一种串联式混合动力拖拉机的定速巡航控制系统和方法与流程

1.本发明属于混合动力拖拉机驱动控制领域，具体涉及一种串联式混合动力拖拉机的定速巡航控制系统和方法。


背景技术：

2.拖拉机是农业机械化生产中的重要工具，传统的内燃机驱动拖拉机需要几十个不同挡位来满足不同的拖拉机运行工况的动力的需求。串联式混合动力拖拉机采用电动机进行驱动，电动机的负荷转速曲线可以通过2挡位就可满足绝大多数拖拉机作业工况，减轻了驾驶员的换挡负担，有利于精细化耕作。为进一步减轻驾驶员在拖拉机田间工作时以恒定速度进行犁地或其它作业的工作负担，串联式混合动力拖拉机实现定速巡航的功能尤为重要。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种串联式混合动力拖拉机的定速巡航控制系统和方法，能够通过定速巡航提高拖拉机作业效率，减轻驾驶员的驾驶强度，且在定速巡航状态下能够进行动力换向，便于拖拉机在作业过程中调头。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种串联式混合动力拖拉机的定速巡航控制系统，包括串联的发动机、发电机和电动机，所述发电机的输出端连接动力电池组，所述电动机的输出端连接拖拉机传动系统，还包括显示系统、整车控制器和驾驶员操作系统。
5.所述发动机、发电机、电动机和动力电池组分别由发动机管理系统ems、发电机控制器gcu、电动机控制器mcu和电池管理系统bmc控制，所述传动系统包括依次连接的二挡变速箱、后桥及车轮，用于将电动机的动力传输至车轮；所述的驾驶员操作系统包括巡航开关组、加速踏板、制动踏板、换挡开关和方向开关；驾驶员通过操作驾驶员操作系统实现拖拉机的定速巡航；所述显示系统通过can总线分别与发动机管理系统ems、发电机控制器gcu、电动机控制器mcu和电池管理系统bmc连接进行数据交互，用于显示拖拉机的行驶状态信息；所述整车控制器通过can总线与发动机管理系统ems、发电机控制器gcu、电动机控制器mcu和电池管理系统bmc连接获取数据信息，并发送相关控制指令；整车控制器还通过硬线连接驾驶员操作系统和变速箱，获取驾驶员的操作信息，执行定速巡航状态的判定、定速巡航速度的设定和定速巡航动力输出的控制。
6.所述巡航开关组包括巡航使能开关、巡航速度增加开关和巡航速度减小开关；方向开关包括前进开关、空挡开关和后退开关。
7.一种串联式混合动力拖拉机的定速巡航控制方法，具体包括：整车控制器获取拖拉机运行信息，判断能否进入定速巡航状态；
若运行信息满足预设的定速巡航条件，则激活巡航使能开关进入定速巡航状态，以当前的车速为巡航速度；若不满足，则以加速踏板开度控制拖拉机行驶速度；处于定速巡航状态时，整车控制器接收来自驾驶员操作系统的操作触发信号，进行巡航速度的调整、巡航速度的复位、以及定速巡航状态的退出；在定速巡航状态下启动动力换向，拖拉机仍保持定速巡航激活状态，使拖拉机在动力换向后以相反的方向继续进行定速巡航，便于拖拉机在作业过程中调头。
8.进一步地，所述定速巡航条件指同时满足能源系统运行正常、变速箱非空挡、当前行驶速度大于定速巡航速度最小阈值、制动开关无效和当前行驶方向为前进方向。
9.进一步地，拖拉机处于定速巡航状态时，整车控制器判断存在以下任一种情况退出定速巡航状态：巡航使能开关未激活、制动开关有效、变速箱挡位为空挡、方向开关为空挡、传动系统故障，整车控制器记录本次定速巡航使用的挡位和巡航速度，在定速巡航复位操作时应用。
10.进一步地，拖拉机处于定速巡航状态时，驾驶员同时按下巡航速度增加开关和巡航速度减小开关进行巡航速度的复位操作，若当前档位与上次定速巡航使用的档位一致，则将目标巡航速度设定为上次的巡航速度，否则退出定速巡航状态。
