丰田E-CVT技术详解：独步混动界30年，行星齿轮组是关键？

在混动圈子里，有一句话叫做：世界上只有两种混动，一种是丰田混动，一种是其他。这已经足以证明业内对于丰田THS混动系统的认可，今天我们就来聊聊这套享誉全球的混动系统的核心部件——行星齿轮机构。

丰田THS混动系统主要由阿特金森循环发动机、永磁铁电机、行星齿轮机构、发电机、高性能镍氢蓄电池组、动力控制单元、功率控制单元组成。

整套系统的核心就是这套行星齿轮机构，也就是媒体人口中的E-CVT变速器，不过虽然它被称作变速器，但它并不具备传统变速箱系统里面的离合器、液力变矩器或是齿轮轴组等这些复杂机构，是专门为混动车型而准备的动力分配机构（丰田的官方叫法）。

那么丰田的这套系统优势在哪里，又有何不足，相比市面上其他混动系统，它们之间的差别又在哪里，本文将一一得到体现。

一、为什么丰田要研发E-CVT变速器？

E-CVT变速器是整套混动系统的关键，而所有混动系统推出的初衷，其实都可以归结为节能减排，丰田当年推出THS也是如此。

90年代初，“可持续发展”，“全球变暖”、“温室效应”等字眼开始被全球熟悉，在这个背景下，丰田汽车开始研究“21世纪的汽车发展模式”，并启动了名为“G21”（G代表Globe 21代表着21世纪）的项目。丰田混合动力系统（THS）也是在这个阶段开始萌芽。

到了1995年，丰田在东京车展上发布了Prius的混合动力概念车，两年后，也就是1997年，丰田第一代Prius混合动力车型在日本本土上市销售，这是丰田第一款基于THS混动系统的量产车型，也是丰田MC平台下诞生的首款车型。

在此时，丰田汽车的混动世界大门也就正式打开。

二、目前THS混动系统发展到了第几代，分别搭载在哪些车型上？

前文提到，THS系统的核心其实就是E-CVT变速器，也就是行星齿轮组，丰田THS系统的迭代升级也几乎是围绕着行星齿轮组展开。

第一代THS混动系统诞生于1997年，首次搭载在普锐斯（参数丨图片）车型上，它的行星齿轮组由太阳轮、行星架、外齿圈三个部分组成，三个部分依次对应三个动力源：发动机与行星架相连；太阳轮与MG1电机相连；齿圈与MG2电机相连。

通过精密复杂的控制，这套行星齿轮组能够对发动机进行分流，利用电机调速，使得发动机一直处于高效的工作区间，以此达到省油的目的。

2003年，丰田推出了第二代THS混动系统，但第二代THS混动系统的升级主要是电控方面，E-CVT变速器结构没有太大的改动。

到了2009年，丰田推出了第三代THS（官方还是将其称为第二代，但行业更喜欢将其称为第三代），相比第二代的THS，它在原有的行星排基础上，再增加了一个行星排，第二个行星排与第一个行星排齿圈连接，MG2电机与太阳轮相连，行星架则固定不动，如下图：

这样第二个行星排就成为MG2驱动电机的减速机构，通过降低转速，增加了输出力矩，所以丰田第三代THS相比前两代拥有更好的动力性能。不仅如此，因为多了一级减速器的原因，此前笨重的链条传动也被更轻更小的齿轮传动所替代，很好地提升了传动的效率。

不过由于行星齿轮结构的限制，MG2驱动电机的转速被MG1的极限转速所限制了，所以这套系统纯电模式下速度不能很高（大约在70km/h）。

为了更好的适应行业发展，丰田在2015年推出了第四代的THS，在结构上，这次升级最显著的变化就是将THS-III增加的那个行星排改成了平行轴齿轮，同时将MG2驱动电机放在了侧位。

这样显而易见的好处就是这套系统轴向尺寸减少47mm，这在寸土寸金的横置平台里无疑是一个技术创新。不仅可以适配更大排量的发动机，同时也可以将MG2驱动电机功率做得更高。

