CN110303863A - 双电机串联的全域无级变速传动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双电机串联的全域无级变速传动系统，其与发动机输出轴连接，全域无级变速传动系统包括第一电机离合器、第一电机、第二电机、电机控制器、换挡离合器、变速箱以及蓄电池；其中第一电机和第二电机串联布置；发动机输出轴通过动力输出轴直接向外输出动力；发动机输出轴通过第一电机离合器向第一电机提供发电功率；第一电机通过电机控制器向第二电机和蓄电池提供电能，同时第二电机通过变速箱提供变速、调速功率。本发明的全域无级变速传动系统，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。

Description

双电机串联的全域无级变速传动系统

技术领域

本发明是关于道路及非道路车辆用全域无极变速传动系统领域，特别是关于一种双电机串联的全域无级变速传动系统。

背景技术

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

1.手动换挡传动系

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

指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(HMCVT)

该传动系由液压柱塞变量泵/马达/多排行星机构/湿式离合器及制动器组成，主要优点是：通过行星排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(HMCVT)实现了车辆传动系无极自动变化，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(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行星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。

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，缺点为：

(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，缺点为：

(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(HMCVT)实现了由4-6个挡组成的全域无极变速系统，缺点为：

(1)4-6个挡位组成的机械变速系统是由多排行星机构及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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双电机串联的全域无级变速传动系统，其能够很好地克服现有技术的传动系统存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种双电机串联的全域无级变速传动系统，其与发动机输出轴连接，全域无级变速传动系统包括第一电机离合器、第一电机、第二电机、电机控制器、换挡离合器、变速箱以及蓄电池；其中第一电机和第二电机串联布置；发动机输出轴通过动力输出轴直接向外输出动力；发动机输出轴通过第一电机离合器向第一电机提供发电功率；第一电机通过电机控制器向第二电机和蓄电池提供电能，同时第二电机通过变速箱提供变速、调速功率。

在一优选的实施方式中，第一电机包括第一电机转子以及第一电机定子，第一电机转子与离合器输出第一电机输入空心轴刚性连接，离合器输出第一电机输入空心轴通过第一电机离合器与发动机输出轴连接；第二电机包括第二电机转子以及第二电机定子，第二电机转子与第二电机输出空心轴刚性连接，第二电机输出空心轴与变速箱输入空心轴以及换挡动力输入空心轴同心连接；第一电机定子和第二电机定子共同安装在电机定子共用壳体中，电机定子共用壳体通过螺栓与变速箱壳体连接；

其中发动机输出轴从离合器输出第一电机输入空心轴内通过后与动力输出轴同轴心连接，离合器输出第一电机输入空心轴从第二电机输出空心轴内通过，发动机输出轴、离合器输出第一电机输入空心轴、第二电机输出空心轴为三轴同轴嵌套结构，同时发动机输出轴同样从变速箱输入空心轴和换挡动力输入空心轴内通过。

在一优选的实施方式中，离合器输出第一电机输入空心轴的前端与发动机离合器的从动盘连接，离合器输出第一电机输入空心轴的后端与换挡离合器从动盘连接，发动机离合器的主动盘与发动机输出轴连接，换挡离合器主动盘同轴连接换挡主动齿轮，。

在一优选的实施方式中，变速箱包括同步器和齿轮组、变速箱输出轴以及换挡从动齿轮。变速箱输出轴，其与齿轮组机械连接；换挡从动齿轮，其与变速箱输出轴同轴连接，同时与换挡主动齿轮啮合。

在一优选的实施方式中，双电机串联的全域无级变速传动系统还包括无级变速功率输出模式，其传输路径为发动机通过发动机离合器、离合器输出第一电机输入空心轴将发动机的机械功率传递给发动机转子进行发电转换成电功率，第一电机通过电机控制器将电功率传递给第二电机再转换成机械功率，机械功率通过变速箱输入空心轴、同步器、齿轮组的变速变扭后通过变速箱输出轴、中央传动主动齿轮、中央传动从动齿轮向外输出行驶驱动功率。

在一优选的实施方式中，双电机串联的全域无级变速传动系统还包括无级变速调速模式，发动机的功率全部传递给第一电机转子转换为电功率，全部电功率经电机控制器对电流、电压、频率的连续无级控制，能够实现对第二电机转子在恒功率下的输出扭矩、转速的无级调节，再通过变速箱输入空心轴输入变速箱，经变速箱变速变扭后由变速箱输出轴、中央传动主动齿、中央传动从动齿传递至末端驱动轮。

