「汤叔解惑」你可能从未真正理解,独家详解丰田THS混动技术

时间:2019-09-17 来源: 国际新闻

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丰田THS站在新能源汽车的道路上,是一种非常古老的混合动力电动和电动混合动力技术。它于1997年应用于普锐斯的生产。许多专业媒体也推出了这一系统,但大多数都停留在功能层面,例如为什么它具有燃油效率,燃油发动机功率和电机功率可以混合驱动加速。但到目前为止我还没有看过一篇文章,我实际上已经介绍了THS的动力分配策略,行星齿轮的分流原理以及系统中的缺陷。也许最受关注的是它使用了行星齿轮机构,而本田的iMMD则采用了多片式离合机构。那么,丰田的THS如何使用行星齿轮来实现功率分配呢?这个问题适合所有人解读。

▲丰田THS系统的机械结构

该系统由两个电气设备,一个行星齿轮和一个离合器组成。发动机侧附近的电动机很小,称为MG1电动机。这台电机的功率只有十几千瓦。远离发动机的电动机称为MG2电动机。这种电动机很大,有几十千瓦的功率。 MG1主要用于发电,MG2主要用于驱动。当然,如果减速,高功率MG2电动机也可以作为发电机来恢复制动能量。

要了解THS的工作原理,首先要了解的是由发动机和电动机组成的混合动力系统分为三种类型的耦合:转矩耦合,速度耦合,交变转矩和速度耦合。

扭矩耦合是最常见和最好理解的。它将发动机输出轴的功率输出直接与电机输出的功率刚性相结合。它可以通过齿轮或链条或皮带连接,并将动力传输到传动系统。混合动力汽车中最常见的是相同的。轴设计。本田的i-MMD,GAC的G-MC和SAIC的EDU系统都是混合型扭矩耦合器。这种联轴器设计意味着电动机和发动机的速度将相互成比例。如果是同轴设计,那么两者的速度必须完全相同。这种扭矩耦合的混合动力可以充分发挥发动机扭矩,并且叠加电动机扭矩的效果是实现并联混合。

如上所示,由SAIC设计的EDU混合系统具有发动机和电动机的同轴设计。在并联运行期间,电机必须始终与发动机转速一致。

速度耦合比扭矩耦合更复杂。丰田THS采用交流扭矩和速度耦合。丰田THS与其他混合动力车的最大区别在于该系统使用行星齿轮来实现发动机和发动机功率的混合。

我们知道行星齿轮本身具有动力分配特性,我们已经在全时四轮驱动系统的中央差速器中看到过。即使在两轮驱动中,其差速器也使用行星齿轮系统来分配左右轮的动力。根据差速器的原理,我们可以理解,行星齿轮可以自动地将动力分配在一个驱动轴上的左右半轴上。当车辆转弯时,左轮和右轮将具有转速差。当左右车轮速度不一致时,行星齿轮可以自动调节左右车轮扭矩的分布。丰田的THS利用行星齿轮的这一特性来实现扭矩耦合。

▲丰田THS系统发动机,电动机,发电机和行星齿轮连接关系

如行星齿轮所示,太阳轮(Sungear)连接到发动机(电控离合器控制电源开关),外齿圈(环形齿轮)连接到MG2电机,并刚性连接通过齿轮到输出轴。小齿轮连接到MG1电机(发电机),这是丰田THS系统的基本结构。

该系统不同于许多功能丰富的自有品牌PHEV混合系统。它只有四种常见的工作条件,即:纯电动驱动条件,高速混合驱动条件,非高速混合驱动条件,制动能量回收条件。

发动机和发电机MG1之间的耦合模式是速度耦合模式。从行星齿轮的动力传递路径的角度来看,在发动机的动力传递到行星齿轮架之后,它被分成两个动力输出路径:一个是太阳轮,其被传递到MG1发电机。另一个是外圈,它通过输出轴。主要用于驱动车辆的MG2电动机和外齿轮的动力是同轴刚性联轴器,即扭矩耦合方法。

因此,在一个句子中,MG2电动机使用扭矩耦合来与发动机耦合以驱动车辆加速。 MG1电动机使用速度耦合方法来转移发动机动力以发电。

为什么发电链路会使用速度耦合来转移发动机功率?

