一种混联式混合动力拖拉机动力系统及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种混联式混合动力拖拉机动力系统及其控制方法，动力系统包括发动机、第一电机、第二电机和行星齿轮机构，行星齿轮机构设有用于输入输出动力的三个连接端，发动机输出轴连接第一电机，第一电机输出轴连接行星齿轮机构的第一连接端，第二电机连接行星齿轮机构的第二连接端，行星齿轮机构的第三连接端用于连接驱动桥，所述第一连接端与第三连接端同轴。本发明的驱动系统，动力构型独特，控制方法通过检测拖拉机运行参数确定工作状态，针对工作状态对驱动系统进行控制，适合混合动力拖拉机各种作业模式要求。
【专利说明】一种混联式混合动力拖拉机动力系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种混联式混合动力拖拉机动力系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 目前，传统拖拉机保有量越来越多，其所造成的空气污染和石油消耗越来越严重， 已成为环境污染和能源消耗的重要组成部分，应该引起足够的重视；不同于汽车不同工况 对速度的要求，拖拉机不同作业模式对牵引力、牵引功率要求较高；混合动力技术应用于汽 车越来越普遍，越来越成熟，混合动力因其自身的节能和环保优点，可以进行研究应用于拖 拉机，但汽车混合动力系统技术不太适用于拖拉机动力系统，需要设计一种适合拖拉机工 况的混合动力技术；混联式混合动力系统作为混合动力系统的一种，融合了串联式和并联 式混合动力系统的优点；同时，混联式混合动力拖拉机摒弃传统拖拉机的缺点，延续传统拖 拉机的优点，是实现拖拉机节能和环保的有效途径。
[0003] 同时目前国内外只有研究串联式和并联式混合动力系统应用于拖拉机，还鲜有混 联式混合动力系统应用于拖拉机，且混联式混合动力系统拖拉机动力系统及其控制系统研 究进展较缓慢，属于刚起步阶段。
[0004] 如申请号201210006125. 6的中国专利文件披露了"一种混合动力拖拉机"的动力 系统；现有技术中的汽车、客车等也有大量的动力系统方案，但这些动力系统的方案均不十 分适合混合动力拖拉机的各种作业模式要求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种混联式混合动力拖拉机动力系统及其控制方法，在满足 拖拉机各种作业工况所需的牵引力、牵引功率和牵引速度的同时，能实现拖拉机的良好的 燃油经济性和环保性；适于解决现有拖拉机动力系统不适合混合动力拖拉机的各种作业模 式要求的问题。
[0006] 为实现上述目的，本发明的方案包括：
[0007] -种混联式混合动力拖拉机动力系统，包括发动机、第一电机、第二电机和行星齿 轮机构，行星齿轮机构设有用于输入输出动力的三个连接端，发动机输出轴连接第一电机， 第一电机输出轴连接行星齿轮机构的第一连接端，第二电机连接行星齿轮机构的第二连接 端，行星齿轮机构的第三连接端用于连接驱动桥，所述第一连接端与第三连接端同轴。
[0008] 所述第一电机为电动机，第二电机为发电机，发电机通过发电机控制单元连接电 池。
[0009] 所述的行星齿轮机构为两自由度单排行星齿轮，其第一连接端对应连接太阳轮， 第二连接端对应连接齿圈，第三连接端对应连接行星架。
[0010] 所述第一、第二、第三连接端均对应设有制动装置（B2、B3、Bi)。
[0011] 所述发动机与第一电机之间设有第一离合器（Ci)，第一电机与所述第一连接端之 间设有第二离合器（C 2)，第二电机与所述第二连接端之间设有第三离合器（c3)。
[0012] 混联式混合动力拖拉机动力系统的控制方法，包括如下步骤：
[0013] 1)判断拖拉机处于起步/加速状态时，电动机单独驱动，关闭发动机和发电机；
[0014] 2)判断拖拉机处于减速/制动/停机状态时，发电机发电，关闭发动机和电动机；
