Warum das Power Split System den Toyota Hybrid unschlagbar gemacht hat

Was Toyotas Hybrid unschlagbar macht, ist nicht der Elektromotor oder die Batterie allein, sondern das Leistungsverzweigungs-Getriebe (Power-Split), das die Kraft zweier Motoren über einen einzigen Planetenradsatz teilt und vereint. Diese Architektur gleicht die Schwachstellen von Serien- und Parallelhybrid in einem einzigen Mechanismus aus und gab dem Fahrzeug die Fähigkeit, sich nahtlos mit dem Benzinmotor, dem Elektromotor oder einer Kombination aus beidem fortzubewegen. Mit dem 1997 erstmals seriell gefertigten Hybrid Prius auf die Straße gekommen, ist dieses System bis heute die Lösung, die die Branche als Maßstab anerkennt.

Serie, Parallel und Leistungsverzweigung: Worin unterscheiden sich die drei Architekturen?

Um Hybridantriebe zu verstehen, muss man drei grundlegende Architekturen unterscheiden. Beim Serienhybrid drehen sich die Räder ausschließlich elektrisch; der Verbrennungsmotor speist den Generator, und der Strom geht an den Motor. Auch das erste Beispiel, das die Bühne der Geschichte betrat, folgte diesem Schema: Ferdinand Porsche entwarf 1898 den Egger-Lohner C.2, stellte 1900 den elektrischen Lohner-Porsche mit Radnabenmotoren an den Vorderrädern vor und brachte 1901 mit dem Lohner-Porsche, der Nabenantrieb und Benzinmotor vereinte, den Lohner-Porsche Mixte Hybrid als ersten in Serienproduktion gegangenen Hybrid auf den Weg. 1902 gewann Porsche mit diesem Fahrzeug sogar die Exelberg Rally. Doch der Preis der seriellen Architektur ist offensichtlich: Die Energie wird nicht mechanisch, sondern elektrisch zu den Rädern übertragen, und bei jeder Umwandlung entsteht Verlust.

Beim Parallelhybrid teilen sich Verbrennungsmotor und Elektromotor eine gemeinsame Abtriebswelle; der Motor kann die Räder allein oder gemeinsam antreiben. Dieser Aufbau verwendet in der Regel eine kleinere Batterie als der Serienhybrid und lädt sich durch rekuperatives Bremsen auf. Da die mechanische Verbindung erhalten bleibt, ist der Wirkungsgradverlust gering; allerdings sind Motordrehzahl und Raddrehzahl aneinander gekoppelt, wodurch es schwieriger wird, den Motor in seinem effizientesten Betriebsbereich zu halten.

Die Leistungsverzweigungs-Architektur ist eine Mischung aus beidem: Auf den Parallelweg wird eine Leistungsverzweigungseinheit gesetzt, sodass vom Verbrennungsmotor zu den Rädern mehrere Leistungspfade geöffnet werden. Motor, Generator und Antriebsmotor können unabhängig voneinander (entkoppelt) arbeiten; das System verhält sich je nach Bedingungen wie ein Serien- oder Parallelhybrid und bewahrt so im gemischten Fahrbetrieb die Effizienz. Das wesentliche Unterscheidungsmerkmal ist das leistungsverzweigte stufenlose Getriebe, das den Motor im effizienten Betriebsbereich hält, das sogenannte eCVT.

Das G21-Projekt: Vom 20-Liter-Ziel zur Hybrid-Entscheidung

Toyotas System entstand nicht aus einem engineering-technischen Schachzug, sondern aus einer Vision. Im Sommer 1993 begann auf Initiative des Ehrenvorsitzenden Eiji Toyoda eine Studie zur Fahrzeuggestaltung für das 21. Jahrhundert; im September 1993 erhielt das Projekt unter dem Codenamen G21 (In Kombination mit Globe) wurde das Projekt ins Leben gerufen. Das Team aus 10 Ingenieuren und Designern setzte sich zum Ziel, eine Kraftstoffeffizienz von 20 km/litre zu erreichen. Im Februar 1994 wurde das Projekt offiziell gegründet; an der Spitze stand Takeshi Uchiyamada, der später den Toyota-Vorsitz übernehmen sollte.

Im November 1994 änderte sich die Lage. Der stellvertretende Technologievorstand Akihiro Wada erteilte dem Projekt die Anweisung, ein Hybridfahrzeug zu bauen, und erklärte, dass das Projekt andernfalls eingestellt werden würde. Ziel war es, die Effizienz zu verdoppeln, und nach Einschätzung des Teams war der einzige Weg dafür die Hybridtechnologie. Ein bemerkenswertes Detail: Selbst die Mitglieder des G21-Teams betrachteten die Hybridisierung zu dieser Zeit als eine ungeprüfte Technologie, die bis zum Beginn des 21. Jahrhunderts nicht einsatzbereit sein würde. Die Anweisung änderte diese Entscheidung.

