淺談云智能電瓶車快速充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘 要 ：居民住宅區(qū)和公共場所共享云智能充電系統(tǒng)，以電瓶車安全充電為基礎(chǔ)，基于 GPRS、Ethernet 構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng) + 物聯(lián)網(wǎng) + 人聯(lián)網(wǎng)的模式，通過自主研發(fā)智能充電樁、主機(jī)、通訊設(shè)備、服務(wù)端和客戶端應(yīng)用系統(tǒng)，為降低電瓶車充電火災(zāi)隱患、實(shí)現(xiàn)安全充電的目標(biāo)提供技術(shù)手段及相關(guān)服務(wù)。本設(shè)計(jì)可以使用太陽能板、壓電膜等綠色能源作為補(bǔ)充，同時(shí)，充電樁自助設(shè)備終端還可以投放商業(yè)廣告（平面或?qū)γ襟w形式）提高商家的額外收益，做到社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。

關(guān)鍵詞 ：電瓶車 ；智能 ；充電樁 ；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我綜合力日益增強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。電瓶車更是廣泛地進(jìn)入人們的視野。因此電瓶車智能充電裝置的安全性面臨著新的挑戰(zhàn)。本文介紹了種云智能電瓶車快速充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。主要研究過程包括進(jìn)行智能充電設(shè)計(jì)、進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)、進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)。

1云智能電瓶車快速充電系統(tǒng)的可實(shí)施性及必要性

近年來電動(dòng)自行車充電火災(zāi)事故頻發(fā)，造成群死群傷，這現(xiàn)象也揭露了整個(gè)充電行業(yè)令人擔(dān)憂的現(xiàn)狀。

從用戶層面來看，全使用電動(dòng)自行車用戶近 3 億，并以每年超過 3000 萬的增量增加，具有良好的發(fā)展景。

從產(chǎn)品層面來看，充電的核心產(chǎn)品――充電器，質(zhì)量堪憂。據(jù)新聞?wù){(diào)查公布的數(shù)據(jù)，百分之九十市售充電器不合格，非常容易引發(fā)充電火災(zāi)。而電動(dòng)自行車的劣質(zhì)電池充斥市場，主要體現(xiàn)在缺乏統(tǒng)。要想解決電瓶車充電裝置的安全性及功能性問題，定將理論和實(shí)踐相結(jié)合，在了解基礎(chǔ)功能以及各項(xiàng)化的基礎(chǔ)上，提高綜合型電瓶車充電系統(tǒng)的可實(shí)施性，做到理想化的設(shè)計(jì)[1]。

從服務(wù)方面來看，規(guī)?；?、安全的公共充電服務(wù)缺失。目的充電服務(wù)，大多零散分布在各個(gè)小區(qū)和物業(yè)，般都是通過物業(yè)提供插座，或者用戶自帶充電器方式完成充電。有的用戶甚至將車輛推入室內(nèi)，或?qū)㈦姵夭鹦度胧页潆?，安全隱患非常大。

近年來，電瓶車火災(zāi)事故頻發(fā)，引起人員傷亡，消防、物業(yè)、消費(fèi)者各方對(duì)電動(dòng)車充電安全問題開始重視。2017 年 12

月 29 日，相關(guān)部門發(fā)布《關(guān)于規(guī)范電動(dòng)車停放充電加強(qiáng)火災(zāi)防范的通告》，嚴(yán)禁在建筑內(nèi)的共用走道、樓梯間、安全出口處等公共區(qū)域停放電動(dòng)車或者為電動(dòng)車充電；構(gòu)成違反消防管理行為的， 機(jī)關(guān)單位將依法予以處罰；引起火災(zāi)，造成嚴(yán)重后果，構(gòu)成犯罪的， 依法追究刑事責(zé)任 [2]。

2對(duì)充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

為保證電瓶車快速充電系統(tǒng)可靠運(yùn)作，對(duì)該系統(tǒng)的性能有以下幾項(xiàng)要求 ：

1)對(duì)安全性的要求。在電瓶車進(jìn)行充電時(shí)，操作者進(jìn)行開啟、斷開操作時(shí) ；充電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，要保證人員安全。同時(shí)也要保證充電時(shí)電瓶車的安全，避免過熱起火和電路老化等等問題。

2)操作便捷。對(duì)電瓶車進(jìn)行充電時(shí)，充電系統(tǒng)應(yīng)操作簡易， 充電過程應(yīng)自動(dòng)性強(qiáng)些，不需要工作人員過多參與，過程不要過于復(fù)雜。

3)經(jīng)濟(jì)性。成本較小的充電系統(tǒng)可以減少電瓶車的運(yùn)行成本， 從而提高整體效益，促進(jìn)電瓶車的使用推廣。

4)效率高。充電效率高是充電系統(tǒng)的重要指標(biāo)，也關(guān)系著電瓶車的商業(yè)化推廣。本系統(tǒng)可以同時(shí)多輛充電，同時(shí)安全快速充電。

