CN109649549A - 基于太阳能的混合动力老年代步车 - Google Patents

Abstract

一种基于太阳能的混合动力老年代步车，包括由车身和底盘形成的容纳使用者的驾驶室，控制系统安装于所述驾驶室内。其中，所述车身正对于所述驾驶室的顶面上配置有太阳能电池板，所述车身正对于所述驾驶室的前方处配置有挡风玻璃。驾驶室包括用于控制代步车的方向盘、座椅、配置在所述座椅两侧的扶手；方向盘与座椅之间具有设定好的距离，方向盘与控制系统电连接。座椅的背面配置有后备箱。本发明设计的老年代步车配置有全包围的顶棚，并且在顶棚上方留有供太阳能板安装的安装槽，能较大面积安装钢化玻璃太阳能板，既能利用顶棚遮挡阳光，同时太阳能板接收光照为车辆提供长久的能量，提高车辆续航里程，比传统老年代步车更具稳定性和安全性。

Description

基于太阳能的混合动力老年代步车

技术领域

本发明涉及老年代步车领域，特别地，涉及一种基于太阳能的混合动力老年代步车。

背景技术

现今，随着老年人增多，市场上出现了老年电动车以满足老年人户外代步需求。其性能相对稳定，车速较慢，运用电力无需加油，故又称环保老年车。老年电动车所使用的能源有很多，主要有铅酸电池(含铅酸胶体电池)、镍氢电池、镍镉电池、镍铁电池、锂离子电池(常称之为锂电池)、燃料电池等。电池按电化学方式直接将化学能转化为电能。它不经过热机过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高(40－60％)，几乎不产生NOx和SOx的排放，更加环保。

一些厂家或者商家为了谋取利益，在两轮电动车的基础上简单改造成老年代步车，没有专门针对老年人对代步车的安全性、稳定性、舒适性去考虑设计，不符合老年人的生理和心里需要。目前中国市场很少有针对性的去考虑到老年人对代步车的驾驶习惯，所以专门研究、设计出适合老年人和符合国家电动自行车及电动轮椅车国家标准的老年代步车有着重大意义和发展前景。

现有的老年代步车，基本是采用单纯的充电方式对蓄电池进行充电，其续航里程短，无法满足长时间形式的需要，而且若途中蓄电池电量不足，则对老年人产生非常不利的局面，可能会使车辆停在路中，甚至会影响老年人在路上行车的安全，具有安全隐患。

发明内容

针对上述问题，本发明设计了一种基于太阳能的混合动力老年代步车，以提供多种动力来源，以克服传统老年代步车在路上时蓄电池电量不足造成的不便和危险。

本发明设计的一种基于太阳能的混合动力老年代步车的具体技术方案如下：

一种基于太阳能的混合动力老年代步车，包括车身、控制系统以及底盘，所述车身和底盘形成了容纳使用者的驾驶室，所述控制系统安装于所述驾驶室内；其中，所述车身正对于所述驾驶室的顶面上配置有太阳能电池板，用于补充动力来源以延长续航能力；所述车身正对于所述驾驶室的前方处配置有挡风玻璃以提供乘客驾驶的视野；所述驾驶室包括用于控制代步车的方向盘、配置于所述方向盘相对位置的座椅、配置在所述座椅两侧的扶手；所述方向盘与所述座椅之间具有设定好的距离，所述方向盘与所述控制系统电连接；所述座椅的背面配置有后备箱。

所述太阳能电池板是钢化玻璃太阳能电池板。

所述车身包括顶棚和前脸，其中，所述顶棚开设有太阳能电池板安装槽用于安装太阳能电池板，所述前脸开设有与所述底盘相连通的通风管道；所述前脸还于所述驾驶室的正前方配置有所述挡风玻璃。

所述方向盘包括控制面板、为别位于左右两侧的方向把手、手动刹车、转启动控制器以及钥匙插口；所述控制面板包括显示有车速、电量、里程表的仪表显示器、控制所述代步车前进或后退的方向控制按钮、调节所述代步车车速的调速器按钮、控制所述代步车的左右转向灯的转向灯按钮、以及控制喇叭的喇叭按钮，所述方向盘与所述控住系统电连接，并将电信号反馈给控制系统，以控制整个代步车。

