节能和减排是当前汽车技术面临的两个主要问题。由于纯电动汽车的发展存在固有的制约性问题，近年来混合动力技术作为一种主导的发展技术，在各个国家都得到了很好地发展和推动。长安、比亚迪、奇瑞及北京现代等汽车厂商都开发出了混合动力乘用车，而且准备上市。中国政府也出台了很多鼓励纯电动汽车和混合动力汽车走向市场的政策，把新能源汽车产业作为新型战略型产业来推动。

近20年来中国在新能源汽车方面有了快速的发展，纯电动汽车、混合动力汽车在奥运会和世博会等国际活动中频频亮相，在城市公共环卫方面得到了很大的发展，并在相关城市进行示范运营。长安、比亚迪、奇瑞及北京现代等汽车厂商都开发出了混合动力乘用车，而且准备上市。中国政府也出台了很多鼓励纯电动汽车和混合动力汽车走向市场的政策，把新能源汽车产业作为新型战略型产业来推动。

混合动力汽车主要有串联式、并联式和混联式三种，“功率分流式”是典型的混联方案。北京理工大学机械与车辆学院院长项昌乐教授认为，相对于串联方案和并联方案，功率分流式混联方案的技术更加复杂，但它同时具有串联方案和并联方案的优点，发动机调节范围比较广，可以通过控制使其工作在最优工作区间，具有更多的控制灵活性，能够实现较好的节能减排效果。

典型应用案例

1. 丰田汽车公司

丰田汽车公司的Prius于1997年开始投产，1998年成为世界第一个小规模成批生产的汽油电动混合动力车。Prius混合动力轿车是单轴驱动混联式混合电动车辆，其采用的THS（Toyota Hybrid System）传动系统以行星齿轮作为动力连接装置，发动机通过单向离合器将动力输出到行星架，行星架按固定比例将转矩分配到太阳轮连接的发电机，电动机通过齿轮减速机构进行动力输出（见图1）。Prius的电动机、发电机均为永磁同步交流电动机，发电机可工作于电动状态，另外车辆功率分配装置，借助于控制发电机的发电量来调节发电机转速，从而调节动力分配比例，使传动系统具有无级变速器的作用。

2. 通用汽车公司

通用汽车公司一直致力于多段式机电混合驱动系统开发。自20世纪90年代以来的十余年间，共申请多段式机电混合驱动装置专利数十项。2005年初，通用汽车公司联合戴姆勒.克莱斯勒和宝马公司合作进行了双段式混合动力系统（见图2）的研发，现已实现成功的应用。Allison公司为通用汽车公司提供了两种双段式混合驱动系统：EP40/50、AHS，分别用于城市客车和货车。该混合驱动装置采用复合分流混合驱动结构，相比传统车辆的燃油经济性提高20%～54%，NOx排放减少50%，系统配置Ni-MH蓄电池组，装配两台同轴布置的油冷交流感应电动机，传动装置具有连续可变速比，两个操纵模式分别用于低速和高速状态。

当车辆处于低速的第一段时，可实现电动机单独驱动、发动机单独驱动和机电混合驱动。工作时，一个电动机处于发电状态，可以为蓄电池充电，另一个电动机处于电动状态，可以直接驱动车辆或为驱动系统助力。

当车辆处于高速的第二段时，发动机始终处于运转状态，通过两个电动机的转速控制，在稳定发动机转速的前提下使机构输出转速连续升高。该系统还可以通过制动/松开行星排部件实现4个固定速比的挡位，由于在固定速比状态下，系统内不存在电功率分流，因而提高了传动系统的效率。

图5  从自动变速器到机电混合驱动方案的转化 

混合驱动系统特性分析

1. 无级变速特性

实现车辆无级传动有多种形式，常见的无级变速器是金属带式无级变速器，它采用传动带和工作直径可变的主、从动轮相配合来传递动力，可以实现传动比的连续改变，从而得到传动系与发动机工况的最佳匹配。除此之外，还有牵引传动无级变速器、液压机械无级变速器及电力机械无级变速器。目前国内市场上采用无级变速器的车型越来越多。未来，新能源汽车的发展方向是实现无级调速、高效率和低排放的目标。

固定挡变速器是有级的，发动机转速与车速之间有固定速比的关系，发动机工作点不能随负载变化自由调节。在功率分流式混合驱动系统中，在发动机转速不变的情况下，可以通过对两个电动机转速的协调控制，实现车速的无级变化（见图3）。丰田汽车公司的Prius所采用的单行星排单段式混合驱动系统，调速范围有限，不能满足大功率非道路车辆宽调速范围的要求。在此基础上，通用汽车公司推出了多段连续无级调速的混合驱动系统。通过使电动机转速往复变化实现系统输出转速从零到最高转速连续无级增长，从而得到输出转速逐段提高的大范围无级变速。

2. 功率分流特性

功率分流式混合驱动系统中，发动机功率一部分通过机械传动直接用于驱动车辆行驶，另一部分功率经其中一个电动机转换为电功率，再由另外一个电动机将电功率转换为机械功率驱动车辆行驶。当车辆进行无级变速时，随着传动比的改变，系统功率分流比例也随之变化（见图4）。不同的功率分流特性，不仅影响混合驱动系统参数的匹配，而且影响系统效率。

一般来说，电功率分流比例越小，经由机械功率到电功率再到机械功率的能量转换损失也就越小，系统效率也就越高。利用此特点，将电功率分流比例为零的点（即机械点）与发动机进行合理匹配来提高车辆常用车速范围的传动效率，获得较好的燃油经济性。

混合驱动系统方案设计

混合驱动系统方案对整车性能至关重要，对于单行星排单段式的功率分流方案可以通过枚举的方法来获得，但如果行星排增多，其可能的连接方式有几百甚至成千上万种，因此必须研究一种能够快速生成满足设计要求方案的方法。

目前国内外很多汽车厂家推出的混合驱动系统方案源自于自动变速器（AT）方案。AT的工作原理是通过离合器和制动器的操作实现多挡变化和自动控制。它是有级的，如果要实现无级变速，我们可以在离合器或者制动器这个点上让它打滑，这样就能实现输出转速的无级变化。也就是说在离合器或者制动器的构件上加入一个调速元件（可以是电动机），就可以实现无级调速方案。例如，某行星传动变速器产生一个机械挡需要操作两个操纵件，我们取消一个操纵件，辅助于调速元件（电动机），就可以实现无级调速的目的。

按照上述设计思想，很重要的一个环节是如何获得满足设计要求的自动变速器方案。作为一个新型机构，如果采用多个行星排来实现，它有近似无穷的连接方式，用人工的方法很难进行设计。需要采用图论理论，定义节点模型，建立关联矩阵，将所需行星排数，操纵元件数目，调速范围，以及分流功率比例等作为设计输入，根据设计要求和约束条件进行计算机自动辅助设计。通过平面性、同构性判别，寻找一些可行的连接方案。利用开发的相关软件对可行方案进行综合性能评价，从而得到满足设计要求的最优方案。