一种山地果园电动轮式运输机增程式动力系统的制作方法

本发明涉及农用运输机技术领域，特别涉及一种山地果园电动轮式运输机增程式动力系统。

背景技术：

作为较为典型的南方山地丘陵农业，一方面，大部分作物种植在山坡等地形上，立地条件较差；常规运输机械存在轮距较宽、体积大和使用成本高等问题，不适合应用在山地运输领域。另一方面，在作物的种植、采摘和搬运等过程中需要大量的劳动力；随着劳动力成本的上升、年轻劳动力往城市转移和人口老龄化等问题的出现，劳动力资源越来越匮乏。

面对日益严重的能源问题和环境问题，电动轮式运输机械越来越受到重视。采用蓄电池代替汽油机和柴油机作为动力源，节能环保，但是目前铅酸蓄电池体积大、容量有限和锂电池成本高等问题一直制约着电动轮式运输机的发展。并且随着种植规模不断增加，应用于山地果园的有着大爬坡能力、大电池容量和高续航里程的山地果园轮式运输机的需求不断增大，所以通过在电动轮式运输机的基础上加入增程器动力系统来研制增程式电动轮式运输机就十分必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种山地果园电动轮式运输机增程式动力系统，该增程式动力系统可以使运输机在电池组电量充足时以纯电动模式工作，而在电池容量低于预设的下限值30％时通过控制系统自动启动增程器发动机发电，向电机提供电能，有效提升运输机的续航里程的同时兼顾实用性和经济性，既能发挥纯电动轮式运输机节能环保的优势，又能弥补其续航里程不足的缺点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种山地果园电动轮式运输机增程式动力系统，包括能量控制系统、驱动系统和动力系统；

能量控制系统包括库仑计、基于单片机的控制器和数据传输网络；驱动系统包括无刷直流电机及其控制器和传动装置；动力系统包括动力电池组、电动机、增程器、脉冲充电装置和控制电路；

能量控制系统通过数据传输网络实时监测动力系统的各项参数，包括电池组电流电压和电池容量、电机的输入电流电压、增程器的输出电流电压信息，进行分析判断是否启动增程器，进而选择纯电动模式或增程模式工作；

在电池组电量充足时驱动系统以纯电方式工作；当能量控制系统监测到电池组电量低于预设的下限值时，会通过单片机自动启动增程器从而以增程方式工作来提高续航里程。

优选的，库仑计对电池组的输出电流电压参数进行实时监测并计算电池的输出电荷量来估算电池容量，同时通过所搭建的数据传输网络将数据传输给控制器进行处理。

具体的，库仑计上有四种端口：vcc、gnd、txd和rxd；vcc端口接动力电池组正极，gnd端口接动力电池组负极，txd为发送端口，rxd为接收端口；库仑计的vcc端口与单片机的vcc端口连接，单片机的gnd端口与库仑计的gnd端口与连接，单片机接收库仑计发出的数据；在单片机中，pa2为串口usart2的发送端口，pa3则为接收端口；库仑计txd端口与pa3端口相连，库仑计rxd端口与pa2端口相连；库仑计的发送段与单片机的接收段导通，库仑计的接收段与单片机的发送段导通，构成了一个数据传输回路。

优选的，基于单片机的控制器根据库仑计检测到的电池组的电流电压信息判断电池容量低于预设的下限值时，会发出高电平导通继电器，启动增程器发动机运转来带动发电机发电，向电池组输出电流。

具体的，继电器的三个端口分别为vcc、gnd和in；in端口是继电器模组信号触发端；当继电器的in端口有正极电压或达到导通电压时，继电器闭合并导通电流；继电器上的vcc端口和gnd端口分别接单片机上的vcc端口和gnd端口；从单片机的pa4端口引线连接到继电器的in端口，作为继电器的触发端口；当pa4输出高电平时，继电器闭合，则起动增程器对外提供电能。

优选的，增程器包括起动机、发动机和发电机，当电池容量低于预设值时，动力系统的控制电路会自动控制起动机启动发动机运转，发动机运转后再带动发电机发电提供给电池组。

优选的，动力电池组采用五个铅酸蓄电池串联的方式。

优选的，当增程器运转之后，能量控制系统在模糊pid节气门控制策略下，通过分析比对库仑计检测到的增程器发电机的输出电流电压以及电机的输入电流电压，控制器产生脉冲电流控制微型直流伺服电机转轴的位置来调节增程器发动机节气门开度，并根据运输机对功率需求使增程器发动机运转在最佳工作点上。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明包括能量控制系统、驱动系统和动力系统，本能量控制系统通过库仑计对电池组电压电流和电池容量、电机的电压电流和增程器发电机的电压电流进行实时监测，并由单片机做出分析判断。当电池组电池容量充足时，运输机以纯电模式工作；当电池组电量低于预设的下限值30％时，单片机会发出高电平导通继电器，控制增程器起动机自动启动增程器向电池组输出电流，从而在电池组容量较低时自动启动增程器，有效减少人为操作量，并可以使电池组浅放电避免过度放电影响电池寿命。

2、当增程器启动之后，能量控制系统在模糊pid节气门控制策略下，通过分析库仑计检测到的增程器发电机的输出电流电压以及电机的输出电流和电压，控制器产生脉冲电流控制微型直流伺服电机转轴的位置从而调节增程器发动机节气门开度，使增程器发动机具有较短的调节时间和较好的稳态特性并根据运输机对功率需求使增程器发动机运转在最高效工作区间。

