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远距离微波卡在智能停车场管理系统的应用案例

2017-06-05 来源:我爱物联网

远距离微波卡在智能停车场管理系统的应用案例

RFID技术是一门用途很广泛的科学技术,其应用领域非常广,包括动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗,电子车票、电子身份证、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)、小区物业管理、大厦门禁系统,铁路车辆自动识别、集装箱识别,公路车辆识别与自动收费系统,移动车辆识别、电子闭锁防盗(电子遥控门锁控制器)、医疗科研等。本文主要介绍远距离微波卡在智能停车场管理系统应用案例。

一. 概述

随着社会的进步和发展,人们的生活方式发生着深刻的变化。城市的交通拥挤便是这种变化引起的现象之一。城市由于交通设施的增加造成的交通拥挤甚至混乱给人们的生活带来极大的不便,这种不便迫使人们去寻找高技术的有效手段去解决这种不便。智能化的停车场就是顺应这一时代需求的高技术产物。这不仅可以有效地解决乱停乱放造成的交通混乱,而且可以促进交通设施的正规化建设,同时也尽可能地减少车主失车被盗的忧虑。另外,在技术方面,其高技术性匹配于现有其他智能化系统,具有很好的开放性,易于与其他智能化系统组合成更强大的综合系统,顺应各种综合方式的高级管理。

停车管理是针对建设安全文明小区或智能大厦的管理需要,以物业小区或智能大厦内的停车场智能化管理为目标,以进出小区或智能大厦内的固定车或临时车辆为服务对象,以达到停车用户进出方便、快捷、安全,物业公司管理科学高效、服务优质文明的目的。对提高物业管理公司的管理层次和综合服务水平方面将起着重要的作用。

停车场采用古老的人工管理办法,不能适应新型停车场管理的需要,所以处于世界先进水平的非接触感应式IC卡停车场管理系统孕育而生。为更好地配合停车场的保安与管理工作,方便使用人员不停车、不开车窗,完全自由进出停车场,专门研制出远距离微波卡停车场管理系统。

该系统专门针对于长期固定车辆比较多的停车场而设计,实现了长期固定车辆的自动识别与临时车辆的计费管理,是一种较好地将远距离微波识别技术、近距离的IC卡读写技术、自动控制技术与计算机技术结合于一体的新型停车场保安管理系统。

远距离微波卡停车场管理系统是一种高效快捷、公正准确、科学经济的停车场管理手段,是对停车场的车辆实行动态和静态管理的综合。系统以微波卡和非接触IC卡为信息载体,通过对卡识别来记录车辆进出信息,利用计算机管理并结合工业自动化控制技术控制机电一体化外围设备,从而控制进出停车场的各种车辆,对停车场进行安全、有效的管理,包括防盗、监控、联动、收费等。

从用户的角度看,其服务高效且十分方便、收费透明度高、准确无误;从管理者的角度看,其易于操作维护、自动化程度高、大大减轻管理者的劳动强度;从投资者角度看,彻底杜绝失误及任何形式的作弊,防止停车费用流失,使投资者的回报有了可靠的保证。

二. 远距离微波卡停车场管理系统组成与结构

1. 系统组成与基本功能

(1)远距离微波卡读卡器: 读取固定车辆车载微波卡的卡号信息(2)入口机、出口机(3)短距离IC卡读卡器: 读取临时车辆IC卡的卡号、时间、金额等信息(4)控制器: 接收来自读卡器的IC卡信息,存储权限及各种信息记录,做出判断,控制输出开闸、显示等信号,并完成控制器与电脑之间的信息交换(包括上传相关信息至电脑及从电脑下载数据至控制器)(5)信息显示屏: 显示时间、收费金额、卡中余额、卡有效期、车位满以及停车场的相关信息(6)对讲系统: 在管理中心安装对讲主机,各出入口安装对讲分机,保证各出入口和管理中心的联络(7)语音提示系统: 提示车辆进出场的读卡操作、收费等,如正常操作可提示请读卡、收费金额、有效期等相关信息,误操作或非法操作作出相应提示(8)自动出卡机: 对于临时卡的发放,自动弹出临时车使用的IC卡(9)电动道闸: 用于阻挡无权限的车辆、放行有权限车辆自由进出(10)摄像机: 采用高分辨率摄像机在车辆入场时,自动摄取车辆外型、颜色、车牌号码等图像信息,出场时将出口摄取的车辆图像与入口图像进行比较,信息一致时,车辆才予放行,确保车辆安全。(11)管理电脑: 系统的协调管理及报表输出。

