轨道交通用智能语音自动加液车的设计与研制

南京公交集团·新城现代有轨电车有限公司 常欢庆

轨道交通行业中的加液车，用来给车身蓄电池组循环加注去离子水。国内轨道交通行业目前使用SAFT加液车（法国进口）的较多，随着使用时间的推移，加液车的元件老化，进口配件采购周期冗长（有的配件已被市场淘汰），极大影响了轨道车辆的运维和生产，因此，研究设计一款适合国内轨道交通行业使用的蓄电池加液车非常必要。

1 智能语音自动加液车功能特点

新研究设计的基于Cortex内核芯片控制的轨道交通用“智能语音自动加液车”功能特点如下：

（1）使用汉显液晶模块作为显示器，机器运行状态显示直观，不需查手册。

（2）使用涡轮双感电磁流量计，最高计量精度可达±1%。

（3）机器所有设置参数均为开放状态，可手动修改。

（4）“实时计量”功能：可以在显示器上显示实时加液数值。

（5）“定量计量”功能：可以设定加液数值，计数值等于定量值，自动停止。

（6）“状态语音”自动播报功能：机器运行状态切换、按键操作等均有语音提示功能，音量高低可调。

（7）可通过USB数据线更新语音、机器程序。

（8）所有电路元件和主要部件均为国产，实现了机器全国产化。

（9）可选择4米、6米、10米等水管长度，系统有不同的压强补偿。

（10）可选择“冷却液”“润滑油”或“稀释油”等非粘稠的液体，解决机器的功能单一问题。

（11）后备电池可以选择“铅酸密封”“三元锂电”“磷酸铁锂”等蓄电池；充电方式有“均充”“浮充”“涓流”等多种充电模式自动切换，无需人为干预。

（12）充电使用数控恒流控制模式，单片机实时采样充电电流和蓄电池电压，使用DAC调整电压，控制充电电流，延长蓄电池寿命。

（13）蓄电保护功能：当蓄电池馈电后，机器自动休眠保护，以提高后备蓄电池的使用寿命。

（14）具有“运行记录”记忆功能，可对机器的使用维护等情况进行追踪。

（15）使用45度锥形玻璃界面的红外传感器检测液位，最高精度±1毫米，精确反馈加液状态。

（16）使用Cortex-M3内核ARM芯片作为主控，运行自研嵌入式软件，机器运行状态判断灵敏、准确，响应及时。

2 新加液车电路结构与单元模块功能、装置构件

2.1 电路结构

基于Cortex-M3内核的ARM芯片控制的多功能智能语音自动加液车（下称加液车），其电路结构框图如图1所示。

图1 电路结构框图

2.2 单元模块功能

（1）液晶显示部分：为加液车的显示器，采用汉显LCM点阵模块，可以实时显示加液车的运行状态、参数、计量值、电池电压、电流、日期时间等。

（2）按键人机操作：为加液车的按键输入启动控制等按键操作模块，通过按键可输入机器参数、启动/暂停加液过程、切换显示界面等。

（3）语音存储播报：为加液车的状态语音存储以及播放单元，可以直接驱动扬声器发声。通过USB数据线连接电脑，可像U盘一样修改存储的语音信息。

（4）记录存储查询：为加液车运行状态的数据记录存储部分，其内部通过USB-UART转换模块与单片机实现通信。通过上位机软件读取存储在Flash芯片中的数据信息，可查询机器的液体加注量、蓄电池充放电及维护、机器运行故障等信息。

（5）电池后备供电单元：为加液车的供电单元，该电池可以是“铅酸密封”“三元聚合物锂”“磷酸铁锂”等蓄电池。

（6）市电充电管理单元：为加液车数控恒流充电单元，它通过单片机及闭环回路实现数字控制，为机器后备蓄电池提供充电管理功能。

（7）单片机系统控制部分:为加液车的控制核心，采用Cortex-M3内核的ARM芯片控制；通过外部传感器及内部的ADC、DAC、PWM、SPI、GPIO等外设模块，与外部的各个部件组成闭环控制系统。

2.3 装置构件

（1）储液箱是储液装置，存储的可以是冷却液、稀释油等液体。通过一个装有过滤接头（过滤器A）的防爆水管与加液泵进水口相连。

（2）加液泵是液体加注的动力源。根据液体的不同，更换不同的泵种。它受单片机PID闭环控制，形成稳定的转速，提供恒定的水压和水流。

（3）流量计是计量液体加注量的涡轮电磁传感器。它串接在加液泵出水口和加液车出水口之间。通过液体不同流速，输出不同频率的方波送给单片机，从而计量出单位时间内加注液体的体积。

（4）连接水管是两端带有密封快速接头，连接加液车和加液装置之间的管路。针对不同的应用场合，管道长度有4米、6米、8米、10米等规格。

（5）回液阀是装在连接水管上的一个闸阀，主要作用是用来切断或打开加液的管道通路，并保持蓄电池等装置内部的压力不变。

（6）过滤器B是安装在机器内部的一个过滤装置，用来滤除蓄电池等装置内的杂物颗粒，防止杂物颗粒进入回液箱，在排液过程中污染排液泵膜片。

（7）电磁阀是回液箱的一个进气电动阀门。在给蓄电池等加液过程中，电磁阀关闭，用于保持回液箱内的压力与蓄电池内部的压力相等；当加液完成后，该电磁阀打开，用于给排液泵提供一个进气通道，可以把回液箱内的残液抽走。

（8）液位传感器是使用红外光通过45度锥面反射来检测液位高度的传感器。当回液箱液体未到锥面高度时，红外光通过锥面反射镜产生反射，红外光接收端正常接收到红外光，而输出低电平；当回液箱液面高度超过红外光的反射点时，红外光将在液体中产生折射，红外接收端不能正确接收到红外光，而输出高电平。单片机通过捕捉这个电平的跳变，来检测液位的高度。

（9）排液泵用来抽除回液箱中液体。它通过控制回路与单片机相连，受单片机PID控制，形成稳定的转速，把回液箱中的液体匀速抽到废液回收瓶中。使用PID控制的好处是，流速恒定不会产生溅液现象。

3 加液车使用控制流程

加液车使用控制流程如图2所示。

图2 加液车使用控制流程

4 加液车结构与操作

加液车的总体结构如图3所示，将加液车推至车身蓄电池组处实施加液，具体见加液车操作面板（图4）。

图3 加液车结构图

图4 加液车操作面板

本文介绍的智能语音自动加液车采用国产器件制作，完全可以替代进口的加液车。

本加液车在保证基础功能的同时，为实现状态警示，增加了状态语音播报功能；为延长电池寿命，精确控制充电参数，增加了数控恒流充电功能；为解决同体积后备电池容量小，延长机器使用寿命，增加了支持多种锂电池功能；为显示直观，使用了汉显液晶显示功能；为精确控制加液流速，增加了PID恒流加液排液功能；为扩展机器单一加液功能，增加了液种选择和定量计量功能等。