馬戰(zhàn)寶 虎秀云

(1.河南交通職業(yè)技術學院,河南鄭州 450005;2.鄭州市第三中學,河南鄭州 450000)

基于延時繼電器的電動車充電器技改研究

馬戰(zhàn)寶1虎秀云2

(1.河南交通職業(yè)技術學院,河南鄭州 450005;2.鄭州市第三中學,河南鄭州 450000)

電動自行車、電動汽車都以可反復多次充電使用的蓄電池作為能源,如果充電不當,輕則導致能源浪費、縮短電池壽命,重則引發(fā)自燃、爆炸等災難性后果。對目前的充電器進行適當?shù)募夹g改造,運用延時繼電器可以根據(jù)設定的時間或特定信號觸發(fā)后一定時段后自動斷開電路的特性,實現(xiàn)定時/延時充電,從而達到節(jié)約能源、延長電池使用壽命、減少環(huán)境污染、最大限度地避免災害事件發(fā)生等效果。

電動車 定時充電 延時充電 節(jié)能 減災

1 技術背景

中國曾經(jīng)是自行車大國，那個年代，中國人把自行車作為交通工具而不是運動器材。人的天性是追求方便與舒適的，有了摩托車、電動車，耗費體力的自行車正在淡出交通工具行列。隨著電動自行車技術的不斷發(fā)展，電動自行車仿佛一夜之間遍布了全國各地的大街小巷。中國也從自行車大國變成了電動自行車大國。

電動車電池是電動車的能量來源，離不開經(jīng)常充電。不同品牌的電動車充電器電路會有所不同，但其基本原理都一樣，由交流輸入變壓、整流、穩(wěn)壓、充電電流檢測與顯示、直流輸出等功能模塊組成。

現(xiàn)有充電器工作過程一般為：電池欠飽和(不一定欠壓)后，連接交流電與電池，充電器進入正常工作——充電狀態(tài)，此時充電器上的“紅燈”亮起，經(jīng)過一段時間后，充電器上的“綠燈”亮起(即人們常說的“變燈”)，表示充電已經(jīng)完成，可以斷開交流電及與電池的連接，結束充電。

圖1 電動車電池充電電流-時間曲線

實際的充電過程要比上面看到的稍稍復雜一些，通過實測得到的充電電流與時間的關系數(shù)據(jù)見表1，其中36V舊電池并未完全放電，而48V新電池是在完全放電的情況下進行實測的。觀其對應的充電電流-時間曲線(如圖1所示)更容易看出不同充電階段電流變化規(guī)律，無論是圖1(a)還是圖1(b)均可以得出充電過程大致分為3個階段：①AB段，為快充階段，此階段充電電流在1600mA以上，時間長短與充電開始時電池放電情況相關，放電越徹底，此階段時間越長;②BC段，為即將充滿階段，此階段充電電流激劇下降，從1500mA下降到120mA左右，此階段大約持續(xù)2個小時，通常據(jù)說的“變燈”即在這個階段的結束處C點附近，實際上，這時電池已基本充滿;③CD段，為浮充階段，一般說來，電池充滿后再浮充1個小時左右對電池還是比較有益的，如果時間再長，則屬于過度充電(簡稱“過充”)了。這一階段充電電流維持在100mA上下，直到人為斷開充電器為止。如果因使用者忘記或其他原因長時間未能斷開，即會出現(xiàn)過充現(xiàn)象。

為防止電動車電池過充，可購買有定時供/斷電功能的插座，接在充電器交流輸入端，根據(jù)蓄電池的剩余電量事先設定好充電所需的時間，時間一到即自動切斷交流供電，結束充電，從而避免電池過充。

圖2 電動車充電器簡化示意圖

圖3 定時充電器示意圖

圖4 延時充電器示意圖

圖5 定時/延時充電器示意圖

表1 電動車電池充電電流-時間數(shù)據(jù)

2 現(xiàn)有技術的缺點

雖然電動車自帶的充電器一般都有所謂的“變燈”功能，提示充電基本完成，但由于使用者不可能每次都能及時斷開充電器，有時甚至因為種種原因長時間忘記拔掉充電器，而前述充電過程的CD段浮充不會自行終止，由此導致能源浪費、縮短電池壽命甚至引發(fā)自燃、爆炸等嚴重后果?？偟恼f來，現(xiàn)有的電動車充電器有缺點有：

(1)不利于節(jié)能減排。在全社會都在努力追求低碳生活氛圍下，電動車過度充電所造成的電能浪費是非常驚人的：以一個中等規(guī)模城市為例，假設有200萬輛電動車(這僅僅是鄭州市2012年底估計量)，每天有10%的(即20萬輛)電動車多充電1個小時(48V，100mA浮充)，全年所消耗的電能竟然可以達到30多萬度！而這些估計的數(shù)字還有可能過于保守。

(2)過度充電引發(fā)電動車自燃、電池爆炸誘發(fā)火災等事故頻發(fā)。百度“電動車充電爆炸”結果有1600多萬條，基本上天天都有發(fā)生;百度“電動車自燃”的結果也有200多萬條。2013年11月4日中央電視臺的《焦點訪談》專門播出一期名為《電動車的自燃之謎》的節(jié)目。電池爆炸多由過度充電直接導致，部分電動車自燃的原因也是過度充電。而充電引起爆炸或起火往往在夜間居多，又會因為不能被及時發(fā)現(xiàn)而導致的更大災難時常見諸各種媒體。

