張保增，李　鵬，潘澤陽(yáng)，周亞楠（河南許繼儀表有限公司，河南 許昌 461000）

一種電動(dòng)自行車充電樁的設(shè)計(jì)

張保增，李鵬，潘澤陽(yáng)，周亞楠
（河南許繼儀表有限公司，河南 許昌 461000）

針對(duì)目前電動(dòng)自行車大量增加，同時(shí)充電問(wèn)題困難的情況，設(shè)計(jì)了一種小區(qū)用刷卡付費(fèi)電動(dòng)車充電樁，可以解決小區(qū)內(nèi)私拉亂接電線為電動(dòng)車充電的問(wèn)題。充電樁收費(fèi)采用M1卡進(jìn)行結(jié)算，通過(guò)時(shí)間控制繼電器的通斷實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的充電，按照充電時(shí)間進(jìn)行收費(fèi)。充電剩余時(shí)間采用LED液晶顯示，每臺(tái)充電樁可以控制10路負(fù)荷的通斷。該充電樁還能夠?qū)﹄妱?dòng)車充電負(fù)荷進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)負(fù)荷超過(guò)限值時(shí)斷開(kāi)負(fù)載，保證電動(dòng)車充電故障時(shí)能隔離故障。實(shí)踐證明，充電樁能夠正常付費(fèi)工作，方便地解決了城市小區(qū)居民對(duì)電動(dòng)車充電。

電動(dòng)自行車；充電樁；M1卡

0　引言

作為新型、節(jié)能、高效的交通工具，電動(dòng)自行車日益受到市民的歡迎。同時(shí)，由于電動(dòng)車電池特別是摩托式電動(dòng)車電池不易拆卸，小區(qū)存在隨意私拉、亂接電線給電動(dòng)自行車充電的現(xiàn)象，給小區(qū)埋下巨大的安全隱患。市場(chǎng)呼喚一種方便進(jìn)行充電的設(shè)備［1］。2014年6月4日，鄭州市公安局、城鄉(xiāng)規(guī)劃局、城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)、住房保障和房地產(chǎn)管理局、民政局聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于在住宅小區(qū)建設(shè)電動(dòng)自行車充電庫(kù)（棚）的通知》，要求按照市場(chǎng)化運(yùn)行模式，規(guī)劃增建或改建電動(dòng)自行車充電庫(kù)（棚），同時(shí)杜絕私拉亂接電線進(jìn)行［2］。電動(dòng)自行車充電樁可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)自行車的充電，同時(shí)實(shí)現(xiàn)按照充電時(shí)間收費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)自行車充電的商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，可以滿足電動(dòng)自行車充電的要求。

1　電動(dòng)自行車充電樁模式

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)充電樁模式主要有兩種，一種是提供低壓直流電（如 48 V），直接對(duì)電動(dòng)車蓄電池充電，供電動(dòng)自行車快速充電，但是這種方案只能解燃眉之急，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)大大縮短蓄電池的使用壽命［3-4］。同時(shí)由于各種電動(dòng)車的蓄電池電壓不同［5］，需要制作多種電壓規(guī)格。此外，由于針對(duì)蓄電池的充電方法日新月異，人們不斷提出如分級(jí)恒電流充電法、脈沖式充電法、定化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)法、變電流間歇/定電壓充電法、變電壓間歇充電法、模糊控制充電法等［6］，單一的提供低壓直流電的充電方法無(wú)法適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)延長(zhǎng)蓄電池壽命的要求［7］。

另外一種是直接提供220 V交流電供電動(dòng)自行車充電，電動(dòng)車充滿電需要耗時(shí)幾個(gè)小時(shí)，適用于慢速充電場(chǎng)合，需要電動(dòng)車自帶充電器。這種充電方法可以針對(duì)每一臺(tái)電動(dòng)車采用合適的充電器，延長(zhǎng)蓄電池壽命，特別適合在小區(qū)以及電動(dòng)自行車充電站使用。

2　充電樁架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的充電樁架構(gòu)設(shè)計(jì)分為付費(fèi)模塊、控制模塊和檢測(cè)模塊3個(gè)模塊。其中付費(fèi)模塊與控制模塊之間采用I2C總線進(jìn)行通信，控制模塊與檢測(cè)模塊之間通過(guò)UART口進(jìn)行通信，如圖1所示。采用多個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)使得多個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)分離，其中一個(gè)模塊的軟件更改不會(huì)影響到其他軟件，大大簡(jiǎn)化了軟件的設(shè)計(jì)，有利于設(shè)計(jì)出健壯可靠的軟件。

