電瓶車輛充電設(shè)施管理系統(tǒng)

葉棟梁 陳福生 廖東鵬 孫李華 林祖榮

摘要 針對廈門地鐵一號線廠段內(nèi)電瓶車輛充電區(qū)域混亂，導(dǎo)致充電效率低下、存在充電安全隱患等一系列問題進行簡要的分析，提出了電瓶車輛充電設(shè)施管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方案，并且完成了該系統(tǒng)的設(shè)計制造。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)的使用極大提高了充電安全性能，優(yōu)化了充電流程，達到了設(shè)計的要求。

關(guān)鍵詞 電瓶車輛;充電設(shè)施管理;充電安全;充電效率

中圖分類號 TM912 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0082-03

0 概論

電瓶車輛因其具有低碳環(huán)保、操作靈活簡便、作業(yè)成本低、噪聲小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各個城市軌道交通線路的車輛段內(nèi)。目前廈門地鐵一號線場段內(nèi)存有包括電瓶車、叉車、托盤搬運車等數(shù)十輛電瓶車輛。廠內(nèi)電瓶車輛使用廠家原配的充電器，在功能上可以保障廠內(nèi)機動車的正常使用，但是每次只能提供單臺次叉車或者單臺電瓶車的充電需求，無法滿足日常使用下電瓶車輛充電要求，并且會在一定程度上影響電池的充電效率以及電池的壽命。并且充電區(qū)域分散在場段內(nèi)不同區(qū)域，而電瓶車輛充滿電往往需要五六個小時，無法保證充電過程中有人員值守，經(jīng)常導(dǎo)致未充上電或者過充等問題。

為了有效解決上述問題，提高充電效率，提升安全性能，在場段內(nèi)設(shè)計一個電瓶車輛充電箱。該充電箱將叉車、電瓶車等廠內(nèi)機動車的相關(guān)充電設(shè)施集中起來，分門別類將其放置于廢棄的藥液存放箱中，并根據(jù)各類機動車充電機的使用特性做出一定的規(guī)劃。此工裝通過1 000元的小成本投入，極大提高了充電安全性能，優(yōu)化了充電流程。該裝置安裝于聯(lián)合檢修庫內(nèi)顯眼位置，無需專人看護，每年可節(jié)省3×7×20×12=5 040工時的人工成本。并且減少20余個原定安裝于場段各處的單一充電頭的采購，每個充電頭價值2 500元，一共節(jié)約50 000余元，具有很大的實用價值。同時使用廢棄藥液存放箱作為加工材料，起到廢物利用的效果。

1 問題分析

1.1 電瓶車電池充電原理

一號線廠段內(nèi)電瓶車輛采用普通鉛酸蓄電池作為電源供應(yīng)。電池可大致分為四部分：正電極（二氧化鉛）、負電極（海綿狀鉛）、電解液（硫酸）和隔離板。圖1和圖2分別為充放電示意圖（隔離板未畫出）。

電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，電子導(dǎo)體可以單獨地完成導(dǎo)電任務(wù)（如銅、鋁這類金屬），而離子導(dǎo)體（如電解質(zhì)溶液）卻不能。要想讓離子導(dǎo)體導(dǎo)電，必須有電子導(dǎo)體與之相連而形成兩類導(dǎo)體相串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，形成金屬-溶液-金屬的導(dǎo)電系統(tǒng)。在金屬溶液的界面上將發(fā)生氧化還原反應(yīng)，這就是電池的基本工作機理[1]。

鉛酸蓄電池在充、放電時的電池反應(yīng)可用如下的反應(yīng)方程式表示，從左向右表示放電過程，而從右向左表示充電過程。放電反應(yīng)和充電反應(yīng)互為可逆反應(yīng)。

（1）

1.2 存在問題及分析

蓄電池充放電是一個復(fù)雜的電化學(xué)體系，電池的性能和壽命取決于制備電極材料、工藝、活性物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)、電池的運行狀態(tài)和條件。一般來說，內(nèi)部因素與鉛酸蓄電池本身的質(zhì)量有很大關(guān)系，使用時無法人為干涉，可忽略不計，而在實際應(yīng)用中，外部因素主要是鉛酸蓄電池的使用不當造成的，因此主要關(guān)心的是影響鉛酸蓄電池壽命的外部因素?；谝陨蠈﹄姵卦淼慕榻B，可以大致分析出不規(guī)范的充電方式可能帶來的問題。

1.2.1 過充電的影響

實踐證明，過充電是影響蓄電池壽命的最主要原因。過充電會引起鉛酸蓄電池的正極析氧，極板深處生成的氧氣從電極表面溢出，增大了殼體內(nèi)的壓力導(dǎo)致電池鼓包。而在形成氣泡的過程中，以強力沖擊PbO2，使活性物質(zhì)與柵板結(jié)合力變壞，甚至脫落，影響正、負極板活性物質(zhì)的使用壽命。長期過充電狀態(tài)下，正極因析氧反應(yīng)，水被消耗，H+增加，從而導(dǎo)致正極近酸度增加，加速了板柵的腐蝕，使蓄電池容量下降，同時因為失水加劇，將導(dǎo)致蓄電池有干涸的危險[2]。

