韦依　胡晓铮　梁欣欣　王飞奇

摘要：近年来，共享经济在我国各大城市悄然兴起，而共享单车以其方便快捷、易于停放的特点，极大的方便了市民短距离出行。相关研究表明，虽然共享单车上载有太阳能板为车上的电源进行充电，但仍有很大概率会出现共享单车电源电量不足的情况，增加了运营管理的成本。随着移动设备的不断发展，手机已经成为现代人的生活必需品，由于手机功率不断提升与手机电池发展缓慢之间存在矛盾，共享充电宝也就应运而生。然而共享充电宝存在定点取存的缺点，在使用上仍有诸多不便。利用压电振子和交流发电装置，将共享单车行驶時的能量转换成电能，供给车上的电源。将共享充电宝租借平台安装在共享单车上，利用共享单车解决了共享充电宝借还困难的问题，同时能利用共享单车的电源为共享充电宝进行充电，能够有力解决前述两个主要问题。

关键词：共享单车;共享充电宝;压电振子;交流发电;

Mobile Charging Platform of Shared Power Bank Based on Shared Bicycle

WEI Yi1 HU Xiaozheng3 LIANG Xinxin2 Wang Feiqi1，2*

（1.School Of Traffic And Transportation， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang Province， 150040 China; 2.College of Mechanical and Vehicle Engineering， Hunan University， Changsha， Hunan Province， 410082 China; 3.College of Engineering and Technology， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang Province， 150040 China）

Abstract：In recent years， the sharing economy has gradually emerged in major cities in China， and bicycle-sharing has greatly facilitated citizens' short distance travel due to their advantages of convenience and ease of parking. According to the relevant investigation and research， although the shared bikes are loaded with solar panels to charge the power supply， they are still likely to suffer from low power supply， which increases the management cost. With the continuous development of mobile devices， mobile phones have become indispensable devices for modern people. However，on account of the contradiction between the continuous improvement of mobile phone power and the slow development of mobile phone batteries， the shared charging pool came into being. Nevertheless， the shared charging treasure has the disadvantage of fixed-point storage， and it still has many inconveniences in use. Piezoelectric vibrators and ac generators are used to convert the energy of the shared bike into electricity， which is then used to power the vehicle. The shared charging treasure renting platform is installed on the shared bike， which solves the problem that the shared charging treasure is difficult to borrow. At the same time， the power supply of the shared bike can be used to charge the shared charging treasure， which solves the above two main problems.

Key Words： Shared bicycle; Shared power bank; Piezoelectric vibrator; Alternating current power generation

随着我国社会的快速发展，共享经济正在潜移默化地影响着人民的生活，其中最有代表性的当属共享单车和共享充电宝。共享单车是在“互联网+”的大背景下诞生的，它不仅改变了市民短距离出行的方式，成为了市民出行短距离换乘的首选交通工具，更响应了国家的低碳环保战略，丰富了市民短距离出行的方式^[1]。但是共享单车的GPS、蓝牙、智能车锁等模块依然会出现电能短缺的问题，给共享单车公司增加了成本，给用户的骑行带来了不必要的麻烦^[2-3]。

共享充电宝在一些大城市的商场、火车站、咖啡厅、饭店已经很常见。现如今一些企业正在研发露天式充电宝柜，放置在社区、学校等。虽然现有的共享充电宝一定程度上方便人们给手机充电，但是共享充电宝的分布范围还是太小，不能及时满足人们的需要，借充电宝变得困难。并且从哪借的充电宝必须要还到哪里去，但是实际情况是用户可能最近不会再回到借充电宝的地方，归还充电宝也会变得很麻烦^[4-6]。

