关键词：IC识别；电动车充电；充放电控制

1  引言

随着石油、煤炭等自然能源的不断消耗、污染加重，电力能源被认为是最绿色环保的出行设备能源。2015年，国家有关部门出台了《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020)》，不仅对未来我国充电基础设施布局提供指导，同时提出了我国"十三五"阶段充电基础设施发展的总体目标，而且还提出了分区域和分场所建设的目标与路线图。伴随电动车的日益普及，智能充电控制系统类产品成为电动车能源领域重要的产品。

目前市场上的电动车电池充电产品较多，本文所介绍的是一种可以通过IC卡控制的电动车电池智能充电控制系统。客户可通过刷IC卡进行身份识别，若身份验证通过，该充电控制系统会释放已经完成充电的电池，供客户随时更换电动车电池，同时客户将亏空的电池放入电池槽进行充电，供下次或他人使用。

2  系统设计方案概述

本电动车电池智能充电控制系统能够识别持卡人的IC卡数据，若持卡数据密钥解析正确，则将验证结果反馈给集中控制模块。集中控制模块根据信号采集模块反馈的数据判断各个电池的满电状态，根据满电的先后顺序选出一只电池。集中控制模块输出控制信号给机械锁控制模块，机械锁控制模块解锁蓄电池，可令客服取出电池。待客户将亏空的电池放入电池槽后，机械锁闭合。集中控制模块控制充电机模块开启对电池进行充电，经信号采集模块实时监测电池的电压、电流等数据，通过状态指示模块显示电池的充电状态。

3  控制系统设计

电动车电池充电控制系统的框图如图1所示，系统内部采用RS-485总线进行通讯。

图1  电动车电池智能充电控制系统框图

各个功能模块及其具体功能如下：

（1）IC卡识别模块

IC卡识别模块采用13.56MHz非接触射频技术，内嵌NXP射频基站。当有卡靠近模块时，模块会以UART方式输出卡内信息，用于识别持卡人身份。

（2）机械锁控制模块

机械锁控制模块主要用于输出机械锁的控制信号。当输出高电平时，机械锁闭合，电池处于锁定状态；当输出低电平时，机械锁断开，电池处于可拆卸状态。

（3）信号采集模块

信号采集模块实时监测各个电池的充电电流、电池端电压等状态信息，并以通讯方式将数据量上传给集中控制模块。

（4）充电状态显示模块

充电状态控制模块设计中具有红、黄、绿三种颜色指示灯，以及一个功率继电器。采用2根控制信号线，可显示单只电池的五种状态，具体如下：

①红色指示灯常亮：该路电池支路存在故障。

②绿色指示灯常亮：该路电池已经充满。

③黄色指示灯常亮：该路电池槽空位。

④黄色、绿色指示灯交替闪烁：表征该路电池正在充电。

⑤红、黄、绿三种指示灯全亮：操作者身份已经验证，电池机械锁将打开，操作者可抽取电池。

（5）集中控制模块

集中控制模块为本系统的控制核心，通过与信号采集模块通讯实时读取各个充电机的运行状态（包括电压、电流等），配合电池的充电曲线来实时控制充电机模块的输出，保证电池不匮电、不过充。控制充电状态控制模块来显示当前电池的电荷状态。通过读取IC卡数据判定持卡人身份，进而控制机械锁控制模块释放电池。

4  系统硬件设计

4.1  IC卡识别模块

RFID(Radio FreqtJency IdenTIficaTIon)技术被全球高科技领域誉为最有市场前景、最具改变人类生活方式和高科技产业面貌的技术。本设计采用Philips生产的Mifare One S50，该卡的RFID芯片所具有的独特的MIFARE RF(射频)非接触式接口标准已被制定为国际标准ISO/IEC 14443 TYPE A标准，其应用很广泛。

Mifare One S50卡是一种非接触式IC卡，又称RFID卡(射频卡)。RFID卡是世界上最近几年蓬勃发展起来的一项新技术，他成功地将射频识别技术和IC卡技术结合起来，解决了卡中无电源和免接触使用这一难题，是电子器件领域的一大突破。