速度耦合的最大好处是两个输入功率的速度可能不一致,或者它们可以在没有比例关系的情况下同步。因为行星齿轮可以自动分配不同的速度。这个过程就像差异一样。以差速器为例:当车辆转弯和滑动时,左右驱动轮不一致地旋转,但是在差速行星齿轮机构的联接之后,最终成为驱动轴的惯性动力被集成到发动机中。 THS速度耦合的原理类似于发动机制动的差速原理。发动机的动力通过太阳齿轮,太阳齿轮的一部分分配给发电机MG1,其中一部分分配给外齿圈用于车辆驱动。发动机和MG1发电机速度不需要保持比例关系。这意味着发动机可以选择以任何速度驾驶车辆。

上图显示了在四种运行条件下太阳轮S(连接到MG1发电机),外齿圈R(连接到输出轴)和行星架C(连接到发动机)的速度之间的关系。纵坐标是旋转速度,+是正向旋转, - 是反向旋转。

1:纯电动驱动模式:

R外齿圈(MG2电机和输出轴)是前进速度,C行星齿轮架(发动机)速度为0.此时,发动机关闭。 S太阳齿轮(MG1发电机)在行星齿轮的作用下反转发电,并且转速大于输出轴速度。

2:混合动力驱动(非高速巡航)模式:

R电机和C发动机均为+正速度,并且两个电源叠加以加速车辆。 S发电机也以正速度发电。

3:混合动力驱动(高速巡航)模式:

R电机和C发动机均为+正速度,此时发动机保持较低的转速以保证燃油经济性,S发电机处于 - 速度(反向)。

4:制动能量回收模式:

r电机正转,发电功能由电控系统控制实现。C发动机关闭,连接断开,S发电机MG1反转发电。

总结

由于丰田THS是通过速度耦合的混合动力发电,因此发动机转速可以保持在要求的转速。低速加速时高速输出,高速巡航时低速省油。不管发动机的转速如何,一部分发动机的功率可以用来发电,一部分用来驱动车辆。也正是这套速度耦合系统实现了变速箱变相的作用,这也是丰田E-CVT的起源。

本文为第一作者原创,未经授权不得转载

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站在新能源汽车的道路上,丰田THS是一种非常古老的混合动力电动汽车技术。1997年应用于普锐斯的生产。很多专业媒体也推出了这套系统,但大多停留在功能层面,比如它为什么省油,燃油发动机的动力和马达的动力可以混合驱动加速。但到目前为止,我还没有看到一篇文章真正介绍了THS的功率分配策略、行星齿轮的分流原理以及系统中的缺陷。也许人们谈论最多的是它使用行星齿轮机构,而本田的immd则使用多片离合器机构。那么,丰田的THS如何利用行星齿轮来实现动力分配呢?这个问题每个人都可以解释。

?丰田THS系统机械结构

该系统由两个电气设备,一个行星齿轮和一个离合器组成。发动机侧附近的电动机较小,称为MG1电动机。这台电机的功率只有十几千瓦。远离发动机的电动机称为MG2电动机。这种电动机更大,功率为几十千瓦。 MG1主要用于发电,MG2主要用于驱动。当然,如果速度减速,则高功率MG2电动机也可以用作发电机以恢复制动能量。

为了理解THS的工作原理,有必要了解由发动机和电动机组成的混合动力系统可分为三种类型:转矩耦合,速度耦合,交变转矩和速度耦合。

扭矩耦合是最常见和最好理解的。它直接将发动机输出轴的输出功率与电机的输出功率相结合。它可以通过齿轮,链条或皮带连接,并将动力传递给传动系统。同轴设计是混合动力电动汽车中最常见的设计。本田的i-MMD,广州汽车的G-MC和SAIC的EDU系统都属于混合型扭矩联轴器。这种联轴器设计意味着电动机和发动机的速度将相互成比例。如果采用同轴设计,则电机和电机的速度必须相同。这种扭矩耦合的混合动力可以达到叠加发动机扭矩和电动机扭矩的效果,实现并联混合动力。

