胡艷青 閆斌 楊林

（上海交通大學）

基于CCP協議的混合動力公交車遠程優(yōu)化系統(tǒng)研究*

胡艷青 閆斌 楊林

（上海交通大學）

為充分發(fā)揮混合動力汽車在實際道路運行中的節(jié)油減排潛力，需要根據車輛實際使用環(huán)境特點對其整車控制參數進行優(yōu)化標定。開發(fā)了一種穩(wěn)定可靠的車輛遠程優(yōu)化標定系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含車載控制優(yōu)化單元(RCOU)、遠程通訊網絡和控制中心服務器及遠程用戶軟件端等部分。依據車載CAN網絡和GPRS通訊技術，并基于CCP協議的遠程標定控制軟件及通訊協議，制定了遠程通信質量控制策略和車載標定安全控制策略。應用于某混合動力城市公交車的遠程優(yōu)化標定測試結果表明，該系統(tǒng)可實現對混合動力汽車的遠程監(jiān)測和標定優(yōu)化。

1 前言

混合動力汽車的燃油經濟性及排放性能很大程度上取決于整車的控制策略。整車控制策略開發(fā)通常依據各國的標準法規(guī)測試循環(huán)對策略中的控制參數進行標定并固化在整車控制器中[1]。然而，實際環(huán)境中車輛的運行工況復雜多變，車輛出廠時標定的控制參數通常不是實際運行路況下的最優(yōu)控制參數,這就導致混合動力車輛在實際運行中表現出的節(jié)油率低于預期[2]，有時甚至不節(jié)油。已有研究表明，針對公交線路的具體特征進行整車控制優(yōu)化，可顯著降低混合動力公交車的實際油耗[3]。因此，針對城市公交車不同線路工況的特點對混合動力公交車的整車控制參數進行優(yōu)化再標定，成為當前亟待解決的重要問題。

當前，以德國Vector公司為代表的CAN/LIN總線工具[4]是業(yè)界廣泛應用的車輛控制器標定工具，但其價格昂貴且只能用于現場標定。戴喜明等實現了基于GSM技術的車輛狀態(tài)遠程監(jiān)測[5～7]，但無遠程標定功能；謝輝等[8]研究了電動汽車的遠程數據采集及控制器遠程標定系統(tǒng)，但未給出標定的實現方法，且操作不靈活，對通訊穩(wěn)定性要求高。

本文建立了一套完整的混合動力公交車遠程監(jiān)測及控制優(yōu)化系統(tǒng)，使混合動力公交車能夠更快地適應其實際使用環(huán)境，充分發(fā)揮其節(jié)能減排的潛力。

2 遠程優(yōu)化系統(tǒng)結構及原理

2.1 系統(tǒng)結構

混合動力汽車整車控制器（Hybrid Control Unit，HCU）負責完成整車控制、協調各子系統(tǒng)控制器并執(zhí)行整車的能量管理和故障處理。HCU與各主要子系統(tǒng)通過CAN通訊網絡進行通訊。整車CAN網絡主要包括混合動力汽車整車控制器（HCU）、發(fā)動機控制器（ECU）、電機控制器（DMCM）、電池控制系統(tǒng)（BMS）、變速器控制單元（TCU）、整車儀表顯示控制單元、制動防抱死控制單元（ABS）等節(jié)點。混合動力系統(tǒng)的結構及CAN網絡拓撲如圖1所示。

為實現對車輛在各種實際線路運行數據的有效監(jiān)測和安全可靠的標定，增強系統(tǒng)應用的便利性，開發(fā)了專門的車載遠程控制優(yōu)化單元RCOU（Remote Control Optimization Unit），并構建了混合動力城市公交遠程優(yōu)化系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)由車載RCOU、GPRS網絡、Internet網絡和控制中心服務器、遠程用戶軟件端等5部分構成。

