五分鐘了解豐田E-CVT變速器

何謂變速器？能實現(xiàn)汽車變速、變矩、變向、通斷動力的裝置就是變速器。世界上第一臺汽車于1886年誕生，不久后便出現(xiàn)了第一臺變速器。可以說變速器的發(fā)展和汽車是同步的。乍一看E-CVT，可能大家都會很自然的想到CVT，也就是無極變速器。從功能上來講，E-CVT確實有無極變速的作用，但是從結(jié)構(gòu)上來講的話，它們之間的差異太大了。甚至可以這樣說：變速器分兩類，一類是E-CVT，一類是其他變速器。

● E-CVT簡介

開篇我們就提到過E-CVT并不是簡單的“電控?zé)o級變速器”，所以當然也不是網(wǎng)上流傳的它是CVT的電子版。豐田官方給出的定義是“動力分配器”，因為它并不具備傳統(tǒng)變速箱系統(tǒng)里面的離合器、液力變矩器或是齒輪軸組等這些復(fù)雜機構(gòu)，是專門為混動車型而準備的動力分配機構(gòu)。故一直存在一種爭論：E-CVT到底是不是變速器？

是不是變速器我們稍后再論，可以看到的是從普銳斯到雷克薩斯CT200h再到后來的凱美瑞混動版，都證明了豐田的THS（Toyota Hybrid System）日益成熟。而作為整套系統(tǒng)里面的關(guān)鍵部件，E-CVT毋庸置疑發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

● E-CVT結(jié)構(gòu)

如果用傳統(tǒng)變速器的眼光來看的話，E-CVT的結(jié)構(gòu)真的實在是太簡單了。很多時候其實越是完美的東西越簡單，我想這一定是真理。作為混動汽車的代表作，普銳斯一直承載著豐田的核心混動技術(shù)，那么接下來的解析就以豐田普銳斯為例。

E-CVT的結(jié)構(gòu)非常的簡單，僅僅由外齒圈（這里的外齒圈同時連接2號電機和輸出軸）和行星齒輪架（連接發(fā)動機）和太陽齒輪（連接1號電機）組成，即動力傳遞流為：2號電機—外齒圈—輸出軸，同時由于行星齒輪組的存在，故亦有：發(fā)動機—行星組—外齒圈—輸出軸。下面的實物圖是某國外講解視頻截取下來的。

如果您仔細的觀察，不禁會納悶：這不就是差速器的結(jié)構(gòu)嘛。是的，E-CVT就是由一套行星齒輪組減速機構(gòu)（上圖中的紅色方框部分）。并沒有CVT里面的鏈條或是鋼帶，更別談AT里面的液力變矩器或是DCT里面的雙離合了。于是，問題來了。。。咳咳。結(jié)構(gòu)這么簡單的E-CVT真能做到無極變速？答案是當然！

● E-CVT原理

概述：

其實單從機械運動原理的角度來講，E-CVT并不是非常復(fù)雜。一個行星齒輪組的運動能有多復(fù)雜呢？復(fù)雜的是它的電子控制單元，即機電配合的邏輯原理上面。在介紹工作原理之前，先簡單的列出一些下面即將使用到的名詞注釋：

PCU：動力控制單元（Power Control Unit）這是作為混動汽車必不可少的一個部件，里面包含了電壓變換器和逆變器，可以調(diào)節(jié)電池組輸出的電壓。比如向電機供電必須使用高電壓（600V左右），而電池組的電壓由于尺寸的限制最多達到200V左右，故變壓器必不可少。而逆變器的作用則是使直流變交流或者反之，因為高壓交流電機具有體積小、效率高、功率大的優(yōu)點，而電池組發(fā)出的是直流電，故在電機和電池組之間必然需要一個逆變器。

