豐田E-CVT技術詳解：獨步混動界30年，行星齒輪組是關鍵？

在混動圈子裏，有一句話叫做：世界上只有兩種混動，一種是豐田混動，一種是其他。這已經足以證明業內對於豐田THS混動系統的認可，今天我們就來聊聊這套享譽全球的混動系統的核心部件——行星齒輪機構。

豐田THS混動系統主要由阿特金森循環發動機、永磁鐵電機、行星齒輪機構、發電機、高性能鎳氫蓄電池組、動力控制單元、功率控制單元組成。

整套系統的核心就是這套行星齒輪機構，也就是媒體人口中的E-CVT變速器，不過雖然它被稱作變速器，但它並不具備傳統變速箱系統裏面的離合器、液力變矩器或是齒輪軸組等這些複雜機構，是專門為混動車型而準備的動力分配機構（豐田的官方叫法）。

那麼豐田的這套系統優勢在哪裏，又有何不足，相比市面上其他混動系統，它們之間的差別又在哪裏，本文將一一得到體現。

一、為什麼豐田要研發E-CVT變速器？

E-CVT變速器是整套混動系統的關鍵，而所有混動系統推出的初衷，其實都可以歸結為節能減排，豐田當年推出THS也是如此。

90年代初，“可持續發展”，“全球變暖”、“温室效應”等字眼開始被全球熟悉，在這個背景下，豐田汽車開始研究“21世紀的汽車發展模式”，並啓動了名為“G21”（G代表Globe 21代表着21世紀）的項目。豐田混合動力系統（THS）也是在這個階段開始萌芽。

到了1995年，豐田在東京車展上發佈了Prius的混合動力概念車，兩年後，也就是1997年，豐田第一代Prius混合動力車型在日本本土上市銷售，這是豐田第一款基於THS混動系統的量產車型，也是豐田MC平台下誕生的首款車型。

在此，豐田汽車的混動世界大門也就正式打開。

二、目前THS混動系統發展到了第幾代，分別搭載在哪些車型上？

前文提到，THS系統的核心其實就是E-CVT變速器，也就是行星齒輪組，豐田THS系統的迭代升級也幾乎是圍繞着行星齒輪組展開。

第一代THS混動系統誕生於1997年，首次搭載在普鋭斯車型上，它的行星齒輪組由太陽輪、行星架、外齒圈三個部分組成，三個部分依次對應三個動力源：發動機與行星架相連；太陽輪與MG1電機相連；齒圈與MG2電機相連。

通過精密複雜的控制，這套行星齒輪組能夠對發動機進行分流，利用電機調速，使得發動機一直處於高效的工作區間，以此達到省油的目的。

2003年，豐田推出了第二代THS混動系統，但第二代THS混動系統的升級主要是電控方面，E-CVT變速器結構沒有太大的改動。

到了2009年，豐田推出了第三代THS（官方還是將其稱為第二代，但行業更喜歡將其稱為第三代），相比第二代的THS，它在原有的行星排基礎上，再增加了一個行星排，第二個行星排與第一個行星排齒圈連接，MG2電機與太陽輪相連，行星架則固定不動，如下圖：

這樣第二個行星排就成為MG2驅動電機的減速機構，通過降低轉速，增加了輸出力矩，所以豐田第三代THS相比前兩代擁有更好的動力性能。不僅如此，因為多了一級減速器的原因，此前笨重的鏈條傳動也被更輕更小的齒輪傳動所替代，很好地提升了傳動的效率。

不過由於行星齒輪結構的限制，MG2驅動電機的轉速被MG1的極限轉速所限制了，所以這套系統純電模式下速度不能很高（大約在70km/h）。

為了更好的適應行業發展，豐田在2015年推出了第四代的THS，在結構上，這次升級最顯著的變化就是將THS-III增加的那個行星排改成了平行軸齒輪，同時將MG2驅動電機放在了側位。

這樣顯而易見的好處就是這套系統軸向尺寸減少47mm，這在寸土寸金的橫置平台裏無疑是一個技術創新。不僅可以適配更大排量的發動機，同時也可以將MG2驅動電機功率做得更高。

