Почему система разделения мощности сделала гибрид Toyota непревзойдённым?

То, что делает гибрид Toyota непревзойдённым, - это не сам по себе электромотор и не батарея, а силовой агрегат с разделением мощности (power-split), который разделяет и объединяет мощность двух моторов с помощью единой планетарной зубчатой передачи. Эта архитектура компенсирует в одном механизме слабые стороны последовательных и параллельных гибридов, дав автомобилю возможность беспроблемно двигаться на бензиновом двигателе, электромоторе или их комбинации. В 1997 году с первым серийно выпускаемым гибридом Prius эта система вышла на дорогу и сегодня остаётся решением, которое отрасль считает эталоном.

Последовательный, параллельный и разделение мощности: в чём разница трёх архитектур?

Чтобы понять гибридные силовые агрегаты, необходимо разграничить три базовые архитектуры. В последовательном гибриде колёса вращаются только от электричества; двигатель внутреннего сгорания питает генератор, а электричество идёт к мотору. Первым примером, вышедшим на историческую сцену, была именно эта схема: в 1898 году Фердинанд Порше спроектировал Egger-Lohner C.2, в 1900 году представил электрический Lohner-Porsche с мотор-колёсами на передних колёсах, а в 1901 году Lohner-Porsche Mixte Hybrid объединивший hub drive с бензиновым двигателем, стал первым гибридным автомобилем, запущенным в серийное производство. В 1902 году Порше на этом автомобиле даже выиграл ралли Exelberg. Но цена последовательной архитектуры очевидна: энергия передаётся к колёсам не механически, а электрически, и при каждом преобразовании возникают потери.

В параллельном гибриде двигатель внутреннего сгорания и электромотор делят общий выходной вал; они могут приводить колёса в движение по отдельности или вместе. Эта компоновка обычно использует батарею меньшего размера, чем последовательная схема, и заряжается за счёт рекуперативного торможения. Поскольку механическая связь сохраняется, потери эффективности ограничены; однако обороты двигателя и колёс взаимосвязаны, и удерживать двигатель в наиболее эффективном рабочем диапазоне становится сложнее.

Архитектура с разделением мощности находится между этими двумя: на параллельный путь добавляется устройство разделения мощности, и от двигателя внутреннего сгорания к колёсам открывается несколько путей передачи мощности. Двигатель, генератор и тяговый мотор могут работать независимо друг от друга (декуплированно); система в зависимости от условий ведёт себя как последовательная или параллельная, сохраняя эффективность при смешанном вождении. Ключевая отличительная особенность - электронная бесступенчатая трансмиссия, то есть eCVT, удерживающая двигатель в эффективном рабочем диапазоне.

Проект G21: от цели в 20 километров до решения о гибриде

Рождение системы Toyota произошло не из инженерного хода, а из работы над видением. Летом 1993 года по призыву почётного председателя Эйдзи Тоды началась работа по дизайну автомобиля для XXI века; в сентябре 1993 года кодовое имя G21 (проект, объединённый с Globe в 21-м веке) был запущен. Команда из 10 инженеров и дизайнеров поставила целью топливную эффективность 20 км/литр. В феврале 1994 года проект был официально учреждён; его возглавил Такэси Утиямада, который впоследствии стал президентом Toyota.

В ноябре 1994 года ситуация изменилась. Заместитель генерального директора по технологиям Акихиро Вада распорядился сделать проект гибридным, указав, что в противном случае проект будет закрыт. Целью было удвоить целевую эффективность, и, по оценке команды, единственным путём к этому была гибридная технология. Примечательная деталь: даже собственные члены команды G21 считали в то время гибридизацию непроверенной технологией, которая не успеет к началу 21-го века. Распоряжение изменило это решение.

