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丰田THS混动系统浅谈 - 知乎
丰田THS混动系统浅谈 - 知乎首发于新能源汽车控制切换模式写文章登录/注册丰田THS混动系统浅谈一起留下脚印搞过混动的人都听过这么一句话：世界上有两种混动，一种是丰田混动，一种是其他混动。可以看出，丰田混动系统在混动技术里的地位。所以今天想谈谈丰田THS混合动力系统，准备从以下两个方面来讲：THS的工作原理和THS的控制问题。THS的工作原理1、THS结构THS系统的结构原理如下图所示，发动机、发电机、电机三者通过一个行星排耦合在一起，发电机与太阳轮连接，发动机与行星架连接，电机与外齿圈连接并通过主减速器与轮端连接。由于行星排的关系，会有两个有趣的现象：现象1：发动机转速、发电机转速、电机转速（轮端转速）三者之间是固定的数学关系，发动机转速与轮端解耦；现象2：发动机的扭矩会永远固定比例的分配给发电机（太阳轮）、轮端（外齿圈），导致发动机的扭矩与轮端耦合。THS既能实现发动机与轮端的转速解耦（串联特性），又能直接把扭矩传递到轮端（并联特性），所以THS是一种介于串联与并联之间的结构。2、THS工作模式从本质上来说，THS只有两种工作模式：纯电模式、混动模式。纯电模式下，发动机、发电机不工作，电机单独驱动轮端，由于发动机摩擦力较大，发动机不会转动，但发电机会反转。纯电模式下正常驱动行驶的杠杆图如下，图中+号－号表示转速方向，绿色箭头表示电机扭矩（向上为正），红色箭头表示轮端阻力矩（向下为负）。混动模式下，发动机、发电机、电机同时工作，发动机输出扭矩，发电机控制发动机转速，电机做需求扭矩兜底，三者一起保证行星排系统稳定工作。混动模式下正常驱动的杠杆图如下，发动机出正扭矩驱动行驶（中间绿色箭头），发电机出负扭矩发电（左边红色箭头），电机出正扭矩协调轮端扭矩输出（右边绿色箭头，电机扭矩也可能为负），右边的红色箭头表示轮端阻力矩。很多人都会谈到制动回收模式，做过混动的人都知道，制动回收只是一种功能，不算是严格意义上的工作模式，在纯电下可以有制动回收，在混动下也有制动回收。纯电模式回收、混动模式回收如下图，黄色箭头表示电机的回收负力矩。3、主要优缺点优点：由于发动机转速解耦，低车速可以提高发动机转速有较好的燃油经济性和动力性；缺点：由于发动机扭矩与轮端不解耦，启机控制难度较大；由于系统存在功率循环，在高车速下效率较低，发电机低效率放电，电机低效率充电，如下图。THS的控制问题主要谈下能量管理、扭矩控制、启发动机控制三个方面的理解。1、能量管理基本策略由于现象1，即发动机与轮端转速解耦，所以发动机可以一直工作在最高效的转速。根据整车需求功率以及发动机的万有特性，可以找到该功率下的最优工作点，即发动机的转速和扭矩。需要说明的是，考虑电机、放电机的充放电效率，发动机的最优工作曲线并不是系统的最优工作曲线，要想找到系统的最优工作曲线有很多理论计算方式，需要通过计算以及试验来确定，比较复杂。2、扭矩控制基本方法扭矩控制主要是指扭矩的协调配合问题，THS系统根据能量管理策略请求发动机工作点，扭矩部分发给发动机控制，转速部分由发电机去协调配合，轮端扭矩的最终实现由电机去完成。所以，对三个动力部件的主要定位是：发动机负责主要功率输出，用于维持SOC平衡以及响应总的功率请求；发电机就是用于调速，它的目的永远是把发动机的转速控制在目标工作点；电机主要负责扭矩上的补充，保证驾驶员的扭矩请求得到保证。3、发动机启动控制THS的发动机启动主要靠发电机出扭矩直接拉起发动机，这是THS系统最难控制的问题之一。由于上面现象2，即发动机与轮端扭矩不解耦，导致发动机启动过程中的扭矩能直接传递到轮端，影响启动发动机时的平顺性，主要包括拉起发动机过程中的摩擦力以及点火后发动机的启动扭矩两阶段。控制上只要涉及到摩擦的问题，一般都不是太好解决的。丰田的做法大概是做好发动机停机位置控制，让每次启发动机的摩擦尽量稳定、尽量小。所以，做好停机位置控制是做好启发动机控制的必要途径。没有直接做过THS混动开发工作，以上观点是根据个人混动开发经验的思考，不妥之处欢迎探讨。尽管仿真与实际差距较大，后面我们依然想尝试搭建THS的物理模型，再逐步去控一下，看看效果，加深对这个系统的理解。欢迎关注微信公众号“新能源汽车控制”，可以了解更多内容。发布于 2020-01-19 21:47混合动力汽车混合动力丰田凯美瑞赞同 6117 条评论分享喜欢收藏申请转载文章被以下专栏收录新能源汽车控制持续分享汽车软件开发经验，可关注同名微信公