5)技術(shù)難題。為電動(dòng)自行車提供公共充電服務(wù)，要難題是公共充電設(shè)施如何適配五花八門的電池，需要個(gè)“萬用充電器”[3]。近年來，些項(xiàng)目試圖對(duì)電動(dòng)自行車充電進(jìn)行智能化改造，受困于技術(shù)瓶頸，只適用于支付環(huán)節(jié)的化，我們*可以將投幣插座升級(jí)為掃碼插座。電池、電源管理等關(guān)鍵領(lǐng)域無能為力，無法完成智能化，無法集成充電模塊，無法消除劣質(zhì)充電器帶來的隱患，無法做到戶外安全充電。電瓶車快速充電系統(tǒng)，突破了智能識(shí)別電池、自適應(yīng)動(dòng)態(tài)控制電源核心技術(shù)。在不

同類型、規(guī)格電動(dòng)車電池安全充電的基礎(chǔ)和提上，能夠識(shí)別出標(biāo)準(zhǔn)，類型、規(guī)格多樣。由于現(xiàn)有的電瓶車充電裝置安全性很低， 電池規(guī)格參數(shù) ；在準(zhǔn)確識(shí)別的基礎(chǔ)上，自適應(yīng)輸出電壓、電流，動(dòng)態(tài)調(diào)整電源參數(shù)，識(shí)別電池充滿，自動(dòng)斷電。Guarder 云智能充電網(wǎng)絡(luò)，具備人工智能網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，新的充電曲線即時(shí)上傳云端，同步給所有在線設(shè)備，不斷提高電池識(shí)別和電源控制準(zhǔn)確度。

6)充電原理。采用脈沖充電，有利于延長電瓶壽命。脈沖低壓交流電經(jīng)全波整流后是脈動(dòng)直流，當(dāng)其波峰電壓大于電瓶電壓時(shí)，可控硅才會(huì)導(dǎo)通，當(dāng)脈動(dòng)直流電壓處于波谷區(qū)時(shí)，可控硅反偏截止，停止向電瓶充電。因而流過電瓶的是脈動(dòng)直流電，快速充電，充滿自停。剛開始充電時(shí)電瓶兩端電壓較低，充電電流較大。當(dāng)電瓶即將充足時(shí)，充電電壓越來越接近脈動(dòng)直流輸出電壓的波峰值，充電電流也會(huì)越來越小，自動(dòng)變?yōu)殇噶鞒潆?。?dāng)電瓶兩端電壓被充到整流輸出的波峰值時(shí)，充電過程停止。經(jīng)試驗(yàn)，三節(jié)電動(dòng)車蓄電池 36V 串聯(lián)，用該充電器只需 2 個(gè)小時(shí)即可充滿。電路簡單、易于制作，幾乎不用維護(hù)及維修 [4]。

3云智能電瓶車快速充電系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐――以 Guarder

項(xiàng)目為例

3.1Guarder 云智能電池識(shí)別系統(tǒng)和硬件安全

我們?cè)O(shè)計(jì)了 Guarder 云智能電池識(shí)別系統(tǒng)，可根據(jù)電池的規(guī)格來預(yù)先調(diào)節(jié)充電樁的輸出電壓，有效解決充電器不適配問題， 同時(shí)需采用專業(yè)級(jí)戶外用電防護(hù)設(shè)備來確保安全。充電柜裝有溫度感應(yīng)器，達(dá)到消防要求的溫度會(huì)自動(dòng)斷電，且選用防爆材料制作充電柜的柜體，構(gòu)筑道防線，把火控制在柜子里面， 不會(huì)傷及周邊。充電樁和充電柜定需要采用防雨、防水的材料，高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，插頭定要通過 10000 次撥插測試*。

3.2Guarder 云智能充電新模式和軟件安全

充電過程中的保護(hù)措施包括 ：專業(yè)級(jí)戶外用電防護(hù)設(shè)備、接地保護(hù)、防雷保護(hù)、防塵防水保護(hù)、超載斷電保護(hù)、欠載斷電保護(hù)、線路短路保護(hù)、人身漏電保護(hù)、充電時(shí)間保護(hù)、充滿自停電池壽命保護(hù)、聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控實(shí)時(shí)保護(hù) [5]。引入電池識(shí)別系統(tǒng)，市面上電池種類很多，智能充電樁可識(shí)別電池類型和各種技術(shù)參數(shù)， 做到實(shí)時(shí)監(jiān)控充電電流、電壓監(jiān)控、異常斷電、充滿自停充電， 以保證充電安全。加入呼吸式心跳檢測，杜絕過載、過流、過溫、欠載、浪涌等風(fēng)險(xiǎn)。

