AMT混合动力客车VCU和TCU的控制分析

吕志榕

（厦门市福工动力技术有限公司，福建厦门361003）

AMT混合动力客车VCU和TCU的控制分析

吕志榕

（厦门市福工动力技术有限公司，福建厦门361003）

对匹配AMT的混合动力客车，分析整车控制器VCU和变速器控制器TCU的控制原理，并针对不同的控制方式进行硬件接口和失效风险分析及性能评估，得出VCU作为驱动系统的控制主体是最优方案，其安全性、可靠性、稳定性最佳。

混合动力客车；整车控制器；机械式自动变速器；变速器控制器；控制策略

随着新能源客车市场的不断推广，混合动力城市客车使用的工况要求越来越高，混合动力客车从直驱系统发展到匹配AMT系统，工况的适应性需求更强，控制系统及控制策略也越来越复杂，对电驱动特殊危险方面的功能安全措施和故障防护提出了具体要求［1-2］。控制策略作为混合动力客车实现动力分配的核心，直接影响车辆的动力性和经济性。控制策略确定之前需要确定整车的控制系统架构，确定系统架构之后，合理地对各个系统进行分工控制，才能确保整个混合动力系统的动力性、经济性和安全性［3-4］。

1　 VCU和TCU的三种控制方式

整车控制器（VCU）是实现整车控制策略的核心电子控制单元，通过采集整车各个部件的信号，判断驾驶员的驾驶意图，运用合理的控制算法，对各个部件做出相应的控制指令，包含驱动系统的控制指令，并且通过对各个信号的采集，判断各个部件的工作状态，对各个部件的故障进行保护和处理。变速器控制器（TCU）是实现变速器换档控制的核心控制单元，通过采集传感器的信号，对AMT的执行机构进行控制，完成变速器的控制及保护。混合动力系统结构如图1所示。

图1　混合动力系统结构框图

VCU在整车正常行车过程中，与电机控制器MCU进行指令交互，以控制驱动电机进行驱动及再生制动；与发动机控制器ECU进行指令交互，以控制发动机介入工作，实现混合驱动；对离合器进行控制，以实现纯电动模式、混合动力模式的工作模式切换；对TCU进行指令交互，以完成选换档工作。TCU在换档过程中，对电机和发动机进行调速，与MCU和ECU进行指令交互，同时还控制离合器。VCU和TCU的控制有很多交叉，为了整个系统可靠性，避免冗余设计，需要设计更合理的系统控制方案。VCU和TCU主要有以下三种控制方式。

1.1 VCU主控TCU辅控

VCU作为驱动系统的控制主体，TCU只对AMT的执行机构进行直接操作，VCU直接控制ECU、离合器和MCU。对VCU设计合理的算法，通过采集整车信号，设计整车行驶策略，包括换档策略。TCU在换档过程中，与VCU进行指令交互，VCU根据TCU的需求对ECU和MCU发送指令，从而控制发动机和电机的转速及扭矩变化。详细功能分配如表1所示，控制示意框图如图2所示。

表1　 VCU主控功能分配表

图2　 VCU主控框图

1.2 VCU和TCU协同控制

VCU和TCU协同控制，即VCU和TCU各自控制驱动系统的部分重要部件。VCU和ECU进行指令交互，控制发动机和离合器；TCU和MCU进行指令交互，控制电机和AMT的执行机构。在非换档状态下行车时，VCU通过采集整车信号，进行合理的算法处理，对ECU进行直接指令交互，控制发动机和离合器。VCU通过和TCU的指令交互，间接的控制电机。在换档时，TCU直接和MCU进行指令交互，对电机进行调速，控制AMT的执行机构。详细功能分配如表2所示，控制示意框图如图3所示。

表2　 VCU和TCU协同控制功能分配表

图3　 VCU和TCU协同控制框图

1.3 TCU主控VCU辅控

TCU作为驱动系统控制的主体，VCU只做常规行车时的策略控制，不直接与ECU和MCU进行指令交互。TCU直接与ECU和MCU进行指令交互，从而直接控制发动机、电机和离合器，并且实施换档策略控制，提高换档效率。正常行车时，VCU通过和TCU进行指令交互，间接地给ECU和MCU发送指令。详细功能分配如下:TCU功能——控制AMT的执行机构，采集后桥转速；换档控制策略；离合器控制；失效模式控制；控制发动机；MCU控制。VCU功能——常规行车策略控制和失效模式控制。控制示意框图如图4所示。

