一种氢电混合动力拖拉机电驱动系统及控制方法

本发明涉及混合动力拖拉机领域，具体涉及一种氢电混合动力拖拉机电驱动系统及控制方法。

背景技术：

1、拖拉机是我国现代农业的重要基础。随着现代农业新型生产业态和新型生产模式的发展，对生产效率、环境保护、绿色节能等方面提出了更高要求。拖拉机是量大面广的农机产品，传统拖拉机消耗了大量柴油，排放废气产生了严重的大气污染。新能源行业在拖拉机上的应用能够缓解燃油造成的环境污染和石油资源短缺问题，对于降低空气污染，提高环境水平有着重要价值和意义。

2、氢电混合动力拖拉机以清洁能源氢气作为系统的主要动力来源，氢气和氧气在燃料电池进行电化学反应之后，输出功率给系统供电。相比纯电动系统而言，氢电混合电驱动系统具有充电快、续航长和耐低温等优势，势必将会成为未来拖拉机主流的能源系统。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供了一种氢电混合动力拖拉机电驱动系统及控制方法，其可以实现氢燃料电池与动力电池组长续航、零污染协同供电，电驱动系统双电机协调工作，提高了氢电混合动力拖拉机的动力性和经济性。

2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种氢电混合动力拖拉机电驱动系统，包括安装于混合动力拖拉机上的1号电机、动力电池组、配电箱、氢燃料电池、2号电机和整机控制器，1号电机、动力电池组、配电箱、氢燃料电池、2号电机通过高压电路连接，所述整机控制器分别与传动系统控制器、电机控制器、氢燃料电池控制器、电池管理单元、电机控制器和配电箱控制电路连接，整机控制器用于控制氢电混合动力拖拉机的正常运行；所述氢燃料电池控制器控制氢燃料电池的运行；所述电池管理单元控制动力电池组的充放电；电机控制器和电机控制器分别控制1号电机和2号电机的驱动；所述传动系统控制器控制拖拉机传动系统的运行。

4、所述的传动系统包括转矩耦合传动轴、1号电机输出轴、转矩耦合装置、2号电机输出轴、减速装置、太阳轮轴制动器、中间太阳轮轴、转速耦合装置、动力输出变速装置、动力输出轴、中间行星架轴和中央传动轴；通过控制太阳轮轴制动器实现中间太阳轮轴与拖拉机机架连接或分离；

5、转矩耦合传动轴后端通过减速装置与中央传动轴连接；

6、1号电机输出轴前端连接一号电机，后端通过转矩耦合装置分别连接中间太阳轮轴和转矩耦合传动轴，中间太阳轮轴通过转速耦合装置连接中间行星架轴和中央传动轴；

7、2号电机输出轴前端连接2号电机，后端通过动力输出变速装置连接动力输出轴；2号电机输出轴也连接转速耦合装置；

8、动力输出轴与农机具连接；

9、所述中央传动轴与拖拉机中央传动连接。

10、所述的转速耦合装置包括输入从动齿轮、输入第二离合器、输入第一离合器、输入主动齿轮、转速耦合装置行星轮、转速耦合装置行星轮、转速耦合装置太阳轮、转速一档主动齿轮、转速二档主动齿轮、转速一档离合器、转速二档离合器、转速二档从动齿轮、转速一档从动齿轮、转速耦合装置制动器和转速耦合装置齿圈；

11、转速耦合装置太阳轮固连中间太阳轮轴后端，转速耦合装置行星轮固连中间行星架轴，转速耦合装置行星轮安装在转速耦合装置行星轮上，转速耦合装置行星轮分别与转速耦合装置齿圈和转速耦合装置太阳轮相啮合；转速一档主动齿轮和转速二档主动齿轮均安装在中间行星架轴上；转速一档主动齿轮与转速一档从动齿轮啮合，通过控制转速一档离合器实现转速一档从动齿轮与中央传动轴连接或断开；所述转速二档主动齿轮与转速二档从动齿轮啮合，通过控制转速二档离合器实现转速二档从动齿轮与中央传动轴连接或断开；转速耦合装置制动器实现转速耦合装置齿圈与拖拉机机架连接或分离；所述转速耦合装置可根据拖拉机动力需求对挡位进行增减。

