一種基于Arduino 控制的電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置

宋 佳，孫長(zhǎng)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(dòng)車(chē)近年來(lái)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(jiǎn)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(dòng)車(chē)電量過(guò)低時(shí)，人們通常會(huì)使用電動(dòng)車(chē)充電器進(jìn)行充電，目前市面上一般的電動(dòng)車(chē)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(mén)實(shí)時(shí)電價(jià)的信息以最經(jīng)濟(jì)的價(jià)格對(duì)車(chē)輛進(jìn)行充電，具有充滿(mǎn)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(huì)斷開(kāi)電源開(kāi)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(lái)不方便。現(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(chǎng)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(wèn)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(dòng)車(chē)充電異常發(fā)生事故。

基于Arduino 控制的電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置，可以很好地解決這些問(wèn)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(dòng)車(chē)的充電。

1 電動(dòng)車(chē)在充電進(jìn)程中起火原因

電動(dòng)車(chē)近些年發(fā)展非常快，社會(huì)普及率非常高，但由于電動(dòng)車(chē)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(huì)帶來(lái)較為惡劣的影響。引起電動(dòng)車(chē)在充電時(shí)候發(fā)生火災(zāi)的原因很多，歸納起來(lái)主要有以下幾點(diǎn)[2]：

（1）充電器質(zhì)量問(wèn)題。有些用戶(hù)為了自己的方便，在更換電動(dòng)車(chē)充電器時(shí)往往在網(wǎng)上購(gòu)置廉價(jià)且沒(méi)有質(zhì)量保證的充電器，而這些低價(jià)選購(gòu)的產(chǎn)品一般質(zhì)量較差，甚至有些是經(jīng)過(guò)翻新且沒(méi)有經(jīng)過(guò)合格檢驗(yàn)的充電器，這類(lèi)充電器不僅不耐用而且很容易在給電動(dòng)車(chē)充電的時(shí)候損害電動(dòng)車(chē)，或在充電過(guò)程中充電器本身因?yàn)檫^(guò)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(hù)不知道電動(dòng)車(chē)的電池需要與相應(yīng)功率的充電器匹配，因此，有部分用戶(hù)為了方便，往往喜歡不經(jīng)過(guò)匹配，私自混用各種功率的充電器給電動(dòng)車(chē)進(jìn)行充電。這種不按配套充電器對(duì)電車(chē)充電的情況，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間違規(guī)使用，不僅讓充電器本身?yè)p壞，也會(huì)使得電車(chē)的電池出現(xiàn)過(guò)充的情況，嚴(yán)重的縮短了電車(chē)電池的使用壽命。

（3）電動(dòng)車(chē)充電線路出現(xiàn)短路狀況。在給電動(dòng)車(chē)進(jìn)行充電的時(shí)候，電動(dòng)車(chē)充電器的電源線不經(jīng)過(guò)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(dòng)車(chē)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(chǎng)上的電動(dòng)車(chē)有的在生產(chǎn)過(guò)程中不按國(guó)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(dòng)車(chē)維修的時(shí)候，為了個(gè)人的私念，部分人會(huì)擅自拆卸短路保護(hù)裝置的現(xiàn)象，這就容易導(dǎo)致電動(dòng)車(chē)在使用中失去了短路保護(hù)的功能[5]。

2 電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置

2.1 裝置組成

針對(duì)上文所提到電動(dòng)車(chē)容易發(fā)生火災(zāi)的主要原因，設(shè)計(jì)了一種給電動(dòng)車(chē)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(kāi)。

圖1 電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)，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(kāi)，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(duì)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(cè)信號(hào)。煙感傳感器用來(lái)檢測(cè)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(kāi)，停止充電，且控制單元控制報(bào)警器2 發(fā)出警示，對(duì)使用者進(jìn)行提醒。環(huán)境溫度傳感器用來(lái)檢測(cè)環(huán)境的溫度，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，電路會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，建議檢測(cè)到環(huán)境溫度超過(guò)80 ℃時(shí)，斷開(kāi)控制電路，且控制單元控制報(bào)警器2 發(fā)出警示，對(duì)使用者進(jìn)行提醒。功能恢復(fù)按鈕用來(lái)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(huì)解除報(bào)警，同時(shí)控制電路接通到原來(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(lái)保護(hù)充電器的充電安全。

圖2 電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置控制簡(jiǎn)圖

當(dāng)電動(dòng)車(chē)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(dòng)車(chē)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(kāi)功能開(kāi)關(guān)。此時(shí)控制單元（ECU）通過(guò)電流檢測(cè)端子S1 和S2，檢測(cè)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(guò)程，剛開(kāi)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(zhǎng)，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(cè)）；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(hào)正常、環(huán)境無(wú)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(cè)信號(hào)）；如果一切正常，這樣就可以在較安全保護(hù)的環(huán)境下對(duì)電車(chē)進(jìn)行充電了。

如果控制單元（ECU）檢測(cè)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(guò)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(cè)內(nèi)容中的任何一項(xiàng)指標(biāo)，控制單元（ECU）通過(guò)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(kāi)，使充電器的電源電路和充電器的充電電路斷開(kāi)，使電動(dòng)車(chē)充電過(guò)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(lái)的狀態(tài)，此時(shí)就可以使用該保護(hù)裝置對(duì)電動(dòng)車(chē)進(jìn)行充電了。當(dāng)電動(dòng)車(chē)充電完后，可以把充電器從智能便攜式輔助裝置上拔下來(lái)。

設(shè)計(jì)的電動(dòng)車(chē)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(dòng)車(chē)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(lái)充電器的基礎(chǔ)上增加了一套監(jiān)測(cè)設(shè)備，該設(shè)備能使整個(gè)電車(chē)充電的過(guò)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(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(tái)具有監(jiān)控作用的保護(hù)裝置，使得整個(gè)充電過(guò)程更安全，滿(mǎn)足了家庭充電的需求，為充電提供了安全保障。

（2）在給電動(dòng)車(chē)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(kāi)，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(hù)，從而能使用戶(hù)快速進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著電動(dòng)車(chē)的普遍使用，隨之而來(lái)的就是電動(dòng)車(chē)充電過(guò)程中的安全問(wèn)題。如果充電過(guò)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(guò)高、環(huán)境有煙霧或者是超過(guò)設(shè)定時(shí)間，就有可能造成電動(dòng)車(chē)充電異常。因此電動(dòng)車(chē)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(duì)于電動(dòng)車(chē)充電保護(hù)裝置的研究還處于探索和發(fā)展階段，未來(lái)也會(huì)向更加智能化和信息化的方向發(fā)展。