丰田现今的混动系统怎样？ 第1页

在百年汽车史中，丰田混动系统(THS, Toyota Hybrid System)已成为一种文化符号。要想更好了解丰田混动系统现状，有必要先了解一下它的历史。

关于混动系统，民间流传着一句话：世上只有两种混动，一种是丰田混动，另一种是其它。

这种说法的依据是否充分，抑或仅仅是丰田拥趸的谬赞呢？

最早的量产混动系统

近年来，新技术路线百花齐放，包括氢燃料电池、纯电动、增程电动、混合动力等等。

从吃瓜群众的角度来看，代表环保最先锋的当属氢燃料电池，虽然当前还很小众，但代表着未来的趋势。与之相比，混动技术显得就不是那么先锋。

对技术的评判，应考虑它所处的历史背景。事实上，混动技术在它诞生的那个时代，是电动化技术路线中不折不扣的“激进派“、”先锋派“。让我们简单回顾一下这段历史：

1990年的洛杉矶车展上，通用汽车展出一辆名为“冲击“(Impact)的纯电动概念车，无噪声、无排放、加速极快的特性震惊四座！数十年来致力于减排的加州空气资源委员会(CARB)大受冲击，异想天开地制定了“零排放政策”，并将执行日期定为1998年。

要知道，在2019年的今天推广电动汽车都很不容易，更何况20年前？ 然而，面对不切实际的“零排放政策”，巨头车企们也不敢违抗，必须拿出自己的技术方案。

在当时的电池能量密度与成本条件下，量产纯电动汽车极为困难，几乎不可能。在这种情况下，特别有意思的一幕发生了：通用、本田、丰田分别拿出了不同的技术方案，代表着它们对于节能减排的态度。

一、一肚子苦水的通用汽车

面对“零排放政策”，通用汽车非常不满，一方面推出了“冲击”电动汽车的量产车型EV1，卖一辆亏一辆；另一方面对“零排放政策”提起诉讼，指出这项政策脱离实际、异想天开。

终于，CARB认识到之前的决定有点过于冲动，于是将“零排放政策”的执行时间更改为2013年，整整推迟了15年。有意思的是，通用汽车立刻中止了电动汽车量产计划，并将试验车型全粉碎掉了，这一幕被记录在著名的纪录片《是谁杀死的电动汽车》中。

在“零排放政策”的时代，通用汽车表面上选择了最环保、最先锋的纯电动技术路线，心里却对新能源恨得牙庠庠，这真是身在曹营心在汉啊！

二、死守内燃机的本田汽车

在20世纪90年代，对发动机活塞环起家的本田汽车来说，电动化是不可能电动化的，除非别无它路，这辈子最好都不要电动化:)

这帮技术狂人，明知山有虎，偏向虎山行，选择了另外一条路线：将清洁内燃机技术做到极致！终于，本田发动机排放达到了极低的水平，以至于CARB的检测仪器由于精度不够，都测不出来污染物^[1]。

于是，本田另辟蹊径地满足了“零排放政策”。它所选择的内燃机精进的技术路线，从某种意义上来说也是对汽车电动化趋势的一种无声抗议。

三、推出油电混动技术的丰田汽车

既不同于死马当成活马医、硬着头皮搞纯电动的通用汽车，也不同于干脆避开汽车电动化的本田汽车，丰田汽车踩着那个时代的电池技术极限边界，基于精巧的行星齿轮结构，推出了可量产的功率分流式(power-split)油电混动系统 —— 这已经是时代限制下的电动化程度极限了^[2]。

搭载THS系统的普锐斯车型，截止2017年累计销售达400万辆，是迄今为止销量最高的新能源汽车。由于油电混动系统的节能减排效果显著，公众对丰田的绿色环保形象也相当认可。

著名影响莱昂那多曾表示：我只有一辆车，那就是丰田普锐斯^[3]。

就像现在不遗余力地开发氢燃料电池技术一样，丰田总是基于对技术边界的认知，朝着“可量产”的方向规划自己的汽车电动化技术路线。就像今天的丰田Mirai技惊四座，20年前的THS混动系统以实际行动表达了对“零排放未来”电动化路线的支持。

综上，从量产时间、历史销量、在汽车电动化进程中的意义三个角度来讲，丰田混动系统都扮演着不同寻常的意义！

出手即巅峰的功率分流式构型

在之后的20年，各种不同构型的混动系统层不出穷，比如串联式混动(series hybrid)、并联式混动(parallel hybrid)、串并联式混动(series-parallel hybrid)、增程式(range-extender)等等，当然也包括丰田混动系统的功率分流式(power-split)。

曾经我还做了一个图，总结各种不同构型混动系统的进化路线：

此时，大家可能有一个疑问：通常来说越晚的技术越成熟，最早出现的先驱者技术在中后期的竞争中未必能笑到最后，那么为什么丰田最早推出的功率分流式(power-split)混动却能一直强势呢？

为了回答这一问题，需要了解混动省油的基本原理。描述发动机工况有两个参数：转速与转矩。发动机是个坏脾气，当转速剧烈变化、转矩剧烈变化或在低负载工况在时，它单独工作的效率会大大降低。

