說明：

前兩天上傳的帖子，從昨天起不知為什么帖子里的貼圖都不見了，不知是網(wǎng)絡(luò)的問題，還是帖子沒做好，只好重發(fā)一遍，并借此機(jī)會(huì)對(duì)帖子進(jìn)行了進(jìn)一步編輯。

七個(gè)月以前，發(fā)了一個(gè)關(guān)于普銳斯如何實(shí)現(xiàn)電子控制無(wú)級(jí)變速的帖子?，F(xiàn)在?過頭來(lái)看，好多東西并沒有說透，所以想再探討一下。

我們知道，普銳斯通過行星齒輪組實(shí)現(xiàn)了油（內(nèi)燃機(jī)）和電（電動(dòng)機(jī)）的有機(jī)組合，并且通過電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)變速。而普銳斯電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)很少有科普文章介紹，如果電機(jī)一轉(zhuǎn)就實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，那不是和電瓶車一樣了嗎？經(jīng)過查找網(wǎng)上的資料才知道，通過行星齒輪組實(shí)現(xiàn)油電混合雖然巧妙，但普銳斯的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)才是真正高科技的部分。

下面是我根據(jù)找到的資料綜合的內(nèi)容對(duì)電?控制無(wú)級(jí)變速部分的進(jìn)一步解讀，有錯(cuò)誤也沒關(guān)系，反正這只是一篇供大家討論的東西。

首先，普銳斯的動(dòng)力電池雖然是直流電，但卻使用了永磁交流同步電機(jī)。我們常見的電瓶車、電動(dòng)自行車，以及上世紀(jì)60－90年代常見的無(wú)軌電車都用直流電機(jī)。那么普銳斯為什么用交流電機(jī)呢？這方面的資料找不到，但我個(gè)人的推測(cè)是：原因是動(dòng)力電池的電壓不夠高。普銳斯的動(dòng)力電池電壓只有201.6伏，適用這個(gè)電壓的電機(jī)必然體積很大很重，這在普銳斯這種寸土寸金的小車上是不可行的；提高電壓可以使電機(jī)做得小，傳輸損耗也小。而要提高直流電壓，只有兩個(gè)途徑，一是串聯(lián)更多的電池，要達(dá)到650伏的電壓，就要用三倍于現(xiàn)在的電池?cái)?shù)量（168塊 x 3），這樣會(huì)使電池的體積和重量無(wú)法接受。另一條途徑是升壓。在高壓下工作的交流電機(jī)體積小、效率高、功率大、免維護(hù)，自然成了必然的選擇。

既然用了交流電機(jī)，電池電壓也不夠高，動(dòng)力電池就不能直接聯(lián)到電機(jī)，而是必須通過一個(gè)“動(dòng)力控制單元”（Power Control Unit PCU）聯(lián)到電機(jī)。

所謂“動(dòng)力控制單元”以下稱“PCU”就是我們打開發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)蓋就能看到的銀色的盒子，里面主要由直流電壓變換器、交直流逆變器等組成。

下面這張圖就是PCU的外觀：

PCU打開后是這六的（見下圖）：

PCU的外部結(jié)構(gòu)是這樣的：

PCU的內(nèi)部部結(jié)構(gòu)是這樣的：

可以看到，這個(gè)PCU除了向兩臺(tái)電機(jī)供電以外，還同時(shí)通過逆變器把201.6伏的直流電變成交流電還向空調(diào)供電，通過降壓變換器把201.6伏的直流電降壓到12V向其它輔助電器（包括行車電腦、儀表、傳感器和輔助電瓶）供電。不過這是題外話了。

下面這張圖是動(dòng)力電池、電力總線、電壓變換器、交直流逆變器與1號(hào)電機(jī)和2號(hào)電機(jī)聯(lián)接的示意圖：

PCU里的電壓變換器把201.6伏的動(dòng)力電池電壓升高到650伏，再由兩個(gè)逆變器把高壓直流電變成高壓交流電，分別供給1號(hào)電機(jī)和2號(hào)電機(jī)。當(dāng)1號(hào)電機(jī)和2號(hào)電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式時(shí)，發(fā)出的是交流電，又要由這兩個(gè)逆變器分別把交流電變成直流電，再由電壓變換器降壓到201.6伏，補(bǔ)充到動(dòng)力電池里去。這就是PCU的主要工作。在電流不變的情況下，升高電壓就提高了電機(jī)的輸出功率，減少了傳輸損耗。

