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功率分流（Powersplit）混动系统，通用和丰田混动技术详细对比

1 19 发布于 2021-03-09 19:49:48 只看楼主修改帖子

前言

本文引用自：obasic.net 功率分流式（Powersplit）混动系统，作者李琳先生

我不是知识的创造者，我只是知识的搬运工。

文章详细的介绍了功率分流式混动技术的前世今生，详细介绍了通用的混动技术，给买微蓝6的小伙伴一个深入了解自己爱车技术细节的机会。

正文

在汽车界，提到功率分流式混动系统，第一想到的自然是丰田普锐斯。普锐斯系统对于汽车业界的意义可以与iPhone对手机业界的影响相媲美。普锐斯（1997年问世）和iPhone（2007年问世）的设计方案从发布以来不曾改变，可以说是从一开始就达到了完美。正是丰田，正是普锐斯，让功率分流系统在全球汽车业界达到今天的位置。

功率分流系统正如其名，就是将发动机功率分成几个支流，分别传输到车轮上。我们就要问了，怎么实现分流？这个，这就是变速器的任务了。变速器在功率分流系统中担当着核心的作用，按照变速器结构的不同，功率分流系统又可以分成输入式、输出式和复合式几种不同的形式。各个系统都有各自有意思的地方。

今天的第一篇中，暂不去讨论那些技术上的细节，我想聊聊功率分流式系统的故事。

来看看最早的功率分流系统

虽然说丰田普锐斯在今天最为出名，但是最早的功率分流系统应该归功于 Thompson Ramo Wooldridge Inc.（TRW）公司。1960年代，在阿波罗登月的时期，TRW的工程师研制出了第一款今天意义上的功率分流驱动系统。整个系统中包括一个发动机、两个电机和一个行星齿轮组。其中，一个电机用来调节发动机的转速，另一个电机用来对汽车的驱动扭矩进行调节。TRW系统在系统结构上与今天的丰田普锐斯系统稍稍有不同，但原理一摸一样。

图1：TRW公司研发的功率分流系统专利图

今天，我们仍可以查到当时TRW公司申报的专利。可惜的是，60年代的时候，连阿波罗登月飞船上的计算机都没法做大规模快速运算，更别说真正意义上的车内用ECU了。那时候，驱动系统所有的控制都只能由机械或油压控制实现。发动机、电机的精密协同控制可以说是天方夜谭，因此，TRW的这个系统也只能束之高阁。

美国的PNGV组织

时间飞跃，1993年，美国政府建立 Partnership for a New Generation of Vehicles 组织，简称PNGV。美国政府在该组织内依托其三大整车厂：通用（General Motors）、福特（Ford）及克莱斯勒（Chrysler），希望研发一款油耗为80 mpg（换算为百公里2.9升）的汽车。

图2：美国政府建立的PNGV组织包括通用、福特及克莱斯勒三大车厂 | 图片@GM、Ford、Chrysler

考虑到2017年的今天，最新丰田普锐斯的油耗为56 mpg（换算为百公里4.2升），1993年美国政府的这个目标绝对算是“伟大”。在这个时期，通用重新拾起TRW公司1960年代的点子，即功率分流系统，并于1995年时为自己的功率分流系统申请了专利。然而，这个系统在通用公司仅昙花一现，并没有进入量产。在PNGV的组织下，通用公司确实研发出了一款油耗为80 mpg的汽车（见下图），然而，其驱动系统采取了完全另外一种混合动力模式。

图3：通用公司2000年发布的Precept概念车型，油耗为80 mpg | 图片@GM

需要提一句的是，美国政府最初为PNGV组织设立的目标是，在2003年时将研发出的新型汽车投入量产、推向市场。然而，十年的时间过去，投入了大笔资金后，三大车厂都完成了自己的概念车型，但无一车型真正投入市场。

