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。


33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。

  4. 想请教一下,图6是引用哪个参考文献呢?我从文献中查到的通用5ET50 变速箱参数,计算出来的高速情况下的机械点(B点)传动比好像比图中标注的要大。望不吝赐教

    1. 图6用到的数据来自通用的SAE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.”,根据这些数据就可以生成图6了,其中机械点 B 的传动比应处于 0.7 到 0.8 之间的位置。

  5. 再查阅了一下李先生介绍的文献。按照该文披露的结构参数算了算,图6的A、B两个“纯机械点”分别是ia=1.3484 和ib=0.8868。该图横坐标没标示分度单位,显示不是很精确,但也是大致不差,很说明问题的了。
    很高兴李先生的博客有知音关注。就便,在此向行家们再请教个问题。
    请参阅 注释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。”
    我有些想不通。
    沃蓝达第一代的命运不佳,李先生在“功率分流式(Powersplit)混动系统(三):输出式功率分流”一文中谈到,是因为将雪弗兰沃蓝达(一代)与丰田普锐斯对比,前者更费油。
    这个不难解释。因为随着速度的提升,丰田普锐斯的工况点会接近其纯机械点,而沃蓝达(一代)的工况点却会远离其纯机械点,当然,后者高速时的调速枝功率流较大,效率会较低。而乘用车在实际应用中,高速工况占时都较大,沃蓝达(一代)斗不过普锐斯很自然。但配置了5ET50的沃蓝达(二代),由于增设了“纯机械点B”,高速工况的效率已大大改善,油耗不再输给普锐斯了,为啥还是得“匆匆退场”?
    我怀疑,问题出在模式转换点A的处置上。
    理论上,5ET50的速比,可以跨越模式转换点A连续地调变;并且,转换点A本身,也是一个确定的工作速比。因此,如果拖动“静态负载”, 5ET50在点A工作没有问题。但在车辆实际行驶过程中,变速器负载却是不断波动的。这将使车辆在以点A的速比行驶时,图3(右)中的两个离合器(B1,C1)需要不停地离合。但因为在工况点A,这两个离合器任何时都必须至少有一个要为轮系提供约束力矩,这就使得想让B1和C1,敏捷地响应负载的变化实际上行不通。当然,可以人为地降低B1、C1响应负载的操作频率,但这又将使5ET50的负载透明性变大,不利引擎的稳定工作。此外,还可以采取类似AT换挡的策略。即,令从输入分流模式转入复合模式的操作速比小于从复合模式转入输入分流模式的操作速比,并使二者的差别足以使离合频率降到可以接受的程度。但这又将意味着两种模式调速范围的衔接,不再可能是“无缝”的了。当然,这个问题,通用公司应是已解决了的,否则,5ET50也不可能进入实用。但处理的效果,是否令人满意?未见报导。
    5ET50这一难题的产生,关键在于它实行模式轉换时,需要切换提供约束力的元件。但功分传动系统轉换模式还有其他方式。例如,中国专利CN 2013 1 0504504.2 就披露了另一种模式轉换法的功分传动系统。按照该方法设计的系统,轉换模式时,离合都是在无负载、无滑差的状态下进行的。两个离合器是否同时解离或是否同时结合,对变速器轉换时的工作都没有影响。显然,这为系统模式的轉换提供了更为宽松的条件。

    1. 虽然我也认为通用的 5ET50 是一款技术非常出众的变速箱,但是在汽车行业里,在公司战略决策中,技术一般都不是排第一位的因素。上市短短几年后,通用就终止沃蓝达第二代,主要原因是这款车型卖的不好,没有给集团带来足够的收益。17年时从通用内部就已经听到了相关的讨论,最终18年时,集团还是做出了终止的决定。

      从技术上来说确实可惜,行业内任何一家公司能够做出这样一款不错的产品,都会非常珍惜(包括通用的工程团队),但是商业运营不仅包括技术一个方面,很多时候,技术要给财务、营销等其他方面让路。