MG1：即一號電機（motor generator 1），與太陽齒輪相連。

MG2：即二號電機（motor generator 2），與外齒圈相連。

兩個電機的屬性圖：

普銳斯的發(fā)動機為阿特金森發(fā)動機，其特點是中間轉(zhuǎn)速性能好，高低速性能不足，能源利用率高：

為了方便理解，放一張簡化的E-CVT結(jié)構(gòu)圖：

接下來是動力分配圖

首先我們需要清楚一個概念：動力是扭矩和轉(zhuǎn)速結(jié)合的產(chǎn)物（功率=扭矩×轉(zhuǎn)速），

然后由于存在四個可以自由公轉(zhuǎn)行星齒輪，可以想象下當齒圈固定不動（即車輪不動）時，只有行星齒輪的自轉(zhuǎn)，太陽齒輪（MG1）才可以帶動行星齒輪座（即發(fā)動機）轉(zhuǎn)動（即啟動發(fā)動機過程）；

有了行星齒輪的自轉(zhuǎn)，當齒圈（MG2）正轉(zhuǎn)時，太陽齒輪（MG1）也可以反轉(zhuǎn)。反之，而當齒圈（MG2）反轉(zhuǎn)時，恒星齒輪（MG1）又可以正轉(zhuǎn)。

又比如，外齒圈和太陽齒輪同向轉(zhuǎn)動時，行星齒輪可以不自轉(zhuǎn)，只公轉(zhuǎn)，從而帶動汽油機轉(zhuǎn)動。當行星齒輪座不轉(zhuǎn)時，齒圈和太陽齒輪仍可以自由轉(zhuǎn)動。正是因為行星齒輪組的這個巧妙的特性，發(fā)動機、車輪、電動機才能時時連接在一起運轉(zhuǎn)而又能互不干擾，故此省去了離合的結(jié)構(gòu)。

S=C×3.6－R×2.6

公式里的S＝SUN＝太陽輪，C＝CARRIER＝行星座，R＝RING＝外齒圈

另外，由于外齒輪和太陽齒輪和行星齒輪的直徑和齒數(shù)都已固定，根據(jù)圖上的公式也可以得出：行星座在中間轉(zhuǎn)動的時候分配給外齒圈和太陽輪的扭矩比是一定的。具體數(shù)值大約是72%分配給外齒輪（實際上是2.6÷3.6），28%分配給太陽齒輪（1-72%）。只要發(fā)動機轉(zhuǎn)動做工，就不會改變這個基本事實。

那我們都知道汽車從啟動到剎車停止的一系列不同工況下，對扭矩的要求是有極大變化的，傳統(tǒng)動力汽車就是因為這樣需要變速器來調(diào)節(jié)發(fā)動機的輸出動力。但是在E-CVT這種特定結(jié)構(gòu)里面由于存在兩個電機，在不同的工況下，根據(jù)上面的公式。只要控制這兩個電機的不同轉(zhuǎn)速就能使外齒圈上獲得的發(fā)動機動力無極變化，從而汽車達到無極變速。

至于普銳斯的PCU如何根據(jù)車子的運行工況來實時控制發(fā)動機的供油量和兩個電機的電壓、相位和正反通斷。這里面涉及到的控制邏輯和眾多的傳感器的數(shù)據(jù)收集和處理程序過于復(fù)雜，在此不做表述。理解E-CVT能夠?qū)崿F(xiàn)無極變速即可。

● 工況詳解

下面從普銳斯的各個運行工況來逐一分析E-CVT的變速過程：

一、怠速運轉(zhuǎn)（熱車）

發(fā)出啟動指令后，MG1瞬間啟動（正轉(zhuǎn)）并帶動發(fā)動機啟動，整個過程及其快速而平順。

發(fā)動機啟動后，怠速運轉(zhuǎn)，汽油機帶動行星座正向旋轉(zhuǎn)。由于車輪（外齒圈）未轉(zhuǎn)動，行星組盤（發(fā)動機）的正向旋轉(zhuǎn)會通過行星齒輪而帶動太陽齒輪（MG1）正向旋轉(zhuǎn)。MG1不再接收電池組輸電，反而變成發(fā)電機，發(fā)出交流電，經(jīng)PCU里的逆變器和電壓變換器變成低壓直流電并給電池組充電。 總之，怠速時，發(fā)動機的功率全部用來為電池組充電。

