CN117681641B - 一种混合动力系统及拖拉机 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及拖拉机技术领域，特别涉及一种混合动力系统及拖拉机。混合动力系统包括发动机、第一电机、第二电机、储能单元、离合器、动力输出装置、后桥、第一换挡装置以及动力传动模组，动力传动模组包括行星轮组件、第一传动组件、第二传动组件以及第三传动组件。行星轮组件包括太阳轮、行星齿轮、行星架和齿圈，发动机输出轴通过太阳轮与动力输出轴连接，第一换挡装置设置于发动机输出轴与太阳轮之间。第一电机输入轴通过第一传动组件与发动机输出轴连接，第二电机输入轴通过第二传动组件与齿圈连接，后桥输出轴通过第三传动组件与行星架输出轴连接，第一电机和第二电机分别与储能单元连接。上述混合动力系统，简化了系统，节省了成本。

Description

一种混合动力系统及拖拉机
技术领域
本申请涉及拖拉机技术领域，特别涉及一种混合动力系统及拖拉机。
背景技术
目前，市场上的拖拉机大多数仍以柴油机作为动力源，这种传统柴油拖拉机+手动变速箱作为动力传动链，不仅噪声大、换挡冲击大、效率低而且严重污染环境，驾驶员操作强度大。电动拖拉机通过电能驱动车辆，相比传统柴油拖拉机，电动拖拉机具有低排放、清洁无污染、低噪音和能量利用率高等优点，但技术仍不成熟，存在续航能力不足等缺点。混合动力拖拉机由于既能够使用柴油机作为动力源，也可通过电能驱动车辆的特点，能够解决传统柴油拖拉机和电动拖拉机的问题，因此越来越受市场的欢迎。
现有的混合动力拖拉机为了实现不同的动力驱动模式，通常需要设置分动箱或者PTO电机，然而，增加分动箱或者PTO电机，不仅增加了系统的复杂程度，还增加了成本。
发明内容
本申请提供了一种混合动力系统及拖拉机，在实现拖拉机不同的动力驱动模式的同时还能够减少结构件，简化了系统，节省了成本。
第一方面，本申请提供一种混合动力系统，包括发动机、第一电机、第二电机、储能单元、离合器、动力输出装置、后桥、第一换挡装置以及动力传动模组，所述动力传动模组包括行星轮组件、第一传动组件、第二传动组件以及第三传动组件；
所述行星轮组件包括太阳轮、行星齿轮、行星架和齿圈，所述行星架与所述行星齿轮连接，所述太阳轮和所述行星齿轮之间传动连接，所述行星齿轮与所述齿圈之间传动连接，所述发动机的发动机输出轴通过所述太阳轮与所述动力输出装置的动力输出轴连接；
所述第一换挡装置设置于所述发动机输出轴与所述太阳轮之间，当所述第一换挡装置处于第一档位时，所述太阳轮与所述行星齿轮之间相对固定，当所述第一换挡装置处于第二档位时，所述太阳轮和所述行星齿轮之间可相对转动；
所述第一电机的第一电机输入轴通过所述第一传动组件与所述发动机输出轴连接，所述离合器设置于所述发动机输出轴位于所述第一传动组件与所述发动机之间的部位；
所述第二电机的第二电机输入轴通过所述第二传动组件与所述齿圈连接；
所述后桥的后桥输出轴通过所述第三传动组件与所述行星架的行星架输出轴连接；
所述第一电机和所述第二电机分别与所述储能单元连接，所述第一电机和所述第二电机连接，所述第一电机用于产生电能并传输给所述储能单元或所述第二电机，所述储能单元用于对所述第一电机和所述第二电机提供电能。
本申请提供的混合动力系统，通过设置第一换挡装置和行星轮组件，发动机输出轴与行星轮组件的太阳轮连接，第二电机与行星轮组件的齿圈连接，后桥输出轴与行星轮组件的行星架连接，从而能够实现混合动力系统的不同工作模式。当离合器脱开，发动机不工作，混合动力系统为单电机纯电模式或双电机纯电模式，当离合器闭合，发动机工作，混合动力系统可切换至增程模式或混动模式。相较于现有的混合动力拖拉机，本申请中的混合动力系统不仅能够实现不同的工作模式，还省去了分动箱或者用于驱动动力输出装置的电机，简化了系统，节省了成本。
