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更新時間：2022-09-19
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吳柯霓
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘 要 ：居民住宅區和公共場所共享云智能充電系統，以電瓶車安全充電為基礎，基于 GPRS、Ethernet 構建互聯網 + 物聯網 + 人聯網的模式，通過自主研發智能充電樁、主機、通訊設備、服務端和客戶端應用系統，為降低電瓶車充電火災隱患、實現安全充電的目標提供技術手段及相關服務。本設計可以使用太陽能板、壓電膜等綠色能源作為補充，同時，充電樁自助設備終端還可以投放商業廣告（平面或對媒體形式）提高商家的額外收益，做到社會效益和經濟效益的雙贏。
關鍵詞 ：電瓶車 ；智能 ；充電樁 ；系統設計
我國綜合國力日益增強，經濟高速發展。電瓶車更是廣泛地進入人們的視野。因此電瓶車智能充電裝置的安全性面臨著新的挑戰。本文介紹了一種云智能電瓶車快速充電系統的設計過程。主要研究過程包括進行智能充電設計、進行硬件設計、進行外觀設計。
1 云智能電瓶車快速充電系統的可實施性及必要性
近年來電動自行車充電火災事故頻發，造成群死群傷，這一現象也揭露了整個充電行業令人擔憂的現狀。
從用戶層面來看，全國使用電動自行車用戶近 3 億，并以每年超過 3000 萬的增量增加，具有良好的發展前景。
從產品層面來看，充電的核心產品――充電器，質量堪憂。據新聞調查公布的數據，百分之九十市售充電器不合格，非常容易引發充電火災。而電動自行車的劣質電池充斥市場，主要體現在缺乏統一。要想解決電瓶車充電裝置的安全性及功能性問題，一定將理論和實踐相結合，在了解基礎功能以及各項優化的基礎上，提高綜合型電瓶車充電系統的可實施性，做到理想化的設計[1]。
從服務方面來看，規；踩墓渤潆姺⻊杖笔АＤ壳暗某潆姺⻊，大多零散分布在各個小區和物業，一般都是通過物業提供插座，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，或將電池拆卸入室充電，安全隱患非常大。
近年來，電瓶車火災事故頻發，引起人員傷亡，消防、物業、消費者各方對電動車充電安全問題開始重視。2017 年 12月 29 日，相關部門發布《關于規范電動車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車或者為電動車充電；構成違反消防管理行為的， 機關單位將依法予以處罰；引起火災，造成嚴重后果，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。在電瓶車進行充電時，操作者進行開啟、斷開操作時 ；充電系統發生故障時，要保證人員安全。同時也要保證充電時電瓶車的安全，避免過熱起火和電路老化等等問題。
2)操作便捷。對電瓶車進行充電時，充電系統應操作簡易， 充電過程應自動性強一些，不需要工作人員過多參與，過程不要過于復雜。
3)經濟性。成本較小的充電系統可以減少電瓶車的運行成本， 從而提高整體效益，促進電瓶車的使用推廣。
4)效率高。充電效率高是充電系統的重要指標，也關系著電瓶車的商業化推廣。本系統可以同時多輛充電，同時安全快速充電。
5)技術難題。為電動自行車提供公共充電服務，首要難題是公共充電設施如何適配五花八門的電池，需要一個“萬用充電器"[3]。近一年來，一些項目試圖對電動自行車充電進行智能化改造，受困于技術瓶頸，只適用于支付環節的優化，我們*可以將投幣插座升級為掃碼插座。電池、電源管理等關鍵領域無能為力，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，突破了智能識別電池、自適應動態控制電源核心技術。在不同類型、規格電動車電池安全充電的基礎和前提上，能夠識別出標準，類型、規格多樣。由于現有的電瓶車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，動態調整電源參數，識別電池充滿，自動斷電。Guarder 云智能充電網絡，具備人工智能網絡學習算法，新的充電曲線即時上傳云端，同步給所有在線設備，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，有利于延長電瓶壽命。脈沖低壓交流電經全波整流后是脈動直流，當其波峰電壓大于電瓶電壓時，可控硅才會導通，當脈動直流電壓處于波谷區時，可控硅反偏截止，停止向電瓶充電。因而流過電瓶的是脈動直流電，快速充電，充滿自停。剛開始充電時電瓶兩端電壓較低，充電電流較大。當電瓶即將充足時，充電電壓越來越接近脈動直流輸出電壓的波峰值，充電電流也會越來越小，自動變為涓流充電。當電瓶兩端電壓被充到整流輸出的波峰值時，充電過程停止。經試驗，三節電動車蓄電池 36V 串聯，用該充電器只需 2 個小時即可充滿。電路簡單、易于制作，幾乎不用維護及維修 [4]。
3 云智能電瓶車快速充電系統創新設計實踐――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預先調節充電樁的輸出電壓，有效解決充電器不適配問題， 同時需采用專業級戶外用電防護設備來確保安全。充電柜裝有溫度感應器，達到消防要求的溫度會自動斷電，且選用防爆材料制作充電柜的柜體，構筑一道防線，把火控制在柜子里面， 不會傷及周邊。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 10000 次撥插測試*。
3.2Guarder 云智能充電新模式和軟件安全
充電過程中的保護措施包括 ：專業級戶外用電防護設備、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、線路短路保護、人身漏電保護、充電時間保護、充滿自停電池壽命保護、聯網監控實時保護 [5]。引入電池識別系統，市面上電池種類很多，智能充電樁可識別電池類型和各種技術參數， 做到實時監控充電電流、電壓監控、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、浪涌等風險。
