โครงการ G21: เรื่องราวลับของการพัฒนาที่ให้กำเนิด Prius ปี 1997

หลัง Prius ปี 1997 มีโครงการพัฒนาที่เริ่มต้นจากคำถามเดียวของ Eiji Toyoda ในช่วงฤดูร้อนปี 1993: รถยนต์แห่งศตวรรษที่ 21 ควรมีหน้าตาเป็นอย่างไร? โครงการนี้รหัสชื่อ G21 - ย่อมาจากคำว่า Globe หมายถึงโลก และศตวรรษที่ 21 - ใช้เวลาไม่ถึงสองปีในการเปลี่ยนเทคโนโลยีที่ยังไม่ได้รับการพิสูจน์ให้กลายเป็นรถยนต์ไฮบริดเบนซิน-ไฟฟ้าผลิตจำหน่ายรุ่นแรกของโลก NHW10 ที่วางจำหน่ายในญี่ปุ่นเมื่อวันที่ 10 ธันวาคม 1997 ไม่ใช่การทดลองเพื่ออวดรูปโฉมของอุตสาหกรรมยานยนต์; แต่เป็นจุดเริ่มต้นของยุคไฮบริด

โครงการ G21 ถือกำเนิดขึ้นอย่างไร: วิสัยทัศน์แรกในปี 1993

จุดเริ่มต้นของโครงการไม่ใช่ความจำเป็นทางเทคนิค แต่เป็นข้อเรียกร้องด้านวิสัยทัศน์ขององค์กร ประธานกิตติมศักดิ์ Eiji Toyoda ในช่วงฤดูร้อนปี 1993 ต้องการวิสัยทัศน์รถยนต์ใหม่ระยะกลางและระยะยาว เพื่อเตรียม Toyota สู่ศตวรรษที่ 21 งานแรกที่เริ่มอย่างเป็นทางการในเดือนกันยายน 1993 ภายใต้รหัสชื่อ G21 ดำเนินการโดยทีมเล็ก ๆ ที่ประกอบด้วย วิศวกรและนักออกแบบเพียง 10 คน; โดยประธาน Shoichiro Toyoda ก็ให้การสนับสนุนแผนนี้ด้วย

รายงานฉบับแรกที่จัดทำเมื่อปลายปี 1993 มองย้อนกลับมาจากวันนี้ สะท้อนแนวคิดที่ถ่อมตัวแต่สอดคล้องกัน: ขนาดภายนอกกระทัดรัด พื้นที่ภายในกว้างขวาง ระยะฐานล้อยาว และประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง 20 กิโลเมตรต่อลิตร คำสำคัญของโครงการคือ "ทรัพยากร" และ "สิ่งแวดล้อม"; การอภิปรายดำเนินไปบนแกนของสิ่งแวดล้อม พลังงาน และความปลอดภัย ในวันที่ 1 กุมภาพันธ์ 1994 G21 เปลี่ยนเป็นโครงสร้างเต็มเวลาที่มีวิศวกรด้านแชสซี ตัวถัง เครื่องยนต์ ระบบส่งกำลัง และการผลิตเข้าร่วม และการนำผ่านไปสู่ Takeshi Uchiyamada

แนวคิดไฮบริดไม่มีมาตั้งแต่วันแรก

จุดสำคัญซ่อนอยู่ตรงนี้: ทางเลือกแรกของทีมไม่ใช่ไฮบริด ระบบไฮบริด แม้จะเป็นหัวข้อที่น่าสนใจ แต่ถูกมองว่าใช้งานไม่ได้จริง เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีที่ยังไม่ได้รับการพิสูจน์ แทนที่จะเป็นอย่างนั้น แผนนี้วางอยู่บนเครื่องยนต์ฉีดน้ำมันโดยตรงและเกียร์อัตโนมัติที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งสามารถให้ประสิทธิภาพได้ 1.5 เท่าของรถในระดับเดียวกัน นั่นคือ G21 ในตอนแรกถูกออกแบบมาเป็นโครงการที่ท้าทายขีดจำกัดของประสิทธิภาพด้วยวิธีการดั้งเดิม

