CN204055294U - 一种串联式混合动力的拖拉机 - Google Patents

一种串联式混合动力的拖拉机 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种串联式混合动力的拖拉机，拖拉机动力系统包括前桥、后桥、传动系统和串联式混合动力系统，串联式混合动力系统包括发动机、发电机、蓄电池和电动机，发动机传动连接发电机，发电机与蓄电池电连接，蓄电池供电连接电动机。本实用新型将混合动力技术应用于拖拉机，采用串联式混合动力系统的拖拉机由于可以进行制动能量回收，且对现有机型改动不大，可充分利用原有的生产和技术资源，所以串联式混合动力拖拉机动力系统是实现拖拉机节能和环保的有效途径。

Description

一种串联式混合动力的拖拉机
技术领域
本实用新型涉及串联式混合动力的拖拉机。
背景技术
目前，传统拖拉机保有量越来越多，拖拉机一般采用柴油动力，其所造成的空气污染和石油消耗越来越严重，已成为环境污染和能源消耗的重要组成部分。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种串联式混合动力的拖拉机，用以解决拖拉机能耗大、污染严重的问题。
为实现上述目的，本实用新型的方案包括：
一种串联式混合动力的拖拉机，包括前桥、后桥、传动系统和串联式混合动力系统，串联式混合动力系统包括发动机、发电机、蓄电池和电动机，发动机传动连接发电机，发电机与蓄电池电连接，蓄电池供电连接电动机。
发动机与发电机之间设有第一离合器(C1)，电动机通过第二离合器(C2)连接变速器。
拖拉机还包括控制系统，控制系统包括整机ECU、发动机控制单元、电动机控制单元，发电机控制单元，变速器控制单元，电池管理系统和离合器控制单元，以及驱动轮转速传感器(S1)，驱动轮转矩传感器(S2)，实际速度传感器(S3)，动力输出转矩传感器(S4)和动力输出转速传感器(S5)。
所述的发动机为柴油机，所述的电动机为永磁同步电动机，所述的发电机为永磁同步发电机；蓄电池为铅酸蓄电池。
本实用新型将混合动力技术应用于拖拉机，采用串联式混合动力系统的拖拉机由于可以进行制动能量回收，且对现有机型改动不大，可充分利用原有的生产和技术资源，所以串联式混合动力拖拉机动力系统是实现拖拉机节能和环保的有效途径。
附图说明
图1是本实用新型的动力系统与控制系统图；
图2是变速器与分动器结构图；
图3是发动机的万有特性图；
图4是发动机速度控制原理图；
图5是发动机的输出控制原理图；
1—分动器，2—变速器，3—电动机，4—蓄电池，5—前轮，6,8—前轮轮边减速，7—前桥，9—发动机，10—离合器及控制单元C1，11—发电机，12—离合器及控制单元C2，13—制动器B1，14—变速器动力输入轴，15—后桥，16—传感器S3，17—动力输出机构，18,23—后轮轮边减速，19—动力输出轴，20—传感器S5，21—传感器S4，22—传感器S1，24—传感器S2，25—后轮，26—农具；27—倒挡主动齿轮4a，28—高速挡主动齿轮3a，29—中速挡主动齿轮2a，30—低速挡主动齿轮1a，31—动力输入轴1，32—动力输入轴2，33—低速挡从动齿轮1b，34—中速挡从动齿轮2b，35—高速挡从动齿轮3b，36—倒挡从动齿轮4b，37—分动器，38—后桥锥齿轮，39—分动器输出轴。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。
一种串联式混合动力拖拉机动力系统及其控制系统，如图1所示，包括：发动机9，发电机11，电动机3，变速器2，蓄电池4，分动器1，前/后轮5,25，前轮轮边减速6,8，前/后桥7，15，离合器及控制单元C1，C2，制动器B113，变速器动力输入轴14，五个传感器，后轮轮边减速18,23，动力输出轴19，农具26；五个传感器分别是传感器S1，S2，S3，S4，S5；发动机9的输出轴和发电机11的输入轴通过离合器C1机械连接，发动机9驱动发电机11进行发电；整机ECU通过CAN总线分别与发动机控制单元、发电机控制单元、电动机控制单元、变速器控制单元、电池管理系统、离合器控制单元C1，C2、传感器S1，S2，S3，S4，S5、制动器B1相连接，进行相互数据信息交换；蓄电池4通过电池管理系统与电动机控制单元和发电机控制单元相连接；发动机控制单元控制发动机9的运行，电动机控制单元控制电动机3的运行，电池管理系统控制蓄电池4的能量状态，离合器控制单元C1，C2分别控制离合器C1，C2的断开和闭合，发电机控制单元控制发电机11的运行，变速器控制单元控制变速器2的换挡。