在一优选的实施方式中，双电机串联的全域无级变速传动系统还包括全域无级变速换挡模式，第一电机由发电状态切换为电动状态，电机控制器根据换挡时刻车辆的行驶速度状态，产生对第一电机转速的控制信号，此时第一电机的功率来自于高放电倍率的蓄电池，换挡时根据离合器的逻辑控制，换挡离合器主动盘与换挡离合器从动盘结合，此时第一电机转子迅速调整转速与换挡时刻某挡位下的中央传动主动齿轮的转速相匹配，第一电机的功率经输出离合器输出第一电机输入空心轴、换挡动力输入空心轴、换挡离合器、换挡主动齿轮、换挡从动齿轮、中央传动主动齿轮、中央传动从动齿轮、最终到达驱动轮。

在一优选的实施方式中，双电机串联的全域无级变速传动系统还包括爬行与缓行速度获得模式，当车辆需要很低行走速度时，第二电机转子输出行走功率到变速箱输入空心轴，该工况下发动机输出轴通过动力输出轴向后端用功设备提供绝大部分发动机功率，此时车辆的行驶速度由第二电机的转速控制，能够满足车辆处于低速大扭矩行驶状态。

在一优选的实施方式中，双电机串联的全域无级变速传动系统还包括倒挡模式，电机控制器输入反向电流、电压，控制第二电机反向旋转，第二电机的反向功率通过第二电机输出空心轴、变速箱输入空心轴、中央传动主动齿轮、中央传动从动齿轮输出倒车功率。

在一优选的实施方式中，双电机串联的全域无级变速传动系统还包括起步助力模式，车辆进行重负荷起步时，全域无级变速传动系统将短期处于混合动力状态，此时第二电机的功率来自两条路径，一条路径为发动机通过第一电机发电产生电功率，电功率经电机控制器传递给第二电机将电功率转换为机械功率；另一条路径为通电机控制器由蓄电池向第二电机提供电功率；两条路径的电功率叠加值将大于发动机的额定功率。

在一优选的实施方式中，两条路径的电功率叠加值介于发动机的额定功率的1.5～1.8倍之间。

在一优选的实施方式中，双电机串联的全域无级变速传动系统还包括电机轴承盖以及中央传动后桥壳体。电机轴承盖设置于电机定子共用壳体的两端；中央传动后桥壳体用于容置中央传动主动齿轮、中央传动从动齿轮以及差速器半轴输出齿轮/半轴。

与现有技术相比，本发明的双电机串联的全域无级变速传动系统具有以下有益效果：发动机与第一电机通过离合器或减震器联接，发动机功率全部转换为发电功率，全部电功率经电功率转换模块输出给第二电机，通过电机控制器对电流、电压、频率的控制实现第二电机的输出扭矩、转速的无级变化，满足车辆工作在CVT模式下。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。双电机串联结构，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。利用永磁交流电机的低速大转矩特性，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。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。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。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的全域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全域无级变速传动系统的电功率转换模块的方块图。

主要附图标记说明：

1-第一电机离合器，2-飞轮，3-发动机，4-发动机输出轴，5-离合器输出第一电机输入空心轴，6-电机轴承盖，7-电机定子共用壳体，8-第一电机定子，9-第一电机转子，10-第二电机定子，11-第二电机转子，12-第二电机输出空心轴，13-变速箱输入空心轴，14-变速箱壳体，15-换挡主动齿轮(Z1)，16-换挡离合器从动盘，17-换挡离合器主动盘，18-换挡动力输入空心轴，19-动力输出轴，20-中央传动后桥壳体，21-差速器半轴输出齿轮/半轴，22-中央传动从动齿轮，23-中央传动主动齿轮，24-换挡从动齿轮(Z2)，25-变速箱输出轴。

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全域无级变速传动系统的结构示意图。根据本发明优选实施方式的双电机串联的全域无级变速传动系统，发动机输出轴4在离合器输出第一电机输入空心轴5内通过，离合器输出第一电机输入空心轴5从第二电机输出空心轴12内通过，三条轴为同轴嵌套结构，同时离合器输出第一电机输入空心轴5、变速箱输入空心轴13、换挡动力输入空心轴18三轴同轴心连接，发动机输出轴也同时从变速箱输入空心轴13和换挡动力输入空心轴内通过后与动力输出轴同轴心连接。

