2 客观篇
我在写本文第一稿的时候，曾长篇大论的详细解释混动车的原理。后来想想这些都是网上公开的资料，完全不需要再重复解释一遍。于是本部分引用参考文献为主，只是简单的从原理上解释常见的问题。由于网上关于Auris的技术文献很少，而且Auris Hybrid的动力系统与第三代Prius一样[1]，所以相当多的参考资料均是针对Prius的。
除了Prius Plug-in以外，其它（Toyota/Lexus）混动车本质上就是一辆汽油车。“混合”二字指的是能量传递路径是混合的，并不是指能源是混合的，它只有一种能源：汽油!
两个关键词：Atkinson循环、eCVT
2.1 Atkinson循环发动机
和普通汽油车用的Otto循环发动机不一样，Auris用的是1.8L Atkinson循环发动机，最大输出功率为73kW，这两者的原理见[2],[3],[4],[5],[6]。简单的说，小日本依靠VVT技术改变阀门的开关时机，使气缸的压缩比小于膨胀比，效果是Atkinson循环的效率接近于柴油Diesel循环，高于Otto循环。
估计很多人对混动最大的误解是：混动车只是靠刹车时回馈制动省油，匀速运行时比如高速上并不省油。实际上混动车使用了高效率的Atkinson循环发动机，所以无论是在市区频繁起停还是在高速上匀速行驶，混动车始终是省油的。
当然Atkinson循环也有缺点，它的功率密度低于普通Otto循环发动机，更不要说带涡轮增压的了。Auris用的1.8L Atkinson循环发动机的功率只有73kW，作为对比，Auris汽油版1.3L发动机有74kW，而大众1.2L TSI发动机就达到了77kW的功率。另一个缺点是Atkinson循环在低转速下扭矩极差，效率低，输出功率也很有限。可是，混动车还有电机，电机在低速时扭矩高、效率高，正好弥补Atkinson循环这一缺点。
需要指出的是，部分Lexus混动型号为了追求动力，使用的仍然是Otto循环发动机，当然那些型号的市场定位也不是节能省油。
2.2 eCVT传动系统
Toyota混动的传动系统有好几个名称: Hybrid Synergy Drive (HSD) ，Power Split Device (PSD) ， eCVT。最后丰田为了简化，只在自己产品宣传上说这是CVT。所以强调一点，这货不是CVT！其工作原理上跟CVT有本质区别，具体可以参阅[7],[8],[9],[10]。在[12],[14]中有网友用中文详细解释了eCVT的原理，Youtube上有个台湾佬用中文解释的视频[13]。
eCVT由一组行星齿轮来连接汽油机（ICE）和两个电机（MG1和MG2），三者机械上的传动比是固定的，实际的有效变速比依靠两个电机来调节能量的传递路径来实现。汽油机的输出能量，一部分通过机械耦合直接传递到轮子上，一部分被其中一个电机（作为发电机）吸收发电，然后被另一个电机（作为电动机）再次转换成机械能传递到轮子上。电池作为能量的缓冲部件，用来平衡汽油机的输出功率和车子当前所需功率的差值。
eCVT有以下几个重要特点：
- 所有部件都是直接机械硬链接，没有任何摩擦部件，这是其它传动系统做不到的，这个特点使得eCVT的可靠性极高，保养维护成本低。这可以回答有些人对混动的另一个误解，eCVT不是CVT，所以也不存在传统CVT的那些问题。
- 不像普通的车子，汽油机的转速和车子的速度通过有限的几个传动比被绑定起来。混动车的汽油机的转速和车子速度几乎是完全解耦，实际有效传动比可以从零（车子静止发动机充电）到无穷大（纯电动行驶）。汽油机永远运行在当前所需的（汽油机）输出功率所对应的最佳效率转速下。
- 由上面那一点可以理解为啥混动车压根就没有发动机转速表，因为你根本无法直接控制发动机，电脑一直在连续调整发动机的转速来获得最佳效率。在[15]这个视频中有网友把Prius定速巡航在104km/h(65mph)下，用特殊仪器测量发动机转速，其一直在1200-3000 RPM之间连续变化。电脑根据当前路况维持速度所需的功率，来决定发动机该是多少转效率最高。
- 传统的液压推动刹车片摩擦制动只在紧急情况下和低速（5km/h）使用，平时只用电机制动。回收动能充电只是优点之一，另一个好处是刹车片的寿命极长。
