CN107344505A - 农机电动系统的操控单元 - Google Patents

Abstract

一农机电动系统的操控单元，供用于农机的核心枢钮以直接地操控所述农机，包括一所述CAN通信模块电连接于所述农机的一电池箱以及所述农机的一机体监视单元，和一电控单元模块用于检测所述驱动系统并提供可行性的工作信息，并及时给予所述驱动系统指令。

Description

农机电动系统的操控单元

技术领域

本发明涉及农业机械电动系统领域，尤其涉及一农机电动系统的操控单元。

背景技术

工业革命时期，蒸气机的问世，加速了人类科技文明的进步。所谓蒸气机是属于外燃机，其中是透过外部燃烧，对锅炉内部的水间接加热产生高温高压水蒸气，再输送到机器去作功，是一种把热能转化为机械能的装置。然而，相对于外燃机而言，内燃机的发明更是被广泛的用于现代，像是汽车、船舶、飞机、农机、火箭等的发动机或引擎基本上都是属于内燃机。所谓内燃机需要藉助于燃料燃烧，根据工作原理的不同可大概的分为往复活塞式内燃机、转子发动机、燃气涡轮发动机、喷气发动机等。然而，内燃机使用的燃料，一般都是碳氢化合物，常见的有汽油、柴油、天然气、煤油等，而这些又称为矿物能源，也是目前人类使用的主要能源特别地是，这就的能源随着不断的开采利用而逐渐减少，更进一步的，因为能源的问题甚至引发了战争。另外，使用矿物能源最大的问题是生态环境的污染，其中矿物能源在燃烧过程中产生大量的CO2、SO2、HC、O3等有毒有害气体，这些不但导致环境的污染还造成人体呼吸系统障碍以及癌症等诸多疾病，同时矿物燃料还造成酸雨增加，对人类的生存环境产生了巨大的负面影响。

另外，在人类生存所不可或缺的一大重点是粮食，从古至今，一直存在着粮食问题，因此人们也不断的改良农业的发展，甚至将科技的发展用于农业上，从手工具到大型农机不断的改良，其中大部份的农机为了自动化和省力大多会配置引擎以达到省力和自动化的目的。值得一提的是，所述农机是指用于农业生产中使用的各种机械设备，进一步地说也就是说农业机械化是透过先进适用的农业机械改善农业生产的条件，甚至有些农用机械是利用模仿人类的某种活动，去代替人们繁重的劳动或者在人们不适合的工作的环境下利用农用机械进行工作，以提高农业的生产技术水平和经济效益。然而，现今的农用机械大部份都是采用内燃机系统，一般常见的就是发动机或引擎。

因此，在农用内燃机的各种运用，虽然带来农业发展快速，但是同时也带来了环境的污染。首先，内燃机的燃料不完全燃烧产生的有害气体被直接排放会给环境造成污染，这无疑加重了雾霾天气。另外，内燃机的最主要排放物是CO2、水汽和一些颗粒物。进一步地，内燃机还会排放一氧化碳、氮氧化物、硫化物(主要是二氧化硫)和一些未燃烧的碳氢化合物。这些废气对人类的健康造成不利的影响。其次，内燃机的柴油、汽油等燃料的不完全燃烧不仅容易造成能源的浪费。另外，现有的农机的内燃机的重量较大，导致农机不能够被农机操作者灵活地进行操作。

因此，随着电动自行车、电动汽车等的使用，人们逐渐看到了以电力作为动力源的机械对于人体健康以及自然环境的有利影响。因此，将电力作为动力源替代燃油应用在农业机械上成为了一个趋势，但是在以电力作为动力源的农机电动系统之中，值得一提的是机体操控单元，也就是说操作者透过所述操控单元去控制农机，换句话说，所述操控单元是很重要的人机互动系统。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一农机电动系统的操控单元，供一操作者直接地由所述操控单元控制所述农机，以达到有效地人机互动的效果。

