上一节讲了混合动力汽车节油的根本在于通过电动机的辅助，使发动机工作在高效区间，让每一滴燃油的能量得到充分利用。那么这次就结合具体车型，来讲讲丰田系的混动系统究竟是怎么工作的。为此，特地借了一辆雷克萨斯，实际体验其节油效果。

主角就是它了，雷克萨斯RX450h

雷克萨斯家的混动系统叫做LHD（Lexus Hybrid Drive），上图是RX450h采用的E-CVT结构，比起初代的THS，结构上做了一定的修改，在原来齿圈的基础上又串了一个行星排，电动机MG2与第二个行星排的太阳轮连接，改良了混动系统的效率和高速表现。不过我们的解析要从简单的开始，从核心开始，行星齿轮组究竟如何实现既管转速又管扭矩的。

第五节：两台电动机一个行星排，是怎么让发动机听话的

还是要祭出这张图，丰田THS的关键在于其PSD（Power Split Device，动力分配单元）技术，为一组行星齿轮，如图所示，一号电机（MG1，主要起发电、启动发动机和调速作用）连接行星齿轮组最中间绿色的太阳轮，二号电机（MG2，主要用作驱动电机和动能回收时的发电机）连接最外边红色的齿圈、而发动机则连接中间蓝色的行星架，注意是行星架（图中标识为行星齿轮座），而不是行星轮。

和传统的圆柱齿轮啮合时，主从齿轮转速关系直接与齿数相关不同（比如主动齿轮转速为10rpm，齿数为15，从动齿轮齿数30，那么从动齿轮的转速就是10/(30/15）=5rpm），行星齿轮组由于是三组齿轮互相啮合，其转速关系较为复杂。可以用以下公式表示：

整个公式的含义为，行星齿轮组的变速比等于齿圈齿数与太阳轮齿数之比，也等于太阳轮、齿轮架转速差与齿轮架、齿圈转速差之比。

这个公式看不懂？换个形式，左右挪一挪，变成了这样：

对于普锐斯而言（RX450h的结构稍微复杂一些，但原理相同），齿圈齿数为78，太阳轮齿数为30；还有发动机电动机与各齿轮之间的连接关系，把这些信息带入，就得到了下边赏心悦目的式子：

其中下表e、m、g分别代表发动机（engine），电动机MG2（motor）和发电机MG1（generator）。

整个式子的含义为，发动机转速等于0.7222倍的MG2转速加上0.2778倍的MG1转速。在三个转速变量中，需要知道两个，就能求得第三个。比如知道发动机转速为2000rpm，MG2为2250rpm，那么此时发电机转速就需要1350rpm。

这样的关系还可以用作图法来简单确定，看上图，三根竖线分别代表太阳轮（MG1）、行星架（发动机）和齿圈（MG2），MG1竖线与发动机竖线之间的距离为78，而发动机与MG2的距离为30，是不是很熟悉，就是该行星齿轮组齿圈和太阳轮的齿数。

中间的横线代表转速为零的状态，越向上/向下代表转速越大，而在横线上方代表正转，横线下方代表反转（正转反转是一个相对的概念）。在这张图上，太阳轮、行星架、齿圈的转速，三点必须要在同一直线上，这是行星齿轮结构决定的。

红色的直线代表三个齿轮的运动状态，与三根竖线分别交于A、B、C三点，很容易看出，B点代表发动机转速为0，如果此时C点转速为300rpm的话，那么根据相似三角形原理，A点的转速就为780rpm。也就是说，这张图代表着MG2转速300rpm，发动机不转时（即低速纯电动行驶时），MG1必须以780rpm的转速空转。

RX450h纯电行驶时的能量流图，发动机此时是不转动的

由于THS结构上电动机MG2与主减速器直接相连，也就是说，MG2的转速正比于车速，假如车速40km/h时电动机转速1500rpm，那么车速80km/h时电动机转速就为3000rpm。随着行驶的车速上升，MG2的转速也就是C点就会不断上升，要保证纯电动行驶，发动机转速始终为零，那么A点也要相应下移。比如MG2转速600rpm时，MG1就要1560rpm，MG2转速1500rpm时，MG1就要3900rpm。

