一種方便插拔的電動車防觸電安全充電插座設計＊

陶俊龍，周喜燕，強 璽

（南通職業大學機械工程學院，江蘇 南通 226007）

電動自行車由于舒適、方便、價廉、零排放等優點，成為被人們廣泛接受的常用交通工具。為了增加它的動力，電池大都采用48～72 V 及以上，已經超出了人體直流安全電壓36 V。不充電時插座上的電極柱裸露在外，一旦有金屬物體接觸充電口易造成電池短路并產生火花。近年來電動車充電口傷人的新聞報道屢見不鮮，大多是小孩玩耍時將硬幣、鑰匙等金屬異物插入充電插座內，造成電池短路，發生手部被灼傷等意外[1-2]。雖然目前部分電動自行車在充電口處增加了一些防護措施，但是效果并不理想，充電操作煩瑣，影響使用體驗。針對上述現象，本文對電動車充電插座進行了改進，設計了一款方便插拔的電動車防觸電安全充電插座，防止意外觸電、灼傷的同時，提高充電操作的便利性。

1 電動自行車充電保護措施分析

1.1 現有電動自行車充電保護措施

為了方便為電動車蓄電池充電，絕大部分電動自行車采用的是IEC60320 標準中的C14/13 接口，即常見的品字形結構。該結構最大的隱患就是插座內的電極柱暴露在外，且直接連接蓄電池的正負極，誤將導電材料插入充電口時，易造成短路，引發灼傷、火災等安全事故。為避免該隱患的發生，目前采用的保護措施主要包括結構保護和電路保護2 方面。

結構保護方面，常見的措施是在充電插座上增加彈性防護蓋，充電時需撥開防護蓋，單手操作不方便，防護效果一般，某些情況下反而會激發小孩的好奇心，插入手指或者金屬異物等，引發安全事故。還有部分電動車通過采用特殊結構的專用插頭插座進行防護，防護效果較好，但是其結構形式與主流充電插座相差甚遠，存在不通用的問題[3]，出行時需攜帶專用充電器，因此推廣起來較困難。

電路保護方面主要有以下幾種保護措施：①在充電插座正極到電池正極之間加裝切斷開關或者帶有探針的微動開關，不充電時關閉開關，插座正極不通電，從而起到保護作用[4]；②在充電插座正極到電池正極之間加裝1 根單向二極管，利用二極管正向導通、反向截止的單向導電特性，使電流不能回流到充電極柱上；③在電動自行車充電口部分中引入一個短路保護電路，對預防由于充電口短路引發的安全事故有一定的作用[5]。

1.2 存在的問題

以上保護措施均不能從本質上避免金屬異物進入插座，在實際使用中還存在一些問題。在結構設計方面，采用常見的加彈簧蓋的方法，保護效果不理想，一些保護措施中設計或采用的特殊結構的充電口，與傳統的標準插頭插座不能互換，給電動車的使用維修帶來了很多不便。在電路改造方面，增加的電路元器件自身耐疲勞性差，對使用工況有選擇性。頻繁充電使故障發生率增加，損壞之后更換不方便，增加了使用和維修的成本。利用單向導電原理的保護措施，不僅需要考慮散熱問題，還可能會影響充電器對蓄電池監測的準確性，造成無法正常的充電。另外，單向導電對于便攜式蓄電池不適用，也給應急情況下從電動自行車上取電造成了困難。

2 防觸電安全充電插座設計原則

方便插拔的電動自行車防觸電安全充電插座設計應滿足下列要求：①電動車不充電時，插座內的電極柱應與外界完全隔離，避免金屬物體插入插座造成意外接觸短路事故；②充電或者取電時應插拔方便，電極柱能順利露出，并與插頭緊密接觸、牢固可靠，同時不需要進行翻蓋、閉合開關等多余的操作；③保證合理的電氣間隙，即使插座內部進水或進入異物，也能避免意外灼傷的隱患；④電動車插頭插座屬于標準件，現有電動車插頭插座大多采用標準中規定的三端子結構，新設計的充電插座應與標準中的C13 插座的關鍵結構參數相同，從而避免使用時需更換插頭或充電器的情況，造成資源浪費。

3 防觸電安全充電插座結構設計

為了解決電動車充電口存在的安全問題，克服現有防觸電保護措施的不足，本文設計了一種方便插拔的電動車防觸電安全充電插座，其外觀如圖1 所示。該安全充電插座的本體部分結構尺寸與傳統C3 插座完全一致，在其內部增加輔助防護結構，充電口方便觀察，可以完全替換現有插座，使用時不需要更換原有配件的結構，具有廣泛的適用性。

圖1 方便插拔的電動車防觸電安全充電插座

3.1 新型防觸電結構工作原理

該新型安全充電插座采用伸縮式防護門設計，其結構展開圖如圖2 所示，利用鎖止開關上的圓柱銷來限制安全防護門的伸縮運動。非充電狀態下防護門將插座本體內部的電極柱與外界隔開，按壓其中一個鎖止開關或者其他部位，防護門不會被開啟；只有同時按壓2 個鎖止開關，防護門才可以縮進插座本體內部，露出電極柱，進入正常充電狀態。該方式可以有效避免誤將硬幣、鑰匙等異物插入插座內，從而提高充電插座的安全性能。