所述控制系统包括：避障紧急制动模块，通过在车身上安装一个超声波测距模块，不断检测前进方向上的障碍物，当检测到障碍物的距离达到代步车安全制动的最小距离时，若还未检测到刹车或停车信号时，所述控制系统的避障紧急制动模块将控制输出的PWM信号全部输出为低电平，切断电动机的动力输入，车辆的调速功能失效，并发出紧急制动的信号，使所述老年代步车驻停；

欠压保护模块，所述控制系统的欠压保护模块对电源电压进行监视，在作电源电压检测时，引进滞环比较器，设定两个阈值V₁、V₂，其中V₁设定为欠压保护时的阈值，V₂比V₁的值大，并作10次延时判断；如果电压小于V₁，则PWM占空比减1；如果电压大于V₂，PWM占空比加1；如果电压处于V₂、V₂之间，则输出PWM占空比不变，以此检测电源电压，防止欠压情况；

方向控制模块，通过全数字PWM控制方式，利用所述控制系统的数字输出对模拟电路进行控制，设计全桥功率MOSFET电路，设定前进后退两种模式；方向盘上具有切换所述代步车前进或后退模式的方向控制按钮。

所述控制系统为TMS320F28035微控制器。

本发明有益效果：

与现有技术的方式相比，本专利具有以下至少一种优点：

1.本发明设计的老年代步车配置有全包围的顶棚，并且在顶棚上方留有供太阳能板安装的安装槽，能较大面积安装钢化玻璃太阳能板，既能利用顶棚遮挡阳光，同时太阳能板接收光照为车辆提供长久的能量，提高车辆续航里程，比市面上的传统老年代步车更具稳定性和安全性。

2.本发明设计的老年代步车配置有后备箱，改变了传统代步车整体的铁架子设计，一方面有利于美化车辆外观，另一方面使整个代步车具有了专门的储物位置，与老人的驾驶室分隔开来，避免了物品在车辆运行时抖动从车上遗落，或者进入驾驶室，对老人操作造成障碍。此外，后备箱设有机械锁，提升了物品的防盗性。

3.利用嵌入式微控制器(即所述的控制系统)，本发明提供的老年代步车可以实现多种功能，保护老年人的安全。具体功能有：避障紧急制动、定速巡航、GPS定位、危险报警、过流保护功能、欠压保护、调速功能、电磁刹车，松手即停。为了方便老年人使用，方向盘上的人机界面有速度、电量、里程表，前进/后退、调速、危险报警按键等，方便老年人通过手动按压按钮对车辆进行控制，直观明了。

附图说明

图1是本发明的基于太阳能的混合动力老年代步车的三维立体图；

图2是本发明的基于太阳能的混合动力老年代步车的另一视角三维立体图；

图3是本发明提供的基于太阳能的混合动力老年代步车的代步车与太阳能拆分时的示意图；

图4是本发明利用微机控制处理器系统实现多种功能的功能框图；

图5是本发明所设计的基于太阳能的混合动力老年代步车的方向盘的界面示意图；

其中，附图中所附带的数字指代部件如下：

车身1；太阳能电池板2；前防撞栏3；后防撞栏4；LED车灯5；散热口6；后视镜7；曲面挡风玻璃8；雨刷器9；方向盘10；座椅11；后备箱12；扶手13；车轮14；底盘15。

具体实施方式

结合图1至图5，通过以下具体实施例对本发明进行进一步阐述，需要注意的是，所参考的附图以及所述实施例仅为本领域技术人员更好理解本发明，并非对本发明的限制。

如图1和图2所示的一种基于太阳能的混合动力老年代步车，包括车身1、控制系统(图中未示出)以及底盘15。所述车身1和底盘15形成了容纳乘客的驾驶室，所述控制系统安装于所述驾驶室内。

