變速器中的異類！豐田E-CVT變速器解析

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】何謂變速器？能實(shí)現(xiàn)汽車變速、變矩、變向、通斷動(dòng)力的裝置就是變速器。世界上第一臺(tái)汽車于1886年誕生，不久后便出現(xiàn)了第一臺(tái)變速器。可以說(shuō)變速器的發(fā)展和汽車是同步的。乍一看E-CVT，可能大家都會(huì)很自然的想到CVT，也就是無(wú)極變速器。從功能上來(lái)講，E-CVT確實(shí)有無(wú)極變速的作用，但是從結(jié)構(gòu)上來(lái)講的話，它們之間的差異太大了。甚至可以這樣說(shuō)：變速器分兩類，一類是E-CVT，一類是其他變速器。

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● E-CVT簡(jiǎn)介

　　開(kāi)篇我們就提到過(guò)E-CVT并不是簡(jiǎn)單的“電控?zé)o級(jí)變速器”，所以當(dāng)然也不是網(wǎng)上流傳的它是CVT的電子版。豐田官方給出的定義是“動(dòng)力分配器”，因?yàn)樗⒉痪邆鋫鹘y(tǒng)變速箱系統(tǒng)里面的離合器、液力變矩器或是齒輪軸組等這些復(fù)雜機(jī)構(gòu)，是專門為混動(dòng)車型而準(zhǔn)備的動(dòng)力分配機(jī)構(gòu)。故一直存在一種爭(zhēng)論：E-CVT到底是不是變速器？

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　　是不是變速器我們稍后再論，可以看到的是從普銳斯到雷克薩斯CT200h再到后來(lái)的凱美瑞混動(dòng)版，都證明了豐田的THS（Toyota Hybrid System）日益成熟。而作為整套系統(tǒng)里面的關(guān)鍵部件，E-CVT毋庸置疑發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。 

● E-CVT結(jié)構(gòu)

　　如果用傳統(tǒng)變速器的眼光來(lái)看的話，E-CVT的結(jié)構(gòu)真的實(shí)在是太簡(jiǎn)單了。很多時(shí)候其實(shí)越是完美的東西越簡(jiǎn)單，我想這一定是真理。作為混動(dòng)汽車的代表作，普銳斯一直承載著豐田的核心混動(dòng)技術(shù)，那么接下來(lái)的解析就以豐田普銳斯為例。

　　E-CVT的結(jié)構(gòu)非常的簡(jiǎn)單，僅僅由外齒圈（這里的外齒圈同時(shí)連接2號(hào)電機(jī)和輸出軸）和行星齒輪架（連接發(fā)動(dòng)機(jī)）和太陽(yáng)齒輪（連接1號(hào)電機(jī)）組成，即動(dòng)力傳遞流為：2號(hào)電機(jī)—外齒圈—輸出軸，同時(shí)由于行星齒輪組的存在，故亦有：發(fā)動(dòng)機(jī)—行星組—外齒圈—輸出軸。下面的實(shí)物圖是某國(guó)外講解視頻截取下來(lái)的。

　　如果您仔細(xì)的觀察，不禁會(huì)納悶：這不就是差速器的結(jié)構(gòu)嘛。是的，E-CVT就是由一套行星齒輪組減速機(jī)構(gòu)（上圖中的紅色方框部分）。并沒(méi)有CVT里面的鏈條或是鋼帶，更別談AT里面的液力變矩器或是DCT里面的雙離合了。于是，問(wèn)題來(lái)了。。。咳咳。結(jié)構(gòu)這么簡(jiǎn)單的E-CVT真能做到無(wú)極變速？答案是當(dāng)然！

● E-CVT原理

概述：

　　其實(shí)單從機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理的角度來(lái)講，E-CVT并不是非常復(fù)雜。一個(gè)行星齒輪組的運(yùn)動(dòng)能有多復(fù)雜呢？復(fù)雜的是它的電子控制單元，即機(jī)電配合的邏輯原理上面。在介紹工作原理之前，先簡(jiǎn)單的列出一些下面即將使用到的名詞注釋：

