新型汽车变速器 eCVT （一）

对于绝大多数人来说，变速器无非是车里的那个换挡杆。
对于工科出身的人，变速器意味着一大堆大大小小的齿轮。
对于汽车业内的工科人，变速器是由各种弹簧、齿轮、轴承、阀门等构成的精密机器。

然而，不论是在业内还是业外，汽车变速器在人们心目中的形象仍然与十几年前一样，变速器仍然只是传统的纯机械部件。近几年混动汽车崛起，变速器是在混动化中变革最为深刻的部件。

上个月在美国底特律的一个汽车展会上与一个展商聊天。该公司主要生产双离合变速器（DCT）及自动变速器（AT）内的弹簧。这些变速器专业人士，对变速器的电气化仍然很陌生。对变速器内如何嵌入电动机，及由此对变速器及驱动系统带来的影响了解甚少。这一点很让我惊讶。

与一些展商聊下来，给我的感觉是，各个零部件生产厂商都普遍专注于各自的传统产品，对于其他产品或是整个驱动系统缺乏整体的认识和技术更新。这应该是任何一个行业内都普遍存在的现象。

变速器电动化其实早已开始，各类电动化的变速器早已投产，各种新型的变速器方案也正在加紧研发。这中间，业界内最新的发展动向为 eCVT 变速器。

日本丰田与普锐斯

90年代时，混动系统对于汽车业来说还是一个颇为陌生的词。为了减低油耗，当时唯一合理的方式就是提升发动机与变速器的效率。此时的丰田特立独行，决定用混合动力的方式降低油耗。1997年，丰田推出了第一代普锐斯（Prius）。

第一代普锐斯的驱动系统结构极为简单，但在当时来说却非常新颖。一个行星齿轮组处于驱动系统的中心位置，行星齿轮组的三个轴分别与一台发动机（ICE，53 kW），一台发电机（MG1，18 kW）及变速器输出轴相连。除发电机外，系统中还安装有一台发电机（MG2，33 kW），用于直接推动变速器输出轴。总结来说，第一代普锐斯的变速器包括一个行星齿轮组、两台电机。变速器内找不到一个换挡元件。

通过发动机与发电机（MG1）的协同工作，普锐斯可以实现无级变速行驶。由于该系统区别于传统意义上的纯机械无级变速器（CVT），因此，这种“电动”的无级变速被称作 eCVT（electrical CVT）。

普锐斯的结构从第一代直至现在第四代经过不断调整更新，但是最核心的结构仍然保持不变，即用一个行星齿轮组进行功率分流。业内称普锐斯的这种结构为 Input-Split，即输入式功率分流，意思是发动机的功率在变速器的输入端被分成了两条分流：

第一条功率流完全由行星齿轮组传递至变速器的输出轴，这里，功率的传递完全通过机械形式进行，这份分流也被称为机械流。

第二条功率流完全不同，在这里，功率在变速器的输入端被传递给发电机（MG1）。在发电机内，机械能被转换为电能，再传递给电动机（MG2）。在电动机上，电能再次被转换为机械能，然后传递至变速器输出轴。这条功率分流被称为电动流。很明显，在电动流的传递中，能量的形式被转换了两次，导致电动流的传递效率很低。

以普锐斯为代表的输入式分流系统适合于城市内的低速行驶。在这种行驶情况下，系统有较高的效率。第三代普锐斯的市内油耗约为百公里3至4升。然而，在高速公路上，由于系统结构的限制，输入式分流系统内无可避免的会出现功率循环，导致系统效率大幅降低，油耗可以增加至2倍多¹。这也是这类系统的一个很大的缺点。

然而，即使有这样的缺点，丰田仍然通过普锐斯系统取得了巨大的成功，并将此混动系统（官方名称为THS，即Toyota Hybrid System）运用在不同的车型上。到2015年为止，丰田旗下共有超过800万台车²使用这种输入式功率分流混动系统。

1997年普锐斯推出时，欧洲汽车厂商对其不屑一顾，百般嘲笑。在2016年的今天，普锐斯已经成为了混动汽车的代名词。

美国通用与双模变速器

虽然德国人发明了汽车，然而历史上，汽车变速器的领衔人大部分时间却是美国人。

1939年通用公司（General Motors）研发出世界第一台自动变速器 Hydra-Matic，自此之后，通用公司在变速器领域一直处于领先地位。

90年代末，当丰田选择输入式功率分流式系统作为其发展方向时，通用公司也全力进军混动领域。通用的选择跟丰田很像，也是采用功率分流系统，然而却选择了另外一种分流系统，即复合式功率分流（Compund-Split)。

利用这种系统，在高速行驶时，变速器内的电动流可以被抑制在一个较低的程度，使得大部分能量都通过机械流传递，同时提供无级变速（eCVT）。

如之前提到过，机械流较电动流传递的效率高，因此，复合式功率分流系统在高速行驶时比丰田的输入式分流更具优势。然而，在低速行驶时，复合分流式系统反而效率更低。

为了解决这个问题，通用公司在它的变速器中结合了上述两种分流模式，即输入式和复合式分流。在低速行驶时，系统选用输入式分流，当汽车加速到高速时，变速器转换至复合式分流模式。

2005年时，通用公司联合宝马（BMW），戴姆勒（Daimler），克莱斯勒（Chrysler）组建 Global Hybrid Cooperation 联盟，并于2008推出了它在乘用车上的第一代 eCVT 产品，名称为Two Mode Transmission，即双模变速器。取这个名称正是因为其包含两个 eCVT 模式，即输入式和复合式两种模式。 该变速器的结构如下图。

这之后，通用陆续推出了几代更新的双模变速器。最新的一代产品安装在2016款 Volt 及 Malibu Hybrid 上。

由于通用公司最早对双模式变速器进行研究，今天，绝大多数双模（或是多模）变速器的专利都被通用公司包揽，可以说是独占了这一块巨大的市场。欧洲人在这一块被远远地抛在了后面。

通用 vs. 丰田

总结来说，丰田与通用选择了两套截然不同的方案。

两家公司在各自的方案下都已有多年的技术积累，同时，专利的划分到了今天已经非常明显。丰田主要占有输入式功率分流系统，而通用则独霸复合式功率分流系统。两者哪个更好，业界内没有一致的说法。

我曾经问丰田公司混动系统的高管 Heraldo Stefanon 丰田是否会大力研究复合式分流系统，得到的答复是丰田还是将重心放在输入分流上。在接下来的几年内，我们将看到这两类系统的并存及激烈竞争。通用与丰田的争斗将更加深入。

下一篇中，我会来谈谈欧洲及中国的 eCVT 产品。