趙治國(guó) 楊云云 何露 吳朝春

（同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心）

48V微混HEV BOOST模式轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)優(yōu)化控制*

趙治國(guó) 楊云云 何露 吳朝春

（同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心）

為解決48 V微混混合動(dòng)力轎車在急加速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)排放惡化和瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)量不足的問(wèn)題，利用配備BRM(啟動(dòng)電機(jī))的48 V微混HEV動(dòng)力系統(tǒng)可短時(shí)工作于BOOST模式的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)了急加速工況下的雙動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，并基于模糊控制器實(shí)時(shí)優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。通過(guò)仿真試驗(yàn)表明，所提出的BOOST模式控制策略可較好地識(shí)別駕駛員不同的急加速請(qǐng)求意愿，實(shí)時(shí)決策出的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩可滿足轉(zhuǎn)矩請(qǐng)求并優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能。

1 前言

在多種混合動(dòng)力節(jié)油技術(shù)中，48 V微混動(dòng)力系統(tǒng)被認(rèn)為是最經(jīng)濟(jì)、最安全、最可靠的有效解決方案，已受到大多數(shù)制造商（OEM）的廣泛重視[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)48 V微混HEV的研究多集中在整車能量管理策略的開(kāi)發(fā)上，在降低油耗和減少排放等方面取得了顯著效果[2～7]。但是在某些極端工況（如急加速工況）下仍然存在發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能差且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力不足的缺點(diǎn)，使得48 V微混HEV結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有得到充分發(fā)揮。

目前，我國(guó)對(duì)48 V微混HEV瞬態(tài)工況轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)優(yōu)化控制進(jìn)行了相關(guān)研究。如，王存磊[8]等針對(duì)ISG并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車，利用ISG可短時(shí)工作于大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，取消了急加速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油加濃過(guò)程，從而優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工作點(diǎn)，進(jìn)而減少了排放；袁銀男[9]等針對(duì)急加速工況，僅對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化率進(jìn)行了限制，并利用ISG電機(jī)實(shí)時(shí)補(bǔ)償目標(biāo)需求轉(zhuǎn)矩。但這些研究并未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行有效的優(yōu)化控制。

本文針對(duì)配備BRM（啟動(dòng)電機(jī)）的48V微混HEV動(dòng)力系統(tǒng)，利用BRM電機(jī)可短時(shí)工作于BOOST模式的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)了急加速工況下的雙動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)控制策略，并基于模糊控制器實(shí)時(shí)優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)排放性，降低了整車等效油耗。

2 48 V微混HEV動(dòng)力系統(tǒng)建模

2.1 48 V微混HEV動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)

所研究的48 V微混HEV動(dòng)力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與BRM電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)帶相連，BRM電機(jī)通過(guò)逆變器與48 V鋰離子電池相連，電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸耦合后通過(guò)離合器經(jīng)五速手動(dòng)變速器驅(qū)動(dòng)前輪。

2.2 整車動(dòng)力系統(tǒng)模型

采用前向仿真建模方法，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立48V微混HEV動(dòng)力系統(tǒng)模型，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)模型、BRM電機(jī)模型、離合器模型、變速器模型[9]、整車模型和鋰離子動(dòng)力蓄電池模型等。

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模型和BRM電機(jī)模型

發(fā)動(dòng)機(jī)模型模擬發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程，依據(jù)駕駛員需求轉(zhuǎn)矩得到發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩；BRM電機(jī)模型模擬電機(jī)動(dòng)態(tài)過(guò)程，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和電壓實(shí)時(shí)更新電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模式和BOOST模式最大轉(zhuǎn)矩限制。由于本文重點(diǎn)關(guān)注整車能量管理策略，因而動(dòng)力源模型采用“穩(wěn)態(tài)MAP圖+1階延遲環(huán)節(jié)”[10]。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)的延遲取為300 ms，電機(jī)延遲取為10 ms。