另外，丰田在2016年还推出了基于第四代THS的插电混动系统，它的主要变动就是在发动机与MG1电机之间增加了一个单向离合器。

单向离合器的作用就是MG1电机在参与驱动作用的时候（更多的时候用来启动和发电），并不会带动发动机一起转动，同时与MG2驱动电机形成了双电机驱动。

这个单向离合器的结构图如下，结构决定了它只能往一个方向转动。

从年份梳理，丰田E-CVT经过了多个版本的迭代，具体如下图所示：

（第一代THS）

（第二代THS）

（第三代THS）

（第四代THS）

此外，还有应用于纵置平台的混动系统（版本代号暂未找到），如雷克萨斯LS，雷克萨斯GS，相比普通版本的THS混动系统，它在此基础上串联了一个4AT，模拟出10个挡位，这种组合的结果，一方面是有利于提升极速，例如LS500h的纯电最高速度能达到140km/h，另一方面是加速性更强。

而应用于埃尔法和雷克萨斯LM的四驱系统则是在后桥单独加入了一个电机，组成了E-Four电动四驱，结构上与丰田THS没有太大的区别。

目前已经引入过国内的丰田THS车型包括：凯美瑞、汉兰达、赛那、威兰达、雷凌、威飒、C-HR、卡罗拉、RAV4荣放、亚洲龙、皇冠陆放、凌放HARRIER、奕泽IZOA、埃尔法、威尔法；雷克萨斯品牌有雷克萨斯ES、雷克萨斯RX、雷克萨斯NX、雷克萨斯LS、雷克萨斯UX、雷克萨斯LM、雷克萨斯CT、雷克萨斯LC、雷克萨斯GS(2016、2014、2012款)。

（丰田车系）

(雷克萨斯系)

三、E-CVT详解（官方称之为THS-II的版本）

3.1、结构组成

E-CVT的核心是这套行星齿轮组，它由太阳轮、行星架（包含行星齿轮）、外齿圈组成，它们依次与MG1电机、发动机输出轴、主减速器连接，如下图所示：

我们可以发现，只要确定了一个机构的状态，那么其他两个机构的转动也能被确定，比如外齿圈不动，太阳轮转动，势必就会带动行星架转动，这就是车辆的启动过程。

而且值得注意的是，由于外齿轮和太阳齿轮和行星齿轮的直径和齿数都已固定，这也就表示发动机的扭矩永远会按照比例分配给太阳轮和外齿圈，具体数值大约72%分配给外齿轮，28%分配给太阳齿轮，一旦发动机运转，就不会改变这个基本事实。

另外，由于行星齿轮组的结构限制，外齿圈和太阳轮之间的齿比为2.6，也就是外齿圈转一圈，太阳轮就得转2.6圈，导致的结果就是，M2电机的转速被M1电机6500转的极限转速所限制住了，算下来只有2500转，对应车辆的时速是43英里，也就是70公里每小时左右。

3.2、工作模式

丰田的这套THS-II系统，本质上可以实现多种工作模式，一个是纯电，一个是混动（下图中B和C都可以看做是混动），还有一个是动能回收模式，我们由易到难依次讲解。

首先是纯电模式，在纯电低负荷状态下，蓄电池驱动MG2电机，动力由MG2传递给前桥差速器，最终驱动车轮，但由于行星齿轮的外齿圈和M2电机是硬连接，也会跟随转动。此时与行星架相连的发动机是有内部阻力的，动力就会通过行星齿轮传递给内部阻力更小的太阳轮也就是M1发电机，使其反向转动，此时发电机是不发电空转的状态。

而在纯电大负荷状态下，此时发动机输出轴的单向离合器介入，行星架保持不动，MG1发电机开始充当电动机，动力经过太阳轮传递到外齿圈，再经过平行轴此轮传递给前桥差速器，最后与MG2一起驱动车辆前进。

