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『汤叔解惑』你可能从未真正理解 独家详解丰田THS混动技术

2019-08-30 08:38

来自 :电动邦

作者 :汤启隆

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站在新能源车大行其道的今天,丰田THS是一套很古老的油电混动技术,早在1997年就应用在量产的普锐斯车型当中。很多专业媒体也介绍过这套系统,但大多停留在功能层面,诸如它为什么省油,燃油发动机动力和电动机动力可以混联驱动加速之类的。但到目前为止我还没有见到过一篇文章真正把THS的动力分流策略、行星齿轮的分流原理,以及系统存在的bug做过详细介绍。可能讲得最多的就是它使用了行星齿轮机构,而本田的iMMD使用的是多片离合器机构。那么,丰田的THS到底是如何使用行星齿轮实现动力分流的?本期来为大家解读。

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▲丰田THS系统的机械结构

这套系统由两个电、一个行星齿轮、一个离合器组成。靠近发动机一侧的电机较小,叫做MG1电机,这台电机功率只有十几个千瓦左右,远离发动机的电机叫MG2电机,这台电机较大,有几十个千瓦的功率。MG1主要用于发电,MG2主要用于驱动。当然,如果在减速时,大功率的MG2电机同样可以充当发电机的角色回收制动能量。

要想了解THS的运作原理,首先要搞清楚发动机和电动机组成的混动系统分为三种耦合形式,分别是:转矩耦合、转速耦合、交替转矩与转速耦合。

转矩耦合我们最常见,也最好理解。它是直接把发动机输出轴输出的动力和电动机输出的动力刚性结合,既可以通过齿轮连接,也可以通过链条或者皮带连接,并把动力传递给传动系统,在混合动力车中最常见的是同轴设计。本田的i-MMD、,广汽的G-MC、上汽的EDU系统都是属于转矩耦合的混动类型。这种耦合设计意味着电动机和发动机的转速会成一定的比例关系,如果是同轴设计,那么两者的转速必须完全一致,这种转矩耦合型的混合动力完全可以起到把发动机扭矩和电动机扭矩叠加使用的效果,实现并联混动。

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如上图,上汽设计的EDU混动系统,发动机和电动机为同轴设计,并联运行过程中电动机始终要与发动机转速保持一致

转速耦合相对比转矩耦合要复杂一些,丰田THS采用的是交替转矩与转速耦合形式。丰田THS与其它混动最大的不同,就是系统通过一个行星齿轮来实现发动机和电动机动力的混合。

我们知道,行星齿轮本身就具有动力分配的特性,这种特性我们在全时四驱系统的中央差速器中早就见到过。即便是两驱车,它的差速器也是采用的行星齿轮系统进行左右车轮动力的分配。从差速器的原理我们就可以了解到,行星齿轮可以将一根传动轴上的动力自动分配给左右两根半轴上。当车辆转弯时左右车轮会产生转速差,行星齿轮可以在左右车轮转速不一致的情况下自动调节左右车轮扭矩的分配。丰田的THS就是利用了行星齿轮的这项特性来实现转矩耦合的。

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▲丰田THS系统发动机、电动机、发电机与行星齿轮的连接关系

如图这个行星齿轮的太阳齿轮(Sungear)与发动机连接(之间由电控离合器控制动力的通断),外齿环(Ring gear)与MG2电动机连接,并通过齿轮与输出轴刚性连接在一起。行星齿轮托架(Pinion gear)与MG1电机(发电机)相连,这就是丰田THS系统的基本构成。

这套系统与很多功能丰富的自主品牌PHEV混动系统不同,它只有4种常用工况设定,分别是:纯电驱动工况、高速混联驱动工况、非高速混联驱动工况、制动能量回收工况。

发动机与发电机MG1之间采用的耦合方式为转速耦合方式。从行星齿轮的动力传递路径来看,发动机的动力传给行星齿轮托架后,被分成了两个动力输出路径:一个是太阳齿轮,传递给了MG1发电机。另一个是外齿环,传递给了输出轴。而主要用于驱动车辆的MG2电机与外齿轮的动力为同轴刚性耦合,也就是转矩耦合方式。

所以,用一句话来概括,就是MG2电机采用了转矩耦合来与发动机动力耦合,共同驱动车辆加速;MG1电机采用了转速耦合方式,分流了发动机的动力进行发电。

发电环节为什么要采用转速耦合来分流发动机动力?

转速耦合的最大好处,就是两个输入动力的转速可以不一致,或者说可以不用成比例关系同步。因为行星齿轮可以自动分配不同转速,这个过程就好比差速器一样。以差速器为例:当车辆转弯滑行时左右驱动轮转速不一致,但经过差速器行星齿轮机构的耦合后,最终变成了一根传动轴上的惯性动力整合给了发动机。THS转速耦合的原理,就类似与发动机制动时的差速器原理。发动机的动力通过太阳齿轮,一部分分配给了发电机MG1,一部分分配给了外齿环用于车辆驱动。而发动机与MG1发电机转速完全不用保持比例关系。也就是说发动机可以选择任意转速驱动车辆。

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上面这张图体现了在四种工况下太阳齿轮S(连接MG1发电机)、外齿圈R(连接输出轴)、行星齿轮托架C(连接发动机)之间的转速关系。纵坐标为转速,+为正转,-为反转。

1:纯电驱动模式下:

R外齿圈(MG2电机和输出轴)为正向转速,C行星齿轮托架(发动机)转速为0,此时发动机为熄火状态。S太阳齿轮(MG1发电机)在行星齿轮的作用下反转发电,转速大于输出轴转速。

2:混联驱动(非高速巡航)模式下:

   R电动机和C发动机都为+正转速,两者动力叠加驱动车辆加速。S发电机也为正转速,进行发电。

3:混联驱动(高速巡航)模式下:

   R电动机和C发动机都为+正转速,此时发动机保持较低转速驱动用于节省燃油,S发电机为-转速(反转)发电。

4:制动能量回收模式:

   R带动MG2电机,电机为正转速,通过电控系统的控制,实现发电功能,C发动机熄火断开连接,S发电机MG1反转发电。

■  总结

    正因为丰田THS是通过转速耦合来实现混联发电,所以发动机转速可以时刻保持在需要的转速。低速加速时可以高转速输出,高速巡航时可以低转速运转节省燃油。不管采用哪种转速,发动机的动力都可以一部分用来发电、一部分用来驱动车辆。也正是这套转速耦合系统,变相实现了变速箱的作用,这就是丰田E-CVT的由来。

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