摘要

    設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用IC卡的電動(dòng)車電池充電控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案、框架圖。以IC卡識(shí)別模塊、機(jī)械鎖控制模塊、信號(hào)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(tái)，并給出了硬件的詳細(xì)選型。同時(shí)，采用C語言程序設(shè)計(jì)及串口網(wǎng)絡(luò)通信，說明了軟件的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)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(rèn)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(tái)了《電動(dòng)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(shí)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(dòng)車的日益普及，智能充電控制系統(tǒng)類產(chǎn)品成為電動(dòng)車能源領(lǐng)域重要的產(chǎn)品。

    目前市場上的電動(dòng)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(dòng)車電池智能充電控制系統(tǒng)?？蛻艨赏ㄟ^刷IC卡進(jìn)行身份識(shí)別，若身份驗(yàn)證通過，該充電控制系統(tǒng)會(huì)釋放已經(jīng)完成充電的電池，供客戶隨時(shí)更換電動(dòng)車電池，同時(shí)客戶將虧空的電池放入電池槽進(jìn)行充電方便下次或他人使用。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案概述

    本電動(dòng)車電池智能充電控制系統(tǒng)能夠識(shí)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(yàn)證結(jié)果反饋給集中控制模塊。集中控制模塊根據(jù)信號(hào)采集模塊反饋的數(shù)據(jù)判斷各個(gè)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(hào)給機(jī)械鎖控制模塊，機(jī)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(jī)械鎖閉合。集中控制模塊控制充電機(jī)模塊開啟對電池進(jìn)行充電，經(jīng)信號(hào)采集模塊實(shí)時(shí)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(jì)

    電動(dòng)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(jìn)行通訊。

圖1電動(dòng)車電池智能充電控制系統(tǒng)框圖

各個(gè)功能模塊及其具體功能如下：

（1）IC卡識(shí)別模塊：

IC卡識(shí)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(shí)，模塊會(huì)以UART方式輸出卡內(nèi)信息，用于識(shí)別持卡人身份。

（2）機(jī)械鎖控制模塊：

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

（3）信號(hào)采集模塊：

信號(hào)采集模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)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(jì)中具有紅、黃、綠三種顏色指示燈，以及一個(gè)功率繼電器。采用2根控制信號(hào)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(yàn)證，電池機(jī)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(hào)采集模塊通訊實(shí)時(shí)讀取各個(gè)充電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)（包括電壓、電流等），配合電池的充電曲線來實(shí)時(shí)控制充電機(jī)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(jìn)而控制機(jī)械鎖控制模塊釋放電池。

4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1IC卡識(shí)別模塊

    RFID(RadioFreqtJencyIdenTIficaTIon)技術(shù)被全球高科技領(lǐng)域譽(yù)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(jì)采用Philips生產(chǎn)的MifareOneS50，該卡的RFID芯片所具有的獨(dú)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(xiàng)新技術(shù)，他成功地將射頻識(shí)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(gè)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(shí)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(chǔ)結(jié)構(gòu)；

（5）在無線通訊過程中通過以下機(jī)制來保證數(shù)據(jù)完整防沖突機(jī)制；每塊有16位CRC糾錯(cuò)；每字節(jié)有奇偶校驗(yàn)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(rèn)證(ISO/IECDIS9798-2)；通訊過程中所有數(shù)據(jù)均加密以防止信號(hào)截??；每一扇區(qū)有相互獨(dú)立的密碼；每張卡有32位全球惟一的序列號(hào)；傳輸密瑪保護(hù)；

（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(jìn)行設(shè)計(jì)。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(shí)，模塊會(huì)以UART方式輸出卡號(hào)，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(jī)械鎖控制模塊

    機(jī)械鎖控制模塊采用5VDC電源進(jìn)行供電，核心MCU采用MKE04Z8VTG4作為主控制芯片，用于實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)并響應(yīng)通訊召喚，輸出信號(hào)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

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

4.3信號(hào)采集模塊

    信號(hào)采集模塊采用5VDC電源進(jìn)行供電，核心MCU采用ATMEGA128L作為主控制芯片，用于實(shí)時(shí)進(jìn)行選通信號(hào)切換，采集電池電壓、電流數(shù)據(jù)，同時(shí)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(hào)依次接通1~12號(hào)電池的電壓，經(jīng)運(yùn)放OPA2171搭建的反比例放大電路后送入MCU的A/D采集端口進(jìn)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(hào)依次接通1~12號(hào)電池的電流采樣信號(hào)，經(jīng)運(yùn)放電路送入MCU的A/D采集端口進(jìn)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(jìn)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(gè)地址選擇控制輸入端以及一個(gè)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(hào)可控制峰峰值至18V的模擬信號(hào)。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(dòng)。因采用單電源供電，故將負(fù)電源引腳VEE與數(shù)字信號(hào)地VSS短接。

    在本設(shè)計(jì)中，我們采用的是兩根信號(hào)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(yuǎn)端控制信號(hào)CTRL0、CTRL1的高電平的值。當(dāng)A、B引腳電平高于10V時(shí)，認(rèn)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(gè)電阻R110連接至信號(hào)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(hào)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(gè)通道的導(dǎo)通電阻為5Ω。

    當(dāng)CTRL0=“0”、CTRL1=“0”時(shí)，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(hào)CtrlSig約為0.79V。此時(shí)LED控制信號(hào)LED1=LED2=LED3，值近似為VCC。

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

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

    當(dāng)CTRL0=“1”、CTRL1=“1”時(shí)，U101的CH3通道導(dǎo)通。此時(shí)R101、D102、R110構(gòu)成回路，紅色指示燈亮。此時(shí)控制信號(hào)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(shí)，令CTRL0=CTRL1=“1”，此時(shí)紅色指示燈常亮。其他指示燈滅，電池機(jī)械鎖控制控制信號(hào)CtrlSig=VCC，外接機(jī)械鎖閉鎖。

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

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

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

（5）欲取出電池時(shí)，令CTRL0=CTRL1=“1”，此時(shí)U101的CH0通道導(dǎo)通，電池機(jī)械鎖控制控制信號(hào)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(jī)械鎖控制部分”、“LED輔助控制部分”的設(shè)計(jì)介紹可知，此時(shí)繼電器K101吸合，LED輔助控制信號(hào)SW被拉低，三色指示燈D102、D103、D104同時(shí)點(diǎn)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(hào)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(jī)輸出值，同時(shí)輸出充電顯示信號(hào)。

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

（4）與IC卡識(shí)別模塊通訊，實(shí)時(shí)解析IC卡權(quán)限等數(shù)據(jù)。

（5）實(shí)時(shí)存儲(chǔ)各個(gè)電池的充放電數(shù)據(jù)曲線，檢測電池故障。

5軟件設(shè)計(jì)

6結(jié)語

    本文主要介紹了一種應(yīng)用IC卡實(shí)現(xiàn)智能投放電池、管理電池的電動(dòng)車充電控制系統(tǒng)。其通過幾個(gè)功能模塊的數(shù)據(jù)采集及綜合控制，可以實(shí)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(shí)，可將用戶使用過的饋電狀態(tài)電池進(jìn)行充電管理，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車電池的智能管理。隨著電動(dòng)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(dòng)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(diǎn)，同時(shí)極大程度的提升了用戶使用便捷性。