CN111216540B - 一种拖拉机电驱并联混合动力系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种拖拉机电驱并联混合动力系统及其控制方法，该系统包括依次连接的液压泵、液压泵驱动电机、电池管理系统、动力蓄电池，以及依次连接的发动机、扭转减震器、单向离合器和电驱并联混合动力变速箱；电驱并联混合动力变速箱包括箱体和设置在箱体中的行星排、动力切换元件、驱动电机和挡位装置；动力切换元件包括行星排输入端离合器和行星排输出端离合器，用于实现纯电动、转速耦合并联和转矩耦合并联在内的形式切换。与现有技术相比，本发明具有纯电动、转速耦合并联以及转矩耦合并联等多种作业模式，可通过外接电源充电、抑制负载扰动和稳定发动机工作点等方式实现节能降耗，具有转速调节区间宽、结构紧凑以及适用性强的优点。

Description

一种拖拉机电驱并联混合动力系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及农业机械传动与控制技术领域，尤其是涉及一种拖拉机电驱并联混合动力系统及其控制方法。
背景技术
传统拖拉机以柴油机作为唯一动力源，PTO驱动农机具作业过程中，由于行走系负载和PTO作业负载的不确定性，常会引起发动机工作点的大范围波动，单一动力源对二者的动力分配不可精确控制，会恶化瞬态排放并导致油耗增加；且拖拉机在作业过程中，发动机不可停机，低负荷工况下能量利用率低；同时为实现较大的行驶速度范围和增大匹配农机具的适应性，通常采用多挡位变速箱，致使驾驶员需要频繁连续换挡，劳动强度大。因此，发展新能源拖拉机对于实现节能降耗和减小操作强度具有重要意义。
混合动力拖拉机因其续航时间长、动力性好、节能效果明显等优点，逐渐成为未来新能源拖拉机技术发展和产业应用的主打方向。目前，拖拉机混合动力系统研究多集中于串联式、并联式以及混联式。串联式混合动力系统虽然具有结构简单、容易布置的优点，但是不能减小发动机的装机容量，而且发电机与电动机也必须与发动机功率大小一致，对于作业负荷较小的工况，发动机负荷率低，后备功率大，不利于节油率的提升；并联混合动力系统虽然可以实现发动机和电机的转矩耦合，但是不能实现二者的转速的解耦，在PTO恒定转速输出的工况下，不能实现车速的无级调节，就必须配置多挡变速箱，大大增加了整机的布置难度。混联式混合动力系统具有多种工作模式适合于拖拉机对复杂工况的作业需求，但是系统结构复杂，控制难度较大，且成本较高。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种拖拉机电驱并联混合动力系统及其控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种拖拉机电驱并联混合动力系统，包括依次连接的液压泵、液压泵驱动电机、电池管理系统、动力蓄电池，以及依次连接的发动机、扭转减震器、单向离合器和电驱并联混合动力变速箱，所述电池管理系统与电驱并联混合动力变速箱中的电机定子连接；
所述电驱并联混合动力变速箱包括箱体和设置在箱体中的行星排、动力切换元件、驱动电机和挡位装置；所述动力切换元件包括行星排输入端离合器和行星排输出端离合器，用于实现纯电动、转速耦合并联和转矩耦合并联在内的形式切换。
优选的，所述行星排包括动力输出轴及与其同轴设置的太阳轮、行星架、齿圈、行星轮，所述太阳轮与动力输出轴固定连接，所述动力输出轴与作业农机具传动连接。
优选的，所述驱动电机包括设置在所述动力输出轴上的驱动电机转子和驱动电机定子，所述驱动电机为电动发电一体机。
优选的，所述行星排输入端离合器包括行星排输入端齿圈离合器、行星排输入端行星架离合器以及行星排输入端离合器壳体连接轴；所述行星排输入端离合器壳体连接轴与驱动电机转子同轴固定连接，所述行星排输入端齿圈离合器、行星排输入端行星架离合器分别与行星排的齿圈和行星架离合传动配合；
所述行星排输出端离合器包括行星排输出端齿圈离合器、行星排输出端行星架离合器以及行星排输出端离合器壳体连接轴；所述行星排输出端齿圈离合器、行星排输出端行星架离合器分别与行星排的齿圈和行星架离合传动配合。
优选的，所述挡位装置包括：前进挡主动齿轮、倒挡主动齿轮、惰轮、前进挡从动齿轮、倒挡从动齿轮、重载挡主动齿轮、中载挡主动齿轮、轻载挡主动齿轮、行驶挡主动齿轮、重载挡从动齿轮、中载挡从动齿轮、轻载挡从动齿轮、行驶挡从动齿轮、啮合套、中间轴、行走系输出轴；
