CN103676840A - 一种多能源供给保洁车电路控制*** - Google Patents

一种多能源供给保洁车电路控制*** Download PDF

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金晖
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Abstract

本发明涉及一种多能源供给保洁车电路控制***，其特征在于它包括：1）ARM***：ARM***包括ARM处理器、仪表盘显示电路、可编程DC-DC变换模块、SD&FLASH模块、CAN模块、电源模块；2）作为人机交互界面的TFT触摸屏；3）至少一个电池管理单元电路：对燃料电池、锂电池、太阳能电池或蓄电池中一种或多种混合能源供给方式进行管理；4）所述嵌入式***控制单元实现对多种能源供给的各电池管理单元电路的控制，优化混合能量管理策略。采用多种可供选择的能源供给方式，包括了太阳能在内的清洁能源，大大提升了电动保洁车的续驶里程以及电池维护的周期，增加了一辆电动保洁车的道路清扫范围。

Description

一种多能源供给保洁车电路控制***
技术领域
本发明涉及一种保洁车，尤其涉及一种对具有多种能源供给方式的多能源供给保洁车电路控制***。
背景技术
近年来，随着道路的不断扩大与延伸，道路也越来越密集，而道路的洁净程度也代表着一个城市的形象，传统的人力清扫不仅工作时间长，效率低下，而且需求的人力成本很高，而逐渐成熟起来的电动保洁车具有效率高、运用灵活、提升城市形象以及节省人力成本等优点，因此电动保洁车取代城市环卫工人步行拾取道路垃圾方式来清洁城市道路已经成为城市环卫措施的一个主要趋势。
然而现有的电动保洁车所需的能量主要是通过蓄电池供给的，蓄电池铅污染严重，其生产与运用带来很大的环境隐患，同时其回收体系不够健全，容易造成二度污染。此外，电动保洁车的单一能量供给方式能量有限，续驶里程较短，在清洁过程中若电力耗竭则无法进行工作，特别是对于大面积道路清扫时电力续航问题更是一个瓶颈，目前还没有能够解决这些问题的产品或者方法出现。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种多能源供给保洁车电路控制***，提供多种可选的能源供给方式，提升了保洁车的续航里程，结合在保洁车的仪表盘上显示的综合信息以及在大点阵LED显示屏上显示的宣传信息，提供各种动态的宣传信息。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种多能源供给保洁车电路控制***，它包括：
1）ARM***：ARM***包括ARM处理器、仪表盘显示电路、可编程DC-DC变换模块、SD&FLASH模块、CAN模块、电源模块，所述ARM处理器包括嵌入式***控制单元和ARM******电路；所述电源模块对电源的电压进行调整，为ARM处理器和各个模块供电，所述仪表盘显示电路与所述ARM处理器通讯连接，所述仪表盘显示电路对数据进行显示及控制，所述SD&FLASH模块为开发板提供外部存储设备，所述CAN模块利用CAN协议进行数据通信，实现对电池管理单元电路以及可编程DC-DC变换模块的管理；
2）作为人机交互界面的TFT触摸屏；
3）至少一个电池管理单元电路：对燃料电池、锂电池、太阳能电池或蓄电池中一种或多种混合能源供给方式进行管理；
4）所述嵌入式***控制单元实现对多种能源供给的各电池管理单元电路的控制，优化混合能量管理策略。
所述电池管理单元电路为燃料电池管理单元电路，包括电压电流传感器、信号变换处理电路、流量压力传感器、温度湿度传感器、氢气阀门、氧气阀门以及温度湿度控制模块，所述电压电流传感器、流量压力传感器、温度湿度传感器的信号经信号变换处理电路处理后发送给嵌入式***控制单元，嵌入式***控制单元控制氢气阀门、氧气阀门以及温度湿度控制模块运行。
所述电池管理单元电路为锂电池管理单元电路，所述锂电池管理单元电路电连接于ARM******电路并包括单体电压测量电路、总电压测量电路、SOC估计、总电流测量电路，所述的单体电压测量电路、总电压测量电路、SOC估计、总电流测量电路输出的信号经ARM******电路处理后将锂电池的总电压、总电流以及SOC状态显示在保洁车的仪表盘上；
