0 前言

在商用车领域，混合动力系统可以显著降低燃油消耗和有害排放，开发工况适应性强且节能效果好的新型动力系统成为商用车领域的研究热点。已有大量研究聚焦于不同混合动力构型的开发，旨在实现高效的功率耦合与多模式换挡控制。功率分流电子无级变速器（electronic continuously variable transmission，e-CVT）系统是深度混合动力系统中的一种重要技术方案。主流的行星齿轮混合动力构型，有丰田混合动力系统（THS）和通用汽车Voltec系统。以丰田第四代P610-PHEV插电式功率分流系统为例，通过新增单向离合器以实现双电机驱动，显著提升了纯电驱动模式下的动力性能。此外，丰田还在雷克萨斯旗舰车型LC500h中引入多级混合动力系统，旨在实现燃油经济性与加速性能之间的优异平衡。通用汽车的第二代Voltec系统则通过引入额外一组行星齿轮实现复合功率分流架构，并结合对功率分流装置的离合与制动控制，有效提升了整车的动力响应与燃油经济性。复合功率分流混合动力系统凭借其多自由度的动力耦联特性，与商用车面临的复杂运行工况高度匹配。该类系统可通过多个离合器实现动力源与功率分流机构之间的灵活耦合与切换，从而构建多种运行模式，在避免功率循环的同时兼顾整车的动力性与经济性，逐步发展为混合动力构型的关键方向。

在此背景下，本文以一款面向轻型商用车的复合功率分流混合动力系统为研究对象，对其多工作模式构型及系统传动效率特性进行了系统分析，重点探讨其设计与控制理念。基于分析结果，不仅阐明了在系统设计阶段确定多种工作模式的基本方法，而且进一步明确了各工作模式在不同工况下的控制思想，为多模式混合动力传动系统的设计与控制策略开发提供理论依据和工程参考。

1 混合动力系统结构

为适应多样化运行工况并提升整车节能效果，本文设计了一种面向商用车的复合功率分流混合动力系统，其结构示意如图1所示。该系统通过离合元件对动力耦合关系进行调控，充分利用多自由度动力耦联特性，实现多种工作模式的灵活切换。系统主要由动力源、功率分流装置以及若干离合器构成，其中功率分流装置由两个行星齿轮机构组成。在结构连接关系上，R1和R2代表两个行星排的齿圈和齿圈相连、C1和C2代表两个行星排的行星架与行星架相连。

图1 复合功率分流混合动力系统示意

功率分流装置提供了四个接口实现动力源的连接耦联。MG1代表发电机与行星排1太阳轮PGS1连接，MG2代表驱动电机与行星排2太阳轮PGS2连接，发动机通过湿式离合器C1或C2分别实现与C1和C2、PGS2的结合和分离，C1和C2可通过可控单向离合器B1接地、PGS1可通过可控单向离合器B2接地。系统具有丰富的工作模式，可实现纯电动、发动机直驱、混合动力模式包含固定速比、连续可变速比模式，混合动力系统主要参数如表1所示。

2 功率分流式系统传动效率

功率分流系统以行星齿轮机构作为核心功率耦合单元，通过将齿圈、行星架与太阳轮分别与发动机及电机相连，实现动力在机械路径与电气路径之间的分流与重构。在电机协调控制的作用下，该系统可实现连续可变传动比运行，从而有效解耦发动机转速与转矩和车轮转速与转矩之间的刚性约束关系。根据行星齿轮机构中功率分流位置的不同，功率分流模式通常可划分为输入功率分流、输出功率分流以及复合功率分流三种类型，其典型形式如图2、图3和图4所示。为适应车辆在不同车速与负载条件下的运行需求，并提升系统整体工作效率，需要在不同工况下选择相应的功率分流模式。通过离合器或制动器对行星排连接关系施加约束或解除约束，可实现不同功率分流模式之间的切换，或进一步切换至其他驱动模式，例如串联混合动力模式、并联混合动力模式以及纯电驱动模式。

