淺談電動自行車智能充電管理系統(tǒng)的設計及應用

時間：2020-09-10

摘要：為了解決電動自行車由于私拉電線、充電線路老化、充電設施無保護等引發(fā)的火災事故頻發(fā)問題，研發(fā)了電動自行車智能充電管理系統(tǒng)。針對該系統(tǒng)中所采用的功率監(jiān)測、負載檢測技術和負載均衡等進行深入研究。系統(tǒng)依靠功率監(jiān)測和負載檢測技術實現(xiàn)了對充電功率的檢測和系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的閉環(huán)自檢，根據(jù)采集到的有功功率對電池充電模式進行匹配，通過電池狀態(tài)多參量實時在線監(jiān)測，能夠在電池充滿或負載不在線的情況下實現(xiàn)0.5s內自動起停并發(fā)出報警信號。系統(tǒng)實現(xiàn)對電動自行車充電的智能安全管理和統(tǒng)一管理等實用功能。

關鍵詞：電動自行車;火災;充電樁;充電管理;應急管理;

近年來，由于新能源技術的推廣應用和環(huán)境保護力度不斷加大，方便快捷的電動自行車越來越受到廣大市民的青睞。我國現(xiàn)有電動自行車保有量在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數(shù)量也急劇上升。電動自行車的集中存放和充電，也*引發(fā)連片火災。根據(jù)消防部門的調查發(fā)現(xiàn)，許多居民小區(qū)的電氣火災都是由于電動自行車充電所引發(fā)的。電動自行車充電之所以*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有關。幾乎所有電動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，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*產(chǎn)生有毒煙霧，不僅阻礙逃生視線，還會致人喪失自救能力。為有效遏制電氣火災高發(fā)勢頭，**安委會決定在全國范圍內組織開展為期3年的電氣火災綜合治理工作，電動自行車在充電過程中引發(fā)火災是治理工作關鍵。

筆者針對電動自行車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、實時監(jiān)控、過載保護、自動啟停等功能的電動自行車智能安全充電系統(tǒng)，解決電動自行車充電中因私拉電線、線路老化、無人監(jiān)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**具有十分重要的現(xiàn)實意義，同時也為居民生活提供安全、便利與快捷的生活服務，具有廣闊的市場前景。

1 電動自行車智能充電管理系統(tǒng)構成

1.1系統(tǒng)硬件構成

電動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)、云服務器、客戶端和智能移動終端等，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計，易于實現(xiàn)產(chǎn)品系列化、組合化、通用化和標準化，大大提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，方便維護和升級。

圖1電動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)通過有功功率計量模塊、過零檢測和RC阻容吸收浪涌脈沖電路相結合，獲取充電負載的充電實時有功功率、電壓及電流值，分析當前充電電壓及電流是否**過系統(tǒng)預設閾值，根據(jù)有功功率的實時監(jiān)測判斷當前負載是否接入到系統(tǒng)當中，并通過閉環(huán)檢測控制機制監(jiān)測肖特基二極管所產(chǎn)生的壓降，實現(xiàn)系統(tǒng)0.5s內有效檢測負載在線狀態(tài)。同時，系統(tǒng)將所采集到的多個參數(shù)上傳至云服務器，可及時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)檢測控制機制示意圖，如圖2所示。

圖2閉環(huán)檢測控制機制示意圖

目前，市面上的電動自行車充電樁大多只為車輛提供充電電能，對車輛充電電壓/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，較不能對其消防安全進行有效監(jiān)控和防范。筆者所設計的電動自行車智能充電管理系統(tǒng)通過對車輛充電時的電壓/電流、有功功率、設備溫度等參數(shù)的實時監(jiān)測，實現(xiàn)了車輛接入、電池狀態(tài)、設備自身狀態(tài)的有效監(jiān)控。為了能夠準確地監(jiān)測充電時負載的有功功率，采用單相計能芯片RN8208G對負載有功功率進行測量，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8000:1,動態(tài)范圍內<0.1%,精度可達0.5s級。為保證主功率開關模塊壽命能夠適應電動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合RC阻容吸收浪涌脈沖電路的設計，實現(xiàn)對繼電器觸點的保護。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1系統(tǒng)整體軟件設計

