Toyota Hybrid Synergy Drive — kaip iš tikrųjų veikia planetinė hibrido pavara

1997 m. spalio 14 d. Tokijuje Toyota pristatė XW10 Prius — pirmąjį pasaulyje serijinį hibridinį lengvąjį automobilį. Nuo tada iki 2024 m. Toyota Group visame pasaulyje pardavė daugiau nei 25 milijonus hibridinių transporto priemonių, sutaupė apie 200 mln. tonų CO2 emisijų (palyginti su benzininiais analogais) ir sukūrė technologiją, kurią oficialiai licencijuoja Mazda, Ford ir Nissan. Šio sėkmingo elektrifikavimo šerdis — Hybrid Synergy Drive (HSD), arba techniškai — Toyota Hybrid System (THS).

Kas yra planetinis reduktorius (power split device)

HSD centre yra vienas paprastas planetinis mechanizmas: centrinis 'saulės' krumpliaratis, žiedas iš išorės ir 3–4 planetiniai krumpliaračiai, sujungti į vežimėlį (carrier). Toyota jį sujungia taip: 'saulė' — MG1 elektros variklis/generatorius; 'vežimėlis' — benzininis variklis; 'žiedas' — MG2 elektros variklis, tiesiogiai jungtas prie galinės pavaros. Kai trys iš keturių jėgos šaltinių žinomi, ketvirtasis apskaičiuojamas — būtent tai leidžia elektroniniam valdymui skaidyti benzininio variklio galią tarp ratų ir generavimo bet kokioje proporcijoje.

e-CVT — nuolat kintanti pavara be diržo

Skirtingai nuo tradicinės CVT, kur guminis diržas trina kūginius skridinius, HSD e-CVT neturi jokio trinties elemento. Pavarų perdavimo santykis yra ne mechaninis, o virtualus — jį lemia MG1 apsukos. Tai reiškia: nulis kintančių dalių, nulis nusidėvėjimo, nulis pavarų perjungimo trūkčiojimo. Būtent todėl HSD e-CVT dažnai vadinama patikimiausia automobilinio pavarų dėžės konstrukcija istorijoje — Toyota nefiksuoja masinio e-CVT gedimo net po 800 000 km eksploatacijos.

Atkinson ciklas — kodėl Prius variklis atrodo 'silpnas'

Toyota HSD naudoja modifikuotą Otto ciklą, vadinamą Atkinson ciklu: įsiurbimo vožtuvas užsidaro vėliau, dalis oro grąžinama atgal, faktinis kompresijos ir plėtimosi santykis skiriasi (~13:1 vietoj 10:1). Tai padidina terminį efektyvumą iki 41% (naujausiuose 2ZR-FXE ir M20A-FXS varikliuose — iki 41–43%), kai įprastas benzininis variklis siekia 25–30%. Kompromisas — mažesnis pikinis sukimo momentas žemose apsukose. HSD tai kompensuoja MG2 varikliu, kuris nuo pat nulinių apsukų teikia pilną momentą.

Kaip HSD elgiasi važiavimo metu — 5 režimai

1) EV režimas iki ~40 km/h: benzininis variklis išjungtas, MG2 varo ratus iš baterijos. 2) Įprastas važiavimas: benzininis variklis dirba efektyvioje zonoje, dalis galios eina į ratus, dalis — per MG1 į MG2 kaip elektra. 3) Įsibėgėjimas: benzininis variklis + baterija + MG2 kartu duoda pikinę galią. 4) Krūvinis / greitkelio: benzininis variklis varo tiesiogiai, MG1 pertekliumi įkrauna bateriją. 5) Stabdymas: MG2 tampa generatoriumi, benzininis variklis išjungtas, energija grąžinama į bateriją.