在一些实施方式中，MG1第一电机定子8与MG2第二电机定子10安装在电机定子共用壳体7中。MG1第一电机转子9与离合器输出第一电机输入空心轴5刚性连接并与第一电机离合器1的从动盘联结，接受发动机3输出的功率发电。发动机3与发动机输出轴4机械连接，发动机输出轴4穿过离合器输出第一电机输入空心轴5输出到动力输出轴19。MG2第二电机转子11与第二电机输出空心轴12机械连接，并通过第二电机输出空心轴12输出功率到变速箱输入空心轴13。变速箱输入空心轴13与变速箱的同步器、齿轮组及变速箱输出轴25组成了定轴式4-6挡变速箱，变速箱输出轴25与中央传动主动齿轮23机械联结，变速后的功率经变速箱输出轴25传递到中央传动主动齿轮23、中央传动从动齿轮22，再经末端减速传动(未表示)传到拖拉机驱动轮。本实施例的MG1第一电机和MG2第二电机都采用永磁同步交流电机，其具有低速大扭矩特性以及第二电机与第一电机的随时互换功能。

在一些实施方式中，离合器输出第一电机输入空心轴5与换挡动力输入空心轴18机械连接，换挡离合器主动盘17与换挡动力输入空心轴18机械联接。第一电机定子8和第二电机定子10通过电机定子共用壳体7与后部的变速箱壳体14螺栓联接，电机定子共用壳体7的两端设置有电机轴承盖6。

请继续参阅图1，在一些实施方式中，本发明的双电机串联的全域无级变速传动系统还包括无级变速功率输出模式，其传递路径为发动机3的全部动力通过离合器1→离合器输出第一电机输入空心轴5→第一电机转子9全部转化为电功率，电功率经由电功率转换模块(其包括电机控制器等元件)→第二电机MG2转换为机械功率，机械功率又经过第二电机输出空心轴12→变速箱输入空心轴13→经变速器变速变扭后，再通过变速箱输出轴25→中央传动主动齿轮23→中央传动从动齿轮22→末端传动(未图示)→驱动轮(未图示)。

请继续参阅图1，在一些实施方式中，本发明的双电机串联的全域无级变速传动系统还包括无级变速的调速模式，其传递路径为发动机3功率全部转换为MG1第一电机转子9的电功率，全部电功率经电功率转换模块对电流、电压、频率的连续无级控制，实现对MG2第二电机转子11恒功率下输出扭矩、转速的无级调节，并输入到变速箱输入空心轴13，由变速箱变速变扭后，经变速箱输出轴25→中央传动主动齿轮23→中央传动从动齿轮22→末端传动(未图示)→驱动轮(未图示)，满足车辆工作处在无级变速(CVT)模式下。在结构上，本全域无级变速传动系统的功率全部由MG2第二电机输入，因此，传动系无级变速(CVT)功能是由第二电机本身的恒功率无级变速能力决定的。

请继续参阅图1，在一些实施方式中，本发明的双电机串联的全域无级变速传动系统还包括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个挡位的定轴变速箱，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，提高传动系总效率。

在换挡模式下：MG1第一电机转子9由发电状态转为电动状态，整车控制器(VCU未绘示)根据换挡时刻拖拉机的速度状态，产生第一电机MG1(此时已切换为第二电机状态)转速控制信号，此时的第一电机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，换挡离合器从动盘16与换挡离合器主动盘17结合，MG1第一电机转子9迅速调整转速与换挡时刻某挡位下中央传动主动齿轮23的转速相匹配；第一电机MG1功率经离合器输出第一电机输入空心轴5→换挡动力输入轴18→换挡离合器从动盘16与换挡离合器主动盘17结合→换挡主动齿轮15(Z1)→换挡从动齿轮24(Z2)→中央传动主动齿轮23→中央传动从动齿轮22→最终到达驱动轮。此刻，MG1第一电机通过独立换挡传动路线，越过变速箱输入空心轴13的功率路线，直接向拖拉机中央传动齿轮23提供负载功率，通过独立换挡传动路线，MG1第一电机转子9承担了此刻换挡时整车的全部功率。

此时，整车控制器(VCU未绘示)根据中央传动主动齿轮23的实时转速信号及目标挡位，向MG2第二电机发出调速信号过程如下：第二电机MG2接受指令进入卸载状态→第二电机状态→转速跟踪调速模式，通过对变速箱输入空心轴13转速的调节，调整变速箱输入空心轴13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二电机MG2主动调速脱挡，原因在于第二电机转动惯量大，同步器摘挡困难。

