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淺談校園電動自行車充電管理系統(tǒng)的設計及應用

技術文章

淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司  上海  201801

摘 要

針對目前大學園區(qū)電動自行車數(shù)量大量增加,且園區(qū)缺少安全可靠的充電設備的情況,本文設計了一個基于公眾平臺的電動自行車充電管理系統(tǒng),能夠很好的解決校園內電動自行車充電困難的問題,*消除私拉亂接電線的安全隱患。電動車充電管理系統(tǒng)分為充電站智能終端、服務器后臺、客戶端、 網(wǎng)頁管理終端等。充電站智能終端采用 RS-485 總線實現(xiàn)與智能充電器的通信,實時掌握充電狀態(tài)。后臺服務器采用 MVC 架構,給客戶端和網(wǎng)頁版管理后臺提供查詢接口,實時監(jiān)測充電狀態(tài)。該管理系 統(tǒng)還實現(xiàn)了支付功能,可以實現(xiàn)對充電的按時按量收費。實踐證明,該充電管理系統(tǒng)能夠很好的解決當前校園充電亂象,具有良好的市場前景。

關鍵詞

電動自行車;智能充電器;平臺;管理系統(tǒng)

 

0引言

近年來,電動自行車作為一種高效、便捷、價格低廉的 交通工具,越來越受到人們的歡迎,尤其是在大學校園,購買電動車也成為一種趨勢。但是大學園區(qū)宿舍不同于普通居民宿舍,電動車充電設備并不齊全,在大學宿舍隨意亂拉電線、私接電線給電動車充電的現(xiàn)象屢見不鮮。這種現(xiàn)象的長 期存在,具有很大的火災隱患。根據(jù)消防部門的數(shù)據(jù)統(tǒng)計, 在所有的火災事故中,電動車充電造成的事故占 10%,造成了巨大的損失。目前,有關城市已經開始籌建相應的電動自 行車充電棚以解決電動自行車充電困難的問題。大學校園作 為電動自行車新的市場,需要逐步完善充電設備的建設。本文意在設計一個電動自行車充電管理系統(tǒng),按照充電時間以 及充電量進行計費,通過客戶端實現(xiàn)對充電狀態(tài)的實時監(jiān)測,能很好的解決校園電動車充電困難的問題。

1電池充電原理

鉛蓄電池充電主要有兩種模式,恒壓式充電和三段式充電。恒壓式充電是指在充電時在蓄電池的兩極施加恒定的電壓,在充電過程中電壓保持恒定,隨著蓄電池兩端電壓的升高,充電電流逐漸降低,這種充電方式電解水很好,可以防止對電池的過充?,F(xiàn)在市面上一些快速充電方案多采用這種方式。但是恒壓充電在充電初期,由于蓄電池兩端電動勢較低,初始充電電流很大,會對電池的壽命產生很大影響,另外容易使蓄電池兩端的極板彎曲,造成電池的報廢。

恒壓充電的充電電壓、電流曲線如圖 1 所示。

圖 1 恒壓充電電壓電流曲線

三段式充電包括恒流、恒壓、降壓浮動充電三個階段。在恒流階段,充電電流保持恒定,電池電壓逐漸上升,充入電量也快速上升。當電池電壓達到一定閾值時,充電裝置進入恒壓充電階段,此時充電電壓保持恒定,充電電流逐漸下降。當充電電流下降到浮充轉換電流后,進入浮動充電階段, 此時可認為電池已基本充滿。三段式充電方式在充電初期采用恒流充電方式,避免了恒壓充電在充電初期的大電流,能很好的保護電池。目前,市面上大多數(shù)的電動自行車充電模塊多采用三段式充電方式。三段式充電的充電電壓、電流曲線如圖 2 所示。


圖 2 三段式充電電壓電流曲線

 

2充電模塊硬件設計

通過分析恒壓式充電和三段式充電優(yōu)缺點,本文的智能充電模塊采用三段式充電方式。智能充電模塊硬件結構圖如圖 3 所示。

市電 220V 交流電經整流濾波電路變成直流,后經開關驅動電路斬成方波,再經過高頻變壓、濾波電路實現(xiàn)對鉛蓄電池的充電。恒壓控制電路和恒流控制電路通過對電壓、電流的采樣,控制脈寬調制電路實現(xiàn)對開關驅動電路的控制,使智能充電器對電池的充電工作在恒壓、恒流、浮壓充電模式。

