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电动自行车充电器电气火灾保护装置的设计

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标签: 电气火灾保护电动自行车充电器

为了预防电动自行车充电器引发的电气火灾,设计了电动自行车充电器电气火灾保护装置。对该装置的电池极性反接保护电路、充电控制电路、充电电压、电流检测电路的工作原理进行了分析,并采用单片机设计了该保护装置。首先,根据统计数据,介绍了电动自行车充电器电气火灾的主要原因。然后,针对火灾原因,设计了电动自行车充电器电气火灾保护装置的架构形式和相关电路,制定了系统的软件设计方案。设计的保护装置能够防止充电时电池反接引起的充电器烧毁引起火灾,能够通过监测充电电压控制电池充电,防止由于过充导致电池热失控而引起的火灾。

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电动自行车充电器电气火灾保护装置的设计 李小白 1 1公安部沈阳消防研究所 沈阳 110034 摘要:为了预防电动自行车充电器引发的电气火灾,设计了电动自行车充电器电气火灾保护装置对该装 置的电池极性反接保护电路充电控制电路充电电压电流检测电路的工作原理进行了分析,并采用单 片机设计了该保护装置首先,根据统计数据,介绍了电动自行车充电器电气火灾的主要原因然后,针 对火灾原因,设计了电动自行车充电器电气火灾保护装置的架构形式和相关电路,制定了系统的软件设计 方案设计的保护装置能够防止充电时电池反接引起的充电器烧毁引起火灾,能够通过监测充电电压控制 电池充电,防止由于过充导致电池热失控而引起的火灾 关键词:消防电气火灾保护电动自行车充电器电池反接保护 1 引言 电动自行车由于具有省力经济便利等优点成为人们短途出行的主要交通工具据中国自行车工业协会 统计近年来国内电动自行车年产量均超过了 3000 万辆,截至 2014 年 7 月份社会保有量达到 18 亿辆 随着电动自行车保有量的增加,由电动自行车引发的火灾越来越多造成的危害也越来越严重12011 年 4 月 25 日北......

电动自行车充电器电气火灾保护装置的设计 李小白 1 (1.公安部沈阳消防研究所, 沈阳 110034) 摘要:为了预防电动自行车充电器引发的电气火灾,设计了电动自行车充电器电气火灾保护装置。对该装 置的电池极性反接保护电路、充电控制电路、充电电压、电流检测电路的工作原理进行了分析,并采用单 片机设计了该保护装置。首先,根据统计数据,介绍了电动自行车充电器电气火灾的主要原因。然后,针 对火灾原因,设计了电动自行车充电器电气火灾保护装置的架构形式和相关电路,制定了系统的软件设计 方案。设计的保护装置能够防止充电时电池反接引起的充电器烧毁引起火灾,能够通过监测充电电压控制 电池充电,防止由于过充导致电池热失控而引起的火灾。 关键词:消防;电气火灾保护;电动自行车充电器;电池反接保护 1 引言 电动自行车由于具有省力经济便利等优点成为人们短途出行的主要交通工具。据中国自行车工业协会 统计近3年来国内电动自行车年产量均超过了 3000 万辆,截至 2014 年 7 月份社会保有量达到 1.8 亿辆。 随着电动自行车保有量的增加,由电动自行车引发的火灾越来越多造成的危害也越来越严重[1]。2011 年 4 月 25 日北京市大兴区旧宫镇南小街三村一幢四层楼房内停放的电动三轮车电气故障引发火灾造成 18 人死 亡 24 人受伤。2012 年 5 月 10 日昆明市官渡区关上街道办事处双凤社区万德村3号商铺内的电动车充电 器输出线路短路引发火灾造成6人死亡[2]。电动自行车引发的火灾多发在夜间,不易早期发现,严重威胁 了人民生命财产安全。如何对电动汽车引发的火灾进行防控,得到了消防管理部门的高度重视。 电动自行车火灾原因调查和统计数据分析表明:电动自行车的火灾基本都为电气火灾,且 90%以上发 生在充电过程中。因此,对电池的充电过程进行电气火灾保护能够有效地防止电动自行车电气火灾的发生。 本文根据引发电动自行车电气火灾的主要原因,设计了电动自行车充电器电气火灾保护装置。该装置具有 防止电池反接功能,通过监测充电电流对电动自行车进行充电管理,能够有效防止电动自行车充电器的电 气火灾。 