      1. 对!也很可能是商业决定。
        通用执着地开发输出分流和复合分流型变速器,恐怕还有个重大因素是丰田普锐斯一早把输入分流型的专利地盘霸占了,不得不另行辟地开荒。5ET50到2015年才上市,2017年丰田普锐斯核心专利到期。5ET50本来就铰复杂,成本比普锐斯高一大截,再面对已经赚到爆,免专利费的老牌产品,恐怕真没啥好梦做了。

  6. 您写的关于通用变速箱的文章是我目前读过最好的 我有一个疑问 先生在文中没有写 当c1和b1离合器都闭合的情况是否存在 那将是发动机直驱 em2电机出力发电或者空闲 类似本田immd的直连模式

    1. 感谢支持。
      C1与B1都闭合时,第一个行星齿轮组内太阳轮被锁死(EM1电机也被锁死,无法工作),这个时候发动机确实实现了直驱,同时,EM2电机可实现助力。
      通用在5ET50中确实使用了这个模式,并称其为 “Fixed Ratio Extended Range”,但是这个模式中不含功率分流,可以看成一般的并行混动模式。

  7. 2021年7月购买了别克的微蓝6插混,通过官网信息,该系统与第二代VOLTEC系统相似,但通过这几个月的驾驶和观察,国产化后的混动系统和雪佛兰上的VOLTEC还是有不少差异的。
    最大的差异在于地板油的时候,混动模式选择不一样。
    VOLTEC的各种资料都显示地板油的时候从低速的“Low Extended Range”到中段(时速约70-110)的“Fixed Ratio Extended Range”,再到超过110km/h的“High Extended Range”。其中固定齿比的并联模式存在与很大的速度区间。
    但微蓝6在“普通模式”下大约时速125时才从“Low Extended Range”切换到“Fixed Ratio Extended Range”,直到我测试过的148的最高时速,发动机转速达到4700转,都没有进入“High Extended Range”。此工况可以通过计算变速箱减速比确认。
    而使用车辆“运动模式”时,“Low Extended Range”一直持续到时速135,都未能切换驱动模式,因车速已经很快,我放弃了测试。
    通过SAE的文章,可以查到雪佛兰VOLT在固定齿比模式的减速比是1.54,终传比2.64。但通过计算,微蓝6的固定齿比模式减速比为1.50。这个偏差是不是有可能因为时速表误差导致的。目前我看到的车辆时速表的显示比OBD的显示稍快。
    目前可以知道的是混动系统改变了发动机、两个电机的功率,但标定逻辑没有找到相关数据。
    是不是国产化的时候,泛亚对5ET50进行了重新标定,哪里可以找到重新标定的数据呢。

    1. 别克的微蓝6插电混动是Voltec第二代在中国的版本(见:https://www.autoweek.com/news/green-cars/a1718191/buicks-version-volt-will-live-china-along-lacrosse/):

      “The Velite 6 is actually a reworked the second-generation Volt underneath, which is sold as the Buick Velite 5 in China. The updated, longer and roomier Velite 6, resembling a small station wagon, will still use a 1.5-liter four-cylinder from the second-gen Volt.”

      但是通用对微蓝所做的软硬件调整没有任何公开信息。

  8. 请教 @飞走的云520 先生:
    您有没有注意到VOLTEC变速器,在从低速到高速时的模式转换点,与从高速到低速时的模式转换点,速比是否一致?

        1. 我测试过了,基本还是固定的传动比。具体测试可以在B站搜索“微蓝6插混高速巡航”。我剪了几段测试的视频,包含了速度,发动机转速,发动机负载等情况

  9. 李琳老师,您好,看了您的文章受益匪浅,期间有一处疑问,恳请指教,图4和图5代表的是车辆低速行驶中复合功率分流的运行模式,当EM1用于发电时,前期由齿圈传入1号行星齿轮组的发动机输出功率一部分分给EM1发电后,剩余的发动机输出功率则直接传递至行星架,5号路径由发动机所传导的输出功率(经前太阳轮连接至后齿圈),对此部分所受到的发动机的又一路输出功率不甚了然,该部分理应只受到EM1作为发电机时的负扭矩,所受的正扭矩从何而来?我想通过杠杆列线图的方式分析该工况下发动机输出功率传递时各组件的受力,发现该功率传递模式始终不能成立,当车辆在低速行驶(发动机运行),EM1发电,EM2用电,为了将车速提升,共用行星架的转速必然提升,此时EM1受到反向正扭矩(发电),EM2受到反向负扭矩(用电)?,该系统会允许此种工况出现吗?对此还请老师指点迷津。

