XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Беспроводная способы заряда электросамоката
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В настоящее время, повысился интерес, людей к индивидуальным средствам передвижения. Все больше и больше, людей, можно встретить на улице, которые передвигаются с помощью электросамокатов. Продажи электросамокатов в России за год выросли в разы, согласно комментариям представителей розничных сетей и маркетплейсов. По данным «AliExpress Россия», за последние полгода спрос на эти средства индивидуальной мобильности (СИМ) вырос в 6 раз по сравнению с аналогичным периодом прошлого года. Доля продаж электросамокатов составила примерно 90% среди оборота всего электротранспорта, представленного на площадке [1].
Популярность, данного средства передвижения, обусловлена несколькими факторами:
отсутствие пробок в процессе езды, позволяет добраться от точки “А” в точку “Б”, используя различные кротчайшие пути.
удобство парковки и малые габариты, позволяют припарковать электросамокат, практический в любом месте.
забота об экологии и окружающей среде, электросамокаты приходят в движение, исключительно с помощью сменных аккумуляторных батарей.
Актуальность темы:
В связи со стремительным ростом популярности индивидуальных средств передвижения, которые, в большинстве решений, работают с помощью сменных аккумуляторных батарей, возникает необходимость удобной, безопасной и быстрой подзарядки. Такая необходимость подчеркивает актуальность выбранной темы.
На сегодняшний день, использование электросамокатов, позволяет минимизировать загрязнения окружающей среды, при этом обеспечить быстрый и удобный способ передвижения. Простота использования экологически безопасных средств передвижения, подталкивает все большее количество людей, на смену привычных машин в пользу электросамоката, что в очередной раз показывает актуальность исследования.
Цель исследования: разработка беспроводного способа подзарядки для индивидуальных средств передвижения, на основе электросамоката.
Задачи исследования:
Рассмотреть технические характеристики электросамокатов;
Рассмотреть беспроводные способы зарядки, используемые в настоящее время;
На основе полученной информации, создать станцию для беспроводной подзарядки электросамокатов, при помощи робототехнического учебного комплекса Lego education mindstorms EV3.
Глава 1. Электросамокат, как средство передвижения
1.1 Технические характеристики электросамокатов
Электрический самокат - экологичный транспорт, базирующийся на принципах электротяги. Экономичный, ввиду малого потребления электричества, но имеющий хороший запас хода и развивающий достаточную скорость. Электросамокаты различаются по следующим параметрам:
количество колес;
наличие или отсутствие сиденья;
колесный, цепной или ременной привод;
разновидность колес (городской или внедорожный).
Рисунок 1. Основные элементы электросамоката
Мотор-колесо находится сзади и отличается по параметрам в разных моделях: от 300 до 800 Вт [2].
Электросамокаты развивают в среднем 40 км.ч., это зависит от мощности двигателя, диаметра колес и покрытия для езды. При такой внушительной скорости, электрические самокаты преодолевают подъем 15 градусов, этого вполне достаточно для езды по городу. Емкость аккумулятора равна 10 Ач., а время подзарядка составляет 5 часов. Дальность хода на одном заряде, в среднем 45 км. Как правило все электросамокаты задне – приводные.
Перед началом движения необходимо проверить надежность соединения и крепления основных деталей машины. В зависимости от дорожного покрытия, необходимо проверить давление воздуха в колесах. Обязательно надеть шлем, наколенники и налокотники.
Современные электросамокаты как правило оснащены бортовым компьютером, который показывает скорость, количество заряда аккумулятора, общий пробег электросамоката и другие настраиваемые полезные функции [3].
Управление самокатом достаточно простое – его освоение транспорта не займет больше нескольких минут даже для взрослого человека. Чтобы отправиться в поездку, необходимо перевести откидную ножку в горизонтальное положение,
Вставить ключ зажигания и повернуть его в рабочее положение, поставить одну ногу на подножие, оттолкнуться от поверхности вперед другой ногой. Правая ручка гаджета оборудована рукояткой управления мощностью, поворачивая которую можно увеличивать скорость движения.
Для остановки необходимо отпустить рукоятку управления мощностью и плавно зажать рычаг тормоза под левой рукояткой.
Хранить электросамокат нужно при температуре от 5 до 25 градусов и влажности не более 70%, при этом нужно помнить, что слишком низкие температуры приводят к быстрому разряду батареи, а повышенные – к самозаряду. Перед продолжительным хранением следует зарядить аккумулятор полностью, чтобы он продолжал работать долгое время.
Электросамокаты, обладают относительно небольшим весом, в среднем весят 12-17 кг, при габаритах 1000х500х250 [4].
