摘要

    設(shè)計了一種應(yīng)用IC卡的電動車電池充電控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案、框架圖。以IC卡識別模塊、機械鎖控制模塊、信號采集模塊、充電狀態(tài)指示模塊、集中控制模塊等模塊為核心的系統(tǒng)硬件平臺，并給出了硬件的詳細選型。同時，采用C語言程序設(shè)計及串口網(wǎng)絡(luò)通信，說明了軟件的總體架構(gòu)設(shè)計及充放電控制流程等。

1引言

    隨著石油、煤炭等自然能源的不斷消耗、污染加重，電力能源被認為是最綠色環(huán)保的出行設(shè)備能源。2015年，國家有關(guān)部門出臺了《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南(2015-2020)》，不僅對未來我國充電基礎(chǔ)設(shè)施布局提供指導(dǎo)，同時提出了我國"十三五"階段充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的總體目標(biāo)，而且還提出了分區(qū)域和分場所建設(shè)的目標(biāo)與路線圖。伴隨電動車的日益普及，智能充電控制系統(tǒng)類產(chǎn)品成為電動車能源領(lǐng)域重要的產(chǎn)品。

    目前市場上的電動車電池充電產(chǎn)品較多，本文所介紹的是一種可以通過IC卡控制的電動車電池智能充電控制系統(tǒng)?？蛻艨赏ㄟ^刷IC卡進行身份識別，若身份驗證通過，該充電控制系統(tǒng)會釋放已經(jīng)完成充電的電池，供客戶隨時更換電動車電池，同時客戶將虧空的電池放入電池槽進行充電方便下次或他人使用。

2系統(tǒng)設(shè)計方案概述

    本電動車電池智能充電控制系統(tǒng)能夠識別持卡人的IC卡數(shù)據(jù)，若持卡數(shù)據(jù)密鑰解析正確，則將驗證結(jié)果反饋給集中控制模塊。集中控制模塊根據(jù)信號采集模塊反饋的數(shù)據(jù)判斷各個電池的滿電狀態(tài)，根據(jù)滿電的先后順序選出一只電池。集中控制模塊輸出控制信號給機械鎖控制模塊，機械鎖控制模塊解鎖蓄電池，可令客服取出電池。待客戶將虧空的電池放入電池槽后，機械鎖閉合。集中控制模塊控制充電機模塊開啟對電池進行充電，經(jīng)信號采集模塊實時監(jiān)測電池的電壓、電流等數(shù)據(jù)，通過狀態(tài)指示模塊顯示電池的充電狀態(tài)。

3控制系統(tǒng)設(shè)計

    電動車電池充電控制系統(tǒng)的框圖如圖1所示，系統(tǒng)內(nèi)部采用RS485總線進行通訊。

圖1電動車電池智能充電控制系統(tǒng)框圖

各個功能模塊及其具體功能如下：

（1）IC卡識別模塊：

IC卡識別模塊采用13.56MHZ非接觸射頻技術(shù)，內(nèi)嵌NXP射頻基站。當(dāng)有卡靠近模塊時，模塊會以UART方式輸出卡內(nèi)信息，用于識別持卡人身份。

（2）機械鎖控制模塊：

機械鎖控制模塊主要用于輸出機械鎖的控制信號。當(dāng)輸出高電平時，機械鎖閉合，電池處于鎖定狀態(tài)；當(dāng)輸出低電平時，機械鎖斷開，電池處于可拆卸狀態(tài)。

（3）信號采集模塊：

信號采集模塊實時監(jiān)測各個電池的充電電流、電池端電壓等狀態(tài)信息，并以通訊方式將數(shù)據(jù)量上傳給集中控制模塊。

（4）充電狀態(tài)顯示模塊：

    充電狀態(tài)控制模塊設(shè)計中具有紅、黃、綠三種顏色指示燈，以及一個功率繼電器。采用2根控制信號線，可顯示單只電池的五種狀態(tài)，具體如下：

①紅色指示燈常亮：該路電池支路存在故障。

②綠色指示燈常亮：該路電池已經(jīng)充滿。

③黃色指示燈常亮：該路電池槽空位。

④黃色、綠色指示燈交替閃爍：表征該路電池正在充電。

⑤紅、黃、綠三種指示燈全亮：操作者身份已經(jīng)驗證，電池機械鎖將打開，操作者可抽取電池。

（5）集中控制模塊：

    集中控制模塊為本系統(tǒng)的控制核心，通過與信號采集模塊通訊實時讀取各個充電機的運行狀態(tài)（包括電壓、電流等），配合電池的充電曲線來實時控制充電機模塊的輸出，保證電池不匱電、不過充?？刂瞥潆姞顟B(tài)控制模塊來顯示當(dāng)前電池的電荷狀態(tài)。通過讀取IC卡數(shù)據(jù)判定持卡人身份，進而控制機械鎖控制模塊釋放電池。