在一些可能的实施方案中，所述第一传动组件包括第一主动齿轮和第一从动齿轮，所述第一主动齿轮与所述第一电机输入轴连接，所述第一从动齿轮与所述发动机输出轴连接，所述第一主动齿轮和所述第一从动齿轮传动连接。
在一些可能的实施方案中，所述第二传动组件包括第二主动齿轮，所述第二主动齿轮与所述第二电机输入轴连接，所述第二主动齿轮和所述行星轮组件传动连接。
在一些可能的实施方案中，所述第二传动组件还包括中间轴和惰轮，所述中间轴连接于所述惰轮，所述惰轮位于所述第二主动齿轮和所述行星轮组件之间，所述惰轮分别与所述第二主动齿轮和所述行星轮组件传动连接。
在一些可能的实施方案中，所述混合动力系统还包括第二换挡装置，所述第二换挡装置与所述后桥输出轴连接；
所述第三传动组件包括第一后桥传动模块和第二后桥传动模块，所述第一后桥传动模块和所述第二后桥传动模块分别与所述行星架输出轴连接，所述第一后桥传动模块和所述第二后桥传动模块的输出功率不同，且所述第二换挡装置可选地与所述第一后桥传动模块和所述第二后桥传动模块中的一个连接。
在一些可能的实施方案中，所述第一后桥传动模块包括第一输出主动齿轮和第一输出从动齿轮，所述行星架输出轴与所述第一输出主动齿轮连接，所述第一输出从动齿轮用于与所述第二换挡装置连接，且所述第一输出主动齿轮与所述第一输出从动齿轮传动连接。
在一些可能的实施方案中，所述第二后桥传动模块包括第二输出主动齿轮和第二输出从动齿轮，所述行星架输出轴与所述第二输出主动齿轮连接，所述第二输出从动齿轮用于与所述第二换挡装置连接，且所述第二输出主动齿轮与所述第二输出从动齿轮传动连接。
在一些可能的实施方案中，第一换挡装置为滑套，和/或，所述第二换挡装置为滑套。
在一些可能的实施方案中，还包括用于控制所述第一电机运转的第一控制单元和用于控制所述第二电机运转的第二控制单元。
第二方面，本申请提供一种拖拉机，包括如第一方面中任一可能的实施方案中所述的混合动力系统。
附图说明
图1为本申请实施例中混合动力系统的一种整体结构示意图；
图2为本申请实施例中混合动力系统在单电机纯电模式下的工作状态示意图；
图3为本申请实施例中混合动力系统在双电机纯电模式下的工作状态示意图；
图4为本申请实施例中混合动力系统在增程模式下的工作状态示意图；
图5为本申请实施例中混合动力系统在混动模式下的工作状态示意图。
图中：
1-发动机；11-发动机输出轴；2-第一电机；21-第一电机输入轴；3-第二电机；31-第二电机输入轴；4-储能单元；5-离合器；6-动力输出装置；61-动力输出轴；7-后桥；71-后桥输出轴；8-第一换挡装置；9-第二换挡装置；10-第一控制单元；20-第二控制单元；100-行星轮组件；110-太阳轮；120-行星齿轮；130-齿圈；140-行星架；141-行星架输出轴；200-第一传动组件；210-第一主动齿轮；220-第一从动齿轮；300-第二传动组件；310-第二主动齿轮；320-惰轮；330-中间轴；400-第三传动组件；410-第一后桥传动模块；411-第一输出主动齿轮；412-第一输出从动齿轮；420-第二后桥传动模块；421-第二输出主动齿轮；422-第二输出从动齿轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1，本申请实施例中的混合动力系统包括发动机1、第一电机2、第二电机3、储能单元4、离合器5、动力输出装置6、后桥7、第一换挡装置8、第二换挡装置9以及动力传动模组，动力传动模组可包括行星轮组件100、第一传动组件200、第二传动组件300以及第三传动组件400。
