《World Electric Vehicle Journal》：TRIZ-Based Design and Experimental Validation of a Dual-Flow Coupled Power System for High-Horsepower Tractors
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高马力拖拉机负载波动会损害田间作业平顺性，并对传统动力换挡（power shift）变速箱的可靠性构成挑战。本研究提出基于TRIZ的双流耦合混合动力总成（dual-flow coupled hybrid powertrain）设计与实验验证，以替代动力换挡技术
高马力拖拉机负载波动会损害田间作业平顺性，并对传统动力换挡（power shift）变速箱的可靠性构成挑战。本研究提出基于TRIZ的双流耦合混合动力总成（dual-flow coupled hybrid powertrain）设计与实验验证，以替代动力换挡技术。研究人员采用TRIZ物-场（substance-field, Su-Field）模型识别传动可靠性、负载适应性与作业平顺性之间的技术矛盾和物理矛盾，并通过Altshuller矛盾矩阵（Altshuller’s contradiction matrix）与发明原理（inventive principles）加以解决，进而综合出双流耦合构型。该构型中，发动机与发电电动机通过三个可控离合器共同驱动动力输出（power take-off, PTO）及前/后桥驱动，实现四种运行模式和功率分流输出（split power output）。针对耕翻和旋耕建立动力学仿真模型，并搭建硬件在环（hardware-in-the-loop, HIL）试验平台。仿真与HIL结果验证了电机转矩辅助（motor torque assist）复现动力换挡特性的可行性，并降低换挡频次；功率分流输出将机具负载波动与传动系（driveline）解耦，并改善变负载下旋耕作业平顺性。
研究背景方面，高马力拖拉机在田间作业中面临负载波动，负载波动会影响机组作业平顺性，并对传统动力换挡（power shift）变速箱的可靠性提出挑战。传统动力换挡存在频繁离合器接合/分离及变负载下功率损失较高的问题；无级变速传动（continuously variable transmission, CVT）在重负荷耕整条件下存在转矩容量与效率限制，且设计与制造复杂、维护成本较高。为替代动力换挡和CVT技术，研究人员引入TRIZ（发明问题解决理论）作为系统化创新方法，通过标准化矛盾分析与发明原理生成候选方案，而非依赖经验试错或盲目头脑风暴。研究目标包括：采用TRIZ功能分析与物-场（substance-field, Su-Field）建模解构传统拖拉机动力总成，识别固有功能缺陷与有害相互作用；阐明分布式混合动力拖拉机设计中的核心技术矛盾和物理矛盾，并运用矛盾矩阵与发明原理导出有理论依据的解决方案；综合出兼顾牵引效率与节能的新型动力总成架构。研究据此提出双流耦合混合动力总成，以解决传统动力换挡与CVT拖拉机传动的固有矛盾，并开展仿真与HIL验证。研究结论表明，所提出的基于TRIZ的系统方法能够有效解决高马力拖拉机动力总成中固有的可靠性与平顺性矛盾；双流耦合混合构型经仿真和HIL测试验证，可解耦动力输出（power take-off, PTO）与前/后桥驱动之间的功率输出，通过电机转矩辅助降低换挡频次，并使发动机保持在高效率区域运行。这些发现确立了双流耦合动力总成作为传统动力换挡技术可行且可靠替代方案的地位，对提升高马力拖拉机动力系统可靠性、负载适应性和作业平顺性具有重要意义。
关键技术方法方面，研究人员主要采用TRIZ物-场模型与矛盾矩阵/发明原理进行矛盾识别与方案综合；建立耕翻与旋耕动力学模型，并以时变正弦负载表征机具阻力波动；构建MATLAB/Simulink R2026b仿真平台；搭建硬件在环（hardware-in-the-loop, HIL）试验平台，通过整车控制器（vehicle control unit, VCU）和CAN总线进行转矩分配，并由测功机记录各动力单元输出转矩。原文未涉及样本队列来源。
研究结果方面，在“双流耦合动力系统仿真与分析”中，研究人员建立耕翻与旋耕作业动力学方程，并按实际作业速度曲线配置待机、地头转弯和作业结束等零速段。仿真显示，耕翻作业中传统构型在负载阻力增加的110 s时通过降挡增扭响应；双流耦合构型在110 s前使发动机保持在稳态运行区，集成起动发电机（integrated starter-generator, ISG）处于发电模式，负载增加后驱动电机提供附加功率输出，实现与动力换挡等效的驱动性能，同时ISG继续发电并使荷电状态（state of charge, SOC）逐渐下降。旋耕作业中，双流耦合动力总成实现PTO与前/后桥驱动之间的功率分流；传统构型中PTO输出转矩随旋耕负载波动并影响车速平顺性，而双流耦合架构在耕整启动完成后使ISG切换至驱动模式补偿负载波动，从而减轻其对车速稳定性的影响。在“拖拉机负载波动适应性分析”中，研究人员搭建旋耕HIL试验平台，由驱动电机为前/后桥供能，发动机与ISG为PTO输出轴供能，MATLAB/Simulink R2026b仿真平台负载转矩经CAN总线传递至VCU，VCU按转矩分配策略向各动力单元控制器下发转矩指令，前/后桥与PTO转矩依次施加于测功机，并由工控机记录各动力单元输出转矩。HIL测试表明，驱动电机输出转矩驱动前/后桥，因PTO与车桥之间采用功率分流输出，旋耕负载波动未影响拖拉机作业速度；PTO输出端负载变化由稳态PTO运行中处于发电模式的ISG补偿，发电消耗转矩随负载波动变化，发动机保持在高效率稳态区域运行，以优化系统整体燃油效率。
讨论与结论方面，原文结论指出，本研究表明所提出的基于TRIZ的系统方法有效解决了高马力拖拉机动力总成中固有的可靠性和平顺性矛盾。双流耦合混合构型通过仿真和HIL测试得到验证，证实其解耦PTO与前/后桥驱动之间的功率输出，通过电机转矩辅助降低换挡频次，并使发动机保持在高效率区域运行。这些发现确立了双流耦合动力总成作为传统动力换挡技术可行且可靠替代方案的地位。