12、所述的转矩耦合装置包括转矩一挡主动齿轮、转矩二挡主动齿轮、模式切换离合器、转矩二挡离合器、转矩二挡从动齿轮、转矩一挡从动齿轮、和转矩一挡离合器；

13、转矩一挡主动齿轮、转矩二挡主动齿轮均安装在1号电机输出轴上，转矩一挡主动齿轮与转矩一挡从动齿轮啮合，通过控制转矩一挡离合器实现转矩一挡从动齿轮与转矩耦合传动轴连接或断开；转矩二挡主动齿轮与转矩二挡从动齿轮啮合，通过控制转矩二挡离合器实现转矩二挡从动齿轮与转矩耦合传动轴连接或断开；中间太阳轮轴前端与模式切换离合器连接，通过控制模式切换离合器实现1号电机输出轴与中间太阳轮轴连接或断开；所述转矩耦合装置可根据拖拉机动力需求对挡位进行增减。

14、所述的减速装置包括减速装置太阳轮、减速装置行星轮、减速装置齿圈和减速装置行星架；减速装置太阳轮固连在转矩耦合传动轴后端，减速装置行星架固连在中央传动轴，减速装置行星轮安装在减速装置行星架上，减速装置行星轮分别与减速装置齿圈和减速装置太阳轮啮合；所述减速装置齿圈与拖拉机机架连接。

15、所述的动力输出变速装置包括动力输出二挡离合器、动力输出二挡从动齿轮、动力输出一挡从动齿轮、动力输出一挡离合器、动力输出一挡主动齿轮和动力输出二挡主动齿轮；

16、动力输出一挡主动齿轮和动力输出二挡主动齿轮与2号电机输出轴连接；动力输出一挡主动齿轮与动力输出一挡从动齿轮啮合，通过控制动力输出一挡离合器实现动力输出一挡从动齿轮与动力输出轴连接或断开；所述动力输出二挡主动齿轮与动力输出二挡从动齿轮啮合，通过控制动力输出二挡离合器实现动力输出二挡从动齿轮与动力输出轴连接或断开；所述动力输出变速装置可根据拖拉机农机具需求对挡位进行增减。

17、所述的传动系统控制器、1号电机控制器、整机控制器、氢燃料电池控制器、电池管理单元、2号电机控制器和配电箱组成氢电混合动力拖拉机动力系统的控制系统；

18、所述整机控制器通过高速can总线分别获取传动系统控制器信息、1号电机控制器信息、氢燃料电池控制器信息、电池管理单元信息、2号电机控制器信息和配电箱信息；整机控制器通过高速can总线向传动系统控制器、1号电机控制器、氢燃料电池控制器、电池管理单元、2号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总线获取混合动力拖拉机仪表、照明信息；

19、所述电池管理单元对动力电池组进行控制，所述动力电池组通过配电箱为1号电机、2号电机和低压蓄电池供电；所述氢燃料电池控制器对氢燃料电池进行控制，所述氢燃料电池通过配电箱为1号电机、2号电机和低压蓄电池供电；

20、所述混合动力拖拉机运行信息包括钥匙信号、模式信号、位置信号、转矩信号和转速信号。

21、本发明还提供了一种应用于如上所述的串并联式混合动力拖拉机驱动系统的控制方法，具体如下：预先设定treq,cd为拖拉机等效至中央传动轴的需求转矩；tm1_l,cd为1号电机等效至中央传动轴的高效工作区间转矩下限；tm1_h,cd为1号电机等效至中央传动轴的高效工作区间转矩上限；nm1_l,cd为1号电机等效至中央传动轴的高效工作区间转速下限；nm1_h,cd为1号电机等效至中央传动轴的高效工作区间转速上限；tm2_h,cd为2号电机等效至中央传动轴的高效工作区间转矩上限；nm2_h,cd为2号电机等效至中央传动轴的高效工作区间转速上限；混合动力拖拉机启动，整车进入控制系统自检，系统自检通过后，整机控制器获取钥匙信号、模式信号、位置信号、转矩信号和转速信号，整机控制器根据获取的信息决定选取启动方式，以氢燃料电池输出功率为主导、动力电池组soc维持型控制方法，决定氢燃料电池启动与关闭，同时向传动系统控制器、1号电机控制器、氢燃料电池控制器、电池管理单元、2号电机控制器和配电箱发出控制信号，从而混合动力拖拉机选择不同的运行模式：

