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丰田Hybrid的冠上明珠——PSD动力分割装置简析

ultramz [财富:52788两] +关注 发私信 编辑

——啥叫PSD?啥是动力分割装置?——

 说到丰田的hybrid系统,最迷人也是最精华的部分,也许就是他的“变速箱”ECVT了,对它有一点了解的人都知道,这个ECVT其实并不是一个真正的变速箱,而是一套由两个电机和一个行星齿轮组构成的“动力分配装置”,英文power split device,缩写PSD,啊啊啊我就知道你们要说盘丝洞披萨店盘山道之类的梗的啦!好不容易严肃了几分钟,在我的文章里正正经经的写东西就真的这么难吗?难吗?难吗?

 总而言之一句话,这货的角色就跟普通车辆上的变速箱是一样的,它的核心目的还是把动力机构的动力输出到车轮上,但由于hybrid车型上会有多个动力机构,而将这些个动力机构输出的能量有机的整合再传输到车轮上,就是PSD的核心作用。

——丰田hybird的PSD长啥样?——

 都说丰田的ECVT结构简单,说实话,真的是挺简单的,大家先来见识一下常见的AT变速箱,大概是这个样子…

配图:AT变速箱

 光是液力变矩器、各种行星齿轮组、齿轮的大杂烩就够大家喝上一壶的了,至于AT的原理是怎样的,为啥能够实现不同的转速比,额,鉴于这篇不是写关于AT的文章,所以就不提了,略过略过~

配图:CVT变速箱

 至于现在日系车厂热衷使用的CVT变速箱,虽然结构相比AT变速箱是简单了不少,但液力变矩器!离合器!锥形管!钢带!一个也不少~

配图:DCT变速箱

 而另一个派系DCT变速箱,虽然也有比较简洁的、接近手波的结构,但拿掉液力变矩器后遭遇的问题同样不少,替代的方案基本上都是以降低换挡速度、降低传动效率等与其推出时卖点相左的方式才能达到一个比较理想的体验和寿命。

 最后来看我们的ECVT

配图:ECVT

 就是这么个前后两个电机夹着个行星齿轮组的结构。

配图:三代普锐斯的ECVT核心结构

 如果拿掉作为动力输出装置的两个电机的话,ECVT的本体,就是这个行星齿轮组。

——行星齿轮组和三个动力装置是如何连接的?——

 这时候,我们需要拿出一张老图来帮组大家理解理解~

配图:PSD对应关系图

 其实他们的关系很简单

齿圈:

 最外侧内面有齿标记为Ring Gear就是齿圈。齿圈和外侧的电机相连,我们一般把这个电机称为2号电机,缩写MG2,哦,对了~齿圈还通过一个减速齿轮组与车轮相连。

行星轮:

 和齿圈和太阳轮有直接接触的4个小齿轮,在图中标记为Pinion Gear。

行星圈:

 4个行星轮固定在一个框框上,行星轮能在这个框框上自传,然后这个框框能够带着行星轮绕着太阳轮公转~非常重要的是,行星圈和发动机直接相连。

太阳轮:

 处在整个结构正中间的这个齿轮,图中标记为Sun Gear的就是大名鼎鼎的太阳轮,太阳轮通过齿与4个行星轮直接咬合,并且与靠内测的电机直接相连,这个电机我们一般称为1号电机,缩写MG1。

 整个丰田hybrid的动力分割装置(PSD),就由这么5个齿轮/1个齿圈/1个架子构成。

通过以上的说明,可以很容易的得出以下几个结论:

1、 发动机、MG1和MG2,他们是行星圈、太阳轮和齿圈通过齿轮咬合的方式连接在一起的。

2、 由于MG2通过减速齿轮组连着车轮,理所当然的,MG2的转速决定了丰田hybrid的车速(什么?你说理解不了?打你哦)。

3、 同理,倒车就是通过MG2反转实现的。 

4、 连着发动机的齿圈只能正转(这不是废话吗!你家发动机反过来转我看看!囧rz)