Команда около шести месяцев изучала системы и выбрала тип с двумя моторами из-за потенциала высокой топливной эффективности. Самым радикальным следствием этого выбора было то, что предполагалось полное исчезновение классической коробки передач. В июне 1995 года пришло официальное одобрение серийного автомобиля; двигатель, мотор-генераторы и инверторы должны были производиться силами собственного разработки, а для батареи планировалось сотрудничество с Matsushita Battery Industrial. Становление Хироси Окуды президентом Toyota в августе 1995 года стало поворотным моментом в разработке гибрида.

Toyota Hybrid System: как работает планетарная передача?

В марте 1997 года Toyota объявила о завершении разработки силового распределителя с интегрированным электродвигателем и генератором - Toyota Hybrid System(THS). В сердце системы находился силовой распределительный механизм с планетарной передачей: этот механизм связывал два мотор-генератора с двигателем внутреннего сгорания и распределял мощность двигателя между вращением колёс и выработкой электроэнергии. Расположение входного и выходного валов в одной плоскости обеспечивало компактность; тяговый электродвигатель увеличивает мощность двигателя, а при замедлении работает как генератор, заряжая батарею; второй электродвигатель вырабатывает электроэнергию от мощности ДВС, управляет трансмиссией и также выполняет функцию стартера. Между батареей и электродвигателями был установлен инвертор.

Сегодня Hybrid Synergy Drive (HSD) - это усовершенствованная версия THS из Prius 1997-2003 годов. Система второго поколения появилась на Prius 2004 года, а смена названия отражала ожидание выхода технологии за пределы бренда Toyota; в 2006 году система была применена также на Camry и Highlander. В HSD место классической коробки передач, генератора и стартера занимают MG1, MG2, силовая электроника из трёх инверторов DC-AC и двух преобразователей DC-DC, компьютерное управление и высоковольтная батарея.

Разделение труда между двумя мотор-генераторами ясно:

• MG1: Электродвигатель, запускающий ДВС, и генератор, заряжающий батарею; регулируя выработку электроэнергии, он фактически управляет CVT трансаксла.
• MG2: Главный тяговый электродвигатель и генератор рекуперативного торможения; как правило, более мощный.

Планетарный набор передач выполняет функцию, схожую с CVT, и для целей законодательства Toyota определяет систему как e-CVT относит к этому классу. HSD - полноценный гибрид: автомобиль может двигаться только на электромоторе - большинство гибридов-конкурентов этого не умеют и поэтому считаются mild hybrid. Система развивалась и внутри поколений: в 1-м и 2-м поколениях MG2 был напрямую соединён с кольцевой шестернёй (1:1, без умножения момента); в 3-м поколении он был подключён через планетарный редуктор с передаточным отношением 2,5:1, что позволило сделать MG2 меньше, но мощнее. Со стороны батареи первый Prius использовал 228 элементов и 38 модулей, а 2-е и 3-е поколения перешли на 28 призматических NiMH-модулей Panasonic с номинальным напряжением 201,6 В; электроника держит заряд только в диапазоне 40-80% для продления срока службы батареи.

Почему Honda выбрала другой путь? Выбор параллельного IMA

Пока Toyota инвестировала в двухмоторное разделение мощности, Honda приняла решение, ставящее во главу угла простоту и баланс стоимости. Первым серийным гибридом Honda стал Insight выйдший на рынок в 1999 году и оснащённый параллельной гибридной системой Integrated Motor Assist (IMA). В IMA электромотор и бензиновый двигатель делят общий выходной вал; в отличие от последовательного гибрида, бензиновый двигатель может самостоятельно приводить колёса в движение. Это был автомобиль, вышедший следом за Prius 1997 года и классифицируемый как mild hybrid с параллельной системой.

Результатом стало первое крупное архитектурное разделение на гибридном рынке. Toyota выбрала систему с высоким потолком эффективности, большим числом компонентов и сложным управлением; Honda же предпочла компоновку, предлагающую разумную эффективность при меньшем количестве деталей. IMA использовалась около шести поколений, и гибридная эволюция Honda со временем привела к нынешней системе e:HEV Однако невозможность полностью электрического движения ставила IMA технически в более узкую категорию по сравнению с HSD: как и большинство гибридов вне HSD, IMA не может трогаться только на электротяге.

