一种方便插拔的电动车防触电安全充电插座设计＊

陶俊龙，周喜燕，强 玺

（南通职业大学机械工程学院，江苏 南通 226007）

电动自行车由于舒适、方便、价廉、零排放等优点，成为被人们广泛接受的常用交通工具。为了增加它的动力，电池大都采用48～72 V 及以上，已经超出了人体直流安全电压36 V。不充电时插座上的电极柱裸露在外，一旦有金属物体接触充电口易造成电池短路并产生火花。近年来电动车充电口伤人的新闻报道屡见不鲜，大多是小孩玩耍时将硬币、钥匙等金属异物插入充电插座内，造成电池短路，发生手部被灼伤等意外[1-2]。虽然目前部分电动自行车在充电口处增加了一些防护措施，但是效果并不理想，充电操作烦琐，影响使用体验。针对上述现象，本文对电动车充电插座进行了改进，设计了一款方便插拔的电动车防触电安全充电插座，防止意外触电、灼伤的同时，提高充电操作的便利性。

1 电动自行车充电保护措施分析

1.1 现有电动自行车充电保护措施

为了方便为电动车蓄电池充电，绝大部分电动自行车采用的是IEC60320 标准中的C14/13 接口，即常见的品字形结构。该结构最大的隐患就是插座内的电极柱暴露在外，且直接连接蓄电池的正负极，误将导电材料插入充电口时，易造成短路，引发灼伤、火灾等安全事故。为避免该隐患的发生，目前采用的保护措施主要包括结构保护和电路保护2 方面。

结构保护方面，常见的措施是在充电插座上增加弹性防护盖，充电时需拨开防护盖，单手操作不方便，防护效果一般，某些情况下反而会激发小孩的好奇心，插入手指或者金属异物等，引发安全事故。还有部分电动车通过采用特殊结构的专用插头插座进行防护，防护效果较好，但是其结构形式与主流充电插座相差甚远，存在不通用的问题[3]，出行时需携带专用充电器，因此推广起来较困难。

电路保护方面主要有以下几种保护措施：①在充电插座正极到电池正极之间加装切断开关或者带有探针的微动开关，不充电时关闭开关，插座正极不通电，从而起到保护作用[4]；②在充电插座正极到电池正极之间加装1 根单向二极管，利用二极管正向导通、反向截止的单向导电特性，使电流不能回流到充电极柱上；③在电动自行车充电口部分中引入一个短路保护电路，对预防由于充电口短路引发的安全事故有一定的作用[5]。

1.2 存在的问题

以上保护措施均不能从本质上避免金属异物进入插座，在实际使用中还存在一些问题。在结构设计方面，采用常见的加弹簧盖的方法，保护效果不理想，一些保护措施中设计或采用的特殊结构的充电口，与传统的标准插头插座不能互换，给电动车的使用维修带来了很多不便。在电路改造方面，增加的电路元器件自身耐疲劳性差，对使用工况有选择性。频繁充电使故障发生率增加，损坏之后更换不方便，增加了使用和维修的成本。利用单向导电原理的保护措施，不仅需要考虑散热问题，还可能会影响充电器对蓄电池监测的准确性，造成无法正常的充电。另外，单向导电对于便携式蓄电池不适用，也给应急情况下从电动自行车上取电造成了困难。

2 防触电安全充电插座设计原则

方便插拔的电动自行车防触电安全充电插座设计应满足下列要求：①电动车不充电时，插座内的电极柱应与外界完全隔离，避免金属物体插入插座造成意外接触短路事故；②充电或者取电时应插拔方便，电极柱能顺利露出，并与插头紧密接触、牢固可靠，同时不需要进行翻盖、闭合开关等多余的操作；③保证合理的电气间隙，即使插座内部进水或进入异物，也能避免意外灼伤的隐患；④电动车插头插座属于标准件，现有电动车插头插座大多采用标准中规定的三端子结构，新设计的充电插座应与标准中的C13 插座的关键结构参数相同，从而避免使用时需更换插头或充电器的情况，造成资源浪费。

3 防触电安全充电插座结构设计

为了解决电动车充电口存在的安全问题，克服现有防触电保护措施的不足，本文设计了一种方便插拔的电动车防触电安全充电插座，其外观如图1 所示。该安全充电插座的本体部分结构尺寸与传统C3 插座完全一致，在其内部增加辅助防护结构，充电口方便观察，可以完全替换现有插座，使用时不需要更换原有配件的结构，具有广泛的适用性。

图1 方便插拔的电动车防触电安全充电插座

3.1 新型防触电结构工作原理

该新型安全充电插座采用伸缩式防护门设计，其结构展开图如图2 所示，利用锁止开关上的圆柱销来限制安全防护门的伸缩运动。非充电状态下防护门将插座本体内部的电极柱与外界隔开，按压其中一个锁止开关或者其他部位，防护门不会被开启；只有同时按压2 个锁止开关，防护门才可以缩进插座本体内部，露出电极柱，进入正常充电状态。该方式可以有效避免误将硬币、钥匙等异物插入插座内，从而提高充电插座的安全性能。

