CN115593208B

CN115593208B - 燃料电池拖拉机可拆卸电源系统及能量管理方法

Info

Publication number: CN115593208B
Application number: CN202211353998.4A
Authority: CN
Inventors: 孙闫; 朱维; 谢佳平; 匡金俊
Original assignee: Haidriver Qingdao Energy Technology Co Ltd
Current assignee: Haidriver Qingdao Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2022-11-01
Filing date: 2022-11-01
Publication date: 2023-08-22
Anticipated expiration: 2042-11-01
Also published as: CN115593208A

Abstract

本发明涉及电动拖拉机技术领域，具体为燃料电池拖拉机可拆卸电源系统及能量管理方法，系统包括至少一个外接电源供电电路、超级电容供电电路、负载电路、高压转低压电路、整车控制器、外接电池组和/或外接燃料电池组，若检测外接燃料电池组接入外接电源供电电路，则整车搭载燃料电池和超级电容两种电源，若检测外接电池组接入外接电源供电电路，则整车搭载外接电池组和超级电容两种电源，若检测外接燃料电池组和外接电池组均接入外接电源供电电路，则整车搭载外接燃料电池组、外接电池组和超级电容三种电源，电源之间的输出功率通过能量管理方法分配。

Description

燃料电池拖拉机可拆卸电源系统及能量管理方法

技术领域

本发明涉及电动拖拉机技术领域，具体为一种燃料电池拖拉机可拆卸电源系统及能量管理方法。

背景技术

拖拉机是农耕作业中一种重要的劳动工具，可以大大减少农耕劳动者的作业强度。目前市场上销售的拖拉机多以燃油拖拉机为主，这种拖拉机在露天大田中作业时优势显著，但是也存在一些问题。燃油拖拉机噪音大，污染高，能量利用率低。由于排放的污染物会降低农作物品质，甚至危害作业人员的生命安全，燃油拖拉机无法在大棚中使用。纯电动拖拉机无污染无排放且能量利用率高，可以满足大棚作业的工作需求，但是充电慢，作业时间短大大限制了纯电动拖拉机的应用。燃料电池能量利用率高、噪音低、无污染物排放、氢气加注快，是未来拖拉机重要的发展方向，但是目前燃料电池和氢气价格昂贵，导致燃料电池拖拉机价格较高，很难被农工作业人员接受，且目前市场上也没有量产的燃料电池拖拉机，相关研究仅局限于实验室。

现有的拖拉机多采用单一能量源，导致其作业范围被大大限制，比如纯电动拖拉机无法24小时持续工作，燃油拖拉机无法在大棚中作业，氢燃料电池拖拉机尽管可以持续作业且作业场景广泛，但是使用成本较高。目前还不存在一种可以持续作业、无污染物排放、多作业场景适用的拖拉机，因此急需设计一种可以在大田中作业又可以在大棚中作业，同时又能持续24小时工作的拖拉机。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种燃料电池拖拉机可拆卸电源系统及能量管理方法，通过不同电源的组合满足拖拉机不同作业场景的工作需求，采用相应的能量管理方法满足不同组合下的能源输入输出的控制。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：提供一种燃料电池拖拉机可拆卸电源系统包括至少一个外接电源供电电路、超级电容供电电路、负载电路、高压转低压电路、整车控制器、外接电池组和/或外接燃料电池组，所述外接电源供电电路、超级电容供电电路均并联接入高压直流母线电路并给高压直流母线供电；所述负载电路、高压转低压电路也并联接入高压直流母线，所述负载电路从高压直流母线获取电能并为负载控制器供电；所述高压转低压电路将高压直流母线的直流高压电转为直流低压电，并给系统中的低压电源充电或者给系统中的低压部件供电；所述外接燃料电池组和外接电池组均可接入外接电源供电电路；所述整车控制器用于控制外接电源供电电路、超级电容供电电路的通断，同时通过CAN通信与外接电池组和/或外接燃料电池组通信，控制外接电池组和/或外接燃料电池组的输出功率。

优选的，所述外接电源供电电路包括总开关、预充电阻、保险丝、第一继电器、第二继电器、外接电源高压接插件，所述预充电阻与第一继电器并联后分别与总开关、保险丝、第二继电器、外接电源高压接插件串联接入高压直流母线，所述第一继电器、第二继电器受控于整车控制器。

优选的，所述的超级电容供电电路包括总开关、预充电阻、保险丝、第一继电器、第二继电器、超级电容，所述预充电阻与第一继电器并联后分别与总开关、保险丝、第二继电器、超级电容串联接入高压直流母线，所述第一继电器、第二继电器受控于整车控制器。