4系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1IC卡識別模塊

    RFID(RadioFreqtJencyIdenTIficaTIon)技術(shù)被全球高科技領(lǐng)域譽為最有市場前景、最具改變?nèi)祟惿罘绞胶透呖萍籍a(chǎn)業(yè)面貌的技術(shù)。本設(shè)計采用Philips生產(chǎn)的MifareOneS50，該卡的RFID芯片所具有的獨特的MIFARERF(射頻)非接觸式接口標(biāo)準(zhǔn)已被制定為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC14443TYPEA標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用很廣泛。

    MifareOneS50卡是一種非接觸式IC卡，又稱RFID卡(射頻卡)。RFID卡是世界上最近幾年蓬勃發(fā)展起來的一項新技術(shù)，他成功地將射頻識別技術(shù)和IC卡技術(shù)結(jié)合起來，解決了卡中無電源和免接觸使用這一難題，是電子器件領(lǐng)域的一大突破。

    MifareOneS50卡的電氣部分只由一個天線和一塊RFID芯片組成。其中天線是只有幾組繞線的線圈，封裝到ISO卡片中。數(shù)據(jù)保存期為10年，可改寫10萬次，讀無限次?？ㄅc讀寫器之間的通訊采用國際通用的DES和RES保密交叉算法，具有極高的保密性能。其主要特性如下：

（1）工作頻率為13.56MHz；通信速率為106kb/s；

（2）防沖突：同一時間可處理多張卡；

（3）讀寫距離：在100mm內(nèi)(與天線形狀有關(guān))能方便快速地傳遞數(shù)據(jù)；

（4）握手式半雙工通訊方式；支持多卡操作；支持一卡多用的存儲結(jié)構(gòu)；

（5）在無線通訊過程中通過以下機制來保證數(shù)據(jù)完整防沖突機制；每塊有16位CRC糾錯；每字節(jié)有奇偶校驗位；檢查位數(shù)用編碼方式來區(qū)分“1”、“0”或無信息；信道監(jiān)測(通過協(xié)議順序和位流分析)；

（6）安全性：3次相互認證(ISO/IECDIS9798-2)；通訊過程中所有數(shù)據(jù)均加密以防止信號截取；每一扇區(qū)有相互獨立的密碼；每張卡有32位全球惟一的序列號；傳輸密瑪保護；

（7）典型交易過程≤100ms。

    針對RFID卡的數(shù)據(jù)通訊，我們采用成熟的通訊模塊進行設(shè)計。該讀卡模塊采用13.56MHZ非接觸射頻技術(shù)，內(nèi)嵌NXP射頻基站。當(dāng)有卡靠近模塊時，模塊會以UART方式輸出卡號，僅需簡單的讀取即可，該系列讀卡模塊支持MifareOneS50、S70等卡片。該模塊電氣特性如下：

典型工作電源：DC3.3V或者DC5V

讀卡平均電流：3.3V/35mA或者5V/54mA

工作溫度：-10-+70℃

該模塊的硬件引腳如下：

4.2機械鎖控制模塊

    機械鎖控制模塊采用5VDC電源進行供電，核心MCU采用MKE04Z8VTG4作為主控制芯片，用于實時處理數(shù)據(jù)并響應(yīng)通訊召喚，輸出信號控制繼電器的開合狀態(tài)。

采用ADM2483作為RS485通訊控制芯片，用于與核心控制模塊進行數(shù)據(jù)交互。

采用HF115F-I/05-1HS3作為機械鎖控制繼電器，其采用5V電壓控制，最大負載電流為16A，導(dǎo)通電阻62歐姆。

4.3信號采集模塊

    信號采集模塊采用5VDC電源進行供電，核心MCU采用ATMEGA128L作為主控制芯片，用于實時進行選通信號切換，采集電池電壓、電流數(shù)據(jù)，同時響應(yīng)通訊召喚。

采用AQW214作為作為12路電池電壓采樣切換開關(guān)，配合MCU的控制信號依次接通1~12號電池的電壓，經(jīng)運放OPA2171搭建的反比例放大電路后送入MCU的A/D采集端口進行采樣。

    采用MMBT4401、CD4051B構(gòu)建多路選通控制電路，配合MCU的控制信號依次接通1~12號電池的電流采樣信號，經(jīng)運放電路送入MCU的A/D采集端口進行采樣。

    采用ADM2483作為RS485通訊控制芯片，用于與核心控制模塊進行數(shù)據(jù)交互。

4.4充電狀態(tài)指示模塊

    充電狀態(tài)指示控制部分主要由TI公司生產(chǎn)的CD4051BM芯片構(gòu)成，該芯片8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)。其具有A、B、C三個地址選擇控制輸入端以及一個INH輸入使能控制引腳，其具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.5～18V的數(shù)字信號可控制峰峰值至18V的模擬信號。其選通真值表如下：

    如圖所示，U101為多路選通模擬開關(guān)芯片CD4051BM，其工作電源引腳VDD連接至12V電源VCC，電容C101用于給電源去耦濾波防止電源波動。因采用單電源供電，故將負電源引腳VEE與數(shù)字信號地VSS短接。

    在本設(shè)計中，我們采用的是兩根信號線控制四通道，所以將U101的其他引腳，如：9腳（地址選擇C輸入）、1腳（CH4輸入）、5腳（CH5輸入）、2腳（CH6輸入）、4腳（CH7輸入）等引腳全部接地，避免引腳懸空受到外界的電磁干擾。

