CN103978906A - 多功能便携式太阳能车及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多功能便携式太阳能车及其控制系统，太阳能车包括车架、车把、车轮、太阳能板，车架上枢设有用于支撑太阳能板的支撑架，太阳能板的两侧设有用于容设拉杆箱拉杆的导沟；前车轴通过轮轴扣、横梁及转向杆与舵机相连接，后车轴通过轮轴扣连接于车架上；车把通过活动转轴与转向杆相连接，活动转轴和转向杆的连接位置设有磁性扣。控制系统包括行车控制单元及电源控制单元，电源控制单元可根据太阳能板的电压选择性的对蓄电电池中的电池进行充电。本发明使用灵活、携带方便，能够满足多种出行需求及户外用电需求。

Description

多功能便携式太阳能车及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种多功能便携式太阳能车及其控制系统，属于太阳能应用技术领域。

背景技术

对于旅游爱好者或户外工作者来说，需要使用轻便灵活、省时省力且经济实用的交通工具。汽车虽然速度快、舒适度高，但由于体积大而无法到达某些区域，且费用较高，不适用于大众；电动车虽然行驶较为灵活、费用较低，但因常需充电而限制了其在户外的使用时间；自行车轻便、灵活，且费用最低，但费时费力，并不适用于路程较远的情况。

发明内容

鉴于以上原因，本发明的目的在于提供一种多功能便携式太阳能车及其控制系统，该太阳能车可变形为拉杆箱、背包、站/坐式车等多种形态，使用灵活、携带方便，能够满足多种出行需求，太阳能车的控制系统可根据太阳能板的电压对电池组中的电池进行选择性的充放电管理，使得其储备的电能能够满足户外用电需求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多功能便携式太阳能车，包括车架、车把、车轮、太阳能板，

车架上枢设有用于支撑太阳能板的支撑架，太阳能板的两侧设有用于容设拉杆箱拉杆的导沟；，

前车轴通过轮轴扣、横梁及转向杆与舵机相连接，后车轴通过轮轴扣连接于车架上；

车把通过活动转轴与转向杆相连接，活动转轴和转向杆的连接位置设有磁性扣。

进一步的，

所述轮轴扣包括弹簧按钮、轮轴、滑轨扣、滑轨扣基、连接块，轮轴连接活页及滑轨扣连接活页，该轮轴通过该轮轴连接活页、连接块、滑轨扣连接活页与该滑轨扣相连接，该弹簧按钮与该滑轨扣、滑轨扣基相连接。

所述车架上还设有背包带、防护网、保护垫，所述太阳能板表面设有防水帘，所述拉杆箱拉杆上设有反光条和LED灯。

一种多功能便携式太阳能车的控制系统，应用于上述多功能便携式太阳能车，系统包括：

电源控制单元，该电源控制单元包括充放电控制模块、蓄电电池；该充放电控制模块包括充放电控制芯片、充放电逻辑电路、太阳能板电压检测电路，该充放电控制芯片通过该太阳能板电压检测电路与太阳能板相连接；

该充放电逻辑电路包括四组开关门，该充放电控制芯片的控制信号输出端与该四组开关门相连接，根据太阳能板的电压选择性的对蓄电电池中的不同电池进行充电。

进一步的，

所述充放电控制芯片根据太阳能板的电压计算输出PＷM波的方法是：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{PWM}=(u_{\mathrm{out}}\×s_p\×t_p)/\underset{0}{\overset{t_p}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{pi}}\\ u_{\mathrm{out}}=\left(\underset{0}{\overset{t_b}{\underset{0}{\overset{t_b}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{bj}}(s_b\×t_b)+\mathrm{\Δu}}}\right)\end{array}\right.$

其中，u_out是输出目标电压，s_p是太阳能板的电压采样率、s_b是电池的电压采样率、t_p是太阳能板的电压采样时间、t_b是电池的电压采样时间、u_pi是太阳能板的检测瞬时电压、u_bj是电池的检测瞬时电压、Δu是电池的充电压差。

