豐田第二代混合動力系統(tǒng)（THS-Ⅱ），機(jī)械構(gòu)造之精妙，控制策略之嚴(yán)謹(jǐn)，可謂獨(dú)步全球，其核心競爭力就在于動力分配行星齒輪機(jī)構(gòu)——Power Split Device（PSD）。從字面上簡單理解，該機(jī)構(gòu)就是將發(fā)動機(jī)的動力重新進(jìn)行了分配，但從嚴(yán)格意義上來闡述，這套機(jī)構(gòu)的精髓就是將發(fā)動機(jī)的輸出功率進(jìn)行分流。如此天馬行空，腦洞大開的設(shè)計(jì)理念早在1997年第一代普銳斯上市前，豐田就對其申請了知識產(chǎn)權(quán)專利，這一舉措對當(dāng)時乃至今日想致力于混合動力技術(shù)的各大汽車廠商來說都套上了一層無形枷鎖。

各大汽車廠商為了能夠繞開豐田的專利，想方設(shè)法研究屬于自己的混合動力方案，但是時間證明，目前還沒有更好的混合動力方案能從燃油利用率、性能品控、客戶體驗(yàn)等各個維度上超越THS-Ⅱ。為什么看上去如此簡單的PSD竟能如同藝術(shù)品般迸發(fā)出無與倫比的科技魅力并且歷久彌新？下面筆者對搭載全新A25B阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)和P710 E-CVT型混合動力變速器的全新Lexus ES300h車的動力傳遞路徑進(jìn)行闡述。

全新Lexus ES300h車的P710 E-CVT型混合動力變速器（圖1）由油泵、發(fā)電機(jī)（MG1）、PSD（太陽齒輪、行星齒輪、齒輪架、齒圈、輸入軸）、中間軸主動齒輪（復(fù)合齒輪）、中間軸從動齒輪、減速主動齒輪、減速從動齒輪、電動機(jī)（MG2）及MG2減速器等部分組成，其中復(fù)合齒輪與PSD中的齒圈及中間軸主動齒輪集成于一體。

PSD可將發(fā)動機(jī)輸出功率分為兩路，一路是將發(fā)動機(jī)輸出功率輸出至驅(qū)動車輪；另一路是將發(fā)動機(jī)輸出功率輸出驅(qū)動MG1運(yùn)轉(zhuǎn)，使MG1作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，MG1產(chǎn)生的交流電通過絕緣雙柵晶體管后傳輸給MG2，使MG2作為電動機(jī)運(yùn)行。MG2產(chǎn)生的動力通過MG2減速器傳輸至中間軸從動齒輪，從而驅(qū)動減速主動齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，最終通過減速從動齒輪傳遞給差速器后將動力輸出至驅(qū)動車輪。

圖1 P710 E-CVT型混合動力變速器

THS-Ⅱ在P710 E-CVT型混合動力變速器的加持下，能夠提供更加完善的駕駛體驗(yàn)，THS-Ⅱ是一套標(biāo)準(zhǔn)的PSD系統(tǒng)，通過PSD將發(fā)動機(jī)、MG1、MG2組合在一起，MG2與PSD的輸出端相連接，這就意味著MG2與PSD的輸出端永遠(yuǎn)保持同速運(yùn)轉(zhuǎn)，這將使MG2只起到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的作用。MG1與PSD的太陽齒輪相連接，當(dāng)MG1以不同方向、不同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，處于齒輪架端的發(fā)動機(jī)與處于齒圈端的MG2之間就會出現(xiàn)不同的傳動比，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)速度的目的。MG1在調(diào)節(jié)速度的過程中，也會輸出一部分轉(zhuǎn)矩，只是MG1的主要功能還是調(diào)節(jié)速度，順帶與MG2一起調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，此外，MG1還肩負(fù)著行駛中“拽起”發(fā)動機(jī)和車輛停止時起動發(fā)動機(jī)的任務(wù)。

