淺談電瓶車智能收費充電樁的設計與應用

更新時間：2023-05-30

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胡冠楠

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定

摘要：針對小區電瓶車充電不合理問題，設計了基于嵌入式的智能計費充電裝置。該裝置由RN8208G電量采集芯片、STM32系列單片機、LCD1602顯示器、TF儲存器、支付模塊、充電模塊組成。該裝置由RN8208G電量采集芯片充電消耗的電量，通過STM32單片機送到LCD1602顯示器電路中顯示用電量和電費等參數。用戶進行IC卡支付或者投幣式支付。通過SPI通信將用電量、電費等參數送到上位機，以便對該裝置進行監測、斷電、調壓等操作。本裝置采用電量計費可以有效的降低了用戶充電費用，電量使用情況可以儲存，以便讓用戶核對，支付方便，增加安全性和方便性。

關鍵詞：小區電瓶車充電；RN8208G；上位機；IC卡支付

0引言

隨著我國環保意識的增強，城市污染和能源危機的加重電瓶車受到廣泛的關注。據調查目前國內電瓶車使用量仍有繼續增長的趨勢，隨著電瓶車數量的增多，電瓶車的充電也是一個問題。小區電瓶車充電大多數采用投幣式和時間計費方式這樣計費方式使電瓶車用戶充電費用過多，收費不合理，給電瓶車用戶增加了額外的經濟負擔。該裝置為了消除收費不合理情況，選取用戶使用電量來進行收費的方法，使收費合理，能通過SPI協議與計算機聯系將電量，電費，充電電壓，電流等數據傳輸到計算機內進行儲存，分析可以很好的進行遠程監控和控制，節省大量人力。國內外對電瓶車的充電進行了大量研究，充電樁實現耗電功率顯示，投幣式支付，按照充電時間進行支付的功能，具有輸出電壓顯示，充電計時顯示，充電電流顯示，按充電時間投幣的功能。用戶對電能計量的要求越來越高，不僅要求智能電表計量準確，性能穩定，還要求能顯示出用電量等信息。所以本裝置使用RN8208G芯片內部電源監測可以保證上電和斷電時該裝置性能穩定，具有防盜電和防漏電的功能，保證該裝置的安全性和穩定性。采用電量計費，大大節省用戶的充電費用，使收費更加合理。采用標準的四線同步雙向串行SPI總線。能夠高速的進行數據傳遞，將充電樁的充電電流，充電電壓，用電量，充電功率傳送到上位機中儲存，一旦充電樁內充電數據異常能夠快速反應，做出斷電和調壓等控制增加了該裝置的可靠性和安全性。

1系統總體框圖

該裝置由電量采集模塊、A/D裝換模塊、單片機小系統、儲存模塊、顯示模塊、支付模塊和充電模塊組成。系統總體框圖如圖1所示，通過RN8208G單相電量計量芯片模塊將用戶所用電量采集后通過A/D裝換模塊將模擬信號轉換為數字信號經過單片機內部的程序算法將收費方式按照電量進行收費。電量使用情況可以儲存在TF卡中長時間保存，可以供單片機讀取，將電量使用情況和電費送到數碼管中顯示出來。用戶可以通過IC卡和投幣進行支付。系統總體框圖如圖1所示。

2系統設計

圖1系統總體框圖

2.1硬件設計

根據上述總體設計模型分析，進行智能充電樁嵌入式控制系統的優化設計，基于嵌入式技術進行智能充電樁嵌入式控制系統的硬件的模塊化設計，系統的硬件電路設計主要包括了電量采集計量模塊設計、支付模塊設計等，對其分別描述如下：

圖2電量采集計量模塊工作電路

(1)該裝置的電量采集計量模塊主要進行電量的采集、計算、傳輸的作用。該模塊具有全數字的增益、相位和當外部噪聲 (如PCB噪聲，變壓器噪聲等)較大，積分所得的能量影響到小信號精度時提高小信號有功精度的offset校正。大大的消除了電路內部干擾，提高了計量的精度。該模塊能夠進行SPI和USART通信，只需要控制RN8082G單相電量計量芯片的IS引腳的高低電平進行轉換，可以方便與主控單片機進行通信。其內部具有電源監控電路可以保證斷電和上電時芯片可靠工作。該電量采集計量模塊的工作電路如圖2所示。

