CN111231650B - 一种拖拉机功率分流混合动力系统及其控制方法 - Google Patents

一种拖拉机功率分流混合动力系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种拖拉机功率分流混合动力系统及其控制方法，该系统的变速箱中设有功率耦合变速系统和液压控制系统，功率耦合变速系统包括功率耦合子系统和多挡变速子系统，功率耦合子系统包括机械传动装置和动力切换元件；拖拉机变速箱控制器根据拖拉机作业动力需求对功率耦合子系统和多挡变速子系统进行协调控制，实现不同工作模式、作业挡位下拖拉机功率分流混合动力系统双动力源的功率分配。与现有技术相比，本发明具有多种行驶作业模式，并且可通过外接电源充电、减少发动机空转时间以及电机调节发动机工作点的方式实现节能降耗，具有转速调节范围广、续航时间长、结构紧凑以及适应性强的优点。

Description

一种拖拉机功率分流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车辆技术领域，尤其是涉及一种拖拉机功率分流混合动力系统及其控制方法。
背景技术
目前，我国农业拖拉机大多采用柴油机作为动力源，能量利用率不高，同时排放差、污染严重，随着我国农业机械化水平的不断提高以及世界能源问题的日益严峻，发展新能源拖拉机就成为了必然趋势。当前受限于蓄电池技术、充电技术的发展瓶颈问题，导致纯电动拖拉机在续航时间和作业效率等方面无法满足实际作业的需要，因此发展混合动力拖拉机具有明显的技术和应用优势。
传统混合动力系统分为串联式、并联式以及混联式。串联式、混联式为双电机混合动力系统，控制难度大，成本较高；并联式多为单电机混合动力系统，结构简单，但无法满足拖拉机多种作业模式需求，适应性差。然而，单电机功率分流混合动力系统具有结构简单紧凑、传动效率高、工作模式多样的优点，可满足拖拉机多种作业工况的动力需求。
拖拉机在特定的作业工况下，作业环境连续多变，且通常伴随着多种行驶状态，包括高低负载的切换、快慢车速的切换以及行驶方向的切换，驾驶传统拖拉机的驾驶员需要频繁连续换挡以满足拖拉机的动力需求，劳动强度大；同时，拖拉机在切换至低负载后，发动机后备功率增加，且频繁起步，造成拖拉机的燃油经济性变差；另外，拖拉机在作业过程中，为了使液压系统保持工作状态，发动机不可停机，使得拖拉机具有一定的空转率，燃油经济性进一步降低。
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功率分流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：
一种拖拉机功率分流混合动力系统，包括发动机、驱动电机、动力蓄电池、电池管理系统、液压泵驱动电机、液压泵，所述驱动电机、动力蓄电池、液压泵驱动电机分别与电池管理系统电气连接，所述液压泵与液压泵驱动电机连接，所述发动机通过动力输出轴连接变速箱，所述变速箱受拖拉机变速箱控制器控制；
所述变速箱中设有功率耦合变速系统和液压控制系统，所述功率耦合变速系统包括功率耦合子系统和多挡变速子系统，所述功率耦合子系统包括机械传动装置和动力切换元件；所述拖拉机变速箱控制器根据拖拉机作业动力需求对所述功率耦合子系统和多挡变速子系统进行协调控制，实现不同工作模式、作业挡位下拖拉机功率分流混合动力系统双动力源的功率分配。
优选的，所述机械传动装置包括转矩耦合并联模式齿轮、转速耦合并联模式齿轮、单向离合器、扭转减震器、太阳轮、行星架、齿圈、第一行星轮、第二行星轮以及动力输出轴、驱动电机输出轴；所述动力切换元件包括第一啮合套、制动器；
所述第一行星轮与第二行星轮同轴固定连接，所述第一行星轮与齿圈啮合传动连接，所述第二行星轮与制动器啮合传动连接；所述转矩耦合并联模式齿轮、转速耦合并联模式齿轮、第一啮合套依次套设在驱动电机输出轴上，同时转矩耦合并联模式齿轮与行星架啮合传动连接、转速耦合并联模式齿轮与齿圈啮合传动连接；所述单向离合器、扭转减震器、太阳轮依次与动力输出轴同轴固定连接，动力输出轴将动力传递到PTO用于农机具作业。
优选的，所述多挡变速子系统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、第二啮合套、第三啮合套、方向挡位执行机构、中间轴及行驶系输出轴；
所述前进挡主动齿轮与倒挡主动齿轮同轴固定连接，通过空心连接轴的内花键与行星架外花键同轴滑动套设在一起；所述前进挡从动齿轮与倒挡从动齿轮与中间轴固定连接；所述重载挡主动齿轮、中载挡主动齿轮、轻载挡主动齿轮、行驶挡主动齿轮通过第二啮合套、第三啮合套依次套设在中间轴上；所述行驶挡从动齿轮、轻载挡从动齿轮、中载挡从动齿轮、重载挡从动齿轮依次与行驶系输出轴同轴固定连接；所述行驶系输出轴与拖拉机行走装置传动连接。