解读丰田THS双擎技术：没有离合的混动，才是真正优秀的混动_太平洋号
解读丰田THS双擎技术：没有离合的混动，才是真正优秀的混动_太平洋号
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首页 太平洋号 申请加入 我的关注 当前位置： 首页 文章 解读丰田THS双擎技术：没有离合的混动，才是真正优秀的混动 2022-01-01 浏览：3.15万 评论：0 截止2021年，搭载THS双擎系统的丰田混动车型已经在全球累计售出了1800万台，甚至超过了某些品牌全球累计销量的总和。而放眼国内，丰田混动车型也于2020年9月突破了百万销量。丰田THS的斐然成绩，并非偶然。在这个从内燃机驱动向电力驱动过度的时代里，无论是传统的燃油车，还是更新的纯电动车型，它们都存在着或多或少的痛点。纯燃油车油耗普遍偏高、行驶品质有待提升；而纯电动车的续航/补能性能、安全性与保值率都还有很大的提升空间；不少消费者都渴望融合两者的优势、消弭两者的缺陷。此时，丰田THS双擎系统则为我们带来了一个近乎完美的解决方案。THS=燃油车的便利性+电动车的用车成本在电动化时代来临之际，很多朋友都会有一个愿望：如果纯电动车型能有燃油车的续航里程，补能速度也和燃油车一样快就好了！但事实却是，基于目前的技术水平，还远远无法做到这样的效果。根据相关人士的预测，我们有望在十到三十年之后突破电驱技术的这一瓶颈。也因此，搭载THS双擎系统的丰田混动车型可以说是当下比较折中的方案。举个例子，按照一汽丰田亚洲龙2.5L双擎车型的油耗表现与续航表现来看，这台B+级旗舰轿车的百公里综合油耗为4.3L，加注92号汽油，按照92号汽油7.00元/升的售价来计算，其百公里用车成本仅为30.1元。而在续航能力方面，亚洲龙2.5L双擎车型的油箱容积为49L，加满油，轻松突破一千公里的续航。对比来看，搭载2.0T发动机的B+级轿车，百公里综合油耗普遍在7L左右，理想状态下，百公里用车成本约为50元；而B+级纯电动车型的百公里电耗约为18度左右，按照笔者所在城市特来电、国家电网充电站1.5-1.8元/度的充电费用换算，纯电动车百公里的使用成本27-32.4元。如果家中并无充电桩的话，仅仅使用外部充电站，纯电动车的使用成本甚至高于搭载双擎混动系统的丰田亚洲龙，并且，续航里程和充电速度也无法得到保证。那么，在一汽丰田的THS双擎技术层面，又是如何做到便利性与使用成本兼顾的呢？其原因就在于，THS混动系统通过行星齿轮组，将发动机与电动机混联起来。在车辆起步时，由电机驱动，规避了发动机的高负载区间，降低起步时的油耗；而在巡航时，发动机开始工作，并且保持在经济的区间内运行，获得低油耗表现；在车辆加速或者上坡的时候，电动机与发动机一起出力，在带来强劲动力的同时，通过两者的默契配合，也降低了油耗。另外，亚洲龙2.5L双擎车型采用的2.5L阿特金森循环发动机，也是省油的“一大利器”。由于发动机的压缩行程小于膨胀行程，发动机的进气效率得以改善，提高了发动机的工作效率。所以，即便是发动机介入驱动，亚洲龙2.5L双擎等车型的油耗也会保持在极低的区间内，降低燃油消耗。值得一说的是，一汽丰田搭载的THS混动系统，与普通的并联、串联式插电混动系统有较大的区别。传统的并联、串联式混动系统，要么是发动机发电提供给电机进行驱动（增程式混动），要么是发动机直接驱动、电机通过大容量电池进行驱动（传统PHEV插混），无法做到发动机与电动机实现协同出力。所以，在效率和使用便捷性方面与丰田的THS混动系统存在一定差距。