一种带PTO功能的增程器系统、控制方法及拖拉机与流程

本发明涉及一种带pto功能的增程器系统，属于新能源车辆。

背景技术：

1、拖拉机是用于牵引和驱动农机具完成各项移动式作业的自走式动力机械。也可用于固定场景作业。目前柴油机是拖拉机的主要动力来源，而拖拉机用途广泛、工况复杂，对传动系要求极高，国内高端大马力拖拉机传动系往往依赖进口，严重制约国内高端大马力拖拉机快速发展，不利于土地流转与农业规模化经营，进而严重影响我国农业生产效率。同时，柴油发动机+变速箱路线能量转化效率较低，经济性与排放较差，购置成本与使用成本“双高”的同时不利于“双碳”目标达成。

2、拖拉机主要工作模式有三种：牵引作业、牵引+pto作业、固定场景pto作业。以典型的牵引+pto作业工况为例，因拖拉机只有柴油机一个动力源，其不仅需要将动力输出至轮端，进行牵引行驶，同时，还需要通过pto对柴油机进行取力，用于驱动农机具工作。该系统构型导致发动机转速与牵引车速、pto转速高度耦合，而拖拉机针对不同的作业工况、作业地形、作业机具、作业效果、作业效率，匹配不同的牵引车速和pto转速。当前国内外均通过在发动机与差速器间增加多档位变速箱，对发动机转速与牵引车速进行解耦，车辆作业时，驾驶员通过控制发动机转速，匹配合适的pto转速，然后驾驶员根据作业工况、地形、作业效率与作业效果，选择合适的驱动档位，来进行作业。该构型劣势：1、发动机转速与牵引车速无法完全解耦，需要变速箱速比配置多样化；2、高度依赖进口变速箱，购置成本和维修成本居高不下；3、操纵复杂，对驾驶员驾驶技能要求高；4、发动机负荷不稳定，经济性与排放较差。

3、近年来，技术研究人员对拖拉机电动化提出了多种形式的动力构型，目的是利用增程器或电机取代发动机作为动力源，匹配电能存储单元，实现拖拉机作业过程电动化，但是对增程器发电+pto工况控制策略并没有深入研究，目前方案均通过配置一个驱动电机实现牵引行驶，额外配置一个pto电机或分动箱驱动机具作业，该方案虽解决了传统车型传动系的问题，但是因购置成本较高、能量转化率较低等因素，推广应用的并不顺利。

4、现有技术的拖拉机增程器主要聚焦于不同构型的增程式拖拉机，重点为整机结构层面和整机能量控制层面，方案均通过配置一个驱动电机实现牵引行驶，额外配置一个pto电机或分动箱驱动机具作业，对于pto的控制效果较差，整机的能量利用率较差，且缺乏对于pto的过载保护，影响方案的经济性与实用性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种带pto功能的增程器系统、控制方法及拖拉机，解决现有技术方案均通过配置一个驱动电机实现牵引行驶，额外配置一个pto电机或分动箱驱动机具作业，对于pto的控制效果较差，整机的能量利用率较差，且缺乏对于pto的过载保护的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种带pto功能的增程器系统，包括发动机和增程器控制器，所述发动机的一端串联有扭转减震器，所述扭转减震器的一端串联有发电机，所述发电机的一端串联有pto离合器，所述pto离合器的一端串联有pto变速器，所述增程器控制器同时电性连接有发动机控制器、发电机控制器和整车控制器，所述发动机控制器与所述发动机电性连接，所述发电机控制器与所述发电机电性连接，所述整车控制器同时与所述pto离合器和pto变速器电性连接。

4、进一步的，还包括储能元件，所述发电机的一端串联有驱动电机，所述驱动电机的一端串联有减速器，所述减速器的一端串联有后桥，所述后桥的一端与所述pto离合器的一端串联，所述储能元件同时与所述整车控制器、所述发电机控制器和电机控制器电性连接，所述电机控制器与所述驱动电机电性连接。

5、进一步的，还包括前桥，所述前桥与所述减速器通过传动轴串联连接，所述pto变速器的一端可拆卸连接有机具。

6、第二方面，本发明提供了一种带pto功能的增程器控制方法，基于第一方面所述的带pto功能的增程器系统，所述步骤包括：

7、步骤a：驾驶员切换pto系统档位，并按下pto系统按键，增程器控制器根据各系统反馈状态判断是否进入pto系统模式；

8、步骤b：整车控制器向增程器控制器转发pto系统结合请求，增程器控制器判断进入pto系统模式后，控制发动机控制器降速至怠速、发电机控制器执行清扭；

9、步骤c：增程器控制器将当前发电机转速和pto系统输出转速反馈至整车控制器，整车控制器判断发电机转速和pto系统输出转速达到预设值后，控制pto比例阀结合pto离合器，并判断pto离合器的实际结合状态；

