功率分流式(Powersplit)混动系统(四):复合式功率分流


一大早,风和日丽,你刚进办公室,老板过来说“现在公司用的这个混动变速箱不太好,公司决定要弄个新一代的出来,方案的话,就由你来负责一下吧”。接下来的几个星期,你绞尽脑汁,演算各种可能的结构,终于设计出一款在所有性能方面都出类拔萃的混动变速箱。刚刚想去找老板汇报,你突然想起来最好查一查专利,看看会不会有问题,惊讶地发现这个方案早在10年前就已经被人报了专利了,而且,报专利的公司居然是自己公司,而且,专利发明人居然是斜对门的同事。

雪弗兰沃蓝达第二代

这几乎就是雪弗兰沃蓝达第二代中的混动变速器的诞生过程。早在 2001 年,这款方案就被研发出来,并申请报备了专利1。然而,接下来的 15 个年头里,这份专利静静地躺在了抽屉里,悄然无声。15 年间,通用公司(雪弗兰母公司)开发了制造了许多其他结构的混动变速器,直到 2015年,通用公司才突然回头,发现了这款变速器是多么的优秀2

雪弗兰沃蓝达第二代车型

图1:雪弗兰沃蓝达第二代车型 | 图片@General Motors

这一款变速器,通用公司内部代号 5ET50,从2015年开始配备雪弗兰沃蓝达第二代车型。它实现了两种功率分流模式,第一种模式是我们之前谈过的输入式功率分流;而另一个模式,就是我们今天要谈的复合式功率分流。如果你身边有做混动变速器的朋友,可以问问他,看他是如何看这款变速箱的。十有八九他会说,这款变速箱代表着业界最高水平。

我们今天就用这一款变速箱入手,来聊一聊复合式功率分流。

沃蓝达 5ET50 变速箱的结构

沃蓝达 5ET50 变速箱

图2:沃蓝达 5ET50 变速箱 | 图片@General Motors

之前一篇我们聊过雪弗兰沃蓝达第一代车型,它采用的是输出式功率分流结构,变速器代号为 4ET50。沃蓝达第二代车型在外观看来跟第一代很相似,但在驱动系统上有很大的改动,它采用的是复合式分流(以及输入式分流,不是本篇的重点),变速箱代号是 5ET50。代号第一个数字从“4”升级到了“5”,但是其实是完全不相同的两个变速箱。下图左侧展示了 4ET50 的结构,右图为 5ET50 的结构:

第一代沃蓝达变速箱 4ET50(左侧) 与第二代沃蓝达变速箱 5ET50(右侧)结构

图3:第一代沃蓝达变速箱 4ET50(左侧) 与第二代沃蓝达变速箱 5ET50(右侧)结构 | 图片@obasic.net

对比两个结构,一个很显著的区别就是新款 5ET50 变速箱内的行星齿轮组数量从一个增加到了两个。之后我们会聊到,复合式功率分流的一个重要前提,就是必须有至少两个行星齿轮组。5ET50 变速箱内仍然安装有两台电机和三个换档装置(B1离合器、C1离合器、OWC单向离合器)。当然,电机、换档装置的布置都与 4ET50 中不同。结构的细节这里不再详述,如果有兴趣请猛击这里3

什么是复合式功率分流?

当 B1 离合器打开,而 C1 离合器关闭时,5ET50 就进入了复合式功率分流模式。下图展示了在这个模式下的功率流(图中隐去了此模式下不作用的 B1 离合器和 OWC 单向离合器)。之前提到实现复合式功率分流,需要至少两个行星齿轮组,我们就来看看每个行星齿轮组上发生了什么事。

我们先观察第一个行星齿轮组:发动机的机械功率 ① 在第一个行星齿轮组上的输入轴上被分为了两条支流(与输入式功率分流很相似),一条支流 ② 从行星轮架流出,一条支流 ③ 从太阳轮流出。它其中的一部分 ④,传递去了第一个电机(EM1)并转化为电功率,传递给第二个电机(EM2)。支流 ③ 剩下的另一部分 ⑤ 则继续流向了第二个行星齿轮组。