如图1所示，发电机11为蓄电池4充电；蓄电池4为电动机3提供电能；电动机3是串联式混合动力拖拉机动力系统的动力源。电动机3和变速器2输入轴通过离合器C2机械连接；电动机3的动力通过变速器2降速增扭，再通过分动器1把动力分配至前/后驱动桥7/15。整机ECU控制制动器B1的制动与松开，制动器B1根据需要对变速器输入轴14进行制动或松开。
串联式混合动力拖拉机动力系统的变速器和分动器结构图，如图2所示，包括：倒挡主/从动齿轮4a/4b，低速挡主/从动齿轮1a/1b，中速挡主/从动齿轮2a/2b，高速挡主/从动齿轮3a/3b，动力输入轴1/2，分动器37，后桥锥齿轮38，分动器输出轴39；分动器37即为图1中的分动器1；动力输入轴1/2即为图1中的变速器输入轴14；齿轮1a和齿轮1b相啮合组成变速器的低速挡位，齿轮2a和齿轮2b相啮合组成变速器的中速挡位，齿轮3a和齿轮3b相啮合组成变速器的高速挡位，齿轮4a和齿轮4b相啮合组成变速器的倒挡挡位。
结合图1和2所示，一方面图2动力输入轴2,32的动力传至图1中的动力输出机构17，再经动力输出轴19传至农具26，另一方面图2动力输入轴1,31的动力经变速器的某挡位传至后桥锥齿轮38(再传至图1的后桥15)和分动器37(再传至图2的分动器输出轴39，最后传至图1的前桥7)。
一种串联式混合动力拖拉机动力系统及其控制系统，信息采集系统采集的数据信息传至CAN总线，然后通过CAN总线传至整机ECU，整机ECU分析接收到的所有数据信息(包括驱动轮转速rl和转矩Tl、拖拉机实际速度va、动力输出转矩Toutput及转速routput、蓄电池电量信息SOC、发动机及电动机等的运行状态)，分别通过发动机控制单元、电动机控制单元，发电机控制单元，变速器控制单元，电池管理系统，离合器控制单元C1，C2控制相应的部件，使拖拉机适应作业模式的要求。
整机ECU有三种工作模式：起步/加速模式，正常作业模式，减速/制动/停机模式。正常作业模式又分为：缓行作业，田间基本作业和运输作业三种作业模式；实施控制的步骤包括以下几方面：
传感器S1，S2，S3，S4，S5分别持续采集当前的驱动轮25转速rl和转矩Tl、拖拉机实际速度va、动力输出转矩Toutput和转速routput等数据信息，并把数据信息传输至CAN总线，再经CAN总线把这些数据信息传至整机ECU。
电池管理系统检测当前的蓄电池4的荷电状态SOC、电压Ub、电流Ib，并经CAN总线传至整机ECU；发动机控制单元检测发动机9的转速re、转矩Te、功率Pe；电动机控制单元检测电动机3的转速rm、转矩Tm、功率Pm；发电机控制单元检测发电机11的转速rg、转矩Tg、功率Pg，充电电压Ug、电流Ig；变速器控制单元检测变速器2的挡位Dn；离合器控制单元C114，C212检测离合器C1，C2的闭合或断开；所有这些数据信息都传至CAN总线，然后经CAN总线传至整机ECU。
整机ECU根据驱动轮转速rl和拖拉机实际速度va，并依据下式计算拖拉机的滑转率δ，并储存在整机ECU中；滑转率Dl为驱动轮直径。
整机ECU分析上述所有的数据信息，判断当前拖拉机的工作模式：
若动力输出轴19的转矩Toutput＝0，拖拉机实际速度va≥0，驱动轮25转矩Tl>0，且驱动轮28转速rl逐渐增大，则整机ECU判断出拖拉机当前处于起步/加速模式；整机ECU则根据判断结果发送控制指令信息给CAN总线，经CAN总线这些控制指令信息分别传至发动机控制单元，电池管理系统，电动机控制单元，发电机控制单元，变速器控制单元，离合器控制单元C1，C2使分别控制相应执行机构，使发动机9和发电机11关闭，蓄电池4向电动机3供电，启动电动机3，变速器2挡位Dn＝1或2，电磁离合器C1断开、C2闭合，制动器B1松开，且电动机控制单元控制电动机3工作在高效区，且电动机3输出转矩Tm＝Tg(滚动阻力矩)；此时混合动力拖拉机进入起步/加速阶段，电动机3驱动拖拉机完成起步和加速过程，电动机3的动力经变速器2，一方面传给分动器37，再经分动器输出轴39传至前桥7，另一方面后桥锥齿轮38传至后桥15，最后动力均传至前/后轮，驱动拖拉机完成起步/加速过程。
若动力输出轴19的转矩Toutput＝0，拖拉机实际速度va>0，驱动轮28转矩Tl>0，且驱动轮28转速rl越来越小，则整机ECU判断出拖拉机当前处于减速/制动/停机模式；整机ECU则根据判断结果发送控制指令信息给CAN总线，经CAN总线这些控制指令信息分别传至发动机控制单元，电池管理系统，电动机控制单元，发电机控制单元，变速器控制单元，离合器控制单元C1，C2使分别控制相应执行机构，使发动机9和发电机11关闭，启动电动机3，控制电动机3进行制动能量回收，向蓄电池4充电，变速器2挡位Dn＝1或2，电磁离合器C1断开、C2闭合，制动器B113松开，且电动机控制单元控制电动机3工作在高效区；此时混合动力拖拉机进入制动能量回收阶段，拖拉机的动能经前/后驱动桥7/15和分动器1传给变速器2，进而传给电机3进行充电，电能经电能传递线传至并储存在蓄电池4。