2.2 系統(tǒng)工作原理

車載RCOU通過CAN通訊接口從整車CAN網絡獲取并存儲當前車輛的運行狀態(tài)及各子系統(tǒng)的信息，如電池荷電狀態(tài)SOC、當前車速、駕駛員需求功率、電機狀態(tài)等。上述信息進行打包后通過GPRS模塊遠程發(fā)送到GPRS網絡，然后通過GGSN（Gateway GPRS Support Node）到達Internet網上的控制中心，并由控制中心實時進行數據解析和存儲，實現對車輛的遠程監(jiān)控。標定人員可通過Internet登陸控制中心進行數據查詢下載以及在線分析。RCOU自帶外擴數據緩存區(qū)，可將未能及時上傳的數據緩存以待后續(xù)上傳，保證了監(jiān)測數據的完整性。

控制優(yōu)化及標定工程師可通過遠程優(yōu)化控制軟件終端獲取遠程監(jiān)測的線路運行數據，分析線路特征及整車運行狀態(tài)并得到優(yōu)化后的整車控制參數及相應標定值，再通過遠程優(yōu)化控制軟件終端（用戶PC軟件終端），或直接通過控制中心將優(yōu)化后的控制參數值按預定義的遠程標定通訊控制協議，通過Internet和GPRS網絡傳遞給車載RCOU。

RCOU通過協議解析獲取并緩存待標定數據及遠程控制指令信息，結合由CAN網絡獲取的車輛運行狀態(tài)，基于標定安全控制策略進行安全性及合理性判斷。當確認標定操作安全后，通過基于CCP協議開發(fā)的標定控制程序，以RCOU作為上位機，利用CAN通訊對HCU進行標定，完成標定校核和Flash刷寫控制等，并將操作結果反饋給控制中心及用戶軟件端。用戶通過用戶端界面軟件及密鑰，利用Internet即可實現對混合動力車輛的遠程監(jiān)控和標定操作。

3 車載RCOU研發(fā)及通訊控制

RCOU作為車載優(yōu)化標定的控制單元，為遠程監(jiān)測標定人員與車輛主控制器之間建立穩(wěn)定可靠的通訊連接，并能實現對車輛運行狀態(tài)信息的遠程監(jiān)測和對整車控制器HCU的遠程標定控制功能。

3.1 車載RCOU硬件設計

RCOU主要由微控制器（MCU）、GPRS模塊、電源模塊、晶振模塊、狀態(tài)指示燈等組成，其硬件結構和實物見圖3和圖4。

RCOU通過CAN線接入整車CAN網絡，完成與HCU之間的交互及對整車運行狀態(tài)的獲取。RCOU通過自身GPRS模塊實現基于Internet的網絡互聯，完成用戶端的標定操作與信息傳遞。在車輛停運時關閉GPRS模塊，RCOU主控芯片處于休眠模式，系統(tǒng)功耗極低。在車輛正常起動運行時喚醒系統(tǒng)，從而保證系統(tǒng)在車輛運行期間實時在線。

3.2 GPRS遠程通訊控制

由控制中心通過TCP/IP數據包解析獲取標定人員發(fā)出的標定指令和標定數據包，按照GPRS網絡傳輸要求對數據包進行拆分封裝，其數據幀結構如圖5所示。

GPRS數據幀各段定義及描述如表1所列。參考CCP協議，在“數據區(qū)”內放置遠程標定指令及標定數據包，包括RAM標定指令、Flash標定指令、標定執(zhí)行結果反饋指令等。這些操作指令對應的標定數據的放置結構同CCP協議一致，此處不再贅述。

表1 GPRS通訊數據幀字段定義

在非標定模式下，RCOU以固定的周期按預定義的監(jiān)測量數據組織結構，利用GPRS網絡將監(jiān)測的整車狀態(tài)及運行信息進行上傳。在發(fā)送數據包時，可控量是指發(fā)送周期T和報文長度L。根據文獻[8]的研究，在一定范圍內，定報文長度下發(fā)送周期T越長，通訊品質越好；在一定發(fā)送周期T下，報文長度L越短則通訊品質越好。由于所設計的RCOU具備數據緩存能力，本文設計的在線遠程優(yōu)化標定對通訊的實時性和速率要求比遠程控制器編程要寬松很多。據此提出了一種簡化的通訊自適應控制算法，即通過預先進行的通訊測試設定一個較優(yōu)的通訊周期Topt，固定通訊周期后根據當前數據傳輸品質的優(yōu)劣，線性地自動調整報文長度。該方法簡單易實現，可在實際使用中保證通訊的穩(wěn)定性。

