一种用于电动车电池交换续航及充电的控制装置的制作方法

本实用新型涉及一种用于电动车电池交换续航及充电的控制装置，属于电力控制领域。

背景技术：

随着世界石油资源的短缺和全球气候变暖的严峻形式下，建设低碳交通工具将成为新能源产业的发展方向。目前全世界对电动车的研究已经进入白热化，人们使其成为21世纪主流。电动车充电设施是电动车产业链中不可或缺的重要组成部分。在大力发展电动车产业的同时还应充分兼顾电动车电池交换续航及充电控制设施的发展，因此对电动车电池交换续航及充电控制装置的研究显得十分重要。而目前建设的智能充电桩只能以投币或刷卡方式进行交流电池或直流快充，但充电时间长、电池易受损且效率低下，不易于用户使用。因此，以电池租赁的方式直接更换上以慢充电方式充满电的电池来续航解决了传统方式所带来的一切难题。

技术实现要素：

本实用新型为了解决传统电动车电池充电慢及紧急情况下快速充电损坏电池等问题，进而提出了一种用于电动车电池交换续航及充电的控制装置。

本实用新型为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种用于电动车电池交换续航及充电的控制装置，所述装置包括主控单片机模块、总电源开关控制继电器模块、电源模块、IC卡、RFID读卡器、LCD显示模块、温湿度采集模块、震动检测模块以及至N个从单片机模块、N个RS232通信模块和N组电池柜；每组电池柜包含至少两个电池控制单元，每个电池控制单元包含充电开关继电器模块、电控锁模块、充电模块和电池电量检测模块，每个电池控制单元用于控制一个电池的充电及存取；N为自然数且1≤N≤8；

电源模块用于为RFID读卡器、主控单片机模块、从单片机模块、总电源开关控制继电器模块、充电开关继电器模块、电池电量检测模块和电控锁模块的继电器提供5V电压，并且为电控锁模块提供12V电压；主控单片机模块的指令输出端与LCD显示模块相连，显示提示信息；主控单片机模块的指令输出端分别与总电源开关继电器模块的使能控制端连接；

温湿度传感器用于检测所述主控单片机模块周围的温度和湿度，震动传感器用于检测主控单片机模块是否受到破坏，两者将信息传给主控单片机模块；若温度、湿度、震动强度任一数据超标，主控单片机模块通过总电源开关继电器模块断开供电源；RFID读卡器用于读取IC卡号信息，并将卡号传给主控单片机模块；

每个从单片机模块通过一个RS232通信模块与主控单片机模块交换指令；每个从单片机模块控制一组电池柜；

从单片机模块的指令输出端分别与充电开关继电器模块和电控锁模块的继电器使能端相连，充电开关继电器模块控制电池充电的闭合，电控锁模块控制电控锁的开合；从单片机模块的指令输入端与电池电量检测模块相连，电池电量检测模块用于检测电池的电量及检测电池桶内是否放入电池；充电模块用于为放入电池桶内的电池进行充电；

所述电池电量检测模块包括运放LM321、电阻R10、电阻R11、电阻R12和电阻R13；电阻R13的一端接在串联在电池回路中小电阻两端的电压上，电阻R13的另一端与运放LM321的同相输入端连接；电阻R12的一端接5V电压，电阻R12的另一端与运放LM321的同相输入端连接；电阻11的一端接地，电阻R12的另一端与运放LM321的反相输入端连接；电阻R10的一端与运放LM321的反相输入端连接，电阻R10的另一端与运放LM321的输出端u_o连接；运放LM321的输出端u_o与STM32F103ZET6单片机的PA0引脚连接；因为STM32F103ZET6单片机的PA0引脚是单片机内部A/D的通道，从而将检测到的模拟电压信号转化为单片机可识别的数字信号，实现了对电池的电量检测；