动能回收模式则更好理解，当车辆在减速的时候，车轮会反过来带动MG2和MG1，使其充当一个发电机的作用。

混动模式：

相较于前两种工作模式，混动模式才能体现出E-CVT整套系统的精髓。当电机功率已经无法满足需求，又或者电池电量不够的时候，此时发动机就需要启动介入了。

但这套系统发动机是没有传统的启动机构的，所以这时候MG1电机就需要由反转变为正转，以此带动行星架转动，并且这个转速会达到发动机运行的高效区间，这时候发动机就会喷油启动。

而我们前文提到过，发动机一旦转动，那么发动机的扭矩就会传递给外齿圈和太阳轮，此时外齿圈会将动力传递给与之耦合的前桥差速器，与MG2驱动电机一同驱动车轮行驶；而太阳轮则会带动MG1电机发电，这部分电能则会提供给MG2驱动电机。

而当我们深踩油门，或者在全负荷状态的时候，则一共有三条动力流，除了以上的发动机一部分扭矩驱动车轮，一部分扭矩驱动MG1发电机给MG2供电外，车辆本身的蓄电池还会给MG2电机供电，使车辆输出最大功率。

还有一种模式就是原地发电，发动机全部功率带动MG1发电机为电池充电，可能这里就有读者发现了，前文不是说过吗，只要发动机一起动，那么扭矩一定是按照比例分配给外齿圈和太阳轮的？

（原地充电）

这里其实不冲突，因为在原地发电模式下，电池会给MG2电机供电，提供一个反向的扭矩，锁死外齿圈。

3.3、控制策略

行星齿轮组的结构其实并不复杂，难的是整套系统的控制单元。在发动机启动，系统进入混动之后，如何进行动力分配呢？

首先我们知道，MG1电机是可以被调速的，而根据行星排之间的关系，是可以计算出发动机扭矩分配到外齿圈的扭矩。当驾驶员踩下油门踏板时，系统会根据油门开度和电池SOC值来判断发动机所需的功率，在车速较低时，发动机的大部分的动力会分配给NG1发电，部分动力用于驱动车轮，剩下的动力则由M2电机补充。

当车速较高时，发动机会将大部分的动力用于驱动车轮，只有少部分用于发电，MG2电机辅助驱动。

如果车辆正好处于发动机最高热效率区间，那么MG1电机会被卡住，MG2电机空转，此时动力完全由发动机提供。

通过以上我们也可以得出另外一个结论：发动机负责主要功率输出，用于维持SOC平衡以及响应总的功率请求；发电机就是用于调速，它的目的永远是把发动机的转速控制在目标工作点；电机主要负责扭矩上的补充，保证驾驶员的扭矩请求得到保证。

四、E-CVT的优点、缺点

E-CVT变速器有两大优点，首先是行驶的平顺性，行星齿轮组代替了变速器，不会有换挡的顿挫感，同时这套系统结构简单，理论上质量更加可靠。

其次这套系统通过行星齿轮组的动力分流，电动机的调速，使得发动机一直能维持在一个高效的运转区间，将燃油经济性做到更高，要知道2009年第三代普锐斯上市的时候实测油耗是4.3L/100km。10年前就达到这个油耗水准，可以说领先了整个时代。

虽然优点十分明显，但这套E-CVT也有一些先天缺陷，主要原因就是因为齿轮结构带来的限制，比如行星齿轮组的齿比限制了发动机的转速区间，同时还需要带动发电机发电，无法释放全部动力。而且齿轮组传递路径越多，能量损失就越大；在发动机高效运转区间内，不能全部将动力传递给车轮，要经过充电或电驱二次转化。

五、目前E-CVT的口碑如何？

总的来讲，E-CVT由于变速箱的特殊类型，工作的时候并不会产生摩擦，没有摩擦就不会出现磨损，耐用性更好，故障率很低。

而从市场口碑上也能看出这套系统的可靠性，有关E-CVT变速器故障的投诉几乎没有，这也侧面反映出其质量的领先。

六、E-CVT技术对比

由于专利的限制，所以以行星齿轮组为核心的E-CVT其实不多，除了丰田的之外，最出名的就是通用的Volt 双模混合动力系统（其实通用在这方面的专利比丰田更早），它同样以行星齿轮组为核心。