- 这个车子叫做drive-by-wire，油门和刹车只是个传感器。踩油门和刹车只是发送控制信号给动力控制电脑，电脑根据当前车况路况用一套复杂的算法来决定如何控制汽油机和两个电机。PS：刹车踏板的最后一段行程是和液压刹车硬链接的，为了应对紧急情况。
- eCVT的传动效率取决于通过机械回路和电气回路传递能量的比例。机械回路的传动效率高达98%，通过电气回路则需要发电机、整流器、电池充电、电池放电、逆变器、电动机这几步损耗，取决于运行工况效率在70%-95%之间变化[16]。在比较依赖电气回路传动（低速行驶和急加速）的时候，eCVT的传动效率可能低于普通变速箱。但这里面的决定性因素依然是：汽油机运行在最佳转速和输出功率下，凭这一点其综合能源效率比普通车要高。
Auris的MG1功率为48kW，MG2功率为60kW ，汽油机刚才说了是73kW [11]。但综合输出功率并不是这几个加起来，根据能量守恒，电池的最大输出功率只有27kW，汽油机最大73kW，瞬间最大功率加起来就是100kW。这也是丰田官方给出的数字。
2.3 牵引电池
混动电池丰田的官方说法是牵引电池(traction battery)，Auris的牵引电池是一块168芯镍氢电池，总容量为1.31kWh (201.6V*6.5Ah) [17]。做个类比，一节5号镍氢充电电池的容量约3Wh（2500mAh*1.2V），也就是Auris的电池容量相当于436.8节5号电池。生产这个容量的电池对环境的影响程度的问题，欢迎jackyzyc来补充这一点。
丰田用了一个独立的电脑来专门管理电池的电量，电量水平被软件限制在40-80%之间[18]，在通常情况下电量水平只会在50%-65%之间变化。这种浅冲浅放使用原则，使得电池的设计寿命和汽车本身的寿命一样长，不出意外的话混动车报废前是无需换电池的。行车电脑里显示的电池电量满格（8格）表示实际电池电量80%，1格代表40%电量[19]。
只有40%的电池电量是可用来缓冲的，这就是524Wh=1.88MJ。这是什么概念？满载的Auris总重1840kg，行驶在120km/h时的动能为0.5*(120/3.6)^2*1840=1.02MJ。也就是说这40%的电能够让车子从静止加速到120km/h。当然这只是个比喻，实际上加速时的主要能源来自于汽油机。
Auris的电池（包括控制电脑、包装等）总重53.3kg [20]，其实并没有占整车重量很大的比例。整车空车重量1285kg，作为对比，汽油版auris重1180kg。混动车比普通的重了100kg，这算多还是算少，估计大家各有各的看法。在荷兰交路税计算的重量，混动车可以减去125kg，所以混动车和普通车交的路税是一样的。
2.4 其它
还有几点值得一提的：
- Auris这个车没有accessory belt/V-riem/蛇形皮带，水泵和空调压缩机直接靠单独的电机独立运行 [21]。比如汽油机不转的时候，也可以用空调制冷。所以这些东西的运行不依赖于汽油机，汽油机的运行状态的控制也不收这些设备的限制。
- 这个车的暖气还需要依靠汽油机的废热来提供，所以在冷天时climate control是一个制约发动机控制的因素。如果车内冷，climate control设置的温度较高。就算这时启动汽油机不是最佳时机，为了供暖汽油机仍然会启动。
- 不过Auris有专门的废热循环控制系统（exhaust heat recirculation system），用于取暖和维持冷却液温度[11],[22]。这样可以减小汽油机的控制制约。
- 混动电机的功率远远大于传统的启动电机，所以汽油机每次启动直到转速被带入1000RPM左右时，才开始阀门工作、喷油、点火[6]，而不像普通车子汽油机只要被启动电机带动就立刻点火。这个特点使得混动车的汽油机起停多少次都毫无后果，不会伤发动机。
- 这个车在行驶过程中如果松开油门，发动机就立刻熄火停止，或者继续旋转但所有阀门保持打开状态（于是就是一个飞轮）。行车电脑让电机小功率制动来模拟传统车的发动机制动的效果。如果踩刹车电脑也会优先使用电气制动，深踩刹车才会启动液压制动。如果电池充满了（80%），电脑则会让发动机转起来使用发动机制动来损耗多余的动能。总之液压刹车总是最后才使用。
2.5 小结
总体来说，丰田混动车基本上是自上而下的以eCVT为核心的全新设计，它并不是简单的一个普通汽油车加个电机启动制动就完了。在[27]中网友还列举了很多混动车和传统车不一样的地方，有兴趣的可以看看。
|
登录
