混合動力汽車功率分流機構的控制與節能分析

李 剛

（吉林省長白山森工集團有限公司汪清林業分公司， 吉林 延邊 133200）

油電式混合動力汽車以提高燃油經濟性和降低排放為目標，通過對發動機和電機兩種動力源合理的布置及控制二者的工作狀態，可使發動機在車輛行駛時運行于高效區，并在車輛減速制動時利用電機回收再生能量，節能減排效果顯著。目前，油電式混合動力汽車作為純電動汽車替代燃油汽車的過渡車型，已成為世界各主要汽車生產廠家研發和生產的重點。

1 動力混合方式與節能

按動力混合方式，混合動力汽車驅動系統分為串聯式、并聯式、混聯式，如圖1所示。其中并聯式和混聯式根據電功率在總驅動功率中所占的份額又分微混（＜10%）、中混（10%～25%）、全混（＞25%），全混系統電機功率較大，可實現純電動行駛，已成為混合動力汽車的主流。

1）串聯式：動力系統由發動機、發電機、蓄電池和電機組成，車輪由電機直接驅動，為電-電耦合方式。在低速輕載行駛時由蓄電池供電，以純電動行駛；在轉矩/功率需求較大或蓄電池電量不足時，由發動機帶動發電機供電，發動機取消了怠速與高負荷工況，并始終運行在經濟區。其不足是電機體積較大，能量幾經轉換，機械效率較低。

2）并聯式：動力系統有發動機和電機兩套驅動系統，以并聯方式驅動車輪，為機電-轉矩耦合方式。在小負荷低速運行時，由電機單獨驅動；中高速行駛時，由發動機單獨驅動；在加速或負荷較大時，由電機輔助發動機驅動車輛行駛。并聯式避免了發動機工作于低負荷和低效率區域，提高了汽車的傳動效率，不足是車輪與發動機速比固定，發動機轉速受車速影響大，經濟效率得不到充分發揮。

圖1 混合動力汽車動力混合方式

3）混聯式：動力系統中發動機和電機各有一套機械變速機構，兩套機構通過功率分流裝置驅動汽車行駛，為機電-功率耦合方式。混聯式綜合了串聯式和并聯式的優點，在低速小負荷工況行駛時，由蓄電池供電，以純電動方式行駛；在中高速行駛或有轉矩需求時，發動機與電機通過功率分流裝置共同驅動車輛行駛。功率分流裝置可實現發動機和車輪間的轉速解耦，在車速變化時，使發動機避開非經濟區，最大限度地運行于最佳效率區域。

2 功率分流裝置的結構與特性

行星排輪系是混合動力汽車應用較廣的功率分流裝置，由單個或多個行星排組成。單行星排由太陽齒輪、行星（齒輪）架、齒圈3個基本元件構成，如圖2所示。單排行星齒輪機構具有兩個自由度，若使一個基本元件固定不動（該元件轉速為0）或使其運動受到一定的約束（該元件轉速受限制），則單排行星齒輪機構就只有一個自由度，整個輪系將以一定的速比傳遞動力；若將其中一個元件作為輸入件，其它兩個元件作為輸出件，就可以實現功率分流。按分流（分配）方式，可分為輸入分配、輸出分配和復合分配3種模式。輸入分配是將發動機輸出功率在混合動力總成的輸入端進行分流；輸出分配是通過行星排將發動機剩余輸出功率與電機功率在混合動力輸出端進行匯流；復合分配采用兩個行星排，通過行星排將發動機輸出功率進行分流，同時再利用行星排將來自不同路徑的功率進行匯流。

若分流裝置只能在一個連續區域變速稱為單模機構，若能實現在兩個不同連續區域變速稱為雙模機構。

圖2 行星排簡圖

3 單模混合動力功率分流控制與節能原理

豐田Prius/福特escape混合動力驅動系統采用單排行星齒輪機構，發動機、電機、驅動輪分別與行星排中的3個基本元件相連，通過對電機轉速轉矩的控制，達到功率分流的功能，因其能達到無級變速器連續動力傳輸效果，所以又將該系統稱為“電子無級變速系統（ECVT）”。

