CN209776146U - 一种并联式混合动力拖拉机 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于车辆工程设计技术领域，涉及一种并联式混合动力拖拉机，其机构包括：发动机、离合器、传动装置、机械耦合器、车轮半轴、后驱动桥、车轮、电动机、储能装置、燃油箱、车速传感器、制动器、电动机控制器、机械制动控制器、车辆控制器和发动机控制器等等；其中所述的发动机和发电机通过一机械耦合器以并联的方式连接，且所述的发电机、蓄电池组和电动机同时与一功率转换装置连接，通过电动机辅助控制系统控制整个的运行模式；其在对拖拉机动力学特性分析的基础上，建立并联式混合动力拖拉机后驱结构控制系统，将拖拉机整体需求转速与转矩合理地分配给发动机和电机，使发动机工作在最佳燃油经济点上，以得到良好的燃油经济性和排放性。

Description

一种并联式混合动力拖拉机

技术领域：

本实用新型属于车辆工程设计技术领域，涉及一种并联式混合动力拖拉机，具体为一种可以根据不同工况调节提供动力方式的油电并联式混合动力拖拉机。

背景技术：

随着可开采石油资源的日益短缺和环境污染日益严重，为解决提高燃油经济性和减少污染气体排放等问题，将传统的燃油汽车进行创新性的改进和升级，设计成为采用油电混合动力作为动力来源的汽车，已经成为车辆行业的一个重要的发展方向和未来趋势。

在当下的市场环境中和现有技术中，采用油电混合作为车辆动力来源的车辆主要为家庭用轿车和城市公交类汽车，而对农牧业生产中需求广泛的拖拉机采用混合动力作为车辆动力来源的产品却极为少见。传统的燃油拖拉机普遍存在档位过多、操作困难、噪声大、尾气颗粒物排放严重和牵引效率低等问题；且传统燃油拖拉机工作环境复杂多变，发动机在工作时经常达不到理想的使用状态，使得拖拉机燃油经济性和废气排放比较差，混合动力技术在拖拉机上的应用是解决这些问题的有效途径。中国专利公开号CN206926506U公开了一种并联式混合动力汽车动力总成，该申请仅仅调整了发动机和电动机的动力传动方式，提高了发动机效率，但并未解决燃油效率低、档位过多及牵引效率低等问题。

因此，寻求设计一种燃油经济性高、污染气体排放量低，且能够根据复杂多变的工作环境进行动力输出调整的油电并联式混合动力拖拉机是十分有必要的。

发明内容：

本实用新型的发明目的在于克服现有技术的缺点，提供一种燃油经济性高、污染气体排放量低，且能够根据工作环境进行动力输出调整的油电并联式混合动力拖拉机。

为了实现上述发明目的，本实用新型所述的并联式混合动力拖拉机的主体结构包括：发动机、离合器、传动装置、机械耦合装置、后车轮半轴、后驱动桥、后车轮、电动机、峰值电源、燃油箱、车速传感器、后制动器及其传感器、电机控制器、机械制动控制器、车辆控制器、发动机控制器和节气门；

本实用新型所述的发动机通过离合器与传动装置机械连接，这是发动机的主要连接部分；电动机与发动机的传动装置最终通过机械耦合装置进行转矩的耦合；机械耦合装置将转矩传给后驱动桥，然后通过后车轮半轴将动力传递给后车轮；峰值电源负责给电动机供电，并将制动能量转化的电能进行回收并存储；燃油箱负责给发动机提供燃料；驾驶员通过输入运行指令，车辆控制器接到指令后通过控制发动机控制器以及电机控制器分别控制发动机与电动机的运行；峰值电源与电动机相连，负责给电动机供电，并将制动能量转化的电能进行回收并存储；燃油箱与发动机相连，负责给发动机提供燃料；发动机通过离合器与传动装置机械连接，电动机与发动机的传动装置通过机械耦合装置连接，机械耦合装置与汽车的后驱动桥相连，然后通过后车轮半轴与后车轮相连；车速传感器与车辆控制器相连，将实时的车速反馈给车辆控制器，用于不断调整车速；发动机控制器与发动机相连，将发动机转速以及节气门位置反馈给车辆控制器从而不断修正发动机转速以及节气门的位置；峰值电源与车辆控制器相连，实时将电源荷电状态(SOC)反馈给车辆控制器，从而使峰值电源荷电状态(SOC) 始终保持在合理的荷电状态(SOC)水平；机械制动器一端与车辆控制器相连，一端与制动器相连。

