[进击吧！巨人]丰田全新SUV用第四代混合动力系统开发解密

就全球来看，燃油车的油耗和排放法规日益严苛，但同时世界各地对SUV的需求也在不断增加，比如中国美国都喜欢SUV车型，欧洲流行的两厢车和瓦罐车也逐渐被SUV取代。而SUV由于风阻较大，车身较重，先天性不利于油耗与排放，中国很多整车厂都优先把PHEV或者EV布局于SUV。丰田也把他的HEV/PHEV/EV推广至SUV车型，但是以往丰田混动系统绝对性能并不强大，在SUV上无法平衡油耗和动力，且传统四驱也难以布置。对此，丰田为SUV研发了一套四驱混动系统，并率先搭载到RAV4（国内荣放・威兰达），高性能版将搭载到21年即将在中国上市的汉兰达上。

原文来自SAE paper ：Development of New Hybrid System for Mid-Size SUV

摘要

丰田目前也开展了全面电气化战略，但是区别于其他整车厂押注某个领域，丰田在电气化的投入是全方位的。如图1所示，1997年混动普锐斯的诞生标志着丰田电气化的开端，在2014年首次量产了FCEV燃料电池车型（未来），2020年开始投入EV纯电动车型，丰田目标在2025年所有车型都有电气化车型可以选择，到2030年HEV和PHEV有450万辆/年，BEV和FCEV有100万辆/年。

图1 丰田电动化路线图

汉兰达和RAV4作为丰田SUV的标志车型，不容有失，为了保证他们的市场竞争力（价格）并满足排放法规，带来低油耗的用户价值，丰田开发了全新混动技术——HV 2.5L E-Four。本文将介绍该动力总成相比上一代的优势。

1 介绍

第4代THS（Toyota Hybrid System）首先发布在2016年款普锐斯上，并于2017年将混动技术下放至卡罗拉雷凌双擎（综合可称为3.5代，混动控制系统为第4代，动力总成硬件为第3代），在2018年凯美瑞双擎上进行了进一步改进（第四代完全体），然后应用到RAV4 和UX250h上，在2019年，为了提高SUV的性能，第4代THS中增加了E-Four四驱系统，下一个新成员是全新汉兰达混动（图2）。整体第四代THS采用了稳健的通用化设计，可以高效地开发匹配新车型，并显著减少了开发时间和成本，让混动车型的终端售价只比燃油版贵2万左右。

图2 丰田新一代混动系统搭载历史（FF前驱车型）

2 改善和规格

THS由电动发电机（MG）混合式变速驱动装置、动力控制单元（PCU）和高压蓄电池组成。SUV用的THS系统设计与轿车第4代THS车型相似，并在效率维度进行了一系列优化。通过以下方式控制了机械、电能损耗，并减小尺寸和重量：

1）电机采用多轴减速齿轮

2）将PCU直接放置在变速驱动桥上方（图3）

3）新设计的高压电池更紧凑，放在后座下（图4）

4）发动机也进行了通用化（汉兰达混动也将使用L4 A25A-FXS的41%热效率混动发动机）

图3 第四代 THS系统侧视图（变速器和PCU）

图4 汉兰达用混动系统布置图（前后双电机）

2.1 产品规格

第四代SUV用混动产品规格对比如表1所示，第三代为3.5L-V6混动，第四代为2.5L-L4混动。相比第三代，搭载第四代混动的汉兰达在系统功率上有部分下降，但是油耗大幅度降低；搭载第四代混动的RAV4油耗甚至做到了4.7L/100km。

表1 丰田第四代SUV用混动系统性能对比

2.2 中型车用全新变速器

目前所有第4代THS车型都使用了多轴混动变速驱动装置，从而降低了机械损失，并提高了前电机最大转速的上限（提高实际扭矩）。发电机和前动力电机是全新设计，以提高功率输出，同时减小整体尺寸。与上一代相比，驱动轴的机械损失减少了25%，输出轴端最大动力电机扭矩增加了10%（参照表1汉兰达第三代和第四代）。除了增加输出扭矩外，混动变速驱动装置的质量比上一代减少了6%。为了适应更高的性能，冷却系统也进行了重新设计，以满足紧凑型/中型SUV的实际使用。冷却系统由两个双向油冷回路组成，一个是冷却水通过电子水泵在低速和爬坡时使用；另一个在高速巡航时通过空冷器进行冷却。这种组合有助于在低速/高扭矩和高速/低扭矩的极端驾驶情况下实现稳定的动力性能，并且降低机械损失。

图5 全新变速箱和冷却系统

2.3 其他组件

PCU直接安装在变速驱动装置上，PCU内部采用一个新的智能功率模块（IPM），从而实现了更高功率输出并优化改进了控制电路，相比上一代硬件，降低了15%的电气损耗和21%的质量。镍氢电池与其他THS电池采用相同的封装，继承了高可靠性，通用化结构也降低了成本。电池组的结构有所改进，将包装从三层改为一层，使电池组的总质量减少约12%。重组后的电池还降低了内阻，进一步提高了输出功率，改善了电池冷却。由于SUV对四驱的重视，后轮也采用了驱动电机，实现独立运行的四驱系统，实际效果高于传统适时四驱。

