双电机动力耦合装置及其控制方法与流程

本发明涉及电动拖拉机领域，具体涉及双电机动力耦合装置及其控制方法。

背景技术：

目前，市场上的拖拉机大多数仍以柴油机作为动力源，这种传统柴油拖拉机不仅噪声大、效率低而且严重污染环境。电动拖拉机是使用电能来驱动车辆，相比传统柴油拖拉机，电动拖拉机具有低排放、清洁无污染、低噪音和能量利用率高等优点，而且电机具有灵活控制的优点，进一步简化拖拉机的传动结构，因此电动拖拉机已成为了拖拉机发展新趋势。

在电动拖拉机的研究中，多采用单电机驱动，这种方式难以满足拖拉机的复杂工况，而混合动力拖拉机中电动机作为辅助动力，主要依靠柴油机作为主要动力，这种方式并未充分发挥电动机能量利用率高、控制灵活等特点。尽管现有技术中已公开采用双电机进行驱动的拖拉机，但是普遍存在双电机动力耦合机构体积过大、作业模式过于单一、动力性不足、能量利用率低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了双电机动力耦合装置及其控制方法，该装置可以实现驱动电机与pto电机之间的动力汇流和分流，通过灵活控制双电机以适应拖拉机的复杂工况，提高了电动拖拉机的动力性和经济性，明显减小了双电机耦合机构的体积。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：双电机动力耦合装置，包括安装于电动拖拉机上的依次电路连接的bms控制器、动力电池组和配电箱，所述配电箱分别与整机控制器、驱动电机控制器、pto电机控制器、耦合器控制器电路连接，整机控制器用于控制电动拖拉机的运行，驱动电机控制器、pto电机控制器分别控制驱动电机、pto电机的转动，所述耦合器控制器控制双排行星齿轮耦合器的运行；

所述双排行星齿轮耦合器包括并排设置的第一行星排齿轮耦合机构和第二行星排齿轮耦合机构，第一行星排齿轮耦合机构的第一齿圈和与之相邻的设置在第二行星排齿轮耦合机构上的第二齿圈外啮合传动；

所述第一行星排齿轮耦合机构的第一输入轴与驱动电机连接，第一输出轴与电动拖拉机的驱动桥连接；第一行星排齿轮耦合机构的第一齿圈连接有第一电磁锁止器，第一行星排齿轮耦合机构的第一输出轴与驱动桥之间依次设有：用于锁止或解锁第一行星排齿轮耦合机构中第一行星架对第一输出轴传动的第二电磁锁止器、同步器、无级传动机构和变速器；

所述第二行星排齿轮耦合机构的第二输入轴与pto电机连接，第二输出轴处设置有用于锁止或解锁第二行星排齿轮耦合机构中第二太阳轮对第二输出轴传动的第三电磁锁止器，第二输出轴与无级传动机构连接，无级传动机构通过第三输出轴驱动旋耕机构作业。

更进一步地，所述第一行星排齿轮耦合机构包括连接于第一输入轴的第一太阳轮、设有外齿和内齿的第一齿圈、用于锁止或解锁第一齿圈的第一电磁锁止器、第一行星齿轮、连接于第一输出轴的第一行星架，第一行星轮与第一太阳轮外啮合、第一行星轮与第一齿圈内啮合并由第一行星架定位支撑。

更进一步地，所述第二行星排齿轮耦合机构包括连接于第二输入轴的第二行星架、第二行星轮、设有外齿和内齿的第二齿圈、连接于第二输出轴的第二太阳轮，第二行星轮与第二太阳轮外啮合、第二行星轮与第二齿圈内啮合并由第二行星架定位支撑。

更进一步地，所述整机控制器通过高速can总线获取bms控制器信息、驱动电机控制器信息、耦合器控制器信息、pto电机控制器信息和配电箱信息，并通过高速can总线向bms控制器、驱动电机控制器、耦合器控制器、pto电机控制器和配电箱发出控制信号；整机控制器通过低速can总线获取电动拖拉机运行信息。

更进一步地，所述bms控制器对动力电池组进行控制，动力电池组给驱动电机、pto电机、同步器、第一电磁锁止器、第二电磁锁止器和第三电磁锁止器供电；耦合器控制器控制同步器中断和结合、伺服缸（2103）工作、第一电磁锁止器、第二电磁锁止器和第三电磁锁止器锁止或解锁。