所述充电模块由光耦TLP521-1芯片、电阻R20、电阻R21和MOS管STP5NK802FP组成；所述MOS管STP5NK802FP承受最大电压800V，通过最大电流4.3A，最大功率30W；电阻R20的一端光耦TLP521-1芯片的BH1引脚连接，电阻R20的另一端接3.3V电压，光耦TLP521-1芯片的BL1引脚与STM32F103ZET6单片机芯片的PD1引脚连接，光耦TLP521-1芯片的C1引脚接12V电压，电阻R321的一端与光耦TLP521-1芯片的E1引脚连接，电阻R21的另一端与MOS管STP5NK802FP的基极连接，MOS管STP5NK802FP的发射基蓄电池的正极，MOS管STP5NK802FP的集电极接36V电压；通过STM32F103ZET6单片机芯片的PD1引脚输出的PWM波来输出0-36V可调电压为蓄电池充电；

所述电控锁模块控制的电控锁的工作电压为12VDC，额定电流500mA，可承受最大280kg直线拉力；所述的震动传感器为801S型。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型从电池交换及充电管理的实际角度出发，本着设计合理、成本低廉、安装简单的设计方案，提出了一种用于电动车电池交换续航及充电的控制装置，是以主控单片机模块及从单片机模块为核心，依靠电源模块将220交流电压转换为12V、5V及3.3V，分别为各个模块供电，主控单片机模块通过RFID读卡器读取用户IC卡号，完成用户识别，通过继电器控制电控锁使其将刚放入的电池锁止，同时为用户锁释放一枚已充满的电池，通过继电器控制开启对应的充电开关，对刚放入的电池充电，所采用的RFID读卡器功耗小且响应快，充电模块采用PWM软件控制方式实现电压的多级可调输出，根据电池电量检测模块，可实现对电池的合理快速充电及电量的实时检测，主体采用主从控制方式可以方便扩充电池数量，同时采用的电控锁、继电器等成本适中，且质量安全可靠，实验证明了本实用新型设计电路的正确性和可行性，完全适用于电动车电池交换续航及充电的控制，最终实现了以电池租赁方式，用户只需通过刷卡来更换电池达到快速续航的目的。

本实用新型可用于市区、居民区，以电池租赁的方式直接更换上充满电的电池来续航解决了传统直接充电慢的问题。将交流220V转为直流电压为单片机供电同时为电池充电，电池桶内电池电量检测模块及电池锁通过继电器分别与从单片机的指令输入端和指令输出端相连，从单片机通过检测电池电压来检测电池桶内电池的放入与取走，若放入，则用户刷卡，主控单片机通过RFID读卡器读取ID卡卡号，若识别成功后通过继电器控制电控锁使其将刚放入的电池锁止，同时锁释放一枚已充满的电池，通过继电器控制开启对应的充电开关，对其充电；若识别不成功，则刷卡无效。因此说，本实用新型解决了传统充电桩电池充电等待时间长及紧急情况下快速充电损坏电池等问题。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构框图(用于电动车电池交换续航及充电的控制装置)；

图2是本实用新型中的主控单片机模块电路图，包括单片机时钟电路和复位电路，与从单片机模块的电路图相同；

图3是本实用新型中的总电源开关继电器模块电路图，与充电开关继电器模块的电路图相同；

图4是本实用新型中的220V转12V、220V转5V和5V转3.3V电源模块电路图；

图5是本实用新型中的RFID读卡器电路图；

图6是本实用新型中的LCD显示模块电路原理图；

图7是本实用新型中的温湿度检测模块电路原理图；

图8为本实用新型中的震动检测模块的电路图；

图9为本实用新型中的电池电量检测模块电路图；

图10为本实用新型中的电控锁模块电路图；

图11为本实用新型中的充电模块图；

图12为本实用新型中的RS232通信模块电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～12所示，本实施方式所述的用于电动车电池交换续航及充电的控制装置包括主控单片机模块、总电源开关控制继电器模块、电源模块、IC卡、RFID读卡器、LCD显示模块、温湿度采集模块、震动检测模块以及至N个从单片机模块、N个RS232通信模块和N组电池柜；每组电池柜包含至少两个电池控制单元，每个电池控制单元包含充电开关继电器模块、电控锁模块、充电模块和电池电量检测模块，每个电池控制单元用于控制一个电池的充电及存取；N为自然数且1≤N≤8；

