1.2 典型商用车混合动力系统

混合动力汽车具有不同的分类方法，按照电机功率占运行总功率的比例，可以分为弱混、中混和重混；按照动力系统结构与布置分类，则可以分为串联式、并联式和混联式混合动力汽车。本节首先对混合动力系统构型进行分类，确定最具综合性能优势的混合动力系统。

1.2.1 构型分类

按照整车动力系统结构的不同，混合动力系统可以分为串联、并联和混联三类构型，其中，混联构型又可分为开关混联构型和行星混联构型。

1．串联构型

串联式混合动力电动汽车是由发动机、发电机、蓄电池组、电机、机械传动装置等组成，基本构型如图1-2所示。发动机-发电机组与蓄电池组为供能装置，电机作为唯一的动力输出装置，提供车辆动能。

串联式构型的发动机与汽车驱动轮之间无机械连接，具有独立于汽车行驶工况对发动机进行控制的优点，可以使发动机稳定于高效区或低排放区附近工作。但由于系统中存在二次能量转换，系统综合效率较低，另外，三大动力总成（发动机、发电机、电机）设备规模比较庞大，布置难度和成本增加。在多停车-起步的市区行驶工况以及车辆低速行驶时，串联式混合动力系统的优点得以体现，但由于能量的二次转化伴随大量损耗，系统综合效率不高，节油能力有限。

2．并联构型

并联式混合动力系统中，发动机与电动机同时与驱动轮机械连接，行驶时发动机和电动机可以单独或共同向整车提供动力，其基本构型如图1-3所示。

并联构型中发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，其能量利用率相对较高；电动机同时作为发电机使用，因此系统仅有发动机和电动机两个动力总成，相比于串联构型，整车质量和成本大大减少。但由于发动机与车辆驱动轮间有直接的机械连接，发动机工作区不可避免地要受到汽车具体行驶工况的影响，因此，要维持发动机在最佳区域内工作，则需要复杂的控制系统和控制策略。

3．混联构型

混联式混合动力系统基本构型如图1-4所示，具体可以分为开关混联和行星混联两种类型。

开关混联构型无变速器，结构简单。主离合器结合时，发动机与系统输出轴直连，具有更好的传动效率。但其缺点也十分明显，发动机输出转矩没有变速器的调节，系统动力性较差，从而缩小了该构型的适用范围。

行星混联构型通过对两台电机的调节作用实现发动机到车轮的电动无级变速（EVT），相比于同样没有传统变速器的开关混联构型，该构型能够显著提升系统动力性。此外，行星混联构型能够在约束范围内实现发动机转速、转矩与路载的解耦，从而易于实现发动机的最优控制，能够获得良好的燃油经济性，具有突出的竞争力。当前销量最好的混合动力汽车——丰田普锐斯（Prius）便是行星式混联系统。

1.2.2 行星式混合动力系统国内外产品现状

由1.2.1节可知，行星式混联混合动力系统是当前最具竞争力的混合动力系统，因此，本节主要介绍使用行星混联系统的国内外产品现状。

1.2.2.1 国外产品现状

●丰田公司

1997年，第一代普锐斯面市，该车采用了单排EVT构型（THS构型），可通过发电机调速实现无级变速功能，是世界上首款行星混联式混合动力汽车，其基本构型如图1-5所示。2003年，第二代普锐斯问世。2009年，第三代普锐斯上市。这两代相对于第一代普锐斯在EVT构型方面并未发生改变。2016年，基于丰田最新开发的TNGA平台打造的第四代普锐斯上市，该车的混合动力系统由一个1.8L发动机和主电机及发电机构成，其中发动机的热效率高达40%，机械结构的简化也使得系统效率进一步提高。相较于之前的版本，2016款普锐斯最高可节省燃油20%左右，百公里综合油耗达到2.5L。

此外，丰田公司随后又在THS构型的基础上进行拓展，应用到高端车型，主要包括两种构型：

1）THS+拉维纳式构型，主要应用到Lexus GS450h、Lexus LS600h等车型。

2）THS+4AT构型，应用到Lexus LC500h车型。

●通用公司

通用公司推出的AHS（Allison Hybrid System）系列行星混联构型相比于丰田公司的THS构型更为复杂，多数集中于对双排和多排的研究。

2003年，AHS的一款三排双模构型（AHS3PG）被广泛应用到多家客车厂商，如英国Optare公司的Tempo车型、波兰Solaris公司的Urbino 18 Hybrid车型以及荷兰APTS公司的Phileas车型等，其基本结构如图1-6所示。在此基础上，为满足全尺寸SUV的要求，通用公司在AHS3PG的基础上增加了四个固定速比，该构型应用到Yukon SUV、Tahoe SUV等车型。随后，通用公司将上述构型进行改进，推出了能够应用于前驱SUV的“2MT70”构型，先应用到Saturn Vue Green Line构型。