[0015] 3)判断拖拉机处于正常作业状态时：进一步判断电池当前电量与需求转矩ΤΜ(1 ;
[0016] Α，若需求转矩小于电机额定转矩Tm，当前电量大于电量最高阈值S0Cmax，则拖 拉机进入纯电动驱动模式，关闭发动机和发电机；
[0017] B，若需求转矩TM(1介于电机额定转矩Tm和发动机额定转矩?；之间，当前电量大于 电量最高阈值socmax，则拖拉机进入发动机单独驱动模式，关闭电动机和发电机；
[0018] C，若需求转矩"^，介于电机额定转矩^和发动机额定转矩?；之间，当前电量小于 电量最高阈值socmax，则拖拉机进入发动机单独驱动模式，关闭电动机，同时启动发电机向 电池充电；
[0019] D，若需求转矩I；%大于发动机额定转矩Te，当前电量大于电量最低阈值S0Cmin，则 拖拉机进入发动机和电动机联合驱动模式，关闭发电机；
[0020] E，若需求转矩I；e(1小于电机额定转矩Tm，当前电量小于电量最高阈值S0Cmax，则拖 拉机进入发动机单独驱动模式，关闭电动机，同时启动发电机向电池充电；
[0021] F，若需求转矩I；%大于发动机额定转矩Te，当前电量小于电量最低阈值S0Cmin，则 拖拉机暂时停止作业工作，关闭电动机，发动机单独驱动发电机为电池充电。
[0022] 判断拖拉机处于起步/加速状态时，第一、第三离合器（CpCj断开、第二离合器C2 闭合，第一、第三制动器（BpB2)松开、第二离合器（B3)制动。
[0023] 拖拉机处于减速/制动/停机状态时，第一、第二离合器（Q和C2)断开、第三离合 器C 3闭合，第三、第二制动器（Bp B3)松开、第一离合器B2制动。
[0024] 步骤A中，第一、第三离合器（Q、C3)断开、第二离合器（C2)闭合，第三、第一制动 器（BpB 2)松开、第二离合器（B3)制动；步骤B中，第一、第二离合器（CpCp闭合、第三离合 器（C 3)断开，第三、第一制动器（Bp B2)松开、第一制动器（B3)制动；步骤C中，第一、第二、 第三离合器闭合，第一、第二、第三制动器（Bi、B 2、B3)松开；步骤D中，第一、第二 离合器（Ci、C2)闭合、第三离合器（C 3)断开，第三、第一制动器叫為）松开、第二制动器（B3) 制动；步骤E中，第一、第二、第三离合器（CpCyQ)均闭合，第三、第一、第二制动器（Bi、B 2、 B3)均松开；步骤F中，第一、第二、第三离合器（(^Χ2Χ3)闭合，第一、第二制动器化 243)松 开、第三制动器（BJ制动。
[0025] 本发明的驱动系统，动力构型独特，适于拖拉机有限空间内的布置，利于拖拉机前 后左右轮配重平衡，控制方便，控制方法通过优先检测并判断转矩、牵引力的需求，再考虑 判断速度需求等拖拉机不同作业工况的运行参数确定工作状态，针对工作状态，对驱动系 统进行相应控制，适合混合动力拖拉机各种作业模式对转矩、牵引力的要求，不适合汽车对 速度的要求。
[0026] 离合器方便动力构型适应性的改变，制动器方便发电机能够顺利发电。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1是本发明的拖拉机动力系统构成图；
[0028] 图2是行星齿轮机构图；
[0029] 1 一分动器，2-变速器，3-制动器&，4一制动器B3, 5-行星齿轮机构，6 -尚合器 C3的控制单兀，7-发电机，8-发动机，9一前轮，10,12-前轮轮边减速器，11 一前驱动桥， 13-电池，14一离合器Q的控制单元，15-电动机，16-离合器C2的控制单元，17-制动器 B2,18-后驱动桥，19一传感器S3, 20-动力输出机构，21，25-后轮边减速机构，22-传感器 S5, 23-传感器S4, 24-传感器Si，26-传感器S2, 27-后轮；
[0030] 51-变速器动力输入轴；52-动力分流机构箱体；53-行星架及行星齿轮；54- 齿圈；56-发电机输入轴；57-齿圈输出齿轮；58-太阳轮；59-总动力源输入轴。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
