【摘要】隨著新能源汽車的迅猛發(fā)展，混合動(dòng)力汽車受到廣泛關(guān)注并快速占領(lǐng)市場(chǎng)。為了優(yōu)化混合動(dòng)力汽車動(dòng)力架構(gòu)，通過(guò)剖析串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車與并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力結(jié)構(gòu)，研究其在不同工況下的能量傳遞路徑和控制邏輯，發(fā)現(xiàn)其存在能量效率低與結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題。通過(guò)減少動(dòng)力架構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換路徑并利用行星齒輪組功率分流等特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種混合動(dòng)力架構(gòu)控制邏輯，研究表明其具備更高能量效率，同時(shí)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，提升能量效率的同時(shí)也較低了開發(fā)制造成本。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車；并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車；混動(dòng)架構(gòu)；能量效率

中圖分類號(hào)：U469.7" "文獻(xiàn)標(biāo)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(guó)家從環(huán)境保護(hù)與能源戰(zhàn)略安全的角度出發(fā)，提出了“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)[1]。汽車行業(yè)迅速響應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略，推出“雙積分”政策，推進(jìn)新能源汽車綠色、健康發(fā)展?；旌蟿?dòng)力汽車屬于新能源汽車的重要車型[2]，相較于純電動(dòng)汽車，混合動(dòng)力汽車擁有2個(gè)或2個(gè)以上動(dòng)力源[3]，兼顧了純電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油車的優(yōu)勢(shì)[4]，充電時(shí)間更自由，可對(duì)國(guó)家電網(wǎng)起到削峰填谷作用[5]。

國(guó)外對(duì)混合動(dòng)力汽車的研究起步較早，Davis等[6]結(jié)合燃料與電池壽命成本建立控制策略，降低2%成本的同時(shí)延長(zhǎng)了動(dòng)力電池壽命。Asensio等[7]基于電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）值動(dòng)態(tài)調(diào)整低通濾波器寬帶的功率分流實(shí)時(shí)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(qiáng)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了混動(dòng)車輛的控制策略，并有效提升了燃油經(jīng)濟(jì)性。國(guó)內(nèi)對(duì)混動(dòng)技術(shù)的研究相對(duì)起步較晚，但在國(guó)家政策的支持和推動(dòng)下，中國(guó)自主品牌陸續(xù)發(fā)布了以串聯(lián)式混合動(dòng)力與串并聯(lián)式混合動(dòng)力為代表的混合動(dòng)力汽車[9]，國(guó)內(nèi)學(xué)者在混動(dòng)技術(shù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成的SOC參考曲線，有效降低了整車油耗。王樂(lè)妍[11]將建立的速度預(yù)測(cè)模型與動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法結(jié)合應(yīng)用在混動(dòng)能量管理問(wèn)題上，獲得了與全局優(yōu)化算法相近的控制效果。任崇領(lǐng)等[12]研究員兼顧動(dòng)力電池SOC的充放電平衡和燃油消耗，使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法建立動(dòng)態(tài)規(guī)劃能量管理策略，仿真表明比基于規(guī)則的能量管理策略油耗降低5.78%。陳渠等[13]提出一種動(dòng)態(tài)規(guī)劃和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的能量管理策略，對(duì)上海市某個(gè)隨機(jī)工況進(jìn)行仿真計(jì)算，顯著提升節(jié)油效果。

為了兼顧汽車混動(dòng)系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟(jì)型和動(dòng)力性，同時(shí)控制架構(gòu)研發(fā)制造成本。本文基于對(duì)現(xiàn)有串聯(lián)式與并聯(lián)式混動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)與控制邏輯的研究分析，通過(guò)減少動(dòng)力架構(gòu)中能量轉(zhuǎn)換路徑并利用行星齒輪組功率分流等特性，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種混合動(dòng)力架構(gòu)及控制邏輯，旨在使其具備比串聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)更高的能量效率，且結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，提升能量效率的同時(shí)降低開發(fā)制造成本。

