混合動力系統架構分析與優化

【摘要】隨著新能源汽車的迅猛發展，混合動力汽車受到廣泛關注并快速占領市場。為了優化混合動力汽車動力架構，通過剖析串聯式混合動力汽車與并聯式混合動力汽車的動力結構，研究其在不同工況下的能量傳遞路徑和控制邏輯，發現其存在能量效率低與結構復雜等問題。通過減少動力架構的能量轉換路徑并利用行星齒輪組功率分流等特性，優化設計了一種混合動力架構控制邏輯，研究表明其具備更高能量效率，同時結構更簡單，提升能量效率的同時也較低了開發制造成本。

關鍵詞：串聯式混合動力汽車；并聯式混合動力汽車；混動架構；能量效率

中圖分類號：U469.7" "文獻標志碼：A" DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20240012

Analysis and Optimization of Hybrid Powertrain Architecture

Xiang Yu， Liu Yonghao， Zhang Lei

（Mengshi Automobile Technology Company， Dongfeng Motor Group Co.， Ltd. Wuhan 430050）

【Abstract】 With the rapid development of new energy vehicles， hybrid vehicles have attracted more and more attention and quickly occupy the market. In order to optimize the power architecture of hybrid electric vehicles， this paper analyzes the power architecture of series-connected hybrid electric vehicles and series-parallel hybrid electric vehicles， studies the energy transfer paths， working modes and control logic under various working conditions， and finds that there are problems such as low energy efficiency and complex architecture. Therefore， this paper optimally designs a hybrid architecture and its control logic by reducing the energy conversion path of the power architecture and taking advantage of the characteristics of planetary gear group power shunt， etc. The results show that it not only has higher energy efficiency" but a simpler architecture than the series-parallel hybrid architecture， which reduce development costs.

Key words： Series hybrid electric， Parallel hybrid electric， Hybrid power architecture， Energy efficiency

0 引言

2020年國家從環境保護與能源戰略安全的角度出發，提出了“碳達峰、碳中和”戰略目標[1]。汽車行業迅速響應國家戰略，推出“雙積分”政策，推進新能源汽車綠色、健康發展。混合動力汽車屬于新能源汽車的重要車型[2]，相較于純電動汽車，混合動力汽車擁有2個或2個以上動力源[3]，兼顧了純電動汽車與傳統燃油車的優勢[4]，充電時間更自由，可對國家電網起到削峰填谷作用[5]。

國外對混合動力汽車的研究起步較早，Davis等[6]結合燃料與電池壽命成本建立控制策略，降低2%成本的同時延長了動力電池壽命。Asensio等[7]基于電池荷電狀態（State of Charge，SOC）值動態調整低通濾波器寬帶的功率分流實時控制策略，有效提高了能量利用率。Gnanaprakasam等[8]利用原子軌道搜索與增強循環神經網絡設計了混動車輛的控制策略，并有效提升了燃油經濟性。國內對混動技術的研究相對起步較晚，但在國家政策的支持和推動下，中國自主品牌陸續發布了以串聯式混合動力與串并聯式混合動力為代表的混合動力汽車[9]，國內學者在混動技術方面的研究也取得了豐碩成果。Tian等[10]利用模糊控制器跟隨神經網絡生成的SOC參考曲線，有效降低了整車油耗。王樂妍[11]將建立的速度預測模型與動態規劃算法結合應用在混動能量管理問題上，獲得了與全局優化算法相近的控制效果。任崇領等[12]研究員兼顧動力電池SOC的充放電平衡和燃油消耗，使用動態規劃算法建立動態規劃能量管理策略，仿真表明比基于規則的能量管理策略油耗降低5.78%。陳渠等[13]提出一種動態規劃和神經網絡結合的能量管理策略，對上海市某個隨機工況進行仿真計算，顯著提升節油效果。

為了兼顧汽車混動系統的燃油經濟型和動力性，同時控制架構研發制造成本。本文基于對現有串聯式與并聯式混動系統架構與控制邏輯的研究分析，通過減少動力架構中能量轉換路徑并利用行星齒輪組功率分流等特性，優化設計了一種混合動力架構及控制邏輯，旨在使其具備比串聯式混動架構更高的能量效率，且結構更為簡單，提升能量效率的同時降低開發制造成本。

1 串聯式與并聯式混合動力架構的優劣勢分析

1.1 串聯式混合動力架構的優劣勢分析

串聯式混動架構電機分布如圖1所示，發動機與發電機共同組成增程器，發動機、發電機和驅動電機串聯工作，形成一條連續的能量路徑，其能量流向為：發動機、發電機、動力電池、驅動電機。增程器與動力電池、驅動電機以及控制器為電器連接，發動機、發電機、驅動電機與變速器以及車輪為機械連接。

