電動自行車交流充電規律初探

王泰智

摘 要：電動自行車因不規范充電引起的火災事故頻發。通過對電動自行車交流充電規律的研究，提出了電動自行車智能充電控制設施應具備的監測與控制功能，希望為廣大智能充電控制裝置設計人員提供參考和借鑒。

關鍵詞：電動自行車;交流充電;充電規律;充電控制

現如今，電動自行車已經發展成為了主要的交通工具，然而，因電動自行車“不規范充電引起火災”的負面新聞屢見報端。消防部門對電動自行車火災調查數據顯示：90%以上的火災由電氣故障引發，80%以上是充電時發生，充電時間過長導致電池過充或充電器內部短路是引發火災的主要原因。[1]央視2017年6月報道，福建省質檢院監測數據顯示，電動自行車充電器總不符合率為90%。國家有關部門要求住宅小區安裝具備定時充電、自動斷電、故障報警等功能的智能充電控制設施，并針對電動自行車的停放與充電加以規范，盡可能的減少火災事故的發生。[2]

鑒于此，本文主要從理論出發，并結合蓄電池充放電原理及直流充電規律，進一步提出了有關電動自行車充電機控制設施的功能以及參數、策略，控制策略及設計參考數據，以提高電動自行車無人值守充電系統的安全性。

1 蓄電池充放電原理

1.1 放電中的化學變化

從基本原理角度分析，如果將鉛酸蓄電池的陽極與陰極同時當道電解液之中，那么則會產生電力，另外在實驗中得知，將蓄電池與外部電路相互連接，尤其在處于放電階段，電解液往往會形成硫酸鉛，產生化學反應，在與氧化鉛的對比中，硫酸鉛自身的摩爾體積要打，且在電解液中釋放過程中，如果放電時間越長，那么硫酸則會產生稀釋，甚至還會結晶為大顆粒。

1.2 充電中的化學變化

在充電過程中易產生化學變化，主要是因為放電中所形成的硫酸鉛往往會在充電的過程中逐漸分解成硫酸或者過氧化鉛，并且到電解液自身的濃度不斷增多的時候，能夠回復到放電之前的濃度，在實驗中這種變化主要體現成活性物質有所還原，或者活性物質處于再度供電的模式。尤其在還原為活性物質的時候，陰極板與陽極板往往會產生氫與氧，特別是處于最后階段，電解液會呈現出減少的趨勢。

2 蓄電池直流充電規律

2.1 充電模式

鉛酸蓄電池一般采用三段式充電模式：

①當蓄電池處于恒流限壓階段的時候，其電流呈現出恒定狀態，充入電量有所增加，電池的電壓不斷上升;

②當蓄電池處于恒壓限流階段的時候，電壓處于恒定狀態，增加充電量會導致電流有所下降;

③在充滿之后電流會發生下降，并比浮充轉換電流要低，電壓也比浮充電壓低。

④在保養充電的時候，電壓需要保持，并在保養充電2H后自動斷電。

2.2 直流充電曲線

充電器按照三段式充電模式將交流電轉換成直流電，且還需要對電壓以及電流加以控制。一般而言，在充電的時候首先是恒流充電，這樣可以在短時間內充滿電量，其中等到電池電壓上升到一定數值之后會處于恒壓充電的狀態，在該階段中電池的電壓仍舊上升，具有持續性，電流則有所下降，當電流下降到所設定的電流值之后，充電指示燈會發生變化，起到保養電池的作用。如圖1。

3 充電器交流充電規律

3.1 數據采集系統

采用工業級智能電表和嵌入式一體化觸摸屏，每秒鐘采集1組充電器的交流充電數據：電壓、電流、有功功率、功率因數、電量。觸摸屏自動采集、保存數據。充電結束后，使用U盤導出數據，使用Excel軟件進行數據分析。如圖2。

3.2 充電數據

3.3 交流充電曲線

通過試驗數據對比發現，三段式充電模式具有如下特點：① 充電器輸入有功功率隨輸出功率（即充電功率）同步變化;② 恒流充電階段充電效率最高，恒壓充電階段充電效率較低，涓流浮充階段充電效率非常低;③ 恒壓充電轉為涓流充電的降壓充電轉換瞬間，充電器輸入有功功率均有不同幅度的跌落，跌落后迅速爬升，但充電功率的恢復時間和功率值各有不同;④ 降壓充電轉換瞬間，充電器的功率因數在充電輸入有功功率跌落的同時發生同向躍變;⑤ 不同品牌規格充電器的三段式充電控制轉換電壓和電流不同，充電功率曲線各有不同。

4 結論

蓄電池有其自身的充放電規律。蓄電池的充電全程由充電器的電腦芯片控制。充電器的額定輸出電壓和電流與蓄電池所能承受的電壓、電流應嚴格匹配。充電器的充電模式、控制參數、保護設計及其本身的質量，以及充電器與電池的匹配度，對電池使用壽命及充電安全具有至關重要的影響。

通過規范電動自行車集中停放，安裝具有定時充電、自動斷電、故障報警等功能的智能充電控制設施，是有效解決當前電動自行車因充電引發火災的一個重要措施。電動自行車智能充電控制裝置應具備如下功能：① 提示用戶使用標配的充電器充電，選擇充電器參數要與蓄電池良好匹配。② 充電過程中發現過熱時應停止充電，提示用戶對充電器和蓄電池進行檢查。③ 自動檢測恒壓充電階段的充電時長和輸入有功功率，防止因電池老化、充電器故障或錯用等因素導致蓄電池充滿之后不能及時轉入涓流充電模式而引發的安全隱患。④ 自動檢測識別充電器降壓浮充（指示燈由紅變綠）時刻，控制電池涓流浮充時長，充滿自停，防止過充。⑤ 蓄電池最長連續充電時間不超過8小時，環境溫度偏高時應縮短充電時間。

參考文獻：

[1]王娜.電動自行車火災預防對策探討.武警學院學報，2014，30（4）：75-77.

[2]國務院安委會辦公室.關于開展電動自行車消防安全綜合治理工作的通知（安委辦﹝2018﹞13號）20180515.

指導老師：王元新，山東省萊蕪市第一中學。