一种插电式混合动力汽车系统及其能量控制方法与流程

本发明涉及混合动力汽车技术领域，尤其涉及一种插电式混合动力汽车系统及其能量控制方法。

背景技术：

插电式混合动力汽车(phev)是一种介于混合动力和纯电动之间的车型，其同时具有传统混合动力汽车(hev)和纯电动汽车(bev)的优点。与hev相比，phev搭载更大容量的动力电池，而且可以实现外接电源充电，在城市道路工况或者时速较低等情况下完全可以以纯电动行驶，此阶段车辆行驶拥有零排放、节能环保等特点；在动力电池荷电状态较低或者电机峰值功率无法达到整车需求功率的行驶状态下，车辆依靠整车控制器自动起动发动机并辅助电机输出动力，具备整车性能较好和续驶里程长的特点。

phev能量管理方法的目标是充分利用车载动力电池电量，行程结束时消耗到预设的荷电状态阈值，从而取代燃油消耗。但是现实中phev能量管理方法的制定存在两方面问题：一方面，过分的电量消耗可能会导致汽车系统的高电气损耗，影响整车的能量使用效率，即需要消耗更多的能量。另一方面，车辆电量消耗不充分可能无法获得预先设计的燃油取代功能，车载储能系统的能力远没有达到可利用的极限。因此，如何在phev的应用中获得优化的电量消耗模式是控制的根本问题之一。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种插电式混合动力汽车系统及其能量控制方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种插电式混合动力汽车系统，包括发动机、第一至第二轮毂电机、动力电池、isg起动发电一体机、离合器、变速器、逆变器、前桥半轴、前轴主减速器、差速器和控制模块；

所述第一轮毂电机、第二轮毂电机的输出端分别和汽车的两个后轮机械连接；

所述动力电池通过逆变器与所述isg起动发电一体机、第一轮毂电机、第二轮毂电机电气相连；

所述isg起动发电一体机用于起动所述发动机、或给所述动力电池充电；

所述动力电池用于给所述第一轮毂电机、第二轮毂电机供电，并在发动机起动时给所述isg起动发电一体机供电；

所述前轴主减速器-差速器的输出端通过前桥半轴和汽车的两个前轮相连，前轴主减速器-差速器的输入端依次通过所述变速器、离合器、isg起动发电一体机和所述发动机的输出端机械连接；

所述控制模块分别和第一轮毂电机、第二轮毂电机、动力电池、发动机、isg起动发电一体机电气相连。

作为本发明一种插电式混合动力汽车系统进一步的优化方案，所述控制模块包含主控制单元、轮毂电机控制单元、动力电池控制单元和发动机控制单元；

所述主控制单元分别和所述轮毂电机控制单元、动力电池控制单元、发动机控制单元、isg起动发电一体机电气相连；

所述轮毂电机控制单元还分别和所述第一轮毂电机、第二轮毂电机电气相连，用于根据主控制单元的指令控制所述第一轮毂电机、第二轮毂电机工作；

所述动力电池控制单元还和所述动力电池电气相连，用于根据主控制单元的指令控制所述动力电池工作；

所述发动机控制单元还和所述发动机电气相连，用于根据主控制单元的指令控制所述发动机工作。

本发明还公开了一种基于该插电式混合动力汽车系统的能量控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，获取汽车的整车需求转矩treq、动力电池的荷电状态soc和车速v，并将其传递给控制模块；令soclo、sochi分别为预先设定的荷电状态最小值、荷电状态最大值，vmin为预设的模式切换车速；

步骤2)，控制模块将treq和0进行比较、将soc分别和soclo、sochi进行比较、将v和vmin进行比较；

步骤3)，当treq<0andsoc<sochi时，说明当前汽车处于制动状态，采用再生制动模式：控制模块控制发动机、第一轮毂电机、第二轮毂电机处于关闭状态，并控制isg起动发电一体机进行发电，将电能储存至动力电池中；

步骤4)，当treq<0andsoc≥sochi时，说明汽车当前处于制动状态，采用摩擦制动模式：控制模块控制isg起动发电一体机起动发动机并停止发电工作，控制第一轮毂电机、第二轮毂电机处于关闭状态，控制动力电池不再接受制动能量回收；