图2 混合动力汽车输入功率分流

图3 混合动力汽车输出功率分流

图4 混合动力汽车复合功率分流

针对动力分流装置系统行为的分析，本文提出了一种有效的方法论，用于描述动力分流装置中各构件之间的速度与转矩关联特性。该方法基于等效杠杆系统的建模思想，将复杂行星齿轮机构的运动学与动力学关系进行直观化表达。通用动力分流装置的等效杠杆表示形式如图5所示，当系统由两个或三个行星齿轮组组合而成时，其等效杠杆模型中对应的支点数量分别为四个或五个。杠杆法是可视化复杂行星轮系的有效工具。竖直轴分别代表行星齿轮机构元件，它们之间的间隔代表行星排的速比关系即行星排特性参数。各工作模式的杠杆与垂直轴相交，转速被转化为焦点与水平轴的距离，转矩用箭头表示。

图5 一种通用功率分流系统的等效系统

不同的行星排组合形成杠杆图可能是相同，设杠杆上输出端位置记为0，发动机输入端位置记为1。MG1和MG2的位置用a和b表示，其位置可以是杠杆上任一点，可以为正也可以为负，如果位置为0或者1，这代表与输出端或发动机位置重合。通过这种方法可以统一表示上述三种功率分流模式。杠杆上任意点x的速度是输入和输出端点速度的线性组合。

式中，n_eng为发动机输入转速; n_o为功率分流系统输出转速;n_a 为电机MG1转速; n_b 为电机MG2转速。

此外，该系统必须满足力矩与力的平衡条件:

式中，T_eng为发动机输人转矩; T_o为功率分流系统输出转矩; T_a为电机MG1转矩; T_b为电机MG2转矩。

当系统功率平衡时，即其中一台电机发电产生的电能应由另一台电机消耗，可表示为:

电机为四象限工作，根据转矩和转速确定其驱动或发电工作状态。k 由混合动力汽车的功率流决定。为电机电能转换为机械能的效率。求解系统功率转换效率 可按以下方式计算:

式中，Y 为传动装置的速度比，定义为n_eng/n_o。

若已确定电机在杠杆图上的位置，则可通过a和b计算系统的传动效率。需注意该公式仅考虑电机电能与机械能转换造成的功率转换损耗，不计入齿轮或其他部件的损耗。

3 控制模式分析

对于纯电驱动模式，其控制策略可采用一种较为简化的控制概念，即通过电机转速与输出端转速之间的比值来确定系统的运行顺序。因此，控制器可依据车辆行驶速度在EV1至EV3不同纯电模式之间进行选择，其对应关系如表2所示。在混合动力驱动模式（HEV）下，系统进一步划分为e-CVT模式与固定速比模式两类。相较于纯电模式，HEV模式的控制逻辑更为复杂，主要原因在于e-CVT模式下传动比为连续可变，系统运行状态随工况变化呈现显著的非线性特征。为系统性评价档位及工作模式在全工况范围内的性能表现，本文以变速器传动效率作为关键评价指标，并基于效率识别构建相应的模式控制规则。为阐明模式切换与控制原理，在发动机参与工作的条件下，HEV模式统一采用基于速度比 γ 定义的系统效率作为分析依据。各工作模式的类型、电机布置位置a、b以及对应的速度比参数如表3所示。

其中，HEV3属于输出功率分流模式。该模式下，通过闭合离合器C2，将发动机与MG2刚性连接并共同接入第二行星排PGS2，因此b值为1；同时，MG1与行星排PGS1相连，系统最终通过齿圈R1R2输出动力。HEV4属于复合功率分流模式，通过闭合离合器C1，使发动机与行星架C1C2相连，其a值与b值均不为0或1。HEV1、HEV2、HEV5和HEV6为固定速比模式。在固定速比模式下，发动机与输出端之间的传动比为常数，系统中不存在功率分流行为。由于传动效率分析中仅考虑功率转换损耗，且忽略行星齿轮机构内部的机械损耗，因此各固定速比模式下行星齿轮机构的模式效率均为100%。

