电瓶车辆充电设施管理系统

叶栋梁 陈福生 廖东鹏 孙李华 林祖荣

摘要 针对厦门地铁一号线厂段内电瓶车辆充电区域混乱，导致充电效率低下、存在充电安全隐患等一系列问题进行简要的分析，提出了电瓶车辆充电设施管理系统的优化设计方案，并且完成了该系统的设计制造。实际应用表明，该系统的使用极大提高了充电安全性能，优化了充电流程，达到了设计的要求。

关键词 电瓶车辆;充电设施管理;充电安全;充电效率

中图分类号 TM912 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）01-0082-03

0 概论

电瓶车辆因其具有低碳环保、操作灵活简便、作业成本低、噪声小等优点，被广泛应用于各个城市轨道交通线路的车辆段内。目前厦门地铁一号线场段内存有包括电瓶车、叉车、托盘搬运车等数十辆电瓶车辆。厂内电瓶车辆使用厂家原配的充电器，在功能上可以保障厂内机动车的正常使用，但是每次只能提供单台次叉车或者单台电瓶车的充电需求，无法满足日常使用下电瓶车辆充电要求，并且会在一定程度上影响电池的充电效率以及电池的寿命。并且充电区域分散在场段内不同区域，而电瓶车辆充满电往往需要五六个小时，无法保证充电过程中有人员值守，经常导致未充上电或者过充等问题。

为了有效解决上述问题，提高充电效率，提升安全性能，在场段内设计一个电瓶车辆充电箱。该充电箱将叉车、电瓶车等厂内机动车的相关充电设施集中起来，分门别类将其放置于废弃的药液存放箱中，并根据各类机动车充电机的使用特性做出一定的规划。此工装通過1 000元的小成本投入，极大提高了充电安全性能，优化了充电流程。该装置安装于联合检修库内显眼位置，无需专人看护，每年可节省3×7×20×12=5 040工时的人工成本。并且减少20余个原定安装于场段各处的单一充电头的采购，每个充电头价值2 500元，一共节约50 000余元，具有很大的实用价值。同时使用废弃药液存放箱作为加工材料，起到废物利用的效果。

1 问题分析

1.1 电瓶车电池充电原理

一号线厂段内电瓶车辆采用普通铅酸蓄电池作为电源供应。电池可大致分为四部分：正电极（二氧化铅）、负电极（海绵状铅）、电解液（硫酸）和隔离板。图1和图2分别为充放电示意图（隔离板未画出）。

电池是将化学能转化为电能的装置，电子导体可以单独地完成导电任务（如铜、铝这类金属），而离子导体（如电解质溶液）却不能。要想让离子导体导电，必须有电子导体与之相连而形成两类导体相串联的结构，形成金属-溶液-金属的导电系统。在金属溶液的界面上将发生氧化还原反应，这就是电池的基本工作机理[1]。

铅酸蓄电池在充、放电时的电池反应可用如下的反应方程式表示，从左向右表示放电过程，而从右向左表示充电过程。放电反应和充电反应互为可逆反应。

（1）

1.2 存在问题及分析

蓄电池充放电是一个复杂的电化学体系，电池的性能和寿命取决于制备电极材料、工艺、活性物质的组成和结构、电池的运行状态和条件。一般来说，内部因素与铅酸蓄电池本身的质量有很大关系，使用时无法人为干涉，可忽略不计，而在实际应用中，外部因素主要是铅酸蓄电池的使用不当造成的，因此主要关心的是影响铅酸蓄电池寿命的外部因素。基于以上对电池原理的介绍，可以大致分析出不规范的充电方式可能带来的问题。

1.2.1 过充电的影响

实践证明，过充电是影响蓄电池寿命的最主要原因。过充电会引起铅酸蓄电池的正极析氧，极板深处生成的氧气从电极表面溢出，增大了壳体内的压力导致电池鼓包。而在形成气泡的过程中，以强力冲击PbO2，使活性物质与栅板结合力变坏，甚至脱落，影响正、负极板活性物质的使用寿命。长期过充电状态下，正极因析氧反应，水被消耗，H+增加，从而导致正极近酸度增加，加速了板栅的腐蚀，使蓄电池容量下降，同时因为失水加剧，将导致蓄电池有干涸的危险[2]。

