混合动力汽车功率分流机构的控制与节能分析

李 刚

（吉林省长白山森工集团有限公司汪清林业分公司， 吉林 延边 133200）

油电式混合动力汽车以提高燃油经济性和降低排放为目标，通过对发动机和电机两种动力源合理的布置及控制二者的工作状态，可使发动机在车辆行驶时运行于高效区，并在车辆减速制动时利用电机回收再生能量，节能减排效果显著。目前，油电式混合动力汽车作为纯电动汽车替代燃油汽车的过渡车型，已成为世界各主要汽车生产厂家研发和生产的重点。

1 动力混合方式与节能

按动力混合方式，混合动力汽车驱动系统分为串联式、并联式、混联式，如图1所示。其中并联式和混联式根据电功率在总驱动功率中所占的份额又分微混（＜10%）、中混（10%～25%）、全混（＞25%），全混系统电机功率较大，可实现纯电动行驶，已成为混合动力汽车的主流。

1）串联式：动力系统由发动机、发电机、蓄电池和电机组成，车轮由电机直接驱动，为电-电耦合方式。在低速轻载行驶时由蓄电池供电，以纯电动行驶；在转矩/功率需求较大或蓄电池电量不足时，由发动机带动发电机供电，发动机取消了怠速与高负荷工况，并始终运行在经济区。其不足是电机体积较大，能量几经转换，机械效率较低。

2）并联式：动力系统有发动机和电机两套驱动系统，以并联方式驱动车轮，为机电-转矩耦合方式。在小负荷低速运行时，由电机单独驱动；中高速行驶时，由发动机单独驱动；在加速或负荷较大时，由电机辅助发动机驱动车辆行驶。并联式避免了发动机工作于低负荷和低效率区域，提高了汽车的传动效率，不足是车轮与发动机速比固定，发动机转速受车速影响大，经济效率得不到充分发挥。

图1 混合动力汽车动力混合方式

3）混联式：动力系统中发动机和电机各有一套机械变速机构，两套机构通过功率分流装置驱动汽车行驶，为机电-功率耦合方式。混联式综合了串联式和并联式的优点，在低速小负荷工况行驶时，由蓄电池供电，以纯电动方式行驶；在中高速行驶或有转矩需求时，发动机与电机通过功率分流装置共同驱动车辆行驶。功率分流装置可实现发动机和车轮间的转速解耦，在车速变化时，使发动机避开非经济区，最大限度地运行于最佳效率区域。

2 功率分流装置的结构与特性

行星排轮系是混合动力汽车应用较广的功率分流装置，由单个或多个行星排组成。单行星排由太阳齿轮、行星（齿轮）架、齿圈3个基本元件构成，如图2所示。单排行星齿轮机构具有两个自由度，若使一个基本元件固定不动（该元件转速为0）或使其运动受到一定的约束（该元件转速受限制），则单排行星齿轮机构就只有一个自由度，整个轮系将以一定的速比传递动力；若将其中一个元件作为输入件，其它两个元件作为输出件，就可以实现功率分流。按分流（分配）方式，可分为输入分配、输出分配和复合分配3种模式。输入分配是将发动机输出功率在混合动力总成的输入端进行分流；输出分配是通过行星排将发动机剩余输出功率与电机功率在混合动力输出端进行汇流；复合分配采用两个行星排，通过行星排将发动机输出功率进行分流，同时再利用行星排将来自不同路径的功率进行汇流。

若分流装置只能在一个连续区域变速称为单模机构，若能实现在两个不同连续区域变速称为双模机构。

图2 行星排简图

3 单模混合动力功率分流控制与节能原理

丰田Prius/福特escape混合动力驱动系统采用单排行星齿轮机构，发动机、电机、驱动轮分别与行星排中的3个基本元件相连，通过对电机转速转矩的控制，达到功率分流的功能，因其能达到无级变速器连续动力传输效果，所以又将该系统称为“电子无级变速系统（ECVT）”。

