基于智能检测的电动车充电保护装置设计

董文君　孙长勇　李宁　孙建宇　李勇

摘  要：电动车在充电时出现的多种异常情况都有可能会造成电动车充电火灾，市面上一般的电动车配的原装充电器在发生异常情况时不能进行智能控制，且国内现有研究都是针对电动车原装充电器做出改变，在市场上推行耗时较长，并且针对的电动自行车在充电时的异常情况单一，没有及时警示功能等，潜伏一定的安全隐患。针对以上问题，设计基于智能检测的电动车充电保护装置，通过多种传感器检测电动车充电时可能发生的各种异常情况，及时断电保护电动车内部元件，避免危险发生并发出警报提醒使用者，其便携性强，适用人群广，不会影响到充电效能和效果。

关键词：电动车；充电保护装置；传感器

中图分类号：TP39  文献标识码：A  文章编号：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

电动车作为目前国内几乎每家必备的交通工具之一，是人们短路程出行的首选交通工具之一，是现在国内的重要交通工具之一。而目前因为电动车充电而产生的火灾事故平均每天就有近40起，电动车充电起火造成的火灾占电动车火灾的80%，而部分厂家为了追求经济利益，在电动车核心元件上使用线径小、劣质的电线，导致电动车充电火灾愈演愈烈。此外，长时间使用电动车、消费者使用不规范、充电器混用都可能会导致火灾的发生。

国内已经推出了一些电动自行车智能充电安全控制系统，但是，这些系统所检测的物理量比较单一，基本上都是对电流进行监测，并且不能保证立即中断充电过程。而本文所提到的电动车充电的保护装置在电动车充电出现异常情况时，就会立即断开控制电路，同时会给手机发送短信提醒、警报器报警警示，对于电动车充电火灾的救援等还可以提供时间数据上的帮助，对于电动车充电起火的形势判断和搜救都有着极大的帮助。电动车充电保护的智能便携式辅助装置，适用于大部分的电动车充电，而且使用电动车充电保护的智能便携式辅助装置对于其充电器的充电效能和效果是没有影响的，其使用只是增加了一套监测设备，使充电过程更安全。

1  主要功能结构设计

电动车充电的保护装置主要是由控制单元（ECU）、报警器、定时器、烟感传感器、温度传感器、湿度传感器、火焰传感器、水滴传感器、整流变压器、显示屏、继电器、旋钮、功能开关、恢复按钮、保险丝、电源插头孔、充电器充电插头孔、智能便携式辅助装置充电插头、电源插头、电流互感器等组成，该系统的控制电路简图如图1所示。

水滴传感器是预防充电器遇到水时，或者是在下雨天气造成充电短路情况；火焰传感器是应对当环境出现明火且距离充电器很近的情况；烟雾传感器弥补火焰传感器在一些特殊的情况下，出现燃烧而无明火，导致火焰传感器无法及时检测到；一氧化碳传感器是应对环境中一氧化碳浓度超过正常值时产生危害的情况；温度传感器，一方面是防止充电器内部温度过高，对电子器件造成损坏，另一方面是防止环境温度过高引发燃烧等情况；湿度传感器是预防由于电动车充电时环境湿度过高而造成充电器上出现积水继而导致漏电等危害發生。当出现以上几种异常情况，本文所提到的电动车充电保护装置将通过继电器控制端子使智能辅助装置中线路断开，使充电器的电源电路和充电器的充电电路断开，从而让电动车充电过程中断，SIM板块和警报器会通电，SIM板块会将信息发送至手机，同时报警警示，做到及时保护电动车电源。

当电动车需要充电的时候，本产品使用者首先需把充电器的电源插头和充电插头分别插接到智能便携式辅助装置相应的插座孔内，接着把智能辅助装置上的充电插头插接到电动车充电插座孔内，然后把智能辅助装置的电源插头插接到家庭的电源插孔内，最后打开智能开关，温度传感器、湿度传感器、火焰传感器、水滴传感器、烟感传感器、定时器检测后将相应信号传递给控制单元（ECU），确认环境温度信号正常、环境湿度信号正常、环境无火焰、环境无水滴、环境无烟雾后，这样就可以在较安全保护的环境下充电了，系统控制电路图如图1所示。

