Hybrydowy napęd synergiczny

Logo Hybrid Synergy Drive

Hybrid Synergy Drive ( HSD ), znany również jako Toyota Hybrid System II , to marka Toyota Motor Corporation dla technologii układu napędowego samochodów hybrydowych stosowanej w pojazdach marki Toyota i Lexus . Technologia ta , wprowadzona po raz pierwszy w Priusie , jest opcją w kilku innych pojazdach Toyoty i Lexusa i została dostosowana do elektrycznego układu napędowego napędzanego wodorem Mirai oraz do hybrydowej wersji plug- in Prius . Wcześniej Toyota udzielała również licencji na technologię HSD firmie Nissan do użytku w Nissanie Altima Hybrid. Jej dostawca części Aisin Seiki Co. oferuje podobne przekładnie hybrydowe innym firmom samochodowym.

Technologia HSD tworzy w pełni hybrydowy pojazd, który pozwala samochodowi jeździć wyłącznie na silniku elektrycznym, w przeciwieństwie do większości hybryd innych marek, które nie mogą i są uważane za łagodne hybrydy . HSD łączy również napęd elektryczny i przekładnię planetarną , która działa podobnie do przekładni bezstopniowej . Synergy Drive to typu drive-by-wire bez bezpośredniego mechanicznego połączenia między silnikiem a elementami sterującymi silnika: zarówno pedałem gazu/gazu, jak i dźwignią zmiany biegów w samochodzie HSD wysyłają jedynie sygnały elektryczne do komputera sterującego .

Logo napędu hybrydowego Lexusa

HSD to udoskonalenie oryginalnego systemu Toyota Hybrid System ( THS ) używanego w Toyocie Prius w latach 1997-2003. System drugiej generacji pojawił się po raz pierwszy w przeprojektowanym Priusie w 2004 roku. Nazwę zmieniono w oczekiwaniu na jego zastosowanie w pojazdach spoza marki Toyota ( Lexus ; systemy wywodzące się z HSD stosowane w pojazdach Lexus zostały nazwane Lexus Hybrid Drive ), został wdrożony w modelach Camry i Highlander z 2006 roku i ostatecznie zostanie zastosowany w Priusie „trzeciej generacji” z 2010 roku oraz Priusie c z 2012 roku . System hybrydowy Toyoty został zaprojektowany z myślą o zwiększeniu mocy i wydajności, a także ulepszonej „skalowalności” (możliwość dostosowania zarówno do większych, jak i mniejszych pojazdów), przy czym ICE / MG1 i MG2 mają oddzielne ścieżki redukcji i są połączone w „związek” bieg, który jest połączony z końcowym zespołem przekładni redukcyjnej i mechanizmem różnicowym; został wprowadzony z napędem na wszystkie koła i napędem na tylne koła modele Lexusa. Do maja 2007 roku Toyota sprzedała na całym świecie milion hybryd; dwa miliony do końca sierpnia 2009 roku; i przekroczył granicę 5 milionów w marcu 2013 roku. We wrześniu 2014 roku na całym świecie sprzedano ponad 7 milionów hybryd Lexusa i Toyoty. Stany Zjednoczone odpowiadały za 38% globalnej sprzedaży hybryd TMC w marcu 2013 r.

Zasada

Silnik Toyoty 1NZ-FXE (po lewej) z wczesnym HSD, podzielony i podświetlony (po prawej). Pokazano Generację 1 / Generację 2, łańcuchową, ICE-MG1-MG2 Power Split Device HSD.

System HSD Toyoty zastępuje normalną przekładnię zębatą systemem elektromechanicznym . Silnik spalinowy (ICE) zapewnia najbardziej wydajną moc w małym zakresie prędkości , ale koła muszą być napędzane w pełnym zakresie prędkości pojazdu. W konwencjonalnym samochodzie przekładnia zębata dostarcza na koła różne dyskretne wymagania dotyczące mocy i momentu obrotowego silnika. Przekładnie zębate mogą być ręczne, ze sprzęgłem lub automatyczne, z przemiennikiem momentu obrotowego , ale oba pozwalają silnikowi i kołom obracać się z różnymi prędkościami. Kierowca może regulować prędkość i moment obrotowy dostarczany przez silnik za pomocą pedału przyspieszenia , a skrzynia biegów mechanicznie przenosi prawie całą dostępną moc na koła obracające się z inną prędkością niż silnik, o współczynnik równy przełożeniu dla aktualnej wybrany bieg. Istnieje jednak ograniczona liczba „biegów” lub przełożeń , z których kierowca może wybierać, zazwyczaj od czterech do sześciu. Ten ograniczony zestaw przełożeń napędza wał korbowy silnika obracać się przy prędkościach, przy których ICE jest mniej wydajny, tj. gdzie litr paliwa wytwarza mniej dżuli. Optymalne wymagania prędkości obrotowej silnika i momentu obrotowego dla różnych warunków jazdy i przyspieszania pojazdu można zmierzyć, ograniczając obrotową obrotomierza lub hałas silnika w porównaniu z rzeczywistą prędkością. Gdy wymagana jest wydajna praca silnika w szerokim zakresie obrotów, ze względu na jego sprzężenie z przekładnią zębatą, producenci mają ograniczone możliwości poprawy wydajności , niezawodności lub żywotności silnika, a także zmniejszenia rozmiaru lub masy silnika. . Właśnie dlatego silnik do generator-silnik jest często znacznie mniejszy, wydajniejszy, bardziej niezawodny i ma dłuższą żywotność niż ten przeznaczony do samochodów lub innych zastosowań o zmiennej prędkości.

Jednak bezstopniowa przekładnia umożliwia kierowcy (lub komputerowi samochodowemu) skuteczny wybór optymalnego przełożenia wymaganego dla dowolnej żądanej prędkości lub mocy. Przekładnia nie jest ograniczona do stałego zestawu biegów. Ten brak ograniczeń pozwala silnikowi pracować przy optymalnym zużyciu paliwa przy hamowaniu . Pojazd HSD zwykle uruchamia silnik z optymalną wydajnością, gdy potrzebna jest moc do ładowania akumulatorów lub przyspieszenia samochodu, całkowicie wyłączając silnik, gdy wymagana jest mniejsza moc.