3.1 节能控制

1）发动机/电机工作效率控制：控制电机覆盖发动机运行的非经济区， 在ECVT模式下，控制电机转速与转矩配合发动机运行，使发动机运行于最佳燃油经济区附近。

2）能量回收控制：汽车滑行与制动时，通过电机将汽车惯性动能转变成电能，存储于蓄电池中，进行能量再利用。

3.2 单模混合动力功率分流系统与传动控制

3.2.1 功率分流变速机构的组成

丰田Prius单模混合动力驱动系统主要由功率分流机构（汽油发动机、2个永磁同步电机、功率分流装置）、能量控制部分（功率控制器、电子控制单元）和镍氢动力电池等组成，如图3所示。

图3 单模混合动力驱动系统

功率分流变速机构采用输入分配模式对发动机进行功率分流，在结构上，行星架与发动机相连，太阳轮与电机1连接，外齿圈连接电机2，并与主减速器相连为动力输出件。电机1用于发动机的起动及转速调节，电机2用于控制发动机输出转矩，两台电机均具有电动和发电功能。发动机的动力经过行星排分成两路输出，一路通过外齿圈直接驱动车轮，形成机械传输通道；另一路经太阳轮驱动电机1发电，再由功率控制器将电能供给电机2转化为机械能带动车辆行驶，形成电力传输通道。

3.2.2 传动控制

汽车在运行时，电子控制单元根据驾驶员油门踏板位置、制动踏板位置、蓄电池荷电状态（SOC）、车速和发动机效率等信号计算出相应的控制指令，控制内燃机和电机的工作模式及转速转矩，如图4所示。

1）发动机起动模式：发动机起动时，电机2工作，通过电动力固定行星排齿圈，电机1作为起动机驱动太阳轮带动行星架转动，与行星架连接的发动机曲轴转动，发动机起动。

2）汽车停驶充电模式：电池SOC低于门限值时，电机2以电动力固定行星排齿圈，发动机带动行星架转动，行星架带动太阳轮转动，与太阳轮连接的电机1发电给电池充电。

3）车辆起步模式：车辆起步时，缓踩加速踏板，发动机停转，行星架被固定，电机2驱动行星排齿圈，推动车辆前进，此时太阳轮与电机1随动空转； 急踩加速踏板时，电机1迅速起动发动机（1 s内）与电机2共同驱动车辆。

4）纯电动行驶模式：汽车低速行驶（车速≤50 km/h），行驶阻力较小，且电池SOC高于45%时，发动机（行星架）静止，电机2驱动齿圈，太阳轮带动电机l随动，汽车以纯电动工况行驶；当功率需求达到一定值时，或纯电动运行车速大于50 km/h或电池SOC低于45%时，电机l（太阳轮）驱动行星架起动发动机。

图4 单模混合动力工作模式

5）输入分配模式：低负荷及定速巡航行驶时，发动机带动行星架，一路驱动齿圈将大约70%的转矩直接传递到驱动轴上，另一路驱动太阳轮将剩余转矩由太阳轮传送到电机1发电，向车载蓄电池和电机2提供电能。在车速变化时，使发动机转速（行星架）保持在最佳经济区域不变，通过调节电机1（太阳轮）转速，实现输出（齿圈）的无极变速，同时调整电机2的转速，使发动机和电机转矩叠加，提高输出转矩。

6）高速巡航模式：随着车速升高，电机1（太阳轮）转速逐渐减小直至反转而进入电动状态，此时电机2转为发电，电机1（太阳轮）与发动机（行星架）共同推动齿圈，汽车进入高速巡航行驶状态。

7）车辆加速模式：在急加速时，发动机取消了瞬态加浓过程，通过功率控制器迅速增加电机2电流，拖动车辆加速，同时，电机l也迅速拖动发动机到较高转速。

8）能量回收（滑行和制动时）模式：松开加速踏板及轻踩制动踏板时，车辆滑行，发动机断油，电机l作为电动机调速，使发动机停转，电机2转为发电模式，将再生能量进行回收，向蓄电池充电，并通过发电产生的电磁阻力使汽车减速。