(2)該裝置的支付模塊主要作用是進行電費的的支付，以及將支付后的信息傳遞給單片機。該模塊只需要簡單的操作就可以完成對IC卡的全部操作，具有默認尋卡方式，當卡片進入天線時，LED出現低電平，上位機可以直接通過尋卡指令讀取卡片序列號，通信采用硬件簡單，資源消耗少的SPI通信，大大的提高了精度，降低了讀卡失誤率。用戶刷卡信息直接通過單片機和上位機傳到PC里保存，便于核對信息。該支付模電路圖如圖3所示。

圖3支付模塊電路圖

該裝置的充電模塊充電電路主要是對電瓶車蓄電池進行充電。次級繞組接D1、D2、D3和D5構成二次整流電路，470UF的電解電容C8電容濾波電容。R23為蓄電池實際電壓的采樣電路，采樣蓄電池電壓的1/12。蓄電池的負極經0.1Q的采樣電阻接到地上構成電流采樣電路。次級繞組的中間接線端經二極管D3、限流電阻R2、12V穩壓管ZD1、電解電容和瓷片電容組成12V穩壓電路為散熱風扇提供電源。該充電模塊充電電路圖如圖4所示。

圖4充電模塊充電電路圖

2.2軟件設計

該系統軟件有用戶是否確認、有無錯賬記錄、連接是否確認、充電模式是否確認、是否加電、是否充電結束、是否充電結算等軟件和人工判斷。其功能是充電模式設置能充電結束顯示充電消耗電量，便于用戶核對充電費用。此軟件系統結合硬件系統可以達到省時、省電、安全可靠的目的，為用戶提供良好的使用環境，也解決了用戶采用電量計費的目的，大大節省用戶的充電費用，使收費更加合理。對其分別描述如下：

(1)用戶是否確認的判斷為了防止用戶因誤操作使電瓶車進入充電模式。有無錯賬記錄判斷為了防止充電樁充電過程中出現計費錯誤，給用戶造成損失。連接是否確認判斷為了檢測插頭是否固定好或者插頭是否連接，提高使用安全性和可靠性。其軟件設計如圖5所示。

圖5軟件設計圖

(2)充電模式是否確認判斷為了保證在不同的充電時段內充電樁輸出電壓等不同，保證了充電省時、省電。是否上電判斷為了確保充電過程中上電時間準確，防止電瓶車出現過充現象，延長電瓶車電池的使用壽命。其軟件設計圖如圖6所示。

圖5軟件設計圖

圖6軟件設計圖

(3)是否充電結算判斷為了核對是否充電結算存在錯誤，如果存在錯誤，用戶可以不進行充電結算，待數據正常后進行結算，此設置為用戶提供更為人性化的服務。其軟件設計圖如圖7所示。

圖7軟件設計圖

3安科瑞電瓶車充電樁及收費管理系統的介紹

3.1電瓶車智能充電樁及收費管理系統架構介紹

電瓶車智能充電樁是新一代電瓶車智能充電設備，具有交流輸出電源遠程通斷控制、充電安全控制、電度計量、按時計費功能于一體的交流供電裝置，該裝置能通過電瓶車的車配充電器為電瓶車充電。支付方式可選擇投幣、刷卡、掃描使用，設備內部可引出 10路出線至專用插座，通過電瓶車的車配充電器完成充電。可連接云平臺給用戶提供安全可靠及智能化的充電服務。

安科瑞電瓶車智能充電樁通過GPRS模塊與云端進行通信和數據交互。系統能夠對電瓶車充電樁的日常狀態、充電過程進行監控；實現充電支付對接：支持投幣、刷卡、微信支付等多種支付方式，保證交付交易過程的完整性，對充電過程中的異常情況進行有效的預警；實現對下游站級平臺的清算和對賬功能。