นี่ยังไม่ใช่ความพยายามครั้งแรกด้านไฮบริดของ Toyota ด้วยซ้ำ ตามประวัติศาสตร์ 75 ปีของบริษัท ความพยายามครั้งแรกย้อนกลับไปถึงปี 1968: มีการศึกษาเครื่องยนต์กังหันแก๊สภายใต้การนำของ Kenya Nakamura แต่โครงการถูกระงับในต้นทศวรรษ 1980 เนื่องจากไม่มีแบตเตอรี่ชาร์จได้ที่เหมาะสม เมื่อถึงทศวรรษ 1990 ส่วนที่ขาดหายไปของสมการ - เทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่เพียงพอ - มีอยู่แล้ว; สิ่งที่ขาดหายไปคือความมุ่งมั่นที่จะใช้มัน

การตัดสินใจใช้ไฮบริดเกิดขึ้นอย่างไร: ประสิทธิภาพสองเท่า หรือไม่ก็ยกเลิก

จุดเปลี่ยนมาถึงในเดือนพฤศจิกายน 1994 รองประธานฝ่ายเทคโนโลยี Akihiro Wada ได้สั่งการชัดเจนแก่ Uchiyamada ว่า: ให้ทำให้รถยนต์เป็นแบบไฮบริด ถ้าทำไม่ได้ โครงการจะถูกยกเลิก เป้าหมายคือการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงให้เป็นสองเท่า - และตามการประเมินของทีม สิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ด้วยวิธีการแบบดั้งเดิม คำตอบเดียวคือเทคโนโลยีไฮบริด การตัดสินใจนี้ถูกจัดว่าเป็นการตัดสินใจแบบ "จากบนลงล่าง" ทั่วไป: ผู้บริหารระดับสูงกำหนดเป้าหมายที่สองเท่าของเป้าหมาย 1.5 เท่าที่ทีมตั้งไว้

การประเมินเบื้องต้นของ Uchiyamada ก็เป็นการวิเคราะห์ทางวิศวกรรมที่ตรงไปตรงมา: เขาไม่เชื่อว่า จะสามารถพัฒนารถไฮบริดสำหรับการผลิตได้ก่อนต้นศตวรรษที่ 21 แต่การตัดสินใจก็ถูกนำมาปฏิบัติ ตั้งแต่ฤดูใบไม้ร่วงปี 1994 บรรยากาศภายในบริษัทก็เปลี่ยนไป และการที่รถผลิตจริงต้องเป็นไฮบริดถูกตัดสินใจไว้แล้ว การอนุมัติอย่างเป็นทางการของรถผลิตจริงได้รับในการประชุมเดือนมิถุนายน 1995

เบื้องหลังการตัดสินใจนี้ยังมีการเปลี่ยนแปลงเชิงองค์กรด้วย: ในเดือนสิงหาคม 1995 Hiroshi Okuda ได้เป็นประธานของ Toyota และเหตุการณ์นี้ถูกเรียกว่าเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญสำหรับการพัฒนาไฮบริด เทคโนโลยีที่ยังไม่ได้รับการพิสูจน์จะไม่สามารถนำไปสู่การผลิตจำนวนมากได้ในความเร็วเช่นนี้หากปราศจากการสนับสนุนจากผู้บริหารระดับสูง

