【机械】丰田混合动力发动机变速器(ECVT)的工作原理

【机械】丰?混合动?发动机变速器（ECVT）的?作原理

Japan Technology Observer ?本科技观察

摘要：THS（Toyota Hybrid System）的核?部件--混合动?变速器--ECVT的?作原理。很可

惜的是各?汽车?站对ECVT原理的介绍都?常简单，常常以“?星齿轮和电动机相结合”?句话

带过，咱们普通?很难理解，直到看到了这篇?章。这篇?章很长，坚持看完要有耐?，?

且，说话很绕，很是符合洋??章的特点，说实话，看完第?遍，我没看懂，再看?遍，还是

没懂。很幸运的是我实在xitek汽车论坛看到的这篇?章，并把我的疑惑向?位懂机械的泡菜请

教，在泡菜们耐?热情的讨论和指导下，现在终于对ECVT的原理“略懂”。回头再看这篇?章，

会觉得虽然?啰唆?绕，看着很累，但的确?常详细并且精准！希望对原理有兴趣的童鞋都仔

细看看这篇?章。

…… 当你完全看明?

后，你会发现这个齿轮设计真简单，对！是很简单，但我们的汽车?业?却没有设计出后，你会发现这个齿轮设计真简单，对！是很简单，但我们的汽车?业?却没有设计出

来！我们就是缺乏创造?！因为丰?的这种专为油电混合动?的变速器申请了专利，我们

的油电混合动?技术就不可能使?这样?效的转换?法，所以包括德美在内也?法使?这

样先进的技术（也可以购买专利后?在??的车上，但?法与丰?在混合动?上竞争）现

在就是这样在混合动?上丰??家独?。

1、普瑞斯上的“电?控制?级变速器”与其它量产的?级变速器?作原理完全不同。其差别之

?，可以说称之为?级变速器都是?种误导。（先定调，ECVT不是CVT，同时也不要把THS理

解为电动机+CVT，那是本?IMA，不是THS）

2、在低速时，普瑞斯的传动系统并不会提?内燃机的扭矩，这是因为它只有?个齿?。其实，

内燃机是与车轮联接的，就好像始终挂在最?速档位上?样。（?开始我也被这个“好像始终挂

在最?速档位上?样”迷惑住了，认为如果发动机和驱动轮和发动机是没有经过离合器且只有?

个档，那么车轮的转速和发动机的转速关系应该是固定的，怎么会出现发动机嗡嗡的转，?车

??得很慢，甚?停?的状况呢？没关系，后?会有解答，耐?看?章就好）如果没有?台强

有?的电动机向内燃机提供额外动?的的话，这会是?种严重的缺陷。由于有?台电动机提供

了相当?的扭矩，?们才会说普瑞斯好像始终挂在?档上那样动???。

3、普瑞斯传动系统的核?部件是?套丰?公司称为“动?分配器”的?星齿轮组。?星齿轮安装

在?星齿轮座圈上的?星齿轮轴上，?星齿轮座圈与恒星齿轮围绕着同?个轴?旋转。与真实

的?星不同的是，?星齿轮??相同，与旋转轴?的距离也相同。这些?星齿轮被?个齿向内

的圆环包围和驱动，这个圆环叫做“外齿圈”。外齿圈也和其它齿轮?样围绕同?个轴?旋转。

（这段介绍?星齿轮机构的构成，我找了?个视频，可以直观的看到?星齿轮这个机构是如何

运作的）

4、普瑞斯的内燃机与?星齿轮座圈相联。当内燃机转动时，?星齿轮与中?齿轮和外齿圈咬合

并推动?者向同??向旋转。通过对中?齿轮和外齿圈??的精?设置（当然还包括齿数的设

定），丰?公司把72%的扭矩（实际上是2.6除以3.6的值）分配给了外齿圈，把28%的扭矩传给

了恒星齿轮。获得了?部分扭矩的外齿圈，通过普通的减速齿轮联接到差速器，然后再联接到

车轮。内燃机就是这样推动普瑞斯的。获得?部分扭矩的恒星齿轮则与?台既是电动机?是发

电机的电机相联，我们称这台电机为1号电机。

内燃机带动?星齿轮座圈，?星齿轮座圈?带动恒星齿轮，使1号电机旋转起来。内燃机就是这

样以其72%的扭矩驱动普瑞斯，并以其28%的扭矩推动1号电机发电的。（介绍THS系统中，发

动机、1号电机、驱动轮与ECVT的连接关系，有图有真相，没图说杰宝）

6、齿轮组就是这样，像?级变速器?样调节内燃机转速的。对某?车速，车载计算机会求出外

齿圈的转速有多快。根据普瑞斯的动?需求，车载计算机就确定需要内燃机达到什么转速。接

着，它再解算?个简单的公式，求出1号电机应旋转多快。然后，它就调节取?1号电机的电?

