一種多倉換電柜控制系統

白鷗 陳曉楠 楊俠 李政偉

摘 要：針對外賣行業、快遞行業共享電池的智能電柜是剛需，全國各地百萬級數量的電動車用于快遞、外賣等。共享電池首先面臨的就是如何提供快捷和可靠的換電服務，方便用戶的快速更換電池，全國各地主要城市鋪展著掃碼換電的電柜在各個街道站點，但是大多電柜面臨設計結構復雜，成本高，運維難度大等問題。對于以上問題，提出一種多倉換電柜控制系統，實現一塊控制板實時有效的完成對多倉換電柜的充電、換電、取電、放電、開倉、監控等功能。大大的降低了電柜終端的設備成本、維護成本，結構簡單并且可以保證設備功能的實時有效性。

關鍵詞：多倉換電柜控制系統;低成本;實時有效

中圖分類號：TM91 文獻標識碼：A

0 引言

隨著社會的發展，清潔能源越來越受到人們的關注，在政策的推動下，中國鋰電池產業規模在不斷的迅猛增長。針對當前外賣、快遞、家庭等新能源兩輪或三輪電動車業務的大量增加，與之配套的動力電池產業也在迅速崛起，用量也越來越大，更加突出了對動力電池資產分配以及集中管理的重要性。共享電池的出現，這些車輛再也不用擔心電池的續航，也省卻了車輛每天找地方充電的煩惱。

共享電池首先面臨的就是如何提供快捷和可靠的換電服務，方便用戶的快速更換電池。多家公司在全國各地主要城市街道站點投放了若干掃碼換電的電柜，但是大多電柜設計結構復雜，成本高，運維不方便。多倉的電柜控制系統普遍做法是，每一個倉門一塊控制板，匯總到一塊中央控制板，最后再連接負責數據傳輸和定位的小板將數據上報到云端大數據中心。這種模式存在著結構復雜、成本高、運維難度大等問題。

為解決這一痛點，本系統只用一塊中央控制底板，一塊負責數據傳輸的小板配合云端大數據中心的操作指令來完成所有掃碼換電、充電、取電、放電、開倉等業務，大大的降低了電柜終端的設備成本、維護成本，結構簡單并且可以保證設備功能的實時有效性。

多倉換電柜控制系統，通過空閑輪詢方式實現與多倉內的充電設備通訊;通過輪詢的方式定時切換選擇與多倉電柜內的電池通訊實現與倉內電池的數據交互;通過云端大數據的業務指令以中斷的方式改變輪詢模式為業務模式，切換連接倉門為業務所指的倉門ID，并進行倉門控制、倉門狀態、倉門內電池設備信息的實時獲取，并傳輸給所述數據傳輸單元，再由所述數據傳輸單元將業務實時信息上報給所屬的云端大數據中心，實現一塊控制板實時有效的完成對多倉電柜的充電、換電、取電、放電、開倉、監控等功能。

1 多倉換電柜控制系統的功能構成

多倉換電柜控制系統，主要用于多倉充電柜、多倉換電柜等設備，對倉內電池充電進行控制，對電池信息進行監控，執行電池換電等業務操作;本系統主要包括中央控制單元和數據傳輸單元兩個部分。中央控制單元用于控制電柜多個倉門的開關，控制電柜多個倉的紅、綠、黃三種指示燈按照倉內電池設備狀態區分顯示，以輪詢方式與電柜每一個倉內的電池設備進行通訊監控，并能根據倉內電池設備的狀態進行倉內充電設備的控制;數據傳輸單元用于將中央控制單元監控的數據信息以及設備的位置信息、基站信息等上傳到云端大數據中心，并將云端大數據中心下發的操作指令接收后傳輸給中央控制單元。中央控制單元在無云端大數據中心操作指令的空閑模式下以輪詢的方式保持與電柜的每個倉內設備（包括電池設備和充電設備）進行通訊，在接收到云端大數據中心的業務指令后切換為業務模式，根據業務所對應的倉門ID以中斷的方式切換到業務所指示的倉門進行業務操作，從而實現用一個控制板完成對電柜的多個倉門的控制，并且保證電柜的實時有效性。

2 控制策略以及可行性分析

2.1 多倉換電柜系統拓撲結構

如圖1所示，多倉換電柜控制系統，包括數據傳輸單元、中央控制單元、通道選擇接口、倉門鎖控制接口和多個電池倉通訊接口。

數據傳輸單元：包括定位模塊和遠程通訊模塊，用于將定位信息、基站信息和中央控制單元的實時監測信息上傳給云端大數據中心;將云端大數據中心的業務操作指令接收后下發給中央控制單元;