22、所述运行模式及对应的切换方法具体如下：

23、a、单电机模式：单电机模式分为1号电机单独驱动行走和2号电机单独驱动行走两种方式，当拖拉机动力需求较低时，拖拉机需求转矩满足treq,cd≤tm2_h,cd，需求转速满足nreq,cd≤nm2_h,cd时，切换至2号电机单独驱动行走方式；拖拉机需求转矩满足tm2_h,cd≤treq,cd≤tm1_h,cd，需求转速满足nm2_h,cd≤nreq,cd≤nm1_h,cd时，切换至1号电机单独驱动行走方式；此时可以控制氢燃料电池和动力电池组根据动力电池组soc向1号电机或2号电机提供能量驱动车辆行走，此模式可以利用双电机各自最佳工况区间驱动拖拉机行走，提高拖拉机经济性；

24、b、双电机独立驱动模式：当拖拉机行走系统动力需求达到1号电机最佳工况区间时，且拖拉机行走系统需求转矩满足treq,cd≤tm1_h,cd，需求转速满足nreq,cd≤nm1_h,cd时，切换双电机独立驱动模式；此时1号电机独立完成拖拉机行走系统驱动，2号电机独立完成农机具运行，该模式下行走系统与农机具能以更加精细化协同方式工作；

25、c、双电机转矩耦合驱动模式：当拖拉机转矩需求变化较大时，拖拉机需求转矩满足treq,cd>tm1_h,cd，需求转速满足nreq,cd≤nm1_h,cd时，切换至转矩耦合驱动模式；此时1号电机和2号电机通过并联式转矩耦合的方式为拖拉机行走系统提供动力，为拖拉机提供更佳的动力性，同时控制1号电机与2号电机以最佳能耗状态下工作；

26、d、双电机转速耦合驱动模式：当拖拉机转速需求变化较大时，拖拉机需求转矩满足treq,cd≤tm1_h,cd，需求转速满足nreq,cd>nm1_h,cd时，切换至转速耦合驱动模式，此时1号电机和2号电机通过并联式转速耦合的方式为行走系统提供动力，为拖拉机提供更佳的动力性，同时控制1号电机与2号电机以最佳能耗状态下工作；

27、e、能量回收模式：当拖拉机制动或减速时，拖拉机需求转矩treq,cd<0，行走系统的机械能反向拖动1号电机进行发电，实现制动/减速能量回收。

28、本发明所带来的有益效果是：

29、1.本发明所述的氢电混合动力拖拉机的燃料电池采用氢气替代传统柴油机提供能量，发电过程不受卡诺循环效率的限制，其反应产物为水，不存在电气干扰，实现了拖拉机运行零污染，同时具有续航里程长，氢气加注时间短等优点。

30、2.通过设置以氢燃料电池输出功率为主导、动力电池组soc维持型控制方法，优化氢电混合动力拖拉机电源系统能量利用率。

31、3.氢电混合电驱动系统通过控制可以实现单电机驱动、双电机独立驱动、双电机转矩耦合驱动、双电机转速耦合驱动和能量回收等5种模式，多模式驱动方式能够有利于拖拉机运行于各种复杂环境，提高整车的动力性、经济性和适应性。

32、4.传动系统矩耦合装置可以实现1号电机与2号电机转矩耦合，能够有些解决单电机尺寸大和传统拖拉机传动系统结构复杂等问题，同时满足拖拉机低速大扭矩的作业需求；能够有效提升拖拉机牵引特性。

33、5.传动系统转速耦合装置可以实现发动机与2号电机转速耦合，能够有些解决单电机尺寸大和传统拖拉机传动系统结构复杂等问题同时满足拖拉机高速工况无级变速的作业需求。

34、6.当混合动力拖拉机处于行走制动时，系统进入能量回收模式，提高整机能量利用率。