Dlaczego System Podziału Mocy Uczynił Toyotę Hybrid Bezkonkurencyjną?

Tym, co czyni Toyotę horyzontalnie bezkonkurencyjną, nie jest sam silnik elektryczny ani bateria, lecz przekładnia dzieląca moc (power-split), która dzieli i łączy moc dwóch silników za pomocą jednego planetarnego zestawu kół zębatych. Ta architektura, kompensując w jednym mechanizmie słabe punkty hybryd szeregowych i równoległych, dała pojazdowi zdolność płynnego poruszania się silnikiem benzynowym, silnikiem elektrycznym lub ich kombinacją. System, który w 1997 roku ruszył na drogę z pierwszym seryjnie produkowanym hybrydowym Priusem, do dziś pozostaje rozwiązaniem uznawanym za wzorzec w branży.

Szeregowa, równoległa i dzieląca moc: jaka jest różnica między tymi trzema architekturami?

Aby zrozumieć hybrydowe układy napędowe, trzeba rozróżnić trzy podstawowe architektury. W hybrydzie szeregowej koła są napędzane wyłącznie elektrycznie; silnik spalinowy zasila generator, a energia elektryczna trafia do silnika. Pierwszy przykład, jaki pojawił się na scenie historii, również odpowiadał temu schematowi: Ferdinand Porsche zaprojektował w 1898 roku Egger-Lohnera C.2, w 1900 roku zaprezentował elektrycznego Lohner-Porsche z silnikami w przednich kołach, a w 1901 roku Lohner-Porsche Mixte Hybrid, łączący napęd hub drive z silnikiem benzynowym, stał się pierwszym hybrydowym pojazdem wprowadzonym do produkcji seryjnej. W 1902 roku Porsche wygrał tym pojazdem nawet rajd Exelberg. Jednak cena architektury szeregowej jest jasna: energia jest przenoszona do kół nie mechanicznie, lecz elektrycznie, a przy każdej konwersji powstają straty.

W hybrydzie równoległej silnik spalinowy i silnik elektryczny dzielą wspólny wał wyjściowy; silniki mogą napędzać koła osobno lub razem. Ten układ zazwyczaj wykorzystuje mniejszą baterię niż układ szeregowy i ładuje się podczas hamowania rekuperacyjnego. Ponieważ połączenie mechaniczne jest zachowane, straty wydajności są ograniczone; z drugiej strony obroty silnika i kół są ze sobą powiązane, co utrudnia utrzymanie silnika w najbardziej efektywnym zakresie pracy.

Architektura dzielenia mocy to środek między tymi dwoma: do układu równoległego dodawany jest przyrząd dzielący moc i do kół otwieranych jest wiele dróg mocy od silnika spalinowego. Silnik spalinowy, generator i silnik napędowy mogą pracować rozdzielnie; system, działając jak szeregowy lub jak równoległy, zachowuje wydajność w zróżnicowanej jeździe. Podstawową cechą wyróżniającą jest elektroniczna bezstopniowa skrzynia biegów utrzymująca silnik w efektywnym zakresie pracy, czyli eCVT.

Projekt G21: od celu 20 kilometrów na litr do decyzji o hybrydzie

Narodziny systemu Toyoty nie wynikały z posunięcia inżynieryjnego, lecz z pracy nad wizją. Latem 1993 roku, z inicjatywy honorowego prezesa Eiji Toyody, rozpoczęto pracę nad projektem pojazdu na XXI wiek; we wrześniu 1993 roku nadano mu kryptonim G21 (od Globe i XXI wieku. wieku) został ustanowiony projekt. Zespół składający się z 10 inżynierów i projektantów postawił sobie za cel osiągnięcie spalania 20 km/litr. W lutym 1994 roku projekt został oficjalnie powołany; na jego czele stał Takeshi Uchiyamada, który później został prezesem Toyoty.

W listopadzie 1994 roku sytuacja się zmieniła. Wiceprezes ds. technologii Akihiro Wada wydał projektowi polecenie przekształcenia go w hybrydę i oświadczył, że jeśli się to nie uda, projekt zostanie zlikwidowany. Celem było podwojenie zakładanej efektywności, a według oceny zespołu jedyną drogą do tego była technologia hybrydowa. Godnym uwagi szczegółem jest to, że: nawet członkowie zespołu G21 uważali wówczas hybrydyzację za technology nieudowodnioną, która nie dożyje początku stulecia jako technologia nieudowodniona, która nie dożyje początku stulecia. To polecenie zmieniło tę decyzję.

