此前我们以『增程』这个概念为引,浅谈了「串联式」混动结构的特点以及应用,本期我们延续上期的车型,解读一下「功率(动力)分流」(后统称「功率分流」)。

「功率分流」:机械功率与电功率的『圈圈圆圆圈圈』

在上一期分析「增程式电动汽车」的来源及技术原理的过程中,介绍了「通用VOLTEC混动系统」(第二代)的基本工作原理,其中有一种叫「高增程模式」,在该模式下,「发动机」发出「功率」的流向十分的复杂:

通用VOLTEC混动系统(第二代)中变速器高增程模式功率流分析

机械功率流:「发动机」的功率通过「行星齿轮组1」的「行星齿轮盘」,传动到达「输出轴」(上图 ①流向);「发动机」的功率通过「行星齿轮组1」的「太阳齿轮」到达「行        星齿轮组2」的「外齿圈」再通过「行星齿轮组2」的「行星齿轮盘」汇总到「输出轴」(上图  ②流向);

电功率流:「发动机」的功率通过「电机A」发出的电能输送给「电池」或「电机B」,得到电能的「电机B」产生的驱动力矩,通过「行星齿轮组2」的「行星齿轮盘」传送给「输出轴」(上图 ③流向);当然,「发动机」的功率还可以通过「行星齿轮组1」的「太阳齿轮」到达「行星齿轮组2」的「外齿圈」对「电机B」进行功率调节。


这种将「发动机」产生的「功率」进行分流的混动结构又被称为「功率分流」(Power Split,简称PS),同时也是最常见的一种「混联式」。而我们包括我们此前提到的「丰田THS混动系统」中的「E-CVT」以及「通用VOLTEC混动系统(第二代)」中的「混动变速器」属于「功率分流」,只是它们之间又存在一定的区别,接下来我们就由浅入深地来聊聊各种「功率分流」。

「输入式功率分流」:丰田THS混动系统

丰田E-CVT变速器(第一代)结构示意图 

「丰田THS混动系统」作为最早的一批量产「功率分流」的混动系统,通过其独有专利的「E-CVT变速器」将「功率分流」这一混动派系彻底带火了。而其「功率分流」的逻辑也相对比较简单。比如在搭载「E-CVT变速器」的车辆行驶时,「发动机」所发出的「功率」在「行星齿轮盘」上会被一分为二:

一股「功率流」通过「行星齿轮盘」到「行星齿轮」到「外齿圈」,向着「输出轴」流去;

一股「功率流」则通过「行星齿轮盘」到「太阳齿轮」带动「P1电机」进行发电,电能传输到「P3电机」上进行「机械能」的转换,最终也汇合到「输出轴」。

所以其分流原理是:「发动机」的「功率」在输入端的「行星齿轮」上就被分为两个部分,这种「功率」在「输入轴」(或输入端)被分流系统被称为「输入式功率分流」。而其特点是:

1. 「发动机」及「发电机」连接到「行星齿轮组」的两根不同的轴上;

2. 「行星齿轮组」的「外齿圈」与「输出轴」相连;

3. 「P3电机」与「变速器」的输出端直接相连。

「输出式功率分流」:通用VOLTEC混动系统(第一代)

通过一排「行星齿轮组」所实现的混动效果确实做到了『花小钱办大事』,所以丰田便为以上提到的这种「功率分流」的技术申请了专利。通用汽车的工程师一看,这还得了!

搭载4ET50混动变速器的雪佛兰Volt(2011)

故此,通用汽车为了绕过丰田的专利,同样研发出了一套基于一排「行星齿轮组」的「混动变速器」,该「变速器」内部代号为4ET50,也就是第一代「通用VOLTEC混动系统」(powertrain混动系统)。

通用4ET50混动变速器(2010)示意图

与丰田的「E-CVT变速器」相似,同样一排「行星齿轮组」、两个「电机」,不过在连接上有了一些不同,首先「发动机」与「P1电机」直接相连,「输出轴」接在了「行星齿轮盘」,「P3电机」与「太阳齿轮」连接,接下来让我们看看它的分流与丰田的「E-CVT变速器」有何不同。

第一股「发动机」产生的「功率」通过「P1电机」调整从「外齿圈」进入「行星齿轮」,通过「行星齿轮盘」(「输出轴」)流出「变速器」;

第二股「发动机」产生的「功率」带动「P1电机」产生「电功率」传递至「P3电机」,然后通过「太阳齿轮」传递给「行星齿轮盘」(「输出轴」)流出「变速器」。

汇总其分流原理则是,「发动机」和「电机」的两部分「功率」在到输出端的「行星齿轮盘」(「输出轴」)汇合,这种将「功率」在「输出轴」合流系统被称为「输出式功率分流」。其特点是:

1. 「发动机」与「P1电机」刚性连接,且作为「增程器」与「行星齿轮组」的一根轴刚性连接;

2. 「行星齿轮组」的第二根轴连接着「P3电机」;