另外，豐田在2016年還推出了基於第四代THS的插電混動系統，它的主要變動就是在發動機與MG1電機之間增加了一個單項離合器。

單向離合器的作用就是MG1電機在參與驅動作用的時候（更多的時候用來啓動和發電），並不會帶動發動機一起轉動，同時與MG2驅動電機形成了雙電機驅動。

這個單向離合器的結構圖如下，結構決定了它只能往一個方向轉動。

從年份梳理，豐田E-CVT經過了多個版本的迭代，具體如下圖所示：

（第一代THS）

（第二代THS）

（第三代THS）

（第四代THS）

此外，還有應用於縱置平台的混動系統（版本代號暫未找到），如雷克薩斯LS，雷克薩斯GS，相比普通版本的THS混動系統，它在此基礎上串聯了一個4AT，模擬出10個擋位，這種組合的結果，一方面是有利於提升極速，例如LS500h的純電最高速度能達到140km/h，另一方面是加速性更強。

而應用於埃爾法和雷克薩斯LM的四驅系統則是在後橋單獨加入了一個電機，組成了E-Four電動四驅，結構上與豐田THS沒有太大的區別。

目前已經引入過國內的豐田THS車型包括：凱美瑞、漢蘭達、賽那、威蘭達、雷凌、威颯、C-HR、卡羅拉、RAV4榮放、亞洲龍、皇冠陸放、凌放HARRIER、奕澤IZOA、埃爾法、威爾法；雷克薩斯品牌有雷克薩斯ES、雷克薩斯RX、雷克薩斯NX、雷克薩斯LS、雷克薩斯UX、雷克薩斯LM、雷克薩斯CT、雷克薩斯LC、雷克薩斯GS(2016、2014、2012款)。

（豐田車系）

(雷克薩斯系)

三、E-CVT詳解（官方稱之為THS-II的版本）

3.1、結構組成

E-CVT的核心是這套行星齒輪組，它由太陽輪、行星架（包含行星齒輪）、外齒圈組成，它們依次與MG1電機、發動機輸出軸、主減速器連接，如下圖所示：

我們可以發現，只要確定了一個機構的狀態，那麼其他兩個機構的轉動也能被確定，比如外齒圈不動，太陽輪轉動，勢必就會帶動行星架轉動，這就是車輛的啓動過程。

而且值得注意的是，由於外齒輪和太陽齒輪和行星齒輪的直徑和齒數都已固定，這也就表示發動機的扭矩永遠會按照比例分配給太陽輪和外齒圈，具體數值大約72%分配給外齒輪，28%分配給太陽齒輪，一旦發動機運轉，就不會改變這個基本事實。

另外，由於行星齒輪組的結構限制，外齒圈和太陽輪之間的齒比為2.6，也就是外齒圈轉一圈，太陽輪就得轉2.6圈，導致的結果就是，M2電機的轉速被M1電機6500轉的極限轉速所限制住了，算下來只有2500轉，對應車輛的時速是43英里，也就是70公里每小時左右。

3.2、工作模式

豐田的這套THS-II系統，本質上可以實現多種工作模式，一個是純電，一個是混動（下圖中B和C都可以看做是混動），還有一個是動能回收模式，我們由易到難依次講解。

首先是純電模式，在純電低負荷狀態下，蓄電池驅動MG2電機，動力由MG2傳遞給前橋差速器，最終驅動車輪，但由於行星齒輪的外齒圈和M2電機是硬連接，也會跟隨轉動。此時與行星架相連的發動機是有內部阻力的，動力就會通過行星齒輪傳遞給內部阻力更小的太陽輪也就是M1發電機，使其反向轉動，此時發電機是不發電空轉的狀態。

而在純電大負荷狀態下，此時發動機輸出軸的單向離合器介入，行星架保持不動，MG1發電機開始充當電動機，動力經過太陽輪傳遞到外齒圈，在經過平行軸此輪傳遞給前橋差速器，最後與MG2一起驅動車輛前進。

