混动基督
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？