一种基于丁丁充电柜的电动自行车智能安全充电装置的制作方法

本实用新型涉及充电技术领域，具体为一种基于丁丁充电柜的电动自行车智能安全充电装置。

背景技术：

伴随着互联网行业的飞速发展，网络订餐以及网上购物已成为人们日常生活中不可或缺的一部分，这类行业衍生了大量的骑手和快递员，而电动自行车以其节能、环保、便捷的优势，已成为邮政、物流、外卖等行业的必备交通工具。然而电动自行车带来便利的同时，也带来了安全隐患。

近年来，电动自行车在充电过程中发生自燃的案例频发，造成人员伤亡和财产损失事故，各地政府部门也相继发出了加强电动自行车充电火灾防范工作的通知及文件，要求统筹推进电动自行车集中停放和充电设施建设，严格规范电动自行车停放和充电管理。

对于送餐及快递行业及没有配套建设电动自行车停车棚的社区、园区和商业楼宇，待解决的安全隐患是站点电瓶集中充电的消防安全问题。近年来，一些项目试图对电动自行车充电进行智能化改造，但受困于一些技术瓶颈，如：仅限于支付环节的优化，将投币插座升级为扫码插座，在电池管理、电源管理等关键领域无能为力；无法完成真正的智能化，无法集成充电模块，无法消除劣质充电器带来的隐患；防尘防水性能不达标，无法真正做到户外安全充电。针对该问题，我们提出了“基于丁丁充电柜的电动自行车智能安全充电装置”，专用于为外卖、快递等物流垂直领域提供电池的存储和安全充电解决方案。丁丁充电柜，掌握了智能识别电池、自适应动态控制电源核心技术，支持给不同类型、规格的电动车电池安全充电，同时又能够识别出电池规格参数，在准确识别的基础上，自适应输出电压、电流，动态调整电源参数，识别电池充满，自动断电。丁丁充电柜，定位在引领户外公共充电新模式，防雨防雷，全天候使用，可因地制宜，户外摆放，解决了搭建雨棚等物业困扰，用公共充电柜取代传统充电设备，从源头上消除电动自行车充电火灾隐患。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于丁丁充电柜的电动自行车智能安全充电装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于丁丁充电柜的电动自行车智能安全充电装置，包括充电柜装置、网络云服务器和app/web端，所述充电柜装置作为应用实体，主要负责充电智能管理和控制，充电柜装置内部设置有多个充电仓，充电柜装置通过gprs无线通信方式与网络云服务器建立连接；网络云服务器作为应用数据的中转站，负责转发、计算和存储大数据功能；app/web端作为面向客户的重要应用接口，以网络云服务器为数据后台，将充电柜的应用进行远程可视化管理，实现远程操控、监管和智能化提醒服务；

充电柜装置与网络云服务器双向电连接，网络云服务器与app/web端双向电连接，app/web端输出端与充电柜装置的输入端连接；

每仓内具有一个充电回路，由灭弧式电气防火保护模块保护充电回路不受危险性电火花的影响，由单片机主控模块控制各回路的开启和关断，同时通过a/d转换采集模块采集总路电压、电流、漏电流、功率、频率、电能、温度以及各充电仓内温度、回路的电流等数据，获取高精度电量数据，通过gprs无线通信模块在可调的频率下定时上传数据至网络云服务器中，对充电装置起到监测作用，若出现各种异常信号时，则立即将信号上传至网络云服务器，并以较快频率上传多次，保证信息实时有效传输。

其中充电柜装置内部设置有灭弧式电气防火保护模块、抗雷击浪涌emc电源防护模块、单片机主控模块、光电耦合与继电器驱动控制模块、总/分路电参量采集模块、a/d转换采集模块、4g无线通信模块、gps定位模块以及ble蓝牙通信模块；

a/d转换采集模块输出端与单片机主控模块的输入端连接，单片机主控模块通过ttl通信模块分别与gpps无线通信模块、gps定位模块以及ble蓝牙通信模块双向电连接；抗雷击浪涌emc电源防护模块的输出端与单片机主控模块的输入端连接；单片机主控模块的输出端通过i/o控制模块与光电耦合与继电器驱动控制模块的输入端连接；单片机主控模块通过rs485通信模块与灭弧式电气防火保护模块双向电连接，单片机主控模块通过spi通信模块与总/分路电参量采集模块双向电连接。

