一种多仓换电柜控制系统

白鸥 陈晓楠 杨侠 李政伟

摘 要：针对外卖行业、快递行业共享电池的智能电柜是刚需，全国各地百万级数量的电动车用于快递、外卖等。共享电池首先面临的就是如何提供快捷和可靠的换电服务，方便用户的快速更换电池，全国各地主要城市铺展着扫码换电的电柜在各个街道站点，但是大多电柜面临设计结构复杂，成本高，运维难度大等问题。对于以上问题，提出一种多仓换电柜控制系统，实现一块控制板实时有效的完成对多仓换电柜的充电、换电、取电、放电、开仓、监控等功能。大大的降低了电柜终端的设备成本、维护成本，结构简单并且可以保证设备功能的实时有效性。

关键词：多仓换电柜控制系统;低成本;实时有效

中图分类号：TM91 文献标识码：A

0 引言

随着社会的发展，清洁能源越来越受到人们的关注，在政策的推动下，中国锂电池产业规模在不断的迅猛增长。针对当前外卖、快递、家庭等新能源两轮或三轮电动车业务的大量增加，与之配套的动力电池产业也在迅速崛起，用量也越来越大，更加突出了对动力电池资产分配以及集中管理的重要性。共享电池的出现，这些车辆再也不用担心电池的续航，也省却了车辆每天找地方充电的烦恼。

共享电池首先面临的就是如何提供快捷和可靠的换电服务，方便用户的快速更换电池。多家公司在全国各地主要城市街道站点投放了若干扫码换电的电柜，但是大多电柜设计结构复杂，成本高，运维不方便。多仓的电柜控制系统普遍做法是，每一个仓门一块控制板，汇总到一块中央控制板，最后再连接负责数据传输和定位的小板将数据上报到云端大数据中心。这种模式存在着结构复杂、成本高、运维难度大等问题。

为解决这一痛点，本系统只用一块中央控制底板，一块负责数据传输的小板配合云端大数据中心的操作指令来完成所有扫码换电、充电、取电、放电、开仓等业务，大大的降低了电柜终端的设备成本、维护成本，结构简单并且可以保证设备功能的实时有效性。

多倉换电柜控制系统，通过空闲轮询方式实现与多仓内的充电设备通讯;通过轮询的方式定时切换选择与多仓电柜内的电池通讯实现与仓内电池的数据交互;通过云端大数据的业务指令以中断的方式改变轮询模式为业务模式，切换连接仓门为业务所指的仓门ID，并进行仓门控制、仓门状态、仓门内电池设备信息的实时获取，并传输给所述数据传输单元，再由所述数据传输单元将业务实时信息上报给所属的云端大数据中心，实现一块控制板实时有效的完成对多仓电柜的充电、换电、取电、放电、开仓、监控等功能。

1 多仓换电柜控制系统的功能构成

多仓换电柜控制系统，主要用于多仓充电柜、多仓换电柜等设备，对仓内电池充电进行控制，对电池信息进行监控，执行电池换电等业务操作;本系统主要包括中央控制单元和数据传输单元两个部分。中央控制单元用于控制电柜多个仓门的开关，控制电柜多个仓的红、绿、黄三种指示灯按照仓内电池设备状态区分显示，以轮询方式与电柜每一个仓内的电池设备进行通讯监控，并能根据仓内电池设备的状态进行仓内充电设备的控制;数据传输单元用于将中央控制单元监控的数据信息以及设备的位置信息、基站信息等上传到云端大数据中心，并将云端大数据中心下发的操作指令接收后传输给中央控制单元。中央控制单元在无云端大数据中心操作指令的空闲模式下以轮询的方式保持与电柜的每个仓内设备（包括电池设备和充电设备）进行通讯，在接收到云端大数据中心的业务指令后切换为业务模式，根据业务所对应的仓门ID以中断的方式切换到业务所指示的仓门进行业务操作，从而实现用一个控制板完成对电柜的多个仓门的控制，并且保证电柜的实时有效性。

2 控制策略以及可行性分析

2.1 多仓换电柜系统拓扑结构

如图1所示，多仓换电柜控制系统，包括数据传输单元、中央控制单元、通道选择接口、仓门锁控制接口和多个电池仓通讯接口。

数据传输单元：包括定位模块和远程通讯模块，用于将定位信息、基站信息和中央控制单元的实时监测信息上传给云端大数据中心;将云端大数据中心的业务操作指令接收后下发给中央控制单元;

