ระบบแบ่งกำลังทำให้ไฮบริดของ Toyota เหนือกว่าคู่แข่งได้อย่างไร?

สิ่งที่ทำให้ระบบไฮบริดของ Toyota เหนือกว่าคู่แข่งไม่ใช่มอเตอร์ไฟฟ้าหรือแบตเตอรี่เพียงอย่างเดียว แต่คือชุดส่งกำลังแบบแบ่งกำลัง (power-split) ที่แบ่งและรวมกำลังจากมอเตอร์สองตัวเข้ากับชุดเฟืองดาวเทียมชุดเดียว สถาปัตยกรรมนี้ชดเชยจุดอ่อนของไฮบริดแบบอนุกรมและแบบขนานเข้าไว้ในกลไกเดียว ทำให้ยานพาหนะสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างราบรื่นด้วยเครื่องยนต์เบนซิน มอเตอร์ไฟฟ้า หรือการทำงานร่วมกันของทั้งสอง ระบบนี้เริ่มต้นสู่ถนนในปี 1997 พร้อมกับรถไฮบริดผลิตจริงรุ่นแรกอย่าง Prius และถึงวันนี้ยังคงเป็นโซลูชันที่อุตสาหกรรมยอมรับว่าเป็นเกณฑ์มาตรฐาน

อนุกรม ขนาน และแบ่งกำลัง: ความแตกต่างของสามสถาปัตยกรรมคืออะไร?

เพื่อทำความเข้าใจชุดส่งกำลังไฮบริด จำเป็นต้องแยกแยะสถาปัตยกรรมพื้นฐานทั้งสามแบบ ในระบบ ไฮบริดแบบอนุกรม ล้อจะหมุนด้วยไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว เครื่องยนต์สันดาปภายในจะจ่ายไฟให้เจนเนอเรเตอร์ และไฟฟ้าจะถูกส่งไปยังมอเตอร์ ตัวอย่างแรกที่ปรากฏบนเวทีประวัติศาสตร์ก็เป็นแบบแผนนี้: Ferdinand Porsche ออกแบบ Egger-Lohner C.2 ในปี 1898 เปิดตัวรถไฟฟ้า Lohner-Porsche ที่ติดตั้งมอเตอร์ในล้อหน้าในปี 1900 และในปี 1901 รถ Lohner-Porsche Mixte Hybrid ที่รวมเครื่องยนต์เบนซินเข้ากับ hub drive ได้กลายเป็นยานพาหนะไฮบริดรุ่นแรกที่เข้าสู่การผลิตจริง ในปี 1902 Porsche ชนะการแข่งขัน Exelberg Rally ด้วยรถคันนี้ แต่ราคาของสถาปัตยกรรมแบบอนุกรมก็ชัดเจน: พลังงานถูกส่งไปยังล้อทางไฟฟ้าแทนที่จะเป็นทางกลไก และเกิดการสูญเสียในทุกขั้นตอนการแปลง

ในระบบ ไฮบริดแบบขนาน เครื่องยนต์สันดาปภายในและมอเตอร์ไฟฟ้าใช้เพลาส่งออกร่วมกัน มอเตอร์สามารถขับเคลื่อนล้อได้ทั้งแบบใช้ตัวเดียวหรือใช้ร่วมกัน โครงสร้างแบบนี้โดยทั่วไปใช้แบตเตอรี่ขนาดเล็กกว่าแบบอนุกรม และชาร์จผ่านระบบเบรกสร้างพลังงานกลับ เนื่องจากการเชื่อมต่อทางกลไกยังคงอยู่ การสูญเสียประสิทธิภาพจึงจำกัด อย่างไรก็ตาม รอบการทำงานของเครื่องยนต์และล้อผูกติดกัน ทำให้การรักษาเครื่องยนต์ให้อยู่ในช่วงการทำงานที่มีประสิทธิภาพสูงสุดเป็นเรื่องยาก