所述前进挡从动齿轮和倒挡从动齿轮同轴固定连接，并通过连接轴内花键与中间轴的外花键滑动连接；所述重载挡主动齿轮、中载挡主动齿轮、轻载挡主动齿轮、行驶挡主动齿轮与中间轴同轴固定连接；所述重载挡从动齿轮、中载挡从动齿轮、轻载挡从动齿轮、行驶挡从动齿轮分别与啮合套配合并滑动安装于行走系输出轴上，所述行走系输出轴与拖拉机的行走系传动连接；所述前进挡主动齿轮、倒挡主动齿轮共同与行星排输出端离合器壳体连接轴同轴固定连接；所述惰轮与倒挡主动齿轮传动连接，所述前进挡从动齿轮、倒挡从动齿轮通过外部驱动装置根据需要与前进挡主动齿轮和惰轮其中一个啮合传动连接。
优选的，所述系统包括三种工作模式：
(1)纯电动模式：所述行星排输入端齿圈离合器与行星排输出端齿圈离合器结合、行星排输入端行星架离合器与行星排输出端行星架离合器断开，或所述行星排输入端齿圈离合器与行星排输出端齿圈离合器断开、行星排输入端行星架离合器与行星排输出端行星架离合器结合；
(2)转速耦合并联模式：根据行走系道路负载需求转矩的大小，将离合器结合时序分为两种情况：高转矩：所述行星排输入端齿圈离合器与行星排输出端行星架离合器结合，行星排输入端行星架离合器与行星排输出端齿圈离合器断开；低转矩：所述行星排输入端齿圈离合器与行星排输出端行星架离合器断开，行星排输入端行星架离合器与行星排输出端齿圈离合器结合；
(3)转矩耦合并联模式：所述行星排输入端齿圈离合器、行星排输入端行星架离合器、行星排输出端行星架离合器、行星排输出端齿圈离合器同时结合，所述驱动电机转子与发动机转速同步，实现转矩叠加。
一种上述拖拉机电驱并联混合动力系统的控制方法，包括：
1)拖拉机进行PTO驱动农机具作业，动力输出轴分配发动机的功率较大，行走系克服道路负载的需求转矩较小时，采用转速耦合并联模式，包括：
所述驱动电机根据拖拉机需求功率工作于电动或发电状态；PTO作业中驱动电机对发动机进行稳速协调控制，所述动力输出轴的转速为恒定转速状态；驱动电机通过转速调节，在维持发动机转速稳定于目标转速的前提下，控制发动机最优输出转矩在PTO作业发动机最低转速Nmin对应的输出转矩和最高转速Nmax对应的输出转矩之间；
2)拖拉机进行轻载运输行驶工况时，采用纯电动模式，包括：
电池管理系统向拖拉机整机控制器反馈当前电量状态，拖拉机整机控制器根据输入信号判断是否满足启动条件，不满足则采用转速耦合并联模式进行驱动，满足则启动纯电动模式，进行离合器调整后，系统检测并维持挡位装置的前进挡或倒挡挡位在挡状态、重载挡主动齿轮与重载挡从动齿轮接合，驾驶员根据拖拉机的需求车速和挡位状态，对挡位装置进行升挡或降挡调节；
3)拖拉机进行大转矩牵引力输出，行走系克服道路负载的需求转矩较大时，采用转矩耦合并联模式，包括：
拖拉机在启动行走后的作业过程中，若拖拉机不进行犁耕作业，系统则判断拖拉机进行重载运输作业；
若拖拉机进行犁耕作业，则液压泵驱动拖拉机农机具悬挂液压缸降低高度，进行入犁动作，拖拉机开始进行犁耕作业；在犁耕过程中，驱动电机根据牵引负载的变化，对发动机进行最优转矩补偿控制；若位移传感器检测到农机具悬挂液压缸高度并大于一定的限值，工作模式切换为纯电动模式，否则维持犁耕大牵引力作业。
优选的，所述转速耦合并联模式下采用驱动电机协调发动机稳速干扰抑制，包括发动机转速控制和驱动电机转速控制：
发动机转速控制包括实际转速反馈调节和PTO负载转速扰动抑制调节，其中PTO负载转速扰动抑制调节采用发动机转速前馈补偿方法，经过反馈和前馈控制器输出的转速和与发动机目标转速偏差，进入发动机调速控制系统对发动机转速进行补偿调节；驱动电机转速控制包括实际转速反馈调节、PTO负载转速扰动抑制调节和拖拉机行走系负载车速扰动抑制调节，其中PTO负载转速扰动抑制调节和拖拉机行走系负载车速扰动抑制调节都采用驱动电机转速前馈补偿方法，经过反馈和前馈控制器输出的转速和与驱动电机目标转速偏差，进入驱动电机控制系统对其转速进行补偿调节。
优选的，所述转矩耦合并联模式中包括发动机最优转矩干扰抑制过程：
发动机在特定转速下的最优输出转矩通过最优工作特性曲线MAP查表得到；驱动电机的输出转矩采用PID反馈调节，拖拉机牵引力控制系统根据实际牵引力和发动机目标最优转矩，得到驱动电机的实际转矩，其与驱动电机目标转矩之差输入PID控制器，得到驱动电机输出转矩控制量。
优选的，所述纯电动模式的启动条件包括同时满足动力蓄电池的SOC大于SOCmin、动力蓄电池放电功率PBAT大于驱动电机需求功率PMOT与液压泵驱动电机需求功率PH之和、驱动电机输出转矩TMOT大于拖拉机行走需求转矩Treq三个条件。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、该混合动力系统仅采用一个行星排，通过切换在行星排输入端和输出端设置的4组离合器的不同结合时序，实现纯电动、转速耦合并联和转矩耦合并联等多种形式，可满足拖拉机在轻载、中载和重载等多种复杂工况下的动力需求。