近年来，随着通用行星混动技术的进一步发展，开发出一种新的行星混联混合动力系统，其结构原理如图1-7所示，主要应用在2016款沃蓝达、君越30H以及Velite 5车型上。

这套混合动力系统在两组行星机构的基础上增加了两个电控离合器和一个机械单向离合器，通过离合器不同的结合状态，实现发动机和两个电机之间的动力分配，系统可以根据工况需求，工作在单电机驱动模式、双电机驱动模式、低转矩模式、固定速比模式以及高速模式。

1.2.2.2 国内产品现状

●科力远

科力远与吉利联合研发的CHS混合动力系统由发动机、主驱动电机、辅助电机、一套拉维娜式双排行星齿轮机构、三元锂电池组以及两个锁止离合器组成。其系统构型如图1-8所示。

其中锁止离合器B1用于锁止发动机，防止曲轴的倒转，降低纯电驱动模式下的控制复杂度；锁止离合器B2用于锁止电机MG1，避免其工作在零转速附近的低效率状态。该CHS系统可以实现纯电动模式、功率分流模式、固定速比并联模式以及制动回收模式。该系统将两个电机放在同侧，避免电机靠近发动机而在高温下工作。此外，通过控制锁止离合器，可以进一步提高系统传动效率。

科力远开发的另一款行星混联混合动力系统HT2800，如图1-9所示。该系统主要适用于SUV车型。其前排行星架3与后排齿圈耦合，前排齿圈6与后排行星架耦合，主电机E2与后排太阳轮5刚性连接，辅电机E1与前排太阳轮4相连。发动机通过离合器C0与行星架3相连，同时，发动机可通过离合器C1与后排太阳轮5刚性连接。行星排齿圈6作为整个电驱变速器的输出，与减速机构7齿轮啮合，传递动力至车轮。

该系统保留了两个离合器与两个制动器用于整车工作模式切换和调速。其中，C0离合器用来保证发动机输出轴与行星架3的刚性连接；C1离合器用来保证发动机输出轴与后排太阳轮5刚性连接；B1制动器用于锁止行星排行星架3，将其连接于变速器壳体；B2制动器用于锁止前行星排太阳轮4，将其连接于变速器壳体。

通过控制离合器和各动力源的状态，该系统可以实现两种纯电动模式和三种混合动力模式，每个工作模式适用于车辆的不同运行状态，其核心是保证车辆运行过程中动力性能与经济性能处于较优的水平。

●宇通

宇通推出的搭载睿控3.0行星混联系统的H8城市公交平台，通过轻量化、高效电驱动与制动、智能控制、高效电附件技术等设计优化，配合客车专属控制策略，经济性更加突出，节能效果达到42%以上。同时，在全生命周期内，H8的综合成本要远远低于同类产品。H8系统构型如图1-10所示。

除此之外，宇通已经在行星混联混合动力系统构型方面形成国内自主专利布局，其中最基本的构型如图1-11所示。

该构型包括两排行星齿轮机构，前行星排为输入式功率分流装置，后行星排的齿圈固定连接在机壳上，其功能等效为固定速比减速器。发动机输出轴连接前行星排的行星架，辅助电机连接前行星排的太阳轮，驱动电机连接后行星排的太阳轮，前行星排的齿圈与后行星排的行星架相连作为系统输出端。该构型在辅助电机与前行星排太阳轮之间设置有锁止离合器，用于实现发动机直驱功能，提高系统传递效率。在纯电动模式下，如果需要动力系统输出高转矩，利用锁止离合器1将前行星排的行星架锁止，实现辅助电机和驱动电机的联合输出，满足较大的坡度或车重等大转矩需求场合。

以该基本构型为基础，衍生了其他构型，如图1-12所示。其主要特点是在基本构型的基础上设有变速器，主要实现以下几个功能：

1）通过变速器减速增矩，可以选用更小的电机，降低系统成本。

2）通过多个档位的切换，能够使电机输出的功率与车辆所处的工况相适应，使电机处于高效工作的状态。

3）当不需要电机工作时，使变速器处于空档的位置，减少电机空载转动所带来的损耗，延长电机使用寿命。

1.2.2.3 小结

总结现有行星混联混合动力产品可以看出，丰田公司和通用公司在行星混合动力领域处于领先地位，无论是技术还是产量都是全球的领导者；以THS构型为基础的整个构型体系，构成了丰田系EVT构型的核心；而通用公司为了避开丰田专利封锁，通过增加行星轮排数，增加或减少离合器数目，以及改变行星轮各接点与发动机、电机、离合器及输出轴间的连接方式，使各构型实现不同功能，产品以双排或多排构型为主。我国行星混联混合动力（后简称行星混联）系统的应用相对较晚，但在国家产业政策以及财政补贴政策的鼓励下，也有相应的成熟产品出现，如科力远CHS系统以及宇通行星混联混合动力系统。