Das Team untersuchte etwa sechs Monate lang verschiedene Systeme und wählte aufgrund seines Potenzials für hohe Kraftstoffeffizienz den Typ mit zwei Motoren. Die radikalste Folge dieser Entscheidung war: Man ging davon aus, dass das konventionelle Getriebe vollständig entfallen würde. Im Juni 1995 kam die offizielle Genehmigung für das Serienfahrzeug; Motor, Motor-Generatoren und Wechselrichter sollten intern entwickelt werden, und für die Batterie wurde eine Zusammenarbeit mit Matsushita Battery Industrial vereinbart. Dass Hiroshi Okuda im August 1995 Toyota-Präsident wurde, bedeutete einen Wendepunkt für die Hybridentwicklung.

Toyota Hybrid System: Wie funktioniert das Planetengetriebe?

Im März 1997 gab Toyota bekannt, dass es das leistungsverzweigte Toyota Hybrid System(THS) mit integriertem Elektromotor und Generator abgeschlossen habe. Im Herzen des Systems befand sich das leistungsverzweigende Planetengetriebe: Dieser Mechanismus verband die beiden Motor-Generatoren mit dem Verbrennungsmotor und teilte die Motorleistung zwischen dem Antrieb der Räder und der Stromerzeugung auf. Dass Ein- und Abtriebswellen auf derselben Ebene lagen, sorgte für Kompaktheit; der Antriebsmotor verstärkte die Motorleistung und wirkte beim Verzögern wie ein Generator, indem er die Batterie lud; der zweite Motor erzeugte mit der Kraft des Verbrennungsmotors Strom, steuerte das Getriebe und übernahm zusätzlich die Funktion des Anlassers. Zwischen der Batterie und den Motoren wurde ein Wechselrichter platziert.

Das heute als Hybrid Synergy Drive (HSD) bekannte System ist die verfeinerte Version des THS im Prius von 1997-2003. Das System der zweiten Generation debütierte im Prius von 2004, und die Namensänderung spiegelte die Erwartung wider, dass sich die Technologie über die Marke Toyota hinaus öffnen würde; das System wurde 2006 auch beim Camry und Highlander eingesetzt. Beim HSD werden das konventionelle Getriebe, die Lichtmaschine und der Anlasser durch die Leistungselektronik aus MG1, MG2, drei DC-AC-Wechselrichtern und zwei DC-DC-Wandlern, eine computergestützte Steuerung und eine Hochvoltbatterie ersetzt.

Die Aufgabenverteilung der beiden Motor-Generatoren ist klar:

• MG1: Motor, der den Verbrennungsmotor startet, und Generator, der die Batterie lädt; durch die Regulierung der Stromerzeugung steuert er in der Praxis das CVT des Triebwerks.
• MG2: Hauptantriebsmotor und Generator für die rekuperative Bremsung; in der Regel der leistungsstärkere.

Der Planetenradsatz übernimmt eine CVT-ähnliche Funktion, und Toyota bezeichnet das System für gesetzliche Zwecke als e-CVT einstuft. HSD ist ein Vollhybrid: Das Fahrzeug kann ausschließlich mit dem Elektromotor fahren - die meisten Konkurrenz-Hybride können das nicht und gelten daher als Mild-Hybrid. Das System entwickelte sich auch innerhalb der Generationen weiter: In der 1. und 2. Generation war MG2 direkt mit dem Ringrad verbunden (1:1, keine Momentenübersetzung); in der 3. Generation wurde es mit einem Planetenradsatz mit 2,5:1 verbunden, was ein kleineres, aber leistungsstärkeres MG2 ermöglichte. Auf der Batterieseite verwendete der Prius der 1. Generation 228 Zellen und 38 Module, während die 2. und 3. Generation auf 28 Panasonic-prismatische NiMH-Module mit einer Nennspannung von 201,6 V umstieg; die Elektronik hält die Ladung für die Batterielebensdauer nur im Bereich von 40-80 %.

Warum wählte Honda einen anderen Weg? Die Wahl des parallelen IMA

Während Toyota auf die Zweimotor-Leistungsverteilung setzte, verfolgte Honda einen Ansatz, der Einfachheit und Kostenausgleich in den Vordergrund stellte. Hondas erster Serienhybrid, der Insight, kam 1999 auf den Markt und war mit dem parallelen Hybrid- Integrated Motor Assist (IMA)-System ausgestattet. Beim IMA teilen sich Elektromotor und Benzinmotor eine gemeinsame Abtriebswelle; anders als beim Serienhybrid kann der Benzinmotor die Räder allein antreiben. Dies war ein Fahrzeug, das nach dem Prius von 1997 kam und als Mild-Hybrid mit Parallelsystem eingestuft wurde.

