一种串联式油电混合动力联合收获机和方法

1.本发明属于农业收获装备技术领域，具体涉及一种串联式油电混合动力联合收获机和方法。


背景技术：

2.目前，伴随着收获机械化水平不断的提高，能源的大量消耗和环境污染问题也日益突出，随着全球各国对节能减排和生态文明建设的重视，现代农业对生态、节能、环保提出了越来越高的要求，对低排放、低污染、低噪音的绿色动力农机的需求越来越迫切。由于作物品种的多样化，以及株型、产量、草谷比、含水量等因素的差异，使得联合收获机作业时作业负荷波动大、工况复杂多变。传统联合收获机采用柴油发动机 机械传动的方式驱动底盘、割台、脱粒清选等部件，传动系统部件多、路径长，作业参数无法实时调整，导致机器作业性能不稳定、低负荷时能耗浪费严重，致使油耗和污染大大增加。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本发明提供一种串联式油电混合动力联合收获机和方法，本发明针对联合收获机功率大、能耗高的特点，采用串联式油电混合动力技术兼顾整机续航和节能，结合采用分布式电驱动技术，使联合收获机具有结构布局灵活、能源利用率高等优点，作为直接产生动力的部分，驱动系统与动力系统减少机械连接，易于实现两者的控制解耦。此外，利用发电系统和储能模块的不同特性，让供电系统和动力系统工作在高效区，当在轻负荷作业工况时，发动机系统可以根据实际功耗动态按需分配，大大减少能量损失，解决了传统联合收获机油耗、污染大、传动功率损失严重的问题。
4.本发明油电混合动力联合收获机，本发明中的串联式油电混合动力系统是一种由发动机、分动箱、发电机、电池等部件构成的一种串联式油电混合动力系统，其输出的动力通过分动箱分别输入动力输出轴pto(power-take-off)和发电机，发动机和发电机是解耦，结合联合收获机的结构特点和工作特点，本发明中功率消耗最大的脱粒系统以及请选系统的部分部件由pto直接驱动，功率消耗较低的割台系统、行驶系统、清选系统、碎草系统等工作系统及其部分子部件均由独立的电机驱动。本发明中的电机均由动力电池或发电机提供能源，并且控制系统可以按需对各电机的转速进行单独控制，发动机在输出动力的同时，也带动发电机向电池充电。本发明采用了串联式油电混合动力技术，使得整机的续航和节能得以兼顾，同时，本发明通过分布式电驱动实现联合收割机各工作系统之间的机械解耦，解决了传统联合收获机传动系统部件多、路径长，作业参数无法实时调节的问题，具有结构布局灵活、能源利用率高等优点。
5.本发明是利用以下技术手段达到上述目的的：
6.一种串联式油电混合动力联合收获机，包括串联式油电混合动力系统、割台系统、控制系统、脱粒系统和清选系统；
7.所述串联式油电混合动力系统包括发动机、分动箱、发电机、动力电池；所述发动
机的动力输入分动箱，分动箱分别与发动机和动力输出轴pto连接，分动箱将发动机的动力分别输入动力输出轴pto和发电机，发电机和分动箱之间设有离合器；动力电池与发电机连接；动力输出轴pto分别与脱粒系统的滚筒、清选系统的风机连接；动力电池与行驶系统连接；所述控制系统分别与串联式油电混合动力系统、割台系统、脱粒系统和清选系统连接。
8.上述方案中，所述割台系统包括拨禾轮、割刀、割台搅龙和输送带；所述拨禾轮与第一电机11a连接，割台搅龙和割刀分别与第二电机13a连接，输送带与第三电机14a连接。
9.上述方案中，还包括行驶系统；所述行驶系统包括左驱动轮和右驱动轮，左驱动轮与左轮边电机51a连接，右驱动轮与右轮边电机52a连接。
10.上述方案中，所述清选系统包括风机、清选筛、杂余搅龙和籽粒搅龙；所述风机与动力输出轴pto连接；所述清选筛与第四电机62a连接；所述杂余搅龙和籽粒搅龙分别与第五电机64a连接。
11.上述方案中，还包括碎草系统；所述碎草系统包括碎草刀筒81b和第七电机81a。
