宋 佳，孫長勇，張薇薇，馬青松

（山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

電動車近年來已發(fā)展成為一種新型的交通工具，具有價(jià)格低廉、使用簡單、出行方便等很多其他交通工具所不具備的優(yōu)點(diǎn)[1]。當(dāng)電動車電量過低時(shí)，人們通常會使用電動車充電器進(jìn)行充電，目前市面上一般的電動車原裝充電器當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)不能智能控制?，F(xiàn)在已經(jīng)有智能充電樁等一些充電裝置，智能充電樁根據(jù)電力部門實(shí)時(shí)電價(jià)的信息以最經(jīng)濟(jì)的價(jià)格對車輛進(jìn)行充電，具有充滿斷電、空載斷電、超載斷電、急停按鈕等安全功能，當(dāng)發(fā)生異常情況時(shí)，會斷開電源開關(guān)，防止意外發(fā)生。但是智能充電樁配套設(shè)施不完善，人們使用起來不方便?，F(xiàn)在出現(xiàn)了很多充電保護(hù)的發(fā)明，起到了很好的保護(hù)作用。但是，受充電地點(diǎn)、充電價(jià)格高（充電場所的價(jià)格高于家庭充電價(jià)格）、充電器本身的質(zhì)量參差不齊等問題的制約，大部分人還是選擇了自己方便的家庭單獨(dú)充電，這就有可能造成電動車充電異常發(fā)生事故。

基于Arduino 控制的電動車充電保護(hù)裝置，可以很好地解決這些問題，為人們單獨(dú)充電提供了較好的安全保護(hù)環(huán)境，可以應(yīng)用于大部分電動車的充電。

1 電動車在充電進(jìn)程中起火原因

電動車近些年發(fā)展非?？?，社會普及率非常高，但由于電動車在日常充電的時(shí)候易發(fā)生火災(zāi)情況，一旦發(fā)生火災(zāi)極易造成人員傷亡，給社會帶來較為惡劣的影響。引起電動車在充電時(shí)候發(fā)生火災(zāi)的原因很多，歸納起來主要有以下幾點(diǎn)[2]：

（1）充電器質(zhì)量問題。有些用戶為了自己的方便，在更換電動車充電器時(shí)往往在網(wǎng)上購置廉價(jià)且沒有質(zhì)量保證的充電器，而這些低價(jià)選購的產(chǎn)品一般質(zhì)量較差，甚至有些是經(jīng)過翻新且沒有經(jīng)過合格檢驗(yàn)的充電器，這類充電器不僅不耐用而且很容易在給電動車充電的時(shí)候損害電動車，或在充電過程中充電器本身因?yàn)檫^熱現(xiàn)象引起自然；同時(shí)，部分廠家為了追求經(jīng)濟(jì)利益的最大化，往往采用劣質(zhì)的控制器、電池、電機(jī)等作為充電器的核心元件，人為的埋下了安全隱患[3]。

（2）操作不當(dāng)。由于部分用戶不知道電動車的電池需要與相應(yīng)功率的充電器匹配，因此，有部分用戶為了方便，往往喜歡不經(jīng)過匹配，私自混用各種功率的充電器給電動車進(jìn)行充電。這種不按配套充電器對電車充電的情況，經(jīng)過長時(shí)間違規(guī)使用，不僅讓充電器本身損壞，也會使得電車的電池出現(xiàn)過充的情況，嚴(yán)重的縮短了電車電池的使用壽命。

（3）電動車充電線路出現(xiàn)短路狀況。在給電動車進(jìn)行充電的時(shí)候，電動車充電器的電源線不經(jīng)過整理，經(jīng)常纏繞在一起，由于電源線高載荷的充電，容易引起電動車充電電子電路的絕緣層發(fā)熱和老化，從而造成線路短路的安全隱患，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)[4]。

（4）電氣安全保護(hù)裝置未發(fā)揮作用。目前，市場上的電動車有的在生產(chǎn)過程中不按國家的標(biāo)準(zhǔn)要求安裝必要的短路保護(hù)裝置，有的即使安裝了這些保護(hù)裝置，但是在電動車維修的時(shí)候，為了個(gè)人的私念，部分人會擅自拆卸短路保護(hù)裝置的現(xiàn)象，這就容易導(dǎo)致電動車在使用中失去了短路保護(hù)的功能[5]。

2 電動車充電保護(hù)裝置

2.1 裝置組成

針對上文所提到電動車容易發(fā)生火災(zāi)的主要原因，設(shè)計(jì)了一種給電動車充電的保護(hù)裝置，裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。裝置本體中設(shè)有控制單元，控制單元的輸入端連接有定時(shí)器、煙感傳感器、功能恢復(fù)按鈕、環(huán)境溫度傳感器、額定電流設(shè)定按鈕，輸出端連接有報(bào)警器2，且控制單元的輸出端控制所述充電器5 的導(dǎo)通與斷開。

圖1 電動車充電保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)簡圖

圖1 中，定時(shí)器主要用于設(shè)定充電器的充電時(shí)間，其與控制單元連接，給控制單元提供設(shè)定充電時(shí)間的信號，當(dāng)充電時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)，控制單元將控制電路斷開，充電器停止充電，且控制單元控制報(bào)警器2 發(fā)出警示，對使用者進(jìn)行提醒。若不設(shè)定時(shí)間，控制單元就不把此作為監(jiān)測信號。煙感傳感器用來檢測環(huán)境煙霧，當(dāng)煙霧達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制單元控制電路斷開，停止充電，且控制單元控制報(bào)警器2 發(fā)出警示，對使用者進(jìn)行提醒。環(huán)境溫度傳感器用來檢測環(huán)境的溫度，當(dāng)溫度過高時(shí)，電路會自動斷開，建議檢測到環(huán)境溫度超過80 ℃時(shí)，斷開控制電路，且控制單元控制報(bào)警器2 發(fā)出警示，對使用者進(jìn)行提醒。功能恢復(fù)按鈕用來將該裝置恢復(fù)初始狀態(tài)，當(dāng)該保護(hù)裝置報(bào)警后，用于裝置排除異常情況，按一下相應(yīng)恢復(fù)按鈕就會解除報(bào)警，同時(shí)控制電路接通到原來的通電狀態(tài)，繼續(xù)進(jìn)行充電工作。額定電流設(shè)定按鈕用來設(shè)定該保護(hù)裝置的額定電流，以使該保護(hù)裝置能夠在額定電壓下進(jìn)行正常工作。