PCU：動(dòng)力控制單元（Power Control Unit）這是作為混動(dòng)汽車必不可少的一個(gè)部件，里面包含了電壓變換器和逆變器，可以調(diào)節(jié)電池組輸出的電壓。比如向電機(jī)供電必須使用高電壓（600V左右），而電池組的電壓由于尺寸的限制最多達(dá)到200V左右，故變壓器必不可少。而逆變器的作用則是使直流變交流或者反之，因?yàn)楦邏航涣麟姍C(jī)具有體積小、效率高、功率大的優(yōu)點(diǎn)，而電池組發(fā)出的是直流電，故在電機(jī)和電池組之間必然需要一個(gè)逆變器。

MG1：即一號(hào)電機(jī)（motor generator 1），與太陽(yáng)齒輪相連。

MG2：即二號(hào)電機(jī)（motor generator 2），與外齒圈相連。

　　兩個(gè)電機(jī)的屬性圖：

　　普銳斯的發(fā)動(dòng)機(jī)為阿特金森發(fā)動(dòng)機(jī)，其特點(diǎn)是中間轉(zhuǎn)速性能好，高低速性能不足，能源利用率高：

　　為了方便理解，放一張簡(jiǎn)化的E-CVT結(jié)構(gòu)圖：

　　接下來(lái)是動(dòng)力分配圖

　　首先我們需要清楚一個(gè)概念：動(dòng)力是扭矩和轉(zhuǎn)速結(jié)合的產(chǎn)物（功率=扭矩×轉(zhuǎn)速），

　　然后由于存在四個(gè)可以自由公轉(zhuǎn)行星齒輪，可以想象下當(dāng)齒圈固定不動(dòng)（即車輪不動(dòng)）時(shí)，只有行星齒輪的自轉(zhuǎn)，太陽(yáng)齒輪（MG1）才可以帶動(dòng)行星齒輪座（即發(fā)動(dòng)機(jī)）轉(zhuǎn)動(dòng)（即啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程）；

　　有了行星齒輪的自轉(zhuǎn)，當(dāng)齒圈（MG2）正轉(zhuǎn)時(shí)，太陽(yáng)齒輪（MG1）也可以反轉(zhuǎn)。反之，而當(dāng)齒圈（MG2）反轉(zhuǎn)時(shí)，恒星齒輪（MG1）又可以正轉(zhuǎn)。

　　又比如，外齒圈和太陽(yáng)齒輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，行星齒輪可以不自轉(zhuǎn)，只公轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)汽油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)行星齒輪座不轉(zhuǎn)時(shí)，齒圈和太陽(yáng)齒輪仍可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。正是因?yàn)樾行驱X輪組的這個(gè)巧妙的特性，發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪、電動(dòng)機(jī)才能時(shí)時(shí)連接在一起運(yùn)轉(zhuǎn)而又能互不干擾，故此省去了離合的結(jié)構(gòu)。

　　S=C×3.6－R×2.6

　　公式里的S＝SUN＝太陽(yáng)輪，C＝CARRIER＝行星座，R＝RING＝外齒圈

　　另外，由于外齒輪和太陽(yáng)齒輪和行星齒輪的直徑和齒數(shù)都已固定，根據(jù)圖上的公式也可以得出：行星座在中間轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候分配給外齒圈和太陽(yáng)輪的扭矩比是一定的。具體數(shù)值大約是72%分配給外齒輪（實(shí)際上是2.6÷3.6），28%分配給太陽(yáng)齒輪（1-72%）。只要發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)做工，就不會(huì)改變這個(gè)基本事實(shí)。

　　那我們都知道汽車從啟動(dòng)到剎車停止的一系列不同工況下，對(duì)扭矩的要求是有極大變化的，傳統(tǒng)動(dòng)力汽車就是因?yàn)檫@樣需要變速器來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力。但是在E-CVT這種特定結(jié)構(gòu)里面由于存在兩個(gè)電機(jī)，在不同的工況下，根據(jù)上面的公式。只要控制這兩個(gè)電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速就能使外齒圈上獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力無(wú)極變化，從而汽車達(dá)到無(wú)極變速。