2.2.2 離合器模型和變速器模型[11]

離合器模型采用離合器位移、速度與傳遞轉(zhuǎn)矩的數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)表示，如式（1）；變速器模型考慮傳動(dòng)部件的慣量和阻尼，統(tǒng)一向變速器的輸出軸等效折算，如式（2）。

式中，z為摩擦片數(shù)；μc為摩擦因數(shù)；A為有效摩擦面積；pc為離合器接合壓力；Δe為離合器主從動(dòng)端的轉(zhuǎn)速差；分別為折算到變速器輸出端的等效慣量、阻尼和轉(zhuǎn)矩放大系數(shù)；ωs為變速器輸出軸轉(zhuǎn)速。

為實(shí)現(xiàn)在完整循環(huán)工況內(nèi)運(yùn)行，使用車速和節(jié)氣門開(kāi)度的二參數(shù)換擋規(guī)律。

2.2.3 整車模型

整車模型采用單自由度縱向動(dòng)力學(xué)模型[12]：

式中，F(xiàn)t為驅(qū)動(dòng)力；m為整車質(zhì)量；f為滾阻系數(shù)；α為坡度角；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為迎風(fēng)面積；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；u為車速。

2.2.4 鋰離子動(dòng)力蓄電池模型

采用常用電路等效模型中的Thevenin模型[13]，該模型可根據(jù)電池狀態(tài)實(shí)時(shí)更新當(dāng)前SOC值和溫度值，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，U0（t）為電源電壓；Vout為輸出電壓；I（t）為實(shí)時(shí)電流；R0為內(nèi)阻；Uc（t）為極化電壓。

3 模式管理及BOOST模式分析

在急加速工況下，將滿足駕駛員需求轉(zhuǎn)矩要求同時(shí)可改善發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)排放的電機(jī)短時(shí)大扭矩助力模式定義為BRM電機(jī)BOOST模式。將BRM電機(jī)BOOST模式添加至驅(qū)動(dòng)模式管理策略，如圖2所示。

由圖2可看出，動(dòng)態(tài)切換過(guò)程為：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的分區(qū)確定動(dòng)力源轉(zhuǎn)矩分配策略（電機(jī)轉(zhuǎn)矩處在電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)工作最大轉(zhuǎn)矩之下），利用電機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)整車需求轉(zhuǎn)矩“削峰填谷”；瞬態(tài)過(guò)程為急加速工況下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償策略，根據(jù)急加速工況開(kāi)發(fā)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償策略（BOOST模式策略），電機(jī)可短時(shí)工作在穩(wěn)態(tài)最大轉(zhuǎn)矩之上、瞬態(tài)最大轉(zhuǎn)矩之下。

BOOST模式一般通過(guò)判斷加速踏板變化率幅值的方式觸發(fā)，所用時(shí)間較短，且不能預(yù)先識(shí)別。觸發(fā)BOOST模式時(shí)，根據(jù)電池SOC狀態(tài)存在2種可能性，其一為電池SOC低于正常工作范圍，此時(shí)不允許切換到BOOST模式；其二為電池SOC正常，BRM電機(jī)處于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的助力或發(fā)電模式。對(duì)于正處于電機(jī)發(fā)電模式的情況，若強(qiáng)行切換到BOOST模式必將使電機(jī)模式發(fā)生瞬態(tài)切換，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化效果下降；對(duì)于正處于驅(qū)動(dòng)助力模式的情況，則切換至BOOST模式后，由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的補(bǔ)償作用有限，故仍沿用原有工作模式。因此，BOOST模式的優(yōu)先級(jí)應(yīng)低于行車助力模式和行車充電模式，即BOOST模式切換條件僅適用于切換初始狀態(tài)為純發(fā)動(dòng)機(jī)模式的情況。

