浅谈电动自行车智能充电管理系统的设计

关键词：电动自行车；火灾；充电桩；充电管理；应急管理
        近年来，由于新能源技术的推广应用和环境保护力度的不断加大，方便快捷的电动自行车越来越受到广大市民的青睐。我国现有电动自行车保有量在3亿辆左右，并且以每年30％的速度快速增长。随着电动自行车数量的快速增长，由于其充电形式不规律、充电频繁、充电环境差等原因造成的电气火灾数量也急剧上升。电动自行车的集中存放和充电，也容易引发连片火灾。根据消防部门的调查发现，许多居民小区的电气火灾都是由于电动自行车充电所引发的。电动自行车充电之所以容易引起火灾，其根本原因与其充电环境、使用习惯和自身材质有关。几乎所有电动车使用的装饰性部件，使用的都是氧指数在17～18的易燃材质，这类材料只需要很少的氧气就能迅速起火蔓延。这些装饰性部件还大量使用高分子材料，起火后会迅速产生有毒烟雾，不仅阻碍逃生视线，还会致人丧失自救能力。为有效遏制电气火灾高发势头，国务院安委会决定在全国范围内组织开展为期3年的电气火灾综合治理工作，电动自行车在充电过程中引发火灾是治理工作的重点。
        笔者针对电动自行车安全充电和智能计费管理这两大难题，研发一种具有电流管理、实时监控、过载保护、自动启停等功能的电动自行车智能安全充电系统，解决电动自行车充电中因私拉电线、线路老化、无人监管、设备易受自然环境和人为破坏等因素的影响而发生火灾的难题。研究成果对我国新能源交通行业发展和新能源应用安全保障具有十分重要的现实意义，同时也为居民生活提供安全、便利与快捷的生活服务，具有广阔的市场前景。
1 电动自行车智能充电管理系统构成
1．1系统硬件构成
        电动自行车智能充电管理系统硬件包括安全充电单元、电源连接线、智能充电管理终端(充电桩)、云服务器、客户端和智能移动终端等，其系统框图如图1所示。其中，智能充电管理终端采用模块化组合设计，易于实现产品系列化、组合化、通用化和标准化，大大提高系统的可靠性和稳定性，方便维护和升级。

1．2系统工作原理
        该系统的工作原理为：系统通过有功功率计量模块、过零检测和RC阻容吸收浪涌脉冲电路相结合，获取充电负载的充电实时有功功率、电压及电流值，分析当前充电电压及电流是否超过系统预设阈值，根据有功功率的实时监测判断当前负载是否接入到系统当中，并通过闭环检测控制机制监测肖特基二极管所产生的压降，实现系统0．5 S内有效检测负载在线状态。同时，系统将所采集到的多个
参数上传至云服务器，可及时向管理员和充电用户反馈*新的充电状态以及各种检测信息。闭环检测控制机制示意图，如图2所示。

       目前，市面上的电动自行车充电桩大多只为车辆提供充电电能，对车辆充电电压／流、有功功率、电池状态等信息并没有系统的采集和分析判断，在提供充电功能的同时并不能有效地监测车辆状态和电能使用情况，更不能对其消防安全进行有效监控和防范。笔者所设计的电动自行车智能充电管理系统通过对车辆充电时的电压／流、有功功率、设备温度等参数的实时监测，实现了车辆接入、电池状态、设备自身状态的有效监控。为了能够准确地监测充电时负载的有功功率，采用单相计能芯片RN8208G对负载有功功率进行测量，该芯片具备有功功率、有功电能、电压／流有效值等准确测量功能，其有功电能误差8 000：1，动态范围内<0．1％，精度可达0．5 S级。为保证主功率开关模块寿命能够适应电动自行车充电的频繁使用情况，系统硬件采用过零检测通断继电器结合RC阻容吸收浪涌脉冲电路的设计，实现对继电器触点的保护。
2系统软件设计
2．1系统整体软件设计
       智能控电管理系统设计，如图3所示。待充电车辆与智能充电管理系统连接后，系统对当前充电车辆电池进行检测，确定其电能状态是否需要充电。系统实时进行电压、电流和温度的采集，确定当前充电车辆电池状态正常，并根据电池当前状态选择合适的充电模式。在充电过程中，系统对电池状态和系统充电电压、电流等参数进行采集，判断电池是否充满，如果电池已充满，则系统进入浮充状态一段时间后自动断电，并给出充电完成信号，否则充电过程持续。此外，如果发现负载(电池)接入状态不在线，则系统断电并发出报警信号。

