01
混合动力概述
在国内，混合动力重回人们的视野得益于国家政策的支持——年10月27日，在中国汽车工程学会年会暨展览会上，中国工程院李骏院士宣布，2.0版《节能与新能源汽车技术路线图》正式发布，混合动力首次被拔高到发展战略的高度。关于混合动力，在技术路线2.0中设置了里程碑节点——年全面混动化，由此开始了国内主机厂混合动力的策马扬鞭。
目前主要的技术路线有四种：
1）Add-on，该路线主要是欧美系主机厂在玩，比如P0~P4，在原有动力总成基础上增加电机，变动较少，成本较低。但是节油率不理想，达不到国内补贴要求，因此国内一众主机厂很少有下大力气去设计开发；
图1Add-on方案P0~P4含义
2）增程式，该方案也就是早期人们经常提到的串联方案，主要代表有BMWi3的增程版，日产e-Power和理想one，其结构原理如图2所示
图2增程系统拓扑结构
增程式方案发动机(增程器)和车轮不直接相连，因而发动机可以一直工作在高效低排区域，但是需要大功率的电机来完全吸收发动机的能量，使得整车成本有所提高。
3）串并联，该结构的变速箱近两年来发展迅猛，其典型的代表是本田的iMMD，此外国内比亚迪的EHS、长城的柠檬混动、奇瑞的鲲鹏动力等都是类似的结构。
图3雅阁搭载的iMMD混动箱
4）功率分流，该类方案主要是基于行星排作为能量分配构件，行星排将电机和发动机耦合在一起，对能量进行最优匹配。其控制逻辑是让发动机始终稳定地工作在高效区间：
a）当发动机提供的能量不足以克服车辆前进时，电池放电驱动电机，助力发动机；
b）当发动机提供的能量超过车辆需要的驱动力时，储存能量；
c）当发动机提供的能量和驱动车辆需要的能量相当时，发动机直驱；
图4丰田Prius的THS
目前全球范围内功率分流混动箱玩的最好的当属丰田THS，此外还有通用的沃蓝达一代和二代以及国内吉利/科力远的CHS。
丰田THS目前累计销量约万辆，规模效应上来后，成本控制的非常好，相应的销量也比较大，它属于输入动力分流。通用VoltⅠ属于输出动力分流，或者更准确的说是输出动力汇流，第二代的VoltⅡ是复合动力分流，且有输入、复合两种模式，称为双模复合动力分流。科力远的分流方案属于复合动力分流，仅有一种复合模式，称为单模复合动力分流。本文主要讨论功率分流DHT，并阐述输入、输出、复合动力分流的具体构型。
02
输出动力分流
2.1
输出动力分流功率特性
就一般三轴系统而言，在杠杆模型上定义输出端到发动机距离为单位1，到驱动电机(E2)距离为b(b为比值，由行星排特性参数决定)，发动机和发电机(E1)同轴，如图5
图5输出动力分流杠杆模型
根据NGW行星排转速特性方程及图5建立如下平衡方程
上式中ne为发动机转速，Te为发动机扭矩，则建立效率方程如下
其中i为发动机和输出转速的比值(可理解为速比)，据此绘制效率曲线：
图6输出动力分流效率曲线
2.2
VoltⅠ结构原理
说到输出动力分流，人们必然会提起雪佛兰VoltⅠ，其采用简单行星排NGW构型，为避开丰田专利，VoltⅠ的输出轴为行星架PC，发动机输入轴连着大齿圈R和发电机ISG，太阳轮连接驱动电机TM，此外齿圈R通过制动器B1可固连到壳体，发电机ISG通过两个离合器C1、C2分别和发动机ICE和齿圈R相连，具体见图7
图7VoltⅠ结构简图
由图6知，当b＞1时，效率为图6中蓝色曲线，当速比较大车速较低时，效率非常低，例如当i=4时，效率只有34%；当b＜0时，效率为图6中红色曲线，在低车速时效率也较低，但比b＞1时情况要好，所以VoltⅠ采用的正是b＜0的情况，其杠杆图如下：
图8VoltⅠ杠杆模型
