سیستم تقسیم قدرت چرا تویوتا هیبریدی را بی‌رقیب کرد؟

چیزی که هیبرید تویوتا را بی‌رقیب می‌کند، به‌تنهایی موتور الکتریکی یا باتری نیست، بلکه سیستم انتقال قدرت تقسیم قدرت (power-split) است که قدرت دو موتور را با یک مجموعه چرخ‌دنده سیاره‌ای تقسیم و ترکیب می‌کند. این معماری با جبران نقاط ضعف هیبریدهای سری و موازی در یک مکانیسم واحد، به خودرو توانایی حرکت روان با موتور بنزینی، موتور الکتریکی یا ترکیبی از هر دو را داد. این سیستم که در سال 1997 با نخستین هیبرید تولید انبوه Prius کار خود را آغاز کرد، امروز هنوز راه‌حلی است که صنعت آن را معیار می‌داند.

سری، موازی و تقسیم قدرت: تفاوت سه معماری چیست؟

برای درک سیستم‌های انتقال قدرت هیبریدی، باید سه معماری اصلی را از هم تفکیک کرد. در هیبرید سری چرخ‌ها فقط با برق می‌چرخند؛ موتور احتراق داخلی ژنراتور را تغذیه می‌کند و برق به موتور می‌رود. نخستین نمونه‌ای که به صحنه تاریخ آمد نیز همین طرح بود: فردیناند پورشه در سال 1898 خودرو Egger-Lohner C.2 را طراحی کرد، در سال 1900 خودرو الکتریکی Lohner-Porsche با موتورهای چرخ در چرخ‌های جلو را معرفی کرد و در سال 1901 خودرو Lohner-Porsche Mixte Hybrid که هاب‌درایو را با موتور بنزینی ترکیب می‌کرد، نخستین خودروی هیبریدی تولید انبوه شد. در سال 1902 پورشه حتی با همین خودرو رالی اکسلبرگ را برد. اما بهای معماری سری روشن است: انرژی به‌صورت مکانیکی بلکه الکتریکی به چرخ‌ها منتقل می‌شود و در هر تبدیل، اتلاف انرژی رخ می‌دهد.

در هیبرید موازی موتور احتراق داخلی و موتور الکتریکی یک میله خروجی مشترک دارند؛ هر دو می‌توانند به‌تنهایی یا با هم چرخ‌ها را بگردانند. این چیدمان معمولاً باتری کوچک‌تری نسبت به سری به کار می‌برد و با ترمز بازیاب شارژ می‌شود. چون اتصال مکانیکی حفظ می‌شود، اتلاف بازدهی محدود است؛ اما در مقابل، دور موتور و چرخ به هم وابسته‌اند و نگه‌داشتن موتور در محدوده کارآمدترین نقطه کارش دشوار می‌شود.

معماری تقسیم قدرت میانه این دو است: به مسیر موازی یک دستگاه تقسیم قدرت افزوده می‌شود و بیش از یک مسیر قدرت از موتور احتراق داخلی به چرخ‌ها گشوده می‌شود. موتور، ژنراتور و موتور محرک می‌توانند مستقل از هم کار کنند؛ سیستم بسته به شرایط مانند سری یا موازی عمل می‌کند و در رانندگی مختلط بازدهی را حفظ می‌کند. ویژگی متمایزکننده اصلی، گیربکس سی‌وی‌تی الکترونیکی یعنی eCVT است که موتور را در محدوده کارآمد نگه می‌دارد.

پروژه G21: از هدف 20 کیلومتر تا تصمیم هیبریدی

زایش سیستم تویوتا از یک حرکت مهندسی برنیامد، بلکه از یک مطالعه چشم‌انداز سرچشمه گرفت. در تابستان 1993 به دعوت رئیس افتخاری ایجی تویودا، کار طراحی خودرویی برای قرن بیست‌ویکم آغاز شد؛ در سپتامبر 1993 نام رمزی G21 پروژه با (ترکیب گلوب و قرن بیست و یک) تاسیس شد. تیمی متشکل از ۱۰ مهندس و طراح، راندمان سوختی ۲۰ کیلومتر بر لیتر را هدف قرار داد. در فوریه ۱۹۹۴ پروژه به طور رسمی تاسیس شد؛ رهبری آن بر عهده تاکشی اوچییامادا بود که بعدها ریاست تویوتا را بر عهده گرفت.