這里需要特別說明一點(diǎn)，所謂動(dòng)力電池電壓201.6伏是空載電壓，也就是普銳斯啟動(dòng)之前的電池電壓，啟動(dòng)以后有了負(fù)載，電壓還會(huì)進(jìn)一步下降到140－150伏。這是我從通過OBD接口用Torque Pro軟件測(cè)出來(lái)的。而PCU的電壓變換器輸出的電壓則是從202伏到650伏無(wú)級(jí)變化的，最高電壓才是650伏，逆變器輸出的電流和相位也是無(wú)級(jí)變化的，有了無(wú)級(jí)變換的電壓和電流，普銳斯的電機(jī)才能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。

有的人可能質(zhì)疑：直流電怎么能升壓降壓？如果用傳統(tǒng)的變壓器當(dāng)然做不到。但是普銳斯上用的是由電抗器和二極管等組成的開關(guān)電路，先把直流電變成高壓脈沖，再經(jīng)過濾波和補(bǔ)償電容器，形成高壓直流電。高壓直流電再經(jīng)過由六個(gè)二極管組成的橋式開關(guān)電路，被強(qiáng)行轉(zhuǎn)換成三相交流電。普銳斯上的電壓變換器不但實(shí)現(xiàn)了直流電的升壓和降壓，還實(shí)現(xiàn)了電壓的無(wú)級(jí)調(diào)整，這應(yīng)該是一個(gè)技術(shù)上的亮點(diǎn)。

根據(jù)我們已知的電機(jī)知識(shí)，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速還與交流電的頻率有關(guān)。譬如，我國(guó)常用的交流電頻率是每秒50赫茲，每分鐘60秒，會(huì)給交流電機(jī)提供每分鐘3000次磁場(chǎng)變化，因此國(guó)內(nèi)使用普通交流電的同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速最多是每分鐘3000轉(zhuǎn)。而普銳斯的交流電是用逆變器的開關(guān)電路“做”出來(lái)的，由于開關(guān)電路的開關(guān)頻率是可調(diào)的，因此普銳斯的交流電頻率也是可調(diào)的。普銳斯的1號(hào)電機(jī)和2號(hào)電機(jī)都可以達(dá)到每分鐘13500轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，這應(yīng)該是調(diào)整普銳斯的交流電頻率實(shí)現(xiàn)的。 但是，目前找不到有關(guān)調(diào)整普銳斯的逆變器交流電頻率的資料。

下面這張圖是電壓轉(zhuǎn)換器和空調(diào)用電逆變器的實(shí)物圖：

下面是電壓轉(zhuǎn)換器和逆變器的驅(qū)動(dòng)電路板的實(shí)物圖：

問題到這里還沒有解決。PCU根據(jù)什么來(lái)調(diào)整輸出電壓、電流和相位的呢？管理PCU的是行車電腦，即“車輛電子控制單元”?Vehicle ElectronicControl Unit, 簡(jiǎn)稱Vehicle ECU），這可以說是普銳斯的大腦了。

普銳斯有許多ECU，各ECU與電機(jī)的聯(lián)系示意圖如下：

圖上的高壓電子控制單元就是控制PCU的行車電腦。它根據(jù)各個(gè)分電腦（ECU）傳來(lái)的信息，經(jīng)過比較和處理，不停地向PCU里的電壓變換器和逆變器發(fā)出調(diào)整電壓、電流、相位、通斷等指令。

那么各個(gè)ECU又是根據(jù)什么來(lái)發(fā)出信息的呢？答案是傳感器。普銳斯上的傳感器有可能有上百個(gè)，與無(wú)級(jí)變速有關(guān)的主要是下面這些：

我不想用許多專業(yè)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述這個(gè)過程了，因?yàn)槲乙膊皇菍I(yè)人員。簡(jiǎn)而言之，我們踩油門的力度、道路的情況、坡度、阻力等都有傳?器監(jiān)測(cè)。從這些傳感器獲得的信號(hào)經(jīng)ECU里儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)比較和計(jì)算后，由行車電腦分別向PCU里的電壓變換器和電流逆變器發(fā)出調(diào)節(jié)電壓、頻率、電流、相位、通斷的指令，使PCU不停地向1號(hào)電機(jī)和2號(hào)電機(jī)輸出經(jīng)過調(diào)節(jié)的電壓、頻率、電流等，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速的目的。