由上述分析可知，進(jìn)入BOOST模式的條件為：

a.加速踏板變化率大于固定門限值；

b.整車當(dāng)前模式處于純發(fā)動(dòng)機(jī)模式；

c.電池SOC值滿足單次電機(jī)BOOST模式的最低要求。

退出條件為：

a.發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩能滿足駕駛員需求轉(zhuǎn)矩或小于某一門限值；

b.BOOST模式持續(xù)時(shí)間大于電機(jī)所允許的大轉(zhuǎn)矩工作最長(zhǎng)時(shí)間（基于保護(hù)電機(jī)的考慮）。

4 BOOST模式轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)優(yōu)化控制

BOOST模式的轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)優(yōu)化控制策略如圖3所示。該控制策略的本質(zhì)為“實(shí)時(shí)決策優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩的開(kāi)環(huán)估計(jì)和BRM電機(jī)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償控制”，可使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩較優(yōu)地過(guò)渡到駕駛員需求轉(zhuǎn)矩，同時(shí)BRM電機(jī)逐漸退出BOOST模式。BOOST模式控制的關(guān)鍵在于：考慮發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和瞬態(tài)排放的影響，設(shè)計(jì)二元性能指標(biāo)函數(shù)，以便決策出優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩濾波后發(fā)送到發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)，并實(shí)時(shí)估計(jì)出發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩。依據(jù)所估計(jì)出的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩與駕駛員需求轉(zhuǎn)矩的跟蹤誤差和BOOST模式持續(xù)時(shí)間，基于專家經(jīng)驗(yàn)的模糊控制器在線決策出性能指標(biāo)的修正系數(shù)，由此形成完整的閉環(huán)控制。值得說(shuō)明的是，BRM電機(jī)在瞬態(tài)最大轉(zhuǎn)矩限制的能力范圍內(nèi)，可提供駕駛員需求轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩的差值，以補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)因優(yōu)化排放而造成的轉(zhuǎn)矩不足。

4.1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩優(yōu)化控制器

4.1.1 性能指標(biāo)的選取

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的決策需要考慮以下問(wèn)題：

a.發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力。由于節(jié)氣門慣性導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)能力滯后不可避免，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩滯后一般隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩增幅的增大而增大。

b.發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)排放。若發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩增幅過(guò)大，發(fā)動(dòng)機(jī)管理控制系統(tǒng)一般會(huì)通過(guò)增加噴油量方式響應(yīng)，但由于節(jié)氣門慣性的存在，并不能保證充足的進(jìn)氣量，因而會(huì)導(dǎo)致瞬間的燃油加濃，進(jìn)而導(dǎo)致排放變差[7]。為了保證良好的發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能，應(yīng)盡量使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩增幅不能太大。

c.BOOST模式持續(xù)時(shí)間。電機(jī)大扭矩狀態(tài)效率不高，且長(zhǎng)時(shí)間處于BOOST模式有損電機(jī)壽命，并加劇48V電器系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，因而要求發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩過(guò)渡到駕駛員需求轉(zhuǎn)矩的時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的增幅不能過(guò)小，應(yīng)保持在合理的范圍內(nèi)。

綜合考慮上述3個(gè)方面，設(shè)計(jì)BOOST模式發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩決策的實(shí)時(shí)性能指標(biāo)函數(shù)為：

式中，Q和R分別為反映發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)能力和BOOST模式持續(xù)時(shí)間的性能指標(biāo)權(quán)重系數(shù),由模糊控制器修正；T_lag(j)為單步發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的滯后量；T_lag_max為單步發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩滯后量的最大值；T_err(j)為單步發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)駕駛員轉(zhuǎn)矩的誤差；T_err_max為該誤差的單步最大值。

式（5）中，第1項(xiàng)表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力和發(fā)動(dòng)機(jī)排放的優(yōu)劣程度，第2項(xiàng)表示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與目標(biāo)的單步誤差，其大小與BOOST模式的時(shí)間正相關(guān)。實(shí)時(shí)調(diào)整Q、R的大小可決策體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力和電機(jī)轉(zhuǎn)矩BOOST時(shí)間的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

