電動車充電樁創新設計

王煊赫 祖文婷

(安徽工業大學 a.機械與工程學院；b.商學院，安徽 馬鞍山 243000)

目前，電動車停放多設置為直排式，在對應的墻面或中部區域設置充電插口。由于這種放置方式過于緊密，停車充電以及取車時很不方便；如果有一個車體傾倒，很容易導致相鄰的車體如多米諾骨牌一樣，全部傾倒，導致車體損壞；缺乏及時反饋系統、無法遠程查看充電站使用狀態，導致來到充電樁發現無車位的情況。針對電動車充電和使用問題，徐向宇、徐向倫提出了一種立柱式電動車充電樁結構，雖然引入柱體結構，但作用僅限于杜絕觸電、火災等事故的發生[1]；鄭潔民、張猛提供了一種對充電槍保護性好、安全、便于移動的電動車充電樁[2]。綜上，可以看出目前電動車充電樁存在的結構設置不合理等問題并未得到解決，且缺乏提升其整體性能的方案。因此，針對目前情況，利用TRIZ理論對現有系統進行分析、優化，所設計出的充電樁能夠有效解決移車不便、一車傾倒多車傾倒等問題，實現了與客戶實時交互式對話，提高了充電樁的使用效率。

一、TRIZ 理論

TRIZ是由原俄文翻譯成拉丁文后的首字母縮寫，英文全稱為Theory of the Solution of Inventive Problems，其英文縮寫為TSIP，中文解釋為“發明創造問題的解決理論”。1946年，以蘇聯海軍專利部阿奇舒勒(G.S.Altshuler)為首的專家對數以百萬計的專利文件進行收集整理、歸納總結，最終發現對于技術系統的開發創新竟是有規律可遵循的，并在此研究基礎之上建立了一套系統化的、實用的、簡單的解決發明創造類問題的思路方法。

TRIZ理論有兩個基本含義： 表面上強調解決實際問題，尤其是解決發明創造類問題；本質上是通過解決發明問題從而最終實現技術和管理上的創新，因為解決問題就是要符合創新的基本內涵，即實現發明的實用化。通過利用TRIZ理論，使用者能夠系統地分析問題，快速找到問題的本質，跳出原有的思維模式，拓展思路，準確地找出現有產品設計中亟待解決的問題，站在新的高度看待問題。利用技術系統進化法則預測未來的發展趨勢，找到具有創新性的解決方案，從而達到縮短發明周期，提高發明的成功率，使發明創造具有可預見性，而不是隨機行為的目的。因此，TRIZ可以大大加快人們發明創造的進程，而且也在很大程度上提高了得到高質量創新成果的概率，是實現創新設計的最有效方法。

目前，TRIZ被認為是系統地闡述發明創造和實現技術創新的新理論，能夠幫助人們挖掘和開發自身創造潛能的新方法。一些西方國家的專家甚至把阿奇舒勒所創立的TRIZ理論定義為“20世紀最偉大的發明”[3]。

二、利用Triz 系統功能分析法進行問題分析

圖1 系統功能分析

圖1通過組件模型分析導致舊式電動車充電樁使用不方便的原因：停車樁位直排式的布局限制了電動車的有序停放；投幣系統使支付不方便；不聯網且簡單的顯示面板無法有效及時反饋信息。

三、運用TRIZ 工具解決問題

(一)最終理想解

充電樁系統的最終理想解分析如下頁表1所示。

表1 最終理想解

(二)技術矛盾分析

1.充電樁樁位的創新設計

傳統充電樁的缺點包括投幣不便、指示不明、停車擁擠、樁體結構設計不合理，致使停車擁擠、移車不便和一車傾倒多車傾倒等問題，給用戶帶來了極大的不便。

這是個典型的技術矛盾，即為了方便管理、安全用電而將電動車集中停放并集中充電，卻由于樁體結構設計不合理造成了停車擁擠、移車不便、一車傾倒多車傾倒等問題。優化靜止的物體面積這個技術參數，惡化時間損失、可靠性這兩個參數。

通過查找TRIZ矛盾矩陣表得表2。

表2 矛盾矩陣表

從表2可以看到，解決這個問題可以從10，35，17，4，32，40號發明原理中找到方案。對所得到的6條發明原理進行篩選和評價，最終選擇采用10預先作用原理，即預先優化樁體結構設置為避免發生停車擁擠、移車不便、一車傾倒多車傾倒等問題得到：