优选的，所述负载电路包括行走电机控制器和作业电机控制器，所述行走电机控制器和作业电机控制器并联接入高压直流母线。

优选的，所述高压转低压电路包括DCL、12V低压输出端，所述DCL连接12V低压输出端。

优选的，所述外接电池组对外的接口包括CANH、CANL接口，正、负高压输出接插头，正、负高压充电口，总开关。

优选的，所述外接燃料电池组对外的接口包括CANH、CANL接口，正、负高压输出接插头，总开关，外接正、负12V供电口。

本发明还提供一种燃料电池拖拉机可拆卸电源系统的能量管理方法，所述方法为：

若检测外接燃料电池组接入外接电源供电电路，则整车搭载外接燃料电池组和超级电容两种电源，整车控制器识别外接电源供电电路的接入口，并控制该外接电源供电电路与超级电容供电电路导通，由外接燃料电池组向高压直流母线供电，拖拉机正常工作后，整车控制器接收负载电路的需求功率之和以及超级电容SOC信息，基于超级电容SOC情况分配超级电容和外接燃料电池组的输出功率；

若检测外接电池组接入外接电源供电电路，则整车搭载外接电池组和超级电容两种电源，整车控制器识别外接电源供电电路的接入口，并控制该外接电源供电电路与超级电容供电电路导通，由外接电池组向高压直流母线供电，拖拉机正常工作后，整车控制器接收负载电路的需求功率之和以及超级电容SOC信息，基于超级电容SOC情况分配超级电容和外接电池组的输出功率；

若检测外接燃料电池组和外接电池组均接入外接电源供电电路，则整车搭载外接燃料电池组、外接电池组和超级电容三种电源，整车控制器识别外接电源供电电路分别对应接入的电源，整车控制器断开超级电容供电电路，接通外接燃料电池组接入的外接电源供电电路以及外接燃料电池组接入的外接电源供电电路，外接电池组和外接电池协同供电。

优选的，当外接电源供电电路仅接入外接燃料电池组，且超级电容SOC _sc处于40~80%之间时，外接燃料电池组输出功率P _fc及超级电容输出功率P _sc分别为：

其中γ为调整系数，SOC _scmax为超级电容最大SOC，SOC _scmin为超级电容最小SOC，P _motmax为负载最大输出功率之和，P _fcmax为外接燃料电池组最大输出功率，为拖拉机需求功率；

当超级电容SOC _sc大于80%时，超级电容单独供电，外接燃料电池组输出功率P _fc及超级电容输出功率P _sc分别为：

当超级电容SOC _sc小于40%时，超级电容不供电仅充电，外接燃料电池组输出最大功率，外接燃料电池组输出功率P _fc及超级电容输出功率P _sc分别为：

优选的，当外接电源供电电路仅接入外接电池组，且超级电容SOC _sc处于40~80%之间时，外接电池组输出功率P _bat及超级电容输出功率P _sc分别为：

其中λ为调整系数，SOC _scmax为超级电容最大SOC，SOC _scmin为超级电容最小SOC，P _motmax为负载最大输出功率之和，P _batmax为外接电池组最大输出功率，为拖拉机需求功率；

当超级电容SOC _sc大于80%时，超级电容单独供电，外接电池组输出功率P _bat及超级电容输出功率P _sc分别为：

当超级电容SOC _sc小于40%时，超级电容不供电仅充电，外接电池组输出最大功率，外接电池组输出功率P _bat及超级电容输出功率P _sc分别为：

优选的，当外接电池组和外接燃料电池组协同供电时，且外接电池组SOC _bat处于40~80%之间时，外接电池组输出功率P _bat及外接燃料电池组输出功率P _fc分别为：

其中α为调整系数，SOC _batmax为外接电池组最大SOC，SOC _batmin为外接电池组最小SOC，P _motmax为负载最大输出功率之和，P _fcmax为外接燃料电池组最大输出功率，为拖拉机需求功率；

当外接电池组SOC _bat大于80%时，外接电池组单独供电，外接电池组输出功率P _bat及外接燃料电池组功率P _fc分别为：

当外接电池组SOC _bat小于40%时，外接电池组不供电仅充电，外接燃料电池组输出最大功率，外接电池组输出功率P _bat及外接燃料电池组功率P _fc分别为:

。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明所设计的可拆卸电源系统采用集成化设计，外接燃料电池组对外接口仅有便于插拔的高低压接口以及氢气接口，可以方便接入拖拉机或者从拖拉机上取下。

