CN111452613A - 一种氢燃料电池拖拉机 - Google Patents

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李志明
韩科伟
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王鹏
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Abstract

一种氢燃料电池拖拉机，包括锂电池系统、氢燃料电池系统、电控系统及异步电机，该电控系统包括整车控制器、电机控制器，所述整车控制器分别与锂电池系统、氢燃料电池系统以及电机控制器通信相连，锂电池系统和氢燃料电池系统的电能输出端分别通过电机控制器与异步电机连接，氢燃料电池系统的电能输出端还与锂电池系统的电能输入端连接。借由上述技术方案，本发明不仅可以采用锂电池系统实现供电，还可使用氢气和空气直接转换为电能驱动拖拉机运行，并且使用过程中没有温室气体和污染物排放，并具有更高的能量转换效率，更长的续航时间；充电方式可以为加氢或锂电池充电两种方案，使用更灵活，应用范围更广泛。

Description

一种氢燃料电池拖拉机
技术领域
本发明属于农业机械制造领域，特别涉及一种氢燃料电池拖拉机。
背景技术
拖拉机是指用于牵引、推动、携带或驱动配套机具进行作业的自走式动力机械，是农民从事经济发展和农耕作业的主要工具。当前我国绝大部分拖拉机都使用柴油和汽油作为动力燃料，工作时噪音大，容易超标排放污染气体。当前环保形势日益严峻，对农用机械的节能减排也有了更高的要求，需要寻找一种新型能源动力。
电动拖拉机因其作业时无排放、无需消耗燃油、依靠电机进行起动调速等工作属性，从而能较传统燃油拖拉机更好地适应未来新型农业的发展，同时也利于应对能源危机的困局。在农业方面，其无排放的优点可以很好的与设施农业搭配、促进设施农业的大规模推广。但电动拖拉机在农业应用中存在续航里程有限、充电时间过长的缺陷。
氢燃料电池是一种能够将燃料中的化学能直接转换成电能的新型发电装置，它在提供能量的时候仅产生水和热，是一种零碳排放对环境零污染的清洁能源，因此将氢燃料电池与农业机械相结合具备良好的应用前景。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种使用氢燃料电池的拖拉机，不仅同时具有柴油拖拉机和电动拖拉机的优点，还避免了工作噪音大、污染排放量高及续航里程短等缺点，具有良好的实用性。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种氢燃料电池拖拉机，包括锂电池系统、氢燃料电池系统、电控系统及异步电机，该电控系统包括整车控制器、电机控制器，所述整车控制器分别与锂电池系统、氢燃料电池系统以及电机控制器通信相连，锂电池系统和氢燃料电池系统的电能输出端分别通过电机控制器与异步电机连接，氢燃料电池系统的电能输出端还与锂电池系统的电能输入端连接。
本发明的目的还采用以下技术措施来进一步实现。
前述的氢燃料电池拖拉机，其中锂电池系统包括相连的锂电池组及电池管理系统BMS，氢燃料电池系统包括燃料电池、DC/DC模块、氢进二级减压阀、空气过滤器、空压机、补水壶、冷却液过滤器、散热水泵、离子过滤器以及储氢瓶；
其中空气过滤器通过空压机与燃料电池连接，储氢瓶通过氢进二级减压阀与燃料电池连接，燃料电池的电能输出端通过DC/DC模块与锂电池组连接，补水壶依次通过冷却液过滤器、散热水泵以及离子过滤器后与燃料电池连接。
前述的氢燃料电池拖拉机，其中空压机与燃料电池之间的气体管路上还安装有空气流量计。
前述的氢燃料电池拖拉机，其中散热水泵还与散热器连接，散热器设置在燃料电池的壳体上起散热作用。
前述的氢燃料电池拖拉机，其中氢燃料电池系统还包括与燃料电池电性连接的氢气报警器。
前述的氢燃料电池拖拉机，其中氢燃料电池系统还包括与燃料电池电性连接的通风风机。