2.2 裝置工作原理

如圖2 所示，該保護(hù)裝置包括裝置本體1，在裝置本體1 上設(shè)有與家庭電源連接的裝置電源插頭3、與電瓶連接的裝置充電插頭4；充電器5 連接在裝置本體1 上，裝置本體1 上設(shè)有用于連接充電器5 的充電器電源插孔及充電器充電插孔。具體來說，充電器電源插孔與所述裝置電源插頭電連接，充電器充電插孔與所述裝置充電插頭4 電連接。在正常充電情況下，充電器在保證原有的充電功能的基礎(chǔ)上，在充電器外加上該保護(hù)裝置，以此來保護(hù)充電器的充電安全。

圖2 電動車充電保護(hù)裝置控制簡圖

當(dāng)電動車需要充電的時(shí)候，首先把充電器的電源插頭和充電插頭分別插接到智能便攜式輔助裝置相應(yīng)的插座孔內(nèi)，接著把智能輔助裝置上的充電插頭插接到電動車充電插座孔內(nèi)，然后把智能輔助裝置的電源插頭插接到家庭的電源插孔內(nèi)，最后打開功能開關(guān)。此時(shí)控制單元（ECU）通過電流檢測端子S1 和S2，檢測充電器的電源電流和充電器的充電電流是否正常（按著正常的充電過程，剛開始充電器的電源電流和充電器的充電電流是最大的，隨著時(shí)間的增長，充電器的電源電流和充電器的充電電流應(yīng)該是逐步降低直至為0，控制單元根據(jù)此兩電流變化狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測）；溫度傳感器、煙感傳感器、定時(shí)器傳遞給控制單元的環(huán)境溫度信號正常、環(huán)境無煙霧、設(shè)定好充電時(shí)間（可以不設(shè)定，控制單元就不把此作為監(jiān)測信號）；如果一切正常，這樣就可以在較安全保護(hù)的環(huán)境下對電車進(jìn)行充電了。

如果控制單元（ECU）檢測到充電器電源的電流有異常、充電器的充電電流有異常、環(huán)境溫度過高、環(huán)境有煙霧或者是達(dá)到設(shè)定充電時(shí)間等5 項(xiàng)監(jiān)測內(nèi)容中的任何一項(xiàng)指標(biāo)，控制單元（ECU）通過K1 和K2控制端子使智能輔助裝置中的三極管VT1 和VT 同時(shí)斷開，使充電器的電源電路和充電器的充電電路斷開，使電動車充電過程中斷，同時(shí)報(bào)警警示。

當(dāng)使用者發(fā)現(xiàn)警示情況后，應(yīng)迅速拔下智能輔助裝置的電源插頭斷電，然后進(jìn)行異常情況排除。當(dāng)把異常情況排除后，插上智能輔助裝置的電源插頭，再按一下恢復(fù)按鈕，警報(bào)就解除，同時(shí)智能控制電路接通到原來的狀態(tài)，此時(shí)就可以使用該保護(hù)裝置對電動車進(jìn)行充電了。當(dāng)電動車充電完后，可以把充電器從智能便攜式輔助裝置上拔下來。

設(shè)計(jì)的電動車充電保護(hù)裝置是一種智能便攜式輔助裝置，其適用于給大部分的電動車進(jìn)行充電，在本質(zhì)上不影響原充電器的充電效能和效果，只是在原來充電器的基礎(chǔ)上增加了一套監(jiān)測設(shè)備，該設(shè)備能使整個(gè)電車充電的過程更安全，方便了單獨(dú)充電的人群，為他們提供了更加安全的充電環(huán)境。

2.3 裝置的創(chuàng)新性

綜述分析，所研制的基于Arduino 控制的電動車充電保護(hù)裝置具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）裝置結(jié)構(gòu)簡單，攜帶方便，在不影響其充電器的充電效能和效果的前提下，只是增加了一臺具有監(jiān)控作用的保護(hù)裝置，使得整個(gè)充電過程更安全，滿足了家庭充電的需求，為充電提供了安全保障。

（2）在給電動車充電時(shí)，將充電器的兩端連接在該保護(hù)裝置上，在出現(xiàn)故障時(shí)，控制單元及時(shí)控制充電器斷開，從而停止充電，避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

（3）裝置具有智能報(bào)警功能，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，能夠及時(shí)提醒用戶，從而能使用戶快速進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3 結(jié)語

隨著電動車的普遍使用，隨之而來的就是電動車充電過程中的安全問題。如果充電過程中充電器電源的電流有異常、充電器的充電電流有異常、環(huán)境溫度過高、環(huán)境有煙霧或者是超過設(shè)定時(shí)間，就有可能造成電動車充電異常。因此電動車充電保護(hù)裝置的發(fā)展也隨時(shí)代的發(fā)展在穩(wěn)步前進(jìn)。目前對于電動車充電保護(hù)裝置的研究還處于探索和發(fā)展階段，未來也會向更加智能化和信息化的方向發(fā)展。