混合動力車輛控制ECU（HV-ECU）通過換擋桿位置、加速踏板行程及車速計(jì)算駕駛?cè)苏埱筝敵龉β剩俑鶕?jù)冷卻液溫度、高壓動力電池充電狀態(tài)、高壓動力電池溫度、電氣負(fù)載及系統(tǒng)損耗計(jì)算發(fā)動機(jī)輸出功率，再結(jié)合A25B阿特金森循環(huán)發(fā)動機(jī)萬有特性圖標(biāo)定的發(fā)動機(jī)最佳工作曲線與發(fā)動機(jī)輸出功率曲線計(jì)算出發(fā)動機(jī)最佳工作狀態(tài)（節(jié)氣門開度及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速），進(jìn)而確認(rèn)發(fā)動機(jī)燃油噴射、點(diǎn)火控制、ETCS-i（電子節(jié)氣門控制）、VVT-i（智能配氣相位）等狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)輸出功率下最佳燃油利用率。

當(dāng)高壓動力電池不處于工作狀態(tài)，并保持加速踏板恒定行程的情況下，根據(jù)能量守恒定律，發(fā)動機(jī)的輸出功率應(yīng)等于車輛的驅(qū)動功率，發(fā)動機(jī)的輸出功率施加作用在PSD機(jī)構(gòu)的齒輪架上，根據(jù)HV-ECU內(nèi)存儲的最佳控制策略（圖2），將發(fā)動機(jī)輸出功率優(yōu)化分配給MG1及驅(qū)動車輪。發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，換擋桿位于D擋，當(dāng)車輛剛要起步時，發(fā)動機(jī)輸出功率分配給MG1（發(fā)電機(jī)）的發(fā)電功率所占發(fā)動機(jī)輸出功率的份額最大（MG1正向負(fù)轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)，正向轉(zhuǎn)速最高，負(fù)轉(zhuǎn)矩最小）。因MG1產(chǎn)生的交流電通過絕緣雙柵晶體管傳輸給MG2用作驅(qū)動，故MG1的發(fā)電量取決于MG2的用電量（即MG1發(fā)電功率=MG2用電功率），此時MG2（電動機(jī)）的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩最大，轉(zhuǎn)速最低（趨近于0 r/min），發(fā)動機(jī)輸出功率的剩余部分則被分配到驅(qū)動車輪，此時分配給驅(qū)動車輪的份額最小，作用在驅(qū)動車輪上的驅(qū)動力最低。

圖2 HV-ECU內(nèi)存儲的最佳控制策略

隨著車速的逐步增加，發(fā)動機(jī)輸出功率分配給MG1（發(fā)電機(jī)）的份額逐漸減少，MG1旋轉(zhuǎn)速度逐步下降，負(fù)轉(zhuǎn)矩逐步上升，發(fā)電功率逐步減小，但輸出至驅(qū)動車輪的驅(qū)動功率卻逐步增加。當(dāng)車輛達(dá)到一定車速時，MG1的轉(zhuǎn)速逐步趨近于0 r/min，其用作發(fā)電的負(fù)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，被分配到的發(fā)動機(jī)輸出功率最少，發(fā)電功率最低（趨近于0 kW），MG1發(fā)電功率=MG2用電功率，MG2此刻的用電功率達(dá)到最低（趨近于0 kW），但發(fā)動機(jī)的輸出功率分配至驅(qū)動車輪上的份額最大，施加在驅(qū)動車輪上的驅(qū)動功率近乎等于發(fā)動機(jī)的全部輸出功率。

