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01
混合概述
在国外，混合动力得益于国家新政策的支持，重新回到了人们的视野——2020年10月27日，在中国车辆工程学会高峰论坛暨展览会上，中国工程院李军教授宣布，2.0新版《节能新能源汽车技术路线图》正式发布，混合动力首次上升到发展战略高度，混合动力在技术路线2.0上设置了里程碑节点——2035年全面混动，开启了国外整车厂对混合动力的跃马鞭策。
目前主要有四种技术路线：
1）Add-on，这条路线主要是欧美主机厂玩的，比如P0~P4，在原动力总成的基础上减少电机，改动少，成本低。 而且节油率不理想，达不到国外补贴的要求，所以国外主机厂很少在设计开发上投入精力；
图1 Add-on方案P0~P4含义
2）增程方案，该方案是前期人们经常提到的系列方案，主要代表增程版BMWi3、本田e-Power和Ideal one，其结构原理如图2所示
图 2 增程系统拓扑
增程方案的底盘（增程器）不直接与车轮相连，因此底盘可以一直工作在高效低排放区，需要大功率电机将能量完全吸收底盘，导致车辆成本增加。
3）串并联。 这种结构的齿轮箱近五年发展迅速。 其典型代表是丰田的iMMD。 此外，国内奇瑞的EHS、长城的柚子混动、奇瑞的鲲鹏动力都是类似的结构。
图3 搭载的iMMD混合盒
4）权力分流。 这类方案主要是以行星排作为能量分配的预制构件。 行星排耦合电机和底盘，以最佳匹配能量。 其控制逻辑是让底盘在高效区间内依然稳定工作：
a) 当底盘提供的能量不足以克服汽车前进时，蓄电池放电驱动电机推动底盘；
b) 当底盘提供的能量超过汽车所需的驱动力时储存能量；
c) 当底盘提供的能量与汽车行驶所需能量相等时，底盘直接驱动；
图4 福特普锐斯的THS
目前福特THS是全球心率分体式混合动力箱中的佼佼者，另外还有通用Volt I和II，以及国外的吉利/Corun CHS。
福特THS目前累计销量约2000万辆。 规模效应上来之后，成本控制的特别好，相应的销量也比较大。 属于输入功率拆分。 通用Volt I属于输出功率分流，或者更准确地说，是输出功率合流。 二代Volt II是复合动力分流，有输入和复合两种模式，称为双卡复合动力分流。 科力远的分流方案属于复合功率分流，复合模式只有一种，称为多模复合功率分流。 本文重点介绍功率分配 DHT，并探讨输入、输出和复合功率分配的具体构造。
02
输出功率分配
2.1
输出功率并联功率特性
就一般的三轴系统而言，输出端到底盘的距离在杠杆模型上定义为单元1，到驱动电机（E2）的距离为b（b是一个比率，确定通过行星排的特征参数），底盘与发电机（E1）同轴，如图5所示
图5 输出功率分流杠杆模型
根据NGW行星排怠速特性多项式和图5，构造如下平衡多项式
上式中ne为底盘怠速，Te为底盘扭矩，则构造效率多项式为
其中i为底盘与输出怠速的比值（可以理解为速比），据此绘制效率曲线：
图6 输出功率分流效率曲线
2.2
VoltⅠ结构原理
说到输出功率分配，人们难免会提到福特Volt I，它采用了简单的行星排NGW构型。 为了避免福特专利，Volt I的输出轴是行星架PC，底盘输入轴连接大齿圈R和发电机ISG。 车轮与驱动电机TM相连，齿圈R可通过制动器B1固定连接在机壳上，发电机ISG分别通过两个离合器C1和C2与底盘ICE和齿圈R相连，如图7所示
图7 VoltⅠ结构图
从图6可知，当b>1时，效率为图6中的红色曲线，速比大、转速低时，效率很低。 例如，当i=4时，效率仅为34%； 当b<0时，效率为图6中蓝色曲线，低速时效率低，但好于b>1时的情况，所以VoltI采用b<0的情况，其杠杆图如下：
图8 VoltⅠ杠杆模型
根据上面的讨论，即使Ford Volt I采用的构型也不适合实际使用，因为低速时效率低，而我们家用车一般在城市路况下行驶，时速在80kph以内，而常见的车速是40~60kph，而这个车速正好是Volt I的低效区间。GM的解决方案是降低一个刹车B1和两个离合器C1、C2（福特Prius没有刹车和离合器）。 移位逻辑如表1所示
