型的交通工具租賃業(yè)務-自行車租賃業(yè)務,其主要依賴自行車作為載體加以實現(xiàn)。作為一種新興商業(yè)模式,既可以緩解城市交通出現(xiàn)的自行車出行萎靡的不利狀況,最大化地提升公共道路的利用率,同時有助于增強市民身體素質(zhì)。共享單車的出現(xiàn),解決了交通擁堵和環(huán)境污染問題,使得市民出行更加便捷,使得共享單車逐漸成為人們?nèi)粘３鲂凶詈笠还锏谋匦杵?同時也為共享單車的運營商創(chuàng)造了商業(yè)價值[1]。

但相關數(shù)據(jù)顯示,共享單車在夜間的使用率極低,原因是由于共享單車在夜晚不像汽車或者其他交通工具一樣能夠提供主動照明,存在安全隱患,從而限制了對共享單車的騎行需求。另外,共享單車需要連接手機使用,但傳統(tǒng)的共享單車不具備對外部設備提供充電的功能。行業(yè)中已經(jīng)有部分企業(yè)及個人意識到了這一問題,其中,張少強等人[2]提出了基于光伏發(fā)電的夜間照明裝置,該裝置通過太陽能的轉(zhuǎn)化儲存用于夜間照明。另外,劉泓利等[3]提出了以光伏發(fā)電為基礎的手機充電裝置,其思路在于,將共享單車用作手機等電子設備的充電樁。但光伏發(fā)電存在受光照強度影響較大的缺點,容易造成儲存電量不足的現(xiàn)象,此外光伏發(fā)電設備昂貴,維護成本較高[4]。如果能以共享單車騎行過程中多余的能量來為外部設備供電不失為一種理想的解決辦法。為此,鄧麗敏等[5]提出了一種機械結構的發(fā)電裝置,但該方案會使共享單車的騎行阻力增大,從而無法實現(xiàn)更好的推廣和應用。黃曉琦等[6]提出了一種胎磨式發(fā)電裝置,只要騎行就可以發(fā)電,但是會對輪胎產(chǎn)生極大損耗,降低了共享單車的實用性。

為了解決上述存在的問題和缺陷,本文采用改良的機械結構制作了基于共享單車的自供電裝置,取代了會增加阻力的摩擦輪裝置,加入不與輪轂接觸的磁鐵輪裝置,將共享單車的騎行過程中的機械能轉(zhuǎn)換為電能儲存起來,既可以用于夜間的照明使用,避免了夜間行駛?cè)狈φ彰鞯陌踩[患,剩余的電量還可以為其他移動設備提供電能,同時通過STM32單片機實現(xiàn)對用戶名、車速、電池電量等信息的實時顯示,節(jié)約能源的同時增加了自行車的實用性,大大改善了共享單車的使用體驗,提升了其應用價值。

2 共享單車自供電照明裝置的設計

本設計提供了共享單車自供電照明裝置的技術方案,裝置的整體設計如圖1所示,主要包括自行車輪轂的傳動裝置,穩(wěn)壓裝置,電能存儲裝置,照明裝置,測速裝置。傳動裝置如圖2所示,磁鐵輪為圓盤狀,是由數(shù)個條狀強磁磁鐵組成,與共享單車輪轂靠近但不接觸,圓心連接在伸出外殼的金屬桿上。發(fā)電機為固定在自行車車架上的普通小型發(fā)電機,發(fā)電機轉(zhuǎn)子與大齒輪圓心相連。傳動裝置通過車輪的轉(zhuǎn)動,帶動磁鐵輪轉(zhuǎn)動,齒輪與磁鐵輪同軸轉(zhuǎn)動,發(fā)電裝置與齒輪連接,從而將車輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為大齒輪轉(zhuǎn)動的動能,進而用發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能,并進行存儲利用。

圖1 共享單車自供電照明裝置的整體設計

圖2 傳動裝置示意圖

穩(wěn)壓裝置包括穩(wěn)壓器和電池充電保護裝置,是將發(fā)電機輸出的電能轉(zhuǎn)換為恒壓的電流后輸送到電能存儲裝置中的裝置。穩(wěn)壓器固定于自行車前輪上方,車把的豎直軸上(如圖1所示)。穩(wěn)壓器用于轉(zhuǎn)換發(fā)電機發(fā)出的電能,將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定平穩(wěn)電流進而存儲起來。穩(wěn)壓器的輸入電壓為0～40 V,當穩(wěn)壓器輸入電壓或負載變化時,控制電路進行取樣、比較、放大,然后驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動,使調(diào)壓器碳刷的位置改變,通過自動調(diào)整線圈匝數(shù)比,從而保持輸出電壓的穩(wěn)定,而且輸出電壓為恒定電壓5 V,通過穩(wěn)壓器輸出的電流為直流電,這樣可以獲得更好的能效轉(zhuǎn)換。電池充電保護裝置用于電能存儲裝置的充放電保護。

