超级电容电车充电控制系统 【技术领域】
本发明涉及一种级电容电车充电控制系统，特别是一种把现有无轨电车改造成超级电容电车中使用的充电控制系统。属于交通工程领域。
背景技术
无轨电车因其具有零排放、噪音小、加速平稳、起动快、爬坡性能好等特点而享有“绿色城市公共交通工具”的美誉。然而，受架空馈线的限制它也存在着视觉污染严重、机动性差和影响公交线路合理布局的三大缺点，这被人们称作无轨电车“三大公害”。现有解决无轨电车“三大公害”的办法，中国哈尔滨人和集团巨容新能源有限公司2001年生产的“无辫无轨电车”，它以超级电容作为单一电源，只在终点站对超级电容进行统一充电，对控制系统要求相对简单，可以人工完成。然而对超级电容需求量大、重量大、成本高、载客量少，目前还很难推广。
现有的控制系统，经文献检索发现，马世宏等人在《机车电传动》2000(6)：27-30上撰文“一种基于PC机和80C196的智能充电机集群控制系统”，该文介绍了一种用于电动叉车蓄电池充电的控制系统，它采用集群式控制结构，以PC为上位机，单片机为下位机组成一对多的星形网络；上位机完成管理级的任务，实际的控制命令通过串行通信交给下位机执行，同时下位机将自身的状态数据返回给上位机。这种控制系统，其上下位控制结构是基于有线连接的、固定的，一对多的，不能满足充电控制系统面向无线连接组成临时的控制结构，并协同完成分布在不同地点(如电车和停靠站)的控制任务的要求。
【发明内容】
本发明针对现有技术的上述不足，提供一种超级电容电车充电控制系统，该充电控制系统是为超级电容电车集电弓式充电系统专门设计的，使其能够实时监视电车行驶过程超级电容电量，保证无轨电车行驶全程的能量自动配给。在超级电容缺电时向停靠站提出充电请求，进入停靠站范围内自动连接，连接后停靠站打开充电电源，电车打开充电开关进行充电，充电结束自动断开连接，电车离站，停靠站进行日志记录，等待其他连接，从而解决超级电容电量实时检测，车-站无线对接，身份认证，定位识别，充电过程控制，用电量记录、日志存储等问题。
本发明是通过以下技术方案实现地，本发明控制系统采用主、从式控制结构，由设置在电车上的主控制器(Master)和设置在停靠站上的从控制器(Slave)两部分组成。在电车进入停靠站范围之内时，主、从控制器的蓝牙无线通信模块进行无线链路连接。其中，主控制器主要完成超级电容电量实时检测、定位识别、充电过程控制等，并且能够在缺电时主动向从控制器发起无线连接。从控制器主要完成身份认证、用电量记录、停靠站充电电源控制、日志存储等，并且能够响应主控制器发起的连接。
主控制器由微处理器(一)、超级电容电压传感器、定位传感器、接触传感器、充电结束按钮、集电弓升降电磁阀、电车充电开关以及蓝牙无线通信模块(一)组成。微处理器(一)通过基本输入接口并经过光电隔离与开关量输入设备连接，其中包括定位传感器、接触传感器、充电结束按钮；微处理器(一)通过基本输出接口并经过光电隔离与开关量输出设备连接，其中包括集电弓升降电磁阀、电车充电开关；微处理器(一)通过模拟输入通道与超级电容电压传感器连接；微处理器(一)通过UART并经过电平转换与蓝牙无线通信模块(一)连接。 从控制器由微处理器(二)、非易失性RAM、停靠站充电开关、用电量记录表以及蓝牙无线通信模块(二)组成。微处理器(二)通过数据总线(DB)和地址总线(AB)与非易失性RAM连接；微处理器(二)通过基本输出接口并经过光电隔离与停靠站充电开关连接；微处理器(二)通过模拟输入通道与用电量记录表连接；微处理器(二)通过UART并经过电平转换与蓝牙无线通信模块(二)连接。微处理器(一)、(二)为拥有多路基本输入输出接口且整合AD采样及PWM输出功能单片控制器，以减少控制板的体积和系统复杂程度，节省硬件成本，优选采用PHILIPS公司的80C552高性能8位微处理器，该微处理器完全兼容MCS-51系列指令系统，拥有五路基本输入输出接口、一路与模拟输入共用的基本输入接口。除此之外，还提供了一个8路复用的10位模数转换ADC、2个8位脉宽调制输出PWM、全双工异步收发器UART以及I2C总线等附加功能。
超级电容电压传感器为线性度好并且能与微处理器有效隔离的传感元件，优选采用利用磁补偿原理工作的霍尔电压传感器，从而保证原边与副边在电气上是高度绝缘的。同时，因为Np·Ip＝Ns·Is，Ip-初级电流，Np-初级匝数，Is-次级电流，Ns-次级匝数使它能够线性反映直流，交流以及各种波形电压。
蓝牙无线通信模块(一)、(二)为符合Bluetooth 1.1认证、Class 2功率输出、内置固件支持到HCI层蓝牙协议的点对点通信模块；并且设有与微处理器连接的UART接口，优选采用DigitalKing公司的Bom4E蓝牙通信模块。除满足上述功能外，该模块是Ericsson ROK101 008点对点模块的增值封装，因此它还兼容Ericsson ROK101 008模块的全部功能。如内置PCM接口；UART最大传输率460kb/s；I2C总线；内置晶振；点对点连接。
TTL与RS232C之间的电平转换功能采用Maxim公司的MAX232E电平转换芯片。日志文件存采用DALLAS Semiconductor的DS1244——内嵌隐形时钟的非易失性RAM，其在断电情况下可依靠内部锂电池保持数据10年之久。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明主、从式控制结构能够协同完成超级电容电车的自动充电过程，解决了电车全程的能量配给。满足超级电容电车集电弓式充电系统的控制要求。控制结构模块化，移植方便，可以为其他基于无线连接的工业控制系统提供一个可选方案。
【附图说明】
图1是本发明控制系统结构示意图
图2是超级电容电车充电控制流程图
图3是主控制器(电车)的程序流程图
图4是从控制器(停靠站)的程序流程图
【具体实施方式】
如图1所示，本发明控制系统采用主、从式控制结构，由设置在电车上的主控制器1和设置在停靠站上的从控制器2两部分组成，在电车进入停靠站范围之内时，主控制器1、从控制器2的蓝牙无线通信模块进行无线链路连接。
主控制器1由微处理器3、超级电容电压传感器4、定位传感器5、接触传感器6、充电结束按钮7、集电弓升电磁阀8、集电弓降电磁阀9、电车充电开关10以及蓝牙无线通信模块11组成。微处理器3通过基本输入接口14并经过光电隔离16与定位传感器5、接触传感器6、充电结束按钮7等开关量输入设备连接；微处理器3通过基本输出接口15并经过光电隔离17与集电弓升电磁阀8、集电弓降电磁阀9、电车充电开关10等开关量输出设备连接；微处理器3通过模拟输入通道18与超级电容电压传感器4连接；微处理器3通过UART13并经过电平转换12与蓝牙无线通信模块11连接。
从控制器2由微处理器21、非易失性RAM 22、停靠站充电开关23、用电量记录表24以及蓝牙无线通信模块25组成，微处理器21通过数据总线26和地址总线27与非易失性RAM 22连接；微处理器21通过基本输出接口15并经过光电隔离17与停靠站充电开关23连接；微处理器21通过模拟输入通道18与用电量记录表24连接；微处理器21通过UART13并经过电平转换12与蓝牙无线通信模块25连接。
微处理器3、21均采用PHILIPS公司的80C552高性能8位微处理器。超级电容电压传感器4采用利用磁补偿原理工作的霍尔电压传感器。蓝牙无线通信模块11、25采用的是DigitalKing公司的Bom4E蓝牙通信模块。
如图2、图3和图4所示，下面就一次完整的充电过程为实施例具体说明。
停靠站，打开控制电源后，从控制器2上的微处理器21执行上电初始化操作，完成程序变量、基本输出接口的初始化。串口初始化操作，完成串行口波特率、通信方式以及中断标志的设定，允许微处理器21通过UART 13与蓝牙无线通信模块25进行通信。短暂延时后进行蓝牙初始化命令，使蓝牙无线通信模块25处于可以接受外界连接的状态。微处理器21持续查询连接是否建立，直到有来自外部的连接发生。检查连入设备的蓝牙地址，判断其是否为合法设备，如“否”，返回蓝牙初始化操作；如“是”，方可进行后续操作。判断是否为此设备的第一次连接，如“是”，闭合停靠站充电开关23，读入入站时间，如“否”，则跳过以上两条操作，因为第一次入站时已经完成。等待充电结束同时持续查询是否有连接断开，如“是”，判断有无充电结束标志，如“有”，说明一次正常充电结束，微处理器21断开停靠站充电开关23，读入出站时间，将本次充电信息记录到日志文件，重新返回等待连接建立状态；如“无”充电结束标志，说明本次为非正常退出，跳过以上三条操作，返回等待连接状态。
电车上，打开控制电源后，主控制器1上的微处理器3执行上电初始化操作，进行程序变量、基本输入、标准输出的初始化。串口初始化，完成串行口波特率、通信方式、定时器0以及中段标志位的设定，允许微处理器3通过UART 13与蓝牙无线通信模块11进行通信。定时器，周期性通过电压传感器4和模拟输入通道18检测超级电容电量并改变其电量标志字。微处理器3重复此操作，直到超级电容有缺电情况发生。然后，进行蓝牙无线通信模块11初始化操作，并在完成之后向外界发起连接，直到连接成功，否则延时后继续重试。连接成功后，判断所连是否为合法设备，如“否”，返回蓝牙初始化；如“是”，继续后续操作。判断是否为第一次连接，如“是”，微处理器3通过基本输出接口15打开升弓电磁阀8并闭合充电开关10；如“否”，跳过这两条操作。重复判断是否有断开连接发生，如“有”，说明充电过程中蓝牙连接意外断开，重新返回蓝牙初始化，如“无”，等待超级电容充满，或者司机通过充电结束按钮7强制结束充电过程。之后，一次正常的充电过程结束，断开充电开关10，通过已建立的蓝牙无线链路发送充电结束标志，最后降弓9，返回周期性检查缺电状态。