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功率分流式（Powersplit）混動系統(tǒng)：輸入式功率分流

2020-02-18 22:53:06·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
雖然形式不同，但各個功率分流系統(tǒng)做的事都是把發(fā)動機的功率分為兩個支流，分別傳輸?shù)杰囕喩向?qū)動汽車。這兩個支流分別是機械功率流和電功率流。你可能會問，發(fā)動
雖然形式不同，但各個功率分流系統(tǒng)做的事都是把發(fā)動機的功率分為兩個支流，分別傳輸?shù)杰囕喩向?qū)動汽車。這兩個支流分別是機械功率流和電功率流。你可能會問，發(fā)動機輸出的功率為機械功率，為什么要多費勁把其中一部分變成電功率傳輸？上物理課時我們就學習了，把機械能轉(zhuǎn)換為電能，之后再轉(zhuǎn)換成機械能時必然有能量損失。就是說，我們把發(fā)動機的一部分功率轉(zhuǎn)為電功率傳輸，白白降低了這一部分功率的傳輸效率。以上的考慮都很對，但是，功率分流系統(tǒng)很重要的一點就是，局部來看，一部分功率傳遞的效率變低，但是全局來看，混動系統(tǒng)的總體效率卻提高了。
 
今天我們來看一看第一種功率分流系統(tǒng)：輸入式功率分流系統(tǒng)，同時拿它來說一說為什么局部效率的降低導致了全局效率的提高。希望你看完這一篇文章，能有更好的理解。
 
輸入式功率分流的定義
 
最早的功率分流系統(tǒng)由Thompson Ramo Wooldridge Inc.（TRW）公司于1960年代研發(fā)；今天，全球銷量最多的混動系統(tǒng)是豐田的普銳斯。這兩個功率分流系統(tǒng)共同的地方，就是他們都屬于輸入式功率分流。
那么，什么是輸入式功率分流系統(tǒng)？回答這個問題前，我們最好來看看最直觀的輸入式功率分流系統(tǒng)實例。
圖2: 豐田普銳斯功率分流混動系統(tǒng) | 圖片@WikiWand
上面這張照片展示的是豐田的早期混動系統(tǒng)或是說混動變速器，用在包括普銳斯第一、二代等多種車型中。照片里，你可以注意到它標出了這個混動系統(tǒng)四個關(guān)鍵部件：發(fā)動機（engine）、發(fā)電機（generator）、電動機（motor）以及功率分流機構(gòu)（power split device，位置處于發(fā)電機和電動機之間）。其中，發(fā)電機、電動機及功率分流機構(gòu)共同組成了混動變速器，安裝在發(fā)動機的輸出端。豐田所稱的功率分流機構(gòu)，說到底，無非就是一個行星齒輪組，包含太陽輪、行星輪和齒圈。簡單的來說，豐田這個混動系統(tǒng)就由這四個部件（發(fā)動機、發(fā)電機、電動機及行星齒輪組）組成，結(jié)構(gòu)非常簡單。為了更加明了，我這里把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用下面的簡圖表示。
圖3: 豐田普銳斯功率分流混動系統(tǒng)原理圖 
簡單來說，發(fā)動機、發(fā)電機和電動機分別連接在行星齒輪組的三個軸上。（如果你對詳細結(jié)構(gòu)感興趣，可以猛擊這里）。上圖的右側(cè)顯示行星齒輪組正面的樣子：四個行星輪圍繞著一個太陽輪，同時被齒圈包圍住，四個行星輪同時被一個齒圈支撐著。發(fā)電機產(chǎn)生的電可以傳輸至電動機上（藍色虛線）。
弄清楚什么是輸入式功率分流，很重要的一點是弄清變速器的輸入軸和輸出軸，以及功率分流是在哪個軸上發(fā)生的。豐田混動系統(tǒng)中，變速器的輸入軸為發(fā)動機至齒架的軸（圖中標出）。另一方面，變速器的輸出軸為電動機所在的軸，這跟軸同時連接著行星齒輪組的齒圈（圖中標出）。
圖4: 豐田普銳斯功率分流混動系統(tǒng)功率流 
如上圖，普銳斯在行駛時，發(fā)動機輸送到變速器的功率（圖中粗的紅色功率流）在齒架上（圖中①）被一分為二。第一部分功率向上繼續(xù)流動到齒圈，然后向右流動到變速器的出口處。第二部分功率向下流動，由太陽輪進入到發(fā)電機，驅(qū)動其發(fā)電（圖中②）。這部分產(chǎn)生的電功率繼續(xù)傳輸?shù)诫妱訖C上。電動機將電能再次轉(zhuǎn)化為機械功率，輸出到輸出軸上（圖中③）。最終，兩部分功率在變速器的出口處匯合（圖中④），由輸出鏈條傳輸至車輪上。
總結(jié)來說，發(fā)動機的功率在行星齒輪組的齒架上被分為兩個部分，并分別以機械、電的形式傳輸至變速器出口，并在此重新匯合。由于發(fā)動機的功率在變速器的輸入端（即齒架）被分流，因此這個系統(tǒng)被稱為輸入式功率分流。由此，我們可以定義一下什么樣的系統(tǒng)屬于輸入式功率分流：
發(fā)動機及發(fā)電機連接到行星齒輪組的兩個不同的軸上；
行星齒輪組的第三根軸（我們叫它輸出軸）與變速器的輸出端相連；
電動機與輸出軸直接相連。
以上的定義可以用一張簡圖直觀的表示出來：
圖5: 輸入式功率分流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義 
說了這么多，我們會問，為什么要用輸入式功率分流系統(tǒng)？發(fā)動機在全面電氣化的今天仍然是車里的老大。變速器的一大任務(wù)就是讓發(fā)動機———這個車里的老大———在最有效的工作區(qū)域運行。輸入式功率分流系統(tǒng)將發(fā)動機的功率劃分成兩個部分：機械部分與電力部分。兩個部分的總和始終為100%，但通過控制，其各自的份額可增可減。我們來看看兩個最極端的也非常有意思情況。
 
