毫无疑问，未来的一个不会短的时期里面，节能减排无疑是汽车设计的主流趋势。在1997年丰田首次推出Prius，成为世界首台大规模量产的油电混合汽车。即使当时由于高昂售价而未获得普及，但油电混合在当时已经成为不少汽车生产厂迅速上马的项目。时至今天，各种油电混合、插电混动、纯电汽车已经成为各种抢占眼球和科技高地的杀手锏。不过无论对纯汽油时代多么眷恋，无可否认，新能源时代已经来到了我们身边。
油电混合主要分为混联式、增程式和插电式三种。第一种是不需要独立充电，而使用过程中油电是无缝介入，自主进行充电和放电（注：混联式一般分强混合弱混，区别为发动机功率和电动机功率的差别。现在主流的混联式都属于强混）。第二种则是一种使用汽油机单独作发电机，而驱动汽车只使用电机。第三种则是最简单粗暴的将电动系统和传统的内燃机系统整合在一起，两个系统都需要单独加油和充电才能完整使用整套混合动力系统，一般可以使用纯电或者油电混合两种模式，两套系统都使用各自的动力储备而互不相干。以技术上来说，第一种混联式最适合一般使用习惯，通用性最强，但在技术标定和整套混合动力控制方面也是最复杂。当中，属丰田的THS（ToyotaHybrid Systerm）混合动力系统算是业界最强之一。
图：混能式在本田上最初的作品就是CR-Z，不过由于电动机功率过小，只能属于弱混，无法单独驱动汽车，电动机只能做动力辅助补充的角色。
图：混能式最普及的例子就是丰田的THS系统。
图：增程型混合动力最著名的例子就是图中的Fisker Karma。
图：BYD的混合动力系统一度引起了国内的话题，原因是其极强的动力表现。其混合动力系统类似于在传统汽油动力的车辆上，变速箱输出末端增加一组电动机和电池，由此来获得混合动力的效果。由于是插电式使用，不充电的话是不能使用电动驱动部分，引擎无法产生电能。
丰田的THS混合动力系统从初代Prius开始，到现在已经发展至第三代THS-III。THS系统基本上用于丰田所有的混合动力汽车，包括丰田和雷克萨斯的所有混合动力车型都会使用这套系统，譬如Prius、CT200h、各种双擎，乃至LC500H。而其中，基于PSD的E-CVT则是整套系统中的技术核心所在。由于丰田在设计出这套系统时申请了专利，因此现在其他车厂的混合动力系统都不能使用这套设计。不过这套专利在2017年到期，丰田宣称将会开发出全新的系统，而各车厂又会如何跟进，这就是另外一个问题了。不过到目前为止，这套基于PSD的E-CVT将会是丰田THS系统中最重要的组成部分，也是现在混合动力系统中最可靠和高效的设计。
图：丰田的ECVT是整个混合动力系统的核心设计。
图：本田的混合动力方式是在使用离合器的方式切换电动和汽油机。低速时使用电动机驱动汽车，汽油机负责发电，类似增程式混合动力。而高速则利用离合器接合让引擎使用固定减速比直接驱动车轮。当车速降低至一定程度时，引擎由于转速过低将会切断离合器连接而回归电动机模式。
题外话：现在不少厂家的宣传让人们习惯性思维认为用电就比用油环保。由于插电式电池容量较大，纯电模式也可以实现较长的续航距离，只需要充电就能实现0排放。相比混联式由于电能来源于发动机燃烧燃油，且由于电池容量小续航距离较短，汽车行驶过程中必须要使用燃油。在这种结论下，都会认为插电式比混联式更环保。不过现在我国的电能超过75%（2014年为75.2%）都来源于火力发电。而那些所谓的0排放插电式车型，在纯电模式下你可以类比成烧煤……相比于燃效更高的发动机而言，貌似前者的能耗更不可接受吧。笔者觉得，要插电的就买纯插电的电动车！如果混合动力还要插电才能运行的，那倒不如买混联式甚至是纯汽油车？至于说插电式动力比混联强的，电耗+油耗的总功率要是还不高那不如提头来见！还有那些说“我每个月插电的成本比用汽油的低”的时候，这是不是忘记了国内电价之低是建立在国内能源结构严重失衡，煤炭（甚至煤焦油）发电的过低成本上？