1.2.2 長期浮充電的影響

長期浮充電指的是鉛酸蓄電池長時間處于只充電，不放電的狀態(tài)。大量運行統(tǒng)計資料表明，這樣會造成鉛酸蓄電池的正極極板鈍化，使電池內(nèi)阻急劇增大，容量大幅下降，使實際容量遠遠低于標準容量，導(dǎo)致電池所能是提供的實際后備供電時間大大縮短，減少其使用壽命。

1.2.3 過放電或小電流放電的影響

電瓶車在長期使用未充電或未得到有效充電的情況下，將會出現(xiàn)過放電或小電流放電的問題。電瓶車一定要避免過度放電，尤其要絕對禁止深度放電。一旦發(fā)生過放電，蓄電池極板表面會生成大顆粒硫酸鉛結(jié)晶，造成極板“硫酸鹽化”。由于硫酸鉛是一種絕緣體，它的形成使蓄電池的內(nèi)阻增大，從而令蓄電池的使用壽命大大縮短，一次深度的過放電可能會使電池的使用壽命減少1～2年，甚至造成電池的報廢。小電流放電條件下形成的硫酸鉛，要氧化還原是十分困難的。若硫酸鉛晶體長期得不到清理，必然會影響蓄電池的容量和使用壽命。

2 設(shè)計方案

2.1 控制電路設(shè)計

優(yōu)化后的充電設(shè)施管理系統(tǒng)主電路采用AC220V供電;控制電路采用DC24V供電。具體的控制電路如圖3所示。

2.2 安裝步驟

（1）對原本的藥液箱體進行拆解沖洗，將附著在箱體上的灰塵和污漬沖洗干凈;

（2）確定各個充電器的安裝位置，用切割機切除充電器需要的大小，將各類機動車充電器位置分門別類安裝到位，確保各條充電線位置合適，長度合適;

（3）對各個充電器進行安裝固定，以防止各個充電器在使用過程中出現(xiàn)松脫現(xiàn)象;

（4）分別安裝各充電器的隔離開關(guān)以及啟動按鈕，每個隔離開關(guān)以及啟動按鈕對應(yīng)一個充電器。每臺充電設(shè)施管理系統(tǒng)安裝6臺充電器，出于充電便捷性考慮，將T20叉車和L16叉車充電器安裝在最上方位置，將E20叉車充電器安裝于中間偏右側(cè)，而使用頻率較高的兩臺電瓶車充電器安裝在最下方位置。

（5）通過將放置于多功能充電箱中的各類型叉車、電瓶車的充電器的電源線路統(tǒng)一結(jié)合在一條總線管路中，連接到設(shè)置在多功能充電箱旁邊的電閘箱上。通過控制電閘箱的斷送電，來控制多功能充電箱內(nèi)各充電器的電源輸出[3]。

3 實施效果及充電建議

廠內(nèi)機動車充電設(shè)施管理系統(tǒng)實施效果如下：

（1）將廠內(nèi)叉車、電瓶車等機動車充電器集中放置于廢舊的洗車機藥液泵存放箱中，實現(xiàn)了廠內(nèi)機動車的集中化充電，達到了多輛叉車、電瓶車同時進行充電的目的，以提高場內(nèi)機動車整體的充電效率。有效節(jié)省廠內(nèi)機動車進行充電時間。

（2）優(yōu)化后的廠內(nèi)機動車充電設(shè)施管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)廠內(nèi)機動車在充電時集中停放。對于正在充電的機動車，或是需要充電的機動車，可以統(tǒng)一進行集中化管理。同時能夠更加方便高效地完成對廠內(nèi)機動車的巡檢任務(wù)。有效避免在巡檢過程中出現(xiàn)的漏檢現(xiàn)象，減少在巡檢過程中所耗費的工作時間，提高巡檢的工作效率。

（3）提升充電安全性能。對電瓶車輛統(tǒng)一集中化充電，工班人員能夠定期巡查充電情況，確保每輛電瓶車有效充電。同時在電瓶車滿電時可及時取下充電器，避免過充對電池的損傷，或者由此引發(fā)的充電安全事故。

通過對廠內(nèi)機動車充電設(shè)施管理系統(tǒng)實施效果的分析及研究，總結(jié)出電瓶車在充放電及使用過程中的一些維護建議，即在使用過程中需要做到隨放隨充的狀態(tài)，保持蓄電池長期處于滿電狀態(tài)能有效地保持蓄電池的容量和增加使用壽命。鑒于工程車蓄電池組出現(xiàn)了硫酸鹽化的現(xiàn)象，提出以下維護使用建議：

（1）蓄電池組使用后應(yīng)在24 h內(nèi)給予補充電，具體充滿與否可參考充電電流低于3 A 后，再維持充電2～3 h即可視為已充滿電。

（2）車輛長時間未使用時，需要對蓄電池組電路進行斷開，防止永久負載消耗蓄電池組的電量，同時每15日應(yīng)安排對蓄電池組進行一次補電。

（3）鑒于車輛蓄電池組有硫酸鹽化現(xiàn)象，可定期安排對車輛蓄電池進行均充模式充電16～24 h（原均充模式為每6個月使用一次，請調(diào)整至3個月一次，均充模式可有效改善蓄電池組的狀態(tài)）。