另外在使用层面，亚洲龙2.5L双擎车型不需要外接充电插口。当镍氢电池电量快要耗尽时，可以通过制动、滑行时的动能回收充电，也可以通过发动机的剩余动力进行充电。在使用便利性方面，与传统的燃油车无异，用户只需要加油即可。无离合·真混动，THS亦能带来更豪华的行驶品质在传统燃油车型中，由于存在传统意义上的多挡位变速箱与离合器、液力变矩器等传动系统，在发动机与变速箱的动力衔接过程中，会存在一定顿挫，即便是在传统PHEV插电式混动车型上也存在传统意义上的变速箱与动力衔接装置，也会有一定顿挫。而纯电动车型，则是通过电力直驱，实现了完全无顿挫的行驶品质，让车辆动态质感更舒适、更豪华。事实上，丰田THS混动系统，也能带来无限趋近于纯电动车型的行驶品质。其中的奥秘，就在E-CVT变矩系统之中。在丰田THS混动系统内部，并没有传统意义上的变速箱，更不存在离合器。E-CVT的原理，是通过行星齿轮组，将发动机输出轴与驱动电机输出轴固定在行星齿轮组的内部，实现硬连接。这也意味着，无论是在何种情况下，发动机、电动机，都不会与行星齿轮组解耦。而这样的设计，除了可以避免摩擦时导致的机械损耗外，也能有效提升车辆的行驶品质。无论是发动机介入，还是电动机介入，搭载THS混动系统的车型都不会出现震动。而在发动机启机时，并非通过传统的启动马达实现启机，而是通过位于发动机输出轴后方的M/G1电机实现启动，这样的启动方式更加迅速，能在瞬间完成，同样不会造成车内的震动或者响动。纵观车市便不难发现，同样是HEV强混，本田i-MMD混动系统的思路与丰田THS混动系统也有所不同。我们可以把本田i-MMD混动系统看做是一套发动机可以直驱车轮的增程式混动系统，在正常情况下，发动机只需要发电，通过电机进行驱动；而在发动机直驱车轮时，需要通过干式离合器进行动力衔接，而在这一过程中，由于存在转速差，所以会出现一定程度的顿挫，影响舒适性。所以，我们可以看到，本田的i-MMD混动系统一般应用于A级或者B级车型，而不会用在主打舒适豪华的车型上。而丰田的THS混动系统，则广泛应用于皇冠陆放豪华SUV、皇冠威尔法豪华MPV等车型上。在实际的体验中，无论是皇冠陆放，还是由一汽丰田引进销售的皇冠威尔法，它们在行驶的过程中，不论是在城市拥堵环境，还是在高速公路上，都不会出现车辆顿挫的问题。自始至终，它们都能凭借着柔和、顺畅的行驶品质，展现出了豪华车应有的高级感与豪华感。从插电式混动到电子四驱，THS的拓展性也表现出众随着电驱技术的不断发展与革新，目前的汽车市场中出现了大量的混动模式以及全新的驱动模式。而实际上，丰田THS混动系统也有着强大的拓展能力，在THS混动架构的基础上，丰田还开发出了Plug-In插电式混动、E-Four四驱系统等新技术。比如，一汽丰田的RAV4荣放家族，除了提供双擎车型外，还提供有纯电续航里程可达87公里的双擎E+车型。而这款SUV不仅可以满足新能源绿牌的需求，同时，在综合性能方面，也优于其他的PHEV插电式混动车型。在使用过程中，RAV4荣放双擎E+基于THS混动系统打造而来，工程师提升了车辆驱动电池的容量，从而实现了87公里的纯电动续航。对于家有充电桩的用户来说，在日常上下班的场景中，完全可以使用电力驱动，进一步降低车辆的使用成本；而在出行时，即便是无法外接充电也无妨，通过THS混动系统，也能大幅降低油耗，带来上千公里的续航表现。值得一说的是，在一汽丰田的双擎SUV家族中，还匹配了更加先进的E-Four电子四驱系统。为什么说E-Four电子四驱系统更加先进呢？因为这套四驱系统大幅优化了结构，比如搭载i-MMD混动系统的CR-V四驱车型上，你可以清晰地看到底盘下方有一根传动轴，这就说明CR-V混动版四驱车型的四驱系统依然是传统的机械式结构。但在RAV4荣放双擎、皇冠陆放的下方，你却无法看到传动轴。通过E-Four四驱系统，工程师直接在后轴位置安放了一颗驱动电机，电机通过电信号实现对后轮的驱动。并且，通过电信号，其可以做到比机械四驱更快速的响应。例如在检测到前轮打滑的时候，E-Four电子四驱系统可以瞬间介入，提升车辆的通过性能和在湿滑路面的稳定性表现。