圖1　電動(dòng)車充電樁模塊架構(gòu)圖

3　付費(fèi)模塊設(shè)計(jì)

本充電樁采用商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式。市場(chǎng)上常用的售電付費(fèi)模式主要有投幣式和刷卡式。由于投幣式需要預(yù)先準(zhǔn)備零錢，同時(shí)維護(hù)方需要定期取錢，運(yùn)作起來(lái)比較麻煩，本設(shè)計(jì)購(gòu)售電采用刷卡方式進(jìn)行。

3.1付費(fèi)卡設(shè)計(jì)

刷卡采用M1卡進(jìn)行。M1卡是一種無(wú)源被動(dòng)式射頻卡，屬于非接觸邏輯加密卡，技術(shù)成本低廉，交易流程簡(jiǎn)明，系統(tǒng)架構(gòu)較為簡(jiǎn)單，常用于門禁以及付費(fèi)系統(tǒng)［8-9］。M1卡的能量和數(shù)據(jù)都由天線來(lái)傳輸。當(dāng)射頻接口電路接收到13.56 MHz的調(diào)制信號(hào)后，將信號(hào)送至調(diào)制解調(diào)模塊，經(jīng)過(guò)整流電路和穩(wěn)壓電路將正弦波轉(zhuǎn)化為方波后輸出，以支持卡內(nèi)電路的工作。M1卡分為16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)4塊，共64塊數(shù)據(jù)。其中第0扇區(qū)的塊0用于存儲(chǔ)廠商代碼，已經(jīng)固化，不可更改。其他各扇區(qū)的塊0、塊1、塊2為數(shù)據(jù)塊，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；塊3為控制塊，存放密碼A、存取控制字、密碼B。M1卡各扇區(qū)的密碼和存取控制都是獨(dú)立的，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定各自的密碼存取控制。

M1卡采用一卡一密的方式進(jìn)行加密，密碼A和密碼B配合使用。同時(shí)針對(duì)居民對(duì)電動(dòng)自行車充電需要的用電量較小、金額有限［2］，對(duì)單個(gè) M1卡實(shí)現(xiàn)最大金額限制，使得用戶破解密碼的成本小于收益成本，保證M1卡的安全性。

3.2讀寫(xiě)卡模塊設(shè)置

用戶只需要在充電樁上刷卡區(qū)刷一下就可以完成一次購(gòu)電。用戶通過(guò)M1卡刷卡購(gòu)買用電時(shí)間，充電樁根據(jù)用戶購(gòu)買用電時(shí)間對(duì)相應(yīng)的插座供電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)自行車的充電。

讀寫(xiě)卡芯片采用復(fù)旦微電子設(shè)計(jì)的FM1702芯片實(shí)現(xiàn)。FM1702是基于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的非接觸卡讀卡機(jī)專用芯片，采用0.6μm CMOS EEPROM工藝，支持 13.56 MHz頻率下的typeA非接觸通信協(xié)議，支持多種加密算法，兼容Philips的MF RC530（SPI接口）讀卡機(jī)芯片。芯片采用高集成度的模擬電路，只需最少量的外圍線路，操作距離可達(dá)10 cm，內(nèi)部帶有加密單元，支持 SPI接口模式，發(fā)射口采用單端輸出?；?FM1702讀寫(xiě)芯片設(shè)計(jì)的非接觸式IC卡讀寫(xiě)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定、易于維護(hù)，被廣泛應(yīng)用于校園一卡通、考勤、門禁等不同領(lǐng)域［10-11］。

FM1702的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　FM1702芯片功能框圖

4　控制模式設(shè)計(jì)

為了經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品，該充電樁可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多路插座市電的獨(dú)立通斷控制。對(duì)充電回路的控制通過(guò)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。用戶可以通過(guò)按鍵選擇相應(yīng)的市電通路，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)通路的購(gòu)電。

相對(duì)于目前常用的采用保險(xiǎn)絲限制電動(dòng)車充電功率的做法［12］，本文采用了對(duì)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的方法，當(dāng)功率超過(guò)限值時(shí)，斷開(kāi)該回路，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的限制。相對(duì)于采用保險(xiǎn)絲的做法，本文方法減少了故障次數(shù)，也省掉了更換保險(xiǎn)絲的麻煩。

