無線充電共享電動車立體車庫設計

孫美玲，王志忠

（1.秦皇島職業技術學院，河北 秦皇島 066100；2.22冶機電公司，河北 唐山 064000）

0 引 言

隨著社會的發展，便民設施更加普及，共享電動車或共享電單車進入人們的視野，以快速、便捷和省力的特性為人們所喜愛。共享電動車主要集中投放在商場、車站和小區門口等人口密集的地方，方便人們取用。這一便民措施目前沒有得到大力普及，因為在其發展的過程中遇到了瓶頸，制約了其健康有序的發展。

1 制約共享電動車發展的弊端

目前，市場中流行的共享電動車多為無樁[1]，通過掃碼存、取車，操作方便，無需到指定位置停車，方便了使用者。但是，正是因為這種隨意停放的方式，造成了環境污染和找車困難的問題。亂停亂放暴露的問題主要包括如下幾個方面內容。第一，電動車輛露天放置，風吹雨淋，酷暑曝曬，各部分極易老化，增加了損毀率。第二，人為損壞。由于電動車不是個人私有，有些人使用時隨心所欲，磕磕碰碰難以避免，增加了運行成本[2]。第三，電動車停放零散，公司維護人員尋找電動車保養和更換電瓶成為一件費時費力的工作。第四，不能實時監控每輛電動車的性能，以確保其可安全行駛。第五，電動車目前均采用接插件充電方式，接插頭由于頻繁使用，極易出現老化、破損和接觸不良的情況而引起火災。因此，建立一個健康、綠色環保、可持續發展的智能車庫成為當下的首選。

2 無線充電共享電動車立體車庫設計理念

隨著智能交通服務網理念的提出，5G技術的應用使智能車庫的普及成為可能。基于物聯網的車庫設計理念，主要從安全、經濟、綠色、人工節約以及便捷等方面出發，實現了大數據時代下的集智能監控、物聯網和電子支付于一體的共享電動車立體車庫。第一，立體結構設計使車庫容量更大，能夠存放更多的電動車，避免了車輛隨便停放，破壞環境整潔。第二，集中充電方便管理。節省了大量人力，避免了人工尋找車輛為其充電再投放運行的過程。第三，車庫頂層采用太陽能電池板設計，一方面可以為車庫提供夜間照明，另一方面多余的電量可以為車輛充電，綠色環保又節能。第四，車輛充電采用無線充電技術，由于沒有接插件，不會出現打火和接觸不良的情況，極大地保證了安全性，避免了由于充電插頭老化、破損易引起火災的情況。第五，設計中為每一輛共享電動車加裝了物聯網模塊，監控電動車的性能，如速度、電量和運行軌跡等，確保駕駛員的安全。第六，車庫的控制系統、監控系統、報警系統和云平臺對接，實時監控車庫的運行狀態，如電動車數量統計、車輛充電情況、車庫安全性能等參數。

3 共享立體車庫結構設計

由于目前電動車立體停車庫還停留在理論階段，為了驗證設計的可行性制作了一個模型，以演示其結構和運行。模型立體車庫正面結構和側面結構如圖1和圖2所示。

圖1 模型立體車庫正面結構圖

圖2 模型立體車庫側面結構圖

立體車庫結構主要由主框架、停車托盤、傳動系統、照明系統、電源系統和控制系統等組成。模型由上下兩層組成，演示為6個車位。立體車庫的主框架采用鋼結構設計，成本低，無毒，無污染，廢棄后還可回收重復利用。鋼結構的框架也方便后期車輛需求增加時進行加層擴建。鋼材的剛性和機械性，也確保了車庫的穩定性。

車庫采用開放式設計，正面和后面敞開，方便用戶同時存取車。兩側有鋼支架，可以懸掛燈箱等廣告牌，增加了照明和經濟效益。根據車庫所占位置的面積，可將其設計為單排和雙排結構。為了節約成本，模型設計為單排車庫結構。

模型中每層設計3個車位，托盤升降采用棘輪電機驅動具有剎車功能，由兩條直線導軌定位。每個車位配有光電傳感器、電磁鎖和無線充電線圈。車庫工作區裝有AS-20人體感應開關和報警系統，確保車庫運行時的安全性。車庫上方裝有太陽能電池板，可以把太陽能轉換為電能用于照明和系統供電。車輛采用無線充電技術，應用電磁感應原理，沒有接插件，不會出現打火和接觸不良的情況，極大地保證了安全性。

