10路電動(dòng)自行車(chē)智能充電管理系統的設計

摘要：為了解決電動(dòng)自行車(chē)由于私拉電線(xiàn)、充電線(xiàn)路老化、充電設施無(wú)保護等引發(fā)的火災事故頻發(fā)問(wèn)題，研發(fā)了電動(dòng)自行車(chē)智能充電管理系統。針對該系統中所采用的功率監測、負載檢測技術(shù)和負載均衡等進(jìn)行深入研究。系統依靠功率監測和負載檢測技術(shù)實(shí)現了對充電功率的精確檢測和系統各個(gè)環(huán)節的閉環(huán)自檢，根據采集到的有功功率對電池充電模式進(jìn)行匹配，通過(guò)電池狀態(tài)多參量實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，能夠在電池充滿(mǎn)或負載不在線(xiàn)的情況下實(shí)現0．5 s內自動(dòng)起停并發(fā)出報警信號。系統實(shí)現了對電動(dòng)自行車(chē)充電的智能安全管理和統一管理等實(shí)用功能。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車(chē)；火災；充電樁；充電管理；應急管理
       近年來(lái)，由于新能源技術(shù)的推廣應用和環(huán)境保護力度的不斷加大，方便快捷的電動(dòng)自行車(chē)越來(lái)越受到廣大市民的青睞。我國現有電動(dòng)自行車(chē)保有量在3億輛左右，并且以每年30％的速度快速增長(cháng)。隨著(zhù)電動(dòng)自行車(chē)數量的快速增長(cháng)，由于其充電形式不規律、充電頻繁、充電環(huán)境差等原因造成的電氣火災數量也急劇上升。電動(dòng)自行車(chē)的集中存放和充電，也容易引發(fā)連片火災。根據消防部門(mén)的調查發(fā)現，許多居民小區的電氣火災都是由于電動(dòng)自行車(chē)充電所引發(fā)的。電動(dòng)自行車(chē)充電之所以容易引起火災，其根本原因與其充電環(huán)境、使用習慣和自身材質(zhì)有關(guān)。幾乎所有電動(dòng)車(chē)使用的裝飾性部件，使用的都是氧指數在17～18的易燃材質(zhì)，這類(lèi)材料只需要很少的氧氣就能迅速起火蔓延。這些裝飾性部件還大量使用高分子材料，起火后會(huì )迅速產(chǎn)生有毒煙霧，不僅阻礙逃生視線(xiàn)，還會(huì )致人喪失自救能力。為有效遏制電氣火災高發(fā)勢頭，國wu院安委會(huì )決定在全國范圍內組織開(kāi)展為期3年的電氣火災綜合治理工作，電動(dòng)自行車(chē)在充電過(guò)程中引發(fā)火災是治理工作的重點(diǎn)。
       筆者針對電動(dòng)自行車(chē)安全充電和智能計費管理這兩大難題，研發(fā)一種具有電流管理、實(shí)時(shí)監控、過(guò)載保護、自動(dòng)啟停等功能的電動(dòng)自行車(chē)智能安全充電系統，解決電動(dòng)自行車(chē)充電中因私拉電線(xiàn)、線(xiàn)路老化、無(wú)人監管、設備易受自然環(huán)境和人為破壞等因素的影響而發(fā)生火災的難題。研究成果對我國新能源交通行業(yè)發(fā)展和新能源應用安全保障具有十分重要的現實(shí)意義，同時(shí)也為居民生活提供安全、便利與快捷的生活服務(wù)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。
1 電動(dòng)自行車(chē)智能充電管理系統構成
1．1系統硬件構成
       電動(dòng)自行車(chē)智能充電管理系統硬件包括安全充電單元、電源連接線(xiàn)、智能充電管理終端(充電樁)、云服務(wù)器、客戶(hù)端和智能移動(dòng)終端等，其系統框圖如圖1所示。其中，智能充電管理終端采用模塊化組合設計，易于實(shí)現產(chǎn)品系列化、組合化、通用化和標準化，大大提高系統的可靠性和穩定性，方便維護和升級。

1．2系統工作原理
       該系統的工作原理為：系統通過(guò)有功功率計量模塊、過(guò)零檢測和RC阻容吸收浪涌脈沖電路相結合，獲取充電負載的充電實(shí)時(shí)有功功率、電壓及電流值，分析當前充電電壓及電流是否超過(guò)系統預設閾值，根據有功功率的實(shí)時(shí)監測判斷當前負載是否接入到系統當中，并通過(guò)閉環(huán)檢測控制機制監測肖特基二極管所產(chǎn)生的壓降，實(shí)現系統0．5 S內有效檢測負載在線(xiàn)狀態(tài)。同時(shí)，系統將所采集到的多個(gè)
參數上傳至云服務(wù)器，可及時(shí)向管理員和充電用戶(hù)反饋xin的充電狀態(tài)以及各種檢測信息。閉環(huán)檢測控制機制示意圖，如圖2所示。

