淺談電動自行車智能充電管理系統的設計

徐霜
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201800

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的火災事故頻發問題，研發了電動自行車智能充電管理系統。針對該系統中所采用的功率監測、負載檢測技術和負載均衡等進行深入研究。系統依靠功率監測和負載檢測技術實現了對充電功率的精確檢測和系統各個環節的閉環自檢，根據采集到的有功功率對電池充電模式進行匹配，通過電池狀態多參量實時在線監測，能夠在電池充滿或負載不在線的情況下實現0．5 s內自動起停并發出報警信號。系統實現了對電動自行車充電的智能安全管理和統一管理等實用功能。
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。隨著電動自行車數量的快速增長，由于其充電形式不規律、充電頻繁、充電環境差等原因造成的電氣火災數量也急劇上升。電動自行車的集中存放和充電，也容易引發連片火災。根據消防部門的調查發現，許多居民小區的電氣火災都是由于電動自行車充電所引發的。電動自行車充電之所以容易引起火災，其根本原因與其充電環境、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，使用的都是氧指數在17～18的易燃材質，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火災是治理工作的。
        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，研發一種具有電流管理、實時監控、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，解決電動自行車充電中因私拉電線、線路老化、無人監管、設備易受自然環境和人為破壞等因素的影響而發生火災的難題。研究成果對我國新能源交通行業發展和新能源應用安全保障具有十分重要的現實意義，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構成
1．1系統硬件構成
        電動自行車智能充電管理系統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，易于實現產品系列化、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超過系統預設閾值，根據有功功率的實時監測判斷當前負載是否接入到系統當中，并通過閉環檢測控制機制監測肖特基二管所產生的壓降，實現系統0．5 S內有效檢測負載在線狀態。同時，系統將所采集到的多個
參數上傳至云服務器，可及時向管理員和充電用戶反饋的充電狀態以及各種檢測信息。閉環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、電池狀態等信息并沒有系統的采集和分析判斷，在提供充電功能的同時并不能有效地監測車輛狀態和電能使用情況，更不能對其消防安全進行有效監控和防范。筆者所設計的電動自行車智能充電管理系統通過對車輛充電時的電壓／流、有功功率、設備溫度等參數的實時監測，實現了車輛接入、電池狀態、設備自身狀態的有效監控。為了能夠準確地監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8 000：1，動態范圍內<0．1％，精度可達0．5 S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，實現對繼電器觸點的保護。
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。待充電車輛與智能充電管理系統連接后，系統對當前充電車輛電池進行檢測，確定其電能狀態是否需要充電。系統實時進行電壓、電流和溫度的采集，確定當前充電車輛電池狀態正常，并根據電池當前狀態選擇合適的充電模式。在充電過程中，系統對電池狀態和系統充電電壓、電流等參數進行采集，判斷電池是否充滿，如果電池已充滿，則系統進入浮充狀態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。此外，如果發現負載(電池)接入狀態不在線，則系統斷電并發出報警信號。

2．2充電模式的判斷
       系統軟件對車輛充電模式選擇的設計是通過對電池狀態進行判斷，并根據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。根據待充電電池當前狀態選擇充電模式時，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％)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。

       系統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。當系統以恒流充電模式對電池持續充電趨于飽和時，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。電池接近充滿狀態系統的浮充模式也不可以持續太久，否則，會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，設定關機功率，在電池充電過程中，功率低于關機功率時，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據交互。系統能夠對電動自行車充電樁的日常狀態、充電過程進行監控；實現充電支付對接：支持投幣、刷卡、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警；實現對下游站級平臺的清算、對賬功能。平臺可對接消防物聯網平臺、小程序等，提供相關異常數據，實現電動車充電安全管理的網絡化、可視化。
系統結構圖

軟件功能
1.數據集中采集和分發；2.B/S管理系統；3.財務管理；4.資產管理；5.充電樁站點導航；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.運營分析

①　安全預警
  對平臺連接的所有充電樁狀態進行監視，充電樁發生異常情況時可通過APP、短信及時向運營人員發出報警信號，及時消除火災隱患。

②　交易結算管理
  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
  可通過軟件搜索附近充電樁，并查看充電樁狀態，并導航至可用充電樁。可通過在線自助支付實現充電。

④　運營分析
  對訂單進行數據化分析，通過柱狀圖、報表方式直觀展示數據，并支持和第三方平臺對接。

⑤　小程序
小程序覆蓋主流平臺：支付寶

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 結論
        筆者根據電動自行車充電集中、無人值守、環境復雜等的要求，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，根據有功功率數據分析判斷實現充電管理的自動起停，并結合電池性能參數進行火災報警信號的輸出。經過實驗證明，該系統有功功率測量精度為1 W，監測范圍為1～7 700 W，*可以滿足充電模式的判斷，進而完成充電的智能安全管理。該系統可以有效預防電動自行車充電時所引發的火災事故，能夠實現故障發生精準報警，電路快速切控，從而減少因充電故障引發的火災，解決了住宅小區、城中村、企事業單位、廠礦及公共停車場等電動自行車集中存放區域對其進行充電的電氣火災預防問題。
【參考文獻】
[1]GB 17761--2018，電動自行車安全技術規范[S]
[2]羅云慶，代鑫  電動白行車智能充電管理系統研究 [J] 消防科學與技術.2019
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版