5ET50 在复合式功率分流模式时的功率流

图4:5ET50 在复合式功率分流模式时的功率流 | 图片@obasic.net

再来观察第二个行星齿轮组:由第一个电机(EM1)传递过来的电功率流,在第二个电机(EM2)上被转换为机械功率流 ⑥,传递给了太阳轮。这部分功率流与上面提到的支流 ⑤ 在输出轴上,即行星轮架上进行了汇集(与输出式功率分流很相似),成为功率流 ⑦。两条功率流 ② 与 ⑦ 之和就是最终变速箱的输出功率。

下面一张图更加直观地展示了这几条功率流的情况。总结来说,在复合式功率分流中,第一个行星齿轮组上发生了输入式功率分流,第二个行星齿轮组上发生了输出式功率分流。回答什么是复合式功率分流,可以用一句话来概括:复合式功率分流其实是输入式和输出式功率分流的结合

5ET50 在复合式功率分流模式时的功率流

图5:5ET50 在复合式功率分流模式时的功率流 | 图片@obasic.net

为什么要使用复合式功率分流?

用了两个行星齿轮组,功率绕来绕去,复合式功率分流比输入式和输出式的系统更加复杂,那么为什么要使用这种方式的分流系统?简单来说,就是降低两个电机上的功率流,以提高驱动系统的整体效率

下面这张图展示了电机(EM1)上的功率与发动机功率的比值(纵轴)随着变速器的传动比(横轴)变化而变化的情况。当变速器的传动比增大时,我们朝着图的右侧移动,直觉上可以理解为车速逐渐降低,汽车从正常行驶变为蠕行。而朝着图的左侧移动时,变速器的传动比降低,可以理解为车速逐渐升高,直至高速行驶。在图的纵向上,当我们处于零线上方的话,电机功率为正,也就是说电机此时在用电,驱动汽车。而图的下半部分对应着电机功率为负,也就是说电机此时发电。

之前一篇中聊到的输入式分流系统中(下图红色线),随着车速的上升,当汽车达到中、高速时(A点左侧),电机上的功率会急速上升。电机和发动机的功率比值迅速超过 1,也就是说这个时候电机的功率比发动机功率更大。这也意味着,为了高速行驶,输入式分流系统里必须安装高功率的电机。高功率也意味着电机的价格高、体积大。当车里已经安装了一台相当功率的发动机后,你不太会想再塞两个大号的电机到车里去。此外,之前我们说过,在 A 点左侧时,输入式功率分流系统中出现无功功率,将大大降低驱动系统的效率。

输入式功率分流(红色)复合式功率分流(蓝色)模式下,电机(EM1)与发动机的功率比

图6:输入式功率分流(红色)复合式功率分流(蓝色)模式下,电机(EM1)与发动机的功率比 | 图片@obasic.net

而在复合式功率分流系统中(上图蓝色线),电机上的功率会出现一个很有意思的现象。当车速到达中、高速,穿过图中的 A 点4时,第一个电机(EM1)上的功率的由负(发电)变正(用电),并在会在较长的一段区域保持在一个很低的水平(在上图中,电机与发动机功率比值为 0.2 以下)。下图是车速处于 A 点和 B 点之间时的功率流图,与图 4 对比,你可以看出,两个电机的功率方向发生了调转。之前由 EM1 发电传送给 EM2,现在变成了 EM2 发电给 EM1 使用。这也是复合式功率分流的一个特点,即两个电机没有绝对的发电机(发电)和电动机(用电)的角色划分,而可以交互作用。

5ET50 在复合式功率分流模式下,处于A与B点之间时的功率流

图7:5ET50 在复合式功率分流模式下,处于A与B点之间时的功率流 | 图片@obasic.net

当我们让车速继续上升,穿过图 6 中的 B 点5时,电机功率又由正(用电)转为负(发电),并在负方向快速上升。

总的来说,电机功率先由负变正,再由正变负的这个长长的弧线,形成了一段电机低功率流区域,这个区域是输入和输出式功率分流系统都没有的。在这个区域行驶时,车辆的效率(即燃油经济性)很高,这也是使用复合式功率分流的初衷。

什么时候使用复合式功率分流?

