Гибридный синергетический привод - Hybrid Synergy Drive

Логотип HSD

Гибридный синергетический привод (HSD), также известен как Гибридная система Toyota II, это торговая марка Toyota Motor Corporation для гибридный автомобиль технология трансмиссии, используемая в автомобилях с Toyota и Лексус маркиз. Впервые представлен на Prius, эта технология является опцией для некоторых других автомобилей Toyota и Lexus и была адаптирована для системы электропривода автомобиля. водород -приведенный Мираи, а для подключаемый гибрид версия Prius. Ранее Toyota также лицензировала свою технологию HSD для Nissan для использования в Nissan Altima Гибридный. Поставщик запчастей Компания Aisin Seiki Co. предлагает аналогичные гибридные трансмиссии другим автомобильным компаниям.

Технология HSD производит полный гибрид транспортное средство, которое позволяет автомобилю работать только на электродвигателе, в отличие от гибридов большинства других брендов, которые не могут и считаются мягкие гибриды. HSD также сочетает в себе электрический привод и планетарная передача который работает аналогично бесступенчатая трансмиссия. Synergy Drive - это по проводам система без прямой механической связи между двигателем и органами управления двигателем: оба педаль газа / акселератора и рычаг переключения в автомобиле HSD просто посылают электрические сигналы на компьютер.

Логотип LHD

HSD - это доработка оригинального Гибридная система Toyota (THS) использовалась в Toyota Prius с 1997 по 2003 год. Система второго поколения впервые появилась на модернизированном Prius в 2004 году. Название было изменено в ожидании ее использования в автомобилях за пределами марки Toyota (Лексус; производные от HSD системы, используемые в автомобилях Lexus, были названы Гибридный привод Lexus), реализована в 2006 г. Камри, и в конечном итоге будет реализован в 2010 г. Prius "третьего поколения", а 2012 Prius c. Гибридная система Toyota разработана для увеличения мощности и эффективности, а также улучшенной «масштабируемости» (адаптируемость как к большим, так и к меньшим транспортным средствам), при этом ICE / MG1 и MG2 имеют отдельные пути снижения и объединены в «соединение». шестерня, которая связана с конечным редуктором и дифференциалом;[1] это было введено на полный привод и задний привод Модели Lexus.[2][3] К маю 2007 года Toyota продала по всему миру миллион гибридов; два миллиона к концу августа 2009 г .; и превысила отметку в 5 миллионов в марте 2013 года.[4][5] По состоянию на сентябрь 2014 г., по всему миру было продано более 7 миллионов гибридов Lexus и Toyota.[6] По состоянию на март 2013 г. на США приходилось 38% мировых продаж гибридных автомобилей TMC..[5]

Принцип

Двигатель Toyota 1NZ-FXE (слева) с ранним HSD, разделенный и выделенный (справа). Поколение 1 / Поколение 2, связанное, ICE-MG1-MG2 Устройство разделения мощности HSD показано.

Система HSD Toyota заменяет обычный редуктор. коробка передач с электромеханический система. An двигатель внутреннего сгорания (ICE) обеспечивает наиболее эффективную подачу питания на небольшой скорость диапазон, но колеса должны вращаться во всем диапазоне скоростей автомобиля. В обычном автомобиле коробка передач обеспечивает различные дискретные требования к мощности двигателя и крутящему моменту на колеса. Редукторные трансмиссии могут быть механическими, с сцепление, или автоматический, с гидротрансформатор, но оба позволяют двигателю и колесам вращаться с разной скоростью. Водитель может регулировать скорость и крутящий момент двигателя с помощью ускоритель и трансмиссия механически передает почти всю доступную мощность на колеса, которые вращаются с другой скоростью, чем двигатель, с коэффициентом, равным передаточному отношению для текущей выбранной передачи. Однако есть ограниченное количество "шестеренок" или передаточные числа что водитель может выбрать, обычно от четырех до шести. Этот ограниченный набор передаточных чисел заставляет двигатель коленчатый вал вращаться на скоростях, на которых ДВС менее эффективен, т.е. когда литр топлива производит меньше джоулей. Оптимальные требования к частоте вращения двигателя и крутящему моменту для различных условий движения и ускорения автомобиля можно определить, ограничив либо тахометр Скорость вращения или шум двигателя по сравнению с фактической скоростью. Когда от двигателя требуется, чтобы он работал эффективно в широком диапазоне оборотов из-за его связи с зубчатой ​​трансмиссией, производители ограничены в своих вариантах улучшения. КПД двигателя, надежность или срок службы, а также уменьшение размера или веса двигателя. Вот почему двигатель для двигатель-генератор часто намного меньше, эффективнее, надежнее и долговечнее, чем устройство, разработанное для автомобиля или другого устройства с регулируемой скоростью.

