摘  要： 針對AMT并聯(lián)混合動力系統(tǒng)部件組成與通信性能要求，提出了一種雙總線CAN拓撲結構的實時性通信解決方案。該方案構建了基于AMT控制器“路由”轉(zhuǎn)發(fā)的消息系統(tǒng)，設計了符合TTCAN協(xié)議內(nèi)容的消息時間觸發(fā)機制，能夠滿足換檔過程整車控制器、AMT控制器、電機控制器、發(fā)動機ECU之間數(shù)據(jù)通信的高實時性要求，實現(xiàn)整車控制器與AMT控制器命令的無縫集成，建立持續(xù)可靠的通信連接。

　　關鍵詞： AMT并聯(lián)混合動力；整車控制器；AMT控制器；TTCAN

0 引言

　　隨著能源危機與環(huán)境問題的日益突出，國家對于新能源汽車產(chǎn)業(yè)的扶持力度逐步加大，混合動力作為新能源汽車的重要組成部分，吸引了不少企業(yè)與機構的加入。電控機械式自動變速箱（Automated Mechanical Transmission，AMT）并聯(lián)混合動力以其良好的操作性與相對低廉的價格，從眾多混合動力車型中脫穎而出，在多個城市得到應用。

　　AMT混合動力包含直連式、角傳動等多種結構，直連式系統(tǒng)由于驅(qū)動電機位于變速箱輸入側(cè)，功率配置較大，可直接進行電機低速驅(qū)動，制動回收效果好，成本控制與經(jīng)濟性效應明顯。

　　與傳統(tǒng)AMT車輛相比，直連式混合動力系統(tǒng)更加復雜，變速器檔位切換與離合控制過程涉及的部件更多，需要頻繁地使用整車控制器局域網(wǎng)絡（Controller Area Network，CAN）進行通信，數(shù)據(jù)交互量大，實時性要求高。為確保整車通信安全、可靠，選擇較優(yōu)的網(wǎng)絡結構設計與交互方式顯得尤為重要。

1 AMT車輛結構

　　直連式AMT并聯(lián)混合動力系統(tǒng)傳動鏈同軸耦合，由發(fā)動機、電控離合器、驅(qū)動電機、AMT變速器組成，支持電機直驅(qū)、發(fā)動機直驅(qū)以及混合驅(qū)動3種工作模式。系統(tǒng)結構如圖1所示。

　　低速階段，電機進行直驅(qū)；當速度上升或電壓不足時，離合器結合，發(fā)動機參與驅(qū)動。整車控制器負責電機/發(fā)動機的動力分配；AMT控制器負責車輛運行過程的檔位切換與離合控制。因此AMT并聯(lián)系統(tǒng)需要構建基于整車控制器（Vehicle Control Unit，VCU）與自動變速箱控制器（Transmission Control Unit，TCU，即AMT控制器）的混合網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。

2 CAN網(wǎng)絡設計

　　AMT并聯(lián)混合動力系統(tǒng)是基于CAN總線構建的整車網(wǎng)絡。CAN總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線，具有很高的網(wǎng)絡安全性、通信可靠性和實時性，簡單實用，網(wǎng)絡成本低，特別適用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度低劣、電磁輻射強和震動大的工業(yè)環(huán)境[1]。

　　AMT并聯(lián)混合動力系統(tǒng)中的CAN通信設備包括整車控制器、電機控制器、發(fā)動機ECU（Electronic Control Unit，汽車專用控制器）、AMT控制器、超級電容或電池管理系統(tǒng)、儀表等，部分電氣部件如空調(diào)、絕緣檢測裝置等也可能集成CAN通信功能，具體視車輛配置而定。

　　整車CAN網(wǎng)絡波特率設定為250 kb/s，為避免總線負荷率過高，需要針對不同通信任務指定不同級別的通信周期。整車控制器、電機控制器、AMT控制器的通信任務影響車輛運行狀態(tài)與駕駛安全，實時性要求最高；發(fā)動機ECU消息遵循SAE J1939協(xié)議；儀表主要接收數(shù)據(jù)；超級電容或電池管理系統(tǒng)對儲能系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行維護，實時性要求一般，但消息數(shù)量大。