1 串聯(lián)式與并聯(lián)式混合動(dòng)力架構(gòu)的優(yōu)劣勢(shì)分析

1.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力架構(gòu)的優(yōu)劣勢(shì)分析

串聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)電機(jī)分布如圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)共同組成增程器，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)串聯(lián)工作，形成一條連續(xù)的能量路徑，其能量流向?yàn)椋喊l(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)。增程器與動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及控制器為電器連接，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與變速器以及車輪為機(jī)械連接。

串聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與車速解耦，發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)在高效區(qū)間穩(wěn)定工作，發(fā)動(dòng)機(jī)具備良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

（2）動(dòng)力電池可以為驅(qū)動(dòng)功率“調(diào)峰”，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)排量需求較小，多采用1.5 L小排量發(fā)動(dòng)機(jī)[14]。

（3）增程器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間無(wú)機(jī)械連接，占用空間較小，整車布局相對(duì)更靈活。

盡管在適當(dāng)標(biāo)定且理想的工況下，串聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)能夠展現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)性，然而其劣勢(shì)也尤為顯著：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的全部功率需通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能供驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用。為了實(shí)現(xiàn)功率平衡與良好的動(dòng)力性，需配備較大的發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，動(dòng)力電池將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能供驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用，最后驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。這一能量轉(zhuǎn)換路徑較長(zhǎng)，過(guò)程中增加了功率損耗。

（3）動(dòng)力電池電量不足且在高速或高功率工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)難以持續(xù)在高效區(qū)間工作，電機(jī)效率下降且系統(tǒng)功率損耗較大，整車經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性不理想。

綜上，在動(dòng)力電池電量充足且中低速工況下，串聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)具備良好的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性，而在高速或高功率工況下，該架構(gòu)難以保持較好的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性。

1.2 并聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)的優(yōu)劣勢(shì)分析

并聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)中，發(fā)動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)既可以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電又可以直接參與驅(qū)動(dòng)車輛。并聯(lián)式電機(jī)可按布置位置分為P0、P1、P2、P3和P4電機(jī)[15]，數(shù)字越小電機(jī)距離發(fā)動(dòng)機(jī)位置越近[16]，如圖2所示。

P0布置在發(fā)動(dòng)機(jī)前端，通常與發(fā)動(dòng)機(jī)柔性連接，僅負(fù)責(zé)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。P1為集成式智能啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)（Integrated Starter Generator，ISG），布置在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸末端，介于發(fā)動(dòng)機(jī)與離合器之間，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸作為電機(jī)轉(zhuǎn)子。P2電機(jī)位于離合器與變速箱之間，離合器負(fù)責(zé)控制發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)的動(dòng)力耦合與解耦。因此發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)均可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛，也可共同驅(qū)動(dòng)車輛。P3電機(jī)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(gè)固定齒比的減速器即可增加輸出扭矩，直接通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)車輛，其動(dòng)力輸出與能量回收效率高，但由于減速器距離發(fā)動(dòng)機(jī)較遠(yuǎn)，所以其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)調(diào)節(jié)能力有限。P4電機(jī)一般與P2電機(jī)配合使用。

并聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)通常采用P1～P4電機(jī)進(jìn)行協(xié)同工作的方式，該架構(gòu)具有以下3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

（1）高效能量利用。發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)車輛，能量損耗較低，發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用率較高，避開電機(jī)的低效區(qū)間，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的高效區(qū)間驅(qū)動(dòng)車輛，可以在更多工況下保證經(jīng)濟(jì)性。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)功率可適當(dāng)減小。相較于串聯(lián)式架構(gòu)，并聯(lián)式架構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)在帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電的同時(shí)也可以直接驅(qū)動(dòng)車輛，減少了需要裝備大型動(dòng)力電池的需求。

（3）動(dòng)力性能強(qiáng)。發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)可共同驅(qū)動(dòng)車輛，能夠有效應(yīng)對(duì)大功率和大扭矩工況，具有更強(qiáng)動(dòng)力性。

