一种混合动力拖拉机电池组用加热控制系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及混合动力拖拉机动力电池的应用领域，具体涉及一种混合动力拖拉机动力电池组的加热控制系统及方法。


背景技术：

2.混合动力拖拉机一般采用锂离子电池组作为一个动力源。由于锂离子电池的温度特性，在低温（温度低于 0℃）的条件下，对锂离子电池进行充电会导致电解液中析出金属锂，可能刺穿隔膜，造成电池内部短路，威胁锂离子电池安全。混合动力拖拉机在低温状态下运行时，发电机都会有发电的动作，会对电池进行充电，这样可能导致前面所描述的安全问题。因此混合动力拖拉机电池组在低温条件下，需要对电池组进行加热，使电池组的温度达到电池的充电温度，避免出现低温充电的现象，确保电池组的安全。


技术实现要素：

3.本发明的技术目的为：提供一种操作方便、容易实现，且对动力电池无损坏的混合动力拖拉机电池组用加热控制系统及其控制方法，该控制系统和方法可在停车市电供给状态下或正常工作状态下对动力电池进行加热升温，以避免其于低温状态下进行充电，可有效延长电池组的使用寿命，保证其工作时的安全性。
4.为了实现上述技术目的，本发明采取的技术方案是：一种混合动力拖拉机电池组用加热控制系统，该控制系统包括控制机构、发动机、发电机、高压箱、充电机和电池组，在电池组的内部设置有动力电池和用于对动力电池进行加热的加热装置，所述的控制机构包括相互之间通过can总线实现通讯交互的整车控制器、发动机控制器、发电机控制器、电池管理组件和显示组件，其中，电池管理组件和显示组件分别用于监控和显示电池组的工作状态，整车控制器用于获取发动机控制器、发电机控制器、电池管理组件和显示组件的控制信息，并发出相应的控制指令，所述的控制机构可调控电池组在混合动力拖拉机工作时或停车插电时进行充电加热；所述的发动机与发电机和发动机控制器连接，发动机能够在发动机控制器的控制下，驱动发电机进行发电或驱动拖拉机进行行驶；所述的发电机与发动机和发电机控制器连接，发电机能够在发电机控制器的控制下，为发动机提供动力供给、为动力电池进行充电或通过加热装置对动力电池进行加热；所述的高压箱与动力电池、加热装置、充电机、发电机控制器、整车控制器和电池管理组件连接，高压箱能在整车控制器和电池管理组件的控制下，经由其内部设置的多个高压接触器的通断，实现动力电池的充电和放电、加热装置的电能供给，以及对发电机的驱动。
5.优选的，所述的发电机控制器包括转矩控制模式和电压维持控制模式。
6.优选的，所述的加热装置为ptc或加热薄膜电阻。
7.优选的，所述的高压箱包括连接铜排、保险丝和多个高压接触器，多个高压接触器分别与电池管理组件或整车控制器连接。
8.优选的，所述高压箱内高压接触器的个数为5个，其中2个与整车控制器控制连接，另外3个与电池管理组件控制连接，5个高压接触器的通断，能够在高压箱的内部组构成了加热通道、主动力通道、充电通道和电池通道四个高压分配通道；其中，加热通道与加热装置连接，用于为加热装置提供电能供给，进而实现动力电池的升温加热；电池通道与动力电池连接，用于实现动力电池的充电和放电；主动力通道与发电机控制器连接，用于驱动发电机或通过发电机为动力电池进行充电；充电通道与充电机连接，用于实现充电机经由外接充电插座为动力电池进行充电或加热。
9.一种混合动力拖拉机电池组用加热控制系统的控制方法，包括以下步骤：步骤一、设定动力电池的实时温度为t，充电允许温度为t1，当电池控制组件检测到动力电池的实时温度t小于t1时，电池控制组件将发送信息给显示组件，提示需对动力电池进行升温加热充电；步骤二、当混合动力拖拉机需要进行停车充电加热时，通过充电机连接外设的充电插座，充电插座中的cc和cp信号将进入到电池管理组件中，电池管理组件通过这两个信号判断到混合动力拖拉机已经连接外部220v市电，将充电连接的信号和动力电池的加热信号发送给整车控制器；步骤三、整车控制器控制高压箱内与发电机控制器连接的高压接触器k1和高压接触器k3