系统还包括行车控制单元，所述电源控制单元与该行车控制单元相连接，用于为该行车控制单元供电；

该行车控制单元包括行车控制芯片、电机、电机驱动电路、舵机、舵机驱动电路，该行车控制芯片的一路控制信号输出端通过该电机驱动电路与该电机相连接，该行车控制芯片的第二路控制信号输出端通过该舵机驱动电路与该舵机相连接。

所述充放电控制模块还包括电池电压检测电路，所述充放电控制芯片通过该电池电压检测电路与所述蓄电电池相连接。

所述充放电控制模块还包括温度传感器、湿度传感器、接口电路及报警电路；该温度传感器、湿度传感器分别与所述充放电控制芯片的数据输入端相连接，负载通过该接口电路与所述充放电控制芯片相连接，该报警电路与所述充放电控制芯片的数据输出端相连接。

所述行车控制单元还包括无线收发单元、把手开关及手柄开关；该把手开关与所述行车控制芯片的信号输入端相连接，该手柄开关通过该无线收发单元与所述行车控制芯片的信号输入端相连接。

所述电源控制单元还包括控制面板，该控制面板与所述充放电控制芯片的控制信号输入端相连接。

本发明的优点在于：

1)太阳能车可变形为拉杆箱、背包、站/坐式车等多种形态，使用灵活、携带方便，能够满足多种出行需求；

2)太阳能车的控制系统可根据太阳能板的电压对电池组中的电池进行选择性的充放电管理，使得其储备的电能能够满足户外用电需求；

3)可实现自动充放电，温、湿度检测及报警等功能。

附图说明

图1是本发明的太阳能车的总体结构示意图。

图2是本发明的太阳能车的部分结构的仰视图。

图3A及3B是本发明的太阳能车的轮轴扣的结构示意图。

图4是本发明的太阳能车的拉杆箱形态的状态示意图。

图5是本发明的太阳能车的背包形态的状态示意图。

图6是本发明的太阳能车的背包展开时的状态示意图。

图7是本发明的太阳能车的站立式车形态的状态示意图。

图8是本发明的太阳能车的坐式车形态的状态示意图。

图9是本发明的太阳能车的控制系统的方块图。

图10是本发明的太阳能车的充放电控制模块的方块图。

图11是本发明的太阳能车的电源控制单元的工作状态图。

图12是本发明的太阳能车的手柄开关的结构示意图。

图13是本发明的充放电控制模块对蓄电电池的充放电控制的电路原理图。

图14是本发明一具体实施例的充放电逻辑电路的电路原理图。

图15是本发明的控制字段示意图。

图16是本发明一具体实施例的蓄电电池充放电时序图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。

图1是本发明的太阳能车的总体结构示意图，图2是本发明的太阳能车的部分结构的仰视图。如图所示，本发明公开的多功能便携式太阳能车包括车架1、车把2、可拆卸式车轮3、太阳能板4及控制系统5；

车架的底板上枢设有用于支撑太阳能板的支撑架6，太阳能板包括一块主太阳能板及枢设于主太阳能板两侧的侧太阳能板，主太阳能板的两侧还设有导沟，用于容设可滑动的拉杆箱拉杆7；

前车轴通过轮轴扣20与横梁8相连接，后车轴通过轮轴扣20和轴承9连接于车架上，如图3A及3B所示，轮轴扣20包括弹簧按钮21、轮轴22、滑轨扣23、连接块24、滑轨扣基25，轮轴连接活页26及滑轨扣连接活页27，轮轴22通过轮轴连接活页26、连接块24、滑轨扣连接活页27与滑轨扣23相连接，按下弹簧按钮21滑轨扣基25收缩，移出滑轨扣23，将车轴穿入轮轴22后移回滑轨扣23，松开弹簧按钮21滑轨扣基25复位锁住车轴；前车轴通过横梁8及转向杆10与控制系统的舵机相连接，车把2通过活动转轴与转向杆10相连接，活动转轴和转向杆10的连接位置设有磁性扣11，扣上磁性扣11时，车把2无法转动；

