一種串聯(lián)式混合動力的拖拉機(jī)及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種串聯(lián)式混合動力的拖拉機(jī)及其控制方法，拖拉機(jī)動力系統(tǒng)包括前橋、后橋、傳動系統(tǒng)和串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池和電動機(jī)，發(fā)動機(jī)傳動連接發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)與蓄電池電連接，蓄電池供電連接電動機(jī)。本發(fā)明將混合動力技術(shù)應(yīng)用于拖拉機(jī)，采用串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的拖拉機(jī)由于可以進(jìn)行制動能量回收，且對現(xiàn)有機(jī)型改動不大，可充分利用原有的生產(chǎn)和技術(shù)資源，所以串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)動力系統(tǒng)是實現(xiàn)拖拉機(jī)節(jié)能和環(huán)保的有效途徑。
【專利說明】一種串聯(lián)式混合動力的拖拉機(jī)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及串聯(lián)式混合動力的拖拉機(jī)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，傳統(tǒng)拖拉機(jī)保有量越來越多，拖拉機(jī)一般采用柴油動力，其所造成的空氣污染和石油消耗越來越嚴(yán)重，已成為環(huán)境污染和能源消耗的重要組成部分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種串聯(lián)式混合動力的拖拉機(jī)及其控制方法，用以解決拖拉機(jī)能耗大、污染嚴(yán)重的問題。
[0004]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括:
[0005]—種串聯(lián)式混合動力的拖拉機(jī),包括前橋、后橋、傳動系統(tǒng)和串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池和電動機(jī)，發(fā)動機(jī)傳動連接發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)與蓄電池電連接，蓄電池供電連接電動機(jī)。
[0006]發(fā)動機(jī)與發(fā) 電機(jī)之間設(shè)有第一離合器(C1)，電動機(jī)通過第二離合器(C2)連接變速器。
[0007]拖拉機(jī)還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括整機(jī)ECU、發(fā)動機(jī)控制單元、電動機(jī)控制單元，發(fā)電機(jī)控制單元，變速器控制單元，電池管理系統(tǒng)和離合器控制單元，以及驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速傳感器(S1)，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩傳感器(S2)，實際速度傳感器(S3),動力輸出轉(zhuǎn)矩傳感器(S4)和動力輸出轉(zhuǎn)速傳感器(S5)。
[0008]所述的發(fā)動機(jī)為柴油機(jī)，所述的電動機(jī)為永磁同步電動機(jī)，所述的發(fā)電機(jī)為永磁同步發(fā)電機(jī)；蓄電池為鉛酸蓄電池。
[0009]一種串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)的控制方法，包括如下步驟:
[0010](I)若動力輸出軸轉(zhuǎn)矩為0，拖拉機(jī)實際速度大于或等于0，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩大于0，拖拉機(jī)速度逐漸增大，則整機(jī)E⑶判斷出拖拉機(jī)當(dāng)前處于起步/加速模式；整機(jī)控制系統(tǒng)則根據(jù)判斷結(jié)果啟動電動機(jī)，驅(qū)動拖拉機(jī)完成起步和加速過程，關(guān)閉發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)，電動機(jī)控制單元控制電動機(jī)工作在高效區(qū)，且電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Tm大于滾動阻力矩；
[0011](2)若動力輸出軸轉(zhuǎn)矩為0，拖拉機(jī)實際速度大于0，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩大于0，且驅(qū)動輪速度越來越小，則整機(jī)ECU判斷出拖拉機(jī)當(dāng)前處于減速/制動/停機(jī)模式；整機(jī)控制系統(tǒng)則根據(jù)判斷結(jié)果啟動電動機(jī)，關(guān)閉發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)；電動機(jī)控制單元控制電動機(jī)使其進(jìn)行制動能量的回收，且工作在高效區(qū)；