3 系统性能

3.1 燃油经济性

第四代THS应用到SUV上，配合全新一代TNGA架构和A25A发动机，汉兰达混动四驱（AWD）车型在北美WLTP工况下取得了35MPG的综合燃油经济性，相当于6.7L/100km。前轮驱动（FWD）车型达到36MPG，相当于6.5L/100km，未来中国上市后，跑NEDC工况，油耗很可能更低，甚至有机会达到紧凑级轿车的油耗水平。这个油耗水平，比北美2019年同级别燃油版四驱SUV的最好成绩还要低1.5倍。其实，2019款搭载第三代混动的汉兰达，油耗已经比2006年第一代汉兰达混动低了12%，最新第四代混动相比第一代油耗降低了38%，效果有极大的提升（图6）。

图6 标准SUV 油耗（AWD车型）对比

PS：此处油耗数据为EPA的工况，其数据接近真实工况，比WLTP和NEDC工况严苛。目前汉兰达混动EPA为8.1L/100km，搭载同等动力总成的雷克萨斯RX450h四驱在美国也是7.8L/100km，在中国工信部NEDC油耗是6.9L/100km。我估计未来21款混动汉兰达中国工信部油耗大概5.9L/100km左右。

燃油经济性的改善主要归结于混动系统的全面革新（图7）：

•2011年发动机升级（V6 3.3L→V6 3.5L），油耗降低8%；

•混合动力系统（电机/变速驱动/PCU）和控制系统改进，油耗降低11%；

•TNGA（丰田新全球架构）发动机和小型化，相比V6 3.5L，油耗进一步降低12%；

•道路负载优化（轻量化，机械阻力下降），油耗降低了4%；

•两驱车型FWD进一步降低质量和负载（无后电机驱动），油耗进一步降低3%。

图7 汉兰达混合动力燃油经济性（AWD）的变化

我们知道，为了改善燃油经济性，一方面发动机热效率尽可能高，一方面日常使用要充分发挥发动机的高效区间。第四代混动使用的TNGA发动机最高热效率41%，且高于38%热效率的区间足够的广，配合混动系统，日常驾驶的工况都能让发动机处于高效区间。如图8所示，为美国燃油经济性认证循环，主要有LA#4，US06，SC03，HWY等，该发动机的高效区间能够覆盖各种工况。而这些工况比较接近消费者日常驾驶，因此该混动系统的真实油耗值得期待。根据EPA油耗，我估计真实油耗在7L以内。

图8 发动机工作分配分析

3.2 加速性能

搭载在汉兰达上第四代L4发动机+混动系统虽然在极限功率上有一定下降，但是和第三代V6+混动的组合几乎相同。静态启动开始加速，百公里加速时间是7.7s（上一代7.5s）。而搭载第四代混动的RAV4百公里加速性能是7.8s，同级别相当给力。这是如何做到的呢？主要依靠提高前后电机的输出扭矩，提高电池的输出电压，改善发动机输出响应。混合动力系统的更新包括提高发电机最大转速上限，减少系统部件的质量和整车重量（图9）。从而在满足低油耗的同时，实现良好的加速性能。

图9 各项技术改善效果图，提高加速性能（0-100km/h）

3.3 四驱性能

在2019年，为了提高混动SUV车型的四驱性能，采用了全新的E-Four电动四驱系统，未来21款汉兰达也将使用。通过提高电机转速，最终到输出轴的扭矩比上一代高出30%。这有助于提高在坡道和湿滑路面上通过性能。此外，后轮的最大扭矩分配值增加到了80%，有助于提高转弯时的稳定性。

4 RAV4和汉兰达混动系统对比

由于目前RAV4混动已经上市，相信很多消费者都实车体验过。未来将要上市的汉兰达混动和RAV4相比有什么变化呢？他们的详细参数对比如表2所示。

表2 汉兰达混动和RAV4混动对比

4.1 混合动力系统的规格比较

由于汉兰达整车重量更重，搭载和RAV4同样规格的第四代混动系统显然是不合适的。丰田对汉兰达用混动进行了一些升级。首先，为了应对整车重量的增加，前电机尺寸增加，输出扭矩大约比RAV4 HV高19%，以确保汉兰达有足够强大的起动性能（图10）。第二个变化是提高发动机最大转速，以适应在较重的车辆中使用。通过减少进气/排气泵气损失，提高了发动机的极限性能，以实现6%的功率提高和16Nm的峰值扭矩改善（这一点很难）。最后，通过增加电池芯数和改善电池化学性质来提高电压，提高充放电性能。从80km/h开始加速时，最大驱动力提高了约16%。尽管21款汉兰达HV的重量有所增加，但性能仍达到了RAV4 HV的水平，百公里加速7.7s和7.8s（非零速起步non-stall start，俗称响胎起步）。

