一种混合动力拖拉机模拟试验台架

阅读：评论：0

1.本发明涉及多能源动力系统台架试验技术领域，更具体地说，涉及混合动力拖拉机多功能试验台架及多模式测试方法。

背景技术：

2.随着全球农业机械化程度的提高，传统拖拉机动力系统结构复杂、过量消耗不可再生能源、尾气污染严重等缺陷使其渐渐退出历史舞台。目前，纯电动拖拉机受限于动力电池技术的发展在短时间内很难突破，混合动力拖拉机以其低能耗、低排放、高效率等优点顺势成为当下既能满足农业发展需求又符合节能环保主题的最佳选择，成为未来非道路车辆技术研究的热点。
3.在混合动力拖拉机的研发过程中，不仅需要对设计的整车性能进行测试，更需要对整车总成中的各个功能模块也进行相应的评估测试。但现有技术中的拖拉机试验台大多仅为支持整车测试的试验台，缺少对整车总成中相关功能模块的测试及标定技术，这就使得研发设计的风险和成本增大，不利于产业发展。
4.为了进行混合动力拖拉机各零部件总成与整车环境相同的调试、整机研制与开发、模块化性能评估、整机控制器测试、整车动力性与经济性等试验，设计和研发混合动力拖拉机模拟试验台，不仅对混合动力拖拉机的理论研究是较好的辅助和补充，而且有利于建立一套科学统一的混合动力拖拉机的试验规范、试验方法和试验标准，降低研发的风险和成本，缩短研发周期，对混合动力拖拉机的实车开发具有十分重要的指导意义。

