電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和思路分析*

阮 立 葉帥宏 朱苡瓊 陳 林 石 建 傅萬進(jìn)

（臺(tái)州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院 浙江 臺(tái)州 318000）

引言

電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠很好地保護(hù)電動(dòng)車充電系統(tǒng)，使其在充電過程中可以更加高效、安全地運(yùn)行。而從目前來看，由于電動(dòng)車較為廉價(jià)，開發(fā)商并不愿意投入很多資金研究電動(dòng)車充電器的保護(hù)系統(tǒng)。針對(duì)此種情況，本文就深入研究電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和思路。

1 電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要性

從目前來看，我國(guó)電動(dòng)車的數(shù)量在不斷增多，且價(jià)格也在不斷降低，其以低廉的價(jià)格和較小的體積，駕駛較為簡(jiǎn)單，得到了市場(chǎng)的廣泛青睞，成為了普通消費(fèi)者日常生活非常重要的交通工具。然而，隨著我國(guó)電動(dòng)車數(shù)量的不斷增多，一些安全事故也時(shí)常出現(xiàn)，其中電動(dòng)車在充電時(shí)有較大的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，火災(zāi)事故的頻繁發(fā)生也給人們安全使用電動(dòng)車帶來了很大的隱患，且在全國(guó)各地均有案例發(fā)生，為我們敲響了安全警鐘[1-2]。數(shù)據(jù)顯示，80%的電動(dòng)車火災(zāi)發(fā)生在充電過程中，造成人員傷亡的火災(zāi)幾乎全都發(fā)生在電動(dòng)車充電時(shí)段，其中，66.7%的電動(dòng)車火災(zāi)發(fā)生在20時(shí)至次日05時(shí)。電動(dòng)車一般夜間停放時(shí)充電，需要6～8 h，如果從 20～21 時(shí)充電，02～03 時(shí)基本充滿，如果繼續(xù)充電，充電器、電池就會(huì)過充、發(fā)熱，有可能引起火災(zāi)。正因?yàn)槿绱耍绾斡行ПＷo(hù)電動(dòng)車充電過程中免于事故災(zāi)害，提升充電的安全性，無疑是當(dāng)前人們廣泛關(guān)注的問題。而想要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，不但要做好消防安全措施，提高電動(dòng)車整車產(chǎn)品質(zhì)量和電氣性能安全外，還要從電動(dòng)車充電的重要部件—充電器本身加以研究和改進(jìn)，大多數(shù)情況下，充電引發(fā)的火災(zāi)，首當(dāng)其沖的原因便是充電器問題。然而目前市場(chǎng)上所銷售的電動(dòng)車充電器幾乎沒有針對(duì)可能引發(fā)火災(zāi)的提前預(yù)防報(bào)警斷電保護(hù)功能，因此，研究一種過溫可報(bào)警可自動(dòng)切斷電源的電動(dòng)車充電器并在市場(chǎng)上推廣應(yīng)用已刻不容緩。本次研究立足于此，深入探討電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和關(guān)鍵技術(shù)，為電動(dòng)車充電提供更好的保護(hù)，無疑具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，需要整體加以把控，其由溫度采集電路、蜂鳴報(bào)警電路、市電輸入保護(hù)電路3大核心電路組成。溫度采集電路能夠有效采集充電器的外殼溫度，并且將收集到的溫度進(jìn)行信號(hào)傳輸；蜂鳴報(bào)警電路則起到非常好的過溫報(bào)警保護(hù)作用，如果充電器的溫度過高，且達(dá)到了設(shè)定值時(shí)，此時(shí)蜂鳴報(bào)警電路就可以及時(shí)進(jìn)行報(bào)警；市電輸入保護(hù)電路在應(yīng)用過程中，可以起到很好的保護(hù)作用。如果電動(dòng)車充電器的溫度過高，超過了設(shè)定值之后，該系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)切斷輸入電源，起到及時(shí)有效的預(yù)防保護(hù)作用。在實(shí)際應(yīng)用過程中，3個(gè)分電路由智能控制器來協(xié)調(diào)動(dòng)作，有效控制相應(yīng)元器件動(dòng)作的完成[3-5]。