2.系统结构如下

三. 远距离微波卡停车场系统工作流程

1. 入口工作流程

月卡、储值卡(微波卡)

(1)远距离读卡器自动读取月卡或储值卡,管理电脑核对卡号,车牌等相关信息(2)管理电脑自动记录入场信息(卡号、时间、图像等)(3)有效卡时,道闸自动抬杆,LED显示屏显示“欢迎入场”及相应语音提示,车辆入场后,道闸自动关闭(4)无效车时,自动提示原因,“卡过期”或“余额不足”等,通过对讲与管理中心联络,由停车场管理员用管理卡或临时卡控制入场临时卡(5)司机按入口机上取卡按钮,取卡并读卡(6) 管理员通过电脑键盘录入车牌号并与卡号对应(7)管理电脑自动记录入场信息(卡号、时间、图像等)(8)道闸自动抬杆,LED显示“欢迎入场”及相应语音提示,车辆入场后,道闸自动关闭

管理卡、特权卡

下列情形之一管理员可使用管理卡、特权卡

(1)月卡过期、余额不足(2)公安、部队等特殊车辆

2. 出口工作流程

月卡、储值卡(微波卡)

(1)远距离读卡器自动读取月卡或储值卡,自动计费、扣费并在信息显示屏显示及相应语音提示(2)管理电脑自动提供车牌,出、入口图像供管理员核实,保证车辆安全(3)有效车时,道闸自动抬杆,LED显示屏显示“一路顺风”及相应语音提示,车辆出场后,道闸自动关闭(4)无效卡时,自动提示原因,由管理员用管理卡或特权卡控制出场临时卡(5)司机交临时卡交由管理员读卡,自动计费,并在LED显示屏显示“收费金额”及相应语音提示(6)管理电脑自动提供 出口、入口图像供管理员核实(7)管理员确认车辆安全后,收费,通过电脑或管理卡开闸,LED显示“一路顺风”,车辆出场后,道闸自动关闭。

四. 远距离微波卡停车场管理系统特点

1. 内部、外部车辆采用不同的IC卡

对内部和外部的不同车辆采用不同读卡设备和IC卡,提供不同的读卡距离。

(1)内部固定车辆: 内部固定车辆即为单位内部固定人员驾驶的车辆,可以发固定卡,预先收费或免费长期卡。采用远距离微波识别技术,微波卡感应距离可达3-10米,对有效卡车辆实现不停车自动识别,同时记录进出的相关信息等。(2)外部临时车辆: 外部临时车辆为外来办事人员驾驶的车辆,系统将通过自动出卡机发临时卡。采用近距离的可读写IC卡,感应距离一般小于10cm,记录外来车辆的进出时间、图像信息等,根据停车时间进行自动计费。

2. 采用远距离识别技术

远距离识别技术采用频率为2.54Ghz的微波技术,感应距离可达3-10米,能透过汽车的金属防爆膜,不用打开车窗,有效卡放置车辆前挡风玻璃内侧,可实现不停车自动识别,具体特点:

(1)读卡设备具有RS-232、RS-422、RS-485、IS02、Wiegand等通讯接口,可接各种不同的控制设备(2)通讯数据传送速率为30000 bauds(卡片阅读机与卡片之间)(3)感应辨识错误率一千万分之一以下(4)感应角度为天线中心线扇行90度(5)感应卡片阅读机在同一感应区域范围内,可装设31台以上感应卡片读卡器,并排控制使用,不互相干扰(6)在同一时间,同一感应区域范围中,不到一秒种之内,可同时感应辨识10张以上IC感应卡(7)发射功率低6-8米 发射功率≤200MV; 8-10米 发射功率=350MV(8)感应读卡时,不论卡片置于正面或反面,水平状或垂直状,在口袋前或手提包中,于卡片阅读机之有效范围内,均可感应到(9)卡片使用的内存容量: 180bite以上,可无限次数重新编写被感应读取IC感应卡片内容数据(10)任何时候,卡片与读卡器正常读取传送数据时间: 75-130毫秒,瞬间快速读取传送数据时间: 3-8毫秒(11)具有防止被盗拷伪安全保护功能(12)卡片正常使用年限: 6至8年以上(13)卡片体积小,尺寸85.6×54×3.5mm; 重量轻: 1.5公克以下(14)具有防潮,防水之功能,防水保护等级: IP54以上,可承受曝晒,工作温度范围: -20℃到70℃ 。