11.进一步地，所述定速巡航状态的退出包括完全退出和非完全退出两种模式，所述完全退出通过关闭巡航使能开关实现；非完全退出通过以下任一种方式实现：踩制动踏板、变更变速箱挡位、方向开关处于空挡；非完全退出模式下，巡航使能开关仍处于激活状态，便于进行巡航速度的复位操作。
12.进一步地，拖拉机处于定速巡航状态时，巡航速度的调整方式为：按下巡航速度增加开关或巡航速度减小开关分别控制巡航速度的增加或减小；整车控制器设置有当前档位下的最高巡航速度和最低巡航速度，若调整的目标巡航速度高于最高巡航速度，整车控制器使用最高巡航速度进行定速巡航，若调整的目标巡航速度小于最低巡航速度，整车控制器使用最低巡航速度进行定速巡航。
13.进一步地，拖拉机处于定速巡航状态时，整车控制器根据不同的运行档位设置相应档位下的巡航速度增减单位。
14.进一步地，拖拉机处于定速巡航状态，当踩下加速踏板使其请求的行驶速度大于当前的巡航速度时，整车控制器根据加速踏板的请求信号快速增加行驶速度。
15.进一步地，拖拉机在定速巡航状态下的动力换向过程为：巡航速度小于20km/h，方向开关转换方向时，整车控制器通过向电动机请求反向的转矩快速将车速减小到0km/h，同时整车控制器控制停止发电机使能，之后整车控制器向电动机请求转速模式，并以限制转矩进行转矩输出，将电动机的转速提升到定速巡航的转速。
16.在串联式混合动力拖拉机进入到定速巡航状态后，整车控制器将请求电动机以转速控制的方式，将电动机的转速控制在请求定速巡航车速对应的电动机转速；整车控制器将设置电动机的最大和最低输出转矩，确保电动机不长时间处于超载状态，保证系统安全。
17.采用以上技术方案，本发明可达到以下有益效果：1.本控制系统简化系统硬件，不再需要内燃机拖拉机的手油门进行发动机的负荷控制，仅通过一个或几个按键开关即可实现固定车速行驶，在负荷突然降低或负荷增加的情况下仍可保持车速。
18.2.本技术的定速巡航控制系统和控制方法可以与拖拉机的动力换向技术结合，快速的完成拖拉机在田间地头的调头操作，驾驶员可以在不进行加速踏板和制动踏板操作的情况下，实现快速换向，提高作业效率，降低驾驶强度。
19.3.本技术能够实现拖拉机在行驶到特定车速后，驾驶员不踩加速踏板时维持当前行驶车速，并可根据特定的条件退出定速巡航；降低了现有技术中驾驶员维持车速的操作复杂程度，有利于减少驾驶员的工作负荷，保证田地的耕种质量。
附图说明
20.图1为本技术定速巡航控制系统的构成框图；图2为本技术定速巡航状态判断和巡航速度设定的控制流程图；图3为本技术巡航速度增加或减少的控制流程图；图4为本技术定速巡航状态下电动机的控制流程图；图5为本技术定速巡航状态下动力换向过程中的控制流程图。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
22.如图1所示，本实施例提供一种串联式混合动力拖拉机的定速巡航控制系统，包括整车控制器（vcu）、发动机、发电机、电动机、动力电池组、传动系统、显示系统和驾驶员操作系统。所述发动机、发电机和电动机串联设置，发电机的输出端连接动力电池组，电动机的输出端连接拖拉机传动系统，所述传动系统包括依次连接的二挡变速箱、后桥及车轮，用于将电动机的动力传输至车轮，实现车辆运行。
23.该控制系统采用分布式控制系统，所述发动机、发电机、电动机和动力电池组分别由发动机管理系统ems、发电机控制器gcu、电动机控制器mcu和电池管理系统bmc控制。上述各个主要模块的控制单元通过can总线进行数据传输。所述的发动机、发电机和动力电池组和其对应的管理系统，组成串联式混合动力了拖拉机定速巡航控制系统中的能源系统。
24.所述的驾驶员操作系统包括巡航开关组、加速踏板、制动踏板、换挡开关和方向开关；驾驶员通过操作驾驶员操作系统实现拖拉机的定速巡航。