（应该是通过调节1号电机的励磁电流），使内燃机加速或减速。上?这些动作都不会改变这样

?个事实，即内燃机72%的扭矩是?来推动车轮的。哪怕车轮没有转动，扭矩仍然施加在车轮

上。由于内燃机能以这种?式将普瑞斯从静?状态开动起来，我们就?不着离合器或者扭矩转

换器（指?动变速器的液?变扭器）了，实际上也就淘汰了既容易磨损、??分笨重的传动装

置。

（还是以差速器的概念来看ECVT，就不难理解为什么没有ECVT没有离合器了）

7、另?个电动、发电两?电机，2号电机是与动?分配器的外齿圈相联的。 2号电机对来?内

燃机－动?分配器的扭矩补充更多的扭矩。所以，本来似乎要被浪费掉的动?，绕过了动?分

配器，通过电?回路，最终还是?来推动车轮。外齿圈和2号电机?起通过减速齿轮和差速器

（这?是指车轮上的真正的差速器）来推动普瑞斯。

（请回头看第5段注释）

因为动?是扭矩和转速结合的产物（请记住

功率=扭矩×转速），所以通过机械和电?回路的动?各?有多少，取决于1号电机和外齿圈的相

应转速。你也许会听到有?说，内燃机的72%的动?直接传给了车轮，28%的动?变成了电

?，但这是不正确的。扭矩是按上?的?例分配的，但动?的分配是可变的（相同功率下，扭

矩?的转得快，扭矩?的转得慢）。由于内燃机和车轮之间的齿?不能改变，在低车速时，我

们就?法提?内燃机的扭矩来实现急加速。如果内燃机转速为2000转分，普瑞斯缓慢前?，这

时来?内燃机的?部分动?都会传给1号电机。其实，如果普瑞斯停着不动的话，所有的动?都

会传到1号电机去。尽管1号电机只获得了28%的扭矩，但它却获得了所有的动?！（太阳轮带

动1号电机转得飞快！）在起步加速过程中，只有?约五分之?的内燃机扭矩直接来?机械回路

（估计意思是说

驱动轮上获得的扭矩?约只有1/5来?机械回路，另外4/5是由电机补充的）。随着车速的进?步

提?，1号电机需要越来越多的动?来维持其扭矩，很快就会达到它的动?操控极限（?是这种

看似直?实则难以理解的表述！估计意思是随着车速（齿圈转速）的增加，连接太阳轮的1号电

机的转速下降，因?1号（发）电机直接输出给2号电（动）机功率下降了）。?普瑞斯还有强

?的2号电机，它可以使普瑞斯保持合理的加速度。

但额外的电?是从哪?来的呢？答案当然是电池组。1号电机并不像我们想象的那样直接向2号

电机供电。电?控制装置?有个逆变器，它与电池组的端?相连，会把1号电机发出的交流电变

成数百伏的直流电。2号电机的?个逆变器则从电池组取得所需的电?驱动2号电机来给普瑞斯

加速。如果1号电机发的电?不能满?2号电机的需要，电?的缺?则由电池组来弥补。如果普

瑞斯已经达到了所需的速度，1号电机的发出的多余电?则流进电池组补充电?。普瑞斯车重

1300公?，本来需要100多马?的内燃机和步进式传动装置，?有了这种“电池助?”，只?70多

马?的内燃机，不?步进式变速箱，还是获得了满意的加速度。（这?描述了THS另外?个重

要部件--电池的作?）

当你完全看明?后，你会发现这个齿轮设计真简单，对！是很简单，但我们的汽车?业?