所述电池管理单元电路为蓄电池管理单元电路，所述蓄电池管理单元电路通过ARM***检测蓄电池的电压、电流并显示在保洁车的仪表盘上。
所述电池管理单元电路为太阳能管理单元电路，所述太阳能管理单元电路的太阳能板设置于保洁车的顶部，用于吸收太阳能并获得相应的电压，然后通过可编程DC-DC变换模块变换电压后提供给驱动，所述ARM***用于完成对太阳能板的MPPT跟踪以及对可编程DC-DC变换模块能量供给比例的控制。
进一步，它还包括速度测量单元：所述嵌入式***控制单元与无刷直流电机电气连接，通过ARM***检测无刷直流电机霍尔传感器上的霍尔速度输出信号，最大速度设置单元通过电位器调节设置最大速度，方便使用者根据自身情况设置最大的速度，从霍尔传感器检测的脉冲数计算保洁车实时速度并将该实时速度显示在保洁车仪表盘上。
进一步，它还包括时钟测量单元，所述时钟测量单元依据ARM***的RTC功能，通过大点阵LED显示屏显示当前的时钟，并写入RTC单元，实现万年历的设置。
进一步，它还包括温、湿度测量单元，所述温、湿度测量单元包括温度传感器、湿度传感器，通过ARM***对温度传感器、湿度传感器的控制实现对环境的温、湿度的测量并显示保洁车后置的大点阵LED上。
进一步，所述时钟测量单元还电连接纽扣锂电池。
所述多种能源供给包括氢燃料电池、锂电池、太阳能电池、蓄电池中的一种或多种混合供给方式，通过各种能量供给单元电路实现保洁车能量供给以及结合混合能量管理的优化策略实施方案。
本发明的有益效果是：
（1）采用多种可供选择的能源供给方式，包括了太阳能在内的清洁能源，提升了电动保洁车的环保无污染的城市清洁工具形象，同时大大提升了电动保洁车的续驶里程以及电池维护的周期，增加了一辆电动保洁车的道路清扫范围；
（2）通过电路控制大点阵LED实时显示温、湿度、万年历以及各种可编程的动态广告宣传信息，为城市或其他适用场所的人们提供出行的信息提示，同时提供各种厂家的动态宣传广告，让电动保洁车成为流动的活广告，提升了路人对电动保洁车的观赏性；
（3）采用ARM***控制，实现多种能源供给方式的电路控制；
（4）采用嵌入式***控制单元，实现混合能量管理策略的实施；
（5）采用嵌入式***控制单元，实现了将多种能源供给的详细信息输出到电动保洁车仪表盘上，实现能量监控和安全保障运行。
说明书附图
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明所述多能源供给保洁车电路控制***的原理框图；
图2是本发明所述多能源供给保洁车电路控制***的ARM***原理框图；
图3是本发明所述多能源供给保洁车电路控制***的锂电池管理单元电路原理框图；
图4是本发明所述多能源供给保洁车电路控制***的燃料电池管理单元电路原理框图；
图5是本发明所述多能源供给保洁车电路控制***的太阳能、锂电池混合单元电路供给原理框图；
图6是本发明所述多能源供给保洁车电路控制***的电机控制原理框图；
图7是本发明所述多能源供给保洁车电路控制***的能量管理流程图。
具体实施方式
本发明实施例所述的一种多能源供给保洁车电路控制***，如图1以及图2所示，该控制***包括：
ARM***：ARM***包括ARM处理器、仪表盘显示电路、可编程DC-DC变换模块、SD&FLASH模块、CAN模块、电源模块，所述ARM处理器包括嵌入式***控制单元和ARM******电路；所述电源模块对电源的电压进行调整，为ARM处理器和各个模块供电，所述仪表盘显示电路与所述ARM处理器通讯连接，所述仪表盘显示电路对数据进行显示及控制，所述SD&FLASH模块为开发板提供外部存储设备，所述CAN模块利用CAN协议进行数据通信，实现对电池管理单元电路以及可编程DC-DC变换模块的管理。
所述嵌入式***控制单元实现对多种能源供给的各电池管理单元电路的控制，优化混合能量管理策略。
所述ARM处理器包括以下组成部分：嵌入式***控制单元、算术逻辑单元、寄存器以及ARM******电路，各部分之间通过***总线通讯连接，所述ARM******电路提供ARM处理器与外接各种电路的连接与控制。
所述ARM处理器还具有与嵌入式***控制单元双向通讯连接的触摸屏模块，其核心是作为人机交互界面的TFT触摸屏，实现与ARM处理器及对外接各电路的实时控制。
