摘  要： 針對(duì)AMT并聯(lián)混合動(dòng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)性通信解決方案。該方案構(gòu)建了基于AMT控制器“路由”轉(zhuǎn)發(fā)的消息系統(tǒng),，設(shè)計(jì)了符合TTCAN協(xié)議內(nèi)容的消息時(shí)間觸發(fā)機(jī)制,，能夠滿(mǎn)足換檔過(guò)程整車(chē)控制器、AMT控制器,、電機(jī)控制器,、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU之間數(shù)據(jù)通信的高實(shí)時(shí)性要求，實(shí)現(xiàn)整車(chē)控制器與AMT控制器命令的無(wú)縫集成,，建立持續(xù)可靠的通信連接,。

　　關(guān)鍵詞： AMT并聯(lián)混合動(dòng)力；整車(chē)控制器,；AMT控制器,；TTCAN

0 引言

　　隨著能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題的日益突出，國(guó)家對(duì)于新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的扶持力度逐步加大,，混合動(dòng)力作為新能源汽車(chē)的重要組成部分,，吸引了不少企業(yè)與機(jī)構(gòu)的加入。電控機(jī)械式自動(dòng)變速箱（Automated Mechanical Transmission,，AMT）并聯(lián)混合動(dòng)力以其良好的操作性與相對(duì)低廉的價(jià)格,，從眾多混合動(dòng)力車(chē)型中脫穎而出，在多個(gè)城市得到應(yīng)用,。

　　AMT混合動(dòng)力包含直連式,、角傳動(dòng)等多種結(jié)構(gòu)，直連式系統(tǒng)由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)位于變速箱輸入側(cè),，功率配置較大,，可直接進(jìn)行電機(jī)低速驅(qū)動(dòng)，制動(dòng)回收效果好,，成本控制與經(jīng)濟(jì)性效應(yīng)明顯,。

　　與傳統(tǒng)AMT車(chē)輛相比，直連式混合動(dòng)力系統(tǒng)更加復(fù)雜,，變速器檔位切換與離合控制過(guò)程涉及的部件更多,，需要頻繁地使用整車(chē)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）進(jìn)行通信,，數(shù)據(jù)交互量大,，實(shí)時(shí)性要求高。為確保整車(chē)通信安全,、可靠,，選擇較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與交互方式顯得尤為重要。

1 AMT車(chē)輛結(jié)構(gòu)

　　直連式AMT并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)鏈同軸耦合，由發(fā)動(dòng)機(jī),、電控離合器,、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、AMT變速器組成,，支持電機(jī)直驅(qū),、發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)以及混合驅(qū)動(dòng)3種工作模式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

　　低速階段,，電機(jī)進(jìn)行直驅(qū)；當(dāng)速度上升或電壓不足時(shí),，離合器結(jié)合,，發(fā)動(dòng)機(jī)參與驅(qū)動(dòng)。整車(chē)控制器負(fù)責(zé)電機(jī)/發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力分配,；AMT控制器負(fù)責(zé)車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程的檔位切換與離合控制,。因此AMT并聯(lián)系統(tǒng)需要構(gòu)建基于整車(chē)控制器（Vehicle Control Unit，VCU）與自動(dòng)變速箱控制器（Transmission Control Unit,，TCU,，即AMT控制器）的混合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

2 CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　AMT并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)是基于CAN總線構(gòu)建的整車(chē)網(wǎng)絡(luò),。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(luò)安全性、通信可靠性和實(shí)時(shí)性,，簡(jiǎn)單實(shí)用,，網(wǎng)絡(luò)成本低，特別適用于汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度低劣,、電磁輻射強(qiáng)和震動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境[1],。

　　AMT并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)中的CAN通信設(shè)備包括整車(chē)控制器、電機(jī)控制器,、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU（Electronic Control Unit,，汽車(chē)專(zhuān)用控制器）、AMT控制器,、超級(jí)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(cè)裝置等也可能集成CAN通信功能，具體視車(chē)輛配置而定,。

