一種電動自行車充電樁的設計

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

一種電動自行車充電樁的設計

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

針對目前電動自行車大量增加，同時充電問題困難的情況，設計了一種小區用刷卡付費電動車充電樁，可以解決小區內私拉亂接電線為電動車充電的問題。充電樁收費采用M1卡進行結算，通過時間控制繼電器的通斷實現電動車的充電，按照充電時間進行收費。充電剩余時間采用LED液晶顯示，每臺充電樁可以控制10路負荷的通斷。該充電樁還能夠對電動車充電負荷進行檢測，當負荷超過限值時斷開負載，保證電動車充電故障時能隔離故障。實踐證明，充電樁能夠正常付費工作，方便地解決了城市小區居民對電動車充電。

電動自行車；充電樁；M1卡

0　引言

作為新型、節能、高效的交通工具，電動自行車日益受到市民的歡迎。同時，由于電動車電池特別是摩托式電動車電池不易拆卸，小區存在隨意私拉、亂接電線給電動自行車充電的現象，給小區埋下巨大的安全隱患。市場呼喚一種方便進行充電的設備［1］。2014年6月4日，鄭州市公安局、城鄉規劃局、城鄉建設委員會、住房保障和房地產管理局、民政局聯合下發了《關于在住宅小區建設電動自行車充電庫（棚）的通知》，要求按照市場化運行模式，規劃增建或改建電動自行車充電庫（棚），同時杜絕私拉亂接電線進行［2］。電動自行車充電樁可以實現對電動自行車的充電，同時實現按照充電時間收費，實現了對電動自行車充電的商業化運營，可以滿足電動自行車充電的要求。

1　電動自行車充電樁模式

目前市場上常見充電樁模式主要有兩種，一種是提供低壓直流電（如 48 V），直接對電動車蓄電池充電，供電動自行車快速充電，但是這種方案只能解燃眉之急，長時間使用會大大縮短蓄電池的使用壽命［3-4］。同時由于各種電動車的蓄電池電壓不同［5］，需要制作多種電壓規格。此外，由于針對蓄電池的充電方法日新月異，人們不斷提出如分級恒電流充電法、脈沖式充電法、定化學反應狀態法、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法適應市場對延長蓄電池壽命的要求［7］。

另外一種是直接提供220 V交流電供電動自行車充電，電動車充滿電需要耗時幾個小時，適用于慢速充電場合，需要電動車自帶充電器。這種充電方法可以針對每一臺電動車采用合適的充電器，延長蓄電池壽命，特別適合在小區以及電動自行車充電站使用。

2　充電樁架構設計

本文所設計的充電樁架構設計分為付費模塊、控制模塊和檢測模塊3個模塊。其中付費模塊與控制模塊之間采用I2C總線進行通信，控制模塊與檢測模塊之間通過UART口進行通信，如圖1所示。采用多個模塊進行設計使得多個模塊的軟件設計分離，其中一個模塊的軟件更改不會影響到其他軟件，大大簡化了軟件的設計，有利于設計出健壯可靠的軟件。

圖1　電動車充電樁模塊架構圖

3　付費模塊設計

本充電樁采用商業運營模式。市場上常用的售電付費模式主要有投幣式和刷卡式。由于投幣式需要預先準備零錢，同時維護方需要定期取錢，運作起來比較麻煩，本設計購售電采用刷卡方式進行。

3.1付費卡設計

刷卡采用M1卡進行。M1卡是一種無源被動式射頻卡，屬于非接觸邏輯加密卡，技術成本低廉，交易流程簡明，系統架構較為簡單，常用于門禁以及付費系統［8-9］。M1卡的能量和數據都由天線來傳輸。當射頻接口電路接收到13.56 MHz的調制信號后，將信號送至調制解調模塊，經過整流電路和穩壓電路將正弦波轉化為方波后輸出，以支持卡內電路的工作。M1卡分為16個扇區，每個扇區4塊，共64塊數據。其中第0扇區的塊0用于存儲廠商代碼，已經固化，不可更改。其他各扇區的塊0、塊1、塊2為數據塊，用于存儲數據；塊3為控制塊，存放密碼A、存取控制字、密碼B。M1卡各扇區的密碼和存取控制都是獨立的，可以根據實際需要設定各自的密碼存取控制。

M1卡采用一卡一密的方式進行加密，密碼A和密碼B配合使用。同時針對居民對電動自行車充電需要的用電量較小、金額有限［2］，對單個 M1卡實現最大金額限制，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讀寫卡模塊設置

用戶只需要在充電樁上刷卡區刷一下就可以完成一次購電。用戶通過M1卡刷卡購買用電時間，充電樁根據用戶購買用電時間對相應的插座供電，從而實現對電動自行車的充電。

讀寫卡芯片采用復旦微電子設計的FM1702芯片實現。FM1702是基于ISO14443標準的非接觸卡讀卡機專用芯片，采用0.6μm CMOS EEPROM工藝，支持 13.56 MHz頻率下的typeA非接觸通信協議，支持多種加密算法，兼容Philips的MF RC530（SPI接口）讀卡機芯片。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10 cm，內部帶有加密單元，支持 SPI接口模式，發射口采用單端輸出。基于 FM1702讀寫芯片設計的非接觸式IC卡讀寫系統設計簡單、系統穩定、易于維護，被廣泛應用于校園一卡通、考勤、門禁等不同領域［10-11］。

