基于AMT并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的CAN通信設(shè)計*

宋超，席力克，羅銳，謝勇波，朱田，文健峰，王文明

（湖南南車時代電動汽車股份有限公司，湖南株洲412007）

基于AMT并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的CAN通信設(shè)計*

宋超，席力克，羅銳，謝勇波，朱田，文健峰，王文明

（湖南南車時代電動汽車股份有限公司，湖南株洲412007）

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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實時性通信解決方案。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)計了符合TTCAN協(xié)議內(nèi)容的消息時間觸發(fā)機(jī)制，能夠滿足換檔過程整車控制器、AMT控制器、電機(jī)控制器、發(fā)動機(jī)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。

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(jī)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(jī)構(gòu)的加入。電控機(jī)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(yīng)用。

AMT混合動力包含直連式、角傳動等多種結(jié)構(gòu)，直連式系統(tǒng)由于驅(qū)動電機(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，制動回收效果好，成本控制與經(jīng)濟(jì)性效應(yīng)明顯。

與傳統(tǒng)AMT車輛相比，直連式混合動力系統(tǒng)更加復(fù)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(luò)（Controller Area Network，CAN）進(jìn)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(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計與交互方式顯得尤為重要。

1 AMT車輛結(jié)構(gòu)

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(jī)、電控離合器、驅(qū)動電機(jī)、AMT變速器組成，支持電機(jī)直驅(qū)、發(fā)動機(jī)直驅(qū)以及混合驅(qū)動3種工作模式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 AMT并聯(lián)混合動力系統(tǒng)機(jī)電耦合結(jié)構(gòu)

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，離合器結(jié)合，發(fā)動機(jī)參與驅(qū)動。整車控制器負(fù)責(zé)電機(jī)/發(fā)動機(jī)的動力分配；AMT控制器負(fù)責(zé)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(gòu)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(luò)控制系統(tǒng)。

2 CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

AMT并聯(lián)混合動力系統(tǒng)是基于CAN總線構(gòu)建的整車網(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、通信可靠性和實時性，簡單實用，網(wǎng)絡(luò)成本低，特別適用于汽車計算機(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(shè)備包括整車控制器、電機(jī)控制器、發(fā)動機(jī)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(luò)波特率設(shè)定為250 kb/s，為避免總線負(fù)荷率過高，需要針對不同通信任務(wù)指定不同級別的通信周期。整車控制器、電機(jī)控制器、AMT控制器的通信任務(wù)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(jī)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(jìn)行維護(hù)，實時性要求一般，但消息數(shù)量大。

整車CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計應(yīng)考慮對傳統(tǒng)車輛CAN結(jié)構(gòu)的兼容性，如發(fā)動機(jī)ECU與儀表應(yīng)處于相同的通信子網(wǎng)。

整車控制器、AMT控制器既參與電機(jī)控制，也存在與發(fā)動機(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個子網(wǎng)，如圖2所示。CANA由實時性要求較高的通信設(shè)備構(gòu)成，包括整車控制器、電機(jī)控制器以及AMT控制器；CANB包含傳統(tǒng)部件如發(fā)動機(jī)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(jī)ECU的通信，因此也連接到CANB子網(wǎng)。

圖2 整車CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

對于AMT并聯(lián)控制系統(tǒng)，動力性、經(jīng)濟(jì)性與換檔平順性是衡量車輛性能的重要指標(biāo)。整車控制器根據(jù)整車電量、當(dāng)前檔位、部件狀態(tài)等參數(shù)決定當(dāng)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(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)動機(jī)ECU執(zhí)行。

純電驅(qū)動模式下，整車控制器建立與電機(jī)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(jìn)行調(diào)節(jié)，需要短暫剝奪整車控制器對電機(jī)控制器的通信能力，以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)檔位快速切換。這樣整車控制器到電機(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(fù)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(jī)控制器的消息并不直接發(fā)送，而是通過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。整個過程整車控制器到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，提高連接過程的可靠性。

圖3 換檔過程整車CAN網(wǎng)絡(luò)“路由”

并聯(lián)驅(qū)動模式下，整車控制器建立與發(fā)動機(jī)ECU的通信，確保發(fā)動機(jī)工作在油門控制模式，目標(biāo)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)ECU的消息由AMT控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，離合時由AMT修改相關(guān)控制命令與參數(shù)，實現(xiàn)通信連接的無縫切換。