然而，并聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)存在以下劣勢(shì)：

（1）制造和研發(fā)成本高。由于并聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，其制造和研發(fā)階段成本較高，且其后期維修和保養(yǎng)難度大。

（2）動(dòng)力耦合要求。發(fā)動(dòng)機(jī)通常需要與2個(gè)或2個(gè)以上電機(jī)協(xié)同工作，這要求裝配動(dòng)力耦合裝置，且需較為精細(xì)的標(biāo)定，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間的協(xié)同工作達(dá)到最佳效果。同時(shí)，這種架構(gòu)的控制邏輯也較為復(fù)雜，需要更為先進(jìn)和精確的控制策略。

2 串聯(lián)與并聯(lián)混合動(dòng)力架構(gòu)分析

2.1 串聯(lián)式混合動(dòng)力架構(gòu)

2.1.1 控制邏輯

串聯(lián)式混合動(dòng)力基礎(chǔ)架構(gòu)主要由變速器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、發(fā)動(dòng)機(jī)以及發(fā)電機(jī)組成。其中發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)為機(jī)械連接構(gòu)成增程器，為系統(tǒng)提供電能。增程器與動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及控制器之間為電器連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與變速器和車輪為機(jī)械連接。圖3為某串聯(lián)式混合動(dòng)力架構(gòu)車型結(jié)構(gòu)。

2.1.2 工作模式

串聯(lián)式混合動(dòng)力架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)4種工作模式。

（1）純電模式。系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)力電池SOC值，油門開度、車速以及增程器狀態(tài)判定是否進(jìn)入純電模式。純電模式下，系統(tǒng)根據(jù)油門開度、車速等條件判斷所需扭矩與功率并控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速與扭矩，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)完全由動(dòng)力電池供電。

（2）串聯(lián)模式。當(dāng)動(dòng)力電池SOC值低于一定閾值時(shí)，增程器將開始運(yùn)行并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。增程器發(fā)動(dòng)機(jī)在合適的轉(zhuǎn)速與扭矩下運(yùn)行，使發(fā)動(dòng)機(jī)保持在高效區(qū)間工作。系統(tǒng)根據(jù)油門開度、車速、動(dòng)力電池SOC得出驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需功率。增程器根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需功率向驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接供電，富余的電能將儲(chǔ)存至動(dòng)力電池。若功率需求增加，則由增程器與動(dòng)力電池同時(shí)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。

（3）動(dòng)能回收。車輛減速行駛時(shí)，動(dòng)力電池與增程器停止向驅(qū)動(dòng)電機(jī)供能，車輪在車輛動(dòng)能作用下帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供一定的反向制動(dòng)力矩，將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能并儲(chǔ)存至動(dòng)力電池。常見的動(dòng)能回收主要包括制動(dòng)回收、慣性回收和永磁制動(dòng)回收。

（4）怠速充電。車輛靜止時(shí)，增程器與動(dòng)力電池不再為驅(qū)動(dòng)電機(jī)供能，系統(tǒng)可根據(jù)動(dòng)力電池SOC與用戶用車場(chǎng)景調(diào)節(jié)增程器發(fā)電功率，發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)在高效區(qū)間工作，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)為動(dòng)力電池充電。

2.2 并聯(lián)式混合動(dòng)力架構(gòu)

2.2.1 控制邏輯

如圖4所示，雙排行星齒輪串并聯(lián)式架構(gòu)，P1發(fā)電機(jī)內(nèi)置雙離合器，采用轉(zhuǎn)子及離合器集成式排布，制動(dòng)器模塊平行于主減速機(jī)構(gòu)，P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌雙排行星齒輪組。發(fā)動(dòng)機(jī)與P1發(fā)電機(jī)通過(guò)花鍵剛性連接，作為前端動(dòng)力源。P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為另一個(gè)動(dòng)力源。兩個(gè)動(dòng)力源相互配合，通過(guò)雙行星排及雙離合、雙制動(dòng)器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)模式切換及擋位切換。