10、步骤d：驾驶员推动手油门，响应于手油门开度信号，整车控制器根据手油门开度信号将对应的目标转速发送至增程器控制器，增程器控制器根据pto离合器状态和pto系统档位状态判断是否调速使能，若是，则增程器控制器根据整车控制器的目标转速请求发动机控制器执行，增程器控制器根据整车控制器的目标转速与发动机控制器的实际转速进行差值计算，以获取速差，并校验发动机实际扭矩百分比；

11、步骤e：将实际扭矩百分比和速差分别与各自的预设阈值进行比较，根据比较结果计算目标扭矩，并控制发电机控制器执行目标扭矩，增程器控制器根据实际转速和目标扭矩计算实际电功率，并将实际电功率发送至整车控制器；

12、步骤f：驾驶员按下pto系统打开按键，响应于pto系统打开按键信号，整车控制器向增程器控制器转发零功率与怠速请求，增程器控制器解析整车控制器的请求后，控制发动机控制器降速至怠速、发电机控制器执行清扭，并实时反馈当前转速和发电功率给整车控制器，整车控制器判断转速和发电功率符合设定阈值后，控制pto离合器打开，提示驾驶员控制pto系统摘挡，增程器控制器退出pto系统模式。

13、进一步的，所述步骤a的增程器控制器根据各系统反馈状态判断是否进入pto系统模式，具体包括：

14、各系统反馈状态包括pto系统档位状态、pto系统按键状态、增程器状态、pto系统故障状态；

15、其中，当增程器控制器同时判断pto系统档位处于非空档状态、pto系统按键处于按下状态、增程器处于启动状态、pto系统故障状态为正常时，进入pto系统模式，否则禁止进入。

16、进一步的，所述步骤b还包括：

17、增程器控制器在检测到pto系统按键按下后，且pto离合器未完成结合前，禁止发动机和发电机使能。

18、进一步的，所述步骤c的判断pto离合器的实际结合状态，具体包括：

19、整车控制器根据发电机转速、pto系统输出转速、pto系统档位及速比，判断pto离合器的实际结合状态。

20、进一步的，所述步骤e的将实际扭矩百分比和速差分别与各自的预设阈值进行比较，根据比较结果计算目标扭矩，具体包括：

21、获取外特性扭矩；

22、当实际扭矩百分比第一预设阈值，或速差第二预设阈值时，根据扭矩百分比查表，获取pto系统扭矩分配限值，根据外特性扭矩和pto系统扭矩分配限值计算当前转速下pto系统允许发电扭矩，将其作为目标扭矩，对pto系统模式下发电扭矩进行限制；

23、采用下式计算pto系统允许发电扭矩：

24、

25、式中：为pto系统扭矩分配限值；为外特性扭矩；

26、当实际扭矩百分比第一预设阈值，且时，根据速差进行查表，获取正扭矩，将其作为目标扭矩，并控制发电机输出正扭矩，对pto系统进行扭矩补偿；

27、当实际扭矩百分比第一预设阈值，且速差第三预设阈值时，增程器控制器发送请求pto离合器打开指令至整车控制器，避免发动机熄火。

28、进一步的，所述计算当前转速下pto系统允许发电扭矩，将其作为目标扭矩，还包括：

29、获取整车需求功率、电池状态和发动机当前转速；

30、通过下式计算许用发电功率：

31、

32、式中，为发动机当前转速；

33、通过下式计算经济发电功率：

34、

35、式中：为最佳比油耗点对应扭矩，根据发动机当前转速查表获取；为实际扭矩百分比；为参考扭矩；

36、根据整车需求功率、电池状态、许用发电功率和经济发电功率，计算需求发电功率；

37、将许用发电功率、经济发电功率和需求发电功率进行比较，取其中的最小值为目标功率；

38、根据目标功率和目标转速，计算目标扭矩。

39、第三方面，本发明还提供了一种拖拉机，包括第一方面所述的带pto功能的增程器系统。

40、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

41、1、该带pto功能的增程器系统，不仅可以完成常规的发电功能，还可通过发动机的曲轴和发电机的电机轴向pto系统及机具提供动力输出；

42、2、该带pto功能的增程器控制方法，rcu在响应整车控制器发电功率请求的同时，还可响应整车控制器的pto转速请求；

43、3、该带pto功能的增程器控制方法，可以对于pto系统扭矩分配限值进行限定，从而对pto系统储备扭矩进行强制分配，保证满足现有农用机械强制标准；本发明可通过对发动机的实际扭矩进行计算，预防pto系统过载；

44、4、本发明可通过限制发电扭矩、发电机正扭矩补偿、请求pto离合器打开等策略进行pto系统过载保护；本发明还可通过调节发电机的发电扭矩对系统扭矩进行补偿，以达到系统能耗最佳点，提高了整机的能量利用率、续航时间，同时减少废气排放。