CN110303861B - 并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其与发动机输出轴相连，无级变速传动系统包括发动机输出轴、第一电机、第二电机、电机控制器、差速器机构、离合器、变速箱、动力输出轴以及蓄电池；其中第一电机和第二电机并联布置，发动机输出轴将发动机的动力传递给第一电机发电，同时发动机输出轴通过差速器机构、离合器以及变速箱向外输出动力形成第一功率路径；第一电机通过电机控制器向第二电机和蓄电池供电，第二电机通过差速器机构、离合器以及变速箱向外输出动力形成第二功率路径。借此具有机械功率和电功率两条功率路径。

Description

并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统

技术领域

本发明是关于无级变速传动系统，特别是关于一种并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统（EMCVT）。

背景技术

现有的传动系统（以拖拉机为例）按换挡方式分为手动换挡传动系统，动力不间断自动换挡传动系统，液压机械无级变速传动系统（HMCVT）。

1.手动换挡传动系统：

拖拉机田间作业时，由于土地阻力变化大，整机负荷变化大，采用手动换挡传动系的拖拉机需要频繁停车换挡，以满足农具作业牵引力及速度要求，员工工作强度大，作业效率低，作业质量不稳定；同时，发动机转速与车辆速度直接相关，整车速度变化导致发动机转速变化范围大，发动机不能工作在一个稳定经济的转速范围内，导致油耗高、排放差、震动磨损大。该型传动系结构简单、制造维护成本低，适合农民用户当前的购买水平。世界先进国家，手动换挡传动系多应用在80Hp马力以下拖拉机产品上。

2.拖拉机动力不间断自动换挡传动系统：

在发动机到变速箱的动力不中断的车辆行驶条件下，进行的换挡过程；采用湿式多片离合器作为换挡执行机构，需要挡位变换时，换挡的两个离合器按照控制油压的变化，顺序分开与结合两个离合器，在车辆负载行驶中实现不停车换挡，解决了手动换挡传动系作业时停车换挡的问题，减少了员工作业强度、提高了操控舒适性及作业效率。但，动力不间断自动换挡传动系发动机转速与车辆速度直接相关，车辆速度变化导致发动机转速变化范围大，发动机不能工作在一个稳定经济的转速范围内，发动机油耗高、排放差、震动磨损大。同时，拖拉机由于作业要求多，挡位数量多，该种传动系结构需要的离合器数量及比例阀很多，以160马力16挡变速箱为例：全域自动变速箱需要8个离合器8个液压比例阀；由于一致性的原因，该型传动系的换挡性能需在专用出厂试验台上调试标定，随着使用时间的增长，离合器磨损增加，换挡控制时间发生了改变，平顺性变差，产生换挡冲击。目前，这些系统的技术基本被国外公司掌握并主要依靠进口，该传动系结构复杂、价格高、降价难、维修成本高。由于价格的原因，世界先进国家，动力换挡传动系多应用在80-200Hp拖拉机产品上。

3.液压机械无级变速传动系统（HMCVT）：

该传动系统由液压柱塞变量泵/马达/多排差速机构/湿式离合器及制动器组成，主要优点是：通过差速器对发动机功率分流成两条功率路线，一条是机械功率路线，功率直接传递到变速箱输入轴；一条是液压功率路线，经机-液-机功率转换过程后，与变速箱输入轴实现全部功率的汇流；通过功率分流、汇流原理，实现传动系扭矩、转速按照车辆速度与牵引力要求自动连续变化，保证车辆变速时的牵引力与速度要求。

该传动系统（HMCVT）实现了车辆传动系无级自动变化，员工操作强度低，操作舒适性好，作业效率、质量高；由于发动机转速、扭矩与整车速度、牵引力完全解耦（不相关），发动机可以稳定的工作在低油耗区域，震动小、排放好。

该传动系统(HMCVT)所采用的高压变量柱塞泵/马达、比例阀等属于精密液压偶件，对装配净洁度、使用清洁度、保养维护清洁度要求非常高，需要专用液压油，使用维护费用高昂；该系统变速箱采用多排差速机构与湿式离合器或制动器，实现4-6个挡位的区域变换，该系统零件数量多，结构复杂，系统关键技术基本被国外公司掌握，产品主要依靠进口，该传动系成本高、降价难。由于价格与使用维护的原因，该系统在中国市场使用量非常少。由于价格的原因，世界先进国家，液压机械无级变速传动系（HMCVT），多应用在200--400Hp拖拉机产品上。

上述现有技术的传动系统存在以下缺点：

1.采用手动换挡传动系，结构简单，制造、保养维修容易，成本低。缺点如下：

（1）采用手动换挡传动系的拖拉机需要频繁停车换挡，以满足农具作业牵引力及速度要求，员工工作强度大，作业效率低，作业质量不稳定。

（2）发动机转速与车辆速度直接相关，整车速度变化导致发动机转速变化范围大，发动机不能工作在一个稳定经济的转速范围内，油耗高、排放差、震动磨损大。

2.动力不间断自动换挡传动系，在车辆负载行驶中实现不停车换挡，提高了拖拉机作业效率与操控舒适性。缺点如下：

（1）该传动系发动机转速与车辆速度直接相关，车辆速度变化导致发动机转速变化范围大，发动机不能工作在一个稳定经济的转速范围内，油耗高、排放差、震动磨损大。

（2）该传动系结构需要的离合器数量及比例阀数量很多，随着使用时间的增长，离合器磨损增加，换挡控制时间发生了改变，平顺性变差，产生换挡冲击。

（3）传统动力换挡变速箱，是单功率路线有级式传动，实现超级爬行挡（超低速），要加很多繁复的减速轮系。并且，不能实现旋耕等主要作业时的无级传动，也就是理论上不能匹配到与旋耕机最佳的行驶速度

