Güç Bölme Sistemi Toyota Hibritini Neden Rakipsiz Kıldı?

Toyota hibritini rakipsiz kılan şey tek başına elektrik motoru ya da batarya değil, iki motorlu gücü tek bir gezegensel dişli takımıyla bölüp birleştiren güç bölme (power-split) aktarma organıdır. Bu mimari, seri ve paralel hibritlerin zayıf noktalarını tek bir mekanizmada telafi ederek araca benzinli motor, elektrik motoru ya da ikisinin bileşimiyle sorunsuz biçimde hareket etme yeteneği verdi. 1997'de ilk seri üretilmiş hibrit Prius ile yola çıkan bu sistem, bugün hâlâ sektörün ölçüt kabul ettiği çözüm.

Seri, paralel ve güç bölme: üç mimarinin farkı nedir?

Hibrit aktarma organlarını anlamak için üç temel mimariyi ayırmak gerekir. Seri hibratte tekerlekler yalnızca elektrikle döner; içten yanmalı motor jeneratörü besler, elektrik ise motora gider. Tarih sahnesine çıkan ilk örnek de bu şemaydı: Ferdinand Porsche 1898'de Egger-Lohner C.2'yi tasarladı, 1900'de ön tekerleklere tekerlek-motorları takılı elektrikli Lohner-Porsche'yi tanıttı ve 1901'de hub drive ile benzinli motoru birleştiren Lohner-Porsche Mixte Hybrid seri üretime giren ilk hibrit araç oldu. 1902'de Porsche bu araçla Exelberg Rally'sini bile kazandı. Ama seri mimarinin bedeli açıktır: enerji mekanik olarak değil, elektriksel olarak tekerleklere taşınır ve her dönüşümde kayıp doğar.

Paralel hibratte içten yanmalı motor ile elektrikli motor ortak bir çıkış milini paylaşır; motor tek başına ya da birlikte tekerlekleri sürebilir. Bu düzen genellikle seriye göre daha küçük bir batarya kullanır ve rejeneratif frenlemeyle şarj olur. Mekanik bağlantı korunduğu için verim kaybı sınırlıdır; buna karşılık motor ile tekerlek devirleri birbirine bağlıdır ve motoru en verimli çalışma aralığında tutmak zorlaşır.

Güç bölme mimarisi ikisinin ortasıdır: paralel yola bir güç bölme cihazı eklenir ve içten yanmalı motordan tekerleklere birden fazla güç yolu açılır. Motor, jeneratör ve tahrik motoru birbirinden bağımsız (dekuple) çalışabilir; sistem, koşula göre seri gibi ya da paralel gibi davranarak karışık sürüşte verimliliği korur. Temel ayırt edici özellik, motoru verimli çalışma aralığında tutan elektronik sürekli vites şanzımanı, yani eCVT'dir.

G21 projesi: 20 kilometrelik hedeften hibrit kararına

Toyota'nın sisteminin doğuşu bir mühendislik hamlesinden değil, bir vizyon çalışmasından çıktı. Yaz 1993'te onursal başkan Eiji Toyoda'nın çağrısıyla 21. yüzyıl için araç tasarımı çalışması başladı; Eylül 1993'te kod adı G21 (Globe ile 21. yüzyılın birleşimi) olan proje kuruldu. 10 mühendis ve tasarımcıdan oluşan ekip, hedef olarak 20 km/litre yakıt verimliliği koydu. Şubat 1994'te proje resmen kuruldu; başında, sonradan Toyota başkanlığına gelecek olan Takeshi Uchiyamada vardı.

Kasım 1994'te tablo değişti. Teknolojiden sorumlu genel müdür yardımcısı Akihiro Wada, projeye hibrit yapma talimatı verdi ve yapılamazsa projenin kaldırılacağı belirtildi. Hedef verimliliği ikiye katlamaktı ve ekibin değerlendirmesine göre bunun tek yolu hibrit teknolojisiydi. Kayda değer bir ayrıntı: G21 ekibinin kendi üyeleri bile o dönemde hibritleşmeyi 21. yüzyıl başına yetişemeyecek, kanıtlanmamış bir teknoloji olarak görüyordu. Talimat, bu kararı değiştirdi.