图4是本发明的太阳能车的拉杆箱形态的状态示意图，图5是本发明的太阳能车的背包形态的状态示意图，图6是本发明的太阳能车的背包展开时的状态示意图。如图所示，将太阳能车的车把2翻转至车架1底部，拉开拉杆箱拉杆7，即变形至拉杆箱形态；在此基础上，卸下前后车轮3并将车轮收纳于太阳能板组成的容置空间内，退回拉杆箱拉杆7，安装背包带12(安装于车架上)、防护网13及保护垫14，即变形至背包形态；在背包形态基础上，展开两块侧太阳能板，可提高光能转换效率。

图7是本发明的太阳能车的站立式车形态的状态示意图，图8是本发明的太阳能车的坐式车形态的状态示意图。如图所示，将太阳能车的太阳能板4向后翻起，放下支撑架6，即变形为站立式车形态；在此基础上，将车把2翻转至车架1底部，立起前端的支撑架6，再加装背包带12及斜拉带15(用于减小对支撑架的压力，同时保护驾驶者不侧翻)，即变形至坐式车形态。

图9是本发明的太阳能车的控制系统的方块图。如图所示，控制系统5包括用于控制行车方向和速度的行车控制单元，以及用于控制电池充放电过程的电源控制单元，电源控制单元与行车控制单元相连接，可为行车控制单元供电。

行车控制单元包括行车控制芯片、电机、电机驱动电路、舵机、舵机驱动电路、无线收发单元、把手开关及手柄开关；把手开关与行车控制芯片的信号输入端相连接，手柄开关通过无线收发单元与行车控制芯片的信号输入端相连接；行车控制芯片的一路控制信号输出端通过电机驱动电路与电机相连接，行车控制芯片的第二路控制信号输出端通过舵机驱动电路与舵机相连接；

把手开关分设于左、右两侧车把，还包括一个倒车控制键。站立式车形态时，可通过把手开关控制行车。捏紧左侧把手开关时，行车控制芯片输出控制信号给舵机和电机，电机正向转动，舵机通过转向杆带动前车轴向左前方行驶；捏紧右侧把手开关时，信号控制原理相同，车向右前方行驶；同时捏紧两侧把手开关时，行车控制芯片控制电机加快转速，而舵机不转向，车向正前方加速行驶；同时松开两侧把手开关时，行车控制芯片控制电机降低转速直至停止，而舵机不转向，即车减速行驶；按下倒车控制键时，行车控制芯片控制电机反向转动，结合左、右把手开关的控制，车可向左或右后方行驶。

图12是本发明的太阳能车的手柄开关的结构示意图。如图所示，手柄开关的无线收发单元通过无线网络与行车控制单元的无线收发单元相连接，其包括左、右方向键，倒车控制键及总开关，坐式车形态时，可通过手柄开关控制行车。总开关用于系统复位；而手柄开关对于车的行驶速度、方向控制与把手开关的控制方法相似，即左方向键控制车向左前方行驶，右方向键控制车向右前方行驶，左、右方向键同时按下车加速前行，倒车控制键控制车向后行驶，此处不再对控制过程进行详细说明。

图10是本发明的太阳能车的充放电控制模块的方块图，结合图9所示，电源控制单元包括充放电控制模块、蓄电电池、控制面板，太阳能板通过充放电控制模块与蓄电电池相连接；充放电控制模块包括充放电控制芯片、充放电逻辑电路、太阳能板电压检测电路、电池电压检测电路、温度传感器、湿度传感器、接口电路及报警电路；温度传感器、湿度传感器分别与充放电控制芯片的数据输入端相连接，负载通过接口电路与充放电控制芯片相连接，报警电路与充放电控制芯片的数据输出端相连接，控制面板与充放电控制芯片的控制信号输入端相连接，可通过控制面板选择自动充放电模式或是手动充放电模式。

