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技术 | 汽车混动系统解析 混动分两种 丰田和其他
发布时间:2019-06-07
 


足球界里有一句话叫做“门将分两种,布冯和其他”。如果把这句话套用到汽车混动技术上,可以称为“混动分两种,丰田和其他”。为什么丰田会获得这样的赞誉呢?还要从第一代的普锐斯开始说起。

其实混动车的概念由来已久,只是当时由于计算机技术不够发达,无法实现精确的电控而被搁置。随着上个世纪末计算机技术飞速的发展,推动混动技术逐渐成熟。1995年,通用率先注册了混动专利 US 5558595。专利当中表述了双电机和行星齿轮组组成的 EVT 变速结构。这比丰田推出第一代普锐斯还要早了两年的时间。


丰田混动系统(图片来自网络)

但是专利归专利,厂家通常都会注册许多的专利来“劝退”竞争对手。而这些专利有的获得厂商的青睐得以推出产品,有的则被束之高阁等待未来“碰瓷”其他厂商。当年通用混动专利的命运,显然被安排成了后者。因为当时谁都看不准混动车的未来。

这一状况直到1997年被打破,在那一年丰田向世界展示了自己的研究成果,第一代普锐斯。在丰田普锐斯上,使用了以一直延续到现在的行星齿轮。也是得益于采用行星齿轮设计,使得丰田的 THS 混动系统能够领先业界一大截,成为混动的代名词。


行星齿轮(图片来自网络)

那么何为行星齿轮呢?行星齿轮是指除了能像定轴齿轮那样围绕自己的转动轴转动之外,它们的转动轴还随着行星架绕其它齿轮的轴线转动的齿轮系统。我们把围绕自己轴线的转动称为“自转”,围绕其他齿轮轴线的转动称为“公转”,就像太阳系中的行星一样因此被称为行星齿轮。

为什么丰田会与行星齿轮确认过眼神呢?主要是因为行星齿轮在传递动力时可以进行功率分流,并且输入轴和输出轴处在同一水平线上。这与混动概念不谋而合,所以丰田使用行星齿轮成为理所当然的事情。


混动系统(图片来自丰田)

丰田的 THS 主要由两个电机,一个发动机以及一套动力分配装置组成,在与行星齿轮的搭配上,我们可以从图片中看到,中间的太阳轮连接着 MG1发电机,外面的四个齿轮由发动机的四个曲轴的输出来带动,最外侧的齿轮连接着 MG2动力电机。


第一代普锐斯动力分流原理图

传统汽车的速度受到发动机的转速和扭矩的影响,如何让发动机在一个较为经济的状态下持续输出动力,成为各家的钻研方向。丰田这一设计的最终结果就是,发动机对应的齿轮直接与两个电机对应的齿轮相接触,对于汽车的时速不产生直接的影响,只影响两个电机之间产生的转速和负载。既能保证动力的输出,又减少发动机对于动力的影响,并且还能让发动机维持在一个定转速工况。

有了一个好的开端和高的起点,剩下的就是精益求精的调试。丰田为这套混动系统设计了超级复杂的计算,让发动机和电动机可以在大多时间内同时出力,其中低速和加速过程中,由扭力更直接的电动机出力,高速和巡航场景下,发动机通过传动来提供平稳的动力输出。在享受与传统汽车相同的动力输出和平顺性的基础上,带来更好的燃油经济性。


各工况下出力情况

根据丰田提供的资料,我们能够了解到,启动时只需要使用电池带动电动机即可。一般行驶的情况下,发动机作为主动力源,电动机辅助驱动。并将一部分动力用于为蓄电池充电或由电动机介入来辅助发动机驱动。

加速时同时使用发动机和电动机,电动机以提供辅助动力。减速时,车辆通过车轮带动电动机和发电机,将车辆的动能转化为电能并储存在蓄电池中。说到混动系统,就不得不提动能回收控制环节。在丰田的 THS 系统当中依靠负责驱动车辆的电机来回收动能。对此,丰田还为其匹配了一套液压制动系统。通过 HV-ECU 根据全局信息协调控制动能回收和液压制动的制动力分配。


混动系统(图片来自丰田)

并且在整个汽车行驶工况中,发动机剩余的能量都能通过电机转换成电能,储存在蓄电池中。目前在 THS 系统当中采用镍氢电池,虽然能量密度不及锂电池,但是成本更低、安全系数更高。

目前 THS 系统已经迭代到第四代,那么它们之间都有什么区别呢?第一代由单排行星齿轮做动力分流。其减速机构为链轮结构。第二代在第一代的基础上进行了成本优化,虽然仍采用第一代的动力分流原理和链轮减速机构,但在其中加入了升压技术,保证了电机输出性能不变的情况下内部结构更加精简紧凑。


丰田 THS 工作原理

第三代 THS 系统将发动机从1.5L 更换为1.8L,并将链轮减速机构改为一组行星齿轮所取代,两套行星齿轮共用一个齿圈。第四代的最大改变就是,将 MG1发电机与 MG2动力电机改为上下平行布置,并将减速结构改为平行轴齿轮,但是动力分流仍由 MG1发电机轴上的单排行星齿轮完成。

当然,丰田在混动领域的成就不止于此,对于消费者们来说,更为受益的是丰田将该技术下放到十几万的卡罗拉双擎和雷凌双擎上,让更多的人用更低的价格享受到技术带来的福利。


图片来自丰田

正如丰田介绍的那样,丰田的油电混合双擎动力系统是目前世界上普及率最高的混合动力系统。是具备出色燃油经济性的混联式混合动力系统,丰田油电混合动力系统将电动机和发动机动力进行优化匹配,在降低油耗的同时提供出色的驾驶性能。

丰田在全方位推进包括混合动力车在内的环保车型发展的同时,还把混合动力技术定位为蕴含了开发各种环保车所必需的技术要素的关键技术,既可以节约石油,又为最终摆脱石油打下了基础。它不仅能节省燃料及减少尾气排放,而且能够在必要的时候提供强劲的动力。

混动系统发展至今,丰田一直走在行业的最前列,但当今全球的主旋律已经从混动汽车变为了纯电动汽车,混动系统还能走多久,这是丰田接下来要考虑的事情了。



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