　　整車CAN網(wǎng)絡設計應考慮對傳統(tǒng)車輛CAN結構的兼容性，如發(fā)動機ECU與儀表應處于相同的通信子網(wǎng)。

　　整車控制器、AMT控制器既參與電機控制，也存在與發(fā)動機ECU的交互，為減少路由導致的消息冗余，要求通信雙方處于相同子網(wǎng)。

　　根據(jù)上述原則，AMT并聯(lián)混合動力系統(tǒng)采用CAN雙網(wǎng)絡拓撲結構，包含CANA和CANB 2個子網(wǎng)，如圖2所示。CANA由實時性要求較高的通信設備構成，包括整車控制器、電機控制器以及AMT控制器；CANB包含傳統(tǒng)部件如發(fā)動機ECU、儀表等，也包括通信實時性要求不高的管理系統(tǒng)。由于整車控制器、AMT控制器存在與發(fā)動機ECU的通信，因此也連接到CANB子網(wǎng)。

　　對于AMT并聯(lián)控制系統(tǒng)，動力性、經(jīng)濟性與換檔平順性是衡量車輛性能的重要指標。整車控制器根據(jù)整車電量、當前檔位、部件狀態(tài)等參數(shù)決定當前車輛是工作在純電驅(qū)動模式還是并聯(lián)驅(qū)動模式，不同模式下的整車需求扭矩由整車控制器根據(jù)司機踏板深度、當前檔位速比進行換算，并最終由電機控制器、發(fā)動機ECU執(zhí)行。

　　純電驅(qū)動模式下，整車控制器建立與電機的通信連接，實現(xiàn)車輛加速、制動等駕駛需求；檔位切換過程中，AMT控制器對變速箱前后端轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，需要短暫剝奪整車控制器對電機控制器的通信能力，以控制電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)檔位快速切換。這樣整車控制器到電機控制器，AMT控制器到電機控制器的通信會存在“建立-斷開”的過程。這種方式可以完成換檔操作，但是連接狀態(tài)的頻繁改變，會增大通信連接的滯后時間，增加通信協(xié)議的復雜程度，也不利于通信狀態(tài)的檢測。為此，建立基于AMT控制器“路由”的通信方式，整車控制器到電機控制器的消息并不直接發(fā)送，而是通過AMT控制器進行地址修改與路由轉(zhuǎn)發(fā)。如圖3所示。如果當前沒有進行換檔，AMT控制器修改消息ID后直接轉(zhuǎn)發(fā)消息內(nèi)容；如果當前正在進行換檔同步，AMT控制器修改電機工作模式為轉(zhuǎn)速控制，添加目標轉(zhuǎn)速等參數(shù)到消息，然后再進行發(fā)送。整個過程整車控制器到AMT控制器、AMT控制器到電機控制器的通信連接一直建立，避免通信狀態(tài)的變化，提高連接過程的可靠性。

　　并聯(lián)驅(qū)動模式下，整車控制器建立與發(fā)動機ECU的通信，確保發(fā)動機工作在油門控制模式，目標扭矩通過轉(zhuǎn)換成油門信號發(fā)送給ECU。換檔過程中，需要進行離合控制，AMT控制器剝奪整車控制器對ECU的通信能力，控制發(fā)動機工作在轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速控制模式，實現(xiàn)離合控制過程的調(diào)扭、轉(zhuǎn)速同步等功能，因此整車控制器、AMT控制器與發(fā)動機ECU之間的通信連接也存在“建立-斷開”的過程，同理也需要建立基于AMT控制器“路由”的通信方式。如圖4所示，整車控制器到發(fā)動機ECU的消息由AMT控制器進行轉(zhuǎn)發(fā)，離合時由AMT修改相關控制命令與參數(shù)，實現(xiàn)通信連接的無縫切換。

3 TTCAN通信協(xié)議設計

　　檔位切換與離合控制過程中，整車CANA網(wǎng)絡通信實時性要求較高，AMT并聯(lián)混合動力系統(tǒng)采用基于時間觸發(fā)的TTCAN通信協(xié)議設計，可提高網(wǎng)絡通信效率，降低總線峰值負荷，確保數(shù)據(jù)交互安全可靠。

　　TTCAN是建立在原有CAN協(xié)議基礎之上的高層協(xié)議，對網(wǎng)絡上所有CAN節(jié)點進行通信時序同步，并提供了全局系統(tǒng)時間。所有節(jié)點同步以后，任何消息都只能在特定時間段內(nèi)發(fā)送，不需要與其他消息進行競爭[1]。

　　整車CANA網(wǎng)絡各部件CAN通信芯片不支持TTCAN通信功能，需要制定符合TTCAN標準的通信協(xié)議矩陣，從軟件層面實現(xiàn)通信消息的時序控制。

