電動(dòng)自行車(chē)交流充電規(guī)律初探

王泰智

摘 要：電動(dòng)自行車(chē)因不規(guī)范充電引起的火災(zāi)事故頻發(fā)。通過(guò)對(duì)電動(dòng)自行車(chē)交流充電規(guī)律的研究，提出了電動(dòng)自行車(chē)智能充電控制設(shè)施應(yīng)具備的監(jiān)測(cè)與控制功能，希望為廣大智能充電控制裝置設(shè)計(jì)人員提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車(chē);交流充電;充電規(guī)律;充電控制

現(xiàn)如今，電動(dòng)自行車(chē)已經(jīng)發(fā)展成為了主要的交通工具，然而，因電動(dòng)自行車(chē)“不規(guī)范充電引起火災(zāi)”的負(fù)面新聞屢見(jiàn)報(bào)端。消防部門(mén)對(duì)電動(dòng)自行車(chē)火災(zāi)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示：90%以上的火災(zāi)由電氣故障引發(fā)，80%以上是充電時(shí)發(fā)生，充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致電池過(guò)充或充電器內(nèi)部短路是引發(fā)火災(zāi)的主要原因。[1]央視2017年6月報(bào)道，福建省質(zhì)檢院監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，電動(dòng)自行車(chē)充電器總不符合率為90%。國(guó)家有關(guān)部門(mén)要求住宅小區(qū)安裝具備定時(shí)充電、自動(dòng)斷電、故障報(bào)警等功能的智能充電控制設(shè)施，并針對(duì)電動(dòng)自行車(chē)的停放與充電加以規(guī)范，盡可能的減少火災(zāi)事故的發(fā)生。[2]

鑒于此，本文主要從理論出發(fā)，并結(jié)合蓄電池充放電原理及直流充電規(guī)律，進(jìn)一步提出了有關(guān)電動(dòng)自行車(chē)充電機(jī)控制設(shè)施的功能以及參數(shù)、策略，控制策略及設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)，以提高電動(dòng)自行車(chē)無(wú)人值守充電系統(tǒng)的安全性。

1 蓄電池充放電原理

1.1 放電中的化學(xué)變化

從基本原理角度分析，如果將鉛酸蓄電池的陽(yáng)極與陰極同時(shí)當(dāng)?shù)离娊庖褐校敲磩t會(huì)產(chǎn)生電力，另外在實(shí)驗(yàn)中得知，將蓄電池與外部電路相互連接，尤其在處于放電階段，電解液往往會(huì)形成硫酸鉛，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，在與氧化鉛的對(duì)比中，硫酸鉛自身的摩爾體積要打，且在電解液中釋放過(guò)程中，如果放電時(shí)間越長(zhǎng)，那么硫酸則會(huì)產(chǎn)生稀釋?zhuān)踔吝€會(huì)結(jié)晶為大顆粒。

1.2 充電中的化學(xué)變化

在充電過(guò)程中易產(chǎn)生化學(xué)變化，主要是因?yàn)榉烹娭兴纬傻牧蛩徙U往往會(huì)在充電的過(guò)程中逐漸分解成硫酸或者過(guò)氧化鉛，并且到電解液自身的濃度不斷增多的時(shí)候，能夠回復(fù)到放電之前的濃度，在實(shí)驗(yàn)中這種變化主要體現(xiàn)成活性物質(zhì)有所還原，或者活性物質(zhì)處于再度供電的模式。尤其在還原為活性物質(zhì)的時(shí)候，陰極板與陽(yáng)極板往往會(huì)產(chǎn)生氫與氧，特別是處于最后階段，電解液會(huì)呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。

2 蓄電池直流充電規(guī)律

2.1 充電模式

鉛酸蓄電池一般采用三段式充電模式：

①當(dāng)蓄電池處于恒流限壓階段的時(shí)候，其電流呈現(xiàn)出恒定狀態(tài)，充入電量有所增加，電池的電壓不斷上升;

②當(dāng)蓄電池處于恒壓限流階段的時(shí)候，電壓處于恒定狀態(tài)，增加充電量會(huì)導(dǎo)致電流有所下降;