5、 MG1和MG2均可正转/反转,可做正功(电动机),可做负功(发电机),可空转(不做功)。

6、 在太阳轮空转(不做功)的时候,可以切断行星圈(发动机)和齿圈(车轮)的动力传动关系。 

 好啦好啦,我知道你们全都要开始晕了,很好,让我们直接进入下一个章节

——行星齿轮你怎么转之日常行车篇——

 说完了结构,我们就可以来看看这套东西日常是怎么工作的——为了方便理解,可以简单的将日常行车分为几个类型,让我们一个一个的来说

类型一:纯电行进or能量回收

配图:纯电行进or能量回收

 还记上面写的第5条结论吗?纯电驱动就是MG2做正功拽着齿圈,齿圈通过减速齿轮组拽着车轮实现的,这时候齿圈的转动通过行星轮传递到太阳轮(MG1),太阳轮(MG1)通过空转确保行星圈(发动机)保持不转。

 从能量传递的方式来看,则是动力电池输出能量给MG2,MG2驱动车辆前进,这时候如果从能量监控图来看,是这样的。

配图:纯电行进的能量监控图

 能量回收就是反过来,MG2做负功,这时候它的角色从电动机变成了发电机。车辆的动能通过MG2发电转换成电能储存到了动力电池,从能量监控图来看,是这样的。

配图:能量回收的能量监控图

类型二:油电混合驱动

 这里要分成两种情况

情况1:时速低于78km/h

配图:油电混合驱动情况1

 大家可以看到,行星圈在转,没错发动机在转,这时候太阳轮(MG1)和齿圈(车轮和MG2)也在正转(这不废话吗,车轮不转还跑个毛毛

 从能量传递方式来看,主能量来源是发动机,行星圈(发动机)这时候正在通过行星齿轮将能量输送给太阳轮(MG1)和齿圈(车轮),而MG1通过做负功将这些能量转化成电能后,一部分供给动力电池充电,另一部分输送给MG2做正功辅助发动机驱动车辆前进。

情况2:时速高于78km/h

配图:油电混合驱动情况2

 这个图和上个图有什么区别?眼尖的童鞋估计马上就发现了问题所在,虽然行星圈(发动机)和齿圈(车轮和MG2)仍然在正转,但太阳轮居然变成反转了(WTF)?为啥会有这样的变化?其实这个变化是由行星齿轮组的特性所决定的,简单点来说明,就是随着齿圈(MG2)转速的提高,如果发动机转速保持在一定的范围内,则太阳轮(MG1)的转速则会越来越低,最终发生反转,大家还记得“纯电行进”的图吗?是不是发现空转的太阳轮是反转的?

 额…总之它就是要反转就是啦!至于反转的原因,让我们之后再进行说明

 从能量传递方式来看,这时候主能量来源还是发动机,但两个电动机的身份却发生了变化,太阳轮(MG1)反转从发电机变成了电动机的身份,而齿圈上的MG2则从电动机变成了发电机。流程则变成了:行星圈(发动机)推动齿圈(车轮)前进,这时候齿圈上的MG2通过做负功回收部分能量,一方面提供给太阳轮(MG1)做正功辅助发动机驱动车辆前进,另一方面提供能量给动力电池充电。

 在能源监视器上你可以看到,发动机出来的红色箭头指向车轮的同时也指向了电机,而电机则分出两个绿色的箭头指向车轮和电池。虽然两种模式在图上表现的内容是一致的,但实际上两个电机的身份却产生了变化。

配图:油电混合驱动能量监控图

类型三:原地强启充电or热车

配图:原地强启充电or热车

 理解了上面那个超难的工况之后再理解这个就很容易啦!总之就是齿圈(MG2和车轮)不转,行星圈(发动机)拽着MG1要么做正功发电(原地强起充电)或者MG1低负载进行热车。

 在能源监视器上,则是发动机红线指向电机,电机蓝线指向电池(热车状态下MG1发电负载非常小,所以虽然有电发出来,但仅能支持车辆缓慢加速到大概8km/h的样子)。

配图:原地强启充电or热车能量监控图

(这个特别丑陋的图是我自己拍的

 看完上面这几个让人眼花缭乱的模式,我们对丰田hybrid ECVT的几个常见的运行模式已经有了初步的了解(其实还有好多种不同的驱动模式,例如发动机直驱模式,双电机协同发电模式等等)。

配图:发动机直驱+双电机协同发电模式

 但是仍会感觉很不清晰?特别是混动模式下,发动机产生的动力到底是怎样进行分割、再分配和组合的呢?接下来我将会尽量深入简出的说说PSD动力分割的真相!