    1. 田锐你好,在图4中的第一个行星齿轮组上,发动机的功率被分成了三个支流:
      1) 去往EM1的支流 ④
      2) 从太阳轮(经过C1离合器)去往第二个行星齿轮组齿圈的支流 ⑤
      3) 从齿架去往输出轴的支流 ② (此支流不经过第二个行星齿轮组)

      关于你提到的EM1的发电扭矩的问题我没有完全理解。提示的一点是,EM1(以及 EM2)的转速可能是正向或是负向的,这个此时发动机的转速以及车速(或输出轴转速)相关,根据两个行星轮的转速公式(或是杠杆图)可以算出。当电机转速为正时,发电需要负扭矩,反之需要正扭矩。

      以上答复,希望能有帮助。

      1. 首先万分感谢老师在百忙之中的答疑和解惑,针对图-4的功率流传递,我的疑惑是:
        当发动机将功率传输至1号行星排的齿圈后,根据行星排的特性,发动机的扭矩将会按照固定比例分配至1号行星架和1号太阳轮,分配的前提是1号太阳轮上得有合适的阻力矩与之平衡,否则发动机的工作点(转速和扭矩)将不能固定在同等输出功率的最佳工作线上,按照杠杆列线图所示,当车辆在低速行驶时,1号行星排的齿圈为正向正扭矩输出,1号行星架亦为正向正扭矩输出,而1号太阳轮为反向负扭矩输出,为了将发动机的扭矩按固定比例分配,需给1号太阳轮一个合适的反向正扭矩(发电)用作阻力矩来平衡,平衡后的1号太阳轮连接至2号齿圈的这根共用轴上将无扭矩输出,故没有功率传输。

        1. 我对图4的理解有点不同。
          第一行星齿轮组:齿圈接受正向扭矩(来源为发动机),根据扭矩关系,太阳轮也接受正向扭矩(来源为EM1)。这两者的扭矩和在齿架上汇合并输出(即齿架接受负向扭矩)。

          第二行星齿轮组:齿圈接受正向扭矩(来源也为EM1,即EM1同时驱动 2号齿圈和 1号太阳轮),根据扭矩关系,太阳轮也接受正向扭矩(来源为EM2)。这两者的扭矩和在齿架上汇合并输出(即齿架接受负向扭矩)。

          总的来说,EM1和EM2此时都输出正扭矩,但是EM1转速(即 1号太阳轮和 2号齿圈转速)为负,EM2转速(即 2号太阳轮)为正。

          将以上各个部件的转矩和转速相乘,可以得出它们各自的功率流,例如,1号太阳轮上功率为负(即此时功率从太阳轮流出)。同理可以推导出其他部件上的功率流。

          希望以上解释有所帮助。

          1. 再次感谢老师的悉心指点,是我自己将知识点弄混淆了,经老师点拨,如醍醐灌顶,茅塞顿开。
            老师,我在国内一家Lexus经销店任技术总监,对混合动力变速器的探究尤为痴迷,相较于丰田现今第四代THS那套混动波箱而言,通用的5ET50算的上机械美学的巅峰了!时至今日仍是座不可逾越的丰碑,在为日本和美国的制造业如此发达感到惊叹的同时,也不禁为国内的造车厂商捏了把汗,何时才能造出我们自己的“5ET50”,万众期待!