表1 VoltⅠ移位逻辑
汽车启动，系统处于纯电动模式。 此时控制B1闭合，齿圈锁止，TM电机独立驱动。 杠杆姿态和功率流如图9所示
图9 纯电动模式1
当汽车需要大扭矩纯电起步时，ISG电机和TM电机一起驱动，此时C1闭合（Volt Ⅰ在底盘和C2之间装有双向离合器，防止底盘离合向后拖动），详见右图
图10 纯电动模式2
汽车进一步加速，所需扭矩减小，底盘介入，但时速仍然不高，即i比较大。 根据2.1节的讨论，如果此时不选择换档装置B1、C1、C2等，系统效率会很低，并且会出现功率环流（即无功功率）。 在这种工况下，为防止汽车在低效率区间行驶，一般的解决办法是锁死制动器B1，结合离合器C2，使系统工作在串联模式，即增程式混合动力在 1. Power mode中提到，这就是为什么GM一再坚持Volt I是EREV（Range）的激励因素。 这种模式下的功率流和模拟杠杆如图 11 所示。
图 11 串联混合模式
当速度较高时，为了提高系统效率，一般的策略是将C1和C2合并，开启B1。 此时系统工作在输出功率汇流模式，如图12所示
图 12 输出功率收敛模式
上文提到，Volt I在中低速时效率低，会出现功率循环，这也是输出功率分流构象的先天缺陷。功率循环如图13所示
图 13 功率循环下的功率流向和杠杆姿态
图13中，齿圈R进入行星排后底盘动力分为两条路。 一条机械路径由行星架PC输出直接驱动； 另一路由太阳轮S带动TM电机发电，电能用于驱动ISG电机。 电力的一条路径在系统中循环，不用于驱动汽车。 其实就是无功功率，应该避免。 正是为了解决这个问题，Volt I有了刹车B1、离合器C1、C2的加持。 城市中低速时，制动器B1和离合器C2闭合，系统工作在增程模式，避免动力循环。 当汽车在高速行驶时，即i较小时，如图6所示，输出功率分流构象的效率很高，因此Volt I的离合器C1和C2闭合，使系统工作在输出功率分割模式。 这样一来，无论是高速还是低速，福特Volt I都完美解决了效率低下的问题，成本也很可观。 三个档位选择装置的减少导致了系统的复杂化，增加了成本。
03
输入功率分配
3.1
输入功率分流功率特性
讨论一直以三轴系统为例。 杠杆模型的构造与输出功率分流类似，只是电机“绑定”的位置不同。 输入动力分流的驱动电机TM绑定到输出端。 详情见右图。
图 14 输入功率分流杆模型
根据上图和NGW行星排怠速特性多项式，构造如下平衡多项式
据此得到输入动态分裂构象的效率多项式为：
其中，i和a与输出功率分流含义相同，η为电机效率，在数值上等于ISG和TM电机效率的乘积或倒数的乘积，取决于电机是否是发电还是发电。根据上面的公式，画出效率曲线如右图
图15 输入功率分流效率曲线
看图15，实际上，当a=-1，或者a<0时，输入功率分裂构象的效率在i较大时相对最高。 大于0的值表示ISG电机轴在杠杆模型上位于底盘轴的一侧，解剖THS构造，这正是福特工程师的安排方式。
3.2
福特THS结构原理
从1994年普锐斯项目的建立和发展算起，福特的THS系统在过去的三六年里已经升级了数次，无论THS迭代了多少次，其核心部件都没有改变，这是一个一组 NGW 行星排。 至于同轴时代的第二组行星排，或者平行轴时代的减速蜗杆，都是为了降低输出扭矩比，提升性能。 因此，本文仅对动力分流行星排进行分析讨论。
图16THSⅢ-P410
THS的行星架PC连接底盘ICE，太阳轮S连接发电机ISG，齿圈R作为输出。 同时，环形齿轮连接到驱动马达TM。 结构图如图17所示，P410和P610的主要参数如表2所示。
图 17 THSⅣ-P610结构图
表2 P410和P610的主要性能参数
其实THS结构比较简单，控制复杂，工作方式多变。 本文仅讨论功率分流和功率循环这两种典型情况，分析输入功率分流构象的质量。 其他工作模式见表3
桌面工作模式
笔记：
定义 从底盘看变速箱，顺时针转为正，反之为负；