电池管理单元电路：包括燃料电池管理单元电路、锂电池管理单元电路、蓄电池管理单元电路、太阳能管理单元电路，对燃料电池、锂电池、太阳能电池或蓄电池中一种或多种混合能源供给方式进行管理。
在保洁车后板设置有用于显示信息的大点阵LED显示屏，所述大点阵LED显示屏与所述ARM***通讯连接。
还包括时钟测量单元，其依据ARM***的RTC功能，通过电动车后置的大点阵LED显示当前的时钟，并写入RTC单元，实现万年历的设置。
温、湿度测量单元，所述温、湿度测量单元包括温度传感器、湿度传感器，通过ARM***对温度传感器、湿度传感器的控制实现对环境的温、湿度的测量并显示保洁车后置的大点阵LED显示屏上。
还包括速度测量单元：所述嵌入式***控制单元与无刷直流电机电气连接，通过ARM***检测无刷直流电机霍尔传感器上的霍尔速度输出信号，最大速度设置单元通过电位器调节设置最大速度，方便使用者根据自身情况设置最大的速度，从霍尔传感器检测的脉冲数计算保洁车实时速度并将该实时速度显示在保洁车仪表盘上。本发明电机控制原理参见图6。
多种能源供给包括氢燃料电池、锂电池、太阳能电池、蓄电池中的一种或多种混合供给方式，通过各种能量供给单元电路实现保洁车能量供给以及结合混合能量管理的优化策略实施方案，最大程度提升混合能量的输出效率、续航能力以及安全保障运行。
该优化的混合能量管理策略，包括以下对燃料电池、锂电池、太阳能电池以及蓄电池等多种组合的混合能量管理。
如图3所示，锂电池管理单元电路，其电连接于ARM******电路并包括单体电压测量电路、总电压测量电路、SOC估计、总电流测量电路，单体电压测量电路、总电压测量电路、SOC估计、总电流测量电路的信号经ARM******电路处理后将锂电池的总电压、总电流以及SOC状态显示在保洁车的仪表盘上（TFT触摸屏），通过ARM***实现锂电池的单片电池电压的测量，保证锂电池的电压、电流均衡，防止出现单片电池过流、过热现象，保证锂电池的安全稳定运行，如果总电压欠压或出现单片电池过流现象，将实时显示该信息在电动车仪表盘上，提醒使用者及时充电。
如图4所示，燃料电池管理单元电路，其包括电压电流传感器、信号变换处理电路、流量压力传感器、温度湿度传感器、氢气阀门、氧气阀门以及温度湿度控制模块，电压电流传感器、流量压力传感器、温度湿度传感器的信号经信号变换处理电路处理后发送给嵌入式***控制单元，嵌入式***控制单元控制氢气阀门、氧气阀门以及温度湿度控制模块运行，在保洁车仪表盘上实时显示燃料电池的总电压、总电流，根据电池发电***进行控制策略研究中提出的温度、湿度、压力以及流量的测量要求，选择相应的传感器来实现相应物理量的测量，在保洁车仪表盘上实时显示燃料电池的总电压、总电流，当出现电压不足时提醒使用者及时充气或换气瓶，保证能源的正常供给。
蓄电池管理单元电路，其通过ARM***检测蓄电池的电压、电流并显示在电动车仪表盘上，如果欠压，可以将电量不足的信息显示在TFT触摸屏，提醒使用者及时充电。
如图5所示，太阳能管理单元电路，所述太阳能管理单元电路的太阳能板设置于保洁车的顶部，用于吸收太阳能并获得相应的电压，然后通过可编程DC-DC变换模块变换电压后提供给驱动，所述ARM***用于完成对太阳能板的MPPT跟踪以及对可编程DC-DC变换模块能量供给比例的控制。
本发明具有以上多种可选形式的能源供给，多种能源供给可以让使用者兼顾费用以及节能环保的要求。各种能源供给的优缺点如下：
从费用上铅酸电池最便宜，但污染严重，需要回收处理，而且生产地有很重的铅污染，不久的将来必将会被取缔；
锂电池费用较贵，但污染少，不节能。燃料电池费用最贵，但零污染，节能环保，随着纳米技术以及材料技术的提升，燃料电池的价格也将逐步降低，是将来主要能源的发展趋势；
通过太阳能供给不但提升能源供给的能力，同时对锂电池或蓄电池可以起到充电的作用。结合优化的能量管理策略，可以实现多种能量供给的混合动力控制，最大程度提升各种能源的输出效能。
本发明能理管理流程参见图7。
具体实施时，还可以采用以下技术手段：
第一，时钟测量单元外接纽扣锂电池，采取断电保护措施，保证保洁车断电时时钟正常运行，再次加电时，时钟不需要进行调整。
第二，最大速度设置单元通过电位器调节设置的最大速度，方便使用者根据自身情况设置最大的速度，保证行车安全。