③在充滿(mǎn)之后電流會(huì)發(fā)生下降，并比浮充轉(zhuǎn)換電流要低，電壓也比浮充電壓低。

④在保養(yǎng)充電的時(shí)候，電壓需要保持，并在保養(yǎng)充電2H后自動(dòng)斷電。

2.2 直流充電曲線

充電器按照三段式充電模式將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，且還需要對(duì)電壓以及電流加以控制。一般而言，在充電的時(shí)候首先是恒流充電，這樣可以在短時(shí)間內(nèi)充滿(mǎn)電量，其中等到電池電壓上升到一定數(shù)值之后會(huì)處于恒壓充電的狀態(tài)，在該階段中電池的電壓仍舊上升，具有持續(xù)性，電流則有所下降，當(dāng)電流下降到所設(shè)定的電流值之后，充電指示燈會(huì)發(fā)生變化，起到保養(yǎng)電池的作用。如圖1。

3 充電器交流充電規(guī)律

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采用工業(yè)級(jí)智能電表和嵌入式一體化觸摸屏，每秒鐘采集1組充電器的交流充電數(shù)據(jù)：電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)、電量。觸摸屏自動(dòng)采集、保存數(shù)據(jù)。充電結(jié)束后，使用U盤(pán)導(dǎo)出數(shù)據(jù)，使用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。如圖2。

3.2 充電數(shù)據(jù)

3.3 交流充電曲線

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，三段式充電模式具有如下特點(diǎn)：① 充電器輸入有功功率隨輸出功率（即充電功率）同步變化;② 恒流充電階段充電效率最高，恒壓充電階段充電效率較低，涓流浮充階段充電效率非常低;③ 恒壓充電轉(zhuǎn)為涓流充電的降壓充電轉(zhuǎn)換瞬間，充電器輸入有功功率均有不同幅度的跌落，跌落后迅速爬升，但充電功率的恢復(fù)時(shí)間和功率值各有不同;④ 降壓充電轉(zhuǎn)換瞬間，充電器的功率因數(shù)在充電輸入有功功率跌落的同時(shí)發(fā)生同向躍變;⑤ 不同品牌規(guī)格充電器的三段式充電控制轉(zhuǎn)換電壓和電流不同，充電功率曲線各有不同。

4 結(jié)論

蓄電池有其自身的充放電規(guī)律。蓄電池的充電全程由充電器的電腦芯片控制。充電器的額定輸出電壓和電流與蓄電池所能承受的電壓、電流應(yīng)嚴(yán)格匹配。充電器的充電模式、控制參數(shù)、保護(hù)設(shè)計(jì)及其本身的質(zhì)量，以及充電器與電池的匹配度，對(duì)電池使用壽命及充電安全具有至關(guān)重要的影響。

通過(guò)規(guī)范電動(dòng)自行車(chē)集中停放，安裝具有定時(shí)充電、自動(dòng)斷電、故障報(bào)警等功能的智能充電控制設(shè)施，是有效解決當(dāng)前電動(dòng)自行車(chē)因充電引發(fā)火災(zāi)的一個(gè)重要措施。電動(dòng)自行車(chē)智能充電控制裝置應(yīng)具備如下功能：① 提示用戶(hù)使用標(biāo)配的充電器充電，選擇充電器參數(shù)要與蓄電池良好匹配。② 充電過(guò)程中發(fā)現(xiàn)過(guò)熱時(shí)應(yīng)停止充電，提示用戶(hù)對(duì)充電器和蓄電池進(jìn)行檢查。③ 自動(dòng)檢測(cè)恒壓充電階段的充電時(shí)長(zhǎng)和輸入有功功率，防止因電池老化、充電器故障或錯(cuò)用等因素導(dǎo)致蓄電池充滿(mǎn)之后不能及時(shí)轉(zhuǎn)入涓流充電模式而引發(fā)的安全隱患。④ 自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別充電器降壓浮充（指示燈由紅變綠）時(shí)刻，控制電池涓流浮充時(shí)長(zhǎng)，充滿(mǎn)自停，防止過(guò)充。⑤ 蓄電池最長(zhǎng)連續(xù)充電時(shí)間不超過(guò)8小時(shí)，環(huán)境溫度偏高時(shí)應(yīng)縮短充電時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

[1]王娜.電動(dòng)自行車(chē)火災(zāi)預(yù)防對(duì)策探討.武警學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，30（4）：75-77.

[2]國(guó)務(wù)院安委會(huì)辦公室.關(guān)于開(kāi)展電動(dòng)自行車(chē)消防安全綜合治理工作的通知（安委辦﹝2018﹞13號(hào)）20180515.

指導(dǎo)老師：王元新，山東省萊蕪市第一中學(xué)。