Podobnie jak CVT , przekładnia HSD w sposób ciągły dostosowuje efektywne przełożenie między silnikiem a kołami, aby utrzymać prędkość obrotową silnika, podczas gdy koła zwiększają swoją prędkość obrotową podczas przyspieszania. To dlatego Toyota opisuje pojazdy wyposażone w HSD jako posiadające e-CVT ( elektroniczną przekładnię bezstopniową ), gdy jest to wymagane do sklasyfikowania typu skrzyni biegów na listach specyfikacji norm lub do celów regulacyjnych.

Przepływy mocy

W konwencjonalnej konstrukcji samochodu oddzielnie wzbudzany alternator ze zintegrowanym prostownikiem (generatorem prądu stałego) i rozrusznikiem (silnikiem prądu stałego) są uważane za akcesoria, które są przymocowane do silnika spalinowego (ICE), który normalnie napędza przekładnię napędzającą koła napędzające pojazd. Akumulator służy wyłącznie do uruchamiania silnika spalinowego samochodu i zasilania akcesoriów, gdy silnik nie pracuje. Alternator służy do ładowania akumulatora i zasilania akcesoriów, gdy silnik pracuje.

System HSD zastępuje przekładnię zębatą, alternator i rozrusznik:

  • MG1 , silnik-prądnica prądu przemiennego z wirnikiem z magnesami trwałymi , używany jako silnik podczas uruchamiania silnika spalinowego i jako generator (alternator) podczas ładowania akumulatora wysokonapięciowego
  • MG2 , silnik-prądnica prądu przemiennego, posiadająca również wirnik z magnesami trwałymi, wykorzystywana jako główny silnik napędowy oraz jako prądnica (alternator), którego moc regeneracji kierowana jest do akumulatora wysokiego napięcia. MG2 jest generalnie mocniejszym z dwóch generatorów silnikowych
  • Energoelektronika , w tym trzy przetwornice DC-AC i dwie przetwornice DC-DC
  • Skomputeryzowany system sterowania i czujniki
  • HVB , akumulator wysokiego napięcia, pobiera energię elektryczną podczas przyspieszania i pochłania energię elektryczną podczas hamowania regeneracyjnego

Dzięki rozdzielaczowi mocy szeregowo-równoległy w pełni hybrydowy system HSD umożliwia zatem następujące inteligentne przepływy mocy:

  • Zasilanie pomocnicze
  • Ładowanie silnika (doładowanie i/lub ogrzewanie katalizatora i/lub komfort wnętrza HVAC)
    • ICE -> MG1 -> HVB
  • Akumulator lub napęd elektryczny
    • HVB -> MG2 -> koła
  • Silnik i napęd silnikowy (umiarkowane przyspieszenie)
    • LÓD -> koła
    • ICE -> MG1 -> MG2 -> koła
  • Napęd silnika z ładowaniem (jazda po autostradzie)
    • LÓD -> koła
    • ICE -> MG1 -> HVB
  • Silnik i napęd silnikowy z ładunkiem (sytuacje z dużą mocą, np. na stromych zboczach)
    • LÓD -> koła
    • ICE -> MG1 -> HVB
    • ICE -> MG1 -> MG2 -> koła
  • Pełna moc lub stopniowe zwalnianie (sytuacje z maksymalną mocą)
    • LÓD -> koła
    • ICE -> MG1 -> MG2 -> koła
    • HVB -> MG2 -> koła
  • Hamowanie w trybie B
    • Koła -> MG2 ->HVB
    • Koła -> MG1 -> ICE (ECU - Electronic Control Unit - wykorzystuje MG1 do obracania ICE, który drenuje akumulator - umożliwiając większe ładowanie z MG2, a także łączy ICE z kołami, powodując „hamowanie silnikiem”; RPM ICE wzrasta, gdy poziom naładowania HVB jest zbyt dużo, aby zaakceptować regenerację energii elektrycznej z MG2 lub zwiększenie wysiłku ze strony kierowcy wciskającego pedał hamulca)
  • z hamulcem regeneracyjnym
    • -> MG2 -> HVB
  • Ostre hamowanie
    • Przednia tarcza / tylny bęben (tylny dysk w Wielkiej Brytanii) -> koła
    • Wszystkie tarcze -> koła (2010 i nowsze, z wyjątkiem aktualnego Priusa c z 2012 roku, który wykorzystuje przednią tarczę, tylny bęben).
Energoelektronika od Priusa NHW11 „Classic”

MG1 i MG2

  • MG1 (Pierwotny silnik-generator): silnik do uruchamiania silnika spalinowego i generator do generowania energii elektrycznej dla MG2 i do ładowania akumulatora trakcyjnego wysokiego napięcia oraz , poprzez przetwornicę DC-DC , do ładowania pomocniczego akumulatora 12 V . Regulując ilość generowanej energii elektrycznej (poprzez zmianę mechanicznego momentu obrotowego i prędkości MG1), MG1 skutecznie kontroluje bezstopniową przekładnię skrzyni biegów .
  • MG2 (dodatkowy silnik-generator): napędza koła i odzyskuje energię do magazynowania energii akumulatora HV podczas hamowania pojazdu. MG2 napędza koła energią elektryczną generowaną przez napędzany silnikiem MG1 i/lub HVB. Podczas hamowania rekuperacyjnego MG2 działa jak generator, przekształcając energię kinetyczną w energię elektryczną, magazynując tę ​​energię elektryczną w akumulatorze.

Przenoszenie

Późna Toyota HSD, podzielona i podświetlona. Pokazano urządzenie 3. generacji, bezłańcuchowe, ICE-MG1 Power Split Device/MG2 Speed ​​Reduction Device HSD. To jest skrzynia biegów P510 z Priusa c z 2012 r.; skrzynia biegów P410 z Priusa 2010–2015 jest podobna, ale fizycznie większa; Skrzynia biegów P610 4. generacji z Priusa 2016– jest o 47 mm węższa niż P410 dzięki zastosowaniu silników umieszczonych obok siebie zamiast silników od końca do końca.