（4）目前，这些系统的技术基本被国外公司掌握并主要依靠进口，该传动系价格高、降价难、维修成本高。

3.液压机械无级变速传动系统（HMCVT），实现了由4-6个挡组成的全域无级变速系统，作业效率高，操控舒适性好，发动机输出与车辆负载、速度解耦，发动机平稳运行在低油耗、低排放区间。缺点如下：

（1）4-6个挡位组成的机械变速系统是由多排差速机构及4-6个湿式离合器或制动器构成的变速机构,结构复杂，零部件加工要求高，成本高。

（2）由液压精密偶件组成的液压功率分流系统，对装配净洁度、使用清洁度、保养维护清洁度要求非常高，需要专用液压油，使用维护费用高昂。

（3）由于这些系统的技术基本被国外公司掌握，产品主要依靠进口，成本很高、降价难。

因此，需要设计一种传动系统，能够解决上述现有传动系统所存在的技术问题。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其能够有效克服上述现有技术的传动系统存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其与发动机输出轴相连，无级变速传动系统包括发动机输出轴、第一电机、第二电机、电机控制器、差速器机构、离合器、变速箱、动力输出轴以及蓄电池；其中第一电机和第二电机并联布置，发动机输出轴将发动机的动力传递给第一电机发电，同时发动机输出轴通过差速器机构、离合器以及变速箱向外输出动力形成第一功率路径；第一电机通过电机控制器向第二电机和蓄电池供电，第二电机通过差速器机构、离合器以及变速箱向外输出动力形成第二功率路径。

在一优选的实施方式中，差速器机构包括左半轴齿轮、左半轴齿轮轴、左半轴输出齿轮、差速器行星架及右半轴齿轮；发动机输出轴与差速器行星架连接；第一电机包括第一电机输入轴、第一电机转子及第一电机定子，第一电机转子与第一电机输入轴机械连接，第一电机输入轴上设置有第一电机输入齿轮，左半轴齿轮轴一端设置有左半轴输出齿轮，另一端设置有左半轴齿轮，通过发动机输出轴、差速器行星架、左半轴齿轮、左半轴齿轮轴、左半轴输出齿轮、第一电机输入齿轮、第一电机输入轴，来驱动第一电机转子发电；第二电机包括第二电机输出主动轴、第二电机转子及第二电机定子，第二电机转子与第二电机输出主动轴机械连接，并通过第二电机输出主动轴单独输出第二电机功率；第一电机定子和第二电机定子安装在电机定子共用壳体中；发动机输出轴、第一电机输入轴、第二电机输出主动轴三轴平行，发动机输出轴通过差速器行星架以及动力输出轴向外输出发动机动力；第一电机通过电机控制器向第二电机提供电能，并通过第二电机输出主动轴向外输出行驶、换挡、助力功率。

在一优选的实施方式中，变速箱包括变速箱输入轴、变速箱同步器和变速箱齿轮组以及中央传动主动齿轮。变速箱输入轴与右半轴齿轮固定连接，用以向变速箱输入动力；变速箱同步器和变速箱齿轮组与变速箱输入轴构成定轴式4-6挡变速箱；中央传动主动齿轮与变速箱齿轮组机械连接，发动机输出轴的转速经变速箱变速后，由中央传动主动齿轮传递给中央传动从动齿轮，再经差速器半轴输出齿轮/半轴向外输出动力。

在一优选的实施方式中，并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统还包括第二电机输出主动齿轮、第二电机输出从动齿轮、动力换挡离合器主动齿轮、动力换挡离合器从动齿轮、动力换挡齿轮、动力传递离合器主动齿轮以及动力传递离合器从动齿轮。第二电机输出主动齿轮与第二电机输出主动轴固定连接；第二电机输出从动齿轮与第二电机输出从动轴固定连接，并与第二电机输出主动齿轮啮合；动力换挡离合器主动齿轮与动力换挡离合器固定连接；动力换挡离合器从动齿轮与动力换挡传动轴固定连接，并与动力换挡离合器主动齿轮啮合；动力换挡齿轮与动力换挡传动轴固定连接，并与变速箱齿轮组机械连接；动力传递离合器主动齿轮与动力传递离合器固定连接；动力传递离合器从动齿轮与变速箱输入轴固定连接，并与动力传递离合器主动齿轮啮合。

在一优选的实施方式中，发动机的机械功率通过发动机输出轴输入到差速器机构，差速器行星架将机械功率进行分流；第一功率路径为通过差速器行星架分配到右半轴齿轮直接输出到变速箱输入轴；第二功率路径为通过差速器行星架分配给左半轴齿轮、左半轴齿轮轴、左半轴输出齿轮、第一电机输入齿轮、第一电机输入轴传给第一电机转子发电转化成电功率，电功率经电机控制器调压、调频后，直接传给第二电机转化为机械能，机械能经过第二电机输出主动轴输出到第二电机输出主动齿轮、第二电机输出从动齿轮、第二电机输出从动轴，并经离合器传递给变速箱。