3. 提升管理水平与形象:采用自动控制管理系统,无论从产品的造型方面,还是自动控制所带来的方便实用性及管理的科学性,都将给停车场管理水平带来很大的提升,以及树立起良好的形象。

4. 管理更安全:一卡一车,资料存档,保证车场停放车辆的安全。人工记录,难免有疏漏的时候,因为没有随时记录可查,丢车或谎报丢车现象时有发生,给停车场带来诸多麻烦和经济损失。采用自动控制管理系统后,固定月租卡和临时卡消费者均在电脑中记录了相应的资料,卡丢失后可及时补办。在配有图像对比设备下,各类停车卡均有车牌号码及车型图像存档,供比较查询。

5. 系统更可靠:任何情况均可脱机使用,自动记录进出行车信息,当网络联通,数据信息自动上传至管理电脑。

6. 收费更严格:对于人工现金收费方式,一方面劳动强度大、效率低,另外一个主要弊端就是财务上造成很大的漏洞和现金流失。使用IC卡收费系统,车辆的收费都经电脑确认和统计,杜绝了失误和作弊,保障了停车场管理者的利益。

7. 扩展方便:软硬件的开放设计,使管理模式与使用模式易于满足的不同场合的特殊需要,并根据自身要求进行设置、更改。如车辆类别的分类、收费方式、各种特许车辆的处理等等; 系统软件可方便地按特定要求更改,更可联入楼宇自控、消防、防盗报警等系统。

8. 后台管理完善:强大的后台管理系统可以全面追踪所发行的每张卡的使用情况和各车辆的出入情况。能自动生成统计等相关报表。

五. 应用前景

远距离微波卡停车场管理系统的应用范围十分广泛,适合各种固定车辆较多的场合。

(1) 省、市政府机关大楼(2) 公安局、检察院、法院大楼(3) 部队、监狱、看守所(4) 电视台、银行、海关、医院(5) 邮政、电信大楼(6) 集团企业、工厂、学校(7) 高端住宅小区

远距离微波卡技术除了在停车场的广泛应用之外,还可用于高速公路自动收费、公交车辆的发车、到站及站点检测、铁路车厢编组、物流等。

来源:山东省广播电视局 作者:刘玉均


RFID技术在汽车绿色环保方面的应用分析

使用技术方案来减少燃料消耗和二氧化碳排放的一个重要领域是移动设备管理。这种解决方案利用先进的技术,辅以综合的分析和管理软件,可为反应迅速的管理者提供车队性能的实时监控和分析。移动设备管理解决方案使公司精简流程,并通过跟踪和监控车辆、机械、拖车、船舶和货物及司机和经营者以最大化移动设备的性能。

更先进的移动设备管理方案会包含GPS导航、无线通信技术和因特网接入,此外还要给车辆配备遥测传感器(无线的或有线的)、RFID读写器和通信设备等。利用这些技术所收集的信息可以方便与车队进行在线互动、工作流程自动化和对关键的业务决策进行实时深入的成本分析。这种全面的解决方案可以给先进的车队管理、实时的劳动管理、通信与信息、车辆维修及诊断、路线及资源利用效率、成本管理、先进的分析和管理报告等带来最佳实施方法。

在汽车上安装移动设备监控系统,并通过门户

网站和手提设备实现实时报警,使车队经理了解到特殊情况,而无需连续监测车队的每一台汽车。监控设备可以连接到任何电子系统上,而这些评估汽车各个组成部分的电子系统包括燃料传感器、里程表、速度指示仪、引擎控制器、刹车和发射计算机。RFID读写器通过识别ID来追踪司机的位置和活动数据,并通过托盘或单品上的RFID标签获取有关货物的信息。这些数据先传送给一个车载计算机,然后通过移动通信技术传输到监控系统的数据中心。

RFID移动设备管理系统使用户或管理人员可以确认到底是某些部件的哪些测量值构成了异常的运行状况然后精细地调整标准。关于异常情况的信息和警报通过最有效的机制(注:如电子邮件、语音邮件、网站、移动设备或短信等)发送给用户或管理者。对于那些寻求降低燃料消耗和二氧化碳排放的组织,RFID移动设备管理系统可以为其带来很大的好处。