串聯式混動架構主要體現在以下3個方面：

（1）發動機轉速與車速解耦，發電機調節發動機在高效區間穩定工作，發動機具備良好的燃油經濟性。

（2）動力電池可以為驅動功率“調峰”，發動機對排量需求較小，多采用1.5 L小排量發動機[14]。

（3）增程器與驅動電機之間無機械連接，占用空間較小，整車布局相對更靈活。

盡管在適當標定且理想的工況下，串聯式混動架構能夠展現出良好的經濟性，然而其劣勢也尤為顯著：

（1）發動機輸出的全部功率需通過發電機轉換為電能供驅動電機使用。為了實現功率平衡與良好的動力性，需配備較大的發電機、驅動電機和動力電池。

（2）發動機將燃料化學能轉化為機械能，發電機將機械能轉化為電能，動力電池將電能轉化為化學能，再將化學能轉化為電能供驅動電機使用，最后驅動電機將電能轉化為機械能。這一能量轉換路徑較長，過程中增加了功率損耗。

（3）動力電池電量不足且在高速或高功率工況下，發動機難以持續在高效區間工作，電機效率下降且系統功率損耗較大，整車經濟性與動力性不理想。

綜上，在動力電池電量充足且中低速工況下，串聯式混動架構具備良好的動力經濟性，而在高速或高功率工況下，該架構難以保持較好的動力經濟性。

1.2 并聯式混動架構的優劣勢分析

并聯式混動架構中，發動機與驅動電機并聯驅動車輛，發動機既可以帶動發電機發電又可以直接參與驅動車輛。并聯式電機可按布置位置分為P0、P1、P2、P3和P4電機[15]，數字越小電機距離發動機位置越近[16]，如圖2所示。

P0布置在發動機前端，通常與發動機柔性連接，僅負責輔助發動機啟動。P1為集成式智能啟動驅動發電機（Integrated Starter Generator，ISG），布置在發動機曲軸末端，介于發動機與離合器之間，發動機曲軸作為電機轉子。P2電機位于離合器與變速箱之間，離合器負責控制發動機與電機的動力耦合與解耦。因此發動機與電機均可單獨驅動車輛，也可共同驅動車輛。P3電機位于變速器輸出軸與主減速器之間，距離輪端較近，只需安裝一個固定齒比的減速器即可增加輸出扭矩，直接通過減速器驅動車輛，其動力輸出與能量回收效率高，但由于減速器距離發動機較遠，所以其對發動機工作狀態調節能力有限。P4電機一般與P2電機配合使用。

并聯式混動架構通常采用P1～P4電機進行協同工作的方式，該架構具有以下3點優勢：

（1）高效能量利用。發動機可以直接驅動車輛，能量損耗較低，發動機功率利用率較高，避開電機的低效區間，利用發動機的高效區間驅動車輛，可以在更多工況下保證經濟性。

（2）發動機功率可適當減小。相較于串聯式架構，并聯式架構的發動機在帶動電機發電的同時也可以直接驅動車輛，減少了需要裝備大型動力電池的需求。

（3）動力性能強。發動機與電機可共同驅動車輛，能夠有效應對大功率和大扭矩工況，具有更強動力性。

然而，并聯式混動架構存在以下劣勢：

（1）制造和研發成本高。由于并聯式混動架構結構復雜性，其制造和研發階段成本較高，且其后期維修和保養難度大。

（2）動力耦合要求。發動機通常需要與2個或2個以上電機協同工作，這要求裝配動力耦合裝置，且需較為精細的標定，以確保發動機和電機之間的協同工作達到最佳效果。同時，這種架構的控制邏輯也較為復雜，需要更為先進和精確的控制策略。

2 串聯與并聯混合動力架構分析

2.1 串聯式混合動力架構

2.1.1 控制邏輯

串聯式混合動力基礎架構主要由變速器、驅動電機、動力電池、發動機以及發電機組成。其中發動機與發電機為機械連接構成增程器，為系統提供電能。增程器與動力電池、驅動電機以及控制器之間為電器連接，驅動電機與變速器和車輪為機械連接。圖3為某串聯式混合動力架構車型結構。

2.1.2 工作模式

串聯式混合動力架構可以實現4種工作模式。

（1）純電模式。系統根據動力電池SOC值，油門開度、車速以及增程器狀態判定是否進入純電模式。純電模式下，系統根據油門開度、車速等條件判斷所需扭矩與功率并控制驅動電機輸出相應的轉速與扭矩，此時驅動電機完全由動力電池供電。

