本發(fā)明涉及混合動力汽車技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種插電式混合動力汽車系統(tǒng)及其能量控制方法。

背景技術(shù)：

插電式混合動力汽車(phev)是一種介于混合動力和純電動之間的車型，其同時具有傳統(tǒng)混合動力汽車(hev)和純電動汽車(bev)的優(yōu)點。與hev相比，phev搭載更大容量的動力電池，而且可以實現(xiàn)外接電源充電，在城市道路工況或者時速較低等情況下完全可以以純電動行駛，此階段車輛行駛擁有零排放、節(jié)能環(huán)保等特點；在動力電池荷電狀態(tài)較低或者電機峰值功率無法達到整車需求功率的行駛狀態(tài)下，車輛依靠整車控制器自動起動發(fā)動機并輔助電機輸出動力，具備整車性能較好和續(xù)駛里程長的特點。

phev能量管理方法的目標(biāo)是充分利用車載動力電池電量，行程結(jié)束時消耗到預(yù)設(shè)的荷電狀態(tài)閾值，從而取代燃油消耗。但是現(xiàn)實中phev能量管理方法的制定存在兩方面問題：一方面，過分的電量消耗可能會導(dǎo)致汽車系統(tǒng)的高電氣損耗，影響整車的能量使用效率，即需要消耗更多的能量。另一方面，車輛電量消耗不充分可能無法獲得預(yù)先設(shè)計的燃油取代功能，車載儲能系統(tǒng)的能力遠沒有達到可利用的極限。因此，如何在phev的應(yīng)用中獲得優(yōu)化的電量消耗模式是控制的根本問題之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種插電式混合動力汽車系統(tǒng)及其能量控制方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種插電式混合動力汽車系統(tǒng)，包括發(fā)動機、第一至第二輪轂電機、動力電池、isg起動發(fā)電一體機、離合器、變速器、逆變器、前橋半軸、前軸主減速器、差速器和控制模塊；

所述第一輪轂電機、第二輪轂電機的輸出端分別和汽車的兩個后輪機械連接；

所述動力電池通過逆變器與所述isg起動發(fā)電一體機、第一輪轂電機、第二輪轂電機電氣相連；

所述isg起動發(fā)電一體機用于起動所述發(fā)動機、或給所述動力電池充電；

所述動力電池用于給所述第一輪轂電機、第二輪轂電機供電，并在發(fā)動機起動時給所述isg起動發(fā)電一體機供電；

所述前軸主減速器-差速器的輸出端通過前橋半軸和汽車的兩個前輪相連，前軸主減速器-差速器的輸入端依次通過所述變速器、離合器、isg起動發(fā)電一體機和所述發(fā)動機的輸出端機械連接；

所述控制模塊分別和第一輪轂電機、第二輪轂電機、動力電池、發(fā)動機、isg起動發(fā)電一體機電氣相連。

作為本發(fā)明一種插電式混合動力汽車系統(tǒng)進一步的優(yōu)化方案，所述控制模塊包含主控制單元、輪轂電機控制單元、動力電池控制單元和發(fā)動機控制單元；

所述主控制單元分別和所述輪轂電機控制單元、動力電池控制單元、發(fā)動機控制單元、isg起動發(fā)電一體機電氣相連；

所述輪轂電機控制單元還分別和所述第一輪轂電機、第二輪轂電機電氣相連，用于根據(jù)主控制單元的指令控制所述第一輪轂電機、第二輪轂電機工作；

所述動力電池控制單元還和所述動力電池電氣相連，用于根據(jù)主控制單元的指令控制所述動力電池工作；

所述發(fā)動機控制單元還和所述發(fā)動機電氣相連，用于根據(jù)主控制單元的指令控制所述發(fā)動機工作。

本發(fā)明還公開了一種基于該插電式混合動力汽車系統(tǒng)的能量控制方法，包含以下步驟：

步驟1)，獲取汽車的整車需求轉(zhuǎn)矩treq、動力電池的荷電狀態(tài)soc和車速v，并將其傳遞給控制模塊；令soclo、sochi分別為預(yù)先設(shè)定的荷電狀態(tài)最小值、荷電狀態(tài)最大值，vmin為預(yù)設(shè)的模式切換車速；

