丰田的THS混动原理：混动基督丰田THS冷知识一二三

丰田的THS混动原理：混动基督丰田THS冷知识一二三功率=转速×扭矩图中横轴为引擎转速，纵轴为引擎扭矩，扭矩即力矩，代表引擎的加速能力。这是最基本也最主要的两项引擎参数，决定了引擎输出功率。内燃机相比电动机，对能量的利用效率很低，普通汽油引擎的热效率还不到30%。什么是热效率？就是引擎把燃料热能，转化为引擎转动机械能的输出效率。它不是一成不变的，随着引擎工况变化，热效率也会产生波动。所以，内燃机工作都有一个经济区间，在此区间内，热效率高，工作相对更节能。看下图：

作者 —— 咖加用户：眠不休5

全世界都等不及把石油赶出城门，就像一百年前对待煤炭那样。可由于自身局限，锂电要取代燃油，看来遥遥无期，于是一个折中的办法——混合动力就诞生了。它通常把牵引电机和汽油引擎结合起来，不一定能让天空更蓝，但作为代步工具，对燃油效率和动力性能的提升立竿见影。

在这一领域，丰田普锐斯的地位举足轻重。它就像混动界的耶稣，在它之前也不乏"传教者"，但在它之后，世界才真正跨过那条金线，迈入了混动元年。相信未来很长一段时间，丰田混动都会领跑同行，了解一下这套系统如何运作，没什么坏处。不过在此之前，我们还需要一些知识作铺垫：

为什么混合动力更省油？

内燃机相比电动机，对能量的利用效率很低，普通汽油引擎的热效率还不到30%。

什么是热效率？就是引擎把燃料热能，转化为引擎转动机械能的输出效率。

它不是一成不变的，随着引擎工况变化，热效率也会产生波动。所以，内燃机工作都有一个经济区间，在此区间内，热效率高，工作相对更节能。看下图：

图中横轴为引擎转速，纵轴为引擎扭矩，扭矩即力矩，代表引擎的加速能力。这是最基本也最主要的两项引擎参数，决定了引擎输出功率。

功率=转速×扭矩

图中呈梯田分布的曲线，体现的是引擎热效率分布，同一条曲线上的任意位置，热效率是相同的，越接近中心区域，热效率越高。这些热效率相对较高的工作区间，就是引擎的经济区间。图中曲线在中央位置"圈"出的最小"梯田"，就是这款引擎的最佳工作区间。

现在我们知道，引擎是否经济运行，取决于转速和扭矩交汇的工作点是否处于经济区间。

传统燃油车通过变速箱来调节引擎转速。变速箱每一个档位，都代表不同的传动路径，引擎动力通过它传至车轮。每一条传动路径都有一个固定的传动比，它代表了引擎转速与车轮转速之比，因此从某种意义上说，引擎与车轮是"绑定"的，它们之间的转速扭矩有一个固定比例。

假设一个档位的总传动比是3:1，此时轮上扭矩是900牛米，轮速是每分钟500转，那引擎扭矩就是300牛米，转速就是1500转，这就不能保证引擎工作总是经济。就像一张长宽无法调整的沙发，不会那么巧刚好放得进你家客厅。

混动系统要做的，就是通过电机的辅助，消除这个固定比例，让引擎工况与轮上输出不再相关，也就是说现在可以自由调整"沙发"的长宽，把它轻松放进"客厅"了。这样将引擎和车轮"解除绑定"的过程，就是解耦，这是混动节能的主要原理之一。

混动节能的原理之二，是为引擎和车轮之间引入一种新的传动路径：传统变速箱的传动路径，是一种机械路径，引擎动力通过齿轮之间的机械传动，直接输送到车轮，没有能量二次转换，传动效率最高；新的传动路径是一种机电路径，它把引擎动力转化为电力，以供电机输出。注意，在此过程中能量经过了"机械能→电能→机械能"的二次转换，传动效率有所下降，但在机电路径的应用场景中，引擎总是经济运行，因此综合燃油经济性反而更好。具体原理后面还会细说。

以上就是混动系统的底层逻辑：通过高效的电机为引擎与车轮解耦，让引擎总在经济区间工作，并转化引擎部分动能，以供电机输出。

主流混动系统引擎通常采用阿特金森循环，这种引擎的经济区间更宽广，但低转速时扭矩不高，车辆起步乏力。刚好电机在低速区间的扭矩最大，弥补了引擎的不足。

不仅如此，通过电机调节引擎的转速和扭矩，能够让引擎工况，走在一条非常经济的"线"上，看下图，有一条红线和一条蓝线，分别是丰田混动系统中1.5L和1.8L引擎工作的"经济线"，在这条线上，引擎工作是高效的。

现在我们知道了混动系统基本的设计思路，但要实现目标，还需要确定整体布局。

混动系统有三种布局

并联式混动系统：只需一台引擎和一个电机，两者与驱动轴之间都有机械路径，因此可以在急加速时并行驱动车轮，让车辆迅速起飞。因为有引擎和电机两个动力源，系统可以将车轮所需扭矩，自由分配给引擎或者电机，这样引擎的扭矩与轮上扭矩不再相关，但引擎与车轮之间的传动比是固定的，转速并没有解耦，引擎就不能总在经济区间，也仍需传统变速箱来调节转速。可想而知，节能效果不会很好，但相对而言，是门槛最低的混动技术，研发成本较为低廉。