单模功率分流机构只有一级连续变速状态，车辆只能在使用比例较高的车速范围内实现燃油经济性的最优化，而且，电机间存在的电能转换损失（铁损、铜损等）随车速上升而增大，使汽车在高速及定速巡航行驶时，传动效率低于传统汽车。

4 双模混合动力功率分流控制与节能原理

通用/宝马混合动力驱动系统采用2～3个行星排，利用多行星排相互组合方式，可形成一条电力路径和两条以上机械传递路径，通过控制速比转换部件和电机转速，实现高低速两种“动力分流”模式及一个或多个固定挡位，进一步提高了汽车的燃油经济性和传动效率。

4.1 节能控制

双模混合动力驱动系统是在单模节能控制基础上，优化及增加了以下控制内容。

1）发动机工作效率控制：在双ECVT模式下，调节电机运行状态，使发动机运行于高效区。

2）高/低速电子连续可变速比控制（ECVT2/ECVT1）：车速较低时，使用输入分配模式，以较大的速比驱动车辆行驶；车速较高时，使用复合分配模式并以较小的速比驱动车辆行驶。

3）固定速比模式下发动机工作点的选取控制：在高、低两级速度区域，插入固定速比传动模式，当车速与发动机工况最佳经济点对应时，进行纯机械传动，避免功率分流传动下发动机与电机存在中转功率损失。

4.2 双行星排功率分流系统与传动控制

4.2.1 功率分流机构组成

图5 双行星排双模功率分流机构

通用新君越30H全混动的双模混合动力功率分流机构主要由发动机、2个行星排、2个电机和3个离合器构成，如图5所示。在结构上，发动机通过扭转减震器和旁通离合器连接1号齿圈，电机A连接1号太阳轮，电机B连接2号太阳轮，1号太阳轮与2号齿圈通过高速离合器C2连接，两套行星齿轮组的行星架都向车轮提供动力输出。系统具有2个动力分配模式（输入分配模式/复合分配模式）及1个固定速比传动，在低速/低负荷工况时采用输入分配式模式，在高速/大负荷工况时采用复合分配模式，在中高速巡航状态时采用固定速比机械传动模式。电机A、B均可通过并联的方式辅助发动机工作，保证在车速不变的情况下提供动力或者吸收动力。行驶时，电控单元根据汽车行驶、电池SOC状态和发动机转速目标值，控制离合器工作，完成变速机构在纯电动、高/低速动力分流及固定速比模式间的切换，双行星排功率分流传动模式如图6所示，双行星排传动模式与离合器工作状态见表1。

图6 双行星排功率分流传动模式

表1 双行星排传动模式与离合器工作状态

4.2.2 传动控制

1）发动机起动模式：发动机起动时，1号行星架连接车轮受到限制，电机A作为起动机驱动1号太阳轮，1号太阳轮带动1号内齿圈转动，1号内齿圈通过扭转减震器旁通离合器带动发动机曲轴转动，发动机起动。

2）纯电动模式：缓踩加速踏板，慢起步时，发动机不工作，低速离合器C1工作，2号齿圈被C1锁止，电机B驱动2号太阳轮，动力直接通过2号行星架驱动车轮；急速起步或加速时，车轮由电机A和电机B共同驱动。

3）低速输入分配模式：当车速达到一定值或需求功率较大时，发动机起动并迅速运行于经济高效区。此时，一部分动力经过1号齿圈传递给1号行星架，驱动车辆；另一部分动力则由行星齿轮、1号太阳轮带动电机A发电，根据电池SOC和输出转矩需求，控制系统将电能分流给电机B以驱动车辆或向车载电池充电。汽车行驶时，调整电机A转速，可在发动机转速保持不变状态下，改变车速；当行驶阻力变化时，控制电机B输出转矩，可保持车速稳定。

