重型拖拉机混动电驱无级变速动力总成设计

陆祖汉

（广西玉柴芯蓝新能源动力科技有限公司，南宁 530000）

1 混动电驱无级变速原理

传统的动力总成系统如图1所示，主要包括前驱动桥、后驱动桥、分动箱、最终传动、制动器、离合器、变速箱以及动力输出系统。在此基础上，文章提出混动电驱无级变速传动系统。

图1 传统的动力总成系统原理图

混动电驱无级变速传动系统包含发动机（Internal Combustion Engine，ICE）、FISG发电机、驱动电机、区段变速箱、动力输出（Power Take Off，PTO）轴、发电机控制器（Generator Control Unit，GCU）、驱动电机控制器（Moter Control Unit，MCU）、电源分配单元（Power Distribution Unit，PDU）、储能单元以及一级外部扩展充/放电接口。

PTO传动箱的传动轴穿过主驱电机和变速箱后和发动机动力连接，后桥采用后主驱动电机+变速器驱动，变速箱动力输出到分动箱后传输到前桥，即前桥采用变速箱分动机械驱动，发动机与PTO传动箱直接传动连接用于提供输出动力。发动机与发电机连接，通过高压配电盒向主驱电机和储能单元提供电能。储能单元通过高压配电盒向后主驱动电机提供电能，也可通过高压配电盒向外部提供电能。外部电能通过高压配电盒向储能单元供电。整车利用电机低速大扭矩、转速范围宽的特性，不进行变速箱档位切换，直接使用电机调速，实现了作业过程的无级变速，具体技术原理如图2所示[1-3]。

图2 混动电驱无级变速原理图

2 混动电驱无级变速动力在重型拖拉机上的应用

重型拖拉机的混动电驱无极变速动力系统采用发动机、FISG电机、驱动电机、变速箱同轴一体化设计。后桥采用主驱动电机+变速器驱动，变速箱动力输出到分动箱后传输到前桥，即前桥采用变速箱分动机械驱动，发动机与FISG电机、驱动电机、变速箱采用同轴一体化方案设计，系统高度集成化，结构紧凑，满足多种安装需求。其中，FISG电机峰值发电功率200 kW，主驱电机峰值功率达250 kW，峰值扭矩达1 500 N·m，峰值转速达3 600 r·m-1，配合区段变速箱，可实现整车0～50 km·h-1的速度需求。

采用混动电驱无级变速动力总成技术的拖拉机，可以实现全时、分时四驱，有防滑，有引擎联接的PTO传动箱。该系统在技术上具有很强的整合性和模块性，完成了对拖拉机的改造。动力总成部分由发动机、发电机、驱动电机以及区段变速箱等构成，适用于147.10～220.65 kW·h（即200～300马力）段重型拖拉机[4]。

3 ECVT动力总成设计关键技术

3.1 ECVT动力总成集成技术

电子控制无级变速器（Eletro-Continuously Variable Transmission，ECVT）动力总成如图3所示，采用的是发动机、FISG电机、驱动电机、变速箱同轴一体化设计，后桥采用主驱动电机+变速器驱动，变速箱动力输出到分动箱后传输到前桥，即前桥采用变速箱分动机械驱动，可以实现全时、分时四驱，还可以实现左右差速和防滑。PTO传动箱由发动机连接来提供动力，配置一个储能单元，可以实现外接充/放电和纯电行驶，而且具有结构紧凑的特点，充分发挥了电机低速大扭矩、转速范围宽的特点。它不需要进行变速箱档位切换，而是直接使用电机调速，实现了作业过程的无级变速[5]。

图3 ECVT动力总成能量流

因此，ECVT动力总成的拖拉机的行使模式可以根据能量流的不同，分为纯电行使、助力模式、补电模式、回馈模式和PTO作业模式。

（1）纯电模式：发动机停机，主驱电机从高压动力电池获取驱动能量。

（2）助力模式：发动机运行，由FISG和高压动力电池共同为主驱电机提供能量。

（3）补电模式：发动机运行，FISG输出的能量一部分用于驱动，一部分用于高压电池补电。

（4）回馈模式：整车制动时，通过主驱电机回收制动能量。

（5）PTO作业模式：发动机定转速运行，FISG发电以提供整车驱动所需能量。

3.2 电驱无级变速控制技术

以拖拉机进行PTO驱动的农业机械作业为例，阐述电驱无级变速控制技术的应用。

拖拉机对路面负荷的需求转矩比较小，此时拖拉机采取了一种速度耦合并联的方式。在PTO操作中，FISG发电以提供整车驱动所需能量，并对发动机进行稳定速度的协同控制，使得PTO轴的速度处于常速条件下。驱动电机利用速度调整将驱动电机的最佳输出扭矩控制在与PTO工作发动机的最低速度时输出扭矩与最高速度时的输出扭矩之间。

在进行轻载运输的运行状态下，拖拉机发动机停机，使用纯电动运行方式，主驱电机从高压动力电池获取驱动能量。拖拉机实际运行过程中，电池管理系统将电能使用状态反馈给整机控制器，而拖拉机整机控制器会通过输入电能信号状态对其进行判定。如果轻载，那么会开启纯电动运行方式。通过调整离合器状态，使得轻载挡主动齿轮与轻载挡从动齿轮啮合。司机会按照需要的速度调整挡位状态，通过控制电机转速实现拖拉机的速度调整。

当拖拉机进行大转矩输出尤其是行驶过程中的阻力矩比较大时，拖拉机整机控制器会通过输入电能信号状态进行判定其是否是重载运行模式。拖拉机采取转矩耦合并联的方式。当拖拉机实施耕地等大阻力矩操作时，在油压的作用下，拖拉机的悬架在液压作用下下降，使拖拉机开始耕地作业。在耕地作业时，该电动机会依据所需的动力负荷，由FISG和高压动力电池共同为主驱电机提供能量，对其进行最优化的力矩补偿。

4 结语

通过研究拖拉机动力总成技术，开发“发动机+发电机+驱动电机+变速箱”的ECVT动力总成技术，满足重型拖拉机的需求。此外，开发拖拉机电驱动总成的控制技术，使得传动效率较液压机械无级变速器（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission，HMCVT）整体提高5%左右，打破了国外对无级变速的长期垄断，开创了重型拖拉机混合驱动无级变速国产化新时代，标志着重型拖拉机向低碳化、智能化和可持续方向发展。