分享丨为什么丰田要研发E-CVT变速器？

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在混动圈子里，有一句话叫做：世界上只有两种混动，一种是丰田混动，一种是其他。这已经足以证明业内对于丰田THS混动系统的认可，今天我们就来聊聊这套享誉全球的混动系统的核心部件——行星齿轮机构。
丰田THS混动系统主要由阿特金森循环发动机、永磁铁电机、行星齿轮机构、发电机、高性能镍氢蓄电池组、动力控制单元、功率控制单元组成。




整套系统的核心就是这套行星齿轮机构，也就是媒体人口中的E-CVT变速器，不过虽然它被称作变速器，但它并不具备传统变速箱系统里面的离合器、液力变矩器或是齿轮轴组等这些复杂机构，是专门为混动车型而准备的动力分配机构（丰田的官方叫法）。
那么丰田的这套系统优势在哪里，又有何不足，相比市面上其他混动系统，它们之间的差别又在哪里，本文将一一得到体现。
一、为什么丰田要研发E-CVT变速器？
E-CVT变速器是整套混动系统的关键，而所有混动系统推出的初衷，其实都可以归结为节能减排，丰田当年推出THS也是如此。



90年代初，“可持续发展”，“全球变暖”、“温室效应”等字眼开始被全球熟悉，在这个背景下，丰田汽车开始研究“21世纪的汽车发展模式”，并启动了名为“G21”（G代表Globe 21代表着21世纪）的项目。丰田混合动力系统（THS）也是在这个阶段开始萌芽。
到了1995年，丰田在东京车展上发布了Prius的混合动力概念车，两年后，也就是1997年，丰田第一代Prius混合动力车型在日本本土上市销售，这是丰田第一款基于THS混动系统的量产车型，也是丰田MC平台下诞生的首款车型。



在此，丰田汽车的混动世界大门也就正式打开。
二、目前THS混动系统发展到了第几代，分别搭载在哪些车型上？
前文提到，THS系统的核心其实就是E-CVT变速器，也就是行星齿轮组，丰田THS系统的迭代升级也几乎是围绕着行星齿轮组展开。



第一代THS混动系统诞生于1997年，首次搭载在普锐斯车型上，它的行星齿轮组由太阳轮、行星架、外齿圈三个部分组成，三个部分依次对应三个动力源：发动机与行星架相连；太阳轮与MG1电机相连；齿圈与MG2电机相连。



通过精密复杂的控制，这套行星齿轮组能够对发动机进行分流，利用电机调速，使得发动机一直处于高效的工作区间，以此达到省油的目的。
2003年，丰田推出了第二代THS混动系统，但第二代THS混动系统的升级主要是电控方面，E-CVT变速器结构没有太大的改动。
到了2009年，丰田推出了第三代THS（官方还是将其称为第二代，但行业更喜欢将其称为第三代），相比第二代的THS，它在原有的行星排基础上，再增加了一个行星排，第二个行星排与第一个行星排齿圈连接，MG2电机与太阳轮相连，行星架则固定不动，如下图：



这样第二个行星排就成为MG2驱动电机的减速机构，通过降低转速，增加了输出力矩，所以丰田第三代THS相比前两代拥有更好的动力性能。不仅如此，因为多了一级减速器的原因，此前笨重的链条传动也被更轻更小的齿轮传动所替代，很好地提升了传动的效率。



不过由于行星齿轮结构的限制，MG2驱动电机的转速被MG1的极限转速所限制了，所以这套系统纯电模式下速度不能很高（大约在70km/h）。
为了更好的适应行业发展，丰田在2015年推出了第四代的THS，在结构上，这次升级最显著的变化就是将THS-III增加的那个行星排改成了平行轴齿轮，同时将MG2驱动电机放在了侧位。



这样显而易见的好处就是这套系统轴向尺寸减少47mm，这在寸土寸金的横置平台里无疑是一个技术创新。不仅可以适配更大排量的发动机，同时也可以将MG2驱动电机功率做得更高。



另外，丰田在2016年还推出了基于第四代THS的插电混动系统，它的主要变动就是在发动机与MG1电机之间增加了一个单项离合器。
单向离合器的作用就是MG1电机在参与驱动作用的时候（更多的时候用来启动和发电），并不会带动发动机一起转动，同时与MG2驱动电机形成了双电机驱动。
这个单向离合器的结构图如下，结构决定了它只能往一个方向转动。



六、E-CVT技术对比
由于专利的限制，所以以行星齿轮组为核心的E-CVT其实不多，除了丰田的之外，最出名的就是通用的Volt 双模混合动力系统（其实通用在这方面的专利比丰田更早），它同样以行星齿轮组为核心。



在结构上，通用Volt的MG2与太阳轮连接，输出轴与行星架连接，并将动力输出到车轮上，而齿圈则根据实际运行情况与壳体或电机MG1连接。通过离合器C1、C2和制动器B1的结合与分离，GM Volt能够实现多种运行模式，如下表。



对比丰田的E-CVT，虽然通用的Volt结构相似，但动力分流方向则完全不一致，这也是丰田在通用一堆的专利封锁下，可以说绞尽脑汁的产物。
另外值得一提的是，虽然在结构上通用的Volt与丰田的YHS更相近，但消费者比较得更多的却是本田的i-MMD混动与丰田的THS混动，所以我们也对它们进行了对比分析。
首先在结构上，本田的这套i-MMD系统由发动机、发电机、驱动电机、动力分离装置（E-CVT）、PCU、锂电池组成。



其中的一个关键不同就在于E-CVT，相较于丰田复杂的行星齿轮，本田的i-MMD通过极少的齿轮组和离合器就完成了动力的分流，而我们得知道，动力多一层传递路径就多一层损失。
相较于丰田的THS，本田的i-MMD另一大特点就是结构灵活性高，可以实现纯电，串联、并联、高速直驱（丰田THS不能实现直驱）等多种模式，效率非常高。


此外，本田i-MMD混动的动力性是要高于丰田的THS的，以第三代本田i-MMD为例，它的电动机总功率达到了135KW，而丰田THS-IV的只有53KW。
至于本田i-MMD为什么要用一个如此大功率的电机，主要原因在于本田i-MMD混动系统不能像丰田THS那样随意切换速比，因此这套系统大部分工况下都处于串联模式，由电机驱动车辆行驶，为了保证车辆的动力性，只能选用功率更大的电机。



它的缺点也有，电池采用锂电池，电机功率更大，相对应的成本都会更高，同时由于它受制于内部减速齿轮组的速比限制，i-MMD系统里的那台阿特金森发动机直接参与驱动车轮的工况空间非常窄，此外，丰田的THS已经经过了市场的大规模验证，可靠性得到了证明。