Güc Bölmə Sistemi Toyota Hibridini Niyə Rəqibsiz Etdi?

Toyota hibritini rəqibsiz edən təklikdə elektrik mühərriki ya da akku deyil, iki mühərrikli gücü tək planet dişli dəsti ilə bölüb birləşdirən güc bölmə (power-split) ötürmə orqanıdır. Bu memarlıq, seri və paralel hibridlərin zəif nöqtələrini tək bir mexanizmdə kompensasiya edərək avtomobilə benzin mühərriki, elektrik mühərriki ya da ikisinin birləşməsi ilə problemsiz şəkildə hərəkət etmək qabiliyyəti verdi. 1997-ci ildə ilk seriya istehsalı hibrid Prius ilə yola çıxan bu sistem, bu gün də sektorun meyar qəbul etdiyi həlldir.

Seri, paralel və güc bölmə: üç memarlığın fərqi nədir?

Hibrid ötürmə orqanlarını anlamaq üçün üç əsas memarlığı ayırmaq lazımdır. Seri hibriddə təkərlər yalnız elektriklə dövr edir; daxili yanma mühərriki generatoru qidalandırır, elektrik isə mühərrikə gedir. Tarix səhnəsinə çıxan ilk nümunə də bu sxem idi: Ferdinand Porsche 1898-də Egger-Lohner C.2-ni layihələndirdi, 1900-də ön təkərlərə təkər-mühərriklər quraşdırılmış elektrikli Lohner-Porsche-ni təqdim etdi və 1901-də hub drive ilə benzin mühərrikini birləşdirən Lohner-Porsche Mixte Hybrid seriya istehsalına girən ilk hibrid avtomobil oldu. 1902-də Porsche bu avtomobillə Exelberg Rallysini belə qazandı. Amma seri memarlığın qiyməti açıqdır: enerji mexaniki deyil, elektrik yolla təkərlərə daşınır və hər çevrilmədə itki yaranır.

Paralel hibriddə daxili yanma mühərriki ilə elektrik mühərriki ortaq bir çıxış milini paylaşır; mühərrik təklikdə ya da birlikdə təkərləri hərəkət etdirə bilər. Bu düzüm adətən seriyə görə daha kiçik bir akku istifadə edir və rejenerativ əyləclənmə ilə dolur. Mexanik əlaqə qorunduğu üçün səmərəlilik itkisi məhduddur; buna müqabil mühərrik ilə təkərlərin fırlanma tezlikləri bir-birinə bağlıdır və mühərriki ən səmərəli işləmə aralığında saxlamaq çətinləşir.

Güc bölmə memarlığı ikisinin ortasıdır: paralel yola bir güc bölmə cihazı əlavə olunur və daxili yanma mühərrikindən təkərlərə birdən çox güc yolu açılır. Mühərrik, generator və hərəkət mühərriki bir-birindən müstəqil (dekuplə) işləyə bilər; sistem, şərtə görə seri kimi ya da paralel kimi davranaraq qarışıq sürüşdə səmərəliliyi qoruyur. Əsas fərqləndirici xüsusiyyət, mühərriki səmərəli işləmə aralığında saxlayan elektronik davamlı ötürücü, yəni eCVT-dir.

G21 layihəsi: 20 kilometrlik hədəfdən hibrid qərarına

Toyotaın sisteminin doğumu bir mühəndislik addımından deyil, bir vizyon işindən çıxdı. 1993-cü ilin yayında fəxri sədr Eiji Toyodanın çağırışı ilə 21-ci əsr üçün avtomobil dizaynı işi başladı; 1993-cü ilin sentyabrında kod adı G21 (Globe ilə 21. əsrin birləşməsi) olan layihə quruldu. 10 mühəndis və dizaynerdən ibarət komanda məqsəd olaraq 20 km/litr yanacaq səmərəliliyi qoydu. Fevral 1994-də layihə rəsmi olaraq quruldu; başında sonradan Toyota sədrliyinə gələcək olan Takeshi Uchiyamada var idi.

Noyabr 1994-də mənzərə dəyişdi. Texnologiyadan məsul baş direktor müavini Akihiro Wada layihəyə hibrid edilməsi təlimatını verdi və edilməsə layihənin ləğv ediləcəyi bildirildi. Hədəf səmərəliliyi iki dəfə artırmaq idi və komandanın qiymətləndirməsinə görə bunun yeganə yolu hibrid texnologiyası idi. Diqqətəlayiq bir detal: G21 komandasının öz üzvləri də o dövrdə hibridləşməni 21. əsrin əvvəlinə çatmayacaq, sübut olunmamış bir texnologiya kimi görürdü. Təlimat bu qərarı dəyişdirdi.

Komanda təxminən altı ay boyunca sistemləri araşdırdı və yüksək yanacaq səmərəliliyi potensialına görə iki mühərrikli tipi seçdi. Bu seçimin ən radikal nəticəsi bu idi: konvensional transmissiyanın tamamilə aradan qalxacağı güman edilirdi. İyun 1995-də istehsal avtomobili üçün rəsmi təsdiq gəldi; mühərrik, mühərrik-qiymirlər və invertorlar daxili inkişafla istehsal ediləcək, batareya üçün isə Matsushita Battery Industrial ilə əməkdaşlıq ediləcəkdi. Avqust 1995-də Hiroshi Okudanın Toyota sədri olması hibrid inkişafı üçün dönüş nöqtəsi oldu.