本实用新型所述的并联式混合动力拖拉机机械耦合装置，其主体结构包括：发动机输出轴，电动机输出轴，后驱动桥，行星齿轮架、第一离合器，第二离合器，第一锁止器，第二锁止器，第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮、第六齿轮、第七齿轮；

所述的机械耦合装置包括两种运行模式：转矩耦合模式与转速耦合模式；

在转矩耦合模式下，第二锁止器将行星齿轮架锁定，此时第二离合器闭合，第一离合器断开，此时发动机输出轴的动力流经第二齿轮，电动机输出轴的动力流经第一齿轮，发动机输出轴与电动机输出轴的动力最终在第二离合器将动力耦合在一起传入后驱动桥；

在转速耦合模式下，第二锁止器不进行锁止，此时发动机输出轴的转速流经第二齿轮、第七齿轮和第五齿轮；同时，电动机输出轴的转速流经第一齿轮、第二离合器和第三齿轮；最终发动机输出轴与电动机输出轴的转速共同在第六齿轮进行耦合，然后将转速传递给后驱动桥。

本实用新型与现有技术相比，在对拖拉机动力学特性分析的基础上，建立了并联式混合动力拖拉机后驱结构控制模型，并建立了发动机、电机和蓄电池等拖拉机部件结构模型；将拖拉机整体需求转矩合理地分配给发动机和电机，使发动机工作在最佳燃油经济区域，以得到良好的经济性和排放性；其燃油经济性高，污染气体排放量低，各种工况的适应性强，制备成本可控，应用环境友好。

附图说明：

图1为本实用新型涉及的并联式混合动力拖拉机整体机构原理示意图。

图2为本实用新型涉及的机械耦合装置原理示意图。

图3为本实用新型涉及的并联式混合动力拖拉机电驱动系的总控制系统流程示意图。

图4为本实用新型涉及的并联式混合动力拖拉机的工作模式流程系统原理示意图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的阐述。

实施例1：

本实施例涉及的并联式混合动力拖拉机，如图1所示，其主体结构包括：发动机1、离合器2、传动装置3、机械耦合装置4、后车轮半轴5、后驱动桥6、后车轮7、电动机8、峰值电源9、燃油箱10、车速传感器11、后制动器及其传感器12、电机控制器13、机械制动控制器14、车辆控制器15、发动机控制器16和节气门17；

发动机1通过离合器2与传动装置3机械连接，这是发动机1的主要连接部分；电动机 8与发动机1的传动装置3最终通过机械耦合装置4进行转矩的耦合；机械耦合装置4将转矩传给后驱动桥6，然后通过后车轮半轴5将动力传递给后车轮7；峰值电源9负责给电动机8供电，并将制动能量转化的电能进行回收并存储；燃油箱10负责给发动机1提供燃料；驾驶员通过输入运行指令，车辆控制器15接到指令后通过控制发动机控制器16以及电机控制器13分别控制发动机1与电动机8的运行；峰值电源9与电动机8相连，负责给电动机8供电，并将制动能量转化的电能进行回收并存储；燃油箱10与发动机1相连，负责给发动机1 提供燃料；发动机1通过离合器2与传动装置3机械连接，电动机8与发动机1的传动装置 3通过机械耦合装置4连接，机械耦合装置4与汽车的后驱动桥6相连，然后通过后车轮半轴5与后车轮7相连；车速传感器11与车辆控制器15相连，将实时的车速反馈给车辆控制器15，用于不断调整车速；发动机控制器16与发动机1相连，将发动机1转速以及节气门 17位置反馈给车辆控制器15从而不断修正发动机1转速以及节气门17的位置；峰值电源9 与车辆控制器15相连，实时将电源荷电状态(SOC)反馈给车辆控制器15，从而使峰值电源荷电状态(SOC)始终保持在合理的荷电状态(SOC)水平；机械制动器14一端与车辆控制器 15相连，一端与制动器12相连。

本实施例所述的并联式混合动力拖拉机机械耦合装置，如图2所示，其主体结构包括：发动机输出轴18，电动机输出轴19，后驱动桥20，行星齿轮架21、第一离合器C1，第二离合器C2，第一锁止器S1，第二锁止器S2，第一齿轮G1、第二齿轮G2、第三齿轮G3、第四齿轮G4、第五齿轮G5、第六齿轮G6、第七齿轮G7；

所述的机械耦合装置包括两种运行模式：转矩耦合模式与转速耦合模式；

在转矩耦合模式下，第二锁止器S2将行星齿轮架21锁定，此时第二离合器C2闭合，第一离合器C1断开，此时发动机输出轴18的动力流经第二齿轮G2，电动机输出轴19的动力流经第一齿轮G1，发动机输出轴18与电动机输出轴19的动力最终在第二离合器C2将动力耦合在一起传入后驱动桥20；