第三，采用基于模糊PID控制的燃料电池电动车电机控制器，模糊控制单元动态调整PID控制的比例系数、积分系数和微分系数，实现了较好的控制特性，具有无超调、响应快速、鲁棒性强等特点。模糊控制采用以***误差和误差变化为输入语句变量的二维模糊控制器结构形式，能够处理受控对象的不确定特性，具有实现方法简易、运算快速、实时性强等特点，***能够获得良好的动态特性，将模糊控制与PID控制相结合，使***既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制精度高的特点。
第四，本控制***的能量管理模型算法基于用户选择的优先使用能量和燃料电池当前SOC值，根据能量管理表匹配得出。程序初始化时从Flash中读入之前存储的能量管理表，或者在用户选择更新能量管理表时，从SD卡读取能量管理表同时更新Flash备份。
第五，本控制***的太阳能电池阵列通过电量增量法必须实现最大功率点跟踪控制，电导增量法的优点是当太阳能电池的照度发生变化时，其输出端电压能以较快的方式追随其变化，电压波动较扰动法小。通过设定算法中的具体闭值，可以使***最终工作在最大功率点附近的某一个点上，而不是在最大功率点附近来回跳动，造成***输出的波动。在判断方向上，可以通过电流的变化就可以判断出扰动的方向，也可以通过负电导和电导增量的差值的正负来判断扰动方向，不会发生误判。
本发明还可以采用以下手段：通过内部A/D实现各种能源供给方式下的电压、电流的检测；通过内部的定时器/计数器实现霍尔传感器的脉冲计数，实现速度的测量；通过对RTC的软件编程实现万年历的显示和修改界面。
温湿度测量采用SHT11与ARM接口进行测量和显示温湿度，温湿度计算如下：由于SHT11是采用PTAT能隙材料制成的温度敏感元件，其具有很好的线性输出。可通过如下公式（1）将真实的温度值算出：
Tc=d1+d2×Cout           （1）
式中：d1和d2为特定系数，d1，d2的取值与温度分辨率有关，其对应关系如表1所示。
表1温度校正系数
Cout d1 d2
14Bit(5V) -40 0.01
12Bit(5V) -40 0.04
对湿度而言，SHT11可通过DATA数据总线直接输出数字量湿度值。该湿度为“相对湿度”，需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到较为准确的湿度值。由于相对湿度数字输出特性呈一定的非线性，因此为了补偿湿度传感器的非线性，可按公式（2）修正湿度值：
RH Linear = C 1 + C 2 × H out + C 3 × H out 2 - - - ( 2 )
式中：RHLinear为经过线性补偿后的湿度值，Hout为相对湿度测量值，C1、C2、C3为线性补偿系数，和湿度分辨率有关。
由于温度对湿度的影响十分明显，而实际温度和测试参考温度25℃有所不同，所以对线性补偿后的湿度值进行温度补偿很有必要。补偿公式如下：
RHTrue=(TC-25)×(t1+t2×Hout)+RHLinear     （3）
式中：RHTrue为经过线性补偿和温度补偿后的湿度值，TC为测试湿度值时的温度，t1和t2为湿度补偿系数，和湿度分辨率有关。C1、C2、C3和t1、t2的对应关系如表2所示。
表2湿度校正系数
Hout C1 C2 C3 t1 t2
12Bit -4 0.0405 -2.8*10-6 0.01 0.00008
8Bit -4 0.6480 -7.2*10-4 0.01 0.00128
本发明采用SHT11默认的测量精度，即温度为14bit，湿度为12bit。
对锂电池的单体电压测量采用运放的差分电路输出电压值并通过A/D采样来实现。对总电压采用ARM内部的A/D采样来实现，对总电流采用霍尔电流传感器结合A/D采样来实现。锂电池的SOC估计采用Ah计量法或开路电压法来进行计算。根据实际检测到的电压、电流值以及SOC显示在TFT上，同时监测单体电压值，保证锂电池工作在最佳状态。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。为了清楚地说明各电路单元的组合关系，上面对各种说明性的电路单元及其之间关系围绕其功能进行了一般地描述，至于这种电路单元的组合是实现哪种功能，取决于特定的应用和对整个装置所施加的设计约束条件。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所引伸出的任何显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种多能源供给保洁车电路控制***，其特征在于它包括：