第1輸入軸前端通過(guò)花鍵與C0離合器剛性連接，后端通過(guò)熱裝與P2電動(dòng)機(jī)過(guò)盈壓裝，同時(shí)輸出1軸上的齒輪作為后排行星齒輪組的太陽(yáng)齒輪.輸入2軸（空套的軸）的前端通過(guò)花鍵分別與C3離合器和B2制動(dòng)器剛性連接，同時(shí)其上的齒輪作為前排行星齒輪組的太陽(yáng)齒輪。輸入端為后排行星齒輪組的太陽(yáng)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(lián)式混合動(dòng)力架構(gòu)在不同的工況可以實(shí)現(xiàn)以下6種工作模式。

2.2.2.1 純電模式

動(dòng)力電池SOC值較高且不需高功率輸出時(shí)，P2電機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)車輛行駛。通過(guò)制動(dòng)器與離合器的配合，實(shí)現(xiàn)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(guò)B1制動(dòng)器鎖死，動(dòng)力由P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)出發(fā)，依次傳遞至后排太陽(yáng)齒輪、后排行星架、前排外齒圈，最終到達(dá)輸出端，實(shí)現(xiàn)1擋總速比a。

2擋工作模式下，如圖6所示，前排太陽(yáng)輪通過(guò)B2制動(dòng)器鎖死，P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)后排太陽(yáng)齒輪，動(dòng)力由太陽(yáng)齒輪途徑后排外齒圈、前排行星架、前排外齒圈，最后到達(dá)輸出端，實(shí)現(xiàn)2擋總速比b。

在3擋工作模式下，如圖7所示，動(dòng)力從P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳至后排太陽(yáng)齒輪。因第1輸入軸前端與C0離合器的花鍵連接，當(dāng)C0離合器與C3離合器結(jié)合時(shí)，2個(gè)行星排的太陽(yáng)齒輪轉(zhuǎn)速相同，實(shí)現(xiàn)速比為1的傳動(dòng)，再經(jīng)過(guò)中間齒輪通過(guò)前排外齒圈將動(dòng)力傳遞至輸出端，最終實(shí)現(xiàn)3擋總速比c。

2.2.2.2 串聯(lián)模式

動(dòng)力電池SOC值較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在高效區(qū)間工作，并驅(qū)動(dòng)P1發(fā)電機(jī)發(fā)電。P2驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛，將富余的能量?jī)?chǔ)存至動(dòng)力電池，通過(guò)制動(dòng)器與離合器的協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)串聯(lián)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(guò)B1制動(dòng)器鎖死，P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)后排太陽(yáng)齒輪，動(dòng)力由后排太陽(yáng)齒輪途徑后排行星架、前排外齒圈至輸出端，實(shí)現(xiàn)1擋總速比a。

在2擋工作模式下，如圖9所示，前排太陽(yáng)輪通過(guò)B2制動(dòng)器鎖死，P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)后排太陽(yáng)齒輪，動(dòng)力由后排太陽(yáng)齒輪途徑后排外齒圈、前排行星架至輸出端，實(shí)現(xiàn)2擋總速比b。

在3擋工作模式下，如圖10所示，動(dòng)力從P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)入后排太陽(yáng)齒輪。因第1輸入軸前端與C0離合器的花鍵連接，當(dāng)C0離合器與C3離合器結(jié)合時(shí)，2個(gè)行星排的太陽(yáng)齒輪轉(zhuǎn)速相同，實(shí)現(xiàn)速比1的傳動(dòng)，隨后經(jīng)過(guò)中間齒輪，通過(guò)前排外齒圈將動(dòng)力傳遞至輸出端，最終實(shí)現(xiàn)3擋總速比c。

