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(shè)施無保護等引發(fā)的火災(zāi)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(fù)載檢測技術(shù)和負(fù)載均衡等進行深入研究。系統(tǒng)依靠功率監(jiān)測和負(fù)載檢測技術(shù)實現(xiàn)了對充電功率的精確檢測和系統(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(fù)載不在線的情況下實現(xiàn)0．5 s內(nèi)自動起停并發(fā)出報警信號,。系統(tǒng)實現(xiàn)了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(guān)鍵詞：電動自行車；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)境保護力度的不斷加大,，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(zāi)數(shù)量也急劇上升。電動自行車的集中存放和充電,，也容易引發(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)都是由于電動自行車充電所引發(fā)的,。電動自行車充電之所以容易引起火災(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,，起火后會迅速產(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(zāi)高發(fā)勢頭，國wu院安委會決定在全國范圍內(nèi)組織開展為期3年的電氣火災(zāi)綜合治理工作,，電動自行車在充電過程中引發(fā)火災(zāi)是治理工作的重點,。
       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(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,。研究成果對我國新能源交通行業(yè)發(fā)展和新能源應(yīng)用安全保障具有十分重要的現(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(wù),，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(gòu)成
1．1系統(tǒng)硬件構(gòu)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(wù)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(shè)計,，易于實現(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，方便維護和升級,。

1．2系統(tǒng)工作原理
       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(jié)合，獲取充電負(fù)載的充電實時有功功率,、電壓及電流值,，分析當(dāng)前充電電壓及電流是否超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值,，根據(jù)有功功率的實時監(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)檢測控制機制監(jiān)測肖特基二極管所產(chǎn)生的壓降,，實現(xiàn)系統(tǒng)0．5 S內(nèi)有效檢測負(fù)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(wù)器,，可及時向管理員和充電用戶反饋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,，更不能對其消防安全進行有效監(jiān)控和防范,。筆者所設(shè)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／流、有功功率,、設(shè)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(shè)備自身狀態(tài)的有效監(jiān)控,。為了能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測充電時負(fù)載的有功功率，采用單相計能芯片RN8208G對負(fù)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(zhǔn)確測量功能,，其有功電能誤差8 000：1,，動態(tài)范圍內(nèi)<0．1％，精度可達0．5 S級,。為保證主功率開關(guān)模塊壽命能夠適應(yīng)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(jié)合RC阻容吸收浪涌脈沖電路的設(shè)計，實現(xiàn)對繼電器觸點的保護,。
2系統(tǒng)軟件設(shè)計
2．1系統(tǒng)整體軟件設(shè)計
      智能控電管理系統(tǒng)設(shè)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(dāng)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(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(fù)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(shè)計是通過對電池狀態(tài)進行判斷,，并根據(jù)電池當(dāng)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(dāng)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(wù),；當(dāng)充到一定程度(一般為70％～95％)后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(nèi)的充電,。

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(dāng)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?fù)p壞或火災(zāi)爆zha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(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,，會因恒壓持續(xù)充電導(dǎo)致電池自燃。智能充電系統(tǒng)可精準(zhǔn)檢測充電功率,，設(shè)定關(guān)機功率,，在電池充電過程中，功率低于關(guān)機功率時,，設(shè)備會關(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，設(shè)備會精確判斷并斷電,、報警等,。
3 安科瑞電動自行車充電樁介紹（含選型）
       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?qū)﹄妱幼孕熊嚦潆姌兜娜粘顟B(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xin支付等多種支付方式,，保證支付交易過程的完整性，對充電過程中的異常情況進行有效預(yù)警,；實現(xiàn)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(shù)據(jù)，實現(xiàn)電動車充電安全管理的網(wǎng)絡(luò)化,、可視化,。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

軟件功能
1.數(shù)據(jù)集中采集和分發(fā)；2.B/S管理系統(tǒng),；3.財務(wù)管理,；4.資產(chǎn)管理；5.充電樁站點導(dǎo)航,；6.多樣支付：刷卡,、投幣、掃碼支付；7.充電樁監(jiān)控和控制,；8.故障和報警,；9.運營分析

①　安全預(yù)警
??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(zāi)隱患。

②　交易結(jié)算管理
??平臺為運營方提供充電價格策略管理,，預(yù)收費管理，賬單管理,，營收和財務(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^在線自助支付實現(xiàn)充電。

④　運營分析
??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,。

⑤　小程序

用戶均可體驗簡單快捷的支付流程

掃碼充電,、在線控制/查詢、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(yù)存電費充值后進行刷卡充電,，也可接入充電樁管理云平臺通過掃碼充電；

4 結(jié)論
       筆者根據(jù)電動自行車充電集中,、無人值守,、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、自動斷電等功能的智能充電管理系統(tǒng)設(shè)計,，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)分析判斷實現(xiàn)充電管理的自動起停,，并結(jié)合電池性能參數(shù)進行火災(zāi)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1 W，監(jiān)測范圍為1～7 700 W,，*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(yù)防電動自行車充電時所引發(fā)的火災(zāi)事故,，能夠?qū)崿F(xiàn)故障發(fā)生精準(zhǔn)報警,，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、,、廠礦及公共停車場等電動自行車集中存放區(qū)域?qū)ζ溥M行充電的電氣火災(zāi)預(yù)防問題,。
【參考文獻】
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