Miért tette a Toyota hibridjét ellenállhatatlanná a teljesítménymegosztó rendszer?

Amit a Toyota hibridjét versenytárssá teszi, nem önmagában az elektromotor vagy az akkumulátor, hanem az az erőmegosztó (power-split) hajtáslánc, amely a két gép teljesítményét egyetlen bolygókerekes fogaskerékkészlettel osztja szét és egyesíti. Ez az architektúra a soros és párhuzamos hibridek gyenge pontjait egyetlen mechanizmusban kompenzálva adta a járműnek a képességet, hogy benzines motorral, elektromotorral vagy a kettő kombinációjával zökkenőmentesen mozogjon. Az 1997-ben az első sorozatgyártású hibriddel, Prius útra kerülő rendszer ma is az iparág mércének elfogadott megoldása.

Soros, párhuzamos és erőmegosztás: mi a különbség a három architektúra között?

A hibrid hajtásláncok megértéséhez meg kell különböztetnünk három alapvető architektúrát. A soros hibridnél a kerekek kizárólag elektromossággal forognak; a belső égésű motor a generátort táplálja, az elektromosság pedig a motorhoz megy. A történelem színpadára lépő első példa is ez a séma volt: Ferdinand Porsche 1898-ban megtervezte az Egger-Lohner C.2-t, 1900-ban bemutatta az elektromos Lohner-Porchét kerékmotorokkal az első kerekeken, 1901-ben pedig a hub hajtást benzines motorral egyesítő Lohner-Porsche Mixte Hybrid lett az első hibrid jármű sorozatgyártásban. 1902-ben Porsche ezzel a járművel megnyerte az Exelberg Rallyt is. De a soros architektúra ára egyértelmű: az energia nem mechanikusan, hanem elektromosan jut el a kerekekhez, és minden átalakításnál veszteség keletkezik.

A párhuzamos hibridnél a belső égésű motor és az elektromotor közös kimenő tengelyt oszt meg; a motorok egyedül vagy együtt hajthatják a kerekeket. Ez a felépítés általában kisebb akkumulátort használ, mint a soros, és fékvisszanyeréssel (rejeneratív fékezéssel) töltődik. Mivel a mechanikus kapcsolat megmarad, a hatásfokveszteség korlátozott; ugyanakkor a motor és a kerekek fordulatszáma egymáshoz van kötve, így nehéz a motort a legjobb hatásfokú üzemi tartományban tartani.

Az erőmegosztó architektúra a kettő közötti megoldás: a párhuzamos úthoz egy erőmegosztó eszközt adnak, és a belső égésű motortól a kerekekig több teljesítményutat nyitnak. A motor, a generátor és a hajtómotor egymástól függetlenül (dekupláltan) működhet; a rendszer a körülményeknek megfelelően sorosként vagy párhuzamosként viselkedve megőrzi a hatékonyságot vegyes vezetésnél. Az alapvető megkülönböztető jellemző az elektronikus fokozatmentes sebességváltó, vagyis az eCVT, amely a motort a hatékony üzemi tartományban tartja.

A G21 projekt: a 20 kilométeres céltól a hibrid döntésig

A Toyota rendszerének születése nem egy mérnöki húzásból, hanem egy víziómunkából eredt. 1993 nyarán Eiji Toyoda tiszteletbeli elnök felkérésére megkezdődött a 21. század járműtervezésével foglalkozó munka; 1993 szeptemberében a kódneve G21 (A Globe-nal a 21. század kombinációjaként) létrejött a projekt. A 10 mérnökből és tervezőből álló csapat célul tűzte ki a 20 km/liter üzemanyag-hatékonyságot. 1994 februárjában a projekt hivatalosan is megalakult; élén Takeshi Uchiyamada állt, aki később a Toyota elnöke lett.

1994 novemberében megváltozott a helyzet. A technológiáért felelős vezérigazgató-helyettes, Akihiro Wada utasítást adott, hogy a projekt legyen hibrid, és jelezte, hogy ha ez nem lehetséges, a projektet megszüntetik. A cél a hatékonyság megkétszerezése volt, és a csapat értékelése szerint ennek egyetlen útja a hibridtechnológia volt. Érdekes részlet: a G21 csapat saját tagjai sem akkoriban tekintették a hibridizációt a 21. század elejére érő, be nem bizonyított technológiának. Az utasítás megváltoztatta ezt a döntést.

