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安科瑞電氣股份有限公司

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淺談電動自行車智能充電管理系統(tǒng)的設(shè)計

時間:2020/6/17閱讀:1326

劉細鳳

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(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、負載檢測技術(shù)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(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管理和統(tǒng)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,guowuyuan安委會決定在全范圍內(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充電和智能計費管理這兩大難題,研發(fā)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。研究成果對我新能源交通行業(yè)發(fā)展和新能源應(yīng)用保障具有十分重要的現(xiàn)實意義,同時也為居民生活提供、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、過檢測和RC阻容吸收浪涌脈沖電路相結(jié)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(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zuixin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(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)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(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)充到定程度(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,其長時間以某種方式持續(xù)充電,則會有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損壞或火災(zāi)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(nèi)部化學(xué)反應(yīng)急劇,具有很大的消防隱患。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jinghzun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、wei信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 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 wei信小程序

小程序覆蓋主流平臺:wei信、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(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;

 

  B款的ACX10B-TYH全功能型在A款的ACX10A-YH基礎(chǔ)上增加投幣功能,ACX10B-YH與A款的功能接近,但是B款產(chǎn)品均支持在不需要云平臺下的項目中單獨使用。

 

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jingzhun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、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?qū)ζ溥M行充電的電氣火災(zāi)預(yù)防問題。

【參考文獻】

[1] GB 17761--2018,電動自行車技術(shù)規(guī)范[S]

[2] 羅云慶,代鑫  電動白行車智能充電管理系統(tǒng)研究 [J] 消防科學(xué)與技術(shù).2019

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2019.11版

作者簡介:劉細鳳,女,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為智能電瓶車充電平臺研發(fā)與應(yīng)用

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