4 基于CCP協議的遠程標定

4.1 標定數據的組織結構和存儲設計

4.1.1 車輛信息描述文件

每輛裝備了RCOU的混合動力公交車具有唯一的車輛ID?？蛻舳藶槊枯v待優(yōu)化車輛建立相應的數據記錄文件，包括車輛ID、車輛描述信息、標定變量Map文件、標定變量值Hex文件、歷史標定操作記錄等。根據這些信息再結合車輛的動力配置、所在城市、運行線路等，實現對車輛的綜合描述。

4.1.2 標定變量Map文件

建立整車控制標定Map數據庫，其保存了當前車輛上標定數據區(qū)所有標定變量信息，包括變量名、數據類型、數據長度、在車載控制器Flash中的存儲地址及RAM映射區(qū)的對應地址。Map文件負責描述待標定控制器中的標定變量，為基于CCP協議的標定提供支持，Map文件格式如表2所列。

表2 標定變量Map文件格式

4.1.3 標定變量值Hex文件

采用Hex格式文件存儲車輛控制器中可標定參數的地址和值，與Map文件通過標定變量的存儲地址進行關聯，在標定過程中顯示車輛控制器中該標定變量的實際值，并在每次標定完成后實時更新Hex文件中對應變量值。

4.1.4 ASAP2標準的標定數據描述文件

ASAP2標準的目的是定義一個獨立于計算機硬件、操作系統(tǒng)和生產商的標定信息數據庫。ASAP2采用A2ML（ASAP2 Meta-language）的標記語言來編寫標定信息描述文件，即a2l文件，其定義了一個類似于C語言的結構體來存放控制器中測量和標定量的信息，包括變量的地址、數據類型、上下限、表格的橫縱坐標關聯等信息。

標定優(yōu)化人員利用a2l文件、Map文件和Hex文件，可在其本地計算機上遠程建立完整的待優(yōu)化混合動力整車控制器的標定參數描述系統(tǒng)，生成當前整車控制器內存狀態(tài)的鏡像，并為后續(xù)的標定優(yōu)化提供基礎。

4.1.5 標定數據存儲區(qū)映射關系

鑒于混合動力汽車整車控制參數標定量較多，為方便整車標定，在所研制的HCU中建立了2套標定變量體系。其中1套變量體系存放在控制器的Flash存儲區(qū)內，作為非易失性標定值；另1套與之對應的標定量定義在RAM存儲區(qū)，作為程序運行中實際使用的標定量，稱之為鏡像RAM。兩者通過每次系統(tǒng)上電初始化時從Flash區(qū)域讀取相應變量的數值賦給RAM區(qū)的對應標定量完成鏡像映射。

4.2 基于CCP的安全標定實現

4.2.1 遠程標定實現流程

CCP（CAN Calibration Protocol）協議是XCP協議的具體應用[9],應用CCP協議可以實現對控制器中數據及參數的動態(tài)標定,相對于傳統(tǒng)的標定系統(tǒng)，其具有穩(wěn)定可靠、成本低等優(yōu)點。

在HCU中集成CCP驅動程序，用于解析和執(zhí)行CCP命令,實現監(jiān)測和標定功能。利用MFC建立了用戶端標定操作軟件界面及相關驅動程序，軟件主要包括用戶操作界面、控制器標定監(jiān)測量的Map/Hex/a2l文件、數據庫操作模塊、基于TCP/IP的通訊控制模塊等。

標定開始時，由標定人員選擇待標定車輛ID，并由關聯信息加載該車整車控制器監(jiān)測標定變量的Map/ Hex/a2l文件。在標定界面窗口由檢索a2l數據庫添加待標定的變量名，也可由Map文件檢索獲得新標定變量存儲地址及類型信息并添加到a2l文件中。由標定參數的存儲地址關聯Hex文件并查詢獲得控制器中該參量的當前標定值。至此，在用戶界面中可以生成當前待標定變量的標定窗口。遠程優(yōu)化標定操作流程如圖6所示。

