基于智能檢測的電動車充電保護裝置設計

董文君　孫長勇　李寧　孫建宇　李勇

摘? 要：電動車在充電時出現的多種異常情況都有可能會造成電動車充電火災，市面上一般的電動車配的原裝充電器在發生異常情況時不能進行智能控制，且國內現有研究都是針對電動車原裝充電器做出改變，在市場上推行耗時較長，并且針對的電動自行車在充電時的異常情況單一，沒有及時警示功能等，潛伏一定的安全隱患。針對以上問題，設計基于智能檢測的電動車充電保護裝置，通過多種傳感器檢測電動車充電時可能發生的各種異常情況，及時斷電保護電動車內部元件，避免危險發生并發出警報提醒使用者，其便攜性強，適用人群廣，不會影響到充電效能和效果。

關鍵詞：電動車；充電保護裝置；傳感器

中圖分類號：TP39? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）19-0195-04

Design of Electromobile Charging Protection Device Based on Intelligent Detection

DONG Wenjun， SUN Changyong， LI Ning， SUN Jianyu， LI Yong

（School of Mechanical Engineering， Shandong Huayu University of Technology， Dezhou? 253034， China）

Abstract： Many kinds of abnormal conditions of electromobiles during charging may cause electromobile charging fire. The original charger of ordinary electromobiles on the market can not be intelligently controlled when abnormal conditions occur， and the current research situation in China is to make changes to the original electromobile charger， which takes a long time to implement on the market. The abnormal situation of focused electromobile in charge is single， and it has no timely warning function and has potential security risks. Aiming at the above problems， the electromobile charging protection device based on intelligent detection is designed， A variety of sensors are used to detect a variety of abnormal situation that may occur when charging， and timely power off to protect electromobile internal components to avoid danger and alert users. It is portable and applicable to a wide range of people， and will not affect the charging efficiency and effect.

Keywords： electromobile; charging protection device; sensor

0? 引? 言

電動車作為目前國內幾乎每家必備的交通工具之一，是人們短路程出行的首選交通工具之一，是現在國內的重要交通工具之一。而目前因為電動車充電而產生的火災事故平均每天就有近40起，電動車充電起火造成的火災占電動車火災的80%，而部分廠家為了追求經濟利益，在電動車核心元件上使用線徑小、劣質的電線，導致電動車充電火災愈演愈烈。此外，長時間使用電動車、消費者使用不規范、充電器混用都可能會導致火災的發生。

國內已經推出了一些電動自行車智能充電安全控制系統，但是，這些系統所檢測的物理量比較單一，基本上都是對電流進行監測，并且不能保證立即中斷充電過程。而本文所提到的電動車充電的保護裝置在電動車充電出現異常情況時，就會立即斷開控制電路，同時會給手機發送短信提醒、警報器報警警示，對于電動車充電火災的救援等還可以提供時間數據上的幫助，對于電動車充電起火的形勢判斷和搜救都有著極大的幫助。電動車充電保護的智能便攜式輔助裝置，適用于大部分的電動車充電，而且使用電動車充電保護的智能便攜式輔助裝置對于其充電器的充電效能和效果是沒有影響的，其使用只是增加了一套監測設備，使充電過程更安全。

1? 主要功能結構設計

電動車充電的保護裝置主要是由控制單元（ECU）、報警器、定時器、煙感傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、火焰傳感器、水滴傳感器、整流變壓器、顯示屏、繼電器、旋鈕、功能開關、恢復按鈕、保險絲、電源插頭孔、充電器充電插頭孔、智能便攜式輔助裝置充電插頭、電源插頭、電流互感器等組成，該系統的控制電路簡圖如圖1所示。

水滴傳感器是預防充電器遇到水時，或者是在下雨天氣造成充電短路情況；火焰傳感器是應對當環境出現明火且距離充電器很近的情況；煙霧傳感器彌補火焰傳感器在一些特殊的情況下，出現燃燒而無明火，導致火焰傳感器無法及時檢測到；一氧化碳傳感器是應對環境中一氧化碳濃度超過正常值時產生危害的情況；溫度傳感器，一方面是防止充電器內部溫度過高，對電子器件造成損壞，另一方面是防止環境溫度過高引發燃燒等情況；濕度傳感器是預防由于電動車充電時環境濕度過高而造成充電器上出現積水繼而導致漏電等危害發生。當出現以上幾種異常情況，本文所提到的電動車充電保護裝置將通過繼電器控制端子使智能輔助裝置中線路斷開，使充電器的電源電路和充電器的充電電路斷開，從而讓電動車充電過程中斷，SIM板塊和警報器會通電，SIM板塊會將信息發送至手機，同時報警警示，做到及時保護電動車電源。

