《CR-V Hybrid》vs《RAV4 Hybrid》(三)油電混合動力《Toyota黑科技》

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《CR-V Hybrid》vs《RAV4 Hybrid》(三)油電混合動力《Toyota黑科技》▲因結構複雜,成本高昂,Toyota並不打算將Hybrid動力普及至中小型車款,目前仍是以中大型車款為主,如圖中的歐規Camry。

因疫情嚴重衝擊國際航空業與郵輪觀光,加上政策使然,歐洲電動車銷售量呈現突飛猛進的態勢,相較於2019年,2020年歐洲電動車銷售量大約成長了原有的一倍。但是當眾人歡呼之際,其實同樣被列為新潔淨動力車款的「PHEV」,即外部插電式Hybrid車款,銷售量比電動車更高!這意味PHEV的實用性與價格廣為消費者接受,沒有里程焦慮問題,只是台灣的政策遠遠跟不上歐美日,導致廠商導入的興趣缺缺,目前只有Volvo比較積極,但是在沒有任何優惠政策與環保補貼的情況下,價格則是Maserati的等級!

當然不能將目光放在窄小的台灣,未來政策說不定也會比照歐洲的情況,但更重點是~現階段PHEV的重要性不下於電動車,消費者接受度相對高,因此車廠在拼電動車之餘,無不積極經營PHEV市場。目前的PHEV幾乎都是從昔日的Hybrid動力演變而來,而Hybrid的鼻祖無疑就是Toyota。

不管是PHEV或是Hybrid還是入門的輕油電,未來台灣無法避免一場「Hybrid大戰」,問題只是時間的長短。依照目前充電樁的密度與成長等速度來看,台灣想要跳過Hybrid直接將電動車普及化,似乎沒有這麼簡單!於是先來搞清楚Toyota縱橫20年的Hybrid動力,到底神奇與神氣在哪裡?

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▲e-CVT發展至今已有多次改變,MG1與MG2有前後配置與左右擺放等不同設計,對應不同車型,此外還有縱置引擎專用的設計。

《CR-V Hybrid》vs《RAV4 Hybrid》(三)油電混合動力《Toyota黑科技》

▲圖中可以明確看到單向離合器與雙馬達的相對位置。

《CR-V Hybrid》vs《RAV4 Hybrid》(三)油電混合動力《Toyota黑科技》

▲行星齒輪組是e-CVT的關鍵機械設計,結構不複雜,但衍生的變化非常複雜。

硬體曾可貴  軟體價更高

上回提到Toyota e-CVT的關鍵性調節設計就是「行星齒輪組」,行星齒輪組從內到外分為「太陽齒輪、行星齒輪、環齒輪」三大部分,三者之間牽一髮而動全身,無法分離、處於恆常連結狀態,精確的連結設計如下:

◎ 引擎→行星齒輪 恆常連結

◎「MG1」一號馬達→太陽齒輪 恆常連結

◎「MG2」二號碼達→環齒輪 恆常連結

為何要用「MG1」與「MG2」來命名?因為這2顆馬達(Motor)都可以輸出扭力,也可以充當發電機使用(Generator)。但是就結構設計來說,MG1主要功能是發電機,兼具低功率輸出與引擎啟動功用,可直接省去配置在引擎旁邊的啟動馬達,簡單來說MG1就是「發電效率好、做工效率差」。至於MG2正好相反,主要結構就是高功率馬達,發電功能僅有「回收減速動能」之際才會用到。MG2體積雖然比MG1大得多,但強項就是高功率輸出,發電效能反而不及MG1。

在此釐清幾個重要觀念,那就是「功率馬達結構≠發電機結構」,並非將功率馬達「逆轉」就能當發電機使用,其實正轉也能發電,但終究都是低效率的作法。此外,也不是將電極接線位置調整一下,馬達與發電機的功能就能相互轉換,事實上,二者設計不一樣就是不一樣!雖然說馬達可以充當發電機使用,但效率就是差,反過來亦是如此。

再者,交流電馬達適合高功率、高轉速、高溫度等「三高」車用環境,相較下直流馬達體質嬌嫩、維護成本高,僅有「轉速容易控制」這項優點。此外,交流電發電機的效率同樣高於直流電發電機,所以Hybrid動力都是使用「交流電」馬達與發電機。

但聰明的讀者應該很快就看出問題所在:Hybrid的電池模組不都是高壓直流電嗎?那Toyota Hybrid整個系統要在「電池模組、放電、充電、MG1、MG2、功率、發電、交流、直流、高壓、低壓…」等複雜狀況不停地運作,而且每個單元都必須要能「雙向運行」,電能管理系統的硬體與軟體設計,豈不是非常複雜嗎?

