為什麼說行星齒輪組是混合動力系統中的「神器」?

2021-01-19 直驅與傳動

始於第一代普銳斯的行星齒輪組有哪些「神奇」的地方？

行星齒輪結構其實在汽車領域的應用已經很久了，市面上大部分自動變速箱都是使用若干組行星齒輪，再配合液力變矩器來達到變速的功能。而世界上第一款在商業上獲得成功的混合動力汽車——1999年推出的豐田普銳斯一代，也是採用的這種結構。

行星齒輪差不多就如下圖所示，其中Sun gear是太陽輪、Ring gear是齒圈，Planet carrier是行星架。這三個機構分別可以連接三個動力輸出或輸入端。如果固定其中任何一個，則另外兩個相當於普通的齒輪咬合;如果固定其中兩個，則整個行星齒輪被鎖死。值得注意的是，Planet gear行星輪並不連接任何輸入輸出機構，它也一直是自由轉動的，否則整個行星齒輪組都不能轉動。而連接動力的是行星架，行星架固定以後，行星輪只自轉，但不圍繞太陽輪公轉。

它動起來是下面這樣子——

一般並聯使用的機械耦合，即兩個輸入端的齒輪同時嚙合在輸出端的齒輪上，最顯著的特點是三個齒輪需要有相同的速度（齒速）。而在齒輪大小不同的情況下，兩個輸入端的扭矩可以自由組合，但二者的轉速需要達到一定的固定比例。

而行星齒輪組的各部分轉速只需要滿足一個線性關係就可以了——

下面右側的槓桿圖，可以很清楚的解釋三個轉速的關係，S和R分別是太陽輪和齒圈的半徑（也可以認為是太陽輪和齒圈的齒數）

在很大程度上，動力流的扭矩和速度都被解耦了。這也是基於行星齒輪的混合動力被稱為「動力分流」的原因，也就是說，基於行星齒輪組的混合動力可以相對自由地將一個輸出/輸入軸的動力分流到兩個輸入/輸出軸。

一個最簡單的動力分流混合動力的構造如下圖所示：

它可以提供最多10種工作模式，下面一一用槓桿圖說明（圖中粗實線與三縱軸的交點高低表示正負轉速的大小，箭頭長度表示扭矩大小）

1.車輛靜止時，如果電池電量過低，電機正轉、正扭矩，帶動發動機啟動——這替代了原本汽車上12V啟動電機的功能。

2. 一旦發動機啟動，則發動機為正扭矩，在熱車的同時帶動電機給電池充電。

3. 正常情況下，汽車靜止時都不必啟動發動機，在低速行駛時都可以用電機驅動，此時鎖止器1鎖止了發動機和行星架，電機反轉並輸出正扭矩（與轉速同向的扭矩），帶動汽車前進。在這個構型下必須有鎖止器，否則一旦油門過深，電機電流過大、扭矩過大，就很容易帶動發動機倒轉。

4. 如果是在車速較低的情況下剎車制動，則車輪有負扭矩，帶動電機輸出負扭矩給電池充電。

5. 如果是在車速較低的情況下持續加速，車速提高，當電機驅動車輪已經沒有發動機直接驅動車輪高效，則電機會加大扭矩，帶動發動機啟動。

6. 發動機啟動後，鎖止器2將電機和太陽輪固定，發動機運轉在高效區間，直接驅動車輪。如果沒有鎖止器，一旦油門過深，就很容易將電機帶出轉速來，從而給電機充電。

7. 如果車速進一步上升，那麼要將發動機繼續保持在高效區間，受三者轉速成線性關係的限制，就必須讓電機參與工作。如果此時驅動汽車所需功率小於發動機高效區間輸出功率，則多餘功率帶動電機輸出負扭矩，給電池充電。

8. 如果此時驅動汽車所需功率大於發動機高效區間輸出功率，則電機輸出正扭矩作為補充。

9. 如果在低車速的情況下，需要急加速，則電機和發動機同時輸出正扭矩。需要注意的是，因為電機轉速的限制，發動機的轉速並不可能過高，仍然需要保持在中低轉速，這限制了發動機的動力輸出。

10. 在高車速時急加速，則可以使發動機和電機都保持高轉速和大扭矩，因此足以應付高速公路上坡超車的需要。

因此，在只需要一個行星排（行星齒輪組）且沒有變速箱的情況下，就實現了比普通串並聯更多的工作模式，使得內燃機基本上可以保持在最佳轉速和最佳扭矩輸出，這也是為什麼一般這種混合動力不被稱為並聯的原因——儘管它實際上只是一種更為高級的並聯。

此外，由於電機轉速範圍大，而且在各個區間效率都相對高，所以可以通過調整電機的轉速來連續調整發動機的轉速——因此它也叫做E-CVT，這種剛性連接不但比基於鋼帶的普通CVT傳動效率更高，而且也更平順。

但這個構型（行星齒輪組）顯然也是有其局限性的——

首先，電機單獨驅動車輛時，只有一條減速路徑，而且這條減速路徑最終傳動比較高，使得在行車速度較低時，電機也需要運轉在低效率的較高轉速。

下圖為第二代普銳斯使用的電機效率圖，橫軸為轉速，縱軸為扭矩，等高線表示效率（以百分比為單位），可以看出，儘管電機高效區間更寬泛，但仍然有更為高效的扭矩和轉速區間。考慮到在不插電的混動汽車中，電量完全來自於發動機帶動電機發電，電驅的所有能量實際上經過了內燃機->發電機->電動機（可能是同一個電機）三步損耗——比內燃機驅動還多出兩步，因此電機如果不能維持在最高效率，很可能也並不節能。