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功率分流式（Powersplit）混動(dòng)系統(tǒng)：輸入式功率分流

2020-02-18 22:53:06·  來(lái)源：EDC電驅(qū)未來(lái)  
　
雖然形式不同，但各個(gè)功率分流系統(tǒng)做的事都是把發(fā)動(dòng)機(jī)的功率分為兩個(gè)支流，分別傳輸?shù)杰囕喩向?qū)動(dòng)汽車。這兩個(gè)支流分別是機(jī)械功率流和電功率流。你可能會(huì)問(wèn)，發(fā)動(dòng)
雖然形式不同，但各個(gè)功率分流系統(tǒng)做的事都是把發(fā)動(dòng)機(jī)的功率分為兩個(gè)支流，分別傳輸?shù)杰囕喩向?qū)動(dòng)汽車。這兩個(gè)支流分別是機(jī)械功率流和電功率流。你可能會(huì)問(wèn)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率為機(jī)械功率，為什么要多費(fèi)勁把其中一部分變成電功率傳輸？上物理課時(shí)我們就學(xué)習(xí)了，把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，之后再轉(zhuǎn)換成機(jī)械能時(shí)必然有能量損失。就是說(shuō)，我們把發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分功率轉(zhuǎn)為電功率傳輸，白白降低了這一部分功率的傳輸效率。以上的考慮都很對(duì)，但是，功率分流系統(tǒng)很重要的一點(diǎn)就是，局部來(lái)看，一部分功率傳遞的效率變低，但是全局來(lái)看，混動(dòng)系統(tǒng)的總體效率卻提高了。
 
今天我們來(lái)看一看第一種功率分流系統(tǒng)：輸入式功率分流系統(tǒng)，同時(shí)拿它來(lái)說(shuō)一說(shuō)為什么局部效率的降低導(dǎo)致了全局效率的提高。希望你看完這一篇文章，能有更好的理解。
 