正確購(gòu)電后，相應(yīng)回路的剩余充電時(shí)間通過(guò)LED顯示，用戶可以看到剩余充電的分鐘數(shù)。當(dāng)剩余充電的時(shí)間為0時(shí)，自動(dòng)斷開(kāi)繼電器，完成充電。

5　控制器硬件設(shè)計(jì)

產(chǎn)品各模塊硬件主芯片均采用ST公司的STM8S系列芯片。STM8S是基于8位框架結(jié)構(gòu)的微控制器，其CPU內(nèi)核有6個(gè)內(nèi)部寄存器。STM8S系列芯片的核具有16 MHz的內(nèi)部晶振，具有3級(jí)流水線，總線結(jié)構(gòu)采用哈佛結(jié)構(gòu)。芯片具有32 KB Flash存儲(chǔ)器和2 KB內(nèi)部RAM。還具有128 KB內(nèi)部EEPROM，可以經(jīng)受10萬(wàn)次擦寫(xiě)。工作電壓為2.95 V～5.5 V。具有時(shí)鐘監(jiān)視功能以保證時(shí)鐘安全。具有低功耗模式，也可以單獨(dú)關(guān)閉外設(shè)時(shí)鐘。具有一個(gè)異步UART口，支持全雙工異步通信，也可支持LIN主模式通信，還可以作為IRDA SIR編碼器解碼器。具有硬件I2C口，最高速率可以達(dá)到 400 kb/s；具有一個(gè)硬件SPI口，最高速率可以達(dá)到8 Mb/s。具有10路精度10位的ADC采樣端口，可以進(jìn)行模擬信號(hào)的采樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)通路電流采樣的檢測(cè)。

6　控制流程軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)代碼采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。

刷卡模塊實(shí)現(xiàn)用電刷卡、收費(fèi)和增加售電時(shí)間的功能?？刂颇K實(shí)現(xiàn)充電回路的通斷，檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電路是否過(guò)流的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果發(fā)送給控制模塊。由控制模塊控制繼電器的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車充電回路的斷開(kāi)和閉合。

用戶充電過(guò)程如下：

（1）當(dāng)用戶需要充電時(shí)，用戶按下第 n通路按鍵，控制模塊閉合第n通路繼電器，同時(shí)向檢測(cè)模塊發(fā)送第n通路檢測(cè)消息。

（2）檢測(cè)模塊接收到檢測(cè)命令后，根據(jù)第 n通路的采樣值判斷第n通路是否正常接通。然后發(fā)送檢測(cè)結(jié)果給控制模塊。

（3）如果接收到通路正常消息，則控制模塊向刷卡模塊發(fā)送進(jìn)入要求充電狀態(tài)消息，刷卡模塊進(jìn)入要求充電狀態(tài)。

（4）刷卡模塊檢測(cè)到 M1卡，進(jìn)行扣費(fèi)，如果扣費(fèi)成功，則向控制模塊發(fā)送增加扣費(fèi)時(shí)間消息。

（5）控制模塊接收到消息后，閉合繼電器，開(kāi)始充電，同時(shí)啟動(dòng)充電時(shí)間倒計(jì)時(shí)。

（6）倒計(jì)時(shí)結(jié)束，控制模塊斷開(kāi)相應(yīng)回路的繼電器，充電結(jié)束。

6.1刷卡模塊軟件設(shè)計(jì)

刷卡模塊的程序流程如圖3所示。每隔100 ms檢測(cè)一次刷卡區(qū)是否有用戶卡，如果有用戶卡，并在用戶要求充電（即某充電回路選中）狀態(tài)，則扣費(fèi)，對(duì)相應(yīng)回路增加充電時(shí)間，同時(shí)顯示用戶卡內(nèi)的剩余金額。如果處于空閑狀態(tài)，則不扣費(fèi)，僅顯示用戶卡內(nèi)的剩余金額。

圖3　刷卡模塊軟件流程圖

6.2控制模塊軟件設(shè)計(jì)

控制模塊主要實(shí)現(xiàn)繼電器的通斷電，在充電模式下，當(dāng)開(kāi)始充電后，控制模塊開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)完成后，繼電器斷開(kāi)，完成本次充電。流程如圖4所示。