Mechaniczna konstrukcja przekładni systemu umożliwia podział mocy mechanicznej z ICE na trzy sposoby: dodatkowy moment obrotowy na kołach (przy stałej prędkości obrotowej), dodatkowa prędkość obrotowa na kołach (przy stałym momencie obrotowym) oraz moc dla generatora elektrycznego . Komputer obsługujący odpowiednie programy steruje układami i kieruje przepływem mocy z różnych źródeł silnik + silnik. Ten podział mocy zapewnia korzyści płynące z bezstopniowej przekładni (CVT), z wyjątkiem tego, że konwersja momentu obrotowego / prędkości wykorzystuje silnik elektryczny zamiast bezpośredniego mechanicznego połączenia przekładni. Samochód HSD nie może funkcjonować bez komputera, energoelektroniki, akumulatorów i agregatów prądotwórczych, chociaż w zasadzie mógłby działać bez silnika spalinowego. (Patrz: Hybryda plug-in ) W praktyce samochody wyposażone w HSD mogą przejechać milę lub dwie bez benzyny, jako środek awaryjny, aby dotrzeć do stacji benzynowej .

Skrzynia biegów HSD zawiera zestaw przekładni planetarnych , który reguluje i łączy wielkość momentu obrotowego z silnika i silnika (silników) zgodnie z potrzebami przednich kół. Jest to wyrafinowane i skomplikowane połączenie przekładni, elektrycznych silników-generatorów i sterowanych komputerowo elektronicznych elementów sterujących. Jeden z generatorów silnikowych, MG2, jest podłączony do wału wyjściowego, a tym samym przekazuje moment obrotowy do lub z wałów napędowych; dostarczanie energii elektrycznej do MG2 zwiększa moment obrotowy na kołach. Po stronie silnika wał napędowy ma drugi mechanizm różnicowy ; jedna noga tego mechanizmu różnicowego jest przymocowana do silnika spalinowego, a druga noga jest przymocowana do drugiego generatora silnikowego, MG1. Mechanizm różnicowy odnosi prędkość obrotową kół do prędkości obrotowych silnika i MG1, przy czym MG1 służy do pochłaniania różnicy między prędkością obrotową koła i silnika. różnicowy to zestaw przekładni epicyklicznych (zwany także „urządzeniem podziału mocy”); to i dwa generatory silnikowe są umieszczone w jednej obudowie skrzyni biegów, która jest przykręcona do silnika . Specjalne sprzęgła i czujniki monitorują prędkość obrotową każdego wału i całkowity moment obrotowy na wałach napędowych, przekazując informacje zwrotne do komputera sterującego.

W HSD 1. i 2. generacji MG2 jest bezpośrednio połączony z kołem koronowym, czyli z przełożeniem 1:1 i nie zapewnia zwielokrotnienia momentu obrotowego, podczas gdy w HSD 3. generacji MG2 jest połączony z kołem koronowym przez 2,5: 1, a co za tym idzie, oferuje zwielokrotnienie momentu obrotowego 2,5:1, co jest główną zaletą HSD 3. generacji, ponieważ zapewnia mniejszy, ale mocniejszy MG2. Jednak dodatkową korzyścią jest to, że MG1 nie będzie tak często doprowadzany do nadmiernej prędkości, co w przeciwnym razie wymagałoby zastosowania ICE w celu złagodzenia tej nadmiernej prędkości; ta strategia poprawia wydajność HSD, a także oszczędza paliwo i zużycie ICE.

Akumulator wysokiego napięcia

Wysokonapięciowy akumulator niklowo-wodorkowy (NiMH) drugiej generacji Toyoty Prius .

System HSD składa się z dwóch głównych zestawów akumulatorów, akumulatora wysokonapięciowego (HV), znanego również jako akumulator trakcyjny, oraz 12-woltowego akumulatora kwasowo-ołowiowego, znanego jako akumulator niskiego napięcia (LV), który działa jako akumulator pomocniczy. Akumulator niskiego napięcia zasila elektronikę i akcesoria, gdy układ hybrydowy jest wyłączony, a główny przekaźnik akumulatora wysokiego napięcia jest wyłączony.

Akumulator trakcyjny to szczelny zestaw akumulatorów niklowo-wodorkowych (NiMH) . Zestaw akumulatorów Toyoty Prius pierwszej generacji składał się z 228 ogniw umieszczonych w 38 modułach, podczas gdy Prius drugiej generacji składał się z 28 pryzmatycznych modułów niklowo-wodorkowych firmy Panasonic, z których każdy zawierał sześć ogniw 1,2 V, połączonych szeregowo w celu wytworzenia napięcia nominalnego 201,6 wolty Zdolność rozładowania pakietu Prius drugiej generacji wynosi około 20 kW przy 50% stanie naładowania (SoC). Zdolność energetyczna wzrasta wraz z wyższymi temperaturami i maleje w niższych temperaturach. Prius ma komputer, którego zadaniem jest wyłącznie utrzymywanie akumulatora w optymalnej temperaturze i optymalnym poziomie naładowania.

Podobnie jak Prius drugiej generacji, akumulator Prius trzeciej generacji składa się z tego samego typu ogniw 1,2 V. Posiada 28 modułów po 6 ogniw o całkowitym napięciu znamionowym wynoszącym zaledwie 201,6 woltów. Przetwornica podwyższająca napięcie służy do wytwarzania napięcia zasilania 500 V prądu stałego dla falowników MG1 i MG2. Elektronika samochodu pozwala na wykorzystanie tylko 40% całkowitej pojemności znamionowej zestawu akumulatorów (6,5 amperogodziny) w celu przedłużenia żywotności akumulatora. W rezultacie SoC może zmieniać się tylko w zakresie od 40% do 80% znamionowego pełnego naładowania. Akumulator zastosowany w Highlanderze Hybrid i Lexusie RX 400h został zapakowany w inną metalową obudowę akumulatora z 240 ogniwami, które dostarczają wysokie napięcie 288 woltów.

