一种双电机混联式混合动力拖拉机及控制方法

本发明涉及一种拖拉机，具体涉及一种双电机混联式混合动力拖拉机及控制方法。

背景技术：

作为农业机械的拖拉机，工况类型复杂、工作条件差，会造成非常严重的环境污染和能源浪费，传统的燃油拖拉机普遍存在档位过多、操作困难、噪声大、尾气颗粒物排放严重和牵引效率低等问题。节能环保农用车辆作为未来拖拉机发展的趋势之一，其佼佼者非电动拖拉机和混合动力拖拉机莫属。其中，电动拖拉机受限于电池技术的发展，在短时间内很难突破，混合动力拖拉机顺势成为当下既能满足农业发展需求又符合节能环保主题的最佳选择。

在拖拉机领域，节能拖拉机的发展并未跟上时代的步伐。目前来说，混合动力在拖拉机的应用并不成熟与普遍，国内相较于国外更是如此。拖拉机与传统汽车相比，其速度要求不高，但对于扭矩及牵引力有较高的需求，同时拥有传统汽车所不具备的后动力输出装置(pto),因此其混合动力的传动系统较汽车有不同的设计需求。

现有的混合动力拖拉机驱动结构，一般由发动机经传统分动箱驱动后动力输出，转速档位受限，农具适配度较低，且发动机燃油经济性一般；采用轮毂电机对车轮进行直接驱动，使得拖拉机整体成本也较高。因此，寻求设计一款燃油经济性高、污染气体排放量低，成本亲民，且能够根据复杂多变的工作环境进行动力输出调整的油电混合动力拖拉机具有重要意义。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双电机混联式混合动力拖拉机及控制方法，具有经济动力性好、污染气体排放量低，并可根据复杂工况进行不同动力输出的优点。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种双电机混联式混合动力拖拉机，包括发动机1和电动机2，发动机1通过第一离合器c1与发电机3串联，发电机3的动力输出和机械耦合器15的一个输入连接，发电机3的电力输出通过逆变器13和电池组4的输入连接；电池组4的电力输出通过逆变器13给电动机2供电，电池组4输出的荷电状态与车辆控制器17的第一输入进行信号连接；车辆控制器17的第一输出通过发动机控制器16与发动机1的控制输入连接，车辆控制器17的第二输出通过发电机控制器18与发电机3的控制输入连接，车辆控制器17的第三输出通过电动机控制器14与电动机2的控制输入连接，电动机2通过传动装置6的一个输出与后动力输出装置10连接，电动机2通过传动装置6的另一个输出和机械耦合器15的另一个输入连接，机械耦合器15的输出和后驱动桥8的输入连接，后驱动桥8连接在车轮半轴7上，车轮半轴7的端头安装有车轮9，车轮9上安装有制动器11；车辆控制器17的第四输出通过机械制动控制器5和制动器11连接。

所述的车辆控制器17的第二输入与机械耦合器15输出轴上所安装车速传感器12的输出连接，将实时的车速反馈给车辆控制器17。

所述的机械耦合器15包括第二离合器c2，第二离合器c2的输入和发电机输出轴20连接，第二离合器c2的输出通过第一锁止器b1和行星齿轮机构22的输入连接，行星齿轮机构22的输出和后驱动桥8连接；所述的行星齿轮机构22包含太阳轮24、行星架19以及外齿圈23，外齿圈23通过第二锁止器b2和行星架19配合锁紧。

所述的传动装置6包括第二齿轮g2，第二齿轮g2连接在电动机输出轴21上，电动机输出轴21通过第四离合器c4和第三齿轮g3的安装轴连接，第三齿轮g3和行星齿轮机构22的外齿圈23啮合；第二齿轮g2和第一齿轮g1啮合，第一齿轮g1的安装轴通过第三离合器c3和后动力输出装置10连接。

所述的机械耦合器15包括三种运行模式：发电机单独驱动模式、电动机单独驱动模式以及转速耦合模式：

发电机单独驱动模式：拖拉机的行进由发电机3单独驱动，第二锁止器b2将外齿圈23锁定，第二离合器c2接合，发电机3切换至电动机驱动模式，发电机输出轴20的动力经行星齿轮机构22的太阳轮24、行星架19，最终传入后驱动桥8；

电动机单独驱动模式：拖拉机的行进由电动机2单独驱动，第一锁止器b1将太阳轮24锁定，第四离合器c4接合，第三离合器c3断开，电动机输出轴21的动力经第二齿轮g2、第三齿轮g3、行星齿轮机构22的外齿圈23传递至行星架19最终传入后驱动桥8；