در نوامبر ۱۹۹۴ اوضاع تغییر کرد. معاون مدیر ارشد فناوری، آکیهیرو وادا، دستور تبدیل پروژه به خودروی هیبریدی را صادر کرد و اعلام شد که در صورت عدم موفقیت، پروژه لغو خواهد شد. هدف، دو برابر کردن راندمان تعیین شده بود و بر اساس ارزیابی تیم، تنها راه تحقق آن فناوری هیبریدی بود. نکته قابل توجه اینکه حتی اعضای خود تیم G21 نیز در آن زمان هیبریدی شدن را فناوری اثبات‌نشده‌ای می‌دانستند که تا اوایل قرن بیست و یک به بار نمی‌نشیند. این دستور، آن تصمیم را تغییر داد.

تیم حدود شش ماه سیستم‌ها را بررسی کرد و به دلیل پتانسیل راندمان سوختی بالا، نوع دوموتوری را انتخاب کرد. رادیکال‌ترین نتیجه این انتخاب آن بود که فرض بر حذف کامل گیربکس متعارف گذاشته شده بود. در ژوئن ۱۹۹۵ تأیید رسمی برای تولید خودروی تجاری صادر شد؛ موتور، موتور-ژنراتورها و اینورترها به صورت داخلی توسعه می‌یافتند و برای باتری با شرکت Matsushita Battery Industrial همکاری می‌شد. رئیس شدن هیروشی اوکودا در تویوتا در اوت ۱۹۹۵ نقطه عطفی برای توسعه هیبریدی بود.

سیستم هیبریدی تویوتا: سیاره دنده چگونه کار می‌کند؟

در مارس ۱۹۹۷ تویوتا اعلام کرد که Toyota Hybrid System را (THS) با موتور برقی و ژنراتور یکپارچه و تقسیم توان را تکمیل کرده است. قلب این سیستم، دستگاه تقسیم توان با دنده سیاره‌ای بود: این مکانیزم دو موتور-ژنراتور را به موتور احتراق داخلی متصل می‌کرد و توان موتور را میان انتقال حرکت به چرخ‌ها و تولید برق تقسیم می‌کرد. هم‌صفحه بودن شفت‌های ورودی و خروجی، فشردگی را فراهم می‌کرد؛ موتور محرک، توان موتور را افزایش می‌داد و در کاهش سرعت مانند ژنراتور عمل کرده و باتری را شارژ می‌کرد؛ موتور دوم نیز با توان ICE برق تولید می‌کرد، گیربکس را کنترل می‌کرد و وظیفه استارت موتور را نیز بر عهده داشت. بین باتری و موتورها اینورتر قرار داده شد.

امروزه Hybrid Synergy Drive که با نام (HSD) شناخته می‌شود، نسخه پالایش‌شده THS در پروس ۱۹۹۷-۲۰۰۳ است. نسل دوم سیستم در پروس ۲۰۰۴ دیده شد و تغییر نام، انتظار گسترش فناوری فراتر از برند تویوتا را منعکس می‌کرد؛ این سیستم در سال ۲۰۰۶ به کمری و هایلندر نیز اعمال شد. در HSD جای گیربکس متعارف، آلترناتور و استارت موتور را الکترونیک قدرت متشکل از MG1، MG2، سه اینورتر DC-AC و دو مبدل DC-DC، کنترل کامپیوتری و باتری ولتاژ بالا می‌گیرد.