优选的，所述灭弧式电气防火保护模块用于实现灭弧式切电功能，对因线路老化、雨天进水或违规操作等引起的电火花准确捕获，做出判断，进而及时切断电源，保护线路安全。

优选的，抗雷击浪涌emc电源防护模块为充电柜装置提供干净、稳定可靠的工作电源。

emc电源防护电路的设计通过了各类emc干扰设备的考验，有效保证充电柜装置不会因恶劣环境的影响而停止工作或异常运行。

优选的，单片机主控模块负责充电柜装置所有重要数据信息的采集和管理，其与灭弧式电气防火保护模块、4g无线通信模块、gps定位模块以及ble蓝牙通信模块以串口通信方式建立连接，定时、高效进行数据交互，保证各类数据信息的实时性。

优选的，光电耦合与继电器驱动控制模块包括充电仓控制模块、充电控制模块以及自动灭火控制模块；

其中充电仓控制模块用于充电柜的各仓门的开启控制；充电控制模块为充电柜的各仓内交流电源输出的开、关控制；自动灭火控制模块为充电柜的各仓内灭火器管道喷头的开、关控制，光耦器件具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力，其和继电器连接，由单片机主控模块输出控制信号，经光电耦合器件，驱动继电器的开、关状态，进而实现充电仓控制、充电控制，以及自动灭火控制的应用。

优选的，总/分路电参量采集模块用于实现对充电柜装置总路电压、电流、功率、频率、电能的采集以及对各充电回路进行电流的采集。

总/分路电参量的采集均使用高精度集成电能芯片，与单片机通过spi方式进行通信，实现重要电参量数据的实时、高效、稳定更新。

优选的，a/d转换采集模块用于总线路的漏电流以及各充电回路温度模拟量的采集。

a/d转换采集模块采集的模拟量信号接入单片机主控模块的a/d接口，由单片机主控模块完成信号的接收和计算，进而得到高精度的漏电流和温度数据。

优选的，4g无线通信模块用于充电柜装置的gprs无线通信功能，4g无线通信模块与单片机主控模块通过串口连接进行数据交互。

优选的，gps定位模块用于充电柜装置坐标的精确定位，gps定位模块支持bds/gps/glonass/galileo/qzss/sbas多系统联合定位和单系统独立定位，gps定位模块与单片机主控模块通过串口连接进行数据交互，运行期间以固有频率将实时采集到的数据信息传递至单片机主控模块中，供单片机主控模块解析坐标数据。

ble蓝牙通信模块是继gprs远程充电应用操控方式外，为充电柜所提供的另一种无线操控功能。当充电柜装置内的gprs无线通信模块出现异常时，或所处环境gprs信号极弱的情形下，导致充电用户无法进行正常的微信扫码充电应用时，此时具备使用权限的管理员用户可开启手机蓝牙功能，打开微信，扫描充电柜上的二维码，选择蓝牙开柜功能，将已放入充电柜仓内的电池取出，以免耽误充电用户的使用需求。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.设置有灭弧式电气防火保护模块，当充电回路发生短路或出现危险性电弧时，其特有的灭弧式短路保护技术和故障电弧检测技术能够从源头上杜绝火灾事故，让充电更安全。

2.充电柜装置提供更全面的监管平台，终端用户可通过添加微信公众号的方式进行查询、充值并接收充电完成与否、是否断电以及断电原因的提示信息；合作代理商可通过app/web端平台对经营区域内的充电柜装置进行监管及结算，移动化多样化的监管载体，让用户更方便、更省心。

