从传动系统角度简述普锐斯的优缺点

冯浩成，侯旭辉，拜鼎邦，严思敏，王凯峰

（陕西法士特齿轮有限责任公司，陕西 西安 710119）

前言

自1997年推出后，普锐斯目前已发展二十余年。目前，普锐斯第一混动的地位已无人能够撼动[1]。这一殊荣的背后有众多原因，有普锐斯优秀的阿特金森循环发动机[2]、较好的空气动力学设计，最重要的是其天才般创意的混动系统，丰田一般称之为THS（Toyota Hybrid System）。THS的结构组成较为简单，由单级行星排将发动机、MG1、MG2连接起

1 普锐斯传动系统简介

1.1 行星排的转速与扭矩计算方法简述

左图为常见的单级行星排结构。为简化分析，行星排常被处理成图1中右边所示的杠杆结构。我们常用A来代替齿圈，PC代替行星架，S代表太阳轮。若太阳轮的齿数标记为ZS，齿圈的齿数标记为ZA，则行星排的传动比，对于THS，k＞0。

图1 行星排及其杠杆原理图

1.1.1 行星排转速计算方法

当行星排中两个零件的转速固定时，通过杠杆原理图可以很轻松得到另一个零件的转速。在图2中，水平线的长度就是该构件的转速大小，当确定转速nA和转速nPC后，可以由相似三角形原理得到太阳轮的转速nS=（k+1）nPC-k·nA。

图2 杠杆法分析转速示意

nS——太阳轮转速；nA——齿圈转速；nPC——行星架转速。

1.1.2 行星排扭矩计算方法

行星排中零部件承受的扭矩大小在数值上则存在如下关系：

Ts——太阳轮扭矩；TA——齿圈扭矩；TPC——行星架扭矩。

1.2 THS的结构简述

图3表示THS的连接方式。发动机连接行星架，MG1连接太阳轮，MG2连接齿圈[2]。其中，MG1作为发电机使用，MG2即可作为电动机也可作为发电机。MG2通过定轴齿轮或传动带将转速和扭矩传递至车轮。

图3 THS结构简述

2 THS的优点

2.1 THS可实现无级变速

由于在THS中发动机和两个电机是通过行星排连接在一块的，所以车速需要上升或下降时，可以通过调节发动机转速或调节MG1的转速来改变MG2的转速，从而改变车速[3]。当发动机已经处于高效区时，可以通过改善MG1的转速来调节MG2；也可以保持MG1转速不变，使发动机转速重新调整到新的高效区来调节MG2；也可以同时改变MG1和发动机的转速。

2.2 THS不需变速箱

其他混动系统如i-DCD（本田DCT的混动系统）、基于AT或AMT的P2混动系统为了保证发动机在HEV模式下可以工作在高效区，都无法离开变速箱。变速箱的存在就势必会增加换挡冲击的可能，导致顿挫感的产生。当前仅有iMMD（本田的一种混动系统）不需要变速箱，因为iMMD在混动模式下是增程式的。

2.3 THS无分离离合器

这里的分离离合器指的是发动机和电机之间的离合器。在基于AT或AMT的混动系统中，分离离合器的结合可以使车辆进入混动系统。

分离离合器常为湿式摩擦片式的离合器结构。当汽车处于蠕行阶段（HEV，车速≤5km/h）时，必须依靠分离离合器的滑摩才可以保证车辆前进，此时，滑摩会产生大量的热，且会对摩擦片的寿命具有一定的影响[4]。

其次，当需要启动发动机时，基于AT或AMT的混动系统也需要利用滑摩将发动机带动到1000rpm左右进行点火，这也会使摩擦片的寿命在一定程度上降低。普锐斯只需要利用MG1将发动机转速提高到发动机点火转速即可，省去了分离离合器这一结构。

3 THS的缺点

3.1 扭矩、功率分流

根据公式（1），行星排中一个零部件如果受到扭矩，那其他零部件也会因扭矩平衡受到一定比例的扭矩。所以，在HEV模式下当发动机提供一定的扭矩T发动机时，可以传到MG2的扭矩仅为，另外有的扭矩传递到MG1，所以发动机的扭矩不会完全传递到车轮，而像基于AT或AMT的P2混动系统则可以完全利用发动机的扭矩。

因为行星排结构的固有特性，k值一般在1.6～3之间，所以发动机最大也仅有75%的扭矩可以传递到车轮。

3.2 高速滑行状态下发动机启动

在普锐斯处于高速滑行状态下时，MG2具有较高的转速nMG2，由于此时是高速滑行状态，不需要发动机或MG2提供动力，所以发动机没有扭矩输出，转速为0，那么由杠杆原理图分析可知（图4 发动机未启动状态），此时MG1的转速nMG1=-k·nMG2，很容易便可以超过MG1的最高转速，导致MG1烧毁。

所以，为了不使MG1超过其最高转速，在高速滑行状态下需要适当的启动发动机，使MG1的转速降下来（图4 发动机启动状态）。

图4 高速滑行状态下的转速示意

这是非动力性需求也非能量需求引起的发动机启动，在高速滑行状态下是一种迫不得已的选择，所以这也是普锐斯传动系统中的一个不完美之处。

4 总结

THS的强大之处便在于它使用了行星排结构将发动机、MG1、MG2连接起来，能够实现无级变速，且省去了变速箱和分离离合器结构。同样，也因为行星排结构，发动机的扭矩仅有一部分可以转化为汽车的牵引力，而且在特定的高速滑行工况下会造成非动力性非能量性需求导致的发动机启动。可以说，THS的优点和缺点都是来自于其行星排的结构。但是，瑕不掩瑜，THS仍是当今世界首屈一指的混动系统。