當需要對參數進行遠程標定時，由標定人員修改標定變量值，選擇標定類型（RAM標定指令或Flash標定指令）并確認，由通訊控制模塊將標定信息和用戶指令按標定通訊協議包格式進行打包，并按照TCP/IP協議將信息包發(fā)送到控制中心服務器，由控制中心通過GPRS網絡將數據傳送給車載終端RCOU，并由RCOU控制標定過程并反饋操作結果。標定人員也可以借助終端軟件中的優(yōu)化模塊離線優(yōu)化獲得標定變量值。

如圖7所示，標定分為RAM區(qū)標定和Flash刷寫2個層次。在車輛運行時通過標定驅動程序按照用戶的指令需求修改RAM區(qū)標定變量的值，可直接得到標定后系統(tǒng)運行效果，然后按照標定目標逐漸調整各標定值，直到系統(tǒng)達到標定目標。此時，RAM區(qū)中標定好的當前數值即為目標標定值，當需要將其固化到非易失的Flash分頁中時，需要執(zhí)行Flash刷寫操作。

4.2.2 車載標定安全控制策略

4.2.2.1 遠程通訊標定數據的有效性判斷

如果通訊存在錯誤幀，并將這些錯誤幀信息誤認為是有效標定數據發(fā)送給HCU，將引起系統(tǒng)運行混亂甚至發(fā)生嚴重事故。因此，在RCOU中對HCU中的標定參量設置了有效范圍，并與該標定參量所處存儲地址相關聯。RCOU收到來自遠程通訊的標定數據后，首先進行通訊幀校驗，然后進行標定數據范圍有效性判斷。若指令及數據未能確認有效，則RCOU自動通過遠程通訊請求用戶終端或控制中心重新發(fā)送標定指令并同時反饋無效原因，直到有效標定數據符合有效性和完整性規(guī)定，RCOU才能確認本次標定指令有效，緩存當前新獲取的標定信息及指令并進入標定控制操作流程。

4.2.2.2 標定RAM變量安全控制策略

車載智能標定控制單元通過解析遠程通訊幀獲取標定指令及數據，將指令及需要執(zhí)行標定的參數地址及新的標定值等信息緩存在專用數據緩存區(qū)。

RCOU通過整車CAN網絡獲得整車的實時狀態(tài)，當RCOU遠程通訊正常，車輛停車且駕駛員未操作油門及制動踏板時，確認當前標定環(huán)境安全，允許執(zhí)行RAM區(qū)標定操作；當HCU處于標定過程中時，延時整車控制器對駕駛員操作輸入的響應，即延遲對動力總成的操作，待標定完成后恢復。

經測試確認，標定RAM變量（包括整車能量分配表格及相應參數等）所需時間極短，可以確保標定操作在1 s內完成。結合上述設定的標定安全控制邏輯，可確保遠程標定人員對車載控制器快速安全標定，被標定車輛可以保持正常運行狀態(tài)，減少了對車輛運行的影響。

4.2.2.3 Flash刷寫安全控制策略

當遠程標定人員發(fā)出了Flash刷寫指令，即要求將本次標定后的數據刷寫入Flash中時，RCOU將執(zhí)行Flash刷寫控制邏輯。由于Flash刷寫時需要關閉當前HCU控制器的部分中斷響應，會影響車輛的正常行駛，因此提出僅在如下2種情況下RCOU執(zhí)行Flash刷寫。

a.當整車處于安全待機狀態(tài)下時，即車輛控制系統(tǒng)已上電運行并處于待機狀態(tài)，且駕駛員沒有驅動車輛的需求情況下，允許RCOU執(zhí)行Flash刷寫。同樣設置刷寫保護邏輯，在刷寫完成前HCU不響應駕駛需求。由于刷寫操作持續(xù)時間極短，不會影響駕駛員的操作感受。

b.當車輛運行結束后，駕駛員操作鑰匙關閉車輛時，RCOU在獲知駕駛員關閉鑰匙開關操作后，利用HCU控制器的延遲關閉功能指令HCU延遲掉電，并開始執(zhí)行Flash刷寫操作。HCU完成Flash刷寫后反饋刷寫完成信息給RCOU，RCOU結合自身需求發(fā)出允許HCU掉電的指令，從而完成整個遠程標定過程。