图11是本发明的太阳能车的电源控制单元的工作状态图。如图所示，当通过控制面板选择自动充放电模式时，充放电控制模块进入自动控制检测状态，当充放电控制模块检测到太阳能板的电压达到其工作电压时，跳转至自动充电状态，对蓄电电池进行充电，充电过程中通过温度传感器、湿度传感器的温、湿度检测，当蓄电电池的温、湿度高于一定值时，充放电控制芯片启动报警电路进行温、湿度异常报警，报警一定时间，如10秒后自动跳转回自动充电状态，蓄电电池输入电压下降到设定的充电电压值时进入自适应充电状态，当充放电控制模块检测到太阳能板的电压低于其工作电压时，跳转回自动控制检测状态，不再对蓄电电池充电；当有负载接入时，充放电控制模块跳转至自动负载输出状态，给负载充电，充电过程中若充放电控制模块检测到输出电流大于额定输出电流则进入过流保护状态，保护一定时间，如10秒后自动跳回负载输出状态，负载充电完成后，跳转回自动控制检测状态；当一定时间，如15秒内既无需对蓄电电池充电也无负载接入，则跳转至节电控制状态，一定时间，如5分钟后跳转回自动控制检测状态，以检测是否需要对蓄电电池充电或是有负载接入。

图13是本发明的充放电控制模块对蓄电电池的充放电控制的电路原理图，如图10及图13所示，充放电控制芯片通过太阳能板电压检测电路与太阳能板相连接，用于检测太阳能板的电压，充放电控制芯片通过电池电压检测电路与蓄电电池相连接，用于检测蓄电电池的电压，充放电控制芯片通过充放电逻辑电路与太阳能板、蓄电电池相连接，用于根据太阳能板的电压选择性的对蓄电电池中的不同电池进行充电；

图14是本发明一具体实施例的充放电逻辑电路的电路原理图。如图所示，于一具体实施例中，蓄电电池包括三组，每组由5块锂离子电池(3.7V)组成，充放电逻辑电路包括A,B，C，D四组开关门，充放电控制芯片的控制信号输出端与四组开关门相连接，用于通过输出不同的控制字段(PWM波)控制四组开关的接通或是断开，实现太阳能板对某组或是某块电池进行充电，或是某组或某块电池对电机进行放电；

图15是本发明的控制字段示意图，图16是本发明一具体实施例的蓄电电池充放电时序图，如图所示，控制字段包括三位的工作状态控制段、两位的AB开关门控制段及三位的C开关门控制段，其中，

结合图11所示，工作状态控制段用于控制电源控制单元的工作状态：000为自动控制检测状态，010为节电控制状态，100为自动充电状态，001为自动负载输出，110为自适应充电状态，101为自动负载输出+自动充电状态，111为自动负载输出+自适应充电状态；当工作状态控制段为111时，AB开关门控制段及C开关门控制段共同作用，控制电池组的充电或放电；

AB开关门控制段控制A、B开关门的动作：00为全充，A1-A3全断开，B1-B3全闭合，C1-C3全部连接开关5，D1-D3连接太阳能板负极，01为A2和A3闭合B1闭合，10为A1和A3闭合B2闭合，11为A1和A2闭合B3闭合；

C开关门控制段控制每组电池的五个开关(1-5)动作：000为接通开关5，001为接通开关4，010为接通开关3，011为接通开关2，100为接通开关1。于一具体实施例中，根据使用的太阳能板配置，可通过检测太阳能板的电压为：12V-10V，14V-12V，16V-14V，18V-16V，＞18V五个档，控制C1-C3的开关1-5的状态。