+：表示怠速为正；
-：表示怠速为负值；
0：静止不动；
THS之所以被称为输入功率分流，是因为在车速不太高的时候，底盘能量通过行星架后分为两条路径——机械路径和电力路径。 机械路径直接驱动小车，另一路径驱动ISG定子发电，电能要么用于储存，要么用于驱动TM电机。 THS功率分配模式下的功率流和模拟杆如右图所示
图 18 功率分配模式
而当车速较高时（初始THSⅠ-P111、THSⅡ-P112功率循环发生在车速低于80kph时），即i较小时，输入功率分流器构象的效率会很低。 例如，图 15 中的蓝色曲线表示 THS 构象的效率特性。 当i=0.8（可以理解为）时，效率只有42.4%，可见其效率很低。 这些情况是由于系统内部产生的功率循环，由输入功率的分流配置决定，很难改变。 这种情况下的功率流和杠杆模型如图19所示
图 19 电源循环
在图 19 中，底盘能量流经齿圈并分为两条路径。 一条路径驱动小车，另一条路径驱动TM电机发电。 电能用于驱动ISG定子旋转，并通过太阳轮流回行星排。 其实这条路不开小车，属于无功功率。
3.3
分析普锐斯高速不省油的原因
根据上一节的分析，THS系统在汽车高速行驶时会出现动力循环，这是导致搭载THS系统的普锐斯高速油耗的重要原因。 表4是部分搭载THS系统的福特车型的油耗统计，更能说明这个问题。
表4 福特部分车型油耗统计
我们来分析一下出现这种情况的原因，首先分析一下怠速：
定义从底盘到变速箱的方向，顺时针旋转为正发电功率常用单位，反之为负； 定义车轮的前进方向为正向（顺时针旋转），则由THS结构可知，小车前进时，齿圈、TM电机和半轴同向旋转。
假设时速定义为-之间的高速，齿圈到半轴的减速比为3.9。 根据车速与怠速的关系，-对应的齿圈怠速估算为：
根据底盘特性曲线（见图20），假设底盘在高速时的高效怠速范围为：2600-，则可得到小电机的怠速。
图20THS 机箱外部特征
ISG怠速估算公式由行星排怠速特性多项式得到：
根据估算结果，太阳轮、行星架、大齿圈的时速和对应的怠速用杠杆图表示如下：
图21 行星排三要素与时速v的对应关系
里面是怠速分析，下面是扭矩分析：
高速行驶时，驱动力主要克服风阻和滚动阻力。 根据车辆参数，所需扭矩约为130-248Nm。 根据减速比，齿圈需要提供的驱动扭矩约为30-60Nm
上述两式中，Ttdw(v)为所需扭矩，THo(v)为齿圈需提供的扭矩。 根据上式，得出转矩-转速曲线如下。
图22 所需转矩与齿圈提供的转矩与时速的关系
根据底盘图，底盘工作在2600-时，最佳输出扭矩约为90Nm，如图23
图23 底盘最佳输出扭矩范围示意图
根据行星架上的扭矩平衡，行星架的内部扭矩方向向上，根据行星排扭矩的特征多项式，作用在S和R上的内部扭矩方向向下。 为了平衡底盘分配给S轴的力矩，ISG作用在太阳轮上的力矩必须向上，量级为25Nm。 从底盘分配到齿圈的扭矩为90*2.6/3.6=65Nm，方向为向下。 所需扭矩为30-60Nm，因此TM还需要输出负扭矩和负载扭矩，以平衡从底盘分配到齿圈的扭矩。
综上所述，ISG在高速时扭矩为负，怠速为负，处于电动状态； TM有负转矩，正怠速，处于发电状态，产生的能量供ISG使用。 油耗较高。
04
复合权力分配
4.1
复合功率分流功率特性
复合功率分配至少需要一个 4 轴系统。 如果系统由NGW行星排组成，则至少需要两个NGW行星排。 例如，福特 Volt II 由两个简单的行星排组成； 该系统还可以由复合行星排组成。 例如，Corun CHS 系统采用了 行星排列构造。 以最简单的4轴为例说明其功率特性，其杠杆模型如图24所示
图 24 复合功率转换杆模型
在杠杆图上，设输出端到机箱的距离为单元1，到EM1的距离为a，到EM2的距离为b，模拟输入输出功率特性进行讨论，得到如下效率公式
其中，i和η所表示的含义与输入/输出功率分配相同，根据上述公式绘制效率曲线，如图25所示
图 25 复合功率分配效率曲线
