不久前，解决了用软件Torque Pro监测普锐斯过程中的实时截图问题，有了一些新的认识。这个帖子算是对去年十二月份那个《进一步探讨普锐斯电控无级变速》的帖子的补充说明。

在去年十二月的帖子里，我谈了对普锐斯三代（P3）电子无级变速的一些认识，谈到普锐斯通过动力控制单元（PCU）先将动力电池的直流电压从201.6伏提升（最高650伏），再转换成三相交流电，用来推动普锐斯的两台永磁交流同步电机，通过调整电压、电流、频率、相位来实现电动机无级变速。但这样解读还不够。

所以，我想进一步谈谈普锐斯上的“电电混合”。“电电混合”？没错。我说的“电电混合”在普锐斯上其实很常见，其实就是动力电池和发电机联手向电动机供电的工况。我用“电电混合”这种说法，主要是为了与电动机－汽油机油电动力混合相区别，虽然发电机的动力来源也是汽油机。

下面是一张通过OBDII接口，用TORQUE　PRO软件获得的“电电混合”截图之一：

这张截图反映的是发动机（ICE）带动一号电机（MG1）发电（MG1转速表为正值，扭矩表为负值，说明是在发电），动力电池的HV功率表和HV电流表均为正值，说明动力电池也在输出电力。二号电机（MG2）转速为正值，扭矩也是正值，说明工作在电动机状态。

这种现象在普锐斯上是司空见惯的，但电电混合背后的技术背景就不简单了。

说到电电混合，就不得不说PCU（动力控制单元）。

打开PCU的外壳，可以看到普锐斯的直流升压降压转换器和两台电机的直流－交流（交流－直流）逆变器：

直流升压降压转换器和直流－交流逆变器都是由开关电路组成的。

开关电路用于升压、降压，其实早就不是什么新鲜的东西了。譬如市面上见的应急灯、不间断电源等，里面用的都是开关电路。

不过普锐斯的动力控制单元（PCU）里的开关电路还是有它特别的地方。

下面这张图显示的是普锐斯三代的PCU电路示意图：

让我们把图中黄色的部分（升压降压转换器），也就是负责把动力电池的直流电压升上去的那部分，截下来观察一下：

为了观察方便，我涂掉了多余的线条（不是电线），变成下面这个样子（图中的Inductor是电抗器，IPM是Integrated Power Module的缩写，其实在这里就是两个充当开关的二极管，全称是绝缘栅双级晶体管（IGBT），filter capacitor是滤波电容器，还有两个单向导电的二极管）：

顺便说一下，在去年12月的那个帖子里，我滥用了“二极管”这个词，IGBT也算是二极管，但此“二极管”与它旁边的二极管有天壤之别。电抗器是由升压和降压电路共用的。据我分析，下面的一个IGBT和上面的一个二极管属于升压电路部分，上面的一个IGBT和下面的一个二极管属于降压电路部分：

涂掉图八中的降压电路部分，就剩下升压开关电路：

升压电路以左边的动力电池为电源，负载在右边，负载就是原来大图上的一号电机和二号电机的两个逆变器。也就是说，升压电路负责把201.6V的动力电池电压升上去，再通过逆变器变成三相交流电，供给一号电机和二号电机。

如果把升压电路部分涂掉，就获得降压开关电路：

降压电路的电源是右边的一号电机和二号电机的两个逆变器，负载则是左边的动力电池，也就是说，一号电机或二号电机发出来的电，先经逆变器转换成直流电，再由降压电路负责把高压直流电降压，给动力电池充电。

可以看出，普锐斯采用的是普通的升压降压开关电路。只要改变担当电子开关的绝缘栅双极晶体管（IGBT）的开关频率，就可以获得无级升压和降压的效果。（如果想了解开关电路升压和降压的原理请自己去“百度”。）控制开关频率的是振荡器，它受行车电脑的控制。不过，振荡器电路并没有显示出来。

虽然是普通的开关电路，但是升压和降压电路被巧妙地结合在一起，担当电子开关的绝缘栅双极晶体管（IGBT）都是定制的，做工极为紧凑。

尽管丰田公司没有披露电子开关接通、断开的频率，但我们可以取得“旁证”：美国橡树岭国家实验室的测试数据显示，普锐斯的直流电压变换器开关频率应该在每秒0－10000次之间。

