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。

2012年雪佛兰沃蓝达车型

图1: 2012年雪佛兰沃蓝达车型 | 图片@General Motors

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。

通用公司4ET50变速器

图2: 通用公司 4ET50 变速器 | 图片@General Motors

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。

输出式功率分流系统原理图

图3: 输出式功率分流系统原理图 | 图片@obasic.net

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。

输出式功率分流系统在中高速行驶时变速器内功率流向

图4: 输出式功率分流系统在中高速行驶时变速器内功率流向 | 图片@obasic.net

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:

输出式功率分流系统结构定义

图5: 输出式功率分流系统结构定义 | 图片@obasic.net

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:发动机现在负责发电,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在低速行驶时变速器内功率流向

图6: 输出式功率分流系统在低速行驶时变速器内功率流向 | 图片@obasic.net

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。

通用公司4ET50变速器原理图

图7: 通用公司 4ET50 变速器原理图 | 图片@obasic.net

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。

通用公司4ET50变速器换档逻辑图

图8: 通用公司 4ET50 变速器换档逻辑图 | 图片@obasic.net

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

注释:

  1. 雪佛兰沃蓝达车型各项数据见通用公司发表的文章:The Voltec System: Energy Storage and Electric Propulsion

  2. 严格的说,雪佛兰沃蓝达并不是唯一采用过输出式功率分流的车型,因为欧宝Ampera、别克Velite 5等几辆车型同样也采用了该系统,但是所有的这些车都完全采用了通用汽车的技术和部件,可以说是雪佛兰沃蓝达换了个标志,所以我还是把它们当成同一辆车来看待。

  3. 在大量的广告、采访文献里,通用公司尽全力希望说服大家为什么这台装着一台1.4升发动机的车不是混动,而是电动汽车。

  4. 通用公司称其为电动车,出处:GM-Volt.com网站文章 “GM Calls the Volt an E-REV” 以及通用公司发表的SAE文章”The GM Voltec 4ET50 Multi-Mode Electric Transaxle“。这两篇文章中,通用公司定义了电动车的四种种类,其中包括EREV。

  5. 在 4ET50 中,太阳轮连接着电动机(motor),齿圈同时连接着发动机(engine)和发电机(generator),齿架连接着变速器输出轴。而在丰田普锐斯的输入式分流系统中,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。

  6. 2012年插电式丰田普锐斯及雪佛兰沃蓝达车型油耗出处:fueleconomy,链接分别为普锐斯沃蓝达

  7. Yang, H., Kim, B., Park, Y., Lim, W., & Cha, S. (2009). Analysis of planetary gear hybrid powertrain system part 2: Output split system. International Journal of Automotive Technology, 10(3), 381–390. http://doi.org/10.1007/s12239–009–0044-y。文章链接


1条评论

  1. 最新插电版的丰田普锐斯除了输入式功率分流模式也有电动驾驶模式,不过一般版本的普锐斯确实只有输入式功率分流模式。Reference

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