　　至于普銳斯的PCU如何根據(jù)車子的運(yùn)行工況來(lái)實(shí)時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的供油量和兩個(gè)電機(jī)的電壓、相位和正反通斷。這里面涉及到的控制邏輯和眾多的傳感器的數(shù)據(jù)收集和處理程序過(guò)于復(fù)雜，在此不做表述。理解E-CVT能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)極變速即可。

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● 工況詳解

　　下面從普銳斯的各個(gè)運(yùn)行工況來(lái)逐一分析E-CVT的變速過(guò)程：

一、怠速運(yùn)轉(zhuǎn)（熱車）

　　發(fā)出啟動(dòng)指令后，MG1瞬間啟動(dòng)（正轉(zhuǎn)）并帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，整個(gè)過(guò)程及其快速而平順。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，汽油機(jī)帶動(dòng)行星座正向旋轉(zhuǎn)。由于車輪（外齒圈）未轉(zhuǎn)動(dòng)，行星組盤（發(fā)動(dòng)機(jī)）的正向旋轉(zhuǎn)會(huì)通過(guò)行星齒輪而帶動(dòng)太陽(yáng)齒輪（MG1）正向旋轉(zhuǎn)。MG1不再接收電池組輸電，反而變成發(fā)電機(jī)，發(fā)出交流電，經(jīng)PCU里的逆變器和電壓變換器變成低壓直流電并給電池組充電。 總之，怠速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率全部用來(lái)為電池組充電。

二、起步

　　發(fā)出起步信號(hào)后，少量電力就會(huì)通到二號(hào)電機(jī)，MG2開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。帶動(dòng)車輪（外齒圈）開(kāi)始正向轉(zhuǎn)動(dòng)，車子緩慢前進(jìn)。當(dāng)你稍微用力踩下油門踏板時(shí)，二號(hào)電機(jī)會(huì)獲得更多的電力，普銳斯就會(huì)加速前進(jìn)。由于二號(hào)電機(jī)功率很大（50KW），低速扭矩也很大。在PCU的控制下，車子加速十分的柔和，即便只靠MG2即可把普銳斯加速到一個(gè)相當(dāng)?shù)乃俣龋〈似鸩竭^(guò)程充分發(fā)揮了MG2低速高扭的特性，以彌補(bǔ)發(fā)動(dòng)機(jī)低速扭力不足的尷尬局面。

　　值得注意的是若這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不工作（純電動(dòng)模式起步），隨著MG2的轉(zhuǎn)速增加，MG1的轉(zhuǎn)速也會(huì)急速增加。因?yàn)镸G1的轉(zhuǎn)速有個(gè)上限，快達(dá)到上限的時(shí)候，發(fā)動(dòng)機(jī)被迫啟動(dòng)來(lái)進(jìn)行干預(yù)。這時(shí)便存在一個(gè)臨界速度。這個(gè)速度雖然是固定的，但是可以肯定的是起步時(shí)踩油門的力度越大，汽油機(jī)介入的時(shí)間就越早（主動(dòng)介入）。如果你一下子把油門踩到底，汽油機(jī)會(huì)立即點(diǎn)火。

　　大部分情況下，MG2就能順利的推動(dòng)普銳斯加速到一個(gè)不錯(cuò)的速度，但是有些情況下也會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力不足的現(xiàn)象。這是發(fā)動(dòng)機(jī)介入后便會(huì)通過(guò)帶動(dòng)MG1發(fā)電供給MG2和直接帶動(dòng)外齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)推動(dòng)車輪兩種方式來(lái)輸出動(dòng)力，值得一提的是，這兩種方式可以同時(shí)存在。至于其互相占比多少取決于多種因素。