方案一：將直排式樁體架改成環形，下設向外凸起的支撐桿，以把每個電動車隔開(如圖2)。

方案二：將直排式樁體架設置成波形，以把每個電動車隔開(如圖3)。

圖2 環形樁體架

圖3 波形樁體架

方案一、方案二將目前直排式電動車充電樁改為環形、波形的樁位設置，“間接或直接”增大了兩車的停靠距離，巧妙避免了停車擁擠、移車不便、一車傾倒多車傾倒問題。

2.提高充電樁利用效率的創新設計

現如今的電動車充電樁大多數為了易于制造還是停留在低智能的階段，在很多方面都不能滿足現代生活的基本需求，存在諸多缺點。例如：(1)充電站狀態的不可預測性：用戶很難實時掌握電動車充電狀態，也不能準確掌握充電樁是否有空余位子可供充電。(2)用戶支付不方便，結算方式不合理：若用戶臨時用車而未能充滿預設時長，將會造成額外的金錢損失。(3)充電站管理不科學，致使其整體利用率低：部分使用者態度隨意，基本是停車投幣充電，然后到使用時再去移車，占用了其他用戶的充電時間，降低了充電站的使用效率。

生產商為了便于生產、縮小成本降低設備的復雜性，使充電樁使用方便與否的自動化程度參數隨之下降，從而構成了設備復雜性和自動化程度之間的技術矛盾。優化了設備復雜性這個技術參數，但因這一改變而惡化了裝置的自動化程度。由此通過查找TRIZ矛盾矩陣表得表3。

表3 矛盾矩陣表

從表3可以看到，解決這個問題可以從15，24，10號發明原理中找到方案。對所得到的3條發明原理進行篩選和評價，最終選擇采用10預先作用原理及24借助中介物原理，即預先在充電樁內設置智能收費充電系統和無線網絡裝置，在充電樁架安裝智能顯示面板，顯示車位預約信息、充電狀態、支付二維碼等，開發微信小程序、APP等與充電樁實現互聯，用戶借助在移動端使用的微信小程序、APP等中介物可以實時查詢充電狀況，查詢所在位置周圍的可用充電位，并進行充電預約；使用開始后也可以實時查詢具體的時長及使用金額和剩余金額；充電中斷或完成由充電樁反饋到云端控制APP彈出界面提醒用戶續充或移車；未使用金額返回賬戶余額，電子賬戶智能管控也防止了用戶因臨時用車而未能充滿預設時長所帶來的額外花費(系統自動將當次剩余金額轉回賬戶余額)。

具體的實施步驟為：步驟一：登陸APP查看所在地附近充電站使用情況。步驟二：檢查插座松緊確保無誤后連接充電器和插座；插線模塊如下頁圖4、圖5。步驟三：掃描微信/支付寶碼后通過對線上APP的授權。步驟四：授權后進入付款界面，輸入充電時長，系統會根據單價和時長計算并顯示金額。步驟五：付款后，當顯示器倒計時開始即表示充電。步驟六：充電完成后，充電站會對云端進行反饋，云端會通過網絡控制APP彈出提示界面，顯示充電完成的綠色標志、充電時長、剩余時長、使用金額及“充電完成，請及時移車”的信息，等待車主將車移走。這樣就會大大提高充電樁的有效自動化程度、大大方便用戶的使用。

圖4 波形樁體架

圖5 環形樁體架

四、技術方案整理

經過分析設計出最終傳動方案。如圖6、圖7所示。

圖6 波形樁體架

圖7 波形樁體架

該新式電動車充電樁，包括樁體，樁體主要由支撐桿和支撐環或波形架組成，支撐桿間隔排布，其下端固定在地面上，其上端與支撐環固連；支撐環上設置有插口模塊，用于連接插頭，為電動車充電。支撐桿為弧形，其弧形開口朝向支撐環的內側，樁體所在區域設置有遮雨棚，并可通過投幣或掃碼形式進行付費充電。把充電樁設置為環形或波形，停放車子后，外部空間較大，不會妨礙人員通過，而且避免了整體傾倒的問題。波形架環形架上設置顯示模塊，用于顯示充電信息和付費二維碼。充電樁系統內增設無線發射模塊，利用手機終端上的APP軟件查看對應的充電時間、付費情況等信息，使用方便，便于充電管理[4]。

五、結語

針對當前電動車充電樁存在的停車擁擠、移車不便、一車傾倒多車傾倒、無法及時反饋給用戶充電信息等問題，提出應用TRIZ體系進行問題分析，來對現有的電動車充電樁存在的問題進行分析，從而對現有電動車充電樁進行創新設計。首先對現有的電動車充電樁系統功能模型中存在的問題進行分析，接著通過最終理想解法理想化定義所存問題，明確了最終理想解所在的位置與方向，借助技術矛盾分析法定義了充電樁系統的技術矛盾，最終利用TRIZ理論的矛盾矩陣表找出解決相應矛盾的辦法。該新式充電樁很好地解決了停車擁擠、移車不方便、一車傾倒多車傾倒、無法及時反饋給用戶充電信息等問題，很大程度提升了充電樁的使用效率，大大提升了用戶體驗感。