行星轮组件100包括太阳轮110、行星齿轮120、齿圈130以及行星架140，行星架140与行星齿轮120连接，太阳轮110和行星齿轮120之间传动连接，行星齿轮120与齿圈130之间传动连接。发动机1的发动机输出轴11通过太阳轮110与动力输出装置6的动力输出轴61，第一换挡装置8设置于发动机输出轴11与太阳轮110之间，第一换挡装置8可切换档位。当第一换挡装置8处于第一档位时，太阳轮110与行星齿轮120之间保持相对固定，这时，太阳轮110与行星齿轮120之间的传动比为1。当第一换挡装置8处于第二档位时，太阳轮110与行星齿轮120之间可相对转动。
第一电机2的第一电机输入轴21通过第一传动组件200与发动机输出轴11连接，具体的，第一传动组件200包括第一主动齿轮210和第一从动齿轮220，第一主动齿轮210和第二从动齿轮之间传动连接。第一电机输入轴21与第一主动齿轮210连接，发动机输出轴11与第一从动齿轮220连接。
离合器5设置于发动机输出轴11位于发动机1与第一传动组件200之间的部位，当离合器5处于脱开状态时，则发动机1不工作，这时，混合动力系统处于纯电模式。当离合器5处于闭合状态时，发动机1工作，这时，混合动力可处于混动模式或者增程模式。
第二电机3的第二电机输入轴31通过第二传动组件300与行星轮组件100连接，具体的，第二传动组件300包括第二主动齿轮310、中间轴330和惰轮320。第二电机输入轴31与第二主动齿轮310连接，中间轴330与惰轮320连接，第二主动齿轮310与惰轮320之间传动连接，第二主动齿轮310还与行星轮组件100的齿圈130传动连接。
后桥7的后桥输出轴71通过第三传动组件400与行星轮组件100连接，具体的，第三传动组件400包括第一后桥传动模块410和第二后桥传动模块411，其中，第一后桥传动模块410包括第一输出主动齿轮411和第一输出从动齿轮412，第二后桥传动模块420包括第二输出主动齿轮421以及第二输出从动齿轮422。第一输出主动齿轮411和第二输出主动齿轮421分别与行星架140的行星架输出轴141连接，第一输出从动齿轮412与第一输出主动齿轮411传动连接，第二输出从动齿轮422与第二输出主动齿轮421传动连接。
第二换挡装置9与后桥输出轴71连接，并且，第二换挡装置9设置于第一输出从动齿轮412和第二输出从动齿轮422之间，第二换挡装置9可选择地与第一输出从动齿轮412和第二输出从动齿轮422中的一个连接。第一输出从动齿轮412和第二输出从动齿轮422的输出功率不一样，当第二换挡装置9与第一输出从动齿轮412连接或于第二输出从动齿轮422连接时，也就意味着后桥7的行走速度改变，以满足不同的使用需求。示例性地，当第二换挡装置9处于第一档位时，第二换挡装置9与第一输出从动齿轮412连接，这时，后桥输出轴71在第一输出主动齿轮411和第一输出从动齿轮412的驱动下运行。当第二换挡装置9处于第二档位时，第二换挡装置9与第二输出从动齿轮422连接，这时，后桥输出轴71在第二输出主动齿轮421和第二输出从动齿轮422的驱动下运行。
本实施例中的第一换挡装置8例如可以是滑套，类似的，第二换挡装置9也例如可以是滑套。或者，作为其他的一些实施方案，第一换挡装置8还可以是干式离合器、湿式离合器、电磁离合器，等等，第二换挡装置9也还可以是干式离合器、湿式离合器、电磁离合器，等等。