更进一步地，所述bms控制器、驱动电机控制器、耦合器控制器、pto电机控制器整机控制器和配电箱组成双电机动力耦合装置的控制系统，该系统设有只行走模式、只作业模式、行走作业分离模式、行走作业耦合模式和能量回收模式。

更进一步地，所述电动拖拉机运行信息包括钥匙信号、变速箱档位信号、踏板位置信号、作业模式信号、电机和转动轴转速信号。

更进一步地，所述无级传动机构包括设置于第一输出轴上的主动工作轮、设置于第二输入轴上的从动工作轮，主动工作轮和从动工作轮之间通过传动带连接；所述主动工作轮包括主动固定工作轮和主动可动工作轮，从动工作轮包括从动固定工作轮和从动可动工作轮，主动可动工作轮和从动可动工作轮之间连接有伺服缸，伺服缸推动主动可动工作轮和从动可动工作轮工作实现无级传动机构的无极传动。

更进一步地，所述变速器为中间轴式变速器。

双电机动力耦合装置的控制方法，包括如下步骤：电动拖拉机启动后，整车进入系统自检，系统自检通过后，整机控制器获取钥匙信号、同步器位置信号、第一电磁锁止器位置信号、第二电磁锁止器位置信号、第三电磁锁止器位置信号、变速箱档位信号、踏板位置信号、作业模式信号、电机和转动轴转速信号，整机控制器根据获取的信息，向bms控制器、驱动电机控制器、耦合器控制器、pto电机控制器和配电箱发出控制信号，从而电动拖拉机选择不同的控制模式：

1）只行走模式：当整机控制器收到只行走模式时，整机控制器计算实时需求功率px，当驱动电机额定功率pq≥px时，耦合器控制器控制第一电磁锁止器结合、同步器中断，此时驱动电机处于工作状态，整机控制器计算驱动电机的目标转速nq，然后把信号传递给驱动电机控制器，驱动电机根据驱动电机控制器的信号实时进行调速；

当pq<px时，耦合器控制器控制第三电磁锁止器结合、同步器中断，此时驱动电机和pto电机均处于工作状态，整机控制器基于最大工作效率分配控制策略计算驱动电机的目标转速nq和pto电机的目标转速np，然后把信号传递给驱动电机控制器和pto电机控制器，驱动电机根据驱动电机控制器的信号实时进行调速，pto电机根据pto电机控制器的信号实时进行调速；

2）只作业模式：当整机控制器收到只作业模式时，耦合器控制器控制第一电磁锁止器结合、同步器中断，此时pto电机处于工作状态，整机控制器计算pto电机的目标转速np，然后把信号传递给pto电机控制器，pto电机根据pto电机控制器的信号恒转速工作，传感器实时采集pto电机实际转速，整机控制器通过pto电机的实际转速与pto电机的目标转速对比实时把信号传递给pto电机控制器，通过pto电机控制器控制pto电机的转速，保持pto电机恒转速工作；

3）行走作业分离模式：当整机控制器收到行走作业分离模式时，耦合器控制器控制第一电磁锁止器结合、同步器中断，此时驱动电机和pto电机均处于工作状态，整机控制器计算驱动电机的目标转速nq和pto电机的目标转速np，然后把信号传递给驱动电机控制器和pto电机控制器，驱动电机根据驱动电机控制器的信号实时进行调速，pto电机根据pto电机控制器的信号恒转速工作，传感器实时采集pto电机实际转速，整机控制器通过pto电机的实际转速与pto电机的目标转速对比实时把信号传递给pto电机控制器，通过pto电机控制器控制pto电机的转速，保持pto电机恒转速工作；

4）行走作业耦合模式：当整机控制器收到行走作业耦合模式时，耦合器控制器控制同步器结合和无级传动机构的伺服缸工作，此时驱动电机和pto电机处于工作状态，整机控制器基于最大工作效率分配控制策略及第一输出轴、第三输出轴需求转速计算驱动电机的目标转速nq、pto电机的目标转速np和伺服缸的压力，然后把信号传递给驱动电机控制器、pto电机控制器和耦合器控制器，驱动电机根据驱动电机控制器的信号实时调速，pto电机根据pto电机控制器的信号实时调速，伺服缸根据耦合器控制器的信号实时控制无级传动机构的传动比，传感器实时采集第一输出轴、第三输出轴的实际转速，整机控制器通过第一输出轴、第三输出轴的实际转速与第一输出轴、第三输出轴的需求转速对比，实时把信号传递给驱动电机控制器、pto电机控制器和耦合器控制器，驱动电机根据驱动电机控制器的信号实时调速，pto电机根据pto电机控制器的信号实时调速，伺服缸根据耦合器控制器的信号实时控制无级传动机构的传动比，保持第一输出轴实时调速、第三输出轴恒转速工作；

