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新能源車主都在關(guān)注的公眾號(hào)

站在新能源車大行其道的今天，豐田THS是一套很古老的油電混動(dòng)技術(shù)，早在1997年就應(yīng)用在量產(chǎn)的普銳斯車型當(dāng)中。很多專業(yè)媒體也介紹過這套系統(tǒng)，但大多停留在功能層面，諸如它為什么省油，燃油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力和電動(dòng)機(jī)動(dòng)力可以混聯(lián)驅(qū)動(dòng)加速之類的。

但到目前為止我還沒有見到過一篇文章真正把THS的動(dòng)力分流策略、行星齒輪的分流原理，以及系統(tǒng)存在的bug做過詳細(xì)介紹。可能講得最多的就是它使用了行星齒輪機(jī)構(gòu)，而本田的iMMD使用的是多片離合器機(jī)構(gòu)。那么，豐田的THS到底是如何使用行星齒輪實(shí)現(xiàn)動(dòng)力分流的？本期來為大家解讀。

▲豐田THS系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)

這套系統(tǒng)由兩個(gè)電、一個(gè)行星齒輪、一個(gè)離合器組成。靠近發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)的電機(jī)較小，叫做MG1電機(jī)，這臺(tái)電機(jī)功率只有十幾個(gè)千瓦左右，遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)的電機(jī)叫MG2電機(jī)，這臺(tái)電機(jī)較大，有幾十個(gè)千瓦的功率。MG1主要用于發(fā)電，MG2主要用于驅(qū)動(dòng)。當(dāng)然，如果在減速時(shí)，大功率的MG2電機(jī)同樣可以充當(dāng)發(fā)電機(jī)的角色回收制動(dòng)能量。

要想了解THS的運(yùn)作原理，首先要搞清楚發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)組成的混動(dòng)系統(tǒng)分為三種耦合形式，分別是：轉(zhuǎn)矩耦合、轉(zhuǎn)速耦合、交替轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速耦合。

轉(zhuǎn)矩耦合我們最常見，也最好理解。它是直接把發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸輸出的動(dòng)力和電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力剛性結(jié)合，既可以通過齒輪連接，也可以通過鏈條或者皮帶連接，并把動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)系統(tǒng)，在混合動(dòng)力車中最常見的是同軸設(shè)計(jì)。

本田的i-MMD、，廣汽的G-MC、上汽的EDU系統(tǒng)都是屬于轉(zhuǎn)矩耦合的混動(dòng)類型。這種耦合設(shè)計(jì)意味著電動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)成一定的比例關(guān)系，如果是同軸設(shè)計(jì)，那么兩者的轉(zhuǎn)速必須完全一致，這種轉(zhuǎn)矩耦合型的混合動(dòng)力完全可以起到把發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和電動(dòng)機(jī)扭矩疊加使用的效果，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)混動(dòng)。

如上圖，上汽設(shè)計(jì)的EDU混動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)為同軸設(shè)計(jì)，并聯(lián)運(yùn)行過程中電動(dòng)機(jī)始終要與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持一致。

轉(zhuǎn)速耦合相對(duì)比轉(zhuǎn)矩耦合要復(fù)雜一些，豐田THS采用的是交替轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速耦合形式。豐田THS與其它混動(dòng)最大的不同，就是系統(tǒng)通過一個(gè)行星齒輪來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)動(dòng)力的混合。

我們知道，行星齒輪本身就具有動(dòng)力分配的特性，這種特性我們?cè)谌珪r(shí)四驅(qū)系統(tǒng)的中央差速器中早就見到過。即便是兩驅(qū)車，它的差速器也是采用的行星齒輪系統(tǒng)進(jìn)行左右車輪動(dòng)力的分配。

從差速器的原理我們就可以了解到，行星齒輪可以將一根傳動(dòng)軸上的動(dòng)力自動(dòng)分配給左右兩根半軸上。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)左右車輪會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差，行星齒輪可以在左右車輪轉(zhuǎn)速不一致的情況下自動(dòng)調(diào)節(jié)左右車輪扭矩的分配。豐田的THS就是利用了行星齒輪的這項(xiàng)特性來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩耦合的。

▲豐田THS系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)與行星齒輪的連接關(guān)系

如圖這個(gè)行星齒輪的太陽齒輪（Sungear）與發(fā)動(dòng)機(jī)連接（之間由電控離合器控制動(dòng)力的通斷），外齒環(huán)(Ring gear)與MG2電動(dòng)機(jī)連接，并通過齒輪與輸出軸剛性連接在一起。行星齒輪托架（Pinion gear）與MG1電機(jī)（發(fā)電機(jī)）相連，這就是豐田THS系統(tǒng)的基本構(gòu)成。

