AMT混合動(dòng)力客車(chē)VCU和TCU的控制分析

呂志榕

（廈門(mén)市福工動(dòng)力技術(shù)有限公司，福建廈門(mén)361003）

AMT混合動(dòng)力客車(chē)VCU和TCU的控制分析

呂志榕

（廈門(mén)市福工動(dòng)力技術(shù)有限公司，福建廈門(mén)361003）

對(duì)匹配AMT的混合動(dòng)力客車(chē)，分析整車(chē)控制器VCU和變速器控制器TCU的控制原理，并針對(duì)不同的控制方式進(jìn)行硬件接口和失效風(fēng)險(xiǎn)分析及性能評(píng)估，得出VCU作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制主體是最優(yōu)方案，其安全性、可靠性、穩(wěn)定性最佳。

混合動(dòng)力客車(chē)；整車(chē)控制器；機(jī)械式自動(dòng)變速器；變速器控制器；控制策略

隨著新能源客車(chē)市場(chǎng)的不斷推廣，混合動(dòng)力城市客車(chē)使用的工況要求越來(lái)越高，混合動(dòng)力客車(chē)從直驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展到匹配AMT系統(tǒng)，工況的適應(yīng)性需求更強(qiáng)，控制系統(tǒng)及控制策略也越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)電驅(qū)動(dòng)特殊危險(xiǎn)方面的功能安全措施和故障防護(hù)提出了具體要求［1-2］?？刂撇呗宰鳛榛旌蟿?dòng)力客車(chē)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力分配的核心，直接影響車(chē)輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性?？刂撇呗源_定之前需要確定整車(chē)的控制系統(tǒng)架構(gòu)，確定系統(tǒng)架構(gòu)之后，合理地對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分工控制，才能確保整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性［3-4］。

1　 VCU和TCU的三種控制方式

整車(chē)控制器（VCU）是實(shí)現(xiàn)整車(chē)控制策略的核心電子控制單元，通過(guò)采集整車(chē)各個(gè)部件的信號(hào)，判斷駕駛員的駕駛意圖，運(yùn)用合理的控制算法，對(duì)各個(gè)部件做出相應(yīng)的控制指令，包含驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制指令，并且通過(guò)對(duì)各個(gè)信號(hào)的采集，判斷各個(gè)部件的工作狀態(tài)，對(duì)各個(gè)部件的故障進(jìn)行保護(hù)和處理。變速器控制器（TCU）是實(shí)現(xiàn)變速器換檔控制的核心控制單元，通過(guò)采集傳感器的信號(hào)，對(duì)AMT的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，完成變速器的控制及保護(hù)?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

VCU在整車(chē)正常行車(chē)過(guò)程中，與電機(jī)控制器MCU進(jìn)行指令交互，以控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)及再生制動(dòng)；與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECU進(jìn)行指令交互，以控制發(fā)動(dòng)機(jī)介入工作，實(shí)現(xiàn)混合驅(qū)動(dòng)；對(duì)離合器進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)模式、混合動(dòng)力模式的工作模式切換；對(duì)TCU進(jìn)行指令交互，以完成選換檔工作。TCU在換檔過(guò)程中，對(duì)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，與MCU和ECU進(jìn)行指令交互，同時(shí)還控制離合器。VCU和TCU的控制有很多交叉，為了整個(gè)系統(tǒng)可靠性，避免冗余設(shè)計(jì)，需要設(shè)計(jì)更合理的系統(tǒng)控制方案。VCU和TCU主要有以下三種控制方式。

1.1 VCU主控TCU輔控

VCU作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制主體，TCU只對(duì)AMT的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行直接操作，VCU直接控制ECU、離合器和MCU。對(duì)VCU設(shè)計(jì)合理的算法，通過(guò)采集整車(chē)信號(hào)，設(shè)計(jì)整車(chē)行駛策略，包括換檔策略。TCU在換檔過(guò)程中，與VCU進(jìn)行指令交互，VCU根據(jù)TCU的需求對(duì)ECU和MCU發(fā)送指令，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的轉(zhuǎn)速及扭矩變化。詳細(xì)功能分配如表1所示，控制示意框圖如圖2所示。

表1　 VCU主控功能分配表

圖2　 VCU主控框圖

1.2 VCU和TCU協(xié)同控制

VCU和TCU協(xié)同控制，即VCU和TCU各自控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的部分重要部件。VCU和ECU進(jìn)行指令交互，控制發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器；TCU和MCU進(jìn)行指令交互，控制電機(jī)和AMT的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在非換檔狀態(tài)下行車(chē)時(shí)，VCU通過(guò)采集整車(chē)信號(hào)，進(jìn)行合理的算法處理，對(duì)ECU進(jìn)行直接指令交互，控制發(fā)動(dòng)機(jī)和離合器。VCU通過(guò)和TCU的指令交互，間接的控制電機(jī)。在換檔時(shí)，TCU直接和MCU進(jìn)行指令交互，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，控制AMT的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。詳細(xì)功能分配如表2所示，控制示意框圖如圖3所示。

