共享單車新型充電裝置的設計開發

劉泓利，呂昆嶺，劉子博，許宇偉，顧越，王子赟

（江南大學物聯網工程學院，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控蓄電池的電池容量。

1 硬件設計與選型

1.1 系統總體框圖

系統總體結構如圖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 系統框圖

1.2 發電單元

本設計選擇太陽能板和電磁感應發電裝置共同作為發電器件，這兩種發電設備相對于傳統的輪軸發電裝置，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。電磁感應發電裝置計劃選用TQ-25-2型，該型號發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、精度高等優點。

1.5 容量檢測模塊

本產品的剩余電量監測模塊是采用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測功能。DS2438在系統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轉換器監視電池電壓，作為終止充電和終止放電的判據，可以讓系統更安全，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，則返回到發射信號前，重新發射信號。得到容量檢測結果后向藍牙模塊返回一個信號，若信號發送成功則將電量數值顯示在移動端APP上并結束流程；若發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控其狀態，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，綠色環保”的宗旨。

參考文獻

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

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

[3]高亮.發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.新能源發電與控制技術[M].機械工業出版社,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.