(3)嚴重影響電池壽命，加重環(huán)境污染。如果蓄電池充滿以后(變綠燈)長時間不能斷電，就會出現(xiàn)“過充”：進入電池發(fā)熱—加速水份流失—發(fā)熱加劇的惡性循環(huán)，最終導致電池鼓包，本來可以用2-3年的電池往往不到1年就不得不更換了。在廢舊電池回收處理機制尚很不完善的當下，棄用的蓄電池多數(shù)被粗放處理，其中的電解液及重金屬對環(huán)境污染危害極大。

(4)電動車充電增大現(xiàn)代人的生活壓力。雖然電動車給精通的工薪階層出行帶來了不少方便快捷，但需時時注意給其正常充電卻是一件比較麻煩的事，無形中給本已緊張的現(xiàn)代生活節(jié)奏徒增許多麻煩。

(5)使用定時供/斷電的插座雖然可以解決上述的問題，但問題是目前使用者并不多，除了相當一部分人對于“過充”認識不足、不以為意外，有的擔心自己購買的插座被人偷走，有的嫌其設置時間的方法比較麻繁等。

3 技改方案研究

運用延時繼電器控制充電的技術方案主要是在原電動車充電器的基礎上進行改進，使其實現(xiàn)定時充電——到時即停，延時充電——電池充滿后適當延時浮充再自動停止充電，定時/延時充電——定時與延時先到先停。

為表述方便，這里將電動車充電器簡化如圖2所示框圖。

3.1 定時充電

定時充電示意圖如圖3所示，在原充電器交流輸入端接入一個可以設置時間的延時繼電器KT1，延時時間設置2到10個小時。充電時只需連接交流電與蓄電池后根據(jù)電池剩余電量設置相應充電時間即可開始充電，時間一到則自動斷電，避免過充。基本相當于將定時器功能模塊移入充電器內部，但較之于使用定時器+充電器的方式來說，其最大的優(yōu)點是此處的延時繼電器KT1可直接斷開后面所有電路的供電，直到拔下前面插頭斷電后再次插入通電才可重新設置充電時間;另外，因為延時繼電器KT1集成于充電器內部，除了攜帶、使用方便外，更因其不易引起別人的注意而可避免被人偷走，如果能對充電器進行簡單保護(比如鎖在車框內或車座下)則更為穩(wěn)妥。

3.2 延時充電

定時充電方案具有容易實現(xiàn)、造價低廉等優(yōu)點，可其缺點是需要對電池的使用情況非常了解并且能夠根據(jù)電池剩余電量設置合適的充電時間，如果設置的時間長短不合適就可能引起過充或欠充，由此提出了延時充電方案。

延時充電示意圖如圖4所示，在原充電器交流輸入端設計接入一個延時繼電器KT2，延時時間固定為1個小時左右。與延時充電方案不同的是，KT2由原充電器的綠色指示燈提供一個觸發(fā)信號，當充電過程到達圖1中C點附近(即所謂的“變燈”)時才觸發(fā)其進入正式延時工作狀態(tài)，在此期間對蓄電池進行浮充，延時1小時左右即自動斷電，從而實現(xiàn)智能化避免電池過充。

3.3 定時/延時充電

延時充電方案具有使用方便、智能化等優(yōu)點，但其也有缺點，那就是如果電池由于性能下降或老化導致充電器長時間不“變燈”，即無法觸發(fā)KT2進入延時工作狀態(tài)繼而到時自動斷電，仍然很有可能引起電池過充、發(fā)熱、鼓包甚至爆炸起火，由此提出了定時/延時充電方案。

定時/延時充電示意圖如圖5所示，基本上是綜合了前兩個方案，延時繼電器KT1、KT2串聯(lián)接在原充電器交流輸入端，KT1的延時時間可人工設置2到10個小時，KT2延時時間固定為1個小時左右，并由原充電器的綠色指示燈提供一個觸發(fā)信號。充電時，連接交流電與蓄電池后根據(jù)電池剩余電量設置相應充電時間(這里時間可適當設置長一些)即開始充電，充電過程中，“變燈”觸發(fā)KT2后，延時浮充1個小時左右即自動斷電，如果由于各種原因未能“變燈”，到達KT1所設時間也會強行斷電，從而實現(xiàn)定時—延時自動斷電雙保險，最大程度地避免電池過充而帶來的能源浪費甚至災難性后果。

4 結語

使用基于延時繼電器的充電器，從經(jīng)濟效益方面來看，其優(yōu)點主要有節(jié)能減排、環(huán)保與減少災害性事件發(fā)生;從社會效益方面考慮，可以使充電過程更加人性化，減輕現(xiàn)代生活壓力。如果能夠得到相關部門的支持與推廣，對已有的充電器進行升級改造，同時要求充電器生產(chǎn)廠家增加相應功能，于國于民，功在當代，利在千秋。

[1]呂源.電動車使用保養(yǎng)小常識之電池充電器.電動自行車[J].2011.06：53-54.

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[3]singko.電動車充電器維修原理.百度文庫[EB/OL]. http：//wenku.baidu.com/view/9f5ce909763231126edb1191.html,2014.8.18.

[4]華大龍,楊國柱.一種電動自行車充電器的設計.科技信息[J].2009.27：472-473.

[5]羅正海.談談電動車充電器的四步維修法.電子技術與軟件工程[J],2014.04：166.

馬戰(zhàn)寶(1969.1—),男,回族,河南濟源人,河南交通職業(yè)技術學院 計算機碩士,副教授,從事計算機軟硬件開發(fā)、應用電子研究、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫應用研究;

虎秀云(1970.4—),女,回族,河南新密人,鄭州市第三中學 物理學學士,中學高級教師,從事中學物理教學與應用研究。