摘(zhāi)要：為了解決電動(dòng)自行車由於私拉電綫，充電綫路老(lǎo)化，充電設施無保(bǎo)護等引(yǐn)發(fā)的火災(zāi)事(shì)故頻發問(wèn)題(tí)，研發(fā)了(liǎo)電(diàn)動(dòng)自(zì)行車智(zhì)能充(chōng)電管理係統(tǒng)。針對該係(xì)統中所采(cǎi)用(yòng)的功(gōng)率(shuài)監測，負(fù)載(zǎi)檢(jiǎn)測技術和(hé)負(fù)載均衡等(děng)進行(háng)深(shēn)入(rù)研(yán)究(jiū)。係統依(yī)靠功率監測(cè)和負(fù)載檢測(cè)技(jì)術實(shí)現(xiàn)了對充電功(gōng)率的檢測(cè)和(hé)係(xì)統各個環節的(dí)閉環(huán)自(zì)檢(jiǎn)，根據采集到的有功功(gōng)率對(duì)電池充電(diàn)模(mó)式進(jìn)行匹(pǐ)配，通過電池(chí)狀態多參量實時在(zài)綫監(jiān)測(cè)，能(néng)夠(gòu)在電池充滿(mǎn)或(huò)負載(zǎi)不(bù)在綫的情(qíng)況下(xià)實(shí)現0．5 s內(nèi)自動起停並(bìng)發(fā)出(chū)報警信(xìn)號(hào)。係統實現了對電動(dòng)自行車充(chōng)電的(dí)智(zhì)能(néng)安全(quán)管理和統一管(guǎn)理等(děng)實用(yòng)功能(néng)。

關(guān)鍵詞：電(diàn)動自行車(chē)；火(huǒ)災；充電樁(zhuāng)；充(chōng)電(diàn)管理；應急(jí)管理(lǐ)