再看一眼图 6,我们可以看到复合式功率分流的一大缺陷,那就是低车速时,电机上的功率非常高,也意味着系统效率极低。鉴于这个特性,低车速时,没有人会去使用复合式功率分流。这也意味着,当开发一款这样的变速器时,变速器里如果只有复合式分流一个模式是不够的,还必须为低车速驾驶额外配备至少一个其他模式(例如输入式功率分流),这样几个模式结合起来一起用6。这也是为什么带有复合式功率分流模式的变速器都比较复杂的原因。

不过,你如果还记得我在上面说过,“复合式功率分流其实是输入式和输出式功率分流的结合”。这句话的另一层意思是,复合式功率其实包括了输入式和输出式功率分流两套模式,也就是说,当我们把复合式功率分流中的“输出式功率分流”这一部分关掉,只剩下“输入式功率分流”部分的话,我们其实就把复合式分流系统“降级”成了输入式分流系统。这也正是沃蓝达 5ET50 变速箱做的事:当 C1 离合器打开,B1 离合器关闭时,5ET50 中输出式功率分流的那一部分其实被关掉了,此时沃蓝达的行驶模式变成了输入式功率分流。下图是这个时候的功率流,你可以跟上面的图 5 做一个对比。

5ET50 在输入时功率分流模式时的功率流

图8:5ET50 在输入式功率分流模式时的功率流 | 图片@obasic.net

沃蓝达第二代故事的下半篇

这篇开头的地方,我们说了雪弗兰沃蓝达第二代变速箱诞生的故事。其实,这故事还没有结束。

诞生了短短的4年之后,2019年,通用公司突然宣布把研发重点从混动放到电动车去,终止了包括沃蓝达的混动车型。就这样,这一款杰出的变速器就这样迟迟出场,又匆匆退场7。然而,它的技术在业界留下了深深的烙印。直到今天,这款变速器仍然是业界所公认的、为数不多的划时代产品之一。

作为复杂度最高的一款功率分流系统,复合式功率分流的优势和局限性都很明显。如果你希望对复合式功率分流有更进一步的了解的话,我推荐你读读这篇文章《Analysis on compound-split configuration of power-split hybrid electric vehicle》。

注释:

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

  2. 通用汽车公司宣称这是所有可能结构中最好的方案。文章:Conlon, B. M., Blohm, T., Harpster, M., Holmes, A., Palardy, M., Tarnowsky, S., Zhou, L. (2015). The Next Generation “Voltec” Extended Range EV Propulsion System. SAE International Journal of Alternative Powertrains, 4(2), 2015–01–1152–259. http://doi.org/10.4271/2015–01–1152

  3. 5ET50 变速箱的结构:发动机与第一个行星齿轮组的齿圈相连接,且可以被一个单向离合器(OWC)锁死。两个电机分别连接到两个行星齿轮组的太阳轮上。两个行星齿轮组的行星轮架互相连接,并且也与输出链条相连。第一个太阳轮与第二个齿圈之间设有一个离合器 C1,第二个齿圈可以被一个离合器 B1 锁死。

  4. 图 6 中 A 点为复合式功率分流系统的第一个机械点。

  5. 图 6 中 B 点为复合式功率分流系统的第二个机械点。

  6. 与复合式功率分流系统不同,输入时功率分流可以作为变速器唯一的一个模式,它能够单独胜任从低车速到高车速的整个区域。需要注意的是其机械点的设计,避免在正常驾驶中出现无功功率,即避免在图6中A点的左侧行驶。

