五分钟了解丰田E-CVT变速器

何谓变速器？能实现汽车变速、变矩、变向、通断动力的装置就是变速器。世界上第一台汽车于1886年诞生，不久后便出现了第一台变速器。可以说变速器的发展和汽车是同步的。乍一看E-CVT，可能大家都会很自然的想到CVT，也就是无极变速器。从功能上来讲，E-CVT确实有无极变速的作用，但是从结构上来讲的话，它们之间的差异太大了。甚至可以这样说：变速器分两类，一类是E-CVT，一类是其他变速器。

● E-CVT简介

开篇我们就提到过E-CVT并不是简单的“电控无级变速器”，所以当然也不是网上流传的它是CVT的电子版。丰田官方给出的定义是“动力分配器”，因为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。故一直存在一种争论：E-CVT到底是不是变速器？

是不是变速器我们稍后再论，可以看到的是从普锐斯到雷克萨斯CT200h再到后来的凯美瑞混动版，都证明了丰田的THS（Toyota Hybrid System）日益成熟。而作为整套系统里面的关键部件，E-CVT毋庸置疑发挥着至关重要的作用。

● E-CVT结构

如果用传统变速器的眼光来看的话，E-CVT的结构真的实在是太简单了。很多时候其实越是完美的东西越简单，我想这一定是真理。作为混动汽车的代表作，普锐斯一直承载着丰田的核心混动技术，那么接下来的解析就以丰田普锐斯为例。

E-CVT的结构非常的简单，仅仅由外齿圈（这里的外齿圈同时连接2号电机和输出轴）和行星齿轮架（连接发动机）和太阳齿轮（连接1号电机）组成，即动力传递流为：2号电机—外齿圈—输出轴，同时由于行星齿轮组的存在，故亦有：发动机—行星组—外齿圈—输出轴。下面的实物图是某国外讲解视频截取下来的。

如果您仔细的观察，不禁会纳闷：这不就是差速器的结构嘛。是的，E-CVT就是由一套行星齿轮组减速机构（上图中的红色方框部分）。并没有CVT里面的链条或是钢带，更别谈AT里面的液力变矩器或是DCT里面的双离合了。于是，问题来了。。。咳咳。结构这么简单的E-CVT真能做到无极变速？答案是当然！

● E-CVT原理

概述：

其实单从机械运动原理的角度来讲，E-CVT并不是非常复杂。一个行星齿轮组的运动能有多复杂呢？复杂的是它的电子控制单元，即机电配合的逻辑原理上面。在介绍工作原理之前，先简单的列出一些下面即将使用到的名词注释：

PCU：动力控制单元（Power Control Unit）这是作为混动汽车必不可少的一个部件，里面包含了电压变换器和逆变器，可以调节电池组输出的电压。比如向电机供电必须使用高电压（600V左右），而电池组的电压由于尺寸的限制最多达到200V左右，故变压器必不可少。而逆变器的作用则是使直流变交流或者反之，因为高压交流电机具有体积小、效率高、功率大的优点，而电池组发出的是直流电，故在电机和电池组之间必然需要一个逆变器。

MG1：即一号电机（motor generator 1），与太阳齿轮相连。

MG2：即二号电机（motor generator 2），与外齿圈相连。

两个电机的属性图：

普锐斯的发动机为阿特金森发动机，其特点是中间转速性能好，高低速性能不足，能源利用率高：

为了方便理解，放一张简化的E-CVT结构图：

接下来是动力分配图

首先我们需要清楚一个概念：动力是扭矩和转速结合的产物（功率=扭矩×转速），

然后由于存在四个可以自由公转行星齿轮，可以想象下当齿圈固定不动（即车轮不动）时，只有行星齿轮的自转，太阳齿轮（MG1）才可以带动行星齿轮座（即发动机）转动（即启动发动机过程）；

有了行星齿轮的自转，当齿圈（MG2）正转时，太阳齿轮（MG1）也可以反转。反之，而当齿圈（MG2）反转时，恒星齿轮（MG1）又可以正转。

又比如，外齿圈和太阳齿轮同向转动时，行星齿轮可以不自转，只公转，从而带动汽油机转动。当行星齿轮座不转时，齿圈和太阳齿轮仍可以自由转动。正是因为行星齿轮组的这个巧妙的特性，发动机、车轮、电动机才能时时连接在一起运转而又能互不干扰，故此省去了离合的结构。