2.2.2.3 并聯(lián)模式

若轉(zhuǎn)扭需求超出P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大動(dòng)力供給范圍，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，C0離合器閉合，系統(tǒng)切換至并聯(lián)模式。發(fā)動(dòng)機(jī)與P2電動(dòng)機(jī)共同發(fā)力，發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力補(bǔ)償，富余的功率帶動(dòng)P1發(fā)電機(jī)，通過(guò)制動(dòng)器與離合器的配合實(shí)現(xiàn)并聯(lián)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(guò)B1制動(dòng)器鎖死，P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)后排太陽(yáng)齒輪，動(dòng)力從后排太陽(yáng)齒輪途徑后排行星架、前排外齒圈至輸出端，實(shí)現(xiàn)1擋總速比a。

在2擋工作模式下，如圖12所示，前排太陽(yáng)輪通過(guò)B2制動(dòng)器鎖死，P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)后排太陽(yáng)齒輪，動(dòng)力從后排太陽(yáng)齒輪途徑后排外齒圈、前排行星架至輸出端，實(shí)現(xiàn)2擋總速比b。

在3擋工作模式下，如圖13所示，動(dòng)力從P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入后排太陽(yáng)齒輪，因第1輸入軸前端與C0離合器的花鍵連接，當(dāng)C0離合器與C3離合器結(jié)合，2個(gè)行星排的太陽(yáng)齒輪轉(zhuǎn)速相同，實(shí)現(xiàn)速比1的傳動(dòng)，再經(jīng)過(guò)中間齒輪，通過(guò)前排外齒圈將動(dòng)力傳遞至輸出端，最終實(shí)現(xiàn)3擋總速比c。

2.2.2.4 直驅(qū)模式

在高速巡航工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ?，直接?qū)動(dòng)車輛行駛，P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為后備動(dòng)力源隨時(shí)待命。

在1擋工作模式下，如圖14所示，前排行星架通過(guò)B1制動(dòng)器鎖死，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)后排太陽(yáng)齒輪，動(dòng)力由后排太陽(yáng)齒輪途徑后排行星架、前排外齒圈至輸出端，實(shí)現(xiàn)1擋總速比a。

在2擋工作模式下，如圖15所示，前排太陽(yáng)輪通過(guò)B2制動(dòng)器鎖死，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)后排太陽(yáng)齒輪，動(dòng)力由后排太陽(yáng)齒輪途徑后排外齒圈、前排行星架至輸出端，實(shí)現(xiàn)2擋總速比b。

在3擋工作模式下，如圖16所示，動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入后排太陽(yáng)齒輪，因第1輸入軸前端與C0離合器的花鍵連接，當(dāng)C0離合器與C3離合器結(jié)合時(shí)，2個(gè)行星排的太陽(yáng)齒輪轉(zhuǎn)速相同，實(shí)現(xiàn)速比1的傳動(dòng)，再經(jīng)過(guò)中間齒輪通過(guò)前排外齒圈將動(dòng)力傳遞至輸出端，實(shí)現(xiàn)3擋總速比c。

2.2.2.5 能量回收模式

當(dāng)駕駛員松開加速踏板，系統(tǒng)進(jìn)入動(dòng)能回收模式。系統(tǒng)將根據(jù)當(dāng)前車速選擇適合的擋位，激活距離車輪較近P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行能量回收任務(wù)。通過(guò)制動(dòng)器與離合器的協(xié)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(qū)動(dòng)電機(jī)，最終存儲(chǔ)至動(dòng)力電池。

2.2.2.6 怠速充電

當(dāng)SOC值較低且不具備充電條件時(shí)，在串聯(lián)模式的基礎(chǔ)上，P2驅(qū)動(dòng)電機(jī)將停止工作，發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)P1發(fā)電機(jī)發(fā)電，為動(dòng)力電池充電。

2.3 主流架構(gòu)對(duì)比

圖17為6種市場(chǎng)上主流混動(dòng)架構(gòu)，表1為主流混動(dòng)架構(gòu)的技術(shù)分析對(duì)比。其中包括理想增程式、五菱混動(dòng)、長(zhǎng)城DHT、上汽EDU、比亞迪DM-i、比亞迪DM-o等主流混動(dòng)架構(gòu)。