在一优选的实施方式中，并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统还包括功率汇流模式，在无级变速模式下，动力传递离合器结合，动力换挡离合器分离，第二电机的电功率通过第二电机输出主动轴、第二电机输出主动齿轮、第二电机输出从动齿轮、第二电机输出从动轴、动力传递离合器、动力传递离合器主动齿轮、动力传递离合器从动齿轮传递给变速箱输入轴，并与右半轴齿轮分流的一部分发动机的机械功率在变速箱输入轴处汇合。

在一优选的实施方式中，并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统还包括无级变速模式，在某一挡位下，右半轴齿轮的转速通过离合器、变速箱的传动系统与中央传动从动齿轮成固定线性正比关系；右半轴齿轮的转速在差速器机构中与左半轴齿轮的转速成线性反比关系；当发动机的转速不变时，发动机输出轴与差速器行星架连接，第一电机输入轴与左半轴齿轮连接，通过左半轴齿轮的转速变化，能够实现第一电机的功率变化，第一电机的功率变化经过电机控制器的转换/控制电流、电压、频率后，输出给第二电机电能，使第二电机的速度与变速箱输入轴的转速相匹配。

在一优选的实施方式中，在无级变速行驶状态下，第一电机始终处于发电状态。

在一优选的实施方式中，并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统还包括全域无级变速换挡模式，当动力传递离合器分离，动力换挡离合器结合，第二电机转子由控制器调整转速与换挡时刻对应挡位下的中央传动主动齿轮的转速相匹配，第二电机的功率经第二电机输出主动轴、第二电机输出主动齿轮、第二电机输出从动齿轮、第二电机输出从动轴、动力换挡离合器、动力换挡离合器主动齿轮、动力换挡离合器从动齿轮、动力换挡传动轴、动力换挡齿轮、齿轮组中对应的挡位齿轮、中央传动主动齿轮、中央传动从动齿轮至末端传动，最终到达驱动轮。

在一优选的实施方式中，并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统还包括爬行与缓行模式，当需要低速行驶时，第二电机转子输出的行走所需要的功率到达变速箱输入轴，此时发动机输出轴通过动力输出轴向后端部件提供其所需的发动机功率；同时右半轴齿轮与变速箱输入轴连接，车辆的行驶速度由右半轴齿轮的转速控制，通过将第一电机转子调整到高转速能够降低右半轴齿轮的转速。

在一优选的实施方式中，并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统还包括倒挡模式，当需要倒车时，电机控制器输入反向电压、电流，控制第二电机转子反向旋转，第二电机转子的反向功率通过第二电机输出主动轴、第二电机输出主动齿轮、第二电机输出从动齿轮、第二电机输出从动轴、动力传递离合器、动力传递离合器主动齿轮、动力传递离合器从动齿轮传递到变速箱输入轴，并通过变速箱齿轮组传递到中央传动从动齿轮输出倒车功率。

在一优选的实施方式中，并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统还包括起步助力模式，当车辆需要重负荷起步时，无级变速传动系统短期处于混合动力状态，此时发动机分流的机械功率通过右半轴齿轮输出到变速箱输入轴；同时电机控制器控制蓄电池通过路线向第二电机供电，电能通过第二电机转子转换为机械能，由第二电机输出主动轴、第二电机输出主动齿轮、第二电机输出从动齿轮、第二电机输出从动轴、动力传递离合器、动力传递离合器主动齿轮、动力传递离合器从动齿轮传递到变速箱输入轴。

在一优选的实施方式中，发动机通过飞轮和扭转减震器与发动机输出轴连接。

在一优选的实施方式中，并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统还包括变速箱前齿轮室端盖、变速箱壳体前壁以及变速箱壳体，变速箱前齿轮室端盖、变速箱壳体前壁以及变速箱壳体上设置有用于支撑第一电机输入轴、左半轴齿轮轴、第二电机输出主动轴、第二电机输出从动轴、动力换挡传动轴以及变速箱输入轴旋转的轴承。

在一优选的实施方式中，并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统还包括后桥壳体，其用于容置差速器半轴输出齿轮/半轴部件。

与现有技术相比，本发明的并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统具有以下有益效果：通过差速差速器机构对发动机功率分流成两条功率路线，一条是机械功率路线，一条是电功率路线，机械功率路线直接传递到4或6挡变速箱输入轴；电功率路线通过机-电-机的功率转换模式，传递电功率到第二电机，并传递到变速箱输入轴，与机械功率路线汇流；通过差速差速器机构功率分流、汇流原理，实现传动系（EMCVT）输出扭矩、转速根据车辆速度与牵引力变化自动连续变化，实现了拖拉机负载状态下的不停车变速。设计了第二电机功率独立传递路线，该独立路线不与变速箱功率传动路线重合，实现了4-6挡变速箱挡位的自动换挡，以保证电机在高效区工作，进而实现了整机从零到最大设计速度范围内的全域无级变速。实现了田间作业行驶自动化，大幅降低了员工的劳动强度，提高了作业效率与质量；同时，由于电机响应速度快，换挡平顺性优良，换挡时间短，减少了换挡离合器的摩擦功，提高了离合器的使用寿命与可靠性。差速行星功率分流结构，实现了发动机扭矩、转速与车辆牵引力、速度的完全解耦（独立不相关），发动机可以稳定的运转在一个优化的低油耗区域，降低发动机油耗10%以上，更容易满足排放的政策法规要求，降低了发动机的震动与磨损。可以实现拖拉机行走系统速度独立于发动机动力输出轴的转速，从而可以寻找到行驶速度与农具理论转速的最佳匹配点，提高作业效率，降低油耗、排放。可以实现超低速爬行挡功能，在0-0.1km/h的行驶速度范围内稳定工作，并通过动力输出轴输出绝大部分发动机功率，用于开沟等特殊作业。不需要在变速箱内设置倒挡，依靠第二电机的反向旋转，可以实现0-Vmax km/h的任意逆行速度，满足拖拉机各种作业要求。能够依靠第二电机的额定功率或瞬时高功率功能，助力车辆低速重负荷起步，减少地头加速时间及未作业地块，增加作物播种面积。变速箱根据拖拉机功率大小可以设计成4-6挡定轴式变速箱，采用同步器换挡结构，变速箱结构简单、可靠，零件大幅减少，传动效率高，成本低。本方案(EMCVT)的主要关键零部件，大功率永磁同步电机及电机控制器，高功率放电电池等技术与产品，本地生产商完全掌握并大规模生产，本地采购渠道宽阔。由于电机及控制器的高可靠性及低成本，本传动系的制造、使用维护成本大幅降低。采用高速双电机并联布置，传动系轴向长度更短，利于整机控制轴向尺寸;高速电机转动惯量小，利于调速与速度响应，且成本更低。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的无级变速传动系统的结构示意图。