在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)立足電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)造，針對(duì)性地設(shè)定各個(gè)環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要設(shè)定最優(yōu)的溫度限定值X，值得注意的是，X值既不能過高，也不能過低，如果過高，就會(huì)使得系統(tǒng)的報(bào)警功能出現(xiàn)滯后性，充電器開始過熱燃燒后，系統(tǒng)可能還沒有進(jìn)行報(bào)警。如果溫度過低，系統(tǒng)往往會(huì)出現(xiàn)報(bào)警斷電問題，這無疑會(huì)影響電動(dòng)車充電的正常運(yùn)行，雖然安全得到了保障，但是卻無法有效維持正常的充電操作。因此，一定要設(shè)置最佳的X值。從客觀應(yīng)用情況來看，這是系統(tǒng)設(shè)定十分關(guān)鍵的一環(huán)，只有這一環(huán)設(shè)置好，才能夠真正使得系統(tǒng)具備預(yù)警的能力。為此，在設(shè)計(jì)過程中，一定要做好試驗(yàn)，應(yīng)該多次進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，同時(shí)充分結(jié)合充電器各個(gè)元器件特別是關(guān)鍵元器件的應(yīng)用參數(shù)及性能指標(biāo)，從而合理確定X數(shù)值。同時(shí)，在設(shè)定電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，設(shè)定為在充電器接入電池的情況下才可以工作。并且只有電池接入后才能提供電壓給溫度傳感器、智能控制器及市電輸入通斷器，市電輸入通斷器接通后，充電器充電功能才能正常工作。與此同時(shí)，在合理設(shè)定溫度傳感器時(shí)，要安裝于合理的位置，要通過客觀分析，尋找可以作為及時(shí)有效且準(zhǔn)確反映外殼真實(shí)溫度的位置，然后在此部位安裝溫度傳感器，從而提升傳感器發(fā)揮作用的效果。而針對(duì)傳感器的選擇問題，在進(jìn)行選擇時(shí)，一定要有效保障傳感器的溫度值采樣是客觀的、可靠的。同樣地，在選擇報(bào)警器的過程中，要合理測(cè)試最優(yōu)的分貝數(shù)值，選擇能夠讓周圍人員可以很好地聽到報(bào)警器報(bào)警的聲音，同時(shí)也不宜讓報(bào)警器報(bào)警聲音過大。另外，對(duì)于繼電器的選擇問題，設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)繼電器的耐壓功率和壽命有清楚的認(rèn)識(shí)，然后做出正確的選擇，提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。

3 電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)核心電路的設(shè)計(jì)

電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)各個(gè)部分的元器件核心電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，需要做好相應(yīng)的工作，從而使保護(hù)系統(tǒng)更好地運(yùn)轉(zhuǎn)。具體分析，保護(hù)系統(tǒng)核心電路的設(shè)計(jì)主要集中于以下3個(gè)方面。

3.1 溫度采集電路的設(shè)計(jì)

溫度采集電路采用5 V供電設(shè)計(jì)，溫度傳感器RT2以及分壓電阻5.1 kΩ。在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)采樣到的模擬信號(hào)TEMP傳送給智能控制器，在此過程中，智能控制器會(huì)相應(yīng)地將模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，然后設(shè)計(jì)人員對(duì)轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析，然后以此判斷溫度值的大小。在此過程中，傳感器在不同溫度條件下的電阻值大小需要參考對(duì)應(yīng)廠家的手冊(cè)。具體如圖1所示。

圖1 溫度采樣電路

3.2 報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

對(duì)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)，采用蜂鳴器12 V供電，BEEP信號(hào)來自智能控制器，Q9三極管作為開關(guān)，智能控制器通過控制三極管的通斷來控制蜂鳴器報(bào)警。在設(shè)計(jì)過程中，在智能控制器輸出BEEP信號(hào)5 V高電平時(shí)，Q9三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作并報(bào)警，當(dāng)智能控制器輸出BEEP信號(hào)0 V低電平時(shí)，Q9三極管斷開，蜂鳴器停止工作，保持靜音狀態(tài)。具體如圖2所示。

圖2 蜂鳴器報(bào)警電路

3.3 市電輸入保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)繼電器12 V供電，其作為開關(guān)控制市電的通斷，同樣NPN三極管作為開關(guān)，控制繼電器的工作，RELAY信號(hào)來自智能控制器，當(dāng)RELAY信號(hào)為5 V高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器工作吸合，市電接通，充電器就會(huì)工作，當(dāng)RELAY信號(hào)為0 V低電平時(shí)，三極管斷開，繼電器不工作斷開，市電斷開，充電器就會(huì)停止工作。具體如圖3所示。

圖3 市電輸入保護(hù)電路

總體而言，電路是連接電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的重要路徑，只有保障其暢通性，提升線路運(yùn)轉(zhuǎn)的有效性，從而為系統(tǒng)的有效運(yùn)行提供必要的支持。

4 電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)核心組成部件設(shè)計(jì)

電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)核心組成部件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，這些核心組成部件直接承擔(dān)著重要的職責(zé)，通過進(jìn)行有效整合，共同形成系統(tǒng)的過溫報(bào)警功能體系。具體來說，核心組成部件設(shè)計(jì)主要包括4個(gè)方面。

4.1 溫度傳感器的設(shè)計(jì)

所謂溫度傳感器指的是可以有效感受到溫度，同時(shí)可以將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為能夠直接輸出信號(hào)的傳感元器件。從市面上來看，溫度測(cè)量?jī)x有接觸式和非接觸式2大類，按照傳感器材料及電子元件特性分為熱電阻和熱電偶2類。在選擇過程中，不可盲目選擇，而是應(yīng)該通過具體的試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)效果進(jìn)行分析總結(jié)，然后選擇最適合的傳感器類型。