3.3操作系統和智能系統
Guarder 云智能系統是為電動車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、客戶端系統等多個組成部分，通過各系統之間的相互協調，用戶能夠在遠處智能的遙控自己的車輛[6]。智能系統分為設防、解防、尋車、一鍵啟動、GPS 功能，通過連接 APP，可以實現對電動車的實時操控，安全、控制、定位等功能都可以通過一顆小小的芯片完成。能兼容所有的藍牙，兼容安卓系統和蘋果系統[7]。
3.4APP
用戶可通過APP 遠程查看充電進度，遠程控制充電開始、結束、異常通知。“自動定位一鍵導航"功能自動*離客戶位置附近的充電站，并支持地圖導航。還能將新的充電曲線即時上傳云端，同步給所有在線設備。
3.5Guarder 云智能快速充電系統兒童防護
兒童防護在本產品中無疑也是非常重要的，不僅要對兒童自身的安全考慮，同時也要保護充電設施不被兒童無意破壞。所以充電插口都配有獨立安全門，預防兒童無意觸電安全風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 云智能電瓶車快速充電系統出現故障或被破壞將會對管理系統發出信號，通知維修人員，在短時間內對 Guarder 云智能電瓶車快速充電系統進行維修。
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。根據電動車充電功率，自動判斷收費標準 ；可同時采用按次計費和預付費模式。預付費模式，剩余金額自動返還 ；收費標準自由設置，充電時間 10-999 分鐘可調 ；計費方式 ：按充電次數計費，按電子錢包計費，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。用戶自行選擇“按時間、電量收費"，或者按時、按量、包月充電套餐。
4 安科瑞充電樁運營管理平臺
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據交互。系統能夠對電動自行車充電樁的日常狀態、充電過程進行監控；實現充電支付對接：支持投幣、刷卡、線上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警；實現對下游站級平臺的清算、對賬功能。平臺可對接消防物聯網平臺、小程序等，提供相關異常數據，實現電動車充電安全管理的網絡化、可視化。
① 安全預警
??對平臺連接的所有充電樁狀態進行監測，充電樁發生異常情況時可通過APP、短信及時向運營人員發出報警信號，及時消除火災隱患。
② 交易結算管理
??平臺為運營方提供充電價格策略管理，預收費管理，賬單管理，營收和財務相關報表等，支持投幣、刷卡和掃碼充電。
③ 充電服務
??可通過軟件搜索附近充電樁，并查看充電樁狀態，并導航至可用充電樁。可通過在線自助支付實現充電。
④ 運營分析
??對訂單進行數據化分析，通過柱狀圖、報表方式直觀展示數據，并支持和第三方平臺對接。
⑤ 小程序
??可通過小程序掃碼充電，充電賬單支付。運營商和物業管理人員均可通過小程序管理，監測充電樁狀態和充電交易情況。
5 充電樁型號
(1)可同時充10輛電瓶車。
(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)實體按鍵設計，手感實在，使用壽命長。
(4)顯示投幣數、IC刷卡次數、IC卡余額，卡內余額語音播報。
(5)每次扣費和充電時間可調，可多次投幣刷卡，充電時間自動累計。
(6)可根據客戶需求開通免費充電功能、月卡功能和刷卡退費。
(7)可使用在線支付、支付寶支付、APP 支付。
(8)自動識別出現故障的線路，并伴有字母和語音提示。
(9)具有斷電記憶功能，當出現斷電，來電后可以繼續使用剩余的時間充電。
(10)具有拔掉斷電功能，當用戶拔掉充電器，及時自動斷電。
(11)具有充滿自停功能，自動檢測電瓶車充電狀態，如充滿則停止供電，計費時間清零。
(12)具有過載保護功能，能識別大功率電器，自動暫停供電，防止用戶私接插線板給多臺電瓶車充電。
(13)具有短路保護功能，當出現短路，保險絲熔斷確保穩定。
(14)具有按功率給時間功能，根據檢測到的功率，按照設定時間開啟充電。
(15)可選配聯網煙感，當出現火情，可發送短信給責任人。
(16)過溫保護功能，當檢測機箱溫度過高，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 云智能電瓶車快速充電系統是為電動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、園區和商業樓宇等用戶生活、工作區域。充電柜是為外賣、快遞等物流垂直領域提供的電池存儲、充電解決方案，擺放在外賣快遞集中商圈、商鋪以及站點。
Guarder 云智能電瓶車快速充電系統，突破了智能識別電池、自適應動態控制電源核心技術。給不同類型、規格電動車電池安全充電的基礎和前提，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，動態調整電源參數，識別電池充滿，自動斷電。Guarder 云智能充電網絡，具備人工智能網絡學習算法，新的充電曲線即時上傳云端，同步給所有在線設備，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能板、壓電膜等綠色能源作為補充，同時，充電樁自助設備終端還可以投放商業廣告（平面或對媒體形式）提高商家的額外收益，做到社會效益和經濟效益的雙贏。
參考文獻
[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設計
[2]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2019.11版
作者簡介：吳柯霓，女，現任于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電瓶車充電樁的研發和應用，
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