沒錯!Hybrid最難搞定的部分其實是「電能管理」,專利設計更是不在話下,不只要會跑、而且還要很省電,所以各種Hybrid系統最精華的部分,幾乎都不是硬體設計,即便將Toyota e-CVT設計整個拷貝+複製,也沒有任何一家車廠有把握調校得比RAV4 Hybrid更優異,基本上想追平都很難!

因此Honda e:HEV與Nissan e-Power的節能功效能迎頭趕上Toyota的Hybrid科技,都是很不容易的事!結構設計是一回事、調校則是更困難的事,畢竟Toyota最早起步,調校功力早已如火純青…

《CR-V Hybrid》vs《RAV4 Hybrid》(三)油電混合動力《Toyota黑科技》

▲e-CVT系統配置圖,這已經算是「清晰易懂」的繪製版本,但相信多數讀者看起來還是很吃力。

《CR-V Hybrid》vs《RAV4 Hybrid》(三)油電混合動力《Toyota黑科技》

▲Toyota Hybrid關鍵技術其實不是e-CVT,而是「電能管理系統」!

《CR-V Hybrid》vs《RAV4 Hybrid》(三)油電混合動力《Toyota黑科技》

▲可以對應各種車速實踐「油+電」複合動力輸出,這就是Toyota最「黑」的科技精髓!

回過頭再來看Toyota e-CVT結構,結構雖然沒有8AT、10AT變速箱那麼難,體積也不算大,但是比Honda、Nissan更複雜絕對是肯定的,不只具備「純電行駛、引擎行駛、油電複合」三種單一與交叉式的做功狀態,而且可以對應極廣的行車速度隨意切換。

◎  MG2做功  純電行駛模式

用於起步、中低速、低負荷狀態,高速雖然也可以使用,但是馬達在高轉速狀態的效率相對低,耗電量大,難以長時間運行,所以出現時機當然就是電池電量充裕狀態,該說不用白不用嗎?

◎  MG2+MG1做功  純電行駛模式

雙馬達的優勢就是一起做功囉!純電行駛模式下如果MG2功率輸出吃緊時,MG1可以助一臂之力,MG1主要功能雖然是發電,但功率輸出仍有MG2的3~5成(各Hybrid車型設計不同),換句話說加上MG1的加持,純電模式最大輸出功率可以增加1.3~1.5倍左右。當然這並非常態,因為MG1的使力過程,必須通過行星齒輪組來傳遞,摩擦與慣性耗損較大,不適合長時間使用。

◎ MG2+引擎做功  油電複合狀態

油+電一起做功絕對是最理想的高功率狀態,但不需要MG1插手,怎說?因為先前提到MG1結構設計就是發電機,當功率馬達使用效能偏低(耗電),所以最佳節能狀態乃就是「MG2+引擎做功」,再加上MG1並不會破功,而是不會更好!

不過e-CVT並沒有傳統變速箱設計(相信讀者們沒有忘記),所以引擎只是藉由一組行星齒輪組做減速動作,相當於6AT的3檔齒比,在此情況下雖然省油,但是「MG2+引擎做功」所能對應的車速真的不大,總不能將引擎一路催到4000~6000rpm吧!那鐵定是又吵又不省油!所以「MG2+引擎做功」大概只能對應20~60km/h都會行駛狀態,引擎轉速大概就是1000~3000rpm,別以為這樣的引擎轉速偏低、輸出功率會不足,畢竟有大扭力的MG2馬達輔助,OK的啦!

◎ MG2+MG1+引擎做功  油電複合狀態

因為MG2+引擎做功難以應付低速與高速需求,此時就需要MG1引擎加入戰局,然而此時MG1最大功用並非動力的加成,而是「無段減速的達成」,藉由MG1馬達的正轉以及逆轉,可以擴大行星齒輪組的減速範圍,而且減速過程屬於沒有固定檔位的「無段」變化。因此這套系統為何稱之為「e-CVT」就是這個道理,雖然沒有傳統變速箱設計,但是藉由MG1馬達帶動太陽齒輪後,即可達成等同於CVT變速箱的功用,這絕對是高招!

因此Toyota e-CVT的「油+電」複合動力輸出狀態,可以從起步加速一直對應到極速狀態!而且可以隨時切掉電力輸出,改為純油行駛狀態,但先決條件乃是MG1仍需適時做功,方能達成相對應的齒輪減速比,調配引擎轉速。如果是外部插電式的RAV4 PHV,因電池電力充沛,只要是在中度負荷以下,可以隨時切掉引擎動力輸出,自由度可說是極大化、隨心所欲!

至於Nissan e-Power只有單純的電力輸出模式,Honda e:HEV只能在80km/h以上進行油+電動力輸出與切換,由此不難想像Toyota e-CVT有多麼犀利!不過e-CVT仍有更多的變化與奧秘,之後再做進一步分析。

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