图4　 TCU主控框图

2　硬件接口及失效风险分析

2.1硬件接口分析

以四档AMT为例，TCU的执行机构需要两个直流无刷电机和两个位置传感器完成选换档动作。三种控制方式的TCU硬件接口设计需求见表3。可以看出，当TCU主控VCU辅控时，TCU需要较多的控制模块，并对硬件的设计要求较高，大大增加了TCU控制板的功能复杂度。相比而言，VCU主控和VCU与TCU协同控制，就需要较少的硬件接口，但后两者并无太大差别［5-7］。

2.2失效风险分析

VCU和TCU都是整车驱动系统的核心控制器，为了保障整车的安全，如果出现单一控制器故障时，另一个控制器只有能够有效地执行故障处理，保护整车安全，才能更有效地控制系统的失效风险。对三种模式的失效风险分析如下:

表3　 TCU基本硬件接口需求

1）VCU主控TCU辅控。VCU硬件故障或者程序跑飞，而TCU无故障时，可以控制AMT空档，保证车辆不会出现异常行车，并且可以达到停车保护的效果。TCU硬件故障或者程序跑飞，而VCU无故障时，可以控制电机和发动机进行停机处理，保证车辆不会出现异常行车，并且可以达到停车保护的效果。

2）VCU和TCU协同控制。VCU硬件故障或者程序跑飞，而TCU无故障时，可以控制AMT空档，保证车辆不会出现异常行车，并且可以达到停车保护的效果。TCU硬件故障或者程序跑飞，而VCU无故障时，TCU可能会向MCU发送错误指令，导致车辆异常行驶，但是VCU可以控制离合器不工作，发动机停机，可以一定范围的控制事故危险。

3）TCU主控VCU辅控。VCU硬件故障或者程序跑飞，而TCU无故障时，可以控制AMT空档，保证车辆不会出现异常行车，并且可以达到停车保护的效果。TCU硬件故障或者程序跑飞，而VCU无故障时，TCU可能会向MCU、ECU发送错误指令，对离合器进行错误控制，导致车辆异常行驶，可能导致严重事故。

2.3三种控制方式的性能评估

车辆运行过程中，分成两个状态，一个是换档状态，一个是常规行车状态。以上两个状态，需要保证各个部件的执行效率高，才能保证整车运行过程中的性能和舒适性最高。

换档状态下，换档时间越短，动力（发动机和电机）响应效率越高，整车的换档动力中断越小，整个系统的执行效率越高，动力性和经济性就越好。由于TCU直接控制换档执行机构，因此，以TCU为主控时，换档各部件之间动力响应时间最短，系统执行效率最高，动力性和经济性最好；TCU与VCU协同控制时次之；以VCU为主控时最差。

常规行车状态下，整车控制主要考虑整车的动力响应。动力响应效率越高，整个系统的执行效率越高，动力性和经济性就越好。常规行车时，VCU是整车控制的核心，以VCU为主控时，整车动力响应效率最高，系统执行效率最高，动力性和经济性最佳；TCU与VCU协同控制时次之，以TCU为主控时最差。

从系统的可维护性来讲，以TCU为主控时负责功能较多，需要硬件接口繁多，可维护性最差；TCU与VCU协同控制时稍好；以VCU为主控时最优。

三种控制方式的性能评估如表4所示。另外，车型运行首先要确保安全性及稳定性，而以VCU为主控是最安全稳定的硬件控制方案。此外，由于车辆在行车过程中多数处于常规行车状态，所以从整个行车过程来讲，以VCU为主控方式的动力性和经济性综合性能也相对较好［8］。

表4　三种控制方式的性能评估表

3　结束语

经过多方面的分析，匹配AMT的混合动力客车，VCU作为驱动系统的控制主体是最优方案，其安全性、可靠性、稳定性最佳。

［1］中华人民共和国公安部.关于2005年全国道路交通安全情况的通报［ED/OL］.（2006-02-11）［2016-03-02］.http://www.mps .gov.cn/n2254098/n2254143/n2254145/c4158834/content.htm l.

［2］全国汽车标准化技术委员会.电动汽车安全要求第2部分:操作安全和故障防护:GB/T 18384.2-2015［S］.北京:中国标准出版社，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，刘振楠，郭志军，等.基于组合优化算法的混合动力客车控制策略优化［J］.客车技术与研究，2013，35（6）:1-4.

［5］朱玉龙.汽车电子硬件设计［M］.北京:航空航天大学出版社，2011.10.

［6］阴晓峰，谭晶星，雷雨龙，等.软件容错技术在AMT控制系统开发中的应用［J］.汽车工程，2004（1）:85-89.

［7］李亚南，邓涛等.基于OSEK/VDX嵌入式操作系统的AMT TCU软件设计［J］.军民两用技术与产品，2015（12）.

［8］张会群，赵立宏等.全电AMT升挡与发动机协调控制研究［J］.电源技术，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

吕志榕（1988-），男，软件工程师；研究方向:混合动力汽车整车控制。