正如上文所述，虽然共享单车和共享充电宝在一定程度上給生活带来了便利，但是在实际使用中仍然存在很多亟待解决的问题。本文提出一种创新型共享平台设计，将共享单车作为共享充电宝移动租赁平台，大大提高了共享充电宝租借的灵活度，同时通过共享单车车轮的机械运动带动小型发电机和车轮中的压电振子运动并产生电能为共享充电宝充电，进一步节省了能源。压电振子和小型发电机不仅可以为共享充电宝直接充电，也可以为共享单车上的其他用电元件提供电能，从而避免共享单车出现电能亏损的情况。

1移动充电平台系统整体设计

该系统主要由交流发电机、压电振子发电单元、整流模块、稳压模块、充电模块、Arduino单片机控制模块、充电宝密封电池仓等组成。在自行车行驶的时候，车轮的运动带动12V6W交流发电机转动，进而产生电能，通过导线连接到整流模块和稳压模块，可以将交流发电机发出的12V交流电转变成5V的直流电;同时在免充气实心车轮胎的内部装有压电振子模块，当车轮刚接触地面时，压电振子受到压力产生变形，进而产生电压，通过位于自行车内部轮毂中的导线将压电振子与稳压模块和整流模块相连，进而得到稳定的5V直流电压。上述装置产生的电能可以为共享充电宝仓里的共享充电宝进行充电，同时也可以为共享单车内置电源进行充电。Arduino单片机控制模块可以接收到来自共享单车控制单元的信号，可以控制充电宝仓的自动开启与自动关闭，实现了取还充电宝的便捷操作^[7]。系统的结构框架图如图1所示。

2 硬件设计

2.1交流发电装置机械设计

交流发电机作为系统主要的发电单元之一，必须保证在单车行驶过程中，它能够为电源提供稳定的电能供给。采用12V6W的永磁无刷交流小型发电机，外壳的材质为铝合金^[8]，有效解决了发电机散热的问题，同时永磁无刷的结构，可以减小发电机运行时的噪音，提高发电机的使用寿命，避免发电机在运行时产生电火花。该系统采用的是胎磨式发电装置，必须保证发电机的摩擦轮与车轮能够有良好的接触，因此在设计中需要考虑到发电机摩擦体与车轮的接触压力。

针对前述问题，提出设计一种将小型交流发电机固定在单车车前叉架上的固定装置，固定装置在单车上的安装示意图如图2所示。该固定装置通过前安装耳3和后安装耳12用螺栓固定在自行车的前叉架4上。前安装板的右端有一连接耳16，通过活动销轴与安装板8相连接。安装板8的右端通过安装结构9固定安装有交流发电机10，安装板8的中部固连在竖板7上。后部安装耳12有一与其一体成型的立板13，立板13的右端连接有与其一体成型的横板5，横板5上套接有移动座15，该移动座通过螺栓14与横板15进行连接。移动座15前部连接有L型板6，L型板的后部设置了两个分别位于安装板8上下方的销杆17，在销杆17上套接有弹簧18并贯穿安装板8与其后部的竖板7连接^[9]。

共享单车行驶过程中车轮胎会出现磨损，交流发电机上的摩擦轮9也会被磨损，上述两种磨损情况均会造成摩擦传动的传动效率下降，从而造成发电效率下降。在固定装置中，弹簧18保证了在上述磨损发生时，交流发电机依然保持较高的发电效率。当磨损发生时，在弹簧18的弹簧力作用下竖板7带动安装板8向着车轮侧移动，始终保证摩擦轮19与车轮有较好的接触压力，以此确保交流发电机能以较高的发电效率运行。

1.实心免充气轮胎 2.车轮毂 3.前安装耳 4.自行车前叉架 5.横板 6.L型板 7.竖板 8.安装板 9.安装结构 10.交流发电机 11.固定螺钉12.后安装耳13.立板14.固定螺钉 15.移动座 16.连接耳17.销杆18.弹簧19.摩擦轮20.半圆形固定座（1） 21.半圆形固定座（2）22.固定螺钉