2、驱动电机具有调速和转矩输出的作用，当混合动力系统工作于转速耦合并联模式时，驱动电机可调节发动机工作于最佳经济油耗下的转速点，提升其燃油经济性，转速可控转矩不可控，同时满足PTO对恒定转速作业的需求；当拖拉机处于重载牵引输出工况时，转矩耦合并联模式可发挥电机的转矩输出能力，转矩可控转速不可控，提高拖拉机的动力性。
3、行星排的齿圈和行星架分别与2组离合器配合传动连接，通过切换4组离合器的不同结合时序，可实现转速耦合并联模式下的2种转矩输出特性，大大拓宽了电机调速过程中的转矩输出范围，满足拖拉机在不同行驶车速下的牵引动力性。
4、纯电动模式可应用于田间地头调头和轻载行驶工况，且纯电动模式下的发动机可选择启动或停机，扩大了PTO连接农机具在拖拉机行驶过程中的作业适应性，提高了拖拉机在复杂工况下的燃油经济性。
5、液压泵采用独立液压泵驱动电机电力驱动的形式，可实现发动机停机、液压系统始终工作的特点，作业形式更加灵活，可实现节油的目的。
6、拖拉机电驱并联混合动力系统控制方法可对转速和转矩耦合并联模式下的负载扰动进行有效抑制，可通过调速电机驱动电机使得发动机始终工作于最佳燃油高效区。
7、混合动力系统的控制方法中，驾驶员根据作业形式进行作业模式预选，在预选作业模式下拖拉机整机控制器通过对农机具作业状态进行判断，实现不同作业模式间的切换。
附图说明
图1为拖拉机电驱并联混合动力系统结构图；
图2为本发明一种纯电动模式功率流向图；
图3为本发明一种转速耦合并模式功率流向图；
图4为本发明一种转矩耦合并联模式功率流向图；
图5为本发明工作模式切换逻辑图；
图6为拖拉机动力输出PTO作业发动机特性图；
图7为转速耦合并联模式驱动电机充/放电决策控制框图；
图8为转矩耦合并联模式驱动电机充/放电决策控制框图；
图9为本发明驱动电机协调发动机稳速干扰抑制框图；
图10为本发明发动机最优转矩干扰抑制框图。
图中标注：1、液压泵，2、液压泵驱动电机，3、驱动电机定子，4、电池管理系统，5、齿圈，6、行星轮，7、动力蓄电池，8、前进挡从动齿轮，9、倒挡从动齿轮，10、重载挡主动齿轮，11、中载挡主动齿轮，12、轻载挡主动齿轮，13、行驶挡主动齿轮，14、中间轴，15、第二啮合套，16、行驶挡从动齿轮，17、行走系输出轴，18、动力输出轴，19、轻载挡从动齿轮，20、中载挡从动齿轮，21、第一啮合套，22、重载挡从动齿轮，23、惰轮，24、倒挡主动齿轮，25、前进挡主动齿轮，26、行星排输出端离合器壳体连接轴，27、行星排输出端行星架离合器，28、行星排输出端齿圈离合器，29、行星架，30、太阳轮，31、行星排输入端齿圈离合器，32、行星排输入端行星架离合器，33、箱体，34、驱动电机转子，35、行星排输入端离合器壳体连接轴，36、单向离合器，37、发动机，38、扭转减震器，“○”为断开状态，“●”为结合状态。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本申请提出一种拖拉机电驱并联混合动力系统，包括依次连接的液压泵1、液压泵驱动电机2、电池管理系统4、动力蓄电池7，以及依次连接的发动机37、扭转减震器38、单向离合器36和电驱并联混合动力变速箱，电池管理系统4与电驱并联混合动力变速箱中的电机定子3连接。单向离合器36用于防止纯电动模式行驶时，发动机37被倒拖旋转。
电驱并联混合动力变速箱包括箱体33和设置在箱体33中的行星排、动力切换元件、驱动电机和挡位装置；动力切换元件包括行星排输入端离合器和行星排输出端离合器，用于实现纯电动、转速耦合并联和转矩耦合并联在内的形式切换。
行星排包括动力输出轴18及与其同轴设置的太阳轮30、行星架29、齿圈5、行星轮6，太阳轮30与动力输出轴18固定连接，动力输出轴18与作业农机具传动连接。
驱动电机包括设置在动力输出轴18上的驱动电机转子34和驱动电机定子3，驱动电机为电动发电一体机。
行星排输入端离合器包括行星排输入端齿圈离合器31、行星排输入端行星架离合器32以及行星排输入端离合器壳体连接轴35；行星排输入端离合器壳体连接轴35与驱动电机转子34同轴固定连接，行星排输入端齿圈离合器31、行星排输入端行星架离合器32分别与行星排的齿圈5和行星架29离合传动配合；
