进阶文：为什么说行星齿轮组是混合动力系统中的“神器”？ | 混动五讲III

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原标题:进阶文：为什么说行星齿轮组是混合动力系统中的“神器”？ | 混动五讲III

如果你不小心错过了驾仕派前两天推送的“混动五讲”的内容，没关系，小编带你一起回顾一下。点击阅读：

好了，下面正式进入第三讲——

始于第一代普锐斯的行星齿轮组有哪些“神奇”的地方？

行星齿轮结构其实在汽车领域的应用已经很久了，市面上大部分自动变速箱都是使用若干组行星齿轮，再配合液力变矩器来达到变速的功能。而世界上第一款在商业上获得成功的混合动力汽车——1999年推出的丰田普锐斯一代，也是采用的这种结构。

行星齿轮差不多就如下图所示，其中Sun gear是太阳轮、Ring gear是齿圈，Planet carrier是行星架。这三个机构分别可以连接三个动力输出或输入端。如果固定其中任何一个，则另外两个相当于普通的齿轮咬合;如果固定其中两个，则整个行星齿轮被锁死。值得注意的是，Planet gear行星轮并不连接任何输入输出机构，它也一直是自由转动的，否则整个行星齿轮组都不能转动。而连接动力的是行星架，行星架固定以后，行星轮只自转，但不围绕太阳轮公转。

它动起来是下面这样子——

上一期已介绍，一般并联使用的机械耦合，即两个输入端的齿轮同时啮合在输出端的齿轮上，最显著的特点是三个齿轮需要有相同的速度（齿速）。而在齿轮大小不同的情况下，两个输入端的扭矩可以自由组合，但二者的转速需要达到一定的固定比例。

而行星齿轮组的各部分转速只需要满足一个线性关系就可以了——

下面右侧的杠杆图，可以很清楚的解释三个转速的关系，S和R分别是太阳轮和齿圈的半径（也可以认为是太阳轮和齿圈的齿数）

在很大程度上，动力流的扭矩和速度都被解耦了。这也是基于行星齿轮的混合动力被称为“动力分流”的原因，也就是说，基于行星齿轮组的混合动力可以相对自由地将一个输出/输入轴的动力分流到两个输入/输出轴。

一个最简单的动力分流混合动力的构造如下图所示：

它可以提供最多10种工作模式，下面一一用杠杆图说明（图中粗实线与三纵轴的交点高低表示正负转速的大小，箭头长度表示扭矩大小）

1.车辆静止时，如果电池电量过低，电机正转、正扭矩，带动发动机启动——这替代了原本汽车上12V启动电机的功能。

2. 一旦发动机启动，则发动机为正扭矩，在热车的同时带动电机给电池充电。

3. 正常情况下，汽车静止时都不必启动发动机，在低速行驶时都可以用电机驱动，此时锁止器1锁止了发动机和行星架，电机反转并输出正扭矩（与转速同向的扭矩），带动汽车前进。在这个构型下必须有锁止器，否则一旦油门过深，电机电流过大、扭矩过大，就很容易带动发动机倒转。

4. 如果是在车速较低的情况下刹车制动，则车轮有负扭矩，带动电机输出负扭矩给电池充电。

5. 如果是在车速较低的情况下持续加速，车速提高，当电机驱动车轮已经没有发动机直接驱动车轮高效，则电机会加大扭矩，带动发动机启动。

6. 发动机启动后，锁止器2将电机和太阳轮固定，发动机运转在高效区间，直接驱动车轮。如果没有锁止器，一旦油门过深，就很容易将电机带出转速来，从而给电机充电。

7. 如果车速进一步上升，那么要将发动机继续保持在高效区间，受三者转速成线性关系的限制，就必须让电机参与工作。如果此时驱动汽车所需功率小于发动机高效区间输出功率，则多余功率带动电机输出负扭矩，给电池充电。

8. 如果此时驱动汽车所需功率大于发动机高效区间输出功率，则电机输出正扭矩作为补充。

9. 如果在低车速的情况下，需要急加速，则电机和发动机同时输出正扭矩。需要注意的是，因为电机转速的限制，发动机的转速并不可能过高，仍然需要保持在中低转速，这限制了发动机的动力输出。

10. 在高车速时急加速，则可以使发动机和电机都保持高转速和大扭矩，因此足以应付高速公路上坡超车的需要。

因此，在只需要一个行星排（行星齿轮组）且没有变速箱的情况下，就实现了比普通串并联更多的工作模式，使得内燃机基本上可以保持在最佳转速和最佳扭矩输出，这也是为什么一般这种混合动力不被称为并联的原因——尽管它实际上只是一种更为高级的并联。

此外，由于电机转速范围大，而且在各个区间效率都相对高，所以可以通过调整电机的转速来连续调整发动机的转速——因此它也叫做E-CVT，这种刚性连接不但比基于钢带的普通CVT传动效率更高，而且也更平顺。

但这个构型（行星齿轮组）显然也是有其局限性的——

首先，电机单独驱动车辆时，只有一条减速路径，而且这条减速路径最终传动比较高，使得在行车速度较低时，电机也需要运转在低效率的较高转速。

下图为第二代普锐斯使用的电机效率图，横轴为转速，纵轴为扭矩，等高线表示效率（以百分比为单位），可以看出，尽管电机高效区间更宽泛，但仍然有更为高效的扭矩和转速区间。考虑到在不插电的混动汽车中，电量完全来自于发动机带动电机发电，电驱的所有能量实际上经过了内燃机->发电机->电动机（可能是同一个电机）三步损耗——比内燃机驱动还多出两步，因此电机如果不能维持在最高效率，很可能也并不节能。

