كيف جعل نظام تقسيم الطاقة تويوتا الهجينة بلا منافس؟

ما يميز تويوتا الهجينة ليس محرك الكهرباء وحده أو البطارية، بل مجموعة نقل الحركة المقسّمة للقوى (power-split) التي تقسّم قوة المحركين وتدمجها عبر طقم تروس كوكبي واحد. هذا التصميم عوّض في آلية واحدة نقاط ضعف الهجين التسلسلي والتوازي، ومنح المركبة القدرة على التحرك بسلاسة إما بمحرك البنزين أو المحرك الكهربائي أو بمزيج منهما. في عام 1997 انطلق هذا النظام مع أول مركبة هجينة تُنتَج بكميات ضخمة Prius ، ولا يزال حتى اليوم الحل الذي تعتبره الصناعة المعيار المرجعي.

تسلسلي وتوازي وتقسيم القوى: ما الفرق بين التصاميم الثلاثة؟

لفهم أنظمة نقل الحركة الهجينة يجب التمييز بين التصاميم الأساسية الثلاثة. في الهجين التسلسلي تدور العجلات بالكهرباء فقط؛ محرك الاحتراق الداخلي يغذي المولد، وتذهب الكهرباء إلى المحرك. وأول مثال ظهر على مسرح التاريخ كان وفق هذا المخطط: صمّم فرديناند بورشه عام 1898 طراز Egger-Lohner C.2، وقدّم عام 1900 طراز Lohner-Porsche الكهربائي بمحركات داخل العجلات الأمامية، وفي 1901 أصبح Lohner-Porsche Mixte Hybrid الذي جمع محرك البنزين بالنقل داخل المحاور أول مركبة هجينة تدخل الإنتاج الكمي. بل إن بورشه فاز بهذه المركبة عام 1902 برالي Exelberg. لكن ثمن التصميم التسلسلي واضح: تُنقل الطاقة إلى العجلات كهربائياً لا ميكانيكياً، وكل تحويل يولّد فقداناً.

في الهجين التوازي يتقاسم محرك الاحتراق الداخلي والمحرك الكهربائي عمود إخراج مشتركاً؛ ويمكن لأحدهما أو كليهما دفع العجلات. يستخدم هذا الترتيب عادةً بطارية أصغر من التسلسلي ويُشحن بالكبح التجديدي. ولأن الوصلة الميكانيكية محفوظة فإن فقد الكفاءة محدود؛ في المقابل ترتبط سرعات دوران المحرك والعجلات ببعضها، ما يجعل إبقاء المحرك في نطاق تشغيله الأكثر كفاءة أمراً أصعب.

تصميم تقسيم القوى هو الوسط بينهما: يُضاف جهاز تقسيم قوى إلى مسار التوازي، ويُفتح أكثر من مسار قوة من محرك الاحتراق الداخلي إلى العجلات. يمكن للمحرك والمولد ومحرك الدفع العمل بشكل مستقل عن بعضها؛ ويقوم النظام، حسب الظروف، بالتصرف كالتسلسلي أو كالتوازي، فيحافظ على الكفاءة في القيادة المختلطة. والسمة المميزة الأساسية هي علبة التروس الإلكترونية المتغيرة باستمرار، أي eCVT، التي تبقي المحرك في نطاق التشغيل الكفء.

مشروع G21: من هدف 20 كيلومتراً إلى قرار الهجين

لم تنشأ منظومة تويوتا من خطوة هندسية بل من دراسة رؤية. في صيف 1993 وبمبادرة من الرئيس الفخري إيجي تويودا بدأ العمل على تصميم مركبة للقرن الحادي والعشرين؛ وفي سبتمبر 1993 أُطلق الاسم الرمزي G21 (مشروع بدمج كرة الأرض مع القرن الحادي والعشرين). تألف الفريق من 10 مهندسين ومصممين، وحددوا هدفاً يتمثل في كفاءة وقود تبلغ 20 كم/لتر. في فبراير 1994 تأسس المشروع رسمياً؛ وكان على رأسه تاكيشي أوتشييامادا الذي أصبح لاحقاً رئيساً لشركة تويوتا.