转速耦合模式：第一锁止器b1、第二锁止器b2均不进行锁止，此时电动机输出轴21的转速流经第二齿轮g2、第三齿轮g3到行星齿轮机构22的外齿圈23；同时，发电机输出轴20的转速流经行星齿轮机构22的太阳轮24；发电机输出轴20与电动机输出轴21的转速共同在行星齿轮机构22的行星架19耦合，然后将转速传递给后驱动桥8。

当拖拉机处于旋耕作业时，由发电机3单独驱动拖拉机的行进，而电动机2直接驱动后动力输出装置10，完成旋耕作业，此时第四离合器c4断开，第三离合器c3闭合，电动机2的动力经第二齿轮g2、第一齿轮g1传递到后动力输出装置10。

所述的一种双电机混联式混合动力拖拉机的控制方法，包括：

(1)当驾驶员选择拖拉机运行工况为旋耕作业时，采用pto工作模式，即切换至发电机单独驱动模式，发电机3驱动车轮9前行，电动机2驱动后动力输出装置10；

(2)当驾驶员未指定拖拉机运行工况为旋耕作业时，且需求车速大于预设值，切换至转速耦合模式，通过机械耦合器15完成与电动机2的速度耦合，驱动拖拉机前行；

(3)当车速小于预设值时，电池组4电量允许的前提下，切换至电动机单独驱动模式；若电池组4soc值低于下限，车辆控制器17将同时向发动机控制器16和发电机控制器19发出启动指令，对电池组4进行充电，当电池组4达到soc值达到上限时，车辆控制器17将同时向发动机16控制器和发电机19控制器发出停车指令，完成充电。

本发明的有益效果为：

采用双电机进行转速耦合，对于车轮驱动可实现发动机1和电动机2并联驱动、分别单独驱动，可满足拖拉机作业运输等不同工况的速度要求，各种工况的适应性强，制备成本可控，应用环境友好。

在串联传动装置的基础上，增加一台电动机2可同时实现对后动力输出装置10(pto)的驱动以及车轮的并联驱动，整个混动系统中柴油机处于与发电机串联的位置中，可始终运转在高效区间，燃油经济性高，污染气体排放量低。

对于后动力输出装置10，采用电动机2进行直接驱动，其输出特性不再取决于发动机1的操作特性和车辆的操作条件，可使其在自由范围内的要求在变速范围内运行，农具配适度高。

附图说明

图1为本发明双电机混联式混合动力拖拉机的结构示意图。

图2为本发明传动装置与机械耦合器的结构示意图。

图3为本发明控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

参照图1，一种双电机混联式混合动力拖拉机，包括发动机1和电动机2，发动机1通过第一离合器c1与发电机3串联，发电机3的动力输出和机械耦合器15的一个输入连接，发电机3的电力输出通过逆变器13和电池组4的输入连接，以给电池组4进行充电；电池组4的电力输出可以通过逆变器13给电动机2供电，当发电机3处于电动模式时，电池组4的电力输出还可以通过逆变器13给发电机3供电；电池组4输出的荷电状态与车辆控制器17的第一输入进行信号连接，电池组4实时将电池荷电状态(soc)反馈给车辆控制器17，低于一定值，便启动发动机1使发电机3工作对电池组4进行充电，从而使电池荷电状态(soc)始终保持在合理的荷电状态水平。

所述的的车辆控制器17是主要控制模块，其汇集了驾驶员与车辆各组件的工作数据；基于拖拉机工况需求、转矩、车速、电池组4荷电状态、发动机1、发电机3、电动机2的转速等信号和组件的工作特性与合理配置的工作策略，由车辆控制器17向拖拉机的各组件控制器发出工作信号；各组件的控制器控制相应的组件，以满足拖拉机电驱动系的工作要求；按照由驾驶员与各组件的工作控制指令，车辆控制器17可以实现各种的运行模式，并应该向每个组件控制器传递正确的控制信号。

车辆控制器17接收到运行指令，其第一输出通过发动机控制器16与发动机1的控制输入连接，将发动机1转速反馈给车辆控制器17从而不断修正发动机1的转速以及节气门的位置；其第二输出通过发电机控制器18与发电机3的控制输入连接，根据运行指令控制发电机3的启停以及修正其转速以及转矩；其第三输出通过电动机控制器14与电动机2的控制输入连接，根据运行指令控制电动机2的启停以及修正其转速以及转矩；电动机2通过传动装置6的一个输出与后动力输出装置10连接，电动机2通过传动装置6的另一个输出和机械耦合器15的另一个输入连接，机械耦合器15的输出和后驱动桥8的输入连接，后驱动桥8连接在车轮半轴7上，车轮半轴7的端头安装有车轮9，车轮9上安装有制动器11；车辆控制器17的第二输入与机械耦合器15输出轴上所安装车速传感器12的输出连接，将实时的车速反馈给车辆控制器17，用于不断调整车速；车辆控制器17的第四输出通过机械制动控制器5和制动器11连接。

