48V微混HEV BOOST模式转矩瞬态优化控制*

赵治国 杨云云 何露 吴朝春

（同济大学 新能源汽车工程中心）

48V微混HEV BOOST模式转矩瞬态优化控制*

赵治国 杨云云 何露 吴朝春

（同济大学 新能源汽车工程中心）

为解决48 V微混混合动力轿车在急加速工况下发动机排放恶化和瞬态转矩响应量不足的问题，利用配备BRM(启动电机)的48 V微混HEV动力系统可短时工作于BOOST模式的优势，开发了急加速工况下的双动力源转矩协调控制策略，并基于模糊控制器实时优化了发动机输出转矩。通过仿真试验表明，所提出的BOOST模式控制策略可较好地识别驾驶员不同的急加速请求意愿，实时决策出的发动机转矩可满足转矩请求并优化发动机排放性能。

1 前言

在多种混合动力节油技术中，48 V微混动力系统被认为是最经济、最安全、最可靠的有效解决方案，已受到大多数制造商（OEM）的广泛重视[1]。近年来，国内外对48 V微混HEV的研究多集中在整车能量管理策略的开发上，在降低油耗和减少排放等方面取得了显著效果[2～7]。但是在某些极端工况（如急加速工况）下仍然存在发动机排放性能差且发动机转矩响应能力不足的缺点，使得48 V微混HEV结构上的优势没有得到充分发挥。

目前，我国对48 V微混HEV瞬态工况转矩协调优化控制进行了相关研究。如，王存磊[8]等针对ISG并联式混合动力汽车，利用ISG可短时工作于大转矩的特点，取消了急加速工况下发动机的燃油加浓过程，从而优化了发动机瞬态工作点，进而减少了排放；袁银男[9]等针对急加速工况，仅对发动机转矩变化率进行了限制，并利用ISG电机实时补偿目标需求转矩。但这些研究并未对发动机转矩进行有效的优化控制。

本文针对配备BRM（启动电机）的48V微混HEV动力系统，利用BRM电机可短时工作于BOOST模式的优势，开发了急加速工况下的双动力源转矩协调控制策略，并基于模糊控制器实时优化了发动机输出转矩，改善了发动机排放性，降低了整车等效油耗。

2 48 V微混HEV动力系统建模

2.1 48 V微混HEV动力系统架构

所研究的48 V微混HEV动力系统拓扑结构如图1所示，其中发动机曲轴与BRM电机通过传动带相连，BRM电机通过逆变器与48 V锂离子电池相连，电机和发动机的转矩在发动机曲轴耦合后通过离合器经五速手动变速器驱动前轮。

2.2 整车动力系统模型

采用前向仿真建模方法，在Matlab/Simulink环境下建立48V微混HEV动力系统模型，主要包括发动机模型、BRM电机模型、离合器模型、变速器模型[9]、整车模型和锂离子动力蓄电池模型等。

2.2.1 发动机模型和BRM电机模型

发动机模型模拟发动机动态过程，依据驾驶员需求转矩得到发动机实际输出转矩；BRM电机模型模拟电机动态过程，根据电机转速和电压实时更新电机的稳态模式和BOOST模式最大转矩限制。由于本文重点关注整车能量管理策略，因而动力源模型采用“稳态MAP图+1阶延迟环节”[10]。其中，发动机的延迟取为300 ms，电机延迟取为10 ms。

2.2.2 离合器模型和变速器模型[11]

离合器模型采用离合器位移、速度与传递转矩的数学关系来表示，如式（1）；变速器模型考虑传动部件的惯量和阻尼，统一向变速器的输出轴等效折算，如式（2）。

式中，z为摩擦片数；μc为摩擦因数；A为有效摩擦面积；pc为离合器接合压力；Δe为离合器主从动端的转速差；分别为折算到变速器输出端的等效惯量、阻尼和转矩放大系数；ωs为变速器输出轴转速。

为实现在完整循环工况内运行，使用车速和节气门开度的二参数换挡规律。

2.2.3 整车模型

整车模型采用单自由度纵向动力学模型[12]：

式中，Ft为驱动力；m为整车质量；f为滚阻系数；α为坡度角；CD为风阻系数；A为迎风面积；δ为旋转质量换算系数；u为车速。

2.2.4 锂离子动力蓄电池模型

采用常用电路等效模型中的Thevenin模型[13]，该模型可根据电池状态实时更新当前SOC值和温度值，数学表达式为：

式中，U0（t）为电源电压；Vout为输出电压；I（t）为实时电流；R0为内阻；Uc（t）为极化电压。

3 模式管理及BOOST模式分析

在急加速工况下，将满足驾驶员需求转矩要求同时可改善发动机瞬态排放的电机短时大扭矩助力模式定义为BRM电机BOOST模式。将BRM电机BOOST模式添加至驱动模式管理策略，如图2所示。