表2　 VCU和TCU協(xié)同控制功能分配表

圖3　 VCU和TCU協(xié)同控制框圖

1.3 TCU主控VCU輔控

TCU作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的主體，VCU只做常規(guī)行車(chē)時(shí)的策略控制，不直接與ECU和MCU進(jìn)行指令交互。TCU直接與ECU和MCU進(jìn)行指令交互，從而直接控制發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和離合器，并且實(shí)施換檔策略控制，提高換檔效率。正常行車(chē)時(shí)，VCU通過(guò)和TCU進(jìn)行指令交互，間接地給ECU和MCU發(fā)送指令。詳細(xì)功能分配如下:TCU功能——控制AMT的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采集后橋轉(zhuǎn)速；換檔控制策略；離合器控制；失效模式控制；控制發(fā)動(dòng)機(jī)；MCU控制。VCU功能——常規(guī)行車(chē)策略控制和失效模式控制?？刂剖疽饪驁D如圖4所示。

圖4　 TCU主控框圖

2　硬件接口及失效風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1硬件接口分析

以四檔AMT為例，TCU的執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要兩個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)和兩個(gè)位置傳感器完成選換檔動(dòng)作。三種控制方式的TCU硬件接口設(shè)計(jì)需求見(jiàn)表3。可以看出，當(dāng)TCU主控VCU輔控時(shí)，TCU需要較多的控制模塊，并對(duì)硬件的設(shè)計(jì)要求較高，大大增加了TCU控制板的功能復(fù)雜度。相比而言，VCU主控和VCU與TCU協(xié)同控制，就需要較少的硬件接口，但后兩者并無(wú)太大差別［5-7］。

2.2失效風(fēng)險(xiǎn)分析

VCU和TCU都是整車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心控制器，為了保障整車(chē)的安全，如果出現(xiàn)單一控制器故障時(shí)，另一個(gè)控制器只有能夠有效地執(zhí)行故障處理，保護(hù)整車(chē)安全，才能更有效地控制系統(tǒng)的失效風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)三種模式的失效風(fēng)險(xiǎn)分析如下:

表3　 TCU基本硬件接口需求

1）VCU主控TCU輔控。VCU硬件故障或者程序跑飛，而TCU無(wú)故障時(shí)，可以控制AMT空檔，保證車(chē)輛不會(huì)出現(xiàn)異常行車(chē)，并且可以達(dá)到停車(chē)保護(hù)的效果。TCU硬件故障或者程序跑飛，而VCU無(wú)故障時(shí)，可以控制電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行停機(jī)處理，保證車(chē)輛不會(huì)出現(xiàn)異常行車(chē)，并且可以達(dá)到停車(chē)保護(hù)的效果。

2）VCU和TCU協(xié)同控制。VCU硬件故障或者程序跑飛，而TCU無(wú)故障時(shí)，可以控制AMT空檔，保證車(chē)輛不會(huì)出現(xiàn)異常行車(chē)，并且可以達(dá)到停車(chē)保護(hù)的效果。TCU硬件故障或者程序跑飛，而VCU無(wú)故障時(shí)，TCU可能會(huì)向MCU發(fā)送錯(cuò)誤指令，導(dǎo)致車(chē)輛異常行駛，但是VCU可以控制離合器不工作，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，可以一定范圍的控制事故危險(xiǎn)。

3）TCU主控VCU輔控。VCU硬件故障或者程序跑飛，而TCU無(wú)故障時(shí)，可以控制AMT空檔，保證車(chē)輛不會(huì)出現(xiàn)異常行車(chē)，并且可以達(dá)到停車(chē)保護(hù)的效果。TCU硬件故障或者程序跑飛，而VCU無(wú)故障時(shí)，TCU可能會(huì)向MCU、ECU發(fā)送錯(cuò)誤指令，對(duì)離合器進(jìn)行錯(cuò)誤控制，導(dǎo)致車(chē)輛異常行駛，可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故。

2.3三種控制方式的性能評(píng)估

車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中，分成兩個(gè)狀態(tài)，一個(gè)是換檔狀態(tài)，一個(gè)是常規(guī)行車(chē)狀態(tài)。以上兩個(gè)狀態(tài)，需要保證各個(gè)部件的執(zhí)行效率高，才能保證整車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的性能和舒適性最高。