تقسیم کار دو موتور-ژنراتور روشن است:

• MG1: موتوری که ICE را روشن می‌کند و ژنراتوری که باتری را شارژ می‌کند؛ با تنظیم تولید برق، عملاً CVT ترنکس را کنترل می‌کند.
• MG2: موتور محرک اصلی و ژنراتور ترمز بازیابی انرژی؛ معمولاً قدرتمندتر است.

مجموعه دنده سیاره‌ای عملکردی مشابه CVT دارد و تویوتا سیستم را برای مقاصد قانونی e-CVT قرار می‌دهد. HSD یک هیبرید کامل است: خودرو می‌تواند تنها با موتور الکتریکی حرکت کند - اکثر رقیبان هیبرید چنین قابلیتی ندارند و به همین دلیل mild hybrid محسوب می‌شوند. این سیستم در نسل‌ها نیز توسعه یافت: در نسل اول و دوم، MG2 مستقیماً به چرخ‌دنده حلقه‌ای متصل بود (نسبت 1:1، بدون چند برابر کردن گشتاور)؛ اما در نسل سوم با مجموعه چرخ‌دنده سیاره‌ای با نسبت 2.5:1 متصل شد که امکان ساخت MG2 کوچک‌تر اما قدرتمندتر را فراهم کرد. در سمت باتری، نسل اول Prius از 228 سلول و 38 ماژول استفاده می‌کرد، در حالی که نسل دوم و سوم به 28 ماژول NiMH مکعبی Panasonic با ولتاژ اسمی 201.6 ولت مهاجرت کردند؛ الکترونیک، شارژ را برای طول عمر باتری فقط در محدوده 40 تا 80 درصد نگه می‌دارد.

چرا Honda مسیر متفاوتی را انتخاب کرد؟ ترجیح IMA موازی

در حالی که Toyota روی تقسیم توان با دو موتور سرمایه‌گذاری می‌کرد، Honda راه‌حلی را برگزید که سادگی و تعادل هزینه را در اولویت قرار می‌داد. نخستین هیبرید تولیدی Honda به نام Insight در سال 1999 وارد بازار شد و به سیستم هیبرید موازی Integrated Motor Assist (IMA) مجهز بود. در IMA، موتور الکتریکی و موتور بنزینی یک شفت خروجی مشترک دارند؛ برخلاف هیبرید سری، موتور بنزینی به تنهایی می‌تواند چرخ‌ها را بگرداند. این خودرویی بود که پس از Prius سال 1997 آمده و به عنوان یک mild hybrid با سیستم موازی طبقه‌بندی می‌شد.

نتیجه، نخستین واگرایی بزرگ معماری در بازار هیبرید بود. Toyota سیستمی با تعداد قطعات بیشتر و کنترل پیچیده‌تر اما با هدف سقف کارایی را انتخاب کرده بود؛ Honda اما چیدمانی را ترجیح داد که با قطعات کمتر، کارایی معقولی ارائه می‌داد. IMA حدود شش نسل استفاده شد و تکامل هیبریدی Honda به مرور به سیستم امروزی e:HEV رسید. اما عدم توانایی در حرکت تمام‌الکتریکی، IMA را در برابر HSD در فنی‌ترین معنا در دسته‌ای با قابلیت محدودتر قرار داد: مانند اکثر هیبریدهای غیر از HSD، IMA نیز نمی‌تواند تنها با برق حرکت را آغاز کند.

پس از 1997: معماری تقسیم توان چگونه بازار را شکل داد؟

نسل معرفی‌شده در دسامبر 1997، Prius به عنوان نخستین خودروی هیبرید تولید انبوه جهان، در فهرست Milestone انجمن IEEE نیز ثبت شد. ادامه ماجرا، داستان مقیاس است: Toyota در مه 2007 از یک میلیون، در پایان اوت 2009 از دو میلیون و در مارس 2013 از پنج میلیون فروش هیبرید گذشت؛ تا مارس 2013، آمریکا 38 درصد از فروش جهانی هیبرید را تشکیل می‌داد. Prius امروز در نسل پنجم تولید می‌شود.