สถาปัตยกรรม แบบแบ่งกำลัง อยู่ตรงกลางระหว่างทั้งสอง: จะเพิ่มอุปกรณ์แบ่งกำลังเข้าไปในเส้นทางแบบขนาน และเปิดเส้นทางการส่งกำลังหลายเส้นจากเครื่องยนต์สันดาปภายในไปยังล้อ เครื่องยนต์ เจนเนอเรเตอร์ และมอเตอร์ขับเคลื่อนสามารถทำงานแยกจากกันได้อย่างอิสระ (decouple) ระบบจะทำงานเหมือนแบบอนุกรมหรือแบบขนานตามเงื่อนไข จึงรักษาประสิทธิภาพไว้ในการขับขี่แบบผสม คุณสมบัติเด่นที่แยกแยะได้พื้นฐานคือเกียร์อิเล็กทรอนิกส์แบบต่อเนื่อง หรือ eCVT ที่ควบคุมเครื่องยนต์ให้อยู่ในช่วงการทำงานที่มีประสิทธิภาพ

โครงการ G21: จากเป้าหมาย 20 กิโลเมตรสู่การตัดสินใจเลือกไฮบริด

การถือกำเนิดของระบบของ Toyota ไม่ได้มาจากก้าวทางวิศวกรรม แต่มาจากการศึกษาวิสัยทัศน์ ในช่วงฤดูร้อนปี 1993 ตามคำเรียกร้องของประธานกิตติมศักดิ์ Eiji Toyoda ได้เริ่มโครงการออกแบบยานพาหนะสำหรับศตวรรษที่ การออกแบบยานพาหนะสำหรับศตวรรษที่ 21 ได้เริ่มต้นขึ้น; ในเดือนกันยายน 1993 โครงการรหัสชื่อ G21 (จาก Globe กับ ค.ศ. โครงการที่ก่อตั้งขึ้น (ซึ่งเป็นการรวมกันของศตวรรษ) ทีมงานที่ประกอบด้วยวิศวกรและนักออกแบบ 10 คน ตั้งเป้าประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงไว้ที่ 20 กม./ลิตร ในเดือนกุมภาพันธ์ 1994 โครงการได้รับการก่อตั้งอย่างเป็นทางการ โดยมี Takeshi Uchiyamada ซึ่งต่อมาได้ดำรงตำแหน่งประธาน Toyota เป็นหัวหน้าโครงการ

ในเดือนพฤศจิกายน 1994 ภาพก็เปลี่ยนไป Akihiro Wada รองกรรมการผู้จัดการใหญ่ฝ่ายเทคโนโลยีได้สั่งให้เปลี่ยนโครงการเป็นระบบไฮบริด พร้อมระบุว่าหากทำไม่ได้ โครงการจะถูกยกเลิก เป้าหมายคือการเพิ่มประสิทธิภาพเป้าหมายเป็นสองเท่า และตามการประเมินของทีม เทคโนโลยีไฮบริดเป็นทางเดียวที่จะทำสิ่งนี้ได้ รายละเอียดที่น่าสังเกตประการหนึ่ง: แม้แต่สมาชิกในทีม G21 เองในเวลานั้นก็ยังมองว่าการทำให้เป็นไฮบริดเป็นเทคโนโลยีที่ยังไม่ได้รับการพิสูจน์ ซึ่งจะไม่ทันถึงต้นศตวรรษที่ 21 ด้วยซ้ำ คำสั่งดังกล่าวเปลี่ยนการตัดสินใจนี้

ทีมงานได้ศึกษาระบบต่าง ๆ เป็นเวลาประมาณหกเดือน และเลือกระบบแบบสองมอเตอร์เนื่องจากมีศักยภาพด้านประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงสูง ผลลัพธ์ที่รุนแรงที่สุดของการเลือกนี้คือ: คาดการณ์ว่าเกียร์แบบดั้งเดิมจะถูกกำจัดไปโดยสิ้นเชิง ในเดือนมิถุนายน 1995 ได้รับการอนุมัติอย่างเป็นทางการสำหรับยานพาหนะที่จะผลิต เครื่องยนต์ มอเตอร์-เจนเนอเรเตอร์ และอินเวอร์เตอร์จะผลิตด้วยการพัฒนาภายใน ส่วนแบตเตอรี่จะร่วมมือกับ Matsushita Battery Industrial การที่ Hiroshi Okuda กลายเป็นประธาน Toyota ในเดือนสิงหาคม 1995 ถือเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญของการพัฒนาไฮบริด

Toyota Hybrid System: เฟียงเกียร์แบบแพลนเนทารีทำงานอย่างไร?

