电动自行车云智能安全充电监测管理研究

■ 严晓龙 浙江省消防救援总队

■ 裘美丽 韩全军 杭州汇点网络科技有限公司

电动自行车作为城镇居民短途出行的主要交通工具之一，是以铅酸蓄电池或锂电池为动力能源，配置有驱动电机、控制器等操纵部件和显示仪表系统的机电一体化交通工具。电动自行车的广泛使用带来了充电起火、短路等多种安全问题，公安部2018 年发布《关于规范电动车停放充电加强火灾防范的通告》，明确指出规范电动自行车停放充电行为，严厉查处违规停放充电行为，严禁在建筑内的共用走道、楼梯间、安全出口处等公共区域以及个人房间内为电动自行车充电[1]。随着城市人口、功能、规模不断扩大和建设的提速，现代化城市安全保障体系和安全发展示范城市建设推进需要，盛时中[2]提出了老旧小区乱象丛生，设施环境条件滞后等电动自行车安全管理难点。电动自行车数量的迅猛发展增加了大量的停放、充电需求，城中村及住宅小区是电动自行车的主要集中地，由于缺少与电动自行车数量相匹配的停放、充电配套设施，从而不规范充电导致充电过程起火问题。阮立等人[3]通过分析电动自行车充电过程起火原因以及技术防范措施，并提出充电过程起火主要原因包括充电回路线路及插接件短路、充电器起火特性、充电器内部故障等5 个原因。针对自行车充电过程发生自燃主要是因为电池接触不良、电气故障、直流电温度过高、电器件过热、直接短路造成，来艳利[4]运用事故树的分析方法对西安市发生的电动车自燃的火灾事故进行分析，确定电动自行车的安全隐患主要集中在电动自行车电气电路。共享电动自行车[5]、高校范围内电动自行车安全隐患[6]更为突出。

随着数字经济和互联网技术的发展，电动自行车充电过程朝着智慧、互联的方向转型。针对电动自行车充电过程进行实时范围监控，Palchaudhuri A[7]采用ZigBee 和GSM 通信方式建立针对微型电动车的安全充电监控系统，结合基于ARM 微控制器、8051 微控制器、ZigBee 和GSM 通信方式，同时可应用于微型纯电动汽车和混合动力汽车。Kornaros 等人[8-9]从在监控系统中电子控制节点可靠通信出发，以硬件防火墙防止来自不受信任的应用程序/ 固件的干扰和未经授权的访问。然而电动自行车充电接入的随机性同时增加了整个系统单纯依靠通信过程中的数据进行监控的难度，Popovich N[10]以加州萨克拉门托地区电动自行车使用者的充电行为特点为例，对电动自行车作为可持续交通工具的可能性进行分析。电动自行车的使用者范围广、受众面广，采用集中式充电桩充电能够提高充电安全性，且能够使充电过程监控成为可能。

综上所述，目前针对电动自行车集中充电的远程监控难以精确到每一辆电动自行车，在接入电动自行车数量过多时，偶发性的个别充电故障可能造成整个充电系统的故障，甚至造成充电火灾等严重问题。针对一系列问题，本文提出一种电动自行车云智能安全充电监测管理方法与系统，通过智能终端采集数据在物联网传输至云智能安全充电监测管理系统实现“点对点”远程监控管理，实现电动自行车充满、预约时间到达、电池故障、充电器故障、电池温度超高时自动断电，并可提供电动车车主、充电车辆、充电电量、区域分布等数据，用于规范电动车充电行为从而预防火灾隐患。

一、系统设计的需求指标

针对每一辆电动自行车在集中式充电站进行充电的情况，就需要将每一辆电动自行车独立地视为一个监控对象。通过智能终端采集充电过程数据，再将充电过程数据A/D 转换后通过物联网传输至云智能安全充电监测管理系统。