4 后續(xù)改進

后續(xù)將考慮從以下兩個方面進行改進：

（1）在原有基礎(chǔ)上加裝充電顯示器、通電指示燈和蜂鳴報警器。每臺充電器搭配一臺顯示器，安裝于充電箱上，從充電器中獲得電信號，反饋在顯示器面板上，及時反映當前的充電情況。同時安裝充電指示燈（考慮采用LED光源）與蜂鳴報警器。當廠內(nèi)機動車正在充電時，充電指示燈亮綠色;當充滿電時，充電指示燈顯示紅色，同時蜂鳴報警器發(fā)出警報，提醒工作人員拔取充電器。沒進行充電時，燈光顯示器不亮燈。實現(xiàn)更加方便、直觀地看到系統(tǒng)中各充電器對應(yīng)的廠內(nèi)機動車的充電情況。判斷在充電中的各類廠內(nèi)機動車是否充電完畢，以及充電時是否將電充進去。

（2）設(shè)計電池容量檢測系統(tǒng)。眾所周知，電瓶車輛在使用過程中由于工作環(huán)境溫度、不同的充放電電流、電池組自身放電、負載變化等原因?qū)е掳l(fā)生電池老化，容量衰減的現(xiàn)象。有效的電池容量檢測系統(tǒng)（主要包括牽引蓄電池容量檢測系統(tǒng)優(yōu)化對比、蓄電池容量核準、電池檢測裝置剩余電量驗證），可以有效分析電瓶車電池情況，及時更換低于80%電量的電池。同時隨著電瓶車電池電量的衰減，及時調(diào)整充放電時間，保證電池組處于最佳的工作狀態(tài)。

（3）增加均充模式。電瓶車輛的蓄電池采用串聯(lián)的方式組合，那么在實際使用過程中，不可避免地會出現(xiàn)電池容量不均衡或者不均衡趨勢的問題，究其原因是因為單節(jié)電池或電池組可能出現(xiàn)電池、容量和溫度的差異。一旦某幾塊電池或者電池組出現(xiàn)容量的持續(xù)下降，則電壓也會降低;充電的過程中，這些電池將會比其他電池先充滿電，控制單元一旦檢測出充滿點的電池，將會停止充電，這就導(dǎo)致一部分電池長期處于未充滿電的狀態(tài)，不僅續(xù)航里程受影響，這部分長期未充滿電的電池內(nèi)部活化不完全，導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)晶的情況，影響電池壽命。所謂均充模式，是在電池組充滿電后，仍進行電流極小的“涓流充電”。在此過程中，可以找出存在差異的電池或者電池組，對蓄電池進行活化充電，充電電壓將會提高。經(jīng)過緩慢的均充模式后，電池組基本能達到均衡狀態(tài)，有利于增大電瓶車的續(xù)航里程和保護蓄電池。增加均充模式可以通過充電指示燈進行判斷[4]。在新的充電設(shè)施管理系統(tǒng)中加入顯示器顯示SOC變化、充電功率，并且增加“均充中”指示燈。當正常充滿電后，均充指示燈亮起，自行設(shè)置充滿后的持續(xù)充電時間（大約控制在5～10 h）。

5 結(jié)語

優(yōu)化后的充電設(shè)施系統(tǒng)可以滿足廠內(nèi)叉車、電瓶車的充電需求，不再只局限于單次機動車的充電需求，可以對多輛叉車、電瓶車同時進行充電。有效地解決了廠內(nèi)機動車在使用率上嚴重不足，以及充電效率低下的問題。優(yōu)化后的充電設(shè)施系統(tǒng)在充電效率上提升50%以上。同時對獨立的充電器設(shè)置獨立的隔離開關(guān)，這在一定程度上就杜絕了危險的發(fā)生，極大程度地降低了安全隱患的出現(xiàn)，同時也解決了無人看守的問題。為廠內(nèi)機動車安全高效的充電保駕護航。由于整體工裝結(jié)構(gòu)簡單，可根據(jù)存放充電器的不同而進行編組改造，以適應(yīng)充電需求不同的各類廠內(nèi)機動車，可供廈門地鐵的其他部門參考。

參考文獻

[1]鄧焰.蓄電池電力工程車可行性分析[J].電力機車與城軌車輛，2013（6）：75-77.

[2]彭曉松.牽引用鉛酸蓄電池的檢測技術(shù)探討[J].電器工業(yè)，2005（9）：50-51.

[3]鄧虹輝，張彥華，王敏，等.電動工程車牽引蓄電池的壽命分析及使用維護[J].技術(shù)與市場，2014（7）：36-38.

[4]吳利軍.淺談閥控鉛酸蓄電池充放電技術(shù)[J].電氣技術(shù)與經(jīng)濟，2018（6）：8-10.