近年(nián)來(lái)，由(yóu)於新能源技術的(dí)推(tuī)廣應(yīng)用和環境保護(hù)力(lì)度(dù)的不斷加(jiā)大(dà)，方便(biàn)快(kuài)捷的電動自行車(chē)越(yuè)來越(yuè)受到(dào)廣大市民的(dí)青睞。我國現有電(diàn)動(dòng)自行(háng)車保有量在3億(yì)輛(liàng)左(zuǒ)右(yòu)，並且以每年30％的速(sù)度快速增(zēng)長(cháng)。隨(suí)著電(diàn)動(dòng)自(zì)行(háng)車數量的(dí)快速增長，由於(yú)其充電(diàn)形式不(bù)規律，充電(diàn)頻繁，充電環(huán)境差等原因造(zào)成(chéng)的電氣(qì)火災數量(liáng)也急劇上(shàng)升(shēng)。電動自(zì)行(háng)車(chē)的集(jí)中存放(fàng)和(hé)充(chōng)電，也容易引發(fā)連片火(huǒ)災。根據(jù)消(xiāo)防部門(mén)的調查發(fā)現，許(xǔ)多居民(mín)小區(qū)的電氣火災都是由於電動自行車充電所引(yǐn)發的(dí)。電(diàn)動自行(háng)車充電(diàn)之(zhī)所(suǒ)以(yǐ)容(róng)易(yì)引起火(huǒ)災(zāi)，其(qí)根(gēn)本(běn)原(yuán)因與其充電(diàn)環境(jìng)，使用習慣和(hé)自(zì)身材質有(yǒu)關。幾乎所有(yǒu)電(diàn)動車使(shǐ)用(yòng)的裝飾(shì)性(xìng)部(bù)件，使用的都(dū)是氧指(zhǐ)數(shù)在17～18的易燃材質，這類材料隻(zhī)需(xū)要很少的氧氣(qì)就(jiù)能迅速(sù)起(qǐ)火蔓延。這(zhè)些(xiē)裝(zhuāng)飾(shì)性部件還(huán)大(dà)量使用高(gāo)分子(zǐ)材料，起火(huǒ)後會迅速產(chǎn)生有毒煙霧，不僅(jǐn)阻礙逃(táo)生視綫，還會致(zhì)人(rén)喪失自救能力。為有效(xiào)遏製電氣(qì)火災(zāi)高發勢頭，安(ān)委會決定在(zài)全國範圍內(nèi)組織(zhī)開展(zhǎn)為(wéi)期(qī)3年(nián)的電(diàn)氣火(huǒ)災(zāi)綜合(hé)治理工(gōng)作，電(diàn)動自(zì)行車在(zài)充電過(guò)程中引(yǐn)發(fā)火(huǒ)災是治理(lǐ)工作的(dí)重點。
筆(bǐ)者針(zhēn)對電動自(zì)行車(chē)安全(quán)充(chōng)電和智能(néng)計(jì)費(fèi)管理這(zhè)兩大難題，研發一(yī)種具(jù)有(yǒu)電流管(guǎn)理(lǐ)，實(shí)時監控(kòng)，過(guò)載(zǎi)保(bǎo)護，自(zì)動啟停等功(gōng)能的(dí)電動自(zì)行(háng)車(chē)智能(néng)安(ān)全充(chōng)電(diàn)係(xì)統(tǒng)，解(jiě)決電動自(zì)行車(chē)充電中因私拉(lā)電綫(xiàn)，綫路老化(huà)，無人監管，設備(bèi)易(yì)受自(zì)然環(huán)境和(hé)人為破壞等(děng)因素的(dí)影響而發生(shēng)火災的難題(tí)。研究(jiū)成果對(duì)我國(guó)新能源交通(tōng)行業(yè)發(fā)展和(hé)新能(néng)源(yuán)應(yīng)用(yòng)安全(quán)保(bǎo)障(zhàng)具(jù)有(yǒu)十分(fēn)重要的(dí)現(xiàn)實意義，同時也為(wéi)居民(mín)生活(huó)提(tí)供安(ān)全，便(biàn)利與快(kuài)捷(jié)的(dí)生活服務，具有廣(guǎng)闊(kuò)的市(shì)場景(jǐng)。
1 電動(dòng)自(zì)行車(chē)智能充(chōng)電管理(lǐ)係統(tǒng)構(gòu)成
1．1係統(tǒng)硬(yìng)件構(gòu)成(chéng)
電動(dòng)自行車智能充(chōng)電管理(lǐ)係統硬件包括安(ān)全(quán)充(chōng)電單(dān)元，電源(yuán)連接綫(xiàn)，智(zhì)能充電(diàn)管(guǎn)理(lǐ)終端(充電樁)，雲(yún)服務器(qì)，客(kè)戶端和智能移(yí)動終端(duān)等(děng)，其(qí)係(xì)統(tǒng)框圖如圖1所示(shì)。其中，智能充電管(guǎn)理終端采(cǎi)用模塊化組合(hé)設計，易(yì)於(yú)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品(pǐn)係列化，組合化(huà)，通(tōng)用化(huà)和標(biāo)準化(huà)，大大提(tí)高係(xì)統的(dí)可(kě)靠(kào)性和穩定性，方便維護和(hé)升級。
 
1．2係(xì)統(tǒng)工作(zuò)原理
該係統的工(gōng)作原理(lǐ)為：係統通過有(yǒu)功(gōng)功(gōng)率計量(liáng)模塊(kuài)，過零檢(jiǎn)測和(hé)RC阻容吸收浪湧(yǒng)脈衝電路相結合，獲取充(chōng)電負載的充(chōng)電實時有(yǒu)功(gōng)功(gōng)率，電(diàn)壓及電(diàn)流(liú)值(zhí)，分析當充電(diàn)電壓(yā)及電流(liú)是否超過係統(tǒng)預設閾值，根據(jù)有功功率的實時(shí)監測判斷(duàn)當(dāng)負(fù)載是否接入(rù)到係(xì)統(tǒng)當(dāng)中(zhōng)，並通(tōng)過閉環(huán)檢(jiǎn)測(cè)控製(zhì)機製監(jiān)測(cè)肖特基二極管(guǎn)所產生的(dí)壓降(jiàng)，實現係統(tǒng)0．5 S內(nèi)有(yǒu)效檢測負(fù)載在(zài)綫狀(zhuàng)態(tài)。同(tóng)時，係統將所采(cǎi)集到的多個(gè)
參(cān)數上(shàng)傳(chuán)至雲(yún)服(fú)務器，可(kě)及(jí)時(shí)向管理(lǐ)員和充電用戶反(fǎn)饋的充(chōng)電狀態(tài)以(yǐ)及(jí)各種檢(jiǎn)測(cè)信息。閉(bì)環檢(jiǎn)測控製機製示意(yì)圖，如圖(tú)2所(suǒ)示。
 