5）能量回收模式：当整机控制器识别到拖拉机原地静止且pto无作业或制动行走时，耦合器控制器控制第二电磁锁止器和第三电磁锁止器结合、同步器中断，此时驱动电机处于工作状态，pto电机作为发电机工作，整机控制器计算驱动电机处于最低能量消耗状态的转速nq，然后把信号传递给驱动电机控制器，驱动电机根据驱动电机控制器的信号实时进行调速，pto电机作为电动机把电能传输到动力电池组。

本发明所带来的有益效果是：

1.本发明设置的双排行星齿轮耦合器，由于第一行星排齿轮耦合机构上的齿圈和设置在第二行星排齿轮耦合机构上的齿圈外啮合传动，因此结构更为紧凑、承载能力更大；与同级别电动拖拉机的双电机耦合机构相比，本发明的双行星排齿轮耦合器体积减少了20%，在此基础上能够提高动力电池的容量，增加电动拖拉机的续航里程。

2.采用双电机作为电动拖拉机的动力源，驱动电机单独把动力传递给变速驱动桥，pto电机单独把动力驱动给旋耕机构，通过控制双行星齿轮耦合器实现使驱动电机和pto电机功率汇流到变速驱动桥，可以简化变速箱结构，有利于整车布置，根据不用的作业需求，选择合适的工作模式，从而提高电机工作效率和能量利用率。

3.通过控制锁止器、同步器和无级传动机构可以实现“只行走模式、只作业模式、行走作业分离模式、行走作业耦合模式和能量回收模式”5种作业模式的灵活转换，满足电动拖拉机多场景作业需求，提高整车的动力性、经济性和适应性。

4.当电动拖拉机处于原地短暂停车或制动行走时，系统进入能量回收模式，pto电机作为电动机把电能传输到动力电池组，电能通过低压蓄电池储存，提高整机能量利用率。

5.通过控制伺服缸改变无级传动机构的传动比，可实现双动力耦合机构把驱动电机和pto电机的动力基于最大工作效率分配控制策略把动力分配到驱动桥和旋耕机构。

6.本发明使用的动力源为电动机，动力电池组提供电能，实现零污染排放，有效解决了传统拖拉机排放对农作物和环境的危害。

附图说明

图1是双电机动力耦合装置的结构示意图；

图2是双排行星齿轮耦合器的结构示意图；

图3是第一行星排齿轮耦合机构的结构示意图；

图4是第二行星排齿轮耦合机构的结构示意图；

图5是无极传动机构的结构示意图；

图6是双电机动力耦合装置控制系统的电路连接关系图；

图7是双电机动力耦合装置控制方法的流程图1；

图8是双电机动力耦合装置控制方法的流程图2。

附图标号说明如下：

1、bms控制器，2、动力电池组，3、驱动电机控制器，4、驱动电机，5、双排行星齿轮耦合器，6、变速器，7、驱动桥，8、旋耕机构，9、耦合器控制器，10、pto电机，11、配电箱，12、pto电机控制器，13、整机控制器，14、第一输入轴，15、第一行星排齿轮耦合机构，1501、第一太阳轮，1502、第一齿圈，1503、第一行星齿轮，1504、第一行星架，16、第一电磁锁止器，17、第一输出轴，18、第二电磁锁止器，19、同步器，20、第三输出轴，21、无级传动机构，2101、主动固定工作轮，2102、主动可动工作轮，2103、伺服缸，2104、传动带，2105、从动固定工作轮，2106、从动可动工作轮，22、第二输出轴，23、第三电磁锁止器，24、第二行星排齿轮耦合机构，2401、第二行星架，2402、第二行星轮，2403、第二齿圈，2404、第二太阳轮，25、第二输入轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明，应当理解以下实施例中的“第一”、“第二”和“第三”仅为对装置名称进行区分，并不具有特定含义。

参照图1，双电机动力耦合装置包括bms控制器1、动力电池组2、驱动电机控制器3、驱动电机4、双排行星齿轮耦合器5、变速器6、驱动桥7、旋耕机构8、耦合器控制器9、pto电机10、配电箱11、pto电机控制器12与整机控制器13。