  7. 雪弗兰沃蓝达第二代的命运,似乎就是它的第一代的重演,这个故事我们在谈输出式分流系统时说过。


5条评论

  1. 李琳先生就功率分流传动的理论和应用所作的科普,深入浅出,非常精彩!
    功率分流传动技术,发端于机械行业近百年来,对高效无级变速器的强烈需求。其实,无级变速不难,难的是要在一个足够大的调速范围内,一直保持足够高的传动效率。
    现有的基础无级变速器,不外乎摩擦、液压、液力、电磁 四大类。每一类都各有优缺点,但一个共同的缺点就是,效率都太低。因此,在上一世纪之初,就有人发明了功率分流无级变速传动技术。其基本意图就是,把无级变速器和一套二自由度齿轮系有机地结合在一起,让整个系统仍然可以无级变速,但一部分机械功率却可由齿轮系传送。希望借此尽量减少无级变速器传递的机械功率,从而使整个系统的效率大大提高。但几十年努力下来,全世界的机械工程师都只取得了同一个效果:即,运用功率分流传动技术,的确可以在个别传动比附近提高这类系统的效率;但无论为这类系统设计怎样的结构,在其最高效率被提高的同时,其高效调速范围却又必然随之收窄。这一结果,与功分传动技术的发明初衷,有不小的距离,其应用前景,也就被大大地打了折扣。当年,这已是行内普遍认同的定论。于是,对这类变速器的研究,就长期停留在两种最简单的系统——“输入分流”和“输出分流”——的层面上了。至于“复合分流”系统嘛,虽然大家都能想的到,却又都觉得未必会有更好的实用价值,何况其功率流的分配规律看起来比前二者更复杂,于是就谁都不想费功夫去深入研究了。
    直到上世纪80年代末,一位变速器行业的门外汉,姓罗,出于手艺人爱鼓捣的天性,一时心血来潮,把业余时间和如何实现高效无级变速的难题铆上了。没想到,门外汉有门外汉的优势,思想上没有行家们既有结论的框框。他没参考任何文献,仅凭还没完全还给老师的一点力学知识,竟然连他自己都感觉意外地,很快就导出了功分变速系统的调速枝功率流,随速比变化的一般关系式;并进而有了几项重要发现:
    (1) 功分变速系统的调速枝功率流,随速比变化的函数,只与系统的功分零点(现亦称为“纯机械点”)有关,而与系统轮系的结构拓扑无关。
    (2) 具有两个非零、有限值的同向功分零点的“复合分流系统”,在其两个功分零点所界定的速比区间内,调速枝功率流有极值;并且,两个功分零点所界定的速比区间越窄,这个极值就越小。
    根据上述发现(1)可知,任何企图通过设计某种新型结构拓扑,来提升功分变速系统的效率的努力,注定会是白费功夫。在功分变速系统的功分零点(纯机械点)确定了以后,最简单、最可靠的结构,就是最佳结构。
    根据上述发现(2)可知,按照合理选定的功分零点(纯机械点)设计的变速系统,可以在其两个功分零点(纯机械点)所界定的速比区间内,使系统的传动效率保持在,由该区间跨度所决定的,某一可能数值之上。
    后来,他将自己的发现发表在了上海交通大学出版的《传动技术》杂志上。[1,外分流传动系统的功率分流零点, 1990年3月(总第8期)及10月(总第9期);2,同向有限值零点外分流传动系统的特点,1991年5月(总第12期)]
    1994年9月,美国汽车工程师协会在密尔沃基(Milwaukee)举行年会(1994 SAE International Off-highway & Powerplant Congress)邀请他去作了题为“Branch Power Zero and a New Type of Power Split Transmission”的报告并发表了941724号SAE文献。报告会主持人(Session Organizer)是Allison的John R.Wiley。所以,最迟在1994年,美国通用公司是应该知道了这些技术发现的。
    李先生在这篇网文末端向读者推荐的文章《Analysis on compound-split configuration of power-split hybrid electric vehicle》,其作者在结论(Conclusion)中宣称:
    “In this study, a systematic methodology of analysis on compound-split configurations was proposed.”似乎不大恰当。因为这个“systematic methodology of analysis on compound-split configurations”不是该文作者首先提出的。但发明人罗先生说:无论如何,他都应该感谢通用公司。因为是通用的5ET50变速器首先将“具有两个非零、有限值的同向功分零点的复合分流系统”引入到了乘用车变速器的产业应用之中,代他实现了他的一个人生梦想。

  2. 5ET50的确是一款优秀的变速器。通用这么早就放弃,太可惜了!
    从文中结构简图即可看出,与有名的丰田普锐斯相比,5ET50稍微复杂了点,但却因为它在中速多设置了一个纯机械点,其中、低速效率,特别是中速效率,应该明显高于普锐斯。这对于需要经常在非高速路行驶的车辆,应是一个不可忽视的优点。
    此外,还可以看到,5ET50在其模式转换点,即上文中的A点,转换模式时,两个电机的转速、受力,甚至内部电流都没有突变。这是许多同类产品没有做到的。

    1. 是的,5ET50 在两个功率分流模式(输入式和复合式)转换时,在图 6 的 A 点处不会发生转速和转矩的突变,也就是说,在 A 点处,变速箱同时处于输入式和复合式分流模式(有点类似于说:变速箱同时处于二档和三档…)。GM 在设计这款变速箱时格外考虑了这个特性,实现了完全的无缝转换,这也是为什么说 5ET50 这么优秀的原因之一。

  3. 李先生太客气了!说什么“受教”哦?不敢当啊!
    先生开放评论,是给了同好者学习新知和彼此交流的平台。我们读者都该先感谢您才对。

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