目(mù)，市麵上的電(diàn)動自行(háng)車充電樁(zhuāng)大多隻(zhī)為(wéi)車輛提(tí)供充(chōng)電電(diàn)能(néng)，對車輛(liàng)充電電壓(yā)／流，有功(gōng)功率(shuài)，電池狀態等信息(xī)並沒有係(xì)統(tǒng)的采(cǎi)集(jí)和(hé)分(fēn)析(xī)判斷(duàn)，在提供(gōng)充電功能的同時(shí)並(bìng)不能(néng)有效地監測(cè)車輛(liàng)狀態(tài)和電能(néng)使用情況(kuàng)，不能對其消(xiāo)防(fáng)安(ān)全進(jìn)行有效監控和防(fáng)範(fàn)。筆者所設計的電(diàn)動(dòng)自行車智能(néng)充(chōng)電管理(lǐ)係統通過(guò)對車輛充(chōng)電時(shí)的(dí)電壓(yā)／流(liú)，有(yǒu)功(gōng)功率，設備溫(wēn)度等參數的實時(shí)監(jiān)測(cè)，實現了(liǎo)車(chē)輛(liàng)接入(rù)，電池狀態，設備自身狀態(tài)的有效監控(kòng)。為了(liǎo)能夠準確地(dì)監(jiān)測充(chōng)電時負載的有(yǒu)功功率(shuài)，采用(yòng)單相(xiāng)計(jì)能芯(xīn)片RN8208G對負(fù)載(zǎi)有功功率進(jìn)行測量(liáng)，該芯(xīn)片(piàn)具(jù)備(bèi)有(yǒu)功功率(shuài)，有(yǒu)功(gōng)電(diàn)能，電壓／流(liú)有(yǒu)效值(zhí)等(děng)準確(què)測量功(gōng)能(néng)，其(qí)有(yǒu)功電能誤(wù)差8 000：1，動(dòng)態範圍內<0．1％，精度可達0．5 S級。為保證主功(gōng)率開關(guān)模(mó)塊(kuài)壽(shòu)命(mìng)能(néng)夠適應(yīng)電動自行(háng)車(chē)充電的(dí)頻繁使用(yòng)情(qíng)況，係(xì)統(tǒng)硬件采用過(guò)零(líng)檢測(cè)通(tōng)斷(duàn)繼電器結(jié)合(hé)RC阻(zǔ)容吸收浪湧(yǒng)脈衝電(diàn)路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對繼電器觸(chù)點的保護。
2係統軟件設計(jì)
2．1係(xì)統整(zhěng)體軟件(jiàn)設(shè)計(jì)
智能控(kòng)電管理(lǐ)係統(tǒng)設計，如圖3所示。待充(chōng)電車輛(liàng)與智能充(chōng)電管(guǎn)理(lǐ)係統連接(jiē)後，係統(tǒng)對當充電(diàn)車(chē)輛電池(chí)進行(háng)檢測，確(què)定其電(diàn)能(néng)狀(zhuàng)態是否需要充電。係(xì)統實時(shí)進(jìn)行電壓，電流和(hé)溫度(dù)的采集(jí)，確(què)定當充(chōng)電車(chē)輛電(diàn)池狀態正(zhèng)常(cháng)，並(bìng)根(gēn)據(jù)電池當狀態選(xuǎn)擇合適(shì)的充(chōng)電模式。在充電過(guò)程(chéng)中(zhōng)，係統對電(diàn)池(chí)狀態(tài)和係(xì)統(tǒng)充電電(diàn)壓，電流等參(cān)數進(jìn)行(háng)采集，判斷(duàn)電(diàn)池是否充(chōng)滿，如果電(diàn)池(chí)已充滿(mǎn)，則係統(tǒng)進入(rù)浮(fú)充(chōng)狀(zhuàng)態(tài)一段(duàn)時間後自(zì)動斷電，並(bìng)給出充(chōng)電(diàn)完成(chéng)信(xìn)號，否(fǒu)則充電過(guò)程持(chí)續(xù)。此(cǐ)外，如(rú)果(guǒ)發(fā)現(xiàn)負(fù)載(電(diàn)池(chí))接入狀態(tài)不(bù)在綫，則係(xì)統斷(duàn)電(diàn)並發出(chū)報(bào)警(jǐng)信號(hào)。
 