本发明的另一目的在于提供一农机电动系统的操控单元，其中所述操控单元做为一连接枢钮以连接一电池管理系统、一驱动系统以及一机体监视单元，这样透过所述电池管理系统以检测处理所述农机的相关信息参数后向农机的所述操控单元输出一电能，其中所述电能经由一电池组所提供，其中经由所述操控单元检测所述驱动系统并提供可行性的所述信息参数给所述电池管理系统，最后由操作人员通过所述机体监视单元提供的所述信息参数操作所述操控单元以控制所述机械传动机构以达到所述农机运行和种植的目地。

为了达到以上目的，本发明提供一农机电动系统的操控单元，供用于农机的核心枢钮以直接地操控所述农机，包括一所述CAN通信模块电连接于所述农机的一电池箱以及所述农机的一机体监视单元，和一电控单元模块用于检测所述驱动系统并提供可行性的工作信息，并及时给予所述驱动系统指令。

根据本发明的一个实施例，所述操控单元的操控方式采用集成式。

根据本发明的一个实施例，所述操控单元的操控方式为远程遥控式。

根据本发明的一个实施例，包括一方向控制器连接于所述农机的一驱动系统以控制所述农机行进间的行驶方向。

根据本发明的一个实施例，包括一启动控制器连接于所述农机的一驱动系统以控制所述农机的启动。

根据本发明的一个实施例，包括一速度控制器连接于所述农机的一驱动系统以控制所述农机行进间的速度。

根据本发明的一个实施例，包括一停止控制器连接于所述农机的一驱动系统以使行进中的所述农机停止。

附图说明

图1是根据本发明的一优选实施例的农机电动系统的操控单元的框架意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1所示为本发明的一农机电动系统的操控单元的一优选实施例，供操作者直接地由所述操控单元控制所述农机。另外，为了能够更清楚地说明所述农机电动系统的操控单元，本发明的优选实施例以一电动农机为例说明所述操控单元。本领域的技术人员可以理解的是，在其他实施例中，所述农机电动系统的操控单元还能够适用于其他电动农机上，例如垄上栽植机、烟草栽植机、高速插秧机、植保机、手扶式插秧机、电动微耕机等各种农用机型，本发明并不受此限制。

如图1所示，所述电动农机包括一电池箱10、一操控单元20、一驱动系统30、一机械传动机构40、一机体监视单元50、一功能执行组件60和一机身70。所述电池箱10、所述机械传动机构40、所述驱动系统30和所述操控单元20均设置于所述机身70上。所述电池箱10输出电能并控制所述驱动系统30驱动所述机械传动机构40，所述机械传动机构40完成所述电动农机的前进后退等运行以及带动所述功能执行组件60完成农作物耕作等功能性的目的。

所述电池箱10能够为所述电动农机提供电力能源。具体地，所述电池箱10包括一电池箱体、一电池组12、一电池管理系统13和一输出端连接器14。所述电池组12和所述电池管理系统13电气性连接并设置于所述电池箱体内。所述输出端连接器14设置于所述电池箱体的侧部，所述输出端连接器14连接于所述操控单元20和所述机体监视单元50。更进一步地，透过所述电池管理系统13以检测处理所述农机的相关信息参数后向农机的所述操控单元20输出一电能，其中所述电能经由所述电池组12所提供，其中经由所述操控单元20检测所述驱动系统30并提供可行性的所述信息参数给所述电池管理系统13，最后由操作人员通过所述机体监视单元50提供的所述信息参数操作所述操控单元20以控制所述机械传动机构40以达到所述农机运行和种植的目地。