6.3檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)模塊主要完成負(fù)載的檢測(cè)。通過(guò)芯片的AD采集功能，把接收到的模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)。AD采樣采用10位AD采樣，采樣電路集成在芯片內(nèi)部。當(dāng)接收到控制模塊的通路檢測(cè)命令時(shí)，檢測(cè)回路電流是否大于檢測(cè)門限值，當(dāng)大于檢測(cè)門限值時(shí)，判斷為電路導(dǎo)通，發(fā)送電路導(dǎo)通消息給控制模塊；反之，發(fā)送電路故障消息給控制模塊，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)電路故障情況下，不會(huì)誤對(duì)用戶卡扣費(fèi)。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)載時(shí)，檢測(cè)模塊發(fā)送過(guò)載消息給控制模塊，控制模塊斷開(kāi)此路負(fù)載。相對(duì)于采用保險(xiǎn)絲限制電流的負(fù)載，免除了更換保險(xiǎn)絲的麻煩。

圖4　控制模塊流程圖

7　結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了一種使用M1卡付費(fèi)的電動(dòng)車充電樁的軟件設(shè)計(jì)。實(shí)際使用證明，本方案設(shè)計(jì)的充電樁可以實(shí)現(xiàn)多路充電回路的通斷，用戶可以方便地使用M1用戶卡進(jìn)行購(gòu)電，同時(shí)可以對(duì)充電負(fù)荷功率進(jìn)行控制，當(dāng)用電負(fù)荷超過(guò)門限閾值時(shí)，能夠自動(dòng)跳開(kāi)相應(yīng)的繼電器，并上報(bào)出錯(cuò)信息。本文設(shè)計(jì)的充電樁免除了更換保險(xiǎn)絲的麻煩，適合小區(qū)以及社會(huì)上電動(dòng)自行車商業(yè)充電站的需求。

［1］王佳佳，孫玉濤.蚌埠市電動(dòng)自行車充電站的現(xiàn)狀和前景的調(diào)研［J］.高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2012（7）：28-29.

［2］鄭州市公安局.關(guān)于在住宅小區(qū)建設(shè)電動(dòng)自行車充電庫(kù)（棚）的通告［N］.2014.8.1（5）.

［3］馮仁斌，魏曉斌，胡恒生，等.鉛酸蓄電池的快速充電［J］.電源技術(shù)，2003，27（1）：72-74.

［4］辛敬，陳崢?lè)澹匀A，等.鉛酸蓄電池快速充電中的極化機(jī)理及對(duì)策［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2013（7）：70-72.

［5］張培君.電動(dòng)自行車電池的類型、特點(diǎn)與合理使用［J/OL］.電子報(bào)，2014.6.1.

［6］李俊.蓄電池快速充電技術(shù)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009.

［7］柴樹(shù)松.電動(dòng)自行車鉛酸蓄電池使用壽命的探討［J］.電動(dòng)自行車，2006（3）：28-30.

［8］劉宇航，葉冬.基于 MSP430的非接觸式 IC卡門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32（20）：22-24.

［9］周雪蕾，周建軍，鄭文剛，等.基于 M1卡的預(yù)付費(fèi)用水管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2011 （3）：35-37.［10］邢海霞，索明何.基于 FM1702射頻識(shí)別讀寫(xiě)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.科技廣場(chǎng)，2007（1）：202-204.

［11］黎洪生，文浩，舒懷，等.基于 FM1702的非接觸式讀寫(xiě)模塊設(shè)計(jì)［J］.電子元器件應(yīng)用，2007，9（1）：16-18.

［12］李思偉，陳云生.電動(dòng)自行車充電樁［P］.中國(guó)：201310337267，2013-08-05.

Design of electric bicycle charging device

Zhang Baozeng，Li Peng，Pan Zeyang，Zhou Yanan
（Henan Xuji Meter Co.，Ltd.，Xuchang 461000，China）

With increase of the e-bikes，charging e-bikes becomes difficult.This paper designs a type of charging equipment，by which people can purchase electric power by M1-Card.With this equipment，we can solve the problem of chaos of wires which are usually used for charging to e-bikes.The e-bikes charging equipment employs M1-Card for charge which is calculated by the hour.The equipment switches the On-off of relays to control charging time.The rest of charging time can be displayed on LED.Each equipment could control 10 loads.This charging equipment can also check the charging loads.When the load exceeds the limit value，it can cut down the electric power to protect charging load from breakdown.It has been proved that this charging equipment could work steadily，and people can purchase electricity with M1_Card to charging to e-bikes.

e-bikes；charging device；M1-card

TP368.1

A

1674-7720（2015）06-0029-03

2014-10-27）

張保增（1979-），通信作者，男，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向：電力電子產(chǎn)品。E-mail：zhangbaozeng@163.com。

李鵬（1986-），男，工科學(xué)士，助理工程師，主要研究方向：嵌入式軟件設(shè)計(jì)。