[0032] 一种混联式混合动力拖拉机动力系统，包括发动机、第一电机、第二电机和行星齿 轮机构，行星齿轮机构设有用于输入输出动力的三个连接端，发动机输出轴连接第一电机， 第一电机输出轴连接行星齿轮机构的第一连接端，第二电机连接行星齿轮机构的第二连接 端，行星齿轮机构的第三连接端用于连接驱动桥，所述第一连接端与第三连接端同轴；本发 明的混联式混合动力拖拉机动力系统不同于汽车常用的混联式动力系统，汽车用混联式动 力系统大多是：发动机和发电机直接机械连接，间接与电动机机械连接，其利于汽车对速度 需求的满足，但不利于有效精确得控制输出转矩、牵引力，而本发明的混联式动力系统能高 效精确实现拖拉机不同工作模式对牵引力、牵引功率的需求，适合拖拉机。
[0033] 如图1所示，具体的，第一电机可以构造为电动机15,第二电机可以构造为发电机 7,发电机7通过发电机控制单元连接电池13,电池为蓄电池或动力电池等电能储存装置。 行星齿轮机构5是一个动力分流装置，为两自由度单排行星齿轮，其第一连接端对应连接 太阳轮，第二连接端对应连接齿圈，第三连接端对应连接行星架。第一、第二、第三连接端均 对应设有制动装置，对应制动器氏、!^、!^。发动机与第一电机之间设有第一离合器C1，第一 电机与所述第一连接端之间设有第二离合器C2,第二电机与所述第二连接端之间设有第三 尚合器C3。
[0034] 其他附属装置还包括，传感器Sp S2, S3, S4, S5、变速器2、分动器1、前/后驱动桥 11/18、前/后轮边减速器10, 12/21，25、动力输出机构20和九个控制单元。九个控制单元 分别是整机ECU、发动机控制单元、电动机控制单元，发电机控制单元，变速器控制单元，电 池管理系统，离合器控制单元Q，C 2, C3 ;整机E⑶分别与发动机控制单元、电动机控制单元， 发电机控制单元，变速器控制单元，电池管理系统，离合器控制单元Q，C 2, C3、传感器Sp S2， S3, S4, S5、制动器&，B2, 83相连接；电池13通过电池管理系统与电动机控制单元和发电机 控制单元相连接；发动机控制单元控制发动机8的运行，电动机控制单元控制电动机15的 运行，电池管理系统控制电池13的能量状态，离合器控制单元CpCyQ分别控制离合器Q， C2, C3的断开和闭合，发电机控制单元控制发电机7的运行，变速器控制单元控制变速器2 的换挡，整机E⑶控制制动器氏，B 2, B3的制动与松开。
[0035] 发动机输出轴和电动机中间轴为同轴布置，通过动力分流机构5与发电机7和变 速器2连接；变速器2通过分动器1把动力分配至前驱动桥11和后驱动桥18。
[0036] 如图2所示，动力分流机构为两自由度单排行星齿轮，包括变速器动力输入轴51、 行星架及行星齿轮53、齿圈54、齿圈输出齿轮57、发电机输入轴56、太阳轮58、总动力源输 入轴59。第一连接端构造为连接太阳轮的总动力源输入轴59。第二连接端构造为一个齿 圈输出齿轮57,齿圈输出齿轮57连接发电机输入轴56。第三连接端构造为连接行星架的 变速器动力输入轴51。
[0037] 总动力源的动力通过太阳轮58输入，通过齿圈54把动力输出至发电机7发电，通 过行星架及行星齿轮53把动力输出至变速器2,最后传至前/后驱动桥11/18。制动器& 根据需要对变速器输入轴51进行制动，制动器氏根据需要对总动力源输入轴59进行制动， 制动器B3根据需要对发电机输入轴56 (或齿圈54)进行制动。
[0038] 如图1所示，整机ECU根据信息采集系统采集的信息，通过分析采集到的拖拉机转 矩和转速需求信息，分别通过发动机控制单元、电动机控制单元，发电机控制单元，变速器 控制单元，电池管理系统，离合器控制单元Cp C2, C3控制相应的部件，使拖拉机适应作业模 式的要求。