3.1 節能控制

1）發動機/電機工作效率控制：控制電機覆蓋發動機運行的非經濟區， 在ECVT模式下，控制電機轉速與轉矩配合發動機運行，使發動機運行于最佳燃油經濟區附近。

2）能量回收控制：汽車滑行與制動時，通過電機將汽車慣性動能轉變成電能，存儲于蓄電池中，進行能量再利用。

3.2 單模混合動力功率分流系統與傳動控制

3.2.1 功率分流變速機構的組成

豐田Prius單模混合動力驅動系統主要由功率分流機構（汽油發動機、2個永磁同步電機、功率分流裝置）、能量控制部分（功率控制器、電子控制單元）和鎳氫動力電池等組成，如圖3所示。

圖3 單模混合動力驅動系統

功率分流變速機構采用輸入分配模式對發動機進行功率分流，在結構上，行星架與發動機相連，太陽輪與電機1連接，外齒圈連接電機2，并與主減速器相連為動力輸出件。電機1用于發動機的起動及轉速調節，電機2用于控制發動機輸出轉矩，兩臺電機均具有電動和發電功能。發動機的動力經過行星排分成兩路輸出，一路通過外齒圈直接驅動車輪，形成機械傳輸通道；另一路經太陽輪驅動電機1發電，再由功率控制器將電能供給電機2轉化為機械能帶動車輛行駛，形成電力傳輸通道。

3.2.2 傳動控制

汽車在運行時，電子控制單元根據駕駛員油門踏板位置、制動踏板位置、蓄電池荷電狀態（SOC）、車速和發動機效率等信號計算出相應的控制指令，控制內燃機和電機的工作模式及轉速轉矩，如圖4所示。

1）發動機起動模式：發動機起動時，電機2工作，通過電動力固定行星排齒圈，電機1作為起動機驅動太陽輪帶動行星架轉動，與行星架連接的發動機曲軸轉動，發動機起動。

2）汽車停駛充電模式：電池SOC低于門限值時，電機2以電動力固定行星排齒圈，發動機帶動行星架轉動，行星架帶動太陽輪轉動，與太陽輪連接的電機1發電給電池充電。

3）車輛起步模式：車輛起步時，緩踩加速踏板，發動機停轉，行星架被固定，電機2驅動行星排齒圈，推動車輛前進，此時太陽輪與電機1隨動空轉； 急踩加速踏板時，電機1迅速起動發動機（1 s內）與電機2共同驅動車輛。

4）純電動行駛模式：汽車低速行駛（車速≤50 km/h），行駛阻力較小，且電池SOC高于45%時，發動機（行星架）靜止，電機2驅動齒圈，太陽輪帶動電機l隨動，汽車以純電動工況行駛；當功率需求達到一定值時，或純電動運行車速大于50 km/h或電池SOC低于45%時，電機l（太陽輪）驅動行星架起動發動機。

圖4 單模混合動力工作模式

5）輸入分配模式：低負荷及定速巡航行駛時，發動機帶動行星架，一路驅動齒圈將大約70%的轉矩直接傳遞到驅動軸上，另一路驅動太陽輪將剩余轉矩由太陽輪傳送到電機1發電，向車載蓄電池和電機2提供電能。在車速變化時，使發動機轉速（行星架）保持在最佳經濟區域不變，通過調節電機1（太陽輪）轉速，實現輸出（齒圈）的無極變速，同時調整電機2的轉速，使發動機和電機轉矩疊加，提高輸出轉矩。

6）高速巡航模式：隨著車速升高，電機1（太陽輪）轉速逐漸減小直至反轉而進入電動狀態，此時電機2轉為發電，電機1（太陽輪）與發動機（行星架）共同推動齒圈，汽車進入高速巡航行駛狀態。

7）車輛加速模式：在急加速時，發動機取消了瞬態加濃過程，通過功率控制器迅速增加電機2電流，拖動車輛加速，同時，電機l也迅速拖動發動機到較高轉速。

8）能量回收（滑行和制動時）模式：松開加速踏板及輕踩制動踏板時，車輛滑行，發動機斷油，電機l作為電動機調速，使發動機停轉，電機2轉為發電模式，將再生能量進行回收，向蓄電池充電，并通過發電產生的電磁阻力使汽車減速。

