電瓶車輛充電設施管理系統

葉棟梁 陳福生 廖東鵬 孫李華 林祖榮

摘要 針對廈門地鐵一號線廠段內電瓶車輛充電區域混亂，導致充電效率低下、存在充電安全隱患等一系列問題進行簡要的分析，提出了電瓶車輛充電設施管理系統的優化設計方案，并且完成了該系統的設計制造。實際應用表明，該系統的使用極大提高了充電安全性能，優化了充電流程，達到了設計的要求。

關鍵詞 電瓶車輛;充電設施管理;充電安全;充電效率

中圖分類號 TM912 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0082-03

0 概論

電瓶車輛因其具有低碳環保、操作靈活簡便、作業成本低、噪聲小等優點，被廣泛應用于各個城市軌道交通線路的車輛段內。目前廈門地鐵一號線場段內存有包括電瓶車、叉車、托盤搬運車等數十輛電瓶車輛。廠內電瓶車輛使用廠家原配的充電器，在功能上可以保障廠內機動車的正常使用，但是每次只能提供單臺次叉車或者單臺電瓶車的充電需求，無法滿足日常使用下電瓶車輛充電要求，并且會在一定程度上影響電池的充電效率以及電池的壽命。并且充電區域分散在場段內不同區域，而電瓶車輛充滿電往往需要五六個小時，無法保證充電過程中有人員值守，經常導致未充上電或者過充等問題。

為了有效解決上述問題，提高充電效率，提升安全性能，在場段內設計一個電瓶車輛充電箱。該充電箱將叉車、電瓶車等廠內機動車的相關充電設施集中起來，分門別類將其放置于廢棄的藥液存放箱中，并根據各類機動車充電機的使用特性做出一定的規劃。此工裝通過1 000元的小成本投入，極大提高了充電安全性能，優化了充電流程。該裝置安裝于聯合檢修庫內顯眼位置，無需專人看護，每年可節省3×7×20×12=5 040工時的人工成本。并且減少20余個原定安裝于場段各處的單一充電頭的采購，每個充電頭價值2 500元，一共節約50 000余元，具有很大的實用價值。同時使用廢棄藥液存放箱作為加工材料，起到廢物利用的效果。

1 問題分析

1.1 電瓶車電池充電原理

一號線廠段內電瓶車輛采用普通鉛酸蓄電池作為電源供應。電池可大致分為四部分：正電極（二氧化鉛）、負電極（海綿狀鉛）、電解液（硫酸）和隔離板。圖1和圖2分別為充放電示意圖（隔離板未畫出）。

電池是將化學能轉化為電能的裝置，電子導體可以單獨地完成導電任務（如銅、鋁這類金屬），而離子導體（如電解質溶液）卻不能。要想讓離子導體導電，必須有電子導體與之相連而形成兩類導體相串聯的結構，形成金屬-溶液-金屬的導電系統。在金屬溶液的界面上將發生氧化還原反應，這就是電池的基本工作機理[1]。

鉛酸蓄電池在充、放電時的電池反應可用如下的反應方程式表示，從左向右表示放電過程，而從右向左表示充電過程。放電反應和充電反應互為可逆反應。

（1）

1.2 存在問題及分析

蓄電池充放電是一個復雜的電化學體系，電池的性能和壽命取決于制備電極材料、工藝、活性物質的組成和結構、電池的運行狀態和條件。一般來說，內部因素與鉛酸蓄電池本身的質量有很大關系，使用時無法人為干涉，可忽略不計，而在實際應用中，外部因素主要是鉛酸蓄電池的使用不當造成的，因此主要關心的是影響鉛酸蓄電池壽命的外部因素。基于以上對電池原理的介紹，可以大致分析出不規范的充電方式可能帶來的問題。

1.2.1 過充電的影響

實踐證明，過充電是影響蓄電池壽命的最主要原因。過充電會引起鉛酸蓄電池的正極析氧，極板深處生成的氧氣從電極表面溢出，增大了殼體內的壓力導致電池鼓包。而在形成氣泡的過程中，以強力沖擊PbO2，使活性物質與柵板結合力變壞，甚至脫落，影響正、負極板活性物質的使用壽命。長期過充電狀態下，正極因析氧反應，水被消耗，H+增加，從而導致正極近酸度增加，加速了板柵的腐蝕，使蓄電池容量下降，同時因為失水加劇，將導致蓄電池有干涸的危險[2]。

