淺談云智能電瓶車(chē)快速充電系統設計及應用

摘 要 ：居民住宅區和公共場(chǎng)所共享云智能充電系統，以電瓶車(chē)安全充電為基礎，基于 GPRS、Ethernet 構建互聯(lián)網(wǎng) + 物聯(lián)網(wǎng) + 人聯(lián)網(wǎng)的模式，通過(guò)自主研發(fā)智能充電樁、主機、通訊設備、服務(wù)端和客戶(hù)端應用系統，為降低電瓶車(chē)充電火災隱患、實(shí)現安全充電的目標提供技術(shù)手段及相關(guān)服務(wù)。本設計可以使用太陽(yáng)能板、壓電膜等綠色能源作為補充，同時(shí)，充電樁自助設備終端還可以投放商業(yè)廣告（平面或對媒體形式）提高商家的額外收益，做到社會(huì )效益和經(jīng)濟效益的雙贏(yíng)。

關(guān)鍵詞 ：電瓶車(chē) ；智能 ；充電樁 ；系統設計

我國綜合國力日益增強，經(jīng)濟高速發(fā)展。電瓶車(chē)是廣泛地進(jìn)入人們的視野。因此電瓶車(chē)智能充電裝置的安全性面臨著(zhù)新的挑戰。本文介紹了一種云智能電瓶車(chē)快速充電系統的設計過(guò)程。主要研究過(guò)程包括進(jìn)行智能充電設計、進(jìn)行硬件設計、進(jìn)行外觀(guān)設計。

1云智能電瓶車(chē)快速充電系統的可實(shí)施性及必要性

近年來(lái)電動(dòng)自行車(chē)充電火災事故頻發(fā)，造成群死群傷，這一現象也揭露了整個(gè)充電行業(yè)令人擔憂(yōu)的現狀。

從用戶(hù)層面來(lái)看，全國使用電動(dòng)自行車(chē)用戶(hù)近 3 億，并以每年超過(guò) 3000 萬(wàn)的增量增加，具有良好的發(fā)展景。

從產(chǎn)品層面來(lái)看，充電的核心產(chǎn)品――充電器，質(zhì)量堪憂(yōu)。據新聞?wù){查公布的數據，百分之九十市售充電器不合格，非常容易引發(fā)充電火災。而電動(dòng)自行車(chē)的劣質(zhì)電池充斥市場(chǎng)，主要體現在缺乏統一。要想解決電瓶車(chē)充電裝置的安全性及功能性問(wèn)題，一定將理論和實(shí)踐相結合，在了解基礎功能以及各項化的基礎上，提高綜合型電瓶車(chē)充電系統的可實(shí)施性，做到理想化的設計 [1]。

從服務(wù)方面來(lái)看，規?；?、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)小區和物業(yè)，一般都是通過(guò)物業(yè)提供插座，或者用戶(hù)自帶充電器方式完成充電。有的用戶(hù)甚至將車(chē)輛推入室內，或將電池拆卸入室充電，安全隱患非常大。

近年來(lái)，電瓶車(chē)火災事故頻發(fā)，引起人員傷亡，消防、物業(yè)、消費者各方對電動(dòng)車(chē)充電安全問(wèn)題開(kāi)始重視。2017 年 12

月 29 日，相關(guān)部門(mén)發(fā)布《關(guān)于規范電動(dòng)車(chē)停放充電加強火災防范的通告》，嚴禁在建筑內的共用走道、樓梯間、安全出口處等公共區域停放電動(dòng)車(chē)或者為電動(dòng)車(chē)充電；構成違反消防管理行為的， 機關(guān)單位將依法予以處罰；引起火災，造成嚴重后果，構成犯罪的， 依法追究刑事責任 [2]。

2對充電系統的設計要求

為保證電瓶車(chē)快速充電系統可靠運作，對該系統的性能有以下幾項要求 ：

1)對安全性的要求。在電瓶車(chē)進(jìn)行充電時(shí)，操作者進(jìn)行開(kāi)啟、斷開(kāi)操作時(shí) ；充電系統發(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(chē)的安全，避免過(guò)熱起火和電路老化等等問(wèn)題。