步驟2)，控制模塊將treq和0進行比較、將soc分別和soclo、sochi進行比較、將v和vmin進行比較；

步驟3)，當(dāng)treq<0andsoc<sochi時，說明當(dāng)前汽車處于制動狀態(tài)，采用再生制動模式：控制模塊控制發(fā)動機、第一輪轂電機、第二輪轂電機處于關(guān)閉狀態(tài)，并控制isg起動發(fā)電一體機進行發(fā)電，將電能儲存至動力電池中；

步驟4)，當(dāng)treq<0andsoc≥sochi時，說明汽車當(dāng)前處于制動狀態(tài)，采用摩擦制動模式：控制模塊控制isg起動發(fā)電一體機起動發(fā)動機并停止發(fā)電工作，控制第一輪轂電機、第二輪轂電機處于關(guān)閉狀態(tài)，控制動力電池不再接受制動能量回收；

步驟5)，treq>0andsoc<soclo時，說明汽車當(dāng)前處于驅(qū)動的狀態(tài)，且電池電量不足，需要立即充電，采用充電模式：控制模塊控制第一輪轂電機、第二輪轂電機處于關(guān)閉狀態(tài)，此外，先控制isg起動發(fā)電一體機起動發(fā)動機以驅(qū)動汽車的兩個前輪，然后控制isg起動發(fā)電一體機給動力電池充電；

步驟6)，treq>0andsoc>socloandv<vmin，表明汽車當(dāng)前處于驅(qū)動狀態(tài)，且速度沒有達到預(yù)設(shè)的模式切換車速，僅僅依靠動力電池提供動力，采用純電動模式：發(fā)動機處于關(guān)閉狀態(tài)，控制模塊控制動力電池工作，動力電池經(jīng)過逆變器向第一輪轂電機、第二輪轂電機輸送電流，使得第一輪轂電機、第二輪轂電機驅(qū)動車輛；

步驟7)，treq>0andsoc>socloandv>vmin時，汽車處于驅(qū)動狀態(tài)，且速度達到預(yù)設(shè)的模式切換車速，采用混合驅(qū)動模式：控制模塊控制動力電池為第一輪轂電機、第二輪轂電機提供動力，同時控制isg起動發(fā)電一體機起動發(fā)動機以驅(qū)動汽車的兩個前輪，且控制模塊采用模糊控制對動力電池和發(fā)動機提供的能量進行具體分配。

作為本發(fā)明一種插電式混合動力汽車系統(tǒng)的能量控制方法進一步的優(yōu)化方案，所述步驟7)中控制模塊根據(jù)預(yù)設(shè)的模糊控制器來進行模糊控制，所述模糊控制器的建立步驟如下；

步驟7.1)，選取動力電池soc和整車需求轉(zhuǎn)矩treq作為模糊控制器的輸入?yún)?shù)、發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩tout作為模糊控制器的輸出參數(shù)；

步驟7.2)，量化模糊控制器的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)，將模糊控制器的輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)均模糊量化到[1,9]范圍內(nèi)：

設(shè)置treq、soc、tout的9個模糊子集{ng，nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，pg}，所述9個模糊子集按照從小到大的順序排列，論域均為[1，9]；

步驟7.3)，對treq、soc、tout的九個模糊子集選取隸屬度函數(shù)，其中，ng、pg選用梯形隸屬度函數(shù)，nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb均使用三角形隸屬度函數(shù)，使用選取的隸屬度函數(shù)實現(xiàn)treq、soc和tout的模糊化，解模糊方法采用質(zhì)心法；