断开，并请求发电机控制器快速放电到安全电压，之后，整车控制器向电池管理组件发送高压系统开关已断开信号；步骤四、电池管理组件接收到高压系统开关已断开信号后，控制高压箱内与充电机连接的高压接触器k2以及与加热装置连接的高压接触器k4闭合，控制高压箱内与动力电池连接的高压接触器k5断开，使充电机的正负两端连接到电池组内加热装置的两端；步骤五、电池管理组件再次检测到充电插座内的cc和cp信号正常后，向充电机提出充电请求，充电机将按照加热装置的额定电压和电流对加热装置进行供电，以加热动力电池，过程中，电池管理组件将监控动力电池的实时温度t，并将监控到的信息通过显示组件实时显示出来；步骤六、当电池管理组件检测到动力电池的实时温度t大于充电允许温度t1时，控制高压接触器k4断开，高压接触器k5闭合，使充电机的正负两端连接到动力电池的两端，电池管理组件向充电机提出充电请求，充电机将按照电池管理组件自身的电流承受能力对动力电池进行充电，直到达到动力电池的soc上限或充电插座断开；步骤七、当混合动力拖拉机需要进行工作充电加热时，整车控制器通过发电机启动发动机，整车控制器和电池控制组件分别调控高压接触器k1和高压接触器k5闭合，使动力电池可通过发电机进行充放电，之后，电池管理组件向整车控制器发送动力电池的加热请求；步骤八、整车控制器接收到加热请求后，向发电机控制器发送电压维持控制模式请求，并请求当前电压为目标电压，整车控制器接收到发电机控制器发来的完成电压维持控制模式切换的反馈后，控制高压接触器k1断开，高压接触器k3闭合，整车控制器向电池管理组件发送允许加热的can报文；步骤九、电池管理组件接收到允许加热的指令后，将高压接触器k2断开，高压接触器k4闭合，使电池组内加热装置的两端连接到发电机控制器的直流端，电池管理组件将加
热装置的额定电压发送给整车控制器，整车控制器再以加热装置的额定电压为目标电压发送给发电机控制器，发电机控制器调整输出电压后，对加热装置以额定功率进行供电，以加热动力电池，过程中，电池管理组件将监控动力电池的实时温度t，并将监控到的信息通过显示组件实时显示出来；加热过程中整车控制器将控制行车功率，避免行车功率的突变，以维持加热系统稳定；步骤十、当电池管理组件检测到动力电池的实时温度t大于充电允许温度t1时，控制高压接触器k4断开，并向整车控制器发送加热完成的指示；步骤十一、整车控制器接收到加热完成的指示后，控制高压接触器k3断开，高压接触器k1闭合，整车控制器向发电机控制器请求略高于当前动力电池电压的电压为目标电压，发电机控制器调整输出电压后，整车控制器将向电池管理组件发送闭合高压接触器k5的指令；步骤十二、电池管理组件接收到该指令后，控制高压接触器k5闭合，使动力电池可通过发电机进行正常的充放电工作。
10.本发明的有益效果：本发明的一种混合动力拖拉机电池组用加热控制系统及其控制方法，通过在混合动力拖拉机上设置分布式的控制系统，可在混合动力拖拉机停车市电供给状态或正常工作状态下，方便、快速、高效地实现对电池组的加热升温。方法整体成本低廉、可操作性强，可有效实现对锂电池的充电保护，避免其于低温状态下进行充电，进而降低了其故障率，有效延长了电池组的使用寿命，保证其工作时的安全性。
附图说明
11.图1为本发明的高压系统框图；图2为本发明的分布式系统控制图；图3为高压箱内部开关走线图；附图标记：1、发动机，2、发电机，3、高压箱，4、充电机，5、电池组，501、动力电池，502、加热装置，6、整车控制器，7、发动机控制器，8、发电机控制器，9、电池管理组件，10、显示组件，11、充电插座。
具体实施方式
12.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
13.一种混合动力拖拉机电池组用加热控制系统及其控制方法，本发明涉及的控制方法通过混合动力拖拉机上的分布式控制系统实现，所涉及到的主要控制机构包括发动机控制器7（ems）、发电机控制器8（mcu）、整车控制器6（vcu）、电池管理组件9（bms）和显示组件10组成。这些控制器通过can总线进行数据传输和can通讯交互，进而实现混合动力拖拉机电池组5的安全加热。如附图2所示。