技术实现要素：

5.针对背景技术中提出的问题，本发明的目的就是提供一种混合动力拖拉机模拟试验台架，其能够对混合动力拖拉机部件及总成进行性能检测和标定，对混合动力拖拉机动力性、经济性及排放等性能进行全面检测，提高混合动力车辆及其部件的整体测试水平，降低研发风险和成本，缩短开发周期。
6.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种混合动力拖拉机模拟试验台架，包括：动力源模块、传动模块、动力输出模块、传感器模块、负载调节模块和主控系统；所述的动力源模块包括主发动机、副电机和动力电池组，所述的副电机为可发电的电动机，其由动力电池组供电，并能向动力电池组充电；所述的传动模块包括动力耦合装置、主变速器和分动器；所述动力输出模块包括用于拖拉机旋耕作业的负载动力输出轴；所述的负载调节模块包括用于对犁耕作业工况加载而采用的电涡流测功机、用于对旋耕作业工况加载而采用的动力输出加载电机；所述的主发动机、副电机分别通过动力耦合装置连接主变速器，并通过主变速器将动力传递至分动器；所述的分动器具有第一输出轴和第二输出轴，第一输出轴连接负载
动力输出轴的一端，负载动力输出轴另一端连接动力输出加载电机；第二输出轴连接拖拉机的后驱动桥并向所述后驱动桥提供驱动动力；所述的后驱动桥两端的车轴分别通过连接装置连接电涡流测功机；所述的传感器模块包括第一速矩传感器、油耗传感器、电压传感器、电流传感器和第二速矩传感器，第一速矩传感器用于测量主发动机的输出转速转矩，油耗传感器用于测量主发动机的油耗，电压传感器、电流传感器用于测量副电机在充、放电时的电压和电流，第二速矩传感器用于测量所模拟拖拉机的作业速度和输出转矩。
7.所述的主发动机其输出轴连接第一速矩传感器，所述的副电机连接电压传感器和电流传感器，所述的后驱动桥两端的车轴均连接有第二速矩传感器，所述的主发动机连接有油耗传感器。
8.所述的主发动机其输出轴通过第一离合器与动力耦合装置的第一端口连接，所述的副电机其电机轴通过第二离合器与动力耦合装置的第二端口连接，所述动力耦合装置的第三端口通过主变速器连接分动器。
9.所述后驱动桥两端的车轴均连接有模拟制动器，所述的模拟制动器用于模拟拖拉机在紧急制动时的制动力。
10.所述的主控系统包括上位计算机、参数设置模块、数据采集存储模块及显示模块，所述的油耗传感器、第一速矩传感器、第二速矩传感器、电压传感器和电流传感器分别通过数据采集存储模块连接上位计算机。
11.所述上位计算机通过can总线分别连接有发动机控制器(ecu)、电动机控制器(icu)、动力电池管理系统(bms)、动力耦合装置离合器控制器、主变速器控制器(tcu)、负载控制器和制动器控制单元，其中，发动机控制器(ecu)用于控制主发动机的运行，电动机控制器(icu)用于控制副电机的运行，动力电池管理系统(bms)用于管理并控制动力电池组的充电、放电，动力耦合装置离合器控制器用于控制第一离合器和第二离合器，主变速器控制器(tcu)用于控制主变速器的档位切换，负载控制器用于分别控制电涡流测功机及动力输出加载电机，制动器控制单元用于控制模拟制动器。
12.所述的动力耦合装置与第一离合器之间还设有第一惯性质量飞轮，所述第一惯性质量飞轮用于减小发动机的输出波动。
13.所述的后驱动桥两端的车轴上分别安装有惯性质量模块，所述惯性质量模块为轮毂或者第二惯性质量飞轮。
14.所述的副电机为isg型电动机。
15.依据本发明所提出的模拟试验台，可进行的测试试验如下：（1）发动机系统标定试验：主要包括发动机自然特性、低/额定负荷特性、调速特性、部分和使用外特性、万有特性、排放特性以及柴油机推进性试验等。试验获得的特性数据是混合动力拖拉机整车控制策略的制定依据，并为发动机的计算机仿真模型提供真实试验数据，也可作为混合动力发动机的评价改进依据。
16.（2）电动机系统标定试验：主要包括驱动外特性、再生制动能力、电动发电效率变化、可靠性等。试验结果数据为电动机及混合动力拖拉机计算机仿真分析服务，同时为动力系统的控制策略服务。
17.（3）动力电池系统试验：主要包括充放电、温度等相关特性，为 bms 和动力系统控
制策略的设计提供实验数据。检测并储存充放电过程各参数数据变化，得出电池状态参数的特性；分析参数变化，得出动力电池容量特性；结合荷电状态，设计高效且精确的 soc 估算方法；分析总结在充放电过程中 soc 与电压、电流及温度之间的关系，制定动力电池管理系统。
18.（4）牵引性能试验：依据农业拖拉机试验规程，通过专门的牵引负荷装置进行，主要包括牵引能力试验和持续运转试验，目的是测定设计制造拖拉机牵引附着性能、经济性、持续重负和工作能力和其性能指标的稳定性，以及主要工作挡位的极限工作能力。
19.（5）整车控制器试验：包括对混合动力拖拉机多能源控制器的相关检测试验，对其各种性能检测与标定，精度改进和评价、软硬件集成，还可以在相同混合动力系统和控制软件及参数的基础上，对不同控制器进行性能检测，对比试验结果，评定所设计的控制器的相关性能。