　　整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)波特率設(shè)定為250 kb/s,，為避免總線負(fù)荷率過(guò)高，需要針對(duì)不同通信任務(wù)指定不同級(jí)別的通信周期。整車(chē)控制器,、電機(jī)控制器,、AMT控制器的通信任務(wù)影響車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)與駕駛安全，實(shí)時(shí)性要求最高,；發(fā)動(dòng)機(jī)ECU消息遵循SAE J1939協(xié)議,；儀表主要接收數(shù)據(jù)；超級(jí)電容或電池管理系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行維護(hù),，實(shí)時(shí)性要求一般,，但消息數(shù)量大。

　　整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮對(duì)傳統(tǒng)車(chē)輛CAN結(jié)構(gòu)的兼容性,，如發(fā)動(dòng)機(jī)ECU與儀表應(yīng)處于相同的通信子網(wǎng),。

　　整車(chē)控制器、AMT控制器既參與電機(jī)控制,，也存在與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的交互,，為減少路由導(dǎo)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(dòng)力系統(tǒng)采用CAN雙網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包含CANA和CANB 2個(gè)子網(wǎng),，如圖2所示,。CANA由實(shí)時(shí)性要求較高的通信設(shè)備構(gòu)成，包括整車(chē)控制器,、電機(jī)控制器以及AMT控制器,；CANB包含傳統(tǒng)部件如發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、儀表等,，也包括通信實(shí)時(shí)性要求不高的管理系統(tǒng),。由于整車(chē)控制器、AMT控制器存在與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的通信,，因此也連接到CANB子網(wǎng),。

　　對(duì)于AMT并聯(lián)控制系統(tǒng)，動(dòng)力性,、經(jīng)濟(jì)性與換檔平順性是衡量車(chē)輛性能的重要指標(biāo),。整車(chē)控制器根據(jù)整車(chē)電量、當(dāng)前檔位,、部件狀態(tài)等參數(shù)決定當(dāng)前車(chē)輛是工作在純電驅(qū)動(dòng)模式還是并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式,，不同模式下的整車(chē)需求扭矩由整車(chē)控制器根據(jù)司機(jī)踏板深度、當(dāng)前檔位速比進(jìn)行換算,，并最終由電機(jī)控制器,、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU執(zhí)行。

　　純電驅(qū)動(dòng)模式下，整車(chē)控制器建立與電機(jī)的通信連接,，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛加速,、制動(dòng)等駕駛需求；檔位切換過(guò)程中,，AMT控制器對(duì)變速箱前后端轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié),，需要短暫剝奪整車(chē)控制器對(duì)電機(jī)控制器的通信能力，以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)檔位快速切換,。這樣整車(chē)控制器到電機(jī)控制器,，AMT控制器到電機(jī)控制器的通信會(huì)存在“建立-斷開(kāi)”的過(guò)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(huì)增大通信連接的滯后時(shí)間，增加通信協(xié)議的復(fù)雜程度,，也不利于通信狀態(tài)的檢測(cè),。為此，建立基于AMT控制器“路由”的通信方式,，整車(chē)控制器到電機(jī)控制器的消息并不直接發(fā)送,，而是通過(guò)AMT控制器進(jìn)行地址修改與路由轉(zhuǎn)發(fā)。如圖3所示,。如果當(dāng)前沒(méi)有進(jìn)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(dāng)前正在進(jìn)行換檔同步,，AMT控制器修改電機(jī)工作模式為轉(zhuǎn)速控制,，添加目標(biāo)轉(zhuǎn)速等參數(shù)到消息，然后再進(jìn)行發(fā)送,。整個(gè)過(guò)程整車(chē)控制器到AMT控制器,、AMT控制器到電機(jī)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(guò)程的可靠性,。