1.2.3 行星混联系统关键技术

本节着重阐述与行星混联混合动力系统相关的各项关键技术，包括行星混联系统构型分析、行星混联系统匹配设计、行星混联系统优化控制策略设计以及行星混联系统动态协调控制技术。

1.2.3.1 行星混联构型分析方法

目前，对于行星混联混合动力系统的基本分析理论主要有两种：杠杆法和D矩阵方法。杠杆法是通过将一个行星齿轮机构简化为一个杆模型，可以在很大程度上降低分析复杂行星混联混合动力系统的难度。D矩阵方法是在已知动力系统具体构型的基础上，列出其动力方程来分析该构型的可行性，这种方法在复杂行星混联混合动力系统的构型分析中比较困难。因此，杠杆法是最为方便而普遍的分析方法，本小节只讲解杠杆法的基本概念和应用。

杠杆法可理解为用简单易懂的杠杆模型来抽象地代替复杂多变的行星轮系。如图1-13所示，每一个行星轮系被抽象为一条线段（称作杠杆）；行星轮系三个自由端处的三个运动构件（太阳轮、行星架、齿圈）分别被抽象为该线段上三个点，其中太阳轮和齿圈分别对应线段的两个端点（图1-13中为T₁、T₃两点），而行星架则对应该线段上除了端点之外的某一点（图1-13中为T_H点）；H点将该线段分成两段——T₁T_H与T_HT₃，T₁T_H与T_HT₃的长度分别代表齿圈R与太阳轮S的齿数并均一化，其中。模拟杠杆与行星轮系的对应关系见表1-1。

对于转矩而言，若1、H、3三点的转矩分别为T₁、T_H、T₃，则T₁、T_H、T₃可以分别表示过1、H、3三点，方向为竖直方向的有向线段。T_H与T₁、T₃方向相反，并且满足下面关系：

对于转速而言，若1、H、3三点的转速分别为w₁、w_H、w₃，则存在如下关系：

假设各个运动构件在每个瞬时处于平衡状态，利用杠杆模型可以直接获取与行星轮系相连的各个动力总成的运动情况和受力情况。关于行星混联系统的构型分析，本书的第3章有更详细的阐述。

1.2.3.2 行星混联系统匹配设计方法

混合动力系统参数匹配的目的是在满足整车动力性要求的前提下，使系统在不同工况运行条件下，各个动力总成效率特性相互配合统一，实现尽可能高的系统效率。目前，围绕行星混联系统的匹配设计方法，主要包括以下四种。

1．功率匹配法

该方法依据车辆所要求的动力性设计要求（如最高车速、最大爬坡度、0-50km/h加速时间），结合车辆动力学方程依次计算确定混合动力系统需求的动力源总功率、发动机功率和电机、蓄电池峰值功率等，根据计算结果对发动机、电机、电池等总成进行选取。通常情况下，发动机用于提供最高车速巡航、恒速爬坡的稳态需求功率，蓄电池/超级电容用于补充需求较大时的剩余功率。

2．仿真试验法

该方法通常根据功率匹配法计算确定各个动力总成最大功率，在满足功率需求的前提下，准备特性参数不同的动力总成作为子系统候选，通过在CRUISE、ADVISOR等专用仿真平台上搭建混合动力系统模型的方式实现不同子系统的组合与对比，并根据仿真结果优劣，选择相应的动力总成作为最终的技术方案。

3．功率与效率匹配结合法

该方法以功率匹配法为基础，在计算确定动力总成功率的基础上，结合混合动力汽车运行的循环工况和构型方案特点，分析各个动力总成在不同细化工况下的工作情况，以系统高效运行为目标确定动力总成的效率特性参数，最后以所确定参数选取传动系统总成，实现效率匹配。该方法可以解决一般功率匹配方法在混合动力系统参数匹配中考虑效率的不足，匹配结果更具实用性。

4．智能算法优化法

该方法目前有两种应用，一种是在采用其他方法完成了主要部件和总成的匹配和选型后，针对个别总成参数应用智能算法（如遗传算法）进行优化。另一种是通过车辆动力学方程推导总成功率和特征参数与整车动力性能、系统成本和空间尺寸等设计要求之间的关系，并采用仿真优化软件（如Isight）进行多目标优化，获得P areto解集，确定较优的总成特征参数。

关于行星混联混合动力系统的匹配设计，在本书第3章有详细介绍。

1.2.3.3 行星混联系统能量管理控制策略

行星式混合动力系统包括多个动力源，具有复杂的非线性效率特性，其节能效果依赖于能量管理策略。当前，最常见的控制策略主要有基于规则的控制策略和基于优化的控制策略。其中，基于规则的控制策略包括逻辑门限控制策略和模糊规则控制策略。

