功率分流式(Powersplit)混动系统(二):输入式功率分流


丰田普锐斯驾驶舱照片

图1: 丰田普锐斯驾驶舱 | 图片@Toyota

上篇里我们谈了功率分流系统的历史,这一篇里,我想来聊聊技术上的细节,谈谈这里有意思的事情。

功率分流混动系统根据其变速器的结构不同,有很多种形式,包括输入式(input split)、输出式(output split)和复合式(compound split)。各个形式都有各自有意思的地方,不同的整车厂也根据自己的车型和定位选择了不同的功率分流驱动系统。

虽然形式不同,但各个功率分流系统做的事都是把发动机的功率分为两个支流,分别传输到车轮上驱动汽车。这两个支流分别是机械功率流电功率流。你可能会问,发动机输出的功率为机械功率,为什么要多费劲把其中一部分变成电功率传输?上物理课时我们就学习了,把机械能转换为电能,之后再转换成机械能时必然有能量损失。就是说,我们把发动机的一部分功率转为电功率传输,白白降低了这一部分功率的传输效率。以上的考虑都很对,但是,功率分流系统很重要的一点就是,局部来看,一部分功率传递的效率变低,但是全局来看,混动系统的总体效率却提高了。

今天我们来看一看第一种功率分流系统:输入式功率分流系统,同时拿它来说一说为什么局部效率的降低导致了全局效率的提高。希望你看完这一篇文章,能有更好的理解。

输入式功率分流的定义

最早的功率分流系统由Thompson Ramo Wooldridge Inc.(TRW)公司于1960年代研发;今天,全球销量最多的混动系统是丰田的普锐斯。这两个功率分流系统共同的地方,就是他们都属于输入式功率分流

那么,什么是输入式功率分流系统?回答这个问题前,我们最好来看看最直观的输入式功率分流系统实例。

丰田普锐斯功率分流混动系统

图2: 丰田普锐斯功率分流混动系统 | 图片@WikiWand

上面这张照片展示的是丰田的早期混动系统或是说混动变速器1,用在包括普锐斯第一、二代等多种车型中。照片里,你可以注意到它标出了这个混动系统四个关键部件:发动机(engine)、发电机(generator)、电动机(motor)以及功率分流机构(power split device,位置处于发电机和电动机之间)。其中,发电机、电动机及功率分流机构共同组成了混动变速器,安装在发动机的输出端。丰田所称的功率分流机构,说到底,无非就是一个行星齿轮组,包含太阳轮、行星轮和齿圈。简单的来说,丰田这个混动系统就由这四个部件(发动机、发电机、电动机及行星齿轮组)组成,结构非常简单。为了更加明了,我这里把系统结构用下面的简图表示。

丰田普锐斯功率分流混动系统原理图

图3: 丰田普锐斯功率分流混动系统原理图 | 图片@obasic.net

简单来说,发动机、发电机和电动机分别连接在行星齿轮组的三个轴上。(如果你对详细结构感兴趣,可以猛击这里2)。上图的右侧显示行星齿轮组正面的样子:四个行星轮围绕着一个太阳轮,同时被齿圈包围住,四个行星轮同时被一个齿圈支撑着。发电机产生的电可以传输至电动机上(蓝色虚线)。

弄清楚什么是输入式功率分流,很重要的一点是弄清变速器的输入轴输出轴,以及功率分流是在哪个轴上发生的。丰田混动系统中,变速器的输入轴为发动机至齿架的轴(图中标出)。另一方面,变速器的输出轴为电动机所在的轴,这跟轴同时连接着行星齿轮组的齿圈(图中标出)。

丰田普锐斯功率分流混动系统功率流

图4: 丰田普锐斯功率分流混动系统功率流 | 图片@obasic.net

如上图,普锐斯在行驶时,发动机输送到变速器的功率(图中粗的红色功率流)在齿架上(图中①)被一分为二。第一部分功率向上继续流动到齿圈,然后向右流动到变速器的出口处。第二部分功率向下流动,由太阳轮进入到发电机,驱动其发电(图中②)。这部分产生的电功率继续传输到电动机上。电动机将电能再次转化为机械功率,输出到输出轴上(图中③)。最终,两部分功率在变速器的出口处汇合(图中④),由输出链条传输至车轮上。

总结来说,发动机的功率在行星齿轮组的齿架上被分为两个部分,并分别以机械、电的形式传输至变速器出口,并在此重新汇合。由于发动机的功率在变速器的输入端(即齿架)被分流,因此这个系统被称为输入式功率分流。由此,我们可以定义一下什么样的系统属于输入式功率分流:

  • 发动机及发电机连接到行星齿轮组的两个不同的轴上;
  • 行星齿轮组的第三根轴(我们叫它输出轴)与变速器的输出端相连;
  • 电动机与输出轴直接相连3

以上的定义可以用一张简图直观的表示出来:

输入式功率分流系统结构定义

图5: 输入式功率分流系统结构定义 | 图片@obasic.net

说了这么多,我们会问,为什么要用输入式功率分流系统?发动机在全面电气化的今天仍然是车里的老大。变速器的一大任务就是让发动机———这个车里的老大———在最有效的工作区域运行。输入式功率分流系统将发动机的功率划分成两个部分:机械部分与电力部分。两个部分的总和始终为100%,但通过控制,其各自的份额可增可减。我们来看看两个最极端的也非常有意思情况