对于e-CVT模式，其传动效率依据式（5）进行计算，得到的效率分布及MG1电功率占比结果如图6所示。在每一种e-CVT工作模式下，均存在一个或两个传动效率达到100%的特征点。这是由于在上述工作点处，电机转速为零，电气路径中的功率传递为零，系统处于所谓的“机械点（mechanical point）”状态。在该状态下，功率完全通过机械路径传递，从理论上消除了由机械能与电能相互转换所引入的能量损耗。在低车速区间内，输出功率分流模式HEV3的传动效率整体高于复合功率分流模式HEV4。随着车速的提高，HEV4模式在中高速区间内逐渐表现出更优的效率特性，尤其是在两个机械点之间，其传动效率始终维持在较高水平。该现象表明，复合功率分流模式在该速度区间内能够有效抑制电气路径中的功率转换损耗。然而，当运行状态越过第二个机械点后，HEV4模式中电气路径功率占比迅速增加，导致系统传动效率明显下降，并最终被输出功率分流模式HEV3所超越。但此时对应的车辆行驶速度已超过系统的设计目标速度区间，因此该效率劣化对实际工况下的系统性能影响较为有限。

图6e-CVT模式系统效率及电功率占比（η_a=η_b=0.85）

将各工作模式下的传动效率曲线统一绘制于同一坐标系中，如图7所示。同时，在图中标注了各固定速比模式对应的效率特征点。可以观察到，部分固定速比模式的效率点与e-CVT模式下的机械点位置重合，因此可将其视为不同工作模式之间的潜在切换点。基于上述效率分布特性，可进一步提出一种以传动效率为核心指标的模式控制概念。根据该控制策略，系统应以纯电驱动模式EV1起步，以充分发挥电驱动在低速工况下的高效率优势。当发动机介入工作后，在极低车速条件下优先选择HEV1模式运行。该模式具有固定的较大传动比，其功能特性类似于传统变速器的1档，能够在低速工况下提供较好的动力性表现。

图7 模式切换过程效率变化（η_a=η_b=0.85）

随着车辆行驶速度的提升，控制器首先将工作模式由HEV1切换至输出功率分流模式HEV3，以兼顾动力性与传动效率。随着车速进一步升高，当运行状态接近第一个机械点时，控制器将模式由HEV3切换至固定速比模式HEV5。鉴于e-CVT模式在机械点附近具有较高的效率特性，系统在切换至复合功率分流模式HEV4之前，优先在机械点附近采用固定速比档位运行，以充分利用高效率区间。在固定速比模式中，HEV6的传动比为1，对应于传统变速器中的发动机直驱档，适用于中高速加速工况；而HEV2则为超速档，主要用于高速巡航工况。上述各模式的运行顺序由传动效率特性与车辆速比需求的综合关系共同决定，其结果如图7所示。为便于与传统变速器进行对比，图中横轴标注了一款6速自动变速器（6AT）的速比参数。对比结果表明，该复合功率分流混合动力系统在全车速范围内均能够保持较高的传动效率。

4 结语

本研究旨在提出并验证一种用于多模式混合动力传动系统的设计与分析方法论，以支持工作模式的合理选择及传动系统控制概念的确定。本文提出的用于轻型商用车的复合功率分流混合动力系统，通过离合器对功率分流装置与各动力部件实施选择性离合与制动，实现了包含纯电驱动、电控无级变速（e-CVT）及固定速比在内的共九种工作模式，从而在兼顾动力性能的同时有效提升系统燃油经济性。研究结果表明，e-CVT模式与固定速比模式的控制策略可基于传动效率特性进行统一分析与构建，而纯电驱动模式的控制则可简化为基于速比关系的判据。为实现变速器效率的整体优化，模式切换策略需随车辆行驶速度进行动态调整。本文提出的方法论为分析与评估现有混合动力变速器提供了一种统一且直观的理论框架，不仅有助于加深对现有系统工作机理的理解，也可为新型混合动力变速器系统及其控制策略的开发提供重要参考。

在研究过程中，本文未考虑多动力源在复杂行星齿轮轮系中的机械损失，同一系统构型可通过不同的复杂行星轮系参数设计实现。未来研究将进一步引入复杂行星轮系中的机械损失模型，对多源动力耦合条件下的能量传递过程进行更为精细的分析，以实现对系统整体效率的更准确评估。

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