1.2 Беспроводные способы подзарядки
Технология беспроводной зарядки аккумулятора появилась в сфере смартфонов, но сейчас используется во многих других областях. Первоначально она была нацелена на небольшие электронные устройства, среди которых смартфоны, планшеты, умные часы и так далее. Сейчас технологию беспроводной зарядки аккумуляторов можно встретить в таких далеких друг от друга устройствах, как зубные щётки и электромобили. Например, в Formula E применяются напольные беспроводные зарядки Qualcomm.
Выделяют три вида беспроводных зарядок:
- с использованием жестко связанной электромагнитной индукционной зарядки без излучения.
- устройства сквозного типа, использующие слабосвязанную электромагнитную резонансную зарядку с излучением на несколько сантиметров.
- несвязанная радиочастотная беспроводная зарядка, обеспечивающая заряд на расстоянии нескольких метров.
Жестко связанная и слабосвязанная разновидности зарядки основаны на одном физическом принципе - магнитное поле индуцирует ток в замкнутом проводнике. Для функционирования катушек на одной и той же частоте может быть добавлена соответствующая емкость. Это даёт увеличение индуцированного тока, повышает эффективность и обеспечивает передачу энергии на большее расстояние. Увеличение размера катушек и их количества также увеличивает расстояние, на которое передается энергия. Сейчас выпускаются автомобильные зарядные системы, обеспечивающее передачу электроэнергии на расстояние до 250 мм. В них используются крупные медные катушки с диаметром более 250 мм у приёмника. Например, такие системы выпускает компания WiTricity. B приводящую петлю добавляются конденсаторы для увеличения захватываемой энергии. Эффективность таких зарядок составляет не менее 92%, и они передают уровень мощности до 11 кВт.
Зарядка автомобиля
Беспроводные зарядки — пока еще не очень распространенные устройства, которые к тому же требуют оснащения электромобиля специальным оборудованием и не способны предоставить такую мощность, как, например, Tesla Supercharger. Зато полностью освобождают от проблем с проводами и разъемами. Как и беспроводные зарядки для смартфонов, основаны на принципе магнитной индукции. Базовая станция монтируется на специальной парковке (или в собственном гараже), а приемник устанавливается под днище электрокара. В настоящее время с таким видом зарядных устройств экспериментирует огромное количество компаний, таких как «профильные» Plugless, WiTricity, Evatran, автомобильные BMW, Volvo, а также и другие, имеющие в своей модельной линейке электромобили. Но самое интересное применение этой технологии — в возможности заряжать «электрички» на ходу. В ряде стран, в частности в Великобритании, строят экспериментальные трассы со специальными полосами для безостановочной зарядки [5].
Беспроводная зарядка для электросамокатов Easy Charge
В Германии представили универсальную индукционную (беспроводную) зарядку для электрических электросамокатов (кикскутеров). Новинка под названием Easy Charge выпускается компаниями Metz и Intis для своей продукции, но, как заявляется, будет работать с моделями и от других производителей.
По словам разработчиков, беспроводное зарядное устройство будет доступно в нескольких конфигурациях, что позволит применять его также и для электроскутеров, и электровелосипедов, в том числе грузовых [6].
Easy Charge уже доступна в трех разных версиях, способных поддерживать одновременную зарядку от одного до пяти самокатов. Станция может использоваться как внутри помещений, так и на улице, а сам процесс заряда батарей стартует автоматически после установки скутера, причем его продолжительность и эффективность не уступает проводным аналогам, говорят в Metz. «Наша станция оснащена интеллектуальной системой управления, которая позволяет более аккуратно заряжать батареи», - сообщается в совместном пресс-релизе компаний.
Metz & Intis заявляют, что смогут адаптировать технологию к различным областям применения и индивидуальным требованиям клиентов в секторе B2B. Также будет разработана версия зарядного устройства со встроенным буферным аккумулятором, что позволит использовать ее автономно и без подключения к сети.
Новая беспроводная зарядная станция получает питание от стандартной бытовой розетки. В нее интегрирована система мониторинга состояния, которая отображает ход процесса, уровень заряда электросамоката и другую техническую информацию. Партнеры говорят, что их индукционное устройство идеально подходит для мест, где необходимо гарантировать надежную зарядку персонального электротранспорта, например, в общественных местах, на вокзалах, в городских центрах или на остановках общественного транспорта. Изначально возможность воспользоваться Easy Charge получат электрические кикскутеры Metz Moover и Moover Plus. Первый представляет собой самокат на 12-дюймовых колесах с пневматической подвеской, который весит около 16 кг, развивает максимальную скорость до 20 км/ч и оснащен рукояточным управлением скорости 250-ваттного электродвигателя. Его батарея имеет емкость 216 Втч и может заряжаться от розетки – или теперь уже без проводов - за 3-4 часа. Производитель заявляет о запасе хода до 25 км. Moover Plus весом 16,5 кг, который не сильно отличается от стандартной модели, имеет постоянную мощность 500 Вт и может использоваться ездоками весом до 130 кг [7].