步骤5)，treq>0andsoc<soclo时，说明汽车当前处于驱动的状态，且电池电量不足，需要立即充电，采用充电模式：控制模块控制第一轮毂电机、第二轮毂电机处于关闭状态，此外，先控制isg起动发电一体机起动发动机以驱动汽车的两个前轮，然后控制isg起动发电一体机给动力电池充电；

步骤6)，treq>0andsoc>socloandv<vmin，表明汽车当前处于驱动状态，且速度没有达到预设的模式切换车速，仅仅依靠动力电池提供动力，采用纯电动模式：发动机处于关闭状态，控制模块控制动力电池工作，动力电池经过逆变器向第一轮毂电机、第二轮毂电机输送电流，使得第一轮毂电机、第二轮毂电机驱动车辆；

步骤7)，treq>0andsoc>socloandv>vmin时，汽车处于驱动状态，且速度达到预设的模式切换车速，采用混合驱动模式：控制模块控制动力电池为第一轮毂电机、第二轮毂电机提供动力，同时控制isg起动发电一体机起动发动机以驱动汽车的两个前轮，且控制模块采用模糊控制对动力电池和发动机提供的能量进行具体分配。

作为本发明一种插电式混合动力汽车系统的能量控制方法进一步的优化方案，所述步骤7)中控制模块根据预设的模糊控制器来进行模糊控制，所述模糊控制器的建立步骤如下；

步骤7.1)，选取动力电池soc和整车需求转矩treq作为模糊控制器的输入参数、发动机输出转矩tout作为模糊控制器的输出参数；

步骤7.2)，量化模糊控制器的输入参数和输出参数，将模糊控制器的输入参数、输出参数均模糊量化到[1,9]范围内：

设置treq、soc、tout的9个模糊子集{ng，nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，pg}，所述9个模糊子集按照从小到大的顺序排列，论域均为[1，9]；

步骤7.3)，对treq、soc、tout的九个模糊子集选取隶属度函数，其中，ng、pg选用梯形隶属度函数，nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb均使用三角形隶属度函数，使用选取的隶属度函数实现treq、soc和tout的模糊化，解模糊方法采用质心法；

步骤7.4)，基于专家经验法建立模糊控制规则库，并利用粒子群优化算法对模糊规则进行优化。

作为本发明一种插电式混合动力汽车系统的能量控制方法进一步的优化方案，步骤7.4)所述粒子群优化算法对模糊规则进行优化的具体步骤如下：

步骤7.4.1)，采用整数编码的方式对模糊规则进行编码，模糊控制器选择模糊控制规则为9×9＝81条，这里需要优化的模糊规则由81个[1，9]范围内的整数代表；

步骤7.4.2)，建立优化目标函数：

j＝ω1∫fc(t)dt+ω2∫co(t)dt+ω3∫nox(t)dt+ω4∫hc(t)dt

式中，fc代表油耗；co、nox和hc代表排放值；ω1、ω2、ω3和ω4分别代表预设的油耗、co、nox和hc排放值的权值；

步骤7.4.3)，设立优化的约束条件：

式中，pb(t)为动力电池的输出功率；pb,min(t)为动力电池的输出的最小功率；pb,max(t)为动力电池的输出的最大功率；pe(t)为电机的输出功率；pe,min(t)为电机的输出的最小功率；pe,max(t)为电机的输出的最大功率；peng(t)为发动机的输出功率；peng,max(t)为发动机的输出最大功率；

步骤7.4.4)，在约束条件限定的范围内求解优化目标函数的最小值，得到最优的模糊规则。

该插电式混合动力系统以两个轮毂电机提供纯电动驱动，发动机前置前驱；纯电动模式行驶时动力由两后轮中的轮毂电机提供，使用轮毂电机进而取消了两后轮之间的机械连接，为布置动力电池提供了合适的空间；混合动力模式行驶时动力由前置发动机和后轮轮毂电机提供，两动力源的合成不需机械动力耦合装置；车辆制动或者动力电池电量较低时，打开isg起动发电一体机为动力电池充电，起到制动能量回收的功能。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明提供了一种插电式混合动力汽车系统，为插电式混合动力系统提供了更加灵活多样的布置形式；提供一种能量管理方法，可以显著改善汽车的燃油经济性和排放性。