3、当使用脉冲充电器通过普通电网对电池组进行快速充电时，使铅酸蓄电池在充电过程中在两极产生的氧气和氢气在停止充电脉冲下，部分析出的氧气和氢气会被还原成电解液，从而减少由水的电解所产生的析气量，可以有效降低充电时气体压力，并且对长时间使用后有极化现象的铅酸蓄电池具有修复作用，使用脉冲充电器对铅酸蓄电池进行多次充放电后，从而达到保养电池组的目的。

附图说明

图1是实施例系统的结构示意图。

图2是实施例的增程器控制逻辑流程图。

图3是实施例的模糊pid控制节气门开度流程图。

图4是实施例的动力系统控制电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种山地果园电动轮式运输机增程式动力系统，主要包括能量控制系统、驱动系统和动力系统。

能量控制系统通过所搭建的数据传输网络实时监测动力系统的各项参数，包括电池组电流电压和电池容量、电机的输入电流电压、增程器的输出电流电压等信息，进行分析判断是否启动增程器，进而选择纯电动模式或增程模式工作。

能量控制系统主要由库仑计、基于单片机的控制器和数据传输网络组成。库仑计对电池组的输出电流电压参数进行实时监测并计算电池的输出电荷量来估算电池容量，同时通过所搭建的数据传输网络将数据传输给控制器进行处理。

基于单片机的控制器根据库仑计检测到的电池组的电流电压信息判断电池容量低于预设的下限值30％时，会发出高电平导通继电器，启动增程器发动机运转来带动发电机发电，向电池组输出电流，从而在电池组容量较低时自动启动增程器，有效减少人为操作量，并可以使电池组浅放电避免过度放电影响电池寿命，达到智能控制的目的。增程器包括起动机、发动机和发电机，当电池容量低于预设值时，动力系统的控制电路会自动控制起动机启动发动机运转，发动机运转后再带动发电机发电提供给电池组。即电池组电量低时，增程器自动启动运转发电，向电池组提供电能。

当增程器运转之后，能量控制系统在模糊pid节气门控制策略下，通过分析比对库仑计检测到的增程器发电机的输出电流电压以及电机的输入电流电压，控制器产生脉冲电流控制微型直流伺服电机转轴的位置来调节增程器发动机节气门开度，使增程器发动机具有较短的调节时间和较好的稳态特性并根据运输机对功率需求使增程器发动机运转在最佳工作点上。

驱动系统由无刷直流电机及其控制器和传动装置组成，无刷直流电机结构简单易于方便、运转平稳同时无励磁损耗并且调速性能好；在电池组电量充足时驱动系统以纯电方式工作，零排放清洁无污染；当能量控制系统监测到电池组电量低于预设的下限值时，会通过单片机自动启动增程器发动机发电从而以增程方式工作来提高续航里程。

动力系统由动力电池组、电动机(驱动车轮)、增程器(包括起动机、发动机和发电机)、脉冲充电装置和控制电路组成，动力电池组采用五个铅酸蓄电池串联的方式，每个电池电压12v，电池组总电压为60v，总电池容量为120a·h，铅酸蓄电池价格低廉经济性较高适合山地果园轮式运输机使用需求。

当使用脉冲充电器利用普通电网对电池组进行快速充电时，使铅酸蓄电池在充电过程中在两极产生的氧气和氢气在停止充电脉冲下，部分析出的氧气和氢气会被还原成电解液，从而减少由水的电解所产生的析气量，并且对长时间使用后有极化现象的铅酸蓄电池具有修复作用，使用脉冲充电器对铅酸蓄电池进行多次充放电后，铅酸蓄电池的电池容量也会逐渐恢复，从而达到保养电池组的目的。

结合图1、2、3所示，一种山地果园电动轮式运输机增程式动力系统包括：能量控制系统、驱动系统和动力系统。能量控制系统通过库仑计对电池组电池电量和剩余电量实时监测，当电池电量充足时运输机以纯电动方式工作，节能环保绿色无污染；当库仑计检测到电池组电量低于预设的下限值30％时，单片机会发出高电平导通继电器，控制增程器起动机自动启动增程器发动机来带动发电机运转从而向电池组提供电能，达到在电池组容量较低时自动启动增程器发电的目的，避免电池组过度放电损害电池寿命。

结合图4所示，能量控制系统库仑计上有四种端口：vcc、gnd、txd和rxd。vcc端口接电池组正极，gnd端口接电池组负极，txd为发送端口，rxd为接收端口。库仑计上有六个端口，与单片机连接的vcc、gnd端口和与电池连接的vcc、gnd端口是同一个。使用stm32单片机上的四个端口：vcc，gnd，pa3，pa2。库仑计的vcc端口与单片机的vcc端口连接，单片机的gnd端口与库仑计的gnd端口与连接，单片机接收库仑计发出的数据。在stm32单片机中，pa2为串口usart2的发送端口，pa3则为接收端口。txd端口与pa3端口相连，rxd端口与pa2端口相连。库仑计的发送段与单片机的接收段导通，库仑计的接收段与单片机的发送段导通，构成了一个数据传输回路。

继电器的三个端口分别为vcc、gnd和in。in端口是继电器模组信号触发端(高电平触发时有效)。当继电器的in端口有正极电压或达到导通电压时，继电器闭合并导通电流。继电器上的vcc端口和gnd端口分别接单片机上的vcc端口和gnd端口。从单片机的pa4端口引线连接到继电器的in端口，作为继电器的触发端口。当pa4输出高电平时，继电器闭合，则起动增程器对外提供电能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。