储能单元4例如可以是电池，第一电机2和第二电机3分别与储能单元4连接，第一电机2可在发动机1的驱动下发电以产生电能，并将电能传输给储能单元4，储能单元4能够对接收的电能进行储存。储能单元4还可用于分别对第一电机2和第二电机3提供电能，以分别驱动第一电机2和第二电机3运转。第一电机2和第二电机3之间电性连接，第一电机2发电产生的电能也可传输给第二电机3。
另外，如图1所示，本实施例中的混合动力系统还包括第一控制单元10和第二控制单元20，第一控制单元10与第一电机2电连接，以用于控制第一电机2运转，第二控制单元20与第二电机3电连接，以用于控制第二电机3运转。第一控制单元10和第二控制单元20还可与拖拉机的控制系统进行信号连接，控制系统可对第一控制单元10和第二控制单元20发送信号，从而由第一控制单元10和第二控制单元20来分别控制第一电机2和第二电机3的转速、扭矩等参数。拖拉机的控制系统还可控制发动机1转速，以便于满足不同工况需求。
基于同一发明构思，本申请实施例还可提供一种拖拉机，该拖拉机包括如上述实施例中所描述的混合动力系统。
基于本实施例中的混合动力系统的具体结构，本实施例中的混合动力系统可具有单电机纯电模式、双电机纯电模式、增程模式以及混动模式。以下结合表1对上述各模式进行详细说明，需要注意的是，图2至图5中的虚线箭头可理解为输出动力的传递方向。
表1
结合表1和图2，当本实施例中的混合动力系统处于单电机纯电模式时，离合器5脱开，这时，发动机1不工作。第一换挡装置8向右结合，太阳轮110和行星齿轮120之间保持相对固定，储能单元4对第二电机3供电，第二电机3运转。第二电机3的动力可通过第二传动组件300传递给行星轮组件100，再由行星轮组件100传递给第三传动组件400，最后由第三传动组件400传递给后桥7，以驱动后桥7行走。
在单电机纯电模式下，当第二换挡装置9处于第一档位时，第二换挡装置9向左结合，与第一输出从动齿轮412连接，这时，后桥7以第一档位的速度行走。当第二换挡装置9处于第二档位时，第二换挡装置9向右结合，与第二输出从动齿轮422结合，这时，后桥7以第二档位的速度行走。
结合表1和图3，当本实施例中的混合动力系统处于双电机纯电模式时，离合器5脱开，这时，发动机1不工作。第一换挡装置8向左结合，太阳轮110和行星齿轮120之间可相对运动，储能单元4同时对第一电机2和第二电机3供电，第一电机2和第二电机3均开启运转。第一电机2的动力通过第一传动组件200传递给发动机输出轴11，再由发动机输出轴11传递给行星轮组件100，最后由行星轮组件100传递给动力输出轴61，从而使得动力输出装置6对外做功。第二电机3的动力可通过第二传动组件300传递给行星轮组件100，再由行星轮组件100传递给第三传动组件400，最后由第三传动组件400传递给后桥7，以驱动后桥7行走。
在双电机纯电模式下，当第二换挡装置9处于第一档位时，第二换挡装置9向左结合，与第一输出从动齿轮412连接，这时，后桥7以第一档位的速度行走。当第二换挡装置9处于第二档位时，第二换挡装置9向右结合，与第二输出从动齿轮422结合，这时，后桥7以第二档位的速度行走。
结合表1和图4，当本实施例中的混合动力系统处于增程模式时，离合器5闭合，这时，发动机1工作。第一换挡装置8向右结合，太阳轮110和行星齿轮120之间保持相对固定，发动机1驱动第一电机2发电，第二电机3接收第一电机2产生的电能后开始运转，第二电机3的动力可通过第二传动组件300传递给行星轮组件100，再由行星轮组件100传递给第三传动组件400，最后由第三传动组件400传递给后桥7，以驱动后桥7行走。该增程模式可用于拖拉机的转场和小马力犁耕作业，通过改变第二电机3的转速可实现无极变速。