Ekip yaklaşık altı ay boyunca sistemleri inceledi ve yüksek yakıt verimliliği potansiyeli nedeniyle iki motorlu tipi seçti. Bu seçimin en radikal sonucu şuydu: konvansiyonel şanzımanın tamamen ortadan kalkacağı varsayılmıştı. Haziran 1995'te üretim aracı için resmi onay geldi; motor, motor-jeneratörler ve invertörler iç geliştirmeyle üretilecek, batarya içinse Matsushita Battery Industrial ile işbirliği yapılacaktı. Ağustos 1995'te Hiroshi Okuda'nın Toyota başkanı olması hibrit geliştirmesine dönüm noktası oldu.

Toyota Hybrid System: gezegensel dişli nasıl çalışır?

Mart 1997'de Toyota, entegre elektrik motoru ve jeneratör ile güç bölmeli Toyota Hybrid System'i (THS) tamamladığını duyurdu. Sistemin kalbinde gezegensel dişlili güç bölme cihazı vardı: bu mekanizma iki motor-jeneratörü içten yanmalı motora bağlıyor, motor gücünü tekerlekleri taşıma ile elektrik üretimi arasında bölüyordu. Giriş ve çıkış millerinin aynı düzlemde olması kompaktlık sağlıyordu; tahrik motoru motor gücünü artırıyor ve yavaşlamada jeneratör gibi çalışıp bataryayı şarj ediyordu; ikinci motor ise İYM gücüyle elektrik üretiyor, şanzımanı kontrol ediyor ve marş motoru görevini de üstleniyordu. Batarya ile motorların arasına invertör yerleştirildi.

Bugün Hybrid Synergy Drive (HSD) olarak bilinen sistem, 1997-2003 Prius'taki THS'nin rafine hâlidir. İkinci nesil sistem 2004 Prius'ta görüldü ve isim değişikliği, teknolojinin Toyota markasının ötesine açılma beklentisini yansıtıyordu; sistem 2006'da Camry ve Highlander'a da uygulandı. HSD'de konvansiyonel şanzımanın, alternatörün ve marş motorunun yerini MG1, MG2, üç DC-AC invertör ile iki DC-DC çeviriciden oluşan güç elektroniği, bilgisayarlı kontrol ve yüksek voltajlı batarya alır.

İki motor-jeneratörün iş bölümü nettir:

• MG1: İYM'yi başlatan motor ve bataryayı şarj eden jeneratör; elektrik üretimini düzenleyerek transaksın CVT'sini fiilen kontrol eder.
• MG2: Ana tahrik motoru ve rejeneratif frenleme jeneratörü; genellikle daha güçlüdür.

Gezegensel dişli takımı CVT benzeri işlev görür ve Toyota sistemi mevzuat amaçlı olarak e-CVT sınıfına sokar. HSD tam hibrittir: araç yalnızca elektrik motoruyla hareket edebilir - çoğu rakip hibrit bunu yapamaz ve bu nedenle mild hybrid sayılır. Sistem nesiller içinde de gelişti: 1. ve 2. nesilde MG2 ring dişliye doğrudan bağlıydı (1:1, tork çoğaltması yok); 3. nesilde ise 2,5:1'lik gezegensel dişli takımıyla bağlanarak daha küçük ama daha güçlü bir MG2 mümkün oldu. Batarya tarafında 1. nesil Prius 228 hücre ve 38 modül kullanırken, 2. ve 3. nesil 201,6 V nominal gerilimli 28 Panasonic prizmatik NiMH modüle geçti; elektronik, batarya ömrü için şarjı yalnızca %40-80 aralığında tutar.

Honda neden farklı bir yol chose etti? Paralel IMA tercihi

Toyota iki motorlu güç bölmeye yatırım yaparken Honda, basitlik ve maliyet dengesini öne alan bir çözüm benimsedi. Honda'nın ilk üretim hibriti Insight 1999'da piyasaya çıktı ve paralel hibrit Integrated Motor Assist (IMA) sistemiyle donatıldı. IMA'da elektrik motoru ile benzinli motor ortak bir çıkış milini paylaşır; seri hibrattekinin aksine, benzinli motor tek başına tekerlekleri sürebilir. Bu, 1997 Prius'un ardından gelen ve paralel sistemli mild hybrid olarak sınıflandırılan bir araçtı.