          2. 麻烦了老师,还想和您再确认一个观点:
            车辆处低速工况行驶,此时C1离合器闭合,EM1充当发电机(反向正扭矩),发动机的输出功率经1号行星齿轮组齿圈后其功率被分为3个部分:分别为:1号行星齿轮组行星架(输出端)、1号行星齿轮组太阳轮(EM1)、1号行星齿轮组太阳轮至2号行星齿轮组齿圈;
            其中,1号行星齿轮组太阳轮(EM1)和1号行星齿轮组太阳轮至2号行星齿轮组齿圈上的两部分输出功率(都为反向正扭矩、负功率),相当于吸收了部分发动机的输出功率,我的问题是:
            当C1离合器闭合时,单单在1号行星齿轮组太阳轮至2号行星齿轮组齿圈的共用轴本身是不是就存在固定的反向正扭矩 ?且当EM1再次介入并用作发电时,经1号行星齿轮组齿圈上的发动机扭矩,按照行星齿轮的固定分配比例,原本分至其太阳轮上的扭矩,被再次进行了分流,即EM1(反向正扭矩,负转速,用作发电,吸收部分发动机功率)和1号行星齿轮组太阳轮至2号行星齿轮组齿圈的共用轴(反向正扭矩,负转速,吸收部分发动机输出功率)。由此最终降低了EM1和EM2两个电机的功率流,提升了驱动系统的整体效率。
            以上观点不知可否正确,有劳老师审核指点。

  10. 再次感谢老师的悉心指点,是我自己将知识点弄混淆了,经老师点拨,如醍醐灌顶,茅塞顿开。
    老师,我在国内一家Lexus经销店任技术总监,对混合动力变速器的探究尤为痴迷,相较于丰田现今第四代THS那套混动波箱而言,通用的5ET50算的上机械美学的巅峰了!时至今日仍是座不可逾越的丰碑,在为日本和美国的制造业如此发达感到惊叹的同时,也不禁为国内的造车厂商捏了把汗,何时才能造出我们自己的“5ET50”,万众期待!

  11. 老师,更正一下,上面的这句言论:“由此最终降低了EM1和EM2两个电机的功率流,提升了驱动系统的整体效率”。不适用于复合式功率分流的中低速工况。中低速工况本就是其软肋,仅适用于高速工况。

    1. 嗯,我同意你的观点,由于1号太阳轮和2号齿圈的连接轴分流了一部分功率(图5中的 ⑤ 号支流),因此,流向 EM1 的功率变小了。

      复合式功率分流很有意思的一点,就是它利用电机干预行星齿轮组的转速,以达到无级调速,但是同时保证这个干预转速的过程所导致的电机功率尽可能低(即 EM1、EM2 功率趋于零),以提高系统效率。

  12. 李琳老师,您好,再次向您请教一个问题:5ET50在进入复合功率分流模式时的功率传递路径及此时发动机的扭矩分配。
    混合动力电池组不介入,进入复合功率分流时,发动机输出功率分为3条路径传输:
    1.通过1号行星齿轮组行星架直接传输至车轮;
    2.通过2号行星齿轮组行星架再次进行功率分流,其中一部分带动EM2发电以供EM1用电,另一部分直接传输至2号行星齿轮组齿圈上;
    以上观点不知是否正确,另该模式下其双排行星齿轮组的发动机扭矩分配是否与THS的如出一辙,即发动机扭矩此时分配至1号行星齿轮组行星架(车轮)、EM2及2号行星齿轮组齿圈上的扭矩是否都为固定分配?
    以上疑惑,望老师点拨。
    感谢老师!

    1. 你好,复合功率分流模式下功率的传递路径可见图5。在功率最终从变速器中输出前(8号节点之前),可以视为有两条支流,即 2 号和 7 号支流。值得注意的是其中的 7 号支流,它为依次经过了输入式分流(在节点 3 → 4 处,即一号齿轮组上)和输出式分流(在节点 6 → 7 处,即二号齿轮组上)的最终功率支流。

      关于你提到的发动机扭矩分配,5ET50的模式与THS不同(更多),即使在相同的模式相比,即强制让 5ET50 也工作在输入时功率分流模式,再跟 THS 相比,两者的扭矩分配也不一样。其原因是两者的机械连接结构不一样,即行星齿轮组各个轴之间的连接不一样。

      1. 老师,相比中高速工况下的复合功率分流的电机功率占比发动机功率较低外,其原本的低速工况下的复合功率分流更为巧妙,即便功率循环不可避免,但其机械精妙程度足以让人拍案叫绝(原理就不赘述了),不禁要为通用工程师的天才脑洞叹为观止。

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