所述bms控制器1、动力电池组2和配电箱11依次电路连接，所述配电箱11分别与整机控制器13、驱动电机控制器3、pto电机控制器12、耦合器控制器9电路连接，整机控制器13用于控制双排行星齿轮电动拖拉机的运行，驱动电机控制器3、pto电机控制器12分别控制驱动电机4、pto电机10的转动，所述耦合器控制器9用于控制双排行星齿轮耦合器5的运行。

参照图2，所述双排行星齿轮耦合器5包括并排设置的第一行星排齿轮耦合机构15和第二行星排齿轮耦合机构24。所述第一行星排齿轮耦合机构15的第一输入轴14与驱动电机4连接，第一输出轴17与电动拖拉机的驱动桥7连接。所述第二行星排齿轮耦合机构24的第二输入轴25与pto电机10连接，第二输出轴22与无级传动机构21连接，无级传动机构21通过第三输出轴20驱动旋耕机构8作业。

驱动电机4与驱动桥7之间设有第一输入轴14、第一行星排齿轮耦合机构15、第一输出轴17、用于锁止或解锁第一行星排齿轮耦合机构15中第一行星架1504对第一输出轴17传动的第二电磁锁止器18、同步器19、无级传动机构21和变速器6。变速器6是中间轴式变速器，实现改变传动比、切换传动方向和中断动力传递。

pto电机10与旋耕机构8之间设有第二输入轴25、第二行星排齿轮耦合机构24、用于锁止或解锁第二行星排齿轮耦合机构24中第二太阳轮2404对第二输出轴22传动的第三电磁锁止器23、第二输出轴22、无级传动机构21和第三输出轴20。所述无级传动机构21包括设置于第一输出轴17上的主动工作轮、设置于第二输入轴25上的从动工作轮，主动工作轮和从动工作轮之间通过传动带2104连接；所述主动工作轮包括主动固定工作轮2101和主动可动工作轮2102，从动工作轮包括从动固定工作轮2105和从动可动工作轮2106，主动可动工作轮2102和从动可动工作轮2106之间连接有伺服缸2103，伺服缸2103推动主动可动工作轮2102和从动可动工作轮2106工作实现无级传动机构21的无极传动。

参照图3，所述第一行星排齿轮耦合机构15包括连接于第一输入轴14的第一太阳轮1501、设有外齿和内齿的第一齿圈1502、用于锁止或解锁第一齿圈1502的第一电磁锁止器16、第一行星齿轮1503、连接于第一输出轴17的第一行星架1504，第一行星轮1503与第一太阳轮1501外啮合、第一行星轮1503与第一齿圈1502内啮合并由第一行星架1504定位支撑。第一行星排齿轮耦合机构15的第一齿圈1502和与之相邻的设置在第二行星排齿轮耦合机构24上的第二齿圈2403外啮合传动。

参照图4，所述第二行星排齿轮耦合机构24包括连接于第二输入轴25的第二行星架2401、第二行星轮2402、设有外齿和内齿的第二齿圈2403、连接于第二输出轴22的第二太阳轮2404，第二行星轮2402与第二太阳轮2404外啮合、第二行星轮2402与第二齿圈2403内啮合并由第二行星架2401定位支撑。第二齿圈2403与设置在第一行星排齿轮耦合机构15上的第一齿圈1502外啮合传动。

参照图5，所述bms控制器1、驱动电机控制器3、耦合器控制器9、配电箱11、pto电机控制器12和整机控制器13组成双电机动力耦合装置的控制系统。该系统设有只行走模式、只作业模式、行走作业分离模式、行走作业耦合模式和能量回收模式5种作业模式。整机控制器13通过高速can总线获取bms控制器1信息、驱动电机控制器3信息、耦合器控制器9信息、配电箱11信息和pto电机控制器12信息；通过高速can总线向bms控制器1、驱动电机控制器3、耦合器控制器9、配电箱11和pto电机控制器12发出控制信号；整机控制器13通过低速can总线获取电动拖拉机运行信息，便于驾驶员实时了解整车信息。所述电动拖拉机运行信息包括钥匙信号、变速箱档位信号、踏板位置信号、作业模式信号、电机和转动轴转速信号。

所述动力电池组2用于给驱动电机4、pto电机10、同步器19和各电磁锁止器供电，动力电池组2与低压蓄电池连接。整机控制器13通过高速can总线把控制信号传递给bms控制器1用于对动力电池组2进行控制；传递给耦合器控制器9用于控制同步器19中断和结合、伺服缸（2103）工作、第一电磁锁止器16、第二电磁锁止器18和第三电磁锁止器23锁止或解锁。