這套系統(tǒng)與很多功能豐富的自主品牌PHEV混動(dòng)系統(tǒng)不同，它只有4種常用工況設(shè)定，分別是：純電驅(qū)動(dòng)工況、高速混聯(lián)驅(qū)動(dòng)工況、非高速混聯(lián)驅(qū)動(dòng)工況、制動(dòng)能量回收工況。

發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)MG1之間采用的耦合方式為轉(zhuǎn)速耦合方式。從行星齒輪的動(dòng)力傳遞路徑來看，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳給行星齒輪托架后，被分成了兩個(gè)動(dòng)力輸出路徑：一個(gè)是太陽齒輪，傳遞給了MG1發(fā)電機(jī)。另一個(gè)是外齒環(huán)，傳遞給了輸出軸。而主要用于驅(qū)動(dòng)車輛的MG2電機(jī)與外齒輪的動(dòng)力為同軸剛性耦合，也就是轉(zhuǎn)矩耦合方式。

所以，用一句話來概括，就是MG2電機(jī)采用了轉(zhuǎn)矩耦合來與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力耦合，共同驅(qū)動(dòng)車輛加速；MG1電機(jī)采用了轉(zhuǎn)速耦合方式，分流了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力進(jìn)行發(fā)電。

發(fā)電環(huán)節(jié)為什么要采用轉(zhuǎn)速耦合來分流發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力？

轉(zhuǎn)速耦合的最大好處，就是兩個(gè)輸入動(dòng)力的轉(zhuǎn)速可以不一致，或者說可以不用成比例關(guān)系同步。因?yàn)樾行驱X輪可以自動(dòng)分配不同轉(zhuǎn)速，這個(gè)過程就好比差速器一樣。以差速器為例：當(dāng)車輛轉(zhuǎn)彎滑行時(shí)左右驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速不一致，但經(jīng)過差速器行星齒輪機(jī)構(gòu)的耦合后，最終變成了一根傳動(dòng)軸上的慣性動(dòng)力整合給了發(fā)動(dòng)機(jī)。

THS轉(zhuǎn)速耦合的原理，就類似與發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)的差速器原理。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過太陽齒輪，一部分分配給了發(fā)電機(jī)MG1，一部分分配給了外齒環(huán)用于車輛驅(qū)動(dòng)。而發(fā)動(dòng)機(jī)與MG1發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速完全不用保持比例關(guān)系。也就是說發(fā)動(dòng)機(jī)可以選擇任意轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)車輛。

上面這張圖體現(xiàn)了在四種工況下太陽齒輪S（連接MG1發(fā)電機(jī)）、外齒圈R（連接輸出軸）、行星齒輪托架C（連接發(fā)動(dòng)機(jī)）之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系。縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速，+為正轉(zhuǎn)，-為反轉(zhuǎn)。

1：純電驅(qū)動(dòng)模式下：

R外齒圈（MG2電機(jī)和輸出軸）為正向轉(zhuǎn)速，C行星齒輪托架（發(fā)動(dòng)機(jī)）轉(zhuǎn)速為0，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)為熄火狀態(tài)。S太陽齒輪（MG1發(fā)電機(jī)）在行星齒輪的作用下反轉(zhuǎn)發(fā)電，轉(zhuǎn)速大于輸出軸轉(zhuǎn)速。

2：混聯(lián)驅(qū)動(dòng)（非高速巡航）模式下：

R電動(dòng)機(jī)和C發(fā)動(dòng)機(jī)都為+正轉(zhuǎn)速，兩者動(dòng)力疊加驅(qū)動(dòng)車輛加速。S發(fā)電機(jī)也為正轉(zhuǎn)速，進(jìn)行發(fā)電。

3：混聯(lián)驅(qū)動(dòng)（高速巡航）模式下：

R電動(dòng)機(jī)和C發(fā)動(dòng)機(jī)都為+正轉(zhuǎn)速，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)保持較低轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)用于節(jié)省燃油，S發(fā)電機(jī)為-轉(zhuǎn)速（反轉(zhuǎn)）發(fā)電。

4：制動(dòng)能量回收模式：

R帶動(dòng)MG2電機(jī)，電機(jī)為正轉(zhuǎn)速，通過電控系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能，C發(fā)動(dòng)機(jī)熄火斷開連接，S發(fā)電機(jī)MG1反轉(zhuǎn)發(fā)電。

總結(jié)

正因?yàn)樨S田THS是通過轉(zhuǎn)速耦合來實(shí)現(xiàn)混聯(lián)發(fā)電，所以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以時(shí)刻保持在需要的轉(zhuǎn)速。低速加速時(shí)可以高轉(zhuǎn)速輸出，高速巡航時(shí)可以低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)節(jié)省燃油。不管采用哪種轉(zhuǎn)速，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力都可以一部分用來發(fā)電、一部分用來驅(qū)動(dòng)車輛。也正是這套轉(zhuǎn)速耦合系統(tǒng)，變相實(shí)現(xiàn)了變速箱的作用，這就是豐田E-CVT的由來。