ในเดือนมีนาคม 1997 Toyota ประกาศว่าได้พัฒนา Toyota Hybrid System (THS) ที่มีมอเตอร์ไฟฟ้าและเจนเนอเรเตอร์แบบบูรณาการพร้อมการแบ่งกำลังเสร็จสมบูรณ์แล้ว หัวใจของระบบคืออุปกรณ์แบ่งกำลังที่มีเฟียงเกียร์แบบแพลนเนทารี: กลไกนี้เชื่อมมอเตอร์-เจนเนอเรเตอร์สองตัวเข้ากับเครื่องยนต์สันดาปภายใน โดยแบ่งกำลังของเครื่องยนต์ระหว่างการขับเคลื่อนล้อกับการผลิตไฟฟ้า การที่เพลาขับและเพลารับอยู่ในระนาบเดียวกันช่วยให้กะทัดรัด มอเตอร์ขับเคลื่อนช่วยเพิ่มกำลังของเครื่องยนต์ และทำหน้าที่เป็นเจนเนอเรเตอร์เมื่อชะลอความเร็วเพื่อชาร์จแบตเตอรี่ ส่วนมอเตอร์ตัวที่สองผลิตไฟฟ้าด้วยกำลังจากเครื่องยนต์สันดาปภายใน ควบคุมเกียร์ และยังทำหน้าที่เป็นมอเตอร์สตาร์ทอีกด้วย อินเวอร์เตอร์ถูกติดตั้งระหว่างแบตเตอรี่กับมอเตอร์

ระบบที่วันนี้รู้จักกันในชื่อ Hybrid Synergy Drive (HSD) คือรูปแบบที่ได้รับการปรับปรุงจาก THS ใน Prius ปี 1997-2003 ระบบรุ่นที่สองปรากฏใน Prius ปี 2004 และการเปลี่ยนชื่อสะท้อนถึงความคาดหวังว่าเทคโนโลยีนี้จะขยายออกไปเกินยี่ห้อ Toyota ระบบนี้ยังถูกนำไปใช้กับ Camry และ Highlander ในปี 2006 ด้วย ใน HSD เกียร์แบบดั้งเดิม อัลเทอร์เนเตอร์ และมอเตอร์สตาร์ทถูกแทนที่ด้วย MG1, MG2, ระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังที่ประกอบด้วยอินเวอร์เตอร์ DC-AC สามตัวและตัวแปลง DC-DC สองตัว, ระบบควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ และแบตเตอรี่แรงสูง

การแบ่งหน้าที่ของมอเตอร์-เจนเนอเรเตอร์สองตัวชัดเจน:

• MG1: มอเตอร์ที่สตาร์ทเครื่องยนต์สันดาปภายในและเจนเนอเรเตอร์ที่ชาร์จแบตเตอรี่ ควบคุม CVT ของชุดส่งกำลังโดยพฤตินัยผ่านการควบคุมการผลิตไฟฟ้า
• MG2: มอเตอร์ขับเคลื่อนหลักและเจนเนอเรเตอร์เบรกสร้างพลังงานไฟฟ้าย้อนกลับ โดยทั่วไปจะมีกำลังมากกว่า

ชุดเฟียงเกียร์แบบแพลนเนทารีทำหน้าที่คล้าย CVT และ Toyota จัดหมวดหมู่ระบบนี้เป็น e-CVT เพื่อวัตถุประสงค์ทางกฎหมาย HSD เป็นไฮบริดแบบเต็มรูปแบบ: ยานพาหนะสามารถเคลื่อนที่ได้ด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว - ไฮบริดคู่แข่งส่วนใหญ่ทำเช่นนี้ไม่ได้ จึงถูกจัดเป็น mild hybrid ระบบนี้มีการพัฒนาต่อเนื่องในแต่ละรุ่น: รุ่นที่ 1. และรุ่นที่ 2. MG2 เชื่อมต่อโดยตรงกับเฟืองวงแหวน (1:1 ไม่มีการเพิ่มแรงบิด); ส่วนในรุ่นที่ 3. เชื่อมต่อผ่านชุดเฟืองประดาวที่อัตราทด 2.5:1 ทำให้ MG2 มีขนาดเล็กลงแต่ทรงพลังมากขึ้น ด้านแบตเตอรี่ รุ่นที่ 1. ของ Prius ใช้เซลล์ 228 เซลล์และโมดูล 38 โมดูล ส่วนรุ่นที่ 2. และรุ่นที่ 3. เปลี่ยนไปใช้โมดูล Panasonic แบบ prismATic NiMH จำนวน 28 โมดูล ที่แรงดันพิกัด 201.6 โวลต์; ระบบอิเล็กทรอนิกส์จะควบคุมการชาร์จไว้ในช่วง 40-80% เพื่อยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่