3.充电柜装置具有多个独立充电回路，每一个充电回路都具有独立可配置的安全功率允许范围，可支持不同类型电动自行车充电器用户的使用需求。

4.充电柜装置具有多重智能化充电保护功能，首先，各充电回路接线端子具有温度传感器，能够检测该回路所处pcb板载环境温度，当该回路充电电流异常时，检测温度升高，达到报警值时，充电柜装置将立即推送报警信息至云服务器，在报警未解除条件下，多次上传数据，以保证报警数据有效上传至云服务器，起到远程警示作用；其次，各充电仓内具有多达3路不同监测点位的温度传感器，能够准确检测充电仓内环境温度，当充电过程中发生异常，导致环境温度升高而达到报警值时，充电柜装置将立即推送报警信息至云服务器，且具备一定后将启动灭火系统，对发生火灾报警的充电仓单独进行灭火操作；再次，当充电回路在充电过程中发生过载时，充电柜装置能够及时有效检测电流，因过载电流有大有小，关断通道的时间也应不同，根据所测电流，准确计算出关断通道的时间，并在时间到达时立即关断充电通道，并立即上传关断通道数据信息至网络云服务器，app/web端则有效收到具体通道电流过载信息推送；最后，充电柜装置设有总路漏电流检测功能，当检测到总线路漏电流异常而达到报警值时，根据需要能够自动断开所有正在充电中的通道，并立即上传漏电流报警信息至云服务器，最大程度上保护充电线路不受影响。

5.充电柜装置和网络云服务器之间的数据交互以充电柜主动上报的方式进行，正常运行条件下定时几分钟上传，不浪费流量，报警条件下则立即上传并定时快速上传，最大程度上保证信息推送的及时可靠性。

6.gps定位模块，能够提供精确的坐标信息，方便用户找到距离最新的充电柜，并提供地图导航功能。ble蓝牙通信模块，作为一种备用通信机制，在gprs无线通信模块出现功能异常，从而导致用户无法按正常流程远程操控充电仓的情形下，蓝牙通信将为用户提供操控渠道。

附图说明

图1为本实用新型整体的结构示意图；

图2为本实用新型充电柜装置内部结构示意图；

图3为本实用新型充电装置的工作流程示意图；

图4为本实用新型充电装置充电进行自动断电保护的软件工作流程图；

图5为本实用新型充电装置充电进行过载保护的软件工作流程图；

图6为本实用新型充电用户使用流程示意图；

图7为本实用新型管理员用户使用流程示意图；

图8为本实用新型emc电源防护电路图；

图9为本实用新型单片机主控模块电路图；

图10为本实用新型光电耦合与继电器驱动控制模块与a/d转换采集模块电路图；

图11为本实用新型总路电参量采集模块电路图；

图12为本实用新型分路电参量采集模块电路图；

图13为本实用新型4g无线通信模块电路图；

图14为本实用新型gps定位模块电路图；

图15为本实用新型ble蓝牙通信模块电路图。

图中：1、充电柜装置；101、灭弧式电气防火保护模块；102、抗雷击浪涌emc电源防护模块；103、单片机主控模块；104、光电耦合与继电器驱动控制模块；105、总/分路电参量采集模块；106、a/d转换采集模块；107、4g无线通信模块；108、gps定位模块；109、ble蓝牙通信模块；2、云服务器；3、app/web端。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1、请参阅图1-15，本实用新型提供一种技术方案：一种基于丁丁充电柜的电动自行车智能安全充电装置，包括充电柜装置1、网络云服务器2和app/web端3，所述充电柜装置1作为应用实体，主要负责充电智能管理和控制，充电柜装置1内部设置有多个充电仓，充电柜装置1通过gprs无线通信方式与网络云服务器2建立连接；网络云服务器2作为应用数据的中转站，负责转发、计算和存储大数据功能；app/web端3作为面向客户的重要应用接口，以网络云服务器2为数据后台，将充电柜的应用进行远程可视化管理，实现远程操控、监管和智能化提醒服务；

充电柜装置1与网络云服务器2双向电连接，网络云服务器2与app/web端3双向电连接，app/web端3输出端与充电柜装置1的输入端连接。

其中充电柜装置1内部设置有灭弧式电气防火保护模块101、抗雷击浪涌emc电源防护模块102、单片机主控模块103、光电耦合与继电器驱动控制模块104、总/分路电参量采集模块105、a/d转换采集模块106、4g无线通信模块107、gps定位模块108以及ble蓝牙通信模块109；

充电柜装置应用4g无线通信方式，其具有广域覆盖、永远在线、高速传输等优势，不必担忧传输一帧数据量的大小，十分符合应用。

a/d转换采集模块106输出端与单片机主控模块103的输入端连接，单片机主控模块103通过ttl通信模块分别与gpps无线通信模块、gps定位模块108以及ble蓝牙通信模块109双向电连接；抗雷击浪涌emc电源防护模块102的输出端与单片机主控模块103的输入端连接；单片机主控模块103的输出端通过i/o控制模块与光电耦合与继电器驱动控制模块104的输入端连接；单片机主控模块103通过rs485通信模块与灭弧式电气防火保护模块101双向电连接，单片机主控模块103通过spi通信模块与总/分路电参量采集模块105双向电连接。