（2）串聯模式。當動力電池SOC值低于一定閾值時，增程器將開始運行并驅動發電機發電。增程器發動機在合適的轉速與扭矩下運行，使發動機保持在高效區間工作。系統根據油門開度、車速、動力電池SOC得出驅動電機所需功率。增程器根據驅動電機所需功率向驅動電機直接供電，富余的電能將儲存至動力電池。若功率需求增加，則由增程器與動力電池同時為驅動電機供電。

（3）動能回收。車輛減速行駛時，動力電池與增程器停止向驅動電機供能，車輪在車輛動能作用下帶動驅動電機，驅動電機提供一定的反向制動力矩，將車輛的動能轉化為電能并儲存至動力電池。常見的動能回收主要包括制動回收、慣性回收和永磁制動回收。

（4）怠速充電。車輛靜止時，增程器與動力電池不再為驅動電機供能，系統可根據動力電池SOC與用戶用車場景調節增程器發電功率，發電機調節發動機在高效區間工作，驅動發電機為動力電池充電。

2.2 并聯式混合動力架構

2.2.1 控制邏輯

如圖4所示，雙排行星齒輪串并聯式架構，P1發電機內置雙離合器，采用轉子及離合器集成式排布，制動器模塊平行于主減速機構，P2驅動電機的轉子內嵌雙排行星齒輪組。發動機與P1發電機通過花鍵剛性連接，作為前端動力源。P2驅動電機作為另一個動力源。兩個動力源相互配合，通過雙行星排及雙離合、雙制動器系統，實現模式切換及擋位切換。

第1輸入軸前端通過花鍵與C0離合器剛性連接，后端通過熱裝與P2電動機過盈壓裝，同時輸出1軸上的齒輪作為后排行星齒輪組的太陽齒輪.輸入2軸（空套的軸）的前端通過花鍵分別與C3離合器和B2制動器剛性連接，同時其上的齒輪作為前排行星齒輪組的太陽齒輪。輸入端為后排行星齒輪組的太陽齒輪，輸出端為前排行星齒輪組的外齒圈。

2.2.2 工作模式

并聯式混合動力架構在不同的工況可以實現以下6種工作模式。

2.2.2.1 純電模式

動力電池SOC值較高且不需高功率輸出時，P2電機可以直接驅動車輛行駛。通過制動器與離合器的配合，實現純電模式下1～3擋的切換。

在1擋工作模式下，如圖5所示，前排行星架通過B1制動器鎖死，動力由P2驅動電機出發，依次傳遞至后排太陽齒輪、后排行星架、前排外齒圈，最終到達輸出端，實現1擋總速比a。

2擋工作模式下，如圖6所示，前排太陽輪通過B2制動器鎖死，P2驅動電機驅動后排太陽齒輪，動力由太陽齒輪途徑后排外齒圈、前排行星架、前排外齒圈，最后到達輸出端，實現2擋總速比b。

在3擋工作模式下，如圖7所示，動力從P2驅動電機傳至后排太陽齒輪。因第1輸入軸前端與C0離合器的花鍵連接，當C0離合器與C3離合器結合時，2個行星排的太陽齒輪轉速相同，實現速比為1的傳動，再經過中間齒輪通過前排外齒圈將動力傳遞至輸出端，最終實現3擋總速比c。

2.2.2.2 串聯模式

動力電池SOC值較低時，發動機在高效區間工作，并驅動P1發電機發電。P2驅動電動機直接驅動車輛，將富余的能量儲存至動力電池，通過制動器與離合器的協同配合實現串聯模式的1～3擋切換。

在1擋工作模式下，如圖8所示，前排行星架通過B1制動器鎖死，P2驅動電機驅動后排太陽齒輪，動力由后排太陽齒輪途徑后排行星架、前排外齒圈至輸出端，實現1擋總速比a。

在2擋工作模式下，如圖9所示，前排太陽輪通過B2制動器鎖死，P2驅動電機驅動后排太陽齒輪，動力由后排太陽齒輪途徑后排外齒圈、前排行星架至輸出端，實現2擋總速比b。

在3擋工作模式下，如圖10所示，動力從P2驅動電機進入后排太陽齒輪。因第1輸入軸前端與C0離合器的花鍵連接，當C0離合器與C3離合器結合時，2個行星排的太陽齒輪轉速相同，實現速比1的傳動，隨后經過中間齒輪，通過前排外齒圈將動力傳遞至輸出端，最終實現3擋總速比c。