Toyota Hybrid System ทำงานอย่างไร: สองมอเตอร์ ชุดเฟียดประดาวหนึ่งชุด

การเลือกระบบเป็นผลมาจากการศึกษาวิจัยหกเดือน ในการประเมินที่เสร็จสิ้นปลายปี 1994 ได้เลือกแบบสองมอเตอร์เนื่องจากศักยภาพด้านประสิทธิภาพสูง เบื้องหลังการตัดสินใจนี้มีวิสัยทัศน์อยู่: อิเล็กทรอนิกส์กำลัง - เซมิคอนดักเตอร์และวงจรอิเล็กทรอนิกส์ - จะก้าวกระโดดอย่างมากในอนาคตอันใกล้ และด้วยเหตุนี้เกียร์แบบดั้งเดิมจึงสามารถถูกกำจัดออกไปได้ทั้งหมด

ระบบที่นำมาใช้ต่อมาได้รับชื่อว่า Toyota Hybrid System (THS) องค์ประกอบของสถาปัตยกรรมนี้สามารถติดตามได้ตามลำดับตรรกะ:

• มอเตอร์ขับเคลื่อนที่หมุนล้อและทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าระหว่างการชะลอความเร็ว
• มอเตอร์ที่สองที่ผลิตไฟฟ้า ควบคุมเกียร์ และทำหน้าที่เป็นมอเตอร์สตาร์ทด้วย
• ชุดแบ่งกำลังแบบเฟียดประดาวที่รวมมอเตอร์ไฟฟ้าสองตัวเข้ากับเครื่องยนต์เบนซิน
• อินเวอร์เตอร์ที่ทำงานระหว่างแบตเตอรี่กับมอเตอร์

เพลาเข้าและเพลาออกอยู่ในระนาบเดียวกัน และรอบมอเตอร์ถูกควบคุมอย่างต่อเนื่องแบบแปรผัน THS เสร็จสมบูรณ์และประกาศในเดือนมีนาคม 1997 เทคโนโลยีหลักเช่นมอเตอร์และอินเวอร์เตอร์ถูกผลิตขึ้นด้วยการพัฒนาภายใน ด้านแบตเตอรี่ งานดำเนินการร่วมกับ Matsushita Battery Industrial ซึ่งเคยร่วมงานด้านการวิจัยรถยนต์ไฟฟ้ามาก่อน ชุดแบตเตอรี่ NiMH ถูกโอนไปยังบริษัทร่วม Panasonic EV Energy ที่ก่อตั้งขึ้นในเดือนธันวาคม 1996

รถคอนเซปต์และเส้นทางการผลิตในโตเกียว

รายละเอียดที่น่าสนใจ: รถคอนเซปต์ที่จัดแสดงใน Tokyo Motor Show ปี 1995 แตกต่างจากรถไฮบริดที่ผลิตจริง มันมีมอเตอร์เดียว หัวฉีดตรง เกียร์ CVT และใช้คาปาซิเตอร์แทนแบตเตอรี่ เป้าหมายคือ 30 กิโลเมตรต่อลิตร และระบบนี้ถูกตั้งชื่อว่า "Toyota Energy Management System" "Prius" - ชื่อที่มีความหมายว่า "แรก เบิกทาง ยอดเยี่ยม" ในภาษาละติน - เริ่มถูกใช้ตั้งแต่ขั้นตอนนี้เป็นต้นมา ส่วนยานพาหนะสำหรับการผลิตนั้นได้ก้าวข้ามแนวคิดนี้ไปสู่สถาปัตยกรรมไฮบริดเต็มรูปแบบ

กำหนดการนั้นน่าประทับใจ: ประมาณสองปีจากเริ่มต้นการพัฒนาอย่างเป็นทางการจนถึงการผลิตจริง เบื้องหลังความเร็วนั้นคือวิธีการทางวิศวกรรม: เทคโนโลยีการประกอบเสมือน 3 มิติ และการใช้สายการเชื่อมตัวถังสำหรับการผลิตปริมาณน้อย นอกจากนี้ในปี 1996 แผนกระบบควบคุมและส่วนประกอบระบบส่งกำลังไฟฟ้าได้ถูกรวมเข้าด้วยกันภายใต้โครงสร้าง "business reform" และในเดือนมกราคม 1997 ก็ได้รวมเข้ากับแผนกพัฒนายานพาหนะไฟฟ้า ก่อตั้งเป็น Electric & Hybrid Vehicle Engineering Division

