Sistem Pembagian Tenaga: Mengapa Membuat Toyota Hybrid Tak Tertandingi?

Hal yang membuat hibrida Toyota tak tertandingi bukan motor listriknya atau baterainya saja, melainkan powertrain pemecah daya (power-split) yang membagi dan menggabungkan daya dua motor melalui satu set roda gigi planet. Arsitektur ini menutupi kelemahan hibrida seri dan paralel dalam satu mekanisme, memberi kendaraan kemampuan bergerak secara mulus dengan mesin bensin, motor listrik, atau kombinasi keduanya. Sistem yang memulai perjalanan pada tahun 1997 dengan hibrida produksi massal pertama Prius ini hingga kini masih menjadi solusi yang diakui sebagai tolok ukur industri.

Seri, paralel, dan pemecah daya: apa perbedaan ketiga arsitektur ini?

Untuk memahami powertrain hibrida, tiga arsitektur dasar perlu dibedakan. Pada hibrida seri roda hanya berputar dengan tenaga listrik; mesin pembakaran dalam menggerakkan generator, dan listriknya dialirkan ke motor. Contoh pertama yang muncul di panggung sejarah pun merupakan skema ini: Ferdinand Porsche merancang Egger-Lohner C.2 pada 1898, memperkenalkan Lohner-Porsche listrik dengan motor-roda di roda depan pada 1900, dan pada 1901 Lohner-Porsche Mixte Hybrid yang menggabungkan mesin bensin dengan hub drive menjadi kendaraan hibrida pertama yang diproduksi massal. Pada 1902 Porsche bahkan memenangkan Exelberg Rally dengan kendaraan ini. Namun harga dari arsitektur seri jelas: energi dibawa ke roda secara elektris, bukan mekanis, dan setiap konversi menimbulkan kehilangan daya.

Pada hibrida paralel mesin pembakaran dalam dan motor listrik berbagi poros keluaran yang sama; mesin dapat menggerakkan roda sendirian atau bersama-sama. Konfigurasi ini biasanya menggunakan baterai yang lebih kecil dibanding seri dan mengisi daya melalui pengereman regeneratif. Karena sambungan mekanis tetap terjaga, kehilangan efisiensi terbatas; sebaliknya, putaran mesin dan roda saling terikat sehingga menjaga mesin pada rentang operasi paling efisien menjadi lebih sulit.

Arsitektur pemecah daya berada di tengah keduanya: perangkat pemecah daya ditambahkan ke jalur paralel, membuka lebih dari satu jalur daya dari mesin pembakaran dalam ke roda. Mesin, generator, dan motor penggerak dapat bekerja secara independen (terdekopel); sistem berperilaku seperti seri atau paralel sesuai kondisi, menjaga efisiensi dalam berkendara campuran. Ciri pembeda utamanya adalah transmisi elektronik tanpa takaran gigi kontinu yang menjaga mesin pada rentang operasi efisien, yaitu eCVT.

Proyek G21: dari target 20 kilometer ke keputusan hibrida

Kelahiran sistem Toyota bukan berasal dari langkah rekayasa, melainkan dari sebuah studi visi. Pada musim panas 1993, atas seruan presiden kehormatan Eiji Toyoda, studi perancangan kendaraan untuk abad ke-21 dimulai; studi perancangan kendaraan untuk abad ke-21; Pada September 1993, dengan nama kode G21 (dari Globe dan abad ke-21. perpaduan abad) didirikan. Tim yang terdiri dari 10 insinyur dan desainer menetapkan target efisiensi bahan bakar 20 km/liter. Pada Februari 1994 proyek ini resmi didirikan; kepalanya adalah Takeshi Uchiyamada, yang kelak menjadi ketua Toyota.

Pada November 1994 situasinya berubah. Wakil direktur utama bidang teknologi Akihiro Wada memberi instruksi agar proyek ini dijadikan kendaraan hibrida, dan dinyatakan bahwa proyek akan dihapus jika tidak mampu mewujudkannya. Targetnya adalah menggandakan efisiensi yang dituju, dan menurut penilaian tim, satu-satunya cara adalah teknologi hibrida. Sebuah detail yang patut dicatat: Bahkan anggota tim G21 sendiri saat itu menganggap teknologi hibrida sebagai teknologi yang belum terbukti dan tidak akan mencapai kematangan pada awal abad ke-21. Instruksi tersebut mengubah keputusan itu.

Tim mempelajari berbagai sistem selama kurang lebih enam bulan dan memilih tipe dua motor karena potensi efisiensi bahan bakarnya yang tinggi. Konsekuensi paling radikal dari pilihan ini adalah: transmisi konvensional diasumsikan akan sepenuhnya hilang. Pada Juni 1995, persetujuan resmi untuk kendaraan produksi diberikan; motor, motor-generator, dan inverter akan dikembangkan secara internal, sementara untuk baterai akan bekerja sama dengan Matsushita Battery Industrial. Hiroshi Okuda menjadi ketua Toyota pada Agustus 1995, menjadi titik balik bagi pengembangan hibrida.