　　并聯(lián)驅(qū)動(dòng)模式下，整車(chē)控制器建立與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的通信,，確保發(fā)動(dòng)機(jī)工作在油門(mén)控制模式,，目標(biāo)扭矩通過(guò)轉(zhuǎn)換成油門(mén)信號(hào)發(fā)送給ECU。換檔過(guò)程中,，需要進(jìn)行離合控制,，AMT控制器剝奪整車(chē)控制器對(duì)ECU的通信能力，控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速控制模式,，實(shí)現(xiàn)離合控制過(guò)程的調(diào)扭,、轉(zhuǎn)速同步等功能,，因此整車(chē)控制器、AMT控制器與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU之間的通信連接也存在“建立-斷開(kāi)”的過(guò)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(chē)控制器到發(fā)動(dòng)機(jī)ECU的消息由AMT控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),，離合時(shí)由AMT修改相關(guān)控制命令與參數(shù)，實(shí)現(xiàn)通信連接的無(wú)縫切換,。

3 TTCAN通信協(xié)議設(shè)計(jì)

　　檔位切換與離合控制過(guò)程中,，整車(chē)CANA網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)性要求較高，AMT并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)采用基于時(shí)間觸發(fā)的TTCAN通信協(xié)議設(shè)計(jì),，可提高網(wǎng)絡(luò)通信效率,，降低總線峰值負(fù)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(chǔ)之上的高層協(xié)議,，對(duì)網(wǎng)絡(luò)上所有CAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)序同步，并提供了全局系統(tǒng)時(shí)間,。所有節(jié)點(diǎn)同步以后,，任何消息都只能在特定時(shí)間段內(nèi)發(fā)送，不需要與其他消息進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)[1],。

　　整車(chē)CANA網(wǎng)絡(luò)各部件CAN通信芯片不支持TTCAN通信功能,，需要制定符合TTCAN標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議矩陣，從軟件層面實(shí)現(xiàn)通信消息的時(shí)序控制,。

　　整車(chē)CANA網(wǎng)絡(luò)存在的通信消息如表1所示,。

　　整車(chē)CANA網(wǎng)絡(luò)采用擴(kuò)展消息幀格式，有29位標(biāo)識(shí)符,，其數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位場(chǎng)組成,，包括幀起始、仲裁場(chǎng),、控制場(chǎng),、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC場(chǎng),、應(yīng)答場(chǎng)和幀結(jié)束,。

　　為滿(mǎn)足周期型消息幀的傳遞，采用TTCAN協(xié)議的每個(gè)獨(dú)立的消息幀需要占用的最小時(shí)長(zhǎng)w按下式計(jì)算[2-3]：

　　w=tTX_EN+ti+Cj（1）

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

　　其中，dj為消息幀的數(shù)據(jù)場(chǎng)字節(jié)長(zhǎng)度,。

　　整車(chē)CAN網(wǎng)絡(luò)通信速率為250 kb/s,，每個(gè)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(shí)間段建立TTCAN協(xié)議矩陣,，10個(gè)時(shí)間段構(gòu)成1個(gè)循環(huán)周期，所有消息幀的發(fā)送順序和時(shí)間間隔如圖5所示,。

　　對(duì)于整車(chē)控制器,，發(fā)送完參考消息幀后，啟動(dòng)時(shí)間計(jì)數(shù),，當(dāng)計(jì)數(shù)周期到達(dá)時(shí)間間隔時(shí),，發(fā)送對(duì)應(yīng)幀；對(duì)于電機(jī)控制器和AMT控制器,，接收到整車(chē)控制器發(fā)送的參考消息幀后,，啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)時(shí)達(dá)到時(shí)間間隔,，發(fā)送對(duì)應(yīng)幀,。

　　由于內(nèi)部時(shí)鐘電路的不一致性以及時(shí)鐘漂移等影響，導(dǎo)致整車(chē)控制器,、電機(jī)控制器與AMT控制器對(duì)于時(shí)間段長(zhǎng)度的“認(rèn)定”存在差別,，需要進(jìn)行時(shí)間單元比率的修正，修正公式如下：