Przycisk trybu EV w hybrydowej Toyocie Camry z 2012 roku .

Przycisk oznaczony „EV” utrzymuje tryb pojazdu elektrycznego po włączeniu iw większości warunków niskiego obciążenia przy prędkości mniejszej niż 25 mil na godzinę (40 km / h), jeśli akumulator trakcyjny jest wystarczająco naładowany. Pozwala to na jazdę w trybie całkowicie elektrycznym bez zużycia paliwa przez maksymalnie 1,6 km. Jednak oprogramowanie HSD automatycznie przełącza się w tryb EV, kiedy tylko jest to możliwe. Tylko Toyota Prius Plug-in Hybrid ma dłuższy zasięg jazdy na całkowicie elektrycznym trybie mieszanym , wynoszący 11 mil (18 km) ( EPA znamionową) aż do wyczerpania baterii. Prius PHEV jest wyposażony w opracowane wspólnie z firmą Panasonic akumulatory litowo-jonowe o pojemności 4,4 kWh , które ważą 80 kg (180 funtów) w porównaniu z akumulatorem niklowo-wodorkowym w Priusie trzeciej generacji , który ma pojemność zaledwie 1,3 kWh i waży 42 kg (93 funty). Większy akumulator umożliwia jazdę w trybie całkowicie elektrycznym przy wyższych prędkościach i na dłuższych dystansach niż konwencjonalna hybryda Prius.

Poniższa tabela zawiera szczegółowe informacje na temat pojemności akumulatorów HV dla kilku pojazdów marki Lexus i Toyota.

Pojazd Rok modelowy


Pojemność baterii ( kWh ) 		Typ Baterii
Limit naładowania akumulatora ( kW )
Limit rozładowania akumulatora ( kW )
Lexusa CT 200h 2011 1.3 NiMH
Lexusa ES 300h 2013 1.6 NiMH
Lexusa GS 450h 2013 1.9 NiMH
Lexusa IS 300h 2013 1.6 NiMH -28,5 24
Lexusa LC 500h 2018 1.1 Li-ion
Lexus LS 600h L 2008 1.9 NiMH
Lexusa RX 450h 2014 1.9 NiMH
Lexusa NX 300h 2015 1.6 NiMH -27 25,5
Hybryda Toyoty Avalon 2013 1.6 NiMH
Hybryda Toyoty Auris 2014 1.3 NiMH -25 21
Hybryda Toyoty Camry 2014 1.6 NiMH -27 25,5
Hybryda Toyoty Camry 2018 1,6 / 1,0 NiMH / litowo-jonowy
Hybryda Toyoty C-HR 2016 1.3 NiMH -31,9 21
Hybryda Toyoty Corolli 2019 1,4 / 0,75 NiMH / litowo-jonowy -31,9 21
Hybryda Toyoty Highlander 2014 1.9 NiMH
Toyota Mirai ( FCV ) 2015 1.6 NiMH
Toyota Prius 2010 1.3 NiMH -25 21
Toyota Prius 2016 1,2 / 0,75 NiMH / litowo-jonowy -31,9 21
Toyota Prius C 2014 0,9 NiMH
Toyota Prius v 2014 1,3 / 1,0 NiMH / litowo-jonowy
Toyota Prius PHV 2014 4.4 Li-ion
Toyota Prius Prime 2016 8.8 Li-ion
Toyotę RAV4 2015 1.6 NiMH -27 25,5
Toyotę RAV4 2019 1.6 NiMH (2020- litowo-jonowy) -38 24
Toyotę RAV4 Prime 2020 18.1 Li-ion
hybrydową Toyotę Yaris 2014 0,9 NiMH -17,5 15
hybrydową Toyotę Yaris 2020 0,76 Li-ion -35 20
Toyota Innova / Kijang Innova Zenix Hybrid 2022 1.31 NiMH

Operacja

Napęd HSD działa poprzez bocznikowanie energii elektrycznej między dwoma generatorami silnikowymi, spływając z zestawu akumulatorów, aby wyrównać obciążenie silnika spalinowego. Ponieważ zwiększenie mocy z silników elektrycznych jest dostępne w okresach szybkiego przyspieszania, rozmiar silnika ICE można zmniejszyć, aby dopasować go tylko do średniego obciążenia samochodu, zamiast dostosowywać go do szczytowego zapotrzebowania na moc w celu szybkiego przyspieszenia. Mniejszy silnik spalinowy można zaprojektować tak, aby działał wydajniej. Co więcej, podczas normalnej pracy silnik może pracować z prędkością i momentem obrotowym idealnym lub zbliżonym do tych, które zapewniają moc, oszczędność lub emisję, przy czym akumulator może odpowiednio absorbować lub dostarczać moc, aby zrównoważyć zapotrzebowanie ze strony kierowca . Podczas postojów w ruchu silnik spalinowy można nawet wyłączyć, aby uzyskać jeszcze większą oszczędność.

Połączenie wydajnej konstrukcji samochodu, hamowania rekuperacyjnego, wyłączania silnika podczas postoju, znacznego magazynowania energii elektrycznej i wydajnej konstrukcji silnika spalinowego daje samochodowi napędzanemu HSD znaczne korzyści w zakresie wydajności - szczególnie w jeździe miejskiej.

