呂志榕

（廈門市福工動力技術有限公司，福建廈門361003）

AMT混合動力客車VCU和TCU的控制分析

呂志榕

（廈門市福工動力技術有限公司，福建廈門361003）

對匹配AMT的混合動力客車，分析整車控制器VCU和變速器控制器TCU的控制原理，并針對不同的控制方式進行硬件接口和失效風險分析及性能評估，得出VCU作為驅動系統(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。

混合動力客車；整車控制器；機械式自動變速器；變速器控制器；控制策略

隨著新能源客車市場的不斷推廣，混合動力城市客車使用的工況要求越來越高，混合動力客車從直驅系統(tǒng)發(fā)展到匹配AMT系統(tǒng)，工況的適應性需求更強，控制系統(tǒng)及控制策略也越來越復雜，對電驅動特殊危險方面的功能安全措施和故障防護提出了具體要求［1-2］?？刂撇呗宰鳛榛旌蟿恿蛙噷崿F(xiàn)動力分配的核心，直接影響車輛的動力性和經濟性。控制策略確定之前需要確定整車的控制系統(tǒng)架構，確定系統(tǒng)架構之后，合理地對各個系統(tǒng)進行分工控制，才能確保整個混合動力系統(tǒng)的動力性、經濟性和安全性［3-4］。

1　 VCU和TCU的三種控制方式

整車控制器（VCU）是實現(xiàn)整車控制策略的核心電子控制單元，通過采集整車各個部件的信號，判斷駕駛員的駕駛意圖，運用合理的控制算法，對各個部件做出相應的控制指令，包含驅動系統(tǒng)的控制指令，并且通過對各個信號的采集，判斷各個部件的工作狀態(tài)，對各個部件的故障進行保護和處理。變速器控制器（TCU）是實現(xiàn)變速器換檔控制的核心控制單元，通過采集傳感器的信號，對AMT的執(zhí)行機構進行控制，完成變速器的控制及保護?；旌蟿恿ο到y(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　混合動力系統(tǒng)結構框圖

VCU在整車正常行車過程中，與電機控制器MCU進行指令交互，以控制驅動電機進行驅動及再生制動；與發(fā)動機控制器ECU進行指令交互，以控制發(fā)動機介入工作，實現(xiàn)混合驅動；對離合器進行控制，以實現(xiàn)純電動模式、混合動力模式的工作模式切換；對TCU進行指令交互，以完成選換檔工作。TCU在換檔過程中，對電機和發(fā)動機進行調速，與MCU和ECU進行指令交互，同時還控制離合器。VCU和TCU的控制有很多交叉，為了整個系統(tǒng)可靠性，避免冗余設計，需要設計更合理的系統(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作為驅動系統(tǒng)的控制主體，TCU只對AMT的執(zhí)行機構進行直接操作，VCU直接控制ECU、離合器和MCU。對VCU設計合理的算法，通過采集整車信號，設計整車行駛策略，包括換檔策略。TCU在換檔過程中，與VCU進行指令交互，VCU根據(jù)TCU的需求對ECU和MCU發(fā)送指令，從而控制發(fā)動機和電機的轉速及扭矩變化。詳細功能分配如表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各自控制驅動系統(tǒng)的部分重要部件。VCU和ECU進行指令交互，控制發(fā)動機和離合器；TCU和MCU進行指令交互，控制電機和AMT的執(zhí)行機構。在非換檔狀態(tài)下行車時，VCU通過采集整車信號，進行合理的算法處理，對ECU進行直接指令交互，控制發(fā)動機和離合器。VCU通過和TCU的指令交互，間接的控制電機。在換檔時，TCU直接和MCU進行指令交互，對電機進行調速，控制AMT的執(zhí)行機構。詳細功能分配如表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作為驅動系統(tǒng)控制的主體，VCU只做常規(guī)行車時的策略控制，不直接與ECU和MCU進行指令交互。TCU直接與ECU和MCU進行指令交互，從而直接控制發(fā)動機、電機和離合器，并且實施換檔策略控制，提高換檔效率。正常行車時，VCU通過和TCU進行指令交互，間接地給ECU和MCU發(fā)送指令。詳細功能分配如下:TCU功能——控制AMT的執(zhí)行機構，采集后橋轉速；換檔控制策略；離合器控制；失效模式控制；控制發(fā)動機；MCU控制。VCU功能——常規(guī)行車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　硬件接口及失效風險分析

2.1硬件接口分析

以四檔AMT為例，TCU的執(zhí)行機構需要兩個直流無刷電機和兩個位置傳感器完成選換檔動作。三種控制方式的TCU硬件接口設計需求見表3?？梢钥闯?，當TCU主控VCU輔控時，TCU需要較多的控制模塊，并對硬件的設計要求較高，大大增加了TCU控制板的功能復雜度。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，但后兩者并無太大差別［5-7］。