25.所述显示系统通过can总线分别与发动机管理系统ems、发电机控制器gcu、电动机控制器mcu和电池管理系统bmc连接进行数据交互，用于显示拖拉机的行驶状态信息。
26.所述整车控制器（vcu）通过can总线与发动机管理系统ems、发电机控制器gcu、电动机控制器mcu和电池管理系统bmc连接获取数据信息，并发送相关控制指令；整车控制器（vcu）通过硬线连接驾驶员操作系统和变速箱，获取驾驶员的操作信息，执行定速巡航状态的判定、定速巡航速度的设定和定速巡航动力输出的控制。整车控制器（vcu）通过获取can总线和连接的硬线数据对定速巡航进行控制。
27.具体地，所述整车控制器（vcu）作为整个控制系统的主控单元，负责整车状态的检测和定速巡航算法的实现。整车控制器（vcu）可获取驾驶员操作系统中的相关信号的信号值，并向其它的控制单元发送控制指令或整车状态数据，以及控制变速箱的挡位并获取当前挡位信息。整车控制器（vcu）通过can总线获取各个相关控制单元的数据，并根据其它控制单元的状态实现对发电机发电量、电动机转矩转速等控制。
28.整车控制器（vcu）通过硬线与巡航开关组连接，巡航开关组包含：巡航使能开关、巡航速度增加开关和巡航速度减小开关。驾驶员可以通过本组按钮实现定速巡航状态的激活、巡航速度增减、巡航速度的复位等操作。
29.整车控制器（vcu）通过硬线与加速踏板和制动踏板连接。通过获取加速踏板开度控制电动机输出转矩和转速；通过获取制动踏板开度对车辆进行制动，进而停止电动机驱动和发电机发电。
30.整车控制器（vcu）通过硬线与行驶方向开关和换挡开关连接。方向开关包括前进开关、空挡开关和后退开关。通过方向开关可以设定当前运行的方向、停机或者动力换向等操作；通过换挡开关更换变速箱的挡位，并可通过特殊操作实现空挡。
31.进一步地，所述的发动机受发动机管理系统ems控制，主要处理发动机相关信号，将发动机转速、转矩等信号通过can总线提供给整车控制器（vcu），并响应整车控制器（vcu）的转速和转矩请求指令。
32.所述的发电机受发电机控制器gcu控制，主要输出高压电流和电压。发电机控制器响应整车控制器（vcu）的转矩请求，控制发电机的输出电压和输出电流，为后续的动力电池组和电动机工作提供能量。
33.所述的电动机受电动机控制器mcu控制，电动机驱动后续的传动系统使车辆运行。电动机控制器mcu用于响应整车控制器（vcu）的转矩请求，驱动拖拉机进行前进或后退驱动。
34.所述的动力电池组受电池管理系统bms控制，主要为拖拉机的加速或减速过程提供瞬时的能量补充。电池管理系统bms响应整车控制器（vcu）的动力电池组通断请求。所述的显示系统通过can总线显示整车控制器（vcu）、发动机管理系统ems、电池管理系统bms、发电机控制器gcu、电动机控制器mcu提供的相关信息，驾驶员可通过该系统获取车辆是否处于巡航状态、巡航车速等行驶状态信息。
35.本实施例同时提供一种串联式混合动力拖拉机的定速巡航控制方法，在拖拉机驾驶员进行作业时，需要进行恒定车速运行时可以激活定速巡航开关，整车控制器（vcu）根据发动机、动力电池组、发电机、电动机、加速踏板、制动踏板、变速箱挡位等信息判断是否可以进入定速巡航状态。如果拖拉机当前的运行状态不满足定速巡航条件，则拖拉机不能进入定速巡航，以避免造成安全问题或者造成串联式混合动力拖拉机自身出现严重故障。如果拖拉机当前的运行状态满足定速巡航的设置条件，启动巡航使能开关，整车控制器（vcu）将获取巡航使能开关激活时刻的车速进行定速巡航；在驾驶员松开加速踏板或加速踏板的请求无法满足定速巡航车速后，整车控制器（vcu）将控制电动机继续以巡航速度运行。