3. 「行星齿轮组」的第三根轴作为「输出轴」。

4. 「输入式」与「输出式」功率分流的区别

输入式与输出式功率分流的区别

通过对比图大家就会发现,两种「功率分流」虽然在基本结构和基本组件非常相似,但最大的区别就是「发动机」以及「电机」连接「行星齿轮组」的逻辑,「输入式」的逻辑是将「发动机」的「功率」在进入「变速器」后就进行分流,而「输出式」的逻辑则是将分散在「变速器」内部的「功率」最后进行合流。

输出式功率分流会遇到的尴尬

不过相比「输入式」,「输出式」分流逻辑上有着一种比较尴尬的情况,那便是在汽车低速行驶时,由于「发动机」与「P1电机」刚性连接,所以此时「P1电机」在某种意义上正在驱动汽车,而「P3电机」被带着转动产生「电功率」方向回到了「P1电机」所在的「输入轴」,于是问题就发生了,这股「电功率」所要转换的「机械功率」与原本「P1电机」产生的「机械功率」并不同向,也就是说由「P3电机」产生的「电功率」是一股「无功功率」。简单来说就是「P1电机」与「P3电机」叫上劲儿了。

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内部代号5ET50的混动变速器

当然啦,这种尴尬的情况是可以通过加入「离合器」来解决的,不过我们这里不展开,因为通用的混动工程师决定用两排「行星齿轮组」彻底地完善他们对「功率分流」的伟大理想,这也就是之前我们提到的第二代「通用VOLTEC混动系统」,内部代号5ET50的「混动变速器」。

「复合式功率分流」:「通用VOLTEC混动系统」(第二代)

内部代号5ET50的混动变速器简化示意图

了当我们省去「单向离合器」和「C1离合器」后,来分析一下通用这款「混动变速器」的分流原理,我们把关注点放在两组「行星齿轮组」上。

「行星齿轮组1」:输入式功率分流

在第一组「行星齿轮组」上,我们可以看到3条「功率流」:

「发动机」的「功率」可以通过「输入轴」进入「变速器」,走「外齿圈」至「行星齿轮盘」分流后直接流向「输出轴」;

「发动机」的「功率」可以通过「输入轴」进入「变速器」,走「行星齿轮组1」的「外齿圈」,至经「行星齿轮盘」分流至「太阳齿轮」,再经过「离合器」将「功率」继续传导到「行星齿轮组2」的「外齿圈」,「机械功率流」仍在「变速器」内部;

「发动机」的「功率」可以通过「输入轴」进入「变速器」,走「外齿圈」分流后走「太阳齿轮」至「P1电机」发电,电能带动「P3电机」,「电功率流」仍在「变速器」内部;

若是将分流的原理进行再次简化,我们就会发现,「发动机」的「功率」在连接着「输入轴」的「行星齿轮盘」(「行星齿轮组1」)上被分流,这与丰田的「E-CVT变速器」的逻辑相仿,属于「输入式功率分流」。

「行星齿轮组2」:输出式功率分流

「行星齿轮组1」有两股「功率流」仍在「变速器」内,最终的去向就要在「行星齿轮组2」上继续追寻:

我们先从「P3电机」入手,从「P1电机」来的「电功率」带动「P3电机」转动,「功率」从「行星齿轮组2」的「太阳齿轮」进入,走「行星齿轮盘」最终流向「输出轴」;

在看来自「离合器」的「机械功率流」,它经「行星齿轮组2」的「外齿圈」到达「行星齿轮盘」,直接流向「输出轴」。

将将分流的原理进行再次简化后,可以看出两股「功率流」在连接着「输入轴」的「行星齿轮盘」(「行星齿轮组2」)上汇合,最终通过「输出轴」流出「变速器」,这恰恰又是一种「输出式功率分流」。

而当我们将整个「混动变速器」内的「功率流」整合梳理后,我们便会发现,在「行星齿轮组1」的「行星齿轮盘」上进行分流,而在「行星齿轮组2」的「行星齿轮盘」上进行了合流,前段「输入式」后段「输出式」,着实是复杂之极,而这种复杂的「功率分流」又被称为「复合式功率分流」。

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经典的复合式功率分流示意图(动图)

至于为什么要用那么复杂的「混动变速器」,那展开就是一本书了,这里先给到一个结论:「复合式功率分流」可使得「电机」有很长的一段低功率流区域,在这个区域行驶时,车辆的效率(即燃油经济性)很高,而这段区域是单一的「功率分流」无法达到的。有机会,我们会展开叙述。

越过山丘,才发现还有高山在等候

有时你不得不承认,丰田真把「功率分流变速器」(Power Split Device,简称PSD)玩出了实际效果,「丰田THS混动系统」确实达到了省油的效果。不过『山外有山,人外人』,通用汽车则是在「PSD」的研究上达到了巅峰造极的程度,其复杂程度并非几千字可以概述的。

三类功率分流的节本说明示意图

最后,我想感叹一下,为了绘制上一期的内容,足足花费了我一周的时间,原以为最难绘制的一期结束了。没想到,这期为了浅谈一下「功率分流」原理,制图直接用了两周,所以歌词里都是骗人的,现实永远是『越过山丘,才发现还有高山在等候』。好了,调侃结束,我们下期再见~~