「講堂」轉矩轉速,雙管齊下,THS究竟是怎麼做到的

上一節講了混合動力汽車節油的根本在於通過電動機的輔助，使發動機工作在高效區間，讓每一滴燃油的能量得到充分利用。那麼這次就結合具體車型，來講講豐田系的混動系統究竟是怎麼工作的。為此，特地借了一輛雷克薩斯，實際體驗其節油效果。

主角就是它了，雷克薩斯RX450h

雷克薩斯家的混動系統叫做LHD（Lexus Hybrid Drive），上圖是RX450h採用的E-CVT結構，比起初代的THS，結構上做了一定的修改，在原來齒圈的基礎上又串了一個行星排，電動機MG2與第二個行星排的太陽輪連接，改良了混動系統的效率和高速表現。不過我們的解析要從簡單的開始，從核心開始，行星齒輪組究竟如何實現既管轉速又管扭矩的。

第五節：兩臺電動機一個行星排，是怎麼讓發動機聽話的

還是要祭出這張圖，豐田THS的關鍵在於其PSD（Power Split Device，動力分配單元）技術，為一組行星齒輪，如圖所示，一號電機（MG1，主要起發電、啟動發動機和調速作用）連接行星齒輪組最中間綠色的太陽輪，二號電機（MG2，主要用作驅動電機和動能回收時的發電機）連接最外邊紅色的齒圈、而發動機則連接中間藍色的行星架，注意是行星架（圖中標識為行星齒輪座），而不是行星輪。

和傳統的圓柱齒輪嚙合時，主從齒輪轉速關係直接與齒數相關不同（比如主動齒輪轉速為10rpm，齒數為15，從動齒輪齒數30，那麼從動齒輪的轉速就是10/(30/15）=5rpm），行星齒輪組由於是三組齒輪互相嚙合，其轉速關係較為複雜。可以用以下公式表示：

整個公式的含義為，行星齒輪組的變速比等於齒圈齒數與太陽輪齒數之比，也等於太陽輪、齒輪架轉速差與齒輪架、齒圈轉速差之比。

這個公式看不懂？換個形式，左右挪一挪，變成了這樣：

對於普銳斯而言（RX450h的結構稍微複雜一些，但原理相同），齒圈齒數為78，太陽輪齒數為30；還有發動機電動機與各齒輪之間的連接關係，把這些信息帶入，就得到了下邊賞心悅目的式子：

其中下表e、m、g分別代表發動機（engine），電動機MG2（motor）和發電機MG1（generator）。

整個式子的含義為，發動機轉速等於0.7222倍的MG2轉速加上0.2778倍的MG1轉速。在三個轉速變量中，需要知道兩個，就能求得第三個。比如知道發動機轉速為2000rpm，MG2為2250rpm，那麼此時發電機轉速就需要1350rpm。

這樣的關係還可以用作圖法來簡單確定，看上圖，三根豎線分別代表太陽輪（MG1）、行星架（發動機）和齒圈（MG2），MG1豎線與發動機豎線之間的距離為78，而發動機與MG2的距離為30，是不是很熟悉，就是該行星齒輪組齒圈和太陽輪的齒數。

中間的橫線代表轉速為零的狀態，越向上/向下代表轉速越大，而在橫線上方代表正轉，橫線下方代表反轉（正轉反轉是一個相對的概念）。在這張圖上，太陽輪、行星架、齒圈的轉速，三點必須要在同一直線上，這是行星齒輪結構決定的。

紅色的直線代表三個齒輪的運動狀態，與三根豎線分別交於A、B、C三點，很容易看出，B點代表發動機轉速為0，如果此時C點轉速為300rpm的話，那麼根據相似三角形原理，A點的轉速就為780rpm。也就是說，這張圖代表著MG2轉速300rpm，發動機不轉時（即低速純電動行駛時），MG1必須以780rpm的轉速空轉。

RX450h純電行駛時的能量流圖，發動機此

由於THS結構上電動機MG2與主減速器直接相連，也就是說，MG2的轉速正比於車速，假如車速40km/h時電動機轉速1500rpm，那麼車速80km/h時電動機轉速就為3000rpm。隨著行駛的車速上升，MG2的轉速也就是C點就會不斷上升，要保證純電動行駛，發動機轉速始終為零，那麼A點也要相應下移。比如MG2轉速600rpm時，MG1就要1560rpm，MG2轉速1500rpm時，MG1就要3900rpm。