單模功率分流機構只有一級連續變速狀態，車輛只能在使用比例較高的車速范圍內實現燃油經濟性的最優化，而且，電機間存在的電能轉換損失（鐵損、銅損等）隨車速上升而增大，使汽車在高速及定速巡航行駛時，傳動效率低于傳統汽車。

4 雙模混合動力功率分流控制與節能原理

通用/寶馬混合動力驅動系統采用2～3個行星排，利用多行星排相互組合方式，可形成一條電力路徑和兩條以上機械傳遞路徑，通過控制速比轉換部件和電機轉速，實現高低速兩種“動力分流”模式及一個或多個固定擋位，進一步提高了汽車的燃油經濟性和傳動效率。

4.1 節能控制

雙模混合動力驅動系統是在單模節能控制基礎上，優化及增加了以下控制內容。

1）發動機工作效率控制：在雙ECVT模式下，調節電機運行狀態，使發動機運行于高效區。

2）高/低速電子連續可變速比控制（ECVT2/ECVT1）：車速較低時，使用輸入分配模式，以較大的速比驅動車輛行駛；車速較高時，使用復合分配模式并以較小的速比驅動車輛行駛。

3）固定速比模式下發動機工作點的選取控制：在高、低兩級速度區域，插入固定速比傳動模式，當車速與發動機工況最佳經濟點對應時，進行純機械傳動，避免功率分流傳動下發動機與電機存在中轉功率損失。

4.2 雙行星排功率分流系統與傳動控制

4.2.1 功率分流機構組成

圖5 雙行星排雙模功率分流機構

通用新君越30H全混動的雙模混合動力功率分流機構主要由發動機、2個行星排、2個電機和3個離合器構成，如圖5所示。在結構上，發動機通過扭轉減震器和旁通離合器連接1號齒圈，電機A連接1號太陽輪，電機B連接2號太陽輪，1號太陽輪與2號齒圈通過高速離合器C2連接，兩套行星齒輪組的行星架都向車輪提供動力輸出。系統具有2個動力分配模式（輸入分配模式/復合分配模式）及1個固定速比傳動，在低速/低負荷工況時采用輸入分配式模式，在高速/大負荷工況時采用復合分配模式，在中高速巡航狀態時采用固定速比機械傳動模式。電機A、B均可通過并聯的方式輔助發動機工作，保證在車速不變的情況下提供動力或者吸收動力。行駛時，電控單元根據汽車行駛、電池SOC狀態和發動機轉速目標值，控制離合器工作，完成變速機構在純電動、高/低速動力分流及固定速比模式間的切換，雙行星排功率分流傳動模式如圖6所示，雙行星排傳動模式與離合器工作狀態見表1。

圖6 雙行星排功率分流傳動模式

表1 雙行星排傳動模式與離合器工作狀態

4.2.2 傳動控制

1）發動機起動模式：發動機起動時，1號行星架連接車輪受到限制，電機A作為起動機驅動1號太陽輪，1號太陽輪帶動1號內齒圈轉動，1號內齒圈通過扭轉減震器旁通離合器帶動發動機曲軸轉動，發動機起動。

2）純電動模式：緩踩加速踏板，慢起步時，發動機不工作，低速離合器C1工作，2號齒圈被C1鎖止，電機B驅動2號太陽輪，動力直接通過2號行星架驅動車輪；急速起步或加速時，車輪由電機A和電機B共同驅動。

3）低速輸入分配模式：當車速達到一定值或需求功率較大時，發動機起動并迅速運行于經濟高效區。此時，一部分動力經過1號齒圈傳遞給1號行星架，驅動車輛；另一部分動力則由行星齒輪、1號太陽輪帶動電機A發電，根據電池SOC和輸出轉矩需求，控制系統將電能分流給電機B以驅動車輛或向車載電池充電。汽車行駛時，調整電機A轉速，可在發動機轉速保持不變狀態下，改變車速；當行駛阻力變化時，控制電機B輸出轉矩，可保持車速穩定。