Fazy ​​działania

Typowa konfiguracja Hybrid Synergy Drive

HSD działa w różnych fazach w zależności od prędkości i wymaganego momentu obrotowego. Oto kilka z nich:

  • Ładowanie akumulatora : HSD może ładować akumulator bez ruszania samochodu, uruchamiając silnik i pobierając energię elektryczną z MG1. Moc trafia do akumulatora, a moment obrotowy nie jest dostarczany do kół. Komputer pokładowy robi to w razie potrzeby, na przykład podczas postoju w korku lub w celu rozgrzania silnika i katalizatora po zimnym rozruchu.
  • Uruchamianie silnika : Aby uruchomić silnik, zasilanie jest doprowadzane do MG1, który działa jak rozrusznik. Ze względu na wielkość generatorów silnikowych rozruch silnika jest stosunkowo szybki i wymaga stosunkowo niewielkiej mocy z MG1. nie słychać konwencjonalnego dźwięku rozrusznika . Uruchomienie silnika może nastąpić podczas postoju lub ruchu.
  • Bieg wsteczny (odpowiednik) : Nie ma biegu wstecznego, jak w konwencjonalnej skrzyni biegów: komputer odwraca kolejność faz do silnika prądu przemiennego-prądnicy MG2, przykładając ujemny moment obrotowy do kół. Wczesne modele nie zapewniały wystarczającego momentu obrotowego w niektórych sytuacjach: pojawiły się doniesienia o wczesnych właścicielach Priusa, którzy nie byli w stanie cofać samochodu pod strome wzgórza w San Francisco . Problem został rozwiązany w najnowszych modelach. Jeśli poziom naładowania akumulatora jest niski, system może jednocześnie uruchamiać silnik i pobierać moc z MG1, chociaż zmniejszy to dostępny moment obrotowy na kołach.
  • Bieg neutralny (odpowiednik) : większość jurysdykcji wymaga, aby przekładnie samochodowe miały bieg neutralny, który odłącza silnik od skrzyni biegów. „Neutralny bieg” HSD uzyskuje się poprzez wyłączenie silników elektrycznych. W tych warunkach przekładnia planetarna jest nieruchoma (jeśli koła pojazdu się nie obracają); jeśli koła pojazdu się obracają, koło koronowe będzie się obracać, powodując również obracanie się koła słonecznego (bezwładność silnika utrzyma koło zębate nośne w miejscu, chyba że prędkość jest wysoka), podczas gdy MG1 może się swobodnie obracać, gdy akumulatory nie ładują się . Instrukcja obsługi ostrzega, że ​​bieg neutralny ostatecznie rozładuje akumulator, powodując „niepotrzebną” moc silnika do ładowania akumulatorów; rozładowany akumulator spowoduje, że pojazd nie będzie działał.
Hybrydowy napęd Lexusa
  • Działanie EV : Przy niskich prędkościach i umiarkowanych momentach obrotowych HSD może działać bez uruchamiania silnika spalinowego: energia elektryczna jest dostarczana tylko do MG2, umożliwiając swobodne obracanie się MG1 (a tym samym odłączanie silnika od kół). Jest to popularnie znane jako „Tryb skradania się”. Przy wystarczającej mocy akumulatora samochód może przejechać w tym cichym trybie kilka kilometrów nawet bez benzyny.
  • Niski bieg (odpowiednik) : Podczas przyspieszania przy niskich prędkościach podczas normalnej pracy silnik obraca się szybciej niż koła, ale nie rozwija wystarczającego momentu obrotowego. Dodatkowa prędkość obrotowa silnika jest podawana do MG1 działającego jako generator. Wyjście MG1 jest podawane do MG2, działając jak silnik i dodając moment obrotowy na wale napędowym.
  • Wysoki bieg (odpowiednik) : Podczas jazdy z dużą prędkością silnik obraca się wolniej niż koła, ale rozwija większy moment obrotowy niż jest to konieczne. MG2 działa następnie jako generator, aby usunąć nadmiar momentu obrotowego silnika, wytwarzając moc, która jest podawana do MG1 działającego jako silnik w celu zwiększenia prędkości koła. W stanie ustalonym silnik zapewnia całą moc potrzebną do napędzania samochodu, chyba że silnik nie jest w stanie jej dostarczyć (jak podczas gwałtownego przyspieszania lub wjeżdżania pod strome wzniesienie z dużą prędkością). W tym przypadku bateria zapewnia różnicę. Zawsze, gdy zmienia się wymagana moc napędu, akumulator szybko równoważy budżet mocy, pozwalając silnikowi na stosunkowo powolną zmianę mocy.
  • Hamowanie rekuperacyjne : Pobierając energię z MG2 i przekazując ją do akumulatora, HSD może symulować zwalnianie normalnego hamowania silnikiem , jednocześnie oszczędzając moc na przyszłe przyspieszenie. Hamulce regeneracyjne w systemie HSD pochłaniają znaczną część normalnego obciążenia hamowania, więc konwencjonalne hamulce w pojazdach HSD są niewymiarowe w porównaniu z hamulcami konwencjonalnego samochodu o podobnej masie i mają znacznie dłuższą żywotność.
  • Hamowanie silnikiem : Układ HSD ma specjalne ustawienie skrzyni biegów oznaczone jako „B” (hamulec), które zastępuje ustawienie „L” konwencjonalnej automatycznej skrzyni biegów , zapewniając hamowanie silnikiem na wzniesieniach. Można to wybrać ręcznie zamiast hamowania odzyskowego. Podczas hamowania, gdy akumulator zbliża się do potencjalnie szkodliwego wysokiego poziomu naładowania, elektroniczny system sterowania automatycznie przełącza się na konwencjonalne hamowanie silnikiem , pobierając moc z MG2 i przekierowując ją do MG1, przyspieszając silnik przy zamkniętej przepustnicy, aby pochłonąć energię i spowolnić pojazd.
  • Doładowanie elektryczne : akumulator zapewnia rezerwę energii, która pozwala komputerowi dopasować zapotrzebowanie silnika do określonej z góry optymalnej krzywej obciążenia, zamiast działać z momentem obrotowym i prędkością wymaganą przez kierowcę i drogę. Komputer zarządza poziomem energii zmagazynowanej w akumulatorze, aby w razie potrzeby mieć możliwość pochłonięcia dodatkowej energii lub dostarczenia dodatkowej energii w celu zwiększenia mocy silnika.