A csapat körülbelül hat hónapon át vizsgálta a rendszereket, és a nagy üzemanyag-hatékonysági potenciál miatt a kétmotoros típust választotta. Ennek a választásnak a legradikálisabb következménye az volt: azt feltételezték, hogy a hagyományos sebességváltó teljesen eltűnik. 1995 júniusában megérkezett a hivatalos jóváhagyás a gyártójárműre; a motort, a motor-generátorokat és az invertereket belső fejlesztéssel állítanák elő, az akkumulátor esetében pedig a Matsushita Battery Industrial-jal működtek volna együtt. 1995 augusztusában Hiroshi Okuda Toyota-elnökké válása mérföldkő volt a hibridfejlesztés szempontjából.

Toyota Hybrid System: hogyan működik a bolygókerekes áttétel?

1997 márciusában a Toyota bejelentette, hogy befejezte az integrált villanymotorral és generátorral rendelkező, teljesítményosztó Toyota Hybrid System et (THS). A rendszer szívében a bolygókerekes fogaskerékkel rendelkező teljesítményosztó eszköz állt: ez a mechanizmus a két motor-generátort a belső égésű motorhoz köti, és a motorteljesítményt a kerekek hajtása és az áramtermelés között osztja meg. A bemeneti és kimeneti tengelyek azonos síkban való elhelyezkedése kompakt kialakítást biztosított; a hajtómotor növeli a motorteljesítményt, lassuláskor generátorként működik és tölti az akkumulátort; a második motor a belső égésű motor erejével áramot termel, szabályozza a sebességváltót, és az indítómotor szerepét is ellátja. Az akkumulátor és a motorok közé invertert helyeztek.

Ma Hybrid Synergy Drive (HSD) néven ismert rendszer a 1997-2003-as Prius THS-ének finomított változata. A második generációs rendszer a 2004-es Priusban jelent meg, és a névváltoztatás azt tükrözte, hogy a technológiát a Toyota márkanévén túlra is nyitottnak szánták; a rendszert 2006-ban a Camryre és a Highlanderre is alkalmazták. A HSD-ben a hagyományos sebességváltó, az alternátor és az indítómotor helyét az MG1, MG2, három DC-AC inverterből és két DC-DC átalakítóból álló teljesítményelektronika, a számítógépes vezérlés és a nagyfeszültségű akkumulátor veszi át.

A két motor-generátor munkamegosztása egyértelmű:

• MG1: A belső égésű motort indító motor és az akkumulátort töltő generátor; az áramtermelés szabályozásával ténylegesen vezérli a hajtáslánc CVT-jét.
• MG2: Fő hajtómotor és a rekuperatív fékezés generátora; általában erősebb.

A bolygókerekes fogaskerekes készlet CVT-szerű funkciót lát el, és a Toyota a rendszert jogszabályi célból e-CVT sínfba sorolja. HSD teljes hibrid: a jármű csak villanymotorral is mozoghat - a legtöbb rivális hibrid ezt nem tudja, ezért mild hybridnek számít. A rendszer nemzedékeken belül is fejlődött: az 1. és 2. generációban az MG2 közvetlenül a gyűrűs fogaskerékhez csatlakozott (1:1, nyomatékszorzás nélkül); a 3. generációban 2,5:1-es bolygóműves fogaskerék-csoporttal kapcsolták össze, így kisebb, de erősebb MG2 vált lehetővé. Az akkumulátor oldalon az 1. generációs Prius 228 cellát és 38 modult használt, míg a 2. és 3. generáció 201,6 V névleges feszültségű 28 Panasonic prizmatikus NiMH modulra váltott; az elektronika az akkumulátor élettartama érdekében a töltést csak 40-80% tartományban tartja.

Miért választott a Honda más utat? A párhuzamos IMA választás

Míg a Toyota a kétmotoros teljesítménymegosztásra fektetett, a Honda az egyszerűséget és a költség-egyensúlyt előnyben részesítő megoldást alkalmazott. A Honda első sorozatgyártású hibridje, Insight 1999-ben került piacra, és párhuzamos hibrid Integrated Motor Assist (IMA) rendszerrel szerelték. Az IMA-ban a villanymotor és a benzinmotor közös kihajtó tengelyt használ; a soros hibriddel ellentétben a benzinmotor egyedül is hajthatja a kerekeket. Ez egy olyan jármű volt, amely az 1997-es Prius után következett, és párhuzamos rendszerű mild hybridként sorolták be.

