燃擎技术课：丰田THS混动技术的前世今生

  之前我们介绍过世界第一款量产混动汽车-丰田普锐斯的诞生，其中提到过THS（丰田混动系统），在首次搭载于普锐斯之后，THS系统也在不断发展，后成为丰田新能源的中坚力量。今天，我们将深入研究这套系统的原理。

  串联式混动系统中，发动机只驱动发电机，通过产生的电力驱动车轮。电动机的功率与发动机的功率相关。这种方式便是我们常说的增程式。

  并联式混动系统中，发动机和电动机都驱动车轮。这种方式只有一个电机，既可以当做发电机又可以当做驱动电机，结构简单。但是，这种方式无法在为电池充电的同时驱动车轮。

  串/并联式混动系统，将串联混动系统和并联混动系统相结合。这种混动形式中的电机可以驱动也可以发电，并且驱动形式也综合了串联以及并联的特性，可以单独由电机进行驱动，电机和发动机并联驱动或者直接由发动机进行直驱，这正是丰田THS采用的混动形式。

  THS系统主要由以下部件构成：阿特金森循环高效发动机、行星齿轮、驱动电机（MG1）、发电机（MG2）、镍氢电池、电池控制单元和AC-DC逆变器等构成。

  发动机采用阿特金森循环，其特点是压缩冲程大于膨胀冲程。阿特金森循环发动机在低转速时效率较低，扭矩较小，但在高转速区间具有高效的热效率和较高的输出功率。

  作为混动系统的一部分，阿特金森循环发动机在低速时可以通过电机弥补扭矩不足，在高速时则弥补电机扭矩的缺失，同时保证燃油经济性。

  行星齿轮的结构决定了其特性，通过不同的组合方式，如行星架与齿圈组合驱动太阳轮，或太阳轮与行星架结合驱动齿圈，可以实现不同的传动比和转向效果。

  因此，丰田THS混动系统可以实现电机和发动机动力的灵活分配，既可串联也可并联。正如第二张图，展示了具体的布置方式。

  行星齿轮机构内，行星架的旋转轴直接与发动机相连，并通过小齿轮将动力传递至外齿圈和内太阳轮。外齿圈的旋转轴直接连接到MG2电机，将动力传递到车轮；内太阳轮的旋转轴则直接连接到MG1发电机。

  MG1电机主要负责发电供给电池以及MG2电机，同时通过调节MG1电机的转速和内阻，实现类似CVT的无级变速功能。

  另外，丰田还将MG1电机作为发动机的启动电机。由于MG1电机具有较大的扭矩，可以在发动机转速较低的情况下安静地启动发动机，因此搭载THS丰田车上很少会明显感觉到发动机启动。

  MG2电机与发动机协同工作驱动车轮，MG2电机提供的额外扭矩可以弥补阿特金森循环导致的低速时扭矩不足的问题。在启用动能回收模式时，MG2电机可以将驱动模式切换为发电模式，将车辆动能转化为电能并储存到电池中。

  丰田THS混动系统利用行星齿轮机构，实现了发动机、发电机和电动机之间动力的灵活分配。

  （2）车辆启动后的加速阶段，MG1电机介入，启动发动机并参与驱动。发动机启动后，为加速提供动力，并带动MG1电机发电，将部分电能存储到电池中，其余电能则提供给MG2电机辅助驱动。

  （4）匀速行驶阶段进行加速时，发动机转速升高，MG1电机开始发电，电池储存的电能和MG1电机产生的电能同时供给MG2电机，辅助发动机完成加速。

  当然，发动机和电机的功率会根据行驶工况不断变化。为了实现最佳的能耗管理，THS混动系统配备了一套控制系统。

  这套控制系统可以精确管理整车的能源使用，包括空调、车灯、加热器等辅助设备的能源消耗。当然，主要的功率控制对象是发动机和电动机。

  发动机功率控制是这套控制系统的核心，直接影响车辆的能耗水平。这套系统会根据车辆的运行状态、加速踏板的深度、电池的电量储备等参数，决定是否启动或关闭发动机。

  这套系统会根据车辆的运行状态，计算车身所需的能量，并确定发动机的最佳运行转速，从而实现最佳能耗管理。

  电动机控制与发动机控制类似，主要是调整电机的功率。车辆速度越慢，驱动电机的功率就越大。通过改变行星齿轮的啮合方式，可以调节发电机的转速，从而提高发电功率。

  这套系统还会通过发电机精确控制发动机的曲柄停止位置，消除发动机启动过程的顿挫。通过对电机的精确控制，确保车辆即使在重负载工况下也能平稳行驶，为驾驶者带来舒适的驾驶体验。

  可以说，自问世之初，THS混动系统便为未来十多年的油电混合动力技术奠定了基础框架。

  如今，该系统已演进至第五代，虽然历经多次迭代，但其核心框架依然稳固，仅在原有基础上进行了更为精细的优化与提升。

  而现如今的国产品牌也相继推出了自家的混动系统，丰田THS能否继续在混动舞台上站稳脚跟，值得期待。