在这场提高车辆燃油效率减少排放量的大战中,经过适当培训的司机是公司的最佳资产。有了RFID移动设备管理系统,司机和经营者可以在节省燃料和减少排放技术方面(注:例如,保持轮胎充气、及时的限速行驶、限制车辆超重等)获得最新的信息和标准。目前许多RFID移动设备管理系统能够定制司机评分系统,其中考虑了上面列出的许多标准。

司机评分系统通过RFID车卡同具体的司机相联系,每个司机通过安装在汽车操纵杆上的读卡器来刷卡。这些RFID车卡用来存储司机属性,此属性值与司机评分项目有关,目的是创建一个完整的司机成绩体系。这种评分的方法,使管理归结为司机的燃油效率或将减排指标提高为一个数字,这些可以拿来跟同一个司机在不同日期的记录进行有效对比,也可以同其他司机进行横向对比。

减少空转时间

司机常常让自己的引擎闲置,充当电源供应暖气和空调设备、通风设备、食物制作和储存设备、照明和娱乐设施。

空转迅速消耗了燃料,而这些燃料是根据预测的里程数为司机的送货路线所配备的。RFID移动设备管理系统可以详细地报告空转模式,指出何时何地可以使节省燃料和减少排放最大化,同时又把对操作的影响降到最低。基于这些报告,管理者可以考虑选择以下的引擎空转模式:岸电(卡车停时给司机提供120V交流电)、发电机(外部能源提供电力驱动司机的娱乐设备)和反用换流器(将12V的直流电转换为120V的交流电,这样司机就可以使用任何交流设备)。


从技术与管理角度 分析电动汽车充电安全与解决方案

近年来,随着新能源政策陆续出台,电动汽车的发展势头强劲,对电动汽车充电设施配套建设的需求极为迫切,因此尽快开展对电动汽车充电设施建设的策略性研究、布局规划和试点工程,对实现能源替代,优化能源结构,提高清洁能源占比具有重要意义。

在充电设施建设方面,2015年,国家发展改革委等部委发布的《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020年)》(以下简称《指南》)中提出:到2020年,将新增集中式充换电站超过1.2万座,分散式充电桩超过480万个,以满足全国500万辆电动汽车充电需求。《指南》着力点为快速推进充电设施的标准化和建设,保证电动汽车充电的安全性。充电安全问题应及早考虑,避免在建设中后期出现安全隐患,给国家和人民带来不必要的损失。

电动汽车有其独特的安全需求,它直接或者间接与百姓生活相关,决定了充电设施安全性设计需要考虑的因素比传统工业设备更多、更复杂。

本文从对电动汽车充电安全等级的定义入手,结合目前人们对安全的认识,通过对安全模型的研究和事故链的梳理,建立电动汽车充电安全模型,提出相应的安全措施,再针对不同的安全措施建立技术、管理闭环工作模型,通过不同环节、不同单位的协同工作最终达到整个系统的充电安全。本文是借助全生命周期质量保证体系的概念,试图建立一个全生命周期充电安全模型。

1 安全等级

国家标准GB/T 28001—2011《职业健康安全管理体系要求》对“安全”的定义是:“免除了不可接受的损害风险的状态”。为了更好地分析安全问题,对安全问题进行约定,定义对象和损失类别,不能无限制地扩展,导致后面的分析没法有效进行。

从安全问题引发的后果,可以将安全问题定义为三个级别:

1级,对人身直接造成损害的安全问题;

2级,对汽车和周围设施造成财产损失的问题;

3级,对充电桩本身造成财产损失的问题。

基于以上安全等级的定义,对应三道安全防线:第一道防线保障人身安全;第二道防线保障汽车和周边设施;第三道防线保障充电设施。

第一道防线主要考虑对人的保护,不止是充电的车主,还包括与充电设施工作紧密相关的人,如工程服务人员、验收人员、维护人员、计量检定人员,甚至是保洁员等。此外,还应包括可能接触到充电桩的人,如周边居民,尤其是儿童可能将充电桩当成玩具,这是非常危险的。

第二道防线主要考虑重大财产损失,首先考虑电动汽车的安全,同时要考虑周边设施、车辆的安全,甚至包括周边建筑、财产的损失。第二道防线也至关重要,如若处理不好则有可能引发重大人身、财产事故,因此需要特别重视。当然,蓄意利用充电设施作为武器、工具进行的恶意行动而造成的安全后果不在此列,同时由于不可抗力因素而造成的安全后果也不在此列。