極端情況一：串聯(lián)式混動
 
設(shè)想，我們現(xiàn)在在城市駕駛，不巧的是，現(xiàn)在是車流高峰，車速差不多就 10 km/h。這個時候，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都非常低，發(fā)動機工作點的效率極低，油耗極高。
不過，如果我們現(xiàn)在讓發(fā)動機的功率全部由第一條支流傳輸，即發(fā)動機100%的功率都傳輸給發(fā)電機，并在發(fā)電機上轉(zhuǎn)化為電功率，之后傳輸給電動機再次轉(zhuǎn)化為機械功率，由其驅(qū)動汽車。這時候有意思的事情發(fā)生了：發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與車速完全不掛鉤，例如汽車以10 km/h的速度行駛時，我們可以讓發(fā)動機運行在任意一個轉(zhuǎn)速上，例如 1000 1/min、3000 1/min或是 6000 1/min。此時，整個混動系統(tǒng)其實已經(jīng)變成了所謂的串聯(lián)式混動系統(tǒng)。車內(nèi)的控制策略此時挑選出效率最高的工作點，讓發(fā)動機在這里運轉(zhuǎn)，只負責驅(qū)動發(fā)電機，而汽車完全由電動機電力驅(qū)動。
 
所以，即使由于能量轉(zhuǎn)換（機械能-電能-機械能）損失，雖然電功率支流在傳輸時的效率不高，但是由于發(fā)動機可以調(diào)整到效率非常高的區(qū)域運轉(zhuǎn)，因此，驅(qū)動系統(tǒng)整體的效率提高了。也就是說，犧牲局部效率，提高全局效率。
業(yè)界習慣用下圖的A點描述驅(qū)動系統(tǒng)此時的工況。圖中A點的值（高度）代表著此時發(fā)電機發(fā)電功率與發(fā)動機功率的比值。在A點時，由于發(fā)電機把100%的功率都轉(zhuǎn)化成了電功率，因此，A點的值為1。
圖6: 輸入式功率分流系統(tǒng)中，在A和B情況下電動機功率與發(fā)動機功率的比值 
 
極端情況二：傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)
 
設(shè)想現(xiàn)在我們開出了城市，上了高速，車速大概在 120 km/h左右。這個時候，我們控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速，使得它降為零，即此時發(fā)電機不發(fā)電。此時，第一條支流消失，發(fā)動機功率完全由第二條支流，即100%機械形式傳輸至輸出軸。因此，我們此時來到了圖中的B點，發(fā)電機功率與發(fā)動機功率的比值為零。在B點運行時，汽車就跟傳統(tǒng)汽車一樣，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與汽車車速直接掛鉤。汽車加速，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速則升高；汽車減速，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速則降低。
你會問這個時候問什么不讓一部分功率轉(zhuǎn)換成電功率傳輸？因為這個時候發(fā)動機的工作點已經(jīng)在效率極高的區(qū)域了，進一步提升的空間很小。如果還讓一部分功率進行“機械-電-機械”的轉(zhuǎn)換，發(fā)動機效率的提升還抵不上能量轉(zhuǎn)換時的損失，可以說得不償失。所以，這個時候，我們寧愿讓發(fā)動機直接驅(qū)動汽車，不用電功率支流。
 
簡短的總結(jié)
 
總結(jié)來說，當車速偏低時（A點），為了防止發(fā)動機的效率過低，變速器選用電力方式傳輸功率，并同時將發(fā)動機與車輪“分開”。發(fā)動機此時可以隨意選擇工作點至高效率區(qū)域，以犧牲局部效率的方法，提高全局效率，減少油耗。當車速升高至一定程度時（B點），發(fā)動機的效率已經(jīng)達到很高的水平，此時我們讓發(fā)動機與車輪“機械相連”，發(fā)動機的功率完全用機械形式進行傳輸。
 
一般開車時，汽車運行在A點與B點之間，這個時候，發(fā)動機的功率同時由電和機械兩種形式進行傳輸。越靠近A點，則電比機械功率多；越靠近B點，則機械比電功率多。車內(nèi)的控制策略會調(diào)節(jié)兩者的多少，可以使得發(fā)動機在當前情況對應(yīng)的最佳工作點上運轉(zhuǎn)，以達到最佳油耗。
 
看到這里，如果你納悶汽車在B點的左側(cè)時在干嘛，那么你問了一個很好的問題。這里功率分流系統(tǒng)里發(fā)生的情況變得復雜，我這里不詳述了，如果你還是有興趣請分享一下文章吧。
 
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