终于轮到丰田出场

图4：丰田于1995年在东京车展上向外展示的普锐斯概念车型 | 图片@Toyota

说了这么多，居然还没有看到丰田的影子。也许你已经注意到，1993年美国政府组织的PNGV中，没有出现丰田的名字。90年代时，丰田在美国市场已经打下了半边天，然而，美国政府为促进本国汽车企业的发展，坚决把日本的丰田排除在了PNGV之外。

也许是出于对美国政府与三大车厂秘密项目的担心，丰田在公司内部也开始了在混动方面的研究。1994年，丰田内部正式启动了“G21项目”，其中最主要的目标就是将发动机的燃油经济性提高两倍。1995年时，丰田在东京车展上第一次展出了普锐斯的概念车，见右图。不得不说，这辆概念车确实不漂亮。

1997年时，丰田G21项目的最终产品终于发布和投入量产，即第一代普锐斯和其驱动系统“Toyota Hybrid System”，即丰田混动系统，简称“THS”。这个系统的结构非常简单，仅包括一台发动机、两台电机和一个行星齿轮组。丰田THS系统使用的正是输入式功率分流，至于它是如何工作的，我们下一篇再仔细聊。

两年多的时间内，通过G21项目，普锐斯从诞生到量产、进入市场，丰田的速度和效率值得世界上任何一个公司敬畏。

图5：丰田公司会长内山田竹志与第一代普锐斯合影照片 | 图片@Toyota

丰田的单模 vs 通用的双模

推出THS系统后，丰田在绝大部分混动车型中都使用这套驱动系统。业界人把这套系统称为“单模式输入式功率分流系统（one-mode input-split system）”。称它为单模的原因很简单，就是因为THS系统只有一种工作模式：除了输入式功率分流模式就没有别的模式了。

与之对应，通用公司从90年代起便开始研发双模式的混动系统。双模式系统，正如其名，是说它有两种工作模式可以使用。

2001年时，通用公司的第一款产品终于问世，可惜并不是给乘用车用，而是装在了公交车里。通用公司称这个系统为双模式功率分流系统。它包括一个发动机、两个电机、三个行星齿轮组及两个换挡装置，并可在输入式功率分流和复合式功率分流两种工作模式间进行转换（这也是双模式名字的由来）。

如果双模式系统仅停留在公交车里的话，今天的世界就没这么精彩了。2001年后，通用公司对这款双模式系统进行了调整，使其可以用在乘用车中，准确的说是SUV中。汽车在低速时使用输入式功率分流模式，在高速时使用复合式功率分流模式。

2005年时，通用公司连同克莱斯勒（Chrysler）、宝马（BMW）及奔驰（Mercedes Benz）组建了“Global Hybrid Cooperation”，并向其提供这套系统的使用权。于是，双模式系统真正走向了量产。如果你在Google里搜索“two-mode hybrid“的图片，下面这张图肯定直接跳出来，它就是安装有双模式系统的宝马 ActiveHybrid X6的驱动系统。

图6：宝马ActiveHybrid X6双模式混动系统 | 图片@BMW

这辆车中宝马使用了一台300千瓦的V8发动机、两台功率分别为67千瓦和63千瓦的电机。德国ADAC协会对其测试后对它的评价为“极佳的动力性，高油耗，极高的价格”。应该说，这句评语拿来评价当年所有车厂的双模式车型都适用。正是因为高昂的价格、偏高的油耗，所有的车型都卖得不好，不久后便停止了销售。

这次失败后，通用公司似乎不愿再提起“双模式（two-mode）”这个词，感觉很扎心。

2016年时，通用公司又高调地推出了一款全新的双模式系统车型，雪弗兰沃蓝达（Chevrolet Volt）第二代。当然，在所有的广告和文献中，通用公司都避免使用“双模式”的说法。从技术上来看，沃蓝达的驱动系统确实是一款非常不错混动系统，它在业界众多的油耗、动力性测试都取得了很好的成绩。但是其原理正是双模式功率分流，其系统方案早在2001年就已成型。这个方案在抽屉里静静地躺了15年后，终于高调地走向了市场。