Sonuç, hibrit pazarının ilk büyük mimari ayrışması oldu. Toyota verimlilik üst sınırını hedefleyen, bileşen sayısı fazla ve kontrolü karmaşık bir sistem seçmişti; Honda ise daha az parçayla makul verimlilik sunan bir düzeni tercih etti. IMA yaklaşık altı nesil boyunca kullanıldı ve Honda'nın hibrit evrimi zamanla bugünkü e:HEV sistemine ulaştı. Ancak tam elektrikli sürüş yapamaması, IMA'yı HSD karşısında teknik olarak daha dar yetenekli bir kategoriye yerleştirdi: HSD dışındaki çoğu hibrit gibi IMA da yalnızca elektrikle yola çıkamaz.

1997 sonrası: güç bölme mimarisi pazarı nasıl şekillendirdi?

Aralık 1997'de lansmanı yapılan Prius, dünyanın ilk seri üretilmiş hibrit otomobili olarak IEEE Milestone listesine de girdi. Sonrası, ölçek hikâyesidir: Toyota Mayıs 2007'de 1 milyon, Ağustos 2009 sonunda 2 milyon ve Mart 2013'te 5 milyon hibrit satışını geçti; Mart 2013 itibarıyla ABD, küresel hibrit satışlarının %38'ini oluşturuyordu. Prius bugün beş nesildir üretimde.

Güç bölme mimarisi yalnızca Toyota'nın içine kapanan bir çözüm de olmadı. HSD teknolojisi, Altima Hybrid için Nissan'a lisanslandı; Aisin benzer hibrit şanzımanları diğer üreticilere sundu. Aynı sistem Mirai'nin elektrikli sürüşüne ve Prius Plug-in Hybrid'e uyarlandı; Lexus versiyonları Lexus Hybrid Drive adını taşıyor. Güç bölme tasarımı başka markalarda da standart hâline geldi: yakın tarihli karşılaştırmalarda GM, Toyota, Dongfeng ve Great Wall sistemlerinde önde yine gezegensel dişli mekanizması var ve güneş dişlisi MG1 motoruna bağlıyor. 2026 model yılı araçlarında bile (örneğin RAV4 XA60) NiMH ve li-ion batarya seçenekleri sürüyor.

Elektrikli menzil ve pratik sınırlar

Standart HSD, bataryada yeterli şarj varsa 40 km/s hızın altında yaklaşık 1,6 km tam elektrikli sürüş sağlayan bir EV modu sunar. Daha uzun elektrikli menzil için ayrı bir mimari gerekir: Prius Plug-in Hybrid, 4,4 kWh kapasiteli ve 80 kg ağırlığında li-ion batarya ile EPA ölçümüne göre 18 km elektrikli menzil sunar. Batarya konusundaki sık sorulan bir soruyu da açıklığa kavuşturmak gerekir: HSD, bilgisayarı, güç elektriği, bataryası ve motor-jeneratörleri olmadan çalışamaz; buna karşılık prensipte İYM olmadan da hareket edebilir, pratikte acil durumlarda araç kısa bir mesafe yalnızca benzinle gidebilir.

Bugünden bakınca: güç bölme neden hâlâ geçerli?

Tam bataryalı elektrikli araçlara geçiş yavaşladığında tüketicilerin hibrite yöneldiği gözlemleniyor ve Toyota'nın bu bağlamda elini güçlendiren bir üretim detayı var: hibritleri benzinli ve plug-in hatlarla aynı montaj hatlarında üretebiliyor, talebe göre üretimi gerçek zamanlı ayarlayabiliyor. Mühendislik açısından daha çarpıcı olan ise sistemin yaşıdır. 1994'te altı aylık bir analizle seçilen iki motorlu düzen, üç on yıl sonra bile çekirdek mekanizması - gezegensel dişli, iki motor-jeneratör ve güç elektroniği - neredeyse aynı ilkeyle çalışıyor. Patent arşivlerinde gezegensel dişli tasarımı ve çok modlu güç bölme düzenleri üzerine ayrıntılı çalışmalar bulmak mümkün; ne var ki Toyota'nın güç bölme sistemini tek bir patentle kilitlediği yönündeki yaygın anlatının, tekil ve doğrudan bir patent kaydına dayandığını söylemek güç - sistemin gücü tek bir kâğıttan çok, bileşenlerin bütününe yerleşen mimari kararından gelir. Ve işte bu karar, hibrit tarihinin en belirleyici dönüm noktalarından biri olarak duruyor: doğru mekanizma, teknolojinin geri kalanını peşinden sürükledi.

Kaynaklar

• 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