所以说，大部分丰田混动车型纯电行驶限速在60km/h左右是有道理的，虽然电动机完全没问题，但是纯电行驶会让发电机被倒拖至更高的转速，产生不必要的损耗。于是，纯电行驶达到一定车速之后，发电机就会充当起动机，让发动机运转起来。

知道了行星齿轮具有这样的转速关系，那么我们就能够理解为什么THS能够通过其进行发动机的调速了。发动机转速为2000rpm时效率最高（假定），那么车速40km/h时电动机MG2转速1500rpm这是已知的，那么发电机MG1就需要（2000-1500*0.7222）/0.2778=3300rpm，才能够让发动机转速为2000rpm。用作图法就可以表示为：

那么车速80km/h时电动机转速就为3000rpm，此时发电机需要（2000-3000*0.7222）/0.2778=-600rpm，反转，同时转速为600rpm。用作图法表示：

于是，THS通过行星齿轮，通过MG1的转速调节，实现了在合理速度范围内（转速调节有范围，不仅仅电动机有转速上限，而且调节本身也会消耗一定能量，不能够在任何时候都强行调速），车速不管怎么变，发动机都能够始终保证稳定在最高效率的转速工作。

在电池电量很低时，发动机可以在停车状态下给电池充电，其转速关系如下图：

但是，仅仅只是调节发动机转速的话，和普通的CVT变速箱没什么区别，而THS之所以可以省油，就是因为它不仅可以调节转速，还能够调节转矩。前一期讲堂就提到了，让发动机工作在最佳效率点并不仅仅需要转速。转矩，或者说输出功率的大小也会影响到发动机的效率。THS除了能够像CVT那样无级调节发动机的转速，还能够调整发动机的扭矩（功率）输出，让其始终保持稳定，这是CVT做不到的。

怎么调节转矩呢？

还是来举个例子，假如一辆车以60公里的车速上坡，需要动力系统提供50kW的功率。而发动机转速2000rpm，输出功率45kW时，效率最高。此时电动机转速2250rpm（车速决定的，已知量），根据前边提到的这个公式：

发电机转速就必须为（2000-2250*0.7222）/0.2778=1350rpm，此时发动机的功率（扭矩）加载在齿圈上一部分传递给太阳轮（发电机），数值为0.2778*45=12.5kW，另一部分传递给齿圈，数值为0.7222*45=32.5kW。

发动机的输出只有32.5kW直接输出至齿圈（既是车轮），另外的12.5kW经过发电机发电，电能传输至电动机，再输出，假如发电机、传输过程没有损耗，那么这12.5kW也能通过电动机输出到齿圈。那么此时齿圈上就是32.5+12.5=45kW，那么还缺的5kW从哪里来？从电池里来。功率流关系如下图所示：

发动机输出45kW，电池输出5kW，让车辆满足了以60km/h车速爬坡的50kW动力需求。那么如果平地60km/h行驶，需要功率只有45kW时呢，那么电池就不输出了，能量全部由发动机提供。如果下坡时，车辆只需要40kW的时候呢，那就有5kW向电池充电。

这就是发动机功率有多余，向电池充电的情况

而这则是发动机功率不足，电池还需要提供一定能量的情况，当然，控制电池充放电的逻辑并没有这么简单，电池电量、当前车辆所处的模式、车辆的行驶状态等等都要综合考虑。

但是，注意到没有，前边所说的前提是发电机发电、传输过程没有损失的话，发动机的45kW就能够全部输出给车轮。但是，这样转一圈，实际上一定有损失，可能发动机输出45kW，实际上只有40kW能够输出给车轮，5kW损耗了。是不是可以理解为什么本田的锐·混动在某些情况下会比THS更加省油了？

就是因为THS的结构导致了其发动机、电动机、发电机之间功率耦合，发动机的输出必须要转个圈才能够到车轮上，遇上那种正好位于发动机高效区间的中高速行驶工况，THS反而没有能够让发动机直接驱动车轮的锐·混动省油。

这就是成也THS、败也THS，THS的结构使它能够调节转速，扭矩，但也正是这个结构，让它不能够做到极致。不过需要注意的是，我上边解析的只是第一代THS的结构，第二代增加了减速器，第三代又增加了离合器和锁止装置，其缺点也在不断改善之中。所以说，综合来看，至少在我个人眼中，THS称得上是这个市场中最为优秀的混动系统。