3.3操作系統(tǒng)和智能系統(tǒng)

Guarder 云智能系統(tǒng)是為電動(dòng)車配備的足以完成智能功能的操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)分硬件系統(tǒng)、云系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、客戶端系統(tǒng)等多個(gè)組成部分，通過各系統(tǒng)之間的相互協(xié)調(diào)，用戶能夠在遠(yuǎn)處智能的遙控自己的車輛[6]。智能系統(tǒng)分為設(shè)防、解防、靜音、尋車、鍵啟動(dòng)、GPS 功能，通過手機(jī)連接 APP，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車的實(shí)時(shí)操控，安全、控制、定位等功能都可以通過顆小小的芯片完成。能兼容所有的含有藍(lán)牙的手機(jī)，兼容安卓系統(tǒng)和蘋果系統(tǒng)[7]。

3.4APP

用戶可通過手機(jī) APP 遠(yuǎn)程查看充電進(jìn)度，遠(yuǎn)程控制充電開始、結(jié)束、異常通知。“自動(dòng)定位鍵導(dǎo)航”功能自動(dòng)離客戶位置附近的充電站，并支持地圖導(dǎo)航。還能將新的充電曲線即時(shí)上傳云端，同步給所有在線設(shè)備。

在使用智能系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：(1) 在車輛行駛過程中禁止操作本軟件 ；(2) 手機(jī)電量偏低時(shí)，請(qǐng)及時(shí)將感應(yīng)模式切換為遙控模式，避免影響正常使用 ；(3) 感應(yīng)距離與手機(jī)發(fā)射信號(hào)、輛所處環(huán)境有關(guān)，可能造成與設(shè)置距離偏差 ；(4) 部分功能需要手機(jī)系統(tǒng)功能支持 ；具體操作需要下載手機(jī) APP。

3.5Guarder 云智能快速充電系統(tǒng)兒童防護(hù)

兒童防護(hù)在本產(chǎn)品中無疑也是非常重要的，不僅要對(duì)兒童自身的安全考慮，同時(shí)也要保護(hù)充電設(shè)施不被兒童無意破壞。所以充電插口都配有獨(dú)立安全門，預(yù)防兒童無意觸電安全風(fēng)險(xiǎn)和兒童毀壞充電插口和放入異物，以免影響使用。

3.6Guarder 云智能自反饋系統(tǒng)

Guarder 云智能電瓶車快速充電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或被破壞將會(huì)對(duì)管理系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，通知維修人員，在短時(shí)間內(nèi)對(duì) Guarder 云智能電瓶車快速充電系統(tǒng)進(jìn)行維修。

3.7支付以及收費(fèi)方式

充電站設(shè)備安裝好后，管理人員可根據(jù)自己實(shí)際情況任意設(shè)置，設(shè)備設(shè)置有多重保護(hù)措施，系統(tǒng)性能安全可靠。根據(jù)電動(dòng)車充電功率，自動(dòng)判斷收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn) ；可同時(shí)采用按次計(jì)費(fèi)和預(yù)付費(fèi)模式。預(yù)付費(fèi)模式，剩余金額自動(dòng)返還 ；收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)自由設(shè)置，充電時(shí)間 10-999 分鐘可調(diào) ；計(jì)費(fèi)方式 ：按充電次數(shù)計(jì)費(fèi)，按電子錢包計(jì)費(fèi)，按包月計(jì)費(fèi)。支持 APP 支付、掃碼支付、充電 IC 卡支付等多種支付方式。支持手機(jī)、支付寶掃碼充電。用戶自行選擇“按時(shí)間、電量收費(fèi)”，或者按時(shí)、按量、包月充電套餐。

4安科瑞充電樁運(yùn)營管理平臺(tái)

安科瑞電動(dòng)自行車充電樁通過GPRS模塊與云端進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)能夠?qū)﹄妱?dòng)自行車充電樁的日常狀態(tài)、充電過程進(jìn)行監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)充電支付對(duì)接：支持投幣、刷卡、手機(jī)支付等多種支付方式，保證支付交易過程的完整性，對(duì)充電過程中的異常情況進(jìn)行有效預(yù)警；實(shí)現(xiàn)對(duì)下游站級(jí)平臺(tái)的清算、對(duì)賬功能。平臺(tái)可對(duì)接消防物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、小程序等，提供相關(guān)異常數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車充電安全管理的網(wǎng)絡(luò)化、可視化。

①　安全預(yù)警

  對(duì)平臺(tái)連接的所有充電樁狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，充電樁發(fā)生異常情況時(shí)可通過APP、短信及時(shí)向運(yùn)營人員發(fā)出報(bào)警信號(hào)，及時(shí)消除火災(zāi)隱患。