行星排输出端离合器包括行星排输出端齿圈离合器28、行星排输出端行星架离合器27以及行星排输出端离合器壳体连接轴26；行星排输出端齿圈离合器28、行星排输出端行星架离合器27分别与行星排的齿圈5和行星架29离合传动配合。
挡位装置包括：前进挡主动齿轮25、倒挡主动齿轮24、惰轮23、前进挡从动齿轮8、倒挡从动齿轮9、重载挡主动齿轮10、中载挡主动齿轮11、轻载挡主动齿轮12、行驶挡主动齿轮13、重载挡从动齿轮22、中载挡从动齿轮20、轻载挡从动齿轮19、行驶挡从动齿轮16、啮合套、中间轴14、行走系输出轴17。前进挡从动齿轮8和倒挡从动齿轮9同轴固定连接，并通过连接轴内花键与中间轴14的外花键滑动连接；重载挡主动齿轮10、中载挡主动齿轮11、轻载挡主动齿轮12、行驶挡主动齿轮13与中间轴14同轴固定连接；重载挡从动齿轮22、中载挡从动齿轮20、轻载挡从动齿轮19、行驶挡从动齿轮16分别与啮合套配合并滑动安装于行走系输出轴17上，行走系输出轴17与拖拉机的行走系传动连接；前进挡主动齿轮25、倒挡主动齿轮24共同与行星排输出端离合器壳体连接轴26同轴固定连接；惰轮23与倒挡主动齿轮24传动连接，前进挡从动齿轮8、倒挡从动齿轮9通过外部驱动装置根据需要与前进挡主动齿轮25和惰轮23其中一个啮合传动连接。
系统包括三种工作模式：
(1)纯电动模式：行星排输入端齿圈离合器31与行星排输出端齿圈离合器28结合、行星排输入端行星架离合器32与行星排输出端行星架离合器27断开，或行星排输入端齿圈离合器31与行星排输出端齿圈离合器28断开、行星排输入端行星架离合器32与行星排输出端行星架离合器27结合；
(2)转速耦合并联模式：根据行走系道路负载需求转矩的大小，将离合器结合时序分为两种情况：高转矩：行星排输入端齿圈离合器31与行星排输出端行星架离合器27结合，行星排输入端行星架离合器32与行星排输出端齿圈离合器28断开；低转矩：行星排输入端齿圈离合器31与行星排输出端行星架离合器27断开，行星排输入端行星架离合器32与行星排输出端齿圈离合器28结合；
(3)转矩耦合并联模式：行星排输入端齿圈离合器31、行星排输入端行星架离合器32、行星排输出端行星架离合器27、行星排输出端齿圈离合器28同时结合，驱动电机转子34与发动机37转速同步，实现转矩叠加。
拖拉机驾驶员对作业形式的需求会有预先的判断，可以选择PTO不工作的重载运输和牵引作业工况(比如犁耕)、PTO工作的重载作业工况(比如旋耕)以及纯电动轻载运输以及倒退行驶，控制混合动力系统结合不同的离合器可以选择转矩耦合并联模式、转速耦合并联模式以及纯电动模式。
一种实现拖拉机电驱并联混合动力系统的控制方法，拖拉机驾驶员根据作业形式的不同，可以预选转矩耦合并联模式、转速耦合并联模式以及纯电动模式，每种预选模式下的作业过程包括以下内容：
1)拖拉机进行PTO驱动农机具作业，动力输出轴18分配发动机37的功率较大，行走系克服道路负载的需求转矩较小时，采用转速耦合并联模式，包括：
拖拉机进行PTO参与联合作业，驾驶员根据拖拉机行走系的需求转矩和行驶速度，可有选择地结合低转矩或高转矩对应的离合器组，系统检测挡位装置的在挡挡位状态，并控制前进挡主动齿轮25与前进挡从动齿轮8接合、重载挡主动齿轮10与重载挡从动齿轮22接合，拖拉机整机控制器向发动机37的ECU发送启动命令，发动机37启动并结合单向离合器36，同时驱动电机控制器向驱动电机发送使能命令，驱动电机根据拖拉机需求功率可有选择地工作于电动或发电状态。若驾驶员切断动力输出轴18动力，PTO停止作业，系统可判断拖拉机需要进行轻载行驶作业，若拖拉机需要倒退行驶，则倒挡主动齿轮24与倒挡从动齿轮9接合，反之则维持前进挡位在挡状态不变；PTO不停止作业，则驱动电机对发动机37进行稳速协调控制，为了保证作业效率和质量，动力输出轴18转速NPTO为恒定转速状态；行走系负载的不断变化易引起车速的波动，进而对NPTO造成干扰。拖拉机整机控制器检测到目标车速v，并根据发动机37目标稳定输出转速NICE，可以得到驱动电机目标转速NMOT；驱动电机通过转速调节，在维持发动机37转速稳定于目标转速NICE的前提下，控制发动机37最优输出转矩TICE-OPT在PTO作业发动机37最低转速Nmin对应的输出转矩Tn-min和最高转速Nmax对应的输出转矩Tn-max之间，如图6所示。