A、B、C、D四组开关门的电路逻辑关系如下：

A1＝(NOT)B1，A2＝(NOT)B2，A3＝(NOT)B3；C1＝C2＝C3；

D1＝A1，D2＝A2，D3＝A3；

D1、D2、D3为高电平时，开关D1、D2、D3接通“电池输出负极”端；

D1、D2、D3为低电平时，开关D1、D2、D3接通“太阳能板负极”端。

如图16所示，于一具体实施例中，第①部分：A1、A2开关闭合，第一、二组电池放电，B3闭合，第三组电池充电；第②部分：A2、A3闭合，B1闭合为第一组电池的1-4号电池充电；第③部分：A1-A3全部关闭，B1-B3全部打开，三组电池充电。下降沿触发，最小切换时间不小于5个时钟周期；

本发明中，充放电控制芯片是根据太阳能板的电压变化输出不同的控制字段值(PWM波)，具体地说，

蓄电电池的容量与太阳能板的发电功率，输出功率的关系如下：

$\left\{\begin{array}{c}C=(p\×\∂h\×W)/(u^2\×n\×I)\\ u\×I\≥W\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，C为蓄电电池容量，单位为安时(ah)，P为太阳能板的额定功率，单位为瓦每小时(W/h)，为太阳能板的发电效率，h为使用区域的平均日照时间，Ｗ为电池输出(此处用于为电机供电)的最大功率，u为蓄电电池的额定电压(蓄电电池的额定电压等于电机的额定电压，也等于太阳能板的额定电压)，n为蓄电电池的充电补偿值，I为蓄电电池的额定输出电流；即，太阳能车的蓄电电池、太阳能板的配置可根据实际使用地区进行调整。

充放电控制芯片根据太阳能板的电压变化计算PWM波的方法为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{PWM}=(u_{\mathrm{out}}\×s_p\×t_p)/\underset{0}{\overset{t_p}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{pi}}\\ u_{\mathrm{out}}=\left(\underset{0}{\overset{t_b}{\underset{0}{\overset{t_b}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{bj}}(s_b\×t_b)+\mathrm{\Δu}}}\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，u_out是输出目标电压(对电池充电的电压)，s_p是太阳能板的电压采样率，s_b是充电电池的电压采样率，t_p是太阳能板的电压采样时间，t_b是充电电池的电压采样时间，u_pi是太阳能板的检测瞬时电压，u_bj是充电电池的检测瞬时电压、Δu是充电电池的充电压差。

另外，综合考虑背包者的承受能力、输出电压、电流的需求等因素，于具体实施例中，太阳能板的规格是：最大发电功率：47W，主太阳能板发电功率为21W，两块侧太阳板发电功率为13W，太阳能转化率为17％，蓄电电池容量为30Ah。负载接口规格：车载电源12V，太阳能板的最大发电电流：3.3A，峰值电压为20V。太阳能车的总重量5KG，车架重量1.5KG，两前车轮轴距为0.53米，两后轮轴距为0.46米，前、后轮轴的距离为0.53米；当然，实际使用中，可根据需要对各项配置进行调整。

所述的车架１由边框和三根内支撑铝合金架组成，车架的底板使用高强度工程塑料板，前车轴横梁为两根铝合金横梁，拉杆箱拉杆7还设有反光条和LED灯，太阳能板4表面设有防水帘；行车控制芯片以及充放电控制芯片可选用MSP430系列单片机，电机驱动电路所使用的芯片型号为BTS7970B。

本发明的多功能便携式太阳能车，可变形为拉杆箱、背包、站/坐式车等多种形态，使用灵活、携带方便，能够满足多种出行需求；其控制系统可根据太阳能板的电压对电池组进行自适应充放电管理，使得其储备的电能能够满足户外用电需求。

以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.多功能便携式太阳能车，包括车架、车把、车轮、太阳能板，其特征在于，