動能回收模式則更好理解，當車輛在減速的時候，車輪會反過來帶動MG2和MG1，使其充當一個發電機的作用。

混動模式：

相較於前兩種工作模式，混動模式才能體現出E-CVT整套系統的精髓。當電機功率已經無法滿足需求，又或者電池電量不夠的時候，此時發動機就需要啓動介入了。

但這套系統發動機是沒有傳統的啓動機構的，所以這時候MG1電機就需要由反轉變為正轉，以此帶動行星架轉動，並且這個轉速會達到發動機運行的高效區間，這時候發動機就會噴油啓動。

而我們前文提到過，發動機一旦轉動，那麼發動機的扭矩就會傳遞給外齒圈和太陽輪，此時外齒圈會將動力傳遞給與之耦合的前橋差速器，與MG2驅動電機一同驅動車輪行駛；而太陽輪則會帶動MG1電機發電，這部分電能則會提供給MG2驅動電機。

而當我們深踩油門，或者在全負荷狀態的時候，則一共有三條動力流，除了以上的發動機一部分扭矩驅動車輪，一部分扭矩驅動MG1發電機給MG2供電外，車輛本身的蓄電池還會給MG2電機供電，使車輛輸出最大功率。

還有一種模式就是原地發電，發動機全部功率帶動MG1發電機為電池充電，可能這裏就有讀者發現了，前文不是説過嗎，只要發動機一起動，那麼扭矩一定是按照比例分配給外齒圈和太陽輪的？

（原地充電）

這裏其實不衝突，因為在原地發電模式下，電池會給MG2電機供電，提供一個反向的扭矩，鎖死外齒圈。

3.3、控制策略

行星齒輪組的結構其實並不複雜，難的是整套系統的控制單元。在發動機啓動，系統進入混動之後，如何進行動力分配呢？

首先我們知道，MG1電機是可以被調速的，而根據行星排之間的關係，是可以計算出發動機扭矩分配到外齒圈的扭矩。當駕駛員踩下油門踏板時，系統會根據油門開度和電池SOC值來判斷髮動機所需的功率，在車速較低時，發動機的大部分的動力會分配給NG1發電，部分動力用於驅動車輪，剩下的動力則由M2電機補充。

當車速較高時，發動機會將大部分的動力用於驅動車輪，只有少部分用於發電，MG2電機輔助驅動。

如果車輛正好處於發動機最高熱效率區間，那麼MG1電機會被卡住，MG2電機空轉，此時動力完全由發動機提供。

通過以上我們也可以得出另外一個結論：發動機負責主要功率輸出，用於維持SOC平衡以及響應總的功率請求；發電機就是用於調速，它的目的永遠是把發動機的轉速控制在目標工作點；電機主要負責扭矩上的補充，保證駕駛員的扭矩請求得到保證。

四、E-CVT的優點、缺點

E-CVT變速器有兩大優點，首先是行駛的平順性，行星齒輪組代替了變速器，不會有換擋的頓挫感，同時這套系統結構簡單，理論上質量更加可靠。

其次這套系統通過行星齒輪組的動力分流，電動機的調速，使得發動機一直能維持在一個高效的運轉區間，將燃油經濟性做到更高，要知道2009年第三代普鋭斯上市的時候實測油耗是4.3L/100km。10年前就達到這個油耗水準，可以説領先了整個時代。

雖然優點十分明顯，但這套E-CVT也有一些先天缺陷，主要原因就是因為齒輪結構帶來的限制，比如行星齒輪組的齒比限制了發動機的轉速區間，同時還需要帶動發電機發電，無法釋放全部動力。而且齒輪組傳遞路徑越多，能量損失就越大；在發動機高效運轉區間內，不能全部將動力傳遞給車輪，要經過充電或電驅二次轉化。

五、目前E-CVT的口碑如何？

總的來講，E-CVT由於變速箱的特殊類型，工作的時候並不會產生摩擦，沒有摩擦就不會出現磨損，耐用性更好，故障率很低。

而從市場口碑上也能看出這套系統的可靠性，有關E-CVT變速器故障的投訴幾乎沒有，這也側面反映出其質量的領先。

六、E-CVT技術對比

由於專利的限制，所以以行星齒輪組為核心的E-CVT其實不多，除了豐田的之外，最出名的就是通用的Volt 雙模混合動力系統（其實通用在這方面的專利比豐田更早），它同樣以行星齒輪組為核心。