由图2可看出，动态切换过程为：根据发动机转矩的分区确定动力源转矩分配策略（电机转矩处在电机长时间稳态工作最大转矩之下），利用电机转矩对整车需求转矩“削峰填谷”；瞬态过程为急加速工况下的电机转矩补偿策略，根据急加速工况开发的电机转矩补偿策略（BOOST模式策略），电机可短时工作在稳态最大转矩之上、瞬态最大转矩之下。

BOOST模式一般通过判断加速踏板变化率幅值的方式触发，所用时间较短，且不能预先识别。触发BOOST模式时，根据电池SOC状态存在2种可能性，其一为电池SOC低于正常工作范围，此时不允许切换到BOOST模式；其二为电池SOC正常，BRM电机处于优化发动机工作点的助力或发电模式。对于正处于电机发电模式的情况，若强行切换到BOOST模式必将使电机模式发生瞬态切换，导致发动机转矩优化效果下降；对于正处于驱动助力模式的情况，则切换至BOOST模式后，由于电机转矩的补偿作用有限，故仍沿用原有工作模式。因此，BOOST模式的优先级应低于行车助力模式和行车充电模式，即BOOST模式切换条件仅适用于切换初始状态为纯发动机模式的情况。

由上述分析可知，进入BOOST模式的条件为：

a.加速踏板变化率大于固定门限值；

b.整车当前模式处于纯发动机模式；

c.电池SOC值满足单次电机BOOST模式的最低要求。

退出条件为：

a.发动机输出转矩能满足驾驶员需求转矩或小于某一门限值；

b.BOOST模式持续时间大于电机所允许的大转矩工作最长时间（基于保护电机的考虑）。

4 BOOST模式转矩协调优化控制

BOOST模式的转矩协调优化控制策略如图3所示。该控制策略的本质为“实时决策优化的发动机转矩、发动机实际输出转矩的开环估计和BRM电机转矩补偿控制”，可使发动机转矩较优地过渡到驾驶员需求转矩，同时BRM电机逐渐退出BOOST模式。BOOST模式控制的关键在于：考虑发动机目标转矩的动态响应能力和瞬态排放的影响，设计二元性能指标函数，以便决策出优化的发动机转矩。发动机转矩滤波后发送到发动机管理系统，并实时估计出发动机实际输出转矩。依据所估计出的发动机实际输出转矩与驾驶员需求转矩的跟踪误差和BOOST模式持续时间，基于专家经验的模糊控制器在线决策出性能指标的修正系数，由此形成完整的闭环控制。值得说明的是，BRM电机在瞬态最大转矩限制的能力范围内，可提供驾驶员需求转矩与发动机实际转矩的差值，以补偿发动机因优化排放而造成的转矩不足。

4.1 发动机转矩优化控制器

4.1.1 性能指标的选取

发动机转矩的决策需要考虑以下问题：

a.发动机的转矩响应能力。由于节气门惯性导致的发动机响应能力滞后不可避免，发动机的转矩滞后一般随发动机转矩增幅的增大而增大。

b.发动机的瞬时排放。若发动机的目标转矩增幅过大，发动机管理控制系统一般会通过增加喷油量方式响应，但由于节气门惯性的存在，并不能保证充足的进气量，因而会导致瞬间的燃油加浓，进而导致排放变差[7]。为了保证良好的发动机排放性能，应尽量使发动机的转矩增幅不能太大。

c.BOOST模式持续时间。电机大扭矩状态效率不高，且长时间处于BOOST模式有损电机寿命，并加剧48V电器系统的负担，因而要求发动机转矩过渡到驾驶员需求转矩的时间不能过长，即发动机转矩的增幅不能过小，应保持在合理的范围内。

综合考虑上述3个方面，设计BOOST模式发动机转矩决策的实时性能指标函数为：

式中，Q和R分别为反映发动机响应能力和BOOST模式持续时间的性能指标权重系数,由模糊控制器修正；T_lag(j)为单步发动机转矩的滞后量；T_lag_max为单步发动机转矩滞后量的最大值；T_err(j)为单步发动机转矩与目标驾驶员转矩的误差；T_err_max为该误差的单步最大值。