多倉通訊接口：分別包括多路充電器通訊接口和多路電池通訊接口;電池通訊接口通過通道選擇接口與中央控制單元連接，分時與中央控制單元交換數據;充電器通訊接口通過總線方式與中央控制單元連接，接收中央控制單元的輪詢控制指令;

通道選擇接口：用于選擇不同的電池通訊接口與中央控制單元進行數據交互;

倉門鎖控制接口：與中央控制單元連接，執行中央控制單元的開鎖指令;

數據傳輸單元：實時與中央控制單元保持數據通訊并實時將中央控制單元接收到的電池倉通訊接口的數據，上傳給云端大數據中心;接收云端大數據中心發送的指令，傳輸給中央控制單元進行執行。

中央控制單元還與指示燈控制接口相連，根據從每個所述電池倉通訊接口獲取到的充電設備和電池的狀態信息通過指示燈控制接口輸出指示燈控制信息。

多倉換電柜控制系統拓撲結構如下：

2.2 多倉換電柜控制系統功能模塊結構

2.2.1 多倉換電柜控制系統控制單元

（1）電源兩線：POWER/GND;（2）風扇兩線：風扇+，風扇-;（3）485 兩線：485_A，485_B;（4）門控六線：LED_R，LED+，POWER，LOCK_OUT，DET_IN，LED_G。

2.2.2 多倉換電柜控制系統數據傳輸單元

（1）4G天線;（2）485_EX3 擴展485電表AB線;（3）485_EX2擴展柜控級聯AB線。

2.3 多倉換電柜控制系統功能邏輯

在整個換電系統中，涉及APP、業務子系統、接入子系統、電池、換電柜五大部分。系統功能邏輯圖如下：

2.3.1 業務定義

SN1指：要換電放入的電池設備SN，或要放入電池的SN;

SN2指：換電要取出的電池設備SN;

TCP1：表示電池連接的TCP SERVER;

TCP2：表示柜控要連接的TCP SERVER。

服務器端柜控邏輯：

柜ID，柜狀態、倉ID，對應倉體電池SN，倉門開關信息;

換電服務狀態查詢：服務正常則可以換電，如果服務不正常，則停止換電服務。

2.3.2 業務流程

APP發起換電請求時，發送消息為： 換電指令，柜ID，電池SN1，要求開啟的倉門1ID;

EXCHANGER將任務發送給TCP2;

TCP2 發送S31指令給DCU，包括的內容有：換電指令、柜ID，放入電池SN1，開啟倉門1ID;

DCU接收到S31指令后，回復接收響應報文T31，同時將對應的指令發送給CCU;

CCU開啟倉門1，并將倉門1開啟狀態反饋發送給DCU;

DCU上報倉門1開啟報文T27給TCP2;

SN1電池一旦有充電器接入指示，則立刻上報信息TCP1;倉門1關門后柜門藍牙檢測到SN1電池充電器接入指示則立即上報TCP2;

TCP2從自身及TCP1一直監控SN1的狀態，當檢測到倉門1關閉30S內有充電器插入的消息，則立刻下發開啟倉門2命令，并一直檢測SN2的充電器狀態;（TCP2需不斷將柜子狀態同步給APP）

信息有：柜狀態（換電中，倉ID，倉門開關狀態，電池SN，電池狀態）;

DCU接到TCP2的開倉門2命令后，則向CCU發起命令;

CCU開啟倉門2，在后續一旦有倉門2關閉命令，則立刻上報狀態;

SN2電池一旦有充電器移除指示，則立刻上報信息TCP1;關倉門2后柜門藍牙檢測到SN2電池充電器移除指示則立即上報TCP2;

柜門CCU只有同時檢測到倉門2關閉和檢測SN2充電器移除的指令時，完成過程。

交互流程示例如圖3。

3 結論

多倉換電柜控制系統，通過空閑輪詢方式實現與多倉內的充電設備通訊;通過輪詢的方式定時切換選擇與多倉電柜內的電池通訊實現與倉內電池的數據交互;通過云端大數據的業務指令以中斷的方式改變輪詢模式為業務模式，切換連接倉門為業務所指的倉門ID，并進行倉門控制和倉門狀態、倉門內電池設備信息的實時獲取，并傳輸給所述數據傳輸單元，再由所述數據傳輸單元將業務實時信息上報給所述的云端大數據中心，實現一塊控制板實時有效的完成對多倉電柜的充電、換電、取電、放電、開倉、監控等功能。本系統大大的降低了電柜終端的設備成本、維護成本，結構簡單并且可以保證設備功能的實時有效性，具有很大的推廣意義。

參考文獻：

[1]郭丹，商玲.一種智能充換電柜系統[P].北京：CN207320872U，2018-05-04.

[2]林錦輝，劉立強，王修，等. 一種應用于多功能換電柜的智能控制板及智能控制系統[P].廣東省：CN210199534U，2020-03-27.