在結構上，通用Volt的MG2與太陽輪連接，輸出軸與行星架連接，並將動力輸出到車輪上，而齒圈則根據實際運行情況與殼體或電機MG1連接。 通過離合器C1、C2和制動器B1的結合與分離，GM Volt能夠實現多種運行模式，如下表。

對比豐田的E-CVT，雖然通用的Volt結構相似，但動力分流方向則完全不一致，這也是豐田在通用一堆的專利封鎖下，可以説絞盡腦汁的產物。

另外值得一提的是，雖然在結構上通用的Volt與豐田的YHS更相近，但消費者比較得更多的卻是本田的i-MMD混動與豐田的THS混動，所以我們也對它們進行了對比分析。

首先在結構上，本田的這套i-MMD系統由發動機、發電機、驅動電機、動力分離裝置（E-CVT）、PCU、鋰電池組成。

其中的一個關鍵不同就在於E-CVT，相較於豐田複雜的行星齒輪，本田的i-MMD通過極少的齒輪組和離合器就完成了動力的分流，而我們得知道，動力多一層傳遞路徑就多一層損失。

相較於豐田的THS，本田的i-MMD另一大特點就是結構靈活性高，可以實現純電，串聯、並聯、高速直驅（豐田THS不能實現直驅）等多種模式，效率非常高。

此外，本田i-MMD混動的動力性是要高於豐田的THS的，以第三代本田i-MMD為例，它的電動機總功率達到了135KW，而豐田THS-IV的只有53KW。

至於本田i-MMD為什麼要用一個如此大功率的電機，主要原因在於本田i-MMD混動系統不能像豐田THS那樣隨意切換速比，因此這套系統大部分工況下都處於串聯模式，由電機驅動車輛行駛，為了保證車輛的動力性，只能選用功率更大的電機。

它的缺點也有，電池採用鋰電池，電機功率更大，相對應的成本都會更高，同時由於它受制於內部減速齒輪組的速比限制，i-MMD系統裏的那台阿特金森發動機直接參與驅動車輪的工況空間非常窄，此外，豐田的THS已經經過了市場的大規模驗證，可靠性得到了證明。

七、豐田開放E-CVT專利

文章開頭説到，世界上只有兩種混動，一種是豐田，一種是其他，而之所以產生這個説法的原因是因為一方面豐田THS混動性能優秀可靠，另一方面就在於它申請了全面的專利保護，後來者再想入局難上加難。

但由於專利保護期具有時效性，因此在2017年的時候，豐田就對外宣佈開放首批混動專利，且可以對外提供技術，並希望就此與其它車企展開合作，但應者寥寥。

到了2018年，豐田把專利開放的事情表達得更清晰了，宣稱將無償提供使用權，包括電機、電控、系統控制等約23740項電動化技術專利。

到了2019年，豐田專利開放的事情終於迎來了收穫，先是以豐田以“1美元”的價格，把THS技術“賣給”了豐田在華核心零部件供應商科力遠（科力遠的大股東是吉利，所以可以變相的理解為將技術賣給了吉利）。後來又與廣汽、一汽等達成了THS混動技術轉讓協議。

目前自主品牌中首款搭載豐田混動的廣汽傳祺GS8雙擎系列已經上市，動力上採用廣汽自主研發的2.0T發動機+豐田THS混動系統，官方宣傳百公里油耗5.3L/百公里。另外吉利的智擎Hi·X油電混動系統也與其有千絲萬縷的聯繫。

總結：

總的來看，E-CVT變速器作為豐田THS混動系統的核心，通過行星齒輪組，完美實現了動力分流的作用，利用電機調速，使得發動機始終處於高效工作區間，這的確是有革命意義的創新，這也使得豐田的混動技術幾乎是獨霸全球，累積銷量已經接近2000萬輛。目前THS混動已經發展到了第四代，結構已經趨近於完美，而且在純電動汽車成為大勢的背景下，豐田會不會繼續升級THS或者是改進E-CVT，可能都需要打上一個問號。