معماری تقسیم توان راه‌حلی درون‌گرا و صرفاً متعلق به Toyota هم نبود. فناوری HSD برای Altima Hybrid به Nissan لایسنس شد؛ Aisin گیربکس‌های هیبرید مشابهی را به سازندگان دیگر ارائه کرد. همان سیستم برای حرکت الکتریکی Mirai و Prius Plug-in Hybrid تطبیق یافت؛ نسخه‌های لکسوس نام Lexus Hybrid Drive را یدک می‌کشند. طراحی تقسیم توان در برندهای دیگر نیز استاندارد شد: در مقایسه‌های اخیر، در سیستم‌های GM، Toyota، Dongfeng و Great Wall نیز مکانیزم چرخ‌دنده سیاره‌ای در صدر قرار دارد و خورشیدی به موتور MG1 متصل است. حتی در خودروهای مدل سال 2026 (برای مثال RAV4 XA60) گزینه‌های باتری NiMH و لیتیوم-یونی ادامه دارند.

محدوده الکتریکی و محدودیت‌های عملی

HSD استاندارد، در صورت شارژ کافی باتری، در سرعت‌های زیر 40 کیلومتر بر ساعت تقریباً 1.6 کیلومتر یک حالت EV فراهم می‌کند که رانش تمام الکتریکی دارد. برای برد الکتریکی طولانی‌تر به یک معماری جداگانه نیاز است: Prius Plug-in Hybrid، با باتری لیتیوم-یونی با ظرفیت 4.4 کیلووات‌ساعت و وزن 80 کیلوگرم، بر اساس اندازه‌گیری EPA 18 کیلومتر برد الکتریکی ارائه می‌دهد. لازم است یک پرسش پرتکرار درباره باتری هم روشن شود: HSD بدون کامپیوتر، برق قدرت، باتری و موتور-ژنراتورها کار نمی‌کند؛ در مقابل، در اصل حتی بدون موتور احتراق داخلی هم می‌تواند حرکت کند و در عمل، در شرایط اضطراری خودرو می‌تواند مسافت کوتاهی را فقط با بنزین طی کند.

با نگاه از امروز: چرا تقسیم توان هنوز معتبر است؟

وقتی گذار به خودروهای برقی تمام‌برقی کند می‌شود، مشاهده می‌شود که مصرف‌کنندگان به سمت هیبریدها روی می‌آورند و در این زمینه یک جزئیات تولیدی وجود دارد که دست تویوتا را قوی‌تر می‌کند: تویوتا می‌تواند هیبریدهای خود را در همان خطوط مونتاژ مدل‌های بنزینی و پلاگین‌دار تولید کند و تولید را بر اساس تقاضا در زمان واقعی تنظیم کند. اما از نظر مهندسی، چشمگیرتر از همه سن سیستم است. چیدمان دوموتوره‌ای که در سال 1994 با یک تحلیل شش‌ماهه انتخاب شد، حتی پس از سه دهه هنوز با همان اصل هسته‌ای خود کار می‌کند - چرخ‌دنده سیاره‌ای، دو موتور-ژنراتور و الکترونیک قدرت. در آرشیو ثبت اختراعات می‌توان مطالعات مفصلی درباره طراحی چرخ‌دنده سیاره‌ای و چیدمان‌های چندحالته تقسیم توان یافت؛ با این حال، گفتن این ادعای رایج که تویوتا سیستم تقسیم توان خود را با یک ثبت اختراع واحد قفل کرده است، بر یک سند ثبت اختراع منفرد و مستقیم دشوار است - قدرت سیستم نه از یک برگه واحد، بلکه از تصمیم معماری‌ای می‌آید که در کل مجموعه اجزا نشسته است. و این همان تصمیمی است که به‌عنوان یکی از تعیین‌کننده‌ترین نقطه‌های عطف تاریخ هیبرید ایستاده است: مکانیزم درست، بقیه فناوری را در پی خود کشید.

منابع

• 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