一種插電式混合動力汽車系統及其能量控制方法與流程
2023-10-17 06:49:44
本發明涉及混合動力汽車技術領域，尤其涉及一種插電式混合動力汽車系統及其能量控制方法。
背景技術：
插電式混合動力汽車(phev)是一種介於混合動力和純電動之間的車型，其同時具有傳統混合動力汽車(hev)和純電動汽車(bev)的優點。與hev相比，phev搭載更大容量的動力電池，而且可以實現外接電源充電，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、節能環保等特點；在動力電池荷電狀態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下，車輛依靠整車控制器自動起動發動機並輔助電機輸出動力，具備整車性能較好和續駛裡程長的特點。
phev能量管理方法的目標是充分利用車載動力電池電量，行程結束時消耗到預設的荷電狀態閾值，從而取代燃油消耗。但是現實中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致汽車系統的高電氣損耗，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先設計的燃油取代功能，車載儲能系統的能力遠沒有達到可利用的極限。因此，如何在phev的應用中獲得優化的電量消耗模式是控制的根本問題之一。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是針對背景技術中所涉及到的缺陷，提供一種插電式混合動力汽車系統及其能量控制方法。
本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案：
一種插電式混合動力汽車系統，包括發動機、第一至第二輪轂電機、動力電池、isg起動發電一體機、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後輪機械連接；
所述動力電池通過逆變器與所述isg起動發電一體機、第一輪轂電機、第二輪轂電機電氣相連；
所述isg起動發電一體機用於起動所述發動機、或給所述動力電池充電；
所述動力電池用於給所述第一輪轂電機、第二輪轂電機供電，並在發動機起動時給所述isg起動發電一體機供電；
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起動發電一體機和所述發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、發動機、isg起動發電一體機電氣相連。
作為本發明一種插電式混合動力汽車系統進一步的優化方案，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、發動機控制單元、isg起動發電一體機電氣相連；
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，用於根據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，用於根據主控制單元的指令控制所述動力電池工作；
所述發動機控制單元還和所述發動機電氣相連，用於根據主控制單元的指令控制所述發動機工作。
本發明還公開了一種基於該插電式混合動力汽車系統的能量控制方法，包含以下步驟：
步驟1)，獲取汽車的整車需求轉矩treq、動力電池的荷電狀態soc和車速v，並將其傳遞給控制模塊；令soclo、sochi分別為預先設定的荷電狀態最小值、荷電狀態最大值，vmin為預設的模式切換車速；
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treq<0andsoc<sochi時，說明當前汽車處於制動狀態，採用再生制動模式：控制模塊控制發動機、第一輪轂電機、第二輪轂電機處於關閉狀態，並控制isg起動發電一體機進行發電，將電能儲存至動力電池中；
步驟4)，當treq0andsoc0andsoc>socloandv0andsoc>socloandv>vmin時，汽車處於驅動狀態，且速度達到預設的模式切換車速，採用混合驅動模式：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起動發電一體機起動發動機以驅動汽車的兩個前輪，且控制模塊採用模糊控制對動力電池和發動機提供的能量進行具體分配。
作為本發明一種插電式混合動力汽車系統的能量控制方法進一步的優化方案，所述步驟7)中控制模塊根據預設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和整車需求轉矩treq作為模糊控制器的輸入參數、發動機輸出轉矩tout作為模糊控制器的輸出參數；
步驟7.2)，量化模糊控制器的輸入參數和輸出參數，將模糊控制器的輸入參數、輸出參數均模糊量化到[1,9]範圍內：
設置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，其中，ng、pg選用梯形隸屬度函數，nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb均使用三角形隸屬度函數，使用選取的隸屬度函數實現treq、soc和tout的模糊化，解模糊方法採用質心法；
步驟7.4)，基於專家經驗法建立模糊控制規則庫，並利用粒子群優化算法對模糊規則進行優化。
作為本發明一種插電式混合動力汽車系統的能量控制方法進一步的優化方案，步驟7.4)所述粒子群優化算法對模糊規則進行優化的具體步驟如下：
步驟7.4.1)，採用整數編碼的方式對模糊規則進行編碼，模糊控制器選擇模糊控制規則為9×9＝81條，這裡需要優化的模糊規則由81個[1，9]範圍內的整數代表；
步驟7.4.2)，建立優化目標函數：
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分別代表預設的油耗、co、nox和hc排放值的權值；
步驟7.4.3)，設立優化的約束條件：
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)為發動機的輸出功率；peng,max(t)為發動機的輸出最大功率；
步驟7.4.4)，在約束條件限定的範圍內求解優化目標函數的最小值，得到最優的模糊規則。
該插電式混合動力系統以兩個輪轂電機提供純電動驅動，發動機前置前驅；純電動模式行駛時動力由兩後輪中的輪轂電機提供，使用輪轂電機進而取消了兩後輪之間的機械連接，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動機和後輪輪轂電機提供，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起動發電一體機為動力電池充電，起到制動能量回收的功能。
