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丰田混动系统解析

  在“混动界”,有一句很霸气的话:这世界上只有两种混合动力系统:丰田混动和非丰田混动。

  这是对丰田混合动力技术的最高褒奖,虽然我作为一名民族主义者并不喜欢日本;但同时作为一个工程师,技术层面还是能学到很多东西。

  先说EV(Electric Vehicle),电动汽车,最近几年它比较火。EV和智能汽车捆绑在一起,似乎就代言了未来。我们身边越来越多EV的出现,但眼下它和我们最真实的需求,还隔着一层纸的距离。

  但HEV(Hybrid Electrical Vehicle非插电式混合动力),仍然是我们可以选择的解决方式。因为,只有HEV才能符合人类“懒”的本性,全上海的插电式混合动力汽车,几乎统统都不充电!

  按道理来说,PHEV(Plug in Hybrid Electric Vehicle插电式混合动力汽车)是一个最完美的结合体,仅凭电池就能完成日常的上下班,还有一套混合动力系统提供更远的续航里程或更强劲的动力输出,但现实然并卵——一切以改变使用习惯为原则的新科技,都无法替代现有车型。

  五分钟就能完成加油,谁愿意带着一捆充电线呢?此时我们不得不回望HEV,这似乎才是眼下最合理的使用方式了。

  2011年1月加拿大电视台对温哥华的出租车(温哥华90%的出租车为丰田普锐斯)做了一次调查,调查结果显示丰田普瑞斯出租车(很多总行驶里程都已超过了100万公里)平均在行驶70万公里左右才第一次更换电池。

  在2016年9月,丰田旗下混合动力车的全球累计销量已经突破900万辆,这是其他任何一个品牌都可望而不可及的。而且值得关注的是,丰田混合动力车型达成第一个累计销量100万辆用了10年(1997-2007),而从2015年7月底达成800万辆到如今突破900万辆,仅用了9个月的时间。

  无需外部充电,无需依赖基础设施,电动系统续航更长的HEV显然是现今新能源汽车最高效、现实的方向。

  广州、天津、杭州等越来越多的城市都为不插电混合动力“开绿灯”,在我们广州买一台丰田雷凌双擎就不再需要摇号,还能获得广州市政府的万元补贴,看似有点保护本地企业,但却代表了广州的态度。

  丰田这套被称为THS(Toyota Hybrid System)的系统主要是由两个电机,一个发动机以及一套动力分配装置组成,由PCU(功率控制单元)控制整套系统的运转。

  简单说来,发动机和电池电机各有所长,我们想办法把发动机尽可能固定在最低燃耗的转速,在额外需要动力的时候用电池电机的高扭矩输出特性,二者有效结合。

  可以这么说,THS-II是真正的混合动力。为什么呢?因为它依靠极为精密复杂的结构和超级复杂的计算,让发动机和电动机可以在大多数时间同时驱动车辆,在享有常规动力车型的直接感和平顺性的基础上,带来常规动力车型不可企及的燃油经济性。

  丰田的THS-II追求的是电动机和发动机间的互补,低速和加速过程,由扭力更直接、更大的电动机来提供主要动力来源,而在巡航和高速行驶中,发动机则扮演主角来提供平稳的动力输出平台,此时电动机多为辅助输出。

  丰田由于结构设计因为行星齿轮始终无法解耦,使得无论何时动力都需要分配给两台电机,所以导致能量在多次转换过程中被消耗浪费,但丰田THS Ⅱ省油的关键是在行星齿轮。

  丰田THS系统中,通过对行星齿轮组特性和对齿轮齿数的巧妙设计,以及通过油门踏板位置信号、车辆驾驶条件和蓄电池的充电状态,计算出发动机目标转速等信息,从而确定发动机在该时速下最佳转速是多少,再对MG1进行控制,通过对MG1的控制来对发动机进行调速,使得发动机在任何情况下都尽量地保持在一个较为经济的工作区间,这时丰田THS系统省油的关键。

  动力分配装置的神奇之处在于,可以同时将发动机的动力分配给传动系统和发电机。

  这一装置通过行星齿轮无缝且有效地进行动力分配,齿圈连接着电动机驱动轮胎,太阳轮连接着发电机,利用发动机的动力进行发电,发动机连接于行星齿轮架,驱动齿圈和太阳轮旋转。

  每一个不同车速,ECU计算出发动机需要一个怎样的转速,然后再计算出1号电机应旋转多快,通过改变1号电机的转速,使发动机加速或减速,从而实现像无级变速箱那样平滑的变速。也因为变速的过程都没有切断动力的输出,因此不会有动力白白流失,而且整个变速的过程都表现的丝丝顺滑如德芙巧克力一般。