2 电动自行车充电过程电气火灾原因分析 2.1 电池反接导致充电器烧毁引起火灾 目前我国电动车行业采用的电池多数为铅酸蓄电池,其适用的充电器多为开关电源式充电器,即所谓 三段式充电器,具有恒压、限流和浮充的功能[2]。充电器执行国家标准为 GB 4706.18-2014《家用和类似 用途电器的安全 电池充电器的特殊要求》和 GB 4706.1-2005《家用和类似用途电器的安全 第 1 部分: 通用要求》。标准中规定充电器应具有过载保护功能和短路保护功能,没有规定电池极性反接保护功能, 电动自行车使用的充电器电路也大多不具备该功能,仅通过电池充电插头的形状防止电池极性反接。但是, 充电器长时间使用后,其充电插头发生磨损,形状发生变化,无法起到防止电池极性反接的作用。因此, 电池充电时极性反接的情况时有发生。 图 1 反激式开关电源输出电路原理图 图 1 为开关电源的输出回路原理图。整流二极管 D2,电容 C7、C8、C21,电感 L2 组成了整流滤波电 路,F1 为短路保护保险。正常充电时,接线端子 P2 的 1 脚连接电池正极,2 脚连接电池负极,开关电源 对电池充电。电池反接时,P2 的 1 脚连接电池负极,2 脚连接电池正极,电池与开关变压器的次级线圈 L2、整流二极管 D2、电感 L2、短路保护保险 F1 构成了回路,开始放电。如果此时电池的电量较低,回路 中的电流不高于短路保险的保护电流,保险丝 F1 不会熔断。但是,整流二极管 D2 和开关变压器次级线圈 会产生高温,容易引燃充电器外壳,造成火灾。 2.2 电池长时间过冲造成电池热失控引起火灾 电动自行车大多采用阀控式铅酸蓄电池。阀控式铅酸蓄电池充电时内部产生的氧气流向负极,氧气在 负极板处使活性物质海绵状铅氧化,并有效地补充了电解而失去的水。由于氧循环抑制了氢气的析出,而 且氧气参与反应又生成水。这样虽然消除了爆炸性的气体混合物的排除问题,但是这种密封使热扩散减少 了一种重要途径,而只能通过电池壳壁的热传导作为放热的唯一途径,容易引起电池发热。 热失控是指蓄电池在恒压充电时电流和电池温度发生一种积累性的增强作用并逐步损坏。电动自行车 多采用恒压充电方式,电池充满电量时,充电电压并没有降低,仍采用较高的浮充电压进行充电。长期用 较高的浮充电压对蓄电池充电会出现严重的容量下降进而导致热失控。很多电动自行车在夜间充电,蓄电 池过冲时间达 4~8 小时,容易造成由于热失控导致电池温度过高,引燃可燃物。 3 电动自行车充电器电气火灾保护装置 3.1 原理分析 通过分析电动自行车充电过程中电气火灾原因,如果充电时能够防止电池极性反接,同时对电池的充 电电压进行控制,降低电池的浮充电压,就可以有效地降低电动自行车充电过程中电气火灾发生的概率。 图 2 电动自行车充电器电气火灾保护装置框图 图 2 是电动自行车充电器电气火灾保护装置的原理框图。该装置以单片机为核心控制单元,与相应的 外围控制电路配合完成充电电压、电流采集、PWM 充电控制、防止电池极性反接和报警显示功能。 电动自行车充电器通过 DC/DC 转换电路,将充电器的输出电压转换为单片机的工作电压,为单片机系 统供电。防止极性反接监控电路对蓄电池的连接极性进行监控,并将监控信号反馈给单片机,当蓄电池发 生极性反接时,单片机控制充电电路停止对电池充电,并发出报警信号。当电池正确连接时,电池电压采 集电路将电池电压反馈给单片机,单片机通过采集到的电池电压判断电池电量是否充满。当电池电量充满, 对电池浮充时,通过充电控制电路,降低充电电压对蓄电池进行充电,并控制浮充时间。显示电路能够显 示电池的电压及充电状态。 3.2 电路设计 图 3 为电动自行车充电器电气火灾保护装置中充电控制电路的原理图。该电路采用 PWM 技术控制电池 的充电电压,通过控制继电器的方式防止电池反接,充电过程中能够对电池的充电电压、充电电流进行实 时采集,从而判断电池的状态。该电路具有以下特点: 1. 电池反向连接时,切断电池充电回路,从而实现电池反向连接保护。 2. 利用脉宽调制技术充电,效率高,发热少。 3. 充电过程中通过电池的充电电压、充电电流,判断电池的充电状态,可实现分段充电。 4. 单片机实时采集电池的电压和电流信号,能够判断电池的工况,有效防止电池内部损坏引起的充 电电流异常。 图 3 充电控制电路原理图 电路中的 DC+、DC-为充电器电源输出端,提供电能,对电池充电。