淺談電動(dòng)自行車智能充電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

時(shí)間：2020-09-10作者：江蘇安科瑞電器制造有限公司瀏覽：279

摘要：為了解決電動(dòng)自行車由于私拉電線、充電線路老化、充電設(shè)施無保護(hù)等引發(fā)的火災(zāi)事故頻發(fā)問題，研發(fā)了電動(dòng)自行車智能充電管理系統(tǒng)。針對(duì)該系統(tǒng)中所采用的功率監(jiān)測、負(fù)載檢測技術(shù)和負(fù)載均衡等進(jìn)行深入研究。系統(tǒng)依靠功率監(jiān)測和負(fù)載檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)充電功率的檢測和系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的閉環(huán)自檢，根據(jù)采集到的有功功率對(duì)電池充電模式進(jìn)行匹配，通過電池狀態(tài)多參量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，能夠在電池充滿或負(fù)載不在線的情況下實(shí)現(xiàn)0.5s內(nèi)自動(dòng)起停并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)自行車充電的智能安全管理和統(tǒng)一管理等實(shí)用功能。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車;火災(zāi);充電樁;充電管理;應(yīng)急管理;

近年來，由于新能源技術(shù)的推廣應(yīng)用和環(huán)境保護(hù)力度不斷加大，方便快捷的電動(dòng)自行車越來越受到廣大市民的青睞。我國現(xiàn)有電動(dòng)自行車保有量在3億輛左右，并且以每年30%的速度快速增長。隨著電動(dòng)自行車數(shù)量的快速增長，由于其充電形式不規(guī)律、充電頻繁、充電環(huán)境差等原因造成的電氣火災(zāi)數(shù)量也急劇上升。電動(dòng)自行車的集中存放和充電，也*引發(fā)連片火災(zāi)。根據(jù)消防部門的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，許多居民小區(qū)的電氣火災(zāi)都是由于電動(dòng)自行車充電所引發(fā)的。電動(dòng)自行車充電之所以*引起火災(zāi)，其根本原因與其充電環(huán)境、使用習(xí)慣和自身材質(zhì)有關(guān)。幾乎所有電動(dòng)車使用的裝飾性部件，使用的都是氧指數(shù)在17～18的易燃材質(zhì)，這類材料只需要很少的氧氣就能*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)*產(chǎn)生有毒煙霧，不僅阻礙逃生視線，還會(huì)致人喪失自救能力。為有效遏制電氣火災(zāi)高發(fā)勢(shì)頭，**安委會(huì)決定在全國范圍內(nèi)組織開展為期3年的電氣火災(zāi)綜合治理工作，電動(dòng)自行車在充電過程中引發(fā)火災(zāi)是治理工作關(guān)鍵。

筆者針對(duì)電動(dòng)自行車安全充電和智能計(jì)費(fèi)管理這兩大難題，研發(fā)一種具有電流管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、過載保護(hù)、自動(dòng)啟停等功能的電動(dòng)自行車智能安全充電系統(tǒng)，解決電動(dòng)自行車充電中因私拉電線、線路老化、無人監(jiān)管、設(shè)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(zāi)的難題。研究成果對(duì)我國新能源交通行業(yè)發(fā)展和新能源應(yīng)用安全**具有十分重要的現(xiàn)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)，具有廣闊的市場前景。

1 電動(dòng)自行車智能充電管理系統(tǒng)構(gòu)成

1.1系統(tǒng)硬件構(gòu)成

電動(dòng)自行車智能充電管理系統(tǒng)硬件包括安全充電單元、電源連接線、智能充電管理終端(充電樁)、云服務(wù)器、客戶端和智能移動(dòng)終端等，其系統(tǒng)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(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品系列化、組合化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，大大提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，方便維護(hù)和升級(jí)。







