日系车的混合动力技术有什么区别？
之前在预告，即将到来的汽车工程界的盛会 - 知乎专栏 中，我提到过今年的SAE世界大会的五篇报告全部是围绕着搭载在雷克萨斯LC500h上的新型混动系统 Multi Stage Hybrid的研究： 本来打算着开完会回来说一说这个技术，而三个月过去了一直没有填坑……那就借这个问题来聊聊Multi Stage Hybrid和搭载它的LC500h Coupe。 所有人都知道丰田和雷克萨斯的关系，知道独步武林的丰田混动系统（Toyota Hybrid System，THS），而今天我们要说的技术属于雷克萨斯混动（Lexus Hybrid Drive，LHD）采用的这一Multi Stage Hybrid可以说是豪华后驱的“升级版”，雷克萨斯称之为智·混动。 （图1，LC500h与动力系统实物图，来源：2018 Lexus LC - Luxury Coupe ） Multi Stage Hybrid Transmission，直译就是多阶段混动变速器，这个多阶段主要体现在它的结构上——由一套eCVT（包括双电机与功率分流器）和一套四挡自动换挡机构（4AT）组成，编号为L310。 eCVT在量产混动的首次运用始于THS I，它使用了简洁的单排行星齿轮，连接发动机、电机、发电机三个动力源，从而实现多种混动模式以及无级变速。eCVT的核心就是功率分流器（Power Split Device，PSD）。PSD第一次在量产混动上投入应用是第一代丰田普锐斯。功率分流器实际是一个行星齿轮排，它由齿圈、行星排、太阳轮相互啮合，而它们各可以连接一个动力源。而之所以被称为功率分流，是因为它可以将发动机的功率分到不同的去向，可以让发动机功率在经过PSD后，一部分功率驱动车轮，另一部分功率进行发电。 （图2，功率分流器，PSD，来源：Working of a Power-splitter） 双电机加单排行星齿轮，就构成了第一代THS主要机构。在之后的第二代THS II，主驱动电机后添加了一个两档减速机构，这一代又被命名为Hybrid Synergy Drive，即HSD。相较于第一代系统，两档变速器的使用，使得电机可以更加紧凑，同时发动机的工作点也将得到优化。 在丰田这一独门秘籍发扬光大之时，雷克萨斯自然也要从中汲取精华。然而豪华品牌的混动车，和“平民品牌”对混动技术的需求，是略有不同的：如果说“平民品牌”丰田的混动专注在大幅提升经济性，“豪华品牌”雷克萨斯的混动则需要在降低油耗的同时，提高驾驶感受，保证充沛的动力性。豪华混动带来的，一方面是“环境友好”的科技标签和科技体验，另一方面，当然是豪华品牌本身就专注的：足够的动力与驾驶乐趣。所以鱼和熊掌，动力与油耗，两者都是豪华混动所追求的。 于是在HSD的节能技术基础上，2006年雷克萨斯推出了L110混动变速箱，它搭载于前置后驱的GS450h与LS600h，可以说是L310的前辈，先看看L110是怎么去兼得鱼和熊掌的： （图3，前一代混动变速箱——L110结构示意图，来源：SAE 2006-01-1339 Login - SAE Mobilus） L110使用了两档减速机构，连接在电机与输出轴之间（即图3右端的齿轮排），其主要的作用是在电机尺寸不增加的情况下，提高输出转矩。由于电机输出转矩与定子大小直接相关，如果要保持电机尺寸，除了在电机设计上再下工夫，就是对减速机构进行改善，这样在低速比时，可以提供更大的输出扭矩，来改善加速性能。而另一个高速比的使用，则让电机可以在高速工况下输出更高的转速。这一机构的另一个作用，还在于对电机工作点的优化，两档减速器可以更多的利用电机的高效区域，改善整体效率。实际上，在纯电动车上添加两档减速器，也是过去若干年里常用的方法，将电机的能力进一步发掘。 十年之后，L310则不再依赖两档减速器，而是直接在eCVT之后添加了一套换挡机构，形成了“双阶段变速”。这套系统的结构图和示意图分别如图3和图4。左侧是一套eCVT，右侧蓝色框中的是换挡机构。发动机（Engine）、发电机（Generator）、主驱动电机（Motor），分别连接在功率分流器（PSD）的行星排、太阳轮和齿圈，之后由齿圈连接的输出轴，又作为换挡机构的输入。 （图3，L310结构图，包括了左侧的eCVT与右侧框中的换挡机构，来源：SAE 2017-01-1156 ） （图4，L310结构示意图，来源：SAE 2017-01-1156 Login - SAE Mobilus ） 增加了输出轴的变速器后，实际意味着eCVT的输出，自由度更大了，此番eCVT的输出不再是直接输出到车轮，而是可以有不同速比的变化。也就是说，即使是同一个工况，我也可以通过更多的手段去改变发动机和电机的工作点。这样做可以实现两个目标：更大的加速度——充分发掘发动机的转矩，和更低的油耗——优化发动机的工作点。这两大目标，也指导了L310的齿比设计（实际L110的两个档位，也是考虑这两个目标设计的）。最低档位，目的是充分挖掘加速能力；最高档位，是为了让高效区覆盖到最频繁使用的工况。 对比L110来说很容易理解，L110通过两档减速器来提升主驱动电机的输出转矩，而L310则可以同时提升电机和发动机的输出转矩。所以利用L310的机构，发动机的转矩可以相较L110的基础，提升3.5倍（图5）。 （图5，L310相较于L110，其发动机输出转矩提升，来源：SAE Login - SAE Mobilus） 值得一提的是，如果没有这个换挡机构，单就eCVT而言，发动机的工作范围是与发电机和电机相耦合的，当低速起动时，由于发电机的转速上限限制，发动机并不能随心所欲的提高输出。当加上4AT后，可以视作eCVT的输出范围得到了扩大，在低速时，同样的发电机转速限值下，发动机和电机可以用更大的转速进行输出，而把减速增扭的工作交给后面的换挡机构来完成。 与此同时，更多的档位，意味着发动机的高效工作点可以得到进一步的发挥，考虑到增加的齿轮机构的机械损失，整体效率图如图6。可以看到，在较为频繁的高速工况下，L310提供了一个可以实现更高效率的档位（图6）。 （图6，L310相较于L110，整体效率的提升，来源：SAE 2017-01-1173 Login - SAE Mobilus ） L310的机构较为复杂，研发中无疑面临着诸多难题，其中一大难点，就是混动的噪声。发动机和电机两个主振动源，都会激起电机和换挡机构之间的振动。  （图7，发动机和电机引起的振动，来源：SAE 2017-01-1157 Login - SAE Mobilus ） 为了解决这一问题，雷克萨斯在轴系间添加了一个降噪环（Tolerance Ring）。这个东西如图8所示，可谓貌不惊人。但是作用却着实了得，将整体的噪声降低了56%。围绕降噪环，雷克萨斯还设计了一系列润滑和力学特性的改善。毫无疑问，这个环的重点，并不在于其机械设计，而在于其材料选择。 （图8，降噪环实物图，来源：2017-01-1157 Login - SAE Mobilus ） 在论文演讲之后，有一位现场听众提问了降噪环的材料，不出意外的，主讲的Hiroyuki Tateno先生嘿嘿一笑，表示实在抱歉，这是机密：） 之后的一个问题我同样记得很清楚，一位问道，“请问这一系统的研发了多久？” Tateno先生看了一眼第一排列座的同事，肃然答道：  L310搭载于LC500h，这辆大约10万美金的豪华轿跑的名字中，LC来自于Luxury Coupe（经知友指正，应为Luxury Challenge），500是汽油版本的V8发动机排量5L，h则标志着hybrid。实际上混动版的发动机是3.5L的V6，看起来可能叫做LC350h更为准确，不过考虑到发动机之外还有大电机的输出，同样称之为500似乎也没有什么问题。 这辆车的汽油版有十个档位的10AT，于是偏执的工程师在混动版的LC500h上也设计了手动模式，同样有10个档位。但是我们知道，L310是无级变速器加四挡换挡机构，机械上完全不存在十个档位，它的十个档位是用eCVT标定出的档位与换挡机构的档位进行组合而得到的。这是什么意思呢？就好比是鸠摩智用小无相功使拈花指，大概如此了。 这么做的目的，颇为值得玩味。 今天的驾驶爱好者或许会更迷恋Tesla P100D疯狂的推背，被高频电流声所感动。但是不可否认，汽油时代走过来的很多人对手动挡与传统AT换挡的顿挫感，有一种执念。体验加速度的变化，看着发动机转速指针的摆动，是驾驶乐趣的一部分。你可以指摘雷克萨斯此举好比是用喇叭在电动车里播放引擎声，但是不可否认的是，它的确能撩拨一些老司机的肾上腺素，不可否认的是，它还的确很快。