二、起步

發(fā)出起步信號后，少量電力就會通到二號電機，MG2開始旋轉(zhuǎn)。帶動車輪（外齒圈）開始正向轉(zhuǎn)動，車子緩慢前進。當你稍微用力踩下油門踏板時，二號電機會獲得更多的電力，普銳斯就會加速前進。由于二號電機功率很大（50KW），低速扭矩也很大。在PCU的控制下，車子加速十分的柔和，即便只靠MG2即可把普銳斯加速到一個相當?shù)乃俣?！此起步過程充分發(fā)揮了MG2低速高扭的特性，以彌補發(fā)動機低速扭力不足的尷尬局面。

值得注意的是若這時發(fā)動機不工作（純電動模式起步），隨著MG2的轉(zhuǎn)速增加，MG1的轉(zhuǎn)速也會急速增加。因為MG1的轉(zhuǎn)速有個上限，快達到上限的時候，發(fā)動機被迫啟動來進行干預(yù)。這時便存在一個臨界速度。這個速度雖然是固定的，但是可以肯定的是起步時踩油門的力度越大，汽油機介入的時間就越早（主動介入）。如果你一下子把油門踩到底，汽油機會立即點火。

大部分情況下，MG2就能順利的推動普銳斯加速到一個不錯的速度，但是有些情況下也會出現(xiàn)動力不足的現(xiàn)象。這是發(fā)動機介入后便會通過帶動MG1發(fā)電供給MG2和直接帶動外齒輪轉(zhuǎn)動來推動車輪兩種方式來輸出動力，值得一提的是，這兩種方式可以同時存在。至于其互相占比多少取決于多種因素。

三、小負荷加速

小負荷時加速時，主要靠MG2的推動車輪。MG2轉(zhuǎn)速提升，四個行星齒輪反向自轉(zhuǎn)的速度逐漸下降，當齒圈轉(zhuǎn)速與行星座（發(fā)動機）相同時，行星齒輪的自轉(zhuǎn)停止，只剩下公轉(zhuǎn)，這時行星座（發(fā)動機）通過四個已經(jīng)不再自轉(zhuǎn)的行星齒輪，同時推動齒圈（車輪）和太陽輪（一號電機），三者速度達到一致。MG1繼續(xù)向MG2供電并通過PCU向動力電池充電。此后，MG2速度繼續(xù)提升，直到車輛達到目的速度。此時，太陽輪轉(zhuǎn)速小于行星座轉(zhuǎn)速。

四、大負荷加速

面對重負荷加速（如載重起動）等MG2的動力跟不上的情況。發(fā)動機轉(zhuǎn)速提升，進入其經(jīng)濟運轉(zhuǎn)區(qū)間，發(fā)動機的功率大大提升。因為發(fā)動機的扭矩提升進而帶動MG1發(fā)電同時外齒圈獲得的動力提升，同時時電池組也會向MG2供電，得益于此，MG2進入“火力全開”模式。

四、勻速行駛

勻速行駛的情況發(fā)生在加速完成后，此時普銳斯只需要克服各種阻力，對動力和扭矩的需求大大降低，油門放松后，汽油機轉(zhuǎn)速下降，齒圈（車輪）的轉(zhuǎn)速便高于行星架（汽油機）的轉(zhuǎn)速。這時，四個行星齒輪開始正向自轉(zhuǎn)。這種正向自轉(zhuǎn)會驅(qū)動太陽輪（MG1）反轉(zhuǎn)。

這里有一點需要特別，從前文我們就了解到。來自發(fā)動機的動力經(jīng)過行星架傳遞到外齒圈和太陽輪的時候，外齒圈和太陽輪的轉(zhuǎn)速會滿足如下公式。

S=C×3.6－R×2.6

當外齒圈的轉(zhuǎn)速高于行星架的轉(zhuǎn)速時，即R》C時，明顯S＜0，即反轉(zhuǎn)。但是如果此時的太陽輪的反轉(zhuǎn)是空轉(zhuǎn)（沒有受任何阻力），那么其會轉(zhuǎn)的飛快而使來自發(fā)動機的動力全部被MG1吸收而無法驅(qū)動外齒圈（因為驅(qū)動太陽輪明顯比驅(qū)動外齒圈要容易得多）。故在這里會需要MG1工作在電動機模式，這樣一來行星架就無法帶動太陽齒輪高速飛轉(zhuǎn)而浪費發(fā)動機的動力了。