本发明的这个优选实施例中，所述输出端连接器14进一步包括一CAN输出端口141和一电源线端口142。所述CAN输出端口141通过CAN总线的方式和其他部件进行信息交换，所述电源线输出端142连接于一电源适配器90，所述电源适配器90外接到交流电源上，得以对所述电池组12进行充电。更进一步地，所述电池组12的内部具有多个电池单元120，各所述电池单元120并联连接后电连接于所述电池管理系统13。所述电池组12通过所述电池管理系统13检测后输出电能，从而为所述电动农机提供动力能源。也就是说，在本发明的这个优选实施例中，所述电池箱体还包括两端盖，所述输出端连接器14设置在所述端盖两侧。所述电池管理系统13通过CAN总线的方式与所述电动农机的所述操控单元20进行信息交互。所述电池管理系统13电连接于所述机体监视单元50，能够通过所述输出端连接器14将所述电池组12的信息输出至所述机体监视单元50，方便进行人机交互。所述驱动系统30的状态信息能够通过所述操控单元20输出到所述机体监视单元50，所述功能执行组件60的工作状态信息也能够输出到所述机体监视单元50，方便操作人员通过所述机体监视单元50的显示信息及时对所述电动农机的各状态进行监视和调整，保证所述电动农机整体的正常工作状态。

更具体地，所述电池管理系统13(英文为BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，以下简称为BMS)是所述电池组12与操作人员之间的纽带，主要对象是可充电电池。所述电池管理系统(BMS)13主要就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过度充电和过度放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。

所述电动农机的所述电池管理系统(BMS)13主要用于对所述电动农机的电池参数进行实时监控、故障诊断、SOC估算、短路保护、漏电检测、显示报警、充放电选择等，并通过CAN总线的方式与所述电动农机的所述操控单元20和所述机体监视单元50进行信息交互，保障所述电动农机高效、可靠、安全作业。

因此，所述电池管理系统(BMS)13进一步包括一控制单元模块131、一检测模块132、一电量均衡及控制模块133和一数据通信与传输模块134。各所述电池单元120分别连接于所述检测模块132，所述检测模块132电连接于所述控制单元模块131，所述控制单元模块131连接于所述电量均衡及控制模块133。所述控制单元模块131通过CAN总线通过所述输出端连接器14连接于所述控制系统20进行信息交互。所述数据通信与传输模块134能够将所述电池组12的各信息通过所述CAN输出端141传送至所述机体监视单元50。所述检测模块132进一步包括一数据采集与分析模块1321和一绝缘检测模块1322，所述控制单元模块131包括一SOC模块(State of Charge)1311、一充放电管理与控制模块1312、和一热管理与控制模块1313。

更具体地，所述数据采集与分析模块1321在所述电池组充放电过程中，实时采集所述电动农机的所述电池组12中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池组总电压。所述SOC模块1311准确估测动力电池组的荷电状态，即电池剩余电量，保证SOC维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池造成损伤，并随时显示所述电动农机的所述电池组12的剩余能量，即储能电池的荷电状态。所述充放电管理与控制模块1312防止所述电池粗12发生过充电或过放电现象。所述电量均衡及控制模块133为各所述电池单元120均衡充电，能够判断并自行进行均衡处理，使所述电池组12中各个所述电池单元120都达到均衡一致的状态。所述电池组12的主要信息通过所述电池管理系统13的所述数据通信与传输模块134在所述机体监视单元50进行实时显示。所述热管理与控制模块1313实时采集所述电池组12的所述电池单元120内的测点温度，通过对散热风扇的控制防止电池温度过高。所述绝缘检测模块1322监测供电短路漏电等可能对人身和设备产生危害的状况。所述电池组12与各所述检测模块132之间可以采用精度高、稳定性好的传感器(例如电流传感器、电压传感器和温度传感器等)来进行实时检测。

值得一提的是，所述输出端连接器14的各输出端接口全部使用通用的接口。从而可以根据不同的功率的需要拆分或者合并使用。

进一步地，所述操控单元20检测所述驱动系统30并提供可行性的工作信息，并及时给予所述驱动系统30指令；所述驱动系统30通过所述机械传动机构40给予各功能模块动力；操作人员通过所述机体监视单元50提供的信息操作设置于所述机身70上的相关的所述功能执行组件60达到农作物耕作等目的。

更具体地，所述操控单元20包括一CAN通信模块21和一电控单元模块22。所述CAN通信模块21电连接于所述输出端连接器14以及所述机体监视单元50，用于信息的通信与传输。所述电控单元模块22用于检测所述驱动系统30并提供可行性的工作信息，并及时给予所述驱动系统30指令。