في نوفمبر 1994 تغير المشهد. أعطى نائب المدير العام المسؤول عن التقنية، أكيهيرو وادا، تعليمات بجعل المشروع هجيناً، مع الإشارة إلى أنه سيُلغى إذا تعذر ذلك. كان الهدف مضاعفة كفاءة الوقود، ووفقاً لتقييم الفريق كان السبيل الوحيد لذلك هو التقنية الهجينة. وتجدر الإشارة إلى تفصيل مهم: حتى أعضاء فريق G21 أنفسهم كانوا يعتبرون التقنية الهجينة في ذلك الوقت تقنية غير مثبتة لن تكون جاهزة قبل بداية القرن الحادي والعشرين. لكن التعليم غيّر هذا القرار.

درس الفريق الأنظمة على مدى ستة أشهر تقريباً، واختار النوع ذا المحركين نظراً لإمكاناته العالية في كفاءة الوقود. وكانت النتيجة الأكثر جذرية لهذا الاختيار هي: افتراض زوال ناقل الحركة التقليدي تماماً. في يونيو 1995 صادق الرسمي لسيارة الإنتاج؛ وسيتم تطوير المحرك والمولدات المحركية والعواكس داخلياً، مع التعاون مع Matsushita Battery Industrial بشأن البطارية. وفي أغسطس 1995 كان تولي هيروشي أوكودا رئاسة تويوتا نقطة تحول في تطوير التقنية الهجينة.

Toyota Hybrid System: كيف تعمل الترس الكوكبي؟

في مارس 1997 أعلنت تويوتا عن إتمام Toyota Hybrid System(THS) بمحرك كهربائي ومولد متكاملين وتقسيم للقوة. وفي قلب النظام كان جهاز تقسيم القوة ذو الترس الكوكبي: يربط هذا الميكانيزم محركين-مولدين بمحرك الاحتراق الداخلي، ويقسم قوة المحرك بين تحريك العجلات وتوليد الكهرباء. وكان وجود أعمدة الإدخال والإخراج في نفس المستوى يوفر حجماً صغيراً؛ يعزز محرك الدفع قوة المحرك، وعند التباطؤ يعمل كمولد ويشحن البطارية؛ أما المحرك الثاني فيولد الكهرباء بقوة محرك الاحتراق الداخلي، ويتحكم في ناقل الحركة، ويؤدي أيضاً وظيفة محرك بدء التشغيل. ووُضع عاكس بين البطارية والمحركات.

اليوم Hybrid Synergy Drive (HSD) المعروف بهذا الاسم هو النسخة المحسّنة من THS الموجود في بريوس 1997-2003. ظهر الجيل الثاني من النظام في بريوس 2004، ويعكس تغيير الاسم توقع انفتاح التقنية على ما هو أبعد من علامة تويوتا التجارية؛ وطبق النظام أيضاً على Camry وHighlander في 2006. في HSD يحل مجموعة الإلكترونيات القوية المكونة من MG1 وMG2 وثلاثة عواكس DC-AC ومحولين DC-DC، والتحكم المحوسب، والبطارية عالية الجهد محل ناقل الحركة التقليدي والدينامو ومحرك بدء التشغيل.

توزيع المهام بين المحركين-المولدين واضح:

• MG1: محرك بدء تشغيل محرك الاحتراق الداخلي ومولد شحن البطارية؛ وينظم توليد الكهرباء وبالتالي يتحكم فعلياً في CVT لعلبة التروس.
• MG2: محرك الدفع الرئيسي ومولد الكبح التجديدي؛ وهو عادةً أقوى.