串联式混动系统：一台引擎，一个发电机和一个电动机。系统只有一个动力源，就是电动机。引擎仅作为增程器，它通过发电机发电，为电动机供能。引擎与发电机之间是机械路径，发电机与电动机之间则是电气路径。这样布局的好处很明显，由于引擎与车轮之间没有机械路径，其转速和扭矩都解耦了，引擎就总能经济输出。不好的地方是，混动引擎无法直驱车轮，当混动引擎和传统引擎都在高效区间工作时，前者未必有优势。

混联式混动系统：和串联式布局一样，也配备一台引擎，一个发电机和一个电动机，不同的是，引擎与车轮之间存在机电和机械两种传动路径，具备串、并联两种模式，引擎可以在高效区间直驱车轮。这是目前公认最好的混动形式。

混联式混动系统的控制逻辑：

只要电量充足，系统会选择关闭引擎，比如低速低负荷运行时，系统会选择电动机输出。

当引擎必须介入时，就需要电机调节系统转速，分三种情况：

当车辆所需动力高于引擎输出"经济线"，系统把引擎输出"降至"经济线，不足动力由电机补足；

当车辆所需动力低于引擎输出"经济线"，系统把引擎输出"升至"经济线，超出动力由电机回收；

当车辆所需动力等于引擎输出"经济线"，引擎直驱车轮。

逻辑看来很完美，但怎么实行，实行得好不好，还得看结构设计。丰田THS具体是通过什么机构来执行以上任务？它与别的混联式混动系统又有什么不同？

丰田E-CVT变速器和传统变速箱有什么不同

传统燃油车都需要变速箱，以控制引擎与车轮之间的传动比，从而尽可能保证车辆跑得快，还跑得省。但THS系统不存在传统意义上的变速箱，这套系统的变速器是发电机，电动机，动力分流装置，动力控制单元等机构的集合，就是下图这个机构。

这款变速器的结构中心，是它的动力分流装置，称为Power Split Device (PSD)，其主体是一套行星齿轮组，由太阳轮，行星轮，行星架，齿圈构成。

引擎→行星架

发电机→太阳轮

电动机→齿圈

齿圈→车轮

就是这么一套简单的齿轮组，把引擎和双电机衔接起来，在输出动力和回收动能之间无缝切换，这也是THS系统最大的脑洞和命门。传统燃油车要将动力平顺迅捷送至车轮，需要一套复杂笨重的变速箱，通常包含了多组行星齿轮组和离合器。

丰田行星齿轮组的妙处，不仅在于完成引擎转速扭矩的双解耦，还可实现引擎与车轮之间传动比的连续可变，这也是THS能像无级变速箱一样顺滑输出的根本原因。下面来看看它是如何做到的：

先去掉行星轮，假设太阳轮，行星架，齿圈都只是普通的圆柱齿轮，它们无法构成上图"同心圆"布局，而是依次连接，组成平面定轴齿轮系，在此布局中，齿轮轴线是固定的，各齿轮轴线也是相互平行的，也就是说，各齿轮都只能沿自身轴线"自转"，就像下图这样：

由于齿轮齿数之比不变，因此不论如何旋转，齿轮之间的转速比始终不变，也即传动比固定。

如果红色齿轮（连接发电机）→蓝色齿轮（连接引擎）→绿色齿轮（连接电动机）→车轮

则类似上文提到的并联式布局，引擎和电机都与车轮有机械连接，都可以直驱车轮，此时引擎和电机可自由分摊扭矩，引擎扭矩与车轮是解耦的，但传动比固定，转速无法解耦。

现在引入行星轮，把它安装到行星架上。

行星架通过行星轮与齿圈内齿啮合，再与太阳轮外齿啮合，从而实现三轮"同心圆"布局，就可在齿轮之间产生"行星传动"：行星轮不仅可沿自身轴线"自转"，其轴线还可围绕"同心圆轴线"进行"公转"，此时，太阳轮到齿圈之间的传动比，取决于行星轮的自转和公转速度两项参数，于是轮系自由度增大，三轮之间的传动比不再固定。

现在美妙的事情发生了——转动齿轮组任意一轮，另两轮可以"自由"搭配转速，只有当任意两轮转速确定时，第三轮转速才确定。解耦目标达成！

丰田THS行星齿轮组的输出端，是齿圈（电动机），它与车轮之间传动比是固定的。因此当车速确定，齿圈的转速也是确定的。但行星架（引擎）和太阳轮（发电机），它们的转速可以根据工况自由搭配。于是引擎和车轮之间传动比不仅不固定，还可在一定范围内实现连续可变，动力输出就能更平顺。这也是丰田把这套传动系统命名为E-CVT的原因。

丰田THS的主导部件是连接太阳轮的发电机，它的作用不光是发电，更重要的是为引擎调速调扭，让整套动力系统以最经济的方式运行。

以上是E-CVT职能中作为变速器的部分，而整套系统能够经济运行，还与它另一项职能密不可分，就是功率分流。

为什么功率分流重要？

当引擎输出的机械功率经过行星齿轮组，会分流成两部分：一部分功率走机械路径直接传至车轮，一部分功率走机电路径，通过与齿轮连接的发电机转化为电功率，再传递给电动机进行输出。这就是功率分流。

"分流"本身并不高效。因为此时，引擎输出的功率，有一部分进入了机电路径，能量经历了二次转换，就不如"机械路径"直接。电功率分流越多，传动效率就越低。也因此，由于增加了能量存储和释放的过程，"引擎为电池充电，需要时再放电"的策略更加低效。被迫使用机电路径时，最好是引擎通过发电机直接为电动机供电。

但传动效率只是决定燃油经济性的因素之一，还有一个重要因素，是引擎热效率。低热效率的机械传动，有时不如"高热效率超量输出，再回收利用"的机电传动来得高效，这是两害相权取其轻的策略。这也正是功率分流的意义。

当引擎输入功率＞输出端输出功率，引擎通过电机分流，将这部分功率存储在电池中

当引擎输入功率＜输出端输出功率，电池放电，补足功率

但以上工况涉及电池充放电，并不是最佳模式。更经济的工况是电池不参与工作，系统只有引擎一个输入端，分流的电功率从发电机直接传递给电动机。

如何控制电功率分流比例？上文提到"转动齿轮组任意一轮，另两轮可以自由搭配转速"，自由两字是打引号的，实际三轮之间转速是呈特定比例的。

想象一个场景：斜面由高到低依次放置三个同款水杯，杯底相互连通，现在往一个杯子里倒入定量的水，不论杯间水平距离怎么变化，只要杯底之间垂直距离不变，最终三个杯子的水量之比是不变的。

现在把斜面换成杠杆，水杯所在位置都可作为转动支点，情况不一样了，随着杠杆与地面角度的变化，三杯之间水平和垂直距离都在变，杯中水量之比不再固定，且任何时候，三杯水面都在同一水平线上。

行星齿轮组三轮之间的转速关系与之类似，分处两端的齿圈和太阳轮，它们的转速以中间的行星架（行星轮）为支点，进行着"此消彼长"的杠杆游戏。将场景图表化，就是这样：

在一条横轴上依据三轮位置和齿比，建立三条纵轴，分别代表三轮转速。你会发现，无论何时，三轮转速点都在一条直线上，只要确定任意两轮转速点，第三轮转速点必然位于另两点连线与第三轮纵轴的交点。

当行星架转速固定，太阳轮转速"升高"，齿圈转速就会"降低"，当齿圈转速固定，行星架转速"升高"，则太阳轮转速也会"升高"……以此类推。

这就是行星齿轮组的运动特性，假设太阳轮，齿圈，行星架三轮转速分别为n1，n2，n3，它们之间的函数关系就是这样：

n1 kn2=(1 k)n3

其中，k是行星齿轮组的特征参数，代表齿圈/太阳轮的齿比，也可看作行星架固定时，太阳轮到齿圈的传动比。

三轮各自都可以作为输入端，也可作为输出端，任意一轮作为输入端，都可依据三轮之间转速之比，把输入的功率分配给另两轮，最终三轮功率相加为零，满足能量守恒。

了解了这一特性，便于我们理解功率分流。因为控制功率分流，本质上就是控制三轮间转速之比，也即它们之间的"传动比"。此外，电机位置和类型也很关键，因为发电机在哪里，"分流点"就在哪里。

同样一组或几组行星齿轮组，电机所处位置不同，其分流特性存在差异。目前以行星齿轮组作为中心耦合机构的混动系统，依据电机所处位置，有三种基础的分流方式。

如果把引擎和系统输出端的位置，设为A和B，引擎位于A，输出端位于B。两个电机中的一个，位于A点，就是输出分流型；位于B点，就是输入分流型；如果两个电机既不在A也不在B，就是复合分流型。

分流有什么弊端？

由于齿轮组不同工况下的分流特性，两个电机之间会出现一种特别的功率循环现象：

正常情况下，引擎功率走两条路线，一部分走机械路径，一部分走机电路径，最终都以机械功率汇流到输出端，再传至车轮，此时机电路径的流向，与机械路径输出方向相同。

但要注意，虽然两个电机分工不同，但同为电机，它们都既可以放电，也可以发电，随着齿轮组传动比的变化，在特定工况下，它们的"身份"会发生互换，主司驱动的电动机开始发电，机电路径流向逆转了。

当分流方向与输出方向相反，引擎部分功率就被转化为电功率，在两个电机之间无限循环。如果车轮是食客，行星齿轮组是送菜的转盘，功率就是转盘上的菜，食客眼看饭菜在面前转了一圈又一圈，有些菜却吃不上，这就是功率循环。

功率循环一旦发生，引擎输入功率会远远大于输出端输出功率，增加额外损耗，传动效率就会骤降。

如何避免功率循环？因为电池的辅助不会改变齿轮组的分流特性，接下来就以"电池功率为零"作前提，来看特定工况下三种分流方式如何取长补短。

首先记住一个特征，当电功率分流比例为零，此时引擎功率全走机械路径，传动效率最高，我们把这种工况称之为系统的机械点。此时发电机所在齿轮转速为零，结合齿轮组运动特性，当任意一轮转速为零，则剩余两轮之间的传动比固定（例：当n1=0，n3/n2=k(1 k)），引擎转速与车轮转速再度"绑定"，为了燃油经济性，工程师会把机械点设置在经济区间。

输出分流型：看下图，2号电机→太阳轮；引擎 1号电机→齿圈；行星架为输出端。

有一个电机与引擎位置相同，因此是输出分流型。

系统传动比=引擎转速/输出端转速，则

当系统达到机械点时，2号电机（太阳轮 ）转速为零，此时没有电功率分流，1号电机（齿圈）空转，引擎输入功率 输出端输出功率=0。

现在引擎转速不变，我们把输出端转速相对引擎转速"降低"，于是系统传动比>机械点传动比，根据"杠杆法则"，2号电机转速也会"降低"

根据力学平衡原理，齿轮之间作用力方向相反，扭矩方向也就相反，于是太阳轮扭矩与行星架相反，与齿圈相同。

太阳轮2号电机自身转速与扭矩方向相反，功率为负，这就是发电。此刻它的"身份"是发电机。

现在引擎部分机械功率→行星架（输出端分流）→2号电机→电功率

电功率只能在电机和电池之间传递，此时电池不参与工作，于是

引擎部分机械功率→行星架（分流）→2号电机→电功率→1号电机→机械功率→行星架（再次分流）→2号电机，形成功率循环。

可以看到，系统传动比>机械点传动比时，传动比越高，电功率分流比例越高，功率循环也越严重。

接下来依旧维持引擎转速不变，升高输出端转速，于是系统传动比<机械点传动比，相应地，2号电机转速也"升高"了：

太阳轮的2号电机，自身转速与扭矩方向相同，功率为正，这就是放电，此时身份为"电动机"。它将电功率转化为机械功率，后者流向只有一个，就是输出端。

于是，引擎部分机械功率→齿圈（输入端分流）→1号电机→2号电机→行星架（输出端）

此时分流方向与输出方向相同，没有功率循环。

以上可以看出，只要在输出端分流，分流方向一定与输出方向相反，功率循环就出现了。

输出分流型耦合机构的系统传动比与传动效率的关系，是类似这样的：

总的说来，当系统传动比<机械点传动比时，传动比越小，电功率分流比例越高，传动效率越低，但没有功率循环，传动效率维持较高水平；

当系统传动比>机械点传动比时，传动比越高，电功率分流比例越高，功率循环也越严重，传动效率开始骤降。

这就是个问题。

系统处于高传动比时，大都在起步和中低速行驶，这是车辆市区通勤的主要工况。如何处理这种低效传动？

通用初代Volt就采用输出分流式布局，除了设置恰当的传动比范围和电机类型等基础操作，它还在发电机与齿圈之间引入离合器C2，当它断开时，引擎与车轮之间只剩下机电路径，系统变为串联布局，这样就能避开高传动比工况下的功率循环。

但C2断开时，齿圈没了限制，整个齿轮组就会空转，无法输出动力，为此还需再引入一个制动离合器C1，在C2断开时固定齿圈，方便电动机高扭矩输出。

通用还把车辆做成插电版，让它在中、低速工况尽可能使用初始和回收电量进行纯电行驶，中、高速使用混动模式，这样弥补了燃油经济性的不足，又提升了动力性能。但亏电之后，弱点就浮现出来。​

输入分流型：看下图，1号电机→太阳轮，引擎→行星架，2号电机→齿圈（输出端），有一个电机位于输出端，因此是输入分流型。丰田普锐斯就是如此布局。

当i=λ时，1号电机（太阳轮）转速=0，2号电机空转，引擎功率（行星架） 输出端功率（齿圈）=0

维持引擎转速不变，降低2号电机转速，1号电机转速随之升高，此时系统传动比>机械点传动比，后者转速与扭矩方向相反，在发电，电功率传至2号电机，再转化为机械功率传至输出端。于是引擎功率在输入端分流，一部分走机械路径到输出端，一部分通过"1号电机→2号电机"的机电路径到达输出端，分流方向与输出方向相同，没有功率循环。

维持引擎转速不变，升高2号电机转速，1号电机转速随之降低，后者转速与扭矩方向相同，在放电，此时2号电机发电，因此引擎功率在输出端分流，分流方向与输出方向相反，形成功率循环。

看下图可知传动比与效率的关系，相比输出分流式，该布局在低速高传动比时，传动效率很高，但在高速低传动比时，由于存在功率循环，相比低速时燃油经济性下降。

丰田THS采用输入分流式布局，工程师通过将机械点设定在平均车速附近，来尽量减少高速工况下的功率循环，但高速燃油经济性仍受影响。

复合分流型：结构更复杂，至少有两排行星齿轮组，两个电机既不与引擎同位，也不在输出端，因此两个电机转速都可为零。

从上图可知，当电机转速分别为零，系统传动比并不相同，因此系统具备两个机械点，这样的好处是——由于两个机械点之间，电功率所占比例较小，系统能够在更宽广的传动比范围内实现高效传动。

1.假设引擎到输出端的距离为1

2.1号电机到输出端的距离为a

3.2号电机到输出端的距离为b

4.则机械点传动比分别为(a-1)/a和(b-1)/b

现在我们以输出端为中间轴，当两个电机位置与引擎不同侧，也即上图两个电机都在输出端右侧，我们就说两个电机到输出端的距离为负，你会发现，两个机械点都处在低速高传动比区；

当两个电机都在引擎左侧，则机械点都处在高速低传动比区；

以上两种情况覆盖的传动比范围都较小。

如果一个电机位于输出端右侧，一个电机位于引擎左侧，于是高低传动比区各有一个机械点，暂且简称为"高点"和"低点"，则可以在较广传动比范围内实现高效传动。从下图看出，高低机械点之间，引擎功率的分流方向与输出方向相同，两个电机一个发电一个放电，无需电池参与，也没有功率循环，系统传动维持高效。因此理论上只要设定系统传动比范围刚好覆盖常用工况，复合分流型布局能实现更好的燃油经济性。

蓝线机械点都在低传动比，绿线机械点都在高传动比，红线机械点一个在高，一个在低

但要注意，这样的布局还有一个特点，在两个机械点外侧的传动比范围内，随着电功率比例的增大，系统效率迅速递减：

低速工况，当系统传动比＞高点传动比，只有引擎输入的情况下，会出现两个电机都发电的瞬态工况，且传动比越大，功率分流比例越大。好在这个问题可以通过关闭引擎来解决，让系统进入纯电模式。

高速工况，当系统传动比＜低点传动比，会出现两个电机都放电的瞬态工况，且传动比越小，电功率比例越大，由于此时电池必然参与输出，电功率比例甚至会超过100%，于是系统效率骤降。

通用二代Voltec混动系统就采用复合分流型布局，它与上面的布局有何不同？

工程师首先改变了电机相对输出端的位置：

输入端：引擎→一排齿圈

输出端：一排二排行星架，两者并联

一排太阳轮→离合器→二排齿圈

二排齿圈→制动离合器

两个电机分别处在一二排太阳轮，且一排为发电机，二排为电动机

现在发电机和电动机相对位置发生变化，扭矩方向也就变了。

设一排行星齿轮组的齿圈，行星架，太阳轮分别为R1 C1 S1，二排为R2 C2 S2，系统布局可简化成这样：

可以看到，由于构型变化，当电池不参与工作时，引擎，发电机，电动机，三者的扭矩方向始终相同。

接下来，通用工程师采用了"分流方式随车速变化"的控制策略。在第一排行星齿轮组的太阳轮（连接电机A）和第二排行星齿轮组的齿圈之间，引入离合器C1，二排齿圈再与制动离合器C2相连。

低速工况下，如果系统传动比＞高点传动比，离合器C1断开，C2锁止，于是二排的电动机与系统输出端"绑定"，系统布局从复合分流型转变为输入分流型。之前已经提到，输入分流型在高传动比工况下的传动效率很高。

高速工况下，如果系统传动比＜低点传动比，系统断开C2，锁止C1，重新回到复合分流型布局。此时电动机反向转动，转速和扭矩方向相反，开始发电，没有两个电机同时放电的工况，系统无需电池参与工作，传动效率得到提升。

但这带来了新问题，就是高低机械点之间工况，根据受力情况分析，两个电机扭矩和转速方向都相同，会出现同时放电的瞬态工况，这就需要电池参与工作。针对这个情况，通用是怎么处理的？

让我们从全传动比范围来复盘整个过程，首先从离合器C1断开，C2锁止的输入分流型布局开始。

当车辆起步，系统关闭引擎，使用纯电模式，此时电机B以最大传动比进行扭矩输出，急加速时两个电机并行驱动车轮。

随着车速提升，引擎介入，电机A将引擎功率分流至输出端的电机B，由后者放大扭矩输出，提速更快。

继续加速，车辆会进入引擎直驱模式，C1和C2锁止，此时一排太阳轮和二排齿圈固定，电机A无法分流，系统传动比=高点传动比，于是引擎功率不走机电路径，通过行星架直接传至车轮，此时电机B可以辅助驱动和制动回收。该模式可持续加速到110kph，再往上提速就需转变布局。

当车辆持续急加速超过110kph车速之后，离合器C1锁止，C2断开，系统回到复合分流型，如前所述，此时两个电机都在放电，无法形成功率分流。于是系统让发电机和电动机功能互换→电池参与输出→发电机转速拉高放电→电动机转速降低发电→系统传动比接近低点传动比，此时引擎功率绝大部分直接走机械路径；当车速更高，系统传动比<低点传动比，电动机开始反转，扭矩与转速方向相反，此时无需电池参与。

现在我们知道了通用工程师的策略，通过设定恰当的齿轮组特征参数k，让Voltec混动系统的引擎直驱模式（高点）可以覆盖一个宽广的车速范围，在此基础上，如果车速继续提高，系统传动比会迅速切到低点传动比附近，尽量减小电池输出功率；之后车速若再提高，系统传动比＜低点传动比，电动机开始反转发电，系统只需要引擎介入，从而减少电池参与频率。

这样布局还有一个好处，不论是发电还是放电，电机都很少有反向转动的工况，当全力输出时，三个动力源转速都正向提速，理论上，转速落差更小，提速更快。

但相比输入分流型，很明显这套系统结构更复杂，控制难度和制造成本也相应增大，可以看出通用并非单纯奔着燃油经济性，更侧重车辆动力性能表现。

丰田THS为什么要这样布局？与其他混联式混动系统有什么差异？

行星齿轮组还有一个特征，可作为切入点，来区分系统差异，以丰田THS为例：

行星架本身没有齿，通过4个行星轮，与另两轮内外啮合，所以行星架的当量齿数是三轮中最多的（108），齿圈次之（78），太阳轮最少（30）。

因为：

功率=扭矩×转速

齿轮传动比=转速比=齿数反比

所以：

当功率不变，齿轮之间传动比越大（从动轮齿数/主动轮齿数），则从动轮转速越小，相应的，从动轮的扭矩就越大，我们说主动轮扭矩经过齿轮传动之后放大了；反之则扭矩减小。从动轮相对主动轮转速变慢扭矩变大的现象，我们称之为减速传动，这样的齿轮系称之为减速齿轮，反之就是增速齿轮。

前文提到，扭矩与车辆加速能力有关。

行星架与太阳轮的齿比最大，因此当齿圈静止，太阳轮→行星架的传动路径，扭矩放大倍数最高，约3.6倍，在相同动力下，这样传动，车辆起步更快，加速更猛。但丰田THS却没有这么做，而是把行星架作为引擎输入端，最外侧的齿圈作为输出端，之间传动比为78:108，扭矩放大0.72倍，反倒减小了，为什么？

一个明显的限制因素，是转速。虽然增大传动比，可以放大扭矩，但输入端的转速也会更高。如果传动比1:1时，引擎转速2000转就能满足动力需求，那么当传动比增大到3.6:1，引擎转速就飙升至7200转，而家用汽油引擎最佳工作转速通常在2000-4000转，升至7200转，不仅功率下降，工作也不经济，实际丰田普锐斯引擎最大输出转速也就5000出头。

而且混动系统中，引擎的本职工作在于经济输出，扭矩不足可由电机来补足，本身丰田THS行星齿轮组和驱动桥之间还有一套减速齿轮，可供放大扭矩。

不过最主要的原因，还是设计和制造难度，这直接影响成本控制和产品定位。

其实丰田也曾做过如此设计，就是THS-C，这套混动系统短暂应用于普瑞维亚，埃尔法这样的MPV车型。与THS结构不同之处，它把太阳轮作为输入端，行星架作为输出端。

引擎→太阳轮

电动机→行星架

初代THS带不动笨重的MPV，为了降低装配难度，提高扭矩输出，工程师将引擎置于太阳轮，前轮仅配置一个电动机，相当于并联布局。由于转速限制，引擎不适宜放置在太阳轮，此时就需要引入传统变速箱来调节引擎和车轮之间的传动比。

它把齿圈和行星架都作为输出端，各自连接一组离合器，再与一套CVT变速器相连，这样就可以根据工况选择不同的档位。

为了实现这样的传动路径，增加了一套CVT变速箱，两组离合器和一组制动器，由于没有了发电机，启动引擎还需要一个BSG电动机。行星齿轮组也做了改变，采用了双排构型的行星轮。

相比THS，这套系统结构非常复杂，2006年换代普瑞维亚混动就改用THS II，油耗降低了9%。

作为对比，通用公司的混动系统将行星架作为输出端，它又是如何处理的？

通用初代Volt混动系统将太阳轮作为输入端，行星架作为输出端。刚才提到了，由于转速限制，引擎不适宜放置在太阳轮，而引擎又不能与行星架直连，因为行星架是输出端，与之相连，引擎转速就无法解耦。

于是通用把电动机放置在太阳轮，以它为主力输出，配以大容量电池，做成插电，同时将引擎与发电机同轴连接外侧的齿圈，用于辅助电动机输出，这就是输出分流型布局。该系统绝大部分工况，引擎是作为增程器使用。这样布局，不仅电池增大，还添加了两组离合器，结构更复杂，成本也更高，燃油经济性却不及丰田。

通用第二代Voltec混动系统对此做了改进，采用复合分流型布局，在理论上能够实现更高传动效率，动力性能也更强。但复杂的结构意味着控制策略的设计难度增大，想要面面俱到不是那么容易，较高的制造成本也降低了它的竞争力。实际其油耗表现依然不如丰田THS，EPA测试的美版卡罗拉混动百公里油耗要比通用二代Volt低1升左右。

对比不难发现，丰田THS这样的输入分流型布局，不仅结构简单，成本低廉，相比通用也更专注于燃油经济性的表现，是很好的家用混动系统。

丰田THS与本田i-MMD有何不同？

混动系统有多个动力源，引擎和电机的输出都存在延迟，如何做好它们之间的匹配和衔接，让动力输出平顺又经济，就是个问题。丰田利用行星齿轮组把三个动力源绑在一起，这个难题就简化了许多，电机和引擎通过齿轮组即可实现实时精准联动。

在这一点上，就看出本田工程师有多悍。

它的i-MMD混动系统，引擎和两个电机之间是普通的串联布局，这是机电路径。在引擎和车轮之间，还有一条机械路径，引擎通过一套离合器，可以在高效区间绕开电机，直驱车轮。为了避开丰田专利，它连行星齿轮组都不用，结构简单到没法再简，硬是通过算法，把引擎与电机之间的衔接配合做到平顺，在行驶过程中几乎察觉不到引擎的切入和切出。更重要的是，这样的结构设计和控制逻辑也更简洁高效。

丰田THS系统在车辆低速纯电行驶时，只有电动机出力，此时发电机反向转动。由于电机内部始终有闭合回路，转子转动过程中就会在绕组产生感应电流，而感应磁场会阻碍转子旋转，从而阻碍电动机输出，这会影响车辆驾驶性能。丰田怎么处理？

工程师允许发电机此时有微弱放电，以抵消感应电流所产生的负面作用，让发电机实现反向空转。这部分电耗虽然很小，但毕竟发电机在转动，增添了额外机械损耗，这是丰田THS的天生结构决定的。

更值得讨论的问题是：

由于纯电行驶时引擎是关闭的（行星架固定），此时发电机反向空转，根据齿比，发电机的转速是电动机的2.6倍。所以发电机的转速会更早到达极限（初代极限是6500转/分钟）。当发电机转速接近极限时，引擎就必须介入，以平抑发电机转速。

二代普锐斯，纯电极速是67km/h。再提速，就需要引擎介入。而本田i-MMD系统，两个电机之间没有机械连接，转速互不影响，纯电时速可以超过130km/h。

丰田THS这样的特性还产生连锁反应，就是部分工况下的加速延迟。

比如当纯电时速达到67km/h，此时发电机反向空转达到转速极限，而此时若急加速，需要引擎介入，启动引擎需要发电机正向转动，转速落差接近10000转，会带来明显加速延迟。

而且引擎与电动机之间装配过于紧密，当引擎介入时会对电动机造成扰动，由此造成的顿挫感，有时会过于明显。这都是i-MMD系统没有的问题。

眼看对手追赶上来，丰田也不敢懈怠。

下一代THS II P610就将变速驱动桥改为平行轴布局，电动机从原来的行星齿轮组中独立出来，通过一套减速齿轮与原行星齿轮组的齿圈相连，两个电机之间的转速落差就不大了。搭载最新版THS系统的雅力士，纯电时速超过130km/h，能够最大限度利用回收的动能，也为以后推广插电打好基础。

但丰田的母胎缺陷仍然在，由于采用行星齿轮组，引擎和两个电机始终是联动的。纯电模式下，电动机只要转动，发电机必然反向空转；而系统达到机械点时，引擎直驱车轮，必然带动电动机正向空转。这都会增加不必要的损耗。本田iMMD系统无论是高速还是低速，都没有这些顾虑。

当然，全球热效率最高的混动引擎还是丰田的Dynamic Force系列2.5L发动机，无论是燃油经济性，质量可靠性，还是成本控制，丰田都是久经考验了。但从两套系统的实际性能表现来看，已经差异不大。

两田你追我赶的军备竞赛，看着挺辛苦。不过对我们消费者来说，坐看神仙斗法，是名副其实的一场福利。

历代普锐斯THS系统所作的改进

不少车媒有误解，认为丰田THS系统存在第三代和第四代，但并没有，THS目前只有两代——初代普锐斯，采用第一代THS，随后发布的二、三、四代普锐斯搭载的混动系统，都为第二代THS。

虽然官方命名不做区分，但实际结构还是有差异的。

第一代 变速器型号P110/P111

改进：

P111在P110的基础上略有升级，1.5升自吸引擎转速极限从4000转提至4500转，功率极限更高，与此同时电机输出功率也有提升。

第二代 P112

改进：

系统电压升至500V，更节能；

排放降低30%；

水箱在引擎关闭后可保温3天，下次启动能更快进入适宜工作温度；

相比第一代，电池组更小了，电机性能得到优化，整套系统成本降低了30%以上；

引擎转速极限提至5000转，最大马力增加6匹，电机功率增加23马力，最大扭矩增加36牛米，

通过把电机中的永磁体优化为V字形，功率相比上一代输出增大1.5倍，从33kw增至50kw

亮点：

丰田开始以HSD（Hybrid Synergy Drive）命名这套系统。从这一代起，丰田THS不再专属于普锐斯，开始应用于其他丰田和雷克萨斯旗下车型，也是从这一代开始，丰田先后将此技术授权于日产和福特，逐步确立混动龙头地位。

这一代的发电机最大转速从6500增至10000rpm，显著提升中速段的动力输出，也改善了低，中速行驶时的加速性能。

这是一个很能体现THS运行特点的改动。引擎、发电机和电动机的转速在任意时刻都必然如上图所示处于一条连线上，由于中低速行驶时，系统传动比很高，发电机的转速极限如果过低，就会影响引擎输出功率，当发电机的转速极限提高，引擎输出自然也就提高了。

第二代 P410/P510

改进：

系统热效率升至38.5%；

引入了1.8升引擎，相比之前1.5升引擎，可以更低转速实现相同动力输出，转速越小，摩擦也就越小，机械损失就越小；

引入电子水泵；

引入废气再循环系统，通过回收废气热量来为下一次引擎启动预热。

改进了双电机结构，其中电动机减重33%，功率增加10千瓦，由于引擎转速降低，扭矩略有下降，但通过增大减速齿轮传动比，轮上输出扭矩没有变化。

系统电压升至650V，电流损耗降低18-29%。

E-CVT体积更小，减重20%，PSD动力分流装置扭矩损失降低20%。

亮点：

链条式传动机构被第二组行星齿轮组代替，这套齿轮组的作用是放大电动机扭矩，相应可以减小电机功率，降低成本。

第二代 P610

改进：

系统热效率升至40%；

1.8升引擎最大扭矩转速降至3600转；

引擎进气口，废气再循环系统结构做了优化；

气缸隔热罩改为合成树脂材料；

电子水泵更轻更小更快；

增加主动进气格栅，引擎预热更快，风阻更小。

PSD动力分流装置采用平行轴结构，宽度减小47毫米，机械损失降低20%。

电机结构更紧凑，寄生损失降低20%（电机因结构产生的功率损失）；

逆变器体积减小35%；

镍氢电池组体积减小13.7%，减重1公斤，放置在后排座位下方，充电性能提升28%；

新研发的锂电池组体积比镍氢电池组减小15%，减重15-20%；

精简了PCU的结构，可以放置在PSD上部，除了电池，整套混动系统都放置在发动机舱内。

亮点：

新版THS的变速器布局有大变动，过去双电机为同轴布局，它们都沿同一根轴线转动。现在双电机采用异轴布局，主管动力输出的电动机不再与齿圈直接相连，而是通过一组减速齿轮与齿圈联动。也即，电动机从原行星齿轮组中脱离了出来，与发电机平行布置。这么做不仅让结构更紧凑，还减小了电机之间的转速差以及引擎和电机之间的扰动，使得输出更平顺，提速更快。

THS II的工作原理

下面的工作原理图由日本车媒Motor Fan制作。

图中★为动力输入端，×为固定支点，●为动力输出端。

①引擎启动

此时车辆静止，车轮不转，因而齿圈也不转。现在PCU控制发电机开始转动，与发电机相连的太阳轮正向转动，带动行星架，于是，与行星架相连的引擎开始正向转动

②驻车状态下，为电池充电

此时车辆静止，齿圈依然不动，引擎启动后反过来驱动行星架，带动太阳轮，也即发电机正向转动，发电机不再接收电池供电，而是向电池充电。此时电动机提供负扭矩，让齿圈保持静止。

​③电量正常状态下，低负荷行驶

PCU控制电动机正向转动，后者通过平行减速齿轮驱动车轮。看下图，电动机会带动齿圈旋转，由于引擎关闭，行星架固定不动，于是太阳轮，也即发电机反向空转。

④行驶中，为电池充电

此时引擎输出的动力分为两股，一股用于驱动车轮，一股用于驱动发电机，为电池充电。注意，此时发电机转速较高，电动机正向空转。

⑤引擎驱动下的高速巡航

引擎动力主要用于驱动车轮，注意此时发电机转速较低，电动机转速较高，于是轮速更快。

⑥制动回收

引擎关闭，电动机正转，发电机反转，两者所受扭矩都与转动方向相反，都在发电。

⑦倒车

引擎关闭，电动机反转，此时发电机正向空转。

为了防止引擎反转，引擎与行星架之间配备了单向离合器，这样引擎只能正向转动。

参考文献

曾小华 王继新.混合动力耦合系统构型与耦合装置分析设计方法

樊 杰 左言言 陈 铭 曹一川.输出型功率分流耦合机构的特性分析

项昌乐 韩立金 刘辉 李宏才.混联混合动力车辆功率分流耦合机构特性分析

姚勇.双行星排式混合动力汽车动力系统建模与控制策略研究

冯力平 袁建民 李书江.用行星轮系运动特性方程计算自动变速器传动比的方法探讨

GearXiaowu Zhang Chiao-Ting Li Dongsuk Kum Huei Peng.Prius and Volt–: Configuration Analysis ofPower-Split Hybrid Vehicles with a SinglePlanetary

Motor Fan illustrated編集部.精緻可憐複雑怪奇？ そのとき、THS（トヨタ・ハイブリッド・システム）はどのように動いているのか