12.上述方案中，所述控制系统包括电机控制器、传感器和整车控制器；所述电机控制器分别与电机连接；所述传感器用于检测动力输出轴pto的转速，并将信号发送给电机控制器和整车控制器；整车控制器与发动机连接。
13.上述方案中，所述发动机的动力经过减速器输入分动箱。
14.一种根据所述串联式油电混合动力联合收获机的控制方法，包括以下步骤：
15.所述串联式油电混合动力联合收获机具有五种工作模式：纯电动模式、混合动力模式、pto模式、行车充电模式和停车充电模式，控制模式通过控制系统选择；
16.在纯电动模式下，所述控制系统控制发动机停机，仅由动力电池带动行驶系统工作；
17.在混合动力模式下，所述控制系统控制发动机工作，并带动发电机进行发电，发电机产生的电量一部分用于联合收获机工作部件的消耗，一部分存储于动力电池中；
18.在pto模式下，所述控制系统控制发动机工作，并通过离合器切断驱动发电机的动力，发动机的全部动力传入动力输出轴pto用于驱动脱粒系统的滚筒和清选系统的风机工作，割台系统、清选系统和行驶系统由动力电池供能；
19.在行车充电模式下，所述控制系统控制发动机工作，并带动发电机进行发电，发电机产生的电量仅用于驱动行驶系统和向动力电池充电，；
20.在停车充电模式下，由外部电源向动力电池充电，或通过发动机带动发电机向动力电池充电。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.本发明串联式油电混合动力系统，其输出的动力通过分动箱分别输入动力输出轴pto和发电机，发动机和发电机是解耦，结合联合收获机的结构特点和工作特点，本发明中功率消耗最大的脱粒系统的滚筒和清选系统的风机由pto直接驱动，功率消耗较低的割台系统、碎草系统、行驶系统、清选系统其余工作部件由独立的电机驱动，
23.通过分布式电驱动实现联合收割机各工作系统之间的机械解耦，解决了传统联合收获机传动系统部件多、路径长，作业参数无法实时调节的问题，具有结构布局灵活、能源利用率高等优点，同时，电池和电机的应用可以降低整机的燃油消耗和碳排放，提高环境友好性，此外串联式油电混合动力技术的应用，使得整机的续航和节能得以兼顾，当整机在纯
电模式下行驶时，可实现零油耗。
附图说明
24.图1为本发明所述串联式油电混合动力联合收获机的原理简图；
25.图2为本发明所述串联式油电混合动力联合收获机的俯视图；
26.图3为本发明所述串联式油电混合动力联合收获机的侧视图；
27.图4为本发明所述串联式油电混合动力联合收获机的侧面局部剖视图；
28.图中：10.割台系统，11.拨禾轮，11a.第一电机，12.割刀，12a.割刀传动连杆，12b.割刀传动轮，13.割台搅龙，13a.第二电机，13b.割台搅龙传动轮，14.输送带，14a.第三电机，21.整车控制器，22.电机控制器，23.传感器，30.发动机，31.减速器，32.分动箱，33.pto，33a.pto传动轮，34.离合器，35.发电机，36.动力电池，37.整流器，40.脱粒系统，41.脱粒滚筒，42.动力传动装置，43.脱粒系统传动轮，50.行驶系统，51.左驱动轮，51a左轮边电机，52.右驱动轮，52a.右轮边电机，60.清选系统，61.风机，62a.第四电机，62b.清选传动连杆，62c.前抖动板，62d.后抖动板，62e.鱼鳞筛，62f.尾筛，62g.编织筛，63.底板，64a.第五电机，64b.杂余搅龙a，64c.杂余搅龙传动轮，64d.杂余搅龙b，65a.籽粒搅龙，65b.籽粒搅龙传动轮，70.储粮系统，71.粮箱，72.输粮筒，80.碎草系统，81a.第六电机，81b.碎草刀筒。
具体实施方式
29.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
30.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