电源模块用于为RFID读卡器、主控单片机模块、从单片机模块、总电源开关控制继电器模块、充电开关继电器模块、电池电量检测模块和电控锁模块的继电器提供5V电压，并且为电控锁模块提供12V电压；主控单片机模块的指令输出端与LCD显示模块相连，显示提示信息；主控单片机模块的指令输出端分别与总电源开关继电器模块的使能控制端连接；

温湿度传感器用于检测所述主控单片机模块周围的温度和湿度，震动传感器用于检测主控单片机模块是否受到破坏，两者将信息传给主控单片机模块；若温度、湿度、震动强度任一数据超标，主控单片机模块通过总电源开关继电器模块断开供电源；RFID读卡器用于读取IC卡号信息，并将卡号传给主控单片机模块；

每个从单片机模块通过一个RS232通信模块与主控单片机模块交换指令；每个从单片机模块控制一组电池柜；

从单片机模块的指令输出端分别与充电开关继电器模块和电控锁模块的继电器使能端相连，充电开关继电器模块控制电池充电的闭合，电控锁模块控制电控锁的开合；从单片机模块的指令输入端与电池电量检测模块相连，电池电量检测模块用于检测电池的电量及检测电池桶内是否放入电池；充电模块用于为放入电池桶内的电池进行充电；

所述电池电量检测模块包括运放LM321、电阻R10、电阻R11、电阻R12和电阻R13；电阻R13的一端接在串联在电池回路中小电阻两端的电压上，电阻R13的另一端与运放LM321的同相输入端连接；电阻R12的一端接5V电压，电阻R12的另一端与运放LM321的同相输入端连接；电阻11的一端接地，电阻R12的另一端与运放LM321的反相输入端连接；电阻R10的一端与运放LM321的反相输入端连接，电阻R10的另一端与运放LM321的输出端u_o连接；运放LM321的输出端u_o与STM32F103ZET6单片机的PA0引脚连接；因为STM32F103ZET6单片机的PA0引脚是单片机内部A/D的通道，从而将检测到的模拟电压信号转化为单片机可识别的数字信号，实现了对电池的电量检测；

所述充电模块由光耦TLP521-1芯片、电阻R20、电阻R21和MOS管STP5NK802FP组成；所述MOS管STP5NK802FP承受最大电压800V，通过最大电流4.3A，最大功率30W；电阻R20的一端光耦TLP521-1芯片的BH1引脚连接，电阻R20的另一端接3.3V电压，光耦TLP521-1芯片的BL1引脚与STM32F103ZET6单片机芯片的PD1引脚连接，光耦TLP521-1芯片的C1引脚接12V电压，电阻R321的一端与光耦TLP521-1芯片的E1引脚连接，电阻R21的另一端与MOS管STP5NK802FP的基极连接，MOS管STP5NK802FP的发射基蓄电池的正极，MOS管STP5NK802FP的集电极接36V电压；通过STM32F103ZET6单片机芯片的PD1引脚输出的PWM波来输出0-36V可调电压为蓄电池充电；

所述电控锁模块控制的电控锁的工作电压为12VDC，额定电流500mA，可承受最大280kg直线拉力；所述的震动传感器为801S型。

具体实施方式二：如图2所示，本实施方式所述的一种用于电动车电池交换续航及充电的控制装置，所述主控单片机模块包括单片机主芯片、时钟电路、复位电路和SWD下载调试接口；所述单片机主芯片型号为STM32F103ZET6；

所述时钟电路即在STM32F103ZET6单片机芯片的OSC_IN引脚和OSC_OUT引脚之间连接一个晶振Y1，晶振Y1一端连接电容C18，电容C18另一端接地，晶振Y1另一端连接电容C19，电容C19另一端接地,晶振Y1与电阻R8并联；复位开关S1与电容C20并联，电容C20一端与电阻R9串联，电阻R9另一端接3.3V电压，电容C20和开关S1并连的一端接地，另一端接到STM32F103ZET6单片机芯片的NRST引脚上构成复位电路；STM32F103ZET6单片机的JTMS引脚和JTCK引脚分别与SWD下载调试接口的2、3引脚连接，SWD下载调试接口的1引脚接3.3V电压，SWD下载调试接口的4引脚接地；所述的从单片机模块的结构与主控单片机模块相同。