輸入式功率分流的定義
 
最早的功率分流系統(tǒng)由Thompson Ramo Wooldridge Inc.（TRW）公司于1960年代研發(fā)；今天，全球銷量最多的混動(dòng)系統(tǒng)是豐田的普銳斯。這兩個(gè)功率分流系統(tǒng)共同的地方，就是他們都屬于輸入式功率分流。
那么，什么是輸入式功率分流系統(tǒng)？回答這個(gè)問(wèn)題前，我們最好來(lái)看看最直觀的輸入式功率分流系統(tǒng)實(shí)例。
圖2: 豐田普銳斯功率分流混動(dòng)系統(tǒng) | 圖片@WikiWand
上面這張照片展示的是豐田的早期混動(dòng)系統(tǒng)或是說(shuō)混動(dòng)變速器，用在包括普銳斯第一、二代等多種車型中。照片里，你可以注意到它標(biāo)出了這個(gè)混動(dòng)系統(tǒng)四個(gè)關(guān)鍵部件：發(fā)動(dòng)機(jī)（engine）、發(fā)電機(jī)（generator）、電動(dòng)機(jī)（motor）以及功率分流機(jī)構(gòu)（power split device，位置處于發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間）。其中，發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)及功率分流機(jī)構(gòu)共同組成了混動(dòng)變速器，安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出端。豐田所稱的功率分流機(jī)構(gòu)，說(shuō)到底，無(wú)非就是一個(gè)行星齒輪組，包含太陽(yáng)輪、行星輪和齒圈。簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，豐田這個(gè)混動(dòng)系統(tǒng)就由這四個(gè)部件（發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)及行星齒輪組）組成，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。為了更加明了，我這里把系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用下面的簡(jiǎn)圖表示。
圖3: 豐田普銳斯功率分流混動(dòng)系統(tǒng)原理圖 
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)分別連接在行星齒輪組的三個(gè)軸上。（如果你對(duì)詳細(xì)結(jié)構(gòu)感興趣，可以猛擊這里）。上圖的右側(cè)顯示行星齒輪組正面的樣子：四個(gè)行星輪圍繞著一個(gè)太陽(yáng)輪，同時(shí)被齒圈包圍住，四個(gè)行星輪同時(shí)被一個(gè)齒圈支撐著。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電可以傳輸至電動(dòng)機(jī)上（藍(lán)色虛線）。
弄清楚什么是輸入式功率分流，很重要的一點(diǎn)是弄清變速器的輸入軸和輸出軸，以及功率分流是在哪個(gè)軸上發(fā)生的。豐田混動(dòng)系統(tǒng)中，變速器的輸入軸為發(fā)動(dòng)機(jī)至齒架的軸（圖中標(biāo)出）。另一方面，變速器的輸出軸為電動(dòng)機(jī)所在的軸，這跟軸同時(shí)連接著行星齒輪組的齒圈（圖中標(biāo)出）。
圖4: 豐田普銳斯功率分流混動(dòng)系統(tǒng)功率流 
如上圖，普銳斯在行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸送到變速器的功率（圖中粗的紅色功率流）在齒架上（圖中①）被一分為二。第一部分功率向上繼續(xù)流動(dòng)到齒圈，然后向右流動(dòng)到變速器的出口處。第二部分功率向下流動(dòng)，由太陽(yáng)輪進(jìn)入到發(fā)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)其發(fā)電（圖中②）。這部分產(chǎn)生的電功率繼續(xù)傳輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)上。電動(dòng)機(jī)將電能再次轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率，輸出到輸出軸上（圖中③）。最終，兩部分功率在變速器的出口處匯合（圖中④），由輸出鏈條傳輸至車輪上。
總結(jié)來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率在行星齒輪組的齒架上被分為兩個(gè)部分，并分別以機(jī)械、電的形式傳輸至變速器出口，并在此重新匯合。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的功率在變速器的輸入端（即齒架）被分流，因此這個(gè)系統(tǒng)被稱為輸入式功率分流。由此，我們可以定義一下什么樣的系統(tǒng)屬于輸入式功率分流：
發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)連接到行星齒輪組的兩個(gè)不同的軸上；
行星齒輪組的第三根軸（我們叫它輸出軸）與變速器的輸出端相連；
電動(dòng)機(jī)與輸出軸直接相連。
以上的定義可以用一張簡(jiǎn)圖直觀的表示出來(lái)：
圖5: 輸入式功率分流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義 
說(shuō)了這么多，我們會(huì)問(wèn)，為什么要用輸入式功率分流系統(tǒng)？發(fā)動(dòng)機(jī)在全面電氣化的今天仍然是車?yán)锏睦洗蟆Ｗ兯倨鞯囊淮笕蝿?wù)就是讓發(fā)動(dòng)機(jī)———這個(gè)車?yán)锏睦洗?mdash;——在最有效的工作區(qū)域運(yùn)行。輸入式功率分流系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)的功率劃分成兩個(gè)部分：機(jī)械部分與電力部分。兩個(gè)部分的總和始終為100%，但通過(guò)控制，其各自的份額可增可減。我們來(lái)看看兩個(gè)最極端的也非常有意思情況。
 
極端情況一：串聯(lián)式混動(dòng)
 
設(shè)想，我們現(xiàn)在在城市駕駛，不巧的是，現(xiàn)在是車流高峰，車速差不多就 10 km/h。這個(gè)時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都非常低，發(fā)動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)的效率極低，油耗極高。
不過(guò)，如果我們現(xiàn)在讓發(fā)動(dòng)機(jī)的功率全部由第一條支流傳輸，即發(fā)動(dòng)機(jī)100%的功率都傳輸給發(fā)電機(jī)，并在發(fā)電機(jī)上轉(zhuǎn)化為電功率，之后傳輸給電動(dòng)機(jī)再次轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率，由其驅(qū)動(dòng)汽車。這時(shí)候有意思的事情發(fā)生了：發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與車速完全不掛鉤，例如汽車以10 km/h的速度行駛時(shí)，我們可以讓發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在任意一個(gè)轉(zhuǎn)速上，例如 1000 1/min、3000 1/min或是 6000 1/min。此時(shí)，整個(gè)混動(dòng)系統(tǒng)其實(shí)已經(jīng)變成了所謂的串聯(lián)式混動(dòng)系統(tǒng)。車內(nèi)的控制策略此時(shí)挑選出效率最高的工作點(diǎn)，讓發(fā)動(dòng)機(jī)在這里運(yùn)轉(zhuǎn)，只負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，而汽車完全由電動(dòng)機(jī)電力驅(qū)動(dòng)。
 