目前，市面上的電動(dòng)自行車(chē)充電樁大多只為車(chē)輛提供充電電能，對車(chē)輛充電電壓／流、有功功率、電池狀態(tài)等信息并沒(méi)有系統的采集和分析判斷，在提供充電功能的同時(shí)并不能有效地監測車(chē)輛狀態(tài)和電能使用情況，更不能對其消防安全進(jìn)行有效監控和防范。筆者所設計的電動(dòng)自行車(chē)智能充電管理系統通過(guò)對車(chē)輛充電時(shí)的電壓／流、有功功率、設備溫度等參數的實(shí)時(shí)監測，實(shí)現了車(chē)輛接入、電池狀態(tài)、設備自身狀態(tài)的有效監控。為了能夠準確地監測充電時(shí)負載的有功功率，采用單相計能芯片RN8208G對負載有功功率進(jìn)行測量，該芯片具備有功功率、有功電能、電壓／流有效值等準確測量功能，其有功電能誤差8 000：1，動(dòng)態(tài)范圍內<0．1％，精度可達0．5 S級。為保證主功率開(kāi)關(guān)模塊壽命能夠適應電動(dòng)自行車(chē)充電的頻繁使用情況，系統硬件采用過(guò)零檢測通斷繼電器結合RC阻容吸收浪涌脈沖電路的設計，實(shí)現對繼電器觸點(diǎn)的保護。
2系統軟件設計
2．1系統整體軟件設計
      智能控電管理系統設計，如圖3所示。待充電車(chē)輛與智能充電管理系統連接后，系統對當前充電車(chē)輛電池進(jìn)行檢測，確定其電能狀態(tài)是否需要充電。系統實(shí)時(shí)進(jìn)行電壓、電流和溫度的采集，確定當前充電車(chē)輛電池狀態(tài)正常，并根據電池當前狀態(tài)選擇合適的充電模式。在充電過(guò)程中，系統對電池狀態(tài)和系統充電電壓、電流等參數進(jìn)行采集，判斷電池是否充滿(mǎn)，如果電池已充滿(mǎn)，則系統進(jìn)入浮充狀態(tài)一段時(shí)間后自動(dòng)斷電，并給出充電完成信號，否則充電過(guò)程持續。此外，如果發(fā)現負載(電池)接入狀態(tài)不在線(xiàn)，則系統斷電并發(fā)出報警信號。

2．2充電模式的判斷
      系統軟件對車(chē)輛充電模式選擇的設計是通過(guò)對電池狀態(tài)進(jìn)行判斷，并根據電池當前電壓來(lái)選擇以哪種模式進(jìn)行充電操作。電動(dòng)自行車(chē)充電模式一般可分為三段式：恒流充電階段、恒壓充電階段和浮充充電階段，每個(gè)充電模式下的電流電壓曲線(xiàn)，如圖4所示。根據待充電電池當前狀態(tài)選擇充電模式時(shí)，在電池電量較低(某些電池其電量<70％)時(shí)可采用恒流充電激活電池并提供電池初期快速充電服務(wù)；當充到一定程度(一般為70％～95％)后開(kāi)始采用恒壓模式進(jìn)行充電；而在電池即將充滿(mǎn)電這個(gè)期間，系統將會(huì )采用浮充模式對電池進(jìn)行充滿(mǎn)或故障前短時(shí)間內的充電。

