功率分流式(Powersplit)混动系统(一)


在汽车界,提到功率分流式混动系统,第一想到的自然是丰田普锐斯。普锐斯系统对于汽车业界的意义可以与iPhone对手机业界的影响相媲美。普锐斯(1997年问世)和iPhone(2007年问世)的设计方案从发布以来不曾改变,可以说是从一开始就达到了完美。正是丰田,正是普锐斯,让功率分流系统在全球汽车业界达到今天的位置。

功率分流系统正如其名,就是将发动机功率分成几个支流,分别传输到车轮上。我们就要问了,怎么实现分流?这个,这就是变速器的任务了。变速器在功率分流系统中担当着核心的作用,按照变速器结构的不同,功率分流系统又可以分成输入式、输出式和复合式几种不同的形式。各个系统都有各自有意思的地方。

今天的第一篇中,暂不去讨论那些技术上的细节,我想聊聊功率分流式系统的故事。

来看看最早的功率分流系统

虽然说丰田普锐斯在今天最为出名,但是最早的功率分流系统应该归功于 Thompson Ramo Wooldridge Inc.(TRW)公司。1960年代,在阿波罗登月的时期,TRW的工程师研制出了第一款今天意义上的功率分流驱动系统。整个系统中包括一个发动机、两个电机和一个行星齿轮组。其中,一个电机用来调节发动机的转速,另一个电机用来对汽车的驱动扭矩进行调节。TRW系统在系统结构上与今天的丰田普锐斯系统稍稍有不同1,但原理一摸一样。

TRW公司研发的功率分流系统专利图

图1:TRW公司研发的功率分流系统专利图

今天,我们仍可以查到当时TRW公司申报的专利2。可惜的是,60年代的时候,连阿波罗登月飞船上的计算机都没法做大规模快速运算3,更别说真正意义上的车内用ECU了。那时候,驱动系统所有的控制都只能由机械或油压控制实现。发动机、电机的精密协同控制可以说是天方夜谭,因此,TRW的这个系统也只能束之高阁。

美国的PNGV组织

时间飞跃,1993年,美国政府建立 Partnership for a New Generation of Vehicles 组织,简称PNGV。美国政府在该组织内依托其三大整车厂:通用(General Motors)、福特(Ford)及克莱斯勒(Chrysler),希望研发一款油耗为80 mpg(换算为百公里2.9升)的汽车。

美国政府建立的PNGV组织包括通用、福特及克莱斯勒三大车厂

图2:美国政府建立的PNGV组织包括通用、福特及克莱斯勒三大车厂 | 图片@GMFordChrysler

考虑到2017年的今天,最新丰田普锐斯的油耗为56 mpg(换算为百公里4.2升),1993年美国政府的这个目标绝对算是“伟大”。在这个时期,通用重新拾起TRW公司1960年代的点子,即功率分流系统,并于1995年时为自己的功率分流系统申请了专利4。然而,这个系统在通用公司仅昙花一现,并没有进入量产。在PNGV的组织下,通用公司确实研发出了一款油耗为80 mpg的汽车(见下图),然而,其驱动系统采取了完全另外一种混合动力模式5

通用公司2000年发布的Precept概念车型,油耗为80 mpg

图3:通用公司2000年发布的Precept概念车型,油耗为80 mpg | 图片@GM

需要提一句的是,美国政府最初为PNGV组织设立的目标是,在2003年时将研发出的新型汽车投入量产、推向市场。然而,十年的时间过去,投入了大笔资金后,三大车厂都完成了自己的概念车型,但无一车型真正投入市场。

终于轮到丰田出场

说了这么多,居然还没有看到丰田的影子。也许你已经注意到,1993年美国政府组织的PNGV中,没有出现丰田的名字。90年代时,丰田在美国市场已经打下了半边天,然而,美国政府为促进本国汽车企业的发展,坚决把日本的丰田排除在了PNGV之外。

也许是出于对美国政府与三大车厂秘密项目的担心,丰田在公司内部也开始了在混动方面的研究。1994年,丰田内部正式启动了“G21项目”,其中最主要的目标就是将发动机的燃油经济性提高两倍6。1995年时,丰田在东京车展上第一次展出了普锐斯的概念车,见右图。不得不说,这辆概念车确实不漂亮。

丰田于1995年在东京车展上向外展示的普锐斯概念车型

图4:丰田于1995年在东京车展上向外展示的普锐斯概念车型 | 图片@Toyota

1997年时,丰田G21项目的最终产品终于发布和投入量产,即第一代普锐斯和其驱动系统“Toyota Hybrid System”,即丰田混动系统,简称“THS”。这个系统的结构非常简单,仅包括一台发动机、两台电机和一个行星齿轮组。丰田THS系统使用的正是输入式功率分流,至于它是如何工作的,我们下一篇再仔细聊。