تؤدي مجموعة التروس الكوكبية وظيفة شبيهة بـ CVT، وتسمي تويوتا النظام لأغراض تنظيمية e-CVT يُصنّف ضمن فئتها. نظام HSD هجين كامل: يمكن للسيارة التحرك بمحرك كهربائي فقط - وهو ما لا تستطيعه معظم الهجينات المنافسة، ولذلك تُعتبر هجيناً خفيفاً (mild hybrid). وتطوّر النظام عبر الأجيال أيضاً: في الجيلين الأول والثاني كان MG2 متصلاً مباشرة بالترس الحلقي (بنسبة 1:1 دون مضاعفة عزم الدوران)؛ بينما في الجيل الثالث اتصل عبر مجموعة تروس كوكبية بنسبة 2,5:1، مما أتاح MG2 أصغر حجماً لكن أقوى أداءً. أما على صعيد البطارية، فاستخدم بريوس من الجيل الأول 228 خلية و38 وحدة، بينما انتقل الجيلان الثاني والثالث إلى 28 وحدة NiMH مستطيلة من Panasonic بجهد اسمي 201,6 فولت؛ ويحافظ النظام الإلكتروني على الشحن ضمن نطاق %40-80 فقط من أجل إطالة عمر البطارية.

لماذا اختارت Honda طريقاً مختلفاً؟ تفضيل نظام IMA المتوازي

بينما استثمرت Toyota في تقسيم القوة بمحركين، تبنّت Honda حلاً يُعطي الأولوية للبساطة وتوازن التكلفة. كانت أول سيارة هجينة إنتاجية من Honda هي Insight التي ظهرت في الأسواق عام 1999 ومزوّدة بنظام الهجين المتوازي Integrated Motor Assist (IMA). في نظام IMA يتشارك المحرك الكهربائي والمحرك البنزيني عمود إخراج مشتركاً؛ وخلافاً للهجين التسلسلي، يمكن للمحرك البنزيني وحده تدوير العجلات. كانت هذه سيارة جاءت بعد بريوس 1997 ومُصنّفة كهجين خفيف بنظام متوازٍ.

كانت النتيجة أول انقسام معماري كبير في سوق الهجين. اختارت Toyota نظاماً يستهدف الحد الأعلى من الكفاءة، أكثر مكوّنات وتعقيداً في التحكم؛ في حين فضّلت Honda ترتيباً يوفر كفاءة معقولة بأجزاء أقل. استُخدم نظام IMA لمدة ستة أجيال تقريباً، وتطوّر الهجين لدى Honda مع الوقت ليصل إلى نظام e:HEV الحالي. غير أن عدم قدرته على القيادة الكهربائية الكاملة وضع IMA في فئة أضيق قدرات تقنياً أمام HSD: فمثل معظم الهجينات غير HSD، لا يستطيع IMA الانطلاق بالكهرباء فقط.

بعد 1997: كيف شكّلت معمارية تقسيم القوة السوق؟

التي أُطلقت في ديسمبر 1997، Prius دخلت أيضاً قائمة IEEE Milestone كأول سيارة هجينة تُنتج بكميات كبيرة في العالم. وما تلاها كان قصة توسع: تجاوزت Toyota مليون عملية بيع هجين في مايو 2007، ومليونين بنهاية أغسطس 2009، و5 ملايين في مارس 2013؛ وبحلول مارس 2013 شكّلت الولايات المتحدة %38 من مبيعات الهجين العالمية. وما زال بريوس قيد الإنتاج اليوم في جيله الخامس.

ولم تكن معمارية تقسيم القوة حلاً انغلق داخل Toyota فقط. فتقنية HSD خُوّصت لشركة Nissan لسيارة Altima Hybrid، وقدّمت Aisin شبحات هجينة مماثلة لمصنّعين آخرين. وكيّف النظام نفسه للقيادة الكهربائية في Mirai ولسيارة Prius Plug-in Hybrid؛ وتحمل نسخ Lexus اسم Lexus Hybrid Drive . وأصبح تصميم تقسيم القوة معياراً لدى علامات أخرى أيضاً: في المقارنات الحديثة، تتصدر الآلية الترسية الكوكبية أنظمة GM وToyota وDongfeng وGreat Wall، ويربطها الترس الشمسي بمحرك MG1. وحتى في طرازات سنة 2026 (مثل RAV4 XA60) لا تزال خيارات بطاريات NiMW وليثيوم أيون متاحة.