优选的，所述液压控制系统包括相互连接的动力切换控制阀组和挡位选择控制阀组，所述液压泵与动力切换控制阀组连接，所述动力切换控制阀组和挡位选择控制阀组进油端的高压油路分别都与农机具悬挂系统、冷却润滑系统及转向系统连接；所述液压泵同时为动力切换控制阀组、挡位选择控制阀组、农机具悬挂系统、冷却润滑系统以及转向系统提供高压油。
优选的，所述动力切换控制阀组包括第一啮合套电磁换向阀、单向节流阀、制动器电磁阀、第一啮合套执行油缸以及制动器执行油缸；所述制动器电磁阀用于控制制动器执行油缸的执行与断开动作，第一啮合套电磁换向阀、方向挡位电磁换向阀、第三啮合套电磁换向阀、第二啮合套电磁换向阀分别用于控制第一啮合套执行油缸、方向挡位执行油缸、第三啮合套执行油缸、第二啮合套执行油缸的传动切换动作；
所述挡位选择控制阀组包括方向挡位电磁换向阀、三位四通互锁安全电磁阀、第三啮合套电磁换向阀、第二啮合套执行油缸、第三啮合套执行油缸、方向挡位执行油缸以及第二啮合套电磁换向阀；所述三位四通互锁安全电磁阀用于控制第三啮合套电磁换向阀、第二啮合套电磁换向阀的交替切换动作；所述制动器执行油缸、第一啮合套执行油缸、方向挡位执行油缸、第三啮合套执行油缸、第二啮合套执行油缸上安装有位移传感器；所述液压系统高压油路与低压油路上分别安装有压力流量传感器，高压油路一侧安装有压力表。
优选的，所述三位四通互锁安全电磁阀为“O”型中位机能换向阀，所述第一啮合套电磁换向阀、方向挡位电磁换向阀、第三啮合套电磁换向阀、第二啮合套电磁换向阀全部为“Y”型中位机能换向阀。
优选的，所述系统包括以下工作模式：
(1)转矩耦合并联行走模式：所述制动器电磁阀打开，高压油驱动制动器执行油缸用于制动器制动；第一啮合套电磁换向阀阀芯向左移动，驱动第一啮合套执行油缸实现第一啮合套与转矩耦合并联模式齿轮接合，发动机与驱动电机的输出转矩在行星架处叠加，动力通过多挡变速子系统输出到拖拉机行驶系；
(2)转速耦合并联行走模式：所述制动器电磁阀关闭，制动器执行油缸用于解除制动器制动；第一啮合套电磁换向阀阀芯向右移动，驱动第一啮合套执行油缸实现第一啮合套与转速耦合并联模式齿轮接合，发动机与驱动电机的输出转速在行星架处耦合，动力通过多挡变速子系统输出到行驶系；
(3)纯电动行走模式：所述制动器电磁阀关闭，制动器执行油缸用于解除制动器制动；第一啮合套电磁换向阀阀芯向左移动，驱动第一啮合套执行油缸实现第一啮合套与转矩耦合并联模式齿轮接合，此时齿圈为无约束状态，驱动电机独立用于驱动拖拉机行驶，发动机则根据农机具作业需求，选择停机或驱动PTO旋转作业；驱动电机动力通过多挡变速子系统输出到行驶系。
一种拖拉机功率分流混合动力系统的控制方法，包括：
S1：拖拉机驾驶员根据将要从事的作业形式，预先选择混合动力系统的工作模式，同时拖拉机变速箱控制器根据输入换挡杆信号、农机具悬挂高度信号以及液压控制系统的流量信号、压力信号、执行液压缸的位移信号，检测出目前动力切换元件接合状态、作业挡位状态，并分别向动力切换控制阀组、挡位选择控制阀组发送控制作动指令，同时根据各执行液压缸反馈的位移传感器信号，判断混合动力系统是否已经达到目标模式和目标挡位；
S2：拖拉机整机控制器根据驾驶员加速踏板信号以及变化率信号，运算得到拖拉机需求车速与需求牵引力，并发送到拖拉机转速/转矩分配模块，决策出发动机和驱动电机的期望转速，通过发动机和驱动电机的MAP查表得到发动机和驱动电机的期望转矩，将发动机和驱动电机的期望转速、期望转矩发送到发动机控制器和驱动电机控制器；
S3：结合混合动力系统的传动形式和得到的发动机、驱动电机的输出功率，通过运算得到PTO动力输出功率以及行驶系输出功率，同时电池管理系统接受整机控制器信号，控制驱动液压泵驱动电机旋转，从而为拖拉机转向系统、悬挂系统以及变速箱液压系统、润滑冷却系统供给高压油。
优选的，所述工作模式在作业中的模式切换过程包括：
1)在转矩耦合并联行走模式下：当悬挂装置液压缸高度传感器检测到牵引负载农机具抬起时，若悬挂高度大于等于预设值，首先切换到纯电动行走模式，否则维持牵引作业；若动力蓄电池输出功率满足整机动力需求，则启动纯电动行走模式，否则将切换到转速耦合并联行走模式；在转速耦合并联行走模式下，发动机的动力一部分用于驱动驱动电机进行发电，当动力蓄电池电量足以满足驱动拖拉机纯电动行驶的动力需求时，则拖拉机由转速耦合并联行走模式切换回纯电动行走模式；
2)在转速耦合并联行走模式下：当悬挂装置液压缸高度传感器检测到牵引PTO负载农机具抬起时，若悬挂高度大于等于预设值，则拖拉机解除PTO负载行驶，否则，维持牵引PTO输出作业；当拖拉机解除PTO负载行驶时，若动力蓄电池输出功率满足整机动力需求，则启动纯电动行走模式，否则将继续维持转速耦合并联行走模式；在转速耦合并联行走模式下，发动机动力一部分用于驱动驱动电机进行发电，当动力蓄电池电量足以用于驱动拖拉机纯电动行驶的动力需求时，则拖拉机由转速耦合并联行走模式切换回纯电动行走模式；
3)在纯电动行走模式下，其模式切换过程与转矩耦合并联行走模式下的模式切换过程相同。