2.2失效風險分析

VCU和TCU都是整車驅動系統(tǒng)的核心控制器，為了保障整車的安全，如果出現(xiàn)單一控制器故障時，另一個控制器只有能夠有效地執(zhí)行故障處理，保護整車安全，才能更有效地控制系統(tǒng)的失效風險。對三種模式的失效風險分析如下:

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無故障時，可以控制AMT空檔，保證車輛不會出現(xiàn)異常行車，并且可以達到停車保護的效果。TCU硬件故障或者程序跑飛，而VCU無故障時，可以控制電機和發(fā)動機進行停機處理，保證車輛不會出現(xiàn)異常行車，并且可以達到停車保護的效果。

2）VCU和TCU協(xié)同控制。VCU硬件故障或者程序跑飛，而TCU無故障時，可以控制AMT空檔，保證車輛不會出現(xiàn)異常行車，并且可以達到停車保護的效果。TCU硬件故障或者程序跑飛，而VCU無故障時，TCU可能會向MCU發(fā)送錯誤指令，導致車輛異常行駛，但是VCU可以控制離合器不工作，發(fā)動機停機，可以一定范圍的控制事故危險。

3）TCU主控VCU輔控。VCU硬件故障或者程序跑飛，而TCU無故障時，可以控制AMT空檔，保證車輛不會出現(xiàn)異常行車，并且可以達到停車保護的效果。TCU硬件故障或者程序跑飛，而VCU無故障時，TCU可能會向MCU、ECU發(fā)送錯誤指令，對離合器進行錯誤控制，導致車輛異常行駛，可能導致嚴重事故。

2.3三種控制方式的性能評估

車輛運行過程中，分成兩個狀態(tài)，一個是換檔狀態(tài)，一個是常規(guī)行車狀態(tài)。以上兩個狀態(tài)，需要保證各個部件的執(zhí)行效率高，才能保證整車運行過程中的性能和舒適性最高。

換檔狀態(tài)下，換檔時間越短，動力（發(fā)動機和電機）響應效率越高，整車的換檔動力中斷越小，整個系統(tǒng)的執(zhí)行效率越高，動力性和經濟性就越好。由于TCU直接控制換檔執(zhí)行機構，因此，以TCU為主控時，換檔各部件之間動力響應時間最短，系統(tǒng)執(zhí)行效率最高，動力性和經濟性最好；TCU與VCU協(xié)同控制時次之；以VCU為主控時最差。

常規(guī)行車狀態(tài)下，整車控制主要考慮整車的動力響應。動力響應效率越高，整個系統(tǒng)的執(zhí)行效率越高，動力性和經濟性就越好。常規(guī)行車時，VCU是整車控制的核心，以VCU為主控時，整車動力響應效率最高，系統(tǒng)執(zhí)行效率最高，動力性和經濟性最佳；TCU與VCU協(xié)同控制時次之，以TCU為主控時最差。

從系統(tǒng)的可維護性來講，以TCU為主控時負責功能較多，需要硬件接口繁多，可維護性最差；TCU與VCU協(xié)同控制時稍好；以VCU為主控時最優(yōu)。

三種控制方式的性能評估如表4所示。另外，車型運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，由于車輛在行車過程中多數(shù)處于常規(guī)行車狀態(tài)，所以從整個行車過程來講，以VCU為主控方式的動力性和經濟性綜合性能也相對較好［8］。

表4　三種控制方式的性能評估表

3　結束語

經過多方面的分析，匹配AMT的混合動力客車，VCU作為驅動系統(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］中華人民共和國公安部.關于2005年全國道路交通安全情況的通報［ED/OL］.（2006-02-11）［2016-03-02］.http://www.mps .gov.cn/n2254098/n2254143/n2254145/c4158834/content.htm l.

［2］全國汽車標準化技術委員會.電動汽車安全要求第2部分:操作安全和故障防護:GB/T 18384.2-2015［S］.北京:中國標準出版社，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)化算法的混合動力客車控制策略優(yōu)化［J］.客車技術與研究，2013，35（6）:1-4.

［5］朱玉龍.汽車電子硬件設計［M］.北京:航空航天大學出版社，2011.10.

［6］陰曉峰，譚晶星，雷雨龍，等.軟件容錯技術在AMT控制系統(tǒng)開發(fā)中的應用［J］.汽車工程，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軟件設計［J］.軍民兩用技術與產品，2015（12）.

［8］張會群，趙立宏等.全電AMT升擋與發(fā)動機協(xié)調控制研究［J］.電源技術，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:混合動力汽車整車控制。