图2是根据本发明一实施方式的无级变速传动系统的电机控制器的电功率转换模块示意图。

主要附图标记说明：

1-第一电机输入轴，2-变速箱前齿轮室端盖，3-第一电机输入齿轮（Z1），4-变速箱壳体前壁，5-左半轴输出齿轮（Z2），6-左半轴齿轮轴，7-左半轴齿轮，8-差速器行星架，9-右半轴齿轮，10-变速箱壳体，11-变速箱输入轴，12-动力输出轴，13-中央传动主动齿轮，14-中央传动从动齿轮，15-差速器半轴输出齿轮/半轴，16-后桥壳体，17-动力换挡齿轮（Z5），18-变速箱齿轮组（Z6/Z7/Z8/Z9），19-动力换挡传动轴，20-动力传递离合器（C2）从动齿轮（Zn），21-动力传递离合器（C2）主动齿轮（Zm），22-动力传递离合器（C2），23-动力换挡离合器（C1），24-动力换挡离合器（C1）从动齿轮（Zc2），25-动力换挡离合器（C1）主动齿轮（Zc1），26-第二电机输出从动齿轮（Z4），27-第二电机输出从动轴，28-第二电机输出主动齿轮（Z3），29-第二电机输出主动轴，30-第二电机定子，31-第二电机转子，32-扭转减震器，33-发动机，34-发动机输出轴，35-飞轮，36-第一电机转子，37-第一电机定子，38-电机定子共用壳体。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，图1是根据本发明一实施方式的无级变速传动系统的结构示意图。根据本发明一实施方式的并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，以下以拖拉机为具体实施例进行结构和各项功能方面的详细介绍。本方案拖拉机并联双电机差速功率分流自动换挡CVT传动系统，第一电机MG1(第一电机转子36，第一电机定子37)与第二电机MG2（第二电机定子30，第二电机转子31）并联，发动机输出轴34与MG1第一电机输入轴1及MG2第二电机输出主动轴29平行。MG1第一电机转子36与MG1第一电机输入轴1机械连接，并通过MG1第一电机输入齿轮3（Z1）、左半轴输出齿轮5（Z2）通过左半轴齿轮轴6与左半轴齿轮7联接，接受差速器行星架8分配的发动机功率进行发电；发动机33通过扭转减震器32与发动机输出轴34机械连接，发动机输出轴34与差速器行星架8联接用于输出发动机动力；MG2第二电机转子31与MG2第二电机输出主动轴29机械连用于接输出行驶、换挡、助力功率等；MG1第一电机定子37与MG2第二电机定子30安装在电机定子共用壳体38中。差速器右半轴齿轮9与变速箱输入轴11机械连接用于向变速箱输入齿圈分配的机械动力；变速箱输入轴11与变速箱同步器、变速箱齿轮组18（Z6/Z7/Z8/Z9）组成了定轴式4-6挡变速箱，变速箱齿轮组18（Z6/Z7/Z8/Z9）中的齿轮Z6/Z7/Z8/Z9等与中央传动主动齿轮13机械连接，变速后的功率经中央传动主动齿轮13传递到中央传动从动齿轮14，再经末端减速传动（未表示）传到拖拉机驱动轮。

请继续参阅图1，在一些实施方式中，本发明的无级变速传动系统具有无级变速功率输出模式。通过左半轴齿轮7、差速器行星架8、右半轴齿轮9组成的差速器机构作为发动机输出功率的分流装置；发动机发出的机械功率经过发动机输出轴34输入到差速器行星架8，差速器行星架8的功率输出到两个方向，一部分通过差速器行星架8分配到右半轴齿轮9，直接输出到变速箱输入轴11；另一部分机械功率经差速器行星架8→左半轴齿轮7→左半轴齿轮轴6→左半轴输出齿轮5（Z2）、第一电机输入齿轮3（Z1）→第一电机输入轴1→第一电机转子36进行发电转化成电功率；电功率经电机控制器进行调压、调频后，直接传给第二电机转子31转化为机械功率；MG2第二电机转子31的功率通过第二电机输出主动轴29→第二电机输出主动齿轮28（Z3）→第二电机输出从动齿轮26（Z4）→第二电机输出从动轴27→动力传递离合器22（C2）→动力传递离合器（C2）主动齿轮21（Zm）→动力传递离合器（C2）从动齿轮20（Zn）→传递给变速箱输入轴11，并与差速器右半轴齿轮9分流的发动机功率在变速箱输入轴11处汇合，从而实现发动机功率的汇流模式。