该模式下的动力蓄电池7充放电规则，如图7所示：拖拉机整机控制器首先采集输入Preq、PICE、SOC、PPTO、SOCmax、SOCmin、TICE、Treq等信号，在通常情况下，发动机37在PTO作业工况下的油门开度满足在最低转速Nmin与最高转速Nmax之间的发动机37输出功率PICE-PPTO≥Preq，可克服一般作业工况下的行驶阻力；当动力蓄电池7SOC≥SOCmax时，动力蓄电池7停止充放电，驱动电机工作于发电机状态，直接向液压泵驱动电机2供电；若SOCmin＜SOC＜SOCmax，则需判断TICE＜Treq，若满足条件，则动力蓄电池7放电驱动驱动电机辅助发动37提高拖拉机行驶速度；若SOC＜SOCmin或TICE≥Treq，则驱动电机为动力蓄电池7充电，回收发动机37过剩功率，从而提高拖拉机的燃油利用效率。
2)拖拉机进行轻载运输行驶工况时，采用纯电动模式，包括：
电池管理系统4向拖拉机整机控制器反馈当前电量状态，拖拉机整机控制器根据输入信号首先判断动力蓄电池7的SOC大于SOCmin、动力蓄电池7放电功率PBAT大于驱动电机需求功率PMOT与液压泵驱动电机2需求功率PH之和、驱动电机输出转矩TMOT大于拖拉机行走需求转矩Treq三个条件同时满足可启动纯电动模式，反之，将采用转速耦合并联模式进行驱动；启动纯电动模式，有选择地将行星排输入端齿圈离合器31与行星排输出端齿圈离合器28结合、行星排输入端行星架离合器32与行星排输出端行星架离合器27断开，或将行星排输入端齿圈离合器31与行星排输出端齿圈离合器28断开、行星排输入端行星架离合器32与行星排输出端行星架离合器27结合，系统检测并维持挡位装置的前进挡或倒挡挡位在挡状态、重载挡主动齿轮10与重载挡从动齿轮22接合，驾驶员根据拖拉机的需求车速和挡位状态，对挡位装置进行升挡或降挡调节；采用转速耦合并联模式进行驱动，其控制过程与预选转速耦合并联模式相同。
3)拖拉机进行大转矩牵引力输出，行走系克服道路负载的需求转矩较大时，采用转矩耦合并联模式，包括：
作业过程中，变速箱控制器控制行星排输入端齿圈离合器31、行星排输入端行星架离合器32、行星排输出端行星架离合器27、行星排输出端齿圈离合器28同时结合，系统检测挡位装置的在挡挡位状态，并控制前进挡主动齿轮25与前进挡从动齿轮8接合、重载挡主动齿轮10与重载挡从动齿轮22接合，拖拉机整机控制器向发动机37的ECU发送启动命令，发动机37启动并结合单向离合器36，同时驱动电机控制器向驱动电机发送使能命令，驱动电机启动，此时拖拉机开始启动行走；拖拉机在启动行走后的作业过程中，若拖拉机不进行犁耕作业，系统将判断拖拉机进行重载运输作业，若拖拉机进行倒退行驶，则需要控制倒挡主动齿轮24与倒挡从动齿轮9结合，否则维持前进挡位状态；拖拉机进行犁耕作业，则液压泵1驱动拖拉机农机具悬挂液压缸降低高度，进行入犁动作，拖拉机开始进行犁耕作业；在犁耕过程中，驱动电机根据牵引负载的变化，对发动机37进行最优转矩补偿控制，从而实现犁耕大牵引力作业。若位移传感器检测到农机具悬挂液压缸高度并大于一定的限值，可判断铧犁抬起，系统可判断拖拉机解除大牵引力负载进行低负载行驶，工作模式切换为纯电动模式，否则维持犁耕大牵引力作业；工作模式切换为纯电动模式，其控制过程与预选纯电动模式相同。
该模式下的动力蓄电池7充放电规则，如图8所示：拖拉机整机控制器首先采集输入SOC、SOCmax、SOCmin、TICE、Treq等信号，首先判断发动机37输出转矩TICE≥Treq，若满足条件，则进一步判断SOC＜SOCmax，满足以上条件则驱动电机为动力蓄电池7充电；若SOC≥SOCmax，则可控制发动机37减小油门开度，从而减小发动机37输出功率；
若判断TICE＜Treq，则进一步判断SOCmin≤SOC，满足条件，则动力蓄电池7放电驱动驱动电机输出转矩辅助发动机37克服大牵引力负载，否则将增大油门开度，从而增大发动机37的输出功率。以上充放电调节过程可构成闭环，协调驱动电机辅助发动机37进行转矩输出，克服复杂多变的道路负载。
如图9所示，转速耦合并联模式下的驱动电机协调发动机37稳速干扰抑制包括：
通过安装在拖拉机前轮的转速传感器采集拖拉机前轮转速信号，拖拉机速度调节反馈控制器将该信号传递到拖拉机整机控制器，经过内部算法可近似计算出拖拉机的实际车速；PTO驱动农机具旋转转速与发动机37实际转速相等，ECU反馈发动机37实际转速到拖拉机整机控制器。拖拉机整机控制器通过CAN总线向发动机37/驱动电机功率分配模块发送发动机37、驱动电机需求转矩信号，经过计算可以得到发动机37、驱动电机目标转速；发动机37转速控制包括实际转速反馈调节和PTO负载转速扰动抑制调节，其中PTO负载转速扰动抑制调节采用发动机37转速前馈补偿方法，经过反馈和前馈控制器输出的转速和与发动机37目标转速偏差EICE，进入发动机调速控制系统对发动机37转速进行补偿调节。驱动电机转速控制包括实际转速反馈调节、PTO负载转速扰动抑制调节和拖拉机行走系负载车速扰动抑制调节，其中PTO负载转速和拖拉机行走系负载车速扰动抑制调节都采用驱动电机转速前馈补偿方法，经过反馈和前馈控制器输出的转速和与驱动电机目标转速偏差EMOT，进入驱动电机控制系统对其转速进行补偿调节。