值得一提的是，在本发明的优选实施例中，所述操控单元20的操控方式采用集成式。集成式的所述操控单元20设置在所述机体70上，通过有线或者无线的方式连接至各功能模块。在本发明的其他实施例中，所述操控单元20的操控方式为远程遥控式，也即是说操作人员可以使用一远程遥控器对所述电动农机进行远程遥控。

在本发明的优选实施例中，所述操控单元20进一步包括一方向控制器，一启动控制器，一速度控制器，以及一停止控制器。所述方向控制器，所述启动控制器，所述加速控制器，以及所述停止控制器分别连接所述驱动系统30以控制所述农机的启动和行进间的速度和停止，以及行进间的操作方向。

所述驱动系统30包括一电机31，一变速箱32，一离合器33以及一输出轴34。所述离合器连接所述电机31和所述变速箱33，所述变速箱33连接于所述输出轴34，所述电机31控制所述变速箱32实现所述机械传动机构40的驱动。为了更好地节省空间和保持所述电动农机的外观，所述电机31的安装位置处于所述机身70的前端，优选地，所述电机31设置于所述电池箱10的下方。所述电机31的初始转速以及所述输出轴34的转速分别通过一转速传感器351和352检测到并反馈给所述操控单元20。所述操控单元20的所述电控单元模块22通过一执行机构组件36给予所述驱动系统30指令。也就是说所述执行机构组件36包括一电动执行机构361、一离合器执行机构362和一换挡驱动执行机构363。所述电控单元模块22通过所述电动执行机构361控制所述电机31，所述电控单元模块22通过所述离合器执行机构362控制所述离合器33，所述电控单元模块22通过所述换挡驱动执行机构363控制所述变速箱32。

此外，为了使所述电机31的转速有更大的调节范围，从而实现农作物幼苗的株距的多级范围，所述驱动系统30还包括一电机调速器，能够进一步调节所述电机31的转速范围。所述电机调速器连接于所述电机31。所述电机调速器可以是Curtis(美国科蒂斯CURTIS公司，主营的产品有电机控制器、仪表、功率转换器、输出/输入装置、电流转换产品等)生产的AC Motor Controllers 1232机型。优选地，在本发明的这个优选实施例中，所述电机调速器简化了内部功能，具有控制电机完成前进和后退的功能，降低了整机的生产成本。

此外，由于所述电动农机的工作的特殊性，其需要较强的转矩和较高的绝缘性，故采用了免维护、结构简单、调速范围广的交流变频电机。在所述电动农机在运行转弯时需要翘起所述机身70的前端才能实施转弯功能，因此对所述电机31的重量提出了很高的要求。也就是说，所述电机31的类型采用鼠笼式交流电机(转子绕组不是由绝缘导线绕制而成，而是铝条或铜条与短路环焊接而成或铸造而成的三相异步电动机称为鼠笼式电机)，所述电机31包括一定子和一转子。所述转子是三相异步电动机的旋转部分，所述转子包括一转子铁心、一转子绕组和一转轴。所述转子铁心也是所述电机31的磁路的一部分，由外圆周上冲有均匀线槽的硅钢片叠压而成，并固定在所述转轴上。所述转子铁心的线槽中设置有所述转子绕组。所述转子绕组形状为鼠笼状，它的结构是嵌入线槽中铜条为导体，铜条的两端用短路环焊接起来，也可以采用较便宜的铝替代铜，将转子导体、短路环和风扇等铸成一体，成为铸铝鼠笼式转子。所述电机31在所述定子的外面采用铝合金作为外壳。这样一是减轻了所述电机31的重量，二是增加了所述电机31的散热功能。此外，所述电机31的两电机端盖采用了铝合金压铸工艺。

值得一提的是，所述电机31和所述变速箱32的连接方式有齿轮连接、轴连接、皮带连接和花键连接方式。在本发明的优选实施例中，所述电机31和所述变速箱32的连接方式采用齿轮连接。齿轮连接能够将齿轴、传动轴和链条、齿轮、皮带轮、正轮都整合进去。

