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作者 CloudJ () 看板 car
標題 Re: [問題] 請問 toyota prius 有沒有變速？
時間 Mon May 8 18:11:45 2017
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很難得有看到討論Prius的PSD系統，小弟為油電車主，本身也是學機械
也有學電，剛好對油電車也很有興趣，就決定來加入混戰了XD(雖然lag很大?)
Prius的變速箱是E-CVT無段電子變速系統，你說他是不是變速箱，可以說是，也可以說
不是，他不僅僅是變速箱，還是一個油電混合動力的傳動系統，同時兼具引擎發電，再
生制動發電，馬達反托引擎啟動，馬達反托引擎耗能，引擎拖發電機發電轉成扭矩
等等神奇模式，正因為諸多模式，讓Prius的整體熱效率能提升到一個不錯的的境界
先讓我們談談E-CVT整個系統吧，其實你文章也整理得差不多了
基本結構就是
輪胎<-->MG2<-->引擎<-->MG1
輪胎跟MG2基本上是固定齒比但中間有一機制可提供離合，離合機制為合我不清楚
但此離合器僅用在N檔狀態，實際上油電車除了推車以外不應打入N檔這模式先不討論
引擎則夾在MG2跟MG1中間，理論上不會有滑差，引擎到行星齒輪間理論上應該沒有
經過液壓扭力轉換系統，但沒有的話自排油到底用在哪邊@@? 我也很好奇XD
Prius PHV則在引擎加入了單向離合器，協助高速純電行駛的時候不必拖引擎走
MG1 MG2 都是電動馬達，同步都扮演發電機的角色，MG2多數用來輸出MG1多數用來發電
所以大家習慣稱呼MG2大馬達MG1發電機，但事實上兩者都是雙向的，後面會介紹
什麼是變速箱，依你的內文比較偏向純齒輪機械結構的東西，可調變扭力根轉速
的裝置，才叫變速箱？
如果是這樣狹義的機械變速箱的話，Prius是沒有的，E-CVT雖然是一行星齒輪機構，
但他沒有具有任何可變齒輪比，他多數時間沒有辦法直接將引擎動力經過機械轉換直
接對輪胎進行輸出，沒錯是多數是時間XD
但就我的定義，只要是能夠轉換扭力跟轉速的裝置，都可稱為變速箱，不論是有離
合器純齒輪變比的傳統手排，還是有液壓轉換系統跟行星齒輪的自排，還是鋼帶系
統的CVT，還是擺脫傳統動力系統的E-CVT，我認為都算是變速箱，其關鍵在
速度<--->扭力轉換這個系統，能達到，我就認為他是變速箱，真正沒有變速箱的
應該只有純電車，因為電動馬達的特性，不需要變速箱。
先來說說為啥汽油車要變速箱？
http://classroom.u-car.com.tw/classroom-images/classroom/1-100/30/cc-8818.jpg
看一下汽油引擎的馬力扭力圖可以知道，引擎在一個轉速狀態下的扭力會最高
其他時間都會比較低，那又汽車甚麼時候會需要扭力呢？
起步、爬坡，高速再加速(超車)，前兩項大概都是在引擎運作在比較低速的狀態下
這時候若引擎轉速跟輪胎轉速是一個固定比的話，很難提供足夠的扭力輸出
所以需要透過變速箱，變速箱除了會直接把扭力放大外，還提供了一個功能
就是讓引擎運作在高轉速區，產生更大的功率(也就是較大的馬力)，
功率又等於速度乘上扭力，所以若引擎運作在更高轉速下，能提供的總功率就更多
自然同車速的狀態下就能提供更多扭力，這是一般變速箱的基礎概念