所以說，大部分豐田混動車型純電行駛限速在60km/h左右是有道理的，雖然電動機完全沒問題，但是純電行駛會讓發電機被倒拖至更高的轉速，產生不必要的損耗。於是，純電行駛達到一定車速之後，發電機就會充當起動機，讓發動機運轉起來。

知道了行星齒輪具有這樣的轉速關係，那麼我們就能夠理解為什麼THS能夠通過其進行發動機的調速了。發動機轉速為2000rpm時效率最高（假定），那麼車速40km/h時電動機MG2轉速1500rpm這是已知的，那麼發電機MG1就需要（2000-1500*0.7222）/0.2778=3300rpm，才能夠讓發動機轉速為2000rpm。用作圖法就可以表示為：

那麼車速80km/h時電動機轉速就為3000rpm，此時發電機需要（2000-3000*0.7222）/0.2778=-600rpm，反轉，同時轉速為600rpm。用作圖法表示：

於是，THS通過行星齒輪，通過MG1的轉速調節，實現了在合理速度範圍內（轉速調節有範圍，不僅僅電動機有轉速上限，而且調節本身也會消耗一定能量，不能夠在任何時候都強行調速），車速不管怎麼變，發動機都能夠始終保證穩定在最高效率的轉速工作。

在電池電量很低時，發動機可以在停車狀態下給電池充電，其轉速關係如下圖：

但是，僅僅只是調節發動機轉速的話，和普通的CVT變速箱沒什麼區別，而THS之所以可以省油，就是因為它不僅可以調節轉速，還能夠調節轉矩。前一期講堂就提到了，讓發動機工作在最佳效率點並不僅僅需要轉速。轉矩，或者說輸出功率的大小也會影響到發動機的效率。THS除了能夠像CVT那樣無級調節發動機的轉速，還能夠調整發動機的扭矩（功率）輸出，讓其始終保持穩定，這是CVT做不到的。

怎麼調節轉矩呢？

還是來舉個例子，假如一輛車以60公裡的車速上坡，需要動力系統提供50kW的功率。而發動機轉速2000rpm，輸出功率45kW時，效率最高。此時電動機轉速2250rpm（車速決定的，已知量），根據前邊提到的這個公式：

發電機轉速就必須為（2000-2250*0.7222）/0.2778=1350rpm，此時發動機的功率（扭矩）加載在齒圈上一部分傳遞給太陽輪（發電機），數值為0.2778*45=12.5kW，另一部分傳遞給齒圈，數值為0.7222*45=32.5kW。

發動機的輸出只有32.5kW直接輸出至齒圈（既是車輪），另外的12.5kW經過發電機發電，電能傳輸至電動機，再輸出，假如發電機、傳輸過程沒有損耗，那麼這12.5kW也能通過電動機輸出到齒圈。那麼此時齒圈上就是32.5+12.5=45kW，那麼還缺的5kW從哪裡來？從電池裡來。功率流關係如下圖所示：

發動機輸出45kW，電池輸出5kW，讓車輛滿足了以60km/h車速爬坡的50kW動力需求。那麼如果平地60km/h行駛，需要功率只有45kW時呢，那麼電池就不輸出了，能量全部由發動機提供。如果下坡時，車輛只需要40kW的時候呢，那就有5kW向電池充電。

而這則是發動機功率不足，電池還需要提供一定能量的情況，當然，控制電池充放電的邏輯並沒有這麼簡單，電池電量、當前車輛所處的模式、車輛的行駛狀態等等都要綜合考慮。

但是，注意到沒有，前邊所說的前提是發電機發電、傳輸過程沒有損失的話，發動機的45kW就能夠全部輸出給車輪。但是，這樣轉一圈，實際上一定有損失，可能發動機輸出45kW，實際上只有40kW能夠輸出給車輪，5kW損耗了。是不是可以理解為什麼本田的銳·混動在某些情況下會比THS更加省油了？

就是因為THS的結構導致了其發動機、電動機、發電機之間功率耦合，發動機的輸出必須要轉個圈才能夠到車輪上，遇上那種正好位於發動機高效區間的中高速行駛工況，THS反而沒有能夠讓發動機直接驅動車輪的銳·混動省油。

這就是成也THS、敗也THS，THS的結構使它能夠調節轉速，扭矩，但也正是這個結構，讓它不能夠做到極致。不過需要注意的是，我上邊解析的只是第一代THS的結構，第二代增加了減速器，第三代又增加了離合器和鎖止裝置，其缺點也在不斷改善之中。所以說，綜合來看，至少在我個人眼中，THS稱得上是這個市場中最為優秀的混動系統