多仓通讯接口：分别包括多路充电器通讯接口和多路电池通讯接口;电池通讯接口通过通道选择接口与中央控制单元连接，分时与中央控制单元交换数据;充电器通讯接口通过总线方式与中央控制单元连接，接收中央控制单元的轮询控制指令;

通道选择接口：用于选择不同的电池通讯接口与中央控制单元进行数据交互;

仓门锁控制接口：与中央控制单元连接，执行中央控制单元的开锁指令;

数据传输单元：实时与中央控制单元保持数据通讯并实时将中央控制单元接收到的电池仓通讯接口的数据，上传给云端大数据中心;接收云端大数据中心发送的指令，传输给中央控制单元进行执行。

中央控制单元还与指示灯控制接口相连，根据从每个所述电池仓通讯接口获取到的充电设备和电池的状态信息通过指示灯控制接口输出指示灯控制信息。

多仓换电柜控制系统拓扑结构如下：

2.2 多仓换电柜控制系统功能模块结构

2.2.1 多仓换电柜控制系统控制单元

（1）电源两线：POWER/GND;（2）风扇两线：风扇+，风扇-;（3）485 两线：485_A，485_B;（4）门控六线：LED_R，LED+，POWER，LOCK_OUT，DET_IN，LED_G。

2.2.2 多仓换电柜控制系统数据传输单元

（1）4G天线;（2）485_EX3 扩展485电表AB线;（3）485_EX2扩展柜控级联AB线。

2.3 多仓换电柜控制系统功能逻辑

在整个换电系统中，涉及APP、业务子系统、接入子系统、电池、换电柜五大部分。系统功能逻辑图如下：

2.3.1 业务定义

SN1指：要换电放入的电池设备SN，或要放入电池的SN;

SN2指：换电要取出的电池设备SN;

TCP1：表示电池连接的TCP SERVER;

TCP2：表示柜控要连接的TCP SERVER。

服务器端柜控逻辑：

柜ID，柜状态、仓ID，对应仓体电池SN，仓门开关信息;

换电服务状态查询：服务正常则可以换电，如果服务不正常，则停止换电服务。

2.3.2 业务流程

APP发起换电请求时，发送消息为： 换电指令，柜ID，电池SN1，要求开启的仓门1ID;

EXCHANGER将任务发送给TCP2;

TCP2 发送S31指令给DCU，包括的内容有：换电指令、柜ID，放入电池SN1，开启仓门1ID;

DCU接收到S31指令后，回复接收响应报文T31，同时将对应的指令发送给CCU;

CCU开启仓门1，并将仓门1开启状态反馈发送给DCU;

DCU上报仓门1开启报文T27给TCP2;

SN1电池一旦有充电器接入指示，则立刻上报信息TCP1;仓门1关门后柜门蓝牙检测到SN1电池充电器接入指示则立即上报TCP2;

TCP2从自身及TCP1一直监控SN1的状态，当检测到仓门1关闭30S内有充电器插入的消息，则立刻下发开启仓门2命令，并一直检测SN2的充电器状态;（TCP2需不断将柜子状态同步给APP）

信息有：柜状态（换电中，仓ID，仓门开关状态，电池SN，电池状态）;

DCU接到TCP2的開仓门2命令后，则向CCU发起命令;

CCU开启仓门2，在后续一旦有仓门2关闭命令，则立刻上报状态;

SN2电池一旦有充电器移除指示，则立刻上报信息TCP1;关仓门2后柜门蓝牙检测到SN2电池充电器移除指示则立即上报TCP2;

柜门CCU只有同时检测到仓门2关闭和检测SN2充电器移除的指令时，完成过程。

交互流程示例如图3。

3 结论

多仓换电柜控制系统，通过空闲轮询方式实现与多仓内的充电设备通讯;通过轮询的方式定时切换选择与多仓电柜内的电池通讯实现与仓内电池的数据交互;通过云端大数据的业务指令以中断的方式改变轮询模式为业务模式，切换连接仓门为业务所指的仓门ID，并进行仓门控制和仓门状态、仓门内电池设备信息的实时获取，并传输给所述数据传输单元，再由所述数据传输单元将业务实时信息上报给所述的云端大数据中心，实现一块控制板实时有效的完成对多仓电柜的充电、换电、取电、放电、开仓、监控等功能。本系统大大的降低了电柜终端的设备成本、维护成本，结构简单并且可以保证设备功能的实时有效性，具有很大的推广意义。

参考文献：

[1]郭丹，商玲.一种智能充换电柜系统[P].北京：CN207320872U，2018-05-04.

[2]林锦辉，刘立强，王修，等. 一种应用于多功能换电柜的智能控制板及智能控制系统[P].广东省：CN210199534U，2020-03-27.