根据上述讨论，显然雪佛兰VoltⅠ采用的构型是不适合实际运用的，因为车速低时效率低，而我们一般家庭用车都是行驶在城市路况，车速在80kph以内，常用车速为40~60kph，而这个车速正是VoltⅠ的低效区间。通用的解决之道是增加了一个制动器B1和两个离合器C1、C2(丰田Prius无制动器和离合器)，其换挡逻辑见表1
表1VoltⅠ换挡逻辑
车辆起步，系统为纯电动模式，此时控制B1闭合，齿圈锁止，TM电机单独驱动，其杠杆姿态和功率流见图9
图9纯电动模式1
当车辆需要大扭矩纯电动起步时，ISG电机和TM电机共同驱动，此时C1闭合(VoltⅠ在发动机和C2之间配备了单向离合器，防止发动机反拖)，具体见下图
图10纯电动模式2
车辆进一步加速，需求扭矩增大，发动机介入，但车速仍不高，即i较大。根据2.1节讨论，如果此时没有选换挡元件B1、C1、C2等，那系统效率将非常低，且存在功率循环(即无效功率)。在该工况下，为避免车辆行驶在低效区间，通用的解决办法是锁止制动器B1，结合离合器C2，使系统工作在串联模式下，也就是第1节中提到的增程式混合动力模式，这也是为什么通用一再声称VoltⅠ为EREV(ExtendedRangeElectricvehicle)的原因。该模式下的功率流和模拟杠杆如图11所示。
图11串联混动模式
当车速较高时，为提高系统效率，通用的策略是结合C1和C2而打开B1，此时系统工作在输出功率汇流模式下，见图12
图12输出功率汇流模式
前文中提到，在中低车速时VoltⅠ效率低，出现了功率循环，这也是输出动力分流构型的先天不足。功率循环如图13所示
图13功率循环下功率流向和杠杆姿态
图13中，发动机功率由齿圈R进入行星排后分成两路，一路机械路径由行星架PC输出直接驱动车辆；另一路经由太阳轮S驱动TM电机发电，电能用于驱动ISG电机，这一路电功率路径在系统内循环而没有用于驱动车辆，显然这是无功功率，应当避免。正是为了解决这一问题，VoltⅠ才有了制动器B1、离合器C1和C2的加持。在城市中低车速时，制动器B1以及离合器C2闭合，系统工作在增程模式下，从而避开功率循环的情况。当车辆行驶在高速时，也就是i较小，由图6知，输出动力分流构型效率很高，所以VoltⅠ的离合器C1和C2闭合使系统工作在输出动力分流模式下。这样，无论高速还是低速，雪佛兰VoltⅠ都完美解决了效率低的问题，但是代价也是明显的，三个选换挡元件的增加，造成了系统的复杂性，也带来了成本的提高。
03
输入动力分流
3.1
输入动力分流功率特性
仍然以三轴系统为例进行阐述，杠杆模型的建立同输出动力分流类似，只不过电机“绑定”的位置不一样，输入动力分流的驱动电机TM和输出端绑定，具体见下图
图14输入动力分流杠杆模型
根据上图及NGW行星排转速特性方程建立如下平衡方程
据此得到输入动力分流构型的效率方程为：
其中i和a的含义同输出动力分流一样，η是电机的效率，数值上等于ISG和TM电机效率的乘积或是倒数的乘积，视电机为发电还是电动而定。根据上式绘制效率曲线如下图
图15输入动力分流效率曲线
观察图15，显然当a=-1，或者说a＜0时，输入动力分流构型的效率在i较大时是相对最高的。a值小于0意味着在杠杆模型上ISG电机轴在发动机轴的左侧，分析THS构型，丰田的工程师正是这样布置的。
3.2
丰田THS结构原理
从年Prius立项研发算起，近三十年来丰田的THS系统进行了数次完善升级，但是不管THS迭代了多少次，其核心部件始终未变，就是一套NGW行星排。至于同轴时代的第二套行星排，或是平行轴时代的减速齿轮，都是为了增加输出扭矩比，改善性能，因此本文仅对动力分流的行星排进行分析讨论。
图16THSⅢ-P