31.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.图1至图4所示为所述串联式油电混合动力联合收获机的一种较佳实施方式，所述串联式油电混合动力联合收获机，包括串联式油电混合动力系统、割台系统10、控制系统20、脱粒系统40和清选系统60；所述串联式油电混合动力系统包括发动机30、分动箱32、发电机35、动力电池36；所述发动机30的动力经过减速器31输入分动箱32，分动箱32分别与发
动机30和动力输出轴pto33连接，分动箱32将发动机30的动力分别输入动力输出轴pto33和发电机35，发电机35和分动箱32之间设有离合器34，通过离合器34对输入发电机35的动力进行通断；动力电池36与发电机35连接，发电机35与联合收获机各工作部件的电机连接；动力输出轴pto33分别与脱粒系统40的滚筒41、清选系统60的风机61连接；动力电池36与行驶系统50连接；所述控制系统20分别与串联式油电混合动力系统、割台系统10、脱粒系统40和清选系统60连接。
33.根据本实施例，优选的，所述割台系统10包括拨禾轮11、割刀12、割台搅龙13和输送带14；所述拨禾轮11与第一电机11a连接，割台搅龙13和割刀12分别与第二电机13a连接，输送带14与第三电机14a连接。
34.根据本实施例，优选的，还包括行驶系统50；所述行驶系统50包括左驱动轮51和右驱动轮52，左驱动轮51与左轮边电机51a连接，右驱动轮52与右轮边电机52a连接。
35.根据本实施例，优选的，所述清选系统60包括风机61、清选筛62、杂余搅龙64和籽粒搅龙65；所述风机61与动力输出轴pto35连接；所述清选筛62与第四电机62a连接；所述杂余搅龙64和籽粒搅龙65分别与第五电机64a连接。
36.根据本实施例，优选的，还包括碎草系统80，所述碎草系统80包括碎草刀筒81b和第七电机81a。
37.根据本实施例，优选的，所述控制系统20包括电机控制器22、传感器23和整车控制器21；所述电机控制器22分别与电机连接；所述传感器23用于检测动力输出轴pto33的转速，并将信号发送给电机控制器22和整车控制器21；整车控制器21与发动机35连接。
38.根据本实施例，优选的，所述发动机30的动力经过减速器31输入分动箱32。
39.一种根据所述串联式油电混合动力联合收获机的控制方法，包括以下步骤：
40.所述串联式油电混合动力联合收获机具有五种工作模式：纯电动模式、混合动力模式、pto模式、行车充电模式和停车充电模式，控制模式通过控制系统20选择；
41.在纯电动模式下，所述控制系统20控制发动机30停机，联合收获机各工作部件停机，仅由动力电池36带动行驶系统50工作；
42.在混合动力模式下，所述控制系统20控制发动机30工作，并带动发电机35进行发电，发电机35产生的电量一部分直接用于工作部件的消耗，一部分存储于动力电池36中；
43.在pto模式下，所述控制系统20控制发动机30工作，并通过离合器34切断驱动发电机35的动力，发动机30的全部动力传入动力输出轴pto33用于驱动脱粒系统40的滚筒41和清选系统60的风机61工作，割台系统10、清选系统60和行驶系统50由动力电池36供能；
44.在行车充电模式下，所述控制系统20控制发动机30工作，并带动发电机35进行发电，发电机35产生的电量仅用于驱动行驶系统50和向动力电池36充电，其余工作部件停机。
45.在停车充电模式下，所述控制系统20控制所有工作部件停机，由外部电源向动力电池36充电，或通过发动机30带动发电机35向动力电池36充电。
46.本发明发动机30和电池36为整机的能量来源，结合减速器31、分动箱32、发电机35等部件一同构成了整机的动力系统。当联合收获机的工作载荷超过预设值时，离合器34切断进入发电机35的动力，使得发动机30的动力尽数用于驱动脱粒系统40以保证工作质量。此外动力输出轴pto33通过传动装置带动脱粒系统40工作，为了保证工作过程中脱粒滚筒41能够在负载波动较大的情况下保持转速的相对恒定，通过传感器23对动力输出轴pto33
