动力分配系统为何让丰田混动车无懈可击?
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让丰田混合动力系统无可匹敌的,并非单靠电动机或电池,而是那套通过一组行星齿轮组来分配与整合双动力源的功率分流(power-split)传动系统.这一架构用一个机构同时弥补了串联和并联混动的短板,使车辆能够以汽油发动机、电动机或两者的组合顺畅行驶.1997年,随着首款量产混合动力车型 Prius 的问世,这套系统踏上征程,至今仍是业界公认的标杆方案.
亮点
- G21项目 1993年 20公里/升 的燃油效率目标启动
- 首款 Prius 于1997年12月作为全球首款量产混合动力车型正式发布
- 丰田的行星齿轮彻底取消了传统变速箱,创造出 e-CVT 的效果
- 本田在1999年则通过并联的 Insight 选择了 IMA 系统
- 丰田全球混合动力销量 于2013年3月突破500万 大关
串联、并联与功率分流:三种架构有何不同?
要理解混合动力传动系统,必须区分三种基本架构. 在串联混动中 车轮完全由电力驱动;内燃机为发电机供电,电力再输送给电动机.历史上最早出现的范例正是这种方案:费迪南德·保时捷于1898年设计了Egger-Lohner C.2,1900年推出了在车轮上安装轮毂电机的电动版Lohner-Porsche,并于1901年通过轮毂驱动将汽油发动机与之结合的 Lohner-Porsche Mixte Hybrid 成为首款进入量产的混合动力汽车.1902年,保时捷驾驶这辆车甚至赢得了Exelberg拉力赛.但串联架构的代价是显而易见的:能量不是以机械方式、而是以电气方式传递到车轮,每次转换都会产生损耗.
在并联混动中 内燃机与电动机共享同一根输出轴;两者可以单独或共同驱动车轮.这种布局通常使用比串联更小的电池,并通过再生制动充电.由于机械连接得以保留,效率损失有限;但发动机与车轮的转速相互耦合,使发动机难以始终保持在最高效的运转区间.
功率分流架构 则介于两者之间:在并联路线的基础上增加一个功率分流装置,为内燃机到车轮开辟多条动力路径.发动机、发电机和驱动电机可以相互独立地解耦工作;系统可根据情况像串联或并联一样运作,在混合工况下保持效率.其核心特征是能让发动机保持在高效运转区间的电子无级变速系统,即eCVT.
G21项目:从20公里的目标到混动决策
丰田这套系统的诞生并非源于一项工程举措,而是一次愿景研究.1993年夏,在名誉会长丰田英二的倡议下,面向21世纪的车辆设计研究启动;1993年9月,代号 G21 项目以(Globe与21世纪的结合)之名成立.由10名工程师和设计师组成的团队将20公里/升的燃油效率定为目标.1994年2月项目正式立项;由后来成为丰田社长的内山田竹志担任负责人.
1994年11月,局面发生了变化.负责技术事务的常务董事副社长和田明广向项目下达了改为混动方案的指令,并明确表示若无法实现,项目将被取消.目标效率要翻倍,而据团队评估,唯一可行的途径就是混合动力技术.一个值得注意的细节是:即使是G21团队自己的成员,当时也认为混合动力化是一项到21世纪初都难以成熟的、未经证实的技术.这项指令改变了这一判断.
团队用了大约半年时间研究各种方案,并因其高燃油效率潜力而选择了双电机结构.这一选择最激进的结果是:传统变速箱将被完全取消.1995年6月,量产车获得正式批准;发动机、电机-发电机和逆变器将由内部自行研发,电池则与松下电池工业公司合作.1995年8月,奥田硕出任丰田社长,成为混合动力研发的转折点.
Toyota Hybrid System:行星齿轮是如何工作的?
1997年3月,丰田宣布完成了配备集成电机与发电机、并具有功率分流功能的 Toyota Hybrid System(THS).该系统的核心是带行星齿轮的功率分流装置:这一机构将两台电机-发电机与内燃机相连,把发动机的动力在驱动车轮与发电之间进行分配.输入轴与输出轴处于同一平面,保证了结构紧凑;驱动电机可增强发动机动力,并在减速时如同发电机般工作为电池充电;第二台电机则利用内燃机的动力发电、控制变速箱,并兼任起动机的功能.逆变器被安装在电池与电机之间.
如今被称为 Hybrid Synergy Drive (HSD)的系统,正是1997-2003款Prius上THS的精炼版本.第二代系统出现在2004款Prius上,而更名则反映出丰田期望这项技术能够超越自身品牌走向更广阔的舞台;2006年该系统也应用于Camry和Highlander.在HSD中,传统变速箱、交流发电机和起动机的位置被MG1、MG2、三台DC-AC逆变器与两台DC-DC变换器组成的功率电子装置、计算机控制以及高压电池所取代.
两台电机-发电机的分工十分明确:
- MG1: 起动内燃机的电机兼为电池充电的发电机;通过调节发电量,实际上控制着动力分配装置的CVT功能.
- MG2: 主驱动电机兼再生制动发电机;通常功率更为强劲.
