1、一.研究背景和發展進程石油資源短缺與環境惡化問題成為傳統汽車的發展瓶頸，為了解決這種問題，近年來將節能技術應用在汽車上成為研究的熱點。除了對發動機本身進行節能的研究外，各汽車企業也開始致力于對新能源汽車的開發。于是，各樣的新能源汽車應運而生，特別是混合動力汽車（HybridElectricVehicle,HEV）出現。HEV是指擁有兩種不同動力源的汽車，汽車在不同行駛工況下使這兩種動力源分別單獨驅動或者聯合驅動整車。兩種動力源的組合主要是，電能和燃油或者天然氣和燃油的組合。作為由傳統車向純電動過渡的中間車型，油電混合動力汽車利用電能的低成本和無污染的優勢來減少燃油消耗和尾氣排放，從而實現節油和

2、環保的目的。并且這種車型還可以制動能量回收，將車輛減速或制動時的機械能轉變為電能存儲在電池中。90年代以來，混合動力汽車（HEV）的開發在許多發達國家（美、歐、日等）中受到高度重視，并取得了重大的進展。1997年豐田公司推出Prius并在市場上熱銷，目前Prius也成為比較成功且已經產業化的混合動力汽車。Prius采用的是行星齒輪機構結合雙電機所構成的動力總成系統。這種混合動力系統也稱為功率分流式混合動力系統。Prius這套動力總成系統構型特點決定了發動機工作點控制自由整車控制技術6,使Prius燃油量最大節省50%,達到超低排放水平。第三代Prius的混合動力系統是由雙行星排加兩個電機所構成

3、的，這種構型通過后排的減速增扭使汽車動力性能得到大幅度提升。通用公司的雙模技術也是比較成功的功率分流式混合動力系統，相比于豐田公司的單模系統，雙模系統可以匹配較小的電機并在系統效率上具有優勢。這兩種系列的功率分流式混合動力系統各有千秋，并將功率分流式HEV的技術研究推向世界前沿。依據動力源的能量耦合方式，可將混合動力汽車分為三類：串聯混合汽車、并聯混合動力汽車和混聯混合動力汽車。串聯混合動力汽車串聯式混合動力汽車的結構圖如圖1.1所示。串聯式混合動力汽車的結構簡單，混合動力系統由發動機、發電機和電動機和蓄電池構成。車輛行駛過程中，發電機將發動機的機械功率轉化為電功率；電動機將一部分電功率轉化為

4、機械功率驅動車輪轉動，而另一部分的電功率則儲存到蓄電池之中。當發動機不工作時，可由電驅動系統驅動整車。GeneratorConverterBattery圖LI串聯式混合動力汽車結構簡圖并聯混合動力汽車電動機并聯混合動力汽車的結構也較為簡單，動力總成包括發動機、和發電機和動力電池等，具混合動力系統結構如圖1.2所示。由圖ConverterBattery圖1.2并聯式混合動力汽車結構簡圖1.2 可知，發動機與電機獨立輸出動力，通過同軸輸出達到轉矩耦合的效果，因此，混合動力系統驅動整車時可以選擇發動機單獨驅動或者發動機電動機聯合驅動的工作模式。1由以上分析可以看出，并聯式混合動力汽車的動力性能較好，

5、但發動機常于非高效區工作。混聯混合動力汽車混聯混合動力汽車主要有開關式混聯混合動力汽車和功率分流式混合動力汽車兩大類11。其中功率分流式混合動力汽車應用更為廣泛并且在發動機工作點控制更為靈活。圖1.3GeneratorConv4rt«rBattery圖1.3功率分流式混合動力汽車的構型簡圖所示為一種功率分流式混合動力汽車的構型圖。功率分流式混合動力系統主要由行星齒輪機構并結合兩個電機組成。根據其構型特點，功率分流式混合動力系統可實現發動機工作點與車輪的完全解耦，并通過其中一個電機的調速作用和另一個電機的轉矩補償使發動機穩定工作于高效率區間。混聯式的構型分為兩種形式，開關式和功率分流式

6、。其中功率分流式構型應用較多，可通過行星機構將發動機的功率進行任意比例分流，一部分通過機械路徑輸出，另一部分通過電路徑輸出。構型能將發動機和輸出軸的轉速轉矩解耦，實現無極變速，因此也將這套裝置稱為電子無極變速器，簡稱EVT2o結構簡圖如圖1.3 所示，該構型的系統效率高，結構緊湊。但有控制方法繁瑣，制造工藝要求高等缺點。目前豐田Prius3,通用Volt4,凱迪拉克凱雷德5等車型都采用了功率分流式EVT構型。其中功率分流式構型能夠實現無極變速，這樣能更大程度上的降低發動機的燃油消耗和有害氣體的排放。這使得此類構型在混合動力汽車構型中占據著巨大的優勢，使用功率分流構型的Prius也成為了最為暢銷

