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雷克萨斯-RX

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【讲堂】转矩转速,双管齐下,THS究竟是怎么做到的

2017年12月08日 13:37:02
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来源:踢车帮
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上一节讲了混合动力汽车节油的根本在于通过电动机的辅助,使发动机工作在高效区间,让每一滴燃油的能量得到充分利用。那么这次就结合具体车型,来讲讲丰田系的混动系统究竟是怎么工作的。为此,特地借了一辆雷克萨斯,实际体验其节油效果。

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主角就是它了,雷克萨斯RX450h

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雷克萨斯家的混动系统叫做LHD(Lexus Hybrid Drive),上图是RX450h采用的E-CVT结构,比起初代的THS,结构上做了一定的修改,在原来齿圈的基础上又串了一个行星排,电动机MG2与第二个行星排的太阳轮连接,改良了混动系统的效率和高速表现。不过我们的解析要从简单的开始,从核心开始,行星齿轮组究竟如何实现既管转速又管扭矩的。

第五节:两台电动机一个行星排,是怎么让发动机听话的

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还是要祭出这张图,丰田THS的关键在于其PSD(Power Split Device,动力分配单元)技术,为一组行星齿轮,如图所示,一号电机(MG1,主要起发电、启动发动机和调速作用)连接行星齿轮组最中间绿色的太阳轮,二号电机(MG2,主要用作驱动电机和动能回收时的发电机)连接最外边红色的齿圈、而发动机则连接中间蓝色的行星架,注意是行星架(图中标识为行星齿轮座),而不是行星轮。

和传统的圆柱齿轮啮合时,主从齿轮转速关系直接与齿数相关不同(比如主动齿轮转速为10rpm,齿数为15,从动齿轮齿数30,那么从动齿轮的转速就是10/(30/15)=5rpm),行星齿轮组由于是三组齿轮互相啮合,其转速关系较为复杂。可以用以下公式表示:

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整个公式的含义为,行星齿轮组的变速比等于齿圈齿数与太阳轮齿数之比,也等于太阳轮、齿轮架转速差与齿轮架、齿圈转速差之比。

这个公式看不懂?换个形式,左右挪一挪,变成了这样:

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对于普锐斯而言(RX450h的结构稍微复杂一些,但原理相同),齿圈齿数为78,太阳轮齿数为30;还有发动机电动机与各齿轮之间的连接关系,把这些信息带入,就得到了下边赏心悦目的式子:

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其中下表e、m、g分别代表发动机(engine),电动机MG2(motor)和发电机MG1(generator)。

整个式子的含义为,发动机转速等于0.7222倍的MG2转速加上0.2778倍的MG1转速。在三个转速变量中,需要知道两个,就能求得第三个。比如知道发动机转速为2000rpm,MG2为2250rpm,那么此时发电机转速就需要1350rpm。

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这样的关系还可以用作图法来简单确定,看上图,三根竖线分别代表太阳轮(MG1)、行星架(发动机)和齿圈(MG2),MG1竖线与发动机竖线之间的距离为78,而发动机与MG2的距离为30,是不是很熟悉,就是该行星齿轮组齿圈和太阳轮的齿数。

中间的横线代表转速为零的状态,越向上/向下代表转速越大,而在横线上方代表正转,横线下方代表反转(正转反转是一个相对的概念)。在这张图上,太阳轮、行星架、齿圈的转速,三点必须要在同一直线上,这是行星齿轮结构决定的。

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红色的直线代表三个齿轮的运动状态,与三根竖线分别交于A、B、C三点,很容易看出,B点代表发动机转速为0,如果此时C点转速为300rpm的话,那么根据相似三角形原理,A点的转速就为780rpm。也就是说,这张图代表着MG2转速300rpm,发动机不转时(即低速纯电动行驶时),MG1必须以780rpm的转速空转。

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RX450h纯电行驶时的能量流图,发动机此时是不转动的

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由于THS结构上电动机MG2与主减速器直接相连,也就是说,MG2的转速正比于车速,假如车速40km/h时电动机转速1500rpm,那么车速80km/h时电动机转速就为3000rpm。随着行驶的车速上升,MG2的转速也就是C点就会不断上升,要保证纯电动行驶,发动机转速始终为零,那么A点也要相应下移。比如MG2转速600rpm时,MG1就要1560rpm,MG2转速1500rpm时,MG1就要3900rpm。

