पावर स्प्लिट सिस्टम ने टोयोटा हाइब्रिड को क्यों बेमिसाल बना दिया?

Toyota की ताकत बैटरी से नहीं, बल्कि उस शानदार यांत्रिकी से आती है जो दो मोटरों को एक ही ग्रहीय गियर सेट के साथ विभाजित और संयुक्त करती है।
Toyota की ताकत बैटरी से नहीं, बल्कि उस शानदार यांत्रिकी से आती है जो दो मोटरों को एक ही ग्रहीय गियर सेट के साथ विभाजित और संयुक्त करती है।

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टोयोटा की हाइब्रिड को अद्वितीय बनाने वाली चीज अकेले इलेक्ट्रिक मोटर या बैटरी नहीं, बल्कि दो मोटरों की शक्ति को एक ही प्लैनेटरी गियर सेट से विभाजित और संयुक्त करने वाला पावर-स्प्लिट ट्रांसमिशन है। यह आर्किटेक्चर सीरीज़ और पैरेलल हाइब्रिड की कमियों को एक ही तंत्र में पूरा करके वाहन को पेट्रोल इंजन, इलेक्ट्रिक मोटर या दोनों के संयोजन से निर्बाध रूप से चलने की क्षमता दी। 1997 में पहली सामूहिक उत्पादित हाइब्रिड Prius के साथ सड़क पर उतरी यह प्रणाली आज भी उद्योग द्वारा मानक माना जाने वाला समाधान है।

मुख्य बिंदु

  • G21 परियोजना 1993 में 20 किमी/लीटर ईंधन दक्षता के लक्ष्य के साथ शुरू हुई
  • पहला Prius दिसंबर 1997 में दुनिया की पहली सामूहिक उत्पादित हाइब्रिड के रूप में लॉन्च किया गया
  • टोयोटा के प्लैनेटरी गियर ने गियरबॉक्स को पूरी तरह समाप्त कर दिया और e-CVT प्रभाव पैदा किया
  • होंडा ने 1999 में पैरेलल Insight के साथ IMA प्रणाली को चुना
  • टोयोटा की वैश्विक हाइब्रिड बिक्री में मार्च 2013 में 5 मिलियन का आंकड़ा पार किया

सीरीज़, पैरेलल और पावर-स्प्लिट: तीन आर्किटेक्चर में क्या अंतर है?

हाइब्रिड ट्रांसमिशन को समझने के लिए तीन बुनियादी आर्किटेक्चर को अलग करना ज़रूरी है। सीरीज़ हाइब्रिड में पहिए केवल बिजली से घूमते हैं; आंतरिक दहन इंजन जनरेटर को ऊर्जा देता है और बिजली मोटर तक जाती है। इतिहास के मंच पर आने वाला पहला उदाहरण भी यही योजना थी: फर्डिनेंड पोर्शे ने 1898 में Egger-Lohner C.2 को डिज़ाइन किया, 1900 में सामने के पहियों पर व्हील-मोटर लगे बिजली से चलने वाले Lohner-Porsche को पेश किया और 1901 में हब ड्राइव के साथ पेट्रोल इंजन को जोड़ने वाला Lohner-Porsche Mixte Hybrid सामूहिक उत्पादन में जाने वाला पहला हाइब्रिड वाहन बना। 1902 में पोर्शे ने इसी वाहन से Exelberg रैली तक जीती। लेकिन सीरीज़ आर्किटेक्चर की कीमत स्पष्ट है: ऊर्जा यांत्रिक रूप से नहीं, बल्कि विद्युत रूप से पहियों तक पहुंचाई जाती है और हर रूपांतरण में हानि होती है।