1.2.2 长期浮充电的影响

长期浮充电指的是铅酸蓄电池长时间处于只充电，不放电的状态。大量运行统计资料表明，这样会造成铅酸蓄电池的正极极板钝化，使电池内阻急剧增大，容量大幅下降，使实际容量远远低于标准容量，导致电池所能是提供的实际后备供电时间大大缩短，减少其使用寿命。

1.2.3 过放电或小电流放电的影响

电瓶车在长期使用未充电或未得到有效充电的情况下，将会出现过放电或小电流放电的问题。电瓶车一定要避免过度放电，尤其要绝对禁止深度放电。一旦发生过放电，蓄电池极板表面会生成大颗粒硫酸铅结晶，造成极板“硫酸盐化”。由于硫酸铅是一种绝缘体，它的形成使蓄电池的内阻增大，从而令蓄电池的使用寿命大大缩短，一次深度的过放电可能会使电池的使用寿命减少1～2年，甚至造成电池的报废。小电流放电条件下形成的硫酸铅，要氧化还原是十分困难的。若硫酸铅晶体长期得不到清理，必然会影响蓄电池的容量和使用寿命。

2 设计方案

2.1 控制电路设计

优化后的充电设施管理系统主电路采用AC220V供电;控制电路采用DC24V供电。具体的控制电路如图3所示。

2.2 安装步骤

（1）对原本的药液箱体进行拆解冲洗，将附着在箱体上的灰尘和污渍冲洗干净;

（2）确定各个充电器的安装位置，用切割机切除充电器需要的大小，将各类机动车充电器位置分门别类安装到位，确保各条充电线位置合适，长度合适;

（3）对各个充电器进行安装固定，以防止各个充电器在使用过程中出现松脱现象;

（4）分别安装各充电器的隔离开关以及启动按钮，每个隔离开关以及启动按钮对应一个充电器。每台充电设施管理系统安装6台充电器，出于充电便捷性考虑，将T20叉车和L16叉车充电器安装在最上方位置，将E20叉车充电器安装于中间偏右侧，而使用频率较高的两台电瓶车充电器安装在最下方位置。

（5）通过将放置于多功能充电箱中的各类型叉车、电瓶车的充电器的电源线路统一结合在一条总线管路中，连接到设置在多功能充电箱旁边的电闸箱上。通过控制电闸箱的断送电，来控制多功能充电箱内各充电器的电源输出[3]。

3 实施效果及充电建议

厂内机动车充电设施管理系统实施效果如下：

（1）将厂内叉车、电瓶车等机动车充电器集中放置于废旧的洗车机药液泵存放箱中，实现了厂内机动车的集中化充电，达到了多辆叉车、电瓶车同时进行充电的目的，以提高场内机动车整体的充电效率。有效节省厂内机动车进行充电时间。

（2）优化后的厂内机动车充电设施管理系统可以实现厂内机动车在充电时集中停放。对于正在充电的机动车，或是需要充电的机动车，可以统一进行集中化管理。同时能够更加方便高效地完成对厂内机动车的巡检任务。有效避免在巡检过程中出现的漏检现象，减少在巡检过程中所耗费的工作时间，提高巡检的工作效率。

（3）提升充电安全性能。对电瓶车辆统一集中化充电，工班人员能够定期巡查充电情况，确保每辆电瓶车有效充电。同时在电瓶车满电时可及时取下充电器，避免过充对电池的损伤，或者由此引发的充电安全事故。

通过对厂内机动车充电设施管理系统实施效果的分析及研究，总结出电瓶车在充放电及使用过程中的一些维护建议，即在使用过程中需要做到随放随充的状态，保持蓄电池长期处于满电状态能有效地保持蓄电池的容量和增加使用寿命。鉴于工程车蓄电池组出现了硫酸盐化的现象，提出以下维护使用建议：