所述主控单片机模块包括单片机主芯片、时钟电路、复位电路和SWD下载调试接口；所述单片机主芯片型号为STM32F103ZET6，是一款高速、低功耗ARM32位Cortex-M3的单片机主芯片，内部集成了64KB的RAM和最高512KB的FLASH，基本满足对数据存储大小的要求，可以任意定制时钟频率，最高72MHz。

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图3所示，本实施方式所述的一种用于电动车电池交换续航及充电的控制装置，所述总电源开关控制继电器模块由光耦TLP521-1芯片、电阻R2、电阻R4、IN4148二极管D4、2N3904三极管Q2和继电器K2组成；所述继电器型号为DS2Y-S-DC5V，具有两对常开常闭点，线圈电压为5VDC，通过最大电流为2A；电阻R2的一端与光耦TLP521-1芯片的BH1引脚连接，电阻R2的另一端接3.3V电压，光耦TLP521-1芯片的BL1引脚与STM32F103ZET6单片机芯片的PD12引脚连接，光耦TLP521-1芯片的C1引脚接5V电压，电阻R4的一端与光耦TLP521-1芯片的E1引脚连接，电阻R4的另一端与所述三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的发射基接地，所述二极管D4一端与光耦TLP521-1芯片的C1引脚连接，二极管D4的另一端与三极管Q2的集电极连接，继电器K2的输入端引脚4、输出端引脚5与二极管D4并联，继电器K2的外接电源输入引脚1连接220V交流电压，所述电源模块的输入引脚Power与继电器常闭引脚2连接；通过STM32F103ZET6单片机芯片的PD12引脚的置高或置低来控制220V交流电压是否接入所述电源模块；

所述充电开关继电器模块与总电源开关控制继电器模块结构相同，继电器的开合来决定是否为电池充电。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

上述实施方式中的TLP521-1是东芝的可控制的光电耦合器件，该芯片提供一个孤立的光耦4引脚塑料封装。

上述实施方式中的DS2Y-S-DC5V型继电器是工作电压5V，可控制的最高交流电压250V，可控制的最高直流电压220V。

具体实施方式四：如图4所示，本实施方式所述的一种用于电动车电池交换续航及充电的控制装置，

所述电源模块包括交流220的输入转直流12V电路、交流220的输入转直流5V电路和直流5V转直流3.3V电路；

所述的交流220的输入转直流12V电路包括两端输出变压器T1、桥式整流桥D4、滤波电容C4和C5、三端稳压器W7812和滤波电容C3；所述的变压器T1匝数比为11；变压器T1的两个输入端连接继电器K2的常闭点Power端口，变压器T1的两个输出端分别连接由4个整流二极管2CZ52B组成的一个桥式整流电路D4的输入引脚1和输入引脚3，桥式整流电路D4的输出引脚2连接滤波电容C4的正极，桥式整流电路D4的输出引脚4接地，滤波电容C4的正极连接三端稳压器W7812的输入引脚1，滤波电容C4的负极接地，电容C5与滤波电容C4并联；滤波电容C3的正极连接三端稳压器W7812的输出引脚2，滤波电容C3的负极接地；三端稳压器LM7805的接地引脚3接地，三端稳压器的输出引脚2连接电控锁模块的电源端；