2．2充電模式(shì)的判斷
係(xì)統軟(ruǎn)件對(duì)車輛充(chōng)電模式選擇的(dí)設計是(shì)通過對電池(chí)狀態(tài)進行(háng)判斷(duàn)，並(bìng)根(gēn)據(jù)電池當電(diàn)壓來選擇以(yǐ)哪(nǎ)種模式進行(háng)充電操作。電動自(zì)行車(chē)充電模式一般可(kě)分(fēn)為三段(duàn)式：恒流充電(diàn)階段，恒壓(yā)充(chōng)電階段和浮充充電階段，每個充(chōng)電(diàn)模(mó)式下的電(diàn)流電(diàn)壓曲綫，如(rú)圖4所示。根據待充電(diàn)電池當狀態選(xuǎn)擇充電模式(shì)時(shí)，在電池(chí)電(diàn)量較低(某些(xiē)電池其電(diàn)量(liáng)<70％)時可采(cǎi)用恒流充電激活(huó)電(diàn)池(chí)並提供(gōng)電池初期快速(sù)充電服務；當充(chōng)到一定(dìng)程度(一(yī)般為(wéi)70％～95％)後開始采用恒壓模式(shì)進(jìn)行充電(diàn)；而在電(diàn)池即(jí)將(jiāng)充滿電這(zhè)個(gè)期間(jiān)，係統(tǒng)將(jiāng)會采用(yòng)浮充(chōng)模式(shì)對電池進行充滿(mǎn)或(huò)故(gù)障(zhàng)短(duǎn)時間內的充電。
 
係統(tǒng)在三種(zhǒng)充(chōng)電(diàn)模式下(xià)采(cǎi)集的(dí)有(yǒu)功功(gōng)率，可見表(biǎo)1所示。
 