當電動車需要充電的時候，本產品使用者首先需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，最后打開智能開關，溫度傳感器、濕度傳感器、火焰傳感器、水滴傳感器、煙感傳感器、定時器檢測后將相應信號傳遞給控制單元（ECU），確認環境溫度信號正常、環境濕度信號正常、環境無火焰、環境無水滴、環境無煙霧后，這樣就可以在較安全保護的環境下充電了，系統控制電路圖如圖1所示。

溫度傳感器、濕度傳感器及電流互感器實時將信息傳遞至控制單元，控制單元連接至顯示屏上，在顯示屏上會有當前環境溫度、濕度、通過電流信息。利用電流互感器輸電過程中將不同設備的交流電轉換成所需的電流大小，在顯示屏的下方設置旋鈕1和旋鈕2，旋鈕1可調節通過電流大小，不僅能監控測量這些線路的電流大小，還可避免高壓危險，通過改變電流可以實現一個充電器給多個不同品牌電動車充電；通過旋鈕2調節充電時長，若不設定充電時長，在顯示屏上顯示0/-1，若設定充電時長，旋轉旋鈕調至想設定的時長，0/n（n為設定時長），開始充電后，會自動計時，斜杠前面的數字0代表了已經充電0分鐘。待充電時長達到后，計時器會將信號傳遞至控制單元（ECU）。

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、環境濕度過高、環境一氧化碳濃度過高、環境有火焰時、環境有水滴時、環境有煙霧或者是達到設定充電時間這八項監測內容中的任何一項指標，控制單元（ECU）發出信號通過繼電器控制端子使智能輔助裝置中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，從而保護電動車內部元件，避免電動車燃燒，防止發生更大的電動車火災造成人員財產的損失，此時SIM板塊和警報器會通電將報警信息發送至手機，同時報警警示。排除異常情況后，按一下恢復按鈕，警報解除，同時智能控制電路接通到原來的狀態。

2? 電動車居家保護裝置的傳感器

2.1? 環境水滴傳感器

環境水滴傳感器選用型號為KPD/MF5C-103G-395F。主要用于檢測陰雨天氣環境、充電器上方滴水環境，防止在滴水環境中由于充電裝置上部有滴水而導致電路短路等異常情況發生從而導致安全事故的發生。

當本文所提到的電動車充電保護裝置檢測到電動車充電環境有雨滴時，將通過繼電器控制端子使智能輔助裝置中充電器的電源電路和充電器的充電電路斷開，電動車充電過程中斷，SIM板塊和警報器會通電將充電環境遇水滴的報警信息發送至手機以警示使用用戶。

2.2? 環境火焰傳感器

主要用于檢測明火環境，防止在明火環境中由于遇到明火后充電裝置升溫造成電路和元件的損壞等異常情況發生從而導致安全事故的發生。

使用HY-A1火焰傳感器內置火焰探頭，能夠探測周圍環境中是否存在火焰或者波長在760～1 100納米范圍內的光源。

當本文所提到的電動車充電保護裝置檢測到電動車充電環境有明火時，同2.1使電動車充電過程中斷后，SIM板塊和警報器通電將充電環境遇明火的報警信息發送至手機以警示使用用戶。

2.3? 環境煙霧傳感器

MQ-2半導體氣敏元件主要用于檢測煙霧環境，防止在充電時檢測到其他異常情況導致有煙霧的情況而造成安全隱患，以防止由于其他未檢測到的因素（例如無明火而升溫導致有元件燃燒有煙霧）而導致的安全隱患。

當本文所提到的電動車充電保護裝置檢測到電動車充電環境有煙霧時，同2.1使電動車充電過程中斷后，SIM板塊和警報器通電將充電環境有煙霧情況的報警信息發送至手機以警示使用用戶。

2.4? 一氧化碳傳感器

選用產品型號為CO/CF-1000的一氧化碳傳感器。主要用于檢測一氧化碳環境，防止由于充電等異常情況發生從而導致一氧化碳氣體的產生造成人員的傷亡。

當本文所提到的電動車充電保護裝置檢測到電動車充電環境有一氧化碳時，同2.1使電動車充電過程中斷后，SIM板塊和警報器通電將充電氣體環境中含有一氧化碳情況的報警信息發送至手機以警示使用用戶。