优选的，所述多挡变速子系统的挡位切换过程通过液压控制系统实现。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、功率分流混合动力系统具有三种工作模式，可涵盖拖拉机大多数作业形式，根据行驶系与PTO负载需求功率的不同，可选择相应的工作模式，驱动电机具有较宽的转速范围，可实现拖拉机在同一挡位内的无级调节，具有转速调节范围广、续航时间长、结构紧凑以及适应性强的优点，在中大型拖拉机上应用前景广阔。
2、行走工况下，发动机不受液压系统限制可停机或给动力蓄电池充电，可减少燃油消耗或实现能量回馈转换；转速耦合并联行走模式下，驱动电机可使发动机稳定于最优工作曲线附近，实现最佳的燃油消耗以及排放性能。
3、该混合动力系统仅采用一个电机，其可实现电动和发电两种功能，配合一组动力蓄电池，结构简单，对传统拖拉机的改装配置较方便，同时可通过外部电源对动力蓄电池将进行充电。
4、该混合动力系统采用一个行星排可以实现纯电动行走、转速耦合并联行走和转矩耦合并联行走等多种工作模式，可在某一挡位内实现无级调速性能，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。
5、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行走模式时，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，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，转矩耦合并联行走模式可发挥电机的转矩输出能力，提高拖拉机的动力性。
6、变速箱的模式切换和挡位切换采用液压控制系统，解决拖拉机在大转矩作业工况下换挡困难的问题；变速箱液压控制系统与整机共用一套液压泵驱动电机与液压泵，可简化变速箱的传动结构。
7、纯电动行走模式可应用于田间地头调头和轻载行驶工况，且纯电动行走模式下的发动机可选择运转或停机，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。
8、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，输出功率可控，作业形式更加灵活，可实现节油的目的。
9、本发明模式切换控制方法可最大限度降低拖拉机在低载工况下的发动机空转率，从而可节约燃油，降低拖拉机的操作难度，增强拖拉机的作业适应性，提高作业效率。
附图说明
图1为本发明拖拉机功率分流混合动力系统结构示意图；
图2为本发明中混合动力系统液压控制系统的结构示意图；
图3为本发明中纯电动行走模式功率流向图；
图4为本发明中转矩耦合并联行走模式功率流向图；
图5为本发明中转速耦合并联行走模式功率流向图；
图6为本发明拖拉机控制框图；
图7为本发明工作模式切换控制框图；
图8为本发明各工作模式下挡位切换控制框图。
图中标注：1、动力蓄电池，2、转矩耦合并联模式齿轮，3、转速耦合并联模式齿轮，4、电池管理系统，5、驱动电机输出轴，6、液压泵驱动电机，7、倒挡从动齿轮，8、前进挡从动齿轮，9、液压泵，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、惰轮，16、方向挡位执行机构，17、第三啮合套，18、第二啮合套，19、动力输出轴，20、行驶系输出轴，21、行驶挡从动齿轮，22、轻载挡从动齿轮，23、中载挡从动齿轮，24、重载挡从动齿轮，25、前进挡主动齿轮，26、倒挡主动齿轮，27、制动器，28、第二行星轮，29、齿圈，30、第一行星轮，31、行星架，32、单向离合器，33、扭转减震器，34、发动机，35、变速箱，36、太阳轮，37、驱动电机，38、第一啮合套，39、主溢流阀，40、单向阀，41、滤清器，42、单向滤清器，43、动力切换控制阀组，44、挡位选择控制阀组，45、节流阀，46、压力表，47、压力流量传感器，48、位移传感器，49、执行机构，50、油箱，101、第一啮合套电磁换向阀，102、单向节流阀，103、制动器电磁阀，104、第一啮合套执行油缸，105、制动器执行油缸，201、方向挡位电磁换向阀，202、三位四通互锁安全电磁阀，203、第三啮合套电磁换向阀，204、第二啮合套执行油缸，205、第三啮合套执行油缸，206、方向挡位执行油缸，207、第二啮合套电磁换向阀。
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功率分流混合动力系统，包括发动机34、驱动电机37、动力蓄电池1、电池管理系统4、液压泵驱动电机6、液压泵9，驱动电机37、动力蓄电池1、液压泵驱动电机6分别与电池管理系统4电气连接，液压泵9与液压泵驱动电机6连接，发动机34通过动力输出轴19连接变速箱35，变速箱35受拖拉机变速箱控制器控制。
发动机34作为主要动力源，可直接通过动力输出轴19驱动PTO连接农机具进行作业，发动机34输出端安装单向离合器32，可防止驱动电机37在反向转动时对发动机34进行反拖旋转。