所述的交流220V转直流5V电路包括两端输出变压器T2、桥式整流桥D5、滤波电容C6、C7、C8和三端稳压器W7805；所述变压器T2的匝数比为22；变压器T2的两个输入端连接继电器K2的常闭点Power端口，变压器T2的两个输出端分别连接由4个整流二极管2CZ52B组成的一个桥式整流电路D5的输入引脚1和输入引脚3，桥式整流电路D5的输出引脚2连接滤波电容C7的正极，桥式整流电路D5的输出引脚4接地，滤波电容C7的正极连接三端稳压器W7805的输入引脚1，滤波电容C7的负极接地，电容C8与滤波电容C7并联；滤波电容C6的正极连接三端稳压器W7805的输出引脚2，滤波电容C6的负极接地；三端稳压器LM7805的接地引脚3接地，三端稳压器的输出引脚2连接充电开关继电器模块的电源端；

所述的直流5V转直流3.3V电路包括滤波电容C9、C10、C11和稳压芯片U3；所述稳压芯片为REG1117-3.3；滤波电容C10的一端连接稳压芯片U3的IN引脚，另一端连接稳压芯片U3的GND引脚；稳压芯片U3的IN引脚接W7805输出的5V电压，稳压芯片U3的GND引脚接地，滤波电容C9的正极与稳压芯片U3的OUT引脚连接，滤波电容C9的负极接地，电容C11与滤波电容C9并联，稳压芯片U3的OUT引脚输出3.3V电压为STM32F103ZET6单片机的Vdd引脚、VDDA引脚SWD的1引脚、温湿度采集模块的VCC引脚、振动检测模块的VCC引脚及LCD的2、17、19引脚供电。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

上述实施方式中的W7812和W7805是78XX系列经典三端稳压芯片，极限输入电压为36V，最低输入电压为3-4V以上，分别输出12V和5V直流电压。

上述实施方式中的REG1117-3.3是三端稳压器件，输出最大电流为800mA,输入最小电压1V。

具体实施方式五：如图4所示，本实施方式所述的一种用于电动车电池交换续航及充电的控制装置，所述RFID读卡器主要包括S8550三极管Q1、S8050三极管Q2、电感线圈L1、开关二极管1N4148、运算放大器LM358、电阻和电容；所述三极管S8050为0.6W/0.5A NPN型，三极管S8550为0.6W/0.5A PNP型，所述开关二极管1N4148用于和电阻、电容一起构成滤波电路；

电阻R2的一端连接STM32F103ZET6单片机芯片的PE0引脚，用于接收单片机产生的125kHz方波，该方波经过三极管Q1、Q2后再使电感线圈L1存在磁场，当IC卡进入线圈感应范围内时，IC卡中的有源器件发生谐振产生能量，将卡号信息通过线圈传到读卡器，带有卡号的信号通过滤波电路将载波滤除，滤波电路的信号输出端作为运算放大器LM358U3A正输入端的输入信号，运算放大器LM358U3A的负输入端通过电阻R6后接地，运算放大器LM358U3A的输出端与电容C11、电阻R8串联后接到运算放大器LM358U3B的负输入端，运算放大器LM358U3B的负输入端还通过电阻R9接地，运算放大器LM358U3B正输入端通过电阻R12后接地，运算放大器LM358U3B正输入端还连接电阻R10的一端和电阻R11的一端，电阻R10的另一端连接运算放大器LM358U3B负输入端，电阻R11的另一端接5V电压，运算放大器LM358U3B的输出端连接STM32F103ZET6单片机芯片的PE1引脚，将读取的卡号传给单片机。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：如图6所示，本实施方式所述的一种用于电动车电池交换续航及充电的控制装置，所述LCD显示模块由12864液晶显示屏和可变电阻R5组成；所述12864液晶使用ST7920控制器，3.3V电压驱动，带背光灯，内置8192个16×16点阵、128个字符及64×256点阵显示RAM，与STM32F103ZET6单片机进行并行通信；12864液晶的1、20引脚接地，12864液晶的7、8、9、10、11、12、13、14引脚分别与STM32F103ZET6单片机的PD0、PD1、PD2、PD3、PD4、PD5、PD6、PD7引脚连接，12864液晶的RS、WR、LCDEN引脚分别与STM32F103ZET6单片机的PD8、PD9、PD10引脚连接，12864液晶的2、17、19引脚接3.3V电压，电阻R5一端接地，另一端接3.3V电压。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