三、小負(fù)荷加速

　　小負(fù)荷時(shí)加速時(shí)，主要靠MG2的推動(dòng)車輪。MG2轉(zhuǎn)速提升，四個(gè)行星齒輪反向自轉(zhuǎn)的速度逐漸下降，當(dāng)齒圈轉(zhuǎn)速與行星座（發(fā)動(dòng)機(jī)）相同時(shí)，行星齒輪的自轉(zhuǎn)停止，只剩下公轉(zhuǎn)，這時(shí)行星座（發(fā)動(dòng)機(jī)）通過(guò)四個(gè)已經(jīng)不再自轉(zhuǎn)的行星齒輪，同時(shí)推動(dòng)齒圈（車輪）和太陽(yáng)輪（一號(hào)電機(jī)），三者速度達(dá)到一致。MG1繼續(xù)向MG2供電并通過(guò)PCU向動(dòng)力電池充電。此后，MG2速度繼續(xù)提升，直到車輛達(dá)到目的速度。此時(shí)，太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速小于行星座轉(zhuǎn)速。

四、大負(fù)荷加速

　　面對(duì)重負(fù)荷加速（如載重起動(dòng)）等MG2的動(dòng)力跟不上的情況。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提升，進(jìn)入其經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)區(qū)間，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率大大提升。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩提升進(jìn)而帶動(dòng)MG1發(fā)電同時(shí)外齒圈獲得的動(dòng)力提升，同時(shí)時(shí)電池組也會(huì)向MG2供電，得益于此，MG2進(jìn)入“火力全開(kāi)”模式。

四、勻速行駛

　　勻速行駛的情況發(fā)生在加速完成后，此時(shí)普銳斯只需要克服各種阻力，對(duì)動(dòng)力和扭矩的需求大大降低，油門放松后，汽油機(jī)轉(zhuǎn)速下降，齒圈（車輪）的轉(zhuǎn)速便高于行星架（汽油機(jī)）的轉(zhuǎn)速。這時(shí)，四個(gè)行星齒輪開(kāi)始正向自轉(zhuǎn)。這種正向自轉(zhuǎn)會(huì)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)輪（MG1）反轉(zhuǎn)。

　　這里有一點(diǎn)需要特別，從前文我們就了解到。來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過(guò)行星架傳遞到外齒圈和太陽(yáng)輪的時(shí)候，外齒圈和太陽(yáng)輪的轉(zhuǎn)速會(huì)滿足如下公式。

　　S=C×3.6－R×2.6

　　當(dāng)外齒圈的轉(zhuǎn)速高于行星架的轉(zhuǎn)速時(shí)，即R>C時(shí)，明顯S＜0，即反轉(zhuǎn)。但是如果此時(shí)的太陽(yáng)輪的反轉(zhuǎn)是空轉(zhuǎn)（沒(méi)有受任何阻力），那么其會(huì)轉(zhuǎn)的飛快而使來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力全部被MG1吸收而無(wú)法驅(qū)動(dòng)外齒圈（因?yàn)轵?qū)動(dòng)太陽(yáng)輪明顯比驅(qū)動(dòng)外齒圈要容易得多）。故在這里會(huì)需要MG1工作在電動(dòng)機(jī)模式，這樣一來(lái)行星架就無(wú)法帶動(dòng)太陽(yáng)齒輪高速飛轉(zhuǎn)而浪費(fèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力了。

　　但是這樣的話豈不是太浪費(fèi)電能了？所以一般在高速巡航的時(shí)候，MG2變成發(fā)電機(jī)狀態(tài)，以此來(lái)維持MG1的轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　實(shí)際上，在普銳斯的整個(gè)行駛過(guò)程中，加速和勻速行駛狀態(tài)是在不斷切換的。ECU會(huì)根據(jù)駕駛踩油門和放松油門等各種操作動(dòng)作和汽車的各項(xiàng)行駛工況來(lái)通過(guò)PCU調(diào)整電壓和電流相位，瞬間改變電機(jī)的輸出功率、旋轉(zhuǎn)方向，切換兩臺(tái)電機(jī)的功能。

五、減速

　　減速的情況其實(shí)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，MG1空轉(zhuǎn)。MG2由車輪帶動(dòng)變成發(fā)電機(jī)吸收車輪的減速能量。并為電池組充電。