不管是手排，有扭力轉換器的自排，還是鋼帶的CVT，都脫離不了這個概念
E-CVT同樣也是這個概念，只是他的傳遞路徑不是單純只有力跟齒輪比的槓桿
而多了一個力轉電，電轉力的特殊路徑，這樣了路徑自然有好有壞
就以傳統手排車輛來說，離合器咬上幾乎不會打滑的情況下，動力可以直接輸出到輪胎上
幾乎沒有衰減，效率理論上是最高的，但手排的頓挫跟換檔麻煩，自手排成本又貴
再加上引擎運轉效率問題，除非你有夠綿密的齒輪比，否則一定不會運作在引擎的最高
效率區，一來一往，手排的一般駕駛情境傳動效率也不見得會贏過CVT，所以倒不見得要
把眼界放在動力傳遞損失上，不如看總輸出效益就好。
E-CVT的原理，引擎夾在MG1跟MG2間，引擎一轉，要嘛MG2轉，要嘛MG1轉，這是兩個的相
對運動，於是他達到了一個巧妙的平衡，當引擎的扭力不足的時候自然推不動輪胎(阻力
大)，但相對的他就會用更快的速度去推動MG1發電，MG1發電後升壓提供給MG2轉換成扭力
這就是E-CVT特殊的轉速轉扭力路徑而非傳統的齒比機構，你說效率高不高，事實上一定
不高，你把動能轉成電能損失，加上升壓損失，再加上電能轉動能損失，整個路徑上效率
其實是不太高的，但撇除傳遞損失來看，他還多了一個優勢，讓引擎運作在最佳效益區
多餘的能量拿來發電，儲存在電池內，在低功率需求時(滑行或穩速行進時)，則不需要
讓引擎運作在超低效率區，要知道一台車行駛在60KM穩速時，大概只要15p馬力就夠了
加上怠速熄火，類阿金森循環引擎的高效率，整體效率硬還是比汽油車高了一點
所以引擎其實會直接推動輪胎的，在低功率狀態ex.70km穩速進行，引擎不止直接推動
輪胎還會為了運作在最佳效率點，順便再推動MG1發電，等電池充飽後，或油門踩踏
深度降低的時候，就把引擎熄火，改用電動馬達純出力，至於需不需要把MG1鎖住讓
引擎直接100%推動輪胎呢，個人覺得是沒必要，因為它是一個自然平衡，多餘的力
就是拿來發電，不夠的力就是由MG2出力補上，需要扭力就透過電路路徑將引擎功率
透過MG1發電給MG2當紐力用，所以鎖定MG1相對來說是沒啥意思的，MG1要發電自然會
出現反推力，這時候一部份的引擎出力自然就會推去給輪胎了，鎖定MG1的話，就會
讓引擎跟輪胎變成一個最終傳動比，但這樣一來，引擎就不會運作在最佳效率點
反而不見得會是有優勢的狀態。
再來說說幾個電力跟動力傳遞路徑吧，順便說明E-CVT這段路徑有多精妙
http://eahart.com/prius/psd/
可以先玩玩PSD的行星齒輪三者的相對關係，你有機械底，應該會懂一些基本的概念
起步模式：
低速緩慢起起步：
100%馬達出力，電動馬達有低轉速時即有最大扭矩特性，起步用好用，市區塞車時是這
樣的模式，但其實不建議純電起步，大概在15~20KM/h讓引擎也啟動起來會更有效率。
一般起步：
大部分人開車習慣的起步速度會是比較和緩的起步，但此時為保護電池不做大電流輸出
，會點燃引擎運作在最佳效率點，但引擎總輸出功率大於系統需求功率，所以引擎多餘
功率會發電放在大電池，供未來使用，但此時MG2仍會出力，因引擎扭力不足，即便引
擎已經點燃，仍須透過MG1發電升壓轉MG2扭力路徑。
最佳狀況起步：
Prius推薦的起步模式，直接在起步狀態踩踏油門至接近PWR區域，此時輪胎輸出功率
約等於引擎最佳效率運轉點的總功率，此時電流路徑不再進到電池，而是引擎點火後
一部份力量推動MG2，另一部分推動MG1發電轉MG2補充扭力，因為不進到電池，可以