步驟7.4)，基于專家經(jīng)驗法建立模糊控制規(guī)則庫，并利用粒子群優(yōu)化算法對模糊規(guī)則進行優(yōu)化。

作為本發(fā)明一種插電式混合動力汽車系統(tǒng)的能量控制方法進一步的優(yōu)化方案，步驟7.4)所述粒子群優(yōu)化算法對模糊規(guī)則進行優(yōu)化的具體步驟如下：

步驟7.4.1)，采用整數(shù)編碼的方式對模糊規(guī)則進行編碼，模糊控制器選擇模糊控制規(guī)則為9×9＝81條，這里需要優(yōu)化的模糊規(guī)則由81個[1，9]范圍內(nèi)的整數(shù)代表；

步驟7.4.2)，建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

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分別代表預(yù)設(shè)的油耗、co、nox和hc排放值的權(quán)值；

步驟7.4.3)，設(shè)立優(yōu)化的約束條件：

式中，pb(t)為動力電池的輸出功率；pb,min(t)為動力電池的輸出的最小功率；pb,max(t)為動力電池的輸出的最大功率；pe(t)為電機的輸出功率；pe,min(t)為電機的輸出的最小功率；pe,max(t)為電機的輸出的最大功率；peng(t)為發(fā)動機的輸出功率；peng,max(t)為發(fā)動機的輸出最大功率；

步驟7.4.4)，在約束條件限定的范圍內(nèi)求解優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的最小值，得到最優(yōu)的模糊規(guī)則。

該插電式混合動力系統(tǒng)以兩個輪轂電機提供純電動驅(qū)動，發(fā)動機前置前驅(qū)；純電動模式行駛時動力由兩后輪中的輪轂電機提供，使用輪轂電機進而取消了兩后輪之間的機械連接，為布置動力電池提供了合適的空間；混合動力模式行駛時動力由前置發(fā)動機和后輪輪轂電機提供，兩動力源的合成不需機械動力耦合裝置；車輛制動或者動力電池電量較低時，打開isg起動發(fā)電一體機為動力電池充電，起到制動能量回收的功能。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

本發(fā)明提供了一種插電式混合動力汽車系統(tǒng)，為插電式混合動力系統(tǒng)提供了更加靈活多樣的布置形式；提供一種能量管理方法，可以顯著改善汽車的燃油經(jīng)濟性和排放性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的一種插電式混合動力汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為模糊控制器結(jié)構(gòu)圖；

圖3為粒子群算法優(yōu)化模糊控制流程圖。

圖中，1-后輪、2-第一輪轂電機、3-輪轂電機控制單元、4-主控制單元、5-發(fā)動機控制單元、6-電纜、7-發(fā)動機、8-isg起動發(fā)電一體機、9-變速器、10-前軸主減速器-差速器、11-前橋半軸、12-前輪、13-第二輪轂電機、14-離合器、15逆變器、16-動力電池控制單元、17-動力電池。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明：

如圖1所示，本發(fā)明公開了一種插電式混合動力汽車系統(tǒng)，包括發(fā)動機、第一至第二輪轂電機、動力電池、isg起動發(fā)電一體機、離合器、變速器、逆變器、前橋半軸、前軸主減速器、差速器和控制模塊；

所述第一輪轂電機、第二輪轂電機的輸出端分別和汽車的兩個后輪機械連接；

所述動力電池通過逆變器與所述isg起動發(fā)電一體機、第一輪轂電機、第二輪轂電機電氣相連；

所述isg起動發(fā)電一體機用于起動所述發(fā)動機、或給所述動力電池充電；

所述動力電池用于給所述第一輪轂電機、第二輪轂電機供電，并在發(fā)動機起動時給所述isg起動發(fā)電一體機供電；

所述前軸主減速器-差速器的輸出端通過前橋半軸和汽車的兩個前輪相連，前軸主減速器-差速器的輸入端依次通過所述變速器、離合器、isg起動發(fā)電一體機和所述發(fā)動機的輸出端機械連接；