[0039] 本混合动力拖拉机动力系统的控制方法，有三种工作模式：起步/加速模式，正常 作业模式，减速/制动/停机模式；起步/加速模式是指拖拉机起步/加速状态，减速/制 动/停机模式是指拖拉机减速、制动或者停机状态；其中拖拉机正常作业模式又分为：重载 作业(牵引力、牵引功率需求大，如犁耕，旋耕作业)，中载作业(牵引力、牵引功率需求适中， 如播种、收获、开沟作业）和轻载作业(牵引力、牵引功率需求较小，如田间、公路运输作业） 三种作业模式；
[0040] 本发明的控制方法，包括如下步骤：
[0041] 1)判断拖拉机处于起步/加速状态时，电动机进行单独驱动整机正常工作，关闭 发动机和发电机；
[0042] 2)判断拖拉机处于减速/制动/停机状态时，发电机发电，关闭发动机和电动机；
[0043] 3)判断拖拉机处于正常作业状态时：进一步判断电池当前电量与需求转矩ΤΜ(1 ;
[0044] Α，若需求转矩I；%小于电机额定转矩Te，当前电量大于电量最高阈值S0Cmax，则关 闭发动机和发电机，启动电动机，拖拉机进入纯电动驱动模式；
[0045] B，若需求转矩T,e(1介于电机额定转矩Tm和发动机额定转矩Te之间，当前电量大于 电量最高阈值soc max，则关闭电动机和发电机，启动发动机，拖拉机进入发动机单独驱动模 式，其单独驱动整机正常工作；
[0046] C，若需求转矩TM(1介于电机额定转矩Tm和发动机额定转矩?；之间，当前电量小于 电量最高阈值S0C max，则关闭电动机，启动发动机和发电机，拖拉机进入发动机单独驱动模 式；发动机的动力通过动力分流机构一部分分配至发电机给电池充电，另一部分分配驱动 车辆；
[0047] D，若需求转矩I；%大于发动机额定转矩Te，当前电量大于电量最低阈值S0Cmin，则 关闭发电机、启动发动机和电动机，拖拉机的发动机和电动机联合驱动整机正常工作；
[0048] E，若需求转矩I；e(1小于电机额定转矩Tm，当前电量小于电量最高阈值S0Cmax，则关 闭电动机，启动发动机和发电机，拖拉机进入发动机单独驱动模式，发动机的动力通过动力 分流机构一部分分配至发电机给电池充电，另一部分分配驱动车辆；
[0049] F，若需求转矩I；%大于发动机额定转矩Te，当前电量小于电量最低阈值S0Cmin，则 拖拉机暂时停止作业工作，关闭电动机，发动机单独驱动发电机为电池充电。
[0050] 下面结合具体设备和控制参数进行具体说明。
[0051] 传感器Sp S2, S3, S4, S5分别持续采集当前的驱动轮转速和转矩?\、拖拉机实际 速度va、动力输出转矩T wtput和转速等数据信息，并把数据信息传输至整机Ε⑶；电池 管理系统检测当前的电池13的荷电状态S0C b、电压Ub、电流Ib，并传至整机ECU ;发动机控 制单元检测发动机8的转速&、转矩?；、功率;电动机控制单元检测电动机15的转速rm、 转矩T m、功率Pm ;发电机控制单元检测发电机7的转速rg、转矩Tg、功率Pg，充电电压U g、电 流Ig ;变速器2的挡位可分为三类：高类挡Dh、中类挡Dm、低类挡h ;变速器控制单元检测变 速器2的挡位Dn ;离合器控制单元Q，C2, C3检测离合器Q，C2, C3的闭合或断开；所有这些 数据信息都传至整机ECU ;整机ECU根据检测的驱动轮转速Γι和拖拉机实际速度va依据下 式计算拖拉机的滑转率S，并储存在整机ECU中；滑转率
【权利要求】
1. 一种混联式混合动力拖拉机动力系统，包括发动机、第一电机、第二电机和行星齿轮 机构，行星齿轮机构设有用于输入输出动力的三个连接端，其特征在于，发动机输出轴连接 第一电机，第一电机输出轴连接行星齿轮机构的第一连接端，第二电机连接行星齿轮机构 的第二连接端，行星齿轮机构的第三连接端用于连接驱动桥，所述第一连接端与第三连接 端同轴。
2. 根据权利要求1所述的一种混联式混合动力拖拉机动力系统，其特征在于，所述第 一电机为电动机，第二电机为发电机，发电机通过发电机控制单元连接电池。
3. 根据权利要求1或2所述的一种混联式混合动力拖拉机动力系统，其特征在于，所述 的行星齿轮机构为两自由度单排行星齿轮，其第一连接端对应连接太阳轮，第二连接端对 应连接齿圈，第三连接端对应连接行星架。