Глава 2. Беспроводная зарядная станция для электросамокатов “Venus”
2.1 Особенности конструкции и элементной базы
Конструкция проекта беспроводные способы подзарядки электросамокатов, основана, на базе конструктора Lego education Mindstorms EV3. В модели конструкции установлено:
2 микроконтроллера в качестве вспомогательной части электросамоката и зарядной платформы, центра управления и запуска программ [Приложение 1];
1 датчик цвета, используемый для передачи сигнала об обнаруженном цвете на микроконтроллер EV3 [Приложение 1];
1 ультразвуковой датчик, с целью обнаружения оптимального расстояния для останова электросамоката;
1 серводвигатель, который приводит в движение электросамокат;
Строительные материалы конструктора (балки, рамки, втулки, панели, соединительные штифты и др.).
Опорой для конструкции платформы, были выбраны рамы 5х11 и 5х7 модулей, к которым закреплены панели 5х11, через соединительные штифты с фрикционной муфтой 2-х модульные. В тело зарядной платформы, помещен датчик цвета, закрепленый неподвижно через штифты. Верхняя часть платформы, исполнена комбинацией рама – панель 5х11 и 5х11 соответственно. Соединенные, неподвижно, с помощью штифтов 2-х и 3-х модульных, рама обеспечивает неподвижную платформу. В качестве ограничителей по сторонам, установлены прямые балки в два ряда, за счет соединительных штифтов. Ультразвуковой датчик, установлен на двух жестко стоящих рамы 5х7, соединенных с датчиком, через угловые балки 3х5 модулей. Общие габариты конструкции 50х13 модулей, высота составляет 12 модулей [Приложение 2].
Опорой для электросамоката, стал серводвигатель, соединенный через двойные угловые балки 3х7 с угловые балки 3х5 и прямые балки 5,6,7 модульные с микроконтроллером EV3. Для движения электросамоката, использовались колеса 56х28 мм. Рулевая стойка с передним колесом, выполнена при помощи прямых балок, соединенных штифтом с фрикционной муфтой, руль состоит из панелей 3х7. Сорока зубые шестерни передают вращательное движение заднему колесу, передаточное отношение 1:1, электромеханические узлы, соединены с микроконтроллерами через токопроводящий кабель 250 мм. [приложение 3].
2.2 Управляющая программа
С целью визуального отображения процесса беспроводной подзарядки электросамоката, принято решение использовать стандартный язык mindstorms LabVIEW, который позволит в полной мере позволяет решить поставленную задачу.
Как уже отмечалось выше в конструкции использовались два микроконтроллера EV3, они предназначены для обмена сообщениями через Bluetooth. Суть управляющей программы заключается в том, что платформа, находится в режиме сравнения, а именно датчик цвета и ультразвуковой датчик. Когда датчики обнаружат электросамокат, сообщение отправится на микроконтроллер самоката, который по команде совершит останов и начнет подзарядку. Особенностью программы является, использование связи Bluetooth для создания процесса визуализации подзарядки. Помимо этого, в программе используется блок сравнения заданных показаний датчиков [Приложение 4].
Заключение
Беспроводные зарядные устройства, становятся популярнее с каждым днем, различные компании и фирмы, пытаются разработать свое решение в этом направлении, а это значит, что совсем скоро, мы увидим “мир без проводов”. Следует отметить, что отсутствие проводов в процессе подзарядки электросамокатов, обеспечивает высокое удобство и безопасность. В связи с чем, возрастает привлекательность этого индивидуального средства передвижения. Помимо этого, в проекте, удалось воспроизвести процесс беспроводной подзарядки электросамоката, понять сложность решения и найти оптимальный вариант решения. В процессе конструирования – программирования, наша команда столкнулась с проблемой своевременного останова электросамоката, а также конструкции самого самоката, однако нам удалось найти решения, которые позволили выполнить поставленную цель проекта.
Список литературы и интернет-источники
https://www.vedomosti.ru/technology/articles/2021/06/23/875367-prodazhi-elektrosamokatov
https://gadget-bit.ru/kak-rabotaet-jelektrosamokat-instrukcija/
https://gadgetpage.ru/instrukcii/5350-instrukcija-na-russkom-jazyke-k-jelektrosamokatu-kugoo-m4-i-m4-pro.html
https://ig-store.ru/files/products/3920/61be1b5c7cd6cf8fa2dfc85f0a8b2a0316980f60.pdf
https://akbinfo.ru/stati/besprovodnoj-akkumulyator-texnologiya-i-ustrojstva.html#i-3
https://wireless-e.ru/peredacha-energii/tehnologii-besprovodnoj-zaryadki-1/
https://ecotechnica.com.ua/technology/4813-besprovodnaya-zaryadka-dlya-elektrosamokatov-easy-charge.html
Приложение 1
Конструкция электросамоката
Приложение 2
Управляющая программа