的转速进行实时监测，并对发动机30进行实时调节以达到动力补偿的目的，以稳定脱粒滚筒41的转速。发电机35产生的电量用于驱动各电机，并向动力电池36充电。由于本发明采用了分布式电驱动技术，使各工作部件之间尽可能实现机械解耦，因此与传统联合收割机相比，发动机30不必始终工作在最大马力处。本发明中，基于发动机30的map图，对发动机30进行理想工作曲线的标定，并由整车控制器21对发动机30的转速进行控制，使得发动机30始终工作在理想区间，而动力电池36可以通过外接电源或发电机35进行充电。
47.本发明中的各电机均为独立工作的电机且均由动力电池36和发电机35进行供电驱动，驾驶员可根据作物的不同属性对各工作部件的电机转速进行调节以更好地适应不同工况的需求。此外为了保证联合收割机工作性能的稳定，当驾驶员选定所需电机转速时，对各电机进行恒转速控制，通过转速传感器23监测各电机的转速，并实时将转速状态传输给整车控制器21，当电机工作负载发生变化时，由电机控制器22对电机的负载电压进行调节以稳定电机的转速，从而保证联合收割机稳定工作。
48.所述割台系统10的拨禾轮11由第一电机11a直接驱动；割台搅龙13由第二电机13a驱动，同时通过割刀传动轮12b、割台搅龙传动轮13b以及割刀传动连杆12a带动割刀工作；输送带由第三电机14a直接驱动。在工作过程中，利用拨禾轮11将作物的杆茎拨入，并由割刀12将其割断，收割后的作物通过割台搅龙13聚集起来，并通过输送带14向后方输送至脱粒系统40。
49.所述脱粒系统40的脱粒滚筒41，该系统是整机功率消耗最大的系统，由动力输出轴pto35带动运转，动力输出轴pto35上的动力通过皮带传动轮35b、皮带传动轮43和动力传动装置42带动脱粒滚筒41旋转。经脱粒系统40脱粒后的作物将进一步由清选系统60进行处理。
50.所述行驶系统50中设有两个独立的左轮边电机51a、和右轮边52a分别驱动左驱动轮51和右驱动轮52，从而带动整机前进和转弯。
51.所述清选系统60包括清选部件和输送部件，清选部件包括风机61、清选电机62a、清选部件连杆62b、前抖动板62c、后抖动板62d、鱼鳞筛62e、尾筛62f、编织筛62g；输送部件包括底板63、横向杂余搅龙64b、纵向杂余搅龙64d、杂余搅龙电机64a、籽粒搅龙65a。其中，风机安装在动力输出轴pto33上，并由动力输出轴pto直接带动工作；前抖动板62c、后抖动板62d、鱼鳞筛62e、尾筛62f通过第四电机62a、清选部件连杆62b进行驱动；杂余搅龙64d由第五电机64a直接驱动，并通过传动轮64c和传动轮65b带动籽粒搅龙65a工作。通过脱粒系统40进行脱粒处理后的作物籽粒和杆茎、颖壳等杂余在重力的作用下掉落入清选系统60中，落在头部的籽粒和杂余在抖动板的抖动抛送下由于比重不同互相分离，进一步通过鱼鳞筛62e和编织筛62g将谷粒筛选出来，在此过程当中，收到风机61的气流吹散作用，轻的颖壳和碎稿被吹出机外,干净的谷粒落入底板63并滑落至籽粒搅龙65a处，进一步通过储粮系统70的输粮筒72输送到粮箱71，未脱净的杂余、断穗通过尾筛62f的筛孔落入落入底板63并滑落至杂余搅龙64b处并送回到脱粒系统40经再次脱粒后进入清选装置60。杂余中的秸秆、短茎等则直接进入碎草系统80进行切碎。
52.所述碎草系统80的碎草刀筒81b由第六电机81a直接驱动，从清选系统60中排出的秸秆、短茎等进入碎草系统80，通过碎草刀筒81b切碎后排出机外。
53.应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一
个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
54.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。