模塊硬件主芯片采用意法半導體公司的 STM32F103C8T6 微控制器。該芯片可工作在 72MHz,具有三級流水線。該芯片具有 64KB 閃存程序存儲器和 20KB 內部 SRAM。它帶有3 個異步 URAT 通信接口,支持全雙工通信,通過在芯片外圍添加MAX485 芯片可以將智能充電器接入 485 總線,實現(xiàn)和智能控制終端的主從通信。

圖 3 智能充電模塊硬件結構圖

 

STM32F103C8 芯片還帶有 2 個 12 位 16 通道AD 轉換模塊, 能夠滿足對充電電壓、電流的采樣要求,不需要采用外接 AD 模塊,降低了系統(tǒng)設計的復雜程度和設計成本。

微控制器將采集的電壓、電流信息經 RS485 總線實時輸出給控制終端。控制終端根據(jù)電壓、電流信息,分析電池充電狀態(tài),當電池電量充滿時,控制終端發(fā)送關閉電源指令, 微控制器終控制固態(tài)繼電器關閉電源,防止對電池的過沖。

3 通信協(xié)議

本文采用 RS-485 總線通信接口實現(xiàn)智能充電器與數(shù)據(jù)終端的主從通信。RS485 總線通信標準是美國電子工業(yè)協(xié)會在 RS-422 標準基礎上研究出的通信協(xié)議。RS485 采用差分信號邏輯,接口采用平衡驅動器和差分接收器組合,具有很強的抗干擾性能。RS-485 擁有多站能力,連接多達 128 個收發(fā)器,并且具備較遠的傳輸距離,在通信速率不大于 100kbs 的條件下,有效傳輸距離不小于 1200m。

數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議本文采用 Modbus 通信協(xié)議。Modbus 通信協(xié)議是 Modition 公司倡導的一種通信規(guī)約,它采用主從問答方式,是一種標準、開放的網(wǎng)絡通信協(xié)議,目前在 RS232 和 RS485 通信過程中,廣泛采用這種協(xié)議。Modbus 通信協(xié)議有兩種傳輸方式,Modbus ASCII 和 Modbus RTU。ASCII 模式中的數(shù)據(jù)采用 ASCII 碼表示,消息中的每 8 位字節(jié)作為兩個 ASCII 發(fā)送,采用 LRC 數(shù)據(jù)校驗方式。RTU 模式中數(shù)據(jù)采用非壓縮 BCD 碼方式,傳輸數(shù)據(jù)中每 8 位字節(jié)分為2 個 4 位BCD 碼傳輸,相比于ASCII 模式有更高的傳輸密度, RTU 模式采用 CRC 進行數(shù)據(jù)校驗 。目前市場上大多數(shù)通信儀表多采用Modbus RTU 方式,為保證硬件兼容性,本文采用

RTU 通信模式。圖 4 為 Modbus RTU 方式消息幀格式。

 

圖 4 Modbus RTU 方式消息幀格式

 

4 智能充電器軟件設計

本系統(tǒng)智能充電器軟件設計采用模塊化設計方式,主要包括 AD 數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字濾波模塊、RS-485 通信模塊, 以及充電電源的開合控制。

系統(tǒng)上電后,微控制器讀取各種初始化參數(shù),并啟動 AD 轉換采集電壓、電流數(shù)據(jù) , 并通過 RS485 總線將充電數(shù)據(jù)實時傳送給控制終端。系統(tǒng)采用中斷方式監(jiān)測控制終端發(fā)送的控制數(shù)據(jù),實現(xiàn)對充電電源的開合控制。

本文采用平均濾波算法對采集電壓電流數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波,能有效的濾除隨機干擾和電網(wǎng)電壓波動造成的影響。軟件程序流程圖如圖 5 所示。


 

圖 5 智能充電器軟件流程圖

 