所述控制模塊分別和第一輪轂電機、第二輪轂電機、動力電池、發(fā)動機、isg起動發(fā)電一體機電氣相連。

所述控制模塊包含主控制單元、輪轂電機控制單元、動力電池控制單元和發(fā)動機控制單元；

所述主控制單元分別和所述輪轂電機控制單元、動力電池控制單元、發(fā)動機控制單元、isg起動發(fā)電一體機電氣相連；

所述輪轂電機控制單元還分別和所述第一輪轂電機、第二輪轂電機電氣相連，用于根據(jù)主控制單元的指令控制所述第一輪轂電機、第二輪轂電機工作；

所述動力電池控制單元還和所述動力電池電氣相連，用于根據(jù)主控制單元的指令控制所述動力電池工作；

所述發(fā)動機控制單元還和所述發(fā)動機電氣相連，用于根據(jù)主控制單元的指令控制所述發(fā)動機工作。

本發(fā)明還公開了一種基于該插電式混合動力汽車系統(tǒng)的能量控制方法，包含以下步驟：

步驟1)，獲取汽車的整車需求轉(zhuǎn)矩treq、動力電池的荷電狀態(tài)soc和車速v，并將其傳遞給控制模塊；令soclo、sochi分別為預(yù)先設(shè)定的荷電狀態(tài)最小值、荷電狀態(tài)最大值，vmin為預(yù)設(shè)的模式切換車速；

步驟2)，控制模塊將treq和0進行比較、將soc分別和soclo、sochi進行比較、將v和vmin進行比較；

步驟3)，當(dāng)treq<0andsoc<sochi時，說明當(dāng)前汽車處于制動狀態(tài)，采用再生制動模式：控制模塊控制發(fā)動機、第一輪轂電機、第二輪轂電機處于關(guān)閉狀態(tài)，并控制isg起動發(fā)電一體機進行發(fā)電，將電能儲存至動力電池中；

步驟4)，當(dāng)treq<0andsoc≥sochi時，說明汽車當(dāng)前處于制動狀態(tài)，采用摩擦制動模式：控制模塊控制isg起動發(fā)電一體機起動發(fā)動機并停止發(fā)電工作，控制第一輪轂電機、第二輪轂電機處于關(guān)閉狀態(tài)，控制動力電池不再接受制動能量回收；

步驟5)，treq>0andsoc<soclo時，說明汽車當(dāng)前處于驅(qū)動的狀態(tài)，且電池電量不足，需要立即充電，采用充電模式：控制模塊控制第一輪轂電機、第二輪轂電機處于關(guān)閉狀態(tài)，此外，先控制isg起動發(fā)電一體機起動發(fā)動機以驅(qū)動汽車的兩個前輪，然后控制isg起動發(fā)電一體機給動力電池充電；

步驟6)，treq>0andsoc>socloandv<vmin，表明汽車當(dāng)前處于驅(qū)動狀態(tài)，且速度沒有達到預(yù)設(shè)的模式切換車速，僅僅依靠動力電池提供動力，采用純電動模式：發(fā)動機處于關(guān)閉狀態(tài)，控制模塊控制動力電池工作，動力電池經(jīng)過逆變器向第一輪轂電機、第二輪轂電機輸送電流，使得第一輪轂電機、第二輪轂電機驅(qū)動車輛；

步驟7)，treq>0andsoc>socloandv>vmin時，汽車處于驅(qū)動狀態(tài)，且速度達到預(yù)設(shè)的模式切換車速，采用混合驅(qū)動模式：控制模塊控制動力電池為第一輪轂電機、第二輪轂電機提供動力，同時控制isg起動發(fā)電一體機起動發(fā)動機以驅(qū)動汽車的兩個前輪，且控制模塊采用模糊控制對動力電池和發(fā)動機提供的能量進行具體分配。