Toyota Hybrid System: bagaimana cara kerja planetary gear?

Pada Maret 1997, Toyota mengumumkan bahwa telah menyelesaikan Toyota Hybrid System (THS) dengan motor dan generator listrik terintegrasi serta pembagian tenaga. Pembagian tugas kedua motor-generator adalah jelas: mekanisme ini menghubungkan dua motor-generator ke mesin pembakaran dalam, dan membagi tenaga mesin antara menggerakkan roda dan menghasilkan listrik. Poros masuk dan keluar yang berada pada bidang yang sama memberikan kekompakan; motor penggerak menambah tenaga mesin dan saat pengereman berfungsi seperti generator untuk mengisi baterai; motor kedua menghasilkan listrik dari tenaga ICE, mengontrol transmisi, dan juga mengambil alih fungsi motor starter. Inverter dipasang di antara baterai dan motor-motor.

Sistem yang kini dikenal sebagai Hybrid Synergy Drive (HSD) adalah versi yang dimurnikan dari THS pada Prius 1997-2003. Sistem generasi kedua terlihat pada Prius 2004, dan perubahan nama itu mencerminkan harapan bahwa teknologi ini akan melampaui merek Toyota; sistem ini juga diterapkan pada Camry dan Highlander pada 2006. Pada HSD, posisi transmisi konvensional, alternator, dan motor starter digantikan oleh MG1, MG2, power elektronik yang terdiri dari tiga inverter DC-AC dan dua konverter DC-DC, kontrol terkomputerisasi, dan baterai tegangan tinggi.

Pembagian tugas kedua motor-jenerator itu jelas:

• MG1: Motor yang menyalakan ICE dan generator yang mengisi baterai; dengan mengatur produksi listrik, ia secara efektif mengontrol CVT pada transaxle.
• MG2: Motor penggerak utama dan generator pengereman regeneratif; umumnya lebih bertenaga.

Rangkaian planetary gear berfungsi seperti CVT, dan Toyota mengklasifikasikan sistem ini sebagai e-CVT untuk keperluan peraturan. HSD adalah full hybrid: kendaraan dapat bergerak hanya dengan motor listrik - sebagian besar hibrit pesaing tidak mampu melakukan itu dan karena itu tergolong mild hybrid. Sistem ini juga berevolusi di dalam generasinya: Pada generasi ke-1 dan ke-2, MG2 terhubung langsung ke ring gear (1:1, tanpa multiplikasi tork); sedangkan pada generasi ke-3 ia terhubung melalui planetary gear set dengan rasio 2,5:1, sehingga memungkinkan MG2 yang lebih kecil tetapi lebih bertenaga. Di sisi baterai, Prius generasi ke-1 menggunakan 228 sel dan 38 modul, sementara generasi ke-2 dan ke-3 beralih ke 28 modul NiMH prisma Panasonic dengan tegangan nominal 201,6 V; elektronikanya menjaga pengisian hanya pada rentang 40-80% demi umur baterai.

Mengapa Honda memilih jalur yang berbeda? Pilihan IMA paralel

Saat Toyota berinvestasi pada power split dengan dua motor, Honda mengadopsi solusi yang mengutamakan kesederhanaan dan keseimbangan biaya. Hibrit produksi pertama Honda, Insight, diluncurkan pada 1999 dan dilengkapi sistem hibrit paralel Integrated Motor Assist (IMA). Pada IMA, motor listrik dan mesin bensin berbagi satu poros keluaran yang sama; berbeda dengan hibrit seri, mesin bensin dapat menggerakkan roda sendirian. Ini adalah kendaraan yang menyusul Prius 1997 dan diklasifikasikan sebagai mild hybrid dengan sistem paralel.

Hasilnya adalah pemisahan arsitektur pertama yang besar di pasar hibrit. Toyota memilih sistem dengan jumlah komponen banyak dan kontrol yang rumit, yang menargetkan batas atas efisiensi; sementara Honda memilih susunan yang menawarkan efisiensi wajar dengan lebih sedikit komponen. IMA digunakan selama sekitar enam generasi dan evolusi hibrit Honda lambat laun mencapai sistem e:HEV saat ini. Namun ketidakmampuannya untuk melakukan penggerak sepenuhnya listrik menempatkan IMA dalam kategori yang secara teknis lebih terbatas dibandingkan HSD: seperti kebanyakan hibrit di luar HSD, IMA tidak dapat berangkat hanya dengan listrik.