请继续参阅图1，在一些实施方式中，本发明的无级变速传动系统还具有无级变速的调速模式。某一挡位下差速器右半轴齿轮9的转速通过变速箱等传动系统与中央传动从动齿轮14成固定线性正比关系，也就与整车速度V成固定线性正比关系。差速器右半轴齿轮9在本差速器机构中与差速器左半轴齿轮7的转速成线性反比关系，因此一定的发动机转速与功率下，当整车速度减少扭矩增加时，差速器右半轴齿轮9的转速、扭矩按照固定的比例与整车同向变化，此时差速器左半轴齿轮7的转速与差速器右半轴齿轮9转速增减方向相反，即：差速器右半轴齿轮9转速增加，差速器左半轴齿轮7转速减少，反之，差速器右半轴齿轮9转速减少，差速器左半轴齿轮7转速增加。理论上可以看做发动机转速不变，即与发动机输出轴34连接的差速器行星架8转速不变，由于第一电机转子36通过第一电机输入轴1、第一电机输入齿轮3（Z1）、左半轴输出齿轮5（Z2）与差速器左半轴齿轮轴6连接，通过差速器左半轴齿轮轴6的转速变化，实现MG1第一电机功率的变化，经电机控制器转换/控制电流、电压、频率，实现对MG2第二电机转子31的速度与中央传动主动齿轮13的转速匹配，输出MG2第二电机功率；实现某一挡位下的无级变速模式。

在无级变速（CVT）行驶模式下，MG1第一电机转子36始终是单方向第一电机状态；基本调速原理是通过MG1第一电机转子36的转速变化，调整输出端右半轴齿轮9的转速，达到调整变速箱输入轴11转速变化的目的。同时，通过差速器结构特性，实现了整车速度、扭矩与发动机转速、扭矩的解耦（不相关）关系，保证发动机工作的稳定性。

请继续参阅图1，在一些实施方式中，本发明的无级变速传动系统还具有全域无级变速换挡模式。一般拖拉机整车速度范围为0-50km/h，根据拖拉机功率的不同需要设置4-6个挡位的变速箱，确保在拖拉机全速度范围内，第一电机MG1和第二电机MG2能工作在高效区域，提高传动系的总效率。

在换挡模式下，MG2第二电机的电机控制器根据换挡时刻拖拉机的速度状态，产生速度控制信号，此时的功率来自于高放电倍率蓄电池，换挡时根据离合器逻辑控制要求，动力传递离合器22（C2）分离，动力换挡离合器23（C1）结合，MG2第二电机转子31迅速调整转速与换挡时刻某挡位下中央传动主动齿轮13的转速匹配；MG2第二电机的功率经第二电机输出主动轴29→第二电机输出主动齿轮28（Z3）→第二电机输出从动齿轮26（Z4）→第二电机输出从动轴27→动力换挡离合器23（C1）结合→动力换挡离合器（C1）主动齿轮25（Zc1）→动力换挡离合器（C1）从动齿轮24（Zc2）→动力换挡传动轴19→动力换挡齿轮17（Z5）→结构设计确定的齿轮Z6/Z7/Z8/Z9中之一→中央传动主动齿轮13→中央传动从动齿轮轴14→末端传动（未图示）→最终到达驱动轮。此刻，MG2第二电机通过上述独立换挡传动路线，越过变速箱输入轴11的功率路线，直接向拖拉机中央传动主动齿轮13提供负载功率。根据差速器受力原理，此时差速器右半轴齿轮9仍然有与MG1第一电机转子36成比例的扭矩存在；MG1第一电机转子36根据中央传动主动齿轮13的实时转速信号及目标挡位信号，按照VCU（整车控制器未绘示)发出的指令进入→卸载状态→第二电机状态→转速跟踪调速模式，通过对差速器左半轴齿轮7转速的调节，调整变速箱输入轴11的转速达到同步脱挡的转速范围，TCU(变速控制器未绘示)对换挡执行机构发出指令信号，换挡执行器脱挡，本结构脱挡过程需要第一电机MG1主动调速脱挡，原因在于电机转动惯量大，同步器摘挡困难。

在挂挡状态，此时MG2第二电机仍然在原功率转态下工作，第一电机转子36根据目标挡位的转速要求，通过调整MG1第一电机的转速来调整变速箱输入轴11的转速，以达到目标挡位同步器的同步转速要求，换挡执行机构由空挡位置执行挂挡动作。此时，MG1第一电机转子36卸载进入发电转态，动力换挡离合器23（C1）分离，动力传递离合器22（C2）结合；第二电机转子31转换到正常行驶功率路线，经过相关齿轮传递功率到变速箱输入轴11，并与变速箱输入轴11处的机械分流功率汇流后输出。

所有挡位换挡过程相同。行驶换挡过程中，发动机油门开度不变，利用MG1第一电机快速响应的转速变化，调整变速箱输入轴11的转速，达到变速箱同步器的换挡要求。由于差速器机构与发动机转速、扭矩的解耦特点，传动系可以取消发动机输出端离合器。