S=C×3.6－R×2.6

公式里的S＝SUN＝太阳轮，C＝CARRIER＝行星座，R＝RING＝外齿圈

另外，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，根据图上的公式也可以得出：行星座在中间转动的时候分配给外齿圈和太阳轮的扭矩比是一定的。具体数值大约是72%分配给外齿轮（实际上是2.6÷3.6），28%分配给太阳齿轮（1-72%）。只要发动机转动做工，就不会改变这个基本事实。

那我们都知道汽车从启动到刹车停止的一系列不同工况下，对扭矩的要求是有极大变化的，传统动力汽车就是因为这样需要变速器来调节发动机的输出动力。但是在E-CVT这种特定结构里面由于存在两个电机，在不同的工况下，根据上面的公式。只要控制这两个电机的不同转速就能使外齿圈上获得的发动机动力无极变化，从而汽车达到无极变速。

至于普锐斯的PCU如何根据车子的运行工况来实时控制发动机的供油量和两个电机的电压、相位和正反通断。这里面涉及到的控制逻辑和众多的传感器的数据收集和处理程序过于复杂，在此不做表述。理解E-CVT能够实现无极变速即可。

● 工况详解

下面从普锐斯的各个运行工况来逐一分析E-CVT的变速过程：

一、怠速运转（热车）

发出启动指令后，MG1瞬间启动（正转）并带动发动机启动，整个过程及其快速而平顺。

发动机启动后，怠速运转，汽油机带动行星座正向旋转。由于车轮（外齿圈）未转动，行星组盘（发动机）的正向旋转会通过行星齿轮而带动太阳齿轮（MG1）正向旋转。MG1不再接收电池组输电，反而变成发电机，发出交流电，经PCU里的逆变器和电压变换器变成低压直流电并给电池组充电。 总之，怠速时，发动机的功率全部用来为电池组充电。

二、起步

发出起步信号后，少量电力就会通到二号电机，MG2开始旋转。带动车轮（外齿圈）开始正向转动，车子缓慢前进。当你稍微用力踩下油门踏板时，二号电机会获得更多的电力，普锐斯就会加速前进。由于二号电机功率很大（50KW），低速扭矩也很大。在PCU的控制下，车子加速十分的柔和，即便只靠MG2即可把普锐斯加速到一个相当的速度！此起步过程充分发挥了MG2低速高扭的特性，以弥补发动机低速扭力不足的尴尬局面。

值得注意的是若这时发动机不工作（纯电动模式起步），随着MG2的转速增加，MG1的转速也会急速增加。因为MG1的转速有个上限，快达到上限的时候，发动机被迫启动来进行干预。这时便存在一个临界速度。这个速度虽然是固定的，但是可以肯定的是起步时踩油门的力度越大，汽油机介入的时间就越早（主动介入）。如果你一下子把油门踩到底，汽油机会立即点火。

大部分情况下，MG2就能顺利的推动普锐斯加速到一个不错的速度，但是有些情况下也会出现动力不足的现象。这是发动机介入后便会通过带动MG1发电供给MG2和直接带动外齿轮转动来推动车轮两种方式来输出动力，值得一提的是，这两种方式可以同时存在。至于其互相占比多少取决于多种因素。

三、小负荷加速

小负荷时加速时，主要靠MG2的推动车轮。MG2转速提升，四个行星齿轮反向自转的速度逐渐下降，当齿圈转速与行星座（发动机）相同时，行星齿轮的自转停止，只剩下公转，这时行星座（发动机）通过四个已经不再自转的行星齿轮，同时推动齿圈（车轮）和太阳轮（一号电机），三者速度达到一致。MG1继续向MG2供电并通过PCU向动力电池充电。此后，MG2速度继续提升，直到车辆达到目的速度。此时，太阳轮转速小于行星座转速。

四、大负荷加速

面对重负荷加速（如载重起动）等MG2的动力跟不上的情况。发动机转速提升，进入其经济运转区间，发动机的功率大大提升。因为发动机的扭矩提升进而带动MG1发电同时外齿圈获得的动力提升，同时时电池组也会向MG2供电，得益于此，MG2进入“火力全开”模式。