在挂挡状态：此时MG1第一电机转子9仍然处在原功率转态下工作，MG2第二电机转子11根据目标挡位的转速要求，通过调整MG2第二电机的转速来调整变速箱输入空心轴13的转速，达到目标挡位同步器同步转速要求，换挡执行机构由空挡位置执行挂挡动作。挂挡完成，MG1第一电机转子9卸载进入发电转态，换挡离合器从动盘16与换挡离合器主动盘17分离，MG2第二电机转子11转换到正常行驶功率，并向变速箱输入空心轴13输入功率，经变速箱的变速变扭后，再通过中央传动主动齿轮23、中央传动从动齿轮22，传动功率到驱动轮。实现整车全域CVT传动的不间断连接。

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，利用第二电机MG2的快速响应的转速变化，调整变速箱输入空心轴13的转速，达到同步器换挡要求。由于本全域无级变速传动系统的串联电机功率传递软连特特性，没有机械功率传递路线，发动机3转速、扭矩与MG2第二电机转子11的转速、扭矩解耦(不相关)，因此传动系可以取消发动机输出端离合器。

需要说明的是，在一些实施方式中，本发明的换挡过程有两种第一电机MG1的工作模式，一种是第一电机MG1进入换挡模式时，第一电机离合器1与发动机发动机输出轴4分离，MG1第一电机转子9仅输出换挡时的牵引功率，此种工况下第一电机MG1功率消耗小，但换挡控制增加了第一电机离合器1的分离结合过程，控制相对比较复杂。

另一种是第一电机MG1进入换挡模式时，发动机3进入断油模式，第一电机离合器1与发动机输出轴4不分离，MG1第一电机转子9需输出换挡时的牵引功率与拖动发动机运转的功率，此种工况下第一电机MG1的功率消耗较大，但换挡控制相对简单。

请继续参阅图1，在一些实施方式中，本发明的双电机串联的全域无级变速传动系统还包括爬行与缓行速度获得模式，当车辆需要很低行走速度时，MG2第二电机转子11输出行走功率到变速箱输入空心轴13，该工况下发动机输出轴4通过动力输出轴19向后端用工设备(例如是农机具等)提供绝大部分发动机功率。车辆行驶速度由MG2第二电机转子11的转速控制，由于永磁同步交流电机的低速大扭矩特性，可以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，本发明的双电机串联的全域无级变速传动系统还包括倒挡模式，其获取路径为电机控制器输入反向电流、电压，控制MG2第二电机反向旋转，MG2第二电机的反向功率通过第二电机输出空心轴12→变速箱输入空心轴13→中央传动主、中央传动主动齿轮23、中央传动从动齿轮22输出倒车功率。本发明倒挡模式下，可以实现与前进行驶同样的逆行速度。

请继续参阅图1，在一些实施方式中，本发明的双电机串联的全域无级变速传动系统还包括起步助力模式，当拖拉机重负荷起步时，此时传动系短期处于混合动力状态下，其MG2第二电机转子11的功率由有两股功率叠加而来；一股功率的传递路径为：发动机3的机械功率通过MG1第一电机转子9发电转换为电功率，电功率经→电功率转换模块→MG2第二电机转子11；另一股的功率来自蓄电池，其传递路径为蓄电池→MG2电机控制器→MG2第二电机转子11；由于永磁同步电机峰值功率的特性，MG2第二电机的峰值功率一般是匹配为与发动机3的额定功率相当(但本发明并不以此为限，可以根据涉及需要匹配第一电机/第二电机的峰值功率)。此时MG2第二电机的输入功率介于额定功率与峰值功率之间；且助力功率的大小，取决于操控者油门开度区间，油门开度越大，发动机转速越高，第一电机MG1、第二电机MG2获得的功率越大，因此起步加速时的功率一般都可达到发动机额定功率的1.5-1.8倍，这样大幅减小对于发动机低速起步的性能的要求，同时减少了整车加速起步的距离，减小了未作业土地面积等。

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，前进行驶工况下：本发明的发动机3(ICE)的全部功率经第一电机离合器1及离合器输出第一电机输入空心轴5传递到MG1第一电机转子9，发动机3与整个传动系统没有机械刚性联接；MG1第一电机转子9的功率→经AC/DC整流→经DC/AC逆变→到MG2第二电机转子11→变速箱输入空心轴13→变速箱输出轴25→中央传动主动齿轮23→中央传动从动齿轮22→末端传动→驱动轮。

