共享单车自供电照明装置的设计和开发

刘占豪,孙 增,程 琳*

(1.浙江理工大学 信息科学与工程学院,浙江 杭州 310018;2.浙江理工大学 理学院,浙江 杭州 310018)

1 共享单车的机遇和挑战

共享单车商业模式的实质是一种新型的交通工具租赁业务-自行车租赁业务,其主要依赖自行车作为载体加以实现。作为一种新兴商业模式,既可以缓解城市交通出现的自行车出行萎靡的不利状况,最大化地提升公共道路的利用率,同时有助于增强市民身体素质。共享单车的出现,解决了交通拥堵和环境污染问题,使得市民出行更加便捷,使得共享单车逐渐成为人们日常出行最后一公里的必需品,同时也为共享单车的运营商创造了商业价值[1]。

但相关数据显示,共享单车在夜间的使用率极低,原因是由于共享单车在夜晚不像汽车或者其他交通工具一样能够提供主动照明,存在安全隐患,从而限制了对共享单车的骑行需求。另外,共享单车需要连接手机使用,但传统的共享单车不具备对外部设备提供充电的功能。行业中已经有部分企业及个人意识到了这一问题,其中,张少强等人[2]提出了基于光伏发电的夜间照明装置,该装置通过太阳能的转化储存用于夜间照明。另外,刘泓利等[3]提出了以光伏发电为基础的手机充电装置,其思路在于,将共享单车用作手机等电子设备的充电桩。但光伏发电存在受光照强度影响较大的缺点,容易造成储存电量不足的现象,此外光伏发电设备昂贵,维护成本较高[4]。如果能以共享单车骑行过程中多余的能量来为外部设备供电不失为一种理想的解决办法。为此,邓丽敏等[5]提出了一种机械结构的发电装置,但该方案会使共享单车的骑行阻力增大,从而无法实现更好的推广和应用。黄晓琦等[6]提出了一种胎磨式发电装置,只要骑行就可以发电,但是会对轮胎产生极大损耗,降低了共享单车的实用性。

为了解决上述存在的问题和缺陷,本文采用改良的机械结构制作了基于共享单车的自供电装置,取代了会增加阻力的摩擦轮装置,加入不与轮毂接触的磁铁轮装置,将共享单车的骑行过程中的机械能转换为电能储存起来,既可以用于夜间的照明使用,避免了夜间行驶缺乏照明的安全隐患,剩余的电量还可以为其他移动设备提供电能,同时通过STM32单片机实现对用户名、车速、电池电量等信息的实时显示,节约能源的同时增加了自行车的实用性,大大改善了共享单车的使用体验,提升了其应用价值。

2 共享单车自供电照明装置的设计

本设计提供了共享单车自供电照明装置的技术方案,装置的整体设计如图1所示,主要包括自行车轮毂的传动装置,稳压装置,电能存储装置,照明装置,测速装置。传动装置如图2所示,磁铁轮为圆盘状,是由数个条状强磁磁铁组成,与共享单车轮毂靠近但不接触,圆心连接在伸出外壳的金属杆上。发电机为固定在自行车车架上的普通小型发电机,发电机转子与大齿轮圆心相连。传动装置通过车轮的转动,带动磁铁轮转动,齿轮与磁铁轮同轴转动,发电装置与齿轮连接,从而将车轮转动产生的能量转化为大齿轮转动的动能,进而用发电机转化为电能,并进行存储利用。

图1 共享单车自供电照明装置的整体设计

图2 传动装置示意图

稳压装置包括稳压器和电池充电保护装置,是将发电机输出的电能转换为恒压的电流后输送到电能存储装置中的装置。稳压器固定于自行车前轮上方,车把的竖直轴上(如图1所示)。稳压器用于转换发电机发出的电能,将其转化为稳定平稳电流进而存储起来。稳压器的输入电压为0～40 V,当稳压器输入电压或负载变化时,控制电路进行取样、比较、放大,然后驱动伺服电机转动,使调压器碳刷的位置改变,通过自动调整线圈匝数比,从而保持输出电压的稳定,而且输出电压为恒定电压5 V,通过稳压器输出的电流为直流电,这样可以获得更好的能效转换。电池充电保护装置用于电能存储装置的充放电保护。