图：插电式混合动力（或纯电）的排放源头其实是在这里。
在解释这套THS的原理之前，先要和大家说说PSD（Power Split Device）。准确来说，PSD就是一套行星减速齿轮组。通常一套行星减速齿轮由外齿圈、中心的太阳齿和中间围绕太阳齿转动的行星齿轮组成。一般的行星齿轮的太阳齿为主动齿，外圈为动力输出端，而中间的行星齿就是从动齿。而丰田的E-CVT系统就是基于这套系统组成。
图：图上右侧的就是作为整套传动核心的PSD动力分配结构，其实就是一组行星齿轮组。
图：左侧较小的为发电机（兼顾引擎的起动机），右侧为主电机，用于驱动车辆和能量回收。中间连接的PSD通过传动机构将动力传输到终端（图中的THS II为链条式传动）。
丰田的THS系统具有三个动力源，汽油发动机（ICE）通过一枚单向离合器连接中间的行星齿轮架，行星齿轮架上的齿轮组则直接和太阳齿、外侧齿圈连接。行星齿轮在行星齿轮架上自由转动。1号电机（MG1）连接中间的太阳齿，2号电机（MG2）连接外侧齿圈。两个电机在被动转动的时候均可以当作发电机为电池充电。外侧的MG2直接和输出终端连接，因此其转速和轮上转速直接相关。MG1则同时作为汽油机的起动机使用，因此和传统汽油机不同，并不需要单独的设置启动装置。这就是整套E-CVT的组成部分。可以见到虽然同样称为CVT，但实际上其传动组件只有一组PSD，和传统使用钢带或者链条的CVT变速箱并不一样。整个变速过程，就和两个电机和发动机的转速有相关。发电机、电动机和高压电池之间使用一个交直流变频器负责当中的充放电和能量转换的控制。
其中，MG2主要用于驱动车辆，而MG1主要用于启动INS、发电和协调MG2/INS之间的转速关系而输出目标扭矩（也就是尽量让发动机的转速维持在最高能效转速范围内，约1,500-2,000RPM）。整套行星齿轮减速比约是1：2.6，也就是MG1转2.6圈的时候MG2转1圈（不过实际使用上，引擎使用MG1进行充电的效率并不如刹车时MG2作为能量回收充电效率高。而MG1更多是充当另外一个重要角色）。
图：整套PSD其实就是一个行星齿轮组。MG2主电机（红色部分）连接行星齿轮外框，主要负责驱动车辆和能源回收。引擎（蓝色部分）连接行星齿轮架，绿色部分为MG1发电机。
整套系统分为几种工况：
1、发动机对电池充电：当整车处于停止状态但电池电量低时，MG2通电输出反向扭矩固定外圈齿，MG1转动至发动机的最低工作转速，离合器接合帮发动机点火，之后ICE驱动MG1对电池进行充电。
2、起步/低速纯电行驶模式：汽车起步均由MG2驱动。起步之时踩下油门，MG2通过电池取电，直接驱动车轮转动。此时行星齿轮架被固定，MG1空转。如此时需要急速起步，MG1则会通电主动转动驱动行星齿轮架来发动引擎。
3、平路温柔行驶：当汽车超过纯电模式的最高限速时，离合接合并启动发动机运转。此时发动机驱动MG1进行发电驱动电能给MG2，MG2驱动车辆。多余的电能会充电。
4、重负载行驶：引擎加速驱动MG2和MG1。MG2用于驱动车辆，MG1为电池充电。
5、急加速：MG1成为电动机并正向旋转至最大转速，以便让引擎进入4,500转左右的最大扭矩转速推动车身。而MG2也从电池取电，以最大功率推动车身前进。实际上整个加速过程是两颗电机和引擎共同输出扭矩驱动车身。