从“网约神车”到全球无自燃，THS的可靠性有多强？如果大家在叫网约车或者出租车的时候乘坐到了一台搭载丰田THS混动系统的卡罗拉双擎，相信所有网约车出租车师傅都会自豪地说：“我这台卡罗拉，除了油耗低，它的可靠性还真的不错！正常维护保养的情况下，它绝对不会把我丢在半路上”。事实上，在国内，搭载THS混动系统的车型，里程超过20万公里知乎，发动机、电池系统、电驱系统工作正常、性能如新的车型很常见。甚至还有部分卡罗拉双擎网约车的里程超过了90万公里，也依旧表现稳定。要知道，别说90万公里了，即便是20万公里，都是许多普通家用消费者在一辆车的用车周期内难以企及的高度。那么，丰田THS混动系统，为何会如此可靠呢？首先，THS混动系统由于没有离合器、液力变矩器等磨损组件，其E-CVT行星齿轮组传动机构，都是硬连接设计，而在长期的使用过程中，齿轮的磨损几乎可以忽略不计，完全不需要担心更换变速箱油、更换离合器这样的问题。其次，在电驱系统中，THS混动系统大多采用了镍氢电池。而镍氢电池本身的活性就比较低，并且丰田THS混动系统的工作策略，是“浅充浅放”的模式，这也使得丰田THS混动系统的电驱系统拥有着出色的可靠性和耐久性表现。另外，一汽丰田也针对双擎车型，提供了5年或20万公里的电池组质保政策，能确保用户的使用无忧。实际上，在安全性方面还有另一个有力的数据值得参考。在全球范围内，丰田THS已经售出了超过1800万台车，而在这一千多万台车型中，没有一辆车出现电池起火、自燃的事故，其安全性和稳定性可见一斑。对于安全，一汽丰田也是十分认真且苛刻的。目前，TNGA蜂巢架构的安全性早已在各大碰撞测试中得到了见证。并且，一汽丰田旗下的双擎车型，均优化了电池布局、电池系统防护措施以及高压电防护措施，确保在日常使用过程中，能带来更安全的体验。最后，在检测环节，一汽丰田还会针对THS双擎车型的电池组进行起火燃烧测试、挤压测试、碰撞测试和泡水测试。在一次又一次的测试中，一汽丰田早已把车辆电池组的安全性和稳定性提升到了更高的水准。结束语：毫无疑问，在这个“油电切换”的时代，丰田THS混动技术算得上是兼顾双重优势的最佳方案。作为目前全球公认最好用的混动系统，丰田THS不仅解决了燃油车与纯电动车型的双重痛点，同时，其更凭借着先进的技术、可靠的品质，真正满足了用户的全方位需求。
声明：本文由太平洋号作者撰写，观点仅代表个人，不代表太平洋汽车。文中部分图片来自于网络，感谢原作者。
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丰田THS技术历久弥新，却挤不进国内混动主赛道_腾讯新闻
丰田THS技术历久弥新，却挤不进国内混动主赛道_腾讯新闻
丰田THS技术历久弥新，却挤不进国内混动主赛道
丰田的混动技术在国内一直被称为“外星科技”，第五代THS的经济性与动力性早已不可同日而语。但，这样的成就丰田用了多少年研究？其中又有哪些技术改进？它未来的发展方向又在哪里？今天请随我们一同走近THS的前世今生。
THS前传：找对方法比努力更重要
1992年，日本泡沫经济破裂，好不容易习惯了消费大马力、高油耗的日本国民也傻眼了——兜里没钱加油了。
对此，一向对市场战略慎之又慎的丰田英二决定跑在时代之前——要求丰田打造面向新世纪的汽车。
1993年9月，丰田启动了G21项目，其中G为Globe（全球）的缩写，21即为21世纪。
所谓“领导一张嘴，执行跑断腿”，生活在1993年的工程师以及市场部的同仁对新世纪的车应该是什么样子没有一点概念。后来经过研判，丰田的高管们一致认为“节能”这条路是目前唯一的解。
当时，丰田内部的决定是“省油50%”以上，这样的数据对于彼时的丰田已经难如登天了，但丰田英二的想法是将目标提升至100%。
有了第一次“吃螃蟹扎嘴”的经验，当年的燃气轮机混动不可能再研究了。但氢能源技术在当时远远没有达到量产标准。
经过将近一年的摸索，丰田终于在1994年底将G21项目的技术路线定为“混动”。
THS:混动，但发动机仍是主角