Wydajność

Toyota Prius ma skromne przyspieszenie, ale ma wyjątkowo wysoką wydajność jak na średniej wielkości czterodrzwiowy sedan: zwykle znacznie lepsze niż 40 mpg (USA) (5,9 l / 100 km) jest typowe dla krótkich wypadów po mieście; 55 mpg (4,3 l/100 km) nie jest rzadkością, zwłaszcza w przypadku dłuższych przejażdżek przy niewielkich prędkościach (dłuższa jazda pozwala na pełne rozgrzanie silnika). To mniej więcej dwa razy mniej paliwa niż w podobnie wyposażonej czterodrzwiowej limuzynie z konwencjonalnym układem napędowym. Nie cała dodatkowa wydajność Priusa wynika z systemu HSD: pracujący w cyklu Atkinsona został również zaprojektowany specjalnie w celu zminimalizowania oporu silnika poprzez przesunięcie wał korbowy , aby zminimalizować opór tłoka podczas suwu mocy , oraz unikalny układ dolotowy, który zapobiega oporowi powodowanemu przez podciśnienie w kolektorze („straty pompowania”) w porównaniu z normalnym cyklem Otto w większości silników. Ponadto cykl Atkinsona odzyskuje więcej energii na cykl niż cykl Otto ze względu na dłuższy skok mocy. Wadą cyklu Atkinsona jest znacznie zmniejszony moment obrotowy, szczególnie przy niskich prędkościach; ale HSD ma ogromny moment obrotowy przy niskiej prędkości dostępny z MG2.

Highlander Hybrid (w niektórych krajach sprzedawany również jako Kluger) oferuje lepsze przyspieszenie w porównaniu z wersją niehybrydową. Wersja hybrydowa przyspiesza od 0 do 60 mil na godzinę w 7,2 sekundy, skracając czas wersji konwencjonalnej o prawie sekundę. Moc użyteczna wynosi 268 KM (200 kW) w porównaniu z konwencjonalnymi 215 KM (160 kW). Maksymalna prędkość dla wszystkich górali jest ograniczona do 112 mil na godzinę (180 km / h). Typowe zużycie paliwa dla Highlander Hybrid wynosi od 27 do 31 mpg (8,7–7,6 l / 100 km). EPA ocenia konwencjonalnego Highlandera na 19 miast i 25 mpg na autostradzie (odpowiednio 12,4 i 9,4 l / 100 km).

Przekrój wyświetlacza HSD Uwaga: Generacja 1 / Generacja 2, połączona łańcuchowo, pokazano urządzenie ICE-MG1-MG2 Power Split Device HSD

Zwiększenie przebiegu HSD zależy od jak najefektywniejszego wykorzystania silnika benzynowego, co wymaga:

  • dłuższe przejazdy , zwłaszcza zimą: Ogrzewanie wewnętrznej kabiny dla pasażerów jest sprzeczne z projektem HSD. HSD zaprojektowano tak, aby generować jak najmniej ciepła odpadowego jak to możliwe. W konwencjonalnym samochodzie to ciepło odpadowe w zimie jest zwykle wykorzystywane do ogrzewania wnętrza kabiny. W Priusie włączenie nagrzewnicy wymaga ciągłej pracy silnika w celu wytworzenia ciepła użytecznego w kabinie. Efekt ten jest najbardziej zauważalny po wyłączeniu klimatyzacji (nagrzewnicy), gdy samochód stoi z włączonym silnikiem. Zwykle system sterowania HSD wyłączy silnik, ponieważ nie jest potrzebny i nie uruchomi go ponownie, dopóki generator nie osiągnie maksymalnej prędkości.
  • umiarkowane przyspieszenie : Ponieważ samochody hybrydowe mogą zmniejszać przepustnicę lub całkowicie wyłączać silnik podczas umiarkowanego, ale nie gwałtownego przyspieszania, są bardziej wrażliwe na styl jazdy niż samochody konwencjonalne. Ostre przyspieszenie zmusza silnik do przejścia w stan dużej mocy, podczas gdy umiarkowane przyspieszanie utrzymuje silnik w stanie niskiej mocy i wysokiej wydajności (wzmocnionej przez doładowanie akumulatora).
  • stopniowe hamowanie : Hamulce regeneracyjne ponownie wykorzystują energię hamowania, ale nie mogą absorbować energii tak szybko, jak konwencjonalne hamulce. Stopniowe hamowanie odzyskuje energię do ponownego wykorzystania, zwiększając przebieg; gwałtowne hamowanie marnuje energię w postaci ciepła, tak jak w przypadku konwencjonalnego samochodu. Użycie selektora „B” (hamowania) na dźwigni zmiany biegów jest przydatne podczas długich zjazdów w celu zmniejszenia ciepła i zużycia konwencjonalnych hamulców, ale nie pozwala na odzyskanie dodatkowej energii. Toyota odradza ciągłe używanie „B”, ponieważ „może to powodować zmniejszenie zużycia paliwa” w porównaniu z jazdą w „D”.

Większość systemów HSD ma akumulatory o wymiarach zapewniających maksymalne doładowanie podczas pojedynczego przyspieszenia od zera do maksymalnej prędkości pojazdu; jeśli jest większe zapotrzebowanie, akumulator może zostać całkowicie wyczerpany, tak że dodatkowe zwiększenie momentu obrotowego nie będzie dostępne. Następnie system powraca do mocy dostępnej z silnika. Powoduje to duży spadek wydajności w pewnych warunkach: wczesny model Prius może osiągnąć prędkość ponad 90 mil na godzinę (140 km/h) na wzniesieniu o nachyleniu 6 stopni, ale po około 2000 stóp (610 m) wzniesienia akumulator jest wyczerpany, a samochód może osiągnąć tylko 55–60 mil na godzinę na tym samym zboczu. [ potrzebne źródło ] (do momentu naładowania akumulatora podczas jazdy w mniej wymagających warunkach)

Generacje platformy Prius

Schematyczny widok hybrydowego układu przeniesienia napędu Toyoty pierwszej generacji ( S : centralne koło słoneczne, C : nośnik planetarny, R : zewnętrzne koło zębate, generatory silnikowe MG1 i MG2 , silnik spalinowy ICE )

Konstrukcja Toyota Hybrid System / Hybrid Synergy Drive ma teraz cztery generacje od oryginalnej Toyoty Prius z 1997 roku na rynku japońskim. Układ napędowy ma te same podstawowe cechy, ale wprowadzono szereg znaczących udoskonaleń.