今天，丰田仍在单模式的道路上执意前行，它的成功不用多说，普锐斯早已成为混动汽车的代名词。通用力求用双模式占领另外一片天地，沃蓝达车型是一个很不错的开端。

输入式功率分流

功率分流混动系统根据其变速器的结构不同，有很多种形式，包括输入式（input split）、输出式（output split）和复合式（compound split）。各个形式都有各自有意思的地方，不同的整车厂也根据自己的车型和定位选择了不同的功率分流驱动系统。

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

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 | 图片@obasic.net

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架支撑着。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 | 图片@obasic.net

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 | 图片@obasic.net

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 | 图片@obasic.net

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点这。

输出式功率分流

2010年11月，通用汽车（General Motors）高调推出雪佛兰沃蓝达车型，这款车是全球第一辆采用输出式功率分流系统（Output Powersplit）的车型。

然而，更值得回味的是，这款车也是全球至今唯一一款采用过这种分流系统的车型。说“采用过”是因为这种类型的分流系统只量产了一代就被匆匆下架。在第二代的沃蓝达车型中装载着完全不同的分流系统（Compound Powersplit，即复合式功率分流系统），与第一代中的输出式分流系统已无联系。

图1: 2012年雪佛兰沃蓝达车型 | 图片@General Motors

不得不提的是，2010年当通用公司推出这款车时，把它称作电动车，而且命名为一种新型电动车，即增程式电动车 EREV（Extended Range Electric Vehicle）。今天我们称这个系统为输出式功率分流系统，即混动系统的一种。

这篇文章里，在讨论这种类型的分流系统的同时，我们也会简单聊一下如此划时代的产品为何会如此草草收场。

输出式功率分流工作原理

雪佛兰沃蓝达采用的动力系统为通用的 Voltec powertrain 混动系统，其核心部件为内嵌了两台电机的混动变速器，在通用公司内部，这个变速器的编号为 4ET50。

图2: 通用公司 4ET50 变速器 | 图片@General Motors

类似于输入式分流系统，这个变速器里也装有一个行星齿轮组，包含太阳轮、行星轮和齿圈。如果把这个系统与上一篇中展示的丰田普锐斯（输入式功率分流系统）对比的话，可以发现它们的结构挺相像。发动机、发电机、电动机都连接到了行星齿轮组上，如下图，其中图最右侧展示了行星齿轮组正面的样子（感兴趣结构细节的话，可以猛击）。输出式分流系统的结构最为特别的地方，也是与其他分流系统最为不一样的地方，就是发动机和发电机直接相连。

图3: 输出式功率分流系统原理图 | 图片@obasic.net

要解释这个系统为什么叫做输出式功率分流系统，就得看一下它在运行时功率的流向，如下图。发动机的产生的一部分功率（图中①）传递至行星齿轮组齿圈，这部分的功率为机械功率。另一部分发动机功率直接用来了驱动发电机（generator）发电（图中②），这里产生的电功率被传递给电动机（motor），由其再转换为机械功率传递至行星齿轮组的太阳轮（图中③）。最终，两部分分流的功率在行星齿轮组的齿架上汇合（图中④），最终传出变速器。

图4: 输出式功率分流系统在中高速行驶时变速器内功率流向 | 图片@obasic.net

总结来说，发动机和电机传来的两部分功率在行星齿轮组上进行汇合，同时，功率汇合发生的位置在变速器的输出轴上，因此这个系统被称为输出式功率分流系统。必须提出的是，这张图展示的情况为车辆在中高速行驶时的状态，是输出式功率分流系统正常工作的状态。低速时的情况我们一会再讲。这里，我们来定义一下输出式分流系统的特征：
  --发动机与一台电机直接相连，并一同连接到行星齿轮组的一根轴上；
  --行星齿轮组的第二根轴连接着第二台电机；
  --行星齿轮组的第三根轴作为输出轴。
以上的定义可以用一张简图直观的表示出来：