圖4 離合過程整車CAN網(wǎng)絡(luò)“路由”

3 TTCAN通信協(xié)議設(shè)計

檔位切換與離合控制過程中，整車CANA網(wǎng)絡(luò)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(shè)計，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，對網(wǎng)絡(luò)上所有CAN節(jié)點進(jìn)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(jìn)行競爭[1]。

整車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，從軟件層面實現(xiàn)通信消息的時序控制。

整車CANA網(wǎng)絡(luò)存在的通信消息如表1所示。

表1 整車CANA網(wǎng)絡(luò)通信消息

整車CANA網(wǎng)絡(luò)采用擴(kuò)展消息幀格式，有29位標(biāo)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(yīng)答場和幀結(jié)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]：

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(luò)通信速率為250 kb/s，每個消息幀傳遞至少需要0.6ms。以TCU_C_1為參考消息幀，基于1ms時間段建立TTCAN協(xié)議矩陣，10個時間段構(gòu)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。

圖5 CANA網(wǎng)絡(luò)各消息幀時間觸發(fā)

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(dāng)計數(shù)周期到達(dá)時間間隔時，發(fā)送對應(yīng)幀；對于電機(jī)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(jìn)行計數(shù)，當(dāng)計時達(dá)到時間間隔，發(fā)送對應(yīng)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(dǎo)致整車控制器、電機(jī)控制器與AMT控制器對于時間段長度的“認(rèn)定”存在差別，需要進(jìn)行時間單元比率的修正，修正公式如下：

式中，tref為電機(jī)控制器接收到相鄰兩個參考消息幀的時間間隔，tclock為電機(jī)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(jī)控制器、AMT控制器需要設(shè)置同步失效時間：

如果電機(jī)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(jī)控制器、AMT控制器的詳細(xì)處理流程如圖6。

圖6 TTCAN消息處理機(jī)制

4 應(yīng)用實例

基于AMT并聯(lián)混合動力系統(tǒng)進(jìn)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(jī)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速/扭矩等相關(guān)信息，繪制如圖7所示曲線。

圖7 AMT并聯(lián)混合動力客車換檔過程

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(jī)控制權(quán)限，電機(jī)不再響應(yīng)整車控制器發(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；離合控制過程中，AMT控制器獲得發(fā)動機(jī)控制權(quán)限，發(fā)動機(jī)不再響應(yīng)整車控制器油門命令，發(fā)動機(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)合動作，換檔過程全部完成。整個過程電機(jī)、發(fā)動機(jī)實現(xiàn)了對整車控制器、AMT控制器命令切換的無縫響應(yīng)。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(shè)計內(nèi)容。

5 結(jié)論

基于AMT并聯(lián)控制系統(tǒng)的CAN通信設(shè)計采用雙網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(luò)拓?fù)涞幕A(chǔ)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(jī)、發(fā)動機(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(shè)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(luò)通信可靠、靈活。參考文獻(xiàn)

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

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

[3]孫國良，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.

The CAN communication design based on AMT parallel hybrid system

Song Chao，Xi Like，Luo Rui，Xie Yongbo，Zhu Tian，Wen Jianfeng，Wang Wenming
（Hunan CSR Times Electric Vehicle Co.，Ltd.，Zhuzhou 412007，China）

For AMT parallel hybrid system components and communication performance，a real-time communication solution based on two CAN bus topology structure is proposed.In this solution，the message system based on TCU is constructed，and the message time trigger mechanism which meets the TTCAN protocol content is designed.Finally，the data communication high realtime requirement among VCU，TCU，MCU and ECU is satisfied.The control command integration between VCU and TCU is achieved，and the reliable communication is established.

AMT parallel hybrid system；VCU；TCU；TTCAN

TP273.5

A

1674-7720（2015）13-0059-03

2015-02-02）

宋超（1987-），通信作者，男，碩士，中級工程師，主要研究方向：動力系統(tǒng)匹配與整車控制軟件開發(fā)。E-mail：songchao2@csrzic.com。

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（2011AA11A209）

席力克（1972-），男，碩士，高級工程師，主要研究方向：混合動力與純電動車型開發(fā)。

羅銳（1987-），男，碩士，初級工程師，主要研究方向：整車控制軟件開發(fā)。