　　式中,，tref為電機(jī)控制器接收到相鄰兩個(gè)參考消息幀的時(shí)間間隔,，tclock為電機(jī)控制器按照其時(shí)鐘定義計(jì)算的單個(gè)時(shí)間段長(zhǎng)度。AMT控制器時(shí)間單元比率計(jì)算類(lèi)似,。

　　電機(jī)控制器,、AMT控制器需要設(shè)置同步失效時(shí)間：

　　tsyn=（2~3）tref（4）

　　如果電機(jī)控制器、AMT控制器超出此時(shí)間長(zhǎng)度仍未檢測(cè)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(dòng)切換至TTCAN協(xié)議發(fā)送,。電機(jī)控制器,、AMT控制器的詳細(xì)處理流程如圖6。

4 應(yīng)用實(shí)例

　　基于AMT并聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行通信連接與可靠性測(cè)試,，采集檔位切換與離合控制過(guò)程電機(jī),、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/扭矩等相關(guān)信息，繪制如圖7所示曲線,。

　　此時(shí)AMT并聯(lián)混合動(dòng)力客車(chē)處于并聯(lián)工作模式,。由圖7可知,，檔位切換過(guò)程中，AMT控制器獲得電機(jī)控制權(quán)限,，電機(jī)不再響應(yīng)整車(chē)控制器發(fā)送的目標(biāo)扭矩命令,，AMT控制器控制電機(jī)降扭、同步轉(zhuǎn)速,；離合控制過(guò)程中,，AMT控制器獲得發(fā)動(dòng)機(jī)控制權(quán)限，發(fā)動(dòng)機(jī)不再響應(yīng)整車(chē)控制器油門(mén)命令,，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU工作在轉(zhuǎn)速控制模式，響應(yīng)AMT控制器發(fā)送的目標(biāo)轉(zhuǎn)速,，實(shí)際轉(zhuǎn)速逐步逼近目標(biāo)轉(zhuǎn)速,，當(dāng)兩轉(zhuǎn)速差達(dá)到結(jié)合條件，離合器執(zhí)行結(jié)合動(dòng)作,，換檔過(guò)程全部完成,。整個(gè)過(guò)程電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)整車(chē)控制器,、AMT控制器命令切換的無(wú)縫響應(yīng),。通過(guò)對(duì)比CANA實(shí)際通信數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各消息幀發(fā)送有序,、時(shí)間間隔固定,，滿(mǎn)足TTCAN協(xié)議矩陣的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

5 結(jié)論

　　基于AMT并聯(lián)控制系統(tǒng)的CAN通信設(shè)計(jì)采用雙網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，根據(jù)通信數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求劃分子網(wǎng),，在兼容傳統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞幕A(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)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(guò)程，針對(duì)電機(jī),、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩精準(zhǔn)控制與快速響應(yīng)的要求,，建立基于AMT控制器的消息路由機(jī)制，確保數(shù)據(jù)直接,、高效傳遞,，通信連接無(wú)縫切換。

　　針對(duì)實(shí)時(shí)通信子網(wǎng)CANA采用時(shí)間觸發(fā)式TTCAN協(xié)議設(shè)計(jì),，制定固定時(shí)序的消息發(fā)送策略,，實(shí)行連接異常出現(xiàn)后的同步失效控制，確保網(wǎng)絡(luò)通信可靠,、靈活,。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 羅峰,，孫澤昌.汽車(chē)CAN總線系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

　　[2] 林凱,，羅禹貢,，李克強(qiáng).混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)TTCAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007,，23（32）：267-268.

　　[3] 孫國(guó)良,，耿慶波，李?？?TTCAN在分布式客房控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].控制工程,，2010，17（9）：49-51.