若整机ECU判断出拖拉机不处于起步/加速模式和减速/制动/停机模式，那么拖拉机就处于正常作业模式，那么就进行如下作业模式的判断控制。
判断当前蓄电池4电量与系统预设的电量最高阀值SOCmax和最低阀值SOCmin之间的关系；判断拖拉机当前需求的转矩Treq(Treq＝Tl+αToutput，α为传动比的换算系数，忽略转矩损失)、转速rreq及功率Preq与发动机9和电动机3输出的转矩Te，Tm、转速re，rm及功率Pe，Pm之间的关系。
若当前电量SOC≥SOCmax(电量最高阀值)，则整机ECU发送控制指令信息给CAN总线，经CAN总线这些控制指令信息分别传至发动机控制单元，电池管理系统，电动机控制单元，发电机控制单元，变速器控制单元，离合器控制单元C1，C2使分别控制相应执行机构，使发动机9和发电机11关闭，蓄电池4向电动机3供电，启动电动机3；若拖拉机实际速度va处于拖拉机缓行和爬行速度范围，则使变速器2挡位Dn＝1；若拖拉机实际速度va处于拖拉机田间基本作业速度范围，则使变速器2挡位Dn＝2；若拖拉机实际速度va处于拖拉机运输速度范围，则使变速器2挡位Dn＝3；电磁离合器C1、C2均闭合，制动器B113松开；此时混合动力拖拉机进入正常工作阶段，电动机控制单元控制电动机3工作在高效区，电动机输出转矩Tm＝Treq。
若当前电量SOC<SOCmax(电量最高阀值)，则整机ECU发送控制指令信息给CAN总线，经CAN总线这些控制指令信息分别传至发动机控制单元，电池管理系统，电动机控制单元，发电机控制单元，变速器控制单元，离合器控制单元C1，C2使分别控制相应执行机构，使发动机9和发电机11开启，蓄电池4向电动机3供电，启动电动机3；若拖拉机实际速度va处于拖拉机缓行和爬行速度范围，则使变速器2挡位Dn＝1；若拖拉机实际速度va处于拖拉机田间基本作业速度范围，则使变速器2挡位Dn＝2；若拖拉机实际速度va处于拖拉机运输速度范围，则使变速器2挡位Dn＝3；电磁离合器C1、C2均闭合，制动器B113松开；此时混合动力拖拉机进入正常工作阶段，电动机控制单元控制电动机3工作在高效区，电动机输出转矩Tm＝Treq。
整机的控制采用功率跟随式控制策略，发动机控制单元和电动机控制单元采用下面的方式控制发动机和电动机；发动机的万有特性如图3所示，曲线CBAU为发动机外特性曲线，曲线GFA为最佳动力性曲线，曲线TSA为最佳燃油经济性曲线；当拖拉机追求在单位时间内的最大作业量时，发动机控制单元控制发动机，获得发动机目标转速和转矩，使发动机工作在曲线GFA上，且使Pe＝Pm；当追求在单位时间内完成相同的作业量而最节省燃油时，发动机控制单元控制发动机，获得发动机目标转速和转矩，使发动机工作在曲线TSA上，且使Pe＝Pm；发动机采用速度控制，其原理如图4所示：发动机的输出控制流程原理如图5所示，曲线GFA为发动机最佳动力性工作曲线，曲线TSA即为发动机最佳经济性工作曲线，且发动机的输出功率Pe与电机功率Pm时时保持一致；电动机的控制采用直接转矩控制，其控制原理如下图6所示。
以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (3)

1.一种串联式混合动力的拖拉机，其特征在于，包括前桥、后桥、传动系统和串联式混合动力系统，串联式混合动力系统包括发动机、发电机、蓄电池和电动机，发动机传动连接发电机，发电机与蓄电池电连接，蓄电池供电连接电动机，发动机与发电机之间设有第一离合器(C1)，电动机通过第二离合器(C2)连接变速器。 
2.根据权利要求1所述的一种串联式混合动力的拖拉机，其特征在于，拖拉机还包括控制系统，控制系统包括整机ECU、发动机控制单元、电动机控制单元，发电机控制单元，变速器控制单元，电池管理系统和离合器控制单元，以及驱动轮转速传感器(S1)，驱动轮转矩传感器(S2)，实际速度传感器(S3)，动力输出转矩传感器(S4)和动力输出转速传感器(S5)。 
3.根据权利要求2所述的一种串联式混合动力的拖拉机，其特征在于，所述的发动机为柴油机，所述的电动机为永磁同步电动机，所述的发电机为永磁同步发电机；蓄电池为铅酸蓄电池。 
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