5 控制終端

本文的控制終端采用 H290-1900J 工控電腦。該控制器采用 Windows 7 系統(tǒng),可方便編寫程序實現(xiàn)和智能硬件的通信。H290-1900J 帶有 300M 無線網(wǎng)卡,可以實現(xiàn)和后端服務器的網(wǎng)絡通信。它還帶有串口通信模塊可以掛載RS-485 總線實現(xiàn)和智能硬件的主從通信。

控制軟件采用 C# 作為編程語言,C# 是微軟推出的面向對象的編程語言,能十分方便的編寫上位機控制軟件。控制端軟件分為 4 個功能模塊:界面模塊、控制模塊、串口通信模塊、網(wǎng)絡通信模塊。界面模塊實現(xiàn)良好的用戶界面,方便管理員進行信息輸入以及相關參數(shù)的查看。串口通信模塊通過RS-485 總線實現(xiàn)和總線上各個子模塊的通信,并實現(xiàn)對從設備的控制。網(wǎng)絡通信模塊采用http 通信方式,調用后端服務器網(wǎng)絡通信接口,實時傳送充電狀態(tài)參數(shù)并實現(xiàn)命令的收發(fā)。

6服務器設計

當前,應用已經成為人們日常生活中*的手機應用,用戶量龐大。2012 年,騰訊公司推出公眾平臺, 宣傳口號是“再小的個體,也有自己的品牌”。公眾平臺可以大限度的幫助、媒體、企業(yè)、組織和個人進行品牌推廣,減少運營成本。另外公眾平臺的開發(fā)和維護費用較之傳統(tǒng)的手機應用有很大的優(yōu)勢,極大的降低了前期開發(fā)成本。

公眾賬號分為訂閱號和服務號兩種類型,它們在功能和用途上有比較大的不同,訂閱號主要是面向媒體和個人, 方便為用戶提供資訊和信息;服務號主要是面向企業(yè)和組織, 為用戶提供管理和業(yè)務服務。本文申請功能更加豐富的服務號進行公眾平臺的開發(fā)。

公眾號可以設置自定義菜單,使公眾號成為一個輕量級的應用。自定義菜單提升了公眾賬號的交互屬性,用戶點擊自定義菜單就可以獲取相應的內容。另外對于 view 類型的菜單按鈕,客戶端會打開開發(fā)者在按鈕中填寫的URL,通過內置的瀏覽器與web app 進行交互,方便用戶快速進入網(wǎng)頁應用。圖 6 為公眾平臺與開發(fā)者服務器信息交互流程圖。

 

本文基于公眾平臺開發(fā)了電動車智能充電系統(tǒng)客戶端。用戶通過該客戶端可以查看系統(tǒng)中充電設備的狀態(tài), 并選擇空閑設備進行充電。另外,借助平臺提供的支付功能,本設計可以實現(xiàn)在線按時付費,較之傳統(tǒng)的投幣式和刷卡式付費方式,本設計極大的降低了硬件設計的成本和設計難度,具有很強的擴展性。

為方便管理者對系統(tǒng)進行監(jiān)控和管理,本文還實現(xiàn)了網(wǎng)頁版管理后臺。網(wǎng)頁版管理后臺采用前后端分離方式, 后端和公眾平臺共用一個 JAVA 服務器。服務器采用SpringMVC 框架。SpingMVC 是近幾年發(fā)展起來的一個 MVC 框架,很好的體現(xiàn)了分層的思想,即模型(Model)、視圖(View)、控制器(Controller)。MVC 模式使軟件很好的分層,使程序更加容易維護。MVC 模式各部分都有各自的作用,模型層控制數(shù)據(jù)的存儲以及軟件的業(yè)務邏輯。視圖層用來提供用戶界面??刂破魇悄P蛯雍鸵晥D層的橋梁,用來控制數(shù)據(jù)在視圖層的流動。圖 7 是服務器后臺架構圖。

 