图10 系统输出扭矩与中型混合动力系统（AWD）的比较

4.2 发动机运行工况

随着发动机输出功率和最大扭矩的提高，且由于汉兰达整车质量更重，因此控制系统中设计的燃油效率工况点也有所提高（蓝点线变红实线）。因此，在中等加速工况下，以往需要发动机处于更高转速，得益于扭矩工况点的提高，可以使用低转速高扭矩的工况点，比如图11中可以让发动机转速降低500rpm。这有助于降低发动机噪音和振动，从而提高燃油效率，并带来高级感。

图11 发动机运行工况线的改进和发动机运行对比（从80km/h开始，60%加速度）

5 第四代SUV混动系统的控制开发（驾驶性）

正如许多新车的发展方向一样，降低成本和提高效率也为提高驾驶性能带来了挑战。丰田在第四代SUV用混动系统中，主要针对峰值加速度、各种运行工况下的向英雄和整车控制性进行了优化。从而实现了更加自然的驾驶体验。

PS：对于消费者来说，就是混动车型驾驶体验明显高于燃油版车型。

5.1 加速和响应

一辆车动力响应性是提高驾驶员信心非常重要的手段，第四代混动系统相比上一代，在加速响应上有了极大提高。如图12所示，为两个节气门全开加速的示例（零速起步stall start）。图12左边能看出，油门从0踩到底之后，加速度峰值能够达到0.6g，相比上一代或者燃油版有了20%提高。从右边图可以看出，在启动的0到6s以内，第四代混动的车速提高明显，在城市超车并线等工况具有极大优势（由于动力系统的原因，第三代混动和燃油版车型在后续加速中更快）。

图12静止启动加速（0%~100%WOT）

其中，图12中的为正常起步，不是烧胎起步，而前文显示的加速显示的值来自非零速起步。中途再加速场景如图15所示，达到峰值扭矩的响应时间提高了30%。

图13 80km/h加速，响应改善30%

通过第四代THS硬件系统和软件标定，实现了技术指标的优化。通过提高响应和可控性，即使在硬件小型化和低功耗化下，也可以提高总体驾驶性能。

5.2 线性驱动力

线性驱动力是在正常驾驶条件下（如轻度加速和巡航）评价驾驶性能的主要部分。对这些工况下进行更自然的调教可以明显提高整车驾驶舒适性和档次。

一般来说，此处的评价需要通过客观参数和主观评价。设计目标需要考虑系统限制、模型覆盖范围和驾驶性原则（例如加速度线性、衰减率、巡航等），结合起来进行更全面的标定。

上面描述可以拗口，简单而言如图14所示，显示了30%油门踏板时的加速度与速度。绿色区域为设计区域，加速度太低可能导致感觉迟钝，相反，过高的加速度会让人感觉油门很冲，两者都有可能造成较差的可控性。在加速过程中，加速度的变化也是平稳，没有突然的变化，这些都需要系统级别的调教。从图中看出，第四代混动系统的加速线性感是领先上一代的。

图14 与基于其他竞争车辆的目标相比，加速踏板输入为30%时的加速曲线

此外也可以用G-S（加速度与踏板行程）评价动力总成加速线性，如图15所示。通过设计与驾驶员输入和实现的加速度更为线性的关系，可以获得更为自然和可预测的驾驶体验。

图15 加速度与加速踏板的关系[G-S]，改善的线性度和平滑度提供了可预测的自然驾驶性能

5.3 其他特性

第四代混动系统中加入了新的控制逻辑，以提高驾驶性能和燃油经济性。主要特点包括：

•下坡辅助（Downhill Assist）：一个全新的功能，以提高陡坡下坡的可控性。在原理上类似于传统变速箱的降档提高减速扭矩的逻辑，在THS系统上也顺利实现了，该下坡辅助在需要时会自动启动（图16）。

图16 下坡辅助逻辑用例的表示

•步道模式（Trail Mode）：提高非铺装或者不平整路面的可控性。在原理上类似于限滑差速器控制扭矩和制动控制的组合。驾驶员通过中控的按钮选择步道模式。

•高效驾驶预测（Predictive Efficient Drive，PED）：提高效率，尤其是与导航系统配合使用。第四代混动车型中，PED已扩大到帮助驾驶员在更广泛的场景实现更好的燃油经济。通过协同滑行引导和增强型制动能量回收，驾驶员的制动操作得到改善。此外，当驾驶员使用导航系统时，道路坡度和来自导航系统的交通信息可用于优化蓄电池充放电状态。

图17 交通PED逻辑用例的表示

6 结论

随着第四代混动系统的普及，丰田在中国市场取得良好的销量，丰田混动也不断升级进步，保持着行业领先地位。目前搭载第四代SUV混动的RAV4（荣放，威兰达）在市场上取得一致好评，尤其是搭载双电机的四驱混动，不但油耗极低，四驱模式也更具有实用性。一代神车汉兰达终于到了生命周期末期，也终于不用加价了。未来，全新汉兰达也会使用该强化版混动系统，期待它的市场表现，估计又要开启一波加价的狂潮。