36.本实施例中，串联式混合动力拖拉机定速巡航的控制方法主要包括四个控制流程，具体为：定速巡航状态判断和巡航速度设定、巡航速度调整、电动机控制和动力换向过程的控制，分别如图2、图3、图4和图5所示。下面结合附图对4种控制流程做详细介绍。
37.如图2所示，串联式混合动力拖拉机进入定速巡航状态和退出定速巡航状态的方法包括：当驾驶员驾驶串联式混合动力拖拉机进行作业时，行驶到某一速度需要进行定速巡航时，整车控制器（vcu）首先需要获取能源系统状态，判断能源系统功能是否正常，若能源系统不能正常工作时，不进行定速巡航设定；若能源系统正常工作，整车控制器（vcu）将
会判断当前的驱动状态是否为定速巡航状态。如果为非定速巡航状态，开始进入定速巡航状态判断流程，如果为定速巡航状态则进入退出定速巡航判断流程。
38.整车控制器（vcu）根据获取的当前定速巡航状态是否有效、当前的巡航使能开关状态、当前行驶速度、制动开关状态、行驶方向状态等信息判断是否设定巡航状态有效。
39.如果拖拉机未处于定速巡航状态，并且巡航使能开关处于非激活状态，驾驶状态如果同时满足：变速箱非空挡、当前行驶速度大于定速巡航速度最小阈值、制动开关无效、当前行驶方向为前进方向，此时驾驶员激活巡航使能开关，则串联式混合动力拖拉机进入到定速巡航状态，并设置当前的拖拉机行驶速度为巡航速度。如果有任意一个条件没有满足，则不允许进入定速巡航状态。
40.如果拖拉机未处于定速巡航状态，但巡航使能开关处于激活状态，若当前变速箱挡位与上次定速巡航时的挡位相同，驾驶员可以同时按下巡航速度增加开关和巡航速度减小开关组合按键复位之前的定速巡航状态，此时设置的目标巡航速度为上次的巡航速度，也即直接采用上次的巡航速度进行定速巡航，并设置定速巡航状态有效；若当前变速箱挡位与上次定速巡航时的挡位不同，则退出本次定速巡航状态判断流程。
41.如果拖拉机处于定速巡航状态，驾驶员需要退出巡航状态可以通过以下任意一种方式实现：关闭巡航使能开关、踩踏制动踏板使制动开关有效、将变速箱置于空挡、设置方向开关为空挡。如果传动系统出现故障，同样将退出定速巡航状态。退出定速巡航后，整车控制器（vcu）将继续保存上次定速巡航使用的挡位和巡航速度，为定速巡航复位提供数据支持。
42.进一步地，定速巡航状态的退出包括完全退出和非完全退出两种模式，所述完全退出通过关闭巡航使能开关实现。非完全退出通过以下任一种方式实现：踩制动踏板、变更变速箱挡位、方向开关处于空挡。完全退出定速巡航后，驾驶员需要重新激活巡航使能开关才能再次进入定速巡航状态；非完全退出模式下，巡航使能开关仍处于激活状态，驾驶员可以通过同时按下巡航速度增加和巡航速度减少按键激活定速巡航状态，并恢复上一次的巡航车速。
43.非完全退出模式下，驾驶员在退出定速巡航状态后，如果需要再次以当前运行车速进行定速巡航，则必须先将巡航使能开关置于非激活状态后，再次激活巡航使能开关才能实现。
44.另外需要说明的是，本发明中的传动系统使用了二挡变速箱，在拖拉机定速巡航过程不进行挡位的转换。在激活定速巡航后，整车控制器将记录当前的行驶挡位，如果在行驶过程中出现了当前挡位和行驶挡位不符合的情况，系统将退出定速巡航状态。
45.在串联式混合动力拖拉机进入定速巡航状态后，驾驶员可根据图3所示进行巡航速度的调整。
46.如图3所示，拖拉机进入定速巡航状态后，驾驶员可以使用巡航速度增加开关和巡航速度减小开关调整巡航速度。整车控制器（vcu）设置有当前档位下的最高巡航速度和最低巡航速度，若调整的目标巡航速度高于最高巡航速度，整车控制器（vcu）使用最高巡航速度进行定速巡航；若调整的目标巡航速度小于最低巡航速度，整车控制器（vcu）使用最低巡航速度进行定速巡航。并且，整车控制器（vcu）根据不同的运行档位设置相应档位下的巡航速度增减单位。本实施例中，在田间作业模式下一个速度增减单位为0.5km/h，在道路运输