Однако бесступенчатая трансмиссия позволяет водителю (или автомобильному компьютеру) эффективно выбирать оптимальное передаточное число, необходимое для любой желаемой скорости или мощности. Трансмиссия не ограничивается фиксированным набором шестерен. Это отсутствие ограничений позволяет двигателю работать с оптимальной (наиболее эффективной) скоростью (Об / мин ). Наиболее эффективная скорость (об / мин) для ДВС часто составляет около 1500–2000 об / мин для типичной мощности, необходимой для движения автомобиля. Транспортное средство HSD обычно запускает двигатель на оптимальной скорости, когда требуется мощность для зарядки аккумуляторов или ускорения автомобиля, полностью выключая двигатель, когда требуется меньшая мощность.

Как Вариатор, трансмиссия HSD непрерывно регулирует эффективную передаточное число между двигателем и колесами, чтобы поддерживать частоту вращения двигателя, в то время как колеса увеличивают свою скорость вращения во время ускорения. Вот почему Toyota описывает автомобили с HSD как имеющие электронный вариатор (электронная бесступенчатая коробка передач) когда требуется классифицировать тип передачи для списков спецификаций стандартов или нормативных целей.

Потоки энергии

В обычной автомобильной конструкции генератор переменного тока с независимым возбуждением и встроенным выпрямителем (Генератор постоянного тока) и стартер (Двигатель постоянного тока) считается вспомогательным оборудованием, которое присоединяется к двигателю внутреннего сгорания (ДВС), который обычно приводит в действие трансмиссию для приведения в движение колес, приводящих в движение транспортное средство. Аккумулятор используется только для запуска двигателя внутреннего сгорания автомобиля и работы вспомогательного оборудования, когда двигатель не работает. Генератор используется для подзарядки аккумулятора и работы вспомогательного оборудования при работающем двигателе.

Система HSD заменяет редукторную трансмиссию, генератор и стартер на:

  • MG1, AC мотор-генератор иметь постоянный магнит ротор[7] используется как двигатель при запуске ДВС и как генератор (генератор) при зарядке высоковольтной батареи
  • MG2, двигатель-генератор переменного тока, также имеющий ротор с постоянными магнитами, используемый в качестве основного приводного двигателя и в качестве генератора (генератора переменного тока), мощность рекуперации которого направляется на высоковольтную батарею. MG2 обычно более мощный из двух мотор-генераторов.
  • Силовая электроника, в том числе три DC-AC инверторы и два DC-DC конвертеры
  • Компьютеризированный система контроля и датчики
  • HVB, высокое напряжение аккумулятор источник электроэнергии во время ускорения и поглощает электроэнергию во время рекуперативного торможения

Таким образом, через делитель мощности последовательно-параллельная полногибридная система HSD обеспечивает следующие интеллектуальные потоки мощности:[8]

  • Вспомогательная мощность
    • HVB -> преобразователь постоянного тока в постоянный -> аккумулятор 12 В постоянного тока
    • Аккумулятор 12 В постоянного тока -> Различные стандартные и автоматические вспомогательные функции энергосбережения
  • Заряд двигателя (Заправка и / или нагрев каталитического нейтрализатора и / или HVAC в салоне комфорта)
    • ДВС -> MG1 -> HVB
  • Аккумулятор или электромобиль
    • HVB -> MG2 -> колеса
  • Двигатель и моторный привод (Умеренное ускорение)
    • ДВС -> колеса
    • ДВС -> MG1 -> MG2 -> колеса
  • Привод двигателя с зарядом (Вождение по шоссе)
    • ДВС -> колеса
    • ДВС -> MG1 -> HVB
  • Двигатель и моторный привод с зарядом (Ситуация с большой мощностью, например, на крутых холмах)
    • ДВС -> колеса
    • ДВС -> MG1 -> HVB
    • ДВС -> MG1 -> MG2 -> колеса
  • Полная мощность или постепенное замедление (Ситуации с максимальной мощностью)
    • ДВС -> колеса
    • ДВС -> MG1 -> MG2 -> колеса
    • HVB -> MG2 -> колеса
  • B-режим торможения
    • Колеса -> MG2 -> HVB
    • Колеса -> MG1 -> ДВС (ЭБУ - Электронный блок управления - использует MG1 для вращения ДВС, который разряжает батарею, обеспечивая больший заряд от MG2, а также связывает ДВС с колесами, вызывая "торможение двигателем"; обороты ДВС увеличиваются, когда уровень заряда HVB слишком много, чтобы принять электричество регенерации от MG2, или увеличивающееся усилие от водителя, нажимающего на педаль тормоза)
  • Регенеративное торможение
    • колеса -> MG2 -> HVB
  • Жесткое торможение
    • Передний диск / задний барабан (задний диск в Великобритании) -> колеса
    • Все диски -> колеса (2010 г. и новее, кроме Prius c 2012 г., в котором используется передний диск, задний барабан).
Силовая электроника от Prius NHW11 "Классик"