通过市场调研，针对电动自行车集中式充电的技术指标进行系统分析后，主要包括：

（1）可露天安装，防尘、防水等级至少IP54；

（2）可自适应36V、48V、60V 和72V 20Ah 以内的铅酸电池或锂电池；

（3）可覆盖所有安装环境，包括出租房、居民区、公共场合等一切存在电动车火灾隐患的场所；

（4）设备实时在线联网，系统可远程维护、升级，实现24 小时不间断的监控管理；

（5）充满自动断电；

（6）预约时间自动断电；

（7）电池故障自动断电；

（8）充电器故障自动断电；

（9）实时监控管理充电器和电池温度，超过安全警戒线自动断电；

（10）电池浮充保护，降低铅酸电池电解液失水风险，延长电池寿命；

（11）该系统采集、整理、统计电动车真实充电数据，通过大数据对比分析筛选出潜在安全隐患车辆，为监管部门提供电动车险情分布热力图；

（12）用户会收到系统推送的警示信息，及时发现及时维修，排除险情。

二、云智能安全充电监测管理系统设计

云智能安全充电监测管理系统是由GL-CZD 系列智能充电终端、主控制机、通信设备、服务端系统、客户端系统（包括PC 客户端和移动客户端）等自下而上的五层结构组成（如图1）。在设备管理层中设置有多源数据采集设备，将设备管理层即采用多级防过流、防短路、防漏电、防雷、防过充、限流、防雨、高温报警、充电实时监控、异常自动判断自动断电、充满自动断电等安全保护措施。系统还能够提供客户（电动车主）、充电车辆、充电电量、区域分布等包括过程状态数据，将事前预防（主动防护）、事中监控（过程防护），事后补救（被动防护）的人防、技防和物防三防大融合。

图1 云智能安全充电监测管理系统五层结构

（一）电动自行车安全充电智能终端

电动自行车安全充电智能终端集成智能充电终端、主机、网关，对所监控管理设备采用了过流、短路、漏电、雷击、过充、浮充、高温等多级安全充电防范措施。实时监测模块将不同车主、不同电动车在充电过程中的状态数据进行实时反馈，基于Zigbee、Wifi、Lora、GPRS、Ethernets 构建互联网+物联网+人联网的大数据平台“三防一限八断电”，实现电动自行车充电环节火灾隐患数据实时监测功能。系统以电动车安全充电为基础，实现无人值守实时监控充电情况，每台设备同时设置有1 ～200 个电动自行车充电口，可根据客户需求进行个性化配置，电动自行车安全充电智能终端硬件如图2 所示。

图2 电动自行车安全充电智能终端硬件部分

（二）云智能安全充电监测管理软件系统

云智能安全充电监测管理软件系统采用B/S 构架，数据库设置于云平台服务器端，其中客户端包括但不仅限于PC 端和移动端服务系统，其中个性化应用业务内容包括业务服务（支持投币、刷卡、支付宝、微信和App 组合或独立支付模式）、二次清算、电量采集、电费核算和支付、设备监控、故障报警和远程维护、客户投诉远程处理、充电信息实时采集、统计分析、火灾隐患临界点自动断电、车主交互。在服务器端的数据服务包括但不仅限于充电用户、充电车辆、充电频次、充电电量、区域分布等大数据信息，为智慧城市、智慧消防、智慧充电综合应用提供事前预防、事中监控、事后补救的人防、机防和物防三防大融合。

三、云智能安全充电监测管理系统测试与应用

云智能安全充电监测管理系统基于GPRS、Ethernets技术，具有电动车安全充电精准管理功能；系统采用B/S网络结构模式，可在网络系统的任何一台工作终端上实时对区域内的电动车云智慧设备进行远程查询浏览、远程参数设定、监测和控制，便于信息共享、联网集约监控管理和对上级机关的信息联网上传，图3 为系统电动自行车云智能充电监控管理平台实时大数据界面。

图3 系统电动自行车云智能充电监控管理平台实时大数据界面

四、结语

本文提出了一种电动自行车云智能安全充电监测管理方法与系统，采用物联网采集充电终端充电数据，可远程监控管理，精准管理每一辆电动自行车充电过程中存在的安全隐患并及时采取措施以预防火灾发生。能够自适应36V、48V、60V 和72V 20Ah 以内的铅酸电池或锂电池的充电柔性需求，实时监控管理充电器和电池温度，超高温即可实现自动断电。针对电池浮充保护，降低铅酸电池电解液失水风险，延长电池寿命，能够和车主互动，温馨提醒车主充电安全情况，车主收到系统推送的警示信息，可及时发现及时维修，排除隐患。采集、整理、统计电动车真实充电数据，通过大数据对比分析筛选出存在安全隐患车辆，为监管部门提供电动车险情分布热力图。在后续的工作中，将深入研究方法与系统并将其应用于其他火灾隐患监测中。