पैरेलल हाइब्रिड में आंतरिक दहन इंजन और इलेक्ट्रिक मोटर एक साझा आउटपुट शाफ्ट साझा करते हैं; इंजन अकेले या साथ मिलकर पहियों को चला सकता है। यह व्यवस्था आमतौर पर सीरीज़ की तुलना में छोटी बैटरी का उपयोग करती है और रीजेनरेटिव ब्रेकिंग से चार्ज होती है। यांत्रिक संपर्क बना रहने के कारण दक्षता हानि सीमित होती है; हालांकि, इंजन और पहियों की गति एक-दूसरे से जुड़ी होती है और इंजन को सबसे कुशल संचालन सीमा में रखना मुश्किल हो जाता है।

पावर-स्प्लिट आर्किटेक्चर दोनों के बीच का है: पैरेलल मार्ग में एक पावर-स्प्लिट उपकरण जोड़ा जाता है और आंतरिक दहन इंजन से पहियों तक एक से अधिक शक्ति पथ खोले जाते हैं। इंजन, जनरेटर और ट्रैक्शन मोटर एक-दूसरे से स्वतंत्र (डिकपल्ड) रूप से काम कर सकते हैं; सिस्टम, स्थिति के अनुसार सीरीज़ या पैरेलल की तरह व्यवहार करके मिश्रित ड्राइविंग में दक्षता बनाए रखता है। मूल विशिष्ट विशेषता इंजन को कुशल संचालन सीमा में रखने वाला इलेक्ट्रॉनिक निरंतर वेरिएबल ट्रांसमिशन, यानी eCVT है।

G21 परियोजना: 20 किलोमीटर के लक्ष्य से हाइब्रिड निर्णय तक

टोयोटा की प्रणाली का जन्म किसी इंजीनियरिंग कदम से नहीं, बल्कि एक दूरदर्शी अध्ययन से हुआ। गर्मियों 1993 में मानद अध्यक्ष ईजी टोयोडा के आह्वान पर 21वीं सदी के लिए वाहन डिज़ाइन अध्ययन शुरू हुआ; सितंबर 1993 में कोड नाम G21 (Globe के साथ 21वीं सदी के मेल वाली) परियोजना की स्थापना हुई। 10 इंजीनियरों और डिज़ाइनरों की टीम ने लक्ष्य के रूप में 20 km/litre ईंधन दक्षता रखी। फरवरी 1994 में परियोजना आधिकारिक रूप से स्थापित हुई; इसके नेतृत्व में Takeshi Uchiyamada थे, जो बाद में Toyota की अध्यक्षता तक पहुँचे।

नवंबर 1994 में तस्वीर बदल गई। प्रौद्योगिकी के प्रभारी महाप्रबंधक उपाध्यक्ष Akihiro Wada ने परियोजना को हाइब्रिड बनाने का निर्देश दिया और कहा गया कि ऐसा करने में असमर्थता की स्थिति में परियोजना समाप्त कर दी जाएगी। लक्ष्य दक्षता को दोगुना करना था और टीम के मूल्यांकन के अनुसार इसका एकमात्र तरीका हाइब्रिड प्रौद्योगिकी थी। एक उल्लेखनीय विवरण: G21 टीम के अपने सदस्य भी उस समय हाइब्रिडीकरण को 21वीं सदी की शुरुआत तक न आने वाली, अप्रमाणित प्रौद्योगिकी मानते थे। इस निर्देश ने वह निर्णय बदल दिया।

टीम ने लगभग छह महीने तक सिस्टमों की जाँच की और उच्च ईंधन दक्षता की क्षमता के कारण दो मोटर वाले प्रकार को चुना। इस चयन का सबसे कट्टर परिणाम यह था: परंपरागत ट्रांसमिशन के पूरी तरह समाप्त हो जाने की मान्यता थी। जून 1995 में उत्पादन वाहन के लिए आधिकारिक मंजूरी मिली; इंजन, मोटर-जनरेटर और इन्वर्टर आंतरिक विकास से बनाए जाएँगे, और बैटरी के लिए Matsushita Battery Industrial के साथ सहयोग किया जाएगा। अगस्त 1995 में Hiroshi Okuda का Toyota अध्यक्ष बनना हाइब्रिड विकास के लिए एक मील का पत्थर बना।

Toyota Hybrid System: ग्रहीय गियर कैसे काम करता है?