ทำไม Honda จึงเลือกเส้นทางที่แตกต่าง? การเลือก IMA แบบขนาน

ขณะที่ Toyota ลงทุนในระบบแบ่งกำลังสองมอเตอร์ Honda ก็นำเสนอแนวทางที่เน้นความเรียบง่ายและสมดุลด้านต้นทุน รถไฮบริดรุ่นแรกในการผลิตของ Honda คือ Insight เปิดตัวในปี 1999 พร้อมระบบไฮบริดแบบขนาน Integrated Motor Assist (IMA) ใน IMA มอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องยนต์เบนซินใช้เพลาส่งกำลังเอาต์พุตร่วมกัน; ต่างจากไฮบริดแบบอนุกรม ตรงที่เครื่องยนต์เบนซินสามารถขับเคลื่อนล้อได้ด้วยตัวเอง นี่คือยานพาหนะที่มาตามหลัง Prius ปี 1997 และถูกจัดประเภทเป็น mild hybrid ที่ใช้ระบบแบบขนาน

ผลลัพธ์คือการแบ่งแยกสถาปัตยกรรมครั้งใหญ่ครั้งแรกในตลาดไฮบริด Toyota เลือกระบบที่มุ่งเป้าเพดานประสิทธิภาพสูงสุด มีจำนวนส่วนประกอบมากและการควบคุมที่ซับซ้อน; ส่วน Honda เลือกรูปแบบที่ให้ประสิทธิภาพระดับยอมรับได้ด้วยชิ้นส่วนที่น้อยกว่า IMA ถูกใช้งานต่อเนื่องประมาณหกรุ่น และวิวัฒนาการไฮบริดของ Honda พัฒนามาจนถึงระบบ e:HEV ในปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม การที่ไม่สามารถขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าล้วนได้ ทำให้ IMA ถูกจัดอยู่ในหมวดหมู่ที่มีความสามารถทางเทคนิคแคบกว่า HSD: เช่นเดียวกับไฮบริดส่วนใหญ่ที่ไม่ใช่ HSD IMA ก็ไม่สามารถออกตัวด้วยพลังไฟฟ้าเพียงอย่างเดียวได้

หลังปี 1997: สถาปัตยกรรมแบ่งกำลังเป็นอย่างไรต่อตลาด?

Prius ที่เปิดตัวในเดือนธันวาคม 1997 ได้รับการบันทึกในรายการ IEEE Milestone ในฐานะรถยนต์ไฮบริดผลิตแบบอนุกรมรุ่นแรกของโลก เรื่องราวต่อมาคือเรื่องของขนาด: Toyota ข้ามยอดขายไฮบริด 1 ล้านคันในเดือนพฤษภาคม 2007, 2 ล้านคันเมื่อสิ้นเดือนสิงหาคม 2009 และ 5 ล้านคันในเดือนมีนาคม 2013; ณ เดือนมีนาคม 2013 สหรัฐอเมริกาคิดเป็น 38% ของยอดขายไฮบริดทั่วโลก Prius ปัจจุบันอยู่ในการผลิตเป็นรุ่นที่ห้าแล้ว

สถาปัตยกรรมแบ่งกำลังไม่ใช่เพียงทางเลือกที่ Toyota ใช้ภายในเท่านั้น เทคโนโลยี HSD ได้รับอนุญาตให้ Nissan ใช้สำหรับ Altima Hybrid; Aisin เสนอเกียร์ไฮบริดที่คล้ายคลึงกันให้กับผู้ผลิตรายอื่น ระบบเดียวกันถูกปรับใช้กับการขับเคลื่อนไฟฟ้าของ Mirai และ Prius Plug-in Hybrid; เวอร์ชัน Lexus ใช้ชื่อว่า Lexus Hybrid Drive การออกแบบแบ่งกำลังกลายเป็นมาตรฐานในแบรนด์อื่นๆ ด้วย: ในการเปรียบเทียบล่าสุด ระบบของ GM, Toyota, Dongfeng และ Great Wall ยังคงใช้กลไกเฟืองประดาวอยู่เบื้องหน้า โดยเชื่อมต่อเฟืองอาทิตย์เข้ากับมอเตอร์ MG1 แม้แต่ในยานพาหนะปีรุ่น 2026 (เช่น RAV4 XA60) ยังคงมีตัวเลือกแบตเตอรี่ NiMH และ li-ion ให้เลือกใช้