Toyota Hybrid System: planetar dişli necə işləyir?

Mart 1997-də Toyota inteqrasiya edilmiş elektrik mühərriki və qiymir ilə güc bölməli Toyota Hybrid System-i (THS) tamamladığını elan etdi. Sistemin mərkəzində planetar dişlili güc bölmə cihazı var idi: bu mexanizm iki mühərrik-qiymiri iç yanma mühərrikinə bağlayır, mühərrik gücünü təkərləri daşıma ilə elektrik istehsalı arasında bölürdü. Giriş və çıxış millərinin eyni müstəvidə olması kompaktlıq təmin edirdi; ötürmə mühərriki mühərrik gücünü artırır və yavaşlamada qiymir kimi işləyib batareyanı doldururdu; ikinci mühərrik isə İYM gücü ilə elektrik istehsal edir, transmissiyanı idarə edir və start mühərriki vəzifəsini də daşıyırdı. Batareya ilə mühərriklərin arasına invertor yerləşdirildi.

Bugün Hybrid Synergy Drive (HSD) kimi tanınan sistem 1997-2003 Prius-dakı THS-nin təkmilləşdirilmiş halıdır. İkinci nəsil sistem 2004 Prius-da görüldü və ad dəyişikliyi texnologiyanın Toyota brendinin həddindən kənara açılma gözləntisini əks etdirirdi; sistem 2006-da Camry və Highlander-a da tətbiq edildi. HSD-də konvensional transmissiyanın, alternatorun və start mühərrikinin yerini MG1, MG2, üç DC-AC invertor ilə iki DC-DC çeviricidən ibarət güc elektronikası, kompüterləşdirilmiş idarəetmə və yüksək gərginlikli batareya alır.

İki mühərrik-qiymirin iş bölgüsü aydındır:

• MG1: İYM-ni işə salan mühərrik və batareyanı dolduran qiymir; elektrik istehsalını tənzimləyərək transaksiyanın CVT-sini faktiki olaraq idarə edir.
• MG2: Əsas ötürmə mühərriki və rejenerativ əyləc qiymiri; adətən daha güclüdür.

Planetar dişli dəsti CVT-ə bənzər funksiya yerinə yetirir və Toyota sistemi qanunvericilik məqsədli olaraq e-CVT sinfinə aid edir. HSD tam hibritdir: avtomobil yalnız elektrik mühərriki ilə hərəkət edə bilər - çox rəqib hibrit bunu edə bilmir və buna görə də mild hybrid sayılır. Sistem nəsillər daxilində də inkişaf etdi: 1-ci və 2-ci nəsillərdə MG2 halqalı dişli birbaşa qoşulmuşdu (1:1, moment artırımı yox idi); 3-cü nəsildə isə 2,5:1 planet dişli qrupu ilə qoşularaq daha kiçik, lakin daha güclü MG2 mümkün oldu. Batareya tərəfindən 1-ci nəsil Prius 228 hüceyrə və 38 modul işlədirdisə, 2-ci və 3-cü nəsillər 201,6 V nominal gərginlikli 28 Panasonic prizmatik NiMH modula keçdi; elektronika batareya ömrü üçün şarjı yalnız %40-80 aralığında saxlayır.

Honda niyə fərqli yol seçdi? Paralel IMA seçimi

Toyota iki mühərrikli güc bölüşməyə investisiya edərkən Honda sadəlik və maya dəyəri balansını önə alan həll yolunu mənimsədi. Honda'nın ilk istehsal hibriti Insight 1999-cu ildə bazararaq paralel hibrit Integrated Motor Assist (IMA) sistemi ilə təchiz edildi. IMA-da elektrik mühərriki ilə benzin mühərriki ortaq bir çıxış milini paylaşır; seri hibritdəkindən fərqli olaraq, benzin mühərriki tək başına təkərləri hərəkət etdirə bilər. Bu, 1997 Prius'undan sonra gələn və paralel sistemli mild hybrid kimi təsnif edilən bir avtomobil idi.

Nəticə, hibrit bazarının ilk böyük memarlıq ayrılması oldu. Toyota səmərəlilik yuxarı həddini hədəfləyən, komponent sayı çox və idarəetməsi mürəkkəb bir sistem seçmişdi; Honda isə daha az hissə ilə məqbul səmərəlilik təqdim edən bir düzənə üstünlük verdi. IMA təxminən altı nəsil boyunca istifadə edildi və Honda'nın hibrit təkamülü zamanla bugünkü e:HEV sisteminə çatdı. Ancaq tam elektrikli sürüş edə bilməməsi IMA-nı HSD qarşısında texniki olaraq daha dar imkanlı bir kateqoriyaya yerləşdirdi: HSD xaricindəki çox hibrit kimi IMA da yalnız elektriklə yola çıxa bilmir.