极端情况一:串联式混动

设想,我们现在在城市驾驶,不巧的是,现在是车流高峰,车速差不多就 10 km/h。这个时候,发动机的转速和转矩都非常低,发动机工作点的效率极低,油耗极高。

不过,如果我们现在让发动机的功率全部由第一条支流传输,即发动机100%的功率都传输给发电机,并在发电机上转化为电功率,之后传输给电动机再次转化为机械功率,由其驱动汽车。这时候有意思的事情发生了:发动机的转速与车速完全不挂钩,例如汽车以10 km/h的速度行驶时,我们可以让发动机运行在任意一个转速上,例如 1000 1/min、3000 1/min或是 6000 1/min。此时,整个混动系统其实已经变成了所谓的串联式混动系统。车内的控制策略此时挑选出效率最高的工作点,让发动机在这里运转,只负责驱动发电机,而汽车完全由电动机电力驱动。

所以,即使由于能量转换(机械能-电能-机械能)损失,虽然电功率支流在传输时的效率不高,但是由于发动机可以调整到效率非常高的区域运转,因此,驱动系统整体的效率提高了。也就是说,牺牲局部效率,提高全局效率

业界习惯用下图的A点描述驱动系统此时的工况。图中A点的值(高度)代表着此时发电机发电功率与发动机功率的比值。在A点时,由于发电机把100%的功率都转化成了电功率,因此,A点的值为14

输入式功率分流系统中,在A和B情况下电动机功率与发动机功率的比值

图6: 输入式功率分流系统中,在A和B情况下电动机功率与发动机功率的比值 | 图片@obasic.net

极端情况二:传统驱动系统

设想现在我们开出了城市,上了高速,车速大概在 120 km/h左右。这个时候,我们控制发电机转速,使得它降为零,即此时发电机不发电。此时,第一条支流消失,发动机功率完全由第二条支流,即100%机械形式传输至输出轴。因此,我们此时来到了图中的B点,发电机功率与发动机功率的比值为零。在B点运行时,汽车就跟传统汽车一样,发动机的转速与汽车车速直接挂钩。汽车加速,发动机的转速则升高;汽车减速,发动机的转速则降低。

你会问这个时候问什么不让一部分功率转换成电功率传输?因为这个时候发动机的工作点已经在效率极高的区域了,进一步提升的空间很小。如果还让一部分功率进行“机械-电-机械”的转换,发动机效率的提升还抵不上能量转换时的损失,可以说得不偿失。所以,这个时候,我们宁愿让发动机直接驱动汽车,不用电功率支流。

简短的总结

总结来说,当车速偏低时(A点),为了防止发动机的效率过低,变速器选用电力方式传输功率,并同时将发动机与车轮“分开”。发动机此时可以随意选择工作点至高效率区域,以牺牲局部效率的方法,提高全局效率,减少油耗。当车速升高至一定程度时(B点),发动机的效率已经达到很高的水平,此时我们让发动机与车轮“机械相连”,发动机的功率完全用机械形式进行传输。

一般开车时,汽车运行在A点与B点之间,这个时候,发动机的功率同时由电和机械两种形式进行传输。越靠近A点,则电比机械功率多;越靠近B点,则机械比电功率多。车内的控制策略会调节两者的多少,可以使得发动机在当前情况对应的最佳工作点上运转,以达到最佳油耗。

看到这里,如果你纳闷汽车在B点的左侧时在干嘛,那么你问了一个很好的问题。这里功率分流系统里发生的情况变得复杂,我这里不详述了,如果你还是有兴趣请点这5

下一篇里我会谈一谈第二种功率分流系统:输出式功率分流。

注释:

  1. 丰田称这个混动系统为Hybrid Synergy Drive (HSD)。照片展示的是丰田早期的HSD系统,它包括一台1NZ-FXE发动机、两台永磁同步电机。变速器输出使用链条形式。

  2. 普锐斯中安装的是单行星齿轮排的行星齿轮组。其转动比(stationary gear ratio)约为-2.0。发电机与太阳轮相连,电动机与齿圈相连,发动机与齿架相连。
    其中有意思的是,发动机连接齿架这一点可以说是丰田的特色。通用公司的产品中,发动机一般连接着齿圈。

  3. 电动机也可以与输出轴通过固定的传动比相连。例如丰田在普锐斯第三代中安装了第二个行星齿轮组,电动机通过这个行星齿轮组与输出轴相连。第二个行星齿轮组没有功率分流的功能,只提供固定的传动比。因此,丰田也称这个第二个行星齿轮组为“Motor Speed Reduction Unit”,及电动机减速装置。

  4. 这个值看起来很普通,但有非常重要的意义:如果汽车真的要在A点运行,那么车内安装的电动机的最大功率必须超过发动机,使得其能100%接收发动机传递过来的功率。如此大的功率需求使得电机的尺寸变大,造价变高。实际上,几乎没有汽车会在A点行驶。
    例如第四代普锐斯的发动机功率为75千瓦,而其配备的发电机功率只为23千瓦,电动机功率为53千瓦。可见,普锐斯不会在A点运行。

  5. 在输入式功率分流系统中,当车速进一步提高,使得传动比继续降低,即到达B点左侧时,变速器内会产生所谓的“无功功率(idle power)”。此时,变速器输出端的电动机(我们叫它MG2)变成了发电机,它产生的电能会传输给MG1,即之前发电机,现在的电动机。如果你再按照图4画一下变速器里的功率流的话,你会发现,电功率传递的方向是由变速器的输出端流向输入端,即与正常的方向相反!此时,变速器和传动系统的效率很低,因此,这种情况应当避免。


1条评论

  1. 第二种情况应该算是并联式混动。这个时候MG2(发电机)可以用电池里的电来驱动汽车,这个时候发电机仍然不工作。Reference

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