所以，即使由于能量轉(zhuǎn)換（機(jī)械能-電能-機(jī)械能）損失，雖然電功率支流在傳輸時(shí)的效率不高，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)可以調(diào)整到效率非常高的區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體的效率提高了。也就是說(shuō)，犧牲局部效率，提高全局效率。
業(yè)界習(xí)慣用下圖的A點(diǎn)描述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)此時(shí)的工況。圖中A點(diǎn)的值（高度）代表著此時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)電功率與發(fā)動(dòng)機(jī)功率的比值。在A點(diǎn)時(shí)，由于發(fā)電機(jī)把100%的功率都轉(zhuǎn)化成了電功率，因此，A點(diǎn)的值為1。
圖6: 輸入式功率分流系統(tǒng)中，在A和B情況下電動(dòng)機(jī)功率與發(fā)動(dòng)機(jī)功率的比值 
 
極端情況二：傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
 
設(shè)想現(xiàn)在我們開(kāi)出了城市，上了高速，車速大概在 120 km/h左右。這個(gè)時(shí)候，我們控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得它降為零，即此時(shí)發(fā)電機(jī)不發(fā)電。此時(shí)，第一條支流消失，發(fā)動(dòng)機(jī)功率完全由第二條支流，即100%機(jī)械形式傳輸至輸出軸。因此，我們此時(shí)來(lái)到了圖中的B點(diǎn)，發(fā)電機(jī)功率與發(fā)動(dòng)機(jī)功率的比值為零。在B點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，汽車就跟傳統(tǒng)汽車一樣，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與汽車車速直接掛鉤。汽車加速，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速則升高；汽車減速，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速則降低。
你會(huì)問(wèn)這個(gè)時(shí)候問(wèn)什么不讓一部分功率轉(zhuǎn)換成電功率傳輸？因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)已經(jīng)在效率極高的區(qū)域了，進(jìn)一步提升的空間很小。如果還讓一部分功率進(jìn)行“機(jī)械-電-機(jī)械”的轉(zhuǎn)換，發(fā)動(dòng)機(jī)效率的提升還抵不上能量轉(zhuǎn)換時(shí)的損失，可以說(shuō)得不償失。所以，這個(gè)時(shí)候，我們寧愿讓發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)汽車，不用電功率支流。
 
簡(jiǎn)短的總結(jié)
 
總結(jié)來(lái)說(shuō)，當(dāng)車速偏低時(shí)（A點(diǎn)），為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)的效率過(guò)低，變速器選用電力方式傳輸功率，并同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)與車輪“分開(kāi)”。發(fā)動(dòng)機(jī)此時(shí)可以隨意選擇工作點(diǎn)至高效率區(qū)域，以犧牲局部效率的方法，提高全局效率，減少油耗。當(dāng)車速升高至一定程度時(shí)（B點(diǎn)），發(fā)動(dòng)機(jī)的效率已經(jīng)達(dá)到很高的水平，此時(shí)我們讓發(fā)動(dòng)機(jī)與車輪“機(jī)械相連”，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率完全用機(jī)械形式進(jìn)行傳輸。
 
一般開(kāi)車時(shí)，汽車運(yùn)行在A點(diǎn)與B點(diǎn)之間，這個(gè)時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率同時(shí)由電和機(jī)械兩種形式進(jìn)行傳輸。越靠近A點(diǎn)，則電比機(jī)械功率多；越靠近B點(diǎn)，則機(jī)械比電功率多。車內(nèi)的控制策略會(huì)調(diào)節(jié)兩者的多少，可以使得發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)前情況對(duì)應(yīng)的最佳工作點(diǎn)上運(yùn)轉(zhuǎn)，以達(dá)到最佳油耗。
 
看到這里，如果你納悶汽車在B點(diǎn)的左側(cè)時(shí)在干嘛，那么你問(wèn)了一個(gè)很好的問(wèn)題。這里功率分流系統(tǒng)里發(fā)生的情況變得復(fù)雜，我這里不詳述了，如果你還是有興趣請(qǐng)分享一下文章吧。
 
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