模式下一个速度增减单位为为1km/h。当然，整车控制器（vcu）也可以设置犁耕、旋耕、播种或者运输等不同工况模式下的车速，满足在田间作业时不同工况下最佳的拖拉机运行车速。
47.整车控制器（vcu）检测到一次巡航速度增加开关有效后，将根据当前的挡位增加一个速度单位，也即在田间作业模式下巡航速度提升0.5km/h，道路运输模式下巡航速度提升1km/h；当设置的目标巡航速度大于当前挡位下预设的最高巡航速度时，使用当前挡位的最高巡航速度进行定速巡航。整车控制器（vcu）检测到一次巡航速度减小开关有效后，将根据当前的挡位减小一个速度单位，也即在田间作业模式巡航速度减小0.5km/h，道路运输模式巡航速度减小1km/h；当设置的目标巡航速度小于当前档位下预设的最低巡航速度时，使用当前档位的最低巡航速度进行定速巡航。
48.本技术中，整车控制器（vcu）根据图4的流程进行电动机的控制。在进入定速巡航状态后，整车控制器（vcu）在以定速巡航方式驱动电动机时同时监测加速踏板开度，整车控制器（vcu）判断当前行驶速度是否小于设定的巡航速度，如果小于巡航速度则根据定速巡航的方式进行驱动行驶；如果加速踏板开度请求的行驶速度大于巡航速度，则以加速踏板请求为主进行电动机驱动，以保证车辆加速行驶；在巡航状态无效或当前的行驶速度大于设定的巡航速度时，同样以加速踏板开度控制驱动行驶，以满足相关的驱动行驶要求。
49.基于上述电动机的控制过程，当驾驶员需要快速增加行驶速度时，可操作加速踏板使其请求的行驶速度大于当前的巡航速度，整车控制器（vcu）将根据加速踏板的请求信号快速增加行驶速度。当加速踏板请求速度小于巡航速度时，整车控制器（vcu）将返回定速巡航状态的操作，以设定速度行驶。
50.当串联式混合动力拖拉机在定速巡航状态下在地头进行动力换向操作时，整车控制器（vcu）根据图5的流程进行电动机和发电机的控制。在串联式混合动力拖拉机在定速巡航行驶时，并且巡航速度小于20km/h的情况下，驾驶员快速拨动方向开关意图将拖拉机反向行驶时，整车控制器（vcu）通过向电动机请求反向的转矩使拖拉机快速将车速减小到0km/h。该过程中，由于电动机需要有反向转矩输出，因此会对动力电池组进行充电，故需要在动力换向开始时停止发电机的发电操作，以避免出现给电池组充电电流过大对电池组造成损害的情况。在拖拉机的速度减小到0km/h后，整车控制器（vcu）向电动机请求转速模式，并以限制转矩输出转矩的方式，快速平稳的将电动机的转速提升到定速巡航车速对应的电动机转速，使混合动力拖拉机完成定速巡航状态下的动力换向。本实施例中，整车控制器（vcu）设置了电动机的最大和最低输出转矩，确保电动机不长时间处于超载状态，保证系统安全。
51.该控制方法有利于驾驶员在田地尽头快速掉头重新进入田间作业。也就是说，在拖拉机前进状态下激活定速巡航后，进行动力换向操作，可以在后退状态下依然保持定速巡航激活状态，并使车辆以定速巡航（或者驾驶员配置）的车速后退，在通过动力换向从后退状态恢复到前进状态后，定速巡航依然处于激活状态。
52.拖拉机在作业过程中调头操作非常频繁，通过在定速巡航状态下进行动力换向，驾驶员仅通过操作换挡开关和转向机构即可完成拖拉机在田间调头，不用再额外进行制动踏板、加速踏板的操作，使拖拉机在作业过程中调头更加方便，有助于减少驾驶员的操作强度，提升工作效率。
53.最后应当说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的思路启示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权利保护范围之内。