20.（6）整车控制策略与算法试验：本试验台架具有的动力传动系统、可进行整车惯量模拟、整车负载模拟，模拟整车真实的行驶作业状态，具有可靠的整车多能源控制器和部件控制器来控制整车及部件正常高效地工作。针对同一工况下不同控制策略完成循环工况测试，分析动力经济性验证控制策略可行性和优劣并进行改进。
21.本发明的有益效果：本发明通过搭建混合动力拖拉机模拟试验台，可直接对混合动力拖拉机部件及总成进行性能检测和标定，对混合动力拖拉机动力性、经济性及排放等性能进行全面检测，对整体动力输出性能和牵引性能进行标定，对控制策略进行验证和优化，也可对整车及部件控制器进行调试检测，降低研发风险和成本，缩短开发周期。同时，对我国多能源系统车辆测试领域提供充分的理论补充，能够增强混合动力车辆及其部件的整体测试水平，完善混合动力试验规程、方法、标准，并建立可靠的混合动力评价体系。
附图说明
22.图1是本发明整体结构的框架示意图；图2是本发明一个实施例的传动结构布局示意图；图3是混合动力拖拉机动力系统动态协调控制过程图；图4是混合动力拖拉机动力系统运行状态图；图5是混合动力拖拉机主控系统can总线网络控制图；图6是混合动力拖拉机主控系统dspace硬件测试原理图；图7是混合动力拖拉机主控系统labview后台主程序流程图；图8为混合动力拖拉机模拟试验台架多模式测试功能图。
23.图中：1、主发动机，2、第一惯性质量飞轮，3、副电机，4、第一离合器，5、第二离合器，6、动力耦合装置，7、分动器，8、电涡流测功机，9、动力输出加载电机，10、后驱动桥，11、惯性质量模块，12、模拟制动器，13、动力电池组，14、主变速器，15、负载动力输出轴，16、联轴器。
具体实施方式
24.下面将结合说明书附图对本发明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作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。
25.如图1、图2所示，一种混合动力拖拉机模拟试验台架，包括：动力源模块、传动模块、动力输出模块、传感器模块、负载调节模块和主控系统；所述的动力源模块包括主发动机1、副电机3和动力电池组13，所述的副电机3为可发电的电动机，其由动力电池组13供电，并能向动力电池组13充电；所述的传动模块包括动力耦合装置6、主变速器14和分动器7；所述动力输出模块包括用于拖拉机旋耕作业的负载动力输出轴15；所述的负载调节模块包括用于对犁耕作业工况加载而采用的电涡流测功机8、用于对旋耕作业工况加载而采用的动力输出加载电机9；所述的主发动机1、副电机3分别通过动力耦合装置6连接主变速器14，并通过主变速器14将动力传递至分动器4；所述的分动器4具有第一输出轴和第二输出轴，第一输出轴连接负载动力输出轴15的一端，负载动力输出轴另一端连接动力输出加载电机8；第二输出轴连接拖拉机的后驱动桥10并向所述后驱动桥提供驱动动力；所述的后驱动桥10两端的车轴分别通过连接装置连接电涡流测功机9；所述的传感器模块包括第一速矩传感器、油耗传感器、电压传感器、电流传感器和第二速矩传感器，第一速矩传感器用于测量主发动机1的输出转速转矩，油耗传感器用于测量主发动机1的油耗，电压传感器、电流传感器用于测量副电机3在充、放电时的电压和电流，第二速矩传感器用于测量所模拟拖拉机的作业速度和输出转矩。
26.本发明通过模拟混合动力拖拉机作业过程，同时对试验台部件进行控制就可以用来验证混合动力拖拉机的控制策略要求。其中，动力总成的输出端也可以连接一个速矩传感器，之后再通过主变速器14进行挡位切换。此外，具体的操控通过与上位计算机相连接的驾驶员操控台实现，试验人员根据试验需求通过控制驾驶员操控台的制动踏板和油门踏板实现信号的输入。如图3，混合动力拖拉机模拟试验台架工作时，通过第二速矩传感器采集实际车速并与目标车速比较，计算出车速偏差值，将偏差值信号传到主控模块，按照一定的算法，得到加速踏板或者制动踏板的修正值信号，如此反复，直到循环结束。
27.本发明动力传送具体如下：动力源模块的输出端首先通过传动模块进行挡位的切换，其次经过分动器7进行转速方向的改变，一方面传递到动力输出模块用于拖拉机的旋耕作业，另一方面传递到后驱动桥10用于拖拉机的犁耕作业，而传递到后驱动桥10的动力经过齿轮副连接模拟制动器12，接着通过连接装置连接电涡流测功机9；其中，动力输出模块连接的动力输出加载电机8用于测量拖拉机旋耕作业时牵引农机具的能力，后驱动桥10连接的电涡流测功机9用于模拟犁耕作业的负载，模拟制动器12用于模拟拖拉机在紧急制动时的制动力。
28.所述的主发动机1其输出轴连接第一速矩传感器，所述的副电机3连接电压传感器和电流传感器，所述的后驱动桥10两端的车轴均连接有第二速矩传感器，所述的主发动机1连接有油耗传感器。