THS的行星架PC和发动机ICE相连，太阳轮S连接发电机ISG，齿圈R作为输出，同时齿圈上连接着驱动电机TM，结构简图见图17，P和P的主要参数见表2
图17THSⅣ-P结构简图
表2P和P主要性能参数
THS虽然结构相对简单，但是控制复杂，工作模式多变，本文仅对功率分流和功率循环两种典型情况进行讨论，分析输入动力分流构型的优劣，其余工作模式参见表3
表3Prius工作模式
注：
定义从发动机向变速箱方向看，顺时针转动为正，反之为负；
+：表示转速为正；
-：表示转速为负；
0：表示静止不动；
THS之所以被称为输入动力分流是因为在车速不是太高时，发动机能量经过行星架后被分成了两路——机械路径和电功率路径。机械路径直接驱动车辆，另一路驱动ISG转子发电，电能或用于储存或用于驱动TM电机。THS功率分流工况时的功率流和模拟杠杆见下图
图18功率分流模式
但是当高车速时(早期的THSⅠ-P、THSⅡ-P车速高于80kph时即出现功率循环)，也就是在i较小时，输入动力分流构型效率会很低。例如，图15中红色曲线即代表THS构型的效率特性，当i=0.8(可以理解成超速挡)时，效率只有42.4%，可见其效率非常低。出现这种情况是因为系统内部形成了功率循环，这是由输入动力分流构型确定的，无法改变。该情况下的功率流和杠杆模型见图19
图19功率循环
在图19中，发动机能量流经齿圈后分成两路，一路驱动车辆，一路驱动TM电机发电，电能用于驱动ISG转子旋转，并经太阳轮回流到行星排。显然这一路并未驱动车辆，属于无功功率。
3.3
Prius高速不省油原因分析
根据上一节的分析，THS系统在车辆高速时会出现功率循环，这是导致搭载了THS系统的Prius高速费油的重要原因。表4是搭载THS系统的丰田部分车型的油耗统计，更能说明这个问题。
表4丰田部分车型油耗统计
下面分析产生这一情况的原因，首先分析转速：
定义从发动机向变速箱方向看，顺时针转动为正，反之为负；定义车轮前进方向为正（顺时针旋转），则由THS结构知，当车前进时，齿圈、TM电机和半轴旋向一致。
假设车速在kph-kph之间定义为高车速，齿圈到半轴的减速比为3.9，根据车速和转速的关系，计算对应于kph-kph的齿圈转速为：
根据所搭载的发动机特性曲线图（见图20），假设高速时对应的发动机高效转速范围为：-rpm，从而可得小电机转速。
图20THS搭载发动机外特性
ISG转速计算公式由行星排转速特性方程得到：
根据计算结果，将车速及对应的太阳轮、行星架、大齿圈转速用杠杆图表示如下：
图21行星排三元件和车速v对应关系
上面为转速分析，下面分析扭矩：
高速时，驱动力主要克服风阻和滚阻，根据整车参数得到需求扭矩约为：-Nm，根据减速比，齿圈需要提供的驱动扭矩约为：30-60Nm
上两式中，Ttdw(v)为需求扭矩，THo(v)为齿圈需提供的扭矩，根据上式绘制扭矩-车速曲线如下。
图22需求扭矩以及齿圈提供扭矩和车速的关系
根据发动机map图，当发动机工作在-rpm时，最优的输出扭矩为90Nm左右，如图23
图23发动机最优输出扭矩区间示意图
在行星架上根据扭矩平衡，行星架的内力矩方向向下，根据行星排扭矩特性方程，作用在S、R上的内力矩方向向上。为平衡发动机分配到S轴上的扭矩，ISG作用在太阳轮上的扭矩必然向下，大小为25Nm。发动机分配到齿圈的扭矩为90*2.6/3.6=65Nm，方向向上。需求扭矩为30-60Nm，所以TM也需要输出负扭矩和负载扭矩一起平衡发动机分配到齿圈上的扭矩。
综上分析，高速时，ISG负扭矩负转速，处于电动状态，TM负扭矩，正转速，为发电状态，所发电能供ISG使用，TM和ISG之间出现了无功功率造成了高速油耗较高。