增程式即串聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)的結(jié)構(gòu)與控制較簡(jiǎn)單，但其只具備串聯(lián)與純電2種工作模式，發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)車輛，發(fā)動(dòng)機(jī)功率傳輸路徑長(zhǎng)、能量轉(zhuǎn)換率低。因此在動(dòng)力電池虧電狀態(tài)下，由于動(dòng)力電池不能提供充足的輸出功率，發(fā)動(dòng)機(jī)脫離高效區(qū)間工作導(dǎo)致油耗增高且動(dòng)力性差。

并聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)車型均具備串聯(lián)、并聯(lián)、純電以及發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)等工作模式，可以適應(yīng)更多工況，即使在動(dòng)力電池虧電的情況下仍可通過(guò)切換不同工作模式使發(fā)動(dòng)機(jī)保持在高效區(qū)間工作。燃油經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性相較于串聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)更高，但其結(jié)構(gòu)與控制相較于串聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)更復(fù)雜，且隨著擋位數(shù)的增加其結(jié)構(gòu)與控制將會(huì)更加復(fù)雜多變，研發(fā)制造成本更高。

3 混動(dòng)架構(gòu)的優(yōu)化

3.1 新型混動(dòng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了綜合串聯(lián)式與串并聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種新的混合動(dòng)力架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖18所示。旨在通過(guò)簡(jiǎn)化能量轉(zhuǎn)換路徑和利用行星齒輪組的功率分流特征，以更簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)與控制邏輯獲得更高的燃油經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性。

發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)輸入軸與太陽(yáng)輪連接，作為前端動(dòng)力源。電機(jī)作為另一個(gè)驅(qū)動(dòng)源，通過(guò)離合器與行星架或外齒圈連接。2個(gè)驅(qū)動(dòng)源通過(guò)行星齒輪組及雙離合和3個(gè)制動(dòng)器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作模式切換與擋位切換。太陽(yáng)輪與B1制動(dòng)器連接，行星齒輪與B2制動(dòng)器和C1離合器連接，外齒圈與B3制動(dòng)器和C2離合器與輸出端連接。

3.2 工作模式

此種新型混動(dòng)架構(gòu)在不同工況可以實(shí)現(xiàn)以下6種工作模式。

3.2.1 純電模式

在低速工況，如城區(qū)道路，動(dòng)力電池SOC值較高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作僅由電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛，通過(guò)制動(dòng)器與離合器的配合，純電模式可以實(shí)現(xiàn)不同擋位設(shè)置。

在1擋工作模式下，如圖19所示，C1離合器閉合電機(jī)與行星齒輪連接，C2離合器斷開，B1制動(dòng)器鎖止，行星齒輪主動(dòng)外齒圈從動(dòng)，降低速度的同時(shí)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(jī)與外齒圈連接，C1離合器斷開，B1制動(dòng)器鎖止。此時(shí)外齒圈成為主動(dòng)元件，行星齒輪從動(dòng)空轉(zhuǎn)，外齒圈轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速相同。

3.2.2 混動(dòng)模式

動(dòng)力電池SOC值較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，主動(dòng)動(dòng)力源來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)的富余功率儲(chǔ)存至動(dòng)力電池，并可以調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)在高效區(qū)間工作。通過(guò)制動(dòng)器與離合器的配合可實(shí)現(xiàn)以下2種擋位設(shè)置。

在1擋工作模式下，如圖21所示，C1離合器閉合，電機(jī)與行星齒輪連接，此時(shí)太陽(yáng)齒輪成為主動(dòng)元件，行星齒輪帶動(dòng)電機(jī)為電池充電，外齒圈驅(qū)動(dòng)輸出端做功，根據(jù)行星齒輪組特性可知此時(shí)齒輪組無(wú)固定傳動(dòng)比，車速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速解耦。

在2擋工作模式下，如圖22所示，C2離合器閉合，電機(jī)與外齒圈連接，C1離合器斷開，B2制動(dòng)器鎖止。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)齒輪作為主動(dòng)元件，外齒圈作為從動(dòng)，外齒圈帶動(dòng)輸出端做功并將發(fā)動(dòng)機(jī)富余的功率通過(guò)電機(jī)將存儲(chǔ)至動(dòng)力電池。