6、刹车或者松油：发动机停转，车轮驱动MG2进行充电。
7、B档模式下刹车：车轮驱动MG2进行充电，同时MG1成为电动机，驱动引擎不点火空转进行发动机强制制动。
值得注意的是，由于电机都有最高转速保护，限制避免过高转速而烧毁。因此当引擎并没有启动的时候，最大时速是由MG1的最大转速决定（MG1的转速是MG2的2.6倍）。所以时速超过MG1的最大转速的时候，引擎就会开始转动，利用引擎的转速来降低MG1的转速（实际上，只要控制油门开度，在高速也可以开启纯电模式。此时引擎为空转，用于降低MG1的转速，但并不喷油做工）。
可以看到，实际上三个动力源通过一个行星齿组进行传动，三者除了可以完成扭矩和能量的输出转换以外，也有一个协调各部分转速，以让各方都在最高能效的转速域运转。譬如当时速稳定之后，MG1会强制通电反转，以降低引擎转速让能耗降低。而整套ECVT就是利用三者不同的转速转换协调，来完成无段变速和扭矩输出的最终结果。
因此内燃机实际上在整个运行过程中都会频繁着车和停转。即使THS的引擎会经常运转，但很多时候都会是负载极低，主要用于平衡MG1的转速或者用于充电，因此此时的能耗依然会相当低。整套系统作为协调转速和输出扭矩充当最重要角色的就是MG1电机，在运行时其会不断切换正反转和改变转速，其工况可以说是整套系统性能的决定者。当然，由于行车的状况比较复杂，因此整套系统的标定也比上面说的情况复杂得多，而实际的工况也不止是上面的7中模式，有兴趣的朋友可以深入研究。可以说，丰田的THS到现在为止依然是可靠性和效率最高的混合动力系统，且省去了原始自动变速箱的能量消耗，结构简单也能大大降低重量。不过由于需要三个输入动力源，因此可以说是专为Hybrid系统的一种变速箱设计。
丰田的第一套THS系统到现在一共发展了四代系统（THS I、THS II、THS III和THS IV），分别用在不同时期的车型当中。其中，作为最早投入使用的Prius车系一共四代都分别使用了THS的四代产品。
这是第一代普锐斯也就是第一代丰田混合动力系统THS I。左侧是一副1.5公升1NZ-FXE引擎，右则则是整套E-CVT的结构，可以看到MG1和MG2中间有一份PSD行星齿轮结构。而最终输出是通过链条传动到最终输出端。这也是整套HSD的核心部分，之后的三代THS系统也是运用这个基本设计原理。
图：第一代丰田混合系统就以E-CVT的方式，放弃了原来的传统变速箱结构，为混合动力带来一种新概念的变速箱理论。
图：第一代混合动力系统仅适用在第一代Prius上。
第二代Prius使用了第二代的丰田混合动力系统THS II，E-CVT的部分除了提高效率以外都是小调节为主，并没有太大的改动。传动依然是使用链条，引擎依然维持1.5公升的1NZ-FXE。不过整个运算系统和逻辑即重新计算，引擎的燃效也获得提高。除了普锐斯以外，也搭载在ToyotaAlphardHybrid、ToyotaHighlander/Kluger Hybrid和Toyota Estima Hybrid等车型上。
第三代就迎来了THS系统较大的变革。首先引擎从1.5公升的1NZ-FXE改为了1.8公升的2ZR-FXE，更大的马力和扭矩提供了更好的动力性能。其次由于之前提到，MG1的转速是影响整套系统的性能。因此丰田特意在PSD的基础上，在MG2增加了一组行星减速齿轮，以降低MG2和MG1的转速差，纯电模式的行驶可以更高，能耗也更合理。而MG1和MG2体积也得以缩小，从而缩小整个E-CVT变速箱的体积。另外，由于MG2已经有一级减速比，因此原来用链条传动可以改为齿轮传动，传动损耗也更小，因此节能效果更明显。