因MG1轉(zhuǎn)速趨近于0 r/min，負(fù)轉(zhuǎn)矩最大，通過PSD杠桿作用原理，此刻直接施加在驅(qū)動車輪上的驅(qū)動力達(dá)到最大，因其驅(qū)動力大于行駛阻力，所以車輛此刻仍處于加速行駛狀態(tài)。為了滿足連續(xù)可變無級傳動的控制策略，在保持發(fā)動機(jī)輸出功率不變的前提下，傳動比的大小需連續(xù)無級改變，這就意味著隨著車速的進(jìn)一步提升，驅(qū)動車輪上的驅(qū)動力會隨之減小。對此豐田給出的解決方案是讓MG2（發(fā)電機(jī)）正向負(fù)轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)，用來持續(xù)抵消作用在驅(qū)動車輪上多余的驅(qū)動力，MG2產(chǎn)生的交流電通過絕緣雙柵晶體管轉(zhuǎn)化成交流電后傳輸給MG1，MG1（電動機(jī)）反向負(fù)轉(zhuǎn)矩運(yùn)轉(zhuǎn)（MG1用電功率=MG2發(fā)電功率），從而使車速得以提升。此種方法所達(dá)到的效果近乎于改變傳動比。

當(dāng)MG2剛作為發(fā)電機(jī)時，抵消驅(qū)動車輪上的驅(qū)動力用作發(fā)電的負(fù)轉(zhuǎn)矩最小，但其轉(zhuǎn)速較高，MG1（電動機(jī)）的轉(zhuǎn)速雖趨近于0 r/min，但此刻的負(fù)轉(zhuǎn)矩最大。隨著車速的增加，MG2抵消驅(qū)動車輪上的驅(qū)動力越來越多，其轉(zhuǎn)速越來越高，發(fā)電功率也越來越大，MG1的用電功率大小雖與之前保持一致，但隨著MG1轉(zhuǎn)速的不斷增加，負(fù)轉(zhuǎn)矩越來越小，直至驅(qū)動車輪上的驅(qū)動力與行駛阻力相等，車速達(dá)到最高，整個過程是一個加速度越來越小的加速并最終勻速行駛的過程。借助MG2的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩功能和MG1的調(diào)速功能，實(shí)現(xiàn)最佳發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速不變的前提下通過連續(xù)可變的無級傳動，最終達(dá)到驅(qū)動力與行駛阻力的完美平衡，因此，在后期的勻速行駛中，發(fā)動機(jī)內(nèi)部所受的合外力不變，故發(fā)動機(jī)可以一直保持在同等輸出功率下最高燃燒效率的發(fā)動機(jī)工作線上運(yùn)行。

簡而言之，THS-Ⅱ是通過MG1、MG2及動力電池組成的電控系統(tǒng)，為發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)輸出功率。如果車輛行駛功率需求小于發(fā)動機(jī)輸出功率，則通過行駛充電的方式將發(fā)動機(jī)輸出的一部分功率轉(zhuǎn)化為電能存儲到動力電池中；當(dāng)車輛行駛功率需求大于發(fā)動機(jī)輸出功率，則通過油電混合方式驅(qū)動車輛；當(dāng)車輛處于走走停停這種低功率需求時，為節(jié)省燃油消耗，就直接采用純電動驅(qū)動的方式。

THS-Ⅱ根據(jù)車輛不同的行駛狀態(tài)（圖3，READY-on狀態(tài)、起步狀態(tài)、定速巡行狀態(tài)、節(jié)氣門全開加速狀態(tài)、減速狀態(tài)、倒車狀態(tài)）對發(fā)動機(jī)、MG1、MG2的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行優(yōu)化組合，使車輛能夠保持高效行駛。

圖3 車輛的行駛狀態(tài)

在列線圖（圖4）中，直線用于表示PSD中太陽齒輪、行星齒輪及齒圈的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。太陽齒輪、行星齒輪、齒圈的轉(zhuǎn)速大小以距離0 r/min的遠(yuǎn)近表示；“+”表示正向旋轉(zhuǎn)，“-”表示負(fù)向旋轉(zhuǎn)。