前端采用 AngularJs 框架構建業(yè)務邏輯。AngularJs 是一個前端 MVVM 框架,借助它并與其它 Web 技術,如HTML、CSS、JavaScript 等配合使用,能夠使 web 應用開發(fā)比以往更加簡單,便捷。借助 AngularJs 雙向數(shù)據(jù)綁定以及依賴注入的特性,極大的降低了構建前端應用的難度。網(wǎng)頁版管理后臺主要實現(xiàn)了用戶管理、充電數(shù)據(jù)管理,充電狀態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)推送等功能。另外管理后臺還對充電數(shù)據(jù)進行分析,生成充電狀態(tài)曲線,便于管理者及時發(fā)現(xiàn)充電異常情況。圖 8 是系統(tǒng)管理后臺界面圖。

7. 安科瑞電動自行車充電樁平臺介紹(含選型)

7.1 平臺結構

7.2平臺主要功能

 

7.3設備選型:

 ACX10A-YH 刷卡掃碼充電,刷卡充電需要在管理處預存電費充值后進行刷卡充電,也可接入充電樁管理云平臺通過掃碼充電。

 

7.4功能描述:

① 電瓶車智能充電樁大可外接 10 路插座,每個插座只支持一臺電瓶車通過車配充電器充電。

② 電瓶車智能充電樁可支持刷卡、掃碼兩種付費充電模式,具體設備支付功能以訂貨要求為準。掃

碼充電功能需與云平臺聯(lián)網(wǎng)后使用。

③ 電瓶車智能充電樁具備語音播報功能。

④ 電瓶車智能充電樁可以按時間或電量充電。

⑤ 功率識別,電瓶車智能充電樁具備檢測大功率負載功能,可以設定功率報警值,達到報警值時會

斷開對應充電回路,防止用戶私接插線板給多臺電瓶車充電或大功率設備進行充電。出廠默認設

定 300W。

⑥ 電瓶車智能充電樁支持多次刷卡或掃碼后,再按鍵充電的功能,充電時間將自動累加。出廠默認

設定 1 次,即刷卡或掃碼 1 次按鍵后,才能再次刷卡或掃碼。

⑦ 電瓶車智能充電樁可開啟免費充電功能

⑧ 故障回路識別,電瓶車智能充電樁可判斷繼電器故障或計量故障導致的故障回路,顯示該回路故

障信息,斷開回路。

⑨ 斷電記憶,當出現(xiàn)電網(wǎng)停電時,來電恢復后可繼續(xù)使用剩余的時間充電。

⑩ 空載保護,用戶拔掉充電器或充電器插頭未插緊,若還有剩余時間或電量,則會發(fā)出報警,同時

在已設定的一定時間內關閉該回路供電。

? 充滿自停,電瓶車充滿電量后,若還有剩余時間或電量,則會發(fā)出報警,同時在已設定的一定時

間內關閉該回路供電。

? 短路保護,電瓶車智能充電樁每個出線回路均設置有熔斷器保護,在發(fā)生短路意外時,會使熔斷

器熔斷。

? 箱內過溫保護,也可根據(jù)需求設置夜間禁止充電時間。

 

8結束語: 

本文實現(xiàn)了一種基于云平臺的電動車智能管理系統(tǒng)。通過 RS-485 接口總線將智能設備與智能網(wǎng)關設備進行聯(lián)網(wǎng),網(wǎng)關設備通過與后臺服務器的通信將各個充電器節(jié)點接入公有云,實現(xiàn)智能硬件的聯(lián)網(wǎng)化。借助公眾平臺實現(xiàn)對充電狀態(tài)的監(jiān)控,用戶可以隨時查看充電狀態(tài)。服務器實時監(jiān)測充電電壓和電流,當充電負荷超過設定閾值時,可以及時關閉充電設備,防止危險情況的發(fā)生,另外對電流參數(shù)的監(jiān)測可以及時關閉電源,防止過沖,延長電池使用壽命。實踐證明,本設計穩(wěn)定可靠,可解決校園內電動車充電困難的問題,并可將該設計向居民區(qū)擴展,具有良好的商業(yè)推廣價值。

【參考文獻】

[1] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊. 2019.11版

[2]  陸燦楠 葉 樺 仰燕蘭 闕宇翔校園電動自行車充電管理系統(tǒng)的設計

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