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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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