29.所述的主发动机1其输出轴通过第一离合器4与动力耦合装置6的第一端口连接，所述的副电机3其电机轴通过第二离合器5与动力耦合装置6的第二端口连接，所述动力耦合装置6的第三端口通过主变速器14连接分动器7。具体的，本试验台架的动力是由主发动
机1与副电机3共同提供，其中主发动机1用于模拟发动机的动力输出，主发动机1、副电机3与动力耦合装置6之间分别用离合器隔开，以便在试验时可以分别对主发动机1和副电机3的动力进行采集分析，可以实现独立驱动与混合驱动两种不同驱动模式的试验。副电机3选用isg型电机，它可以充当电动机的作用，用来给动力系统提供驱动力，也可以充当发电机的作用给动力电池充电，其充电的时候是拖拉机动力需求较小时，或者在制动时进行能量回收。如图4，混合动力拖拉机根据发动机与电动机之间配合工作，可以实现独立驱动与混合驱动工作；通过电动机发电与作业状态的转换，可以实现减速能量回收和发电工作。
30.所述后驱动桥10两端的车轴均连接有模拟制动器12，所述的模拟制动器12用于模拟拖拉机在紧急制动时的制动力。所述的模拟制动器12可以是轮边制动器。
31.所述的主控系统包括上位计算机、参数设置模块、数据采集存储模块及显示模块，其中，上位计算机内置有整车控制器（vcu），所述的油耗传感器、第一速矩传感器、第二速矩传感器、电压传感器和电流传感器分别通过数据采集存储模块连接上位计算机。如图7，主控系统状态参数的测控及显示主要是由传感器、采集卡及 labview 图形语言和 dspace 共同实现的。传感器采集模拟信号，传至上位计算机通过算法变为可供计算机使用的数字信号，一方面通过can总线传送至dspace，所述主控系统根据控制策略和驾驶员意图发出相应控制指令通过 can总线发送至各控制器控制部件的执行机构完成目标操作，另一方面送至labview软件，实时显示所测量参数并在存储器上储存。各控制器控制部件中的交流变频器与上位计算机采用串口通讯，应用层数据交互采用modbus总线协议中的rtu传输模式；直流调速器与上位计算机采用串口通讯，应用层数据交互采用uss通讯协议；最后，将can、uss、modbus的底层通讯软件与上位计算机内置的测控软件进行集成。
32.所述上位计算机通过can总线分别连接有发动机控制器(ecu)、电动机控制器(icu)、动力电池管理系统(bms)、动力耦合装置离合器控制器、主变速器控制器(tcu)、负载控制器和制动器控制单元，其中，发动机控制器(ecu)用于控制主发动机1的运行，电动机控制器(icu)用于控制副电机3的运行，动力电池管理系统(bms)用于管理并控制动力电池组13的充电、放电，动力耦合装置离合器控制器用于控制第一离合器4和第二离合器5，主变速器控制器(tcu)用于控制主变速器14的档位切换，负载控制器用于分别控制电涡流测功机9及动力输出加载电机8，制动器控制单元用于控制模拟制动器12。具体的，本试验台架的数据通讯结构，由主控系统通过 can 总线与各部件控制器进行通讯，各部件控制器负责对应部件的具体工作，主控系统主要负责整个测控系统中设备控制、数据采集处理及显示，控制单元间采用数字量通信方式以保证各控制器间通信和工作的可靠性。
33.如图5、图6， can总线网络与各部件控制器进行通讯过程如下：油门踏板位置信号控制指令经 d/a 变换后发送至 ecu，由ecu依据主发动机1当前运行态参数完成对油门的控制，同时将状态参数发送至dspace；icu接收副电机转速、转矩、电压电流信号，bms接收动力电池组soc、电压、电流及温度信号，再由can总线网络发送至dspace，并由dspace将控制命令发送给icu、bms完成对应控制；主变速器14的机械挡位传动比、齿轮转速、转矩参数信号由 tcu 实时采集，通过can 总线传至 dspace，整车控制器 vcu 通过 can 总线向 tcu 发送换挡控制信号，实现对主变速器14的控制；负载控制器接收上位计算机通过dspace、can 总线发送的控制信号，实现对测功机的控制。
34.所述的动力耦合装置与第一离合器之间还设有第一惯性质量飞轮2，所述第一惯
性质量飞轮2用于减小发动机的输出波动。
35.所述的后驱动桥两端的车轴上分别安装有惯性质量模块11，所述惯性质量模块11用于模拟整车惯量。
36.如图8，本发明提出的混合动力拖拉机模拟试验台具有多种模式测试功能，包括核心元件性能与标定试验、混合动力传动系统台架试验和整机试验；所述核心元件性能与标定试验包括发电机系统标定试验、电动机系统标定试验、辅助能源充放电试验、散热系统标定试验、发动机万有特性标定试验；所述混合动力传动系统台架试验包括牵引特性试验、pto特性试验、匹配特性试验、滑转特性试验；所述整机试验包括整车控制器试验、整车控制策略与算法试验、整车经济性与动力性试验等。
37.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
38.本发明未详述部分均为现有技术。