[0012](3)若整機(jī)ECU判斷出拖拉機(jī)不處于起步/加速模式和減速/制動/停機(jī)模式，那么拖拉機(jī)就處于正常作業(yè)模式:
[0013]判斷當(dāng)前選電池電量與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的電量最高閥值SOCmax和最低閥值SOCmin之間的關(guān)系；判斷當(dāng)前需求的轉(zhuǎn)矩Tra1、轉(zhuǎn)速Irai及功率Prai與發(fā)動機(jī)和電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩?；，Tm、轉(zhuǎn)速re, rm及功率Pe，Pm之間的關(guān)系；[0014]若當(dāng)前電量大于或等于S0Cmax(電量最高閥值)，控制關(guān)閉發(fā)動機(jī)和電機(jī)，啟動電動機(jī)驅(qū)動拖拉機(jī)正常作業(yè)，并使電動機(jī)工作在高效區(qū)，且電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Tm = Treq ；
[0015]若當(dāng)前電量小于S0Cmax(電量最高閥值)，控制啟動發(fā)動機(jī)、電機(jī)及電動機(jī)，電動機(jī)驅(qū)動拖拉機(jī)正常作業(yè)，并使電動機(jī)工作在高效區(qū)，且電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Tm = Treq,使發(fā)動機(jī)工作在最佳燃油經(jīng)濟(jì)性曲線上。
[0016]本發(fā)明將混合動力技術(shù)應(yīng)用于拖拉機(jī)，采用串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的拖拉機(jī)由于可以進(jìn)行制動能量回收，且對現(xiàn)有機(jī)型改動不大，可充分利用原有的生產(chǎn)和技術(shù)資源，所以串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)動力系統(tǒng)是實現(xiàn)拖拉機(jī)節(jié)能和環(huán)保的有效途徑。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明的動力系統(tǒng)與控制系統(tǒng)圖；
[0018]圖2是變速器與分動器結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖3是發(fā)動機(jī)的萬有特性圖；
[0020]圖4是發(fā)動機(jī)速度控制原理圖；
[0021]圖5是發(fā)動機(jī)的輸出控制原理圖；
[0022]I一分動器,2—變速器，3—電動機(jī),4一蓄電池,5—前輪,6，8一前輪輪邊減速，7一前橋，9一發(fā)動機(jī)，10—離合器及控制單元C1,11一發(fā)電機(jī)，12—離合器及控制單元C2,13-制動器B1,14—變速器動力輸入軸，15—后橋，16—傳感器S3,17—動力輸出機(jī)構(gòu)，18，23—后輪輪邊減速，19一動力輸出軸，20—傳感器S5, 21—傳感器S4, 22—傳感器S1, 24—傳感器
S2,25—后輪，26—農(nóng)具；27—倒擋主動齒輪4a，28—高速擋主動齒輪3a，29—中速擋主動齒輪2a，30—低速擋主動齒輪la，31—動力輸入軸1，32—動力輸入軸2，33—低速擋從動齒輪Ib, 34—中速擋從動齒輪2b，35—高速擋從動齒輪3b，36—倒擋從動齒輪4b，37—分動器，38—后橋錐齒輪，39—分動器輸出軸。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0024]一種串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)動力系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)，如圖1所示，包括:發(fā)動機(jī)9，發(fā)電機(jī)11，電動機(jī)3，變速器2，蓄電池4，分動器1，前/后輪5，25，前輪輪邊減速6，8，前/后橋7,15,離合器及控制單兀C1, C2,制動器BJ3,變速器動力輸入軸14,五個傳感器,后輪輪邊減速18，23，動力輸出軸19，農(nóng)具26 ;五個傳感器分別是傳感器S1, S2，S3，S4，S5 ;發(fā)動機(jī)9的輸出軸和發(fā)電機(jī)11的輸入軸通過離合器C1機(jī)械連接,發(fā)動機(jī)9驅(qū)動發(fā)電機(jī)11進(jìn)行發(fā)電；整機(jī)ECU通過CAN總線分別與發(fā)動機(jī)控制單元、發(fā)電機(jī)控制單元、電動機(jī)控制單元、變速器控制單元、電池管理系統(tǒng)、離合器控制單元C1, C2、傳感器S1，S2, S3, S4, S5、制動器B1相連接，進(jìn)行相互數(shù)據(jù)信息交換；蓄電池4通過電池管理系統(tǒng)與電動機(jī)控制單元和發(fā)電機(jī)控制單元相連接；發(fā)動機(jī)控制單元控制發(fā)動機(jī)9的運行，電動機(jī)控制單元控制電動機(jī)3的運行，電池管理系統(tǒng)控制蓄電池4的能量狀態(tài)，離合器控制單元C1, C2分別控制離合器C1, C2的斷開和閉合，發(fā)電機(jī)控制單元控制發(fā)電機(jī)11的運行，變速器控制單元控制變速器2的換擋。