1.2.2 長期浮充電的影響

長期浮充電指的是鉛酸蓄電池長時間處于只充電，不放電的狀態。大量運行統計資料表明，這樣會造成鉛酸蓄電池的正極極板鈍化，使電池內阻急劇增大，容量大幅下降，使實際容量遠遠低于標準容量，導致電池所能是提供的實際后備供電時間大大縮短，減少其使用壽命。

1.2.3 過放電或小電流放電的影響

電瓶車在長期使用未充電或未得到有效充電的情況下，將會出現過放電或小電流放電的問題。電瓶車一定要避免過度放電，尤其要絕對禁止深度放電。一旦發生過放電，蓄電池極板表面會生成大顆粒硫酸鉛結晶，造成極板“硫酸鹽化”。由于硫酸鉛是一種絕緣體，它的形成使蓄電池的內阻增大，從而令蓄電池的使用壽命大大縮短，一次深度的過放電可能會使電池的使用壽命減少1～2年，甚至造成電池的報廢。小電流放電條件下形成的硫酸鉛，要氧化還原是十分困難的。若硫酸鉛晶體長期得不到清理，必然會影響蓄電池的容量和使用壽命。

2 設計方案

2.1 控制電路設計

優化后的充電設施管理系統主電路采用AC220V供電;控制電路采用DC24V供電。具體的控制電路如圖3所示。

2.2 安裝步驟

（1）對原本的藥液箱體進行拆解沖洗，將附著在箱體上的灰塵和污漬沖洗干凈;

（2）確定各個充電器的安裝位置，用切割機切除充電器需要的大小，將各類機動車充電器位置分門別類安裝到位，確保各條充電線位置合適，長度合適;

（3）對各個充電器進行安裝固定，以防止各個充電器在使用過程中出現松脫現象;

（4）分別安裝各充電器的隔離開關以及啟動按鈕，每個隔離開關以及啟動按鈕對應一個充電器。每臺充電設施管理系統安裝6臺充電器，出于充電便捷性考慮，將T20叉車和L16叉車充電器安裝在最上方位置，將E20叉車充電器安裝于中間偏右側，而使用頻率較高的兩臺電瓶車充電器安裝在最下方位置。

（5）通過將放置于多功能充電箱中的各類型叉車、電瓶車的充電器的電源線路統一結合在一條總線管路中，連接到設置在多功能充電箱旁邊的電閘箱上。通過控制電閘箱的斷送電，來控制多功能充電箱內各充電器的電源輸出[3]。

3 實施效果及充電建議

廠內機動車充電設施管理系統實施效果如下：

（1）將廠內叉車、電瓶車等機動車充電器集中放置于廢舊的洗車機藥液泵存放箱中，實現了廠內機動車的集中化充電，達到了多輛叉車、電瓶車同時進行充電的目的，以提高場內機動車整體的充電效率。有效節省廠內機動車進行充電時間。

（2）優化后的廠內機動車充電設施管理系統可以實現廠內機動車在充電時集中停放。對于正在充電的機動車，或是需要充電的機動車，可以統一進行集中化管理。同時能夠更加方便高效地完成對廠內機動車的巡檢任務。有效避免在巡檢過程中出現的漏檢現象，減少在巡檢過程中所耗費的工作時間，提高巡檢的工作效率。

（3）提升充電安全性能。對電瓶車輛統一集中化充電，工班人員能夠定期巡查充電情況，確保每輛電瓶車有效充電。同時在電瓶車滿電時可及時取下充電器，避免過充對電池的損傷，或者由此引發的充電安全事故。

通過對廠內機動車充電設施管理系統實施效果的分析及研究，總結出電瓶車在充放電及使用過程中的一些維護建議，即在使用過程中需要做到隨放隨充的狀態，保持蓄電池長期處于滿電狀態能有效地保持蓄電池的容量和增加使用壽命。鑒于工程車蓄電池組出現了硫酸鹽化的現象，提出以下維護使用建議：