温度传感器、湿度传感器及电流互感器实时将信息传递至控制单元，控制单元连接至显示屏上，在显示屏上会有当前环境温度、湿度、通过电流信息。利用电流互感器输电过程中将不同设备的交流电转换成所需的电流大小，在显示屏的下方设置旋钮1和旋钮2，旋钮1可调节通过电流大小，不仅能监控测量这些线路的电流大小，还可避免高压危险，通过改变电流可以实现一个充电器给多个不同品牌电动车充电；通过旋钮2调节充电时长，若不设定充电时长，在显示屏上显示0/-1，若设定充电时长，旋转旋钮调至想设定的时长，0/n（n为设定时长），开始充电后，会自动计时，斜杠前面的数字0代表了已经充电0分钟。待充电时长达到后，计时器会将信号传递至控制单元（ECU）。

如果控制单元（ECU）检测到充电器电源的电流有异常、充电器的充电电流有异常、环境温度过高、环境湿度过高、环境一氧化碳浓度过高、环境有火焰时、环境有水滴时、环境有烟雾或者是达到设定充电时间这八项监测内容中的任何一项指标，控制单元（ECU）发出信号通过继电器控制端子使智能辅助装置中充电器的电源电路和充电器的充电电路断开，使电动车充电过程中断，从而保护电动车内部元件，避免电动车燃烧，防止发生更大的电动车火灾造成人员财产的损失，此时SIM板块和警报器会通电将报警信息发送至手机，同时报警警示。排除异常情况后，按一下恢复按钮，警报解除，同时智能控制电路接通到原来的状态。

2  电动车居家保护装置的传感器

2.1  环境水滴传感器

环境水滴传感器选用型号为KPD/MF5C-103G-395F。主要用于检测阴雨天气环境、充电器上方滴水环境，防止在滴水环境中由于充电装置上部有滴水而导致电路短路等异常情况发生从而导致安全事故的发生。

当本文所提到的电动车充电保护装置检测到电动车充电环境有雨滴时，将通过继电器控制端子使智能辅助装置中充电器的电源电路和充电器的充电电路断开，电动车充电过程中断，SIM板块和警报器会通电将充电环境遇水滴的报警信息发送至手机以警示使用用户。

2.2  环境火焰传感器

主要用于检测明火环境，防止在明火环境中由于遇到明火后充电装置升温造成电路和元件的损坏等异常情况发生从而导致安全事故的发生。

使用HY-A1火焰传感器内置火焰探头，能够探测周围环境中是否存在火焰或者波长在760～1 100纳米范围内的光源。

当本文所提到的电动车充电保护装置检测到电动车充电环境有明火时，同2.1使电动车充电过程中断后，SIM板块和警报器通电将充电环境遇明火的报警信息发送至手机以警示使用用户。

2.3  环境烟雾传感器

MQ-2半导体气敏元件主要用于检测烟雾环境，防止在充电时检测到其他异常情况导致有烟雾的情况而造成安全隐患，以防止由于其他未检测到的因素（例如无明火而升温导致有元件燃烧有烟雾）而导致的安全隐患。

当本文所提到的电动车充电保护装置检测到电动车充电环境有烟雾时，同2.1使电动车充电过程中断后，SIM板块和警报器通电将充电环境有烟雾情况的报警信息发送至手机以警示使用用户。

2.4  一氧化碳传感器

选用产品型号为CO/CF-1000的一氧化碳传感器。主要用于检测一氧化碳环境，防止由于充电等异常情况发生从而导致一氧化碳气体的产生造成人员的伤亡。

当本文所提到的电动车充电保护装置检测到电动车充电环境有一氧化碳时，同2.1使电动车充电过程中断后，SIM板块和警报器通电将充电气体环境中含有一氧化碳情况的报警信息发送至手机以警示使用用户。

2.5  环境温度传感器

NTC热敏电阻器主要用于检测高温环境，防止在高温环境中由于温度过高而导致元件的损伤、长时间高温导致充电保护装置的燃烧等异常情况发生从而导致安全事故的发生。

当本文所提到的电动车充電保护装置检测到电动车充电环境温度对电动车充电造成安全隐患时，同2.1使电动车充电过程中断后，SIM板块和警报器通电将充电温度环境异常的报警信息发送至手机以警示使用用户。

