Toyota Prius动力分配装置(PSD)及e-CVT无段变速系统的作动原理

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

最近看到Mobile01论坛在讨论Prius C的话题，里面有朋友提到动力分配装置的介绍； 由于原文图片版权问题，仅就该篇内文讲解来编译给大家一同参考一下。原文图片请参考此处：http://eahart.com/prius/psd。

基本上，此文是拿Toyota Prius的车型来讲解。Prius的动力心脏(Hybrid Synergy Drive，HSD)，是来自于一个｢动力分配装置｣(Power Split Device，PSD)，PSD是一套｢行星齿轮组｣，它除了取代了传统自动变速箱、以及其传动元件之外，也可达到类似一般自动变速箱｢蠕行｣的行进功能(就是D/R档时放油门，车子会缓行前进。)。

它的功能是｢类似｣CVT的无段变速系统，但、它的齿比却是单一固定的。

不过，虽说CVT变速是无段位差的齿比变化，但以电脑程式来说， 它的作动原则、仍被程式设计师写成数百个齿比来搭配引擎输出。它的齿比多到约720个(各家不同)，意思就是说程式把它写成像是有720个档位，所以虽有差别、但驾驶仍是无法感觉得到其中的差异。

Prius是一部Hybrid油电车，所以它仍是搭配着一具传统的内燃机引擎(internal combustion engine，ICE)(详情介绍请看此篇：Toyota Prius Hybrid的引擎跟Honda Insight有何不同？)，以及两具电动马达(发电机)：MG1、MG2。这两具马达可以同一时间状况下，做出不同、而且随时可变的转速需求表现。

以下请务必对照原文图表，不然会完全看不懂

而在这套PSD行星齿轮组里的太阳齿轮(正中心那个齿轮)，就是由MG1马达所驱动，MG1马达同时也肩负着传统汽油引擎｢启动马达｣的功能；所以在Prius身上，是没有装上另一颗单独的启动马达，它已经被MG1取代了。

在原文的下方图片里，它可以让我们拉动MG2、ICE的输出点，来看整体转速、以及车辆时速的变化。该图中央的是太阳齿轮，它连接到MG1马达；再来四颗橘色的齿轮，是连接到引擎曲轴；最后外环的环状齿轮，是连结到MG2马达、在此也称为Traction Motor(牵引马达、主动马达)。

我们拉动该图表的ICE(引擎)、以及MG2输出点，可以清楚的看到当我们改变引擎输出(转速)时，对时速表(车辆速度)是完全没有影响的；反而我们去拉动MG2齿轮的转速输出，它才是真正影响车辆时速的关键。

有了对这套系统的主动、被动观念后，我们就不难发现这样的无段变速方式，引擎其实只是扮演着｢出力｣的角色，它的转速高低、只是看当时所需的负载而定，它是用来协助马达的；而马达才是决定车辆速度的主要系统。所以，引擎在大部分的时间里，都是被设定在最经济的转速域里，才会来发挥它的协助。

MG1、MG2马达，以及ICE引擎，三者的转速都是随时可变的，它们之间必须互相依赖，才能完成整套Prius的Hybrid系统。MG1的最高转速为10000转(无论正转或逆转)，但如果在引擎系统被切断时，MG1的转速被系统程式限制在6500转之内。

我们再去拉动那个图表，可以看到：如果引擎(ICE)输出维持在｢零｣的时候，让MG2马达做最大输出，车辆时速仅能达到42英哩；而 当时车辆速度超42哩时，引擎的曲轴就必须要开始一同旋转，否则车辆速度会无法提升。

但、如果电脑判定此时引擎动力不需要介入(例如高速时、松开油门滑行)，它的活塞还会在继续运行没有间断，只是燃烧室里面没有喷油、点火而已，引擎目前扮演的角色是一个被动元件。

这也就说明了，为什么Prius在时速42英哩以上行进时，我们完全感受不到它的马达、引擎之间的动力切换或输出搭配；原因就是：这两者在行进时，根本就是一直在运转。所以当引擎介入/退出动力系统，我们完全感受不到车辆的变化(顿挫)，因为对引擎来说只是恢复或取消｢供油/点火｣的变化罢了。

而我们也可以从原文图表发现，MG2、ICE之间的搭配，可以造成MG1马达随时做出｢正向、或逆向｣的运转，所以MG1的转向变化也是非常大的。

至于引擎方面，当发动时、它的转速被限制在1000~4500转之间，这也就是阿特金森引擎(Atkinson)最经济油耗的转速域；而事实上，它也可以真正的完全熄火停止运转，例如进行纯电动车模式行驶时。当引擎熄火时，MG2正转(前进)、MG1就逆转，MG2逆转(倒车)、MG1就正转。

而如先前所提，如果在引擎无输出的状态下，它的时速顶多就只能到达42英哩，如要再提升速度、引擎(曲轴)就会被发动来介入辅助运转的过程。

从以上的解说可以得知，Prius或Prius C的其中任何一个马达、或引擎坏了，车就会停摆了 。

如果以为只有马达或电池模组坏了，但还可以靠引擎继续行驶，其实那是无法办到的；因为马达坏了，车子就没有变速系统；引擎坏了，马达会立刻耗尽电池电量。