附图说明

图1为本发明提出的一种插电式混合动力汽车系统结构图；

图2为模糊控制器结构图；

图3为粒子群算法优化模糊控制流程图。

图中，1-后轮、2-第一轮毂电机、3-轮毂电机控制单元、4-主控制单元、5-发动机控制单元、6-电缆、7-发动机、8-isg起动发电一体机、9-变速器、10-前轴主减速器-差速器、11-前桥半轴、12-前轮、13-第二轮毂电机、14-离合器、15逆变器、16-动力电池控制单元、17-动力电池。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明公开了一种插电式混合动力汽车系统，包括发动机、第一至第二轮毂电机、动力电池、isg起动发电一体机、离合器、变速器、逆变器、前桥半轴、前轴主减速器、差速器和控制模块；

所述第一轮毂电机、第二轮毂电机的输出端分别和汽车的两个后轮机械连接；

所述动力电池通过逆变器与所述isg起动发电一体机、第一轮毂电机、第二轮毂电机电气相连；

所述isg起动发电一体机用于起动所述发动机、或给所述动力电池充电；

所述动力电池用于给所述第一轮毂电机、第二轮毂电机供电，并在发动机起动时给所述isg起动发电一体机供电；

所述前轴主减速器-差速器的输出端通过前桥半轴和汽车的两个前轮相连，前轴主减速器-差速器的输入端依次通过所述变速器、离合器、isg起动发电一体机和所述发动机的输出端机械连接；

所述控制模块分别和第一轮毂电机、第二轮毂电机、动力电池、发动机、isg起动发电一体机电气相连。

所述控制模块包含主控制单元、轮毂电机控制单元、动力电池控制单元和发动机控制单元；

所述主控制单元分别和所述轮毂电机控制单元、动力电池控制单元、发动机控制单元、isg起动发电一体机电气相连；

所述轮毂电机控制单元还分别和所述第一轮毂电机、第二轮毂电机电气相连，用于根据主控制单元的指令控制所述第一轮毂电机、第二轮毂电机工作；

所述动力电池控制单元还和所述动力电池电气相连，用于根据主控制单元的指令控制所述动力电池工作；

所述发动机控制单元还和所述发动机电气相连，用于根据主控制单元的指令控制所述发动机工作。

本发明还公开了一种基于该插电式混合动力汽车系统的能量控制方法，包含以下步骤：

步骤1)，获取汽车的整车需求转矩treq、动力电池的荷电状态soc和车速v，并将其传递给控制模块；令soclo、sochi分别为预先设定的荷电状态最小值、荷电状态最大值，vmin为预设的模式切换车速；

步骤2)，控制模块将treq和0进行比较、将soc分别和soclo、sochi进行比较、将v和vmin进行比较；

步骤3)，当treq<0andsoc<sochi时，说明当前汽车处于制动状态，采用再生制动模式：控制模块控制发动机、第一轮毂电机、第二轮毂电机处于关闭状态，并控制isg起动发电一体机进行发电，将电能储存至动力电池中；

步骤4)，当treq<0andsoc≥sochi时，说明汽车当前处于制动状态，采用摩擦制动模式：控制模块控制isg起动发电一体机起动发动机并停止发电工作，控制第一轮毂电机、第二轮毂电机处于关闭状态，控制动力电池不再接受制动能量回收；

步骤5)，treq>0andsoc<soclo时，说明汽车当前处于驱动的状态，且电池电量不足，需要立即充电，采用充电模式：控制模块控制第一轮毂电机、第二轮毂电机处于关闭状态，此外，先控制isg起动发电一体机起动发动机以驱动汽车的两个前轮，然后控制isg起动发电一体机给动力电池充电；