    R105、R106為上拉電阻，用于提高遠端控制信號CTRL0、CTRL1的高電平的值。當(dāng)A、B引腳電平高于10V時，認為CTRL0、CTRL1為邏輯1，反之為邏輯0。U101的3腳為公共輸出端，其通過一個電阻R110連接至信號地DGND。紅色指示燈D102、黃色指示燈D103、綠色指示燈D104分別連接至U101的CH1~CH3輸入信號端，電阻R101~R104為限流電阻。取R110阻值為100Ω，R101~104阻值為1.5KΩ，U101每個通道的導(dǎo)通電阻為5Ω。

    當(dāng)CTRL0=“0”、CTRL1=“0”時，U101的CH0通道導(dǎo)通。VCC經(jīng)R104輸入至U101的13腳，再經(jīng)3腳COM端流電阻R110至DGND構(gòu)成回路?？紤]R104、U101的導(dǎo)通電阻、R110的比例關(guān)系，可知輸出控制信號CtrlSig約為0.79V。此時LED控制信號LED1=LED2=LED3，值近似為VCC。

    當(dāng)CTRL0=“1”、CTRL1=“0”時，U101的CH1通道導(dǎo)通。此時R103、D104、R110構(gòu)成回路，綠色指示燈亮。此時控制信號CtrlSig=LED1=LED2=VCC。

    當(dāng)CTRL0=“0”、CTRL1=“1”時，U101的CH2通道導(dǎo)通。此時R102、D103、R110構(gòu)成回路，黃色指示燈亮。此時控制信號CtrlSig=LED1=LED3=VCC。

    當(dāng)CTRL0=“1”、CTRL1=“1”時，U101的CH3通道導(dǎo)通。此時R101、D102、R110構(gòu)成回路，紅色指示燈亮。此時控制信號CtrlSig=LED2=LED3=VCC。

    基于以上邏輯控制關(guān)系，我們可據(jù)此給出CTRL0、CTRL1與充電狀態(tài)的控制過程：

（1）電池故障時，令CTRL0=CTRL1=“1”，此時紅色指示燈常亮。其他指示燈滅，電池機械鎖控制控制信號CtrlSig=VCC，外接機械鎖閉鎖。

（2）電池空位時，令CTRL0=“0”、CTRL1=“1”，此時黃色指示燈常亮，其他指示燈滅，電池機械鎖控制信號CtrlSig=VCC，外接機械鎖閉鎖。

（3）電池充滿時，令CTRL0=“1”、CTRL1=“0”，此時綠色指示燈常亮，其他指示燈滅，電池機械鎖控制信號CtrlSig=VCC，外接機械鎖閉鎖。

（4）電池正在充電時，交替令CTRL0=“0”、CTRL1=“1”，CTRL0=“1”、CTRL1=“0”，間隔時間1秒。此時，黃綠色指示燈交替閃爍，紅色指示燈常滅，電池機械鎖控制控制信號CtrlSig=VCC，外接機械鎖閉鎖。

（5）欲取出電池時，令CTRL0=CTRL1=“1”，此時U101的CH0通道導(dǎo)通，電池機械鎖控制控制信號CtrlSig=0.79V。在Q103、Q104、Q105未開通的情況下，LED1=LED2=LED3近似為VCC。

    由前述“電池機械鎖控制部分”、“LED輔助控制部分”的設(shè)計介紹可知，此時繼電器K101吸合，LED輔助控制信號SW被拉低，三色指示燈D102、D103、D104同時點亮。

4.5集中控制模塊

集中控制模塊采用NXP公司的MK10DX128VLQ10作為核心MCU，其包括充放電控制、通訊等功能：

（1）通過與信號采集板的通訊，解析電壓和電流等數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)充電控制曲線控制充電機輸出值，同時輸出充電顯示信號。

（3）根據(jù)各個電池的狀態(tài)并結(jié)合IC卡數(shù)據(jù)，控制機械鎖，確保電池的投切。

（4）與IC卡識別模塊通訊，實時解析IC卡權(quán)限等數(shù)據(jù)。

（5）實時存儲各個電池的充放電數(shù)據(jù)曲線，檢測電池故障。

5軟件設(shè)計

6結(jié)語

    本文主要介紹了一種應(yīng)用IC卡實現(xiàn)智能投放電池、管理電池的電動車充電控制系統(tǒng)。其通過幾個功能模塊的數(shù)據(jù)采集及綜合控制，可以實現(xiàn)根據(jù)IC卡判斷用戶權(quán)限，將已充滿的電池投放，供用戶使用。同時，可將用戶使用過的饋電狀態(tài)電池進行充電管理，實現(xiàn)電動車電池的智能管理。隨著電動車的廣泛應(yīng)用，蓄電池的共享式管理能很大程度的便捷電動車用戶的使用。本文所介紹的系統(tǒng)，具有架構(gòu)簡單、制造成本低廉等優(yōu)點，同時極大程度的提升了用戶使用便捷性。