14.加热控制系统中的高压系统由发动机1、发电机2、发电机控制器8、高压箱3、充电机4和电池组5组成，其中电池组5内包含加热装置502，该加热装置502上设置有加热接口。
如附图1所示。
15.所述的发动机1受发动机控制器7（ems）控制，在混合动力系统中是一个重要的能量源，将燃料的化学能转换为动能驱动发电机2发电或驱动拖拉机行驶等。发动机控制器7则是将驾驶员的操作信号转换为发动机1的喷油量，实现精准控制发动机1的动力输出。
16.所述的发电机2直接与发动机1连接，在串联混合动力系统中可以作为电机应用，在并联混合系统中可以作为电动机应用为发动机1提供额外的功率，也可进行发电回收能量为电池充电。发电机2受发电机控制器8控制，发电机控制器8是将电池组5提供的直流电逆变为三相交流电驱动发电机2或将发电机2产生的三相交流电整流为直流电为电池组5充电。本系统使用的发电机控制器8（mcu）至少需要由转矩控制模式和电压维持控制模式。
17.所述的电池组5包含动力电池501、电池管理组件9（bms）和加热装置502。其中电池管理组件9用于监控整个电池组5的工作状态，并通过can总线发送电池组5的状态；加热装置502可以是不同类型的电加热装置，如ptc或者加热薄膜电阻等。
18.所述的整车控制器6是协调整车控制模式的控制单元。其通过can总线获取其它控制单元的信息，同时发出相关的控制指令完成混合动力拖拉机电池组5的加热过程。
19.所述的显示组件10为指示当前混合动力拖拉机加热状态的系统。该系统通过can总线获取加热信息，并将这些信息显示出来，提示驾驶员当前电池组5的工作状态，以便驾驶员根据当前的拖拉机状态进行相关的操作。
20.所述的高压箱3是混合动力拖拉机高压分配系统，将电池组5的高压分配到不同的高压系统，实现高压通路的断开和连接，内部由连接铜排、保险丝和多个高压接触器组成，高压接触器由电池管理组件9和整车控制器6进行控制。
21.本发明描述的加热方法可以满足混合动力拖拉机两种不同场景的电池组5加热需求，即停车插电充电加热和工作充电加热。
22.停车插电充电加热是混合动力拖拉机在停车后通过电缆连接市电充电时对电池组5进行加热。加热的能量由混合动力拖拉机内部充电机4提供。停车充电加热是在电池组5温度过低的情况下，进行插电充电时，充电机4先给电池组5中的加热装置502供电，对动力电池501进行加热，当动力电池501的温度上升到充电温度范围后，才允许充电机4为动力电池501充电。
23.工作加热是混合动力拖拉机在发动机1启动后对电池组5进行加热。由发动机1带动发电机2再通过发电机控制器8整理成为直流输出为加热装置502供电。所述的工作充电加热是在低温下发动机1启动后，通过发电机2先给电池组5中的加热装置502供电，对动力电池501进行加热，当动力电池501的温度上升到充电温度范围后，才允许为动力电池501充电。
24.停车插电充电加热过程中，混合动力拖拉机无法正常启动行驶。加热过程由电池管理组件9和整车控制器6进行控制。停车插电充电加热可在混合动力拖拉机钥匙off下进行，电池管理组件9具备充电唤醒功能，整车控制器6和显示组件10具备can总线唤醒功能，以完成相应的操作。
25.工作加热过程中，混合动力拖拉机可以正常行驶，但会限制功率的上升速度和最大输出功率，拖拉机可进行正常行驶，但无法进行大负荷的田间作业或运输。
26.工作加热过程由整车控制器6、电池管理组件9、发动机控制器7、发电机控制器8实
现，整车控制器6作为中枢进行加热管理，实现加热过程中的动力不间断。
27.电池组5加热有效时，显示组件10通过can总线获取相关信息，指示当前加热状态，电池组5的平均温度等信息，方便驾驶员操作。