電能存儲裝置包括鋰電池組,防雨外殼,市售鋰電池作為電能的存儲設備可以獲得穩(wěn)定和便攜的能量儲存。鋰電池組固定在自行車車把豎軸圖1指示的位置處,通過鋰電池中儲存的能量來為共享單車夜間照明提供能量來源。穩(wěn)壓器和電池組固定于自行車前輪上方,車把的豎直軸位置,這樣既節(jié)省空間,又不會妨礙使用者的騎行。

照明裝置包括LED照明系統(tǒng)和開關系統(tǒng)兩部分。LED照明系統(tǒng)為串聯(lián)在一起的高亮度發(fā)光二極管,通過導線與開關系統(tǒng)相連,用于夜間環(huán)境的照明。開關系統(tǒng)包括光傳感器開關和按鍵開關。光傳感器開關與按鍵開關串聯(lián)連接,保證白天高亮度環(huán)境下LED光源不被打開。LED燈系統(tǒng)安裝在自行車前輪正上方,來照明共享單車的正前方道路,為夜間的騎車安全提供保障。光電傳感器開關安裝在電池組附近。按鍵開關安裝在自行車把手處,當夜間騎行時手動打開(如圖1所示)。

3 基于STM32共享單車測量裝置的設計

3.1 速度測量裝置

速度測量裝置包括前輪的磁鐵、霍爾傳感器、STM32單片機三部分[7](如圖3所示)。

圖3 測速裝置

將霍爾傳感器連接到STM32單片機的數(shù)字輸入引腳上,通過讀取霍爾傳感器輸入引腳的狀態(tài)來檢測磁鐵經(jīng)過傳感器的時間,并通過計時器來精確地測量時間間隔,并將其轉(zhuǎn)換為車輪的轉(zhuǎn)速。為提高測量精度,在測量脈沖時對信號進行中位值濾波,并在測量初期進行零位校準。

3.2 電量測量裝置

電量測量裝置通過將鋰電池組連接外部分壓電路,并通過STM32單片機的ADC通道采集電壓(如圖4所示),經(jīng)過計算得出鋰電池組的電池容量,為了提高ADC的采樣精度,采用ADC0832[8]進行電壓的采集,并通過中值濾波實現(xiàn)對外部噪聲的濾除,提高了檢測精度。

圖4 STM32總電路圖(顯示模塊、霍爾傳感器模塊、電壓采集模塊)

4 共享單車自供電照明裝置發(fā)電效率的仿真模擬和計算

4.1 整流穩(wěn)壓模塊仿真模擬

在騎行自行車的過程中,自行車的速度是不斷發(fā)生變化的,因此交流發(fā)電機所產(chǎn)生的電流和電壓也是不穩(wěn)定的,為了得到穩(wěn)定的電流和電壓便于為移動電源或電子設備可直接使用的5 V恒定直流電壓,因此在發(fā)電裝置后需要對得到的交流電進行整流、濾波和穩(wěn)壓,在整流穩(wěn)壓后,將輸出的電能存儲在蓄電池組成的存儲裝置內(nèi),能夠正常地滿足給外部設備的供電功能。

4.1.1 整流模塊

整流模塊采用橋式整流器,利用二極管的單項導通性進行整流[9],成年人的騎行速度一般為16 km/h～25 Km/h,即4 m/s～7 m/s左右,發(fā)電機在此速度下的空載電壓遠小于二極管的反向擊穿電壓50 V,經(jīng)過橋式整流器后可以將發(fā)電裝置發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)化為直流電,并在整流電路后并聯(lián)電容進行濾波處理得到更為平穩(wěn)的直流電。如圖6所示,其中黃色曲線為發(fā)電裝置輸出的交流電壓曲線,藍色曲線為整流濾波后的電壓曲線,紅色曲線為穩(wěn)壓后輸出的直流電壓波形圖。

4.1.2 穩(wěn)壓模塊

經(jīng)過整流濾波后,由于其電壓還無法用于直接供電,因此需要穩(wěn)壓模塊將電壓穩(wěn)定在5 V,穩(wěn)壓模塊采用LM317電源集成電路,其具有固定式三段穩(wěn)定電路的最簡單形式還具有輸出電壓可調(diào),并且調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低等優(yōu)點,同時還具有輸出短路保護、過流保護、過熱保護、調(diào)整管安全工作區(qū)保護等特點,空載情況下,在輸出范圍1.2 V～37 V之間,能夠提供1.5 A的輸出電流,為了電路的穩(wěn)定性,在LM317兩端接入二極管作為保護電路,防止電路中的電容放電時的高壓將電路燒壞。通過調(diào)整圖5中的滑動變阻器RV2使得輸出端的電壓保持為5 V,能夠滿足外部設備的充電電壓功能。