2.2.2.3 并聯模式

若轉扭需求超出P2驅動電機最大動力供給范圍，發動機啟動，C0離合器閉合，系統切換至并聯模式。發動機與P2電動機共同發力，發動機作為動力補償，富余的功率帶動P1發電機，通過制動器與離合器的配合實現并聯模式下的1～3擋切換。

在1擋工作模式下，如圖11所示，前排行星架通過B1制動器鎖死，P2驅動電機驅動后排太陽齒輪，動力從后排太陽齒輪途徑后排行星架、前排外齒圈至輸出端，實現1擋總速比a。

在2擋工作模式下，如圖12所示，前排太陽輪通過B2制動器鎖死，P2驅動電機驅動后排太陽齒輪，動力從后排太陽齒輪途徑后排外齒圈、前排行星架至輸出端，實現2擋總速比b。

在3擋工作模式下，如圖13所示，動力從P2驅動電機與發動機進入后排太陽齒輪，因第1輸入軸前端與C0離合器的花鍵連接，當C0離合器與C3離合器結合，2個行星排的太陽齒輪轉速相同，實現速比1的傳動，再經過中間齒輪，通過前排外齒圈將動力傳遞至輸出端，最終實現3擋總速比c。

2.2.2.4 直驅模式

在高速巡航工況下，發動機作為主要動力源，直接驅動車輛行駛，P2驅動電機作為后備動力源隨時待命。

在1擋工作模式下，如圖14所示，前排行星架通過B1制動器鎖死，發動機驅動后排太陽齒輪，動力由后排太陽齒輪途徑后排行星架、前排外齒圈至輸出端，實現1擋總速比a。

在2擋工作模式下，如圖15所示，前排太陽輪通過B2制動器鎖死，發動機驅動后排太陽齒輪，動力由后排太陽齒輪途徑后排外齒圈、前排行星架至輸出端，實現2擋總速比b。

在3擋工作模式下，如圖16所示，動力由發動機進入后排太陽齒輪，因第1輸入軸前端與C0離合器的花鍵連接，當C0離合器與C3離合器結合時，2個行星排的太陽齒輪轉速相同，實現速比1的傳動，再經過中間齒輪通過前排外齒圈將動力傳遞至輸出端，實現3擋總速比c。

2.2.2.5 能量回收模式

當駕駛員松開加速踏板，系統進入動能回收模式。系統將根據當前車速選擇適合的擋位，激活距離車輪較近P2驅動電機執行能量回收任務。通過制動器與離合器的協同工作確保能量回收模式擋位與純電模式擋位相同，但能量流向相反，能量由輸出端回流至P2驅動電機，最終存儲至動力電池。

2.2.2.6 怠速充電

當SOC值較低且不具備充電條件時，在串聯模式的基礎上，P2驅動電機將停止工作，發動機帶動P1發電機發電，為動力電池充電。

2.3 主流架構對比

圖17為6種市場上主流混動架構，表1為主流混動架構的技術分析對比。其中包括理想增程式、五菱混動、長城DHT、上汽EDU、比亞迪DM-i、比亞迪DM-o等主流混動架構。

增程式即串聯式混動架構的結構與控制較簡單，但其只具備串聯與純電2種工作模式，發動機無法直接驅動車輛，發動機功率傳輸路徑長、能量轉換率低。因此在動力電池虧電狀態下，由于動力電池不能提供充足的輸出功率，發動機脫離高效區間工作導致油耗增高且動力性差。

并聯式混動架構車型均具備串聯、并聯、純電以及發動機直驅等工作模式，可以適應更多工況，即使在動力電池虧電的情況下仍可通過切換不同工作模式使發動機保持在高效區間工作。燃油經濟性與動力性相較于串聯式混動架構更高，但其結構與控制相較于串聯式混動架構更復雜，且隨著擋位數的增加其結構與控制將會更加復雜多變，研發制造成本更高。

3 混動架構的優化

3.1 新型混動架構的設計

為了綜合串聯式與串并聯式混動架構的優點，本文提出了一種新的混合動力架構設計，如圖18所示。旨在通過簡化能量轉換路徑和利用行星齒輪組的功率分流特征，以更簡易的結構與控制邏輯獲得更高的燃油經濟性與動力性。

發動機通過輸入軸與太陽輪連接，作為前端動力源。電機作為另一個驅動源，通過離合器與行星架或外齒圈連接。2個驅動源通過行星齒輪組及雙離合和3個制動器系統，實現工作模式切換與擋位切換。太陽輪與B1制動器連接，行星齒輪與B2制動器和C1離合器連接，外齒圈與B3制動器和C2離合器與輸出端連接。