ตัวเลขของ Prius รุ่นแรก: NHW10 และ NHW11

รุ่นแรก NHW10 วางจำหน่ายในญี่ปุ่นเมื่อวันที่ 10 ธันวาคม 1997 และเป็นรถยนต์ไฮบริดเบนซิน-ไฟฟ้าผลิตจริงรุ่นแรกของโลก การผลิตดำเนินไปที่โรงงาน Takaoka ระหว่างธันวาคม 1997 - กุมภาพันธ์ 2000 และจำกัดอยู่ที่ทั้งหมด 37,425 คัน หมายเหตุด้านการออกแบบที่น่าสนใจ: การออกแบบของ NHW10 มาจากนักออกแบบชาวแคลิฟอร์เนีย ซึ่งได้รับเลือกเหนือข้อเสนอจากสตูดิโออื่น ๆ ของ Toyota รถได้รับรางวัล "รถยนต์แห่งปีของญี่ปุ่น" ในงานเปิดตัว และได้รับรางวัล RJC รถยนต์แห่งปีในปี 1998

ขั้นตอนที่สองคือก้าวที่เปิดโอกาสให้รุ่นนี้ไปสู่สายตาชาวโลก NHW11 ที่วางจำหน่ายในปี 2000 - รุ่นที่สอง - เป็น Prius รุ่นแรกที่ขายในจำนวนจำกัดในเอเชีย อเมริกา ยุโรป และออสเตรเลีย ราคาในสหรัฐอเมริกาคือ 19,995 ดอลลาร์สหรัฐ ผลิตที่โรงงาน Motomachi ระหว่างพฤษภาคม 2000 - มิถุนายน 2003 และผลิตเสร็จสิ้น 33,411 คัน เป็นรถไฮบริดผลิตจริงรุ่นที่สองในตลาดสหรัฐอเมริกา ต่อจาก Honda Insight

รุ่นแรกขายได้ทั้งหมดประมาณ 123,000 คัน ภาพเชิงพาณิชย์เผยให้เห็นความจริงข้อหนึ่งที่ชัดเจน: Toyota ระบุว่าขาดทุนในทุกคันของ NHW10 และเพียงคุ้มทุนใน NHW11 กล่าวอีกนัยหนึ่ง คุณค่าของการเปิดตัวไม่ได้อยู่ที่ตัวเลขยอดขาย แต่อยู่ที่การพิสูจน์เทคโนโลยี

การใช้เชื้อเพลิงจริงเป็นเท่าไร และวันนี้ยังเชื่อถือได้หรือไม่?

ประสิทธิภาพของ Prius รุ่นแรกแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับว่ากำลังพูดถึงรถรุ่นใดและวัดอย่างไร สำหรับ NHW11 ในตลาดสหรัฐอเมริกา เจ้าของรายงานว่า 50-60 mpg (ประมาณ 3.9-4.7 ลิตร/100 กม.) เมื่อขับขี่อย่างเหมาะสม และประมาณ 35 mpg เมื่อใช้งานที่รุนแรงกว่า โดยค่าเฉลี่ยทั่วไปถูกระบุว่าอยู่ที่ 46-50 mpg หรือประมาณ 41 mpg แบบผสม เพียงจำไว้ว่าตัวเลขเหล่านี้อ้างอิงจากข้อมูลการใช้งานของเจ้าของและส่วนใหญ่หมายถึง NHW11 เป้าหมายของ NHW10 ในวัฏจักรของตัวเองนั้นอยู่ที่ประมาณ 20 กม. ต่อลิตรอยู่แล้ว

