1. 项目概述
为支持我国汽车充电基础设施建设，力助充电桩、充电站等设施生产厂家快速实现智能化充电设备。为此重庆诺塔斯智能科技有限公司专门研发出一款RFID射频智能充电桩刷卡扣费模块，该模块非常便于嵌入智能充电桩的终端控制器里面。智能汽车充电桩之所以智能，主要是充电桩的终端控制器具备数据采集功能，智能充电桩的终端控制器可实现用户自助刷卡扣费、用户鉴定、余额查询、计费查询等功能，也可以提供语音输出接口，实现语音交互。用户可以根据液晶显示屏指示选择各种充电模式：包括按时计费充电、按电量充电、自动充满、按里程充电等。用于交流/直流充电桩的、基于IC卡（集成电路卡）的计费管理模块。该模块通过非接触式IC卡（如Mifare系列）或CPU卡进行用户身份认证、消费支付和充电控制，实现无人值守的充电运营管理。系统核心是“刷卡启动，刷卡结束，自动扣费”。
2. 系统架构
系统采用三层架构：终端层（充电桩）、网络层 和 平台层（后台管理系统）。
终端层 - 充电桩
主控制器（MCU）： 系统的核心，负责协调各个模块的工作。
IC卡读卡器模块： 用于读取和写入用户IC卡信息。
计费控制单元： 集成在MCU中，执行计费逻辑。
电能计量模块： 高精度电能表，实时监测充电电量（kWh）。
人机交互界面（HMI）： 显示屏和指示灯，用于显示状态、电量、金额等信息。
充电控制与安全模块： 控制继电器/接触器通断，保证充电安全。
网络层（可选）
对于需要实时与后台同步数据的场景，可通过4G/5G、以太网或Wi-Fi将充电桩连接到后台服务器。本方案主要聚焦于离线IC卡模式，但预留网络接口。
平台层 - 后台管理系统（可选，用于发卡和充值）
发卡/充值管理： 发行新用户卡，为IC卡充值。
数据统计与分析： 汇总充电记录，进行财务对账和运营分析。
费率管理： 设置和下发不同的计费策略（如峰谷平电价）。
3. 硬件设计
IC卡选型
推荐类型： Mifare DESFire EV2/EV3 或 国产自主可控的CPU卡。
优点： 安全性高，支持双向认证和加密通信，防克隆，存储空间充足。
存储结构规划：
扇区0： 卡号（只读），用于唯一标识。
扇区1： 用户余额（4字节，单位：分，如 10000 代表 100.00元）。采用减值逻辑。
扇区2： 用户基本信息（如用户ID、卡状态）。
其他扇区： 预留，用于存储最近一次充电记录等。
读卡器模块
型号： 采用RC522、FM175xx系列或更高性能的读卡器芯片。
接口： 通过SPI或UART与主控制器（MCU）通信。
要求： 读写距离稳定（3-5cm），抗干扰能力强。
电能计量芯片
型号： 采用高精度计量芯片，如ATT7022EU、RN8302B等。
精度： 达到1级或0.5级标准，误差小于±1%。
功能： 能精确计量有功电能（kWh），并实时输出脉冲或通过SPI接口传输数据。
4. 软件设计与工作流程
核心流程：刷卡启动 → 充电中 → 刷卡结束/自动结束
初始化与自检
系统上电，初始化读卡器、电能表、显示屏等外设。
自检通过后，显示屏提示“请刷卡”。
启动充电流程
用户刷卡： 读卡器读取卡号，验证卡合法性（如是否在黑名单内）。
余额检查： 读取卡内余额，若余额大于等于最低消费金额（如2元），则进入下一步。
冻结预授权金额： （关键步骤）从卡余额中冻结一部分金额（如30元）作为预授权。将剩余可用余额显示给用户。
卡内冻结金额 = 预授权金额卡内可用余额 = 总余额 - 冻结金额
启动充电： 控制继电器吸合，开始充电。显示屏实时更新：充电电量、时长、实时功率、消费金额（根据已用电量计算）等。
记录开始信息： 在充电桩本地记录交易开始时间、起始电量等。
充电中监控与计费
实时计量： 电能计量芯片持续累加充电电量（kWh）。
实时计费： 计费单元根据 当前费率 和 累计电量 实时计算消费金额。
消费金额 = 累计电量 × 当前费率 + 服务费（如有）
余额不足预警： 实时判断
(预授权金额 - 消费金额) < 预警值（如5元）时，显示屏闪烁提示“余额不足，请及时充值”。
结束充电流程
方式A：用户主动刷卡结束
用户再次刷卡。
系统验证卡号与开始充电的卡号一致。
结算： 计算最终消费金额。
最终消费金额 = 结束时的消费金额
扣款与解冻：
卡内最终余额 = 总余额 - 最终消费金额将
最终消费金额从冻结金额中扣除，剩余冻结金额解冻。写卡： 将新的
总余额（即最终余额）写入IC卡。
生成记录： 在卡内和充电桩本地存储本次充电的详细记录（起止时间、总电量、总金额等）。
显示屏显示本次消费摘要，充电停止。
方式B：余额用尽自动结束
当
消费金额 >= 预授权金额时，系统自动停止充电。结算时，
最终消费金额 = 预授权金额。扣款写卡，将卡内总余额扣减为0。
停止充电，并显示“余额用尽，充电已停止”。
5. 计费策略
计费策略应灵活可配置，存储在充电桩的非易失性存储器中。
计费因素：
电量（kWh）： 核心计费依据。
时间（小时）： 可作为辅助计费或占位费。
功率（kW）： 针对大功率直流桩，可按功率段收费。
费率模型示例：
总费用 = 电度电价 × 充电电量 + 服务费 × 充电电量 + 时长费 × 占用时间电度电价： 可设置峰、谷、平时段不同价格。
服务费： 固定值或百分比。
配置化： 支持通过后台管理系统或配置卡远程更新计费策略。
6. 安全性与可靠性
IC卡安全：
使用CPU卡或高安全等级的Mifare卡，防止卡片被复制。
读写卡操作必须通过密钥认证，所有敏感数据（如余额）传输需加密。
写卡校验： 写入余额后，立即回读验证，确保数据正确。
交易安全：
预授权机制： 防止恶意透支。
流水号/随机数： 每次交易使用随机数防止重放攻击。
掉电保护： 充电桩需有备用电源（如超级电容），在意外断电时，有足够时间完成当前交易的结算和数据保存。
数据存储：
充电桩本地应具备存储至少1000条充电记录的能力，防止数据丢失。
7. 非功能性需求
性能： 刷卡响应时间 < 1秒。
稳定性： MTBF（平均无故障时间）> 10,000小时。
环境适应性： 工作温度-20℃ ~ +70℃，防水防尘等级至少IP54。
8. 总结
本IC卡计费模块方案提供了一个稳定、安全、成本可控的充电桩支付解决方案，尤其适用于网络覆盖不佳或对运营成本敏感的场景。通过预授权、实时计费和多重安全机制，有效保障了运营商和用户双方的利益。方案具备良好的扩展性，可在此基础上平滑升级为支持手机APP、二维码支付的联网模式。