[0025]如圖1所示，發(fā)電機(jī)11為蓄電池4充電；蓄電池4為電動機(jī)3提供電能；電動機(jī)3是串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)動力系統(tǒng)的動力源。電動機(jī)3和變速器2輸入軸通過離合器C2機(jī)械連接；電動機(jī)3的動力通過變速器2降速增扭，再通過分動器I把動力分配至前/后驅(qū)動橋7/15。整機(jī)ECU控制制動器B1的制動與松開，制動器B1根據(jù)需要對變速器輸入軸14進(jìn)行制動或松開。
[0026]串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)動力系統(tǒng)的變速器和分動器結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示，包括:倒擋主/從動齒輪4a/4b，低速擋主/從動齒輪la/lb，中速擋主/從動齒輪2a/2b，高速擋主/從動齒輪3a/3b，動力輸入軸1/2，分動器37，后橋錐齒輪38，分動器輸出軸39 ;分動器37即為圖1中的分動器I ;動力輸入軸1/2即為圖1中的變速器輸入軸14 ;齒輪Ia和齒輪Ib相嚙合組成變速器的低速擋位，齒輪2a和齒輪2b相嚙合組成變速器的中速擋位，齒輪3a和齒輪3b相嚙合組成變速器的高速擋位，齒輪4a和齒輪4b相嚙合組成變速器的倒擋擋位。
[0027]結(jié)合圖1和2所示,一方面圖2動力輸入軸2，32的動力傳至圖1中的動力輸出機(jī)構(gòu)17，再經(jīng)動力輸出軸19傳至農(nóng)具26，另一方面圖2動力輸入軸1，31的動力經(jīng)變速器的某擋位傳至后橋錐齒輪38 (再傳至圖1的后橋15)和分動器37 (再傳至圖2的分動器輸出軸39,最后傳至圖1的前橋7)。
[0028]一種串聯(lián)式混合 動力拖拉機(jī)動力系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)，信息采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)信息傳至CAN總線，然后通過CAN總線傳至整機(jī)ECU，整機(jī)ECU分析接收到的所有數(shù)據(jù)信息(包括驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速A和轉(zhuǎn)矩T1、拖拉機(jī)實際速度Va、動力輸出轉(zhuǎn)矩Twtput及轉(zhuǎn)速Iwtput、蓄電池電量信息S0C、發(fā)動機(jī)及電動機(jī)等的運行狀態(tài))，分別通過發(fā)動機(jī)控制單元、電動機(jī)控制單元，發(fā)電機(jī)控制單元，變速器控制單元，電池管理系統(tǒng)，離合器控制單元C1, C2控制相應(yīng)的部件，使拖拉機(jī)適應(yīng)作業(yè)模式的要求。
[0029]整機(jī)E⑶有三種工作模式:起步/加速模式，正常作業(yè)模式，減速/制動/停機(jī)模式。正常作業(yè)模式又分為:緩行作業(yè)，田間基本作業(yè)和運輸作業(yè)三種作業(yè)模式；實施控制的步驟包括以下幾方面:
[0030]傳感器S1, S2, S3, S4, S5分別持續(xù)采集當(dāng)前的驅(qū)動輪25轉(zhuǎn)速巧和轉(zhuǎn)矩T1、拖拉機(jī)實際速度Va、動力輸出轉(zhuǎn)矩Tratput和轉(zhuǎn)速Iratput等數(shù)據(jù)信息，并把數(shù)據(jù)信息傳輸至CAN總線，再經(jīng)CAN總線把這些數(shù)據(jù)信息傳至整機(jī)E⑶。
[0031]電池管理系統(tǒng)檢測當(dāng)前的蓄電池4的荷電狀態(tài)S0C、電壓Ub、電流Ib，并經(jīng)CAN總線傳至整機(jī)E⑶；發(fā)動機(jī)控制單元檢測發(fā)動機(jī)9的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩I；、功率Pe ；電動機(jī)控制單元檢測電動機(jī)3的轉(zhuǎn)速rm、轉(zhuǎn)矩Tm、功率Pm ;發(fā)電機(jī)控制單元檢測發(fā)電機(jī)11的轉(zhuǎn)速rg、轉(zhuǎn)矩Tg、功率Pg，充電電壓Ug、電流Ig ;變速器控制單元檢測變速器2的擋位Dn ;離合器控制單元C1IlC2U檢測離合器C1;C2的閉合或斷開；所有這些數(shù)據(jù)信息都傳至CAN總線，然后經(jīng)CAN總線傳至整機(jī)E⑶。
[0032]整機(jī)ECU根據(jù)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速T1和拖拉機(jī)實際速度va，并依據(jù)下式計算拖拉機(jī)的滑轉(zhuǎn)率S，并儲存在整機(jī)E⑶中；滑轉(zhuǎn)率
【權(quán)利要求】