非换挡工况下，电功率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，第一电机MG1的功率进入蓄电池；蓄电池SOC的荷值符合要求时，自动关闭充电线路，停止接受电荷补充。

换挡时储能装置向MG1第一电机\第二电机MG2提供短期动力，实现换挡功能；ECVT及爬行速度工况下，第一电机MG1发电，提供给第二电机MG2电功率，第二电机MG2通过变速箱输入轴13发出符合要求的行驶功率。倒车时，第一电机MG1发电，第二电机MG2由电机控制器控制其输入反向电压、电流，MG2第二电机产生反向功率带动作业车辆逆行。助力时，第一电机MG1发出的电功率加上储能装置提供的功率向第二电机MG2提供功率，第二电机MG2此时处于峰值功率模式下，助力拖拉机起步加速。由于非道路拖拉机工况基本不同于城市道路工况，很少有长时间怠速、长距离慢刹车、自由行驶减速等情况，回收能量的工况很少。第二电机MG2及电功率转换模块块系统具备回收能量的性能，但设计不以回收能量为目标。

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。

综上所述，本发明的双电机串联的全域无级变速传动系统具有以下优点：

1.发动机功率通过两个永磁同步交流电机的独立作用，依据第二电机低速大扭矩区段及恒功率区段的特性，通过电机功率软连接传递功率的结构，取消了直接机械联接传递发动机功率的环节；解除了车辆牵引力、速度与发动机扭矩、转速的关联关系；依靠第二电机恒功率区段无级变速特性，实现了传动系速比的连续无极变化(ECVT)；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.本发明的无极变速系统(ECVT)采用串联共用定子壳体双电机结构，共用定子壳体双电机可以共用转子轴向空间，共用电机MG1/MG2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.本发明的双电机串联全域无级变速传动系统，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.本发明的利用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；提高了产品设计可靠度，降低了产品使用维护费用。

5.本发明利用双电机，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驱动电机MG2峰值功率的短期释放，减少了MG2电机的体积，起步加速模式下，采用短期混合动力模式，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，目前不能产生本发明的的混合功率的功能，起步加速时间长。

6.本发明的(ECVT)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，本发明的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，并通过动力输出轴(19)输出绝大部分发动机功率，用于开沟等特殊作业。

7.本发明的(ECVT)不需要在变速箱内设置倒挡，依靠第二电机MG2(11)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.本发明的(ECVT)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.本发明的(ECVT)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.本发明的(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，扩大了配备本发明的的整机作业范围。

前述对本发明的具体示例性实施发明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发明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 (12)

1.一种双电机串联的全域无级变速传动系统，其与发动机输出轴连接，其特征在于，所述全域无级变速传动系统包括第一电机离合器、第一电机、第二电机、电机控制器、换挡离合器、变速箱以及蓄电池；

其中所述第一电机和所述第二电机串联布置；所述发动机输出轴通过动力输出轴直接向外输出动力；所述发动机输出轴通过所述第一电机离合器向所述第一电机提供发电功率；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提供电能，同时所述第二电机通过所述变速箱提供变速、调速功率。

2.如权利要求1所述的双电机串联的全域无级变速传动系统，其特征在于，所述第一电机包括第一电机转子以及第一电机定子，所述第一电机转子与离合器输出第一电机输入空心轴刚性连接，所述离合器输出第一电机输入空心轴通过所述第一电机离合器与所述发动机输出轴连接；所述第二电机包括第二电机转子以及第二电机定子，所述第二电机转子与第二电机输出空心轴刚性连接，所述第二电机输出空心轴与变速箱输入空心轴以及换挡动力输入空心轴同心连接；所述第一电机定子和所述第二电机定子共同安装在电机定子共用壳体中，所述电机定子共用壳体通过螺栓与变速箱壳体连接；

其中所述发动机输出轴从所述离合器输出第一电机输入空心轴内通过后与所述动力输出轴同轴心连接，所述离合器输出第一电机输入空心轴从所述第二电机输出空心轴内通过，所述发动机输出轴、所述离合器输出第一电机输入空心轴、所述第二电机输出空心轴为三轴同轴嵌套结构，同时所述发动机输出轴同样从所述变速箱输入空心轴和所述换挡动力输入空心轴内通过。