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मार्च 1997 में Toyota ने घोषणा की कि उसने एकीकृत विद्युत मोटर और जनरेटर के साथ शक्ति-विभाजन वाले Toyota Hybrid System(THS) को पूरा कर लिया है। सिस्टम के केंद्र में ग्रहीय गियर वाला शक्ति-विभाजन उपकरण था: यह तंत्र दो मोटर-जनरेटरों को आंतरिक दहन इंजन से जोड़ता था और इंजन की शक्ति को पहियों को चलाने तथा बिजली उत्पादन के बीच विभाजित करता था। इनपुट और आउटपुट शाफ्टों का एक ही तल पर होना कॉम्पैक्टनेस प्रदान करता था; ट्रैक्शन मोटर इंजन की शक्ति बढ़ाता था और धीमे होने पर जनरेटर की तरह काम करके बैटरी चार्ज करता था; दूसरा मोटर ICE की शक्ति से बिजली उत्पन्न करता था, ट्रांसमिशन को नियंत्रित करता था और स्टार्टर मोटर का कार्य भी निभाता था। बैटरी और मोटरों के बीच इन्वर्टर रखा गया।

आज Hybrid Synergy Drive (HSD) के नाम से जाना जाने वाला सिस्टम, 1997-2003 Prius में लगे THS का परिष्कृत रूप है। दूसरी पीढ़ी का सिस्टम 2004 Prius में देखा गया और नाम परिवर्तन इस अपेक्षा को दर्शाता था कि प्रौद्योगिकी Toyota ब्रांड से आगे फैलेगी; यह सिस्टम 2006 में Camry और Highlander में भी लागू किया गया। HSD में परंपरागत ट्रांसमिशन, अल्टरनेटर और स्टार्टर मोटर की जगह MG1, MG2, तीन DC-AC इन्वर्टर और दो DC-DC कन्वर्टर से बनी पावर इलेक्ट्रॉनिक्स, कंप्यूटरीकृत नियंत्रण और उच्च वोल्टेज बैटरी ले लेती है।

दो मोटर-जनरेटरों का कार्य विभाजन स्पष्ट है:

  • MG1: ICE को चालू करने वाला मोटर और बैटरी चार्ज करने वाला जनरेटर; बिजली उत्पादन को नियंत्रित करके यह व्यावहारिक रूप से ट्रांसैक्सल के CVT को नियंत्रित करता है।
  • MG2: मुख्य ट्रैक्शन मोटर और रीजेनरेटिव ब्रेकिंग जनरेटर; प्रायः अधिक शक्तिशाली होता है।

ग्रहीय गियर सेट CVT जैसा कार्य करता है और Toyota कानूनी प्रयोजनों के लिए इस सिस्टम को e-CVT श्रेणी में डालता है। HSD पूर्ण हाइब्रिड है: वाहन केवल इलेक्ट्रिक मोटर से चल सकता है - अधिकांश प्रतिस्पर्धी हाइब्रिड ऐसा नहीं कर सकते और इसलिए उन्हें mild hybrid माना जाता है। सिस्टम पीढ़ियों के भीतर भी विकसित हुआ: पहली और दूसरी पीढ़ी में MG2 सीधे रिंग गियर से जुड़ा था (1:1, कोई टॉर्क गुणन नहीं); तीसरी पीढ़ी में 2.5:1 के प्लैनेटरी गियर सेट से जुड़कर एक छोटा लेकिन अधिक शक्तिशाली MG2 संभव हुआ। बैटरी की ओर, पहली पीढ़ी का Prius 228 सेल और 38 मॉड्यूल का उपयोग करता था, जबकि दूसरी और तीसरी पीढ़ी 201.6 V नॉमिनल वोल्टेज वाले 28 Panasonic प्रिज्मैटिक NiMH मॉड्यूल पर चली गईं; इलेक्ट्रॉनिक्स बैटरी के जीवन के लिए चार्ज को केवल 40-80% सीमा में रखती है।