下面我们再来解剖一下逆变器。逆变器也是开关电路，它在普锐斯上负责把直流电转换成交流电，或者把交流电转换成直流电。一号电机和二号电机各有一个逆变器。

从截下来的逆变器的原理图是这样的（外面的黑框是多余的线条）：

普锐斯里的逆变器是普通的直流－交流开关电路，担当电子开关的也是绝缘栅双极晶体管（IGBT）。逆变器由三个独立的开关电路组合而成，每个开关电路包括两个IGBT和两个二极管（图中为一上一下两个IGBT和两个二极管为一组）。每个开关电路都可以把直流电转换成单相脉冲交流电，而把三个开关电路的开关时间错开，就可以将直流升压降压转换器送来的直流电变成三相交流电。如果改变IGBT的开关频率，就可以改变交流电的频率，控制IGBT的开关顺序和时间，就可以改变交流电相位和相序，调整IGBT开关的时长，就可以调整交流电脉冲的宽度（如果想了解开关电路变直流电为交流电的原理，也请自己去“百度”）。虽然没有资料披露IGBT的开关频率，但我们知道，一组两个IGBT每开关一次可以产生一个完整电脉冲，而普锐斯3代的同步电机最高转速为每分钟13500转，即最多需要每分钟13500个电脉冲，所以逆变器里的IGBT的开关频率应该是在每分钟0－13500之间，也就是每秒钟0－225次之间。

由于逆变器电路中没有电感元件（线圈），这种开关电路产生的交流脉冲是方波而不是正弦波。一般认为，方波交流电不适用推动电动机，需要通过滤波电路把方波修理成正弦波。但有资料显示，普锐斯的电动机构造特殊，可以直接使用方波交流电。

逆变器的IGBT同时承担着整流的功能。普锐斯的电机发出来交流电也是通过IGBT变成直流电，再经过前面说过的降压开关电路，给动力电池充电。

虽然开关电路看上去并不复杂，但是加上控制开关频率的振荡器和逻辑电路、过负荷保护电路、温度控制电路等等，还有各路传感器，那就相当复杂了。

花了这么大的篇幅谈开关电路，是因为它和后面要谈的电电混合有密切关系。

在动力需求不大的情况下，普锐斯可以用单一电源实现无级变速，或是用动力电池，即EV模式，或是完全依靠汽油机带动一号电机发电，供二号电机使用。

下面再看一张普锐斯在EV模式下行驶中的截图：

上面这张截图显示，汽油机不转，一号电机反转，无扭矩输出，动力电池（右边的HV电流表和HV功率表）有输出，表明动力电池（通过升压转换器和二号电机逆变器）向二号电机供电。

下面再上一张汽油机带动一号电机给二号电机供电的截图：

上面这张截图显示，一号电机在发电，但动力电池的HV功率表和HV电流表都是负值，所以是处于充电状态，这样一号电机是唯一的电源。

开过普锐斯的人都知道，在EV和ECO模式下，普锐斯开起来很“肉”。我曾经以为，普锐斯的电动机扭矩不过如此。后来我才发现自己错了。

公开的资料显示，普锐斯二代的二号电机功率为50KW，而动力电池的最大功率输出只有21KW；三代的二号电机功率为60KW，而动力电池的最大功率输出只有27KW，连二号电机功率的一半都不到。在EV模式下，电动机只吃了个半饱，车子开起来当然很“肉”。

同样，单是一号电机的发电功率也不能满足二号电机的最大需求：P2的一号电机最大功率只有30KW，P3的一号电机最大功率只有43KW，也不能满足P2的二号电机的50KW和P3的二号电机的60KW。

但是，如果油门踩到底，普锐斯就变得非常强劲了，爬坡时，随着汽油机的怒吼，车子会以60－70公里的时速一口气冲上坡顶。难道是电动机不给力，汽油机很给力吗？

下面这张截图反映的是上坡时踩了“地板油”以后的情况。可以看到在坡道上刚起步时二号电机最大扭矩曾经达到285牛米。

截图显示，一号电机转速为正值，扭矩为负值，说明工作在发电机模式；右面的动力电池功率表和电流表均为正值，说明动力电池也在输出能量。二号电机扭矩为正值，说明工作在电动机模式。一号电机和动力电池（通过逆变器）正在同时向二号电机供电。截图还表明，汽油机的转速高于二号电机的转速，由于两者的转速差，而且不在一根轴上，不可能是通过机械方式同步推动普锐斯。这就是电电混合与油电混合的区别。

