纯电动洗扫车电气控制系统及云平台应用
摘要：随着蓝天保卫战的打响，纯电动环卫车辆需求逐步增加。介绍了一种纯电动洗扫车电气控制系统，采用CAN总线分布式控制技术，模块化设计，实现了纯电动洗扫车上装与底盘之间的上下高压控制及上装作业模式控制，同时利用物联网技术，实现了环卫车辆云端监控与管理。
关键词：纯电动洗扫车;CAN总线;模块化;云平台
中图分类号：U469*91 收稿日期：2022—02—10
DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.015
1 纯电动洗扫车系统组成基本介绍
近年来，随着环卫机械化程度的不断提高和环卫车数量的不断增加，传统的车辆管理模式已经不能适应新形势下的环卫车大规模、大区域、多车种联合作业的特点，对环卫车辆的系统调度、远程监控、远程管理逐渐成为一种发展趋势。本系统通过加装车载远程监控终端，利用物联网技术，实现了纯电动洗扫车的云平台管理。
纯电动洗扫车主要包括纯电动底盘、上装动力系统、液压系统、气路系统、水路系统、电气系统。其中底盘提供行走动力及高压配電管理，风机、水泵、油泵分别由电机提供动力。上装电气控制系统为整个控制系统的核心，电气系统与底盘电池管理系统进行通信，从底盘预留上装接口取电，同时上装控制器与上装三合一电机控制器进行通讯，分别控制风机、水泵、油泵三个电机，进而控制环卫车清扫系统、水路系统、液压系统的正常工作。
2 纯电动洗扫车电气控制系统硬件组成
纯电动洗扫车电气系统硬件设计分为高压动力部分和低压控制部分，高压控制部分主要由底盘高压配电盒、高压电缆、上装多合一电机控制器、风机电机、水泵电机以及油泵电机组成。洗扫车底盘高压配电盒已经预留上装取电接口，多合一电机控制器通过底盘取电，经过预充电管理模块后给电机供电。风机电机功率50 kW、水泵电机功率35kW、油泵电机5kW，根据不同工况，上装总功率合计不超过80kW，底盘电压为直流590 V，通过计算再结合底盘高压配电盒接插件型号，上装三合一控制器选用50平方的EV电缆，风机电机选用35平方电缆，水泵电机选用25平方电缆，油泵电机选用3x2.5平方电缆。高压部分硬件电路如图1所示。
低压控制部分从底盘蓄电池低压配电盒预留的保险取电，经过上装保险继电器盒分配五路低压24 V电源，分别给上装车载终端、上装作业照明灯警示灯、洗扫降尘水泵、上装显示屏控制器、上装IO模块供电，此5路电源根据负载大小匹配不同的保险，做到通讯、控制、报警、作业监控等功能在出现故障时互不干扰，局部故障不会影响整个电气控制系统，保证上装控制系统稳定可靠。
纯电动洗扫车电气系统主要包括车载控制器及显示屏、IO模块、车载终端、风机电机控制器、水泵电机控制器、油泵电机控制器及维修调试操作盒组成。整体方案采用分布式CAN总线控制方式，控制器为整套系统的核心，负责与底盘、上装动力及低压控制部分进行CAN通讯及输入输出采集。同时与车载终端通讯，将车辆实时状态发送给GPS车载终端，车载终端将车辆的实时作业状态及工作参数回传到服务器，实现远程监控环卫车作业情况，控制系统拓扑图如图2所示。
车载控制器总共由三路CAN总线通讯接口，CAN总线波特率为250K，为保证通讯质量稳定可靠，对上装通讯系统进行合理分配：CAN1负责和上装电机控制器及上装IO模块进行通讯，保证洗扫作业功能稳定可靠;CAN2负责和纯电动底盘通讯，保证上装和底盘高压上电及下电功能稳定可靠;CAN3负责与环卫平台车载终端通讯，将洗扫车实时作业状态发送给车载终端，上传至环卫平台。三路CAN总线互不干扰，负载率全部在30%以下，保证系统稳定可靠。