四、匀速行驶

匀速行驶的情况发生在加速完成后，此时普锐斯只需要克服各种阻力，对动力和扭矩的需求大大降低，油门放松后，汽油机转速下降，齿圈（车轮）的转速便高于行星架（汽油机）的转速。这时，四个行星齿轮开始正向自转。这种正向自转会驱动太阳轮（MG1）反转。

这里有一点需要特别，从前文我们就了解到。来自发动机的动力经过行星架传递到外齿圈和太阳轮的时候，外齿圈和太阳轮的转速会满足如下公式。

S=C×3.6－R×2.6

当外齿圈的转速高于行星架的转速时，即R》C时，明显S＜0，即反转。但是如果此时的太阳轮的反转是空转（没有受任何阻力），那么其会转的飞快而使来自发动机的动力全部被MG1吸收而无法驱动外齿圈（因为驱动太阳轮明显比驱动外齿圈要容易得多）。故在这里会需要MG1工作在电动机模式，这样一来行星架就无法带动太阳齿轮高速飞转而浪费发动机的动力了。

但是这样的话岂不是太浪费电能了？所以一般在高速巡航的时候，MG2变成发电机状态，以此来维持MG1的转动。

实际上，在普锐斯的整个行驶过程中，加速和匀速行驶状态是在不断切换的。ECU会根据驾驶踩油门和放松油门等各种操作动作和汽车的各项行驶工况来通过PCU调整电压和电流相位，瞬间改变电机的输出功率、旋转方向，切换两台电机的功能。

五、减速

减速的情况其实相对比较简单，发动机关闭，MG1空转。MG2由车轮带动变成发电机吸收车轮的减速能量。并为电池组充电。

六、倒车

得益于MG2的大扭矩，普锐斯在倒车时所需的扭矩MG2便可轻松提供。电池组给MG2供电，带动外齿圈反转，车辆完成倒车。

在整个普锐斯的行驶过程中我们可以看到，其实是两个电机和发动机互相配合，在严密的机电转换逻辑控制下完美进行线性输出的一个过程。而这种完美配合的基础就是E-CVT的特殊结构。因为功率=扭矩×转速，故这种扭矩按比例分配而转速又可以无极分配的行星齿轮组结构，使得发动机的动力可以随时随地无极分配给外齿圈（即车轮），完成普通步进式变速箱的所有功能！

下表为整个过程中E-CVT各齿轮的运行状态：

● E-CVT前景

变速箱的出现就是为了应对各种复杂的工况下的不同动力需求而诞生的，在自动变速箱出现之前，驾驶员需要自己判断路况和车况来及时进行加减档。这种方式的优点是驾驶操作感强，毕竟经验丰富的车手比ECU更加懂得车子需要什么样的动力。另外，结构简单易维护体积小等优点也使得手动挡的汽车无论在合适都会拥有大批的粉丝。

自动变速箱的出现其实很早，但是真正大规模的应用是在80年代，也是搭乘了电子技术的飞速发展的便车。因为自动变速不难，难在如何更加精准的自动变速。在机械时代显然技术难以达到，但是如今越来越聪明的ECU使得自动变速箱也变得越来越能领会你的驾驶意图。但是即便是如此，自动变速箱仍有缺陷：存在换挡间隙，即便是DCT也不能实现真正的“无极变速”。

至于本文的主角E-CVT可以说达到了变速箱领域机电技术的融合巅峰，首先它的逻辑控制系统十分的复杂。另外它能够有效的弥补传统无极变速箱的短板（传动功率小），它集合了大功率、反应快、无极变速、传动效率极高等优点于一身。但是它也有缺点：支持系统太复杂了，我们知道任何系统一旦过于复杂，出问题的概率便成倍提升。

● 总结

对于E-CVT来做个简单总结吧：

1、很平顺，极其平顺

2、传动效率很高

3、结构简单、体积小

回到篇首那个关于E-CVT是不是变速器的问题，这样说吧：如果不是需要其他动力源来配合使用，恐怕E-CVT技术早就一统变速箱领域了。也正是由于这个“致命”的缺陷，使得其简直是为混动车型量身定做的。写这篇解析也并不是完全为了科普，更多的是希望大家能够多多了解这种有点异类且不为世人所知的变速器结构和它的思路。因为我坚信：在化石能源日渐枯竭的未来，E-CVT终将大放异彩！