4.2 智能控制器的設(shè)計(jì)

智能控制器對(duì)于電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)的多個(gè)環(huán)節(jié)元器件起到良好的控制作用，從而讓整個(gè)系統(tǒng)可以整體運(yùn)行。總體而言，智能控制器由主控芯片（單片機(jī)）及其外圍器件組成。其中，單片機(jī)是重要的部分。單片機(jī)（Microcontrollers）是一種集成電路芯片，通過應(yīng)用超大規(guī)模集成電路技術(shù)加以運(yùn)行，通過將具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由此可見，單片機(jī)的應(yīng)用性能非常高，將其設(shè)計(jì)到電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)中無疑可以很好地提升系統(tǒng)運(yùn)行的智能化水平。在電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)電動(dòng)車充電器的運(yùn)行需要，設(shè)定充電控制芯片，通過設(shè)置相應(yīng)的軟件程序，讓其更好地發(fā)揮作用。該芯片還能夠基于不同客戶的需求進(jìn)行必要的調(diào)整，以此提升芯片應(yīng)用的效果和靈活性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，讓充電控制芯片能夠有效采樣充電電壓情況以及充電電流情況，同時(shí)可以對(duì)溫度做好采樣工作，能夠有效控制充電器的散熱風(fēng)機(jī)，起到很好的散熱控制作用。與此同時(shí)，充電控制芯片還要可以有效控制充電狀態(tài)下的指示燈、報(bào)警器、市電輸入通斷器、充電時(shí)間定時(shí)、充電電壓溫度補(bǔ)償?shù)?，具體如圖4所示。

圖4 電動(dòng)車充電器充電控制芯片

4.3 報(bào)警器的設(shè)計(jì)

電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，要強(qiáng)化對(duì)報(bào)警器的有效設(shè)計(jì)，可以采用蜂鳴器設(shè)備，并且通過應(yīng)用直流電壓進(jìn)行供電，并針對(duì)性地選擇壓電式蜂鳴器或者電磁式蜂鳴器，為電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)提供必要的報(bào)警服務(wù)幫助。

4.4 市電輸入通斷器的設(shè)計(jì)

4控于智能控制器，對(duì)控制器發(fā)來的信號(hào)能夠迅速做出反應(yīng)，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地?cái)嚅_電源電壓?？梢?，市電輸入通斷器是重要的保護(hù)裝置，在設(shè)計(jì)過程中，通過合理應(yīng)用其具有的控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動(dòng)，有效實(shí)現(xiàn)利用小電流來控制大電流，從而形成一種自動(dòng)開關(guān)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)過溫警報(bào)時(shí)，市電輸入通斷器便可以進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)換相應(yīng)的電路，從而起到非常好的保護(hù)作用，這也是電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)最終想要達(dá)到的目標(biāo)。

5 產(chǎn)業(yè)化前景

電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)具有非常好的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景。目前，電動(dòng)車商家為了迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，打開銷路，會(huì)積極推出價(jià)格低廉的電動(dòng)車，這些電動(dòng)車的安全性較差，且商家為了降低成本，并不會(huì)投入資金去完善安全保護(hù)措施。同時(shí)，很多商家在開發(fā)電動(dòng)車時(shí)，將研發(fā)的重點(diǎn)放在了提速、美觀方面，對(duì)于安全性能方面的考慮有所欠缺。在這種情況下，電動(dòng)車充電引發(fā)火災(zāi)的問題較為常見，成為社會(huì)廣泛關(guān)注的問題，這也使得人們開始高度重視充電安全問題，尤其是能夠預(yù)防引起火災(zāi)的電動(dòng)車充電器更是用戶迫切所需。

電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)的有效設(shè)計(jì)，并不需要非常復(fù)雜的技術(shù)，只需要通過完成保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，然后有效嵌入到充電器上即可。在該系統(tǒng)的支持下，可以在可能引發(fā)火災(zāi)之前預(yù)防報(bào)警并及時(shí)切斷電源，起到保護(hù)防范的目的，且操作非常簡(jiǎn)單快捷，需要的研發(fā)和生產(chǎn)成本也非常低，開發(fā)難度小，量產(chǎn)的難度也很小，因此無疑具有非常好的市場(chǎng)。此系統(tǒng)一經(jīng)推出使用，能夠有效保障電動(dòng)車的充電安全，也可以得到消費(fèi)者和市場(chǎng)的認(rèn)可，進(jìn)而提升商家的良好形象，因此擁有很好的產(chǎn)業(yè)前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)束語

電動(dòng)車充電器過溫報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念較為簡(jiǎn)單，但是作用卻非常大，在設(shè)計(jì)過程中，合理搭配多個(gè)核心元器件，做好系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)，充分發(fā)揮各個(gè)部件的作用，能夠起到非常顯著的預(yù)防效果，值得進(jìn)一步研發(fā)推廣。