3 纯电动洗扫车电气控制系统软件主要功能
本系统选用的车载控制器以CODESYS V3.5为编程平台，通用性强，可以采用多种编程语言编程，本程序采用ST语言进行编程。纯电动洗扫车电气系统软件设计主要功能包括：上装高压取电控制、作业模式选择、作业流程控制、车辆状态监控及远程传输功能。
3.1上装高压取电控制流程
纯电动环卫车底盘通常会预留上装高压取电接插件，上装通过底盘高压配电盒预留接插件，将底盘直流高压接插件连接至上装风机、水泵、油泵三合一电机控制器。底盘高压上电后，上装控制器上电，当上装控制器检测到底盘高压上电正常后，与上装三合一控制器进行通讯，向电机控制器发送高压上电指令，三合一控制器开始进行预充流程，吸合上装预充接触器，当上装电压达到要求以后，闭合主接触器同时断开预充接触器，上装上高压完成2。当底盘高压异常或者底盘钥匙开关关闭发出退电信号以后，上装控制器与电机控制器通讯，电机控制器执行下高压控制。上装高压上电流程如图3所示。
3.2作业模式选择控制流程
纯电动洗扫车包括干扫和洗扫两种作业模式，每种作业模式根据扫盘及吸盘自由组合作业，总共分为全洗扫、左洗扫、右洗扫、全清洗、左清洗、右清洗、全干扫、左干扫、右干扫及单独吸尘作业10种作业模式。本系统采用CAN总线触摸屏设计，按下主界面模式触摸按键，显示屏自动翻页到模式选择界面，选择对应的模式，按下确认按键，控制器自动根据选择的模式切换扫盘、吸盘等作业机构，同时控制器会记忆当前作业模式，断电重新上电后自动进入上次选择的模式，方便环卫作业人员操作，作业模式选择如图4、图5所示。
3.3作业流程控制
作业模式选择完成后，控制器根据选择的作业模式，监测清水箱是否缺水，水路阀门是否打开，是否需要启动风机、水泵、油泵电机。同时监测底盘高压状态及上装电机状态，如果系统正常，则进行下一步作业流程。如果异常，则发送报警指令给语音报警模块，语音报警模块根据预制的系统语音报警，提醒作业人员系统异常。
作业启动后，根据选择的作业模式，启动油泵电机控制器，油泵电机带动油泵，同时IO模块控制液压系统及气路系统的液压阀和气阀得电，依次放下扫盘、吸嘴、摆出高压水路喷杆等作业机构，风机电机控制器驱动风机转动，水泵电机控制器驱动高压水泵，根据不同路面设置不同的作业转速，开始扫路作业。当按下作业停止按键或作业过程中监测到系统异常时，控制器发送停机指令IO模块接收到停止作业指令时，反顺序依次收起各作业机构，停止作业，作业控制流程图如图6所示。
3.4车辆状态监控及远程传输功能
车辆状态监测主要包括通讯状态、IO输入状态、输出状态、电机状态、底盘状态的监控。电气控制系统与底盘、IO模块、电机控制器分别制定对应功能的通讯协议，并且对CAN通讯进行心跳监测，当某个模块心跳信号保持不变时，系统判断为模块掉线，在显示屏通讯状态监控界面进行图形及文字提示。在显示屏系统状态监控界面，分别显示输入、输出、电机、底盘的实时状态，操作者可以非常方便地了解车辆的工作状态。同时车载控制器和智能终端进行CAN通讯，将车辆的所有工作状态以CAN报文形式发给车载终端，车载终端通过4G网络传输发送给环卫平台，环卫平台可以实现车辆状态的远程实时监测，同时可以统计及分析车辆数据，方便故障排除，提高售后服务效率。
4 智慧环卫云平台功能