电能存储装置包括锂电池组,防雨外壳,市售锂电池作为电能的存储设备可以获得稳定和便携的能量储存。锂电池组固定在自行车车把竖轴图1指示的位置处,通过锂电池中储存的能量来为共享单车夜间照明提供能量来源。稳压器和电池组固定于自行车前轮上方,车把的竖直轴位置,这样既节省空间,又不会妨碍使用者的骑行。

照明装置包括LED照明系统和开关系统两部分。LED照明系统为串联在一起的高亮度发光二极管,通过导线与开关系统相连,用于夜间环境的照明。开关系统包括光传感器开关和按键开关。光传感器开关与按键开关串联连接,保证白天高亮度环境下LED光源不被打开。LED灯系统安装在自行车前轮正上方,来照明共享单车的正前方道路,为夜间的骑车安全提供保障。光电传感器开关安装在电池组附近。按键开关安装在自行车把手处,当夜间骑行时手动打开(如图1所示)。

3 基于STM32共享单车测量装置的设计

3.1 速度测量装置

速度测量装置包括前轮的磁铁、霍尔传感器、STM32单片机三部分[7](如图3所示)。

图3 测速装置

将霍尔传感器连接到STM32单片机的数字输入引脚上,通过读取霍尔传感器输入引脚的状态来检测磁铁经过传感器的时间,并通过计时器来精确地测量时间间隔,并将其转换为车轮的转速。为提高测量精度,在测量脉冲时对信号进行中位值滤波,并在测量初期进行零位校准。

3.2 电量测量装置

电量测量装置通过将锂电池组连接外部分压电路,并通过STM32单片机的ADC通道采集电压(如图4所示),经过计算得出锂电池组的电池容量,为了提高ADC的采样精度,采用ADC0832[8]进行电压的采集,并通过中值滤波实现对外部噪声的滤除,提高了检测精度。

图4 STM32总电路图(显示模块、霍尔传感器模块、电压采集模块)

4 共享单车自供电照明装置发电效率的仿真模拟和计算

4.1 整流稳压模块仿真模拟

在骑行自行车的过程中,自行车的速度是不断发生变化的,因此交流发电机所产生的电流和电压也是不稳定的,为了得到稳定的电流和电压便于为移动电源或电子设备可直接使用的5 V恒定直流电压,因此在发电装置后需要对得到的交流电进行整流、滤波和稳压,在整流稳压后,将输出的电能存储在蓄电池组成的存储装置内,能够正常地满足给外部设备的供电功能。

4.1.1 整流模块

整流模块采用桥式整流器,利用二极管的单项导通性进行整流[9],成年人的骑行速度一般为16 km/h～25 Km/h,即4 m/s～7 m/s左右,发电机在此速度下的空载电压远小于二极管的反向击穿电压50 V,经过桥式整流器后可以将发电装置发出的交流电转化为直流电,并在整流电路后并联电容进行滤波处理得到更为平稳的直流电。如图6所示,其中黄色曲线为发电装置输出的交流电压曲线,蓝色曲线为整流滤波后的电压曲线,红色曲线为稳压后输出的直流电压波形图。

4.1.2 稳压模块

经过整流滤波后,由于其电压还无法用于直接供电,因此需要稳压模块将电压稳定在5 V,稳压模块采用LM317电源集成电路,其具有固定式三段稳定电路的最简单形式还具有输出电压可调,并且调压范围宽、稳压性能好、噪声低等优点,同时还具有输出短路保护、过流保护、过热保护、调整管安全工作区保护等特点,空载情况下,在输出范围1.2 V～37 V之间,能够提供1.5 A的输出电流,为了电路的稳定性,在LM317两端接入二极管作为保护电路,防止电路中的电容放电时的高压将电路烧坏。通过调整图5中的滑动变阻器RV2使得输出端的电压保持为5 V,能够满足外部设备的充电电压功能。