按下EV模式鍵，普銳斯就是在純電動(dòng)狀態(tài)下以無(wú)級(jí)變速方式行駛。只是無(wú)級(jí)變速的整個(gè)過程都是看不見、摸不著的。

我在上一個(gè)關(guān)于電子控制無(wú)級(jí)變速的帖子里列了兩個(gè)公式，其實(shí)反映的是普銳斯的一號(hào)電機(jī)、二號(hào)電機(jī)和汽油機(jī)相互關(guān)系的關(guān)系式。從OBD接口測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)與用這兩個(gè)關(guān)系式計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)基本吻合。但普銳斯的行車電腦是不是真的依照這兩個(gè)關(guān)系式的原則計(jì)算各種數(shù)據(jù)并發(fā)出指令，我們就不得而知了。

如果普銳斯是純電動(dòng)汽車，對(duì)電子控制無(wú)級(jí)變速的解讀到這里差不多就可以結(jié)束了。但普銳斯是混合動(dòng)力車，還有汽油機(jī)，問題就沒有那么簡(jiǎn)單了。打個(gè)比方，如果說普銳斯的二號(hào)電機(jī)和汽油機(jī)分別是人的兩條腿，那一號(hào)電機(jī)就是人的胳膊。沒有腿不能走路，沒有胳膊則走不穩(wěn)。?面結(jié)合行星齒輪組再分析幾種運(yùn)行情況：

在普銳斯上，雖然行星齒輪組不起變速功能，但是起到了調(diào)節(jié)一號(hào)電機(jī)、二號(hào)電機(jī)和汽油機(jī)關(guān)系的功能。為了說明這種關(guān)系，還是把行星齒輪組的圖片再用一次。

這里觀察的重點(diǎn)是四個(gè)行星齒輪。當(dāng)行星輪（汽油機(jī)）轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，行星齒輪有兩個(gè)負(fù)載：既可以推?齒圈，也可以推動(dòng)太陽(yáng)輪。但是，由于齒圈是聯(lián)著車輪的，推動(dòng)齒圈意味著推動(dòng)汽車，而太陽(yáng)輪只是聯(lián)著一號(hào)電機(jī)，所以，推動(dòng)齒圈要比推動(dòng)太陽(yáng)輪困難得多。

下面我們?cè)賮?lái)推測(cè)一下各種情況下一號(hào)電機(jī)、二號(hào)電機(jī)和汽油機(jī)在行星齒輪組的協(xié)調(diào)下同舟共濟(jì)的情形。充分發(fā)揮一下你的想象力吧（我假定前面兩篇帖子你已經(jīng)看過）：

一、 熱車

熱車時(shí)，汽油機(jī)帶動(dòng)行星座正向旋轉(zhuǎn)。請(qǐng)看以下示意圖：

由于此時(shí)車輪（齒圈）未轉(zhuǎn)動(dòng)，行星座（汽油機(jī)）的正向旋轉(zhuǎn)會(huì)逼得四個(gè)行星齒輪反向旋轉(zhuǎn)，四個(gè)行星齒輪的反向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)太陽(yáng)輪（一號(hào)電機(jī)）正向旋轉(zhuǎn)，發(fā)出交流電，經(jīng)PCU里的逆變器變成直流電，再經(jīng)電壓變換器降到201.6伏給動(dòng)力電池充電。

二、起步

松開剎車，二號(hào)電機(jī)（車輪）利用一號(hào)電機(jī)發(fā)出的電能開始旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)車輪（齒圈）開始正向轉(zhuǎn)動(dòng)，起初，齒圈的旋轉(zhuǎn)速度低于行星座（汽油機(jī)）的轉(zhuǎn)速，四個(gè)行星齒輪仍舊反轉(zhuǎn)，所以汽油機(jī)仍然只能帶動(dòng)一號(hào)電機(jī)發(fā)電，不能推動(dòng)車輪。這時(shí)完全由二號(hào)電機(jī)以無(wú)級(jí)變速方式推動(dòng)普銳斯。

三、加速行駛

隨著齒圈的正向轉(zhuǎn)動(dòng)速度的加快，四個(gè)行星齒輪反向自轉(zhuǎn)的速度逐漸下降，當(dāng)齒圈轉(zhuǎn)速與行星座相同時(shí)，行星齒輪的自轉(zhuǎn)停止，只剩下公轉(zhuǎn)，這時(shí)行星座（汽油機(jī)）通過四個(gè)已經(jīng)不再自轉(zhuǎn)的行星齒輪，同時(shí)推動(dòng)齒圈（車輪）和太陽(yáng)輪（一號(hào)電機(jī)），一號(hào)電機(jī)繼續(xù)向二號(hào)電機(jī)供電并通過PCU向動(dòng)力電池充電。以下是示意圖。