参照图6和图7，电动拖拉机启动后，整车进入系统自检，系统自检通过后，整机控制器13获取钥匙信号、同步器19位置信号、各电磁锁止器位置信号、变速箱档位信号、踏板位置信号、作业模式信号、电机和转动轴转速信号，整机控制器13根据获取的信息，向bms控制器1、驱动电机控制器3、耦合器控制器9、pto电机控制器12和配电箱11发出控制信号，从而电动拖拉机选择不同的控制模式：

1）只行走模式：当整机控制器13收到只行走模式时，整机控制器13计算实时需求功率px，当驱动电机额定功率pq≥px时，耦合器控制器9控制第一电磁锁止器16结合和同步器19中断，此时驱动电机4处于工作状态，整机控制器13计算驱动电机4的目标转速nq，然后把信号传递给驱动电机控制器3，驱动电机4根据驱动电机控制器3的信号实时进行调速；

当pq<px时，耦合器控制器9控制第三电磁锁止器23结合和同步器19中断，此时驱动电机4和pto电机10均处于工作状态，整机控制器13基于最大工作效率分配控制策略计算驱动电机4的目标转速nq和pto电机10的目标转速np，然后把信号传递给驱动电机控制器3和pto电机控制器12，驱动电机4根据驱动电机控制器3的信号实时进行调速，pto电机10根据pto电机控制器12的信号实时进行调速；

2）只作业模式：当整机控制器13收到只作业模式时，耦合器控制器9控制第一电磁锁止器16结合和同步器19中断，此时pto电机10处于工作状态，整机控制器13计算pto电机10的目标转速np，然后把信号传递给pto电机控制器12，pto电机10根据pto电机控制器12的信号恒转速工作，传感器实时采集pto电机10实际转速，整机控制器13通过pto电机10的实际转速与pto电机10的目标转速对比实时把信号传递给pto电机控制器12，通过pto电机控制器12控制pto电机10的转速，保持pto电机10恒转速工作；

3）行走作业分离模式：当整机控制器13收到行走作业分离模式时，耦合器控制器9控制第一电磁锁止器16结合和同步器19中断，此时驱动电机4和pto电机10均处于工作状态，整机控制器13计算驱动电机4的目标转速nq和pto电机10的目标转速np，然后把信号传递给驱动电机控制器3和pto电机控制器12，驱动电机4根据驱动电机控制器3的信号实时进行调速，pto电机10根据pto电机控制器12的信号恒转速工作，传感器实时采集pto电机10实际转速，整机控制器13通过pto电机10的实际转速与pto电机10的目标转速对比实时把信号传递给pto电机控制器12，通过pto电机控制器12控制pto电机10的转速，保持pto电机10恒转速工作；

4）行走作业耦合模式：当整机控制器13收到行走作业耦合模式时，耦合器控制器9控制同步器19结合和伺服缸2103工作，此时驱动电机4、pto电机10处于工作状态，整机控制器13基于最大工作效率分配控制策略及第一、三输出轴需求转速计算驱动电机4的目标转速nq、pto电机10的目标转速np和伺服缸2103的压力，然后把信号传递给驱动电机控制器3、pto电机控制器12和耦合器控制器9，驱动电机4根据驱动电机控制器3的信号实时调速，pto电机10根据pto电机控制器12的信号实时调速，伺服缸2103根据耦合器控制器9的信号实时控制无级传动机构21的传动比，传感器实时采集第一、三输出轴的实际转速，整机控制器13通过第一、三输出轴的实际转速与第一、三输出轴的需求转速对比实时把信号传递给驱动电机控制器3、pto电机控制器12和耦合器控制器9，驱动电机4根据驱动电机控制器3的信号实时调速，pto电机10根据pto电机控制器12的信号实时调速，伺服缸2103根据耦合器控制器9的信号实时控制无级传动机构21的传动比，保持第一输出轴17实时调速、第三输出轴20恒转速工作；

5）能量回收模式：当整机控制器13识别到拖拉机原地静止且pto无作业或制动行走时，耦合器控制器9控制第二电磁锁止器18、第三电磁锁止器23结合和同步器中断，此时驱动电机4处于工作状态，pto电机作为发电机工作，整机控制器13计算驱动电机4处于最低能量消耗状态的转速nq，然后把信号传递给驱动电机控制器3，驱动电机4根据驱动电机控制器3的信号实时进行调速，pto电机10作为电动机把电能传输到动力电池组2。

另外，根据实际需要，本领域技术人员还能选择其他可能的工作状态。

以上所述,仅是本发明的较佳实施例而己，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明己以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,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，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。