两年多的时间内,通过G21项目,普锐斯从诞生到量产、进入市场,丰田的速度和效率值得世界上任何一个公司敬畏。

丰田公司会长内山田竹志与第一代普锐斯合影照片

图5:丰田公司会长内山田竹志与第一代普锐斯合影照片 | 图片@Toyota

丰田的单模 vs 通用的双模

推出THS系统后,丰田在绝大部分混动车型中都使用这套驱动系统。业界人把这套系统称为“单模式输入式功率分流系统(one-mode input-split system)”。称它为单模的原因很简单,就是因为THS系统只有一种工作模式:除了输入式功率分流模式就没有别的模式了。

与之对应,通用公司从90年代起便开始研发双模式的混动系统。双模式系统,正如其名,是说它有两种工作模式可以使用。

2001年时,通用公司的第一款产品终于问世,可惜并不是给乘用车用,而是装在了公交车里。通用公司称这个系统为双模式功率分流系统7。它包括一个发动机、两个电机、三个行星齿轮组及两个换挡装置,并可在输入式功率分流和复合式功率分流两种工作模式间进行转换(这也是双模式名字的由来)。

如果双模式系统仅停留在公交车里的话,今天的世界就没这么精彩了。2001年后,通用公司对这款双模式系统进行了调整,使其可以用在乘用车中,准确的说是SUV中。汽车在低速时使用输入式功率分流模式,在高速时使用复合式功率分流模式。

2005年时,通用公司连同克莱斯勒(Chrysler)、宝马(BMW)及奔驰(Mercedes Benz)组建了“Global Hybrid Cooperation”,并向其提供这套系统的使用权。于是,双模式系统真正走向了量产。如果你在Google里搜索“two-mode hybrid“的图片,下面这张图肯定直接跳出来8,它就是安装有双模式系统的宝马 ActiveHybrid X6的驱动系统。

宝马ActiveHybrid X6双模式混动系统

图6:宝马ActiveHybrid X6双模式混动系统 | 图片@BMW

这辆车中宝马使用了一台300千瓦的V8发动机、两台功率分别为67千瓦和63千瓦的电机。德国ADAC协会对其测试后对它的评价为“极佳的动力性,高油耗,极高的价格9。应该说,这句评语拿来评价当年所有车厂的双模式车型都适用。正是因为高昂的价格、偏高的油耗,所有的车型都卖得不好,不久后便停止了销售。

这次失败后,通用公司似乎不愿再提起“双模式(two-mode)”这个词,感觉很扎心。

2016年时,通用公司又高调地推出了一款全新的双模式系统车型,雪弗兰沃蓝达(Chevrolet Volt)第二代。当然,在所有的广告和文献中,通用公司都避免使用“双模式”的说法。从技术上来看,沃蓝达的驱动系统确实是一款非常不错混动系统,它在业界众多的油耗、动力性测试都取得了很好的成绩。但是其原理正是双模式功率分流,其系统方案早在2001年就已成型10。这个方案在抽屉里静静地躺了15年后,终于高调地走向了市场。

今天,丰田仍在单模式的道路上执意前行,它的成功不用多说,普锐斯早已成为混动汽车的代名词。通用力求用双模式占领另外一片天地,沃蓝达车型是一个很不错的开端。

下一篇里,我想仔细聊一聊输入式功率分流的事。

注释:

  1. TRW系统中发动机连接到行星齿轮组的太阳轮,转速调节电机(EM1)连接到齿架,转矩调节电机(EM2)连接到齿圈。丰田普锐斯系统中发动机与转速调节电机连接位置对调。

  2. 这两个专利分别是1971年的US 3566717和1973年的US 3732751。

  3. 阿波罗登月飞船所用的计算机名为“Apollo Guidance Computer”,简称AGC。它的储存容量为64 Kbyte,CPU频率为0.043 MHz,计算能力都不如今天的一个计算器。

  4. 专利为US 5558595,在这个专利内,通用公司提出了输入式功率分流(input-split)的概念。

  5. 通用公司的80 mpg汽车全名为General Motors Precept,该车后轴上安装一台1.3升40千瓦的柴油发动机和一台35千瓦的电机,前轴上安装一台35千瓦的电机。这种驱动形式与今天的许多混动车型很相似。

  6. 出处:丰田官网文章(英语):”Prius development completed in approximately two years”

  7. 通用公司这款双模式功率分流系统的专利为US 5931757。

  8. 当年所有的双模式系统中,宝马系统的性能是不是最好众说不一,但是渲染图确实是做得最漂亮的。

  9. 出处:德国ADAC协会对宝马ActiveHybrid X6的评测报告(德语,PDF)下载地址

  10. 雪弗兰沃蓝达(2016款)的双模式系统的专利为US 6478705。


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