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2.2压电振子发电装置设计

压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作。共享单车在行进的过程中轮胎胎面的不同位置会与地面周期性地接触，轮胎内部也会周期性地受到压力的作用，利用这个特征，在免充气实心轮胎的内部加入压电陶瓷模块，其示意图如图3所示。实心免充气轮胎1中沿圆周均布6个多层层叠压电振子23，压电振子通过导线经过辐条24与车轴的电刷进行连接，外部电路可通过与电刷建立连接构成回路。在共享单车行驶过程中，轮胎的每一次变形都会使压电振子产生形变，进而在压电振子上形成电动势，通过其与外部回路进行连接，将机械能转变成了电能^[10-11]。

23.压电陶瓷24.辐条25.导线

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2.3 整流滤波稳压电路的设计

由于交流发电机产生的是电压不稳定的交流电，因此需要利用整流电路将交流电转换成单向脉动性直流电。在整流之后输出的直流电随着电压的变化而变化，经过整流稳压电路输出稳定的直流电压。整流滤波后的电压是不稳定的，在本系统电网电压或负载变化时，该电压都会产生变化。在经过整流滤波后，还须经过稳压电路，才能使输出电压在一定的范围内稳定不变，才可以为充电宝和共享单车的内置电源提供电能。本系统的整流滤波稳压电路如图4所示。D1整流桥可以将交流电转换成直流电^[12-16]，经过C1滤波，C2滤除高频干扰然后再通过LC17805模块稳压便可以得到稳定的5V直流电压以供共享单车内部电源和充电宝仓使用^[17-18]。本电路的设计简单可靠，用LM78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

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2.4共享充电宝仓的设计

共享充电宝仓被安装在共享单车的后轮上方。与常见的共享充电宝仓不同，此共享充电宝仓不仅要能为共享充电宝提供电能，还要保证在恶劣的天气条件下能够使内部电路正常工作，即要求它具有良好的雨水密封性和粉尘密封性。因此，在此共享充电宝仓上加装一盖子，盖子的四周利用薄橡胶片进行密封。当用户需要取用充电宝时，可以从手机APP上得知充电宝的电量，当选择使用共享充电宝并进行付费之后，共享单车内部控制电路通过I/O 1口发送信号给Arduino单片机控制模块，接收到信号之后，单片机通过I/O3口控制与充电宝仓盖连接的舵机进行旋转，打开充电宝仓，可以让用户取出选择使用的充电宝，然后检测到充电宝被取出之后，充电宝仓会通过I/O2口向Arduino单片机控制模块发送反馈信号，单片机控制上述舵机进行旋转，使充电宝仓盖关闭，保证了它良好的密封性。充电宝仓控制电路如图5所示^[19]。

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3充电时间与节能分析

3.1充电时间计算

每个充电宝仓装两个共享充电宝，每个共享充电宝的标定容量为5000mAh，则电池仓的总容量为10000mAh，发电机的标定功率为12W，压电振子的标定功率为28W，以5V4A的充电规格对两个5000mAh的充电宝进行充电，2个小时即可从0%充到100%。据有关资料调查研究表明，目前共享单车的实际使用时间为每辆车每天使用1.5小时，则每天利用发电机和压电振子充电能充满两个充电宝75%的电量。

3.2节能分析

根据工信部发布的《2020年1-8月中国通信业经济运行报告》显示，截至2020年8月末，我国移动宽带用户（即3G和4G用户）总数达12.8亿户。考虑到严寒地区以及沙漠地区等特殊环境中共享单车尚未发展完全，计算采用保守估计，假设每天至少1亿用户采用共享充电宝充电。根据智研咨询发布的《2017-2022年中国无线充电市场运营态势及发展趋势研究报告》显示，大多数人每天至少需要给手机充一次电。在理论计算中，我们采用每人每天一次，即每日共享充电宝的使用量至少为1亿次，当今大多数智能手机电量约为3000mAh。锂电池电压约为3.8V，故每机电池容量约为0.0114kWh。采用共享充电宝充电后平均每天节省电量为10⁶kWh，则每年为全国节省电量为4.161*10⁸kWh即4.161亿千瓦时。并且随着使用用户的不断增加，节省电量成倍增长^[20]。