Honda ने एक अलग रास्ता क्यों चुना? समानांतर IMA की पसंद

जब Toyota दो-मोटर वाले पावर स्प्लिट में निवेश कर रही थी, Honda ने सरलता और लागत संतुलन को प्राथमिकता देने वाला समाधान अपनाया। Honda का पहला उत्पादन हाइब्रिड Insight 1999 में बाजार में आया और समानांतर हाइब्रिड Integrated Motor Assist (IMA) सिस्टम से लैस था। IMA में इलेक्ट्रिक मोटर और पेट्रोल इंजन एक साझा आउटपुट शाफ्ट साझा करते हैं; सीरीज़ हाइब्रिड के विपरीत, पेट्रोल इंजन अकेले पहियों को चला सकता है। यह 1997 Prius के बाद आने वाला और समानांतर सिस्टम वाले mild hybrid के रूप में वर्गीकृत एक वाहन था।

परिणाम हाइब्रिड बाजार का पहला बड़ा आर्किटेक्चरल विभाजन बना। Toyota ने दक्षता की ऊपरी सीमा को लक्षित करने वाला, अधिक घटकों और जटिल नियंत्रण वाला सिस्टम चुना था; Honda ने कम पुर्जों के साथ उचित दक्षता देने वाली व्यवस्था को प्राथमिकता दी। IMA लगभग छह पीढ़ियों तक उपयोग किया गया और Honda का हाइब्रिड विकास समय के साथ आज के e:HEV सिस्टम तक पहुंचा। हालांकि पूर्ण इलेक्ट्रिक ड्राइव करने में असमर्थता ने IMA को HSD के सामने तकनीकी रूप से अधिक सीमित क्षमता वाली श्रेणी में रखा: HSD के अलावा अधिकांश हाइब्रिड की तरह IMA भी केवल बिजली से रवाना नहीं हो सकता।

1997 के बाद: पावर स्प्लिट आर्किटेक्चर ने बाजार को कैसे आकार दिया?

दिसंबर 1997 में लॉन्च किया गया Prius, दुनिया की पहली सीरीज़-निर्मित हाइब्रिड कार के रूप में IEEE Milestone सूची में भी शामिल हुई। उसके बाद पैमाने की कहानी है: Toyota ने मई 2007 में 1 मिलियन, अगस्त 2009 के अंत में 2 मिलियन और मार्च 2013 में 5 मिलियन हाइब्रिड बिक्री पार की; मार्च 2013 तक अमेरिका वैश्विक हाइब्रिड बिक्री का 38% था। Prius आज पांच पीढ़ियों से उत्पादन में है।

पावर स्प्लिट आर्किटेक्चर केवल Toyota के भीतर सीमित समाधान भी नहीं रहा। HSD तकनीक Altima Hybrid के लिए Nissan को लाइसेंस की गई; Aisin ने समान हाइब्रिड ट्रांसमिशन अन्य निर्माताओं को पेश किए। वही सिस्टम Mirai के इलेक्ट्रिक ड्राइव और Prius Plug-in Hybrid के लिए अनुकूलित किया गया; Lexus संस्करण Lexus Hybrid Drive नाम रखते हैं। पावर स्प्लिट डिज़ाइन अन्य ब्रांडों में भी मानक बन गया: हाल की तुलनाओं में GM, Toyota, Dongfeng और Great Wall सिस्टम में आगे फिर से प्लैनेटरी गियर मैकेनिज्म है और सन गियर MG1 मोटर से जुड़ा है। 2026 मॉडल वर्ष के वाहनों में भी (उदाहरण के लिए RAV4 XA60) NiMH और li-ion बैटरी विकल्प जारी हैं।