Schematyczne diagramy ilustrują ścieżki przepływu mocy między dwoma elektrycznymi silnikami-generatorami MG1 i MG2 , silnikiem spalinowym ( ICE ) i przednimi kołami za pośrednictwem planetarnych elementów „urządzenia podziału mocy”. Silnik spalinowy jest podłączony do wspornika przekładni planetarnej, a nie do żadnego pojedynczego koła zębatego. Koła są połączone z kołem koronowym.

Następuje ciągła, stopniowa poprawa pojemności właściwej akumulatora trakcyjnego. Oryginalny Prius wykorzystywał owinięte folią termokurczliwą ogniwa D 1,2 V, a wszystkie kolejne pojazdy THS / HSD wykorzystywały niestandardowe moduły akumulatorów 7,2 V zamontowane w bagażniku.

Nazywany Toyota Hybrid System dla pierwszych generacji Priusa, po THS pojawił się THS II w Priusie z 2004 roku, z kolejnymi wersjami określanymi jako Hybrid Synergy Drive. Hybrydowy system Toyoty opierał się na napięciu akumulatora: między 276 a 288 V. Hybrydowy napęd synergiczny dodaje przetwornicę DC-DC , zwiększając potencjał akumulatora do 500 V lub więcej. Pozwala to na użycie mniejszych akumulatorów i mocniejszych silników.

Hybrydowy napęd synergiczny (HSD)

Chociaż nie jest to część HSD jako taka, wszystkie pojazdy HSD, począwszy od Priusa z 2004 roku, były wyposażone w elektryczną sprężarkę klimatyzacji zamiast konwencjonalnego typu napędzanego silnikiem. Eliminuje to konieczność ciągłego uruchamiania silnika, gdy wymagane jest chłodzenie kabiny. W rdzeniu nagrzewnicy zamontowano dwie grzałki o dodatnim współczynniku temperaturowym , które uzupełniają ciepło dostarczane przez silnik.

Hybryda Toyoty drugiej generacji (G2): Hybrid Synergy Drive (HSD) z reduktorem MG2

W 2005 roku w pojazdach takich jak Lexus RX 400h i Toyota Highlander Hybrid dodano napęd na cztery koła poprzez dodanie trzeciego silnika elektrycznego („MGR”) na tylnej osi. W tym systemie tylna oś jest napędzana wyłącznie elektrycznie i nie ma mechanicznego połączenia między silnikiem a tylnymi kołami. Pozwala to również na hamowanie rekuperacyjne tylnych kół. Ponadto silnik (MG2) jest połączony z przekładnią przedniego koła za pomocą drugiej przekładni planetarnej , co umożliwia zwiększenie gęstości mocy silnika. Ford opracował również podobny system hybrydowy, wprowadzony w Hybryda Forda Escape .

W latach 2006 i 2007 w sedanach Lexus GS 450h / LS 600h zastosowano dalszy rozwój układu napędowego HSD pod nazwą Lexus Hybrid Drive. System ten wykorzystuje dwa sprzęgła (lub hamulce) do przełączania przełożenia drugiego silnika na koła między przełożeniem 3,9 a 1,9, odpowiednio dla trybu jazdy z małą i dużą prędkością. Zmniejsza to moc przepływającą z MG1 do MG2 (lub odwrotnie) podczas wyższych prędkości. Ścieżka elektryczna jest wydajna tylko w około 70%, co zmniejsza przepływ mocy przy jednoczesnym zwiększeniu ogólnej wydajności transmisji. Druga przekładnia planetarna jest rozszerzona o drugie jarzmo i koło słoneczne do przekładni typu ravigneaux z czterema wałkami, z których dwa mogą być utrzymywane alternatywnie za pomocą hamulca/sprzęgła. Systemy GS 450h i LS 600h wykorzystywały napęd na tylne koła i napęd na wszystkie koła i zostały zaprojektowane tak, aby były mocniejsze niż niehybrydowe wersje tych samych linii modelowych, zapewniając jednocześnie porównywalną wydajność silnika.

Trzecia generacja

Hybrydowy napęd synergiczny (HSD) trzeciej generacji (G3) / układ napędu hybrydowego Lexus

Dyrektor generalny Toyoty, Katsuaki Watanabe, powiedział w wywiadzie z 16 lutego 2007 r., Że Toyota „dążyła do zmniejszenia o połowę zarówno rozmiaru, jak i kosztu systemu HSD trzeciej generacji”. Nowy system będzie wyposażony w litowo-jonowe w późniejszych latach. Akumulatory litowo-jonowe mają wyższy stosunek pojemności energetycznej do masy w porównaniu z NiMH , ale działają w wyższych temperaturach i podlegają niestabilności termicznej, jeśli nie są odpowiednio produkowane i kontrolowane, co budzi obawy dotyczące bezpieczeństwa.

Czwarta generacja

13 października 2015 r. Toyota podała do wiadomości publicznej szczegóły dotyczące hybrydowego napędu synergicznego czwartej generacji, który ma zostać wprowadzony w roku modelowym 2016. Przekładnia i silnik napędowy zostały przeprojektowane, co pozwoliło zmniejszyć ich łączną masę. Sam silnik trakcyjny jest znacznie bardziej kompaktowy i zyskuje lepszy stosunek mocy do masy. Warto zauważyć, że straty mechaniczne spowodowane tarciem zostały zmniejszone o 20 procent w porównaniu z poprzednim modelem. Urządzenie redukcji prędkości silnika (druga przekładnia planetarna występująca tylko w przekładniach P410 i P510 trzeciej generacji), które łączy silnik trakcyjny bezpośrednio z urządzeniem rozdziału mocy, a następnie z kołami, zostało zastąpione równoległymi biegami na Przekładnia P610 czwartej generacji. Prius c z lat 2012– zachowuje skrzynię biegów P510. Przekładnia P610 wykorzystuje koła zębate śrubowe zamiast prostych kół zębatych czołowych stosowanych we wcześniejszych przekładniach, które działają płynniej i ciszej, a jednocześnie wytrzymują większe obciążenia mechaniczne.