1．逻辑门限控制策略

逻辑门限控制策略主要依据工程经验，通过设置车速、动力电池SOC上下限、发动机工作转矩等一组门限参数，限定动力系统各部件的工作区域，并根据车辆实时参数及预先设定的规则调整动力系统各部件的工作状态，以提高车辆整体性能。

该控制策略主要分为恒温器型与功率跟随型控制策略，其中，恒温器控制策略以蓄电池SOC值作为发动机工作状态的开关依据，当动力蓄电池SOC降到设定低门限时发动机起动；而当SOC上升到高门限时，进入到纯电动行驶模式。功率跟随型控制策略下，发动机按照行驶功率需求，工作于最低燃油消耗率曲线上，并维持电池的SOC处于正常的水平，以满足系统起步、加速等工况对蓄电池的需求，发动机作为主要动力输出源，其输出功率紧跟整车需求功率的变化，与传统汽车类似。

2．模糊规则控制策略

基于模糊逻辑的控制策略本质上也是一种基于规则的控制策略，与基于逻辑门限控制策略不同的是，模糊逻辑策略是基于模糊值，而非精确值来描述控制规则。模糊逻辑控制策略结合数理逻辑和模糊数学，根据人的经验、知识和推理技术模拟人的思维推理和决策方式。因此这种控制策略鲁棒性强、适应性强，可不依赖系统精确的数学模型。干扰和参数变化对控制效果的影响小，适合应用于非线性、时变及纯滞后系统的控制中。

基于规则的控制策略中，规则的制定完全依赖设计者经验，因此无法最大化地挖掘混合动力汽车的节油潜力。此外，混合动力系统的控制策略不仅要实现最佳的燃油经济性、排放性和动力性，同时还要适应不同的运行工况及驾驶风格，因此，兼顾上述各方面要求的优化控制策略是未来的发展趋势。

3．基于优化的控制策略

优化控制策略可分为全局优化和实时优化两类。全局优化策略是指针对某一既定的驾驶工况，通过使油耗或排放最小化来制定发动机或电机所要达到的工作状态的一种控制策略。从理论上讲，全局优化策略是最佳的，但是实现起来有一定的困难，因为这种策略是建立在行驶工况条件已知的情况下的，而在实际应用时，行驶工况难以预料，针对特定路况得到的最优并不适用于其他路况。另外，这种策略需要巨大的计算量。但是，全局优化策略可以用于分析、评价、调节其他控制策略，也可以用来为实时优化策略提供依据。

实时优化控制策略主要包括预测控制、ECMS等效油耗最小策略和基于全局最优解提取控制的启发式控制策略。预测控制技术近年发展快速，典型代表是模型预测控制策略，该策略克服了全局优化需预知工况信息的缺点，能获得近似最优解；等效油耗最小策略常基于庞德里亚金最小原理，在线性简化的基础上利用增益、反馈等方法对汉密尔顿函数的算子进行实时估计，以实现在线优化；基于全局优化解提取控制规则的方法，最终形成启发式控制策略，实时性优异，但多是基于对最优控制轨迹的观察，通过分析控制行为来实现规则提取，未能形成具体方法，另外，全局最优解本身受到工况限制，所提取的控制规则也难以具有普遍的工况适用性。

关于行星混联系统控制策略的具体应用，在本书第5章将会有具体阐述。

1.2.3.4 行星混联系统动态协调控制技术

行星式混合动力系统三动力源高度耦合，当整车工作模式发生切换时，发动机与电机的需求转矩发生突变，在向目标转矩过渡时会发生输出转矩的大幅波动，另外发动机的响应速度不及电动机，动力源之间的转矩关系难以维持稳定，造成传动系统的冲击，影响整车平顺性，导致乘坐舒适性变差，同时对传动系统造成伤害，严重的可能引起断轴等机械失效问题。

当前混合动力汽车的转矩协调控制研究尚不完善，模式切换协调控制的研究尚有以下问题待解决：难以获取发动机较为准确的实时动态转矩；难以控制离合器的转矩传递。目前模式切换协调控制的思路主要是限制发动机的转矩变化率，对发动机的动态转矩进行估计，计算出待补偿的转矩差异，通过电机进行补偿。然而发动机实际转矩难以实时精确获得，对发动机转矩的在线估计和精确获取是动态协调算法成功实施的关键。

目前，国内少有针对行星混联系统的协调控制，因此，开展对适用于行星混联系统的动态协调控制策略的研究，将丰富该领域的研究成果，促进行星混联式商用车的推广应用。关于行星混联系统协调控制的具体介绍，在本书第六章进行重点说明。