المدى الكهربائي والحدود العملية

يقدم نظام HSD القياسي وضع EV يوفر قيادة كهربائية كاملة بسرعة أقل من 40 كم/س تقريباً إذا كان هناك شحن كافٍ في البطارية 1.6 كم وللحصول على مدى كهربائي أطول، يلزم بنية معمارية منفصلة: Prius Plug-in Hybrid، ببطارية ليثيوم-أيون بسعة 4.4 كيلوواط/ساعة ووزنها 80 كجم، تقدم وفقاً لقياس وكالة EPA مدى 18 كم كهربائياً. ومن الضروري توضيح سؤال شائع حول البطارية: لا يمكن لنظام HSD العمل دون الحاسوب وطاقة كهربائية والبطارية والمحرك-المولدات؛ في المقابل، يمكنه من حيث المبدأ الحركة حتى بدون محرك الاحتراق الداخلي، وفي العملي تستطيع السيارة في حالات الطوارئ قطع مسافة قصيرة بالبنزين وحده.

بالنظر من اليوم: لماذا لا يزال تقسيم القوة ذا صلة؟

يُلاحظ أن المستهلكين يتجهون نحو الهجين عند تباطؤ الانتقال إلى السيارات الكهربائية بالكامل بالبطارية، وهناك تفصيلة إنتاجية تعزز موقع تويوتا في هذا السياق: فهي قادرة على إنتاج مركباتها الهجينة على نفس خطوط التجميع الخاصة بخطوط البنزين والبلاغ-إن، ويمكنها ضبط الإنتاج في الوقت الفعلي وفقًا للطلب. أما الأكثر لفتًا للنظر من الناحية الهندسية فهو عمر النظام. فالترتيب ثنائي المحرك الذي اختير عام 1994 بعد تحليل دام ستة أشهر، ما زال حتى بعد ثلاثة عقود يعمل بنفس المبدأ تقريبًا في آليته الأساسية - الترس الكوكبي، ومحركان-مولدان، والإلكترونيات القدرة. من الممكن العثور في أرشيفات براءات الاختراع على دراسات مفصلة حول تصميم الترس الكوكبي وترتيبات تقسيم القدرة متعددة الأوضاع؛ غير أنه يصعب القول إن السرد الشائع القائل إن تويوتا حجزت نظام تقسيم القدرة ببراءة اختراع واحدة يستند إلى سجل براءة اختراع فردي ومباشر - فقوة النظام لا تأتي من ورقة واحدة بقدر ما تأتي من قراره المعماري الذي تضافرت فيه المكونات ككل. وهذا القرار تحديدًا يقف بوصفه أحد أكثر المحطات الفارقة في تاريخ الهجين: الآلية الصحيحة جرت وراءها بقية التقنية.

المصادر

• The Story Behind the Birth of the Prius, Part 1
• Item 1. Development of Prius and Hybrid Strategy
• Hybrid Synergy Drive
• Hybrid vehicle drivetrain
• Milestones: Toyota Prius, the World's First Mass-Produced Hybrid Vehicle, 1997
• Series vs Parallel vs Series/Parallel Drivetrains
• Prius and Volt: Configuration Analysis of Power-Split Hybrid
• Inside Toyota's Hybrid Synergy Drive
• Honda Insight - Integrated Motor Assist
• Evolution of the e:HEV Powertrain
• The history of Porsche begins electrically
• Lohner–Porsche
• GM, Toyota, Dongfeng, Great Wall power-split comparison
• Toyota to outshine rivals as consumers opt for hybrids