減少充放電的電池壽命消耗，同時避免因為純電動起步給人烏龜印象。
全油門彈射起步：
很抱歉，他不是特斯拉，即便他有一個大功率的電動馬達，應該可以瞬間起步很有力
但考量輪胎抓地力，電池放電能力，變頻器等限制，Prius並不允許太彈射起步的狀況
但值得一提的是，因為電動馬達可以直接滿扭矩輸出(但被電腦限制)，所以Prius起步
那一瞬瞬間是還有一點點感覺的，全油門起步的狀態，引擎會直接點火並往全功率方
向輸出，此時全力推動MG1發電MG1發電再併入電池的電力，合併推動MG2給予滿滿的
扭力，但電池不足的狀態下時，就會少了電池合併輸出那段，所以要尬起步時，可能
要先偷偷存一下電池電量表現會好很多XD
巡航穩速狀態：
低速巡航：
當時速70以下(概值視坡度跟順逆風+-20)的時候，此時維持定速的狀態，總需要的功
率略小於引擎最佳點，所以會視電池容量，電池容量低就引擎發動多於動力充電，電
池容量還夠，就純電滑行，但此時電動行駛的時候，因固定行星齒比的關係會推動引
擎，避免MG1超轉，所以會有一點動力浪費在讓引擎空轉，這個問題在Prius PHV有加
入單向離合器來減少動力損失，另因PHV電池較大，允許較大電流輸出，所以可以有
足夠的電力同時推動MG1透過ICE的行星輪藕合動力入到MG2達成協同出力，而ICE行星
輪又有單向離合器的協助，動力只會推動到齒輪，不會拖動引擎，所以允許較高的純
電行駛車速。
中速巡航：
大概時速在70~100公里間，此時系統所需動力約等於引擎最佳出力點，故偶可短暫出
現引擎直推MG2的狀況出現，但很難維持在引擎直出，多數時間還是會有電流路徑產生
(就會有轉換的loss)，大部分的高階油電車主會用P&G技巧來達到更高的油耗數值，
即踩踏油門深度到最佳功率點，讓車子提速後，再用微電滑行(但出力不夠)，反覆運作
在引擎最佳效率跟馬達出力兩者間切換。
高速巡航：
時速100+2的時候，因此時風阻過大，引擎的最佳效率點輸出功率仍不夠讓車子維持
在定速，故引擎開始增加運轉功率(進入PWR區域)，將多餘的動力推向輪胎跟MG1發電
時速越高，Prius的效率會越來越差，慢慢與汽油車逼近，甚至在部分狀況下，因電能
轉換損失，引擎效率還會輸給純汽油車(預計160km/h+)
減速模式：
你的文章有一點搞錯了，就是MG1雖然是發電機，再生制動的時候是透過MG2來執行的
並沒有將動力傳到MG1再發電，那是脫褲子放屁，正如你文章所說，發電機跟馬達是
一體的，看你給他電還是取的他反電動勢而已。
高速輕煞減速模式：
此時透過MG2直接回收動力進大電池來達到電磁再生制動的優勢，不僅可以減緩車速，
還可以把多餘的能量回收交給下次使用。
高速重煞模式：
為保護電池，MG2再生發電功率有限(電流太大電池無法負荷)，當電磁制動力不足時，
來令片的機械煞車就會介入輔助，兩者一起煞車。
低速輕煞模式：
前期還是靠MG2回收動能，但因馬達運轉速度沒到一定程度的時候，會無法提供一個
有效的電磁制動能力，故會有一個銜接期大概在12Km/h時會轉換機械煞車，這個非線
性區，讓油電車主對煞車的控制性會覺得有點難控制。
爬坡模式：
因爬坡時，需要大量扭力，，而沒有齒比變速箱的Prius，引擎自然無力直接推動輪胎
多數力量拿去推動MG1，再靠MG1強力發電供給MG2轉換為扭力用，此時油電混合系統效
率不佳，且引擎全速運轉，馬達發電機也都全速運轉，電池也重負荷，會有油電系統