在增程模式下，当第二换挡装置9处于第一档位时，第二换挡装置9向左结合，与第一输出从动齿轮412连接，这时，后桥7以第一档位的速度行走。当第二换挡装置9处于第二档位时，第二换挡装置9向右结合，与第二输出从动齿轮422结合，这时，后桥7以第二档位的速度行走。
结合表1和图5，当本实施例中的混合动力系统处于混动模式时，离合器5闭合，这时，发动机1工作。第一换挡装置8向左结合，太阳轮110和行星齿轮120之间可相对运动，发动机输出轴11的输出动力通过行星轮组件100传递给动力输出轴61，从而使得动力输出装置6对外做功。同时，发动机1还驱动第一电机2发电，第二电机3接收第一电机2产生的电能后开始运转，第二电机3的动力可通过第二传动组件300传递给行星轮组件100，再由行星轮组件100传递给第三传动组件400，最后由第三传动组件400传递给后桥7，以驱动后桥7行走。在此过程中，发动机输出轴11对行星轮组件100输出的动力还可通过太阳轮110与第二电机3输出的动力耦合，从而使得发动机1的输出动力和第二电机3输出的动力共同通过第二传动组件300、行星轮组件100以及第三传动组件400后传递给后桥7，以驱动后桥7行走。该模式可用于犁耕模式和旋耕模式，通过控制第二电机3的转速、发动机1转速(在某一恒定转速)以及第一电机2的扭矩，从而满足不同使用工况下动力输出装置6的动力需求以及后桥7的行走速度(无极变速)需求。
在混动模式下，当第二换挡装置9处于第一档位时，第二换挡装置9向左结合，与第一输出从动齿轮412连接，这时，后桥7以第一档位的速度行走。当第二换挡装置9处于第二档位时，第二换挡装置9向右结合，与第二输出从动齿轮422结合，这时，后桥7以第二档位的速度行走。
此外，本实施例中的混合动力系统在启动阶段，第一换挡装置8向右结合，这时，行星齿轮120与太阳轮110之间保持相对固定。后桥7与发动机输出轴11脱开，第一电机2开启运转，并驱动发动机1启动。
值得注意的是，本实施例中的混合动力系统中，第二电机3与行星轮组件100的齿圈130连接，发动机输出轴11通过行星轮组件100的太阳轮110与动力输出轴61连接，后桥输出轴71与行星轮组件100的行星齿轮120连接，通过行星轮组件100实现了发动机1与第一电机2的功率耦合，提高了整车动力性。并且，在混动模式下，发动机1的转速与后桥7的行走速度解耦，这样，发动机1可工作在高效区，降低了燃油消耗，并且通过第二电机3的转速，还可实现行走系统(后桥7)的无极调速。
并且，由于第二电机3与齿圈130连接，齿圈130在行星轮组件100中调速范围宽，从而能够更好地扩展行走系统(后桥7)的工作范围。
另外，本实施例中的混合动力系统通过在发动机输出轴11与动力输出轴61之间设置了第一换挡装置8，第一换挡装置8可用于控制发动机输出轴11与动力输出轴61之间的通断外，还可使得太阳轮110和行星齿轮120之间保持相对固定，从而实现了通过第一换挡装置8实现增程模式和发动机1的启动。由于本实施例中的混合动力系统可在增程模式和混动模式中切换，发动机1、第一电机2和第二电机3均可工作在高效区，进而有利于降低燃油消耗。
相较于现有的混合动力拖拉机，本实施例中的混合动力系统减少了分动箱或者用于驱动动力驱动装置对外做功的电机，不仅简化了系统，还有利于节省成本和安装空间。
显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种混合动力系统，其特征在于，包括发动机、第一电机、第二电机、储能单元、离合器、动力输出装置、后桥、第一换挡装置以及动力传动模组，所述动力传动模组包括行星轮组件、第一传动组件、第二传动组件以及第三传动组件；