丰田的想法与当时的通用完全不同，当美国人绞尽脑汁要将“油”与“电”解耦的时候，丰田的路径则是要在内燃机依旧存在的前提下，让电气系统毫无保留地为“省油”服务。
但丰田在当时对电混并没有充足的概念，他们的第一步就是招募了8名专攻混动的工程师去“翻资料”。由于当时的通用的混动技术比丰田先进得多，专利保护也十分完善。丰田不得不想办法避其锋芒。
经过一段时间的查阅，美国TRW公司在1971年发表的一份基于“双电机与行星齿轮”的混动技术让丰田如获至宝。经过一番苦干后，这项技术就成了被国人奉为“外星科技”的THS。
THS的全称是“Toyota Hybrid System”，中文翻译为：丰田混合动力系统。字越少事越大，没有华丽的辞藻进行修饰，从直接用品牌名称对系统进行命名行为不难看出，丰田这次要来一把“梭哈”。
THS是属于丰田的“转子黑科技”，如同马自达一般，这项技术并不是丰田原创的，而是在TRW专利的基础上加以改进和延伸。所以新车的研发以现在的目光来看还是快得离谱——1995年确定方案、1996年原型车发布、1997年9月试生产......
1997年10月,搭载第一代THS混动系统的第一代丰田普锐斯正式发布。
值得注意的是，第一代THS制造的方向并不是今天的混动路线。它的存在就是为了辅助发动机，帮助其进一步降低油耗。
但受时代影响，第一代THS的弊端也十分明显。那就是不能让两台电动机与发动机同时发力，再加上那台老发动机实在太过孱弱，这造成了第一代普锐斯“省油有佳，动力不足”的印象。
THS－II：补齐短板，全球范围大放异彩
当技术进行迭代时，它的载体同样发生着进化。2003年，搭载THS-II的第二代普锐斯也同步登场。作为第一代的技术升级,THS-II在E－CVT系统中又增加了一个行星排。它的作用只有一个，那就是为电机增扭，提升车辆的动力性。
通过相互配合，驱动电机和发电机的转速差就能获得一定程度的平衡。如此操作下来，一台最高转速本来只有6500rpm的电机就可以将转速提升到10000rpm以上。
THS-II的改进让第二代普锐斯的性能得到了进一步提升，零百加速可以快至9.7s，同时油耗表现也更出众。要知道，这可是2003年的成绩。
后来，丰田也为搭载THS-II的车型提供了功率更大的发动机。有了如此强力的组合，汽车的加速能力就获得了进一步提升。
在2009年上市的第三代普锐斯上，丰田为其换装了排量和动力都大的2ZR-FXE阿特金森发动机，最大功率提升到了73kW,最大扭矩142N·m。
同时，两台电机的功率也得到了进一步升级，分别提升到了42kW与60kW。
有了前代的奠基，第三代普锐斯依旧在国际市场续写着混动传奇。第三代普锐斯全球销量接近170万台，这也令普锐斯车系销量突破300万台，成为最畅销的混动车型之一。
THS－II改进型 ：为TNGA赋能
技术不但依赖于技术载体（车辆），更需要与整车的平台打好配合。搭载在第四代普锐斯上的THS－II改进型的升级重点还是在硬件优化上。
相较于之前THS－II的“吃饱”阶段，这次的升级主要是研究怎么才能吃得“又饱又好”。
为了适应新的架构平台，THS系统的轴向长度缩短了47mm；其次，将THS-II增加的第二个行星排改成 平行轴齿轮；同时，为了提高燃油经济性，整套系统在重量上进一步做了优化；最后，为了提升车辆NVH表现而增加了磨齿工艺。
这样的好处是在横置平台中可以安放更大的发动机，同时也能让驱动电机的功率进一步放大。
与此同时，第四代普锐斯的发动机虽然沿用了1.8L （2ZR－FXE）发动机，但热效率直逼40%。第四代普锐斯基于丰田TNGA平台打造，并首次加入四驱车型，其油耗在日本JC08工况下能达到惊人的2.9L/100km。
从第一代THS到如今的改进型THS－II的核心思路都是：如何在不充电的情况下最大限度提升内燃机的经济性。因为系统策略更偏向发动机，所以THS-II改进型在当下在并不能更好的兼容插电式混动系统。
THS－II（P610）：油电正式分手，为插混谋未来