2)操作便捷。對電瓶車(chē)進(jìn)行充電時(shí)，充電系統應操作簡(jiǎn)易， 充電過(guò)程應自動(dòng)性強一些，不需要工作人員過(guò)多參與，過(guò)程不要過(guò)于復雜。

3)經(jīng)濟性。成本較小的充電系統可以減少電瓶車(chē)的運行成本， 從而提高整體效益，促進(jìn)電瓶車(chē)的使用推廣。

4)效率高。充電效率高是充電系統的重要指標，也關(guān)系著(zhù)電瓶車(chē)的商業(yè)化推廣。本系統可以同時(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(chē)提供公共充電服務(wù)，首要難題是公共充電設施如何適配五花八門(mén)的電池，需要一個(gè)“萬(wàn)用充電器”[3]。近一年來(lái)，一些項目試圖對電動(dòng)自行車(chē)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)節的化，我們*可以將投幣插座升級為掃碼插座。電池、電源管理等關(guān)鍵領(lǐng)域無(wú)能為力，無(wú)法完成智能化，無(wú)法集成充電模塊，無(wú)法消除劣質(zhì)充電器帶來(lái)的隱患，無(wú)法做到戶(hù)外安全充電。電瓶車(chē)快速充電系統，突破了智能識別電池、自適應動(dòng)態(tài)控制電源核心技術(shù)。在不

同類(lèi)型、規格電動(dòng)車(chē)電池安全充電的基礎和提上，能夠識別出標準，類(lèi)型、規格多樣。由于現有的電瓶車(chē)充電裝置安全性很低， 電池規格參數 ；在準確識別的基礎上，自適應輸出電壓、電流，動(dòng)態(tài)調整電源參數，識別電池充滿(mǎn)，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)習算法，新的充電曲線(xiàn)即時(shí)上傳云端，同步給所有在線(xiàn)設備，不斷提高電池識別和電源控制準確度。

6)充電原理。采用脈沖充電，有利于延長(cháng)電瓶壽命。脈沖低壓交流電經(jīng)全波整流后是脈動(dòng)直流，當其波峰電壓大于電瓶電壓時(shí)，可控硅才會(huì )導通，當脈動(dòng)直流電壓處于波谷區時(shí)，可控硅反偏截止，停止向電瓶充電。因而流過(guò)電瓶的是脈動(dòng)直流電，快速充電，充滿(mǎn)自停。剛開(kāi)始充電時(shí)電瓶?jì)啥穗妷狠^低，充電電流較大。當電瓶即將充足時(shí)，充電電壓越來(lái)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(lái)越小，自動(dòng)變?yōu)殇噶鞒潆?。當電瓶?jì)啥穗妷罕怀涞秸鬏敵龅牟ǚ逯禃r(shí)，充電過(guò)程停止。經(jīng)試驗，三節電動(dòng)車(chē)蓄電池 36V 串聯(lián)，用該充電器只需 2 個(gè)小時(shí)即可充滿(mǎn)。電路簡(jiǎn)單、易于制作，幾乎不用維護及維修 [4]。

3云智能電瓶車(chē)快速充電系統創(chuàng )新設計實(shí)踐――以 Guarder

項目為例

3.1Guarder 云智能電池識別系統和硬件安全

我們設計了 Guarder 云智能電池識別系統，可根據電池的規格來(lái)預先調節充電樁的輸出電壓，有效解決充電器不適配問(wèn)題， 同時(shí)需采用專(zhuān)業(yè)級戶(hù)外用電防護設備來(lái)確保安全。充電柜裝有溫度感應器，達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，構筑一道防線(xiàn)，把火控制在柜子里面， 不會(huì )傷及周邊。充電樁和充電柜一定需要采用防雨、防水的材料，高強度結構設計，插頭一定要通過(guò) 10000 次撥插測試*。