假设电机E1为ISG电机，E1功率与底盘输入功率之比也是研究复合功率分配的重要参数，故构建电功率比参数方程如下：
上式中αE1=PE1/PICE，PE1=2*π*TE1*nE1为电机E1的功率，PICE=2*π*Te*ne为底盘输入功率。 根据以上公式绘制出αE1曲线如图26
图26 电机E1功率与底盘功率之比
4.2
多模复合功率分流器-CHS结构原理
科力远混合动力系统，简称CHS，系统采用复合行星机构，具有两个制动器，可实现E-CVT模式
图27 Corun CHS（图片来自网络）
CHS系统的行星架PC与底盘ICE相连，太阳轮S1与小电机E1相连，太阳轮S2与大电机E2相连，齿圈作为输出端。 结构图如下：
图28 Corun CHS结构图
看图25，当a<0，b>0时，复合功率分流系统的效率最高，也就是图中红色曲线对应的参数a和b。 a<0，b>0表示电机分布在底盘的一侧，分析CHS系统，Corun构架就是基于这种排列方式。 CHS系统的主要参数如表5所示
表5 CHS动力系统主要部件参数
构建CHS行星排的仿真杠杆如图29所示
图 29CHS 杠杆模型
为了方便讨论CHS系统的功率流向，清楚说明什么叫复合功率分配，在同一张图中画出了大小电机功率与底盘输入功率的比值。全速范围，参见图 30
图30 混合工况下全速范围内大小电机功率比
图30中三个区域的短发：A、B、C。在A区域，αE1<0，αE2>0，表示E1处于发电状态，E2处于电动运动状态。 有关杠杆的姿势，请参见图 29。 底盘动力通过单行星齿轮行星排S1-PC-R上的行星架后分为两路。 一条机械路径通过齿圈R驱动小车，另一条路径通过驱动E1定子旋转形成电能。 电能用于驱动电机 E2。 双行星齿轮行星排S2-PC-R上的动力流向是E2的电能通过太阳轮S2进入行星排和行星架PC，然后输出到齿圈R驱动汽车。 功率流参见图 31
图 31 A 区功率流
由以上分析可知，单行星行星排S1-PC-R是输入功率分流，双行星行星排S2-PC-R是输出功率汇流，它们组合成一个复合权力分配。
再看图30中B区，此时αE1>0，αE2<0，说明E1处于通电状态，E2处于发电状态，杠杆姿态如图32所示。
图 32 B区拉杆姿势
此时底盘动力通过双行星齿轮行星排S2-PC-R上的行星架后分为两条路。 一条机械路径通过齿圈R驱动小车，另一条路径通过驱动E2定子旋转形成电能。 电能用于驱动电机E1。 单行星齿轮行星排S1-PC-R上的动力流向是E1的电能通过太阳轮S1进入行星排和行星架PC，再输出到齿圈R驱动汽车。 参见图 33 了解功率流向
图 33 B 区潮流
当汽车在工况B运行时，以上分析可知，单行星齿轮行星排S1-PC-R为输出功率汇流，双行星齿轮行星排S2-PC-R为输入功率分流，它们的组合也是一种复合功率分流器。
C区与A区类似，E1发电，E2发电，这里不再赘述。
详细分析A、B、C区底盘和电机的功率流后发现，CHS的单行星行星排S1-PC-R和双行星行星排S2-PC-R E-CVT模式下的系统一个起着输入/输出功率分流的作用，另一个起着输出/输入功率分流的作用。 而复合动力分流只有一种模式，这也是CHS系统被称为多模式复合动力分流的原因。
4.3
双卡复合功率分流——VoltⅡ结构原理
福特Volt II于2016年10月上市，与Volt I相比，Volt II的结构有了很大的改变，性能也更强。
图 34 Volt II 齿轮箱
表6是第一代Volt和第二代Volt驱动系统的对比：
表6 VoltⅠ和VoltⅡ驱动系统比较
图35 Volt II结构示意图
图35 二代Volt结构图
上图为Volt II的连接形式：底盘ICE动力通过扭振阻尼后连接到PG1的齿圈R1，S1连接到副水泵，PC1和PC2同轴输出动力给行星排通过链条传动与后桥相连，S2与驱动电机相连，PG2+齿圈R2可通过制动器C1与壳体固定连接，同时R2与太阳轮S1相连PG1通过离合器C2。
除了停车充电和能量回收外，盒子还有5种常用的工作模式，其换档逻辑如表7所示