混动系统通过帮助发动机规避上述低效率情况，来实现省油效果。具体来说有以下4点：

1. 避免发动机转速剧烈变化。若没有混动系统，当变速箱档位固定时，发动机转速与车速是一一对应的关系，即便油门踩的稳，遇到坡度变化时也会出现速度的波动，更不用说复杂的路况了。在串联式(包括增程式)、功率分流式混动系统中，以及串并联式的某些工作模式下，发动机转速与车速解耦，不存在直接关系。
2. 避免发动机转矩剧烈变化。若没有混动系统，在特定转速下，转矩与油门踏板深度是一一对应的关系。除了高速巡航之外，大部分情况下大家不会将油门踩到固定位置。在串联式、并联式、串并联式、功率分流式混动系统中，驱动电机可以配合输出正转矩或负转矩(发电)，以实现发动机转速与油门解耦，不存在直接关系。
3. 避免发动机工作在低负载工况。若没有混动系统，在市区堵车时，大家都知道怠速空转或低速蠕行时发动机效率很低，但此时既不能关掉发动机（带轻混系统除外）、也不能一脚油门轰下去啊！在所有形式的混动系统中，车辆在低负载工况下仍然可以让发动机工作在中高负载工况下，多出的输出功率可以发电存储在电池中。
4. 制动能量回馈：若没有混动系统，一脚刹车踩下去就意味着大量的动能转化成热能，耗散在空气中了。在所有形式的混动系统中，部分制动能量可以发电储存到电池中。

评价混动构型的优劣，除了上述4点之外，还要再多看一点：能量传输路径的长短。比较典型的情况是：串联式构型中，发动机的输出功率无法通过机械路径传递给车轮，必须先通过发电机转化成电能、再通过电机转化成机械能，两步能量转换就意味着不小的效率损失。

我们列个表，比较一下各种构型的混动系统。从下表可以看出：

• 串联与并联：能量传输路径较长，是串联式混动系统的硬伤；转速不能解耦，是并联式混动系统的硬伤，这两种形式的混动系统都不太多见了。需要特别指出的是串联式混动，现在一般叫做“增程式电动”，若发动机的效率特别高，还是有可取之处的。
• 串并联：顾名思议，串并联是兼有串联式与并联式的双重特征，通过离合器的开闭，有时工作在串联模式下，有时工作在并联模式下，所以下表中的有一些“半对勾”符号。目前除了丰田混动之外，大部分混动系统均采用串并联，它的性能主要取决于系统的参数匹配与优化：纵然仍然存在先天不足，但后天调教得力，也可以达到很好的性能。
• 功率分流式：功率分流式是唯一先天具备5个特征的混动构型，也就是“骨骼神奇，少年得志”，一出手就是巅峰。也正因为如此，丰田混动系统自诞生以来也更新了好几代，只是在技术细节上不断优化，而功率分流式的构型自第一代定下来之后，就没有再变过。

有一个FLASH可以形象地表达THS系统的转速解耦特征，我录了一下小视频如下：无论与车速直接关联的MG1转速如何变化，只要能够精确、快速地控制MG2电机的转速，就可以保证发动机ICE的转速稳定与高效率运转。

这种“出手即巅峰”的故事让人津津乐道。汽车行业的另外一个例子就是电池，当锂离子电池的能量密度遇到瓶颈的时候，人们就期待着基于非锂元素的另外一种电池能够接过锂电池的旗帜继续前行，殊不知关于电池的两个关键参数“电子转移量/原子量”与电极电势，锂元素已经是全元素周期表最低 —— 就像功率分流式的混动构型一样，锂电池也是一出手即巅峰，剩下的只能是小修小补了。关于锂电池“出手即巅峰”的故事，详见我的另外一篇文章：

丰田混动系统现今如何？

普锐斯尽管经典，但在国内基本看不到，也用不上。丰田混动系统尽管经典，但若仅停留在历史故事中，也未免乏味，那它能不能飞入寻常百姓家呢？回顾了丰田混动系统的历史，就要讲讲它现今的状态了。

在普锐斯车型上应用成功之后，丰田混动系统逐渐应用到其它经典车型上。与燃油车相比，混动系统要多出电机、电池、混动机构等部件，无论在成本上还是系统可靠性上都是巨大的挑战，因而混动车型往往价格都不会太亲民。

要说现今具有里程碑意义的事件，莫过于将其应用到更为平民车型的卡罗拉上。

具有52年历史、累计销量达4700万辆的平民车型卡罗拉，是丰田汽车发家的拳头产品，在这个车型上应用任何技术，只准成功、不能失败。丰田推出卡罗拉双擎版本，可以让更多人体验到油电混合系统，也从侧面反映出丰田混动系统的技术成熟度之高。

我的老丈人开的就是卡罗拉双擎（上一代），开了好几年了，非常满意。不仅省油，而且从来没出过毛病，对于怕麻烦的老丈人来说，这真是一辆居家实用车型。

今年推出的第12代全新卡罗拉，有一个重要的特点就是搭载了TNGA架构(Toyota New Global Architecture)^[4]。TNGA架构也给THS II系统带来了进一步的优化，进一步提高燃油经济性、降低养护成本，例如：优化进气歧管设计、取消外挂传动皮带、优化齿比与齿轮结构等等。

小结

卡罗拉是丰田的经典车型，THS混动系统是汽车电动化历史上带有传奇色彩的里程碑技术。如果你既想体验新能源汽车、为汽车电动化贡献一分力量，又想避免充电不便、里程焦虑带来的麻烦，那应用TNGA架构的第12代卡罗拉双擎是一个不错的选择。

参考

1. ^ 利维.泰尔曼 大竞赛：未来汽车的全球争霸赛. 机械工业出版社
2. ^ http://blog.sina.com.cn/s/blog_3d420b9d0102wu8h.html
3. ^ http://info.xcar.com.cn/201603/news_1914057_1.html
4. ^ https://zhuanlan.zhihu.com/p/81838672