前述的氢燃料电池拖拉机，其中氢燃料电池系统还包括与燃料电池电性连接的电压监控系统。
前述的氢燃料电池拖拉机，其中DC/DC模块与锂电池组之间设有预充控制电路。
前述的氢燃料电池拖拉机，其中预充控制电路包括正极输入端、负极输入端、熔断器、主接触器、预充接触器、预充电阻、时间继电器、正极输出端以及负极输出端；其中正极输入端与DC/DC模块的正极相连，负极输入端与DC/DC模块的负极相连，正极输出端与锂电池组的正极连接，负极输出端与锂电池组的负极连接；正极输入端与正极输出端之间串联设置有熔断器和主接触器，所述预充电阻和预充接触器串联后与所述主接触器并联，时间继电器分别输出控制预充接触器以及主接触器，且该时间继电器与整车控制器连接。
借由上述技术方案，本发明所提出的氢燃料电池拖拉机使用氢气和空气直接转换为电能驱动拖拉机运行，由于氢气是一种清洁能源，其使用过程中没有温室气体和污染物排放，并具有更高的能量转换效率，可实现更长的续航里程；此外，本发明可采用加氢或者充电两种供电方式，使用更灵活，应用范围更广泛。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明中氢燃料电池系统的结构示意图。
图3是本发明中预充控制电路的连接关系示意图。
图4是本发明一种氢燃料电池拖拉机的外观结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例作出详细说明。
请参阅图1至图4，本发明一种氢燃料电池拖拉机，包括锂电池系统、氢燃料电池系统以及电控系统。锂电池系统包括锂电池组101、温控系统、电池管理系统BMS，其中温控系统与锂电池组连接用于监测电池温度并将温度信息传递给电池管理系统BMS，该电池管理系统BMS与整车控制器连接进行信息交互；锂电池组、温控系统、电池管理系统BMS三者之间的连接关系以及所实现的功能为现有技术，不作赘述。氢燃料电池系统包括燃料电池201、DC/DC模块202、氢进二级减压阀203、空气过滤器204、空压机205、补水壶206、冷却液过滤器207、散热水泵208、散热器209、离子过滤器210以及储氢瓶211。电控系统包括整车控制器301、电机控制器302。
整车控制器301是车辆的核心控制部件，它起着控制车辆运行的作用，其主要功能包括驱动力矩控制、制动能量的优化控制、整车的能量管理、CAN网络的维护和管理、故障的诊断和处理、车辆状态监视等，整车控制器普遍存在于燃油机动车和电动车上。本实施例中，整车控制器通过CAN总线分别与锂电池系统、氢燃料电池系统以及电机控制器302通信相连，氢燃料电池系统的电能输出端分别与锂电池系统以及电机控制器连接，锂电池系统的电能输出端通过电机控制器302与拖拉机的异步电机连接从而提供动力源；电机控制器在整车控制器的调度之下从氢燃料电池系统和锂电池系统中获得直流电输出到异步电机。拖拉机工作时，整车控制器作为核心控制部件，其不仅可以控制由锂电池系统为拖拉机的异步电机供电，也可以在监测到锂电池系统电量不足时控制由氢燃料系统为异步电机供电，或者是控制锂电池系统华和氢燃料电池系统共同对异步电机进行供电，异步电机与拖拉机的后轮驱动轴连接。一般情况下，整车控制器是通过控制锂电池系统和氢燃料电池系统电能输出端处回路上的接触器或其它类似的开关类元器件的开闭实现控制电能是否输出。
以下对本实施例的技术方案作进一步说明。
所述空气过滤器204通过空压机205与燃料电池201连接，用于提供发电所需的氧气；储氢瓶211通过氢进二级减压阀203与燃料电池201连接，用于提供发电所需的氢气。具体而言，氢燃料电池系统是一个发电装置，储氢瓶中的氢气经过氢二级减压阀后进入燃料电池的阳极，在催化剂的作用下，氢原子的一个电子被分离出来，失去电子的氢原子(质子)穿过质子交换膜到达燃料电池阴极板，电子无法通过质子交换膜，经外部电路到达燃料电池阴极板，从而在电路中产生电流；空气经过空气过滤器在空压机作用下到达阴极板，其中氧气与电子和质子结合为水后排出。作为优选，在空压机与燃料电池之间的气体管路上还安装有空气流量计212，该空气流量计与整车控制器连接。燃料电池为成熟的模块化装置，其电能输出端的通断受控于整车控制器。
