丰田THS混动架构解读笔记（THS/Volt/Honda i-MMD系列之一）

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概述

丰田已经发布了第五代THS II双擎混动系统。要知道，丰田的这一套油电混动系统已经发展了25年，历经四次换代。

作为油电混动技术的鼻祖之一，丰田算得上是“混动专用发动机+前桥双电机”技术方案的开创者。

丰田的混合动力系统的官方名称为THS（Toyota Hybrid System），目前虽然经历了多次调整，但基本逻辑没变。

1969年丰田开始对混合动力技术进行研发。

1977年东京汽车展上，丰田的燃气涡轮发动机和电动机的混合动力车（Gas Turbine Hybrid Car ）就受到广泛关注。

1997年3月，经过近40年的积累和探索，创造出由丰田独立开发并且自行生产的「THS」（TOYOTA混合动力系统）。1997年12月世界首款量产混合动力车PRIUS普锐斯开始上市销售。

2003年第2代PRIUS普锐斯开始销售，搭载了将环保性与动力性相结合的第2代混合动力系统「THSⅡ」，此外在造型设计、功能及装备、以及环保性能等方面都有了大幅度的改进，在此之后又将混合动力车型扩大到MPV、SUV、后驱轿车、小型两厢车等车型。2009年5月丰田发布了第三代普锐斯。

行星齿轮组概念介绍

要看懂混动系统不同的运行模式，需要先了解行星齿轮组的基本概念。

一个基本的行星齿轮组由3个啮合在一起的齿部件组成，它们彼此之间速比固定。

太阳齿轮位于中间，行星齿轮连接到一个共同的承载板围绕它旋转，同时还与具有向内齿轮齿的外圈啮合。

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系统组成

丰田混动系统的构成：系统包括阿特金森循环发动机、E-CVT变速箱、PCU、电池组等部件。

E-CVT变速箱是两个电机与带行星齿轮组的无级变速机构结合而成。

丰田的HEV厉害在有巨大的销量来支撑，因此丰田肯为HEV单独开发新的发动机，阿特金森循环发动机和废气再循环技术(EGR)作为丰田HEV重要组成部分——不是每一家都舍得为混合动力单独开发一套发动机。

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而这其中最重要的就是通过行星齿轮组进行功率分流power split，这部分的构造就是发动机、发电机、电机三者通过一个行星齿轮组耦合在一起，1号电机（发电机）与太阳轮连接，发动机与行星架连接，2号电机与行星轮连接并通过主减速器与轮端连接。

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基于这个行星排，有以下特点：三组齿轮相互啮合，均不能独立转动，这三个齿轮之间传动比是固定的，任何一个齿轮的转动都会带动其他齿轮的转动，但是可以锁定其中的太阳轮或行星架不动，而另外两者之间进行传动。

【THS-II】

由于结构设计因为行星齿轮始终无法解耦，使得无论何时动力都需要分配给两台电机，所以导致能量在多次转换过程中被消耗浪费。虽然整个系统结构没有问题，省油、平顺，但无法将三个动力源的功率全部输送到车轮，所以它的性能表现并不好。

于是丰田就升级了第二代技术THS-II。THS Ⅱ省油的关键是在行星齿轮组。

丰田THS系统中，通过对行星齿轮组特性和对齿轮齿数的巧妙设计，以及通过油门踏板位置信号、车辆驾驶条件和蓄电池的充电状态，计算出发动机目标转速等信息，从而确定发动机在该时速下最佳转速是多少，再对MG1进行控制，通过对MG1的控制来对发动机进行调速，使得发动机在任何情况下都尽量地保持在一个较为经济的工作区间，这时丰田THS系统省油的关键。

第二代的主要变化在：由之前的同轴布置方式改为了平衡轴的结构，就是将原来三个动力源平行并列布置的形式，变成了将电机侧置，通过减速齿轮与行星架外部齿轮啮合，于是就可以直接提升电机的功率来改善动力方面的短板。

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运行模式

工作模式

THS简单来讲主要有两个工作模式：

1、纯电模式：连接发动机的行星架是不转动的，电机转速与车速成正比，由于发动机摩擦力较大，发动机不会转动，但发电机会反转。但是到达一定车速后（约40km/h），发动机就会启动。

2、混动模式：发动机、发电机、电机同时工作，发动机输出扭矩，发电机控制发动机转速，电机转速对应车速。通过调节发电机的转速和负荷，可以将发动机控制在高效的转速和负荷区间。

这套系统中，发动机只要在运转，就几乎无时无刻的不在发电。

中低速的时候，发动机带动1号电机(副电机)正转发电，2号电机(主电机)在驱动;

超过临界速度(82km/h)之后，1号电机反转，与发动机共同驱动车辆前进，2号电机则转化为发电机。

这一切都是在行星齿轮结构下进行的能量分配，发动机的能量几乎没有浪费。这种混动模式一般称之为混联结构，属于强混。

丰田THS的优点：一是对电机功率和电池容量没有太高的要求，可以有效降低整车成本。比如Pruis的电机功率是60kw，而比亚迪秦是110kw，本田的雅阁混动是124kw，通用Volt是111kw。

电池容量方面的差别就更大了，Pruis好像是2.3kwh，比亚迪秦是13kwh，雅阁混动是6.7kwh，通用Volt是16kwh。尤其是丰田THS目前还多采用镍氢电池，而其他技术路线由于对电池性能要求较高而普遍采用锂电池，因此丰田THS的成本优势更明显。二是丰田THS的能量利用效率很高。

小结

油耗

THS的效率优势便是可以在大部分工况下，保持稳定的低油耗表现。

普通PHEV车型，大部分插电式混动只是在发动机与变速箱之间，增加了一个电机，为发动机提供助力，满电油耗不错，但电池亏电时，油耗普遍偏高。要想获得更低的油耗，需要时刻保持电池电量的充沛。

THS混动系统则是通过行星齿轮组，将发动机与电动机并联起来，与串联形式的混动有着本质的区别。

车辆起步时，由电机驱动，规避了发动机的高负载区间，降低起步时的油耗；

在巡航时，发动机开始工作，并且保持在经济的区间内运行，获得低油耗表现；

在车辆加速或者上坡的时候，电动机与发动机一起出力，在带来强劲动力的同时，通过两者的默契配合，也降低了油耗。

以丰田卡罗拉为例，通过对比各车主的数据。

丰田卡罗拉油电混动版车型油箱容积43升，百公里综合油耗4升。以城市工况来讲，平均百公里油耗在4.4L左右，加满一箱油可以跑977公里左右，如果是穿插跑高速的话，轻松上1000公里。

同样配置，1.5L排量丰田卡罗拉纯燃油版本，百公里油耗约为7升，也就是说，加同样的43升汽油，纯燃油版本只能跑614公里左右。

驾乘体验

THS混动系统，并没有传统意义上的离合器、液力变矩器。 发动机输出轴与电机输出轴，均是固定在行星齿轮组上面的。通过油电切换，实现变矩功能。在运行过程中，发动机输出轴与电机输出轴都无法与行星齿轮组解耦，即便是油电切换，也不会出现任何顿挫。

大多数车主都反馈整体驾乘体验会更好。因为油电混动汽车在低速起步的时候，为了避免发动机在低转速、低负荷的低效率区间工作，通常起步都是用电机来驱动的。电机的优势就是响应迅速、起步快，同时兼顾了静谧性和流畅性。

在城市道路拥堵的情况下，燃油车频繁的刹车、启动，油耗、噪音方面影响很大，混动车的电机则优势明显了。