如图10所示，转矩耦合并联模式下的发动机37最优转矩干扰抑制过程包括：
当拖拉机处于转矩耦合并联模式时，为了抑制连续多变牵引负载对发动机37的转矩扰动，发动机37在特定转速下的最优输出转矩可通过最优工作特性曲线MAP查表得到；对驱动电机输出转矩采用PID反馈调节，拖拉机牵引力控制系统根据实际牵引力和发动机37目标最优转矩，得到驱动电机的实际转矩，其与驱动电机目标转矩之差输入PID控制器，得到驱动电机输出转矩控制量，进而得出驱动电机实际输出转矩，与拖拉机特定车速下发动机37最优工作点输出转矩进行求和，可得到拖拉机的实际牵引力，满足Tq＝(TICE+TMOT)i总。
实施例一
图2所示为拖拉机纯电动模式的其中一种功率流向。此实施例下的纯电动模式为用于驱动拖拉机行走系的功率流为纯电动，在此模式下发动机37根据农机具的作业需求可有选择性地切换为启动或关闭状态。在此实施例中，PTO连接农机具不需要工作，此时发动机37停机，为防止驱动电机对发动机37进行倒拖，单向离合器36断开；电池管理系统4根据拖拉机整机控制器的信号，控制动力蓄电池7放电，驱动液压泵驱动电机2和驱动电机旋转，同时行星排输入端行星架离合器32和行星排输出端行星架离合器27闭合，行星排输入端齿圈离合器31和行星排输出端齿圈离合器28断开，动力经过行星排传递到挡位装置的前进挡主动齿轮25，控制前进挡从动齿轮8与前进挡主动齿轮25啮合，同时第一啮合套21与重载挡从动齿轮22连接，从而将动力输出到行走系输出轴17用于驱动拖拉机行驶。
在纯电动模式下，行星排输入端行星架离合器32和行星排输出端行星架离合器27、行星排输入端齿圈离合器31和行星排输出端齿圈离合器28只能同时结合其中的1对，这样可保证发动机37选择不停机驱动PTO作业的状态下，行星架29或齿圈5处于无约束的状态，进而保证驱动电机调节车速变化对发动机37稳定转速无干扰。4组离合器的结合规则为：若驱动电机与发动机37旋转方向相同，则结合行星排输入端齿圈离合器31和行星排输出端齿圈离合器28；若驱动电机与发动机37旋转方向相反，则结合行星排输入端行星架离合器32和行星排输出端行星架离合器27。
拖拉机电驱并联混合动力系统纯电动模式控制逻辑如下表所示。
表1
Figure BDA0002359652580000121
实施例二
如图3所示为拖拉机转速耦合并联模式的一种功率流向。本实施例中，发动机37驱动PTO带动农机具进行工作(例如旋耕工况)，同时驱动拖拉机行走；发动机37启动，单向离合器36闭合，一部分动力经过动力输出轴18传递到PTO，此时发动机37转速需要维持在标定功率的80％～90％恒定转速状态，ECU控制发动机37根据MAP查表工作于恒定转速下的最佳油耗工作点；拖拉机作业工况复杂多变，PTO和行走系的负载阻力不断变化，两者的驱动功率处于相互转移、驱动电机工作于电动机或发电机的状态。本实施例中，电池管理系统4根据拖拉机整机控制器的负载特性实时调节驱动电机对动力蓄电池7进行放电或充电，行星排输入端齿圈离合器31和行星排输出端行星架离合器27结合，行星排输入端行星架29离合和行星排输出端齿圈离合器28断开，驱动电机与发动机37动力在行星排进行转速耦合后，由行星架29传递到前进挡主动齿轮25，行星架29输出转矩与主动力源发动机37的恒定转速下的最优输出转矩有关，可实现高转矩动力输出，其大小为：
TC＝(TICE-OPT-TPTO)(k+1)
同时，动力经过行星架29传递到挡位装置的前进挡主动齿轮25，控制前进挡从动齿轮8与前进挡主动齿轮25啮合，同时第一啮合套21与重载挡从动齿轮22连接，从而将动力输出到行走系输出轴17用于驱动拖拉机行驶。本实施例不限于这一种传动形式，行星排输入端齿圈离合器31和行星排输出端行星架离合器27断开，行星排输入端行星架离合器32和行星排输出端齿圈离合器28结合，可实现齿圈5低转矩动力输出，其大小为：
TR＝(TICE-OPT-TPTO)k
拖拉机电驱并联混合动力系统转速耦合并联模式控制逻辑如下表所示。
表2
Figure BDA0002359652580000131
以上转速耦合并联模式不可应用于非PTO作业的大牵引力转矩输出作业，是由于行走系负载阻力变化范围大，发动机37作为主要动力源，转速耦合并联模式下输出转矩不可控，负载阻力造成发动机37转矩输出不稳定，发动机37调速困难，难以维持在最佳工作点，恶化了发动机37的燃烧排放，控制难度大。