第三道防线主要考虑充电设施自身的安全,保护财产不受损害。

充电设施一定要按照三道防线的优先级和重要性考虑防护措施,当然安全也不仅仅是充电设施和汽车的事情,还有对周边设施、环境的安全要求,本文不深入讨论这种情况。

2 安全问题研究模型

人类对安全的认识有四个阶段:无知的安全认识、局部的安全认识、系统的安全认识和动态的安全认识。目前对电动汽车充电安全认知水平还处于上述前两个阶段的混合,其目标是要建立系统的安全认识,为今后达到动态安全认识阶段奠定基础。

没有危险的状态是安全,而且这种状态是不依人的主观意志为转移的,因而是客观的。无论是安全主体自身,还是安全主体的旁观者,都不可能仅仅因为对于安全主体的感觉或认识不同而真正改变主体的安全状态。因此,安全不仅是没有危险的状态,而且这种状态是客观的,不因人的主观意志为转移。所以安全与安全感是两个不同的概念,本文研究的范畴是安全。

“安全”不是一种实体性存在,而是一种属性,因而它必然依附一定的实体。因此在电动汽车充电安全问题上,需要清楚安全的主体,依据电动汽车设立的三道防线,需要着重考虑人、电动汽车、周边设施和建筑、充电设施作为主体时的安全问题。

安全管理的对象是风险,管理的结果有两个:安全或事故。所谓“安全规律”,确切地说是事故发生的规律,也称“事故链”:初始原因→间接原因→直接原因→事故→伤害。因此要研究安全问题,就需要通过对事故或者危险的研究来实现,需要一种工具去表达各种“事故链”,从而按照事故链条依次化解危险,达到安全目的。

当有了关于某个安全主体的事故模型后,还需要针对这个模型研究解决问题的办法。东汉时期政论家、史学家荀悦在《申鉴˙杂言》中讲到:“进忠有三术:一曰防;二曰救;三曰戒。先其未然谓之防,发而止之谓之救,行而责之谓之戒。防为上,救次之,戒为下。”意思是说,在不好的事情发生之前阻止是上策;不好的事情刚发生时阻止次之;不好的事情发生后再惩戒为下策。电动汽车充电安全研究是要以预防为主、综合治理。

充电系统安全首先考虑必要的预防措施,即本体安全,但只有本体安全是不够的,因为设备在运行过程中,可能有异常发生,在这种情况下,需要考虑一些保护手段,当危险发生或者即将发生的时刻采取必要的措施,截断事故链条,将当前状态拉回到安全。保护的手段可以是自动的,也可能是手动的,例如充电桩上的急停按钮,当感知到危险发生的时候,通过急停按钮保护人、车、桩的安全。最后,还需要有手段实现“戒”的目的,可以考虑的内容有安全警示标志、产品安全要求、各种管理规定等,比如在2011版充电桩和2015版充电桩无法完全兼容的情况下,充电桩支持的版本标示就是很重要的一种安全标志。

3 影响充电安全的因素

GB/T 27930《电动汽车非车载充电机与电池管理系统的通信协议》标准;附录C中定义了充电故障分类和处理方式,这部分内容为充电安全提出了处理依据。

3.1? 绝缘问题与充电安全

良好的绝缘对于保证电气设备与线路的安全运行,防止人身触电事故的发生是最基本和最可靠的手段。

1)外壳防护能力。

在GB/T 18487.1标准7.2节中规定:所有充电模式下,外壳的防护等级为IPXXC。最后一个字母C表示是否会给使用工具带来危害(A表示手背,B表示手指,C表示工具,D表示金属线)。另外对连接器在连接和非连接状态下的防护也有考虑。

图1 2种直流充电连接器插头

图1所示为2种直流充电连接器的插头,可以看到:左边正负充电极有绝缘帽保护,而右边的正负充电极外边则是金属。显然,右边的插头不满足IPXXB级的防护要求,因为人的手指能触碰到充电极。