其次，在发动机的转速适合单独驱动车轮、但所需扭矩却过高或过低时，没办法通过电机调节发动机输出扭矩，此时发动机无法工作在最佳区间。如果要让电机工作，则只能同时改变发动机转速，而此时发动机效率也会下降。

最后，在车速较低时，受电机转速限制，发动机只能维持在低转速，这样尽管效率较高，但极限动力却受到了限制。

那么，如何对这些局限进行改善呢？

第一种方案是如下图这样，在离合器1、2接合、离合器3断开时，电机通过行星齿轮与发动机并联；或者将离合器2断开，同时将离合器3接合，锁止器2锁止，这时电机则与发动机机械耦合。此外，也可以将离合器1断开，电机单独通过太阳轮驱动车轮。

如果说电机和发动机可以在电连接和机械连接之间切换是“串并联”，那么这种构型大概可以称为“并并联”——发动机和电动机的连接方式可以在两种并联方式中切换。（或者一定要把“动力分流混动”称为混联的话，也可以叫并混联）

这样一来有两个好处：

1.在车轮转速对应的发动机转速正好处在高效区间、但扭矩不适合时，可以将电机与发动机机械耦合，从而在不改变发动机转速的情况下调节其工作扭矩。

2.通过切换连接方式，电机单独驱动车轮有两条不同的减速路径：一条是通过变速后经过太阳轮驱动输出轴的行星架；一条是经过齿圈驱动输出轴的行星架，这样就可以兼顾在高速和低速时实现最佳速比的不同需求。

不过，这个方案需要3个离合器，成本并不低，因此第一款商业上成功的混动汽车——一代丰田普锐斯并没有采用这种方案，而是把主电机直接套在齿圈连接的输出轴上，然后在太阳轮连接功率较小的发电/电动机。

这个方案相比前面的有4个好处：

1.有两个电机且有各自的传动路径，就意味着电机单独驱动车轮时，不仅减速比可以变化，而且高速电机和低速电机可以分别选择不同的型号——高速电机选用功率更大的，低速电机选用功率更小的。

2.虽然多了一个电机，但两个电机可以同时单独驱动车轮或给内燃机加力，因此每个电机都不用太大，而且性能更好。

3.一个电机并联、一个电机通过行星齿轮耦合，各司其职，省去了用离合器去切换。而且因为在纯电驱动模式下，以MG2作为主要动力，增大MG2输出并不会带动发动机反转，因此锁止器也可以省去，成本较低。

4.MG2直接套在输出轴上，传动效率较高而且结构紧凑。

不仅前两代普锐斯都采用这一结构，到目前为止，福特的混合动力仍然在使用这一构型，只不过福特混动的主电机更大，而副电机更小，也能做到不错的效率。

第三、第四代普锐斯开始，丰田进一步改进了这一构型，采用了双行星排，不过第二组行星排的行星架为永久固定，因此第二组行星齿轮只相当于将MG2增加了一个减速齿轮（但结构更紧凑），更适合低速时驱动车轮。

吉利科力远的混合动力系统也可以看做是这一构型的变种，只是双行星排的构型变成了拉威娜式，主电机成为了动力分流系统的第四轴，而不是像丰田那样实际上仍然只有三个轴。同时在第一组行星排的电机和发动机处都增加了锁止器，进一步提升了效率。

而这些构型只要在后轴增加第三个电机，也就实现了混动四驱。绝大部分基于行星齿轮的四驱系统，比如雷克萨斯的RX400h和450h四驱、汉兰达混动四驱、福特翼虎混动四驱，都是如此。

通用的混动系统则相对这一大类混动又有了明显的改进：

在第一代雪佛兰Volt插电混动车型中，虽然也是单行星排，但输出轴从齿圈移到了行星架，主电机从输出轴的齿圈，移到了太阳轮的输入轴，副电机则与发动机机械耦合，都在齿圈输入，同时它还拥有多达三个离合器/锁止器。

这种构型虽然成本远比前面几种结构高，但有下面两个优势——

1.增加了串联模式或者也可以叫增程模式。离合器2断开、离合器1和3接合时，发动机和车轮之前没有任何机械连接，发动机可以持续以最佳转速和扭矩带动副电机MGA发电，然后主电机MGA以固定速比驱动车轮，如果所需功率小于发动机功率，则电池表现为充电，反之表现为放电。严格的说，这种构型才是真正的“混联”。

2.不仅两个电机可以分别以不同速比单独驱动电机，而且在大电机单独驱动电机时，小电机可以给大电机调速，这使得整套系统在使用纯电驱动时效率也很高。

这种构型成本较高，但很适合插电混动车型使用。

实际上，单行星排根据各轴连接的动力源不同，理论上有多达12种的组合可能，一代普锐斯和一代Volt只是使用了其中两种，不过并不是所有的构型都是合理的。

而在第二代Volt中，通用也增加了一组行星排，并且与丰田、科力远实际上的1行星排和1.5行星排混动系统不同，这套系统是真正的双行星排，自由度要大得多。

而丰田在最新一代的丰田Prius插电混动（即Prius Prime）中，为了在纯电模式下也尽可能减少发动机的介入，增加了两个离合器。

可以跟通用二代Volt对比一下——

就像一开始提到的，两个以上的行星齿轮组其实还可以用做自动变速箱。因此，很多豪华车的混合动力系统会使用三个行星排，这样一来配合一些锁止器，相当于在实现混合动力的同时，还提供了传统自动变速箱的功能，可以对单独驱动的发动机或电机进行换挡变速。在仍然保持了高效率的同时，也可以提升性能，在各个车速区间都能发挥三个动力源的最大动力，并且像传统有挡位的汽车一样，能瞬间降挡以提高动力输出。

比如雷克萨斯GS和LS的混动系统构型如下图所示：