式（5）中，第1项表示发动机转矩的实时响应能力和发动机排放的优劣程度，第2项表示发动机转矩与目标的单步误差，其大小与BOOST模式的时间正相关。实时调整Q、R的大小可决策体现发动机转矩响应能力和电机转矩BOOST时间的优化目标函数。

4.1.2 发动机决策转矩的瞬时优化求解

发动机目标转矩的实时求解受制于控制器ECU的计算能力，依据工程经验，将发动机转矩的更新步长设为20 ms，发动机的最大转矩响应能力定义为50 N·m/s（折算到单步为1 N·m），并通过发动机台架试验标定每秒内不同的发动机目标转矩对应的转矩滞后量。最后通过曲线拟合得到单步长发动机转矩增幅所对应的发动机转矩滞后量曲线，如图4所示。

同理，定义每个步长发动机转矩增幅所对应的单步目标转矩误差（折算到单步为1 N·m），并按发动机转矩滞后量曲线的制作方法绘制目标转矩误差量曲线，如图5所示。

在瞬时优化控制器中，依据实际要求精度将每个步长的发动机转矩增幅线性离散（以增幅1 N·m为上限做20等分），在优化性能指标函数加权系数Q、R已知的情况下，可实时求取最佳发动机增幅，进而积分得到优化的发动机实时转矩。瞬时优化控制器得到的发动机实时转矩是离散的，实质是不同的阶跃组成的非连续信号。为得到平滑的发动机决策转矩，采用Matlab自带的高斯滤波器进行滤波处理。

4.2 性能指标加权系数模糊决策控制器

4.2.1 发动机决策转矩的目标要求

发动机决策转矩应该在合理的时间内上升到驾驶员需求转矩，而BRM电机逐步退出BOOST模式。为保证发动机具有较好的实时响应能力和排放性能，发动机决策转矩应具有如下特性：

a.在BOOST模式开始阶段，发动机转矩应缓慢增加，以改善排放性能。

b.在BOOST模式结束阶段，发动机转矩的变化率不能过大，也应缓慢下降，以给发动机节气门调整的时间，进而改善排放性能。

c.在BOOST模式中间阶段，因为节气门已经进入调整阶段，且考虑到BOOST模式持续时间不宜过长，可以适当提高发动机转矩的变化率，以保持电机效率并延长电机和电气系统的寿命。

4.2.2 模糊控制器的设计

为实现发动机目标转矩的要求，且使发动机转矩决策有一定的自适应性，设计了对应的模糊控制器以实时调整优化性能指标的加权函数。

a.输入语言变量取值和论域。BOOST模式持续时间T∈{很小（VS）、小（S）、中（M）、大（B）、很大（VB）}，其论域为[0～2.7]；转矩跟踪误差Tor_err∈{很小（VS）、小（S）、中（M）、大（B）、很大（VB）}，其论域为[0～48]。

b.输出语言变量取值和论域。模糊加权因子F∈{负大（NB）、负中（NM）、负小（NS）、零（Z）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）}，其论域为[-9～9]。

c.模糊推理规则表及输入/输出间映射关系。

上述模糊控制器的输入和输出量均采用全等三角形隶属函数，同时为避免在论域所述持续时间内发动机实际转矩未完成跟踪，将持续时间变量VB的隶属度函数后截止点延长至7,对应BOOST模式的最长时间。模糊推理规则如表1所列。

表1 模糊推理规则

需要说明的是，因为Q与R的相对数值及范围对性能指标的影响不同，故需调整F到Q和到R的线性映射关系。

通过离线仿真试验，选取线性映射关系为：

当F≤0时，

当F＞0时，

5 仿真结果及分析

为验证所提出的BOOST模式转矩瞬态优化控制策略的有效性，设置工况1和工况2在0.15 s内分别有15%和40%的油门踏板突变，分别表示BOOST模式下较温和及较剧烈的驾驶员需求转矩变化。工况条件见表2，仿真结果见图6。

表2 工况条件

分析图6a～图6d可知，控制策略能有效地识别BOOST模式的准入条件。由图6c和图6d可看出，更迅速的驾驶员踏板开度变化对应更长的BOOST模式持续时间，有利于发动机利用较长的切换时间过渡到较高的驾驶员需求转矩并优化排放性能。