FM1702的內部結構如圖2所示。

圖2　FM1702芯片功能框圖

4　控制模式設計

為了經濟地實現產品，該充電樁可以實現對多路插座市電的獨立通斷控制。對充電回路的控制通過繼電器來實現。用戶可以通過按鍵選擇相應的市電通路，實現對相應通路的購電。

相對于目前常用的采用保險絲限制電動車充電功率的做法［12］，本文采用了對功率進行實時檢測的方法，當功率超過限值時，斷開該回路，實現對功率的限制。相對于采用保險絲的做法，本文方法減少了故障次數，也省掉了更換保險絲的麻煩。

正確購電后，相應回路的剩余充電時間通過LED顯示，用戶可以看到剩余充電的分鐘數。當剩余充電的時間為0時，自動斷開繼電器，完成充電。

5　控制器硬件設計

產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位框架結構的微控制器，其CPU內核有6個內部寄存器。STM8S系列芯片的核具有16 MHz的內部晶振，具有3級流水線，總線結構采用哈佛結構。芯片具有32 KB Flash存儲器和2 KB內部RAM。還具有128 KB內部EEPROM，可以經受10萬次擦寫。工作電壓為2.95 V～5.5 V。具有時鐘監視功能以保證時鐘安全。具有低功耗模式，也可以單獨關閉外設時鐘。具有一個異步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，最高速率可以達到 400 kb/s；具有一個硬件SPI口，最高速率可以達到8 Mb/s。具有10路精度10位的ADC采樣端口，可以進行模擬信號的采樣，實現對通路電流采樣的檢測。

6　控制流程軟件設計

軟件設計代碼采用C語言編寫。

刷卡模塊實現用電刷卡、收費和增加售電時間的功能。控制模塊實現充電回路的通斷，檢測模塊實現對電路是否過流的檢測，檢測結果發送給控制模塊。由控制模塊控制繼電器的通斷，從而實現電動車充電回路的斷開和閉合。

用戶充電過程如下：

（1）當用戶需要充電時，用戶按下第 n通路按鍵，控制模塊閉合第n通路繼電器，同時向檢測模塊發送第n通路檢測消息。

（2）檢測模塊接收到檢測命令后，根據第 n通路的采樣值判斷第n通路是否正常接通。然后發送檢測結果給控制模塊。

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

（4）刷卡模塊檢測到 M1卡，進行扣費，如果扣費成功，則向控制模塊發送增加扣費時間消息。

（5）控制模塊接收到消息后，閉合繼電器，開始充電，同時啟動充電時間倒計時。

（6）倒計時結束，控制模塊斷開相應回路的繼電器，充電結束。

6.1刷卡模塊軟件設計

刷卡模塊的程序流程如圖3所示。每隔100 ms檢測一次刷卡區是否有用戶卡，如果有用戶卡，并在用戶要求充電（即某充電回路選中）狀態，則扣費，對相應回路增加充電時間，同時顯示用戶卡內的剩余金額。如果處于空閑狀態，則不扣費，僅顯示用戶卡內的剩余金額。

圖3　刷卡模塊軟件流程圖

6.2控制模塊軟件設計

控制模塊主要實現繼電器的通斷電，在充電模式下，當開始充電后，控制模塊開始倒計時，倒計時完成后，繼電器斷開，完成本次充電。流程如圖4所示。

6.3檢測模塊軟件設計

檢測模塊主要完成負載的檢測。通過芯片的AD采集功能，把接收到的模擬信號變換為數字信號。AD采樣采用10位AD采樣，采樣電路集成在芯片內部。當接收到控制模塊的通路檢測命令時，檢測回路電流是否大于檢測門限值，當大于檢測門限值時，判斷為電路導通，發送電路導通消息給控制模塊；反之，發送電路故障消息給控制模塊，實現了當電路故障情況下，不會誤對用戶卡扣費。當檢測到過載時，檢測模塊發送過載消息給控制模塊，控制模塊斷開此路負載。相對于采用保險絲限制電流的負載，免除了更換保險絲的麻煩。

圖4　控制模塊流程圖

7　結論

本文實現了一種使用M1卡付費的電動車充電樁的軟件設計。實際使用證明，本方案設計的充電樁可以實現多路充電回路的通斷，用戶可以方便地使用M1用戶卡進行購電，同時可以對充電負荷功率進行控制，當用電負荷超過門限閾值時，能夠自動跳開相應的繼電器，并上報出錯信息。本文設計的充電樁免除了更換保險絲的麻煩，適合小區以及社會上電動自行車商業充電站的需求。

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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，工學碩士，工程師，主要研究方向：電力電子產品。E-mail：zhangbaozeng@163.com。

李鵬（1986-），男，工科學士，助理工程師，主要研究方向：嵌入式軟件設計。