所以说,大部分丰田混动车型纯电行驶限速在60km/h左右是有道理的,虽然电动机完全没问题,但是纯电行驶会让发电机被倒拖至更高的转速,产生不必要的损耗。于是,纯电行驶达到一定车速之后,发电机就会充当起动机,让发动机运转起来。

知道了行星齿轮具有这样的转速关系,那么我们就能够理解为什么THS能够通过其进行发动机的调速了。发动机转速为2000rpm时效率最高(假定),那么车速40km/h时电动机MG2转速1500rpm这是已知的,那么发电机MG1就需要(2000-1500*0.7222)/0.2778=3300rpm,才能够让发动机转速为2000rpm。用作图法就可以表示为:

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那么车速80km/h时电动机转速就为3000rpm,此时发电机需要(2000-3000*0.7222)/0.2778=-600rpm,反转,同时转速为600rpm。用作图法表示:

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于是,THS通过行星齿轮,通过MG1的转速调节,实现了在合理速度范围内(转速调节有范围,不仅仅电动机有转速上限,而且调节本身也会消耗一定能量,不能够在任何时候都强行调速),车速不管怎么变,发动机都能够始终保证稳定在最高效率的转速工作。

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在电池电量很低时,发动机可以在停车状态下给电池充电,其转速关系如下图:

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但是,仅仅只是调节发动机转速的话,和普通的CVT变速箱没什么区别,而THS之所以可以省油,就是因为它不仅可以调节转速,还能够调节转矩。前一期讲堂就提到了,让发动机工作在最佳效率点并不仅仅需要转速。转矩,或者说输出功率的大小也会影响到发动机的效率。THS除了能够像CVT那样无级调节发动机的转速,还能够调整发动机的扭矩(功率)输出,让其始终保持稳定,这是CVT做不到的。

怎么调节转矩呢?

还是来举个例子,假如一辆车以60公里的车速上坡,需要动力系统提供50kW的功率。而发动机转速2000rpm,输出功率45kW时,效率最高。此时电动机转速2250rpm(车速决定的,已知量),根据前边提到的这个公式:

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发电机转速就必须为(2000-2250*0.7222)/0.2778=1350rpm,此时发动机的功率(扭矩)加载在齿圈上一部分传递给太阳轮(发电机),数值为0.2778*45=12.5kW,另一部分传递给齿圈,数值为0.7222*45=32.5kW。

发动机的输出只有32.5kW直接输出至齿圈(既是车轮),另外的12.5kW经过发电机发电,电能传输至电动机,再输出,假如发电机、传输过程没有损耗,那么这12.5kW也能通过电动机输出到齿圈。那么此时齿圈上就是32.5+12.5=45kW,那么还缺的5kW从哪里来?从电池里来。功率流关系如下图所示:

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发动机输出45kW,电池输出5kW,让车辆满足了以60km/h车速爬坡的50kW动力需求。那么如果平地60km/h行驶,需要功率只有45kW时呢,那么电池就不输出了,能量全部由发动机提供。如果下坡时,车辆只需要40kW的时候呢,那就有5kW向电池充电。

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这就是发动机功率有多余,向电池充电的情况

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而这则是发动机功率不足,电池还需要提供一定能量的情况,当然,控制电池充放电的逻辑并没有这么简单,电池电量、当前车辆所处的模式、车辆的行驶状态等等都要综合考虑。

但是,注意到没有,前边所说的前提是发电机发电、传输过程没有损失的话,发动机的45kW就能够全部输出给车轮。但是,这样转一圈,实际上一定有损失,可能发动机输出45kW,实际上只有40kW能够输出给车轮,5kW损耗了。是不是可以理解为什么本田的锐·混动在某些情况下会比THS更加省油了?

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就是因为THS的结构导致了其发动机、电动机、发电机之间功率耦合,发动机的输出必须要转个圈才能够到车轮上,遇上那种正好位于发动机高效区间的中高速行驶工况,THS反而没有能够让发动机直接驱动车轮的锐·混动省油。

这就是成也THS、败也THS,THS的结构使它能够调节转速,扭矩,但也正是这个结构,让它不能够做到极致。不过需要注意的是,我上边解析的只是第一代THS的结构,第二代增加了减速器,第三代又增加了离合器和锁止装置,其缺点也在不断改善之中。所以说,综合来看,至少在我个人眼中,THS称得上是这个市场中最为优秀的混动系统。

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