②　交易結(jié)算管理

  平臺(tái)為運(yùn)營方提供充電價(jià)格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)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。可通過在線自助支付實(shí)現(xiàn)充電。

④　運(yùn)營分析

  對(duì)訂單進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析，通過柱狀圖、報(bào)表方式直觀展示數(shù)據(jù)，并支持和三方平臺(tái)對(duì)接。

⑤　手機(jī)小程序

  可通過手機(jī)小程序掃碼充電，充電賬單支付。運(yùn)營商和物業(yè)管理人員均可通過小程序管理，監(jiān)測充電樁狀態(tài)和充電交易情況。

5. 充電樁型號(hào)

(1)可同時(shí)充10輛電瓶車。
(2)尺寸空間大，投幣箱容量大，內(nèi)部空間充裕，具備充足的電氣穩(wěn)定性。
(3)實(shí)體按鍵設(shè)計(jì)，手感實(shí)在，使用壽命長。
(4)顯示投幣數(shù)、IC刷卡次數(shù)、IC卡余額，卡內(nèi)余額語音播報(bào)。
(5)每次扣費(fèi)和充電時(shí)間可調(diào)，可多次投幣刷卡，充電時(shí)間自動(dòng)累計(jì)。
(6)可根據(jù)客戶需求開通免費(fèi)充電功能、月卡功能和刷卡退費(fèi)。
(7)可使用手機(jī)支付、支付寶支付、APP 支付。
(8)自動(dòng)識(shí)別出現(xiàn)故障的線路，并伴有字母和語音提示。
(9)具有斷電記憶功能，當(dāng)出現(xiàn)斷電，來電后可以繼續(xù)使用剩余的時(shí)間充電。
(10)具有拔掉斷電功能，當(dāng)用戶拔掉充電器，及時(shí)自動(dòng)斷電。
(11)具有充滿自停功能，自動(dòng)檢測電瓶車充電狀態(tài)，如充滿則停止供電，計(jì)費(fèi)時(shí)間清零。
(12)具有過載保護(hù)功能，能識(shí)別大功率電器，自動(dòng)暫停供電，防止用戶私接插線板給多臺(tái)電瓶車充電。
(13)具有短路保護(hù)功能，當(dāng)出現(xiàn)短路，保險(xiǎn)絲熔斷確保穩(wěn)定。
(14)具有按功率給時(shí)間功能，根據(jù)檢測到的功率，按照設(shè)定時(shí)間開啟充電。
(15)可選配聯(lián)網(wǎng)煙感，當(dāng)出現(xiàn)火情，可發(fā)送短信給責(zé)任人。
(16)過溫保護(hù)功能，當(dāng)檢測機(jī)箱溫度過高，停止充電。
(17)夜間斷電功能，可設(shè)定夜間整機(jī)斷電黑屏，禁止夜間充電。
(18)遠(yuǎn)程抄表，485電表數(shù)據(jù)采集上報(bào)。

6總結(jié)

Guarder 云智能電瓶車快速充電系統(tǒng)是為電動(dòng)自行車日常通勤用戶提供戶外公共充電的解決方案，安裝在小區(qū)、園區(qū)和商業(yè)樓宇等用戶生活、工作區(qū)域。充電柜是為外賣、快遞等物流垂直領(lǐng)域提供的電池存儲(chǔ)、充電解決方案，擺放在外賣快遞集中商圈、商鋪以及站點(diǎn)。

Guarder 云智能電瓶車快速充電系統(tǒng)，突破了智能識(shí)別電池、自適應(yīng)動(dòng)態(tài)控制電源核心技術(shù)。給不同類型、規(guī)格電動(dòng)車電池安全充電的基礎(chǔ)和提，定能夠識(shí)別出電池規(guī)格參數(shù)，在準(zhǔn)確識(shí)別的基礎(chǔ)上，自適應(yīng)輸出電壓、電流，動(dòng)態(tài)調(diào)整電源參數(shù)，識(shí)別電池充滿，自動(dòng)斷電。Guarder 云智能充電網(wǎng)絡(luò)，具備人工智能網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，新的充電曲線即時(shí)上傳云端，同步給所有在線設(shè)備，不斷提高電池識(shí)別和電源控制準(zhǔn)確度。另外，本方案還可以使用太陽能板、壓電膜等綠色能源作為補(bǔ)充，同時(shí)，充電樁自助設(shè)備終端還可以投放商業(yè)廣告（平面或?qū)γ襟w形式）提高商家的額外收益，做到社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。

參考文獻(xiàn) 

[1]李云南,劉文慶（通訊作者),楊月,云智能電瓶車快速充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2019.11版

作者簡介：繆建梅，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電氣防火限流式保護(hù)器的研發(fā)與應(yīng)用