表 7 Volt Ⅱ换档逻辑
上表中的EV1、EV2和定速比模式比较容易理解，不再赘述。 本节主要讨论了第二代Volt的输入功率分配和复合功率分配模式发电功率常用单位，并分析了GM如何将这两种分配模式提取到一个动力系统中。
分析表7中的工作模式3，C1闭合，C2断开。 当C1闭合时，PG2行星排（连接的行星排命名为PG2）为固定速比传动，因此动力分配只能发生在PG1行星排（连接的行星排命名为PG1）上，PG1行星排排排是一个简单的行星排，如福特 THS。 回想一下第 3 节中讨论的 THS 的行星排。它的效率在中低速时更高。 Volt II在这个工况下和THS类似，也是输入功率的分流模式。 此时的功率流和杠杆模型如图36所示
图 36 Volt II 模式 3 输入功率分流功率流和杠杆模型
Volt II的复合动力分配方式与4.2节相同，不同的是CHS的实现结构是行星排，而二代Volt的实现结构是两个简单行星排的组合. 当C2闭合，C1打开时，系统进入复合功率分流模式，此时的功率流和杠杆模型如图37所示
图 37 Volt II 模式 5 复合功率分流功率流和杠杆模型
从图26和图30可以看出，复合功率分配在低速时电机的功率特别大，这意味着系统的效率很低，这是复合功率分配的一大缺陷权力分配系统。 为了改善这种情况，第二代Volt设计了输入功率分流模式，填补了复合功率分流系统速度慢、效率低的缺陷，增强了系统性能。 The of power under the two modes of input power split and power split is drawn in 38:
38 Volt Ⅱ Power Curve
In fact, on both sides of point A, that is, when the speed is high and the speed is low, the power of the red curve is than that of the blue curve, which means that the is high. , at this time, GM Volt II to work in the input power shunt mode. ; When the speed drops and point A, the red curve rises , while the blue curve rises and a , so Volt II works in the power split mode. In fact, the dual-mode power of Volt II has the , but it has also about .
05
总结
At , there are three types of power-split in the world: 1) Input power-split mode, by the Honda Prius; 2) power-split mode, by the first- Volt; Corun CHS and GM 's - Volt are the . Among them, the - Volt is the most and has the most . This paper the of these three types of power modes, the power of each mode, and its power flow with . , power-split are , so how to make full use of their and their in the be the focus of and .
Note: The data and cited in the are from the
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