六、倒車

　　得益于MG2的大扭矩，普銳斯在倒車時(shí)所需的扭矩MG2便可輕松提供。電池組給MG2供電，帶動(dòng)外齒圈反轉(zhuǎn)，車輛完成倒車。

　　在整個(gè)普銳斯的行駛過(guò)程中我們可以看到，其實(shí)是兩個(gè)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)互相配合，在嚴(yán)密的機(jī)電轉(zhuǎn)換邏輯控制下完美進(jìn)行線性輸出的一個(gè)過(guò)程。而這種完美配合的基礎(chǔ)就是E-CVT的特殊結(jié)構(gòu)。因?yàn)楣β?扭矩×轉(zhuǎn)速，故這種扭矩按比例分配而轉(zhuǎn)速又可以無(wú)極分配的行星齒輪組結(jié)構(gòu)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力可以隨時(shí)隨地?zé)o極分配給外齒圈（即車輪），完成普通步進(jìn)式變速箱的所有功能！

　　下表為整個(gè)過(guò)程中E-CVT各齒輪的運(yùn)行狀態(tài)：

　　關(guān)于行星齒輪和太陽(yáng)齒輪和外齒圈的運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)系還可以參考下面的視頻以增進(jìn)理解。

● E-CVT前景

　　變速箱的出現(xiàn)就是為了應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的工況下的不同動(dòng)力需求而誕生的，在自動(dòng)變速箱出現(xiàn)之前，駕駛員需要自己判斷路況和車況來(lái)及時(shí)進(jìn)行加減檔。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是駕駛操作感強(qiáng)，畢竟經(jīng)驗(yàn)豐富的車手比ECU更加懂得車子需要什么樣的動(dòng)力。另外，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易維護(hù)體積小等優(yōu)點(diǎn)也使得手動(dòng)擋的汽車無(wú)論在合適都會(huì)擁有大批的粉絲。

　　自動(dòng)變速箱的出現(xiàn)其實(shí)很早，但是真正大規(guī)模的應(yīng)用是在80年代，也是搭乘了電子技術(shù)的飛速發(fā)展的便車。因?yàn)樽詣?dòng)變速不難，難在如何更加精準(zhǔn)的自動(dòng)變速。在機(jī)械時(shí)代顯然技術(shù)難以達(dá)到，但是如今越來(lái)越聰明的ECU使得自動(dòng)變速箱也變得越來(lái)越能領(lǐng)會(huì)你的駕駛意圖。但是即便是如此，自動(dòng)變速箱仍有缺陷：存在換擋間隙，即便是DCT也不能實(shí)現(xiàn)真正的“無(wú)極變速”。

　　至于本文的主角E-CVT可以說(shuō)達(dá)到了變速箱領(lǐng)域機(jī)電技術(shù)的融合巔峰，首先它的邏輯控制系統(tǒng)十分的復(fù)雜。另外它能夠有效的彌補(bǔ)傳統(tǒng)無(wú)極變速箱的短板（傳動(dòng)功率小），它集合了大功率、反應(yīng)快、無(wú)極變速、傳動(dòng)效率極高等優(yōu)點(diǎn)于一身。但是它也有缺點(diǎn)：支持系統(tǒng)太復(fù)雜了，我們知道任何系統(tǒng)一旦過(guò)于復(fù)雜，出問(wèn)題的概率便成倍提升。 

● 總結(jié)

　　對(duì)于E-CVT來(lái)做個(gè)簡(jiǎn)單總結(jié)吧：

1、很平順，極其平順

2、傳動(dòng)效率很高

3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小

　　回到篇首那個(gè)關(guān)于E-CVT是不是變速器的問(wèn)題，這樣說(shuō)吧：如果不是需要其他動(dòng)力源來(lái)配合使用，恐怕E-CVT技術(shù)早就一統(tǒng)變速箱領(lǐng)域了。也正是由于這個(gè)“致命”的缺陷，使得其簡(jiǎn)直是為混動(dòng)車型量身定做的。寫這篇解析也并不是完全為了科普，更多的是希望大家能夠多多了解這種有點(diǎn)異類且不為世人所知的變速器結(jié)構(gòu)和它的思路。因?yàn)槲覉?jiān)信：在化石能源日漸枯竭的未來(lái)，E-CVT終將大放異彩！