进一步的，所述燃料电池201的电能输出端通过DC/DC模块202与锂电池组101连接，从而可以对锂电池组进行充电；其中DC/DC模块起直流升压作用。在氢燃料电池系统对锂电池系统进行充电或者直接对异步电机供电的过程中会产生大量热量，因此氢燃料电池系统的散热部分也需要进一步改进，本实施例中，补水壶206依次通过冷却液过滤器207、散热水泵208以及离子过滤器210与燃料电池201连接，从而为燃料电池提供冷却液实现对其电极板的散热；其中冷却液过滤器用于过滤杂质，属于初级过滤，但是进入燃料电池中的冷却液应该不含游离离子为最佳，因此所述离子过滤器就是把冷却液中的游离离子去除掉，保证进入燃料电池双极板的冷却液不含导电离子。冷却液经过燃料电池后温度升高并在散热水泵的作用下重新循环至补水壶，因此对燃料电池的电极板提供冷却功能的冷却通道为一个循环水回路。此外，本实施例还提供另一水回路用于对燃料电池的外围散热，例如外壳进行散热；具体为所述散热水泵208还通过散热器209与燃料电池连接，且散热器与燃料电池的连接关系为机械连接，散热器选用翅片式、冷管式均可，本发明对此不作限制。
作为优选，氢燃料电池系统还包括与燃料电池电性连接的氢气报警器213、通风风机214以及电压监控系统215，它们均与整车控制器连接，从而提供相对应的辅助信息。其中氢气报警器用于监测是否有氢气泄露；当有氢气泄漏时，氢气会堆积在燃料电池壳体内部，氢气报警器将发出信号，以便于紧急停机避免发生意外。通风风机是氢燃料电池系统的排气风机，燃料电池排出的气体主要是空气，但是也会混入微量氢气，因为氢气密度比空气小的多，就算燃料电池为开放式壳体，但只要顶部密闭，都有可能积累氢气，通风风机可把这些微量氢气排放到外部环境，避免在燃料电池壳体内积累，同时也有辅助散热的功效。电压监控系统可以实时监测燃料电池各电极之间的电压，以便于结合其它传感器的数据进行故障判断等。
当闭合主回路时，DC/DC模块端的输入电容会使电路中产生一个瞬间大电流，容易造成系统接触器过流，对系统造成损伤，因此本实施例中，在DC/DC模块与锂电池组直接还设有预充控制电路，结合图3，预充控制电路包括正极输入端401、负极输入端402、熔断器403、主接触器404、预充接触器405、预充电阻406、时间继电器407、正极输出端408以及负极输出端409；其中，所述正极输入端与DC/DC模块的正极相连，负极输入端与DC/DC模块的负极相连，正极输出端与锂电池组的正极连接，负极输出端与锂电池组的负极连接；正极输入端与正极输出端之间串联设置有熔断器和主接触器，所述预充电阻和预充接触器串联后与所述主接触器并联，时间继电器分别输出控制预充接触器以及主接触器，并且该时间继电器与整车控制器连接，接受整车控制器的指令从而控制预充接触器以及主接触器的开闭。预充控制电路工作过程为：上电时首先闭合预充接触器405，由时间继电器407控制5秒后断开预充接触器405，同时闭合主接触器404，从而避免燃料电池系统的电能突然接入锂电池系统所造成的瞬间冲击，提升系统安全性能。
本实施例中，氢燃料电池拖拉机还包括常规的动力输出装置6、低压蓄电池7和转向助力液压泵8，其中动力输出装置受控于整车控制器，用于挂载一些常规农用作业机械，如收割机等；低压蓄电池主为整车控制器、电池管理系统BMS、转向助力液压泵等提供正常工作所需的低压直流电；转向助力液压泵输出端连接前转向轮9。
结合图4，本实施例中还对各零部件的安装位置提出了一种可行的较佳方案，将质量较大、日常维护较少的锂电池组101、异步电机5以及动力输出装置6放置于拖拉机的车架地盘之上，降低系统中心，提高稳定性，其中锂电池组安装于拖拉机的车架地盘中部，异步电机用于驱动拖拉机的后轮驱动轴11；锂电池组前方为低压蓄电池7，低压蓄电池上方安装锂电池系统的温控系统102及转向助力液压泵；整车控制器301、电池管理系统BMS103分别安装于锂电池组的上方，储氢瓶211置于车体上方，拖拉机的后轮驱动轴上方安装燃料电池201。