——真相只有一个!就是通过齿轮比实现的扭矩分割!——

 让我们回到一开始讲解的行星齿轮组结构——一个齿圈、一个架子和5个齿轮。其中连着车轮和MG2的齿圈有78个齿,连着MG1的太阳轮有30个齿,而连着发动机的行星圈上的行星轮则都是23个齿。

配图:PSD的齿轮关系图

 这三个齿比结合在一起决定了一个重要的事实,就是:

行星圈(发动机)产生的扭矩,按72:28的比例分配给齿圈(车轮)和太阳轮(MG1)

 至于其中的数学公式为了确保这篇文章是个文科类屌丝写出来的所以就不给出了…

 有些童鞋这时候就要跳出来了!我知道了!发动机的动力是按72:28的比例分给了车轮和发电机的!

 NONONO!按照这个比例分配的,请各位注意,是扭矩!是扭矩!是扭矩!

 而我常说的一句话就是:

一切抛开转速谈扭矩的功率,都是纸老虎!

 简单点来说,虽然这套齿轮组是按照72:28分配扭矩,但在功率分配上,则可以是100:0或者是0:100!

 根据公式:功率(瓦)=扭矩(牛米)*转速(转/秒)可以得出,功率的分配,和转速密不可分!(刚才不是说好了不列公式的吗

 这时候我们可以来拿上个部分列出的驱动类型来具体的讨论,首先来个简单的:

类型三:原地强启充电

配图:原地强启充电

 从上图可以看出,行星圈(发动机)在输出动力,太阳轮(MG1)在做负功发电,而齿圈(车轮)静止,通过上面的公式可以知道,虽然MG1只分配到了28%的扭矩,但由于它转的飞快,所以得到了发动机所有的功率。虽然齿圈分配到了72%的扭矩,但由于它一动不动,所以他完全没有得到任何的功率。这时候,他们得到的功率分配比达到了100:0。

 换一个复杂点的情况继续分析:

类型二:油电混合驱动的情况2

配图:油电混合驱动的情况2

 太阳轮(MG1)在反转没错吧?我们也都知道MG1从正转到反转是个循序渐进的过程,这个过程有个特异点,就是转速为0的情况,随着齿圈(车轮)的速度继续提高,太阳轮(MG1)也将会从正转过度到反转。

 我们对这个MG1转速为0的特异点进行分析,则会发现,由于MG1转速为0,虽然能分配到28%的扭矩,但实际上它并没有获得任何发动机提供的功率,而齿圈(车轮和MG2)这时候转得飞快,所以齿圈(车轮和MG2)获得了发动机100%的功率。

 经过上面的论证我们可以得出两个重要的结论:

1、 发动机按照72:28的比例给车轮和MG2、MG1分配扭矩。

2、 发动机分配给车轮和MG2、MG1的功率(动力)大小跟其转速有关。

 脑洞大开时刻:不是说丰田hybird没有发动机直驱模式么…给MG1装个锁止器在MG1转速接近0的时候锁止MG1,这不就是发动机一直直驱模式吗…

 写到这里,也基本上把丰田hybrid的PSD的原理说得七七八八了(喂喂喂关于正转反转那事儿呢,你不会忘记了吧

 大家都知道hybrid车型和plug-in插电车型最大的区别就是在电池容量的大小(国产插电油电切换车高速路过

——就是“随着一脚刹车而来的充电戛然而止”惨案!——

 怎么说呢,如果有丰田hybrid车型的童鞋们可以按下面流程测试一下:

 首先找个空旷的可以撒欢的安全场所。

 其次原地停好车,打开空调打开音响打开大灯潇洒的挥洒电池电量。

 不过一会电池电量应该就掉到2格,发动机强起了!

 这时候挂D档开始前进,gogogo!

 保持车速在18km/h以内,然后,来来来,轻剁一脚刹车(不要把车刹停了)。

 如果耳朵好的童鞋会发现发动机声音明显变小了,看能源监控器会发现,电机不给电池充电了,电池却在提供电力驱动车辆!WTF?

 如果在剁了刹车之后对油门和刹车没做任何处理,大约5秒左右耳朵好的童鞋发现发动机转速又提高了,看能源监控器会发现,电机又开始给电池充电了!