如圖2所示，所述步驟7)中控制模塊根據(jù)預(yù)設(shè)的模糊控制器來進行模糊控制，所述模糊控制器的建立步驟如下；

步驟7.1)，選取動力電池soc和整車需求轉(zhuǎn)矩treq作為模糊控制器的輸入?yún)?shù)、發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩tout作為模糊控制器的輸出參數(shù)；

步驟7.2)，量化模糊控制器的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)，將模糊控制器的輸入?yún)?shù)、輸出參數(shù)均模糊量化到[1,9]范圍內(nèi)：

設(shè)置treq、soc、tout的9個模糊子集{ng，nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb，pg}，所述9個模糊子集按照從小到大的順序排列，論域均為[1，9]；

步驟7.3)，對treq、soc、tout的九個模糊子集選取隸屬度函數(shù)，其中，ng、pg選用梯形隸屬度函數(shù)，nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb均使用三角形隸屬度函數(shù)，使用選取的隸屬度函數(shù)實現(xiàn)treq、soc和tout的模糊化，解模糊方法采用質(zhì)心法；

步驟7.4)，基于專家經(jīng)驗法建立模糊控制規(guī)則庫，并利用粒子群優(yōu)化算法對模糊規(guī)則進行優(yōu)化。

如圖3所示，步驟7.4)所述粒子群優(yōu)化算法對模糊規(guī)則進行優(yōu)化的具體步驟如下：

步驟7.4.1)，采用整數(shù)編碼的方式對模糊規(guī)則進行編碼，模糊控制器選擇模糊控制規(guī)則為9×9＝81條，這里需要優(yōu)化的模糊規(guī)則由81個[1，9]范圍內(nèi)的整數(shù)代表；

步驟7.4.2)，建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

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分別代表預(yù)設(shè)的油耗、co、nox和hc排放值的權(quán)值；

步驟7.4.3)，設(shè)立優(yōu)化的約束條件：

式中，pb(t)為動力電池的輸出功率；pb,min(t)為動力電池的輸出的最小功率；pb,max(t)為動力電池的輸出的最大功率；pe(t)為電機的輸出功率；pe,min(t)為電機的輸出的最小功率；pe,max(t)為電機的輸出的最大功率；peng(t)為發(fā)動機的輸出功率；peng,max(t)為發(fā)動機的輸出最大功率；

步驟7.4.4)，在約束條件限定的范圍內(nèi)求解優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的最小值，得到最優(yōu)的模糊規(guī)則。

treq在論域[5，9]，soc在論域[5，9]時，模糊控制器控制發(fā)動機輸出最優(yōu)的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，同時控制動力電池提供其余的能量；

treq在論域[5，9]，soc在論域[1，5]時，模糊控制器控制發(fā)動機提供主要的能量，控制動力電池提供輔助能量；

treq在論域[1，5]，soc在論域[5，9]時，模糊控制器控制動力電池提供主要的能量，控制發(fā)動機提供輔助能量；

treq在論域[1，5]，soc在論域[1，5]時，模糊控制器控制發(fā)動機輸出最優(yōu)的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩，控制動力電池提供輔助能量。

模糊控制規(guī)則的設(shè)計原則是，在行駛里程結(jié)束時，動力電池能量盡量消耗到比較低的狀態(tài)，以實現(xiàn)車載儲能系統(tǒng)的利用極限；過程中根據(jù)行駛工況合理分配發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)矩，盡量減小整車油耗和排放。

能量管理方法的主要設(shè)計原則是在給定的行駛工況、出行里程和約束條件下實現(xiàn)動力電池能量的充分利用和燃油經(jīng)濟性的最佳，因此，將燃油消耗作為最為主要的優(yōu)化目標(biāo)，同時考慮尾氣排放，將co、nox和hc的排放量也作為優(yōu)化目標(biāo)，并設(shè)置相應(yīng)的權(quán)值來明確不同優(yōu)化目標(biāo)的重要程度。

優(yōu)化目標(biāo)就是在滿足約束條件式的前提下，使該適應(yīng)度函數(shù)最小。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。