4）固定速比傳動模式：當汽車進入巡航行駛狀態時，低速離合器C1和高速離合器C2均工作，此時1號太陽輪被C2、C1 鎖止不轉，發動機帶動1號齒圈通過1號行星架以固定的速比驅動車輪，實現純機械動力傳遞。由于2號齒圈也被鎖止，電機B與車輪之間的轉速為固定速比，可以以并聯的方式輔助發動機工作，在有輸出轉矩需求或動力剩余時，可在保證車速不變的情況下，通過2號行星架向車輪提供動力或者吸收動力發電。此模式的速比對應于發動機經濟轉速區，提高了汽車的傳動效率和燃油經濟性。

5）高速復合分配模式：車速高于110 km/h時，高速離合器C2工作，1號太陽輪與2號齒圈相連，發動機一部分動力從1號行星架輸出直接驅動車輛，另一部分動力則通過1號太陽輪經高速離合器C2傳送到2號齒圈，再傳給2號行星架驅動車輛。同時，2號行星齒輪將部分動力經2號太陽輪分給電機B發電，電機B將發出的電能供給電機A（帶動1號太陽輪）驅動行星架以增大輸出轉矩。此模式減小了發動機到車輪的速比，在車速較高的狀態下發動機仍能運行于高效區間，進一步提高了發動機的運行效率。

4.3 三行星排混合動力功率分流系統與傳動控制

4.3.1 功率分流變速機構組成

通用、寶馬SUV雙模混合動力功率分流變速機構由發動機、3個行星排、2個電機和4個離合器組成，具有2個動力分配模式和4個固定擋位。其中，電機A的轉子與1號行星排的太陽輪及2號行星排的齒圈連為一體，電機B的轉子與2號、3號行星排共用的太陽輪相連，如圖7所示。

圖7 三行星排雙模功率分流變速機構

4.3.2 傳動控制

汽車行駛時，控制單元依據相關信號，控制發動機、電機、離合器工作，使車輛以純電動驅動模式、高/低速混合動力驅動模式、1/2擋低速、3/4擋高速驅動模式等交互切換行駛。三行星排傳動模式與離合器工作見表2，三行星排功率分流傳動模式如圖8所示。

1）低速輸入分配模式：汽車低速行駛時，離合器C1接合，C2、C3、C4分離，3號行星排因齒圈被固定，太陽輪驅動行星架減速輸出。發動機動力由1號前行星排齒圈輸入，經公用行星架至2號行星排，一部分動力經后太陽輪至3號行星架以機械方式減速輸出，一部分動力由2號齒圈至電機A轉變為電力流，向電機B提供電能，使發動機轉速處于最佳油耗點，改變電機A的轉速和控制電機B的輸出轉矩，可使車速在一定變化范圍內上升或下降。

表2 三行星排傳動模式與離合器工作

圖8 三行星排功率分流傳動模式

2）1擋傳動模式：在輸入分配模式下，保持發動機轉速不變，降低電機A（2號齒圈）轉速，車速隨之提升，后太陽輪轉速相應升高，當與2號齒圈接近同步轉速時，C4接合，形成1擋傳動，動力傳遞變為純機械方式。當車速進一步提升，發動機轉速升高，逐漸偏離經濟運行區域時，C4分離，系統切換回輸入分配模式，通過降低電機A和發動機轉速，在車速提升的同時，使發動機回到經濟區運行。

3）2擋傳動模式：輸入分配模式下，隨著車速的進一步提升，電機A轉速下降至0，即轉入電動制動狀態，當后行星架轉速與公用行星架接近同步轉速時，在C1接合基礎上，C2接合，將公用行星架與輸出軸直接相連，形成2擋傳動，發動機的動力再次以機械傳動形式驅動車輪。

4）高速復合分配模式：2擋傳動模式下，隨著車輛提速，發動機的工作點又偏離經濟區，此時，C1分離，C2維持接合，動力一部分由公用行星架直接輸出，一部分由2號行星架、后太陽輪將動力分給電機B發電，電機B將電能分流給電機A，電機A驅動前太陽輪，并與發動機輸出功率匯流，形成復合分配模式；調整電機A的轉速，可使發動機在經濟轉速區內，改變汽車運行速度。