對(duì)此，我的解讀是：這個(gè)汽油機(jī)的介入點(diǎn)正是汽油機(jī)進(jìn)入經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)間的起點(diǎn)。這時(shí)，車速，也就是齒圈（車輪）的轉(zhuǎn)速是由二號(hào)電機(jī)（齒圈）與汽油機(jī)（行星座）共同決定的，并不是只由二號(hào)電機(jī)一家決定的。你踩油門的力度不僅提高了PCU的輸出電壓，影響了二號(hào)電機(jī)（齒圈）的轉(zhuǎn)速，還增加了向汽油機(jī)的供油，提高了汽油機(jī)（行星座）的轉(zhuǎn)速。這里有一條重要的原則，普銳斯加速時(shí)，齒圈與行星座必須同步轉(zhuǎn)動(dòng)。二號(hào)電機(jī)（齒圈）轉(zhuǎn)速由PCU提供無(wú)級(jí)調(diào)控，而汽油機(jī)（行星座）轉(zhuǎn)速的調(diào)控是通過行車電腦指令增加（減少）供油實(shí)現(xiàn)的。加速過程中，齒圈的轉(zhuǎn)速?現(xiàn)高于行星座的轉(zhuǎn)速傾向時(shí)，會(huì)使行星齒輪開始正向自轉(zhuǎn)，增加汽油機(jī)（行星座）旋轉(zhuǎn)的阻力，而汽油機(jī)的傳感器感知后，會(huì)通知行車電腦指令加大油門，提高汽油機(jī)轉(zhuǎn)速，使行星座再次與齒圈同步。反之亦然。

四、勻速行駛

勻速行駛時(shí)，普銳斯只需要克服各種阻力，對(duì)動(dòng)力和扭矩的需求大大降低，油門放松（注意，不是放開）后，汽油機(jī)轉(zhuǎn)速下降，齒圈（車輪）的轉(zhuǎn)速便高于行星座（汽油機(jī)）的轉(zhuǎn)速。這時(shí)，四個(gè)行星齒輪開始正向自轉(zhuǎn)。這種正向自轉(zhuǎn)會(huì)驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)輪（一號(hào)電機(jī)）反轉(zhuǎn)。以下是示意圖。

但是這里出現(xiàn)了問題：行星座（汽油機(jī)）是通過四個(gè)行星齒輪推動(dòng)齒圈（車輪）的，其前提是必須對(duì)行星齒輪施加一個(gè)反向力矩（不讓行星齒輪隨意自轉(zhuǎn)）。而能夠提供這個(gè)反向力矩的只能是一號(hào)電機(jī)（太陽(yáng)輪）。油?放松以后，一號(hào)電機(jī)已經(jīng)在反轉(zhuǎn)了。如果它是處在從動(dòng)狀態(tài)（空轉(zhuǎn)或發(fā)電），反向力矩從何而來(lái)呢？如果行星齒輪沒有了反向力矩，汽油機(jī)（行星座）的轉(zhuǎn)動(dòng)將不會(huì)推動(dòng)齒圈（車輪），而是會(huì)把所有的動(dòng)力施加給太陽(yáng)輪，使一號(hào)電機(jī)狂轉(zhuǎn)，而車輪（齒圈）反而失去推動(dòng)力。為了提供反向力矩，這時(shí)必須給一號(hào)電機(jī)通電，使它工作在電動(dòng)機(jī)模式，使?陽(yáng)輪的反向從動(dòng)旋轉(zhuǎn)變成反向的主動(dòng)旋轉(zhuǎn)。

這樣一來(lái)，一號(hào)電機(jī)和二號(hào)電機(jī)都工作在電動(dòng)機(jī)模式，要不了幾分鐘，動(dòng)力電池電量耗盡，普銳斯就會(huì)趴在?上動(dòng)不了窩。有人可能會(huì)說，還有汽油機(jī)在工作呢。汽油機(jī)確實(shí)在工作，但是，前面已經(jīng)說過，汽油機(jī)（行星座）要想推動(dòng)齒圈（車輪），必須由一號(hào)電機(jī)給它的行星齒輪施加反向力矩。現(xiàn)在沒電了，一號(hào)電機(jī)動(dòng)不了，反向力矩也沒有了。這時(shí)汽油機(jī)的工作?能是帶動(dòng)一號(hào)電機(jī)給動(dòng)力電池充電，把電充上再接著開。但是，你能允許普銳斯開開停停嗎？