电池管理系统4可以用于对动力蓄电池1的荷电荷数进行估计，并向拖拉机整机控制器反馈电池状态信号，同时可以控制驱动电机37对动力蓄电池1充放电的DC/AC逆变转换。由于拖拉机采用液压助力转向和农机具液压悬挂提升装置，所以要保持液压泵9具有不间断的工作能力，液压泵9采用液压泵驱动电机6独立驱动的形式，故动力蓄电池1电量工作下限SOCmin应大于动力蓄电池1能满足液压泵驱动电机6最大输出功率的SOC值；相比于传统拖拉机液压泵9从发动机34处取力的形式，本系统的液压泵驱动电机6独立驱动的方式，可根据液压系统负载装置需求功率的变化实时调整液压泵驱动电机6的输出功率，液压泵9输出功率可控。
变速箱35中设有功率耦合变速系统和液压控制系统，功率耦合变速系统包括功率耦合子系统和多挡变速子系统，功率耦合子系统包括机械传动装置和动力切换元件。拖拉机变速箱控制器根据拖拉机作业动力需求对功率耦合子系统和多挡变速子系统进行协调控制，实现不同工作模式、作业挡位下拖拉机功率分流混合动力系统双动力源的功率分配。
机械传动装置包括转矩耦合并联模式齿轮2、转速耦合并联模式齿轮3、单向离合器32、扭转减震器33、太阳轮36、行星架31、齿圈29、第一行星轮30、第二行星轮28以及动力输出轴19、驱动电机输出轴5。动力切换元件包括第一啮合套38、制动器27。第一行星轮30与第二行星轮28同轴固定连接，第一行星轮30与齿圈29啮合传动连接，第二行星轮28与制动器27啮合传动连接；转矩耦合并联模式齿轮2、转速耦合并联模式齿轮3、第一啮合套38依次套设在驱动电机输出轴5上，同时转矩耦合并联模式齿轮2与行星架31啮合传动连接、转速耦合并联模式齿轮3与齿圈29啮合传动连接；单向离合器32、扭转减震器33、太阳轮36依次与动力输出轴19同轴固定连接，动力输出轴19将动力传递到PTO用于农机具作业。
多挡变速子系统包括前进挡主动齿轮25、倒挡主动齿轮26、惰轮15、前进挡从动齿轮8、倒挡从动齿轮7、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24、中载挡从动齿轮23、轻载挡从动齿轮22、行驶挡从动齿轮21、第二啮合套18、第三啮合套17、方向挡位执行机构16、中间轴14及行驶系输出轴20。
前进挡主动齿轮25与倒挡主动齿轮26同轴固定连接，通过空心连接轴的内花键与行星架31外花键同轴滑动套设在一起；前进挡从动齿轮8与倒挡从动齿轮7与中间轴14固定连接；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通过第二啮合套18、第三啮合套17依次套设在中间轴14上；行驶挡从动齿轮21、轻载挡从动齿轮22、中载挡从动齿轮23、重载挡从动齿轮24依次与行驶系输出轴20同轴固定连接；行驶系输出轴20与拖拉机行走装置传动连接。
多挡变速子系统通过前进挡主动齿轮25、倒挡主动齿轮26、惰轮15可实现4F+4R的挡位数量，由于驱动电机37具有较宽的转速调节范围，故挡位数量相比于传统拖拉机少，本发明变速挡位数不限于重载挡、中载挡、轻载挡、行驶挡，可根据拖拉机的速度范围适当增加更多挡位。
如图2所示，液压控制系统包括液压泵驱动电机6、液压泵9、主溢流阀39、单向阀40、滤清器41、单向滤清器42、节流阀45、压力表46、压力流量传感器47、位移传感器48、执行机构49以及动力切换控制阀组43、挡位选择控制阀组44；所述动力切换控制阀组43包括第一啮合套电磁换向阀101、单向节流阀102、制动器电磁阀103、第一啮合套执行油缸104以及制动器执行油缸105。液压泵9与动力切换控制阀组43连接，动力切换控制阀组43和挡位选择控制阀组44进油端的高压油路分别都与农机具悬挂系统、冷却润滑系统及转向系统连接。液压泵9的输出端连接有主溢流阀39和单向阀40，液压泵9同时为动力切换控制阀组43、挡位选择控制阀组44、农机具悬挂系统、冷却润滑系统以及转向系统提供高压油。
动力切换控制阀组43包括第一啮合套电磁换向阀101、单向节流阀102、制动器电磁阀103、第一啮合套执行油缸104以及制动器执行油缸105。制动器电磁阀103用于控制制动器执行油缸105的执行与断开动作，第一啮合套电磁换向阀101、方向挡位电磁换向阀201、第三啮合套电磁换向阀203、第二啮合套电磁换向阀207分别用于控制第一啮合套执行油缸104、方向挡位执行油缸206、第三啮合套执行油缸205、第二啮合套执行油缸204的传动切换动作。
挡位选择控制阀组44包括方向挡位电磁换向阀201、三位四通互锁安全电磁阀202、第三啮合套电磁换向阀203、第二啮合套执行油缸204、第三啮合套执行油缸205、方向挡位执行油缸206以及第二啮合套电磁换向阀207。三位四通互锁安全电磁阀202用于控制第三啮合套电磁换向阀203、第二啮合套电磁换向阀207的交替切换动作，防止两个电磁换向阀同时作动而产生挡位干涉问题。制动器执行油缸105、第一啮合套执行油缸104、方向挡位执行油缸206、第三啮合套执行油缸205、第二啮合套执行油缸204上安装有位移传感器48。液压系统高压油路与低压油路上分别安装有压力流量传感器47，高压油路一侧安装有压力表46。