2．2充电模式的判断
       系统软件对车辆充电模式选择的设计是通过对电池状态进行判断，并根据电池当前电压来选择以哪种模式进行充电操作。电动自行车充电模式一般可分为三段式：恒流充电阶段、恒压充电阶段和浮充充电阶段，每个充电模式下的电流电压曲线，如图4所示。根据待充电电池当前状态选择充电模式时，在电池电量较低(某些电池其电量<70％)时可采用恒流充电激活电池并提供电池初期快速充电服务；当充到一定程度(一般为70％～95％)后开始采用恒压模式进行充电；而在电池即将充满电这个期间，系统将会采用浮充模式对电池进行充满或故障前短时间内的充电。

       系统在三种充电模式下采集的有功功率，可见表1所示。

        目前，市场上的电动自行车普遍采用的铅酸蓄电池，无论采用恒流充电还是恒压充电，其长时间以某一种方式持续充电，则会有安全隐患并对电池寿命造成不可逆的损害。当系统以恒流充电模式对电池持续充电趋于饱和时，还是以固定电流充电，充电机为维持恒流，提高电压可能会造成电池损坏或火灾爆炸事故。恒压充电在开始充电时，电流很大，使蓄电池发热，电液沸腾，内部化学反应急剧，具有很大的消防安全隐患。电池接近充满状态系统的浮充模式也不可以持续太久，否则，会因恒压持续充电导致电池自燃。智能充电系统可精准检测充电功率，设定关机功率，在电池充电过程中，功率低于关机功率时，设备会关断电源，没有电流输出。在充电过程中，如果电流、电压的异常跳动，设备会精确判断并断电、报警等。
3 安科瑞电动自行车充电桩介绍（含选型）
        安科瑞电动自行车充电桩通过GPRS模块与云端进行通信和数据交互。系统能够对电动自行车充电桩的日常状态、充电过程进行监控；实现充电支付对接：支持投币、刷卡、微信支付等多种支付方式，保证支付交易过程的完整性，对充电过程中的异常情况进行有效预警；实现对下游站级平台的清算、对账功能。平台可对接消防物联网平台、小程序等，提供相关异常数据，实现电动车充电安全管理的网络化、可视化。
系统结构图

软件功能
1.数据集中采集和分发；2.B/S管理系统；3.财务管理；4.资产管理；5.充电桩站点导航；6.多样支付：刷卡、投币、扫码支付；7.充电桩监控和控制；8.故障和报警；9.运营分析

①　安全预警
对平台连接的所有充电桩状态进行监视，充电桩发生异常情况时可通过APP、短信及时向运营人员发出报警信号，及时消除火灾隐患。

②　交易结算管理
平台为运营方提供充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表等，支持投币、刷卡和扫码充电。

③　充电服务
可通过软件搜索附近充电桩，并查看充电桩状态，并导航至可用充电桩。可通过在线自助支付实现充电。

④　运营分析
对订单进行数据化分析，通过柱状图、报表方式直观展示数据，并支持和第三方平台对接。

⑤　微信小程序
小程序覆盖主流平台：微信、支付宝

用户均可体验简单快捷的支付流程

扫码充电、在线控制/查询、使用体验流畅舒适

⑥ 产品选型
        A款的ACX10A-YH刷卡扫码充电，刷卡充电需要在管理处预存电费充值后进行刷卡充电，也可接入充电桩管理云平台通过扫码充电；

B款的ACX10B-TYH全功能型在A款的ACX10A-YH基础上增加投币功能，ACX10B-YH与A款的功能接近，但是B款产品均支持在不需要云平台下的项目中单独使用。

4 结论
        笔者根据电动自行车充电集中、无人值守、环境复杂等的要求，提出了具备充电电压／流、有功功率、短路保护、自动断电等功能的智能充电管理系统设计，并介绍了系统的结构和工作原理。研究了铅酸蓄电池三种充电模式的自适应技术，根据有功功率数据分析判断实现充电管理的自动起停，并结合电池性能参数进行火灾报警信号的输出。经过实验证明，该系统有功功率测量精度为1 W，监测范围为1～7 700 W，完全可以满足充电模式的判断，进而完成充电的智能安全管理。该系统可以有效预防电动自行车充电时所引发的火灾事故，能够实现故障发生精准报警，电路快速切控，从而减少因充电故障引发的火灾，解决了住宅小区、城中村、企事业单位、厂矿及公共停车场等电动自行车集中存放区域对其进行充电的电气火灾预防问题。
【参考文献】
[1]GB 17761--2018，电动自行车安全技术规范[S]
[2]罗云庆，代鑫  电动白行车智能充电管理系统研究 [J] 消防科学与技术.2019
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版
作者简介：王蒙蒙，安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为智能电瓶车充电平台研发与应用