4.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)決策轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)優(yōu)化求解

發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)求解受制于控制器ECU的計(jì)算能力，依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的更新步長(zhǎng)設(shè)為20 ms，發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩響應(yīng)能力定義為50 N·m/s（折算到單步為1 N·m），并通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)定每秒內(nèi)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩滯后量。最后通過(guò)曲線擬合得到單步長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩增幅所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩滯后量曲線，如圖4所示。

同理，定義每個(gè)步長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩增幅所對(duì)應(yīng)的單步目標(biāo)轉(zhuǎn)矩誤差（折算到單步為1 N·m），并按發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩滯后量曲線的制作方法繪制目標(biāo)轉(zhuǎn)矩誤差量曲線，如圖5所示。

在瞬時(shí)優(yōu)化控制器中，依據(jù)實(shí)際要求精度將每個(gè)步長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩增幅線性離散（以增幅1 N·m為上限做20等分），在優(yōu)化性能指標(biāo)函數(shù)加權(quán)系數(shù)Q、R已知的情況下，可實(shí)時(shí)求取最佳發(fā)動(dòng)機(jī)增幅，進(jìn)而積分得到優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩。瞬時(shí)優(yōu)化控制器得到的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)矩是離散的，實(shí)質(zhì)是不同的階躍組成的非連續(xù)信號(hào)。為得到平滑的發(fā)動(dòng)機(jī)決策轉(zhuǎn)矩，采用Matlab自帶的高斯濾波器進(jìn)行濾波處理。

4.2 性能指標(biāo)加權(quán)系數(shù)模糊決策控制器

4.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)決策轉(zhuǎn)矩的目標(biāo)要求

發(fā)動(dòng)機(jī)決策轉(zhuǎn)矩應(yīng)該在合理的時(shí)間內(nèi)上升到駕駛員需求轉(zhuǎn)矩，而B(niǎo)RM電機(jī)逐步退出BOOST模式。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有較好的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力和排放性能，發(fā)動(dòng)機(jī)決策轉(zhuǎn)矩應(yīng)具有如下特性：

a.在BOOST模式開(kāi)始階段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)緩慢增加，以改善排放性能。

b.在BOOST模式結(jié)束階段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化率不能過(guò)大，也應(yīng)緩慢下降，以給發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門調(diào)整的時(shí)間，進(jìn)而改善排放性能。

c.在BOOST模式中間階段，因?yàn)楣?jié)氣門已經(jīng)進(jìn)入調(diào)整階段，且考慮到BOOST模式持續(xù)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，可以適當(dāng)提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化率，以保持電機(jī)效率并延長(zhǎng)電機(jī)和電氣系統(tǒng)的壽命。

4.2.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩的要求，且使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩決策有一定的自適應(yīng)性，設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的模糊控制器以實(shí)時(shí)調(diào)整優(yōu)化性能指標(biāo)的加權(quán)函數(shù)。

a.輸入語(yǔ)言變量取值和論域。BOOST模式持續(xù)時(shí)間T∈{很?。╒S）、?。⊿）、中（M）、大（B）、很大（VB）}，其論域?yàn)閇0～2.7]；轉(zhuǎn)矩跟蹤誤差Tor_err∈{很小（VS）、?。⊿）、中（M）、大（B）、很大（VB）}，其論域?yàn)閇0～48]。

b.輸出語(yǔ)言變量取值和論域。模糊加權(quán)因子F∈{負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（Z）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）}，其論域?yàn)閇-9～9]。

c.模糊推理規(guī)則表及輸入/輸出間映射關(guān)系。

上述模糊控制器的輸入和輸出量均采用全等三角形隸屬函數(shù)，同時(shí)為避免在論域所述持續(xù)時(shí)間內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩未完成跟蹤，將持續(xù)時(shí)間變量VB的隸屬度函數(shù)后截止點(diǎn)延長(zhǎng)至7,對(duì)應(yīng)BOOST模式的最長(zhǎng)時(shí)間。模糊推理規(guī)則如表1所列。