请继续参阅图1，在一些实施方式中，本发明的无级变速传动系统还具有爬行与缓行模式速度获得方式。当车辆需要很低行走速度时，MG2第二电机转子31通过上述CVT行驶路线，输出行走所需要的功率到达变速箱输入轴11，该工况下发动机输出轴34通过动力输出轴12向后端农机具提供绝大部分发动机功率。车辆行驶速度由右半轴齿轮9控制，通过调整MG1第一电机转子36到比较高的转速，来调整左半轴齿轮7转速，以降低差速器右半轴齿轮9转速，差速器右半轴齿轮9与变速箱输入轴11连接，进而控制车辆行驶速度到接近于0-0.1km/h的稳定转态。

请继续参阅图1，在一些实施方式中，本发明的无级变速传动系统还具有倒挡模式。在倒挡模式下，电机控制器输入反向电流，控制MG2第二电机反向旋转，MG2第二电机转子31反向功率通过第二电机输出主动轴29→第二电机输出主动齿轮28（Z3）→第二电机输出从动齿轮26（Z4）→第二电机输出从动轴27→动力传递离合器22（C2）→动力传递离合器（C2）主动齿轮21（Zm）→动力传递离合器（C2）从动齿轮20（Zn）传递到变速箱输入轴11，并通过变速箱传递到中央传动主动齿轮13输出倒车功率。倒挡模式下，第一电机MG1转速范围达到最高范围。

请继续参阅图1，在一些实施方式中，本发明的无级变速传动系统还具有起步助力模式。当拖拉机需要重负荷起步时，传动系短期处于混合动力状态下，发动机分流的机械功率通过差速器右半轴齿轮9输出到变速箱输入轴11。第二电机MG2助力时处于额定与峰值功率状态之间，助力功率大小，取决于操控者油门开度区间；此时第二电机MG2的功率来自车辆蓄电池，通过路线MG2第二电机转子31→第二电机MG2输出第二电机输出主动轴29→第二电机输出主动齿轮28（Z3）→第二电机输出从动齿轮26（Z4）→第二电机输出从动轴27→动力传递离合器22（C2）→动力传递离合器（C2）主动齿轮21（Zm）→动力传递离合器（C2）从动齿轮20（Zn）→传递到变速箱输入轴11；此时变速箱输入轴11并入两股功率，其中第二电机MG2峰值功率的设计值基本等于发动机额定功率，这样第二电机的峰值功率与发动机的额定功率之和大于起步加速时所需的功率（一般起步加速时所需的功率为发动机额定功率的1.5-1.8倍），因此大幅减小了对发动机低速起步的能力要求，减少了整车加速起步距离，减小了未作业土地面积。

上述实施例仅以拖拉机为例，但本发明并不以此为限，道路及非道路车辆均可适用。

如图2所示，图2是根据本发明一实施方式的无级变速传动系统的电机控制器的电功率转换模块示意图。在一些实施方式中，本发明的发动机(ICE)动力经差速器机构功率分流产生一定比例发动机动力，直接传递给变速传动系；另一部分发动机动力通过第一电机→AC/DC整流→DC/AC逆变→第二电机→变速传动系→负载；正常作业情况下，第一电机的电能全部传给第二电机转化为机械能，与直接发动机功率合流传给负载；储能装置的能量仅用来提供换挡时与整机加速时第二电机需要的瞬时功率；电力转换模块系统根据储能装置的SOC荷值（电量水平），发出对储能装置充电的即时指令，维护储能装置SOC荷值满足换挡与起步加速的能量存储量。

综上所述，本发明的并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统具有以下优点：

1．发动机功率通过差速器及两个电机的独立作用，分流成两条功率路线，一条是机械功率路线，一条是机-电-机功率路线，通过功率分流、汇流原理，实现传动系传动比的连续无级变化即CVT传动系；由于CVT传动系可以实现发动机扭矩、转速与整车牵引力、速度的完全解耦，即独立不相关，本传动系可以在满足车辆需求功率的条件下，保持发动机稳定运转在一个低油耗、低排放的理想设计区间，达到整车省油、减低排放的目标。

2.本方案无级变速系统（EMCVT）采用并联共用定子壳体双电机结构，共用定子壳体双电机可以减少传动系轴向空间，共用电机冷却水道，共用功率线缆空间，电机集成化程度高，减小了同等功率下的电机总体积，最大程度的利用了传动系的轴向空间。

3.本方案功率分流装置采用双电机加行星差速方式，有别于液压功率分流方案（HMCVT）的柱塞泵/马达传动系，电机性能上：0到大转速、大扭矩的响应速度比液压泵系统快2-3倍，速度控制精准度优于液压泵/马达系统，使用维护费用上：电机维护保养简单，使用可靠，不会产生运转污染，液压泵与马达使用净洁度要求非常高，保养维修费用很高。成本及采购：永磁同步电机同等功率成本是液压泵/马达的一半左右，本地生产商已经完全掌握了电机的研发生产技术。

4.本方案利用（EMCVT）双电机及独立的功率传递路线，实现了所有变速箱挡位的自动换挡；采用了定轴齿轮变速箱与独立换挡路线结合，不同于传统液压（HMCVT）多排行星机构及必须采用的湿式离合器或制动器，大幅减少了制造装配难度，大幅减少了同等挡位下的零部件数量，降低了制造成本；提高了产品的设计可靠度，降低了产品的使用维护费用。