Das Ergebnis war die erste große architektonische Spaltung des Hybridmarktes. Toyota hatte ein System mit vielen Komponenten und komplexer Steuerung gewählt, das auf höchste Effizienz abzielte; Honda bevorzugte hingegen eine Anordnung, die mit weniger Teilen eine vernünftige Effizienz bot. IMA wurde über etwa sechs Generationen eingesetzt und Hondas Hybridentwicklung führte mit der Zeit zum heutigen e:HEV -System. Da jedoch kein rein elektrisches Fahren möglich war, wurde IMA gegenüber HSD technisch in eine engere Kategorie eingeordnet: Wie die meisten Hybride außer HSD kann auch IMA nicht ausschließlich elektrisch anfahren.

Nach 1997: Wie prägte die Leistungsverteilungsarchitektur den Markt?

Der im Dezember 1997 eingeführte Prius ging als weltweit erstes in Serienproduktion gefertigtes Hybridfahrzeug auch in die IEEE-Milestone-Liste ein. Danach begann die Geschichte der Skalierung: Toyota überstieg im Mai 2007 die 1 Million, Ende August 2009 die 2 Millionen und im März 2013 die 5 Millionen Hybridverkäufe; bis März 2013 machten die USA 38 % der globalen Hybridverkäufe aus. Der Prius ist heute in fünfter Generation in Produktion.

Die Leistungsverteilungsarchitektur blieb nicht nur eine Toyotas interne Lösung. Die HSD-Technologie wurde für den Altima Hybrid an Nissan lizenziert; Aisin bot ähnliche Hybridgetriebe anderen Herstellern an. Dasselbe System wurde an Mirais Elektroantrieb und den Prius Plug-in Hybrid angepasst; die Lexus-Versionen tragen den Namen Lexus Hybrid Drive. Das Leistungsverteilungsdesign wurde auch bei anderen Marken zum Standard: In neueren Vergleichen sitzt auch in den Systemen von GM, Toyota, Dongfeng und Great Wall vorne wieder ein Planetenradgetriebe, das das Sonnenrad mit dem MG1-Motor verbindet. Sogar in Fahrzeugen des Modelljahres 2026 (zum Beispiel RAV4 XA60) gibt es weiterhin NiMH- und Li-Ion-Batterieoptionen.

Elektrische Reichweite und praktische Grenzen

Das Standard-HSD bietet einen EV-Modus, der bei ausreichender Batterieladung unterhalb von 40 km/h etwa 1,6 km rein elektrisches Fahren ermöglicht. Für eine längere elektrische Reichweite ist eine separate Architektur erforderlich: Prius Plug-in Hybrid bietet mit einer 4,4 kWh fassenden und 80 kg schweren Lithium-Ionen-Batterie nach EPA-Messung 18 km elektrische Reichweite. Eine häufig gestellte Frage zur Batterie muss auch geklärt werden: Das HSD kann ohne seinen Rechner, ohne Netzstrom, ohne seine Batterie und ohne Motor-Generatoren nicht arbeiten; andererseits könnte es prinzipiell auch ohne Verbrennungsmotor fahren, in der Praxis kann das Fahrzeug in Notfällen eine kurze Strecke ausschließlich mit Benzin zurücklegen.

Rückblickend von heute aus: Warum ist die Leistungsaufteilung noch immer relevant?

Beobachtungen zeigen, dass Verbraucher sich dem Hybrid zuwenden, wenn der Übergang zu reinen batterieelektrischen Fahrzeugen langsamer wird, und es gibt ein Produktionsdetail, das Toyotas Position in diesem Zusammenhang stärkt: Toyota kann seine Hybridfahrzeuge auf denselben Montagelinien wie Benzin- und Plug-in-Modelle fertigen und die Produktion je nach Nachfrage in Echtzeit anpassen. Aus ingenieurtechnischer Sicht noch bemerkenswerter ist das Alter des Systems. Das 1994 nach einer sechsmonatigen Analyse gewählte Zweimotorkonzept funktioniert auch drei Jahrzehnte später mit seinem Kernmechanismus – Planetengetriebe, zwei Motor-Generatoren und Leistungselektronik – nach nahezu demselben Prinzip. In den Patentarchiven lassen sich detaillierte Arbeiten zum Planetengetriebedesign und zu mehrstufigen Leistungsaufteilungskonfigurationen finden; allerdings ist es schwierig zu behaupten, dass die verbreitete Erzählung, Toyota habe sein Leistungsaufteilungssystem mit einem einzigen Patent gesichert, auf einem einzelnen, direkten Patenteintrag beruht – die Stärke des Systems kommt nicht so sehr aus einem einzigen Dokument, sondern aus einer architektonischen Entscheidung, die im Ganzen der Komponenten verankert ist. Und genau diese Entscheidung steht als einer der prägendsten Wendepunkte der Hybridgeschichte da: Der richtige Mechanismus zog den Rest der Technologie hinter sich her.

Quellen

• 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