圖1電動(dòng)自行車智能充電管理系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)的工作原理為：系統(tǒng)通過有功功率計(jì)量模塊、過零檢測和RC阻容吸收浪涌脈沖電路相結(jié)合，獲取充電負(fù)載的充電實(shí)時(shí)有功功率、電壓及電流值，分析當(dāng)前充電電壓及電流是否**過系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值，根據(jù)有功功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測判斷當(dāng)前負(fù)載是否接入到系統(tǒng)當(dāng)中，并通過閉環(huán)檢測控制機(jī)制監(jiān)測肖特基二極管所產(chǎn)生的壓降，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)0.5s內(nèi)有效檢測負(fù)載在線狀態(tài)。同時(shí)，系統(tǒng)將所采集到的多個(gè)參數(shù)上傳至云服務(wù)器，可及時(shí)向管理員和充電用戶反饋充電狀態(tài)以及各種檢測信息。閉環(huán)檢測控制機(jī)制示意圖，如圖2所示。







圖2閉環(huán)檢測控制機(jī)制示意圖

目前，市面上的電動(dòng)自行車充電樁大多只為車輛提供充電電能，對(duì)車輛充電電壓/流、有功功率、電池狀態(tài)等信息并沒有系統(tǒng)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(jiān)測車輛狀態(tài)和電能使用情況，較不能對(duì)其消防安全進(jìn)行有效監(jiān)控和防范。筆者所設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車智能充電管理系統(tǒng)通過對(duì)車輛充電時(shí)的電壓/電流、有功功率、設(shè)備溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了車輛接入、電池狀態(tài)、設(shè)備自身狀態(tài)的有效監(jiān)控。為了能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測充電時(shí)負(fù)載的有功功率，采用單相計(jì)能芯片RN8208G對(duì)負(fù)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(zhǔn)確測量功能，其有功電能誤差8000:1,動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)<0.1%,精度可達(dá)0.5s級(jí)。為保證主功率開關(guān)模塊壽命能夠適應(yīng)電動(dòng)自行車充電的頻繁使用情況，系統(tǒng)硬件采用過零檢測通斷繼電器結(jié)合RC阻容吸收浪涌脈沖電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器觸點(diǎn)的保護(hù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)

智能控電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖3所示。待充電車輛與智能充電管理系統(tǒng)連接后，系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前充電車輛電池進(jìn)行檢測，確定其電能狀態(tài)是否需要充電。系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行電壓、電流和溫度的采集，確定當(dāng)前充電車輛電池狀態(tài)正常，并根據(jù)電池當(dāng)前狀態(tài)選擇合適的充電模式。在充電過程中，系統(tǒng)對(duì)電池狀態(tài)和系統(tǒng)充電電壓、電流等參數(shù)進(jìn)行采集，判斷電池是否充滿，如果電池已充滿，則系統(tǒng)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(hào)，否則充電過程持續(xù)。此外，如果發(fā)現(xiàn)負(fù)載(電池)接入狀態(tài)不在線，則系統(tǒng)斷電并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.2充電模式的判斷

系統(tǒng)軟件對(duì)車輛充電模式選擇的設(shè)計(jì)是通過對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行判斷，并根據(jù)電池當(dāng)前電壓來選擇以哪種模式進(jìn)行充電操作。電動(dòng)自行車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，如圖4所示。根據(jù)待充電電池當(dāng)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(dāng)充到一定程度(一般為70%～95%)開始采用恒壓模式進(jìn)行充電;而在電池即將充滿電這個(gè)期間，系統(tǒng)將會(huì)采用浮充模式對(duì)電池進(jìn)行充滿或故障前短時(shí)間內(nèi)的充電。