我对电电混合模式的解读是：动力电池和PCU功率不足，是设计人员有意造成的。因为这样设计可以缩小动力电池、PCU的体积和重量，降低制造成本。电池功率不足用汽油机来补。踩下“地板油”时，汽油机虽然在怒吼，其实是在全力带动一号电机发电，一号电机直接向二号电机供电。这就是说，在上坡和急加速等需要最大扭矩和功率时，普锐斯的汽油机在行车电脑的指挥下，把机械能转换成了电能，加上动力电池送过来的电力（43KW＋27KW），以满足二号电机的高功率需求。多个截图表明，这种电电混合模式在时速75公里以下时极为常见。

不过，说起来容易做起来难。如果深究下去，这里的技术问题很多。

当出现一号电机和动力电池同时向二号电机供电时时，实际上出现了动力电池和一号电机这两个电源“并联”的情况。下面的一张截图也反映了这种情况：

由于网上没有任何资料介绍电电混合，下面的文字纯属我个人的猜测。说错了请大家指正。

“电电混合”的具体做法是把普锐斯上的动力电池经过逆变器产生的交流电与一号电机发出的交流电经过同步处理后并联起来，供给二号电机使用，可以说就是在普锐斯上组建一个小型的电网。

直流电源的并联很简单，只要电压相等、极性相同，我们可以随时把两节电池的正极对正级、负极对负极接在一起，并联就完成了。

但交流电并联很复杂。一个国家的交流电网就是由成千上万台发电机并联组成的。一台发电机要加入电网必须满足五个条件：电压、频率、相位、相序、波形完全与电网中的其它发电机同步。加入电网的发电机只要有一点点不同步，都会形成交流电短路，造成发电机本身和电网的严重事故，甚至造成电网的崩溃。

那么，普锐斯的两个不同电源具备并网的条件吗？

先说动力电池：普锐斯上的动力电池是直流电，经过升压、逆变器转换成交流电，有了开关电路，其电压、频率、相位、相序都是可调的，其波形为方波，波的（脉冲）宽度也可调。可以说是并网条件最好的电源了。

再说一号电机。当一号电机工作在发电机状态时，能不能通过改变汽油机的转速来调节一号电机转速来调整发电的电压和频率，从而与动力电池逆变器送来的交流电同步？我觉得不太可能。汽油机的转速要由踩油门的脚说了算，再说，就算能调节，由于机械的惯性影响，其敏捷性也太差了。

我的推测是，当动力电池通过逆变器与一台发电机并联之前，行车电脑根据一号电机发电的状况，通过调节升压降压转换器的IGBT开关频率先调节动力电池的直流电压，再通过调节逆变器的开关频率，随机改变逆变器提供的交流电频率、相位、相序等，一旦达到同步要求，立即与一号电机联通。由于电子器件没有惯性，变化敏捷，调节速度比汽油机快上千倍，开关电路在一瞬间就能完成两个交流电源之间的同步，只是这个过程包含了很多的技术秘密。

普锐斯的插电版与普通版之间的区别，不只是多了充电装置，加大了动力电池的容量，而且更换了功率更大的升压降压转换器和逆变器，最大功率从27KW增加到了38KW。虽然仍旧不能让二号电机吃饱，但已经使插电版普锐斯的纯电行驶速度提高到每小时100公里（普通版EV模式下，时速超过49公里发动机就会介入）。同时，它的电电混合功能还在应该，只是控制逻辑修改了吧。我觉得，插电版的普锐斯更接近纯电汽车。

结论：

一、电电混合应该普锐斯实现电子控制无级变速的必不可少的方式。其实质是在车辆需要高功率时，一号电机与动力电池联合对二号电机供电，为二号电机推动车辆和实现无级变速提供充足的动力。由于一号电机和动力电池各自的功率小于二号电机的功率，只有通过一号电机和动力电池联合对二号电机供电，才能在高功率需求时，保证普锐斯无级变速的正常运行。而保障联合供电的硬件就是动力电池的直流升压降压转换器和一号电机的逆变器

。

二、由于行星齿轮组的结构特点，汽油机和二号电机不在一个轴上，因此在中低速（75公里以下）行驶状态下，汽油机以机械方式直接与二号电机联合推进不是普锐斯的主要工作方式，一般以二号电机为主推，汽油机通过带动一号电机发电（单独或者联合动力电池）向二号电机供电。

三、不是所有的混合动力车都有电电混合模式。轻混车肯定没有。某些国产的混动车也没有。

更高速度情况下的情况有待进一步观察，因为更高转速下，电动机的扭矩下降得很多，而汽油机在高转速下却渐入佳境。