Zespół przez około pół roku analizował systemy i wybrał typ z dwoma silnikami ze względu na potencjał wysokiej efektywności paliwowej. Najbardziej radykalnym skutkiem tego wyboru było to, że: zakładano całkowitą eliminację klasycznej skrzyni biegów. W czerwcu 1995 roku przyszła oficjalna zgoda na pojazd produkcyjny; silnik, silniki-generator i falowniki miały być rozwijane wewnętrznie, a w przypadku baterii planowano współpracę z Matsushita Battery Industrial. Obejęcie przez Hiroshiego Okudę stanowiska prezesa Toyoty w sierpniu 1995 roku stało się punktem zwrotnym w rozwoju hybrydy.

Toyota Hybrid System: jak działa przekładnia planetarna?

W marcu 1997 roku Toyota ogłosiła ukończenie prac nad systemem Toyota Hybrid System (THS) ze zintegrowanym silnikiem elektrycznym i generatorem oraz dzieleniem mocy. W sercu systemu znajdowało się urządzenie dzielenia mocy z przekładnią planetarną: mechanizm ten łączył dwa silniki-generator z silnikiem spalinowym, dzieląc moc silnika między napędzanie kół a wytwarzanie energii elektrycznej. Położenie wałów wejściowego i wyjściowego w jednej płaszczyźnie zapewniało kompaktowość; silnik napędowy zwiększał moc silnika spalinowego, a podczas zwalniania działał jak generator ładujący baterię; drugi silnik natomiast wytwarzał energię elektryczną z mocą silnika spalinowego (ICE), kontrolował skrzynię biegów i pełnił także funkcję rozrusznika. Między baterią a silnikami umieszczono falownik.

System znany dzisiaj jako Hybrid Synergy Drive (HSD) jest dopracowaną wersją THS z Priusa z lat 1997-2003. System drugiej generacji zadebiutował w Priusie z 2004 roku, a zmiana nazwy odzwierciedlała oczekiwanie, że technologia wykrroczy poza markę Toyota; w 2006 roku system zastosowano także w Camry i Highlanderze. W HSD miejsce klasycznej skrzyni biegów, alternatora i rozrusznika zajmują MG1, MG2, elektronika mocy zbudowana z trzech falowników DC-AC i dwóch przetwornic DC-DC, sterowanie komputerowe oraz bateria wysokonapięciowa.

Podział ról między dwa silniki-generator jest jasny:

• MG1: silnik uruchamiający silnik spalinowy i generator ładujący baterię; regulując wytwarzanie energii elektrycznej faktycznie kontroluje funkcję CVT transaksa.
• MG2: główny silnik napędowy i generator hamowania rekuperacyjnego; zazwyczaj jest mocniejszy.

Zespół kół zębatych planetarnych pełni funkcję zbliżoną do CVT, a Toyota klasyfikuje swój system jako e-CVT w celach regulacyjnych. HSD jest pełną hybrydą: pojazd może poruszać się wyłącznie na silniku elektrycznym - większość hybryd konkurencji nie potrafi tego i dlatego zalicza się je do mild hybrid. System rozwijał się również w obrębie kolejnych generacji: W generacji 1. i 2. MG2 było połączone bezpośrednio z pierścieniowym kołem zębatym (1:1, bez mnożenia momentu obrotowego); 3. generacji silnik był połączony przez planetarny zestaw zębatów o przełożeniu 2,5:1, co umożliwiło zastosowanie mniejszego, ale mocniejszego MG2. Po stronie baterii pierwsza generacja Prius używała 228 ogniw i 38 modułów, natomiast generacje 2. generacji Prius używał 228 ogniw i 38 modułów, natomiast w generacji 2. i 3. generacji przeszedł na 28 płaskich modułów NiMH Panasonic o napięciu nominalnym 201,6 V; elektronika utrzymuje naładowanie tylko w zakresie 40-80% dla zachowania żywotności baterii.

Dlaczego Honda wybrała inną drogę? Wybór równoległego IMA

Podczas gdy Toyota inwestowała w dzielenie mocy z dwoma silnikami, Honda przyjęła rozwiązanie stawiające na prostotę i równowagę kosztów. Pierwszy seryjny hybryda Hondy Insight trafił na rynek w 1999 roku i był wyposażony w równoległy system hybrydowy Integrated Motor Assist (IMA). W IMA silnik elektryczny i silnik benzynowy dzielą wspólny wał wyjściowy; w przeciwieństwie do hybrydy szeregowej, silnik benzynowy może sam napędzać koła. Był to pojazd, który pojawił się po Priusie z 1997 roku i został sklasyfikowany jako mild hybrid z systemem równoległym.