3.2.3 并聯(lián)模式

在急加速和高動(dòng)力需求情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，此時(shí)電機(jī)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)共同向輸出端輸出高扭矩，滿足車輛動(dòng)力性需求。

如圖23所示，C2離合器閉合電機(jī)與外齒圈連接，C1離合器斷開，B2制動(dòng)器鎖止。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)太陽(yáng)齒輪驅(qū)動(dòng)外齒圈，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)外齒圈，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)同時(shí)通過(guò)外齒圈向輸出端做功。

3.2.4 直驅(qū)模式

中高速巡航的路況條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)處于高效區(qū)間，發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輛，電機(jī)待命。如圖24所示，C1離合器斷開，C2離合器斷開，B2制動(dòng)器鎖止。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)齒輪，太陽(yáng)齒輪作為主動(dòng)元件，行星齒輪鎖止，外齒圈作者從動(dòng)元件，發(fā)動(dòng)機(jī)作為唯一動(dòng)力源向輸出端做功。

3.2.5 動(dòng)能回收

汽車減速制動(dòng)工況下，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)將回收能量，為電池充電。通過(guò)制動(dòng)器與離合器的配合動(dòng)能回收模式可以實(shí)現(xiàn)2種擋位設(shè)置。在1擋工作模式下，C2離合器閉合電機(jī)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(zhuǎn)速帶動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力電池充電。在2擋工作模式下，C1離合器閉合，電機(jī)與行星齒輪連接，C2離合器斷開，能量從外齒圈進(jìn)入帶動(dòng)行星齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力電池充電。

3.2.6 怠速充電

城區(qū)怠速停車或動(dòng)力電池SOC值較低且外部充電條件受限時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)齒輪以帶動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力電池充電。C1離合器閉合，電機(jī)與行星齒輪連接，C2離合器斷開，B3制動(dòng)器鎖止。發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)輪，太陽(yáng)齒輪作為主動(dòng)元件，行星齒輪為從動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電，為動(dòng)力電池充電。

3.3 優(yōu)化效果分析

本文通過(guò)對(duì)混動(dòng)架構(gòu)結(jié)構(gòu)與控制邏輯的分析，可得出以下優(yōu)化效果：

（1）相較于現(xiàn)有串并聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)，采用單個(gè)行星齒輪組配合雙離合器與制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)僅需1個(gè)電機(jī)和1個(gè)行星齒輪組，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單化。

（2）利用行星齒輪組功率分流的特點(diǎn)，SOC值較低時(shí)，更依賴發(fā)動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)汽車，如圖25所示，將富余的功率通過(guò)電機(jī)儲(chǔ)存至動(dòng)力電池，能量轉(zhuǎn)換路徑相較于串聯(lián)與并聯(lián)混動(dòng)架構(gòu)的串聯(lián)工作模式更短，發(fā)動(dòng)機(jī)功率利用效率更高。

4 總結(jié)與展望

本文提出了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)的混合動(dòng)力架構(gòu)，該架構(gòu)兼顧串、并聯(lián)式混動(dòng)架構(gòu)多種工作模式，摒棄了傳統(tǒng)串聯(lián)工作模式，從而縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率傳輸路徑，提升能量轉(zhuǎn)換效率。優(yōu)化后的混動(dòng)架構(gòu)僅包含1個(gè)電機(jī)和行星齒輪組，結(jié)構(gòu)與控制邏輯更為簡(jiǎn)單，顯著降低了研發(fā)制造成本。

然而，本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的混動(dòng)架構(gòu)僅配備1個(gè)電機(jī)，此電機(jī)需要兼顧發(fā)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特性，電機(jī)的性能要求較高，且本文并未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)比以及功率分流作詳細(xì)的論證說(shuō)明，有待未來(lái)進(jìn)行深入研究。

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（責(zé)任編輯 梵玲）