3.2 工作模式

此種新型混動架構在不同工況可以實現以下6種工作模式。

3.2.1 純電模式

在低速工況，如城區道路，動力電池SOC值較高時，發動機不工作僅由電機驅動車輛，通過制動器與離合器的配合，純電模式可以實現不同擋位設置。

在1擋工作模式下，如圖19所示，C1離合器閉合電機與行星齒輪連接，C2離合器斷開，B1制動器鎖止，行星齒輪主動外齒圈從動，降低速度的同時增加扭矩。

在2擋工作模式下，如圖20所示，C2離合器閉合，電機與外齒圈連接，C1離合器斷開，B1制動器鎖止。此時外齒圈成為主動元件，行星齒輪從動空轉，外齒圈轉速與電機轉速相同。

3.2.2 混動模式

動力電池SOC值較低時，發動機起動，主動動力源來自于發動機，電機作為發電機將發動機的富余功率儲存至動力電池，并可以調節發動機在高效區間工作。通過制動器與離合器的配合可實現以下2種擋位設置。

在1擋工作模式下，如圖21所示，C1離合器閉合，電機與行星齒輪連接，此時太陽齒輪成為主動元件，行星齒輪帶動電機為電池充電，外齒圈驅動輸出端做功，根據行星齒輪組特性可知此時齒輪組無固定傳動比，車速與發動機轉速解耦。

在2擋工作模式下，如圖22所示，C2離合器閉合，電機與外齒圈連接，C1離合器斷開，B2制動器鎖止。此時發動機驅動太陽齒輪作為主動元件，外齒圈作為從動，外齒圈帶動輸出端做功并將發動機富余的功率通過電機將存儲至動力電池。

3.2.3 并聯模式

在急加速和高動力需求情況下，發動機起動，此時電機輔助發動機共同向輸出端輸出高扭矩，滿足車輛動力性需求。

如圖23所示，C2離合器閉合電機與外齒圈連接，C1離合器斷開，B2制動器鎖止。發動機通過太陽齒輪驅動外齒圈，電機直接驅動外齒圈，發動機與電機同時通過外齒圈向輸出端做功。

3.2.4 直驅模式

中高速巡航的路況條件下，發動機處于高效區間，發動機直接驅動車輛，電機待命。如圖24所示，C1離合器斷開，C2離合器斷開，B2制動器鎖止。此時發動機驅動太陽齒輪，太陽齒輪作為主動元件，行星齒輪鎖止，外齒圈作者從動元件，發動機作為唯一動力源向輸出端做功。

3.2.5 動能回收

汽車減速制動工況下，電機作為發電機將回收能量，為電池充電。通過制動器與離合器的配合動能回收模式可以實現2種擋位設置。在1擋工作模式下，C2離合器閉合電機與外齒圈連接，C1離合器斷開，能量從輸出端到外齒圈，外齒圈以相同轉速帶動電機為動力電池充電。在2擋工作模式下，C1離合器閉合，電機與行星齒輪連接，C2離合器斷開，能量從外齒圈進入帶動行星齒輪驅動電機為動力電池充電。

3.2.6 怠速充電

城區怠速停車或動力電池SOC值較低且外部充電條件受限時，發動機驅動太陽齒輪以帶動電機為動力電池充電。C1離合器閉合，電機與行星齒輪連接，C2離合器斷開，B3制動器鎖止。發動機驅動太陽輪，太陽齒輪作為主動元件，行星齒輪為從動輪驅動電機發電，為動力電池充電。

3.3 優化效果分析

本文通過對混動架構結構與控制邏輯的分析，可得出以下優化效果：

（1）相較于現有串并聯式混動架構，采用單個行星齒輪組配合雙離合器與制動器的結構設計僅需1個電機和1個行星齒輪組，實現了結構的簡單化。

（2）利用行星齒輪組功率分流的特點，SOC值較低時，更依賴發動機功率驅動汽車，如圖25所示，將富余的功率通過電機儲存至動力電池，能量轉換路徑相較于串聯與并聯混動架構的串聯工作模式更短，發動機功率利用效率更高。

4 總結與展望

本文提出了一種優化設計的混合動力架構，該架構兼顧串、并聯式混動架構多種工作模式，摒棄了傳統串聯工作模式，從而縮短了發動機的功率傳輸路徑，提升能量轉換效率。優化后的混動架構僅包含1個電機和行星齒輪組，結構與控制邏輯更為簡單，顯著降低了研發制造成本。

然而，本文優化設計的混動架構僅配備1個電機，此電機需要兼顧發電機與驅動電機的特性，電機的性能要求較高，且本文并未對發動機的傳動比以及功率分流作詳細的論證說明，有待未來進行深入研究。

參 考 文 獻

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（責任編輯 梵玲）