本發明採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：
本發明提供了一種插電式混合動力汽車系統，為插電式混合動力系統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濟性和排放性。
附圖說明
圖1為本發明提出的一種插電式混合動力汽車系統結構圖；
圖2為模糊控制器結構圖；
圖3為粒子群算法優化模糊控制流程圖。
圖中，1-後輪、2-第一輪轂電機、3-輪轂電機控制單元、4-主控制單元、5-發動機控制單元、6-電纜、7-發動機、8-isg起動發電一體機、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
下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：
如圖1所示，本發明公開了一種插電式混合動力汽車系統，包括發動機、第一至第二輪轂電機、動力電池、isg起動發電一體機、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後輪機械連接；
所述動力電池通過逆變器與所述isg起動發電一體機、第一輪轂電機、第二輪轂電機電氣相連；
所述isg起動發電一體機用於起動所述發動機、或給所述動力電池充電；
所述動力電池用於給所述第一輪轂電機、第二輪轂電機供電，並在發動機起動時給所述isg起動發電一體機供電；
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起動發電一體機和所述發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、發動機、isg起動發電一體機電氣相連。
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、發動機控制單元、isg起動發電一體機電氣相連；
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，用於根據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，用於根據主控制單元的指令控制所述動力電池工作；
所述發動機控制單元還和所述發動機電氣相連，用於根據主控制單元的指令控制所述發動機工作。
本發明還公開了一種基於該插電式混合動力汽車系統的能量控制方法，包含以下步驟：
步驟1)，獲取汽車的整車需求轉矩treq、動力電池的荷電狀態soc和車速v，並將其傳遞給控制模塊；令soclo、sochi分別為預先設定的荷電狀態最小值、荷電狀態最大值，vmin為預設的模式切換車速；
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treq<0andsoc<sochi時，說明當前汽車處於制動狀態，採用再生制動模式：控制模塊控制發動機、第一輪轂電機、第二輪轂電機處於關閉狀態，並控制isg起動發電一體機進行發電，將電能儲存至動力電池中；
步驟4)，當treq0andsoc0andsoc>socloandv0andsoc>socloandv>vmin時，汽車處於驅動狀態，且速度達到預設的模式切換車速，採用混合驅動模式：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起動發電一體機起動發動機以驅動汽車的兩個前輪，且控制模塊採用模糊控制對動力電池和發動機提供的能量進行具體分配。
如圖2所示，所述步驟7)中控制模塊根據預設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和整車需求轉矩treq作為模糊控制器的輸入參數、發動機輸出轉矩tout作為模糊控制器的輸出參數；
步驟7.2)，量化模糊控制器的輸入參數和輸出參數，將模糊控制器的輸入參數、輸出參數均模糊量化到[1,9]範圍內：
設置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，其中，ng、pg選用梯形隸屬度函數，nb、nm、ns、zo、ps、pm、pb均使用三角形隸屬度函數，使用選取的隸屬度函數實現treq、soc和tout的模糊化，解模糊方法採用質心法；
步驟7.4)，基於專家經驗法建立模糊控制規則庫，並利用粒子群優化算法對模糊規則進行優化。
如圖3所示，步驟7.4)所述粒子群優化算法對模糊規則進行優化的具體步驟如下：
步驟7.4.1)，採用整數編碼的方式對模糊規則進行編碼，模糊控制器選擇模糊控制規則為9×9＝81條，這裡需要優化的模糊規則由81個[1，9]範圍內的整數代表；
步驟7.4.2)，建立優化目標函數：
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分別代表預設的油耗、co、nox和hc排放值的權值；
步驟7.4.3)，設立優化的約束條件：
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)為發動機的輸出功率；peng,max(t)為發動機的輸出最大功率；
步驟7.4.4)，在約束條件限定的範圍內求解優化目標函數的最小值，得到最優的模糊規則。
treq在論域[5，9]，soc在論域[5，9]時，模糊控制器控制發動機輸出最優的發動機轉矩，同時控制動力電池提供其餘的能量；
treq在論域[5，9]，soc在論域[1，5]時，模糊控制器控制發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，模糊控制器控制發動機輸出最優的發動機轉矩，控制動力電池提供輔助能量。
模糊控制規則的設計原則是，在行駛裡程結束時，動力電池能量儘量消耗到比較低的狀態，以實現車載儲能系統的利用極限；過程中根據行駛工況合理分配發動機轉矩和電機轉矩，儘量減小整車油耗和排放。
能量管理方法的主要設計原則是在給定的行駛工況、出行裡程和約束條件下實現動力電池能量的充分利用和燃油經濟性的最佳，因此，將燃油消耗作為最為主要的優化目標，同時考慮尾氣排放，將co、nox和hc的排放量也作為優化目標，並設置相應的權值來明確不同優化目標的重要程度。
優化目標就是在滿足約束條件式的前提下，使該適應度函數最小。
本技術領域技術人員可以理解的是，除非另外定義，這裡使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，並且除非像這裡一樣定義，不會用理想化或過於正式的含義來解釋。
以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。