圖4 列線圖

在THS-Ⅱ中，MG1與MG2根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系變化，可作為發(fā)電機(jī)或電動機(jī)使用，由于MG1與PSD中太陽齒輪相連接，當(dāng)太陽齒輪正向旋轉(zhuǎn)時，就代表MG1正向旋轉(zhuǎn)，同理MG2的旋轉(zhuǎn)方向也與齒圈的旋轉(zhuǎn)方向相同。當(dāng)MG1/MG2正向負(fù)轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)時，就是作為發(fā)電機(jī)使用；當(dāng)MG1/MG2反向負(fù)轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)時，就是作為電動機(jī)使用。下面從各個行駛狀態(tài)詳細(xì)闡述全新Lexus ES300h車的P710 E-CVT型混合動力變速器動力傳遞路徑。

1 READY-on狀態(tài) ?

READY-on狀態(tài)下（圖5），MG1（發(fā)電機(jī)）起動發(fā)動機(jī)，此時MG2（電動機(jī)）施加正轉(zhuǎn)矩以抵消發(fā)動機(jī)的反作用力，從而防止驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。

圖5 READY-on狀態(tài)下列線圖

如果高壓動力電池的電池荷電狀態(tài)（SOC）不足，則發(fā)動機(jī)驅(qū)動MG1（發(fā)電機(jī)）為其充電。當(dāng)車輛停止時，MG2（電動機(jī)）施加負(fù)轉(zhuǎn)矩以抵消發(fā)動機(jī)直接輸出到齒圈上的轉(zhuǎn)矩，從而防止驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。

2 起步狀態(tài) ?

如圖6所示，當(dāng)高壓動力電池SOC充足時，車輛起步并僅使用MG2（電動機(jī)）驅(qū)動車輛行駛，當(dāng)車輛低速運(yùn)行時，由于發(fā)動機(jī)連接車軸具有很強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)阻力，齒輪架的轉(zhuǎn)速為0 r/min。此時，MG1未產(chǎn)生任何轉(zhuǎn)矩，因此太陽齒輪也沒有被施加任何轉(zhuǎn)矩，太陽齒輪負(fù)向旋轉(zhuǎn)（自由旋轉(zhuǎn)）以平衡齒圈的旋轉(zhuǎn)。

圖6 起步狀態(tài)列線圖

當(dāng)高壓動力電池SOC不足時，發(fā)動機(jī)驅(qū)動MG1（發(fā)電機(jī)）為高壓動力電池充電，同時也為MG2（電動機(jī)）提供動力。在此狀態(tài)下行駛時，發(fā)動機(jī)輸出功率一路輸出至驅(qū)動車輪；另一路是將發(fā)動機(jī)輸出功率輸出驅(qū)動MG1運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，MG1產(chǎn)生的交流電通過絕緣雙柵晶體管傳輸給MG2，使MG2作為電動機(jī)運(yùn)行。MG2產(chǎn)生的動力通過MG2減速器傳輸至中間軸從動齒輪，從而驅(qū)動減速主動齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，最終通過減速從動齒輪傳遞給差速器后將動力輸出至驅(qū)動車輪。

3 定速巡行狀態(tài) ?

車輛在輕負(fù)載和定速巡行狀態(tài)下行駛時（圖7），發(fā)動機(jī)將在最高效的燃燒范圍內(nèi)工作，為車輛提供動力。發(fā)動機(jī)帶動MG1（發(fā)電機(jī)）發(fā)電，MG1產(chǎn)生的交流電通過絕緣雙柵晶體管傳輸給MG2，使MG2作為電動機(jī)運(yùn)行。MG2產(chǎn)生的動力通過MG2減速器傳輸至中間軸從動齒輪，從而驅(qū)動減速主動齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，最終通過減速從動齒輪傳遞給差速器后將動力輸出至驅(qū)動車輪。