（1）蓄電池組使用后應在24 h內給予補充電，具體充滿與否可參考充電電流低于3 A 后，再維持充電2～3 h即可視為已充滿電。

（2）車輛長時間未使用時，需要對蓄電池組電路進行斷開，防止永久負載消耗蓄電池組的電量，同時每15日應安排對蓄電池組進行一次補電。

（3）鑒于車輛蓄電池組有硫酸鹽化現象，可定期安排對車輛蓄電池進行均充模式充電16～24 h（原均充模式為每6個月使用一次，請調整至3個月一次，均充模式可有效改善蓄電池組的狀態）。

4 后續改進

后續將考慮從以下兩個方面進行改進：

（1）在原有基礎上加裝充電顯示器、通電指示燈和蜂鳴報警器。每臺充電器搭配一臺顯示器，安裝于充電箱上，從充電器中獲得電信號，反饋在顯示器面板上，及時反映當前的充電情況。同時安裝充電指示燈（考慮采用LED光源）與蜂鳴報警器。當廠內機動車正在充電時，充電指示燈亮綠色;當充滿電時，充電指示燈顯示紅色，同時蜂鳴報警器發出警報，提醒工作人員拔取充電器。沒進行充電時，燈光顯示器不亮燈。實現更加方便、直觀地看到系統中各充電器對應的廠內機動車的充電情況。判斷在充電中的各類廠內機動車是否充電完畢，以及充電時是否將電充進去。

（2）設計電池容量檢測系統。眾所周知，電瓶車輛在使用過程中由于工作環境溫度、不同的充放電電流、電池組自身放電、負載變化等原因導致發生電池老化，容量衰減的現象。有效的電池容量檢測系統（主要包括牽引蓄電池容量檢測系統優化對比、蓄電池容量核準、電池檢測裝置剩余電量驗證），可以有效分析電瓶車電池情況，及時更換低于80%電量的電池。同時隨著電瓶車電池電量的衰減，及時調整充放電時間，保證電池組處于最佳的工作狀態。

（3）增加均充模式。電瓶車輛的蓄電池采用串聯的方式組合，那么在實際使用過程中，不可避免地會出現電池容量不均衡或者不均衡趨勢的問題，究其原因是因為單節電池或電池組可能出現電池、容量和溫度的差異。一旦某幾塊電池或者電池組出現容量的持續下降，則電壓也會降低;充電的過程中，這些電池將會比其他電池先充滿電，控制單元一旦檢測出充滿點的電池，將會停止充電，這就導致一部分電池長期處于未充滿電的狀態，不僅續航里程受影響，這部分長期未充滿電的電池內部活化不完全，導致出現結晶的情況，影響電池壽命。所謂均充模式，是在電池組充滿電后，仍進行電流極小的“涓流充電”。在此過程中，可以找出存在差異的電池或者電池組，對蓄電池進行活化充電，充電電壓將會提高。經過緩慢的均充模式后，電池組基本能達到均衡狀態，有利于增大電瓶車的續航里程和保護蓄電池。增加均充模式可以通過充電指示燈進行判斷[4]。在新的充電設施管理系統中加入顯示器顯示SOC變化、充電功率，并且增加“均充中”指示燈。當正常充滿電后，均充指示燈亮起，自行設置充滿后的持續充電時間（大約控制在5～10 h）。

5 結語

優化后的充電設施系統可以滿足廠內叉車、電瓶車的充電需求，不再只局限于單次機動車的充電需求，可以對多輛叉車、電瓶車同時進行充電。有效地解決了廠內機動車在使用率上嚴重不足，以及充電效率低下的問題。優化后的充電設施系統在充電效率上提升50%以上。同時對獨立的充電器設置獨立的隔離開關，這在一定程度上就杜絕了危險的發生，極大程度地降低了安全隱患的出現，同時也解決了無人看守的問題。為廠內機動車安全高效的充電保駕護航。由于整體工裝結構簡單，可根據存放充電器的不同而進行編組改造，以適應充電需求不同的各類廠內機動車，可供廈門地鐵的其他部門參考。

參考文獻

[1]鄧焰.蓄電池電力工程車可行性分析[J].電力機車與城軌車輛，2013（6）：75-77.

[2]彭曉松.牽引用鉛酸蓄電池的檢測技術探討[J].電器工業，2005（9）：50-51.

[3]鄧虹輝，張彥華，王敏，等.電動工程車牽引蓄電池的壽命分析及使用維護[J].技術與市場，2014（7）：36-38.

[4]吳利軍.淺談閥控鉛酸蓄電池充放電技術[J].電氣技術與經濟，2018（6）：8-10.