Az eredmény a hibrid piac első nagy architektúrai megoszlása lett. A Toyota olyan rendszert választott, amely a hatékonyság felső határát célozza, de sok alkatrészes és bonyolult irányítású; a Honda viszont kevesebb alkatrésszel ésszerű hatékonyságot kínáló felépítést preferált. Az IMA körülbelül hat generáción át használatban volt, és a Honda hibrid fejlődése idővel a mai e:HEV rendszerig jutott. Azonban a teljesen elektromos vezetés képtelensége az IMA-t az HSD-vel szemben technikailag szűkebb képességű kategóriába sorolta: akárcsak az HSD-n kívüli legtöbb hibrid, az IMA sem tud kizárólag árammal elindulni.

1997 után: hogyan formálta a piacot a teljesítménymegosztási architektúra?

1997 decemberében bemutatott Prius a világ első sorozatgyártású hibrid autójaként az IEEE Milestone listára is felkerült. Ezután a skála története következett: a Toyota 2007 májusában átlépte az 1 milliót, 2009 augusztusának végére a 2 milliót, 2013 márciusában pedig az 5 millió hibrideladást; 2013 márciusától az USA a globális hibrideladások 38%-át tette ki. A Prius ma ötödik generációjánál tart a gyártásban.

A teljesítménymegosztási architektúra nem a Toyota belső, zárt megoldása sem volt. Az HSD technológiát az Altima Hybrid számára licencelték a Nissanhoz; az Aisin hasonló hibrid váltókat ajánlott más gyártóknak. Ugyanazt a rendszert adaptálták a Mirai elektromos hajtásához és a Prius Plug-in Hybridhez; a Lexus változatok a Lexus Hybrid Drive nevet viselik. A teljesítménymegosztási tervezés más márkáknál is szabvánnyá vált: a közelmúltbeli összehasonlításokban a GM, Toyota, Dongfeng és Great Wall rendszerekben szintén bolygóműves fogaskerék-mechanizmus van elöl, és a napkerék az MG1 motorhoz kapcsolódik. Még a 2026-os modellévű járművekben is (például RAV4 XA60) folytatódik a NiMH és li-ion akkumulátor opciók.

Elektromos hatótáv és gyakorlati korlátok

A standard HSD egy EV módot kínál, amely körülbelül 40 km/h sebesség alatt, ha az akkumulátorban elegendő töltés van, kb. 1,6 km teljesen elektromos hajtást biztosít. Hosszabb elektromos hatótávhoz külön architektúra szükséges: Prius Plug-in Hybrid, amely egy 4,4 kWh kapacitású és 80 kg súlyú lítium-ion akkumulátorral az EPA mérés szerint 18 km elektromos hatótávot kínál. Egy gyakori akkumulátorral kapcsolatos kérdést is tisztázni kell: a HSD nem működik számítógép, hajtásáram, akkumulátor és motor-generátorok nélkül; ugyanakkor elvileg belső égésű motor nélkül is képes mozogni, gyakorlatban vészhelyzetben a jármű rövid távon csak benzinnel is elhaladhat.

A mai napról visszatekintve: miért még mindig aktuális a teljesítményosztó?

A teljesen akkumulátoros elektromos járművekre való átállás lassulásával a fogyasztók a hibridek felé fordulnak, és a Toyotának van egy gyártási részlete, amely ebben a helyzetben erősíti a kezét: a hibridjeit ugyanazokon a szerelősorokon tudja gyártani, mint a benzinest és a plug-in hibridet, így a termelést valós időben tudja igazítani a kereslethez. Mérnöki szempontból még feltűnőbb azonban a rendszer kora. Az 1994-ben hat hónapos elemzéssel kiválasztott kétmotoros elrendezés magmechanizmusa - a bolygókerekes fogaskerék, a két motor-generátor és a teljesítményelektronika - három évtizeddel később is szinte ugyanazon az elven működik. A archívumokban lehetőség van részletes tanulmányokat találni a bolygókerekes fogaskerék tervezéséről és a többmódusú teljesítményosztó elrendezésekről; azonban nehéz azt állítani, hogy a Toyota teljesítményosztó rendszerét egyetlen szabadalommal zárta volna le - a széles körben elterjedt állítás egyetlen, közvetlen szabadalombeadásra való támaszkodása erőltetett; a rendszer ereje nem egyetlen papírból, hanem a komponensek egészébe épülő architekturális döntéséből fakad. És éppen ez a döntés áll a hibridtörténet egyik legmeghatározóbb fordulópontjaként: a megfelelő mechanizmus maga után vonta a technológia többi részét.

Források

• 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