Regeneracinis stabdymas ir kodėl Prius stabdžių kaladėlės keičiamos itin retai

Stabdant HSD pirmiausiai naudoja MG2 kaip generatorių — kinetinė automobilio energija virsta elektros energija ir keliauja į bateriją. Miesto sąlygomis atgaunama iki 60–70% stabdymo energijos. Įprasti frikciniai stabdžiai įsijungia tik prie stiprių stabdymų ar mažiau nei 7 km/h. Rezultatas — Toyota Prius (ir taksi flotelės) dažnai važiuoja 200 000+ km su originaliomis stabdžių kaladėlėmis, kai įprastas benzininis automobilis reikalauja pakeitimo kas 40 000–60 000 km.

Ni-MH ar Li-Ion — kodėl Toyota tebenaudoja abi baterijas

Iki 2015 m. visi Toyota hibridai naudojo nikel-metalo hidrido (Ni-MH) baterijas — pigias, saugias, atsparias temperatūros svyravimams. Nuo Prius IV kartos (XW50) dalis modelių turi ličio jonų (Li-Ion) baterijas — lengvesnes, kompaktiškesnes. Toyota sąmoningai išlaiko abi technologijas: Ni-MH kur reikia patikimumo šaltuose klimatuose (RAV4 Alaska paketas), Li-Ion kur reikia svorio taupymo (Yaris hybrid). Ni-MH baterijos ilgaamžiškumas Toyota flotose fiksuotas iki 500 000+ km.

Kaip prižiūrėti HSD hibridą — 5 dažniausios klaidos

(1) Ignoruoti 12V pagalbinę bateriją — jai gedus HSD apskritai nepasileidžia. Keitimo intervalas: 3–5 metai. (2) Naudoti neoriginalią alyvą — HSD variklio tepimo sistema kalibruota 0W-16 (Toyota TGMO) alyvai. (3) Praleisti hibridinės sistemos ventiliatoriaus valymą — dulkės už galinės sėdynės mažina baterijos vėsinimą. Toyota rekomenduoja valyti kas 30 000 km. (4) Naudoti neoriginalius stabdžių tepalus — DOT-3 vietoj DOT-4 gali sutrikdyti hidraulinį regenaracinių stabdžių derinimą. (5) Ilgai laikyti automobilį nenaudotą — hibridinė baterija natūraliai išsikrauna, po 3+ mėnesių gali atsirasti ląstelių disbalansas.

Originalios Toyota atsarginės dalys hibridams

Hibridui reikalingos specifinės dalys: HSD e-CVT alyva (Toyota WS transmission fluid), inverterio aušinimo skystis (Toyota SLLC hybrid-specific), stabdžių pagalbinės vakuumo pompos komplektas, 12V AGM pagalbinė baterija. Visos šios dalys turi savo Toyota OEM numerį ir jas galima užsakyti per toyotaworldwide.eu.

HSD evoliucija — nuo THS-I iki penktos kartos

THS-I (1997, Prius XW10): 288V Ni-MH baterija, 43 kW MG2, 41 kW benzininis 1NZ-FXE. THS-II (2003, XW20): 500V padidinta įtampa boost konverteriu, 50 kW MG2. THS-II (2009, XW30): 60 kW MG2, EV režimas iki 45 km/h. THS-II (2015, XW50): terminis efektyvumas 40%, Li-Ion opcija. Penktos kartos THS (2022, XW60): naujas M20A-FXS variklis, terminis efektyvumas 41%, bipolinės Ni-MH baterijos su padidintu galios tankiu.

Toyota hibridų ateitis — PHEV, HEV ir vandenilis

Toyota 'multi-pathway' strategija reiškia, kad HSD pagrindas ir toliau bus tobulinamas. RAV4 Prime PHEV variantas naudoja 18,1 kWh bateriją ir HSD architektūrą, siekdamas 68 km EV ridos. Mirai FCEV vandenilinis modelis naudoja tą patį e-Axle MG2 variklį kaip hibridai. Toyota planuoja iki 2030 m. pasaulyje parduoti 5 mln. elektromobilių ir 3,5 mln. hibridų per metus — HSD lieka svarbiausia elektrifikavimo kolona, o ne pereinamoji technologija.