同时,充电器也是保护装置的电 源,通过 DC/DC 变换电路,为电路中的单片机、运算放大其等电子元件供电。由于本电路中运算放大器的 输入电压信号有正电压,还有负电压,因此运算放大器需要双电源供电。 电路中电阻 R1,电容 C1、C2,电感 L1 构成了滤波电流,D1 为续流二极管。 电阻 R3、R4,三极管 Q3,继电器 K1,二极管 D2 构成了防止电池反接电路,其功能简介如下: 三极管 Q3,电阻 R3、R4 构成了继电器 K1 的驱动电路,电阻 R3、R4 串联连接到充电器的电源,通过 调整电阻 R3、R4 的阻值可以设置三极管 Q3 的基极电压。继电器 K1 的线圈作为三极管 Q3 的负载,当电池 正确连接时,三极管 Q3 导通,继电器吸合,接通充电器与电池之间的回路。当电池反向连接时,无法激 励三极管 Q3,继电器保持打开状态,充电回路与电池断开。 单片机产生的 PWM 信号通过电阻 R5、R6,三极管 Q1、Q2,调整充电回路的电压,实现调压充电。 运算放大器 U2D,电阻 R11、R12、R13、R14、VR2,稳压管 D3 构成了电池电压及充电电压的采集电路, 将电压信号传送给单片机。设运算放大器的正电源电压为 Vcc+,电池端电压为 Ubat,单片机 AD 输入端口 的电压信号为 UAD1,通过分析可知,电压转换公式如下: 电阻 R2 为充电电流的取样电阻,将电流信号转换为电压信号。运算放大器 U2A,电阻 R7、R8、R9、 R10、VR1,稳压管 D4 构成了电池充电电流的采集电路,将电流信号传送给单片机。设运算放大器的正电 源电压为 Vcc+,电池充电电流为 Ic,单片机 AD 输入端口的电压信号为 UAD2,通过分析可知,电流转换公式 如下: 图 4 单片机控制电路原理图 图 4 为单片机控制电路的原理图,本设计中采用 PIC18f258 作为为主控芯片。采用 LED 指示灯和数码 管静态方式显示电池状态信息,采用蜂鸣器发出报警声信号。PIC18f258 单片机具有 AD 转换功能,其数 字精度为 10bit,能够满足本设计电压采集和电流采集的要求。同时,PIC18f258 还具有 10bit 的 PWM 发 生器,利用此功能可以方便地控制电池的充电电压。 3.3 软件设计 电动自行车充电器电气火灾保护装置以 PIC18f258 单片机为控制核心,通过采集电池的电压信号或充 电电压信号,以及充电电流信号,判断电池的充电状态及工况,单片机通过发出 PWM 信号控制电池的充电 电压,以实现不同充电阶段的充电控制。 保护装置工作时,单片机通过采集电池的电压信号,判断是否有电池接入充电电路,进而决定是否发 出 PWM 信号为电池充电。当电池正常连接时,单片机会监测到电池的端电压,通过计算电池端电压的大小 判断电池是否需要充电。当电池电量不足,电压降低时,单片机发出 PWM 信号,控制充电回路为电池充电。 在电池充电过程中,单片机采集充电电流信号,计算充电电流的大小,通过充电电流的大小判断电池 所处的充电状态。电池初始充电时,其充电电流较大,随着电池电量的增加,充电电流会逐渐减小。保护 装置以充电电流作为输入,判断电池充电过程中的工况;以充电电压作为输入,控制 PWM 信号的脉宽,实 现充电电压的实时调整。当电池进入浮充状态时,开始计时,浮充时间达到 2 小时后,停止输出 PWM 信号, 充电器停止充电。同时,实时监测电池的端电压,当端电压下降需要充电时,发出 PWM 信号,开始充电。 图 5 软件流程图 4 结论 电动自行车充电器电气保护装置在使用中,将充电器接入保护装置,保护装置的输出连接蓄电池。在 保护装置内部集成了电池防反接电路,电压、电流采集电路,PWM 控制电路。单片机通过分析充电电流, 实现了对电池不同充电阶段的充电电压控制。 保护装置能够防止由于电池反接引起的充电器过热以及电池长时间过冲中热失效而导致的电气火灾。 [1]亓延军.电动自行车起火原因与预防对策[J].消防科学与技术,2014,33(12):1472. [2]王 刚,张万民.电动车充电过程起火原因分析及技术防范措施[J].消防科学与技术,2014,31(12):1376. 参考文献
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