विशेषताToyota HSD (पावर स्प्लिट)Honda IMA (समानांतर)
पहला उत्पादन वाहनPrius, दिसंबर 1997Insight, 1999
आर्किटेक्चरसीरीज़-समानांतर, प्लैनेटरी गियरपैरेलल, साझा आउटपुट शाफ्ट
ट्रांसमिशनपारंपरिक ट्रांसमिशन नहीं, e-CVTइंजन पर निर्भर पारंपरिक व्यवस्था
पूर्ण विद्युत ड्राइविंगहाँ (फुल हाइब्रिड)नहीं (माइल्ड हाइब्रिड)
रिजनरेटिव ब्रेकिंगMG2 के साथसाझा शाफ्ट मोटर के साथ
दीर्घकालिक प्रभावNissan को लाइसेंस, Lexus और Mirai में अनुकूलितलगभग छह पीढ़ियाँ, फिर e:HEV

विद्युत रेंज और व्यावहारिक सीमाएँ

यदि बैटरी में पर्याप्त चार्ज हो तो मानक HSD, 40 किमी/घं की गति से नीचे लगभग 1.6 किमी पूर्ण विद्युत ड्राइविंग प्रदान करने वाला एक EV मोड प्रस्तुत करता है। अधिक लंबी विद्युत रेंज के लिए एक अलग आर्किटेक्चर आवश्यक है: Prius Plug-in Hybrid, 4.4 kWh क्षमता और 80 किग्रा वजन वाली li-ion बैटरी के साथ EPA माप के अनुसार 18 किमी विद्युत रेंज प्रदान करता है। बैटरी के बारे में एक अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न को भी स्पष्ट करना आवश्यक है: HSD, कंप्यूटर, पावर इलेक्ट्रिक्स, अपनी बैटरी और मोटर-जेनरेटर के बिना काम नहीं कर सकता; इसके बदले सिद्धांत रूप में ICE के बिना भी चल सकता है, व्यवहार में आपात स्थितियों में वाहन केवल पेट्रोल से एक छोटी दूरी तय कर सकता है।

आज से देखने पर: पावर स्प्लिट अभी भी क्यों प्रासंगिक है?

पूरी तरह बैटरी चालित इलेक्ट्रिक वाहनों की ओर संक्रमण धीमा पड़ने पर उपभोक्ताओं के हाइब्रिड की ओर मुड़ना देखा जा रहा है, और इस संदर्भ में Toyota की स्थिति को मजबूत करने वाला एक उत्पादन विवरण मौजूद है: वह अपने हाइब्रिड को पेट्रोल और प्लग-इन लाइनों के साथ उन्हीं असेंबली लाइनों पर उत्पादित कर सकता है, और मांग के अनुसार उत्पादन को वास्तविक समय में समायोजित कर सकता है। इंजीनियरिंग के दृष्टिकोण से अधिक उल्लेखनीय बात है सिस्टम की उम्र। 1994 में छह महीने के विश्लेषण से चुनी गई दो-मोटर वाली व्यवस्था, तीन दशक बाद भी अपनी मूल क्रियाविधि - ग्रहीय गियर, दो मोटर-जनरेटर और पावर इलेक्ट्रॉनिक्स - लगभग उसी सिद्धांत पर काम कर रही है। पेटेंट संग्रहों में ग्रहीय गियर डिज़ाइन और बहु-मोड पावर विभाजन व्यवस्थाओं पर विस्तृत अध्ययन खोजना संभव है; फिर भी यह कहना कठिन है कि Toyota के पावर विभाजन सिस्टम को एक ही पेटेंट में बांधने की प्रचलित कथा किसी एकल और प्रत्यक्ष पेटेंट रिकॉर्ड पर आधारित है - सिस्टम की शक्ति किसी एक दस्तावेज़ से अधिक, घटकों के समूचे ढांचे में बसे वास्तुकला के निर्णय से आती है। और यही निर्णय हाइब्रिड इतिहास के सबसे निर्णायक मोड़ों में से एक के रूप में खड़ा है: सही क्रियाविधि ने तकनीक के शेष भाग को अपने पीछे खींच लिया।

स्रोत