图5 整流稳压模块仿真效果图

如图6所示,发电装置输出正弦波,通过四个二极管组成的桥式整流电路,再通过电容滤波电路形成较为平稳的直流电压波形曲线,再通过LM317线性集成稳压电路与滤波电路得到稳定的直流电压,由于在仿真图中可以看出仿真模拟结果显示输出电压恒定为5 V,输出电流为0.6 A。

图6 电压波形仿真效果图

4.2 发电效率计算

由仿真理论可知最终稳压器输出5 V的恒定电压给LED灯进行供电,其输出电流为0.6 A,其发电功率3 W,考虑电阻损耗、电路转化损耗、电压损耗、自身运行损耗、供电损耗等,从发电机至外部设备其真正的充电效率约为62%[10],在正常骑行过程中其稳压器最后发电功率为1.86 W,由公式

E=P×t发

因此,骑行1 h,其发电量为6.69 kWh,能够给60 W的LED灯照明约111.6 h。

在白天无需照明的情况下,其发电量能够存储至储电装置供外部电子设备充电,以4 500 mAh的手机电池容量为例,

(1)

充电损耗通常取20%,根据公式(1),将4 500 mAh的手机电池充满,其骑行时间约为9 h,也就是说,骑行1 h可供手机充11.1%的电量。

5 共享单车自供电装置的应用开发

5.1 共享单车自供电装置用于夜间照明

共享单车在夜间的利用率极低,这是由于共享单车在夜晚不像汽车或者其他交通工具一样具备照明功能,而且夜间骑共享单车出行,会产生安全问题,尤其是在缺少路灯的小巷子等各种不便于安装路灯的地方,这大大降低了共享单车的使用率。本文的设计方案能够收集骑行过程中浪费的部分能量,通过共享单车前轮的传动装置将这部分能量转换为电能,储存在电能储存装置中,在夜晚骑车时用户可打开共享单车的LED按键开关为骑行照明。模拟仿真骑行1 h发的电量大约可以供给60 W的LED灯照明使用111.6 h,该设计方案在响应和践行节能环保的基础上,也大大减少了共享单车在夜间骑行时的安全隐患。

5.2 共享单车自供电装置用于移动电子设备供电

随着目前电子设备的快速发展,手机等电子设备的随时供电成为了一个社会广泛关注的问题,进而出现了以充电宝为典型的移动电源装置,但其因为笨重不方便携带等原因,给人们的生活带来了困扰。利用本文设计开发的共享单车骑行机械发电装置,通过传动装置将机械能转换为电能,在电能储存装置中存储,日常骑行可以储存数量可观的电能,这部分的电能在不需要照明时便可以用作其他电子设备的供电,通过电能储存装置连接稳定的充电接口,就可以让用户骑行共享单车实现移动电源的功能,模拟仿真计算骑行1 h发的电量大约可以供给4 500 mAh的手机充11.1%的电量。

5.3 共享单车自供电装置用实时显示车况

在骑行过程中,骑行者们经常通过运动手表或手机等查看自己的骑行速度,但是由于存在误差,往往结果不准确,而且不能达到实时显示。利用本文设计的共享单车骑行机械发电装置对STM32和LCD显示屏进行供电,STM32主控板与LCD显示屏之间采用SPI通信,通信速率快,确保了信息的实时显示。通过各个模块向STM32主控板返回信息,并通过显示屏进行实时显示,实时显示画面如图7所示,方便骑行者实时了解骑行的速度、锂电池组的容量,提升骑行者使用的舒适度。

图7 实时显示画面效果图

6 结 论

共享单车自供电照明装置通过将机械能转化为电能,供用户夜间骑行的照明使用,实现了共享单车的自供电照明,解决了共享单车在夜间骑行的照明问题,为共享单车用户的夜间骑行安全提供了保障。此外,本文所揭示的方案还对该装置的应用场景进行了拓展,实现了共享单车为其他电子设备充电和对用户名、速度、剩余电量实时显示的功能,并且通过理论仿真计算得到该装置的充电效率,骑行1 h,能够给60 W的LED灯照明约111.6 h,可供手机充11.1%的电量。因此,共享单车自供电照明装置对于共享单车的夜间行驶安全,共享单车的普及,以及用户里程信息的数字化等方面都将起到积极的影响,使得城市交通生活更加便捷、环保且安全。