表1 模糊推理規(guī)則

需要說(shuō)明的是，因?yàn)镼與R的相對(duì)數(shù)值及范圍對(duì)性能指標(biāo)的影響不同，故需調(diào)整F到Q和到R的線性映射關(guān)系。

通過(guò)離線仿真試驗(yàn)，選取線性映射關(guān)系為：

當(dāng)F≤0時(shí)，

當(dāng)F＞0時(shí)，

5 仿真結(jié)果及分析

為驗(yàn)證所提出的BOOST模式轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)優(yōu)化控制策略的有效性，設(shè)置工況1和工況2在0.15 s內(nèi)分別有15%和40%的油門踏板突變，分別表示BOOST模式下較溫和及較劇烈的駕駛員需求轉(zhuǎn)矩變化。工況條件見(jiàn)表2，仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。

表2 工況條件

分析圖6a～圖6d可知，控制策略能有效地識(shí)別BOOST模式的準(zhǔn)入條件。由圖6c和圖6d可看出，更迅速的駕駛員踏板開(kāi)度變化對(duì)應(yīng)更長(zhǎng)的BOOST模式持續(xù)時(shí)間，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)利用較長(zhǎng)的切換時(shí)間過(guò)渡到較高的駕駛員需求轉(zhuǎn)矩并優(yōu)化排放性能。

由圖6e和圖6f可看出，在BOOST模式的開(kāi)始和結(jié)束階段，性能指標(biāo)權(quán)重系數(shù)Q值較大，這驗(yàn)證了瞬態(tài)控制策略能有效抑制此階段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的過(guò)快增加，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)排放；而在BOOST模式的中間階段，性能指標(biāo)權(quán)重系數(shù)R適當(dāng)增大，這有利于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的適量快速增加，滿足在合理的時(shí)間內(nèi)過(guò)渡到駕駛員需求轉(zhuǎn)矩的要求。另外，由圖6e和圖6f也可看出，在BOOST模式中間階段，工況2的性能指標(biāo)權(quán)重系數(shù)R明顯大于工況1，且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，這證明了自適應(yīng)模糊控制器在駕駛員需求轉(zhuǎn)矩變化較大時(shí)，可充分利用BOOST模式中間階段使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩適度較快增加。

由圖6g和圖6h可看出，前述所提出的發(fā)動(dòng)機(jī)決策轉(zhuǎn)矩目標(biāo)通過(guò)瞬態(tài)控制策略得到了實(shí)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)決策轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)出開(kāi)始和結(jié)束階段變化率小、中間變化率大的特點(diǎn)，驗(yàn)證了模糊修正和優(yōu)化計(jì)算的可行性。圖中，發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化轉(zhuǎn)矩（離散積分得到）和發(fā)動(dòng)機(jī)濾波處理轉(zhuǎn)矩（發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化轉(zhuǎn)矩經(jīng)高斯濾波）幾乎重合，原因是離散優(yōu)化求解中設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的更新步長(zhǎng)為20 ms，已具有較高的精度。需要說(shuō)明的是，在BOOST模式初始時(shí)刻，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì)值（實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩）可能與駕駛員需求轉(zhuǎn)矩有較大差距，不能直接確定。考慮這一不確定性，同時(shí)也為了仿真的正常進(jìn)行，文中假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩估計(jì)值低于發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩15 N·m。

由圖6i和圖6j可看出，BRM電機(jī)工作在短時(shí)大轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)，且在其能力范圍之內(nèi)，電機(jī)BOOST的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)為5.8 s，滿足其工作要求。