进一步的，所述灭弧式电气防火保护模块101用于实现灭弧式切电功能，对因线路老化、雨天进水或违规操作等引起的电火花准确捕获，做出判断，进而及时切断电源，保护线路安全。

进一步的，抗雷击浪涌emc电源防护模块102为充电柜装置1提供干净、稳定可靠的工作电源。

进一步的，单片机主控模块103负责充电柜装置1所有重要数据信息的采集和管理，其与灭弧式电气防火保护模块101、4g无线通信模块107、gps定位模块108以及ble蓝牙通信模块109以串口通信方式建立连接，定时、高效进行数据交互，保证各类数据信息的实时性。

进一步的，光电耦合与继电器驱动控制模块104包括充电仓控制模块、充电控制模块以及自动灭火控制模块；

其中充电仓控制模块用于充电柜的各仓门的开启控制；充电控制模块为充电柜的各仓内交流电源输出的开、关控制；自动灭火控制模块为充电柜的各仓内灭火器管道喷头的开、关控制，光耦器件具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力，其和继电器连接，由单片机主控模块103输出控制信号，经光电耦合器件，驱动继电器的开、关状态，进而实现充电仓控制、充电控制，以及自动灭火控制的应用。

进一步的，总/分路电参量采集模块105用于实现对充电柜装置1总路电压、电流、功率、频率、电能的采集以及对各充电回路进行电流的采集。

进一步的，a/d转换采集模块106用于总线路的漏电流以及各充电回路温度模拟量的采集。

进一步的，4g无线通信模块107用于充电柜装置1的gprs无线通信功能，4g无线通信模块107与单片机主控模块103通过串口连接进行数据交互。

进一步的，gps定位模块108用于充电柜装置1坐标的精确定位，gps定位模块108支持bds/gps/glonass/galileo/qzss/sbas多系统联合定位和单系统独立定位，gps定位模块108与单片机主控模块103通过串口连接进行数据交互，运行期间以固有频率将实时采集到的数据信息传递至单片机主控模块103中，供单片机主控模块103解析坐标数据。

实施例2、请参阅图6-7

充电柜装置1的用户的使用步骤，具体如下：

对于充电用户来说：

s1、充电用户通过手机中的微信app关注丁丁充电柜公众号后，创建个人账户，完成充值，即可以通过公众号查找附近的闲置的充电柜；

s2、通过用户手机中微信app扫描闲置的充电柜上的二维码，打开电池仓，将需充电的电池放进电池仓，关闭仓门即可，可通过手机微信app观察到充电的状况；

当充电完成或中途插头接触不良到达一定程度后，则结束充电，并根据实际断电状态进行判断，扣除相应的费用，完成充电，同时在手机充电界面提示具体充电信息，如充电是否完成，是否异常断电等内容；

对于管理员用户来说：

s1、管理员用户需先在app/web端3登记用户信息，创建个人账户，并获取充电柜设备的安装位置信息和设备id号；

s2、管理员用户通过手机端下载充电柜装置1特有的app应用程序，登录账号，根据设备安装信息和id号查找所用充电柜设备，进入设备信息监控界面，可观察到充电信息。

可观察到的信息具体指：查看设备id号、安装日期、设备信息等基本信息，总路电压、电流、温度、电能等实时数据，各充电回路电流、温度实时数据，设备无线通信状态和报警状态信息，以及查看电压、电流、电能、温度等重要参数的历史数据曲线；可对设备进行自检、复位、消音等远程操作，可获取设备异常、报警、故障信息的实时推送提醒，推送消息界面为聊天式推送界面，非常直观，十分有助于及时发现问题，排除充电安全隐患。同时，管理员用户可使用该账号登陆充电柜装置特有的web端网页界面进行历史数据的查看，庞大的数据库，可容纳所用充电柜装置至安装运行起所有的数据

实施例3、请参阅图3-5

充电柜装置1的工作流程具体如下：

第一步：充电柜装置1上电，内部各单元模块开始运行，单片机主控模块103开始不间断定时接收采样总路电压、电流、漏电流、功率、频率、电能数据，采样各充电仓内温度数值、状态信息以及充电回路电流数据等，然后对总路电能进行定时存储，并对各充电仓的使用状态；空闲/占用以及充电状态由指示灯实时清晰展示。