2.6  环境湿度传感器

环境湿度传感器HIH4000-003主要用于检测阴雨天气环境，防止在高湿度环境中由于电动车充电时湿度过高而导致电路联电等异常情况发生从而导致安全事故的发生。

当本文所提到的电动车充电保护装置检测到电动车充电环境湿度对电动车充电造成安全隐患时，同2.1使电动车充电过程中断后，SIM板块和警报器通电将充电湿度环境异常的报警信息发送至手机以警示使用用户。

2.7  水位传感器

主要用于检测充电保护装置及充电器底部是否有积水，防止在底部有积水的环境中由于积水而导致电路短路等异常情况发生从而导致安全事故的发生。

当本文所提到的电动车充电保护装置检测到电动车充电环境底部有积水时，同2.1使电动车充电过程中断后，SIM板块和警报器通电将充电环境有充电器底部有水或其他液体漫延情况的报警信息发送至手机以警示使用用户。

2.8  蜂鸣器

当电动车充电保护装置各个传感器检测到异常情况后，蜂鸣器立即发出警报来警示附近的人查看情况以防止由于异常情况无人看管并使用者不能够及时排除异常情况所造成更加严重的后果。

3  应用效果及检验

通过对于本装置的设计，首先对程序设计进行检验，由实验结果可知，程序部分可以实现预期功能效果。其次在将本装置制作出原型实验装置并进行多次检验之后，证实本装置可以完成预期功能，目前本装置尚在调试阶段，部分程序如图2所示。

在检验电动车充电保护装置使用效果时，我们对装置进行了明火、滴水、高湿度、高温、烟雾等情况的模拟试验，以确认装置是否能够达成设计需要。

当使用打火机靠近火焰传感器（以模拟明火环境）时，蜂鸣器报警并立即断电，试用用户端手机在3分钟内收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息报警。

当使用湿巾在水滴传感器上端挤压出水（以模拟阴雨天气环境、充电装置上方漏水环境）时，蜂鸣器报警并立即断电，试用用户端手机在3分钟内收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息报警。

当使用小功率加湿器靠近湿度传感器（以模拟阴雨天气环境、高湿度环境）时，蜂鸣器报警并立即断

电，试用用户端手机在3分钟内收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息报警。

当使用少量烟雾靠近烟雾传感器（以模拟烟雾环境）时，蜂鸣器报警并立即断电，试用用户端手机在3分钟内收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息报警。

当使用加热装置靠近温度传感器（以模拟高温环境）时，蜂鸣器报警并立即断电，试用用户端手机在3分钟内收到了“Please note that the charger is abnormal and has stopped charging”的信息报警。

当电动车充电保护装置放置地上并使用盛水容器向水位传感器方向缓慢倒水（以模拟积水环境）时，蜂鸣器报警并立即断电，试用用户端手机在3分钟内

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

本装置的实物图如图3所示，正常运行时的屏幕信息显示如图4所示。

4  结  论

目前市面上一般的电动车配的原装充电器在发生异常情况时不能智能控制，智能充电桩配套设施适用范围小，使用不便，还待完善。国内研究的电动车充电保护装置大多针对电流异样情况，或者是针对由于充电方法不当，易造成蓄电池未充满电或者充电过量损害充电电池的问题做出的智能型充电器。面对目前市面上的大多数电动自行车充电器的进一步改良需要大面积的更改，花费时间较多，而本装置的便携性强、使用方便还可以做到智能可控，对于内外部环境的异常情况，能够做到及时断电起到保护电动车电源、电动车内部元件并提醒警示的作用，对于传统的电动自行车充电器来说比较友好，无需原装改变，连接即可使用，可以比较快速地适应市场，对于骑行者人身财产安全也起到了一定的保护作用。

参考文献：

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作者简介：董文君（2001—），女，汉族，山东淄博人，本科在读，研究方向：机械工程。

收稿日期：2023-04-10

基金项目：山东华宇工学院2022年校级大学生创新创业训练项目（X202213857028）