  而2号电机与内齿齿圈相联的,一起通过减速齿轮和差速器来给车轮补充更多的扭矩(驱动车辆)。得益于此,丰田的“HEV”车型要比同排量内燃机车型要有更好的动力表现。

  发动机运转为电池组充电的过程也是通过这套行星齿轮组协同两个电机各自何时作为电动机,何时作为发电机来实现;根本无需外接电源充电,妈妈再也不用担心我出外找不到地方充电了。

  如前所述,要让发动机兼顾800-8000rpm的转速,工程师费了多少脑细胞。简单点儿:如果让发动机维持在一个定转速工况,我们就可以挑选出最省油的那个转速点了。当然这过于立项,那就让发动机在一个尽可能稳定的工况下工作吧,有了电机的帮助,我们大可以让发动机变得更惰性一点——不够力的那一部分让电动机来帮你。

  而纯电动状态,只是在低速且平稳小油门开度时出现,并不追求电动机在整个行驶过程中最大化的出力。整套系统根据电动机和发动机各自最佳的出力阶段进行不断的输出优化,始终让二者保持在最理想的状态。

  当然,保持这种工况需要一套极其复杂的算法,并且由丰田THS-II最核心的部件ECVT进行机械层面的协调。THS-II系统会在行驶中的不同阶段不停地调整两个动力源的输出比例或者切换,想保证平顺性就要靠ECVT了。

  丰田依靠精密且复杂的THS-II系统独霸混合动力领域多年,钱柜娱乐普锐斯更是成为了混合动力汽车的代名词。面对诸多对手,为何没有一家可以真正挑战丰田的混合动力技术?成本、效率、平顺性,仅这三样,就很难可以做到出丰田之右。

  人家丰田的HEV厉害就厉害在,有巨大的销量来支撑,丰田肯为HEV单独开发新的发动机,阿特金森循环发动机和废气再循环技术(EGR)用来作为丰田HEV重要组成部分,这一点搞得别家很尴尬——不是每一家都舍得为混合动力单独开发一套发动机。

  对于提升发动机效率,涡轮增压是欧洲人爱用的方法,提升空气密度,但小排量涡轮增压发动机也有个大家都知道的问题,涡轮的迟滞,这是先天的结构问题,工程师只能减小,很难根除。

  与小排量涡轮增压发动机相比,正如我们之前所说,混合动力在低转速区间可以由电机来支撑扭矩的输出,所以混合动力并不会被涡轮增压的迟滞所困扰,从低转到高转的输出特性,更像一台排量更大的自吸机器。

  和PHEV插电式混合动力不同,电池在HEV这里承担的角色是在发动机和电池电机之间的储能,当发动机过剩的时候,动力变成电能存下来;当发动机需要电池帮忙的时候,电池开始放电。和电脑内存一个意思。

  丰田双擎(HEV)系统结构上的复杂是为了做出更好的成绩单,这个世界上不缺混合动力系统,例如本田IMA、欧洲各品牌广泛采用的舍弗勒串联系统等,仅仅是在传统发动机和传统变速箱之间埋一个电机的做法肯定是不够的。这些流派我们在后续的篇章里面再讲。

  丰田THS是采用了一套被称之为PSD(Power Split Device)的行星齿轮结构作为整个混动系统的核心,结构非常精妙,并且可以实现变速功能,因此这套系统又被称为eCVT,但其实丰田THS是没有传统的变速箱的。

  这套系统中,发动机只要在运转,就几乎无时无刻的不在发电。中低速的时候,发动机带动1号电机(副电机)正转发电,2号电机(主电机)在驱动;超过临界速度(82km/h)之后,1号电机反转,与发动机共同驱动车辆前进,2号电机则转化为发电机。这一切都是在行星齿轮结构下进行的能量分配,发动机的能量几乎没有浪费。这种混动模式一般称之为混联结构,属于强混。

  丰田THS的优点:一是对电机功率和电池容量没有太高的要求,可以有效降低整车成本。比如Pruis的电机功率是60kw,而比亚迪秦是110kw,本田的雅阁混动是124kw,通用Volt是111kw。

  电池容量方面的差别就更大了,Pruis好像是2.3kwh,比亚迪秦是13kwh,雅阁混动是6.7kwh,通用Volt是16kwh。尤其是丰田THS目前还多采用镍氢电池,而其他技术路线由于对电池性能要求较高而普遍采用锂电池,因此丰田THS的成本优势更明显。二是丰田THS的能量利用效率很高,几乎没有浪费的情况。

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