每輛電動車加裝了物聯網模塊，可以實時監測車輛性能，在手機APP上顯示電動車的電量和運行狀態，在危險地段能夠提醒駕駛人員減速慢行，同時監控電動車的行駛軌跡，提高駕駛人員的騎行安全。立體停車庫也加裝了物聯網模塊，以便和云平臺交換數據，監控車庫運行狀態。這些高性能的實現都依賴于5G技術的運營和云計算，為物聯網監控提供大數據運算支持。此模型中電動車立體車庫的控制核心為西門子PLC，主要工作是采集數據、控制電源、報警系統和光伏電池板，并通過物聯網模塊與云平臺鏈接，實現數據交互。

4 共享立體車庫工作過程設計

模型車庫設計為上下兩層，下層為一層，上層為二層，工作原理如圖3所示。當用戶取車時，可以掃描車輛二維碼，電磁鎖解鎖，手機APP顯示指定車輛的性能數據，包括電量和可行駛里程等。當一層沒有車輛時，用戶可以按“取車按鈕”，這時二層車位托盤平臺下降，紅外傳感器檢測是否有人靠近。若有，則發出報警信號并停止下降；若無，則二層托盤下降到位后，用戶可取車操作。

圖3 立體車庫工作原理圖

當用戶存車時，把車輛停放到車位指定位置，光電傳感器檢測到車輛，并將信號傳遞給PLC。PLC發出信號給電磁鎖，使其工作吸合固定電動車，然后對電動車電池進行電量檢測，判斷其是否需要充電。如果電動車電池電量高于80%，則PLC不發送接通無線充電線圈指令，該車位處于有車斷電等待狀態。用戶可以掃碼取車，PLC和物聯網模塊將進行解鎖和計時操作。如果電動車電池電量低于80%，則PLC發送接通無線充電線圈指令，使電動車進入快速充電狀態。充滿電后，該車位將進入有車斷電等待狀態。若車位光電傳感器沒有檢測到該車位有車時，則該車位處于空位斷電狀態，等待用戶進行存車操作。控制流程如圖4所示。

當二層托盤車輛存滿后，如果還有用戶存車，則按“存車按鈕”，二層車位平臺會自動上升，這時用戶可以對一層進行存車操作。

電源裝置為照明系統、PLC、無線充電裝置等設施供電。它主要有兩路供配電線路：一路為太陽能電池板，為車庫照明系統供電，若有剩余則存儲電能，為車庫提供充電電源；另一路為外接電源線路，若太陽能電池儲能不足，則用于提供一切電源供給。PLC為裝置的核心，一切的檢測信號和輸出信號均由PLC控制。主要的檢測信號如下：（1）光度傳感器，當夜晚降臨時，光度傳感器檢測到光線暗信號，則啟動車庫照明裝置；（2）人體感應開關，當平臺下降時若有人或小動物在檢測范圍內，則平臺停止下降，確保安全；（3）按鈕操作，可實現對二層平臺上升、下降和急停操作。本設計中采用的急停按鈕為硬件急停，當按下時所有設備停電，避免故障發生造成意外傷害。每個車位有固定的光電傳感器，檢測車位是否有車輛停放。PLC輸出信號包括控制無線充電線圈是否工作、電磁鐵吸合、電機正反轉和停止運行以及照明裝置接通等。

圖4 基于PLC的車庫充電控制流程

PLC通過物聯網模塊和云平臺進行數據交互，通過云端形成大數據。平臺服務人員通過對大數據的統計分析，檢測共享車庫是否運行良好。同時，云平臺要通過物聯網模塊對每一輛電動車進行性能監控，使立體車庫和每輛電動車通過物聯網構成一個有機整體。

5 結 論

基于物聯網的無線充電共享電動車立體車庫目前只是概念，這種設計是一種創新，是對未來智能交通的一種設想，目前還沒有實際產品。但是，隨著5G技術、大數據、云計算和物聯網的發展，它必將具有廣闊的市場前景，是一項益民、便民的共享交通工具。