4结语

本项目的设计利用自行车用小型发电机产生电流，将自行车的机械能转换为电能，通过加装电子稳压器来产生充电电流，并对充电宝进行充电，与此同时通过加装压电陶瓷也可以为共享单车用电元件及充电宝仓提供电能。目前市场上尚无类似的产品存在，而充电宝与共享单车已经普及到现实生活中来，对于共享充电宝的充电问题也可以與当下已基本实现普及的共享单车结合起来，解决了共享充电宝租借、归还困难，共享单车电能不足的问题。

参考文献：

惠英，廖佳妹，唐磊，解英堃，李健.疫情期间共享单车的使用行为与意愿[J/OL].城市交通：1-10[2020-10-31].https：//doi.org/10.13813/j.cn11-5141/u.2020.0048.

王奥运，王昌.新出行方式下大学生对于共享单车的使用情况——以芜湖市为例[J].教育教学论坛，2020（39）：111-112.

袁超，崔志远.共享单车的可持续发展研究[J].汽车实用技术，2020，45（21）：238-240.

拉起了百城大战！美团正式重启共享充电宝[J].高科技与产业化，2020（05）：8.

大浪淘沙 共享充电宝行业研究报告 2020年[A]. 上海艾瑞市场咨询有限公司.艾瑞咨询系列研究报告（2020年第3期）[C].：上海艾瑞市场咨询有限公司，2020：45.

胡纪康.浅析共享移动电源运营模式——以街电为例[J].农村经济与科技，2020，31（03）：182-183.

使用充电宝 请谨慎选择温柔对待[J].吉林劳动保护，2019（10）：20.

黄晓琦，莫钜诗，梁立亮，李哲，易施光.基于STM32芯片自行车胎磨式智能发电系统设计[J].电子技术与软件工程，2020（02）：96-97.

孙强，刘国鸽，王飞奇，王雷，刘沐，毛一鸣. 一种基于共享单车的共享充电宝移动充电装置[P]. 黑龙江省：CN209913561U，2020-01-07.

董智鹏，刘旭锋，曹泽衍.基于三明治模型的压电陶瓷执行器自适应逆控制[J].组合机床与自动化加工技术，2020（06）：106-110+114.

简雨沛. 非完全重复环境下压电陶瓷高精密运动控制方法研究[D].西南交通大学，2019.

贺旭东，邓亚旭，陈勇屹.一种新型的高效率高压同步整流电路设计[J/OL].微电子学：1-6[2020-10-31].https：//doi.org/10.13911/j.cnki.1004-3365.200354.

孙佳良.谈谈整流二极管正向压降平均值测试台的设计[J].电子制作，2020（10）：3-4+34.

赵文杰，万成安，郑岩，陈永刚.基于倍压整流电路的空间高压电源设计[J].电子设计工程，2019，27（20）：64-69+74.

胡林，张巧利，赵德双，曹卫平.一种小型化的大功率微波整流电路[J].空间电子技术，2020，17（02）：104-108.

宋炜，张淮清，肖辉，彭文雄，肖冬萍.一种微波输能的高效二极管阵列整流电路设计与分析[J].空间电子技术，2020，17（02）：33-38.

崔建国，宁永香.输出电压值可调的稳压电路的设计[J].电子世界，2020（19）：120-121.

李玉秋，吴玲玲.基于STC89C52的稳压电源监测系统设计[J].福建广播电视大学学报，2020（03）：94-96.

王飞奇，于迪，王桂民，孙嘉兴.强制式智能汽车开门防撞警示系统[J].交通科技与经济，2019，21（03）：62-65+72.

中华人民共和国工业和信息化部.2020年前三季度通信业经济运行报告 [EB/OL].（2020-10-22）[2020-10-22].https：//www.miit.gov.cn/gxsj/tjfx/txy/art/2020/art_14ca5132b1554055888fe4be9869d20a.html