其中，所述底盘15的底部设有四个车轮13，所述车轮13与所述底盘15之间还配置有缓冲阻尼装置，用于缓解行车时的颠簸，增加老年乘客的驾驶舒适性。

进一步地，在本实施例中，所述车身1包括顶棚和前脸，其中，所述顶棚(正对于所述驾驶室的顶面)开设有太阳能电池板安装槽用于安装太阳能电池板2，所述前脸(正对于所述驾驶室的前方)开设有与所述底盘15相连通通风管道的散热口6。由于电池保护外壳(图中未示出)由隔热绝缘材料制成的，如果通气不畅可能有过热的风险，因此，通过以上配置使空气经散热口通过所述通风管道，再经底盘至座椅下的通风口形成对流便于电池散热，提高了电池的使用寿命。

所述前脸还于所述驾驶室的正前方配置有所述挡风玻璃8，所述挡风玻璃8的下端旁边配置有雨刷器9。所述挡风玻璃8为曲面挡风玻璃以获得尽量大的观察视野。

所述驾驶室包括用于控制代步车的方向盘10、配置于所述方向盘相对位置的座椅11、配置在所述座椅两侧的扶手13。优选地，所述方向盘10与所述座椅11之间具有设定好的距离，其距离的大小可根据汽车人体工程学进行设定以满足老年人正常操作的需要。所述座椅10的下方设有驱动电机和充电蓄电池，充电蓄电池与驱动电机电性连接，太阳能电池板2与充电蓄电池电性连接，能够在白天将太阳能转化为电能对蓄电池进行充电。

座椅的宽度应以老年使用者的坐姿臀宽为基础进行修正。老年人会随着年龄的增长体型会由胖变瘦。考虑到定位人群的大多数老年人都能舒服地使用，座椅的宽度可取男性坐姿臀宽90的百分位数为上限值，女性坐姿臀宽10的百分位数，即人体尺寸在304—390mm。考虑老年人应注意保暖，衣着较厚，此时衣着修正量取20mm。在座椅使用中，座椅宽度大于使用者臀宽时，在乘坐过程中，老年人可以微调姿势，感觉会更舒适。因此座椅宽度应增加两侧的心理修正量40mm。综合考虑各方面因素后，座椅宽度为人体尺寸、衣着修正量、心理修正量之和，即座椅宽度范围在364—450mm之间。

为了满足大多数老年人的需要，这里取老年人坐深的第50个百分位数，即人体尺寸在412－－449mm之间。衣着修正量取20mm。由于人在放松状态下的坐姿与静态测量姿势不同，身体上部分并非90。垂直于大腿，因此座椅深度应增加心理修正量40mm。综合考虑各方面因素后，座椅宽度为人体尺寸、衣着修正量、心理修正量之和，宽度范围在472—509mm之间。

为了满足大多数使用者，这里取男、女老年人的坐姿肘高的第50个百分位数，人体尺寸在239－－259mm之间，扶手高度取坐姿肘高和姿势修正量15—25mm。因此扶手的高度可以取在254－－284mm之间。

进一步地，车身1的前端两侧对称设有车灯5，车灯5与蓄电池电性连接，车灯5均为LED灯，在阴雨天或夜晚光线较暗时为驾驶员提供照明设备，LED灯质优、耐用、节能，有效的降低了成本。车身1前后分别安装有前防撞杆3和后防撞杆4以求进一步地保护老年人的安全。进一步地，车身1的两侧对称配置有后视镜7，后视镜7的设置便于驾驶员观察路况。

进一步地，车身1后端安装有后备箱12，可储存物品，并将驾驶室后端与外界相对隔开。后备箱12采用碳纤维复合材料，其上设有机械锁，有大致30升的储存空间，安装位置在座椅背后，采用螺栓连接，连接在车身1上。通过设置后备箱，改变传统电动老年代步车上的铁笼子式的设计，将物品放置在密闭的空间，不仅增大了容量，而且增加了使用者的隐私性和减少了物品的丢失率。每个后备箱都配有两到三把钥匙，使用者从后备箱上的机械锁的钥匙口，通过钥匙打开后备箱。后备箱12内采用液压支撑杆(图中未示出)，后备箱盖仰起了一定的角度，由于液压支撑杆的设置，后备箱盖定在一定的位置。当需闭合后备箱盖时，稍使用一定力度，即可闭合。该设置便于老年人取放物品。