圖3智能控電管理系統(tǒng)軟件流程圖







電流電壓曲線







有功功率曲線

圖4電動(dòng)自行車3種充電模式下的電流電壓曲線及有功功率曲線圖

系統(tǒng)在三種充電模式下采集的有功功率，可見表1所示。目前，市場上的電動(dòng)自行車普遍采用的鉛酸蓄電池，無論采用恒流充電還是恒壓充電，其長時(shí)間以某一種方式持續(xù)充電，則會(huì)有安全隱患并對(duì)電池壽命造成不可逆的損害。當(dāng)系統(tǒng)以恒流充電模式對(duì)電池持續(xù)充電趨于飽和時(shí)，還是以固定電流充電，充電機(jī)為維持恒流，提高電壓可能會(huì)造成電池?fù)p壞或火災(zāi)爆炸事故。恒壓充電在開始充電時(shí)，電流很大，使蓄電池發(fā)熱，電液沸騰，內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)急劇，具有很大的消防安全隱患。電池接近充滿狀態(tài)系統(tǒng)的浮充模式也不可以持續(xù)太久，否則,會(huì)因恒壓持續(xù)充電導(dǎo)致電池自燃。智能充電系統(tǒng)可檢測充電功率，設(shè)定關(guān)機(jī)功率，在電池充電過程中，功率**關(guān)機(jī)功率時(shí)，設(shè)備會(huì)關(guān)斷電源，沒有電流輸出。在充電過程中，如果電流、電壓的異常跳動(dòng)，設(shè)備會(huì)判斷并斷電、報(bào)警等。

表1系統(tǒng)三種充電模式有功功率采集值







3 安科瑞電動(dòng)自行車充電樁選型及平臺(tái)介紹

安科瑞電動(dòng)自行車充電樁通過GPRS模塊與云端進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)能夠?qū)﹄妱?dòng)自行車充電樁的日常狀態(tài)、充電過程進(jìn)行監(jiān)控;實(shí)現(xiàn)充電支付對(duì)接：支持投幣、刷卡、微信支付等多種支付方式，保證支付交*程的完整性，對(duì)充電過程中的異常情況進(jìn)行有效預(yù)警;實(shí)現(xiàn)對(duì)下游站級(jí)平臺(tái)的清算、對(duì)賬功能。

3.1電動(dòng)自行車充電樁平臺(tái)架構(gòu)







系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.2電動(dòng)自行車充電樁云平臺(tái)功能概述

1 安全預(yù)警平臺(tái)可對(duì)接消防物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、小程序等，提供相關(guān)異常數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車充電安全管理的網(wǎng)絡(luò)化、可視化。

2 交易結(jié)算管理對(duì)平臺(tái)連接的所有充電樁狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，充電樁發(fā)生異常情況時(shí)可通過APP、短信及時(shí)向運(yùn)營人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)，及時(shí)消除火災(zāi)隱患。平臺(tái)為運(yùn)營方提供充電價(jià)格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)表等，支持投幣、刷卡和掃碼充電。

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

4 運(yùn)營分析

5 微信小程序?qū)τ唵芜M(jìn)行數(shù)據(jù)化分析,通過柱狀圖、報(bào)表方式直觀展示數(shù)據(jù),并支持和第三方平臺(tái)對(duì)接?？赏ㄟ^微信小程序掃碼充電，充電賬單支付。運(yùn)營商和物業(yè)管理人員均可通過小程序管理，監(jiān)測充電樁狀態(tài)和充電交易情況。







3.3電動(dòng)自行車充電樁選型表







4 結(jié)論

筆者根據(jù)電動(dòng)自行車充電集中、**、環(huán)境復(fù)雜等的要求，提出了具備充電電壓/流、有功功率、短路保護(hù)、自動(dòng)斷電等功能的智能充電管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。研究了鉛酸蓄電池三種充電模式的自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)有功功率數(shù)據(jù)分析判斷實(shí)現(xiàn)充電管理的自動(dòng)起停，并結(jié)合電池性能參數(shù)進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警信號(hào)的輸出。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)有功功率測量精度為1W，監(jiān)測范圍為1～7700W，可以滿足充電模式的判斷，進(jìn)而完成充電的智能安全管理。該系統(tǒng)可以有效預(yù)防電動(dòng)自行車充電時(shí)所引發(fā)的火災(zāi)事故，能夠?qū)崿F(xiàn)故障發(fā)生報(bào)警，電路快速切控，從而減少因充電故障引發(fā)的火災(zāi)，解決了住宅小區(qū)、城中村、企事業(yè)單位、廠礦及公共停車場等電動(dòng)自行車集中存放區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行充電的電氣火災(zāi)預(yù)防問題。


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