Toyota Prius動力分配裝置(PSD)及e-CVT無段變速系統(tǒng)的作動原理

http://cool3c.incar.tw/article/57640

最近看到Mobile01論壇在討論Prius C的話題，里面有朋友提到動力分配裝置的介紹； 由于原文圖片版權問題，僅就該篇內文講解來編譯給大家一同參考一下。原文圖片請參考此處：http://eahart.com/prius/psd。

基本上，此文是拿Toyota Prius的車型來講解。Prius的動力心臟(Hybrid Synergy Drive，HSD)，是來自于一個?動力分配裝置?(Power Split Device，PSD)，PSD是一套?行星齒輪組?，它除了取代了傳統(tǒng)自動變速箱、以及其傳動元件之外，也可達到類似一般自動變速箱?蠕行?的行進功能(就是D/R檔時放油門，車子會緩行前進。)。

它的功能是?類似?CVT的無段變速系統(tǒng)，但、它的齒比卻是單一固定的。

不過，雖說CVT變速是無段位差的齒比變化，但以電腦程式來說， 它的作動原則、仍被程式設計師寫成數百個齒比來搭配引擎輸出。它的齒比多到約720個(各家不同)，意思就是說程式把它寫成像是有720個檔位，所以雖有差別、但駕駛仍是無法感覺得到其中的差異。

Prius是一部Hybrid油電車，所以它仍是搭配著一具傳統(tǒng)的內燃機引擎(internal combustion engine，ICE)(詳情介紹請看此篇：Toyota Prius Hybrid的引擎跟Honda Insight有何不同？)，以及兩具電動馬達(發(fā)電機)：MG1、MG2。這兩具馬達可以同一時間狀況下，做出不同、而且隨時可變的轉速需求表現(xiàn)。

以下請務必對照原文圖表，不然會完全看不懂

而在這套PSD行星齒輪組里的太陽齒輪(正中心那個齒輪)，就是由MG1馬達所驅動，MG1馬達同時也肩負著傳統(tǒng)汽油引擎?啟動馬達?的功能；所以在Prius身上，是沒有裝上另一顆單獨的啟動馬達，它已經被MG1取代了。

在原文的下方圖片里，它可以讓我們拉動MG2、ICE的輸出點，來看整體轉速、以及車輛時速的變化。該圖中央的是太陽齒輪，它連接到MG1馬達；再來四顆橘色的齒輪，是連接到引擎曲軸；最后外環(huán)的環(huán)狀齒輪，是連結到MG2馬達、在此也稱為Traction Motor(牽引馬達、主動馬達)。

我們拉動該圖表的ICE(引擎)、以及MG2輸出點，可以清楚的看到當我們改變引擎輸出(轉速)時，對時速表(車輛速度)是完全沒有影響的；反而我們去拉動MG2齒輪的轉速輸出，它才是真正影響車輛時速的關鍵。

有了對這套系統(tǒng)的主動、被動觀念后，我們就不難發(fā)現(xiàn)這樣的無段變速方式，引擎其實只是扮演著?出力?的角色，它的轉速高低、只是看當時所需的負載而定，它是用來協(xié)助馬達的；而馬達才是決定車輛速度的主要系統(tǒng)。所以，引擎在大部分的時間里，都是被設定在最經濟的轉速域里，才會來發(fā)揮它的協(xié)助。

MG1、MG2馬達，以及ICE引擎，三者的轉速都是隨時可變的，它們之間必須互相依賴，才能完成整套Prius的Hybrid系統(tǒng)。MG1的最高轉速為10000轉(無論正轉或逆轉)，但如果在引擎系統(tǒng)被切斷時，MG1的轉速被系統(tǒng)程式限制在6500轉之內。

我們再去拉動那個圖表，可以看到：如果引擎(ICE)輸出維持在?零?的時候，讓MG2馬達做最大輸出，車輛時速僅能達到42英哩；而 當時車輛速度超42哩時，引擎的曲軸就必須要開始一同旋轉，否則車輛速度會無法提升。

但、如果電腦判定此時引擎動力不需要介入(例如高速時、松開油門滑行)，它的活塞還會在繼續(xù)運行沒有間斷，只是燃燒室里面沒有噴油、點火而已，引擎目前扮演的角色是一個被動元件。

這也就說明了，為什么Prius在時速42英哩以上行進時，我們完全感受不到它的馬達、引擎之間的動力切換或輸出搭配；原因就是：這兩者在行進時，根本就是一直在運轉。所以當引擎介入/退出動力系統(tǒng)，我們完全感受不到車輛的變化(頓挫)，因為對引擎來說只是恢復或取消?供油/點火?的變化罷了。

而我們也可以從原文圖表發(fā)現(xiàn)，MG2、ICE之間的搭配，可以造成MG1馬達隨時做出?正向、或逆向?的運轉，所以MG1的轉向變化也是非常大的。

至于引擎方面，當發(fā)動時、它的轉速被限制在1000~4500轉之間，這也就是阿特金森引擎(Atkinson)最經濟油耗的轉速域；而事實上，它也可以真正的完全熄火停止運轉，例如進行純電動車模式行駛時。當引擎熄火時，MG2正轉(前進)、MG1就逆轉，MG2逆轉(倒車)、MG1就正轉。

而如先前所提，如果在引擎無輸出的狀態(tài)下，它的時速頂多就只能到達42英哩，如要再提升速度、引擎(曲軸)就會被發(fā)動來介入輔助運轉的過程。

從以上的解說可以得知，Prius或Prius C的其中任何一個馬達、或引擎壞了，車就會停擺了 。

如果以為只有馬達或電池模組壞了，但還可以靠引擎繼續(xù)行駛，其實那是無法辦到的；因為馬達壞了，車子就沒有變速系統(tǒng)；引擎壞了，馬達會立刻耗盡電池電量。