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功率分流式(Powersplit)混动系统:输入式功率分流

2020-02-18 22:53:06·  来源:EDC电驱未来  
 
虽然形式不同,但各个功率分流系统做的事都是把发动机的功率分为两个支流,分别传输到车轮上驱动汽车。这两个支流分别是机械功率流和电功率流。你可能会问,发动
虽然形式不同,但各个功率分流系统做的事都是把发动机的功率分为两个支流,分别传输到车轮上驱动汽车。这两个支流分别是机械功率流和电功率流。你可能会问,发动机输出的功率为机械功率,为什么要多费劲把其中一部分变成电功率传输?上物理课时我们就学习了,把机械能转换为电能,之后再转换成机械能时必然有能量损失。就是说,我们把发动机的一部分功率转为电功率传输,白白降低了这一部分功率的传输效率。以上的考虑都很对,但是,功率分流系统很重要的一点就是,局部来看,一部分功率传递的效率变低,但是全局来看,混动系统的总体效率却提高了。
 
今天我们来看一看第一种功率分流系统:输入式功率分流系统,同时拿它来说一说为什么局部效率的降低导致了全局效率的提高。希望你看完这一篇文章,能有更好的理解。
 
输入式功率分流的定义
 
最早的功率分流系统由Thompson Ramo Wooldridge Inc.(TRW)公司于1960年代研发;今天,全球销量最多的混动系统是丰田的普锐斯。这两个功率分流系统共同的地方,就是他们都属于输入式功率分流。
那么,什么是输入式功率分流系统?回答这个问题前,我们最好来看看最直观的输入式功率分流系统实例。
图2: 丰田普锐斯功率分流混动系统 | 图片@WikiWand
上面这张照片展示的是丰田的早期混动系统或是说混动变速器,用在包括普锐斯第一、二代等多种车型中。照片里,你可以注意到它标出了这个混动系统四个关键部件:发动机(engine)、发电机(generator)、电动机(motor)以及功率分流机构(power split device,位置处于发电机和电动机之间)。其中,发电机、电动机及功率分流机构共同组成了混动变速器,安装在发动机的输出端。丰田所称的功率分流机构,说到底,无非就是一个行星齿轮组,包含太阳轮、行星轮和齿圈。简单的来说,丰田这个混动系统就由这四个部件(发动机、发电机、电动机及行星齿轮组)组成,结构非常简单。为了更加明了,我这里把系统结构用下面的简图表示。
图3: 丰田普锐斯功率分流混动系统原理图 
简单来说,发动机、发电机和电动机分别连接在行星齿轮组的三个轴上。(如果你对详细结构感兴趣,可以猛击这里)。上图的右侧显示行星齿轮组正面的样子:四个行星轮围绕着一个太阳轮,同时被齿圈包围住,四个行星轮同时被一个齿圈支撑着。发电机产生的电可以传输至电动机上(蓝色虚线)。
弄清楚什么是输入式功率分流,很重要的一点是弄清变速器的输入轴和输出轴,以及功率分流是在哪个轴上发生的。丰田混动系统中,变速器的输入轴为发动机至齿架的轴(图中标出)。另一方面,变速器的输出轴为电动机所在的轴,这跟轴同时连接着行星齿轮组的齿圈(图中标出)。
图4: 丰田普锐斯功率分流混动系统功率流 
如上图,普锐斯在行驶时,发动机输送到变速器的功率(图中粗的红色功率流)在齿架上(图中①)被一分为二。第一部分功率向上继续流动到齿圈,然后向右流动到变速器的出口处。第二部分功率向下流动,由太阳轮进入到发电机,驱动其发电(图中②)。这部分产生的电功率继续传输到电动机上。电动机将电能再次转化为机械功率,输出到输出轴上(图中③)。最终,两部分功率在变速器的出口处汇合(图中④),由输出链条传输至车轮上。
总结来说,发动机的功率在行星齿轮组的齿架上被分为两个部分,并分别以机械、电的形式传输至变速器出口,并在此重新汇合。由于发动机的功率在变速器的输入端(即齿架)被分流,因此这个系统被称为输入式功率分流。由此,我们可以定义一下什么样的系统属于输入式功率分流:
发动机及发电机连接到行星齿轮组的两个不同的轴上;
行星齿轮组的第三根轴(我们叫它输出轴)与变速器的输出端相连;
电动机与输出轴直接相连。
以上的定义可以用一张简图直观的表示出来:
图5: 输入式功率分流系统结构定义 
说了这么多,我们会问,为什么要用输入式功率分流系统?发动机在全面电气化的今天仍然是车里的老大。变速器的一大任务就是让发动机———这个车里的老大———在最有效的工作区域运行。输入式功率分流系统将发动机的功率划分成两个部分:机械部分与电力部分。两个部分的总和始终为100%,但通过控制,其各自的份额可增可减。我们来看看两个最极端的也非常有意思情况。
 