作为一种可行的实施例，拖拉机工作过程中，当锂电池组电量充足(SOC在85％以上)时，整车控制器使用锂电池组为车辆动力系统供电；当锂电池组的电量不足(SOC低于25-30％)时，整车控制器启动氢燃料电池系统为车辆动力系统供电；锂电池组的SOC在30％-85％之间时，由锂电池系统或氢燃料系统供电，例如当氢燃料电池系统的输出功率大于需求功率，富余的电量将在整车控制器的控制下向锂电池组充电；当拖拉机需求功率大于燃料电池的额定功率时，整车控制器会同时使用锂电池组和燃料电池为动力系统供电。以上仅为尽量使锂电池组和燃料电池都在处于较佳工作状态的供电策略，其对整体的使用寿命和能量转换效率均有益，但本发明对供电方案不作限制，任何本领域技术人员可以在本发明中各结构连接关系的基础上进行任意设定从而满足相对应的实际需求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种氢燃料电池拖拉机，其特征在于包括锂电池系统、氢燃料电池系统、电控系统及异步电机，该电控系统包括整车控制器、电机控制器，所述整车控制器分别与锂电池系统、氢燃料电池系统以及电机控制器通信相连，锂电池系统和氢燃料电池系统的电能输出端分别通过电机控制器与异步电机连接，氢燃料电池系统的电能输出端还与锂电池系统的电能输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池拖拉机，其特征在于所述锂电池系统包括相连的锂电池组及电池管理系统BMS，氢燃料电池系统包括燃料电池、DC/DC模块、氢进二级减压阀、空气过滤器、空压机、补水壶、冷却液过滤器、散热水泵、离子过滤器以及储氢瓶；
其中空气过滤器通过空压机与燃料电池连接，储氢瓶通过氢进二级减压阀与燃料电池连接，燃料电池的电能输出端通过DC/DC模块与锂电池组连接，补水壶依次通过冷却液过滤器、散热水泵以及离子过滤器后与燃料电池连接。
3.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池拖拉机，其特征在于所述空压机与燃料电池之间的气体管路上还安装有空气流量计。
4.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池拖拉机，其特征在于所述散热水泵还与散热器连接，散热器设置在燃料电池的壳体上起散热作用。
5.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池拖拉机，其特征在于所述氢燃料电池系统还包括与燃料电池电性连接的氢气报警器。
6.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池拖拉机，其特征在于所述氢燃料电池系统还包括与燃料电池电性连接的通风风机。
7.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池拖拉机，其特征在于所述氢燃料电池系统还包括与燃料电池电性连接的电压监控系统。
8.根据权利要求2所述的一种氢燃料电池拖拉机，其特征在于所述DC/DC模块与锂电池组之间设有预充控制电路。
9.根据权利要求8所述的一种氢燃料电池拖拉机，其特征在于所述预充控制电路包括正极输入端、负极输入端、熔断器、主接触器、预充接触器、预充电阻、时间继电器、正极输出端以及负极输出端；其中正极输入端与DC/DC模块的正极相连，负极输入端与DC/DC模块的负极相连，正极输出端与锂电池组的正极连接，负极输出端与锂电池组的负极连接；正极输入端与正极输出端之间串联设置有熔断器和主接触器，所述预充电阻和预充接触器串联后与所述主接触器并联，时间继电器分别输出控制预充接触器以及主接触器，且该时间继电器与整车控制器连接。
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