所述行星轮组件包括太阳轮、行星齿轮、行星架和齿圈，所述行星架与所述行星齿轮连接，所述太阳轮和所述行星齿轮之间传动连接，所述行星齿轮与所述齿圈之间传动连接，所述发动机的发动机输出轴通过所述太阳轮与所述动力输出装置的动力输出轴连接；
所述第一换挡装置设置于所述发动机输出轴与所述太阳轮之间，当所述第一换挡装置处于第一档位时，所述太阳轮与所述行星齿轮之间相对固定，当所述第一换挡装置处于第二档位时，所述太阳轮和所述行星齿轮之间可相对转动；
所述第一电机的第一电机输入轴通过所述第一传动组件与所述发动机输出轴连接，所述离合器设置于所述发动机输出轴位于所述第一传动组件与所述发动机之间的部位；
所述第二电机的第二电机输入轴通过所述第二传动组件与所述齿圈连接；
所述后桥的后桥输出轴通过所述第三传动组件与所述行星架的行星架输出轴连接；
所述第一电机和所述第二电机分别与所述储能单元连接，所述第一电机和所述第二电机连接，所述第一电机用于产生电能并传输给所述储能单元或所述第二电机，所述储能单元用于对所述第一电机和所述第二电机提供电能。
2.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述第一传动组件包括第一主动齿轮和第一从动齿轮，所述第一主动齿轮与所述第一电机输入轴连接，所述第一从动齿轮与所述发动机输出轴连接，所述第一主动齿轮和所述第一从动齿轮传动连接。
3.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，所述第二传动组件包括第二主动齿轮，所述第二主动齿轮与所述第二电机输入轴连接，所述第二主动齿轮和所述行星轮组件传动连接。
4.根据权利要求3所述的混合动力系统，其特征在于，所述第二传动组件还包括中间轴和惰轮，所述中间轴连接于所述惰轮，所述惰轮位于所述第二主动齿轮和所述行星轮组件之间，所述惰轮分别与所述第二主动齿轮和所述行星轮组件传动连接。
5.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，还包括第二换挡装置，所述第二换挡装置与所述后桥输出轴连接；
所述第三传动组件包括第一后桥传动模块和第二后桥传动模块，所述第一后桥传动模块和所述第二后桥传动模块分别与所述行星架输出轴连接，所述第一后桥传动模块和所述第二后桥传动模块的输出功率不同，且所述第二换挡装置可选地与所述第一后桥传动模块和所述第二后桥传动模块中的一个连接。
6.根据权利要求5所述的混合动力系统，其特征在于，所述第一后桥传动模块包括第一输出主动齿轮和第一输出从动齿轮，所述行星架输出轴与所述第一输出主动齿轮连接，所述第一输出从动齿轮用于与所述第二换挡装置连接，且所述第一输出主动齿轮与所述第一输出从动齿轮传动连接。
7.根据权利要求5所述的混合动力系统，其特征在于，所述第二后桥传动模块包括第二输出主动齿轮和第二输出从动齿轮，所述行星架输出轴与所述第二输出主动齿轮连接，所述第二输出从动齿轮用于与所述第二换挡装置连接，且所述第二输出主动齿轮与所述第二输出从动齿轮传动连接。
8.根据权利要求5所述的混合动力系统，其特征在于，第一换挡装置为滑套，和/或，所述第二换挡装置为滑套。
9.根据权利要求1所述的混合动力系统，其特征在于，还包括用于控制所述第一电机运转的第一控制单元和用于控制所述第二电机运转的第二控制单元。
10.一种拖拉机，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的混合动力系统。
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