此外，依據(jù)工況2分別針對(duì)有BOOST模式策略和無(wú)BOOST模式策略進(jìn)行仿真，得到的車速和加速度仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，BOOST模式對(duì)車速的影響并不顯著，原因在于轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)優(yōu)化策略更關(guān)注瞬態(tài)過(guò)程，策略作用時(shí)間較短，故效果不明顯。然而，在整車加速度方面，采用電機(jī)BOOST補(bǔ)償策略在進(jìn)入BOOST模式后約1 s內(nèi)加速度優(yōu)勢(shì)明顯，最大加速度差值達(dá)到了0.269 7 m/s，可使瞬時(shí)加速性能提升47.1%。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)配備48V電氣系統(tǒng)的微混HEV動(dòng)力系統(tǒng)，首先針對(duì)BOOST模式與其它模式的動(dòng)態(tài)切換協(xié)調(diào)問(wèn)題，提出了BOOST模式的進(jìn)入和退出條件；其次，提出了BOOST模式下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)優(yōu)化控制策略。設(shè)計(jì)了體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)排放和轉(zhuǎn)矩跟蹤誤差的二元性能指標(biāo)函數(shù)，通過(guò)模糊控制器對(duì)性能指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行了在線調(diào)整，并在離散域內(nèi)進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)決策；最后通過(guò)Matlab/Simulink平臺(tái)離線仿真驗(yàn)證了所提出的BOOST模式轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)優(yōu)化策略的有效性。該策略可較好地識(shí)別駕駛員不同的急加速請(qǐng)求意愿，實(shí)時(shí)決策出的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩可滿足轉(zhuǎn)矩請(qǐng)求并優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)排放，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩增強(qiáng)了“推背感”，提高了駕乘性能。

1 忻文.48V汽車電子電氣系統(tǒng)架構(gòu)的未來(lái).汽車與配件，2014（20）:28～30.

2 Dorri M，Shamekhi A H.Design of an Optimal Control Strat?egy in a Parallel Hybrid Vehicle in Order to Simultaneously Reduce Fuel Consumption and Emissions.SAE Technical Paper，2011.

3 Johnson V H，Wipke K B，Rausen D J.HEV control strategy for real-time optimization of fuel economy and emissions.SAE Technical Paper,2000.

4 徐群群，宋珂，洪先建，等.基于自適應(yīng)遺傳算法的增程式電動(dòng)汽車能量管理策略優(yōu)化.汽車技術(shù)，2012（10）：19～23.

5 吳迪.ISG混合動(dòng)力汽車能量?jī)?yōu)化管理策略研究:[學(xué)位論文].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

6 李啟迪.ISG輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車控制策略的研究:[學(xué)位論文].大連：大連理工大學(xué),2006.

7 王德倫，周榮寬.ISG輕度混合動(dòng)力電動(dòng)汽車控制策略的制定及仿真.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）,2013（6）：5～9.

8 王存磊.混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)電控管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)及排放控制研究:[學(xué)位論文].上海：上海交通大學(xué),2012.

9 袁銀男，王忠，梁磊，等.ISG混合動(dòng)力汽車加速轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償策略與仿真.車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2009（1）:27～30.

10 趙治國(guó)，陳海軍，楊云云，等.干式DCT換擋時(shí)間FAHP決策及轉(zhuǎn)矩協(xié)調(diào)最優(yōu)控制.汽車技術(shù)，2014（4）：14～20.

11 陳海軍，趙治國(guó)，王琪，等.干式DCT雙離合器聯(lián)合起步最優(yōu)協(xié)調(diào)控制.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014,50（22）：150～164.

12 趙治國(guó)，何寧，朱陽(yáng)，等.四輪驅(qū)動(dòng)混合動(dòng)力轎車驅(qū)動(dòng)模式切換控制.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47（4）：100～108.

13 盧杰祥.鋰離子電池特性建模與SOC估算研究:[學(xué)位論文].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為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 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 瞬態(tài)優(yōu)化控制

U462.3

A

1000-3703（2015）07-0046-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275355)。