2.本发明所设计的可拆卸电源系统，可以大大提升拖拉机系统的使用寿命，避免常规纯电动拖拉机因电池寿命问题导致拖拉机过早报废；同时由于电池组可以便捷插拔，减少了更换外接电源的复杂程度；当有多组外接电池组时，不接入拖拉机的电池组可以通过电网充电，当拖拉机需要时再接入拖拉机电源系统替换电能耗尽的电池组，提升了拖拉机持续作业时间。

3.本发明所设计的电源系统内置一个超级电容，并通过合理的能量管理方法，利用超级电容高功率密度的特点吸收和释放需求功率中变化较大的部分，通过能量管理方法达到“削峰填谷”的目的，从而大大提升外接电池组和外接燃料电池组的使用寿命。

4.本发明所设计的可拆卸电源系统可搭载多种外接电源，满足拖拉机不同作业场景的工作需求，同时所设计的外接电源均无污物外物排放，电源清洁高效。

附图说明

图1为本发明燃料电池拖拉机可拆卸电源系统电路原理图；

图2为本发明燃料电池拖拉机可拆卸电源系统CAN通信示意图。

图中：整车控制器1、外接电源1高压接插件2、外接电源2高压接插件3、超级电容4、行走电机控制器5、作业电机控制器6、钥匙开关7、12V电池8、12V低压输出端9。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-2，本实施例提供一种燃料电池拖拉机可拆卸电源系统包括两个外接电源供电电路（即外接电源1供电电路、外接电源2供电电路）、超级电容供电电路、负载电路、高压转低压电路、整车控制器1、外接电池组和外接燃料电池组，所述外接电源供电电路、超级电容供电电路均并联接入高压直流母线电路并给高压直流母线供电；所述负载电路、高压转低压电路也并联接入高压直流母线，所述负载电路从高压直流母线获取电能并为负载控制器供电；所述高压转低压电路将高压直流母线的直流高压电转为直流低压电，并给系统中的低压电源充电或者给系统中的低压部件供电；所述外接燃料电池组和外接电池组均可接入外接电源供电电路；所述整车控制器1用于控制外接电源供电电路、超级电容供电电路的通断，同时通过CAN通信与外接电池组和/或外接燃料电池组通信，控制外接电池组和/或外接燃料电池组的输出功率。

所述外接电源1供电电路包括总开关S1、预充电阻R1、继电器DK1、保险丝L1、继电器DK4、外接电源1高压接插件2，所述预充电阻R1与继电器DK1并联后分别于与总开关S1、保险丝L1、继电器DK4、外接电源1高压接插件2串联接入高压直流母线。所述总开关S1为手动开关，所述继电器DK1、继电器DK4受控于整车控制器1。

所述外接电源2供电电路包括总开关S2、预充电阻R2、继电器DK2、保险丝L2、继电器DK5、外接电源2高压接插件3，所述预充电阻R2与继电器DK2并联后分别于与总开关S2、保险丝L2、继电器DK5、外接电源2高压接插件3串联接入高压直流母线。所述总开关S2为手动开关，所述继电器DK2、继电器DK5受控于整车控制器1。

所述超级电容供电电路包括总开关S3、预充电阻R3、继电器DK3、保险丝L3、继电器DK6、超级电容4，所述预充电阻R3与继电器DK3并联后分别于与总开关S3、保险丝L3、继电器DK6、超级电容4串联接入高压直流母线。所述总开关S3为手动开关，所述继电器DK3、继电器DK6受控于整车控制器1。所述超级电容4可以给高压直流母线供电，也可以吸收高压直流母线上多余的电能。

所述负载电路包括行走电机控制器5和作业电机控制器6，所述行走电机控制器5和作业电机控制器6并联接入高压直流母线。行走电机控制器5和作业电机控制器6主要分别将高压母线直流高压电转换为三相电进而驱动行走电机以及作业电机。

所述整车控制器1主要控制继电器DK1~6的开关，继电器DK1~6负极接地，正极与整车控制器1相连，当整车控制器1输出5V高电位时相对应的继电器吸合进而使高压电路导通。整车控制器1通过CAN网络与外接电源通信，整车控制器内部集成能量管理方法，通过能量管理方法合理分配各个电源的输入输出功率，并通过CAN网络给各个电源下发控制指令。所述超级电容4、第一外接电源、第二外接电源、仪表台、整车控制器1均并联接入CAN网络，并在CAN网络上进行信息交互和指令收发。所述第一外接电源和第二外接电源可以是外接电池组和外接燃料电池组的随意组合。整车控制器1外接钥匙开关7，钥匙开关7一端与整车控制器1相连，一端与12V电池8正极相连，所述12V电池8正极接整车控制器1，负极接地，驾驶员插入钥匙后可以唤醒或者关闭整车控制器。

