一種基于Arduino 控制的電動車充電保護裝置

宋 佳，孫長勇，張薇薇，馬青松

（山東華宇工學院 機械工程學院，山東 德州 253034）

0 引言

電動車近年來已發展成為一種新型的交通工具，具有價格低廉、使用簡單、出行方便等很多其他交通工具所不具備的優點[1]。當電動車電量過低時，人們通常會使用電動車充電器進行充電，目前市面上一般的電動車原裝充電器當發生異常情況時不能智能控制。現在已經有智能充電樁等一些充電裝置，智能充電樁根據電力部門實時電價的信息以最經濟的價格對車輛進行充電，具有充滿斷電、空載斷電、超載斷電、急停按鈕等安全功能，當發生異常情況時，會斷開電源開關，防止意外發生。但是智能充電樁配套設施不完善，人們使用起來不方便。現在出現了很多充電保護的發明，起到了很好的保護作用。但是，受充電地點、充電價格高（充電場所的價格高于家庭充電價格）、充電器本身的質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充電，這就有可能造成電動車充電異常發生事故。

基于Arduino 控制的電動車充電保護裝置，可以很好地解決這些問題，為人們單獨充電提供了較好的安全保護環境，可以應用于大部分電動車的充電。

1 電動車在充電進程中起火原因

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

（1）充電器質量問題。有些用戶為了自己的方便，在更換電動車充電器時往往在網上購置廉價且沒有質量保證的充電器，而這些低價選購的產品一般質量較差，甚至有些是經過翻新且沒有經過合格檢驗的充電器，這類充電器不僅不耐用而且很容易在給電動車充電的時候損害電動車，或在充電過程中充電器本身因為過熱現象引起自然；同時，部分廠家為了追求經濟利益的最大化，往往采用劣質的控制器、電池、電機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。由于部分用戶不知道電動車的電池需要與相應功率的充電器匹配，因此，有部分用戶為了方便，往往喜歡不經過匹配，私自混用各種功率的充電器給電動車進行充電。這種不按配套充電器對電車充電的情況，經過長時間違規使用，不僅讓充電器本身損壞，也會使得電車的電池出現過充的情況，嚴重的縮短了電車電池的使用壽命。

（3）電動車充電線路出現短路狀況。在給電動車進行充電的時候，電動車充電器的電源線不經過整理，經常纏繞在一起，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熱和老化，從而造成線路短路的安全隱患，進而引發火災[4]。

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

2 電動車充電保護裝置

2.1 裝置組成

針對上文所提到電動車容易發生火災的主要原因，設計了一種給電動車充電的保護裝置，裝置結構如圖1 所示。裝置本體中設有控制單元，控制單元的輸入端連接有定時器、煙感傳感器、功能恢復按鈕、環境溫度傳感器、額定電流設定按鈕，輸出端連接有報警器2，且控制單元的輸出端控制所述充電器5 的導通與斷開。

圖1 電動車充電保護裝置結構簡圖

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

2.2 裝置工作原理

如圖2 所示，該保護裝置包括裝置本體1，在裝置本體1 上設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上，在充電器外加上該保護裝置，以此來保護充電器的充電安全。

圖2 電動車充電保護裝置控制簡圖

當電動車需要充電的時候，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的插座孔內，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，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，最后打開功能開關。此時控制單元（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，隨著時間的增長，充電器的電源電流和充電器的充電電流應該是逐步降低直至為0，控制單元根據此兩電流變化狀態進行監測）；溫度傳感器、煙感傳感器、定時器傳遞給控制單元的環境溫度信號正常、環境無煙霧、設定好充電時間（可以不設定，控制單元就不把此作為監測信號）；如果一切正常，這樣就可以在較安全保護的環境下對電車進行充電了。

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、環境溫度過高、環境有煙霧或者是達到設定充電時間等5 項監測內容中的任何一項指標，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，同時報警警示。

當使用者發現警示情況后，應迅速拔下智能輔助裝置的電源插頭斷電，然后進行異常情況排除。當把異常情況排除后，插上智能輔助裝置的電源插頭，再按一下恢復按鈕，警報就解除，同時智能控制電路接通到原來的狀態，此時就可以使用該保護裝置對電動車進行充電了。當電動車充電完后，可以把充電器從智能便攜式輔助裝置上拔下來。

設計的電動車充電保護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行充電，在本質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上增加了一套監測設備，該設備能使整個電車充電的過程更安全，方便了單獨充電的人群，為他們提供了更加安全的充電環境。

2.3 裝置的創新性

綜述分析，所研制的基于Arduino 控制的電動車充電保護裝置具有以下創新點：

（1）裝置結構簡單，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控作用的保護裝置，使得整個充電過程更安全，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，將充電器的兩端連接在該保護裝置上，在出現故障時，控制單元及時控制充電器斷開，從而停止充電，避免危險的發生。

（3）裝置具有智能報警功能，當出現故障時，能夠及時提醒用戶，從而能使用戶快速進行相應的處理。

3 結語

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、環境溫度過高、環境有煙霧或者是超過設定時間，就有可能造成電動車充電異常。因此電動車充電保護裝置的發展也隨時代的發展在穩步前進。目前對于電動車充電保護裝置的研究還處于探索和發展階段，未來也會向更加智能化和信息化的方向發展。