圖7 定速巡行狀態(tài)列線圖

車輛在輕負(fù)載中速狀態(tài)下行駛時（圖8），發(fā)動機(jī)帶動MG1（發(fā)電機(jī)）發(fā)電，MG1正向負(fù)轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)，通過PSD的杠桿作用，將用作發(fā)電的負(fù)轉(zhuǎn)矩放大至2.75倍后，直接輸出至齒圈，因其足以使驅(qū)動車輪運(yùn)轉(zhuǎn)且遠(yuǎn)高于此時驅(qū)動車輪的驅(qū)動力，MG2（發(fā)電機(jī)）發(fā)電以削減額外產(chǎn)生的驅(qū)動車輪上的驅(qū)動力，此時MG1與MG2都用作發(fā)電機(jī)為高壓動力電池及車身電氣設(shè)備供電。

圖8 輕負(fù)載中速狀態(tài)下列線圖

車輛在平坦路面、低負(fù)載高速狀態(tài)下行駛時（圖9），在保持發(fā)動機(jī)輸出功率不變的情況下，HV-ECU繼續(xù)執(zhí)行該工況下的車輛無級變速控制策略，隨著車速的提升，車速與驅(qū)動力呈現(xiàn)反比例線性交替變化（車速越高，驅(qū)動力越低），此時MG2（發(fā)電機(jī)）發(fā)電以削減額外產(chǎn)生的驅(qū)動車輪上的驅(qū)動力，削減的比例隨著車速的提升逐步增長，這也間接引起了MG2的發(fā)電功率逐步增長，MG2產(chǎn)生的交流電通過絕緣雙柵晶體管傳輸至MG1（電動機(jī)），MG1反向負(fù)轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)，以拉升齒圈的轉(zhuǎn)速，此時MG1的用電功率等于MG2的發(fā)電功率且與MG2的發(fā)電功率的增幅大小一致。

圖9 平坦路面、低負(fù)載高速狀態(tài)下列線圖

起初MG1的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩最大，轉(zhuǎn)速最低，但隨著MG1反向旋轉(zhuǎn)速度的提升，負(fù)轉(zhuǎn)矩逐步減小，車輛一直處于加速度不斷減小的加速行駛狀態(tài)，直至被削減后的驅(qū)動車輪上的驅(qū)動力與行駛阻力達(dá)到平衡，車輛實(shí)現(xiàn)勻速行駛。此刻MG1的用電功率達(dá)到最大。整個過程中，通過連續(xù)可變的無級傳動，在最終達(dá)到勻速行駛后，始終將任一發(fā)動機(jī)的輸出功率鎖定在最佳發(fā)動機(jī)運(yùn)行工作線上，保持等功率線上最高燃燒效率的發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以求整車的最佳動力性和最低燃油消耗率。

4 節(jié)氣門全開加速狀態(tài) ?

車輛行駛狀態(tài)從定速巡行變?yōu)楣?jié)氣門全開加速狀態(tài)時（圖10），高壓動力電池給MG2（電動機(jī)）提供電能，發(fā)動機(jī)繼續(xù)帶動MG1（發(fā)電機(jī)）發(fā)電，從而產(chǎn)生一個負(fù)轉(zhuǎn)矩，通過PSD的杠桿作用，直接將發(fā)動機(jī)的部分輸出功率輸出至驅(qū)動車輪上，同時施加在MG1上的負(fù)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生交流電通過絕緣雙柵晶體管傳輸?shù)組G2（電動機(jī)）上驅(qū)動。