所述高压转低压电路包括DCL、12V低压输出端9，所述DCL连接12V低压输出端9，DCL主要将高压直流母线上的直流高压电转换为12V低压电并给12V低压电源充电同时给车载低压电器供电。

所述外接电池组对外的接口包括CANH、CANL接口，正、负高压输出接插头，正、负高压充电口，总开关S4。所述外接电池组采用一体式模块化设计，可以方便地放入拖拉机车架，同时便于取出替换。所述CANH、CANL接口用于跟整车控制器1通信，接收整车控制器1的指令同时发送电流、电压、SOC等信息给整车控制器1。所述正、负高压输出接插头采用母头设计，便于接入外接电源1高压接插件2或者外接电源2高压接插件3。所述总开关S4主要用于隔离外接电池组正极输出，当外接电池组从拖拉机车架上取出时需要先断开总开关S4，并且保持常断状态，防止触电危险，当外接电池组装入车架时，需在低压连接、CAN通信连接无故障后方可手动闭合总开关S4。

所述外接燃料电池组对外的接口包括CANH、CANL接口，正、负高压输出接插头，总开关S5，外接正、负12V供电口。所述外接燃料电池组采用一体式模块化设计，可以方便地放入拖拉机车架，同时便于取出替换。所述CANH、CANL接口用于跟整车控制器1通信，接收整车控制器1的指令同时发送电流、电压、氢气消耗量等信息给整车控制器1。所述正、负高压输出接插头采用母头设计便于外接电源1高压接插件2或者外接电源2高压接插件3。所述总开关S5主要用于隔离外接燃料电池组正极输出，当外接燃料电池组从车架上取出时需要先断开总开关S5，并且保持常断状态，防止触电危险；当外接燃料电池组装入车架时，需在低压连接、CAN通信连接无故障后方可手动闭合总开关S5。

本实施例的燃料电池拖拉机可拆卸电源系统有三种组合方式：外接电池组、外接燃料电池组以及外接电池组和外接燃料电池组。若外接电源为外界燃料电池组，拖拉机搭载外接燃料电池组和超级电容4两种电源。外接燃料电池组通过CAN通信发送指令告知整车控制器1外接电源为外接燃料电池组，整车控制器识别外接电源接入口为外接电源1高压接插件2或者外接电源2高压接插件3。若外接燃料电池组接入外接电源1高压接插件2，驾驶员手动闭合总开关S1及S5，整车控制器1输出一个持续5V高电位给继电器DK4和DK6，继电器DK4和DK6闭合。外接燃料电池组开始正常供电后，燃料电池输出电流通过继电器DK4、保险丝L1、预充电阻R1、总开关S1给高压直流母线供电。经过一段时间后预充结束，整车控制器1给继电器DK1一个持续的5V高电位，继电器DK1闭合，外接燃料电池组电流不再经过预充电阻R1，而是直接从保险丝L1再经过总开关S1流入高压直流母线。

拖拉机开始正常工作后，行走电机控制器5以及作业电机控制器6发送功率需求之和P _req给整车控制器1，整车控制器1接收超级电容4发送的SOC信息。整车控制器1根据内置能量管理方法分配超级电容4和外接燃料电池组各自的输出功率，具体如下：

当超级电容4SOC _sc处于40~80%之间时，外接燃料电池组输出功率P _fc及超级电容输出功率P _sc分别为：

若外接电源为外接电池组，拖拉机搭载外接电池组和超级电容4两种电源，外接电池组通过CAN通信发送指令告知整车控制器1外接电源为外接电池组，整车控制器1识别外接电源接入口为外接电源1高压接插件2或者外接电源2高压接插件3。若外接电池组接入外接电源1高压接插件2，驾驶员手动闭合总开关S1及S4，整车控制器1输出一个持续5V高电位给继电器DK4和DK6，继电器DK4、DK6闭合。外接电池组开始正常供电后，外接电池组输出电流通过继电器DK4、保险丝L1、预充电阻R1、总开关S1给高压直流母线供电。经过一段时间后预充结束，整车控制器1给继电器DK1一个持续的5V高电位，继电器DK1闭合，外接电池组电流不再经过预充电阻R1，而是直接从保险丝L1再经过总开关S1流入高压直流母线。

拖拉机开始正常工作后，行走电机控制器5以及作业电机控制器6发送功率需求之和P _req给整车控制器1，整车控制器1接收超级电容4发送的SOC信息。整车控制器1根据内置能量管理方法分配超级电容4和外接电池组各自的输出功率，具体如下：