纯电动洗扫车智能终端通過GPS及北斗定位系统，实时监测车辆位置，平台服务器根据车辆设备轨迹点实现车辆轨迹回放功能。另外，车载终端通过CAN总线与环卫设备控制器通讯，将车辆的实时作业状态及工作参数回传到服务器，实现远程监控环卫车作业情况。
环卫云平台的主要功能包括：
a.车辆实时监测管理：通过安装车载终端实现扫路车作业车辆的实时位置与作业状态的在线查看与追踪。具体包括实时位置、地址、速度、方向、行驶路线、点火状况等信息，同步实时预警车辆违规行为。
b.车辆轨迹回放：系统通过保存车辆所有的实时位置数据，生成车辆轨迹记录。选择对应的车牌号、时间，可以检索到车辆的轨迹记录，实现在线回放行程轨迹记录。
c.车辆信息管理：主要包括车辆列表、车辆信息维护与状态监控、司机信息管理等。环卫平台运用数据库技术实现环卫车辆基本信息的管理，包括车牌号、发动机号、作业类型、所属作业队伍、所属部门、服务区域、品牌型号、载质量、开始使用时间、使用年限等，实现对环卫作业设备信息化管理。
d.环卫任务调度管理：管理人员可以规划环卫任务路线，指派车辆进行规划路径任务作业，同时可以在轨迹回放时比较路径是否出现偏离，提升环卫作业质量。
e.车辆报警管理：报警信息管理可查看车辆报警记录，在线查看车辆故障状态，查询报警时间地点。环卫平台实时监测车辆作业状态，根据预先设置的报警条件，可以实时判断车辆各部件的工作情况，当车辆发生故障报警时，实时提醒管理人员和车辆司机，为车辆正常作业保驾护航。
f.统计报表管理：主要包括车辆数量统计、车辆运行状况统计、车辆型号统计、油耗里程统计、停车时长统计等。汇总统一管理模块通过一定的查询条件，形成统计报表。如查询某一区域所有车辆数量分布、某一区域除雪车数量等，支持导出打印。环卫运营管理部门通过分析统计报表，合理优化环卫作业设备，提升环卫作业质量。
5 结语
本系统采用CAN总线全触摸加实体按键显示屏为控制核心，基于分布式模块化设计，实现了纯电动洗扫车上装电气控制功能及云平台远程管理功能。较其他控制模式，本系统有以下优点：
a.采用分布式CAN总线拓扑设计，模块化设计，整车线束简单可靠，同时模块化设计方便在后期加装其他功能进行扩展，通用性强。
b.采用全触摸加实体按键显示屏设计，界面美观，操作简便，一键作业模式选择及启停控制，人机交互方便。
c.利用物联网技术，实现了车辆状态的远程监控与云平台管理，为智慧环卫提供接口，实现车辆集管控功能。
根据国家“十四五”发展规划，公共领域会逐步推广新能源车型。环卫车作公共领域车辆的重要组成部分首当其冲。纯电动环卫车电气系统作为上装控制核心，其可靠性及易用性必然会影响环卫车整车品质。基于CAN总线的纯电动环卫车控制系统设计布局合理，CAN总线是现场总线的一种，因其在数据通信方面有着较高的可靠性和实时性，在汽车网络系统中被广泛应用3。
在物联网飞速发展的今天，基于物联网的数字化智慧环卫运营PPP模式已经成为一种趋势。智慧环卫云平台是数字环卫系统的延伸和发展，本系统通过与车载终端联合通讯，实现了环卫云技术与物联网整合，实现了环卫车的智慧集中远程监控与管理，必然会成为未来的发展趋势。
参考文献：
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[3]郭之梁.电动汽车CAN总线网络调度策略的研究[D].沈阳：辽宁大学，2017.
作者简介：
陈凯，男，1987年生，工程师，研究方向为环卫车上装电气系统及煤矿掘进设备智能化系统的设计与开发。
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