過熱的狀況發生，長途爬坡算是油電車比較弱的項目，只算爬坡的效率也可能會輸給
很多普通汽油車。
下坡模式：
下坡時汽油引擎可以產生引擎煞車，而油電引擎同樣也能產生引擎煞車，只是他的煞
車能量分配路線很詭異就是，是由MG2再生制動，此時電池會開始充電，但當電池快
滿電的時候，就沒辦法再充更多電進去了，此時MG1轉動變馬達，靠MG1 MG2的速差拖
動引擎，降動能轉成熱能消耗掉
起步/停止時點火模式：
因MG2直接連接輪胎，車子又處在靜止狀態，MG2無法拖動引擎，此時由MG1轉動帶動引
擎，引擎點火後又繼續帶動MG1發電，因MG1也是一顆不小的馬達，且有高壓大電池帶
動，比起傳統的汽油車啟動的不適感好很多，開過油電車會覺得汽油車的SmartStop
讓人很難過。
行進點火模式：
在行進間若時速超過40mph，為避免MG1轉速超速，會自然帶動ICE，所以行進間要點火
易如反掌，只要小小的加強MG1的發電量，就會讓引擎轉速提升到合適點火的轉速了
倒車模式：
由於變速箱沒有反向齒比，所以Prius只能做到純電動倒車(因為馬達可以隨意正反轉)
但當電池又不夠力的時候，此時就會出現一個引擎跟馬達出力方向不同的奇怪模式，
馬達想倒車，但引擎只能正轉，所以會減低馬達倒車扭力，但還好引擎扭力很低，不
會太用力去推動MG2，此時MG2強力激磁逆轉，引擎又強制點火，會出現MG1高轉發電
的狀況，同樣效率不是很好，而且倒車扭力會因此下降(馬達跟引擎出力向打架)，不
過還好的是，應該不會太常遇到倒車爬坡的狀況，就算有應該也不會太長，電池有點
電的時候倒車都會盡量純電，電池真的沒電倒車點火時會有明顯的銜接不順感。
MG1空轉模式：
在某些特定的狀況下，因油電混合系統溫度過高，為保護電池避免熄火，降低變頻器
負載等狀況，會強制將引擎以低負載狀態點火，MG1則不發電(可能電池滿了，又或者
溫度過高了)，MG1只發供給MG2的適當電量，以求降低油電系統(電池)溫度，連續爬
坡或激烈操駕時偶會遇到。
引擎空燒保溫模式：
在天氣冷的時候因引擎若低於一定溫度，隨時可能因車主油門踩踏需求需要點火時
潤滑不足，為保護引擎，保持引擎隨時可以工作的狀態下，水溫太低會點燃引擎，
讓引擎保溫在工作溫度，已確保引擎隨時可運作，強制點火保溫時，若電池已滿，
則會順便進入MG1空轉不發電狀態。
油電是個很有趣的系統，他不僅僅是油電系統，同是也是動力變速系統，還有興趣的話
歡迎提出，我了解的部分，會盡量為你解答。
另外油電系統也有其他很巧妙的設計
EX.汽油引擎壞了怎辦？MG1壞了怎辦？MG2壞了怎辦？
Toyota設計油電系統時都有應急措施(當然這些措施很有限，就是讓你能先把車移到安全
位置而已)
汽油引擎壞了，會允許MG2消耗電池驅動車輛，當電池電量消耗完畢後，因沒有ICE加入
發電行列，最後就不能動了。
MG2壞了無法驅動時，則瘋狂驅動ICE將引擎提升到高扭力區，並透過MG1些微發電提供反
力讓引擎拖動MG2同時帶動輪胎，但因為MG1此時是靠發電來反拖動車輛，當電池充滿後
因MG1不再能充電，車輛就不得再運行，但因為是發電，可以做弊，加強冷氣大燈等耗電
用品，讓電池飽和時間延成，苟延殘喘久一點XD
MG1壞了無法發電時，因無法拖動ICE點火，只能靠MG2消耗最後電池的電量來驅動車輛
電池一但耗盡，就宣告應急措施陣亡。
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