　　整車CANA網(wǎng)絡存在的通信消息如表1所示。

　　整車CANA網(wǎng)絡采用擴展消息幀格式，有29位標識符，其數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成，包括幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應答場和幀結束。

　　為滿足周期型消息幀的傳遞，采用TTCAN協(xié)議的每個獨立的消息幀需要占用的最小時長w按下式計算[2-3]：

　　w=tTX_EN+ti+Cj（1）

　　其中，ti為幀間時間間隔，取3tbit（tbit為位傳輸時間）；tTX_EN為消息幀可觸發(fā)區(qū)，取16tbit；Cj為消息幀傳輸時間，其計算公式為：

　　其中，dj為消息幀的數(shù)據(jù)場字節(jié)長度。

　　整車CAN網(wǎng)絡通信速率為250 kb/s，每個消息幀傳遞至少需要0.6 ms。以TCU_C_1為參考消息幀，基于1 ms時間段建立TTCAN協(xié)議矩陣，10個時間段構成1個循環(huán)周期，所有消息幀的發(fā)送順序和時間間隔如圖5所示。

　　對于整車控制器，發(fā)送完參考消息幀后，啟動時間計數(shù)，當計數(shù)周期到達時間間隔時，發(fā)送對應幀；對于電機控制器和AMT控制器，接收到整車控制器發(fā)送的參考消息幀后，啟動內(nèi)部定時器進行計數(shù)，當計時達到時間間隔，發(fā)送對應幀。

　　由于內(nèi)部時鐘電路的不一致性以及時鐘漂移等影響，導致整車控制器、電機控制器與AMT控制器對于時間段長度的“認定”存在差別，需要進行時間單元比率的修正，修正公式如下：

　　式中，tref為電機控制器接收到相鄰兩個參考消息幀的時間間隔，tclock為電機控制器按照其時鐘定義計算的單個時間段長度。AMT控制器時間單元比率計算類似。

　　電機控制器、AMT控制器需要設置同步失效時間：

　　tsyn=（2~3）tref（4）

　　如果電機控制器、AMT控制器超出此時間長度仍未檢測到參考消息幀，則退出TTCAN協(xié)議；如果后續(xù)接收到有效的參考消息幀，則自動切換至TTCAN協(xié)議發(fā)送。電機控制器、AMT控制器的詳細處理流程如圖6。

4 應用實例

　　基于AMT并聯(lián)混合動力系統(tǒng)進行通信連接與可靠性測試，采集檔位切換與離合控制過程電機、發(fā)動機轉(zhuǎn)速/扭矩等相關信息，繪制如圖7所示曲線。

　　此時AMT并聯(lián)混合動力客車處于并聯(lián)工作模式。由圖7可知，檔位切換過程中，AMT控制器獲得電機控制權限，電機不再響應整車控制器發(fā)送的目標扭矩命令，AMT控制器控制電機降扭、同步轉(zhuǎn)速；離合控制過程中，AMT控制器獲得發(fā)動機控制權限，發(fā)動機不再響應整車控制器油門命令，發(fā)動機ECU工作在轉(zhuǎn)速控制模式，響應AMT控制器發(fā)送的目標轉(zhuǎn)速，實際轉(zhuǎn)速逐步逼近目標轉(zhuǎn)速，當兩轉(zhuǎn)速差達到結合條件，離合器執(zhí)行結合動作，換檔過程全部完成。整個過程電機、發(fā)動機實現(xiàn)了對整車控制器、AMT控制器命令切換的無縫響應。通過對比CANA實際通信數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各消息幀發(fā)送有序、時間間隔固定，滿足TTCAN協(xié)議矩陣的設計內(nèi)容。

5 結論

　　基于AMT并聯(lián)控制系統(tǒng)的CAN通信設計采用雙網(wǎng)絡拓撲結構，根據(jù)通信數(shù)據(jù)實時性要求劃分子網(wǎng)，在兼容傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡拓撲的基礎上，實現(xiàn)電動總成批量數(shù)據(jù)的高速、可靠傳遞。

　　檔位切換與離合控制過程，針對電機、發(fā)動機轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩精準控制與快速響應的要求，建立基于AMT控制器的消息路由機制，確保數(shù)據(jù)直接、高效傳遞，通信連接無縫切換。

　　針對實時通信子網(wǎng)CANA采用時間觸發(fā)式TTCAN協(xié)議設計，制定固定時序的消息發(fā)送策略，實行連接異常出現(xiàn)后的同步失效控制，確保網(wǎng)絡通信可靠、靈活。

參考文獻

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