 也就是说,因为一脚刹车,充电工况被打断了!打断了!打断了!

 如果心情好的童鞋还可以继续这么玩下去:轻剁下刹车后的3秒左右,再轻剁一下刹车,再过3秒,再轻剁一下刹车,就这么剁下去的话,你会悲哀的发现…电池的电充不上,发动机在转,电越来越少…

 这就是传说中的“随着一脚刹车而来的充电戛然而止”惨案!

 这是为什么呢?

 真相还是只有一个!就是…

“请问你会一边踩着油门一边刹车吗?”

 到了这个时候大家是不是一脸黑人问号?

 不要急,让我继续往下看:

 还是先回顾一下我们刚刚讲的丰田hybrid的PSD有几个重要的特性,请让我不厌其烦的再次总结一下:

特性1:发动机、MG1和MG2,他们是行星圈、太阳轮和齿圈通过齿轮咬合的方式连接在一起的,只有太阳轮空转的时候,可以切断行星圈和齿圈的动力传动关系。

特性2:发动机按照72:28的比例给MG2、MG1分配扭矩。

特性3:发动机分配给MG2、MG1的功率大小跟其转速有关。

 再来看强启充电后行车时的PSD实际工作情况:

配图:强启充电行车状况

 是的,强起充电后的PSD工况就是类型三:油电混合模式情况1,区别只有就算你松开油门发动机也不会熄火(行星圈继续正转)就是了。

 但这时候如果踩下刹车会发生什么情况呢?通过使用OBDII蓝牙发射器结合TorquePro APP监控的结果可以看到:

 如果此时踩下刹车,太阳轮(MG1)会立即进入空转(不做功),基于特性1,太阳轮(MG1)空转会切断行星圈(发动机)和齿圈(车轮)的动力关系。由于发动机提供的功率没人可用,所以ECU会控制发动机降低转速进入900rpm左右的“怠速状态”。

 如果我们假设太阳轮(MG1)不空转会怎样?基于特性2,齿圈(车轮)将会受到行星圈(发动机)提供的发动机扭矩*齿圈转速*72%的功率,相当于你剁着刹车要减速的同时还踩上了油门…至于一边刹车一边油门为啥是不允许的,我就不解释了…请不明白的童鞋自行咨询驾校老湿。

 所以这个充电戛然而止的“惨案”之所以会发生——是为了避免行星圈(发动机)将功率传输给齿圈(车轮),太阳轮(MG1)必须立即进入空转断开他们两个好基友的联系的原因。

 哦哦~原来如此!

 然而在这剁下刹车后动力电池是否得到了能源补充,则又要分成以下两种情况…啊啊啊要抓狂了啊

类型三情况1的情况1:时速高于18km/h

 如果时速高于18km/h,你会发现动力电池的充电不会停止,因为跟车轮连在一起的MG2正在努力的做负功进行能量回收。

类型三情况1的情况2:时速低于18km/h

 如果正好处于行驶的地面为无下坡的平路的情况,由于MG2在低于18km/h的时候无法进行能量回收(反之是下坡的情况根据坡度动力回收仍可进行),你会发现电池充电戛然而止,为了确保车辆能够正常平稳的行进,动力电池不光不能充电,还得出力保持车辆能够在不踩油门情况下蠕行(自动档的车停在平路上挂D档松开刹车为什么车要自己会走这事情可以理解吧…),这时候如果在5秒之内没有再踩下刹车,MG1会退出空转,ECU会再次控制车辆提高发动机转速到1250rpm左右通过MG1做负功发电,供电给电池充电以及让MG2做正功,协助发动机推动车辆继续蠕动。而这个过程中如果不幸又需要踩刹车,则这个5秒的计时又得重新来过。

 由于丰田hybrid使用的行星齿轮组PSD的这个特性,使得MG1非空转(做正功或者负功)的情况下,无法切断发动机和MG2的联系,也就是说,如果以发动机必须做正功转动、MG1必须要做负功发电的前提下,发动机就一定会有部分功率传递到车轮上。这种时候如果需要减速,MG1只有退出发电进行空转(不做功)才能阻止发动机的功率传递给车轮。

 可以说,在这种动力电池无电需要强启充电、但车速低于18km/h并且需要不停的刹车的极端工况下,THS的这种混联结构的充电效率是不如同等外设水平下的串联混动的方案的。

(这种时候我又要实力吹一波我大拖拉机厂英明神武的immd了~逃~

配图:

 不过一旦脱离这种极端的工况,丰田THS这种基于行星齿轮PSD的混联机构无论能量的利用率和驱动的直接性都要比单纯的串联或并联方案优秀太多,实在让人上瘾。

 既然了解了“丰田hybird效率最低就是强起充电的低速蠕动”这个事实,我经过再三的实践以及各种深思熟虑,接下来又到了带领大家装逼时间!