在转速耦合模式下，第二锁止器S2不进行锁止，此时发动机输出轴18的转速流经第二齿轮G2、第七齿轮G7和第五齿轮G5；同时，电动机输出轴19的转速流经第一齿轮G1、第二离合器C2和第三齿轮G3；最终发动机输出轴18与电动机输出轴19的转速共同在第六齿轮G6进行耦合，然后将转速传递给后驱动桥20。

实施例2：

本实施例所述的并联式混合动力拖拉机主体结构与实施例1所述的相同，本实施例主要用于描述所述的并联式混合动力拖拉机主体控制模块和工作模式。

本实施例所述的并联式混合动力拖拉机主体控制模块包括：车辆控制器、发动机控制器、电动机控制器与机械制动控制器；其中车辆控制器是主要控制模块，其汇集了驾驶员与汽车各组件的工作数据；车辆控制器与发动机控制器，电动机控制器及机械制动控制器相连接；其中发动机控制器又与发动机连接，发动机连接传动装置，传动装置通过驱动桥将动力传递给车轮；电动机控制器与电动机连接，电动机连接传动装置，传动装置通过驱动桥将动力传递给车轮，电动机同时与与制动模块通过传感器相连；机械制动控制器与制动装置相连，制动装置与车轮相连；基于汽车转矩、车速、峰值电源荷电状态、发动机与电动机的转速等信号和组件的工作特性与合理配置的工作策略，由车辆控制器向汽车的各组件控制器发出工作信号；各组件的控制器控制相应的组件，以满足汽车电驱动系的工作要求；按照由驾驶员与各组件的工作控制指令，车辆控制器可以实现各种的运行模式，并应该向每个组件控制器正确的控制信号。

实施例3：

本实施例所述的并联式混合动力拖拉机主体结构与实施例1所述的相同，本实施例主要用于描述所述的并联式混合动力拖拉机的合理配置工作策略和工作控制指令。

本实施例所述的并联式混合动力拖拉机的整车的控制策略如图3所示，其工作模式控制策略流程如图4所示。具体控制工作策略和工作控制指令如下所述：车速小于预设值Veb，该预设值指定为车速的底线，当车速低于该值时，发动机不能够稳定的运转，或者是处于高油耗状态、高排放状态，此时信号采集器采集信号传至车辆控制器，车辆控制器通过显示、报警通知驾驶员。驾驶员通过车辆控制器分别向电动机控制器和发动机控制器发出启动和停车(怠速)指令，电动机发动机接收指令，电动机单独工作提供动力，发动机处于怠速或停车状态；当信号采集器采集到发动机所能提供的功率小于驾驶员发出的指令驱动功率，即将这一信息通过车辆控制器显示，驾驶员通过车辆控制器发出发动机和电动机共同工作的指令。发动机控制器和电动机控制器接收指令后控制发动机与电动机共同工作驱动车辆，即混合牵引模式。此时，驾驶员通过控制发动机的节气门位置使其运行在最佳工作曲线上，产生功率 Pe，剩余的功率由电动机提供；当驾驶员发出的指令驱动功率小于发动机运转在最佳工作曲线上能够产生的功率时，且峰值电源的荷电状态已经达到顶线，此时为单发动机牵引模式。此时，驾驶员通过车辆控制器向电动机控制器发出停车指令，电动系统关闭，由发动机单独提供功率；当指令驱动功率小于发动机运转在最佳工作曲线上所产生的功率时，并且峰值电源的荷电状态处于未处于最大状态，此时发动机剩余部分的功率用来驱动电动机，此时电动机作为发电机来向峰值电源充电；当车辆制动时，所要求的制动功率小于等于电动系统所能够提供的最大再生制动功率时，电动机产生制动力矩提供制动功率，电动机处于发电状态，此时，驾驶员通过车辆控制器向发动机控制器发出停车指令，发动机处于停止状态；当所需要制动功率大于电动系统所能提供的最大再生制动功率时，则需要辅助的机械制动，此时电动机产生最大再生制动功率，驾驶员通过车辆控制器向机械制动器发出制动指令，机械制动系统提供剩余的制动功率。