04
复合动力分流
4.1
复合动力分流功率特性
复合动力分流至少需要4轴系统，若系统由NGW行星排组合而成，那至少需要两个NGW行星排，例如雪佛兰VoltⅡ就是由两个简单行星排组合而成；系统也可以由复合行星排构成，例如科力远CHS系统即采用拉维纳行星排构型。以最简单的4轴为例阐述其功率特性，其杠杆模型见图24
图24复合动力分流杠杆模型
在杠杆图上设输出端到发动机距离为单位1，到EM1距离为a，到EM2距离为b，仿输入/出功率特性讨论，得到如下效率公式
其中，i、η代表的含义和输入/出功率分流一样，根据上式绘制其效率曲线见图25
图25复合动力分流效率曲线
假设电机E1担当ISG电机角色，那么E1功率和发动机输入功率的比值也是研究复合动力分流的一个重要参数，为此建立电功率比参数方程如下：
上式中αE1=PE1/PICE，PE1=2*π*TE1*nE1，是电机E1的功率，PICE=2*π*Te*ne，是发动机的输入功率。根据上式绘制αE1曲线如图26
图26电机E1功率和发动机功率的比
4.2
单模复合动力分流——CHS结构原理
科力远混合动力系统，简称CHS，该系统采用的是拉维纳复合行星排机构，有两个制动器，可实现E-CVT模式
图27科力远CHS(图片来自网络)
CHS系统的行星架PC连接发动机ICE，太阳轮S1连接小电机E1，太阳轮S2连接大电机E2，齿圈作为输出，结构简图如下：
图28科力远CHS结构简图
观察图25，当a＜0，b＞0时，复合动力分流系统的效率最高，也就是图中粉色曲线所对应的a和b参数。a＜0，b＞0也就意味着电机分布在发动机的两侧，分析CHS系统，科力远构型正是按照这样布置。CHS系统的主要参数见表5
表5CHS动力系统主要部件参数
建立CHS行星排的模拟杠杆如图29
图29CHS杠杆模型
为便于讨论CHS系统功率流向，并清楚地描述何谓复合动力分流，在全车速范围内将大小电机功率和发动机输入功率的比值绘制于同一图中，见图30
图30混动工况下全车速范围内大小电机功率比
在图30中分三个区域：A、B、C。区域A，αE1＜0，αE2＞0，说明E1处于发电状态，E2处于电动状态，杠杆姿态参见图29。发动机功率在单行星轮行星排S1-PC-R上经过行星架后分成两路，一路机械路径经齿圈R后驱动车辆，另一路电路经，驱动E1转子旋转而产生电能，电能用于驱动电机E2。功率在双行星轮行星排S2-PC-R上的流转是，E2的电能通过太阳轮S2进入行星排和行星架PC汇流后输出到齿圈R进行驱动车辆。功率流见图31
图31区域A功率流
根据上述分析，很明显单行星轮行星排S1-PC-R是输入动力分流，双行星轮行星排S2-PC-R是输出动力汇流，它们组合在一起是为复合动力分流。
再看图30中的区域B，此时αE1＞0，αE2＜0，说明E1处于电动状态，E2处于发电状态，杠杆姿态参见图32。
图32区域B杠杆姿态
此时发动机功率在双行星轮行星排S2-PC-R上经过行星架后分成两路，一路机械路径经齿圈R后驱动车辆，另一路电路经，驱动E2转子旋转而产生电能，电能用于驱动电机E1。功率在单行星轮行星排S1-PC-R上的流转是，E1的电能通过太阳轮S1进入行星排和行星架PC汇流后输出到齿圈R进行驱动车辆。功率流见图33
图33区域B功率流
当车辆以工况B行驶时，由上述分析知单行星轮行星排S1-PC-R是输出动力汇流，双行星轮行星排S2-PC-R是输入动力分流，它们组合在一起也是复合动力分流。
区域C和区域A类似，也是E1发电，E2电动，这里不再赘述。
在详细分析了A、B、C区域发动机和电机的功率流向后发现，CHS系统在E-CVT模式下其单行星轮行星排S1-PC-R和双行星轮行星排S2-PC-R总是一个扮演输入/出功率分流的角色，而另一个扮演输出/入功率分流的角色。且仅有这一种复合动力分流的模式，这就是为什么CHS系统被称为单模复合动力分流的原因。
4.3
双模复合动力分流——VoltⅡ结构原理
雪佛兰VoltⅡ于年10月上市，相对于VoltⅠ，VoltⅡ结构上有较大的改变，性能更强。
图34VoltⅡ变速箱
表6是第一代Volt和第二代Volt驱动系统对比：
表6VoltⅠ和VoltⅡ驱动系统对比
图35是VoltⅡ的结构简图
图35第二代Volt结构简图
上图显示，VoltⅡ的连接方式：发动机ICE动力经过扭转减振器后和PG1的齿圈R1相连，S1连接辅助电机MotorA，PC1和PC2共轴并通过链条传动将动力输出到和差速器相连的行星排，S2连接驱动电机MotorB，PG2的+内齿圈R2可以通过制动器C1固连到壳体，同时R2又通过离合器C2实现和PG1的太阳轮S1相连。
除驻车充电、能量回收外，该箱共有5种常用的工作模式，其换挡逻辑见表7
表7VoltⅡ换挡逻辑
上表中EV1、EV2和固定速比模式都较容易理解，不再对其展开讨论。本节主要阐述第二代Volt的输入动力分流和复合动力分流模式，分析通用是如何将这两种分流模式糅合到一套动力系统中。
分析表7中工作模式3，C1闭合，C2打开。当C1闭合时，PG2行星排（MotorB所连接的行星排命名为PG2）是一个固定速比传动，因此功率分流只可能发生在PG1行星排（MotorA所连接的行星排命名为PG1）上，而PG1行星排同丰田THS一样是一个简单行星排。回想一下第3节中讨论的THS的行星排，在中低速时其效率较高，VoltⅡ在该工况下与THS类似，同样为输入动力分流模式，此时的功率流和杠杆模型见图36
图36VoltⅡ模式3输入动力分流功率流和杠杆模型
VoltⅡ的复合动力分流模式和4.2节中一样，所不同的是CHS的实现结构是拉维纳行星排，而第二代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，系统进入复合动力分流模式，此时的功率流和杠杆模型见图37
图37VoltⅡ模式5复合动力分流功率流和杠杆模型
从图26和图30中能够看出复合动力分流在低车速时，电机上的功率是非常大的，也就意味着系统的效率非常低，这是复合动力分流系统的一大缺陷。为了改善这一情况，第二代Volt设计了输入动力分流模式，这样就弥补了复合动力分流系统低速效率低的缺陷，提高了系统性能。将输入动力分流和复合动力分流两种模式下的电功率占比绘制于图38中：
图38VoltⅡ发电机功率占比曲线
显然在A点右侧，也就是速比较大，车速较低时，蓝色曲线比红色曲线电功率小，也就意味着系统效率高，所以此时通用的工程师设计VoltⅡ工作在输入动力分流模式下；当车速升高，越过A点时，蓝色曲线迅速上升，而红色曲线上升缓慢且成抛物线状，所以VoltⅡ工作在复合动力分流模式下。总之VoltⅡ的双模式功率分流大大提升了系统性能，但也带来了结构上的复杂。
05
总结
目前世界上功率分流混合动力变速箱有三类：1）输入动力分流模式，以丰田Prius为代表；2）输出动力分流模式，以通用雪佛兰第一代Volt为代表；3）复合动力分流模式，以科力远CHS和通用雪佛兰第二代Volt为代表。其中尤以第二代Volt最为复杂，但是性能也最为优越。本文深入分析了这三类功率分流模式的原理，建立了每一种模式的功率方程，并结合实例剖析了其功率流向。但是功率分流混合动力变速箱一般都是较为复杂的，因而未来如何充分利用其优秀性能的同时降低其复杂性应当是工程技术人员