THS III也是国内最容易接触到的丰田混合动力系统。除了第三代普锐斯和雷克萨斯CT200H以外，国内的雷凌双擎、卡罗拉双擎也是使用这套THS III混合动力系统。
图：第三代THS III除了引擎采用1.8公升的2ZR-FXE以外，原来的链条传动改为齿轮传动是最大的分别。
图：可见在原来的PSD和MG2之间增加了一个行星减速齿轮，用于降低MG1和MG2的转速比率，以获得让MG1减速的效果。另外PSD整体的转速降低，等于多了一级减速比，因此可以使用减速比较小的齿轮传动代替原来减速比较大的链条传动。
图：可以看到，除了MG1和MG2的体积缩小以外，原来的链条传动需要多级减速才能达到目标输出转速和扭矩，现在只需要用齿轮传动，效率提升不少。
图：雷克萨斯第一台紧凑级别的混合动力车型CT200H就使用了和第三代普瑞斯一样的THS III混合动力系统。
图：国内的雷凌双擎和卡罗拉双擎ECVT依然是使用第三代的机构，不过混合动力管理系统则使用了第四代产品。
第四代THS IV系统是目前最新的丰田混合动力系统，暂时只有使用在最新一代普锐斯上。和上三代相比，THS IV最大的区别就是原来的电机属于串联机构，现在则变成了平衡轴结构。而转换成此结构的目的除了让整个变速箱更短以外，也是用这种传统减速齿轮的方式代替上一代THS III中MG2的行星齿轮减速结构。这样变速箱整体尺寸更短，部件更少，摩擦更低，整体能效上升，且依然能保证对MG1的减速效果。
图：平衡轴的布局除了缩短变速箱的长度以外，也可以通过传动减速齿的方式代替上一代MG2的行星减速齿轮，整体部件减少结构简化，变速箱内部传输损耗降低，提升能效。一系列的改进，让第四代普瑞斯的纯电行驶极速从70km/h上升至110km/h。
图：THS IV的ECVT暂时只有第四代普瑞斯在使用。
除了前置前驱使用的ECVT变速箱以外，丰田还研制出针对后轮驱动车型的混合动力变速箱。这是用于直置引擎后轮驱动的混合动力变速箱，被称为“multi stage hybrid”，譬如Lexus旗舰跑车LC500H 就是使用这样的机构。除了一样拥有MG1和MG2还有中间的PSD结构这种典型的丰田ECVT结构以外，输出也增加了一个4前速变速箱，能模拟10个档位，获得更低的终传比来获得更灵活的加速和更高的极速。
图：前面就是传统的MG1、PSD和MG2的串联机构，之后输出端再接一个四速AT变速箱，一共可以模拟10个档位。
其实在整个THS的研究中可以发现，引擎大部分时间都不是直接驱动汽车的动力源，整套系统的标定都相当复杂，且在驾驶过程中整个扭矩切换时随时进行。因此可以简单的人为、单纯增大引擎的马力对整套引擎的性能帮助并不大，甚至可能会产生让能效降低的导致又耗油性能又提不上去的恶果。因此对于坊间丰田混合动力系统对引擎作出改装却没收到满意效果（动力提升）的预期是可以理解的。至于要改写引擎部分的电脑估计由于会影响整套THS系统各部分的运作，估计是没有哪个厂商敢于一试。所以建议如果真要对丰田THS系统搭载车的动力不满意的话，可以适当增加一些提升引擎效率的产品，如点火、进气等部分。如果想大幅改动甚至外挂涡轮之类，笔者还是建议直接换车为好。毕竟其整套系统从硬件到软件的设计和标定都是追求能效，而不是极限驾驶性能。
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