但是這樣的話豈不是太浪費電能了？所以一般在高速巡航的時候，MG2變成發(fā)電機狀態(tài)，以此來維持MG1的轉(zhuǎn)動。

實際上，在普銳斯的整個行駛過程中，加速和勻速行駛狀態(tài)是在不斷切換的。ECU會根據(jù)駕駛踩油門和放松油門等各種操作動作和汽車的各項行駛工況來通過PCU調(diào)整電壓和電流相位，瞬間改變電機的輸出功率、旋轉(zhuǎn)方向，切換兩臺電機的功能。

五、減速

減速的情況其實相對比較簡單，發(fā)動機關(guān)閉，MG1空轉(zhuǎn)。MG2由車輪帶動變成發(fā)電機吸收車輪的減速能量。并為電池組充電。

六、倒車

得益于MG2的大扭矩，普銳斯在倒車時所需的扭矩MG2便可輕松提供。電池組給MG2供電，帶動外齒圈反轉(zhuǎn)，車輛完成倒車。

在整個普銳斯的行駛過程中我們可以看到，其實是兩個電機和發(fā)動機互相配合，在嚴密的機電轉(zhuǎn)換邏輯控制下完美進行線性輸出的一個過程。而這種完美配合的基礎(chǔ)就是E-CVT的特殊結(jié)構(gòu)。因為功率=扭矩×轉(zhuǎn)速，故這種扭矩按比例分配而轉(zhuǎn)速又可以無極分配的行星齒輪組結(jié)構(gòu)，使得發(fā)動機的動力可以隨時隨地?zé)o極分配給外齒圈（即車輪），完成普通步進式變速箱的所有功能！

下表為整個過程中E-CVT各齒輪的運行狀態(tài)：

● E-CVT前景

變速箱的出現(xiàn)就是為了應(yīng)對各種復(fù)雜的工況下的不同動力需求而誕生的，在自動變速箱出現(xiàn)之前，駕駛員需要自己判斷路況和車況來及時進行加減檔。這種方式的優(yōu)點是駕駛操作感強，畢竟經(jīng)驗豐富的車手比ECU更加懂得車子需要什么樣的動力。另外，結(jié)構(gòu)簡單易維護體積小等優(yōu)點也使得手動擋的汽車無論在合適都會擁有大批的粉絲。

自動變速箱的出現(xiàn)其實很早，但是真正大規(guī)模的應(yīng)用是在80年代，也是搭乘了電子技術(shù)的飛速發(fā)展的便車。因為自動變速不難，難在如何更加精準的自動變速。在機械時代顯然技術(shù)難以達到，但是如今越來越聰明的ECU使得自動變速箱也變得越來越能領(lǐng)會你的駕駛意圖。但是即便是如此，自動變速箱仍有缺陷：存在換擋間隙，即便是DCT也不能實現(xiàn)真正的“無極變速”。

至于本文的主角E-CVT可以說達到了變速箱領(lǐng)域機電技術(shù)的融合巔峰，首先它的邏輯控制系統(tǒng)十分的復(fù)雜。另外它能夠有效的彌補傳統(tǒng)無極變速箱的短板（傳動功率?。?，它集合了大功率、反應(yīng)快、無極變速、傳動效率極高等優(yōu)點于一身。但是它也有缺點：支持系統(tǒng)太復(fù)雜了，我們知道任何系統(tǒng)一旦過于復(fù)雜，出問題的概率便成倍提升。

● 總結(jié)

對于E-CVT來做個簡單總結(jié)吧：

1、很平順，極其平順

2、傳動效率很高

3、結(jié)構(gòu)簡單、體積小

回到篇首那個關(guān)于E-CVT是不是變速器的問題，這樣說吧：如果不是需要其他動力源來配合使用，恐怕E-CVT技術(shù)早就一統(tǒng)變速箱領(lǐng)域了。也正是由于這個“致命”的缺陷，使得其簡直是為混動車型量身定做的。寫這篇解析也并不是完全為了科普，更多的是希望大家能夠多多了解這種有點異類且不為世人所知的變速器結(jié)構(gòu)和它的思路。因為我堅信：在化石能源日漸枯竭的未來，E-CVT終將大放異彩！