三位四通互锁安全电磁阀202为“O”型中位机能换向阀，第一啮合套电磁换向阀101、方向挡位电磁换向阀201、第三啮合套电磁换向阀203、第二啮合套电磁换向阀207全部为“Y”型中位机能换向阀。
液压控制系统中安装有位移传感器48、压力流量传感器47，位移传感器48用于检测并向拖拉机变速箱控制器反馈执行油缸驱动制动器27、啮合套与齿轮的接合状态，从而为变速箱工作模式和挡位的选择控制提供决策依据；压力流量传感器47用于检测液压系统管路中的压力、流量信号，为液压泵驱动电机6输出功率控制提供反馈信号。
如图3～5所示，拖拉机变速箱控制器向第一啮合套电磁换向阀101、制动器电磁阀103发送相应的控制指令，协调控制开关状态，控制第一啮合套执行油缸104、制动器执行油缸105，进而实现发动机34与驱动电机37用于驱动混合动力拖拉机不同的耦合工作模式，具体包括以下工作模式：
(1)转矩耦合并联行走模式：制动器电磁阀103打开，高压油驱动制动器执行油缸105用于制动器27制动；第一啮合套电磁换向阀101阀芯向左移动，驱动第一啮合套执行油缸104实现第一啮合套38与转矩耦合并联模式齿轮2接合，发动机34动力沿动力输出轴19经过扭转减震器33、单向离合器32、太阳轮36传递到第一行星轮30，驱动电机37动力经过转矩耦合并联模式齿轮2传递到行星架31，由于制动器27的制动作用，第一行星轮30受到第二行星轮28的转矩转速约束作用，使得发动机34与驱动电机37的输出转矩在行星架31处叠加输出到多挡变速子系统；先后控制方向挡位电磁换向阀201阀芯右移、三位四通互锁安全电磁阀202阀芯左移、第二啮合套电磁换向阀207阀芯左移使得前进挡主动齿轮25与前进挡从动齿轮8、重载挡主动齿轮10与重载挡从动齿轮24彼此啮合，由行星架31传递来的动力经过该路径传递到拖拉机行驶系，此模式仅用于拖拉机大牵引力驱动作业，PTO不工作的作业工况；
(2)转速耦合并联行走模式：制动器电磁阀103关闭，制动器执行油缸105用于解除制动器27制动；控制第一啮合套电磁换向阀101阀芯向右移动，驱动第一啮合套执行油缸104实现第一啮合套38与转速耦合并联模式齿轮3接合，发动机34一部分动力沿动力输出轴19经过扭转减震器33、单向离合器32、太阳轮36传递到第一行星轮30，另一部分动力经过动力输出轴19传递到PTO用于驱动农机具作业；驱动电机37动力经过转速耦合并联模式齿轮3、齿圈29传递到第一行星轮30，发动机34与驱动电机37的动力在行星架31处实现转速耦合并传递到多挡变速子系统；先后控制方向挡位电磁换向阀201阀芯右移、三位四通互锁安全电磁阀202阀芯左移、第二啮合套电磁换向阀207阀芯左移使得前进挡主动齿轮25与前进挡从动齿轮8、重载挡主动齿轮10与重载挡从动齿轮24彼此啮合，由行星架31传递来的动力经过该路径传递到拖拉机行驶系，此模式用于拖拉机牵引PTO驱动农机具作业和中载行驶等工况；
(3)纯电动行走模式：制动器电磁阀103关闭，制动器执行油缸105用于解除制动器27制动；控制第一啮合套电磁换向阀101阀芯向左移动，驱动第一啮合套执行油缸104实现第一啮合套38与转矩耦合并联模式齿轮2接合，此时齿圈29为无约束状态，驱动电机37独立用于驱动拖拉机行驶，发动机34则根据农机具作业需求，可选择停机或驱动PTO旋转作业；先后控制方向挡位电磁换向阀201阀芯右移、三位四通互锁安全电磁阀202阀芯左移、第二啮合套电磁换向阀207阀芯左移使得前进挡主动齿轮25与前进挡从动齿轮8、重载挡主动齿轮10与重载挡从动齿轮24彼此啮合，驱动电机37动力经过该路径传递到拖拉机行驶系，此模式仅用于拖拉机轻载运输或道路行驶的作业工况。
本申请提出一种上述拖拉机功率分流混合动力系统的控制方法，包括：
S1：拖拉机驾驶员根据将要从事的作业形式，预先选择混合动力系统的工作模式，同时拖拉机变速箱控制器根据输入换挡杆信号、农机具悬挂高度信号以及液压控制系统的流量信号、压力信号、执行液压缸的位移信号，检测出目前动力切换元件接合状态、作业挡位状态，并分别向动力切换控制阀组43、挡位选择控制阀组44发送控制作动指令，同时根据各执行液压缸反馈的位移传感器48信号，判断混合动力系统是否已经达到目标模式和目标挡位；
S2：拖拉机变速箱控制器通过CAN总线向拖拉机整机控制器发送耦合形式、速比、行驶方向等信号，拖拉机整机控制器根据驾驶员加速踏板信号以及变化率信号，运算得到拖拉机需求车速与需求牵引力，将以上得到的期望信号通过CAN总线发送到拖拉机转速/转矩分配模块，决策出发动机34的期望转速和驱动电机37期望转速，并通过发动机34和驱动电机37的MAP查表得到发动机34的期望转矩和驱动电机37的期望转矩，将以上期望信号发送到发动机34的控制器和驱动电机37的控制器，最终得到发动机34、驱动电机37的实际转速和实际转矩；
S3：结合混合动力系统的传动形式和得到的发动机34、驱动电机37的输出功率，通过运算得到PTO动力输出功率以及行驶系输出功率，同时电池管理系统4接受整机控制器信号，控制驱动液压泵驱动电机6旋转，从而为拖拉机转向系统、悬挂系统以及变速箱液压系统、润滑冷却系统供给高压油。