Setelah 1997: bagaimana arsitektur power split membentuk pasar?

Prius yang diluncurkan pada Desember 1997 juga masuk dalam daftar IEEE Milestone sebagai mobil hibrit produksi massal pertama di dunia. Setelahnya adalah kisah skala: Toyota melampaui 1 juta penjualan hibrit pada Mei 2007, 2 juta pada akhir Agustus 2009, dan 5 juta pada Maret 2013; per Maret 2013, AS menyumbang 38% dari penjualan hibrit global. Prius saat ini sudah berada di generasi kelima.

Arsitektur power split bukanlah solusi yang tertutup hanya di internal Toyota. Teknologi HSD dilisensikan ke Nissan untuk Altima Hybrid; Aisin menawarkan transmisi hibrit serupa ke pabrikan lain. Sistem yang sama diadaptasi untuk penggerak listrik Mirai dan Prius Plug-in Hybrid; versi Lexus membawa nama Lexus Hybrid Drive. Desain power split juga menjadi standar di merek-merek lain: dalam perbandingan terkini, sistem GM, Toyota, Dongfeng, dan Great Wall juga mengandalkan mekanisme planetary gear di depan, yang menghubungkan sun gear ke motor MG1. Bahkan pada kendaraan tahun model 2026 (misalnya RAV4 XA60), pilihan baterai NiMH dan li-ion tetap tersedia.

Jangkauan listrik dan batas praktis

HSD standar menawarkan mode EV yang memberikan penggerak sepenuhnya listrik sekitar 1,6 km pada kecepatan di bawah 40 km/jam jika baterai memiliki muatan yang cukup. Untuk jangkauan listrik yang lebih panjang, diperlukan arsitektur terpisah: Prius Plug-in Hybrid menawarkan jangkauan listrik 18 km menurut pengukuran EPA, dengan baterai li-ion berkapasitas 4,4 kWh dan berat 80 kg. Perlu juga diluruskan satu pertanyaan yang sering diajukan mengenai baterai: HSD tidak dapat bekerja tanpa komputer, elektronik daya, baterai, serta motor-generatornya; sebaliknya secara prinsip dapat bergerak tanpa mesin pembakaran dalam, dan dalam praktiknya pada keadaan darurat kendaraan dapat menempuh jarak pendek hanya dengan bensin.

Dilihat dari hari ini: Saat transisi ke kendaraan listrik berbaterai penuh melambat, konsumen terlihat beralih ke hibrit, dan ada satu detail produksi yang memperkuat posisi Toyota dalam konteks ini:

mereka dapat memproduksi kendaraan hibrit di lini perakitan yang sama dengan lini bensin dan plug-in, serta menyesuaikan produksi secara real-time sesuai permintaan. Yang lebih mengejutkan dari sisi rekayasa adalah usia sistemnya. Yang lebih mencolok dari sisi rekayasa adalah usia sistemnya. Susunan dua motor yang dipilih pada tahun 1994 melalui analisis selama enam bulan masih bekerja dengan prinsip yang hampir sama bahkan setelah tiga dekade - mekanisme intinya, yaitu gardan planet, dua motor-generator, dan power electronics, hampir tidak berubah. Di arsip paten, dimungkinkan untuk menemukan studi terperinci tentang desin gigi planet dan susunan pembagian tenaga multimode; namun pernyataan bahwa Toyota mengunci sistem pembagian tenaganya dengan satu paten saja sulit didasarkan pada satu catatan paten tunggal yang langsung - kekuatan sistem ini bukan berasal dari satu lembar kertas, melainkan dari keputusan arsitektural yang tertanam dalam keseluruhan komponennya. Dan keputusan inilah yang berdiri sebagai salah satu titik balik paling menentukan dalam sejarah hybrid: mekanisme yang tepat menarik sisa teknologi mengikutinya.

Sumber

• Item 1. Development of Prius and Hybrid Strategy
• Item 1. Pengembangan Prius dan Strategi Hibrit
• Hybrid Synergy Drive
• Sistem penggerak kendaraan hibrit
• Milestone: Toyota Prius, Kendaraan Hibrit Produksi Massal Pertama di Dunia, 1997
• Seri vs Paralel vs Seri/Paralel: Perbandingan Sistem Penggerak
• Prius dan Volt: Analisis Konfigurasi Hibrit Pembagi Daya
• Di Balik Hybrid Synergy Drive milik Toyota
• Honda Insight - Integrated Motor Assist
• Evolusi Powertrain e:HEV
• Sejarah Porsche dimulai secara elektrik
• Lohner–Porsche
• Perbandingan power-split GM, Toyota, Dongfeng, Great Wall
• Toyota akan menyaingi pesaing saat konsumen memilih kendaraan hibrida