不過，開開停停的情況從未發(fā)生過，豐田的技術(shù)人員解決這個(gè)問題的辦法是，在勻速行駛狀態(tài)，由行車電腦指令二號(hào)電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式，給一號(hào)電機(jī)供電，由一號(hào)電機(jī)（太陽(yáng)輪）作為電動(dòng)機(jī)推動(dòng)行星齒輪，由行星齒輪推動(dòng)齒圈（車輪），形成汽油機(jī)與一號(hào)電機(jī)共同推動(dòng)普銳斯的局面。這種情形與加速時(shí)的情形相好相反?這樣普銳斯的動(dòng)力電池就不會(huì)沒電了。

實(shí)際上，加速和勻速行駛狀態(tài)是在不斷切換的，深踩油門和放松油門就會(huì)導(dǎo)致PCU里的電壓變換器調(diào)整電壓，逆變器調(diào)整電流相位，瞬間改變電機(jī)的輸出功率、旋轉(zhuǎn)方向，切換兩臺(tái)電機(jī)的功能。

五、倒車

倒車的時(shí)候，行星齒輪組是這樣轉(zhuǎn)的：

從這張示意圖上可以看到，齒圈（2號(hào)電機(jī)）是反轉(zhuǎn)的。PCU只要根據(jù)電腦指令，改變逆變器輸出的三相交流電的相位就可以讓2號(hào)電機(jī)反轉(zhuǎn)了。

齒圈（2號(hào)電機(jī)）的反轉(zhuǎn)帶動(dòng)4個(gè)行星齒輪反轉(zhuǎn)，行星齒輪又帶動(dòng)太陽(yáng)輪（1號(hào)電機(jī)）正轉(zhuǎn)（空轉(zhuǎn)）。而這時(shí)行星座（汽油機(jī)）是不轉(zhuǎn)的。這是在動(dòng)力電池電量充足的情況下運(yùn)行的狀態(tài)。如果倒車時(shí)動(dòng)力電池電量不足，汽油機(jī)會(huì)啟動(dòng)，行星座開始正轉(zhuǎn)（由于汽油機(jī)只能正轉(zhuǎn)，所以行星座永遠(yuǎn)是正轉(zhuǎn)的）。但行星座的正轉(zhuǎn)?不影響齒圈（2號(hào)電機(jī)）的反轉(zhuǎn)，也不影響太陽(yáng)輪（1號(hào)電機(jī)的正轉(zhuǎn)），這是4個(gè)行星齒輪的功勞。由于汽油機(jī)啟動(dòng)了，這時(shí)1號(hào)電機(jī)以發(fā)電機(jī)模式工作，向動(dòng)力電池充電。

現(xiàn)在我們可以做一個(gè)總結(jié)了。普銳斯是電子控制無(wú)級(jí)變速實(shí)際上有兩個(gè)層次：第一個(gè)層次是控制車速的無(wú)級(jí)變速，主要由行車電腦、PCU和兩臺(tái)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)；第二個(gè)層次是內(nèi)部工作方式的無(wú)級(jí)變速，即兩臺(tái)電機(jī)和汽油機(jī)之間不同轉(zhuǎn)速和不同旋轉(zhuǎn)方向之間的無(wú)級(jí)變速，除了電子系統(tǒng)的調(diào)節(jié)以外，還利用了行星齒輪組類似差速器的特點(diǎn)，讓1號(hào)電機(jī)、2號(hào)電機(jī)、汽油機(jī)各自以任意速度和不同方向旋轉(zhuǎn)，互不干擾，而且既不要變速箱，也不要離合器。

這一切都電子無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)加上行星齒輪組的杰作。電子控制的無(wú)級(jí)變速ECVT的這些性能絕不是鋼帶式的無(wú)級(jí)變速CVT所能比擬的，也不會(huì)出現(xiàn)鋼帶式CVT那種“打滑”的感覺。

由于雷克薩斯CT200實(shí)質(zhì)上是換了馬甲的普銳斯3代，所以這里的解讀大概也適用于CT200。