1.一種串聯(lián)式混合動力的拖拉機(jī)，其特征在于，包括前橋、后橋、傳動系統(tǒng)和串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)，串聯(lián)式混合動力系統(tǒng)包括發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池和電動機(jī)，發(fā)動機(jī)傳動連接發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)與蓄電池電連接，蓄電池供電連接電動機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種串聯(lián)式混合動力的拖拉機(jī)，其特征在于，發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)之間設(shè)有第一離合器(C1)，電動機(jī)通過第二離合器(C2)連接變速器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種串聯(lián)式混合動力的拖拉機(jī)，其特征在于，拖拉機(jī)還包括控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)包括整機(jī)ECU、發(fā)動機(jī)控制單元、電動機(jī)控制單元，發(fā)電機(jī)控制單元，變速器控制單元，電池管理系統(tǒng)和離合器控制單元，以及驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速傳感器(S1)，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩傳感器(S2)，實際速度傳感器(S3),動力輸出轉(zhuǎn)矩傳感器(S4)和動力輸出轉(zhuǎn)速傳感器(S5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種串聯(lián)式混合動力的拖拉機(jī)，其特征在于，所述的發(fā)動機(jī)為柴油機(jī)，所述的電動機(jī)為永磁同步電動機(jī)，所述的發(fā)電機(jī)為永磁同步發(fā)電機(jī)；蓄電池為鉛酸蓄電池。
5.一種串聯(lián)式混合動力拖拉機(jī)的控制方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)若動力輸出軸轉(zhuǎn)矩為O，拖拉機(jī)實際速度大于或等于O，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩大于O，拖拉機(jī)速度逐漸增大，則整機(jī)E⑶判斷出拖拉機(jī)當(dāng)前處于起步/加速模式；整機(jī)控制系統(tǒng)則根據(jù)判斷結(jié)果啟動電動機(jī)，驅(qū)動拖拉機(jī)完成起步和加速過程，關(guān)閉發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)，電動機(jī)控制單元控制電動機(jī)工作在高效區(qū)，且電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Tm大于滾動阻力矩； (2)若動力輸出軸轉(zhuǎn)矩為O，拖拉機(jī)實際速度大于O，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩大于O，且驅(qū)動輪速度越來越小，則整機(jī)ECU判斷出拖拉機(jī)當(dāng)前處于減速/制動/停機(jī)模式；整機(jī)控制系統(tǒng)則根據(jù)判斷結(jié)果啟動電動機(jī)，關(guān)閉發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)；電動機(jī)控制單元控制電動機(jī)使其進(jìn)行制動能量的回收，且工作在高效區(qū)； (3)若整機(jī)E⑶判斷出拖拉機(jī)不處于起步/加速模式和減速/制動/停機(jī)模式，那么拖拉機(jī)就處于正常作業(yè)模式: 判斷當(dāng)前選電池電量與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的電量最高閥值SOCmax和最低閥值SOCmin之間的關(guān)系；判斷當(dāng)前需求的轉(zhuǎn)矩Tra1、轉(zhuǎn)速Irai及功率Prai與發(fā)動機(jī)和電動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩?；，Tm、轉(zhuǎn)速re, rm及功率Pe，Pm之間的關(guān)系； 若當(dāng)前電量大于或等于SOCmax (電量最高閥值)，控制關(guān)閉發(fā)動機(jī)和電機(jī)，啟動電動機(jī)驅(qū)動拖拉機(jī)正常作業(yè)，并使電動機(jī)工作在高效區(qū)，且電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Tm = Treq ； 若 當(dāng)前電量小于SOCmax(電量最高閥值)，控制啟動發(fā)動機(jī)、電機(jī)及電動機(jī)，電動機(jī)驅(qū)動拖拉機(jī)正常作業(yè)，并使電動機(jī)工作在高效區(qū)，且電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Tm = Trai，使發(fā)動機(jī)工作在最佳燃油經(jīng)濟(jì)性曲線上。
【文檔編號】B60W20/00GK104029590SQ201410175420
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】周志立, 時輝, 徐立友, 方樹平, 張曉瑞, 吳依偉, 侯海源, 劉孟楠 申請人:河南科技大學(xué)