После 1997 года: как архитектура разделения мощности сформировала рынок?

Представленный в декабре 1997 года Prius, как первый в мире серийный гибридный автомобиль, вошёл и в список IEEE Milestone. Далее последовала история масштабирования: Toyota преодолела отметку в 1 миллион проданных гибридов в мае 2007 года, 2 миллиона к концу августа 2009 года и 5 миллионов в марте 2013 года; по состоянию на март 2013 года на США приходилось 38% глобальных продаж гибридов. Prius сегодня выпускается уже в пятом поколении.

Архитектура разделения мощности не осталась и внутренним решением Toyota. Технология HSD была лицензирована Nissan для Altima Hybrid; Aisin предлагала аналогичные гибридные трансмиссии другим производителям. Та же система была адаптирована для электрического привода Mirai и Prius Plug-in Hybrid; версии Lexus носят название Lexus Hybrid Drive Разделение мощности стало стандартом и у других марок: в недавних сравнениях в системах GM, Toyota, Dongfeng и Great Wall в основе также лежит планетарный механизм, соединяющий солнечную шестерню с двигателем MG1. Даже в автомобилях 2026 модельного года (например, RAV4 XA60) сохраняются варианты батарей NiMH и li-ion.

Электрический запас хода и практические ограничения

Стандартный HSD предлагает режим EV с полностью электрическим движением на скорости ниже примерно 40 км/ч, если в батарее достаточно заряда, около 1,6 км Для большего электрического запаса хода нужна отдельная архитектура: Prius Plug-in Hybrid с литий-ионной батареей ёмкостью 4,4 кВтч и весом 80 кг, по методике EPA, 18 км электрического запаса хода. Стоит также прояснить частый вопрос о батарее: HSD не может работать без компьютера, силовой электроники, батареи и мотор-генераторов; при этом в принципе он может двигаться и без ДВС, на практике в чрезвычайных ситуациях автомобиль может проехать короткое расстояние только на бензине.

Взгляд с сегодняшнего дня: почему разделение мощности всё ещё актуально?

Когда переход на полностью battery electric автомобили замедляется, наблюдается, что потребители обращаются к гибридам, и в этом контексте у Toyota есть производственная деталь, усиливающая её позиции: гибриды можно производить на тех же сборочных линиях, что и бензиновые и подключаемые гибриды, а производство можно регулировать в реальном времени в зависимости от спроса. С инженерной точки зрения ещё более впечатляющим является возраст системы. Схема с двумя машинами, выбранная в 1994 году после полугодового анализа, спустя три десятилетия работает на почти том же принципе в своей механизме - планетарная передача, две мотор-генераторные установки и силовая электроника. В патентных архивах можно найти подробные исследования по конструкции планетарной передачи и многомодовым схемам разделения мощности; однако трудно утверждать, что распространённое представление о том, что Toyota заперла свою систему разделения мощности одним патентом, основано на единой и прямой патентной записи - сила системы заключается не в одном документе, а в архитектурном решении, заложенном во весь комплекс компонентов. И именно это решение стоит как один из самых определяющих поворотных пунктов в истории гибридов: правильный механизм потянул за собой всю остальную технологию.

Источники

• История рождения Prius, часть 1
• Пункт 1. Разработка Prius и гибридная стратегия
• Hybrid Synergy Drive
• Трансмиссия гибридного автомобиля
• Вехи: Toyota Prius, первый в мире серийно выпускаемый гибридный автомобиль, 1997
• Последовательная, параллельная и последовательно-параллельная трансмиссии
• Prius и Volt: анализ конфигурации гибрида с разделением мощности
• Внутри Toyota Hybrid Synergy Drive
• Honda Insight - Integrated Motor Assist
• Эволюция силовой установки e:HEV
• История Porsche начинается с электричества
• Lohner–Porsche
• Сравнение схем разделения мощности GM, Toyota, Dongfeng, Great Wall
• Toyota затмит конкурентов, поскольку потребители выбирают гибриды