時(shí)間:2019-05-06 11:22:40來(lái)源: 北京動(dòng)力源科技股份有限公司任立明
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(yǔ)言程序設(shè)計(jì)及串口網(wǎng)絡(luò)通信,說(shuō)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(guó)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(duì)未來(lái)我國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施布局提供指導(dǎo),同時(shí)提出了我國(guó)"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(chǎng)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(chǎng)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(guò)IC卡控制的電動(dòng)車電池智能充電控制系統(tǒng)??蛻艨赏ㄟ^(guò)刷IC卡進(jìn)行身份識(shí)別,若身份驗(yàn)證通過(guò),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(kāi)啟對(duì)電池進(jìn)行充電,經(jīng)信號(hào)采集模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的電壓、電流等數(shù)據(jù),通過(guò)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(kāi),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(cè)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(kāi),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(guò)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(lái)實(shí)時(shí)控制充電機(jī)模塊的輸出,保證電池不匱電、不過(guò)充。控制充電狀態(tài)控制模塊來(lái)顯示當(dāng)前電池的電荷狀態(tài)。通過(guò)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(chǎng)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(guó)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(lái)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(lái),解決了卡中無(wú)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(wàn)次,讀無(wú)限次??ㄅc讀寫器之間的通訊采用國(guó)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(wú)線通訊過(guò)程中通過(guò)以下機(jī)制來(lái)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(lái)區(qū)分“1”、“0”或無(wú)信息;信道監(jiān)測(cè)(通過(guò)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(guò)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(guò)程≤100ms。
針對(duì)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(jiǎn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(cè)電池故障。
5軟件設(shè)計(jì)
6結(jié)語(yǔ)
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(guò)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(guò)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(jiǎn)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。
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