2)电气间隙和爬电距离。

在GB/T 18487.1第10.4节中有对应的要求,主要是考虑产品在设计、安装工艺等方面,设备运行可能出现的因过电压造成绝缘击穿,从而导致设备工作异常或损坏。

3)介电强度。

介电强度是衡量材料作为绝缘体时的抗电强度的量度。验证绝缘材料最高介电强度时,它定义为绝缘材料所能承受的最低击穿电压。绝缘材料所能承受的介电强度越高,它作为绝缘体的抗电强度就越好。GB/T 18487.1标准11.4规定了绝缘材料在充电设备中使用时,其介电强度必须达到基本要求。

4)绝缘电阻。

充电设备内部电路分为多个带电回路,有相对较低的安全电压,也有近千伏的危险电压,不同电压等级、不同功能的电气回路之间以及各带电回路对地是需要隔离的(部分电路与地之间形成特殊功能的回路除外,如防雷器,用于对地过电压保护的压敏电阻、气体放电管,测量对地阻抗的绝缘监测回路等)。无电气联系的各回路对地以及无电气联系的各回路之间隔离的方法一般从两方面来解决:一是采用足够的电气间隙和爬电距离;二是使用满足稳态和瞬态过电压要求的绝缘材料。

在正常环境、潮湿环境、高原低气压环境等各种现场使用可能出现的特殊环境中,要保障设备绝缘电阻满足功能要求、性能要求和安全要求,就需要对绝缘电阻进行测试考察。一旦人接触到充电设备可导电的金属外壳时,安全如何保障?在一定的测试电压下绝缘电阻值越大,人员触及通过绝缘材料隔离的可导电金属外壳就越安全。绝缘电阻值的大小是评估电气设备和电气线路安全最重要的一项指标。GB/T 18487.1第11.3节中规定了绝缘电阻不能小于10MΩ,这个要求是对充电设备绝缘电阻的最低要求。

5)接触电流。

接触电流是指当人体或动物接触一个或多个装置的或设备的可触及零部件时,流过他们身体的电流。接触电流的测量则是通过测量流经网络(代表人体阻抗)的电流值来实现的。接触电流超过了人体所能承受的限值,可能对人体造成不适或者伤害时,必须要采取保护措施来防止对人体造成触电伤害。GB/T 18487.1第11.2节中规定了相应的要求,详细的测量方法可参考GB/T 12113—2003/IEC 60990:1999。

6)冲击耐压。

绝缘能力是一个双向的安全性能,一方面是设备正常工作时,对外部造成的影响,另外一方面就是外部的过电压等对设备内部器件的影响。

冲击耐压的测试电压采用波形参数为1.2/50μs的标准雷电波,按照GB/T 18487.1第11.5节规定的开路电压分别进行正负极性的测试。需要注意的是冲击耐压与电磁兼容试验中的浪涌(冲击)抗扰度试验是不同的:从原理上来讲,浪涌测试同样采用波形参数为1.2/50μs的浪涌(冲击)波形,但与冲击耐压的电压等级不同;从测试项目考察的内容来讲,浪涌是为了考核的是设备运行过程中,出现浪涌(冲击)时,设备是否能够抵抗外来的干扰,而冲击耐压则是为了验证装置无电气联系的各回路之间以及无电气联系的各回路对地的电气间隙、绝缘介质是否会在这种瞬时过电压时绝缘击穿或产生放电现象。不同的额定绝缘电压的回路验证冲击耐压时,应采用表2规定的电压进行测试。就是在外界雷电波造成的短时冲击电压情况下,反应充电设施的防护能力的指标。

表2中加星号的数值,标准中定义了额定电压大于300V的直流充电机,冲击耐压的试验电压使用±6kV,而在冲击耐压试验的IEC标准和国家标准中,试验电压值为12kV,表述方式没有采用±12kV的方式,而是在试验方法中提到了正、负方向都是12kV,因此应该是在GB/T18487.1制定过程中,直接将原来的12kV改写成±6kV所致。

3.2?环境对充电安全的影响

上面分析了正常条件下充电设施的本体安全问题,实际上,充电设施在使用过程中需要经历春夏秋冬、风霜雨雪等不同的天气和应用环境。电工产品绝缘的使用期受到多种因素(如温度、电和机械的应力、振动、有害气体、化学物质、潮湿、灰尘和辐照等)的影响,而温度通常是对绝缘材料和绝缘结构老化起支配作用的因素。