步骤6)，treq>0andsoc>socloandv<vmin，表明汽车当前处于驱动状态，且速度没有达到预设的模式切换车速，仅仅依靠动力电池提供动力，采用纯电动模式：发动机处于关闭状态，控制模块控制动力电池工作，动力电池经过逆变器向第一轮毂电机、第二轮毂电机输送电流，使得第一轮毂电机、第二轮毂电机驱动车辆；

步骤7)，treq>0andsoc>socloandv>vmin时，汽车处于驱动状态，且速度达到预设的模式切换车速，采用混合驱动模式：控制模块控制动力电池为第一轮毂电机、第二轮毂电机提供动力，同时控制isg起动发电一体机起动发动机以驱动汽车的两个前轮，且控制模块采用模糊控制对动力电池和发动机提供的能量进行具体分配。

如图2所示，所述步骤7)中控制模块根据预设的模糊控制器来进行模糊控制，所述模糊控制器的建立步骤如下；

步骤7.1)，选取动力电池soc和整车需求转矩treq作为模糊控制器的输入参数、发动机输出转矩tout作为模糊控制器的输出参数；

步骤7.2)，量化模糊控制器的输入参数和输出参数，将模糊控制器的输入参数、输出参数均模糊量化到[1,9]范围内：

设置treq、soc、tout的9个模糊子集{ng，nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，pg}，所述9个模糊子集按照从小到大的顺序排列，论域均为[1，9]；

步骤7.3)，对treq、soc、tout的九个模糊子集选取隶属度函数，其中，ng、pg选用梯形隶属度函数，nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb均使用三角形隶属度函数，使用选取的隶属度函数实现treq、soc和tout的模糊化，解模糊方法采用质心法；

步骤7.4)，基于专家经验法建立模糊控制规则库，并利用粒子群优化算法对模糊规则进行优化。

如图3所示，步骤7.4)所述粒子群优化算法对模糊规则进行优化的具体步骤如下：

步骤7.4.1)，采用整数编码的方式对模糊规则进行编码，模糊控制器选择模糊控制规则为9×9＝81条，这里需要优化的模糊规则由81个[1，9]范围内的整数代表；

步骤7.4.2)，建立优化目标函数：

j＝ω1∫fc(t)dt+ω2∫co(t)dt+ω3∫nox(t)dt+ω4∫hc(t)dt

式中，fc代表油耗；co、nox和hc代表排放值；ω1、ω2、ω3和ω4分别代表预设的油耗、co、nox和hc排放值的权值；

步骤7.4.3)，设立优化的约束条件：

式中，pb(t)为动力电池的输出功率；pb,min(t)为动力电池的输出的最小功率；pb,max(t)为动力电池的输出的最大功率；pe(t)为电机的输出功率；pe,min(t)为电机的输出的最小功率；pe,max(t)为电机的输出的最大功率；peng(t)为发动机的输出功率；peng,max(t)为发动机的输出最大功率；

步骤7.4.4)，在约束条件限定的范围内求解优化目标函数的最小值，得到最优的模糊规则。

treq在论域[5，9]，soc在论域[5，9]时，模糊控制器控制发动机输出最优的发动机转矩，同时控制动力电池提供其余的能量；

treq在论域[5，9]，soc在论域[1，5]时，模糊控制器控制发动机提供主要的能量，控制动力电池提供辅助能量；

treq在论域[1，5]，soc在论域[5，9]时，模糊控制器控制动力电池提供主要的能量，控制发动机提供辅助能量；

treq在论域[1，5]，soc在论域[1，5]时，模糊控制器控制发动机输出最优的发动机转矩，控制动力电池提供辅助能量。

模糊控制规则的设计原则是，在行驶里程结束时，动力电池能量尽量消耗到比较低的状态，以实现车载储能系统的利用极限；过程中根据行驶工况合理分配发动机转矩和电机转矩，尽量减小整车油耗和排放。

能量管理方法的主要设计原则是在给定的行驶工况、出行里程和约束条件下实现动力电池能量的充分利用和燃油经济性的最佳，因此，将燃油消耗作为最为主要的优化目标，同时考虑尾气排放，将co、nox和hc的排放量也作为优化目标，并设置相应的权值来明确不同优化目标的重要程度。

优化目标就是在满足约束条件式的前提下，使该适应度函数最小。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。