行星齿轮组发挥着类似CVT的功能,出于法规认定的目的,丰田将该系统称为 e-CVT 归入这一类别.HSD是全混联混动:车辆可以仅靠电动机行驶 - 大多数竞品混动做不到这一点,因此被归为轻混.该系统在世代内部也不断演进:第1代和第2代中,MG2直接连接到环形齿轮(1:1,无扭矩放大);第3代则通过2.5:1的行星齿轮组连接,使更小但更强的MG2成为可能.电池方面,第1代普锐斯使用228个电芯和38个模块,而第2代和第3代则改用28个标称电压201.6 V的松下方形NiMH模块;电子系统为了电池寿命,将充电量控制在40%-80%区间内.
本田为何选择了不同的道路?选择并联IMA的原因
当丰田投入双电机功率分流时,本田采取了一种注重简洁与成本平衡的方案.本田的首款量产混动车 Insight 于1999年上市,配备了并联混动 Integrated Motor Assist (IMA)系统.在IMA中,电动机与汽油发动机共用一根输出轴;与混联混动不同,汽油发动机可以单独驱动车轮.这是继1997年普锐斯之后的一款车,被归类为采用并联系统的轻混.
由此形成了混动市场的第一次重大架构分化.丰田选择了瞄准效率上限、部件数量多且控制复杂的系统;本田则选择了以更少部件提供合理效率的布局.IMA沿用了大约六代,本田的混动演进也逐步发展至今天的 e:HEV 系统.然而,由于无法实现纯电行驶,IMA在技术上被置于比HSD能力更窄的类别:与HSD之外的大多数混动一样,IMA也无法纯电起步.
1997年之后:功率分流架构如何塑造了市场?
于1997年12月发布的 Prius,作为全球首款量产混合动力汽车,也被列入IEEE里程碑名单.之后,就是规模化的故事:丰田于2007年5月突破100万辆,2009年8月底突破200万辆,2013年3月突破500万辆混动销量;截至2013年3月,美国占全球混动销量的38%.普锐斯至今已生产至第五代.
功率分流架构也并非丰田独占的方案.HSD技术授权给了日产用于Altima Hybrid;爱信则向其他制造商提供类似的混动变速箱.同一系统还被适配用于Mirai的纯电驱动和Prius Plug-in Hybrid;雷克萨斯版本则名为 Lexus Hybrid Drive .功率分流设计在其他品牌中也成为标准:在近期的对比中,通用、丰田、东风和长城的系统前列同样是行星齿轮机构,并连接到MG1电机的太阳轮.即使是2026款车型(例如 RAV4 XA60)仍提供NiMH和锂离子电池选项.
| 特性 | 丰田HSD(功率分流) | 本田IMA(并联) |
|---|---|---|
| 首款量产车型 | 普锐斯,1997年12月 | Insight,1999年 |
| 架构 | 混联,行星齿轮 | 平行,共用输出轴 |
| 变速器 | 无传统变速器,采用e-CVT | 依发动机而定传统布局 |
| 纯电动行驶 | 是(全混动) | 否(轻混动) |
| 能量回收制动 | 通过MG2实现 | 通过共用轴电机实现 |
| 长期影响 | 授权给日产,并应用于雷克萨斯和Mirai | 约六代,之后为e:HEV |
电动续航及其实际限制
标准HSD在电池电量充足的情况下,可在约40 km/h以下以纯电动方式行驶 1.6 km 提供EV模式.若要更长的电动续航,则需要单独的架构: Prius插电式混动版搭载容量4.4 kWh、重量80 kg的锂离子电池,根据EPA测量 18 km 的电动续航.关于电池,有一个常见问题需要澄清:没有电脑、车载电源、电池和电机-发电机,HSD无法运行;相反,原则上它没有内燃机也能移动,实际上在紧急情况下,车辆可以仅靠汽油行驶一段短距离.
从今天来看:功率分流为何依然重要?
当消费者向纯电动车型的过渡放缓时,可以观察到消费者正转向混合动力车型,而丰田在此背景下有一项增强其实力的生产细节:丰田能够在与汽油车和插电式车型相同的装配线上生产混动车,并可根据需求实时调整产量.从工程角度看,更令人惊叹的是这套系统的历史.1994年经过六个月分析选定的双电机布局,三十年后其核心机制——行星齿轮、两台电机-发电机以及功率电子——仍几乎以同样的原理运转.在专利档案中,可以找到关于行星齿轮设计和多模式功率分流布局的详细研究;然而,所谓丰田用单一专利锁定了其功率分流系统的普遍说法,很难说有某一条具体而直接的专利记录支撑——系统的力量与其说来自某一份文件,不如说来自扎根于整个组件体系的架构决策.而正是这一决策,成为混合动力历史上最具决定性的转折点之一:正确的机制,引领了技术其余部分的发展.
参考资料
- The Story Behind the Birth of the Prius, Part 1
- Item 1. Development of Prius and Hybrid Strategy
- Hybrid Synergy Drive
- Hybrid vehicle drivetrain
- Milestones: Toyota Prius, the World's First Mass-Produced Hybrid Vehicle, 1997
- Series vs Parallel vs Series/Parallel Drivetrains
- Prius and Volt: Configuration Analysis of Power-Split Hybrid
- Inside Toyota's Hybrid Synergy Drive
- Honda Insight - Integrated Motor Assist
- Evolution of the e:HEV Powertrain
- The history of Porsche begins electrically
- Lohner–Porsche
- GM, Toyota, Dongfeng, Great Wall power-split comparison
- Toyota to outshine rivals as consumers opt for hybrids