4. 根据权利要求3所述的一种混联式混合动力拖拉机动力系统，其特征在于，所述第 一、第二、第三连接端均对应设有制动装置（民、B 3、BJ。
5. 根据权利要求4所述的一种混联式混合动力拖拉机动力系统，其特征在于，所述发 动机与第一电机之间设有第一离合器（CJ，第一电机与所述第一连接端之间设有第二离合 器（c 2)，第二电机与所述第二连接端之间设有第三离合器（c3)。
6. 如权利要求5所述混联式混合动力拖拉机动力系统的控制方法，其特征在于，包括 如下步骤： 1) 判断拖拉机处于起步/加速状态时，电动机单独驱动，关闭发动机和发电机； 2) 判断拖拉机处于减速/制动/停机状态时，发电机发电，关闭发动机和电动机； 3) 判断拖拉机处于正常作业状态时：进一步判断电池当前电量与需求转矩TM(1 ; A，若需求转矩ΤΜ(1小于电机额定转矩Tm，当前电量大于电量最高阈值SOCmax，则拖拉机 进入纯电动驱动模式，关闭发动机和发电机； B，若需求转矩TM(1介于电机额定转矩Tm和发动机额定转矩?；之间，当前电量大于电量 最高阈值SOCmax，则拖拉机进入发动机单独驱动模式，关闭电动机和发电机； C，若需求转矩TM(1介于电机额定转矩Tm和发动机额定转矩?；之间，当前电量小于电量 最高阈值SOCmax，则拖拉机进入发动机单独驱动模式，关闭电动机，同时启动发电机向电池 充电； D，若需求转矩ΤΜ(1大于发动机额定转矩?；，当前电量大于电量最低阈值SOCmin，则拖拉 机进入发动机和电动机联合驱动模式，关闭发电机； E，若需求转矩L小于电机额定转矩Tm，当前电量小于电量最高阈值SOCmax，则拖拉机 进入发动机单独驱动模式，关闭电动机，同时启动发电机向电池充电； F，若需求转矩ΤΜ(1大于发动机额定转矩?；，当前电量小于电量最低阈值SOCmin，则拖拉 机暂时停止作业工作，关闭电动机，发动机单独驱动发电机为电池充电。
7. 根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，判断拖拉机处于起步/加速状态时， 第一、第三离合器（Q、C3)断开、第二离合器C 2闭合，第一、第三制动器（Bi、B2)松开、第二离 合器（B3)制动。
8. 根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，拖拉机处于减速/制动/停机状态 时，第一、第二离合器（Q和C2)断开、第三离合器C 3闭合，第三、第二制动器（Bp B3)松开、 第一离合器B2制动。
9.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，步骤A中，第一、第三离合器（Cp C3) 断开、第二离合器（C2)闭合，第三、第一制动器（Bp B2)松开、第二离合器（B3)制动；步骤B 中，第一、第二离合器（Ci、C2)闭合、第三离合器（C3)断开，第三、第一制动器叫為）松开、第 一制动器（B 3)制动；步骤C中，第一、第二、第三离合器（CpCyQ)闭合，第一、第二、第三制 动器（Bp B2、B3)松开；步骤D中，第一、第二离合器（Q、C2)闭合、第三离合器（C 3)断开，第 三、第一制动器（Bi、B2)松开、第二制动器（B3)制动；步骤E中，第一、第二、第三离合器（Q、 C2、C3)均闭合，第三、第一、第二制动器（Bp B2、B3)均松开；步骤F中，第一、第二、第三离合 器（CpCpQ)闭合，第一、第二制动器（B 2、B3)松开、第三制动器（BJ制动。
【文档编号】B60K6/365GK104290591SQ201410127322
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年3月29日 优先权日:2014年3月29日
【发明者】周志立, 时辉, 徐立友, 王春光, 侯海源, 刘孟楠, 王粉粉, 方树平 申请人:河南科技大学