7、的混合動力車型。國內對功率分流式混合動力汽車（power-splitHEW）的研究起步比較晚，至今還沒有成為體系。目前，主要集中于一些高校對功率分流式混合動力系統的研究，例如北京理工，清華大學，吉林大學等。另外，國內的各大汽車企業也紛紛致力于研究功率分流式混合動力系統。2011年，中汽研在“2011中國汽車產業發展（泰達）國際論壇”發布了其自行研發的混合動力總成CHS中汽研公司歷經8年研制出用于深度混聯混合動力汽車的雙行星排混合動力總成產品。目前，該系列產品主要用于大客車和SUV的混合動力車型。國外研究現狀國外對power-splitHEV的研究集中在單模功率分流式混合動力系統和雙模功率分流式

8、混合動力系統上。單模混合動力系統主要以豐田Prius系列為主導構型，雙模系統主要以通用雙模系統為主導構型。Toyota公司的第一代Prius汽車和第二代Prius汽車采用的動力系統（THS系統）將單行星排作為功率分配裝置，如圖1.4所示，PlanetaryOsar圖L4Prius動力系統THS結構圖其采用的是輸入分配式構型為原形的單模混合動力2005年已經推出第三代2006款的Prius。具動力系統（THSH）在THS系統的基礎上增加第二排行星排，第二個行星排起到對主電機的減速增扭作用，從而可以采用較小的主電機或者另一方面提高動力系統的動力性，其構型圖1.5所示。圖1.5THSI!動力系統構型

9、在2011法蘭克福車展上正式亮相的豐田Plug-inPrius沿用了第三代Prius的動力系統6。另外，該動力系統已經應用于LexusRX400h和ToyotaHighlander混合動力汽車中系統。如圖1.6所示為LexusGS450h采用的動力系統構型，L6LexusGS450h動力系統構型該動力系統是在THS系統的基礎上增加拉維娜（RavigneauR式行星齒輪機構和兩個離合器（或制動器）。通過控制兩個離合器，可以改變主電機對車輪的固定減速比，應用于高速和低速兩個模式，從而提高系統效率。2005年通用公司與戴姆勒克萊斯勒、寶馬聯合組成GHC（GlobalHybridCooperation

10、）,共同合作開發出雙模式混合動力系。該雙模技術在2005年的底特律北美車展中，所推出的GMCGraphiteSUV概念車已經應用了該雙模技術。2007年，該雙模技術首先應用于ChevroletTahoe混合動力汽車中，相繼在通用公司的GMCYukonChevroletSilverado等車型、克萊斯勒公司的DodgeDurango等車型中也應用了雙模混合動力系統。如圖1.7左圖所示為通用公司的雙排雙模動力系統，圖1.7右圖所示為通用公司的三排實現的雙模動力系統。圖in通用公司的兩種雙模構型.I,Pljiifl？jvG*ir3FljumrvGnarI1面小'一IkrLTWl第除此之外，還

11、有福特公司以及凱迪拉克公司也推出了功率分流式混合動力車型。其中功率分流式混合動力系統主要包括行星齒輪機構、發動機和兩個電機，其中，行星齒輪機構是混合動力系統的動力耦合裝置7。根據行星齒輪機構具有多自由度的構型特點，在混合動力系統中利用兩個電機來限制其自由度。其中一個電機使發動機轉速與車輪轉速解耦，另一個電機使發動機與車輪的轉矩解耦。因此，在該功率分流式混合動力系統中，通過控制一個電機的轉矩和另一個電機的轉速可以使發動機工作點維持在目標轉矩和轉速處，而這會帶來混合動力系統的功率分流現象，即發動機的功率經由兩個路徑傳遞到車輪，電路徑和機械路徑8,9。電路徑中，發動機的一部分輸出。功率經過其中一個以