驾驶员预先选择混合动力系统的工作模式后，在拖拉机循环作业过程中，会有多次的工作模式切换，特定工作模式下的具体切换分为：
1)预先选择转矩耦合并联行走模式：在该模式下，拖拉机进行大牵引力作业，当悬挂装置液压缸高度传感器检测到牵引负载农机具抬起时，判断悬挂高度大于等于预设值即可首先切换到纯电动行走模式，若悬挂高度小于预设值，可判断拖拉机未解除大牵引负载，进而维持牵引作业；动力蓄电池1的荷电状态经过放大整形以及A/D转换后进入拖拉机整机控制器，拖拉机根据整机控制器所接受的所有信号计算整机实时需求功率Preq是否小于动力蓄电池1输出功率Pbat，若动力蓄电池1输出功率Pbat满足整机动力需求，则启动纯电动行走模式，否则将切换到转速耦合并联行走模式；在转速耦合并联行走模式下，发动机34动力一部分用于驱动驱动电机37进行发电，当动力蓄电池1电量足以满足驱动拖拉机纯电动行驶的动力需求时，则拖拉机由转速耦合并联行走模式切换回纯电动行走模式。
2)预先选择转速耦合并联行走模式：在该模式下，拖拉机进行中载牵引PTO输出作业，当悬挂装置液压缸高度传感器检测到牵引PTO负载农机具抬起时，若悬挂高度大于等于预设值即可判断拖拉机需要解除PTO负载行驶，若悬挂高度小于预设值，可判断拖拉机未解除PTO负载，进而维持牵引PTO输出作业。当拖拉机解除PTO负载行驶时，动力蓄电池1的荷电状态经过放大整形以及A/D转换后进入拖拉机整机控制器，拖拉机根据整机控制器所接受的所有信号计算整机实时需求功率Preq是否小于动力蓄电池1输出功率Pbat，若动力蓄电池1输出功率Pbat满足整机动力需求，则启动纯电动行走模式，否则将继续维持转速耦合并联行走模式；在转速耦合并联行走模式下，发动机34动力一部分用于驱动驱动电机37进行发电，当动力蓄电池1电量足以用于驱动拖拉机纯电动行驶的动力需求时，则拖拉机由转速耦合并联行走模式切换回纯电动行走模式。
(3)预先选择纯电动行走模式：在该模式下，拖拉机进行轻载行驶或倒挡作业，其模式切换过程与预先选择转矩耦合并联行走模式相同，首先动力蓄电池1的荷电状态经过放大整形以及A/D转换后进入拖拉机整机控制器，拖拉机根据整机控制器所接受的所有信号计算整机实时需求功率Preq是否小于动力蓄电池1输出功率Pbat，若动力蓄电池1输出功率Pbat满足整机动力需求，则启动纯电动行走模式，否则将切换到转速耦合并联行走模式；在转速耦合并联行走模式下，发动机34动力一部分用于驱动驱动电机37进行发电，当动力蓄电池1电量足以用于驱动拖拉机纯电动行驶的动力需求时，则拖拉机由转速耦合并联行走模式切换回纯电动行走模式。
模式切换过程中多挡变速子系统的挡位切换过程包括：
①转矩耦合并联行走模式下：拖拉机在该模式下进行升挡，首先变速箱控制器控制液压系统方向挡位电磁换向阀201阀芯右移，三位四通互锁安全电磁阀202阀芯左移，同时第三啮合套电磁换向阀203保持中位，当检测到第三啮合套执行油缸205上的位移传感器48信号小于安全限值时，控制第二啮合套电磁换向阀207阀芯左移，第二啮合套执行油缸204驱动第二啮合套18与重载挡位主动齿轮接合、控制第二啮合套电磁换向阀207阀芯右移，第二啮合套执行油缸204驱动第二啮合套18与中载挡位主动齿轮接合；同理，当需要换入轻载挡位和行驶挡位时，保持当前方向挡位电磁换向阀201状态，三位四通互锁安全电磁阀202阀芯右移，同时第二啮合套电磁换向阀207保持中位，当检测到第二啮合套执行油缸204上的位移传感器48信号小于安全限值时，控制第三啮合套电磁换向阀203阀芯向左或向右移动，分别换入轻载挡位和行驶挡位。所述降挡操作为升挡的逆向过程，其过程参考升挡过程为显而易见的，在此不再详细赘述。
②转速耦合并联行走模式下：拖拉机变速箱控制器通过检测多挡变速子系统方向挡位执行油缸206的位移传感器48信号，拖拉机整机控制器根据驾驶员的换挡杆输入信号，判断得到拖拉机的行驶方向，若此时需要前进挡行驶，则拖拉机变速箱控制方向挡位电磁换向阀201阀芯向右移动，前进挡主动齿轮25与前进挡从动齿轮8啮合，拖拉机实现前进行驶；若此时需要倒退行驶，则拖拉机变速箱控制器控制方向挡位电磁换向阀201阀芯向左移动，倒挡主动齿轮26通过惰轮15与倒挡从动齿轮7啮合，拖拉机实现倒退行驶。
③纯电动行走模式下：拖拉机变速箱控制器通过检测多挡变速子系统方向挡位执行油缸206的位移传感器48信号，并保持方向挡位电磁换向阀201为接合状态，若此时倒挡齿轮结合，拖拉机整机控制器根据驾驶员的换挡杆输入信号，判断拖拉机的行驶方向，若需要拖拉机倒退行驶，则控制驱动电机37正向旋转，反之需要前进行驶，则控制驱动电机37反向旋转。同理，若此时前进挡齿轮结合，拖拉机整机控制器根据驾驶员的换挡杆输入信号，判断拖拉机的行驶方向，若需要拖拉机前进行驶，则控制驱动电机37正向旋转，反之需要倒退行驶，则控制驱动电机37反向旋转。