　　Mifare One S50卡的电气部分只由一个天线和一块RFID芯片组成。其中天线是只有几组绕线的线圈，封装到ISO卡片中。数据保存期为10年，可改写10万次，读无限次。卡与读写器之间的通讯采用国际通用的DES和RES保密交叉算法，具有极高的保密性能。其主要特性如下：

（1）工作频率为13.56MHz；通信速率为106 kB/s；

（2）防冲突：同一时间可处理多张卡；

（3）读写距离：在100mm内(与天线形状有关)能方便快速地传递数据；

（4）握手式半双工通讯方式；支持多卡操作；支持一卡多用的存储结构；

（5）在无线通讯过程中通过以下机制来保证数据完整防冲突机制；每块有16位CRC纠错；每字节有奇偶校验位；检查位数用编码方式来区分“1”、“0”或无信息；信道监测（通过协议顺序和位流分析）；

（6）安全性：3次相互认证(ISO/IEC DIS 9798-2)；通讯过程中所有数据均加密以防止信号截取；每一扇区有相互独立的密码；每张卡有32位全球惟一的序列号；传输密玛保护；

（7）典型交易过程≤100ms。

针对RFID卡的数据通讯，我们采用成熟的通讯模块进行设计。该读卡模块采用13.56MHz非接触射频技术，内嵌NXP射频基站。 当有卡靠近模块时，模块会以UART方式输出卡号，仅需简单的读取即可， 该系列读卡模块支持Mifare OneS50、S70等卡片。该模块电气特性如下：

l 典型工作电源：DC 3.3V或者DC 5V

l 读卡平均电流：3.3V/35mA或者5V/54mA

l 工作温度：-10～+70℃

IC卡识别模块引脚图如图2所示。

图2  IC卡识别模块引脚图

4.2  机械锁控制模块

机械锁控制模块采用5V DC电源进行供电，核心MCU采用MKE04Z8VTG4作为主控制芯片，用于实时处理数据并响应通讯召唤，输出信号控制继电器的开合状态。

采用ADM2483作为RS-485通讯控制芯片，用于与核心控制模块进行数据交互。

采用HF115F-I/05-1HS3作为机械锁控制继电器，其采用5V电压控制，最大负载电流为16A，导通电阻62欧姆。

4.3  信号采集模块

信号采集模块采用5V DC电源进行供电，核心MCU采用ATMEGA128L作为主控制芯片，用于实时进行选通信号切换，采集电池电压、电流数据，同时响应通讯召唤。

采用AQW214作为12路电池电压采样切换开关，配合MCU的控制信号依次接通1~12号电池的电压，经运放OPA2171搭建的反比例放大电路后送入MCU的A/D采集端口进行采样。

采用MMBT4401、CD4051B构建多路选通控制电路，配合MCU的控制信号依次接通1~12号电池的电流采样信号，经运放电路送入MCU的A/D采集端口进行采样。

采用ADM2483作为RS-485通讯控制芯片，用于与核心控制模块进行数据交互。

4.4  充电状态指示模块

充电状态指示控制部分主要由TI公司生产的CD4051BM芯片构成，该芯片8通道数字控制模拟电子开关。其具有A、B、C三个地址选择控制输入端以及一个INH输入使能控制引脚，其具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5～18V的数字信号可控制峰峰值至18V的模拟信号。其选通真值表如附表所示。

充电状态指示模块电路图如图3所示，U101为多路选通模拟开关芯片CD4051BM，其工作电源引脚VDD连接至12V电源VCC，电容C101用于给电源去耦滤波防止电源波动。因采用单电源供电，故将负电源引脚VEE与数字信号地VSS短接。

图3  充电状态指示模块电路图

在本设计中，我们采用的是两根信号线控制四通道，所以将U101的其他引脚，如：9脚（地址选择C输入）、1脚（CH4输入）、5脚（CH5输入）、2脚（CH6输入）、4脚（CH7输入）等引脚全部接地，避免引脚悬空受到外界的电磁干扰。

R105、R106为上拉电阻，用于提高远端控制信号CTRL0、CTRL1的高电平的值。当A、B引脚电平高于10V时，认为CTRL0、CTRL1为逻辑1，反之为逻辑0。U101的3脚为公共输出端，其通过一个电阻R110连接至信号地DGND。红色指示灯D102、黄色指示灯D103、绿色指示灯D104分别连接至U101的CH1~CH3输入信号端，电阻R101~R104为限流电阻。取R110阻值为100Ω，R101~104阻值为1.5KΩ，U101每个通道的导通电阻为5Ω。