进一步地，所述方向盘10与所述控制系统电连接，具体地，如图4所示，所述方向盘包括控制面板、分别位于左右两侧的方向把手、手动刹车、软启动控制器以及钥匙插口。所述控制面板包括显示有车速、电量、里程表的仪表显示器、控制所述代步车前进或后退的方向控制按钮、调节所述代步车车速的调速器按钮、控制所述代步车的左右转向灯的转向灯按钮、以及控制喇叭的喇叭按钮，所述方向盘与所述控住系统电连接，并将电信号反馈给控制系统，以控制整个代步车。

目前市场上大量销售的太阳能电池板主要有柔性太阳能板，钢化玻璃太阳能板和薄膜太阳能板，柔性太阳能板将太阳能硅片固定到较薄的不锈钢或其他较软的基板上，将硅片电路连接后表面再覆盖一层透明树脂，封装好的组件可以弯曲一定的弧度，由于表面采用有机树脂，随时间推移透光性变差，组件寿命较短，理论寿命只有2年。

所述太阳能电池板2选用的是钢化玻璃太阳能电池板。常见的太阳能电池板表面使用3～4mm的钢化玻璃和铝合金边框，正常使用寿命可达20年，价格较便宜。选用性价比较高的钢化玻璃太阳能电池板最终使用的电池板的开路电压为17.8V；短路电流为2.8A；最大功率为50W；外形尺寸为1 065×350×35；重量为4kg；数量为4个。车棚顶部往下切除拉伸了2～4cm，将四块电池板串联并水平放置，这样将太阳能板嵌入车棚顶部，有利于结构稳定，防止太阳能板破坏，在太阳能电池板与框架之间垫上橡胶垫，用螺丝安装，并用结构胶密封以防漏水。

在本实施例中，所述控制系统为TMS320F28035微控制器(图中未示出)。TMS320F28035是德州仪器近年新推出的低成本高性能的32微控制器，其主要功能如下：

1.避障紧急制动：在代步车的车身的前脸上安装一个超声波测距模块，不断检测前进方向上的障碍物，当检测到障碍物的距离达到代步车安全制动的最小距离时，如果此时还未检测到刹车或停车信号时，控制系统将控制器输出的PWM信号全部输出为低电平，切断电动机的动力输入。此时，车辆的调速功能失效，并发出紧急制动的信号，启动代步车的紧急制动系统，使代步车驻停，确保老年人行驶安全。

2.定速巡航：当需要代步车保持一固定的速度运行时，就需要用手将转把转到某个位置并保持在那里很长时间并且一直不能松开，这样的操作会导致驾驶人的手腕疲劳，尤其是对老年人。

3.GPS定位：利用GPS和电子地图可以实时显示出老年代步车的实际位置和路线导航，利用该特性可实现代步车丢失找回等。

4.危险报警：车辆方向盘下方有红色的危险报警按钮(图中未示出)，当老年人遭遇危险状况的时候可以按下按钮，车辆就会自动进行报警，同时可以防止误使用。

5.过流保护功能：对回路中电流进行检测，使电机不论在过载还是堵转情况下，电流都不超过限流值，防止开关管烧毁。

6.欠压保护：控制器随时监视电源电源电压，当电源电压不足时，控制器自动保护，防止电池过放电影响使用寿命。

7.限速功能：根据市场需要，代步车行驶速度不超过X公里/小时(X可通过编程设定)。

8.温度保护：控制器的温度过高时，进入保护状态，防止控制器烧毁。

9.电磁刹车：在上坡或者动力不足，代步车往后滑行时自动刹车保护老年人安全

10.显示功能：可以通过液晶屏实时显示代步车运行状态，使得骑行者对于比如车速、里程、续航里程等信息一目了然。

硬件电路采用高性能低功耗嵌入式微控制器作为主控芯片，内置高速ADC、PWM模块、比较器等数字和模拟电路，简化系统设计、减小产品体积、降低硬件成本。系统整体框图如图3所示。采用大功率场效应管作为电机驱动开关管，耐压高、电流大，保障可靠运行。