极端情况一:串联式混动
 
设想,我们现在在城市驾驶,不巧的是,现在是车流高峰,车速差不多就 10 km/h。这个时候,发动机的转速和转矩都非常低,发动机工作点的效率极低,油耗极高。
不过,如果我们现在让发动机的功率全部由第一条支流传输,即发动机100%的功率都传输给发电机,并在发电机上转化为电功率,之后传输给电动机再次转化为机械功率,由其驱动汽车。这时候有意思的事情发生了:发动机的转速与车速完全不挂钩,例如汽车以10 km/h的速度行驶时,我们可以让发动机运行在任意一个转速上,例如 1000 1/min、3000 1/min或是 6000 1/min。此时,整个混动系统其实已经变成了所谓的串联式混动系统。车内的控制策略此时挑选出效率最高的工作点,让发动机在这里运转,只负责驱动发电机,而汽车完全由电动机电力驱动。
 
所以,即使由于能量转换(机械能-电能-机械能)损失,虽然电功率支流在传输时的效率不高,但是由于发动机可以调整到效率非常高的区域运转,因此,驱动系统整体的效率提高了。也就是说,牺牲局部效率,提高全局效率。
业界习惯用下图的A点描述驱动系统此时的工况。图中A点的值(高度)代表着此时发电机发电功率与发动机功率的比值。在A点时,由于发电机把100%的功率都转化成了电功率,因此,A点的值为1。
图6: 输入式功率分流系统中,在A和B情况下电动机功率与发动机功率的比值 
 
极端情况二:传统驱动系统
 
设想现在我们开出了城市,上了高速,车速大概在 120 km/h左右。这个时候,我们控制发电机转速,使得它降为零,即此时发电机不发电。此时,第一条支流消失,发动机功率完全由第二条支流,即100%机械形式传输至输出轴。因此,我们此时来到了图中的B点,发电机功率与发动机功率的比值为零。在B点运行时,汽车就跟传统汽车一样,发动机的转速与汽车车速直接挂钩。汽车加速,发动机的转速则升高;汽车减速,发动机的转速则降低。
你会问这个时候问什么不让一部分功率转换成电功率传输?因为这个时候发动机的工作点已经在效率极高的区域了,进一步提升的空间很小。如果还让一部分功率进行“机械-电-机械”的转换,发动机效率的提升还抵不上能量转换时的损失,可以说得不偿失。所以,这个时候,我们宁愿让发动机直接驱动汽车,不用电功率支流。
 
简短的总结
 
总结来说,当车速偏低时(A点),为了防止发动机的效率过低,变速器选用电力方式传输功率,并同时将发动机与车轮“分开”。发动机此时可以随意选择工作点至高效率区域,以牺牲局部效率的方法,提高全局效率,减少油耗。当车速升高至一定程度时(B点),发动机的效率已经达到很高的水平,此时我们让发动机与车轮“机械相连”,发动机的功率完全用机械形式进行传输。
 
一般开车时,汽车运行在A点与B点之间,这个时候,发动机的功率同时由电和机械两种形式进行传输。越靠近A点,则电比机械功率多;越靠近B点,则机械比电功率多。车内的控制策略会调节两者的多少,可以使得发动机在当前情况对应的最佳工作点上运转,以达到最佳油耗。
 
看到这里,如果你纳闷汽车在B点的左侧时在干嘛,那么你问了一个很好的问题。这里功率分流系统里发生的情况变得复杂,我这里不详述了,如果你还是有兴趣请分享一下文章吧。
 
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