——避免“随着一脚刹车而来的充电戛然而止”惨案的金科玉律(柯南背景BGM响起)——

第一条:换条不堵的路走!

……

.

(楼猪被按在地上摩擦中)

 我认真写好吗,我真的认真写好吗啊啊啊啊啊~

第一条:保持电池电量充足,应对堵车路况,避免进入强充工况。

第二条:如果拥堵不可避免,可以打开eco模式,并且使用自动空调降低空调耗电量。

第三条:如果已经进入了拥堵,请温柔的控制油门,请避免启动发动机后马上松油又让他熄火的情况,因为启动发动机那1秒需要动力电池输出的电流能去到60A,换算成功率大概13kw,而低速跟车蠕动电流大概在5~15A左右,换算成功率大概在1.1kw~3.5kw之间,启动发动机那一下的能耗足够你纯电跑好几秒了,况且一启动发动机就松油门你一点电也充不进去…超级浪费电。

第四条:跟车的时候尽量避免多余的加速和减速,这个道理很简单,我就不多说了。

第五条:如果强起充电不可避免的发生了,尽量控制速度,松开油门滑行不会打断充电,只有刹车才会,切记。

第六条:如果刹车不可避免,刹车结束后如果车间距和前车的速度的条件合适,轻剁油门可以立即恢复充电,不需要再等5秒,可以有效缩短发动机怠工和MG1空转不干活的时间。

第七条:这是最重要的一条,请注意安全驾驶!请注意安全驾驶!请注意安全驾驶!特别是第三到第六条,请不要为了节省那点汽油导致追尾,追尾是全责!追尾是全责!追尾是全责!掏出来的修车或者买保险的钱可要比那些汽油价值多多多了!

 到了这里,丰田hybrid THS系统行星齿轮PSD我所理解的相关东西也就基本讲完了,在撰写这篇文章的过程中,我也参考了相当多的资料,如果童鞋们觉得看得还不过瘾,我也有很多文章和工具可以推荐给大家围观&使用。

关于PSD的内容,我参考了Thinkpad大大的非常多文章,受益匪浅!

传送门:https://www.xincheping.com/uc/61457.html

关于监控软件,我主要参考的是Thinkpad大大撰写的文章《实战用安卓手机监测普锐斯》

传送门:https://www.xincheping.com/uc/art/179385.html

关于车载OBDII蓝牙发射器的选择,我参考了Carzone大大的文章《窥探动力秘密:百元打造超级行车电脑教程篇》

传送门:https://www.xincheping.com/uc/art/183016.html

文内相关一些数据和信息的求证,我参考了很多priuschat.com社区的文章。

传送门:http://www.priuschat.com

 什么?你说我到这里还没说为什么跑到一定的速度MG1会从正转变成反转?额,好吧…既然你们都这样说了,我就只好祭出理解PSD的大杀器了,PSD模拟器,当当当!啥?你说为啥这时候才拿出来?额,压箱底的好东西当然要最后拿出来嘛,别,别打我!

传送门:http://www.iea.lth.se/hybr/PSDAnim.swf

 终于到了尾声:本人文笔较残,废话比较多,如果觉得写得不够好的话,还请多包涵!

 最后预祝几天后由日破天组织的planetside2 德国 vs 中国 国家对抗赛我大天朝能够取得胜利!为海外游戏服务器中的中国人争口气!你说这和PSD有什么关系?额,毫无关系~

 我要练习猎人头去了~下潜~

 其实我知道你们想问我为什么早上起来冷车开出去动力电池里存的电为什么一点也不耐用,其实我是知道答案的,但我就是不告诉你们,嘿嘿嘿~

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2017-04-01

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