直流电机在启动时如果直接加全电压，会产生高于额定电流十几倍的冲击电流。这种有害的冲击电流会使绕组由于过热而损坏，直接影响电机的运行，而且会浪费电能，降低蓄电池及相关电路的绝缘寿命。产生的启动转矩会对电动机及负载造成电气和机械损伤，造成齿轮等机械传动部件的非正常磨损，加速产品老化，缩短使用寿命。因此，采用软启动方式，如图4所示，所示方向盘的控制面板上设置有软启动控制器，将电机的输入电压从0逐步升高到额定电压，使得电机在启动过程中的启动电流由不可控的过载冲击电流变成为可控的、可根据需要调节大小的启动电流。电机启动的全过程都不存在冲击电流和冲击转矩，而是平滑的启动运行，防止电机振动，保证电机的稳定性。

全数字PWM控制方式，利用所述控制系统的数字输出对模拟电路进行控制。设计全桥功率MOSFET电路，提供多种不同方向的前进、后退、驱动、制动控制，静音高频运行。根据三档开关，设定前进后退两种模式。前进模式限速X公里/小时，手柄后退无效；后退模式限速Y公里/小时，手柄前进无效(X、Y数值根据需要设定)，如图5所示，方向盘上具有控制所述代步车前进或后退的方向控制按钮。

为了实现欠压保护，所述控制系统需要对电源电压进行监视。由于电机运行时电流值有时变化特别大，电池电压会在电流峰值处有比较明显的瞬时压降，从而容易造成电压不足的误判。为了避免这种情况的发生，在作电源电压检测时，引进滞环比较器，设定两个阈值V₁、V₂(V₁设定为欠压保护时的阈值，V₂比V₁稍大即可)，并作10次延时判断。如果电压小于V₁，则PWM占空比减1；如果电压大于V₂，PWM占空比加1；如果电压处于V₂、V₂之间，则输出PWM占空比不变。通过减小PWM的占空比来减小回路中的电流，如果检测到电源电压一直很低，那么PWM最终会减小到0，这表明在电流很小的情况下检测到电源电压还是很低，从而可以断定电池能量确实即将耗尽，避免了误判的情况。对于控制器温度的检测同样可以采取这种方法来实现，不再赘述。

代步车在制动过程中，经常需要使用刹车功能，为避免意外情况的发生，控制器需要对刹车进行快速响应，并能保证代步车迅速停下来。目前，市场上的刹车有两种方式：一种是刹车断电，即控制器检测到刹车信号后，停止给电机供电，依靠机械闸抱紧车轮，从而使代步车停止前进；另一种是防刹车抱死的方法，即ABS刹车。在代步车行驶速度很快时，前一种方法可能会出现刹车抱死整车滑行失控的现象，该现象只能通过频繁控制机械刹把来避免，操作复杂整车运行不够可靠。ABS方法通过软件处理，给代步车提供一个制动力，在电机内产生间断性、周期性的电磁制动转矩，从而有效防止刹车时车轮抱死整车滑行而失控的现象，提高整车使用的可靠性和安全性。

不管哪个方向，当松开调速手柄时，都能自动刹车，提高安全性。上坡行驶时有防止车辆倒滑功能，下坡行驶时提供自动的电子制动，以限制车辆速度，防止车辆下坡时速度过快造成意外。采用电磁驻刹控制，控制器检测电机运转情况，当电机正常启动时，松开刹车。

通电初始化诊断结合运行过程实时诊断。当控制器通电前，加速器不回位或连接出现问题(例如返回拉簧断裂)时，即使松开加速器，仍有加速器输入信号进入控制器，此时声光报警，提醒驾驶者防止突然启动造成飞车事故。

本实施例中老年代步车的工作原理：所示本设计采用的是太阳能电池与蓄电池混合供电的方式。(1)在阳光强烈或负载小的时候，太阳能电池组提供的功率大于负载功率，这时由太阳能电池单独直接向负载供电，并将多余的能量存入蓄电池中。(2)当太阳能电池组提供的功率小于负载功率，此时由太阳能电池组和蓄电池一起供电(3)当阴雨天气太阳能电池组不工作时由蓄电池单独供电。(4)在阳光下电机不工作时，太阳能电池组向蓄电池充电。(5)外部电源可单独向蓄电池充电。

