混合动力机电耦合系统的结构设计和优化控制是提高混合动力汽车燃油经济性的关键技术。其中以行星齿轮为耦合机构的混合动力系统具有多种工作模式,系统效率高、结构紧凑,已经成为目前最具发展潜力的混合动力驱动系统。然而采用双排及以上行星齿轮结构的复杂性和多样性,是新型机电耦合混合动力系统方案的设计的技术难点。因此,提出一种全面的基于双排行星齿轮耦合机构的混合动力系统设计方法,对于单电机及双电机混合动力架构的选型与优化具有至关重要的意义。本论文以基于双排行星齿轮机构的多模式混合动力机电耦合构型为课题,开展了系统化设计方法与优化控制的研究工作,提出一种将混合动力基本构型与耦合机构动力学特性映射结合的设计方法;筛选的可行方案通过瞬时功率分配优化策略和统一建模仿真实现了对其燃油经济性的评价;通过分析工作模式对经济性能的影响揭示了多模式机电耦合混合动力方案的一般性设计规律;针对多模式混合动力系统存在的典型模式切换过程,通过基于模型预测控制实现了瞬态过程中的转矩的动态协调分配,改善了驾驶性能并通过半实物台架实现了试验验证。主要的研究内容如下:首先通过复合杠杆模型与双排行星齿轮组耦合方式的映射关系,建立了以复合分流模式为基本构型的多模式功率分流混合动力系统两阶段设计方法。相比基于全排列组合的大规模计算量,本设计方法分解了设计空间消除无效连接及低效方案,通过分析比较其机械点分布提出3种基本构型作为双电机多模式功率分流型混合动力系统的最小架构。上述方法同样适用于单电机混合动力机电耦合系统的方案设计。其次以燃油经济性为首要设计目标的方案性能比较与分析,需要一种通用的能量分配策略在保证优化性能的同时降低求解的计算负荷。与全局优化DP算法相比,基于极小值原理的等效燃油消耗量最小策略可以满足实时性的要求。同时由于电量平衡条件下的基于极小值原理的燃油消耗最优解满足全局最优的充分必要条件,因此本文采用这样一种次优瞬时功率优化算法作为多模式混合动力机电耦合系统的统一控制框架,实现了对双电机可行方案和单电机可行方案燃油经济性的仿真分析,以单一功率分流模式的混合动力系统为对比,多模式功率分流型混合动力系统在不同循环工况下获得了5%~15%的燃油经济性提升,单电机优化设计方案也具有相当燃油经济性。此外通过对工作模式的统计深入分析了混动系统架构设计对性能的影响。驾驶性能是混合动力系统另一项的重要评价指标,尤其是多模式混合动力系统中广泛存在的模式切换问题。本文以改善瞬态过程的驾驶性能为研究目标,为降低纯电驱动向混合驱动模式切换过程发动机启动与离合器滑摩结合引起的转矩冲击,提出了基于模型预测控制方法的控制策略,以跟随切换后模型参考转速为目标,通过滚动优化与校正的方法,协调控制切换过程中发动机、离合器及电机的转矩输出,并以一款双行星齿轮混合动力变速器的纯电动向混动模式切换的典型过程为研究对象,分别通过仿真平台与半实物试验台架进行了验证,仿真与试验的结果均表明提出的控制方法能够保证模式切换的平稳性并较少了离合器滑摩功损失,降低了冲击度。本文的工作从多模式混合动力机电耦合系统的设计方法论出发,以燃油经济性,驾驶性能为研究目标展开稳态及瞬态优化控制的研究内容,通过仿真与试验结合的手段,完成了性能分析与验证的相关研究工作,该方法全面且系统地实现了正向设计开发的设计目标。因此无论是对于特定结构的开发和优化控制还是基于平台化的创新设计都具有重要的意义。