在结构上，通用Volt的MG2与太阳轮连接，输出轴与行星架连接，并将动力输出到车轮上，而齿圈则根据实际运行情况与壳体或电机MG1连接。 通过离合器C1、C2和制动器B1的结合与分离，GM Volt能够实现多种运行模式，如下表。

对比丰田的E-CVT，虽然通用的Volt结构相似，但动力分流方向则完全不一致，这也是丰田在通用一堆的专利封锁下，可以说绞尽脑汁的产物。

另外值得一提的是，虽然在结构上通用的Volt与丰田的YHS更相近，但消费者比较得更多的却是本田的i-MMD混动与丰田的THS混动，所以我们也对它们进行了对比分析。

首先在结构上，本田的这套i-MMD系统由发动机、发电机、驱动电机、动力分离装置（E-CVT）、PCU、锂电池组成。

其中的一个关键不同就在于E-CVT，相较于丰田复杂的行星齿轮，本田的i-MMD通过极少的齿轮组和离合器就完成了动力的分流，而我们得知道，动力多一层传递路径就多一层损失。

相较于丰田的THS，本田的i-MMD另一大特点就是结构灵活性高，可以实现纯电，串联、并联、高速直驱（丰田THS不能实现直驱）等多种模式，效率非常高。

此外，本田i-MMD混动的动力性是要高于丰田的THS的，以第三代本田i-MMD为例，它的电动机总功率达到了135KW，而丰田THS-IV的只有53KW。

至于本田i-MMD为什么要用一个如此大功率的电机，主要原因在于本田i-MMD混动系统不能像丰田THS那样随意切换速比，因此这套系统大部分工况下都处于串联模式，由电机驱动车辆行驶，为了保证车辆的动力性，只能选用功率更大的电机。

它的缺点也有，电池采用锂电池，电机功率更大，相对应的成本都会更高，同时由于它受制于内部减速齿轮组的速比限制，i-MMD系统里的那台阿特金森发动机直接参与驱动车轮的工况空间非常窄，此外，丰田的THS已经经过了市场的大规模验证，可靠性得到了证明。

七、丰田开放E-CVT专利

文章开头说到，世界上只有两种混动，一种是丰田，一种是其他，而之所以产生这个说法的原因是因为一方面丰田THS混动性能优秀可靠，另一方面就在于它申请了全面的专利保护，后来者再想入局难上加难。

但由于专利保护期具有时效性，因此在2017年的时候，丰田就对外宣布开放首批混动专利，且可以对外提供技术，并希望就此与其它车企展开合作，但应者寥寥。

到了2018年，丰田把专利开放的事情表达得更清晰了，宣称将无偿提供使用权，包括电机、电控、系统控制等约23740项电动化技术专利。

到了2019年，丰田专利开放的事情终于迎来了收获，先是以丰田以“1美元”的价格，把THS技术“卖给”了丰田在华核心零部件供应商科力远（科力远的大股东是吉利，所以可以变相的理解为将技术卖给了吉利）。后来又与广汽、一汽等达成了THS混动技术转让协议。

目前自主品牌中首款搭载丰田混动的广汽传祺GS8双擎系列已经上市，动力上采用广汽自主研发的2.0T发动机+丰田THS混动系统，官方宣传百公里油耗5.3L/百公里。另外吉利的智擎Hi·X油电混动系统也与其有千丝万缕的联系。

总结：

总的来看，E-CVT变速器作为丰田THS混动系统的核心，通过行星齿轮组，完美实现了动力分流的作用，利用电机调速，使得发动机始终处于高效工作区间，这的确是有革命意义的创新，这也使得丰田的混动技术几乎是独霸全球，累计销量已经接近2000万辆。目前THS混动已经发展到了第四代，结构已经趋近于完美，而且在纯电动汽车成为大势的背景下，丰田会不会继续升级THS或者是改进E-CVT，可能都需要打上一个问号。