Wraz z HSD czwartej generacji Toyota oferuje również opcję napędu na cztery koła, nazwaną „E-Four”, w której tylny silnik napędowy jest sterowany elektronicznie, ale nie jest mechanicznie sprzężony z przednim falownikiem. W rzeczywistości system „E-Four” ma własny tylny falownik, chociaż ten falownik pobiera energię z tej samej baterii hybrydowej, co przedni falownik. „E-Four” zaczął być oferowany w modelach Prius w Stanach Zjednoczonych w roku modelowym 2019. „E-Four” jest integralną częścią modeli RAV4 oferowanych w Stanach Zjednoczonych, a wszystkie takie hybrydy RAV4 są tylko „E-Four”.

Lista pojazdów z technologią HSD

Poniżej znajduje się lista pojazdów z hybrydowym napędem synergicznym i powiązanymi technologiami (system hybrydowy Toyota):

Kwestie patentowe

Antonow

Jesienią 2005 roku firma Antonov Automotive Technology BV Plc pozwała Toyotę , firmę macierzystą marki Lexus, w związku z domniemanym naruszeniem patentu dotyczącego kluczowych elementów układu napędowego RX 400h i hybrydowego samochodu kompaktowego Toyota Prius. Sprawa toczy się w tajemnicy od kwietnia 2005 r., ale negocjacje ugodowe nie przyniosły obopólnie satysfakcjonującego wyniku. Antonow ostatecznie skorzystał z drogi prawnej w niemieckim systemie sądownictwa, gdzie decyzje zapadają zwykle stosunkowo szybko. Właściciel patentu stara się nałożyć opłatę na każdy sprzedany pojazd, co może sprawić, że hybrydowy SUV będzie mniej konkurencyjny. Toyota walczyła, starając się oficjalnie unieważnić odpowiednie patenty Antonowa. Wniosek sądu w formacie dokumentu Microsoft Word można przeczytać tutaj.

1 września 2006 r. Antonow ogłosił, że Federalny Sąd Patentowy w Monachium nie podtrzymał ważności niemieckiej części patentu Antonowa (EP0414782) przeciwko Toyocie. Kilka dni później sąd w Düsseldorfie orzekł, że układ napędowy Toyoty Prius i Lexusa RX 400h nie narusza patentu Antonowa na hybrydową przekładnię CVT.

Bród

Ford Motor Company niezależnie opracował system z kluczowymi technologiami podobnymi do technologii HSD Toyoty w 2004 roku. W rezultacie Ford uzyskał licencję na 21 patentów od Toyoty w zamian za patenty dotyczące technologii emisji.

Pace

  Firma Paice LLC otrzymała patent na udoskonalony pojazd hybrydowy ze sterowaną jednostką przenoszenia momentu obrotowego ( patent US 5343970 , Severinsky; Alex J., „Hybrid electric vehicle”, wydany 1994-09-06 ) i posiada dodatkowe patenty związane z pojazdami hybrydowymi. W 2010 roku Toyota zgodziła się udzielić licencji na patenty Paice'a; warunki ugody nie zostały ujawnione. W ugodzie „Strony zgadzają się, że chociaż niektóre pojazdy Toyoty zostały uznane za równoważne z patentem Paice, Toyota wynalazła, zaprojektowała i rozwinęła technologię hybrydową Priusa i Toyoty niezależnie od jakichkolwiek wynalazków dr Severinsky'ego i Paice'a w ramach długa historia innowacji”. Paice wcześniej zawarł umowę z Fordem na licencję na patent Paice'a.

Porównanie z innymi hybrydami

Aisin Seiki Co. , będąca mniejszościowym udziałem Toyoty, dostarcza Fordowi swoje wersje systemu przekładni HSD do użytku jako e-CVT „Powersplit” w hybrydach Ford Escape i Ford Fusion Hybrid .

Nissan udzielił licencji na HSD Toyoty do użytku w hybrydzie Nissan Altima , wykorzystując tę ​​samą skrzynię biegów Aisin Seiki T110, co w Toyocie Camry Hybrid. [ Potrzebne źródło ] Infiniti M35h z 2011 r. wykorzystuje inny system składający się z jednego silnika elektrycznego i dwóch sprzęgieł.

W 2010 roku Toyota i Mazda ogłosiły zawarcie umowy na dostawę technologii hybrydowej stosowanej w modelu Prius Toyoty .

Globalna współpraca hybrydowa General Motors , DaimlerChrysler i BMW jest podobna, ponieważ łączy moc z jednego silnika i dwóch silników. W 2009 roku Prezydencka Grupa Zadaniowa ds. Przemysłu Samochodowego stwierdziła, że ​​„GM jest co najmniej jedną generację za Toyotą w zakresie zaawansowanego,„ ekologicznego ”rozwoju układów napędowych”.

Natomiast zintegrowany układ wspomagania silnika Hondy wykorzystuje bardziej tradycyjny silnik spalinowy i przekładnię, w której koło zamachowe zastąpiono silnikiem elektrycznym, zachowując w ten sposób złożoność tradycyjnej przekładni.

rynek wtórny

Niektóre wczesne nieprodukcyjne konwersje pojazdów hybrydowych typu plug-in z napędem elektrycznym były oparte na wersji HSD znalezionej w modelu Prius z lat 2004 i 2005. Wczesne konwersje akumulatorów kwasowo-ołowiowych przeprowadzone przez CalCars wykazały 10 mil (16 km) zasięgu tylko w trybie elektrycznym i 20 mil (32 km) podwójnego przebiegu w trybie mieszanym . Firma planująca oferować konsumentom konwersje o nazwie systemy EDrive będzie korzystać z Valence Li-ion akumulatory i mają 35 mil (56 km) zasięgu elektrycznego. Oba te systemy pozostawiają istniejący system HSD w większości niezmieniony i można go podobnie zastosować do innych smaków hybrydowych układów napędowych, po prostu zastępując standardowe NiMH zestawem akumulatorów o większej pojemności i ładowarką, aby je uzupełnić za około 0,03 USD za milę ze standardowych gniazdek domowych.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hybrid_Synergy_Drive&oldid=1141123997 ”