3.2Guarder 云智能充電新模式和軟件安全

充電過(guò)程中的保護措施包括 ：專(zhuān)業(yè)級戶(hù)外用電防護設備、接地保護、防雷保護、防塵防水保護、超載斷電保護、欠載斷電保護、線(xiàn)路短路保護、人身漏電保護、充電時(shí)間保護、充滿(mǎn)自停電池壽命保護、聯(lián)網(wǎng)監控實(shí)時(shí)保護 [5]。引入電池識別系統，市面上電池種類(lèi)很多，智能充電樁可識別電池類(lèi)型和各種技術(shù)參數， 做到實(shí)時(shí)監控充電電流、電壓監控、異常斷電、充滿(mǎn)自停充電， 以保證充電安全。加入呼吸式心跳檢測，杜絕過(guò)載、過(guò)流、過(guò)溫、欠載、浪涌等風(fēng)險。

3.3操作系統和智能系統

Guarder 云智能系統是為電動(dòng)車(chē)配備的足以完成智能功能的操作系統，操作系統分硬件系統、云系統、軟件系統、客戶(hù)端系統等多個(gè)組成部分，通過(guò)各系統之間的相互協(xié)調，用戶(hù)能夠在遠處智能的遙控自己的車(chē)輛[6]。智能系統分為設防、解防、靜音、尋車(chē)、一鍵啟動(dòng)、GPS 功能，通過(guò)手機連接 APP，可以實(shí)現對電動(dòng)車(chē)的實(shí)時(shí)操控，安全、控制、定位等功能都可以通過(guò)一顆小小的芯片完成。能兼容所有的含有藍牙的手機，兼容安卓系統和蘋(píng)果系統[7]。

3.4APP

用戶(hù)可通過(guò)手機 APP 遠程查看充電進(jìn)度，遠程控制充電開(kāi)始、結束、異常通知。“自動(dòng)定位一鍵導航”功能自動(dòng)離客戶(hù)位置附近的充電站，并支持地圖導航。還能將新的充電曲線(xiàn)即時(shí)上傳云端，同步給所有在線(xiàn)設備。

在使用智能系統時(shí)，應注意以下事項：(1) 在車(chē)輛行駛過(guò)程中禁止操作本軟件 ；(2) 手機電量偏低時(shí)，請及時(shí)將感應模式切換為遙控模式，避免影響正常使用 ；(3) 感應距離與手機發(fā)射信號、輛所處環(huán)境有關(guān)，可能造成與設置距離偏差 ；(4) 部分功能需要手機系統功能支持 ；具體操作需要下載手機 APP。

3.5Guarder 云智能快速充電系統兒童防護

兒童防護在本產(chǎn)品中無(wú)疑也是非常重要的，不僅要對兒童自身的安全考慮，同時(shí)也要保護充電設施不被兒童無(wú)意破壞。所以充電插口都配有獨立安全門(mén)，預防兒童無(wú)意觸電安全風(fēng)險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

Guarder 云智能電瓶車(chē)快速充電系統出現故障或被破壞將會(huì )對管理系統發(fā)出信號，通知維修人員，在短時(shí)間內對 Guarder 云智能電瓶車(chē)快速充電系統進(jìn)行維修。

3.7支付以及收費方式

充電站設備安裝好后，管理人員可根據自己實(shí)際情況任意設置，設備設置有多重保護措施，系統性能安全可靠。根據電動(dòng)車(chē)充電功率，自動(dòng)判斷收費標準 ；可同時(shí)采用按次計費和預付費模式。預付費模式，剩余金額自動(dòng)返還 ；收費標準自由設置，充電時(shí)間 10-999 分鐘可調 ；計費方式 ：按充電次數計費，按電子錢(qián)包計費，按包月計費。支持 APP 支付、掃碼支付、充電 IC 卡支付等多種支付方式。支持支付寶掃碼充電。用戶(hù)自行選擇“按時(shí)間、電量收費”，或者按時(shí)、按量、包月充電套餐。

4安科瑞充電樁運營(yíng)管理平臺

安科瑞電動(dòng)自行車(chē)充電樁通過(guò)GPRS模塊與云端進(jìn)行通信和數據交互。系統能夠對電動(dòng)自行車(chē)充電樁的日常狀態(tài)、充電過(guò)程進(jìn)行監控；實(shí)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(guò)程的完整性，對充電過(guò)程中的異常情況進(jìn)行有效預警；實(shí)現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)異常數據，實(shí)現電動(dòng)車(chē)充電安全管理的網(wǎng)絡(luò )化、可視化。