正在修订的NB/T 33001第7.3节规定了耐环境要求,涉及三防(防潮湿、防霉变、防盐雾)、放锈(防氧化)、防风和防盗保护问题。其中,三防对于设施的印刷线路板和接插件比较重要,主要是防霉菌、防潮湿、防盐雾。其中,盐雾与设备电器元件的金属物发生化学反应会使原有载流面积减小,生成的氧化合物则会使电气触点接触不良,这将导致电气设备故障或毁坏。三防除了防止绝缘等电性能下降外,也有防止机械性能下降的作用。

GB/T 18487.1第14.1.4条海拔也体现了对应用环境的要求,但就目前检测而言,都是按2km以下海拔考虑的。实际上,中国有很多地区的海拔高度超过2km,如果不考虑这个因素,把充电桩安装在2km以上地区,很有可能出现绝缘击穿问题,损坏设备或者伤人。针对这些应用场景,必须按照GB/T 16935.1—2008《低压系统内设备的绝缘配合 第1部分:原理、要求和试验》的要求进行折算。

3.3?保护措施对充电安全的影响

当系统运行过程中有异常情况发生时,必要的保护措施可以实现充电设施的安全运行。

要进行保护,首先是监测,在绝缘监测方面,GB/T 18487.1—2015附录B.4.1和B.4.2规定了充电机的绝缘监测功能,防止在绝缘破坏的情况下,设备带病运行。此外,在修订的NB/T 33001[6]第6.3节也引用了绝缘监测功能。

除了明显的保护措施外,一些对充电设施的应用要求也体现了安全的考虑。以GB/T 18487.1第11.6节(温度要求)的极限温升和允许表面温度要求为例,极限温升主要防止过高温度带来绝缘材料老化加速,影响绝缘效果,给人体和设备带来危害。而允许表面温度除了有绝缘材料老化问题外,还有对人体的伤害问题。标准除了对温升有要求外,还对温度异常采取了保护措施,比如NB/T 33001标准第6.11节建议车辆插头具备温度监测功能,当监测到车辆插头温度超过允许值时,充电机宜停止充电并发出告警提示,防止充电过程中,由于车辆插头接触不佳导致温度异常,给绝缘造成破坏,甚至引发火灾。

有了监测功能的配合,在系统出现异常的情况下,就可以采取保护措施。新修订的NB/T 33001第7.6节规定了15个安全要求,就详细说明了系统在不同的运行异常情况下,应该采取的保护措施。

对于充电桩的急停按钮,有些运营公司工作人员认为没有必要设置急停按钮;也有人提议急停按钮最好能远程遥控恢复。在没有危险的情况下可行,但是当危险发生时,没有急停按钮,危险会迅速蔓延,或者在危险尚未恢复的情况下,远程遥控恢复会给安全带来无法预知的危害。目前对于采用充电模式4的充电设备,在GB/18487.1第13节明确规定了应在电动汽车供电设备上安装急停装置,并且具备防止误操作的措施。

3.4 通信协议对直流充电安全的影响

与交流电慢充相比,电动汽车直流快速充电采用非车载充电机供电的形式,非车载充电机功率大,输出电压最大近千伏、电流上百安培,从GB/T27930《电动汽车非车载充电机与电池管理系统的通信协议》标准中可以看出,整个充电过程受电动汽车的BMS控制,充电机根据BMS的指令进行充电,而BMS需要与充电机协商实时调整充电机输出的电压和电流等充电参数,以及充电停止等控制。因此,在直流电过程中,通信协议就与充电安全密切相关。

通信协议通过约束充电设施和车辆电池管理系统的行为来保证充电安全,有以下几个方面:

1)流程控制。

整个充电流程共分4个充电阶段(低压辅助上电及充电握手阶段、充电参数配置阶段、充电阶段、充电结束阶段),有效保证充电过程的安全有序进行。流程共包含28个应用层报文(13个BMS报文,9个充电机报文,6个故障诊断功能专有报文)。

下面的案例是在充电桩型式试验中发现的现象:试验过程中,测试工具用BSM报文给充电桩发送暂停充电请求,充电桩在接收到这个命令后,没有执行暂停输出操作,而是继续输出充电电流。在这种情况下,BMS有可能工作在异常情况下,有发生无法预知危害的可能。

表面上看,似乎是充电桩设计缺陷导致这种安全事故的发生,实际上,这只是其中的一个条件。因为在充电机和BMS的设计中考虑了各种异常情况下的保护措施,如在充电汽车的充电系统设计中,考虑到接触器在异常情况下,由BMS控制切断充电回路,起到对汽车的保护作用,只有在BMS的保护机制失灵的情况下,上述充电机缺陷才会引起安全事故。

