功率分流式（Powersplit）混动系统（三）：输出式功率分流

2010年11月，通用汽车（General Motors）高调推出雪佛兰沃蓝达车型¹，这款车是全球第一辆采用输出式功率分流系统（Output Powersplit）的车型。

然而，更值得回味的是，这款车也是全球至今唯一一款采用过这种分流系统的车型²。说“采用过”是因为这种类型的分流系统只量产了一代就被匆匆下架。在第二代的沃蓝达车型中装载着完全不同的分流系统（Compound Powersplit，即复合式功率分流系统），与第一代中的输出式分流系统已无联系。

不得不提的是，2010年当通用公司推出这款车时，把它称作电动车³，而且命名为一种新型电动车，即增程式电动车 EREV（Extended Range Electric Vehicle）⁴。今天我们称这个系统为输出式功率分流系统，即混动系统的一种。

这篇文章里，在讨论这种类型的分流系统的同时，我们也会简单聊一下如此划时代的产品为何会如此草草收场。

输出式功率分流工作原理

雪佛兰沃蓝达采用的动力系统为通用的 Voltec powertrain 混动系统，其核心部件为内嵌了两台电机的混动变速器，在通用公司内部，这个变速器的编号为 4ET50。

类似于输入式分流系统，这个变速器里也装有一个行星齿轮组，包含太阳轮、行星轮和齿圈。如果把这个系统与上一篇中展示的丰田普锐斯（输入式功率分流系统）对比的话，可以发现它们的结构挺相像。发动机、发电机、电动机都连接到了行星齿轮组上，如下图，其中图最右侧展示了行星齿轮组正面的样子（感兴趣结构细节的话，可以猛击⁵）。输出式分流系统的结构最为特别的地方，也是与其他分流系统最为不一样的地方，就是发动机和发电机直接相连。

要解释这个系统为什么叫做输出式功率分流系统，就得看一下它在运行时功率的流向，如下图。发动机的产生的一部分功率（图中①）传递至行星齿轮组齿圈，这部分的功率为机械功率。另一部分发动机功率直接用来了驱动发电机（generator）发电（图中②），这里产生的电功率被传递给电动机（motor），由其再转换为机械功率传递至行星齿轮组的太阳轮（图中③）。最终，两部分分流的功率在行星齿轮组的齿架上汇合（图中④），最终传出变速器。

总结来说，发动机和电机传来的两部分功率在行星齿轮组上进行汇合，同时，功率汇合发生的位置在变速器的输出轴上，因此这个系统被称为输出式功率分流系统。必须提出的是，这张图展示的情况为车辆在中高速行驶时的状态，是输出式功率分流系统正常工作的状态。低速时的情况我们一会再讲。这里，我们来定义一下输出式分流系统的特征：

• 发动机与一台电机直接相连，并一同连接到行星齿轮组的一根轴上；
• 行星齿轮组的第二根轴连接着第二台电机；
• 行星齿轮组的第三根轴作为输出轴。

以上的定义可以用一张简图直观的表示出来：

你也许会问，输出式功率分流为什么只在中高速时使用？低速行驶时会发生什么？

其实理论上来说，输出式功率分流在低速行驶时是可以运行的，但是没有哪个厂商会这么做。下图展示了低速运行时，变速器内的功率流动。这个时候，最有意思的地方是电动机与发电机的角色互换：电动机现在负责发电，而发电机负责驱动。在下图中可以看到，电动机所发的电功率被传给发电机，在这里转化为机械功率，被传回到发动机轴上去。因此，电功率（绿色线）的传递方向与机械功率的传递方向相反！变速器内出现了无功功率。此时，系统的效率很低，同时，电机必须输出很高的功率才能继续维持车辆的驱动。所以，这种花很大力气却又没有效率的事是没有人做的。

输出式功率分流系统无法单独装配汽车

如果说输出式功率分流系统低速时不能用，那么雪佛兰沃蓝达在低速是怎么用这个系统的？

简单来说就是——根本不用。雪佛兰沃蓝达在低速时跳出功率分流模式，转换到其他模式行驶。为此，通用公司在这款4ET50变速器内安装了三个湿式离合器（下图中C1、C2、C3），分别安装在行星齿轮组齿圈上、发电机与行星齿轮组之间、发动机与发电机之间。

仔细看的话，你可以发现，如果C2及C3都关闭，同时C1打开的话，那么这个时候变速器的结构就与我们之前讨论的结构完全一致，此时的系统即为输出式功率分流。

当行驶在低速时，为了避免使用输出式功率分流模式，沃蓝达有两种纯电动驾驶模式可以选择。在第一种纯电动行驶模式下，电动机单独负责全部的驱动力输出。第二种电动行驶模式比较特殊，此时电动机和发电机同时输出驱动力，驱动汽车。沃蓝达内的电池容量为16千瓦时，纯电动行驶时，可以支持约40到80公里的行驶里程。

当电池内的电量消耗殆尽，但车辆仍在低速行驶时，沃蓝达车型会进入串联混动模式。此时，发动机介入，并通过发电机发电，电量传给电动机，由其负责驱动。

以上四种行驶模式以及所对应的离合器状态在下图做了总结，其中 ● 表示相应的离合器必须关闭。

沃蓝达车型虽然是第一款输出式功率分流系统，但通用公司不得不为其配备了另外三个驾驶模式。最重要的原因就是输出式功率分流无法单独使用。一个只能提供输出式功率分流的变速器无法满足车辆行驶的需要，其最大的问题就是低速时系统内极高的无功功率以及极差的效率。为此，输出式功率分流只能与其他驾驶模式共同出现，混在一起使用。

与其相比，输入式功率分流系统（例如丰田普锐斯）可以作为唯一的行驶模式装配汽车。因此，输入式功率分流系统变速器的结构非常简单，相比下来占了很大的优势。

输出式与输入式功率分流系统对比

说了这么多，如果我们把输出式和输入式功率分流拿来对比，哪个更省油？

这个问题其实可以翻译成：雪弗兰沃蓝达与丰田普锐斯对比来说哪个更省油？这两辆车可以说是这两种功率分流系统的最好的代表。2012年的插电式普锐斯（Toyota Prius Plug-in Hybrid）在非电动模式的油耗为百公里4.7升，同一年的沃蓝达在非电动模式的油耗为百公里6.4升⁶。在油耗上，输入式功率分流系统占优。

如果你希望更深入地了解输出式功率分流系统，我推荐你读一读这一篇文章《Analysis of planetary gear hybrid powertrain system part 2: Output split system》⁷。

下一篇里我会谈一谈第三种功率分流系统：复合式功率分流。