ด้านความน่าเชื่อถือ ภาพรวมเป็นที่ยอมรับแล้วหลังจากการใช้งานมากว่า 25 ปี เจ้าของรายงานประสบการณ์การทำงานไร้ที่ติและแบตเตอรี่ที่ทนทานในรุ่นแรก ในการเปรียบเทียบความน่าเชื่อถือของห้ารุ่น รุ่นแรกได้รับการประเมินด้วยข้อมูลจาก Consumer Reports และ NHTSA ประเด็นการบำรุงรักษาที่ควรใส่ใจนั้นเฉพาะเจาะจง: ยกตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนที่อาจอุดตันด้วยคาร์บอนสะสม โดยสรุปแล้ว นี่คือเรื่องราวไม่ใช่ของเทคโนโลยีที่ผิดพลาด แต่เป็นระบบส่งกำลังที่ทนทานยาวนานด้วยการบำรุงรักษาที่ถูกต้อง

รากเหง้าของ Prius ย้อนไปถึงปี 1900 หรือไม่?

ใช่ - แผนผังวงศ์ตระกูลนั้นเก่าแก่อย่างน่าประหลาดใจ Ferdinand Porsche ออกแบบรถยนต์ไฮบริดคันแรกเป็นต้นแบบในปี 1900: Lohner-Porsche Semper Vivus เวอร์ชันไฮบริดวางจำหน่ายในปี 1901 ในชื่อ Lohner-Porsche Mixte บันทึกประวัติศาสตร์ที่เชื่อมโยงจุดกำเนิดของ Prius ยุคใหม่เข้ากับยานพาหนะเมื่อราวร้อยปีก่อนนั้น มิใช่เรื่องบังเอิญ: ปัญหาในการควบคุมการไหลของกำลังแบบอนุกรม-ขนานไม่เคยเปลี่ยนแปลงตั้งแต่ปี 1900; สิ่งที่เปลี่ยนคือความเป็นผู้ใหญ่ของชิ้นส่วนที่แก้ปัญหานั้น - แบตเตอรี่และเพาเวอร์อิเล็กทรอนิกส์

ในช่วงเวลาระหว่างนั้น มีความพยายามที่เป็นอิสระจากกันหลายครั้ง: ในปี 1973 วิศวกรไฟฟ้า Victor Wouk สร้างต้นแบบไฮบริดที่อ้างอิงจาก Buick Skylark ปี 1972 Owen Magnetic ซึ่งเป็นการออกแบบแบบอนุกรมที่เครื่องยนต์ชาร์จแบตเตอรี่และจ่ายไฟให้มอเตอร์ไฟฟ้า เป็นหนึ่งในรถไฮบริดยุคแรก GM XP 512 ปี 1969 และความพยายามแบบหกล้อของ Briggs & Stratton ปี 1980 ก็เป็นส่วนหนึ่งของประเพณีการทดลองอันยาวนานและต่อเนื่องเช่นเดียวกัน ผู้บุกเบิกคนที่สองของคลื่นยุคใหม่คือ Honda Insight ซึ่งวางจำหน่ายในปลายปี 1999 ในรูปแบบ liftback สองที่นั่ง

ผลกระทบระยะยาวของการเปิดตัว

หนึ่งในผลลัพธ์ที่วัดได้ของการเปิดตัวปี 1997 ที่เรามีในมือวันนี้: ยอดรวมตระกูล Prius แตะระดับ 6.1 ล้านคัน ในเดือนมกราคม 2017 และคิดเป็น 61% ของรถไฮบริด 10 ล้านคันที่ Toyota ขายได้ตั้งแต่ปี 1997; โมเดลนี้วางจำหน่ายในกว่า 90 ตลาด หลักฐานที่ใหม่กว่านั้นเป็นด้านเทคโนโลยี: ในเดือนกรกฎาคม 2023 Prius LE ปี 2024 ทำลายสถิติกินเนสในการเดินทางระยะ 5,150 กม. จาก Los Angeles ถึง New York ด้วยอัตรา 2.52 ลิตรต่อ 100 กม. โดยใช้เทคนิคไฮเปอร์มิลลิ่ง; ในการขับขี่ปกติ รุ่นใหม่ล่าสุดให้ประสิทธิภาพสูงถึง 4.06 ลิตรต่อ 100 กม.