智能控電管理系統(tǒng)設計，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)對當前充電車輛電池進行檢測，確定其電能狀態(tài)是否需要充電。系統(tǒng)實時進行電壓、電流和溫度的采集，確定當前充電車輛電池狀態(tài)正常，并根據(jù)電池當前狀態(tài)選擇合適的充電模式。在充電過程中，系統(tǒng)對電池狀態(tài)和系統(tǒng)充電電壓、電流等參數(shù)進行采集，判斷電池是否充滿，如果電池已充滿，則系統(tǒng)進入浮充狀態(tài)一段時間后自動斷電，并給出充電完成信號，否則充電過程持續(xù)。此外，如果發(fā)現(xiàn)負載(電池)接入狀態(tài)不在線，則系統(tǒng)斷電并發(fā)出報警信號。

2.2充電模式的判斷

系統(tǒng)軟件對車輛充電模式選擇的設計是通過對電池狀態(tài)進行判斷，并根據(jù)電池當前電壓來選擇以哪種模式進行充電操作。電動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)待充電電池當前狀態(tài)選擇充電模式時，在電池電量較低(某些電池其電量<70%)時可采用恒流充電激活電池并提供電池初期快速充電服務;當充到一定程度(一般為70%～95%)開始采用恒壓模式進行充電;而在電池即將充滿電這個期間，系統(tǒng)將會采用浮充模式對電池進行充滿或故障前短時間內的充電。

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，其長時間以某一種方式持續(xù)充電，則會有安全隱患并對電池壽命造成不可逆的損害。當系統(tǒng)以恒流充電模式對電池持續(xù)充電趨于飽和時，還是以固定電流充電，充電機為維持恒流，提高電壓可能會造成電池損壞或火災爆炸事故。恒壓充電在開始充電時，電流很大，使蓄電池發(fā)熱，電液沸騰，內部化學反應急劇，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,會因恒壓持續(xù)充電導致電池自燃。智能充電系統(tǒng)可檢測充電功率，設定關機功率，在電池充電過程中，功率**關機功率時，設備會關斷電源，沒有電流輸出。在充電過程中，如果電流、電壓的異常跳動，設備會判斷并斷電、報警等。

表1系統(tǒng)三種充電模式有功功率采集值

3 安科瑞電動自行車充電樁選型及平臺介紹

安科瑞電動自行車充電樁通過GPRS模塊與云端進行通信和數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)能夠對電動自行車充電樁的日常狀態(tài)、充電過程進行監(jiān)控;實現(xiàn)充電支付對接：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，對充電過程中的異常情況進行有效預警;實現(xiàn)對下游站級平臺的清算、對賬功能。

3.1電動自行車充電樁平臺架構

系統(tǒng)架構圖

3.2電動自行車充電樁云平臺功能概述

1 安全預警平臺可對接消防物聯(lián)網(wǎng)平臺、小程序等，提供相關異常數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電動車充電安全管理的網(wǎng)絡化、可視化。

2 交易結算管理對平臺連接的所有充電樁狀態(tài)進行監(jiān)視，充電樁發(fā)生異常情況時可通過APP、短信及時向運營人員發(fā)出報警信號，及時消除火災隱患。平臺為運營方提供充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表等，支持投幣、刷卡和掃碼充電。

3 充電服務?？赏ㄟ^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。可通過在線自助支付實現(xiàn)充電。

4 運營分析

5 微信小程序對訂單進行數(shù)據(jù)化分析,通過柱狀圖、報表方式直觀展示數(shù)據(jù),并支持和第三方平臺對接?？赏ㄟ^微信小程序掃碼充電，充電賬單支付。運營商和物業(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電動自行車充電樁選型表

4 結論

筆者根據(jù)電動自行車充電集中、**、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、自動斷電等功能的智能充電管理系統(tǒng)設計，并介紹了系統(tǒng)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，根據(jù)有功功率數(shù)據(jù)分析判斷實現(xiàn)充電管理的自動起停，并結合電池性能參數(shù)進行火災報警信號的輸出。經(jīng)過實驗證明，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，進而完成充電的智能安全管理。該系統(tǒng)可以有效預防電動自行車充電時所引發(fā)的火災事故，能夠實現(xiàn)故障發(fā)生報警，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(qū)、城中村、企事業(yè)單位、廠礦及公共停車場等電動自行車集中存放區(qū)域對其進行充電的電氣火災預防問題。

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