3.如权利要求2所述的双电机串联的全域无级变速传动系统，其特征在于，所述离合器输出第一电机输入空心轴的前端与所述发动机离合器的从动盘连接，所述离合器输出第一电机输入空心轴的后端与换挡离合器从动盘连接，所述发动机离合器的主动盘与所述发动机输出轴连接，换挡离合器主动盘同轴连接换挡主动齿轮，。

4.如权利要求3所述的双电机串联的全域无级变速传动系统，其特征在于，所述变速箱包括：

同步器和齿轮组；

变速箱输出轴，其与所述齿轮组机械连接；以及

换挡从动齿轮，其与所述变速箱输出轴同轴连接，同时与所述换挡主动齿轮啮合。

5.如权利要求4所述的双电机串联的全域无级变速传动系统，其特征在于，还包括无级变速功率输出模式，其传输路径为发动机通过所述发动机离合器、所述离合器输出第一电机输入空心轴将所述发动机的机械功率传递给所述发动机转子进行发电转换成电功率，所述第一电机通过所述电机控制器将电功率传递给所述第二电机再转换成机械功率，机械功率通过所述变速箱输入空心轴、所述同步器、所述齿轮组的变速变扭后通过所述变速箱输出轴、所述中央传动主动齿轮、所述中央传动从动齿轮向外输出行驶驱动功率。

6.如权利要求4所述的双电机串联的全域无级变速传动系统，其特征在于，还包括无级变速调速模式，所述发动机的功率全部传递给所述第一电机转子转换为电功率，全部电功率经所述电机控制器对电流、电压、频率的连续无级控制，能够实现对所述第二电机转子在恒功率下的输出扭矩、转速的无级调节，再通过所述变速箱输入空心轴输入所述变速箱，经所述变速箱的变速变扭后由所述变速箱输出轴、所述中央传动主动齿、所述中央传动从动齿传递至末端驱动轮。

7.如权利要求4所述的双电机串联的全域无级变速传动系统，其特征在于，还包括全域无级变速换挡模式，所述第一电机由发电状态切换为电动状态，所述电机控制器根据换挡时刻车辆的行驶速度状态，产生对所述第一电机转速的控制信号，所述第一电机的功率来自于高放电倍率的所述蓄电池，换挡时根据所述离合器的逻辑控制，所述换挡离合器主动盘与所述换挡离合器从动盘结合，所述第一电机转子迅速调整转速与换挡时刻某挡位下的所述中央传动主动齿轮的转速相匹配，所述第一电机的功率经输出所述离合器输出第一电机输入空心轴、所述换挡动力输入空心轴、所述换挡离合器、所述换挡主动齿轮、所述换挡从动齿轮、所述中央传动主动齿轮、所述中央传动从动齿轮、最终到达驱动轮。

8.如权利要求4所述的双电机串联的全域无级变速传动系统，其特征在于，还包括爬行与缓行速度获得模式，当车辆需要低速行驶时，所述第二电机转子输出行走功率到所述变速箱输入空心轴，该工况下所述发动机输出轴通过动力输出轴向后端用功设备提供绝大部分发动机功率，车辆的行驶速度由所述第二电机的转速控制。

9.如权利要求4所述的双电机串联的全域无级变速传动系统，其特征在于，还包括倒挡模式，所述电机控制器输入反向电流、电压，控制所述第二电机反向旋转，所述第二电机的反向功率通过所述第二电机输出空心轴、所述变速箱输入空心轴、所述中央传动主动齿轮、所述中央传动从动齿轮输出倒车功率。

10.如权利要求4所述的双电机串联的全域无级变速传动系统，其特征在于，还包括起步助力模式，当车辆需要进行重负荷起步时，所述全域无级变速传动系统将短期处于混合动力状态，所述第二电机的功率来自两条路径，一条路径为所述发动机通过所述第一电机发电产生电功率，电功率经所述电机控制器传递给所述第二电机将电功率转换为机械功率；另一条路径为通所述电机控制器由所述蓄电池向所述第二电机提供电功率；两条路径的电功率叠加值将大于所述发动机的额定功率。

11.如权利要求10所述的双电机串联的全域无级变速传动系统，其特征在于，两条路径的电功率叠加值介于所述发动机的额定功率的1.5～1.8倍之间。

12.如权利要求10所述的双电机串联的全域无级变速传动系统，其特征在于，还包括：

电机轴承盖，其设置于所述电机定子共用壳体的两端；以及

中央传动后桥壳体，其用于容置所述中央传动主动齿轮、所述中央传动从动齿轮以及所述差速器半轴输出齿轮/半轴。