当发电机3处于电动模式时，电池组4负责同时给电动机2以及发电机3供电，发电机3与电动机2的传动装置6通过机械耦合器15进行转速耦合，机械耦合器15将耦合转矩传给后驱动桥8，然后通过后车轮半轴7将动力传递给后车轮9。

参照图2，所述的机械耦合器15包括第二离合器c2，第二离合器c2的输入和发电机输出轴20连接，第二离合器c2的输出通过第一锁止器b1和行星齿轮机构22的输入连接，行星齿轮机构22的输出和后驱动桥8连接；所述的行星齿轮机构22包含太阳轮24、行星架19以及外齿圈23，外齿圈23通过第二锁止器b2和行星架19配合锁紧。

参照图2，所述的传动装置6包括第二齿轮g2，第二齿轮g2连接在电动机输出轴21上，电动机输出轴21通过第四离合器c4和第三齿轮g3的安装轴连接，第三齿轮g3和行星齿轮机构22的外齿圈23啮合；第二齿轮g2和第一齿轮g1啮合，第一齿轮g1的安装轴通过第三离合器c3和后动力输出装置10连接。

所述的机械耦合器15包括三种运行模式：发电机单独驱动模式、电动机单独驱动模式以及转速耦合模式：

发电机单独驱动模式：拖拉机的行进由发电机3单独驱动，第二锁止器b2将外齿圈23锁定，第二离合器c2接合，发电机3切换至电动机驱动模式，发电机输出轴20的动力经行星齿轮机构22的太阳轮24、行星架19，最终传入后驱动桥8；

电动机单独驱动模式：拖拉机的行进由电动机2单独驱动，第一锁止器b1将太阳轮24锁定，第四离合器c4接合，第三离合器c3断开，电动机输出轴21的动力经第二齿轮g2、第三齿轮g3、行星齿轮机构22的外齿圈23传递至行星架19最终传入后驱动桥8；

转速耦合模式：第一锁止器b1、第二锁止器b2均不进行锁止，此时电动机输出轴21的转速流经第二齿轮g2、第三齿轮g3到行星齿轮机构22的外齿圈23；同时，发电机输出轴20的转速流经行星齿轮机构22的太阳轮24；发电机输出轴20与电动机输出轴21的转速共同在行星齿轮机构22的行星架19耦合，然后将转速传递给后驱动桥8。

当拖拉机处于旋耕作业时，由发电机3单独驱动拖拉机的行进，而电动机2直接驱动后动力输出装置10，完成旋耕作业，此时第四离合器c4断开，第三离合器c3闭合，电动机2的动力经第二齿轮g2、第一齿轮g1传递到后动力输出装置10。

所述的双电机混联式混合动力拖拉机的各种运行工况的适应性强，制备成本可控。

参照图3，所述的一种双电机混联式混合动力拖拉机的控制方法，包括：

(1)当驾驶员选择拖拉机运行工况为旋耕作业时，采用pto工作模式，由发电机3单独驱动车轮行进，电动机2直接驱动后动力输出装置10；此时驾驶员通过车辆控制器17分别向电动机控制器14、发电机控制器18和发动机控制器16发出启动、启动和停车指令，即切换至发电机单独驱动模式，同时相应离合器与制动器11完成动作切换，即发电机3驱动车轮9前行，电动机2驱动后动力输出装置10；

(2)当驾驶员未指定拖拉机运行工况为旋耕作业时，且需求车速大于预设值，此时驾驶员通过车辆控制器17分别向电动机控制器14、发电机控制器18和发动机控制器16发出启动、启动和停车指令，相应离合器与制动器11完成动作切换，即切换至转速耦合模式，通过机械耦合器15完成与电动机2的速度耦合，驱动拖拉机前行；

(3)当车速小于预设值时，电池组4电量允许的前提下，车辆控制器17将分别向电动机控制器14、发电机控制器18和发动机控制器16发出启动、停车和停车指令，即切换至电动机单独驱动模式；若电池组4soc值低于下限，车辆控制器17将同时向发动机控制器16和发电机控制器19发出启动指令，对电池组4进行充电，当电池组4达到soc值达到上限时，车辆控制器17将同时向发动机16控制器和发电机19控制器发出停车指令，完成充电，使电池组始终保持在合理的荷电水平；充电过程中，发动机1始终工作在最佳燃油经济区域，其燃油经济性高，污染气体排放量低。