①　安全預警

  對平臺連接的所有充電樁狀態(tài)進(jìn)行監視，充電樁發(fā)生異常情況時(shí)可通過(guò)APP、短信及時(shí)向運營(yíng)人員發(fā)出報警信號，及時(shí)消除火災隱患。

②　交易結算管理

  平臺為運營(yíng)方提供充電價(jià)格策略管理，預收費管理，賬單管理，營(yíng)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(guò)軟件搜索附近充電樁，并查看充電樁狀態(tài)，并導航至可用充電樁?？赏ㄟ^(guò)在線(xiàn)自助支付實(shí)現充電。

④　運營(yíng)分析

  對訂單進(jìn)行數據化分析，通過(guò)柱狀圖、報表方式直觀(guān)展示數據，并支持和第三方平臺對接。

⑤　小程序

  可通過(guò)小程序掃碼充電，充電賬單支付。運營(yíng)商和物業(yè)管理人員均可通過(guò)小程序管理，監測電。

5. 充電樁型號

(1)可同時(shí)充10輛電瓶車(chē)。
(2)尺寸空間大，投幣箱容量大，內部空間充裕，具備充足的電氣穩定性。
(3)實(shí)體按鍵設計，手感實(shí)在，使用壽命長(cháng)。
(4)顯示投幣數、IC刷卡次數、IC卡余額，卡內余額語(yǔ)音播報。
(5)每次扣費和充電時(shí)間可調，可多次投幣刷卡，充電時(shí)間自動(dòng)累計。
(6)可根據客戶(hù)需求開(kāi)通免費充電功能、月卡功能和刷卡退費。
(7)可使用支付寶支付、APP 支付。
(8)自動(dòng)識別出現故障的線(xiàn)路，并伴有字母和語(yǔ)音提示。
(9)具有斷電記憶功能，當出現斷電，來(lái)電后可以繼續使用剩余的時(shí)間充電。
(10)具有拔掉斷電功能，當用戶(hù)拔掉充電器，及時(shí)自動(dòng)斷電。
(11)具有充滿(mǎn)自停功能，自動(dòng)檢測電瓶車(chē)充電狀態(tài)，如充滿(mǎn)則停止供電，計費時(shí)間清零。
(12)具有過(guò)載保護功能，能識別大功率電器，自動(dòng)暫停供電，防止用戶(hù)私接插線(xiàn)板給多臺電瓶車(chē)充電。
(13)具有短路保護功能，當出現短路，保險絲熔斷確保穩定。
(14)具有按功率給時(shí)間功能，根據檢測到的功率，按照設定時(shí)間開(kāi)啟充電。
(15)可選配聯(lián)網(wǎng)煙感，當出現火情，可發(fā)送短信給責任人。
(16)過(guò)溫保護功能，當檢測機箱溫度過(guò)高，停止充電。
(17)夜間斷電功能，可設定夜間整機斷電黑屏，禁止夜間充電。
(18)遠程抄表，485電表數據采集上報。

6總結

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

Guarder 云智能電瓶車(chē)快速充電系統，突破了智能識別電池、自適應動(dòng)態(tài)控制電源核心技術(shù)。給不同類(lèi)型、規格電動(dòng)車(chē)電池安全充電的基礎和提，一定能夠識別出電池規格參數，在準確識別的基礎上，自適應輸出電壓、電流，動(dòng)態(tài)調整電源參數，識別電池充滿(mǎn)，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)習算法，新的充電曲線(xiàn)即時(shí)上傳云端，同步給所有在線(xiàn)設備，不斷提高電池識別和電源控制準確度。另外，本方案還可以使用太陽(yáng)能板、壓電膜等綠色能源作為補充，同時(shí)，充電樁自助設備終端還可以投放商業(yè)廣告（平面或對媒體形式）提高商家的額外收益，做到社會(huì )效益和經(jīng)濟效益的雙贏(yíng)。

參考文獻 

[1]李云南,劉文慶（通訊作者),楊月,云智能電瓶車(chē)快速充電系統設計

[2]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11版