圖10 節(jié)氣門全開加速狀態(tài)列線圖

當(dāng)高壓動力電池SOC充足且加速踏板完全踩下時（圖11），HV-ECU繼續(xù)執(zhí)行該工況下的車輛無級變速控制策略，MG2（電動機(jī)）自始至終使用高壓動力電池提供的電能以補(bǔ)償車輪上的驅(qū)動力。隨著車速的增加，MG1（發(fā)電機(jī)）正向負(fù)轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速逐步降低，MG1產(chǎn)生的電能通過絕緣雙柵晶體管傳輸至MG2（電動機(jī)）的功率也逐步下降，但MG1的負(fù)轉(zhuǎn)矩卻隨著旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的逐步降低而呈增長趨勢（即發(fā)動機(jī)直接輸出至車輪上的輸出功率逐步增長），直至MG1的轉(zhuǎn)速趨近于0 r/min時，MG1產(chǎn)生的交流電通過絕緣雙柵晶體管傳輸至MG2（電動機(jī)）的功率最小（趨近于0 kW），發(fā)動機(jī)分配給驅(qū)動車輪的輸出功率達(dá)到最大。

圖11 高壓動力電池SOC充足且加速踏板完全踩下時列線圖

在此情況下，若要進(jìn)一步提升車速，必須削減發(fā)動機(jī)分配到驅(qū)動車輪上過多的驅(qū)動力，由于MG2此時是作為電動機(jī)持續(xù)為驅(qū)動車輪輸出動力，無法作為發(fā)電機(jī)來削減驅(qū)動車輪上過多的驅(qū)動力，因此HV-ECU使高壓動力電池對MG1（電動機(jī)）提供電力輸出，使MG1充當(dāng)電動機(jī)反向負(fù)轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)，以此提升驅(qū)動車輪的轉(zhuǎn)速，從而提升車速。隨著車速的提升，MG2直接輸出至驅(qū)動車輪上的驅(qū)動力大小幾乎沒有變化，發(fā)動機(jī)輸出功率不變，隨著MG1對驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)速的逐漸拉升，發(fā)動機(jī)輸出至驅(qū)動車輪的驅(qū)動力也隨之下降，當(dāng)發(fā)動機(jī)輸出至驅(qū)動車輪的驅(qū)動力結(jié)合MG2電動機(jī)補(bǔ)償至驅(qū)動車輪的輸出功率與行駛助力達(dá)到平衡后，車速達(dá)到最高，以勻速狀態(tài)行駛，此時，MG1所用來自高壓動力電池的用電功率達(dá)到最大，反向轉(zhuǎn)速達(dá)到最高，負(fù)轉(zhuǎn)矩最小。

5 減速狀態(tài) ?

當(dāng)車輛擋位置于D擋行駛，且車速逐漸降低時（圖12），發(fā)動機(jī)輸出功率為0 kW，此時驅(qū)動車輪驅(qū)動MG2（發(fā)電機(jī)）為高壓動力電池進(jìn)行充電，MG2對驅(qū)動車輪產(chǎn)生阻力，并產(chǎn)生制動作用。

圖12 車輛擋位置于D擋行駛，且車速逐漸降低時列線圖

6 倒車狀態(tài) ?

倒車狀態(tài)根據(jù)高壓動力電池SOC是否充足可分兩類討論，當(dāng)高壓動力電池SOC充足時（圖13），高壓動力電池給MG2（電動機(jī)）提供電能進(jìn)行反向負(fù)轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)，此時發(fā)動機(jī)不工作，因?yàn)镸G1的旋轉(zhuǎn)阻力小于發(fā)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)阻力，因此MG1正向自由旋轉(zhuǎn)以平衡驅(qū)動車輪的旋轉(zhuǎn)。

圖13 倒車狀態(tài)下高壓動力電池SOC充足時列線圖

當(dāng)高壓動力電池SOC不足時（圖14），發(fā)動機(jī)給MG1（發(fā)電機(jī)）提供動力輸出，使MG1進(jìn)行正向負(fù)轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)，MG1產(chǎn)生的交流電通過絕緣雙柵晶體管分別傳輸至MG2和高壓動力電池，此時MG2（電動機(jī)）反向負(fù)轉(zhuǎn)矩旋轉(zhuǎn)使驅(qū)動車輪反向旋轉(zhuǎn)。

圖14 倒車狀態(tài)下高壓動力電池SOC不足時列線圖

審核編輯：黃飛

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