28.在本发明的控制系统中，高压箱至少需要四个高压分配通道，即电池通道、加热通道、充电通道和主动力通道。其中电池通道连接电池组和高压箱，电池组的充电和放电均通过该通道实现；加热通道为电池组内部的加热装置提供电能，根据不同的拖拉机运行状态加热使用的电能来源可以进行切换；充电通道是充电机连接的通道，充电机将220v的市电转换为拖拉机所应用的高压直流电给电池充电，同时也是加热的一个能量来源；主动力通道用于驱动发电机和接受发电机回馈的充电。高压箱内部的包含至少5个高压接触器，对电池组5内的加热装置502进行能量分配。其中k1,k3两个高压接触器受整车控制器（vcu）控制，k2,k4,k5三个高压接触器受电池管理组件（bms）控制，如附图3所示。
29.需要进行停车插电充电加热时，充电插座11中的cc和cp信号将进入到电池管理组件中，电池管理组件通过这两个信号判断到混合动力拖拉机已经连接外部220v市电，将充电连接的信号和电池组加热信号发送给整车控制器。
30.整车控制器将断开k1和k3两个高压接触器，使发电机的高压供电断开，并请求发电机控制器快速放电到安全电压。在断开k1和k3开关后，整车控制器将向电池管理组件发送高压系统开关断开信号。
31.在高压系统开关断开后，电池管理组件将闭合k2和k4两个高压接触器，断开k5高压接触器。此时充电机的正负两端被连接到了电池组的加热装置两端，可以为加热装置进行供电。
32.电池管理组件完成k2和k4两个高压接触器闭合和k5高压接触器断开后，如果cc和cp信号正常，则对充电机进行充电请求。电池管理组件以加热装置的额定电压和电流请求充电机的输出电压电流，加热装置开始加热动力电池。
33.电池管理组件将监控动力电池的实时温度，将监控的温度信息和电池组的加热信息发送到can总线上，显示组件将接收相关信息。显示组件将显示电池组加热状态，提醒用户当前的充电阶段。
34.在电池管理组件检测到所有的动力电池温度都在充电范围后，将断开k4高压接触器，闭合k5高压接触器，完成加热过程，主充电回路打开。电池管理组件将根据自身的电流承受能力向充电机发送充电电压和充电电流，直到达到高压的soc上限或充电插座断开。
35.需要工作加热时，整车控制器首先通过发电机启动发动机，使发动机正常工作。此时，k1、k5两个高压接触器闭合，主放电回路处于闭合状态，动力电池可通过发电机进行充放电。电池管理组件向整车控制器发送电池组的加热请求。
36.整车控制器接收到电池组的加热请求，将向发电机控制器发送电压维持控制模式请求，并请求当前电压为目标电压。整车控制器接收到发电机控制器完成电压维持模式切换的反馈后，断开k1高压接触器，闭合k3高压接触器。整车控制器向电池管理组件发送允许加热的can报文。
37.电池管理组件接收到允许加热指令后，将断开k2高压接触器，闭合k4高压接触器。此时，电池组的加热装置两端连接到了发电机控制器的直流端，为其提供加热电压。加热装置的额定电压通过电池管理组件发送给整车控制器。整车控制器再以加热装置的额定电压
为目标电压发送给发电机控制器。发电机控制器将调整输出电压，电池组的加热装置以额定功率进行加热。
38.电池管理组件将监控动力电池的实时温度，将监控的温度信息和电池组的加热信息发送到can总线上，显示组件将接收相关信息。显示组件将显示电池组加热状态，提醒用户当前的充电阶段。
39.在电池管理组件检测到所有的动力电池温度都在充电范围后，断开k4高压接触器，并向整车控制器发送加热完成的指示。
40.整车控制器接收到电池管理组件的加热完成指示后，将断开k3高压接触器，闭合k1高压接触器。整车控制器将向发电机控制器请求略高于当前动力电池电压的电压为目标电压。系统完成电压调整后，整车控制器将向电池管理组件发送闭合k5高压接触器的指令。
41.电池管理组件接收到该指令后闭合k5高压接触器。高压主回路可以进行充电和放电。
42.整车控制器在没有放电请求时，才能将发电机的控制器模式转换为转矩控制模式。避免在串联式混合动力系统中出现动力中断的情况。
43.以上所述的仅是本发明的优选实施方案，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该是为本发明的保护范围。