12、發電狀態工作的電機，給另一個以驅動狀態工作的電機提供電能，通過機械能的二次轉換將能量輸出到車輪因此功率分流式混合動力汽車的這種現象也稱為功率分流現象。電路徑的加入也使無極變速(EVD的實現成為了可能。雖然發動機可以通過兩個電機的調節工作在最優曲線上，但是電路徑中由于能量轉換時存在不可避免的功率損失，從而影響整個系統的傳動效率10,11。在功率分流式混合動力系統中，發動機輸出功率分配到電路徑的功率與直接以機械形式傳遞的功率的比值是連續可變的。當分配到電路徑的功率比值較小時，整個系統的傳動效率較高。因此，該動力系統在控制發動機工作點在經濟區域的同時，可以通過控制電路徑功率比值來提高系統傳遞效率。這

13、一原則也用于PS-CVT中，這種動力系統是由一個V帶CVT一個固定速比和一個行星齒輪組成，在該系統中通過減小流經V帶CVT中功率比值來提高系統效率26-30。當電路徑功率為零時，發動機的輸出功率全部以機械路徑傳遞，此時系統的傳動效率達到最高。這時所對應的傳動比定義為機械點(MP)。當功率分流式混合動力汽車運行在機械點附近時，混合動力系統的功率分流小，系統傳動效率高。根據這一原則，一些雙模或多模式的功率分流式混合動力系統通過增加機械點來提高其系統傳動效率10。在功率分流式混合動力系統中，發動機功率以電路徑和機械路徑兩個并行路徑來傳遞到車輪，根據功率流向的不同主要分為兩種形式：功率分流(power

14、splitting)和功率循環(powerrecirculating)11-12。以Prius構型為例，如圖1.8所示為其動力系統的功率流圖。(a)功率分流現象(b)功率循環現象圖1名巧訕£動力系統中的功率流圖1.8Prius動力系統中的功率流當出現功率循環現象時，如圖1.8(b)所示，電路徑在輸出軸處沒有動力輸出，即電路徑中的功率不會作用在驅動整車上。并且，此時發動機的功率可能會遠遠超過整車所需求的功率并更大程度的降低系統傳動效率。功率分流以及功率循環現象的發生根據傳動比的值而決定的。對于Prius所采用的輸入分配式混合動力系統，當傳動比大于機械點時，出現功率分流現象，當傳動比小于

15、機械點時出現功率循環現象。因此輸入分配模式在汽車高速(較小傳動比)時，效率比較低。輸入分配模式比較適用于低速模式。輸出分配模式在高速時為功率分流，低速時為功率循環現象。復合分配模式內部功率流向比較復雜，該模式下當傳動比在兩個機械點之間時功率分流比值較小，遠離兩個機械點時功率分流增大。與單模系統相比，雙模混合動力系統通過結合兩種模式的優勢，互相彌補不足來減小出現功率循環現象的傳動比范圍，從而提高系統效率。根據目前的研究現狀，雙模混合動力系統一般是由復合分配模式和輸入分配模式兩個模式結合來實現功率分流式混合動力系統中，利用兩個電機分別對發動機的轉速和轉矩完全解耦，使發動機工作點可以自由控制，實現無

16、極變速。因此這種動力系統在很大限度上提高了燃油經濟性。功率分流式混合動力系統在新能源汽車中體現出絕對的優勢。并且在功率分流式HEV中，雙模混合動力系統在性能上相對于單模混合動力系統更有優勢。作為混合動力汽車的核心部件，混合動力系統構型的確立是關鍵中的關鍵，并且其構型的選擇是各動力總成的參數匹配以及整車控制策略建立的基礎，但是在國內外的研究中對于雙模混合動力系統構型設計的研究很少。而且由于雙模混合動力系統中所采用的兩個或兩個以上行星輪系之間的組合的自由性，造成雙模系統構型復雜多樣，以及系統內由于發動機功率經由兩個路徑傳遞到車輪，造成系統內功率流向以及系統效率的影響因素的復雜性和多樣性，這些因素都

17、增加了雙模混合動力系統構型選型上的難度。表1,120072。09年的EVT型混聯式混合動力車型生產廠家晶牌名稱車型上市時間通用雪弗笠Malibu中型混合動力轎車2007通用雪弗蘭hoeSUV2007通用汽車YukonHybiidSUV2007馬自達IiibiiteHybiidSUV2007克萊斯勒SilvaadoHybrid大型混合動力皮卡2008福特Fusion中型混合動力轎車2008通用汽車SicttiiHybiid大型混合動力皮卡2008Mcrcunr公司MilanHybiid中型混合動力轎車2008憾國寶馬公司BMWX3X6SUV2009這些混聯式混合動力車型均使用了雙排或雙排以上行星