ระยะทางไฟฟ้าและข้อจำกัดในทางปฏิบัติ

HSD มาตรฐานมีโหมด EV ที่ให้การขับขี่ไฟฟ้าเต็มรูปแบบประมาณ 1.6 กม. เมื่อความเร็วต่ำกว่า 40 กม./ชม. และมีประจุในแบตเตอรี่เพียงพอ การมีระยะทางไฟฟ้าที่มากขึ้นต้องใช้สถาปัตยกรรมแบบแยกต่างหาก: Prius Plug-in Hybrid มาพร้อมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนความจุ 4.4 kWh น้ำหนัก 80 กก. ให้ระยะทางไฟฟ้า 18 กม. ตามมาตรวัดของ EPA ต้องขอชี้แจงคำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ด้วย: HSD ไม่สามารถทำงานได้หากไม่มีคอมพิวเตอร์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง แบตเตอรี่ และมอเตอร์-เจนเนอเรเตอร์ ในทางกลับกัน ตามหลักการแล้วสามารถเคลื่อนที่ได้แม้ไม่มีเครื่องยนต์สันดาปภายใน แต่ในทางปฏิบัติในกรณีฉุกเฉิน รถจะวิ่งได้ระยะสั้นๆ ด้วยเบนซินเพียงอย่างเดียว

มองย้อนจากวันนี้: เหตุใดการแบ่งกำลังจึงยังคงมีความเกี่ยวข้อง?

เมื่อการเปลี่ยนผ่านไปสู่รถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ล้วนช้าลง ผู้บริโภคหันมาสนใจไฮบริดมากขึ้น และมีรายละเอียดการผลิตที่เสริมจุดแข็งของ Toyota ในบริบทนี้: บริษัทสามารถผลิตรถไฮบริดบนสายการประกอบเดียวกับรถเครื่องยนต์เบนซินและรถ plug-in ทำให้ปรับการผลิตตามความต้องการได้แบบเรียลไทม์ สิ่งที่น่าทึ่งยิ่งกว่าในเชิงวิศวกรรมคืออายุของระบบนี้ ระบบสองมอเตอร์ที่เลือกไว้ในปี 1994 จากการวิเคราะห์หกเดือน ยังคงทำงานด้วยหลักการแทบไม่เปลี่ยนแปลงแม้ผ่านไปสามทศวรรษ ทั้งกลไกหลัก ได้แก่ เกียร์ขับเคลื่อนแบบระบุ้งดาว มอเตอร์-เจนเนอเรเตอร์สองตัว และอิเล็กทรอนิกส์กำลัง ในคลังสิทธิบัตรสามารถพบงานวิจัยโดยละเอียดเกี่ยวกับการออกแบบเกียร์ขับเคลื่อนแบบระบุ้งดาวและระบบแบ่งกำลังแบบหลายโหมด อย่างไรก็ตาม การกล่าวอ้างที่แพร่หลายว่า Toyota ล็อกระบบแบ่งกำลังไว้ด้วยสิทธิบัตรเพียงฉบับเดียว ไม่สามารถยืนยันได้ว่ามีรากฐานจากทะเบียนสิทธิบัตรเดี่ยวโดยตรง - ความแข็งแกร่งของระบบมาจากการตัดสินใจเชิงสถาปัตยกรรมที่ฝังอยู่ในชุดส่วนประกอบทั้งหมด มากกว่าแผ่นเอกสารเพียงใบเดียว และการตัดสินใจครั้งนี้เองที่กลายเป็นหมุดหมายสำคัญที่สุดหมุดหมายหนึ่งในประวัติศาสตร์ไฮบริด: กลไกที่ถูกต้องได้ลากเอาเทคโนโลยีที่เหลือทั้งหมดให้เดินตามมา

แหล่งอ้างอิง

• 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
• เปรียบเทียบระบบแบ่งกำลังของ GM, Toyota, Dongfeng และ Great Wall
• Toyota จะเหนือกว่าคู่แข่งเมื่อผู้บริโภคหันมาใช้รถไฮบริด