④转速耦合并联行走模式下或纯电动行走模式下的行驶方向选择完毕后，可根据①转矩耦合并联行走模式进行相同升挡过程或降挡过程的拖拉机速度与挡位的匹配调节。

Claims (9)

1.一种拖拉机功率分流混合动力系统，包括发动机(34)、驱动电机(37)、动力蓄电池(1)、电池管理系统(4)、液压泵驱动电机(6)、液压泵(9)，所述驱动电机(37)、动力蓄电池(1)、液压泵驱动电机(6)分别与电池管理系统(4)电气连接，所述液压泵(9)与液压泵驱动电机(6)连接，所述发动机(34)通过动力输出轴(19)连接变速箱(35)，所述变速箱(35)受拖拉机变速箱控制器控制；其特征在于：
所述变速箱(35)中设有功率耦合变速系统和液压控制系统，所述功率耦合变速系统包括功率耦合子系统和多挡变速子系统，所述功率耦合子系统包括机械传动装置和动力切换元件；所述拖拉机变速箱控制器根据拖拉机作业动力需求对所述功率耦合子系统和多挡变速子系统进行协调控制，实现不同工作模式、作业挡位下拖拉机功率分流混合动力系统双动力源的功率分配；
所述机械传动装置包括转矩耦合并联模式齿轮(2)、转速耦合并联模式齿轮(3)、单向离合器(32)、扭转减震器(33)、太阳轮(36)、行星架(31)、齿圈(29)、第一行星轮(30)、第二行星轮(28)以及动力输出轴(19)、驱动电机输出轴(5)；所述动力切换元件包括第一啮合套(38)、制动器(27)；
所述第一行星轮(30)与第二行星轮(28)同轴固定连接，所述第一行星轮(30)与齿圈(29)啮合传动连接，所述第二行星轮(28)与制动器(27)啮合传动连接；所述转矩耦合并联模式齿轮(2)、转速耦合并联模式齿轮(3)、第一啮合套(38)依次套设在驱动电机输出轴(5)上，同时转矩耦合并联模式齿轮(2)与行星架(31)啮合传动连接、转速耦合并联模式齿轮(3)与齿圈(29)啮合传动连接；所述单向离合器(32)、扭转减震器(33)、太阳轮(36)依次与动力输出轴(19)同轴固定连接，动力输出轴(19)将动力传递到PTO用于农机具作业。
2.根据权利要求1所述的一种拖拉机功率分流混合动力系统，其特征在于，所述多挡变速子系统包括前进挡主动齿轮(25)、倒挡主动齿轮(26)、惰轮(15)、前进挡从动齿轮(8)、倒挡从动齿轮(7)、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(24)、中载挡从动齿轮(23)、轻载挡从动齿轮(22)、行驶挡从动齿轮(21)、第二啮合套(18)、第三啮合套(17)、方向挡位执行机构(16)、中间轴(14)及行驶系输出轴(20)；
所述前进挡主动齿轮(25)与倒挡主动齿轮(26)同轴固定连接，通过空心连接轴的内花键与行星架(31)外花键同轴滑动套设在一起；所述前进挡从动齿轮(8)与倒挡从动齿轮(7)与中间轴(14)固定连接；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)通过第二啮合套(18)、第三啮合套(17)依次套设在中间轴(14)上；所述行驶挡从动齿轮(21)、轻载挡从动齿轮(22)、中载挡从动齿轮(23)、重载挡从动齿轮(24)依次与行驶系输出轴(20)同轴固定连接；所述行驶系输出轴(20)与拖拉机行走装置传动连接。
3.根据权利要求2所述的一种拖拉机功率分流混合动力系统，其特征在于，所述液压控制系统包括相互连接的动力切换控制阀组(43)和挡位选择控制阀组(44)，所述液压泵(9)与动力切换控制阀组(43)连接，所述动力切换控制阀组(43)和挡位选择控制阀组(44)进油端的高压油路分别都与农机具悬挂系统、冷却润滑系统及转向系统连接；所述液压泵(9)同时为动力切换控制阀组(43)、挡位选择控制阀组(44)、农机具悬挂系统、冷却润滑系统以及转向系统提供高压油。
4.根据权利要求3所述的一种拖拉机功率分流混合动力系统，其特征在于，所述动力切换控制阀组(43)包括第一啮合套电磁换向阀(101)、单向节流阀(102)、制动器电磁阀(103)、第一啮合套执行油缸(104)以及制动器执行油缸(105)；所述制动器电磁阀(103)用于控制制动器执行油缸(105)的执行与断开动作，第一啮合套电磁换向阀(101)、方向挡位电磁换向阀(201)、第三啮合套电磁换向阀(203)、第二啮合套电磁换向阀(207)分别用于控制第一啮合套执行油缸(104)、方向挡位执行油缸(206)、第三啮合套执行油缸(205)、第二啮合套执行油缸(204)的传动切换动作；
所述挡位选择控制阀组(44)包括方向挡位电磁换向阀(201)、三位四通互锁安全电磁阀(202)、第三啮合套电磁换向阀(203)、第二啮合套执行油缸(204)、第三啮合套执行油缸(205)、方向挡位执行油缸(206)以及第二啮合套电磁换向阀(207)；所述三位四通互锁安全电磁阀(202)用于控制第三啮合套电磁换向阀(203)、第二啮合套电磁换向阀(207)的交替切换动作；所述制动器执行油缸(105)、第一啮合套执行油缸(104)、方向挡位执行油缸(206)、第三啮合套执行油缸(205)、第二啮合套执行油缸(204)上安装有位移传感器(48)；所述液压系统高压油路与低压油路上分别安装有压力流量传感器(47)，高压油路一侧安装有压力表(46)。