在本实施例中，设计试制好的车辆其整车尺寸为1600mm×900mm×1100mm(长×宽×高)；电机种类为无刷直流电机，电机功率为750W；最高车速为40km/h；蓄电池采用48V40Ah锂电池；净质量为200kg；最大行驶距离为60km。

针对本实施例所提供的老年代步车，还在厦门地区进行了车辆的电气性能的测试：经测试前一天不接太阳能电池板，将电动车电池能量耗尽，耗尽的标志为6A放电电流，电压降到42V。第二天接好太阳能充电回路，用太阳能电池板充电直至日落，测量电池电压达到56V之后开始测试。在平路上行驶24千米后电压降到42V。由此可以得出，若厦门地区晴天日照一天，则200W的太阳能电池板所产生的能量可以供电动车行驶20km以上。因此，采用本实施例所提供的老年代步车，可以在使用电力的同时，增加太阳能作为动力源，有效的延长的老年代步车的行驶时间。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于太阳能的混合动力老年代步车，包括车身(1)、控制系统以及底盘(15)，其特征在于，所述车身(1)和底盘(15)形成了容纳使用者的驾驶室，所述控制系统安装于所述驾驶室内；

其中，所述车身正对于所述驾驶室的顶面上配置有太阳能电池板(2)，用于补充动力来源以延长续航能力；所述车身(1)正对于所述驾驶室的前方处配置有挡风玻璃(8)以提供乘客驾驶的视野；

所述驾驶室包括用于控制代步车的方向盘(10)、配置于所述方向盘相对位置的座椅(11)、配置在所述座椅两侧的扶手(13)；所述方向盘(10)与所述座椅(11)之间具有设定好的距离，所述方向盘(10)与所述控制系统电连接；所述座椅(11)的背面配置有后备箱(12)。

2.如权利要求1所述的老年代步车，其特征在于：所述太阳能电池板(2)是钢化玻璃太阳能电池板。

3.如权利要求1所述的老年代步车，其特征在于：所述车身(1)包括顶棚和前脸，其中，所述顶棚开设有太阳能电池板安装槽用于安装太阳能电池板，所述前脸开设有与所述底盘相连通的通风管道；所述前脸还于所述驾驶室的正前方配置有所述挡风玻璃(8)。

4.如权利要求1所述的老年代步车，其特征在于：所述方向盘包括控制面板、为别位于左右两侧的方向把手、手动刹车、转启动控制器以及钥匙插口；所述控制面板包括显示有车速、电量、里程表的仪表显示器、控制所述代步车前进或后退的方向控制按钮、调节所述代步车车速的调速器按钮、控制所述代步车的左右转向灯的转向灯按钮、以及控制喇叭的喇叭按钮，所述方向盘与所述控住系统电连接，并将电信号反馈给控制系统，以控制整个代步车。

5.如权利要求1所述的老年代步车，其特征在于：所述控制系统包括：

避障紧急制动模块，通过在车身上安装一个超声波测距模块，不断检测前进方向上的障碍物，当检测到障碍物的距离达到代步车安全制动的最小距离时，若还未检测到刹车或停车信号时，所述控制系统的避障紧急制动模块将控制输出的PWM信号全部输出为低电平，切断电动机的动力输入，车辆的调速功能失效，并发出紧急制动的信号，使所述老年代步车驻停；

欠压保护模块，所述控制系统的欠压保护模块对电源电压进行监视，在作电源电压检测时，引进滞环比较器，设定两个阈值V₁、V₂，其中V₁设定为欠压保护时的阈值，V₂比V₁的值大，并作10次延时判断；如果电压小于V₁，则PWM占空比减1；如果电压大于V₂，PWM占空比加1；如果电压处于V₂、V₂之间，则输出PWM占空比不变，以此检测电源电压，防止欠压情况；

方向控制模块，通过全数字PWM控制方式，利用所述控制系统的数字输出对模拟电路进行控制，设计全桥功率MOSFET电路，设定前进后退两种模式；方向盘上具有切换所述代步车前进或后退模式的方向控制按钮。

6.如权利要求5所述的老年代步车，其特征在于：控制系统为TMS320F28035微控制器。