5）3擋傳動模式：在復合分配模式下，電機A使前太陽輪轉速持續升高，推動行星輪反轉，使公用行星架加速，車速繼續上升，當2號行星排齒圈與后太陽輪轉速接近時，C4接合，形成3擋直接傳動。在3擋模式下，車輛再提速，發動機轉速隨之上升，當發動機工作點偏離高效區時，C4分離，系統再次返回復合分配模式，繼續調整電機A、B的轉速，使發動機轉速回到經濟區，汽車過渡到超速運行，即輸出軸轉速大于發動機轉速。

6）4擋傳動模式：汽車以復合分配模式超速運行，在發動機經濟轉速區內，降低與后太陽輪連接的電機B轉速，使車速繼續提升，當后太陽輪轉速接近于0時，C3接合制動后太陽輪，此時公用行星架驅動2號齒圈與前太陽輪組件達到最高轉速，變速機構進入固定速比的4擋超速傳動模式。

7）純電動驅動與發動機起動模式：當車輛需求功率較低并且電池荷電狀態SOC較高時，發動機熄火，在低速行駛時，以輸入分配傳動模式，由電機B單獨驅動車輛；在車速稍高時，以復合分配傳動模式，由電機A、B共同驅動車輛；當車速上升（大于60 km/h）或需求功率增加時，電機A受控制動，由電機B起動發動機，車輛由發動機和電機一起驅動行駛。在電動模式下，若電池SOC低于下限值，發動機起動；由電機A向動力電池組充電，反之，發動機停機。當需要倒車時，發動機不工作，離合器C1工作，電機B反轉，實現倒車。

8）加速控制模式：通用/寶馬八缸混動SUV汽車采用閉缸技術，在低負荷與低速巡航時，采用輸入分配和復合分配模式，發動機四缸運行，提高了燃燒效率；在高速時，采用3、4擋固定速比模式，發動機四缸或八缸運行，提高了傳動效率；當車輛加速時，動力電池組向電機額外提供電能，協助車輛迅速提速；在急加速時，由電機助推使用八缸工作；緩加速時，由電機輔助使用四缸工作，降低了有害氣體的排放。

4.3.3 能量回收控制

以寶馬X6混合動力汽車為例，當車輛減速滑行或踏下制動踏板時，控制單元根據油門踏板和制動踏板位置信號，向功率控制器發出指令，使電機A（在汽車低速減速狀態）或電機B（在汽車高速減速狀態）以發電機狀態工作，回收滑行與制動過程產生的再生能量。制動踏板工作位置分再生制動（空行程）和液壓制動兩階行程，踩下制動踏板時，制動踏板角度傳感器向控制單元傳送再生制動力矩和液壓制動力矩兩類信號，控制單元根據空行程距離（踏板阻力由模擬器產生，如圖9所示）確定再生制動力矩大小（其大小可由功率控制器通過控制發電機向蓄電池充電電流的大小進行調節），當踏板達到液壓制動行程位置，即需求的制動力較大時，液壓制動系統介入，完成車輛的緊急制動。

雙模式系統通過復合分配模式與輸入分配模式兩種方式回收制動再生能量，可在較寬的車速范圍內，使發電機具有足夠的轉速來發電，使制動能量回饋更充分和高效。

5 結論

圖9 制動踏板阻力模擬器

功率分流技術優化了發動機動力源與電機動力源的分配，雙模系統相比于單模系統提高了系統選擇的靈活度和傳動效率，使系統的中轉能量損失在相對較寬的速比范圍內保持在較低的數值，進一步提升了車輛運行的經濟性。在目前的控制技術支撐下，采用雙模功率分流機構已成為混合動力汽車的最佳選項。隨著技術的進步和新技術的衍生，功率分流技術將會不斷發展，勢必將混合動力汽車的傳動效率與燃油經濟性推向新的層次。

［1］ 張金柱.混合動力汽車結構、原理與維修［M］.北京：化學工業出版社，2017.

［2］ 夏志強.混合動力與替代燃料汽車［M］.北京：機械工業出版社，2014.

［3］ 王偉華.雙模功率分流式混合動力系統構型［J］.汽車工程，2015（6）：648-724.

［4］ 康奈爾·斯坦.車輛動力技術［M］.周蘇，譯.北京：機械工業出版社，2017.

［5］ 趙航，史廣奎.混合動力電動汽車技術［M］.北京：機械工業出版社，2012.