5 試驗驗證

將所開發(fā)的遠程整車控制優(yōu)化標定系統(tǒng)應用在蘇州市某混合動力公交車上。原車出廠時設定了車輛純電動起步控制的判斷邏輯和相應標定變量，簡化的判斷邏輯如圖8所示。

如圖8所示，若當前SOC大于等于標定值SOC_EV_Cal，車速小于等于標定值Vss_Cal，并且整車需求扭矩小于標定值DM_EV_Max_Curr，則允許車輛采用純電動驅動進行起步，此時發(fā)動機不參與驅動車輛。

Vss_Cal為控制車輛純電動起步驅動的上限車速，該參數顯著影響整車的電能消耗。由于目標公交車運行在市中心線路，客流量大且道路擁堵，導致車輛頻繁起步。由于起步負荷重且出廠時標定的Vss_Cal較大，導致純電動起步持續(xù)時間長，電池的SOC始終在較低水平波動，運行效率低，嚴重制約了車輛的整體燃油經濟性，據此需要重新優(yōu)化標定Vss_Cal。

為此，利用遠程優(yōu)化系統(tǒng)對目標車輛進行優(yōu)化，遠程標定測試結果如圖9所示。由圖9可看出，初始時原車Vss_Cal值為18 km/h，在約550 s處可見純電動起步邏輯判斷成立并且保持純電動驅動持續(xù)直到車速接近20 km/h時。遠程標定人員利用標定軟件發(fā)出對Vss_Cal的RAM區(qū)標定指令，指令其新值為7 km/h。由于RCOU收到遠程標定指令時車輛處于行駛過程中，不滿足標定安全控制策略的要求，此時RCOU僅緩存待標定信息并不執(zhí)行標定操作。待車輛在670 s時停車并經RCOU確認標定符合安全控制邏輯后，執(zhí)行對HCU的標定及結果校核，并反饋標定結果給遠程標定人員。通過遠程監(jiān)測，在車輛的下1次靜止起步過程即圖9中700 s附近處，可見車輛純電動起步在車速上升至約7 km/h時退出，發(fā)動機開始參與驅動，車輛的運行符合標定預期，確認標定成功。同樣，對于數據量較大的整車扭矩分配表格等標定參數也進行了遠程標定測試，結果表明，遠程優(yōu)化系統(tǒng)能夠實現對車載控制器的遠程優(yōu)化標定，且標定操作安全快速。

6 結束語

本文開發(fā)了基于遠程通訊控制的混合動力汽車整車控制監(jiān)測優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)結構及車載軟硬件平臺運行穩(wěn)定可靠。結合所建立的用戶端軟件、通訊協議及安全標定控制邏輯，系統(tǒng)實現了對混合動力車輛實際運行線路特征及整車運行狀態(tài)的遠程監(jiān)測，以及對整車控制器參數的遠程標定。通過在實車上的應用測試，驗證了該遠程優(yōu)化系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和遠程安全標定功能，從而為提高混合動力車輛對其實際運行線路的適應性提供了安全便捷的途徑，解決了現有標定手段存在的效率低和費用高的問題。

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（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年2月1日。

表4 電測試驗各測點應力與有限元計算應力對比

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（責任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年5月1日。

Research on Remote Optimization System of Hybrid Electric Bus Based on CCP Protocol

Hu Yanqing,Yan Bin,Yang Lin
（Shanghai Jiaotong University）

To bring into full play the fuel saving and emission reduction potential of hybrid vehicle in real road driving,vehicle control parameters need to be optimized and calibrated according to characteristic of the vehicle’s operating environment.A stable and reliable vehicle remote optimization&calibration system is developed,which consists of remote control&optimization unit(RCOU),remote communication network,control center server and remote user software end,etc..Remote communication quality control strategy and onboard calibration safety control strategy are developed according to onboard CAN and GRPS technology,and remote calibration control software and communication protocol based on CCP protocol.Test results from remote optimization&calibration of a hybrid electric bus show that the system can be applicable to remote monitoring and calibration optimization of hybrid vehicle.

Hybrid vehicle,Control parameter,Remote calibration,CCP protocol

混合動力汽車 控制參數 遠程標定 CCP協議

U469.7

A

1000-3703（2015）07-0056-06

國家自然科學基金項目（NSFC Program,No.51275291）資助。