圖2 防觸電安全充電插座結構展開圖

3.2 伸縮式防護門設計

伸縮式防護門采用阻燃性塑料制作，內置于插座本體內，工作時沿插座內腔縱向移動，如圖3 所示。防護門上開設與電極柱位置對應的品字形孔，用于露出和隱藏電極柱。防護門的外側與插座本體端面平齊，因此插座外側無需設計固定支座，不用為對應插頭進行加長設計。防護門的內側上部設置有2 根相同的空心開口導向套，其內部安裝有鎖止開關以及壓縮彈簧1。導向套的末端設置了限位封頭，起到封閉壓縮彈簧1的作用，同時還起到防止防護門脫落的作用。導向套圓周上開設有螺旋形的槽子，用于鎖止開關上圓柱銷的旋轉導向。當鎖止開關軸向受力時，圓柱銷沿螺旋形槽改變方向。防護門的內側下部設置有1 根導向柱，其與安全充電插座尾部的導向套筒配合，套筒內安裝有壓縮彈簧2，起到插頭拔出后使防護門復位的作用。

圖3 伸縮式防護門工作示意圖

3.3 壓縮彈簧的選用

從圖3 中可以看出，防觸電安全充電插座內包含2組壓縮彈簧，壓縮彈簧1 用于鎖止開關的復位，壓縮彈簧2 用于防護門的復位。正常狀態下，插入插頭時應先使鎖止開關旋轉到相應位置，才能使防護門縮進殼體內部；拔出插頭時過程正好相反，先使防護門復位，再使鎖止開關復位。另外，充電時壓縮彈簧2 的壓力不能過大，否則插頭容易松動。由此可見，需對2組壓縮彈簧的參數進行合理的選擇才能滿足上述要求。查詢《簡明機械零件設計手冊》，2 組彈簧材料選用碳素彈簧鋼65Mn，規格為B 級。選取壓縮彈簧1的線徑為Φ0.2 mm，外徑為Φ3 mm，自由高度為6 mm；壓縮彈簧2 的線徑為Φ0.3 mm，外徑為Φ3.5 mm，自由高度為20 mm，其作用力滿足設計要求。

4 防觸電插座運動仿真分析

4.1 三維模型的構建

在SolidWorks 軟件建模環境下構建導柱式防觸電安全充電插座的三維數字化模型。防觸電安全充電插座包含的零件多數為專用件，且結構相對較常規，可通過拉伸、旋轉、抽殼等操作完成零件的建模。插座中的壓縮彈簧為通用件，根據設計參數，通過螺旋掃描功能完成建模。零件建模完成后，根據各零件間的裝配關系，在SolidWorks 裝配環境下，進行防觸電充電插座的裝配，爆炸后的結構如圖4 所示。

圖4 防觸電安全充電插座結構爆炸圖

4.2 運動仿真分析

運用SolidWorks 運動算例功能對導柱式充電插座內部的防觸電結構進行模擬運動仿真，驗證防觸電結構的打開和關閉過程，并根據仿真結果進行優化設計。采用SolidWorks 軟件的運動算例功能可以快速、便捷地反映機構的仿真運動、模擬圖形的運動及裝配體中部件的直觀屬性。

防觸電安全充電插座運動仿真分析的主要過程如下。

4.2.1 模型準備

打開構建好的充電插座裝配體模型，為方便觀察對裝配體中的零件進行渲染和透明化處理，將模型調整到合適的角度，為進行算例運算做準備，調整好的裝配體模型如圖5 所示。

圖5 調整好的裝配體模型

4.2.2 運動算例參數設置

點擊“運動算例2”按鈕展開運動算例界面，如圖6 所示。

圖6 運動算例界面

運用運動算例功能可以實現對裝配體運動的模擬、物理模擬以及Motion 分析，考慮到創新設計的充電插座結構小巧，承受的載荷較小且不單一，無需進行復雜的物理模擬和Motion 分析，因此主要進行防觸電結構的裝配體運動仿真，觀察其運動過程。

根據防觸電插座的工作原理，通過添加馬達驅動來控制防觸電結構的運動，另外通過鍵碼點的設置來確定結構中各零部件的運動順序。為了方便模擬，導柱開關的旋轉運動通過添加旋轉馬達來驅動，旋轉運動通過運動表達式來控制，如圖7 所示。其他運動部分的運動控制通過“時間線”區域的鍵碼點來設定。

圖7 導柱旋轉運動函數表達式

4.2.3 運動仿真動畫生成

完成參數設定后單擊“計算”按鈕，開始計算運動算例。計算完成后單擊“播放”按鈕，動態反映插座內部防觸電結構的運動過程。仿真運動表明，正常充電的情況下，防觸電結構可以順利打開，打開后的結構如圖8 所示，此時電極柱露出與插頭連接，開始充電；插頭拔出后，防觸電結構恢復到初始狀態，將電極柱與外界隔離。

圖8 防觸電結構打開狀態圖

5 結語

針對傳統電動自行車充電插座存在的安全隱患，參考現有電動車充電插座結構，以“安全性為主，操作方便為輔”為設計目標，設計了一種方便插拔的電動車防觸電安全充電插座，并對其工作時的運動過程進行仿真分析。該插座采用機械式結構設計，結構緊湊，可以有效防止意外觸電、灼傷等安全隱患。充電口方便觀察，避免了不必要的翻蓋、閉合開關等多余的動作，可以替換傳統電動自行車充電插座，提高了電動自行車充電的便利性，具有廣泛的適用性。