5.根据权利要求4所述的一种拖拉机功率分流混合动力系统，其特征在于，所述三位四通互锁安全电磁阀(202)为“O”型中位机能换向阀，所述第一啮合套电磁换向阀(101)、方向挡位电磁换向阀(201)、第三啮合套电磁换向阀(203)、第二啮合套电磁换向阀(207)全部为“Y”型中位机能换向阀。
6.根据权利要求5所述的一种拖拉机功率分流混合动力系统，其特征在于，所述系统包括以下工作模式：
(1)转矩耦合并联行走模式：所述制动器电磁阀(103)打开，高压油驱动制动器执行油缸(105)用于制动器(27)制动；第一啮合套电磁换向阀(101)阀芯向左移动，驱动第一啮合套执行油缸(104)实现第一啮合套(38)与转矩耦合并联模式齿轮(2)接合，发动机(34)与驱动电机(37)的输出转矩在行星架(31)处叠加，动力通过多挡变速子系统输出到拖拉机行驶系；
(2)转速耦合并联行走模式：所述制动器电磁阀(103)关闭，制动器执行油缸(105)用于解除制动器(27)制动；第一啮合套电磁换向阀(101)阀芯向右移动，驱动第一啮合套执行油缸(104)实现第一啮合套(38)与转速耦合并联模式齿轮(3)接合，发动机(34)与驱动电机(37)的输出转速在行星架(31)处耦合，动力通过多挡变速子系统输出到行驶系；
(3)纯电动行走模式：所述制动器电磁阀(103)关闭，制动器执行油缸(105)用于解除制动器(27)制动；第一啮合套电磁换向阀(101)阀芯向左移动，驱动第一啮合套执行油缸(104)实现第一啮合套(38)与转矩耦合并联模式齿轮(2)接合，此时齿圈(29)为无约束状态，驱动电机(37)独立用于驱动拖拉机行驶，发动机(34)则根据农机具作业需求，选择停机或驱动PTO旋转作业；驱动电机(37)动力通过多挡变速子系统输出到行驶系。
7.一种权利要求6所述的拖拉机功率分流混合动力系统的控制方法，其特征在于，包括：
S1：拖拉机驾驶员根据将要从事的作业形式，预先选择混合动力系统的工作模式，同时拖拉机变速箱控制器根据输入换挡杆信号、农机具悬挂高度信号以及液压控制系统的流量信号、压力信号、执行液压缸的位移信号，检测出目前动力切换元件接合状态、作业挡位状态，并分别向动力切换控制阀组(43)、挡位选择控制阀组(44)发送控制作动指令，同时根据各执行液压缸反馈的位移传感器(48)信号，判断混合动力系统是否已经达到目标模式和目标挡位；
S2：拖拉机整机控制器根据驾驶员加速踏板信号以及变化率信号，运算得到拖拉机需求车速与需求牵引力，并发送到拖拉机转速/转矩分配模块，决策出发动机(34)和驱动电机(37)的期望转速，通过发动机(34)和驱动电机(37)的MAP查表得到发动机(34)和驱动电机(37)的期望转矩，将发动机(34)和驱动电机(37)的期望转速、期望转矩发送到发动机(34)控制器和驱动电机(37)控制器；
S3：结合混合动力系统的传动形式和得到的发动机(34)、驱动电机(37)的输出功率，通过运算得到PTO动力输出功率以及行驶系输出功率，同时电池管理系统(4)接受整机控制器信号，控制驱动液压泵驱动电机(6)旋转，从而为拖拉机转向系统、悬挂系统以及变速箱液压系统、润滑冷却系统供给高压油。
8.根据权利要求7所述的一种拖拉机功率分流混合动力系统的控制方法，其特征在于，所述工作模式在作业中的模式切换过程包括：
1)在转矩耦合并联行走模式下：当悬挂装置液压缸高度传感器检测到牵引负载农机具抬起时，若悬挂高度大于等于预设值，首先切换到纯电动行走模式，否则维持牵引作业；若动力蓄电池(1)输出功率满足整机动力需求，则启动纯电动行走模式，否则将切换到转速耦合并联行走模式；在转速耦合并联行走模式下，发动机(34)的动力一部分用于驱动驱动电机(37)进行发电，当动力蓄电池(1)电量足以满足驱动拖拉机纯电动行驶的动力需求时，则拖拉机由转速耦合并联行走模式切换回纯电动行走模式；
2)在转速耦合并联行走模式下：当悬挂装置液压缸高度传感器检测到牵引PTO负载农机具抬起时，若悬挂高度大于等于预设值，则拖拉机解除PTO负载行驶，否则，维持牵引PTO输出作业；当拖拉机解除PTO负载行驶时，若动力蓄电池(1)输出功率满足整机动力需求，则启动纯电动行走模式，否则将继续维持转速耦合并联行走模式；在转速耦合并联行走模式下，发动机(34)动力一部分用于驱动驱动电机(37)进行发电，当动力蓄电池(1)电量足以用于驱动拖拉机纯电动行驶的动力需求时，则拖拉机由转速耦合并联行走模式切换回纯电动行走模式；
3)在纯电动行走模式下，其模式切换过程与转矩耦合并联行走模式下的模式切换过程相同。
9.根据权利要求7所述的一种拖拉机功率分流混合动力系统的控制方法，其特征在于，所述多挡变速子系统的挡位切换过程通过液压控制系统实现。
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