第二步：单片机主控模块103分别与灭弧式电气防火保护模块101、4g无线通信模块107、gps定位模块108以及ble蓝牙通信模块109通过串口通信方式进行连续不间断的数据交互，保证以上各通信模块各自监测的重要数据信息实时高效地传输至单片机主控模块103中，用以统一管理控制。

第三步：检测gprs无线通信模块是否与网络云服务器2建立连接，并由单片机主控模块103控制相应指示灯以显示网络连接情况和发送数据情况，待gprs连接正常后，单片机主控模块103控制检测gprs信号强度，并将信号数据连同各监控采样数据以及状态信息统一打包，按照可调的频率周期，定时向网络云服务器2上传数据包，类似于心跳包功能，且gprs无线通信模块设有单独的心跳包数据，网络云服务器2可根据接收数据类型和状态来有效判断充电柜装置1是否掉线，进而做出相应的重连接处理。

第四步：实时接收来至app/web端3下发的充电通道开启/关闭命令，均由单片机主控模块103管理接收数据，判断具体操控的充电仓号，以及操控需求：充电、储物或取出，进而做出相应处理，充电柜装置1与app/web端3相结合，实现充电应用管理的清晰化。

第五步：充电柜装置1具有充电安全软保护机制，即充电通道开启后，该通道将会检测到充电电流，充电柜装置1会根据检测的电流大小判断充电状态，每一个通道均设有独立的功率限制条件，为安全范围内可配置选项，因充电器类型不同，正常充电电流亦不同，设备可根据实际的应用情况调整电流报警值。

a1)当充电电流发生过载时，软件启用反时限保护机制，遵循同一线路不同地点短路时，由于短路电流不同，保护具有不同的动作时限，动作时间与短路电流的大小成反比的原则，由单片机主控模块103根据特定公式s，精确计算过载动作时间t单位为s，且在动作时间t未到达前，t始终保持更新为由最大电流计算得到的最短时间，当过载维持时间到达t时，则立即关断该通道；其中应用公式s具体为：t＝[1-(ic-io)/io*kp]*tmax，ic为当前检测电流值，io为电流过载阈值，kp为系数，其数值固定为1.5，tmax为最大动作时长单位为s；

a2)当检测到充电完成时，由单片机主控模块103开始计时准备断电，当计时时间到达，则立即关断该通道；

a3)当正常充电过程中，发生插拔充电器情况，由单片机主控模块103开始计时，连续拔电情况维持时间到达设定时间时，则立即关断该通道；

a4)开启通道后，若一直未连接充电设备，该情况维持时间达到设定时间时，则立即关断通道，不予计费。以上四种条件下，在执行断电后，均立即上传数据包至网络云服务器2中，用以app/web端及时推送通道断电信息服务。

第六步：灭弧式电气防火保护模块101串入充电柜装置1电源总路，具有其特有的灭弧式短路检测切断技术和故障电弧检测技术，当充电回路发生充电短路或其他故障导致的危险性电火花时，灭弧式电气防火保护模块1能够及时切断充电回路电源，仅是断开危险故障点，但其自身以及充电柜装置1主控部分依然保持正常运行，以最灵敏的方式冲根源上杜绝火灾隐患的发生，保证充电安全，并立即上传报警信息至网络云服务器3，用以app/web端及时推送充电短路报警信息，及时排除隐患，保证充电的正常运行。

第七步：充电柜装置1实时检测总路电压、电流、漏电流、功率、频率、电能、温度信息，充电回路检测电流和温度数据、状态信息。当检测到总路电压发生欠压或过压报警，总路电流发生过载，总路漏电流发生报警，总路温度发生报警，以及充电回路温度发生连接故障、报警这些情况时，充电柜装置1自动结束原计时周期的主动上传数据方式，开始立即上传数据包，并按照不同报警类型，开始一定维持周期的定时快速上传功能，快速上传周期到达或周期内报警解除，则恢复原计时周期的主动上传数据方式。

第八步：充电柜装置1实时接收来至手机app端和网络web端控制指令信息，控制指令包括充电仓门开启、储物、充电、取出指令，复位、自检等基本操作指令，以及远程读、写重要参数指令，每一个指令均有应答机制，并设有通信失败重传机制，最大程度上保证gprs无线通信传输的可靠性。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。