进一步地，所述输出轴34进一步包括一行进输出轴342和一移植输出轴341。所述机械传动机构40进一步包括一行进传动机构42和一功能传动机构41。所述行进传动机构42连接于所述行进输出轴342。所述行进传动机构42在所述行进输出轴342的驱动下带动所述电动农机的所述行进组件72。也就是说，在本发明的这个优选实施例中，所述电机31得以驱动所述电动农机的机轮转动，各所述机轮转动完成所述电动农机的前进、后退和速度的改变等行进功能。

进一步地，所述功能传动机构21连接于所述移植输出轴341和所述功能执行组件60，在所述电机31的驱动下完成农作物耕作等功能。

值得一提的是，在本发明的其他实施例中，所述电动农机也可以采用轮毂电机技术，也就是说将动力、传动和制动装置都整合到轮毂内，从而将所述电动农机的机械部分大大简化。轮毂电机技术的应用能够省略大量的传送部件，使所述电动农机的结构更简单，重量也减轻，也提高了传动效率。轮毂电机具备单个车轮独立驱动的特性，可以通过左右车轮的不同转速甚至反转实现差动转向，大大减小车辆的转弯半径，在特殊情况下几乎可以实现原地转向，从而使所述电动农机在田间作业时更容易转向。

所述机体监视单元50是重要的人机交互系统，具有监视功能和报警功能。在所述电动农机工作的过程中，需要监控电池的各种信息、电动农机的机体运行状态、电机的工作状态的反馈、电动农机在执行特定功能时的工作状态(例如其他实施例中电动移植机的行进速度、移植时间间隔、株距档数的显示等等)以及在电池不在正常状态时及时发出报警等等。例如所述电池箱10内发生电池短路、电池过量充电、电量不足和电量用尽等故障时，及时反馈给操作人员进行故障排除，保障电动农机的正常运行。

具体地，所述电动农机的所述机体监视单元50包括一电池信息监视模块51、一机体状态监视模块52、一显示屏53和多个传感器54。所述传感器54连接于所述功能执行组件60，能够将检测到的所述功能执行组件60的各种工作状态信息输入给所述机体状态监视模块52。所述电池信息监视模块51和所述机体状态监视模块52的信息能够显示在所述显示屏53上，操作人员通过所述显示屏53上的信息通过所述操控单元20及时对所述电动农机的工作状态进行调整。

所述显示屏53设置于所述机身70的一操控扶手上，从而便于操作人员读取所述机体监视单元50反馈的信息。本领域的技术人员可以理解的是，在本发明的其他实施例中，所述显示屏53也可以设置于所述电池箱10的外侧。在本发明的优选实施例中，所述机体监视单元50内部模块的连接方式采用集成式。

进一步地，所述电池信息监视模块51还可以包括一SOC状态显示模块511、一电压监视模块512、一电流监视模块513和一电量监视模块514相互集成式电连接在电路板上。所述电池信息监视模块51即时地将信息传输显示到所述显示屏53上。更具体地，所述SOC状态显示模块511电连接于所述SOC模块1311，即时地将SOC状态信息显示到所述显示屏53上。所述电压监视模块512电连接于所述检测模块132，即时地将所述电池组12的电压状态(包括单体端电压以及总电压)显示到所述显示屏53上。所述电流显示模块513电连接于所述检测模块132，即时地将所述电池组12的电流状态(包括单体电流以及总电流)显示到所述显示屏53上。所述电量显示模块电连接于所述充放电管理与控制模块1312，即时地将所述电池组12的电量信息显示于显示屏53上。值得一提的是，所述电池信息监视模块51还包括一报警发声模块515，所述报警发声模块515电连接于所述热管理和控制模块1313，用于在发生电池短路和电池过热等情况时及时发出声音警示操作人员。