图5: 输出式功率分流系统结构定义 | 图片@obasic.net

你也许会问，输出式功率分流为什么只在中高速时使用？低速行驶时会发生什么？

其实理论上来说，输出式功率分流在低速行驶时是可以运行的，但是没有哪个厂商会这么做。下图展示了低速运行时，变速器内的功率流动。这个时候，最有意思的地方是电动机与发电机的角色互换：电动机现在负责发电，而发电机负责驱动。在下图中可以看到，电动机所发的电功率被传给发电机，在这里转化为机械功率，被传回到发动机轴上去。因此，电功率（绿色线）的传递方向与机械功率的传递方向相反！变速器内出现了无功功率。此时，系统的效率很低，同时，电机必须输出很高的功率才能继续维持车辆的驱动。所以，这种花很大力气却又没有效率的事是没有人做的。

图6: 输出式功率分流系统在低速行驶时变速器内功率流向 | 图片@obasic.net

输出式功率分流系统无法单独装配汽车

如果说输出式功率分流系统低速时不能用，那么雪佛兰沃蓝达在低速是怎么用这个系统的？

简单来说就是——根本不用。雪佛兰沃蓝达在低速时跳出功率分流模式，转换到其他模式行驶。为此，通用公司在这款4ET50变速器内安装了三个湿式离合器（下图中C1、C2、C3），分别安装在行星齿轮组齿圈上、发电机与行星齿轮组之间、发动机与发电机之间。

图7: 通用公司 4ET50 变速器原理图 | 图片@obasic.net

仔细看的话，你可以发现，如果C2及C3都关闭，同时C1打开的话，那么这个时候变速器的结构就与我们之前讨论的结构完全一致，此时的系统即为输出式功率分流。

当行驶在低速时，为了避免使用输出式功率分流模式，沃蓝达有两种纯电动驾驶模式可以选择。在第一种纯电动行驶模式下，电动机单独负责全部的驱动力输出。第二种电动行驶模式比较特殊，此时电动机和发电机同时输出驱动力，驱动汽车。沃蓝达内的电池容量为16千瓦时，纯电动行驶时，可以支持约40到80公里的行驶里程。

当电池内的电量消耗殆尽，但车辆仍在低速行驶时，沃蓝达车型会进入串联混动模式。此时，发动机介入，并通过发电机发电，电量传给电动机，由其负责驱动。

以上四种行驶模式以及所对应的离合器状态在下图做了总结，其中 ● 表示相应的离合器必须关闭。

图8: 通用公司 4ET50 变速器换档逻辑图 | 图片@obasic.net

沃蓝达车型虽然是第一款输出式功率分流系统，但通用公司不得不为其配备了另外三个驾驶模式。最重要的原因就是输出式功率分流无法单独使用。一个只能提供输出式功率分流的变速器无法满足车辆行驶的需要，其最大的问题就是低速时系统内极高的无功功率以及极差的效率。为此，输出式功率分流只能与其他驾驶模式共同出现，混在一起使用。

与其相比，输入式功率分流系统（例如丰田普锐斯）可以作为唯一的行驶模式装配汽车。因此，输入式功率分流系统变速器的结构非常简单，相比下来占了很大的优势。

输出式与输入式功率分流系统对比

说了这么多，如果我们把输出式和输入式功率分流拿来对比，哪个更省油？

这个问题其实可以翻译成：雪弗兰沃蓝达与丰田普锐斯对比来说哪个更省油？这两辆车可以说是这两种功率分流系统的最好的代表。2012年的插电式普锐斯（Toyota Prius Plug-in Hybrid）在非电动模式的油耗为百公里4.7升，同一年的沃蓝达在非电动模式的油耗为百公里6.4升。在油耗上，输入式功率分流系统占优。

如果你希望更深入地了解输出式功率分流系统，我推荐你读一读这一篇文章《Analysis of planetary gear hybrid powertrain system part 2: Output split system》。

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。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。

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

图2：沃蓝达 5ET50 变速箱 | 图片@General Motors

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：

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。

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。

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。

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。

在之前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。

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。

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。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。

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。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》。

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