1）ARM***：ARM***包括ARM处理器、仪表盘显示电路、可编程DC-DC变换模块、SD&FLASH模块、CAN模块、电源模块，所述ARM处理器包括嵌入式***控制单元以及ARM******电路；所述电源模块对电源的电压进行调整，为ARM处理器和各个模块供电，所述仪表盘显示电路与所述ARM处理器通讯连接，所述仪表盘显示电路对数据进行显示及控制，所述SD&FLASH模块为开发板提供外部存储设备，所述CAN模块利用CAN协议进行数据通信，实现对电池管理单元电路以及可编程DC-DC变换模块的管理；
2）作为人机交互界面的TFT触摸屏；
3）至少一个电池管理单元电路：对燃料电池、锂电池、太阳能电池或蓄电池中一种或多种混合能源供给方式进行管理；
4）所述嵌入式***控制单元实现对多种能源供给的各电池管理单元电路的控制，优化混合能量管理策略。
2.根据权利要求1所述的多能源供给保洁车电路控制***，其特征在于： 
所述电池管理单元电路为燃料电池管理单元电路，包括电压电流传感器、信号变换处理电路、流量压力传感器、温度湿度传感器、氢气阀门、氧气阀门以及温度湿度控制模块，所述电压电流传感器、流量压力传感器、温度湿度传感器的信号经信号变换处理电路处理后发送给嵌入式***控制单元，嵌入式***控制单元控制氢气阀门、氧气阀门以及温度湿度控制模块运行。
3.根据权利要求1或2所述的多能源供给保洁车电路控制***，其特征在于：所述电池管理单元电路为锂电池管理单元电路，所述锂电池管理单元电路电连接于ARM******电路并包括单体电压测量电路、总电压测量电路、SOC估计、总电流测量电路，所述的单体电压测量电路、总电压测量电路、SOC估计、总电流测量电路输出的信号经ARM******电路处理后将锂电池的总电压、总电流以及SOC状态显示在保洁车的仪表盘上。
4.根据权利要求1或2所述的多能源供给保洁车电路控制***，其特征在于：所述电池管理单元电路为蓄电池管理单元电路，所述蓄电池管理单元电路通过ARM***检测蓄电池的电压、电流并显示在保洁车的仪表盘上。
5.根据权利要求1或2所述的多能源供给保洁车电路控制***，其特征在于：所述电池管理单元电路为太阳能管理单元电路，所述太阳能管理单元电路的太阳能板设置于保洁车的顶部，用于吸收太阳能并获得相应的电压，然后通过可编程DC-DC变换模块变换电压后提供给驱动，所述ARM***用于完成对太阳能板的MPPT跟踪以及对可编程DC-DC变换模块能量供给比例的控制。
6.根据权利要求1或2所述的多能源供给保洁车电路控制***，其特征在于它还包括速度测量单元：所述嵌入式***控制单元与无刷直流电机电气连接，通过ARM***检测无刷直流电机霍尔传感器上的霍尔速度输出信号，最大速度设置单元通过电位器调节设置最大速度，方便使用者根据自身情况设置最大的速度，从霍尔传感器检测的脉冲数计算保洁车实时速度并将该实时速度显示在保洁车仪表盘上。
7.根据权利要求1或2所述的多能源供给保洁车电路控制***，其特征在于它还包括时钟测量单元，所述时钟测量单元依据ARM***的RTC功能，通过大点阵LED显示屏显示当前的时钟，并写入RTC单元，实现万年历的设置。
8.根据权利要求1或2所述的多能源供给保洁车电路控制***，其特征在于它还包括温、湿度测量单元，所述温、湿度测量单元包括温度传感器、湿度传感器，通过ARM***对温度传感器、湿度传感器的控制实现对环境的温、湿度的测量并显示保洁车后置的大点阵LED上。
9.根据权利要求7所述的多能源供给保洁车电路控制***，其特征在于，所述时钟测量单元还电连接纽扣锂电池。
10.根据权利要求1所述的多能源供给保洁车电路控制***，其特征在于，所述多种能源供给包括氢燃料电池、锂电池、太阳能电池、蓄电池中的一种或多种混合供给方式，通过各种能量供给单元电路实现保洁车能量供给以及结合混合能量管理的优化策略实施方案。
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