4）固定速比传动模式：当汽车进入巡航行驶状态时，低速离合器C1和高速离合器C2均工作，此时1号太阳轮被C2、C1 锁止不转，发动机带动1号齿圈通过1号行星架以固定的速比驱动车轮，实现纯机械动力传递。由于2号齿圈也被锁止，电机B与车轮之间的转速为固定速比，可以以并联的方式辅助发动机工作，在有输出转矩需求或动力剩余时，可在保证车速不变的情况下，通过2号行星架向车轮提供动力或者吸收动力发电。此模式的速比对应于发动机经济转速区，提高了汽车的传动效率和燃油经济性。

5）高速复合分配模式：车速高于110 km/h时，高速离合器C2工作，1号太阳轮与2号齿圈相连，发动机一部分动力从1号行星架输出直接驱动车辆，另一部分动力则通过1号太阳轮经高速离合器C2传送到2号齿圈，再传给2号行星架驱动车辆。同时，2号行星齿轮将部分动力经2号太阳轮分给电机B发电，电机B将发出的电能供给电机A（带动1号太阳轮）驱动行星架以增大输出转矩。此模式减小了发动机到车轮的速比，在车速较高的状态下发动机仍能运行于高效区间，进一步提高了发动机的运行效率。

4.3 三行星排混合动力功率分流系统与传动控制

4.3.1 功率分流变速机构组成

通用、宝马SUV双模混合动力功率分流变速机构由发动机、3个行星排、2个电机和4个离合器组成，具有2个动力分配模式和4个固定挡位。其中，电机A的转子与1号行星排的太阳轮及2号行星排的齿圈连为一体，电机B的转子与2号、3号行星排共用的太阳轮相连，如图7所示。

图7 三行星排双模功率分流变速机构

4.3.2 传动控制

汽车行驶时，控制单元依据相关信号，控制发动机、电机、离合器工作，使车辆以纯电动驱动模式、高/低速混合动力驱动模式、1/2挡低速、3/4挡高速驱动模式等交互切换行驶。三行星排传动模式与离合器工作见表2，三行星排功率分流传动模式如图8所示。

1）低速输入分配模式：汽车低速行驶时，离合器C1接合，C2、C3、C4分离，3号行星排因齿圈被固定，太阳轮驱动行星架减速输出。发动机动力由1号前行星排齿圈输入，经公用行星架至2号行星排，一部分动力经后太阳轮至3号行星架以机械方式减速输出，一部分动力由2号齿圈至电机A转变为电力流，向电机B提供电能，使发动机转速处于最佳油耗点，改变电机A的转速和控制电机B的输出转矩，可使车速在一定变化范围内上升或下降。

表2 三行星排传动模式与离合器工作

图8 三行星排功率分流传动模式

2）1挡传动模式：在输入分配模式下，保持发动机转速不变，降低电机A（2号齿圈）转速，车速随之提升，后太阳轮转速相应升高，当与2号齿圈接近同步转速时，C4接合，形成1挡传动，动力传递变为纯机械方式。当车速进一步提升，发动机转速升高，逐渐偏离经济运行区域时，C4分离，系统切换回输入分配模式，通过降低电机A和发动机转速，在车速提升的同时，使发动机回到经济区运行。

3）2挡传动模式：输入分配模式下，随着车速的进一步提升，电机A转速下降至0，即转入电动制动状态，当后行星架转速与公用行星架接近同步转速时，在C1接合基础上，C2接合，将公用行星架与输出轴直接相连，形成2挡传动，发动机的动力再次以机械传动形式驱动车轮。

4）高速复合分配模式：2挡传动模式下，随着车辆提速，发动机的工作点又偏离经济区，此时，C1分离，C2维持接合，动力一部分由公用行星架直接输出，一部分由2号行星架、后太阳轮将动力分给电机B发电，电机B将电能分流给电机A，电机A驱动前太阳轮，并与发动机输出功率汇流，形成复合分配模式；调整电机A的转速，可使发动机在经济转速区内，改变汽车运行速度。