18、齒輪機構的雙模EVT型混聯式混合動力系統。從上述內容可知，國外因汽車制造及電控等技術的快速發展，EVT型混聯式混合動力汽車已經成為較為成功的混合動力主流車型。然而，我國僅有的幾款混聯式混合動力車型（一汽第二代混合動力客車和B70混合動力轎車）也僅僅是概念上的混聯式混合動力車型，因其動力系統中的發電機不參與驅動整車，不能對發動機和車輪轉速實現完全解耦，因而也不能避免車輛低速工況時，發動機低能耗的缺點。顯然，國內混聯式混合動力車型遠不及國外EVT型混聯式混合動力車型的綜合性能。在理論研究方面，相比之下，目前國內的混合動力汽車與國外相比還集中在串聯和并聯混合動力汽車的研究13,14,15,16,對于

19、極具優勢的EVT型混聯式混合動力車型的研究與國外相比還存在很大的差距。綜合以上兩個方面，可以說國內EVT型混聯式混合動力汽車自主開發，仍有很長的路要走，將需要更多學者和科研人員的不斷努力和學習才能夠最終實現。二.結論通過前文的內容可以知道，混合動力汽車因具備節能和環保的雙重優勢將成為21世紀汽車工業可持續發展的必經階段。尤其對于匯集了串聯和并聯混合動力汽車所有優勢的混聯式混合動力汽車，再加上電力機械無級變速器EVT在混聯混合動力汽車上的應用，使節能和環保的雙重優勢發揮到了極致，因此，EVT型混聯式混合動力汽車將成為混合動力汽車競相發展的目標。但對于處于初級研究階段的我國來說，對EVT型混聯式混

20、合動力汽車的研究將面臨更大的困難，主要表現在以下三個方面：(1) EVT式混聯混合動力汽車動力總成系統構型復雜、構成方案繁多，高達幾千甚至上萬種，給研究人員研究帶來極大的挑戰。(2) EVT式混聯混合動力汽車動力總成系統具有更多的自由度，使動力總成參數匹配變成了更加復雜的非線性多目標最優求解問題。(3) EVT式混聯混合動力汽車的仿真模型和控制能源管理控制策略，以及控制參數的優化也相對于串聯和并聯式混合動力汽車更加復雜。1王偉華.并聯混合動力汽車的控制D.吉林大學博士論文2006.52 SyedFU.Modelingandcontrolmethodsforimprovingdrivabilit

21、y,powermanagementandfueleconomyinahybridelectricvehicleM.GraduateSchoolofWayneStateUniversity,degreeofDoctorofPhilosophy.ProQuest,2008.3 JeromeMeisel.KinematicStudyoftheGMFront-WheelDriveTwo-ModeTransmissionandtheToyotaHybridSystemTHS-IITransmissionJ.SAEInternationalJournalofEngines,2011,4(1):1020-1

22、034.No.2011-01-0876.4 BehroozMashadi,SeyedA.M.Emadi.Dual-ModePower-SplitTransmissionforHybridElectricVehiclesJ.VehicularTechnology,IEEETransactionson,2010,59(7):3223-3232.5黃剛,朱曉紅.凱迪拉克凱雷德混合動力電子無級變速器(EVT動力傳遞路線J.汽車維修與保養，2009.6利劍一.混聯式混合動力汽車EVT構型分析D.吉林大學碩士論文，2014.5.7EfficiencyE,EnergyR.Evaluationof2004To

23、yotaPriushybridelectricdrivesystemJ.2006.8XiaowuZhang,Chao-TingLi,DongsukKum,HueiPeng.Prius+andVolt-:ConfigurationAnalysisofPower-SplitHybridVehiclesWithaSinglePlanetaryGearJ.IEEEtransactionsonvehiculartechnology,2012,61:3544-3552.8KimN,KwonJ,RousseauA.Trade-offbetweenMulti-modePowertrainComplexitya

24、ndFuelConsumptionJ.The25thWorldBattery,HybridandFuelCellElectricVehicleSymposium&Exhibition.EVS-25Shenzhen,China,Nov.5-9,2010.9項昌樂，韓立金，劉輝，李宏才.混聯混合動力車輛功率分流耦合機構特性分析J.汽車工程，2010(Vol.32)No.3183-187.10XiaowuZhang,Chao-TingLi,DongsukKum,HueiPeng.Prius+andVolt-:ConfigurationAnalysisofPower-SplitHybridVehiclesWithaSinglePlanetaryGearJ.IEEEtransactionsonvehicu