实施例三
如图4所示，为拖拉机转矩耦合并联模式的其中一种功率流向。本实施例中，发动机37与驱动电机采用转矩耦合并联的形式实现转矩的叠加输出，该模式用于拖拉机在犁耕等重载牵引力工况、转速耦合并联模式不能满足足够大牵引力的情况。在动力蓄电池7SOC满足需求功率的前提下，电池管理系统4控制动力蓄电池7放电，驱动驱动电机转子34旋转，为提供较大牵引力，同时减小离合器滑摩损失，将行星排输入端齿圈离合器31、行星排输出端行星架离合器27、行星排输入端行星架离合器32和行星排输出端齿圈离合器28同时闭合，发动机37和驱动电机转矩通过行星架29传递到挡位装置的前进挡主动齿轮25，控制前进挡从动齿轮8与前进挡主动齿轮25啮合，同时第一啮合套21与重载挡从动齿轮22连接，从而将动力输出到行走系输出轴17用于驱动拖拉机行驶。拖拉机电驱并联混合动力系统转矩耦合并联模式控制逻辑如下表所示。
表3
Figure BDA0002359652580000141
同时，以上三种实施例中的液压泵驱动电机2处于工作状态，驱动液压泵1为拖拉机液压转向系统、离合器执行装置、啮合套执行装置以及农具悬挂装置供油。

Claims (7)

1.一种拖拉机电驱并联混合动力系统，包括依次连接的液压泵(1)、液压泵驱动电机(2)、电池管理系统(4)、动力蓄电池(7)，以及依次连接的发动机(37)、扭转减震器(38)、单向离合器(36)和电驱并联混合动力变速箱，所述电池管理系统(4)与电驱并联混合动力变速箱中的电机定子(3)连接；其特征在于：
所述电驱并联混合动力变速箱包括箱体(33)和设置在箱体(33)中的行星排、动力切换元件、驱动电机和挡位装置；所述动力切换元件包括行星排输入端离合器和行星排输出端离合器，用于实现纯电动、转速耦合并联和转矩耦合并联在内的形式切换；
所述行星排包括动力输出轴(18)及与其同轴设置的太阳轮(30)、行星架(29)、齿圈(5)、行星轮(6)，所述太阳轮(30)与动力输出轴(18)固定连接，所述动力输出轴(18)与作业农机具传动连接；
所述驱动电机包括设置在所述动力输出轴(18)上的驱动电机转子(34)和驱动电机定子(3)，所述驱动电机为电动发电一体机；
所述行星排输入端离合器包括行星排输入端齿圈离合器(31)、行星排输入端行星架离合器(32)以及行星排输入端离合器壳体连接轴(35)；所述行星排输入端离合器壳体连接轴(35)与驱动电机转子(34)同轴固定连接，所述行星排输入端齿圈离合器(31)、行星排输入端行星架离合器(32)分别与行星排的齿圈(5)和行星架(29)离合传动配合；
所述行星排输出端离合器包括行星排输出端齿圈离合器(28)、行星排输出端行星架离合器(27)以及行星排输出端离合器壳体连接轴(26)；所述行星排输出端齿圈离合器(28)、行星排输出端行星架离合器(27)分别与行星排的齿圈(5)和行星架(29)离合传动配合。
2.根据权利要求1所述的一种拖拉机电驱并联混合动力系统，其特征在于，所述挡位装置包括：前进挡主动齿轮(25)、倒挡主动齿轮(24)、惰轮(23)、前进挡从动齿轮(8)、倒挡从动齿轮(9)、重载挡主动齿轮(10)、中载挡主动齿轮(11)、轻载挡主动齿轮(12)、行驶挡主动齿轮(13)、重载挡从动齿轮(22)、中载挡从动齿轮(20)、轻载挡从动齿轮(19)、行驶挡从动齿轮(16)、啮合套、中间轴(14)、行走系输出轴(17)；
所述前进挡从动齿轮(8)和倒挡从动齿轮(9)同轴固定连接，并通过连接轴内花键与中间轴(14)的外花键滑动连接；所述重载挡主动齿轮(10)、中载挡主动齿轮(11)、轻载挡主动齿轮(12)、行驶挡主动齿轮(13)与中间轴(14)同轴固定连接；所述重载挡从动齿轮(22)、中载挡从动齿轮(20)、轻载挡从动齿轮(19)、行驶挡从动齿轮(16)分别与啮合套配合并滑动安装于行走系输出轴(17)上，所述行走系输出轴(17)与拖拉机的行走系传动连接；所述前进挡主动齿轮(25)、倒挡主动齿轮(24)共同与行星排输出端离合器壳体连接轴(26)同轴固定连接；所述惰轮(23)与倒挡主动齿轮(24)传动连接，所述前进挡从动齿轮(8)、倒挡从动齿轮(9)通过外部驱动装置根据需要与前进挡主动齿轮(25)和惰轮(23)其中一个啮合传动连接。
3.根据权利要求2所述的一种拖拉机电驱并联混合动力系统，其特征在于，所述系统包括三种工作模式：