5. 本方案利用双电机及功率分流传递路线，充分发挥了第二电机峰值功率是额定功率2倍以上的特点，设计功率电池及功率电路保证MG2峰值功率的短期释放，减少了MG2电机的体积，满足了车辆动力不间断换挡功率的要求，同时在起步加速模式下，采用混合动力模式，增加整机功率1.5-1.8倍，大大减少了起步加速距离，这表明在同等农田面积下增加了被作业土地面积的比例，增加了作物产量。该混合动力模式也可以应用在拖拉机短期越障及克服短期阻力上，这取决于控制程序设置。传统液压（HMCVT）加多排行星机构传动系，目前不能产生本方案的混合功率的功能，起步加速时间长。

6.本方案(EMCVT)可以实现拖拉机行走系统速度独立于发动机动力输出轴的转速，从而可以与被驱动的农机具寻找到理论最佳速度匹配点，提高作业效率，降低油耗、排放。由于永磁交流电机的低速大转矩特性，本方案可以实现超低速爬行功能，在0-0.1km/h的行驶速度范围内稳定工作，并通过PT0离合器输出绝大部分发动机功率，用于开沟等特殊作业。

7.本方案(EMCVT)不需要在变速箱内设置倒挡，依靠MG2第二电机的反向旋转，可以实现0-Vmax km/h的设计逆行速度，满足拖拉机各种作业要求。

8.本方案(EMCVT)主要关键零部件，大功率永磁同步电机及电机控制器，高功率放电电池等技术与产品，本地厂商完全掌握并大规模生产，本地化采购渠道宽阔。由于电机及控制器的高可靠性及低成本，本传动系的制造、使用维护成本低于上述由液压元件组成的HMCVT变速系统。

9.本方案（EMCVT）实现了田间作业行驶自动化，大幅降低了员工的劳动强度，提高了作业效率与质量。

10.本方案(EMCVT)采用高速双电机并联布置，传动系轴向长度短，利于整机控制轴向尺寸，高速电机转动惯量小，利于调速与速度响应，且成本更低。

11.本方案（EMCVT）配有大功率第一电机MG1,通过标准化输出接口，向外输出规定电压、频率的电功率，为需要电功率的作业机具提供电功率，扩大了配备本方案的整机作业范围。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (13)

1.一种并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其与发动机输出轴相连，其特征在于，所述无级变速传动系统包括第一电机、第二电机、电机控制器、差速器机构、离合器、变速箱、动力输出轴以及蓄电池；

其中所述第一电机和所述第二电机并联布置，所述发动机输出轴将所述发动机的动力传递给所述第一电机发电，同时所述发动机输出轴通过所述差速器机构、所述离合器以及所述变速箱向外输出动力形成第一功率路径；所述第一电机通过所述电机控制器向所述第二电机和所述蓄电池供电，所述第二电机通过所述差速器机构、所述离合器以及所述变速箱向外输出动力形成第二功率路径；

所述差速器机构包括左半轴齿轮、左半轴齿轮轴、左半轴输出齿轮、差速器行星架及右半轴齿轮；所述发动机输出轴与所述差速器行星架连接；

所述第一电机包括第一电机输入轴、第一电机转子及第一电机定子，所述第一电机转子与所述第一电机输入轴机械连接，所述第一电机输入轴上设置有第一电机输入齿轮，所述左半轴齿轮轴一端设置有所述左半轴输出齿轮，另一端设置有所述左半轴齿轮，通过所述发动机输出轴、所述差速器行星架、所述左半轴齿轮、所述左半轴齿轮轴、所述左半轴输出齿轮、所述第一电机输入齿轮、所述第一电机输入轴，来驱动所述第一电机转子发电；

所述第二电机包括第二电机输出主动轴、第二电机转子及第二电机定子，所述第二电机转子与所述第二电机输出主动轴机械连接，并通过所述第二电机输出主动轴单独输出第二电机功率；

所述第一电机定子和所述第二电机定子安装在电机定子共用壳体中；

在无级变速行驶状态下，所述第一电机始终处于发电状态；

所述发动机通过飞轮和扭转减震器与所述发动机输出轴连接。

2.如权利要求1所述的并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其特征在于，所述发动机输出轴、所述第一电机输入轴、所述第二电机输出主动轴三轴平行，所述发动机输出轴通过所述差速器行星架以及所述动力输出轴向外输出发动机动力；所述第一电机通过所述电机控制器向所述第二电机提供电能，并通过所述第二电机输出主动轴向外输出行驶、换挡、助力功率。

3.如权利要求2所述的并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其特征在于，所述变速箱包括：

变速箱输入轴，其与所述右半轴齿轮固定连接，用以向所述变速箱输入动力；

变速箱同步器和变速箱齿轮组，其与所述变速箱输入轴构成定轴式4-6挡变速箱；以及

中央传动主动齿轮，其与所述变速箱齿轮组机械连接，所述发动机输出轴的转速经所述变速箱变速后，由所述中央传动主动齿轮传递给中央传动从动齿轮，再经差速器半轴输出齿轮/半轴向外输出动力。