车架上枢设有用于支撑太阳能板的支撑架，太阳能板的两侧设有用于容设拉杆箱拉杆的导沟；，

前车轴通过轮轴扣、横梁及转向杆与舵机相连接，后车轴通过轮轴扣连接于车架上；

车把通过活动转轴与转向杆相连接，活动转轴和转向杆的连接位置设有磁性扣。

2.如权利要求1所述的多功能便携式太阳能车，其特征在于，所述轮轴扣包括弹簧按钮、轮轴、滑轨扣、滑轨扣基、连接块，轮轴连接活页及滑轨扣连接活页，该轮轴通过该轮轴连接活页、连接块、滑轨扣连接活页与该滑轨扣相连接，该弹簧按钮与该滑轨扣、滑轨扣基相连接。

3.如权利要求2所述的多功能便携式太阳能车，其特征在于，所述车架上还设有背包带、防护网、保护垫，所述太阳能板表面设有防水帘，所述拉杆箱拉杆上设有反光条和LED灯。

4.多功能便携式太阳能车的控制系统，应用于权利要求1-3中任意一项所述的多功能便携式太阳能车，其特征在于，系统包括：

电源控制单元，该电源控制单元包括充放电控制模块、蓄电电池；该充放电控制模块包括充放电控制芯片、充放电逻辑电路、太阳能板电压检测电路，该充放电控制芯片通过该太阳能板电压检测电路与太阳能板相连接；

该充放电逻辑电路包括四组开关门，该充放电控制芯片的控制信号输出端与该四组开关门相连接，根据太阳能板的电压选择性的对蓄电电池中的不同电池进行充电。

5.如权利要求4所述的多功能便携式太阳能车的控制系统，其特征在于，

所述充放电控制芯片根据太阳能板的电压计算输出PＷM波的方法是：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{PWM}=(u_{\mathrm{out}}\×s_p\×t_p)/\underset{0}{\overset{t_p}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{pi}}\\ u_{\mathrm{out}}=\left(\underset{0}{\overset{t_b}{\underset{0}{\overset{t_b}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{bj}}(s_b\×t_b)+\mathrm{\Δu}}}\right)\end{array}\right.$

其中，u_out是输出目标电压，s_p是太阳能板的电压采样率、s_b是电池的电压采样率、t_p是太阳能板的电压采样时间、t_b是电池的电压采样时间、u_pi是太阳能板的检测瞬时电压、u_bj是电池的检测瞬时电压、Δu是电池的充电压差。

6.如权利要求4或5所述的多功能便携式太阳能车的控制系统，其特征在于，

系统还包括行车控制单元，所述电源控制单元与该行车控制单元相连接，用于为该行车控制单元供电；

该行车控制单元包括行车控制芯片、电机、电机驱动电路、舵机、舵机驱动电路，该行车控制芯片的一路控制信号输出端通过该电机驱动电路与该电机相连接，该行车控制芯片的第二路控制信号输出端通过该舵机驱动电路与该舵机相连接。

7.如权利要求6所述的多功能便携式太阳能车的控制系统，其特征在于，

所述充放电控制模块还包括电池电压检测电路，所述充放电控制芯片通过该电池电压检测电路与所述蓄电电池相连接。

8.如权利要求7所述的多功能便携式太阳能车的控制系统，其特征在于，所述充放电控制模块还包括温度传感器、湿度传感器、接口电路及报警电路；该温度传感器、湿度传感器分别与所述充放电控制芯片的数据输入端相连接，负载通过该接口电路与所述充放电控制芯片相连接，该报警电路与所述充放电控制芯片的数据输出端相连接。

9.如权利要求6所述的多功能便携式太阳能车的控制系统，其特征在于，所述行车控制单元还包括无线收发单元、把手开关及手柄开关；该把手开关与所述行车控制芯片的信号输入端相连接，该手柄开关通过该无线收发单元与所述行车控制芯片的信号输入端相连接。

10.如权利要求8所述的多功能便携式太阳能车的控制系统，其特征在于，

所述电源控制单元还包括控制面板，该控制面板与所述充放电控制芯片的控制信号输入端相连接。