1997-dən sonra: güc bölüşmə memarlığı bazarı necə formalaşdırdı?

Dekabr 1997-də təqdimatı yapılan Prius, dünyanın ilk seriya istehsalı hibrit avtomobili kimi IEEE Milestone siyahısına da girdi. Sonrası, miqyas hekayəsidir: Toyota may 2007-də 1 milyon, avqust 2009 sonunda 2 milyon və mart 2013-də 5 milyon hibrit satışını keçdi; mart 2013 etibarilə ABŞ qlobal hibrit satışlarının %38-ini təşkil edirdi. Prius bu gün beş nəsildir istehsaldadır.

Güc bölüşmə memarlığı yalnız Toyota'nın içərinə qapanan bir həll də olmadı. HSD texnologiyası Altima Hybrid üçün Nissan'a lisenziyalandırıldı; Aisin bənzər hibrit ötürmələri digər istehsalçılara təqdim etdi. Eyni sistem Mirai'nin elektrikli sürüşünə və Prius Plug-in Hybrid'ə uyğunlaşdırıldı; Lexus versiyaları Lexus Hybrid Drive adını daşıyır. Güc bölüşmə dizaynı başqa markalarda da standart hala gəldi: yaxın tarixli müqayisələrdə GM, Toyota, Dongfeng və Great Wall sistemlərində öndə yenə planet dişli mexanizması var və günəş dişlisi MG1 mühərrikinə qoşulur. 2026 model ili avtomobillərində belə (məsələn RAV4 XA60) NiMH və li-ion batareya seçimləri davam edir.

Elektrikli məsafə və praktik hədlər

Standart HSD, batareyada kifayət qədər yük varsa, 40 km/s sürətdən aşağıda təxminən 1,6 km tam elektrikli sürüş təmin edən EV rejimi təklif edir. Daha uzun elektrikli məsafə üçün ayrıca arxitektura lazımdır: Prius Plug-in Hybrid, 4,4 kWh tutumu və 80 kg ağırlığı olan li-ion batareya ilə EPA ölçümünə görə 18 km elektrikli məsafə təklif edir. Batareya ilə bağlı tez-tez verilən bir sualı da dəqiqləşdirmək lazımdır: HSD, kompüteri, güc elektriki, batareyası və mühərrik-generatorları olmadan işləyə bilməz; bunun əvəzində prinsipcə DYM olmadan da hərəkət edə bilər, praktikada isə fövqəladə hallarda avtomobil qısa bir məsafəni yalnız benzinlə gedə bilər.

Bu gündən baxanda: güc bölməsi niyə hələ də aktualdır?

Tam bataryalı elektrikli vasitələrə keçid yavaşladıqda istehlakçıların hibridə yönəldiyi müşahidə olunur və Toyotanın bu konteksdə əlini gücləndirən bir istehsal detalları var: hibridləri benzinli və plug-in xətlərlə eyni yığım xətlərində istehsal edə bilir, tələbə görə istehsalı real vaxtda tənzimləyə bilir. Mühəndislik baxımından daha təsirli olan isə sistemin yaşıdır. 1994-cü ildə altı aylıq bir təhlil ilə seçilmiş iki mühərrikli quruluş, üç on il sonra belə nüvə mexanizmi - planetar dişli, iki motor-generator və güc elektronikası - demək olar ki, eyni prinsiplə işləyir. Patent arxivlərində planetar dişli dizaynı və çoxrejimli güc bölgüsü quruluşları üzrə ətraflı işlər tapmaq mümkündür; lakin Toyotanın güc bölgüsü sistemini tək bir patenterlə kilidlədiyi yönündəki geniş yayılmış rəvin, tək və birbaşa bir patent qeydinə əsaslandığını demək çətindir - sistemin gücü tək bir sənəddən çox, komponentlərin bütövünə yerləşən memarlıq qərarından gəlir. Və məhz bu qərar, hibrid tarixinin ən müəyyənedici dönüş nöqtələrindən biri kimi dayanır: düzgün mexanizm, texnologiyanın qalan hissəsini arxasınca apardı.

Mənbələr

• Priusun doğulmasının arxasındakı hekayə, 1-ci hissə
• Maddə 1. Priusun inkişafı və hibrid strategiyası
• Hibrid Sinergi Sürüş
• Hibrid vasitə ötürmə sistemi
• Yaddaş qeydləri: Toyota Prius, dünyanın ilk seriya istehsalı hibrid vasitəsi, 1997
• Seriya, paralel və seriya/paralel ötürmə sistemləri
• Prius və Volt: güc bölünməli hibridin konfiqurasiya təhlili
• Toyotanın Hibrid Sinergi Sürüş sisteminin içində
• Honda Insight - İnteqrasiya olunmuş motor dəstəyi
• e:HEV güc ötürmə sisteminin təkamülü
• Porscheun tarixi elektrikdən başlayır
• Lohner-Porsche
• GM, Toyota, Dongfeng, Great Wall güc bölünməsi müqayisəsi
• İstehlakçılar hibridləri seçdikdə Toyota rəqiblərindən üstün olacaq