ความยากลำบากของการพัฒนาช่วงต้นก็ถูกบันทึกไว้เช่นกัน: วิศวกร Toyota พบว่าประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของต้นแบบในการทดสอบขับขี่แย่กว่า Corolla มาตรฐานเสียอีก เส้นทางจากจุดนั้นสู่การผลิตจริงและค่าที่เป็นอยู่ในวันนี้ คือผลงานของวินัยทางวิศวกรรมอย่างแท้จริง โครงการนี้ได้รับเกียรติเป็น IEEE Milestone ในพิธีที่ Toyota City เมื่อวันที่ 30 ตุลาคม 2024; ข้อความบนแผ่นป้ายเน้นย้ำว่ายานพาหนะนี้ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในและมอเตอร์ไฟฟ้าสองตัว และสามารถกู้คืนพลังงานที่สูญเสียระหว่างการขับขี่ Uchiyamada ก็ได้กล่าวสั้น ๆ ในพิธีนั้นด้วย

บทสรุป: สองปี หนึ่งการตัดสินใจ และการเปลี่ยนผ่านของหนึ่งอุตสาหกรรม

การอ่านเรื่องราวของ G21 ในมุมมองวิศวกรรมคือ: เทคโนโลยีที่ถูกต้องไม่ใช่ทางเลือกที่ง่ายที่สุดเสมอไป คำตอบแรกของทีมคือทางที่ปลอดภัย - เครื่องยนต์หัวฉีดตรงและเกียร์ที่มีประสิทธิภาพ เงื่อนไข "ประสิทธิภาพสองเท่าหรือยกเลิก" ที่ผู้บริหารระดับสูงกำหนด ผลักดันทีมไปสู่สถาปัตยกรรมที่ยังไม่ผ่านการพิสูจน์; การคาดการณ์ในด้านเพาเวอร์อิเล็กทรอนิกส์และแบตเตอรี่ก็อาจก่อให้เกิดความเสี่ยงนี้ได้ การพาเทคโนโลยีที่ยังไม่ได้รับการพิสูจน์จากการอนุมัติอย่างเป็นทางการสู่การผลิตจริงภายในราวสองปี นอกจากจะเป็นคำกล่าวอ้างเรื่องประสิทธิภาพแล้ว ยังเป็นความสำเร็จด้านการบริหารและการผลิตอีกด้วย รถยนต์คันแรกนั้นที่วางจำหน่ายในญี่ปุ่นเมื่อเดือนธันวาคม 1997 เริ่มต้นมาในรูปแบบของสินค้าที่ขาดทุน แต่กลับถูกบันทึกไว้ในประวัติศาสตร์ในฐานะจุดอ้างอิงของยุคไฮบริด

แหล่งอ้างอิง

• The Story Behind the Birth of the Prius, Part 1 | Toyota Motor Corporation Official Global Website
• Item 1. Development of Prius and Hybrid Strategy - Toyota 75 Years History
• The Story Behind the Birth of the Prius, Part 2 | Toyota
• The Toyota Prius Transformed the Auto Industry - IEEE Spectrum
• Milestones: Toyota Prius, the World's First Mass-Produced Hybrid Vehicle, 1997 - ETHW
• Toyota Prius - Wikipedia
• Gamechanger: how Ferdinand Porsche designed the first hybrid car - Porsche Newsroom
• Lohner–Porsche - Wikipedia
• What Is the History of Hybrid Cars? - HowStuffWorks
• Honda Insight - Wikipedia
• Every Toyota Prius Generation, Ranked By Reliability - Jalopnik
• Considering a First Gen Prius - PriusChat