（1）蓄电池组使用后应在24 h内给予补充电，具体充满与否可参考充电电流低于3 A 后，再维持充电2～3 h即可视为已充满电。

（2）车辆长时间未使用时，需要对蓄电池组电路进行断开，防止永久负载消耗蓄电池组的电量，同时每15日应安排对蓄电池组进行一次补电。

（3）鉴于车辆蓄电池组有硫酸盐化现象，可定期安排对车辆蓄电池进行均充模式充电16～24 h（原均充模式为每6个月使用一次，请调整至3个月一次，均充模式可有效改善蓄电池组的状态）。

4 后续改进

后续将考虑从以下两个方面进行改进：

（1）在原有基础上加装充电显示器、通电指示灯和蜂鸣报警器。每台充电器搭配一台显示器，安装于充电箱上，从充电器中获得电信号，反馈在显示器面板上，及时反映当前的充电情况。同时安装充电指示灯（考虑采用LED光源）与蜂鸣报警器。当厂内机动车正在充电时，充电指示灯亮绿色;当充满电时，充电指示灯显示红色，同时蜂鸣报警器发出警报，提醒工作人员拔取充电器。没进行充电时，灯光显示器不亮灯。实现更加方便、直观地看到系统中各充电器对应的厂内机动车的充电情况。判断在充电中的各类厂内机动车是否充电完毕，以及充电时是否将电充进去。

（2）设计电池容量检测系统。众所周知，电瓶车辆在使用过程中由于工作环境温度、不同的充放电电流、电池组自身放电、负载变化等原因导致发生电池老化，容量衰减的现象。有效的电池容量检测系统（主要包括牵引蓄电池容量检测系统优化对比、蓄电池容量核准、电池检测装置剩余电量验证），可以有效分析电瓶车电池情况，及时更换低于80%电量的电池。同时随着电瓶车电池电量的衰减，及时调整充放电时间，保证电池组处于最佳的工作状态。

（3）增加均充模式。电瓶车辆的蓄电池采用串联的方式组合，那么在实际使用过程中，不可避免地会出现电池容量不均衡或者不均衡趋势的问题，究其原因是因為单节电池或电池组可能出现电池、容量和温度的差异。一旦某几块电池或者电池组出现容量的持续下降，则电压也会降低;充电的过程中，这些电池将会比其他电池先充满电，控制单元一旦检测出充满点的电池，将会停止充电，这就导致一部分电池长期处于未充满电的状态，不仅续航里程受影响，这部分长期未充满电的电池内部活化不完全，导致出现结晶的情况，影响电池寿命。所谓均充模式，是在电池组充满电后，仍进行电流极小的“涓流充电”。在此过程中，可以找出存在差异的电池或者电池组，对蓄电池进行活化充电，充电电压将会提高。经过缓慢的均充模式后，电池组基本能达到均衡状态，有利于增大电瓶车的续航里程和保护蓄电池。增加均充模式可以通过充电指示灯进行判断[4]。在新的充电设施管理系统中加入显示器显示SOC变化、充电功率，并且增加“均充中”指示灯。当正常充满电后，均充指示灯亮起，自行设置充满后的持续充电时间（大约控制在5～10 h）。

5 结语

优化后的充电设施系统可以满足厂内叉车、电瓶车的充电需求，不再只局限于单次机动车的充电需求，可以对多辆叉车、电瓶车同时进行充电。有效地解决了厂内机动车在使用率上严重不足，以及充电效率低下的问题。优化后的充电设施系统在充电效率上提升50%以上。同时对独立的充电器设置独立的隔离开关，这在一定程度上就杜绝了危险的发生，极大程度地降低了安全隐患的出现，同时也解决了无人看守的问题。为厂内机动车安全高效的充电保驾护航。由于整体工装结构简单，可根据存放充电器的不同而进行编组改造，以适应充电需求不同的各类厂内机动车，可供厦门地铁的其他部门参考。

参考文献

[1]邓焰.蓄电池电力工程车可行性分析[J].电力机车与城轨车辆，2013（6）：75-77.

[2]彭晓松.牵引用铅酸蓄电池的检测技术探讨[J].电器工业，2005（9）：50-51.

[3]邓虹辉，张彦华，王敏，等.电动工程车牵引蓄电池的寿命分析及使用维护[J].技术与市场，2014（7）：36-38.

[4]吴利军.浅谈阀控铅酸蓄电池充放电技术[J].电气技术与经济，2018（6）：8-10.