却没有设计出来！我们就是缺乏创造?！因为丰?的这种专为油电混合动?的变速器申请却没有设计出来！我们就是缺乏创造?！因为丰?的这种专为油电混合动?的变速器申请

了专利，我们的油电混合动?技术就不可能使?这样

?效的转换?法，所以包括德美在内也?法使?这样先进的技术（也可以购买专利后?在

??的车上，但?法与丰?在混合动?上竞争）现在就是这样在混合动?上丰??家独

?。

下?我们再来解读?下各种情况下?号电机、?号电机和汽油机在?星齿轮组的协调下同?共济

的情形。充分发挥?下你的想象?吧（我假定前?两篇帖?你已经看过）：

?、 热车

这个?较简单。热车时，汽油机带动?星座正向旋转。请看?意图：

动图

由于此时车轮（齿圈）未动，?星座的正向旋转会逼得四个?星齿轮反向旋转，四个?星

齿轮的反向旋转带动太阳轮（?号电机）正向旋转，发交流电，经PCU?的逆变器变成直流

电，再经电压变换器降到201.6伏给动?电池充电。

?、起步

松开刹车，?号电机（车轮）利??号电机发出的电能开始旋转，带动车轮（齿圈）开始正

向转动，起初，齿圈的旋转速度低于?星座（汽油机）的转速，四个?星齿轮仍旧反转，所以

汽油机仍然只能带动?号电机发电，不能推动车轮。这时完全由?号电机以?级变速?式推动

普锐斯。

三、加速?驶

随着齿圈的正向转动速度的加快，四个?星齿轮反向?转的速度逐渐下降，当齿圈转速与

?星座相同时，?星齿轮的?转停?，只剩下公转，这时?星座（汽油机）启动，通过四个已经

不再?转的?星齿轮，同时推动齿圈（车轮）和太阳轮（?号电机），?号电机继续向?号电

机供电并通过PCU向动?电池充电。以下是?意图。

动图

对此，我的解读是：这个汽油机的介?点正是汽油机进?经济运?区间的起点。这时，车

速，也就是齿圈（车轮）的转速是由?号电机（齿圈）与汽油机??星座）共同决定的，并不是

只由?号电机?家决定的。你踩油门的?度不仅提?了PCU的输出电压，影响了?号电机（齿

圈）的转速，还增加了向汽油机的供油，提?了汽油机（?星座）的转速。这?有?条重要的

原则，普锐斯加速时，齿圈与?星座必须同步转动。?号电机（齿圈）转速由PCU提供?级调

控，?汽油机（?星座）转速的调控是通过?车电脑指令增加（减少）供油实现的。加速过程

必须对?星齿轮施加?个反向?矩（不让?星齿轮随意?转）。?能够提供这个反向?矩的只

能是?号电机（太阳轮）。油门放松以后，?号电机已经在反转了。如果它是处在从动状态

（被?星齿轮推着转），反向?矩?何?来呢？如果?星齿轮没有了反向?矩，汽油机（?星

座）的?动将不会推动齿?（车轮），?是会把所有的动?施加给太阳轮，使?号电机狂转，?

车轮（齿圈）反?失去推动?。为了提供反向?矩，这时必须给?号电机通电，使它?作在电

动机模式，使太阳轮主动反向旋转，去推动?星齿

动图

这样?来，?号电机和?号电机都?作在电动机模式，要不了?分钟，动?电池电量耗

尽，普锐斯就会趴在路上动不了窝。有?可能会说，还有汽油机??作呢。汽油机确实在?作，

但是，前?已经说过，汽油机（?星座）要想推动?圈（车轮），必须由?号电机给它的?星齿

轮施加反向?矩。现在没电了，?号电机动不了，反向?矩也没有了。这时汽油机的?作只能

是带动?号电机给动?电池充电，把电充上再接着开。但是，你能允许普锐斯开开停停吗？

丰?的技术?员解决这个问题的办法是，在匀速?驶状态，由?车电脑指令?号电机?作

在发电机模式，给?号电机供电，由?号电机（太阳轮）作为电动机推动?星齿轮，由??齿轮

推动齿圈（车轮），形成汽油机与?号电机共同推动普锐斯的局?。这种情形与加速时的情形

相好相反。这样普锐斯的动?电池就不会没电了。

这?切都电??级变速系统的杰作。实际上，加速和匀速?驶是在不断切换的，深踩油门

和放松油门就会导致PCU?的电压变换器调整电压，逆变器调整电流相位，瞬间改变电机的输

出功率、旋转?向，切换两台电机的功能。电?控制的?级变速ECVT的这些性能绝不是钢带式

的CVT所能?拟的。

五、倒车

倒车的时候，?星齿轮组是这样转的：

动图

从这张?意图上可以看到，齿圈（2号电机）是反转的。PCU只要根据电脑指令，改变逆变器输

出的三相交流电的相位就可以让2号电机反转了。

齿圈（2号电机）的反转带动4个?星齿轮反转，?星齿轮?带动太阳轮（1号电机）正转（空

星座永远是正转的）。但?星座的正转?不影响齿圈（2号电机）的反转，也不影响太阳轮（1号

电机的正转），这是4个?星齿轮的功劳。由于汽油机启动了，这时1号电机以发电机模式?

作，向动?电池充电。

现在我们可以做?个总结了。普锐斯是电?控制?级变速实际上有两个层次：第?个层次是控

制车速的?级变速，主要由?车电脑、PCU和两台电机来实现；第?个层次是内部?作?式的

?级变速，即两台电机和汽油机之间不同转速和不同旋转?向之间的?级变速，除了电?系统

的调节以外，还利?了?星齿轮组类似差速器的特点，让1号电机、2号电机、汽油机各?以任

意速度和不同?向旋转，互不?扰，?且既不要变速箱，也不要离合器。

这?切都电??级变速系统加上?星齿轮组的杰作。电?控制的?级变速ECVT的这些性能绝不

是钢带式的?级变速CVT所能?拟的，也不会出现钢带式CVT那种“打滑”的感觉。

雷克萨斯CT200可以说是换了马甲的普锐斯3代，这?的解读?概也适?于CT和凯美瑞。

?章来源于爱卡汽车

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