技术特征：

1.一种混合动力拖拉机模拟试验台架，包括：动力源模块、传动模块、动力输出模块、传感器模块、负载调节模块和主控系统；其特征是：所述的动力源模块包括主发动机、副电机和动力电池组，所述的副电机为可发电的电动机，其由动力电池组供电，并能向动力电池组充电；所述的传动模块包括动力耦合装置、主变速器和分动器；所述动力输出模块包括用于拖拉机旋耕作业的负载动力输出轴；所述的负载调节模块包括用于对犁耕作业工况加载而采用的电涡流测功机、用于对旋耕作业工况加载而采用的动力输出加载电机；所述的主发动机、副电机分别通过动力耦合装置连接主变速器，并通过主变速器将动力传递至分动器；所述的分动器具有第一输出轴和第二输出轴，第一输出轴连接负载动力输出轴的一端，负载动力输出轴另一端连接动力输出加载电机；第二输出轴连接拖拉机的后驱动桥并向所述后驱动桥提供驱动动力；所述的后驱动桥两端的车轴分别通过连接装置连接电涡流测功机；所述的传感器模块包括第一速矩传感器、油耗传感器、电压传感器、电流传感器、和第二速矩传感器；第一速矩传感器用于测量主发动机的输出转速转矩，油耗传感器用于测量主发动机的油耗，电压传感器、电流传感器用于测量副电机在充、放电时的电压和电流，第二速矩传感器用于测量所模拟拖拉机的作业速度和输出转矩。2.根据权利要求1所述的一种混合动力拖拉机模拟试验台架，其特征是：所述的主发动机其输出轴连接第一速矩传感器，所述的副电机连接电压传感器和电流传感器，所述的后驱动桥两端的车轴均连接有第二速矩传感器，所述的主发动机连接有油耗传感器。3.根据权利要求1所述的一种混合动力拖拉机模拟试验台架，其特征是：所述的主发动机其输出轴通过第一离合器与动力耦合装置的第一端口连接，所述的副电机其电机轴通过第二离合器与动力耦合装置的第二端口连接，所述动力耦合装置的第三端口通过主变速器连接分动器。4.根据权利要求1所述的一种混合动力拖拉机模拟试验台架，其特征是：所述后驱动桥两端的车轴均连接有模拟制动器，所述的模拟制动器用于模拟拖拉机在紧急制动时的制动力。5.根据权利要求1所述的一种混合动力拖拉机模拟试验台架，其特征是：所述的主控系统包括上位计算机、参数设置模块、数据采集存储模块及显示模块，所述的油耗传感器、第一速矩传感器、第二速矩传感器、电压传感器和电流传感器分别通过数据采集存储模块连接上位计算机。6.根据权利要求1所述的一种混合动力拖拉机模拟试验台架，其特征是：所述上位计算机通过can总线分别连接有发动机控制器(ecu)、电动机控制器(icu)、动力电池管理系统(bms)、动力耦合装置离合器控制器、主变速器控制器(tcu)、负载控制器和制动器控制单元，其中，发动机控制器(ecu)用于控制主发动机的运行，电动机控制器(icu)用于控制副电机的运行，动力电池管理系统(bms)用于管理并控制动力电池组的充电、放电，动力耦合装置离合器控制器用于控制第一离合器和第二离合器，主变速器控制器(tcu)用于控制主变速器的档位切换，负载控制器用于分别控制电涡流测功机及动力输出加载电机，制动器控制单元用于控制模拟制动器。
7.根据权利要求1所述的一种混合动力拖拉机模拟试验台架，其特征是：所述的动力耦合装置与第一离合器之间还设有第一惯性质量飞轮，所述第一惯性质量飞轮用于减小发动机的输出波动。8.根据权利要求1所述的一种混合动力拖拉机模拟试验台架，其特征是：所述的后驱动桥两端的车轴上分别安装有惯性质量模块，所述惯性质量模块用于模拟整车惯量。

技术总结

本发明提出一种混合动力拖拉机模拟试验台架，包括：动力源模块、传动模块、动力输出模块、传感器模块、负载调节模块和主控系统；所述的动力源模块包括主发动机、副电机和动力电池组，所述的副电机为可发电的电动机，其由动力电池组供电，并能向动力电池组充电；所述的传动模块包括动力耦合装置、主变速器和分动器；所述动力输出模块包括用于拖拉机旋耕作业的负载动力输出轴。本发明可直接对混合动力拖拉机部件及总成进行性能检测和标定，增强混合动力车辆及其部件的整体测试水平，完善混合动力试验规程、方法、标准，并建立可靠的混合动力评价体系。价体系。价体系。