图2 防触电安全充电插座结构展开图

3.2 伸缩式防护门设计

伸缩式防护门采用阻燃性塑料制作，内置于插座本体内，工作时沿插座内腔纵向移动，如图3 所示。防护门上开设与电极柱位置对应的品字形孔，用于露出和隐藏电极柱。防护门的外侧与插座本体端面平齐，因此插座外侧无需设计固定支座，不用为对应插头进行加长设计。防护门的内侧上部设置有2 根相同的空心开口导向套，其内部安装有锁止开关以及压缩弹簧1。导向套的末端设置了限位封头，起到封闭压缩弹簧1的作用，同时还起到防止防护门脱落的作用。导向套圆周上开设有螺旋形的槽子，用于锁止开关上圆柱销的旋转导向。当锁止开关轴向受力时，圆柱销沿螺旋形槽改变方向。防护门的内侧下部设置有1 根导向柱，其与安全充电插座尾部的导向套筒配合，套筒内安装有压缩弹簧2，起到插头拔出后使防护门复位的作用。

图3 伸缩式防护门工作示意图

3.3 压缩弹簧的选用

从图3 中可以看出，防触电安全充电插座内包含2组压缩弹簧，压缩弹簧1 用于锁止开关的复位，压缩弹簧2 用于防护门的复位。正常状态下，插入插头时应先使锁止开关旋转到相应位置，才能使防护门缩进壳体内部；拔出插头时过程正好相反，先使防护门复位，再使锁止开关复位。另外，充电时压缩弹簧2 的压力不能过大，否则插头容易松动。由此可见，需对2组压缩弹簧的参数进行合理的选择才能满足上述要求。查询《简明机械零件设计手册》，2 组弹簧材料选用碳素弹簧钢65Mn，规格为B 级。选取压缩弹簧1的线径为Φ0.2 mm，外径为Φ3 mm，自由高度为6 mm；压缩弹簧2 的线径为Φ0.3 mm，外径为Φ3.5 mm，自由高度为20 mm，其作用力满足设计要求。

4 防触电插座运动仿真分析

4.1 三维模型的构建

在SolidWorks 软件建模环境下构建导柱式防触电安全充电插座的三维数字化模型。防触电安全充电插座包含的零件多数为专用件，且结构相对较常规，可通过拉伸、旋转、抽壳等操作完成零件的建模。插座中的压缩弹簧为通用件，根据设计参数，通过螺旋扫描功能完成建模。零件建模完成后，根据各零件间的装配关系，在SolidWorks 装配环境下，进行防触电充电插座的装配，爆炸后的结构如图4 所示。

图4 防触电安全充电插座结构爆炸图

4.2 运动仿真分析

运用SolidWorks 运动算例功能对导柱式充电插座内部的防触电结构进行模拟运动仿真，验证防触电结构的打开和关闭过程，并根据仿真结果进行优化设计。采用SolidWorks 软件的运动算例功能可以快速、便捷地反映机构的仿真运动、模拟图形的运动及装配体中部件的直观属性。

防触电安全充电插座运动仿真分析的主要过程如下。

4.2.1 模型准备

打开构建好的充电插座装配体模型，为方便观察对装配体中的零件进行渲染和透明化处理，将模型调整到合适的角度，为进行算例运算做准备，调整好的装配体模型如图5 所示。

图5 调整好的装配体模型

4.2.2 运动算例参数设置

点击“运动算例2”按钮展开运动算例界面，如图6 所示。

图6 运动算例界面

运用运动算例功能可以实现对装配体运动的模拟、物理模拟以及Motion 分析，考虑到创新设计的充电插座结构小巧，承受的载荷较小且不单一，无需进行复杂的物理模拟和Motion 分析，因此主要进行防触电结构的装配体运动仿真，观察其运动过程。

根据防触电插座的工作原理，通过添加马达驱动来控制防触电结构的运动，另外通过键码点的设置来确定结构中各零部件的运动顺序。为了方便模拟，导柱开关的旋转运动通过添加旋转马达来驱动，旋转运动通过运动表达式来控制，如图7 所示。其他运动部分的运动控制通过“时间线”区域的键码点来设定。

图7 导柱旋转运动函数表达式

4.2.3 运动仿真动画生成

完成参数设定后单击“计算”按钮，开始计算运动算例。计算完成后单击“播放”按钮，动态反映插座内部防触电结构的运动过程。仿真运动表明，正常充电的情况下，防触电结构可以顺利打开，打开后的结构如图8 所示，此时电极柱露出与插头连接，开始充电；插头拔出后，防触电结构恢复到初始状态，将电极柱与外界隔离。

图8 防触电结构打开状态图

5 结语

针对传统电动自行车充电插座存在的安全隐患，参考现有电动车充电插座结构，以“安全性为主，操作方便为辅”为设计目标，设计了一种方便插拔的电动车防触电安全充电插座，并对其工作时的运动过程进行仿真分析。该插座采用机械式结构设计，结构紧凑，可以有效防止意外触电、灼伤等安全隐患。充电口方便观察，避免了不必要的翻盖、闭合开关等多余的动作，可以替换传统电动自行车充电插座，提高了电动自行车充电的便利性，具有广泛的适用性。