所述机体状态监视模块52进一步包括一电机转速监视模块521、一农机行进速度监视模块522和一功能状态监视模块524。所述驱动系统30的所述转速传感器351将所述电机31的转速信息通过所述操控单元20传输至所述机体监视单元50的所述电机转速监视模块521，所述电机转速监视模块521即时地将所述电机31的转速信息显示在所述显示屏53。所述驱动系统30的所述转速传感器352将所述行进组件72的行进速度信息通过所述操控单元20传输至所述机体监视单元50的所述农机行进速度监视模块522。所述传感器54连接于所述功能执行组件60，并将功能执行状态信息通过所述功能状态监视模块524即时地输出到所述显示屏53上，从而操作人员能够从所述显示屏53上获得信息反馈，例如获得一电动移植机的移植时间间隔、株距档数的显示等等信息，并且能够及时作出调整。

值得一提的是，所述机体状态监视模块52还包括一计时器523，所述计时器523电连接于所述操控单元20和所述功能执行组件60，实现所述电动农机的计时功能。

值得一提的是，在本发明的优选实施例中，所述机体监视单元50采用集成式，通过有线或者无线的方式连接至各功能模块。在本发明的其他实施例中，所述机体监视单元50为远程监视式，也就是说操作人员可以使用一远程监视器对所述电动农机进行远程监视。更具体地，所述机体监视单元50进一步包括一智能路由模块55，所述智能路由模块55连接于互联网络，得以使所述显示屏53上反馈的各种信息通过无线传输的方式传输给操作人员的一移动显示端设备，例如远程监视器上或者手机、笔记本电脑等设备上。

也就是说，在本发明的其他实施例中，所述机体监视单元50还包括一智能路由模块，所述智能路由模块连接于所述电池信息监视模块和所述机体状态监视模块，所述显示屏与所述电动农机可拆卸连接，所述显示屏包括一信息接收模块，所述智能路由模块通过无线或有线的方式传输给所述显示屏的所述信息接收模块。操作人员可以将所述显示屏安装在所述电动农机上方便监视的位置，也可以将所述显示屏从所述电动农机上拆卸下来，随身携带从而远程监控。

也就是说，在本发明的其他实施例中，所述机体监视单元50还包括一智能路由模块，所述智能路由模块连接于所述电池信息监视模块和所述机体状态监视模块，所述智能路由模块包括一信息传输模块，所述信息传输模块将接收的信息通过无线传输的方式传送至一移动客户端。操作人员可以在手机或者笔记本电脑上下载客户端，随时监视所述电动农机的工作情况。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整并有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

Claims (11)

1.一农机电动系统的操控单元，供用于农机的核心枢钮以直接地操控所述农机，其特征在于，包括一所述CAN通信模块电连接于所述农机的一电池箱以及所述农机的一机体监视单元，和一电控单元模块用于检测所述驱动系统并提供可行性的工作信息，并及时给予所述驱动系统指令。

2.根据权利要求1所述的农机电动系统的操控单元，其中所述操控单元的操控方式采用集成式。

3.根据权利要求1所述的农机电动系统的操控单元，其中所述操控单元的操控方式为远程遥控式。

4.根据权利要求2所述的农机电动系统的操控单元，其中包括一方向控制器连接于所述农机的一驱动系统以控制所述农机行进间的行驶方向。

5.根据权利要求3所述的农机电动系统的操控单元，其中包括一方向控制器连接于所述农机的一驱动系统以控制所述农机行进间的行驶方向。

6.根据权利要求4所述的农机电动系统的操控单元，其中包括一启动控制器连接于所述农机的一驱动系统以控制所述农机的启动。

7.根据权利要求5所述的农机电动系统的操控单元，其中包括一启动控制器连接于所述农机的一驱动系统以控制所述农机的启动。

8.根据权利要求6所述的农机电动系统的操控单元，其中包括一速度控制器连接于所述农机的一驱动系统以控制所述农机行进间的速度。

9.根据权利要求7所述的农机电动系统的操控单元，其中包括一速度控制器连接于所述农机的一驱动系统以控制所述农机行进间的速度。

10.根据权利要求8所述的农机电动系统的操控单元，其中包括一停止控制器连接于所述农机的一驱动系统以使行进中的所述农机停止。

11.根据权利要求9所述的农机电动系统的操控单元，其中包括一停止控制器连接于所述农机的一驱动系统以使行进中的所述农机停止。