換檔狀態(tài)下，換檔時(shí)間越短，動(dòng)力（發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)）響應(yīng)效率越高，整車(chē)的換檔動(dòng)力中斷越小，整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行效率越高，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性就越好。由于TCU直接控制換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此，以TCU為主控時(shí)，換檔各部件之間動(dòng)力響應(yīng)時(shí)間最短，系統(tǒng)執(zhí)行效率最高，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性最好；TCU與VCU協(xié)同控制時(shí)次之；以VCU為主控時(shí)最差。

常規(guī)行車(chē)狀態(tài)下，整車(chē)控制主要考慮整車(chē)的動(dòng)力響應(yīng)。動(dòng)力響應(yīng)效率越高，整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行效率越高，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性就越好。常規(guī)行車(chē)時(shí)，VCU是整車(chē)控制的核心，以VCU為主控時(shí)，整車(chē)動(dòng)力響應(yīng)效率最高，系統(tǒng)執(zhí)行效率最高，動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性最佳；TCU與VCU協(xié)同控制時(shí)次之，以TCU為主控時(shí)最差。

從系統(tǒng)的可維護(hù)性來(lái)講，以TCU為主控時(shí)負(fù)責(zé)功能較多，需要硬件接口繁多，可維護(hù)性最差；TCU與VCU協(xié)同控制時(shí)稍好；以VCU為主控時(shí)最優(yōu)。

三種控制方式的性能評(píng)估如表4所示。另外，車(chē)型運(yùn)行首先要確保安全性及穩(wěn)定性，而以VCU為主控是最安全穩(wěn)定的硬件控制方案。此外，由于車(chē)輛在行車(chē)過(guò)程中多數(shù)處于常規(guī)行車(chē)狀態(tài)，所以從整個(gè)行車(chē)過(guò)程來(lái)講，以VCU為主控方式的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性綜合性能也相對(duì)較好［8］。

表4　三種控制方式的性能評(píng)估表

3　結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多方面的分析，匹配AMT的混合動(dòng)力客車(chē)，VCU作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制主體是最優(yōu)方案，其安全性、可靠性、穩(wěn)定性最佳。

［1］中華人民共和國(guó)公安部.關(guān)于2005年全國(guó)道路交通安全情況的通報(bào)［ED/OL］.（2006-02-11）［2016-03-02］.http://www.mps .gov.cn/n2254098/n2254143/n2254145/c4158834/content.htm l.

［2］全國(guó)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).電動(dòng)汽車(chē)安全要求第2部分:操作安全和故障防護(hù):GB/T 18384.2-2015［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015:5.

［3］Gao JP，Zhu GM G，Strangas EG，etal.Equivalent Fuel consumption Optimal Controlof a Series Hybrid Electric Vehicle［J］. Journalof AutomobileEngineering，2009，223（8）.

［4］高建平，劉振楠，郭志軍，等.基于組合優(yōu)化算法的混合動(dòng)力客車(chē)控制策略優(yōu)化［J］.客車(chē)技術(shù)與研究，2013，35（6）:1-4.

［5］朱玉龍.汽車(chē)電子硬件設(shè)計(jì)［M］.北京:航空航天大學(xué)出版社，2011.10.

［6］陰曉峰，譚晶星，雷雨龍，等.軟件容錯(cuò)技術(shù)在AMT控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用［J］.汽車(chē)工程，2004（1）:85-89.

［7］李亞南，鄧濤等.基于OSEK/VDX嵌入式操作系統(tǒng)的AMT TCU軟件設(shè)計(jì)［J］.軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2015（12）.

［8］張會(huì)群，趙立宏等.全電AMT升擋與發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)調(diào)控制研究［J］.電源技術(shù)，2015（1）:130-132.

修改稿日期:2016-05-04

ControlAnalysison VCU and TCU of Hybrid City Busw ith AM T

Lv Zhirong
（Xiamen Fugong EV Tech Co.，Ltd，Xiamen 361003，China）

The author analyzes the controlmechanism of the vehicle controller unit（VCU）and transmission controller unit（TCU）for the hybrid city busmatchingwith AMT，then he aimsat the different kindsof controlmode to analyze thehardware interfacesand failure risksand evaluates their performances.Lasthegivesa result thatVCU is the optimal solution to the controlmain-partof the drive system，and its safety，reliability，stability are the best.

hybrid bus；VCU；AMT；TCU；controlstrategy

U463.212

B

1006-3331（2016）05-0042-03

呂志榕（1988-），男，軟件工程師；研究方向:混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)控制。