系統在三種充電模式下采集的有功功率，可見(jiàn)表1所示。

目前，市場(chǎng)上的電動(dòng)自行車(chē)普遍采用的鉛酸蓄電池，無(wú)論采用恒流充電還是恒壓充電，其長(cháng)時(shí)間以某一種方式持續充電，則會(huì )有安全隱患并對電池壽命造成不可逆的損害。當系統以恒流充電模式對電池持續充電趨于飽和時(shí)，還是以固定電流充電，充電機為維持恒流，提高電壓可能會(huì )造成電池損壞或火災爆zha事故。恒壓充電在開(kāi)始充電時(shí)，電流很大，使蓄電池發(fā)熱，電液沸騰，內部化學(xué)反應急劇，具有很大的消防安全隱患。電池接近充滿(mǎn)狀態(tài)系統的浮充模式也不可以持續太久，否則，會(huì )因恒壓持續充電導致電池自燃。智能充電系統可精準檢測充電功率，設定關(guān)機功率，在電池充電過(guò)程中，功率低于關(guān)機功率時(shí)，設備會(huì )關(guān)斷電源，沒(méi)有電流輸出。在充電過(guò)程中，如果電流、電壓的異常跳動(dòng)，設備會(huì )精確判斷并斷電、報警等。
3 安科瑞電動(dòng)自行車(chē)充電樁介紹（含選型）
       安科瑞電動(dòng)自行車(chē)充電樁通過(guò)GPRS模塊與云端進(jìn)行通信和數據交互。系統能夠對電動(dòng)自行車(chē)充電樁的日常狀態(tài)、充電過(guò)程進(jìn)行監控；實(shí)現充電支付對接：支持投幣、刷卡、微xin支付等多種支付方式，保證支付交易過(guò)程的完整性，對充電過(guò)程中的異常情況進(jìn)行有效預警；實(shí)現對下游站級平臺的清算、對賬功能。平臺可對接消防物聯(lián)網(wǎng)平臺、小程序等，提供相關(guān)異常數據，實(shí)現電動(dòng)車(chē)充電安全管理的網(wǎng)絡(luò )化、可視化。
系統結構圖

軟件功能
1.數據集中采集和分發(fā)；2.B/S管理系統；3.財務(wù)管理；4.資產(chǎn)管理；5.充電樁站點(diǎn)導航；6.多樣支付：刷卡、投幣、掃碼支付；7.充電樁監控和控制；8.故障和報警；9.運營(yíng)分析

①　安全預警
??對平臺連接的所有充電樁狀態(tài)進(jìn)行監視，充電樁發(fā)生異常情況時(shí)可通過(guò)APP、短信及時(shí)向運營(yíng)人員發(fā)出報警信號，及時(shí)消除火災隱患。

②　交易結算管理
??平臺為運營(yíng)方提供充電價(jià)格策略管理，預收費管理，賬單管理，營(yíng)收和財務(wù)相關(guān)報表等，支持投幣、刷卡和掃碼充電。

③　充電服務(wù)
??可通過(guò)軟件搜索附近充電樁，并查看充電樁狀態(tài)，并導航至可用充電樁?？赏ㄟ^(guò)在線(xiàn)自助支付實(shí)現充電。

④　運營(yíng)分析
??對訂單進(jìn)行數據化分析，通過(guò)柱狀圖、報表方式直觀(guān)展示數據，并支持和第三方平臺對接。

⑤　小程序

用戶(hù)均可體驗簡(jiǎn)單快捷的支付流程

掃碼充電、在線(xiàn)控制/查詢(xún)、使用體驗流暢舒適

⑥ 產(chǎn)品選型
       A款的ACX10A-YH刷卡掃碼充電，刷卡充電需要在管理處預存電費充值后進(jìn)行刷卡充電，也可接入充電樁管理云平臺通過(guò)掃碼充電；

4 結論
       筆者根據電動(dòng)自行車(chē)充電集中、無(wú)人值守、環(huán)境復雜等的要求，提出了具備充電電壓／流、有功功率、短路保護、自動(dòng)斷電等功能的智能充電管理系統設計，并介紹了系統的結構和工作原理。研究了鉛酸蓄電池三種充電模式的自適應技術(shù)，根據有功功率數據分析判斷實(shí)現充電管理的自動(dòng)起停，并結合電池性能參數進(jìn)行火災報警信號的輸出。經(jīng)過(guò)實(shí)驗證明，該系統有功功率測量精度為1 W，監測范圍為1～7 700 W，*可以滿(mǎn)足充電模式的判斷，進(jìn)而完成充電的智能安全管理。該系統可以有效預防電動(dòng)自行車(chē)充電時(shí)所引發(fā)的火災事故，能夠實(shí)現故障發(fā)生精準報警，電路快速切控，從而減少因充電故障引發(fā)的火災，解決了住宅小區、城中村、、廠(chǎng)礦及公共停車(chē)場(chǎng)等電動(dòng)自行車(chē)集中存放區域對其進(jìn)行充電的電氣火災預防問(wèn)題。
【參考文獻】
[1]GB 17761--2018，電動(dòng)自行車(chē)安全技術(shù)規范[S]
[2]羅云慶，代鑫  電動(dòng)白行車(chē)智能充電管理系統研究 [J] 消防科學(xué)與技術(shù).2019
[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11版