由图6e和图6f可看出，在BOOST模式的开始和结束阶段，性能指标权重系数Q值较大，这验证了瞬态控制策略能有效抑制此阶段发动机转矩的过快增加，从而改善发动机的瞬态排放；而在BOOST模式的中间阶段，性能指标权重系数R适当增大，这有利于发动机转矩的适量快速增加，满足在合理的时间内过渡到驾驶员需求转矩的要求。另外，由图6e和图6f也可看出，在BOOST模式中间阶段，工况2的性能指标权重系数R明显大于工况1，且持续时间更长，这证明了自适应模糊控制器在驾驶员需求转矩变化较大时，可充分利用BOOST模式中间阶段使发动机转矩适度较快增加。

由图6g和图6h可看出，前述所提出的发动机决策转矩目标通过瞬态控制策略得到了实现，发动机决策转矩呈现出开始和结束阶段变化率小、中间变化率大的特点，验证了模糊修正和优化计算的可行性。图中，发动机优化转矩（离散积分得到）和发动机滤波处理转矩（发动机优化转矩经高斯滤波）几乎重合，原因是离散优化求解中设置发动机转矩的更新步长为20 ms，已具有较高的精度。需要说明的是，在BOOST模式初始时刻，发动机转矩估计值（实际发动机输出转矩）可能与驾驶员需求转矩有较大差距，不能直接确定。考虑这一不确定性，同时也为了仿真的正常进行，文中假设发动机转矩估计值低于发动机目标转矩15 N·m。

由图6i和图6j可看出，BRM电机工作在短时大转矩的状态，且在其能力范围之内，电机BOOST的持续时间最长为5.8 s，满足其工作要求。

此外，依据工况2分别针对有BOOST模式策略和无BOOST模式策略进行仿真，得到的车速和加速度仿真结果如图7所示。

由图7可知，BOOST模式对车速的影响并不显著，原因在于转矩瞬态优化策略更关注瞬态过程，策略作用时间较短，故效果不明显。然而，在整车加速度方面，采用电机BOOST补偿策略在进入BOOST模式后约1 s内加速度优势明显，最大加速度差值达到了0.269 7 m/s，可使瞬时加速性能提升47.1%。

6 结束语

针对配备48V电气系统的微混HEV动力系统，首先针对BOOST模式与其它模式的动态切换协调问题，提出了BOOST模式的进入和退出条件；其次，提出了BOOST模式下发动机转矩瞬态优化控制策略。设计了体现发动机排放和转矩跟踪误差的二元性能指标函数，通过模糊控制器对性能指标的权重系数进行了在线调整，并在离散域内进行了发动机转矩的实时决策；最后通过Matlab/Simulink平台离线仿真验证了所提出的BOOST模式转矩瞬态优化策略的有效性。该策略可较好地识别驾驶员不同的急加速请求意愿，实时决策出的发动机转矩可满足转矩请求并优化发动机排放，使电机转矩增强了“推背感”，提高了驾乘性能。

1 忻文.48V汽车电子电气系统架构的未来.汽车与配件，2014（20）:28～30.

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4 徐群群，宋珂，洪先建，等.基于自适应遗传算法的增程式电动汽车能量管理策略优化.汽车技术，2012（10）：19～23.

5 吴迪.ISG混合动力汽车能量优化管理策略研究:[学位论文].合肥：合肥工业大学，2013.

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7 王德伦，周荣宽.ISG轻度混合动力电动汽车控制策略的制定及仿真.重庆理工大学学报（自然科学）,2013（6）：5～9.

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12 赵治国，何宁，朱阳，等.四轮驱动混合动力轿车驱动模式切换控制.机械工程学报，2011，47（4）：100～108.

13 卢杰祥.锂离子电池特性建模与SOC估算研究:[学位论文].广州：华南理工大学，2012.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2015年3月6日。

Torque Transient Optimal Control in Boost Mode of 48V Micro Hybrid Electric Vehicle

Zhao Zhiguo,Yang Yunyun,He Lu,Wu Chaochun
（Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University）

To solve the problem of deteriorative emission and insufficient torque transient response of engine in rapid acceleration of 48V micro hybrid electrical vehicle,dual-power source torque coordination&control strategy is developed in rapid acceleration and engine output torque is optimized in real-time based on fuzzy controller,by taking advantages of 48V micro hybrid electric vehicle equipped with BRM(start motor),which can operate in BOOST mode for a short period.Simulation results show that the proposed control strategy in boost mode can recognize different rapid acceleration requests,the determined engine torque in real-time can fulfill the driver’s torque request and optimize engine emission performance.

48V micro hybrid electric vehicle,Boost mode,Engine torque,Transient optimal control

48V微混HEV BOOST模式 发动机转矩 瞬态优化控制

U462.3

A

1000-3703（2015）07-0046-06

国家自然科学基金资助项目(51275355)。