Efektem było pierwsze wielkie rozróżnienie architektoniczne na rynku hybryd. Toyota wybrała system dążący do przewagi w wydajności, o dużej liczbie komponentów i skomplikowanym sterowaniu; Honda natomiast preferowała układ oferujący rozsądną wydajność przy mniejszej liczbie części. IMA był używany przez około sześć generacji, a ewolucja hybryd Hondy z czasem doprowadziła do obecnego systemu e:HEV. Jednak brak możliwości pełnej jazdy elektrycznej umieścił IMA technicznie w węższej kategorii zdolności niż HSD: podobnie jak większość hybryd innych niż HSD, IMA nie może ruszyć wyłącznie na prądzie.

Po 1997 roku: jak architektura dzielenia mocy ukształtowała rynek?

Prius, wprowadzony na rynek w grudniu 1997 roku, trafił również na listę IEEE Milestone jako pierwszy seryjnie produkowany samochód hybrydowy na świecie. Dalsza historia to opowieść o skali: Toyota przekroczyła 1 milion sprzedaży hybryd w maju 2007, 2 miliony pod koniec sierpnia 2009 i 5 milionów w marcu 2013; stan na marzec 2013, USA stanowiły 38% globalnej sprzedaży hybryd. Prius jest dziś w piątej generacji.

Architektura dzielenia mocy nie pozostała jednak zamkniętym rozwiązaniem Toyoty. Technologia HSD została licencjonowana Nissanie dla Altima Hybrid; Aisin oferował podobne hybrydowe skrzynie biegów innym producentom. Ten sam układ planetarny został zaadaptowany do jazdy elektrycznej i Prius Plug-in Hybrid; wersje Lexusa noszą nazwę Lexus Hybrid Drive. Projekt dzielenia mocy stał się standardem również u innych marek: w niedawnych porównaniach w systemach GM, Toyota, Dongfeng i Great Wall z przodu również znajduje się mechanizm planetarny, a koło słoneczne jest połączone z silnikiem MG1. Nawet w pojazdach rocznika 2026 (na przykład RAV4 XA60) nadal dostępne są opcje baterii NiMH i li-ion.

Zasięg elektryczny i praktyczne ograniczenia

Standardowy HSD oferuje tryb EV, który zapewnia jazdę w pełni elektryczną na około 1,6 km poniżej prędkości 40 km/h, jeśli bateria ma wystarczający naładowanie. Dla dłuższego zasięgu elektrycznego potrzebna jest odrębna architektura: Prius Plug-in Hybrid oferuje zasięg elektryczny 18 km według pomiarów EPA, z baterią li-ion o pojemności 4,4 kWh i masie 80 kg. Trzeba też wyjaśnić częste pytanie dotyczące baterii: HSD nie działa bez komputera, elektroniki mocy, baterii i silników-generatorów; z drugiej strony w zasadzie może się poruszać bez silnika spalinowego, a w praktyce w sytuacjach awaryjnych pojazd może przejechać krótki dystans wyłącznie na benzynie.

Patrząc z perspektywy dzisiejszego dnia: dlaczego dzielenie mocy wciąż ma znaczenie?

Widać, że gdy przejście do w pełni elektrycznych pojazdów zwalnia, konsumenci zwracają się ku hybrydom, a Toyota ma w tym kontekście szczegół produkcyjny, który wzmacnia jej pozycję: potrafi produkować swoje hybrydy na tych samych liniach montażowych co wersje benzynowe i plug-in, dostosowując produkcję w czasie rzeczywistym do popytu. Z inżynierskiego punktu widzenia bardziej uderzający jest jednak wiek systemu. Dwusilnikowy układ wybrany w 1994 roku po sześciomiesięcznej analizie, nawet po trzech dekadach, działa według niemal tej samej zasady w swoim rdzeniu - przekładni planetarnej, dwóch silników-generatorów i elektroniki mocy. W archiwach patentów można znaleźć szczegółowe opracowania dotyczące projektu przekładni planetarnej i wielomodowych układów dzielenia mocy; trudno jednak powiedzieć, by opowieść o tym, że Toyota zamknęła swój system podziału mocy jednym patentem, opierała się na pojedynczym, bezpośrednim wpisie patentowym - siła systemu wynika nie z jednego dokumentu, lecz z decyzji architektonicznej osadzonej w całym zbiorze komponentów. I właśnie ta decyzja pozostaje jednym z najbardziej decydujących punktów zwrotnych w historii hybryd: właściwy mechanizm pociągnął za sobą resztę technologii.

Źródła

• The Story Behind theBirth of the Prius, Part 1
• Item 1. Development of Prius and Hybrid Birth
• Hybrid Birth
• 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
• Porównanie układów power-split: GM, Toyota, Dongfeng, Great Wall
• Rywalizacja shared-charge - konsumenci wybierają hybrydy