当超级电容4SOC _sc处于40~80%之间时，外接电池组输出功率P _bat及超级电容输出功率P _sc分别为：

若外接电源为外接电池组和外接燃料电池组，拖拉机搭载外接燃料电池组、外接电池组和超级电容4三种电源，但是此时超级电容4不参与充放电，仅由外接电池组和外接燃料电池组给整车供电。外接电池组和外接燃料电池组通过CAN通信发送指令告知整车控制器1外接电源为外接电池组和外接燃料电池组，整车控制器1识别外接电源1高压接插件2和外接电源2高压接插件3分别对应插入的电源。若外接电池组接入外接电源1高压接插件2，驾驶员手动闭合总开关S1及S4，整车控制器1输出一个持续5V高电位给继电器DK4，继电器DK4闭合。整车控制器1持续输出0V的低电位，继电器DK6断开超级电容供电回路。外接电池组开始正常供电后，外接电池组输出电流通过继电器DK4、保险丝L1、预充电阻R1、总开关S1给高压直流母线供电。经过一段时间后预充结束，整车控制器1给继电器DK1一个持续的5V高电位，继电器DK1闭合，外接电池组电流不再经过预充电阻R1，而是直接从保险丝L1再经过总开关S1流入高压直流母线。外接燃料电池组接入外接电源2高压接插件3，驾驶员手动闭合总开关S2及S5，整车控制器1输出一个持续5V高电位给继电器DK4，继电器DK4闭合。外接燃料电池组开始正常供电后，外接燃料电池组输出电流通过继电器DK5、保险丝L2、预充电阻R2、总开关S2给高压直流母线供电。经过一段时间后预充结束，整车控制器1给继电器DK2一个持续的5V高电位，继电器DK2闭合，外接燃料电池组电流不再经过预充电阻R2，而是直接从保险丝L2再经过总开关S2流入高压直流母线，此时外接燃料电池组、外接电池组协同给拖拉机供电。

当外接电池组SOC _bat处于40~80%之间时，外接电池组输出功率P _bat及外接燃料电池组输出功率P _fc分别为：

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种燃料电池拖拉机可拆卸电源系统的能量管理方法，其特征在于，所述方法为：

若检测外接燃料电池组接入外接电源供电电路，则整车搭载外接燃料电池和超级电容两种电源，整车控制器识别外接电源供电电路的接入口，并控制该外接电源供电电路与超级电容供电电路导通，由外接燃料电池组向高压直流母线供电，拖拉机正常工作后，整车控制器接收负载电路的需求功率之和以及超级电容SOC信息，基于超级电容SOC情况分配超级电容和外接燃料电池组的输出功率；

若检测外接燃料电池组和外接电池组均接入外接电源供电电路，则整车搭载外接燃料电池组、外接电池组和超级电容三种电源，整车控制器识别外接电源供电电路分别对应接入的电源，整车控制器断开超级电容供电电路，接通外接燃料电池组接入的外接电源供电电路以及外接电池组接入的外接电源供电电路，外接燃料电池组和外接电池组协同供电；

当外接电源供电电路仅接入外接燃料电池组，且超级电容SOC _sc处于40~80%之间时，外接燃料电池组输出功率P _fc及超级电容输出功率P _sc分别为:

当超级电容SOC _sc大于80%时，超级电容单独供电，外接燃料电池组输出功率P _fc及超级电容输出功率P _sc分别为:

当超级电容SOC _sc小于40%时，超级电容不供电仅充电，外接燃料电池组输出最大功率，外接燃料电池组输出功率P _fc及超级电容输出功率P _sc分别为:

2.根据权利要求1所述的燃料电池拖拉机可拆卸电源系统的能量管理方法，其特征在于，当外接电源供电电路仅接入外接电池组，且超级电容SOC _sc处于40~80%之间时，外接电池组输出功率P _bat及超级电容输出功率P _sc分别为:

当超级电容SOC _sc大于80%时，超级电容单独供电，外接电池组输出功率P _bat及超级电容输出功率P _sc分别为:

当超级电容SOC _sc小于40%时，超级电容不供电仅充电，外接电池组输出最大功率，外接电池组输出功率P _bat及超级电容输出功率P _sc分别为:

3.根据权利要求1所述的燃料电池拖拉机可拆卸电源系统的能量管理方法，其特征在于，当外接电池组和外接燃料电池组协同供电时，且外接电池组SOC _bat处于40~80%之间时，外接电池组输出功率P _bat及外接燃料电池组输出功率P _fc分别为：

当外接电池组SOC _bat大于80%时，外接电池组单独供电，外接电池组输出功率P _bat及外接燃料电池组功率P _fc分别为: