同濟趙治國:破解功率分流混動系統(tǒng)卡脖子難題 構(gòu)建全流程創(chuàng)新體系

2025年9月11日，在無錫艾迪花園酒店舉辦的 “2025 中國混合動力技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新與市場趨勢研討會” 上，同濟大學(xué)汽車學(xué)院副院長趙治國教授以《功率分流式混合動力系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計與模式切換控制》為題，深度剖析了當前混動系統(tǒng)研發(fā)的核心痛點與技術(shù)突破路徑。作為深耕混合動力系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計與控制技術(shù)多年的專家，趙治國團隊的研究成果為功率分流混動系統(tǒng)的高效開發(fā)與工程應(yīng)用提供了關(guān)鍵解決方案。

行業(yè)痛點：功率分流混動系統(tǒng)的 兩大“卡脖子” 難題

自 1997 年豐田 THS 系統(tǒng)問世以來，功率分流技術(shù)因結(jié)構(gòu)緊湊、多 e-CVT 工作模式、發(fā)動機無級調(diào)速及動力解耦等優(yōu)勢，成為插電式混動與深度混合動力的主流方案，其排放優(yōu)、效率高的特性已獲行業(yè)共識。但趙治國指出，當前系統(tǒng)研發(fā)仍面臨兩大核心瓶頸：

1. 構(gòu)型設(shè)計：海量方案下的 “篩選評價困境”

功率分流系統(tǒng)涉及不同動力源與動力元件的組合，構(gòu)型數(shù)量龐大，研發(fā)中存在三大難題：一是如何實現(xiàn)構(gòu)型的快速描述、遍歷與最佳方案篩選；二是如何根據(jù)差異化設(shè)計需求（如動力性、經(jīng)濟性側(cè)重不同）自動化輸出優(yōu)化結(jié)果；三是如何在設(shè)計階段建立可信的評價體系，驗證構(gòu)型與參數(shù)的適配性。

2. 模式切換：駕駛平順性的 “控制難題”

混動系統(tǒng)多動力源協(xié)同工作時，模式切換頻繁，且存在兩大影響平順性的關(guān)鍵因素：一方面，電池容量差異導(dǎo)致切換一致性差，動力切換元件轉(zhuǎn)矩響應(yīng)不均衡；另一方面，發(fā)動機啟停過程中阻力矩動態(tài)變化，疊加混動系統(tǒng)本身的 “欠阻尼特性”，易引發(fā)沖擊，影響駕駛體驗。

創(chuàng)新突破：構(gòu)建 “構(gòu)型設(shè)計 - 策略開發(fā) - 參數(shù)優(yōu)化 - 性能評價” 全流程技術(shù)體系

針對上述痛點，趙治國團隊從構(gòu)型設(shè)計邏輯、能量管理策略、參數(shù)優(yōu)化方法等維度展開攻關(guān)，形成了一套可落地的技術(shù)方案。

1. 構(gòu)型描述與遍歷：矩陣模型破解 “海量計算” 難題

傳統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計多依賴工程師經(jīng)驗，效率低且易遺漏最優(yōu)方案。團隊創(chuàng)新提出 “圖形化 + 數(shù)學(xué)化” 的構(gòu)型描述方法：通過行星排元件、動力連接元件的圖形化表達，轉(zhuǎn)化為 “基礎(chǔ)部件矩陣 + 動力源連接矩陣 + 動力切換元件連接矩陣” 三大核心矩陣，構(gòu)建功率分流系統(tǒng)通用數(shù)學(xué)模型。

“矩陣變換替代傳統(tǒng)人工遍歷，不僅數(shù)據(jù)存儲量大幅降低，還能實現(xiàn)不同動力源組合、連接方式的自動化遍歷。” 趙治國解釋，這一方法將構(gòu)型設(shè)計從 “經(jīng)驗驅(qū)動” 轉(zhuǎn)向 “數(shù)據(jù)驅(qū)動”，大幅提升了方案覆蓋度與設(shè)計效率。

2. 通用能量管理策略：跨構(gòu)型適配的 “控制核心”

為解決不同構(gòu)型需單獨開發(fā)能量管理策略的問題，團隊基于 “等效油耗法”，開發(fā)了可自動識別工作模式的通用能量管理策略。通過與科力遠合作，在臺架上對比驗證該策略與傳統(tǒng)控制策略的差異，結(jié)果顯示：通用策略的誤差可控，可適配多種構(gòu)型，為后續(xù)性能仿真奠定基礎(chǔ)。

3. 構(gòu)型篩選與參數(shù)優(yōu)化：多維度精準 “鎖定最優(yōu)解”

雙路徑篩選機制：遍歷生成海量構(gòu)型后，團隊建立 “工作模式篩選” 與 “性能指標篩選” 雙路徑：前者根據(jù)車企對工作模式的需求（如高速工況側(cè)重）初步篩選，后者通過動力性、經(jīng)濟性等核心指標進一步精篩；

創(chuàng)新參數(shù)優(yōu)化算法：針對行星排特征參數(shù)等關(guān)鍵指標，提出 “毀滅重生粒子群算法”—— 借鑒《流浪地球》中 “精英遷移重建” 的思路，在算法迭代中優(yōu)先保留優(yōu)質(zhì)解，避免陷入局部最優(yōu)，同時提升收斂速度與優(yōu)化精度。經(jīng)最優(yōu)化測試函數(shù)驗證，該算法較傳統(tǒng)方法效率提升顯著。

工程落地：從仿真到實車 打造 “評價 - 工具 - 驗證” 閉環(huán)

1. 多維度性能評價體系：22 項指標量化構(gòu)型價值

團隊建立了涵蓋 “經(jīng)濟性、動力性、駕駛舒適性、可靠性與耐久性、成本效益”5 大維度、22 項關(guān)鍵指標的評價體系，結(jié)合模糊層次分析、熵權(quán)法、灰色關(guān)聯(lián)分析等方法，實現(xiàn)構(gòu)型性能的量化評估，確保設(shè)計方案的工程適配性。

2. 可視化設(shè)計軟件：一鍵輸出最優(yōu)構(gòu)型

為打通技術(shù)落地 “最后一公里”，團隊將構(gòu)型設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化、性能評價等功能集成，開發(fā)了可視化設(shè)計軟件。輸入 OEM 需求（如動力性目標、成本限制）后，軟件可自動完成構(gòu)型遍歷、策略匹配、參數(shù)優(yōu)化與評價，最終輸出最優(yōu)方案。

在與 VOLTEC 系統(tǒng)的仿真對比中，該軟件成功篩選出 4 種潛力構(gòu)型，其加速時間、燃油消耗量等核心指標均達到設(shè)計預(yù)期，證明了工具的實用性。

3. 模式切換控制：實車驗證平順性突破

針對模式切換平順性問題，團隊搭建了 “動態(tài)協(xié)調(diào)控制架構(gòu)”：通過 T-S 模糊模型實現(xiàn)動力切換元件（如離合器、制動器）與發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩估計，結(jié)合模型預(yù)測控制、魯棒控制等方法，求解瞬態(tài)切換最優(yōu)邏輯。

經(jīng)商用車實車測試驗證：采用該控制方案后，模式切換沖擊度降至 15.83，切換時間縮短至 0.74 秒，大幅改善了駕駛平順性，且已轉(zhuǎn)化為工程化 map 用于實際產(chǎn)品。

專家展望：技術(shù)成果為混動行業(yè)降本增效

“我們的核心目標，是讓功率分流混動系統(tǒng)的設(shè)計從‘試錯式研發(fā)’轉(zhuǎn)向‘精準化開發(fā)’。” 趙治國總結(jié)，團隊的技術(shù)成果實現(xiàn)了三大價值：一是通過矩陣模型與通用策略，降低了多構(gòu)型開發(fā)的復(fù)雜度；二是通過創(chuàng)新算法與評價體系，提升了設(shè)計精度與可信度；三是通過軟件工具與工程化驗證，縮短了研發(fā)周期。

目前，相關(guān)研究已形成多篇論文與授權(quán)專利，未來有望進一步推動功率分流技術(shù)在乘用車、商用車領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用，為 “十五五” 時期混合動力行業(yè)協(xié)同創(chuàng)新提供技術(shù)支撐。