在2016年时，为了让第四代普锐斯插电混动版本更进一步，丰田又在系统的发动机与发电机之前添加了一个单向离合器。
有了它，发动机与双电机就能完全实现解耦，让双电机可以同时发力，把车辆的纯电最高时速推到了135km/h。而这，也恰好是各个国家针对插电式混动车型的准入门槛。
第四代PriusPrime采用的正是这一套插混技术，在纯电动模式下，它采用8.8kWh的锂电池组进行驱动，最高时速可达135km/h,纯电续航里程可以做到35km。
在240V家用电源下，PriusPrime需要5.5小时才能充满电池，综合模式下PriusPrime的平均油耗仅为1.4L/100km。如此低的油耗，显然不受中石化和中石油的“待见”。
单向离合器、大功率侧置驱动电机、全新结构齿轮......如此多的硬件更新和技术升级虽足以使其在产品名录上更新一代，第四代普锐斯的动力总成代号也升级为P610，但官方仍然称其为THS－II。
第五代THS：适应市场，向新进化
历史总是循环往复、来了又去，在第一代THS推出时，就有消费者诟病到第一代普锐斯的动力不足，丰田在第二代THS上就通过硬件升级解决了问题。而刚刚发布的第五代THS要解决的问题则与二十年前相似。
那就是，如何在现有基础上更快更省？
在第五代系统中，发动机的权重并没有变低。以1.8L发动机举例，由于采用了缸内直喷技术，热效率可达41%。而2.0L车型则保持了以往的混合喷射技术，但综合动力要比上一代大10马力。
而电池方面的升级更是值得玩味，丰田在第五代THS系统上终于全面放弃了镍氢电池转而使用三元锂离子电池。通过调整配方，这块新电池能实现更高倍率的充放电性能以及更强的稳定性。
与此同时，这块动力电池相较前代将重量降低了44%，体积缩小了34%，充放电能力提升了8%，以上种种对车辆的加速性能都有不小的帮助。
第五代THS虽然在传动系统的结构上与前代保持一致，但新的永磁同步电机无疑能带来更大的动力和更低的能耗。在加上比上一代大出一倍之多的动力电池组，第五代THS的动力性能同样让人眼前一亮。
以最新发布的雷凌混动为例，新车最大马力来到了140马力，百公里加速可以做到9秒出头的成绩，而实测的百公里油耗为4.07L,这样的节能表现着实亮眼。
写在最后：
一套THS系统的完善，丰田用了26年；经由五代变迁，THS早已深入人心。随着第五代THS在经济性以及动力性上的进一步优化，它的竞争力也得以提升。
不过，丰田THS虽然足够出色，但颇有一种有力无处使的感觉。因为如今国内混动技术百花齐放，插混车型才是镁光灯照耀的地方，是当之无愧的C位，这便对丰田THS提出了考验。
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拥有169所上榜院校的美国是进入排名高校数量最多的国家，在排名前200位也是如此（共56所）。印度现在是进入排名高校数量第四的国家，有91所大学，超过了有86所上榜院校的中国。
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混动百科｜原来丰田THS混动系统并不复杂！30张图看懂“功率分流”_腾讯新闻
混动百科｜原来丰田THS混动系统并不复杂！30张图看懂“功率分流”_腾讯新闻
混动百科｜原来丰田THS混动系统并不复杂！30张图看懂“功率分流”
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 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 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 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。
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」。
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~~