(1)纯电动模式：所述行星排输入端齿圈离合器(31)与行星排输出端齿圈离合器(28)结合、行星排输入端行星架离合器(32)与行星排输出端行星架离合器(27)断开，或所述行星排输入端齿圈离合器(31)与行星排输出端齿圈离合器(28)断开、行星排输入端行星架离合器(32)与行星排输出端行星架离合器(27)结合；
(2)转速耦合并联模式：根据行走系道路负载需求转矩的大小，将离合器结合时序分为两种情况：高转矩：所述行星排输入端齿圈离合器(31)与行星排输出端行星架离合器(27)结合，行星排输入端行星架离合器(32)与行星排输出端齿圈离合器(28)断开；低转矩：所述行星排输入端齿圈离合器(31)与行星排输出端行星架离合器(27)断开，行星排输入端行星架离合器(32)与行星排输出端齿圈离合器(28)结合；
(3)转矩耦合并联模式：所述行星排输入端齿圈离合器(31)、行星排输入端行星架离合器(32)、行星排输出端行星架离合器(27)、行星排输出端齿圈离合器(28)同时结合，所述驱动电机转子(34)与发动机(37)转速同步，实现转矩叠加。
4.一种权利要求3所述的拖拉机电驱并联混合动力系统的控制方法，其特征在于，包括：
1)拖拉机进行PTO驱动农机具作业，动力输出轴(18)分配发动机(37)的功率较大，行走系克服道路负载的需求转矩较小时，采用转速耦合并联模式，包括：
所述驱动电机根据拖拉机需求功率工作于电动或发电状态；PTO作业中驱动电机对发动机(37)进行稳速协调控制，所述动力输出轴(18)的转速为恒定转速状态；驱动电机通过转速调节，在维持发动机(37)转速稳定于目标转速的前提下，控制发动机(37)最优输出转矩在PTO作业发动机(37)最低转速Nmin对应的输出转矩和最高转速Nmax对应的输出转矩之间；
2)拖拉机进行轻载运输行驶工况时，采用纯电动模式，包括：
电池管理系统(4)向拖拉机整机控制器反馈当前电量状态，拖拉机整机控制器根据输入信号判断是否满足启动条件，不满足则采用转速耦合并联模式进行驱动，满足则启动纯电动模式，进行离合器调整后，系统检测并维持挡位装置的前进挡或倒挡挡位在挡状态、重载挡主动齿轮(10)与重载挡从动齿轮(22)接合，驾驶员根据拖拉机的需求车速和挡位状态，对挡位装置进行升挡或降挡调节；
3)拖拉机进行大转矩牵引力输出，行走系克服道路负载的需求转矩较大时，采用转矩耦合并联模式，包括：
拖拉机在启动行走后的作业过程中，若拖拉机不进行犁耕作业，系统则判断拖拉机进行重载运输作业；
若拖拉机进行犁耕作业，则液压泵(1)驱动拖拉机农机具悬挂液压缸降低高度，进行入犁动作，拖拉机开始进行犁耕作业；在犁耕过程中，驱动电机根据牵引负载的变化，对发动机(37)进行最优转矩补偿控制；若位移传感器检测到农机具悬挂液压缸高度并大于一定的限值，工作模式切换为纯电动模式，否则维持犁耕大牵引力作业。
5.根据权利要求4所述的一种拖拉机电驱并联混合动力系统的控制方法，其特征在于，所述转速耦合并联模式下采用驱动电机协调发动机(37)稳速干扰抑制，包括发动机转速控制和驱动电机转速控制：
发动机转速控制包括实际转速反馈调节和PTO负载转速扰动抑制调节，其中PTO负载转速扰动抑制调节采用发动机(37)转速前馈补偿方法，经过反馈和前馈控制器输出的转速和与发动机(37)目标转速偏差，进入发动机调速控制系统对发动机(37)转速进行补偿调节；驱动电机转速控制包括实际转速反馈调节、PTO负载转速扰动抑制调节和拖拉机行走系负载车速扰动抑制调节，其中PTO负载转速扰动抑制调节和拖拉机行走系负载车速扰动抑制调节都采用驱动电机转速前馈补偿方法，经过反馈和前馈控制器输出的转速和与驱动电机目标转速偏差，进入驱动电机控制系统对其转速进行补偿调节。
6.根据权利要求4所述的一种拖拉机电驱并联混合动力系统的控制方法，其特征在于，所述转矩耦合并联模式中包括发动机最优转矩干扰抑制过程：
发动机(37)在特定转速下的最优输出转矩通过最优工作特性曲线MAP查表得到；驱动电机的输出转矩采用PID反馈调节，拖拉机牵引力控制系统根据实际牵引力和发动机(37)目标最优转矩，得到驱动电机的实际转矩，其与驱动电机目标转矩之差输入PID控制器，得到驱动电机输出转矩控制量。
7.根据权利要求4所述的一种拖拉机电驱并联混合动力系统的控制方法，其特征在于，所述纯电动模式的启动条件包括同时满足动力蓄电池(7)的SOC大于SOCmin、动力蓄电池(7)放电功率PBAT大于驱动电机需求功率PMOT与液压泵驱动电机(2)需求功率PH之和、驱动电机输出转矩TMOT大于拖拉机行走需求转矩Treq三个条件。
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