4 尚需研究的课题

安全问题是一个涉及多种技术学科,多维度的科学问题,在安全性问题上,还有一些问题需要进一步研究透彻。

4.1?绝缘材料的寿命

电动汽车发展刚刚起步,还缺乏一些与寿命相关的经验,对于一些要求使用10年甚至是更长时间的设备,需要提前研究绝缘性能等安全因素与时间的关系,因为风险不单是目测可以发现的。不然,一旦这些安全指标随时间逐渐下降,导致触电、设备损坏等危险概率增加,就容易引起事故。

绝缘性能随着时间而发生的不可逆下降,称为绝缘老化。在老化过程中,绝缘性能降低到规定的容许范围之下所需要的时间通常称为绝缘的寿命。

绝缘老化的表现形式是多方面的,如介质损耗角正切的增加、击穿强度的降低、机械强度或其他性能的降低等。造成绝缘老化的原因很复杂,包括电老化、热老化、化学老化、机械老化以及受潮及污染等。这些原因可能在绝缘中同时存在,或从一种老化形式转变为另一种形式,往往很难互相加以分开。文献[9–10]中介绍了引起绝缘下降的各种原因,这里不再展开叙述。

标准GB/T 11021《电气绝缘 耐热性分级》中定义了绝缘材料的耐热性分级,充电机的技术标准中也定义了温升要求,但是这种要求不够完整,应该是材质与耐热性等级配合使用,才能保证绝缘性能。

因此,需要对电动汽车充电设施中的关键绝缘材料开展寿命试验,可以通过加速老化试验获得相应的寿命曲线,起到安全预防的作用。

4.2?绝缘监测和评估技术

对于无法准确计算或者评估器件安全能力的情况,如绝缘水平,可以通过实时自检的方式监测运行情况,一旦发现危险情况,立刻执行保护。目前GB/T 18487.1-2015 中的附录B4.1介绍了充电系统的绝缘监测方法,近期在互操作研究中发现,汽车端的绝缘监测受到充电桩一侧Y电容的影响,如果充电桩电容过大会导致绝缘监测误报。

4.3?通信协议的安全性试验

在目前的型式试验中,通信协议一致性测试主要是验证通信兼容性,尚未考虑通信协议中各种参数设置给充电过程带来的影响。那么,是否存某些通信异常情况,使充电机程序进入死锁状态,出现无法停止输出等情况呢?这需要我们进一步开展研究。

此外,信息安全也需要加强思考和研究。有人认为通信协议中某些信息安全参数的设置纯粹是为了试验,在实际使用过程中不会出现类似情况,这种观点是不正确和比较危险的。在有黑客主动攻击的情况下,小概率事件会立刻成为大概率事件,届时,一辆辆电动汽车很可能就是一个个小炸弹,后果可想而知。

4.4 加强安全性试验方法研究

目前的产品试验方法虽有安全相关的检验项目,但在环境试验方面仍存在不足。在前段时间参与讨论的《充电电气系统与设备安全导则》标准中,高低温、湿热试验部分的试验方法参考了GB/T 2423.1[11]、GB/T 2423.2[12]、GB/T 2423.4[13],主要验证在不同环境下产品的功能、性能是否满足要求。从安全性角度看,是否有必要验证不同环境下的安全性能?答案显然是肯定的,因为人、汽车与充电桩的交互,是全天候的,安全性问题在一天中都有可能发生。

鉴于安全性问题重要性,建议在将来的检测报告中体现不同环境条件下安全性相关的性能指标数据。

除型式试验外,现场安全验收也至关重要,对降低实际充电安全风险意义重大。现场验收需要关注产品原材料、生产制造环节的质量管控,也需要考虑运输、安装等工作是否会造成或者带来新的安全隐患,还需要考虑充电桩安装方式是否满足安全要求,比如充电桩安装的高度问题,安装的场所是否满足设备使用要求,接地问题等。

5 结语

电动汽车充电安全是一项最基本的要求,随着大功率充电、无线充电、群充电等新技术的不断发展和进步,安全的要素也在不断变化,因此充电安全问题的研究是一项长期工作。从事电动汽车充电研究的工程师,可以参考本文提出的安全问题分析模型,踏踏实实地做好安全性研究,为电动汽车健康、有序发展奠定技术基础。

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