目，市場(cháng)上的(dí)電動(dòng)自行車普遍(biàn)采用的(dí)鉛(qiān)酸(suān)蓄(xù)電(diàn)池，無(wú)論采用(yòng)恒流(liú)充電(diàn)還(huán)是(shì)恒壓充(chōng)電，其(qí)長時間以(yǐ)某一種(zhǒng)方式持續充電(diàn)，則(zé)會(huì)有(yǒu)安全(quán)隱患並對(duì)電池壽命(mìng)造(zào)成不可逆的損(sǔn)害(hài)。當(dāng)係(xì)統以恒(héng)流充電模(mó)式對電池持(chí)續充電趨於飽(bǎo)和時，還是(shì)以固定電(diàn)流充電，充電機(jī)為維持恒流(liú)，提高電壓(yā)可能會(huì)造(zào)成(chéng)電(diàn)池損壞或火災爆(bào)炸事(shì)故。恒(héng)壓充(chōng)電在開始(shǐ)充電時(shí)，電流(liú)很(hěn)大(dà)，使(shǐ)蓄電池發熱，電(diàn)液(yè)沸騰，內部化學(xué)反應(yīng)急劇，具有很大的消(xiāo)防安全隱(yǐn)患(huàn)。電池接(jiē)近(jìn)充(chōng)滿狀(zhuàng)態係(xì)統的浮充(chōng)模式(shì)也(yě)不可(kě)以持續太久，否(fǒu)則，會因恒(héng)壓(yā)持(chí)續充(chōng)電導(dǎo)致電池(chí)自(zì)燃(rán)。智能充電係(xì)統(tǒng)可精準檢(jiǎn)測充電(diàn)功(gōng)率，設定(dìng)關(guān)機(jī)功(gōng)率，在電池充電過(guò)程(chéng)中，功(gōng)率低於(yú)關機功率時，設(shè)備會(huì)關(guān)斷電源(yuán)，沒有(yǒu)電流輸出。在充(chōng)電過程(chéng)中，如果電流，電壓(yā)的(dí)異常跳(tiào)動，設備會(huì)判斷(duàn)並斷電，報警等(děng)。
3 安科瑞(ruì)電動自(zì)行(háng)車充電樁介(jiè)紹（含(hán)選(xuǎn)型(xíng)）
安(ān)科瑞(ruì)電動自(zì)行車充(chōng)電樁通(tōng)過GPRS模塊與(yǔ)雲端進行通信和數(shù)據交互(hù)。係統(tǒng)能夠(gòu)對電動自(zì)行車充電(diàn)樁的(dí)日常狀態，充(chōng)電過(guò)程進行(háng)監控(kòng)；實現充電支付對(duì)接(jiē)：支(zhī)持投(tóu)幣(bì)，刷(shuā)卡(qiǎ)，支(zhī)付(fù)等(děng)多種(zhǒng)支付方式(shì)，保證支(zhī)付交易過(guò)程(chéng)的(dí)完整(zhěng)性(xìng)，對(duì)充電(diàn)過程(chéng)中的(dí)異常(cháng)情況進行(háng)有(yǒu)效(xiào)預警；實(shí)現(xiàn)對(duì)下遊(yóu)站(zhàn)級平(píng)台的清(qīng)算(suàn)，對賬(zhàng)功(gōng)能。平台可(kě)對接消(xiāo)防(fáng)物(wù)聯網平台，小程(chéng)序(xù)等，提供(gōng)相(xiāng)關(guān)異常(cháng)數據(jù)，實現電(diàn)動(dòng)車(chē)充電安(ān)全(quán)管理(lǐ)的網絡化，可(kě)視(shì)化。
係統結(jié)構(gòu)圖
 
軟件(jiàn)功能(néng)
1. 數(shù)據集中(zhōng)采集和分(fēn)發；2.B/S管理係統(tǒng)；3.財務(wù)管理(lǐ)；4.資產(chǎn)管理(lǐ)；5.充(chōng)電(diàn)樁(zhuāng)站點(diǎn)導航(háng)；6.多樣(yàng)支付(fù)：刷(shuā)卡，投幣，掃碼(mǎ)支付；7.充電樁監控和控(kòng)製(zhì)；8.故(gù)障和報警；9.運營分析
 
①　安全(quán)預警
  對平台連(lián)接的(dí)所(suǒ)有充電樁狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，充(chōng)電(diàn)樁發生(shēng)異常情況時可(kě)通(tōng)過APP，短(duǎn)信(xìn)及時(shí)向運營(yíng)人(rén)員發(fā)出(chū)報(bào)警信號(hào)，及(jí)時消除火(huǒ)災(zāi)隱(yǐn)患(huàn)。
 
②　交易(yì)結(jié)算管理
  平台為運(yùn)營方提(tí)供充(chōng)電(diàn)價(jià)格(gé)策(cè)略管(guǎn)理(lǐ)，預(yù)收費管理(lǐ)，賬單(dān)管理，營(yíng)收(shōu)和財務(wù)相(xiāng)關(guān)報表(biǎo)等(děng)，支(zhī)持(chí)投幣(bì)，刷卡(qiǎ)和(hé)掃(sǎo)碼充(chōng)電。
 
③　充電服務(wù)
  可通過軟(ruǎn)件(jiàn)搜(sōu)索(suǒ)附(fù)近(jìn)充(chōng)電樁，並(bìng)查看(kàn)充電樁(zhuāng)狀態，並(bìng)導(dǎo)航至(zhì)可用(yòng)充電樁。可通過(guò)在(zài)綫(xiàn)自助(zhù)支(zhī)付實(shí)現(xiàn)充(chōng)電。
 
④　運營(yíng)分(fēn)析
  對訂(dìng)單進行(háng)數(shù)據化分析(xī)，通過(guò)柱狀圖(tú)，報表方式直觀展(zhǎn)示(shì)數(shù)據(jù)，並支(zhī)持和第三方平(píng)台(tái)對(duì)接。
 

