丰田THS与本田i-MMD混合动力系统的结构原理（图解）

09-09

丰田混合动力总成

在 20 年前，其他车企在专注传统汽车技术的时候，丰田汽车已经开始混动技术的研究并不断完善中。1997 年丰田汽车在日本市场推出第一代普瑞斯，同时第一代 THS 系统面世，第一代 THS 动力框架图如图 3-2-1 所示。第一代普瑞斯的推出也揭开了近代油电混动发展的序幕。

第一代普瑞斯所搭载的 THS-Ⅰ结构非常简单，第一代 THS 结构图如图 3-2-2 所示，通过行星排机构将发动机和电机的动力进行了耦合，使得三个部件相互配合高效工作，提高燃油经济性。MG1，交流永磁同步电机，在启动 ICE 时用作电动机，在为高压蓄电池充电时用作发电机（交流发电机）；MG2，交流永磁同步电机，用作主驱动电机和发电机（交流发电机），制动能量回收时用作发电机给蓄电池充电。

2003 年，丰田发布了第二代普瑞斯搭载 THS-Ⅱ，第二代 THS 系统进一步提高了效率，控制算法上进行了修改。2 代系统相对于 1 代 THS 在结构上只是小调节。相对于第一代，第二代改为高压电子空调，蓄电池母线从 201V 升为 500V。

前两代 THS 系统在燃油经济性上有很大的成就，但动力性，加速能力却稍显不足。2009 年，丰田发布了第三代普瑞斯并搭载 THS-Ⅲ弥补了这一缺憾，第三代系统相对于前两代 THS 进行了大的变革，做了很多优化改进，结构图如图 3-2-4 所示。

在混动变速器结构上采用双行星排结构，如图 3-2-5 所示，两行星排共用齿圈，相对于前两代增加了一组减速行星排，以降低 MG1 和 MG2 的转速差，纯电动模式的行驶速度可以更高；MG1 和 MG2 的体积缩小了，整个变速器的尺寸也得以缩小，如图 3-2-6 所示；原来的链条减速传动改成了齿轮减速传动，传动损耗降低。

除了结构上的变化外，THS-Ⅲ系统相对于 THS-Ⅱ系统，发动机改为 1.8L，发动机输出功率由 57kW 提升到了 73kW ；相对于前两代采用镍氢蓄电池，THS-Ⅲ系统采用锂离子蓄电池；MG1 采用集中绕组，工作电压由 500V 提升到 650V，MG2 最高转速由 6500 提升至 13000r/min，功率由 50kW 提升到了 60kW。

2016 年，丰田推出了第四代混合动力系统，框架图如图 3-2-7 所示。变速结构和牵引电机经过重新设计，减轻了总重量。牵引电机本身更加紧凑，并且具有更高的比功率。与之前相比，由于摩擦导致的机械损失减少了 20%。

电机减速装置将牵引电机直接连接到动力分配装置，结构图如图 3-2-8 所示，然后连接到车轮改为平行齿轮。原来的电机属于串联机构，现在则变成了平衡轴结构，这使得变速器更短，如图 3-2-9 所示，轴向尺寸要求得以降低。一系列的改进，让第四代普瑞斯的纯电行驶极速从70km/h 上升至 110km/h。

以大家最为熟悉的搭载了 THS 系统的丰田凯美瑞双擎为例，如图 3-2-10 所示，对其结构进行剖析。

凯美瑞的混动系统主要由一台 2.0L 阿特金森发动机（图 3-2-11）、E-CVT 变速器、双电机、PCU 组成，该系统名为 THS-Ⅱ，属于混联式混动系统。

（一）阿特金森发动机

阿特金森发动机的主要特点就是膨胀比大于压缩比，这样会使发动机的做功行程更长，对于燃油的利用率更高，如图 3-2-12 所示。

在发明阿特金森循环发动机的初期，这样的工作方式是通过复杂的连杆协作实现的，而发展到今天，过于复杂的结构显然已经不再适合工业的发展趋势，于是现在大部分车的做法是采用了延长气门关闭时间的方式使吸入的空气排出去一部分，从而实现膨胀比大于压缩比的效果。避免过高的压缩比所带来的爆燃等负面效果，同时提高膨胀比，延长发动机的做功行程，实现省油的最终目的。

（二）THS-Ⅱ系统

THS-Ⅱ系统最核心的部件就是由两台永磁同步电机及行星轮机构组成的动力分配系统。THS-Ⅱ系统中带有两台电动机—MG1 和 MG2。MG1 主要用于发电，以及作为起动电机使用。而 MG2 主要用于驱动汽车。MG1、MG2 以及发动机输出轴被连接到一套行星轮机构的太阳轮、齿圈和行星架上。动力分配就是通过功率控制单元控制 MG1 和 MG2 电机，通过行星轮机械机构进行分配的。在这种结构下，发动机输出经过固定减速机构减速后直接驱动车轮，THS-Ⅱ系统驱动模式如下。

1. 低速状态

在低速行驶时，电动机的工作效率更高，在低速行驶时，系统会使用纯电动驱动车辆。当然了，这是在蓄电池组电量充足的情况下才能实现的。该模式下，蓄电池组的电力带动 MG2 运转，从而驱动车轮，如图 3-2-13 所示。

2. 混动模式

在混动模式下，发动机起动介入，将一部分动力用作驱动车辆，而另一部分则传输给MG1，MG1 成为发电机带动 MG2 辅助驱动车辆行驶。而电量充足时，蓄电池组也会将剩余电量用作驱动 MG2 运转，如图 3-2-14 所示。

3. 能量回收

当车辆减速或者滑行时，车辆会带动 MG2，此时 MG2 便由驱动电机转换为发电机，将车辆减速产生的能量转化为电能，并储存在蓄电池中。此外，在发动机输出过剩时，发动机也会通过 MG1 使多余的电量存储到电池中，以备需要时使用，如图 3-2-15 所示。

本田混合动力总成

本田的 i-MMD 系统与丰田 THS-Ⅱ系统最大的区别之一，就在于 i-MMD 系统是可以使用发动机单独驱动车辆的。这是由于，本田 i-MMD 系统采用了并联式混动系统，如图 3-2-16 所示。在结构上，丰田要更加复杂，换句话说，本田的 i-MMD 系统在工作时是在不断切换动力来源，而丰田的 THS-Ⅱ则是在不断地调整各个动力来源的混合比例。

以雅阁混动版为例，该车搭载了由一台 2.0L 阿特金森循环发动机、发动机直联式离合器、双电机、PCU（Power Control Unit）功率控制单元构成的系统，该系统各个部件之间采用固定的齿比连接，不需要变速机构，而且发动机可以直接驱动车辆前进，进一步减少了能量损失。

在驱动模式上，本田也与大多数混动车型不同。i-MMD 系统摒弃了发动机和电机同时驱动车轮的模式，它的三种模式分别是纯电动、依靠发动机供电的纯电动以及发动机驱动。也就是说，i-MMD 的真正的驱动模式只有两种，电动和发动机驱动，只不过大多数时间发动机也运转，但运转只是给电机提供电力而已，并不提供动力。