圖5 整流穩(wěn)壓模塊仿真效果圖

如圖6所示,發(fā)電裝置輸出正弦波,通過四個二極管組成的橋式整流電路,再通過電容濾波電路形成較為平穩(wěn)的直流電壓波形曲線,再通過LM317線性集成穩(wěn)壓電路與濾波電路得到穩(wěn)定的直流電壓,由于在仿真圖中可以看出仿真模擬結果顯示輸出電壓恒定為5 V,輸出電流為0.6 A。

圖6 電壓波形仿真效果圖

4.2 發(fā)電效率計算

由仿真理論可知最終穩(wěn)壓器輸出5 V的恒定電壓給LED燈進行供電,其輸出電流為0.6 A,其發(fā)電功率3 W,考慮電阻損耗、電路轉(zhuǎn)化損耗、電壓損耗、自身運行損耗、供電損耗等,從發(fā)電機至外部設備其真正的充電效率約為62%[10],在正常騎行過程中其穩(wěn)壓器最后發(fā)電功率為1.86 W,由公式

E=P×t發(fā)

因此,騎行1 h,其發(fā)電量為6.69 kWh,能夠給60 W的LED燈照明約111.6 h。

在白天無需照明的情況下,其發(fā)電量能夠存儲至儲電裝置供外部電子設備充電,以4 500 mAh的手機電池容量為例,

(1)

充電損耗通常取20%,根據(jù)公式(1),將4 500 mAh的手機電池充滿,其騎行時間約為9 h,也就是說,騎行1 h可供手機充11.1%的電量。

5 共享單車自供電裝置的應用開發(fā)

5.1 共享單車自供電裝置用于夜間照明

共享單車在夜間的利用率極低,這是由于共享單車在夜晚不像汽車或者其他交通工具一樣具備照明功能,而且夜間騎共享單車出行,會產(chǎn)生安全問題,尤其是在缺少路燈的小巷子等各種不便于安裝路燈的地方,這大大降低了共享單車的使用率。本文的設計方案能夠收集騎行過程中浪費的部分能量,通過共享單車前輪的傳動裝置將這部分能量轉(zhuǎn)換為電能,儲存在電能儲存裝置中,在夜晚騎車時用戶可打開共享單車的LED按鍵開關為騎行照明。模擬仿真騎行1 h發(fā)的電量大約可以供給60 W的LED燈照明使用111.6 h,該設計方案在響應和踐行節(jié)能環(huán)保的基礎上,也大大減少了共享單車在夜間騎行時的安全隱患。

5.2 共享單車自供電裝置用于移動電子設備供電

隨著目前電子設備的快速發(fā)展,手機等電子設備的隨時供電成為了一個社會廣泛關注的問題,進而出現(xiàn)了以充電寶為典型的移動電源裝置,但其因為笨重不方便攜帶等原因,給人們的生活帶來了困擾。利用本文設計開發(fā)的共享單車騎行機械發(fā)電裝置,通過傳動裝置將機械能轉(zhuǎn)換為電能,在電能儲存裝置中存儲,日常騎行可以儲存數(shù)量可觀的電能,這部分的電能在不需要照明時便可以用作其他電子設備的供電,通過電能儲存裝置連接穩(wěn)定的充電接口,就可以讓用戶騎行共享單車實現(xiàn)移動電源的功能,模擬仿真計算騎行1 h發(fā)的電量大約可以供給4 500 mAh的手機充11.1%的電量。

5.3 共享單車自供電裝置用實時顯示車況

在騎行過程中,騎行者們經(jīng)常通過運動手表或手機等查看自己的騎行速度,但是由于存在誤差,往往結果不準確,而且不能達到實時顯示。利用本文設計的共享單車騎行機械發(fā)電裝置對STM32和LCD顯示屏進行供電,STM32主控板與LCD顯示屏之間采用SPI通信,通信速率快,確保了信息的實時顯示。通過各個模塊向STM32主控板返回信息,并通過顯示屏進行實時顯示,實時顯示畫面如圖7所示,方便騎行者實時了解騎行的速度、鋰電池組的容量,提升騎行者使用的舒適度。

圖7 實時顯示畫面效果圖

6 結 論

共享單車自供電照明裝置通過將機械能轉(zhuǎn)化為電能,供用戶夜間騎行的照明使用,實現(xiàn)了共享單車的自供電照明,解決了共享單車在夜間騎行的照明問題,為共享單車用戶的夜間騎行安全提供了保障。此外,本文所揭示的方案還對該裝置的應用場景進行了拓展,實現(xiàn)了共享單車為其他電子設備充電和對用戶名、速度、剩余電量實時顯示的功能,并且通過理論仿真計算得到該裝置的充電效率,騎行1 h,能夠給60 W的LED燈照明約111.6 h,可供手機充11.1%的電量。因此,共享單車自供電照明裝置對于共享單車的夜間行駛安全,共享單車的普及,以及用戶里程信息的數(shù)字化等方面都將起到積極的影響,使得城市交通生活更加便捷、環(huán)保且安全。