实施例4：

本实施例所述的并联式混合动力拖拉机主体结构与实施例1所述的相同，本实施例主要用于描述所述的并联式混合动力拖拉机主体驱动系统和整车控制系统。

本实施例所述的并联式混合动力拖拉机的主体驱动系统包括电力驱动系统和燃油驱动系统，分别采用电力能量转换装置和燃油能量转换装置作为车辆的动力源，驱动车辆进行生产作业或非作业行驶；其主要组成部分包括：发动机、发电机、峰值电源、电动机、功率转换装置、电动机辅助控制系统和机械耦合装置；其中，所述的发动机1和发电机通过机械耦合装置以并联的方式连接，且所述的发电机、峰值电源9和电动机8同时与功率转换装置连接，通过电动机辅助控制系统控制整个动力系统的运行模式；所述的电动机8与发动机1之间由机械耦合装置4实现转速与转矩的耦合；所述的发动机1为常规柴油内燃机；所述的电动机 8为永磁无刷直流电动机，其既可以作为发动机的启动装置又可以作为车辆驱动的动力来源装置；所述的峰值电源9由磷酸铁锂电池组成；所述的机械耦合装置9中传动轴为转子发电轴。

本实施例所述的并联式混合动力拖拉机的整车控制系统，其系统结构包括：电动机工作模式控制系统、发动机工作模式控制系统、制动系统、转矩控制系统、转速控制系统、电池荷电状态(SOC)控制系统和制动能量回收控制系统；

电动机工作模式控制系统和发动机工作模式控制系统分别顺次连接转矩控制系统、转速控制系统；车辆蓄电池一端连接电动机工作模式控制系统，一端连接电池荷电状态控制系统，另一端与制动能量回收系统相连，制动能量回收系统与制动系统相连；驾驶员根据实际情况发出指令控制车辆的运行状态，当车辆制动时，制动能量回收控制系统可以回收能量向蓄电池充电，当电池的荷电状态不佳时，电池荷电状态控制系统也会向电池充电，从而使其保持在合理的荷电水平。

Claims (2)

1.一种并联式混合动力拖拉机，其特征在于主体结构包括：发动机、离合器、传动装置、机械耦合装置、后车轮半轴、后驱动桥、后车轮、电动机、峰值电源、燃油箱、车速传感器、后制动器及其传感器、电机控制器、机械制动控制器、车辆控制器、发动机控制器和节气门；所述的发动机通过离合器与传动装置机械连接；电动机与发动机的传动装置最终通过机械耦合装置进行转矩的耦合；机械耦合装置将转矩传给后驱动桥，然后通过后车轮半轴将动力传递给后车轮；峰值电源负责给电动机供电，并将制动能量转化的电能进行回收并存储；燃油箱负责给发动机提供燃料；驾驶员通过输入运行指令，车辆控制器接到指令后通过控制发动机控制器以及电机控制器分别控制发动机与电动机的运行；峰值电源与电动机相连，负责给电动机供电，并将制动能量转化的电能进行回收并存储；燃油箱与发动机相连，负责给发动机提供燃料；发动机通过离合器与传动装置机械连接，电动机与发动机的传动装置通过机械耦合装置连接，机械耦合装置与汽车的后驱动桥相连，然后通过后车轮半轴与后车轮相连；车速传感器与车辆控制器相连，将实时的车速反馈给车辆控制器，用于不断调整车速；发动机控制器与发动机相连，将发动机转速以及节气门位置反馈给车辆控制器从而不断修正发动机转速以及节气门的位置；峰值电源与车辆控制器相连，实时将电源荷电状态反馈给车辆控制器，从而使峰值电源荷电状态始终保持在合理的荷电状态水平；机械制动器一端与车辆控制器相连，一端与制动器相连。

2.根据权利要求1所述的并联式混合动力拖拉机，其特征在于机械耦合装置的主体结构包括：发动机输出轴，电动机输出轴，后驱动桥，行星齿轮架、第一离合器，第二离合器，第一锁止器，第二锁止器，第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮、第六齿轮、第七齿轮；所述的机械耦合装置包括两种运行模式：转矩耦合模式与转速耦合模式；

在转矩耦合模式下，第二锁止器将行星齿轮架锁定，此时第二离合器闭合，第一离合器断开，此时发动机输出轴的动力流经第二齿轮，电动机输出轴的动力流经第一齿轮，发动机输出轴与电动机输出轴的动力最终在第二离合器将动力耦合在一起传入后驱动桥；

在转速耦合模式下，第二锁止器不进行锁止，此时发动机输出轴的转速流经第二齿轮、第七齿轮和第五齿轮；同时，电动机输出轴的转速流经第一齿轮、第二离合器和第三齿轮；最终发动机输出轴与电动机输出轴的转速共同在第六齿轮进行耦合，然后将转速传递给后驱动桥。