当CTRL0=“0”、CTRL1=“0”时，U101的CH0通道导通。VCC经R104输入至U101的13脚，再经3脚COM端流电阻R110至DGND构成回路。考虑R104、U101的导通电阻、R110的比例关系，可知输出控制信号CtrlSig约为0.79V。此时LED控制信号LED1=LED2=LED3，值近似为VCC。

当CTRL0=“1”、CTRL1=“0”时，U101的CH1通道导通。此时R103、D104、R110构成回路，绿色指示灯亮。此时控制信号CtrlSig=LED1=LED2=VCC。

当CTRL0=“0”、CTRL1=“1”时，U101的CH2通道导通。此时R102、D103、R110构成回路，黄色指示灯亮。此时控制信号CtrlSig=LED1=LED3=VCC。

当CTRL0=“1”、CTRL1=“1”时，U101的CH3通道导通。此时R101、D102、R110构成回路，红色指示灯亮。此时控制信号CtrlSig=LED2=LED3=VCC。

基于以上逻辑控制关系，我们可据此给出CTRL0、CTRL1与充电状态的控制过程：

（1）电池故障时，令CTRL0=CTRL1=“1”，此时红色指示灯常亮。其他指示灯灭，电池机械锁控制控制信号CtrlSig = VCC，外接机械锁闭锁。

（2）电池空位时，令CTRL0=“0”、CTRL1=“1”，此时黄色指示灯常亮，其他指示灯灭，电池机械锁控制信号CtrlSig = VCC，外接机械锁闭锁。

（3）电池充满时，令CTRL0=“1”、CTRL1=“0”，此时绿色指示灯常亮，其他指示灯灭，电池机械锁控制信号CtrlSig = VCC，外接机械锁闭锁。

（4）电池正在充电时，交替令CTRL0=“0”、CTRL1=“1”，CTRL0=“1”、CTRL1=“0”，间隔时间1秒。此时，黄绿色指示灯交替闪烁，红色指示灯常灭，电池机械锁控制控制信号CtrlSig = VCC，外接机械锁闭锁。

（5）欲取出电池时，令CTRL0=CTRL1=“1”，此时U101的CH0通道导通，电池机械锁控制控制信号CtrlSig = 0.79V。在Q103、Q104、Q105未开通的情况下，LED1=LED2=LED3近似为VCC。

由前述“电池机械锁控制部分”、“LED辅助控制部分”的设计介绍可知，此时继电器K101吸合，LED辅助控制信号SW被拉低，三色指示灯D102、D103、D104同时点亮。

4.5  集中控制模块

集中控制模块采用NXP公司的MK10DX128VLQ10作为核心MCU，其包括充放电控制、通讯等功能：

（1）通过与信号采集板的通讯，解析电压和电流等数据。

（2）根据充电控制曲线控制充电机输出值，同时输出充电显示信号。

（3）根据各个电池的状态并结合IC卡数据，控制机械锁，确保电池的投切。

（4）与IC卡识别模块通讯，实时解析IC卡权限等数据。

（5）实时存储各个电池的充放电数据曲线，检测电池故障。

5  软件设计

本系统软件设计需要包括几个部分：IC卡识别、电池充电控制、机械锁控制、充电状态显示。系统需要实时监测电池的在位状态及充电状态，根据电池的充电过程利用充电状态显示模块来指示当前的充电流程。当有用电池需求时，需先读取IC卡数据，通过数据校验来判断IC卡持有者身份。满足条件后，可控制机械锁模块释放电池。其流程图如图4所示。

图4  软件设计流程图

6  结语

本文介绍了一种应用IC卡实现智能投放电池、管理电池的电动车充电控制系统。其通过几个功能模块的数据采集及综合控制，可以实现根据IC卡判断用户权限，将已充满的电池投放，供用户使用。同时，可将用户使用过的馈电状态电池进行充电管理，实现电动车电池的智能管理。随着电动车的广泛应用，蓄电池的共享式管理能为电动车用户提供便捷。本文所介绍的系统，具有架构简单、制造成本低廉等优点，同时极大程度的提升了用户使用便捷性。