如上所示,由SAIC设计的EDU混合系统的发动机和电动机是同轴的。在并联运行期间,电机应始终保持与发动机相同的速度。

速度耦合比扭矩耦合更复杂。丰田THS采用交流扭矩和速度耦合。丰田THS与其他混合动力系统的最大区别在于该系统使用行星齿轮来混合发动机和电动机动力。

我们知道行星齿轮本身具有动力分配特性,我们已经在全时四轮驱动系统的中央差速器中看到过。即使在两轮驱动中,其差速器也使用行星齿轮系统来分配左右轮的动力。根据差速器的原理,我们可以理解,行星齿轮可以自动地将动力分配在一个驱动轴上的左右半轴上。当车辆转弯时,左轮和右轮将具有转速差。当左右车轮速度不一致时,行星齿轮可以自动调节左右车轮扭矩的分布。丰田的THS利用行星齿轮的这一特性来实现扭矩耦合。

▲丰田THS系统发动机,电动机,发电机和行星齿轮连接关系

如行星齿轮所示,太阳轮(Sungear)连接到发动机(电控离合器控制电源开关),外齿圈(环形齿轮)连接到MG2电机,并刚性连接通过齿轮到输出轴。小齿轮连接到MG1电机(发电机),这是丰田THS系统的基本结构。

该系统不同于许多功能丰富的自有品牌PHEV混合系统。它只有四种常见的工作条件,即:纯电动驱动条件,高速混合驱动条件,非高速混合驱动条件,制动能量回收条件。

发动机和发电机MG1之间的耦合模式是速度耦合模式。从行星齿轮的动力传递路径的角度来看,在发动机的动力传递到行星齿轮架之后,它被分成两个动力输出路径:一个是太阳轮,其被传递到MG1发电机。另一个是外圈,它通过输出轴。主要用于驱动车辆的MG2电动机和外齿轮的动力是同轴刚性联轴器,即扭矩耦合方法。

因此,在一个句子中,MG2电动机使用扭矩耦合来与发动机耦合以驱动车辆加速。 MG1电动机使用速度耦合方法来转移发动机动力以发电。

为什么发电链路会使用速度耦合来转移发动机功率?

速度耦合的最大好处是两个输入功率的速度可能不一致,或者它们可以在没有比例关系的情况下同步。因为行星齿轮可以自动分配不同的速度。这个过程就像差异一样。以差速器为例:当车辆转弯和滑动时,左右驱动轮不一致地旋转,但是在差速行星齿轮机构的联接之后,最终成为驱动轴的惯性动力被集成到发动机中。 THS速度耦合的原理类似于发动机制动的差速原理。发动机的动力通过太阳齿轮,太阳齿轮的一部分分配给发电机MG1,其中一部分分配给外齿圈用于车辆驱动。发动机和MG1发电机速度不需要保持比例关系。这意味着发动机可以选择以任何速度驾驶车辆。

上图显示了在四种运行条件下太阳轮S(连接到MG1发电机),外齿圈R(连接到输出轴)和行星架C(连接到发动机)的速度之间的关系。纵坐标是旋转速度,+是正向旋转, - 是反向旋转。

1:纯电动驱动模式:

R外齿圈(MG2电机和输出轴)是前进速度,C行星齿轮架(发动机)速度为0.此时,发动机关闭。 S太阳齿轮(MG1发电机)在行星齿轮的作用下反转发电,并且转速大于输出轴速度。

2:混合动力驱动(非高速巡航)模式:

R电机和C发动机均为+正速度,并且两个电源叠加以加速车辆。 S发电机也以正速度发电。

3:混合动力驱动(高速巡航)模式:

R马达和C发动机都是正转速,此时发动机保持较低转速以节省燃油,S发电机处于-转速(倒退)。

4:制动能量回收模式:

r电机正转,发电功能由电控系统控制实现。C发动机关闭,连接断开,S发电机MG1反转发电。

总结

由于丰田THS是通过速度耦合的混合动力发电,因此发动机转速可以保持在要求的转速。低速加速时高速输出,高速巡航时低速省油。不管发动机的转速如何,一部分发动机的功率可以用来发电,一部分用来驱动车辆。也正是这套速度耦合系统实现了变速箱变相的作用,这也是丰田E-CVT的起源。

本文为第一作者原创,未经授权不得转载

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