上述实施方式中选择的LCD为12864液晶。

具体实施方式七：如图7所示，本实施方式所述的一种用于电动车电池交换续航及充电的控制装置，

所述温湿度采集模块包括DHT1温湿传感器和电容；温湿度传感器U1的VCC引脚接3.3电压，温湿度传感器U1的GND引脚接地，电容C1一端接地，另一端接3.3V电压；温湿度传感器将周围的湿度和温度信息发送到主控单片机。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

上述实施方式中的DHT11是数字式湿度传感器，测量范围20-90％RH 0-50℃，测湿精度±5％RH，测温精度±2℃，分辨率1。

具体实施方式八：如图8所示，本实施方式所述的一种用于电动车电池交换续航及充电的控制装置，所述振动检测模块由震动传感器U2和电容组成；震动传感器U2的VCC引脚接3.3电压，震动传感器U2的GND引脚接地，电容C2一端接地，另一端接3.3V电压；震动传感器将震动信息发送到主控单片机模块。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

上述实施方式中的震动传感器采用801S型，尺寸为9.0*9.15mm,无方向限制。

具体实施方式九：如图10所示，本实施方式所述的一种用于电动车电池交换续航及充电的控制装置，所述电控锁模块由光耦TLP521-1芯片、电阻R1、R3、IN4148二极管D3、2N3904三极管Q1、继电器K1和电控锁KT-XL01组成；所述继电器型号为DS2Y-S-DC5V，具有两对常开常闭点，线圈电压为5VDC，通过最大电流为2A；电阻R1的一端光耦TLP521-1芯片的BH1引脚连接，电阻R1的另一端接3.3V电压，光耦TLP521-1芯片的BL1引脚与STM32F103ZET6单片机芯片的PD0引脚连接，光耦TLP521-1芯片的C1引脚接5V电压，电阻R3的一端与光耦TLP521-1芯片的E1引脚连接，电阻R3的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射基接地，二极管D3一端与光耦TLP521-1芯片的C1引脚连接，二极管D3的另一端与三极管Q1的集电极连接，继电器K1的输入引脚4、输出引脚5与二极管D3并联，继电器K1的外接电源端引脚1接12V电压，电控锁的输入引脚1与继电器K1的常开引脚3连接，电控锁的输出引脚2接地；通过STM32F103ZET6单片机芯片的PD11引脚的置高或置低来控制电控锁的开或关。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

上述实施方式中使用的运放LM321是3V-32V电压范围供电，增益带宽为1MHz。

上述实施方式中的电控锁KT-DJ400是KOB牌不锈钢单头双头电控锁，可调内外。

具体实施方式十：如图12所示，本实施方式所述的一种用于电动车电池交换续航及充电的控制装置，所述RS232通信模块由MAX232芯片、电容C13、C14、C15、C16、C17和电阻R16组成；所述MAX232芯片采用半双工通讯方式，单一电源+5V工作，额定电流为0.3mA，可将TTL电平转换为RS-232电平；MAX232芯片的T1IN引脚连接STM32F103ZET6单片机芯片的TX1引脚，MAX232芯片的R1OUT引脚连接STM32F103ZET6单片机芯片的RX1引脚，MAX232芯片的C1+引脚和C1-引脚与电容C13并联，MAX232芯片的C2+引脚和C2-引脚与电容C15并联，MAX232芯片的VCC引脚和VDD引脚与电容C14并联，VDD引脚接5V电压，电容C17一端与MAX232芯片的VCC引脚连接，另一端接地；RS232接口J1实主控单片机模块与从单片机模块的通信。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。上述实施方式中的MAX232芯片由Atml公司生产。

所述电控锁模块控制的电控锁为KOB品牌的KT-L280M掩藏式磁力锁，工作电压为12VDC，额定电流500mA，可承受最大280kg直线拉力；所述光耦芯片为TLP521-1；所述的震动传感器为801S型；所述的继电器为DS2Y-S-DC5V。

以上的实施方式仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变形和改进均应落入本实用新型的权利要求书确定的保护范围。