浅谈电动自行车智能充电管理系统的设计及应用

李婧婧

安科瑞电气有限公司 13651946738

摘要：为解决电动自行车私拉电线、充电线路老化、充电设施无保护引起的火灾事故频发问题，开发了电动自行车智能充电管理系统。深入研究系统中采用的功率监测、负载检测技术和负载平衡。系统依靠功率监测和负载检测技术实现充电功率检测和系统各环节闭环自检，根据采集的有功功率匹配电池充电模式，通过电池状态多参数实时在线监测，可在电池充满或负载不在线时实现0.5s内部自动启停并发出报警信号。系统实现电动自行车充电的智能安全管理和统一管理。

关键词：电动自行车；火灾；充电桩；充电管理；应急管理；

近年来，随着新能源技术的推广应用和环保的不断加强，便捷的电动自行车越来越受到公众的青睐。我国现有电动自行车保有量约3亿辆，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，由于充电形式不规律、充电频繁、充电环境差，电气火灾数量也急剧增加。电动自行车的集中储存和充电也容易引起连续火灾。根据消防部门的调查，许多居民区的电气火灾是由电动自行车充电引起的。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。几乎所有电动汽车使用的装饰部件都使用易燃材料，氧指数为17~18，只需少量氧气即可迅速起火和蔓延。这些装饰部件也使用了大量的聚合物材料，火灾会迅速产生有毒烟雾，不仅阻碍逃生的视线，而且会导致自救能力的丧失。为了有效遏制电气火灾的高发病率，国务院安全委员会决定在中国组织为期三年的电气火灾综合治理。电动自行车在充电过程中引起火灾是治理的关键。

作者针对电动自行车安全充电和智能充电管理两个问题，开发了电流管理、实时监控、过载保护、自动启停功能电动自行车智能安全充电系统，解决电动自行车充电、线路老化、无人监督、设备容易受到自然环境和人为损坏的影响。研究成果对我国新能源交通产业的发展和新能源应用的安全具有重要的现实意义，也为居民提供安全、方便、快速的生活服务，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系统硬件组成

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、智能移动终端等，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、通用化、标准化，大大提高了系统的可靠性和稳定性，便于维护和升级。

图1电动自行车智能充电管理系统框图

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电阻吸收浪涌脉冲电路相结合，获得充电负的实时有功功率、电压和电流值，分析当前充电电压和电流是否超过系统预设阈值，判断当前负载是否接入系统，通过闭环检测控制机制监测小特基二极管产生的压降，实现系统0.5s负载在线状态的内部有效检测。同时，系统将收集到的多个参数上传到云服务器，并将充电状态和各种检测信息及时反馈给管理员和充电用户。同时，系统将收集到的多个参数上传到云服务器，并及时将充电状态和各种检测信息反馈给管理员和充电用户。闭环检测控制机制示意图如图2所示。

闭环检测控制控制图

目前，市场上的电动自行车充电桩大多只为车辆提供充电能，没有系统地收集、分析和判断车辆充电电压/流、有功功率、电池状态等信息。在提供充电功能的同时，不能有效监控车辆状态和电能使用，更不能有效监控和预防其消防安全。作者设计的电动自行车智能充电管理系统通过实时监控车辆充电时的电压/电流、有功功率、设备温度等参数，实现了对车辆接入、电池状态和设备状态的有效监控。单相计能芯片用于准确监测充电过程中负载的有功功率RN8208G测量负载有功功率，芯片具有有功功率、有功功率、电压/流动有效值等准确测量功能，其有功功率误差为8000:1，动态范围为0.1%，精度可达0.5s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电阻吸收浪涌脉冲电路的设计，保护继电器触点。

2 系统软件设计

2.1系统整体软件设计

如图3所示，智能控电管理系统设计。充电车辆与智能充电管理系统连接后，系统检测当前充电车辆的电池，确定其电能状态是否需要充电。系统实时收集电压、电流和温度，确定当前充电车辆电池状态正常，并根据当前电池状态选择合适的充电模式。在充电过程中，系统收集电池状态、系统充电电压、电流等参数，判断电池是否充满。如果电池充满，系统在进入浮动充电状态一段时间后自动关闭电源，并给出充电完成信号，否则充电过程将继续。另外，如果发现负载(电池)接入状态不在线，系统断电并发出报警信号。

2.2.判断充电模式

车辆充电模式的设计是通过判断电池状态，根据电池当前电压选择充电模式。电动自行车充电模式一般可分为三个阶段：恒流充电阶段、恒压充电阶段和浮动充电阶段。如图4所示。根据待充电电池的当前状态选择充电模式时，恒流充电激活电池，并在电池电量低（部分电池电量为70%）时提供电池初始快速充电服务；当充电到一定程度（一般为70%~95%）时，恒压模式开始充电；在电池即将充满电期间，系统将在充满电池或故障前短时间内采用浮充模式充电电池。

图3智能控电管理系统软件流程图

电流电压曲线

有功率曲线

图4电动自行车三种充电模式下的电流电压曲线和有功率曲线图

如表1所示，系统在三种充电模式下采集的有功功率。目前，铅酸电池广泛应用于市场上的电动自行车，无论是恒流充电还是恒压充电，险，对电池寿命造成不可逆转的损害。当系统以恒流充电模式持续充电电池饱和时，或固定电流充电，充电器维持恒流，增加电压可能导致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不能持续太久，否则电池会因恒压持续充电而自燃。智能充电系统可以检测充电功率，并设置关闭功率。当电池充电过程中功率低于关闭功率时，设备将关闭电源，无电流输出。在充电过程中，如果电流和电压跳动异常，设备将判断并断电、报警等。

表1系统三种充电模式有功收集值

3 安科瑞电动自行车充电桩选型及平台介绍

安科瑞电动自行车充电桩通过GPRS模块与云进行通信和数据交互。系统可监控电动自行车充电桩的日常状态和充电过程；实现充电支付对接：支持硬币、信用卡、微信支付，确保支付交易过程的完整性，有效预警充电过程中的异常情况；实现下游站级平台的清算和对账功能。

3.11电动自行车充电桩平台架构

系统架构图

3.2电动自行车充电桩云平台功能概述

1 安全预警平台可连接消防物联网平台、小程序等，提供相关异常数据，实现电动汽车充电安全管理的网络化、可视化。

2 交易结算管理监控平台连接的所有充电桩状态。当充电桩出现异常情况时，可通过APP、短信及时向运营商发出报警信号，及时消除火灾隐患。该平台为运营商提供充电价格策略管理、预收费管理、账单管理、收入和财务报表，支持硬币投资、信用卡和代码扫描充电。

3 充电服务。附近的充电桩可以通过软件搜索，充电桩状态可以检查，导航到可用充电桩。充电可以通过在线自助支付实现。

4 运营分析

5 微信applet对订单进行数据分析，通过柱状图和报表直观显示数据，支持与第三方平台对接。可通过微信applet扫描代码进行充电，并支付充电账单。运营商和物业管理人员可以通过applet管理监控充电桩状态和充电交易。

3.33电动自行车充电桩选择表

4 结论

根据电动自行车充电集中、无人值守、环境复杂的要求，笔者提出了具有充电电压/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。实验证明，该系统的有功功率测量精度为1W，监测范围为1~77000W，能够满足充电模式的判断，进而完成充电的智能安全管理。该系统能有效防止电动自行车充电引起的火灾事故，实现故障报警，快速控制电路，减少充电故障引起的火灾，解决居民区、村、企业事业单位、工厂、矿山、公共停车场等电动自行车集中储存区充电的电气火灾预防问题。