4.如权利要求3所述的并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其特征在于，还包括：

第二电机输出主动齿轮，其与所述第二电机输出主动轴固定连接；

第二电机输出从动齿轮，其与第二电机输出从动轴固定连接，并与所述第二电机输出主动齿轮啮合；

动力换挡离合器主动齿轮，其与动力换挡离合器固定连接；

动力换挡离合器从动齿轮，其与动力换挡传动轴固定连接，并与所述动力换挡离合器主动齿轮啮合；

动力换挡齿轮，其与动力换挡传动轴固定连接，并与所述变速箱齿轮组机械连接；

动力传递离合器主动齿轮，其与动力传递离合器固定连接；以及

动力传递离合器从动齿轮，其与所述变速箱输入轴固定连接，并与所述动力传递离合器主动齿轮啮合。

5.如权利要求4所述的并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其特征在于，所述发动机的机械功率通过所述发动机输出轴输入到所述差速器机构，所述差速器行星架将所述机械功率进行分流；所述第一功率路径为通过所述差速器行星架分配到所述右半轴齿轮直接输出到所述变速箱输入轴；所述第二功率路径为通过所述差速器行星架分配给所述左半轴齿轮、所述左半轴齿轮轴、所述左半轴输出齿轮、所述第一电机输入齿轮、所述第一电机输入轴传给所述第一电机转子发电转化成电功率，所述电功率经所述电机控制器进行调压、调频后，直接传给所述第二电机转化为机械能，所述机械能经过所述第二电机输出主动轴输出到所述第二电机输出主动齿轮、所述第二电机输出从动齿轮、所述第二电机输出从动轴，并经所述离合器传递给所述变速箱。

6.如权利要求4所述的并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其特征在于，还包括功率汇流模式，在无级变速模式下，所述动力传递离合器结合，所述动力换挡离合器分离，所述第二电机的电功率通过所述第二电机输出主动轴、所述第二电机输出主动齿轮、所述第二电机输出从动齿轮、所述第二电机输出从动轴、所述动力传递离合器、所述动力传递离合器主动齿轮、所述动力传递离合器从动齿轮传递给所述变速箱输入轴，并与所述右半轴齿轮分流的一部分所述发动机的机械功率在所述变速箱输入轴处汇合。

7.如权利要求4所述的并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其特征在于，还包括无级变速模式，在某一挡位下，所述右半轴齿轮的转速通过所述离合器、所述变速箱的传动系统与所述中央传动从动齿轮成固定线性正比关系；所述右半轴齿轮的转速在所述差速器机构中与所述左半轴齿轮的转速成线性反比关系；当所述发动机的转速不变时，所述发动机输出轴与所述差速器行星架连接，所述第一电机输入轴与所述左半轴齿轮连接，通过所述左半轴齿轮的转速变化，能够实现所述第一电机的功率变化，所述第一电机的功率变化经过所述电机控制器的转换/控制电流、电压、频率后，输出给所述第二电机电能，使所述第二电机的速度与所述变速箱输入轴的转速相匹配。

8.如权利要求4所述的并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其特征在于，还包括全域无级变速换挡模式，当动力传递离合器分离，动力换挡离合器结合，所述第二电机转子由所述电机控制器调整转速与换挡时刻对应挡位下的所述中央传动主动齿轮的转速相匹配，所述第二电机的功率经所述第二电机输出主动轴、所述第二电机输出主动齿轮、所述第二电机输出从动齿轮、所述第二电机输出从动轴、所述动力换挡离合器、所述动力换挡离合器主动齿轮、所述动力换挡离合器从动齿轮、所述动力换挡传动轴、所述动力换挡齿轮、所述齿轮组中对应的挡位齿轮、所述中央传动主动齿轮、所述中央传动从动齿轮至末端传动，最终到达驱动轮。

9.如权利要求4所述的并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其特征在于，还包括爬行与缓行模式，当需要低速行驶时，所述第二电机转子输出的行走所需要的功率到达所述变速箱输入轴，此时所述发动机输出轴通过所述动力输出轴向后端部件提供其所需的发动机功率；同时所述右半轴齿轮与所述变速箱输入轴连接，车辆的行驶速度由所述右半轴齿轮的转速控制，通过将所述第一电机转子调整到高转速能够降低所述右半轴齿轮的转速。

10.如权利要求4所述的并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其特征在于，还包括倒挡模式，当需要倒车时，所述电机控制器输入反向电压、电流，控制所述第二电机转子反向旋转，所述第二电机转子的反向功率通过所述第二电机输出主动轴、所述第二电机输出主动齿轮、所述第二电机输出从动齿轮、所述第二电机输出从动轴、所述动力传递离合器、所述动力传递离合器主动齿轮、所述动力传递离合器从动齿轮传递到所述变速箱输入轴，并通过所述变速箱齿轮组传递到所述中央传动主动齿轮和所述中央传动从动齿轮输出倒车功率。

11.如权利要求4所述的并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其特征在于，还包括起步助力模式，当车辆需要重负荷起步时，所述无级变速传动系统短期处于混合动力状态，此时所述发动机分流的机械功率通过所述右半轴齿轮输出到所述变速箱输入轴；同时所述电机控制器控制所述蓄电池通过路线向所述第二电机供电，电能通过所述第二电机转子转换为机械能，由所述第二电机输出主动轴、所述第二电机输出主动齿轮、所述第二电机输出从动齿轮、所述第二电机输出从动轴、所述动力传递离合器、所述动力传递离合器主动齿轮、所述动力传递离合器从动齿轮传递到所述变速箱输入轴。

12.如权利要求11所述的并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其特征在于，还包括变速箱前齿轮室端盖、变速箱壳体前壁以及变速箱壳体，所述变速箱前齿轮室端盖、所述变速箱壳体前壁以及所述变速箱壳体上设置有用于支撑所述第一电机输入轴、所述左半轴齿轮轴、所述第二电机输出主动轴、第二电机输出从动轴、动力换挡传动轴以及变速箱输入轴旋转的轴承。

13.如权利要求11所述的并联双电机差速功率分流的无级变速传动系统，其特征在于，还包括后桥壳体，其用于容置所述差速器半轴输出齿轮/半轴部件。