5）3挡传动模式：在复合分配模式下，电机A使前太阳轮转速持续升高，推动行星轮反转，使公用行星架加速，车速继续上升，当2号行星排齿圈与后太阳轮转速接近时，C4接合，形成3挡直接传动。在3挡模式下，车辆再提速，发动机转速随之上升，当发动机工作点偏离高效区时，C4分离，系统再次返回复合分配模式，继续调整电机A、B的转速，使发动机转速回到经济区，汽车过渡到超速运行，即输出轴转速大于发动机转速。

6）4挡传动模式：汽车以复合分配模式超速运行，在发动机经济转速区内，降低与后太阳轮连接的电机B转速，使车速继续提升，当后太阳轮转速接近于0时，C3接合制动后太阳轮，此时公用行星架驱动2号齿圈与前太阳轮组件达到最高转速，变速机构进入固定速比的4挡超速传动模式。

7）纯电动驱动与发动机起动模式：当车辆需求功率较低并且电池荷电状态SOC较高时，发动机熄火，在低速行驶时，以输入分配传动模式，由电机B单独驱动车辆；在车速稍高时，以复合分配传动模式，由电机A、B共同驱动车辆；当车速上升（大于60 km/h）或需求功率增加时，电机A受控制动，由电机B起动发动机，车辆由发动机和电机一起驱动行驶。在电动模式下，若电池SOC低于下限值，发动机起动；由电机A向动力电池组充电，反之，发动机停机。当需要倒车时，发动机不工作，离合器C1工作，电机B反转，实现倒车。

8）加速控制模式：通用/宝马八缸混动SUV汽车采用闭缸技术，在低负荷与低速巡航时，采用输入分配和复合分配模式，发动机四缸运行，提高了燃烧效率；在高速时，采用3、4挡固定速比模式，发动机四缸或八缸运行，提高了传动效率；当车辆加速时，动力电池组向电机额外提供电能，协助车辆迅速提速；在急加速时，由电机助推使用八缸工作；缓加速时，由电机辅助使用四缸工作，降低了有害气体的排放。

4.3.3 能量回收控制

以宝马X6混合动力汽车为例，当车辆减速滑行或踏下制动踏板时，控制单元根据油门踏板和制动踏板位置信号，向功率控制器发出指令，使电机A（在汽车低速减速状态）或电机B（在汽车高速减速状态）以发电机状态工作，回收滑行与制动过程产生的再生能量。制动踏板工作位置分再生制动（空行程）和液压制动两阶行程，踩下制动踏板时，制动踏板角度传感器向控制单元传送再生制动力矩和液压制动力矩两类信号，控制单元根据空行程距离（踏板阻力由模拟器产生，如图9所示）确定再生制动力矩大小（其大小可由功率控制器通过控制发电机向蓄电池充电电流的大小进行调节），当踏板达到液压制动行程位置，即需求的制动力较大时，液压制动系统介入，完成车辆的紧急制动。

双模式系统通过复合分配模式与输入分配模式两种方式回收制动再生能量，可在较宽的车速范围内，使发电机具有足够的转速来发电，使制动能量回馈更充分和高效。

5 结论

图9 制动踏板阻力模拟器

功率分流技术优化了发动机动力源与电机动力源的分配，双模系统相比于单模系统提高了系统选择的灵活度和传动效率，使系统的中转能量损失在相对较宽的速比范围内保持在较低的数值，进一步提升了车辆运行的经济性。在目前的控制技术支撑下，采用双模功率分流机构已成为混合动力汽车的最佳选项。随着技术的进步和新技术的衍生，功率分流技术将会不断发展，势必将混合动力汽车的传动效率与燃油经济性推向新的层次。

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