2.5? 環境溫度傳感器

NTC熱敏電阻器主要用于檢測高溫環境，防止在高溫環境中由于溫度過高而導致元件的損傷、長時間高溫導致充電保護裝置的燃燒等異常情況發生從而導致安全事故的發生。

當本文所提到的電動車充電保護裝置檢測到電動車充電環境溫度對電動車充電造成安全隱患時，同2.1使電動車充電過程中斷后，SIM板塊和警報器通電將充電溫度環境異常的報警信息發送至手機以警示使用用戶。

2.6? 環境濕度傳感器

環境濕度傳感器HIH4000-003主要用于檢測陰雨天氣環境，防止在高濕度環境中由于電動車充電時濕度過高而導致電路聯電等異常情況發生從而導致安全事故的發生。

當本文所提到的電動車充電保護裝置檢測到電動車充電環境濕度對電動車充電造成安全隱患時，同2.1使電動車充電過程中斷后，SIM板塊和警報器通電將充電濕度環境異常的報警信息發送至手機以警示使用用戶。

2.7? 水位傳感器

主要用于檢測充電保護裝置及充電器底部是否有積水，防止在底部有積水的環境中由于積水而導致電路短路等異常情況發生從而導致安全事故的發生。

當本文所提到的電動車充電保護裝置檢測到電動車充電環境底部有積水時，同2.1使電動車充電過程中斷后，SIM板塊和警報器通電將充電環境有充電器底部有水或其他液體漫延情況的報警信息發送至手機以警示使用用戶。

2.8? 蜂鳴器

當電動車充電保護裝置各個傳感器檢測到異常情況后，蜂鳴器立即發出警報來警示附近的人查看情況以防止由于異常情況無人看管并使用者不能夠及時排除異常情況所造成更加嚴重的后果。

3? 應用效果及檢驗

通過對于本裝置的設計，首先對程序設計進行檢驗，由實驗結果可知，程序部分可以實現預期功能效果。其次在將本裝置制作出原型實驗裝置并進行多次檢驗之后，證實本裝置可以完成預期功能，目前本裝置尚在調試階段，部分程序如圖2所示。

在檢驗電動車充電保護裝置使用效果時，我們對裝置進行了明火、滴水、高濕度、高溫、煙霧等情況的模擬試驗，以確認裝置是否能夠達成設計需要。

當使用打火機靠近火焰傳感器（以模擬明火環境）時，蜂鳴器報警并立即斷電，試用用戶端手機在3分鐘內收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息報警。

當使用濕巾在水滴傳感器上端擠壓出水（以模擬陰雨天氣環境、充電裝置上方漏水環境）時，蜂鳴器報警并立即斷電，試用用戶端手機在3分鐘內收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息報警。

當使用小功率加濕器靠近濕度傳感器（以模擬陰雨天氣環境、高濕度環境）時，蜂鳴器報警并立即斷

電，試用用戶端手機在3分鐘內收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息報警。

當使用少量煙霧靠近煙霧傳感器（以模擬煙霧環境）時，蜂鳴器報警并立即斷電，試用用戶端手機在3分鐘內收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息報警。

當使用加熱裝置靠近溫度傳感器（以模擬高溫環境）時，蜂鳴器報警并立即斷電，試用用戶端手機在3分鐘內收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息報警。

當電動車充電保護裝置放置地上并使用盛水容器向水位傳感器方向緩慢倒水（以模擬積水環境）時，蜂鳴器報警并立即斷電，試用用戶端手機在3分鐘內

收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息報警。

本裝置的實物圖如圖3所示，正常運行時的屏幕信息顯示如圖4所示。

4? 結? 論

目前市面上一般的電動車配的原裝充電器在發生異常情況時不能智能控制，智能充電樁配套設施適用范圍小，使用不便，還待完善。國內研究的電動車充電保護裝置大多針對電流異樣情況，或者是針對由于充電方法不當，易造成蓄電池未充滿電或者充電過量損害充電電池的問題做出的智能型充電器。面對目前市面上的大多數電動自行車充電器的進一步改良需要大面積的更改，花費時間較多，而本裝置的便攜性強、使用方便還可以做到智能可控，對于內外部環境的異常情況，能夠做到及時斷電起到保護電動車電源、電動車內部元件并提醒警示的作用，對于傳統的電動自行車充電器來說比較友好，無需原裝改變，連接即可使用，可以比較快速地適應市場，對于騎行者人身財產安全也起到了一定的保護作用。

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作者簡介：董文君（2001—），女，漢族，山東淄博人，本科在讀，研究方向：機械工程。

收稿日期：2023-04-10

基金項目：山東華宇工學院2022年校級大學生創新創業訓練項目（X202213857028）