⑤　小程(chéng)序(xù)
小程(chéng)序覆蓋主(zhǔ)流(liú)平(píng)台：支付寶
 
用戶(hù)均可體驗簡(jiǎn)單(dān)快捷的支(zhī)付流程
 
掃碼充(chōng)電，在綫控製/查(chá)詢，使(shǐ)用體驗流(liú)暢(chàng)舒(shū)適(shì)
 
 
 
⑥ 產(chǎn)品選(xuǎn)型(xíng)
A款(kuǎn)的(dí)ACX10A-YH刷(shuā)卡掃碼充電，刷(shuā)卡充電需(xū)要(yào)在管(guǎn)理(lǐ)處預(yù)存電費充(chōng)值(zhí)後進行刷卡(qiǎ)充電，也(yě)可接入(rù)充電樁(zhuāng)管理雲(yún)平(píng)台通過掃碼(mǎ)充(chōng)電；
 
 
  B款的(dí)ACX10B-TYH全功能(néng)型在A款的(dí)ACX10A-YH基礎上(shàng)增(zēng)加(jiā)投(tóu)幣功能，ACX10B-YH與A款的(dí)功(gōng)能接近，但(dàn)是(shì)B款產品(pǐn)均支(zhī)持在(zài)不需(xū)要(yào)雲(yún)平台下(xià)的(dí)項(xiàng)目(mù)中(zhōng)單(dān)獨使用(yòng)。
 
 
 
4 結(jié)論
筆者(zhě)根據電(diàn)動(dòng)自行車(chē)充(chōng)電集中，無(wú)人值守，環(huán)境(jìng)復雜等的要(yào)求，提(tí)出(chū)了(liǎo)具備(bèi)充電電(diàn)壓／流，有功功(gōng)率(shuài)，短(duǎn)路(lù)保護，自動(dòng)斷電(diàn)等功能(néng)的智能充電管理(lǐ)係統設(shè)計(jì)，並介紹(shào)了係統(tǒng)的(dí)結構和工作(zuò)原(yuán)理(lǐ)。研究(jiū)了(liǎo)鉛酸蓄(xù)電池三(sān)種充電模式的自適(shì)應技術(shù)，根據(jù)有(yǒu)功功(gōng)率數據分(fēn)析判(pàn)斷實現充(chōng)電(diàn)管理的(dí)自動起停，並結合(hé)電(diàn)池(chí)性(xìng)能(néng)參數進行火災報警信號的輸出。經過實驗證明(míng)，該係統(tǒng)有(yǒu)功功率測量精度(dù)為(wéi)1 W，監測範圍為(wéi)1～7 700 W，*可(kě)以滿(mǎn)足(zú)充電(diàn)模式(shì)的判斷，進(jìn)而完成充電(diàn)的智(zhì)能安(ān)全管(guǎn)理(lǐ)。該(gāi)係統可(kě)以有效預防電動自行車充(chōng)電時所引發(fā)的火災事(shì)故，能(néng)夠(gòu)實現故障發生(shēng)精(jīng)準(zhǔn)報警，電路(lù)快速切控，從(cóng)而減少因充電故障(zhàng)引(yǐn)發(fā)的(dí)火災，解決(jué)了住(zhù)宅(zhái)小(xiǎo)區，城(chéng)中村(cūn)，企事業單位(wèi)，廠礦及(jí)公共停車場等(děng)電動自(zì)行車(chē)集中存放區域對其進(jìn)行充(chōng)電(diàn)的電氣(qì)火災預防問題。
【參(cān)考(kǎo)文(wén)獻(xiàn)】
[1] GB 17761--2018，電(diàn)動自行車安全(quán)技術(shù)規範(fàn)[S]
[2] 羅雲慶，代鑫(xīn)  電動白(bái)行(háng)車智能充電管(guǎn)理係統(tǒng)研究 [J] 消防(fáng)科學(xué)與技術(shù).2019
[3] 安科(kē)瑞企業(yè)微(wēi)電網設(shè)計(jì)與應用(yòng)手(shǒu)冊.2019.11版