MG1 и MG2

  • MG1 (Первичный двигатель-генератор): двигатель для запуска ДВС и генератор для выработки электроэнергии для MG2 и для подзарядки высоковольтная тяговая батарея, а через Преобразователь постоянного тока в постоянный, чтобы зарядить вспомогательную аккумуляторную батарею на 12 В. Регулируя количество генерируемой электроэнергии (изменяя механический крутящий момент и скорость MG1), MG1 эффективно контролирует коробка передач с бесступенчатая трансмиссия.
  • MG2 (Вторичный мотор-генератор): приводит в движение колеса и регенерирует энергию для накопителя энергии гибридной аккумуляторной батареи при торможении автомобиля. MG2 приводит в движение колеса с помощью электроэнергии, вырабатываемой двигателем MG1 и / или HVB. Во время рекуперативного торможения MG2 действует как генератор, преобразуя кинетическую энергию в электрическую и накапливая эту электрическую энергию в батарее.

Передача инфекции

Поздняя Toyota HSD, разобранная и выделенная. Показано поколение 3, бесцепочечное, устройство разделения мощности ICE-MG1 / устройство уменьшения скорости двигателя MG2 HSD. Это трансмиссия P510 от Prius c 2012 года; Коробка передач P410 от Prius 2010–2015 годов аналогична, но физически больше; Трансмиссия P610 поколения 4 от Prius 2016–2014 годов на 47 мм уже, чем у P410, поскольку в нем установлены расположенные бок о бок двигатели, а не сквозные.

Конструкция с механической передачей системы позволяет разделить механическую мощность от ДВС по трем направлениям: дополнительный крутящий момент на колесах (при постоянной скорости вращения), дополнительная скорость вращения колес (при постоянном крутящем моменте) и мощность для электрического генератора. . Компьютер, на котором запущены соответствующие программы, управляет системами и направляет поток энергии от различных двигателей + двигателей. Такое разделение мощности обеспечивает преимущества бесступенчатая трансмиссия (CVT), за исключением того, что для преобразования крутящего момента в скорость используется электродвигатель, а не прямое соединение механической зубчатой ​​передачи. Автомобиль HSD не может работать без компьютера, силовой электроники, аккумуляторной батареи и мотор-генераторов, хотя в принципе он мог бы работать без двигателя внутреннего сгорания. (Увидеть: Подключаемый гибрид ) На практике автомобили, оборудованные HSD, могут проехать милю или две без бензина в качестве экстренной меры для достижения бензоколонка.

HSD коробка передач содержит планетарная передача набор, который регулирует и смешивает количество крутящего момента от двигателя и двигателя (ов) по мере необходимости для передних колес. Это сложная и сложная комбинация зубчатых передач, электродвигателей-генераторов и электронного управления с компьютерным управлением. Один из двигателей-генераторов, MG2, подключен к выходному валу и, таким образом, передает крутящий момент на ведущие валы или из них; подача электричества в MG2 увеличивает крутящий момент на колесах. Со стороны двигателя приводного вала есть второй дифференциал; одна ножка этого дифференциала прикреплена к двигателю внутреннего сгорания, а другая - ко второму мотор-генератору MG1. Дифференциал связывает скорость вращения колес со скоростями вращения двигателя и MG1, при этом MG1 используется для компенсации разницы между скоростью вращения колеса и двигателя. Дифференциал - это планетарный редуктор (также называемое «устройством разделения мощности»); это и два двигателя-генератора содержатся в едином корпусе коробки передач с главной передачей в сборе, который прикручен к двигатель. Специальные муфты и датчики контролируют скорость вращения каждого вала и общий крутящий момент на приводных валах для обратной связи с управляющим компьютером.[9]

В HSD поколения 1 и поколения 2 MG2 напрямую соединен с зубчатым венцом, то есть с соотношением 1: 1, и не обеспечивает увеличения крутящего момента, тогда как в HSD поколения 3 MG2 соединен с зубчатым венцом через 2,5: 1 планетарный ряд,[10] и который, следовательно, обеспечивает увеличение крутящего момента 2,5: 1, что является основным преимуществом HSD поколения 3, поскольку он обеспечивает меньший, но более мощный MG2. Однако второстепенным преимуществом является то, что MG1 не будет так часто работать с превышением скорости, что в противном случае потребовало бы использования ICE для смягчения этого превышения скорости; Эта стратегия улучшает характеристики HSD, а также снижает расход топлива и износ ДВС.

Аккумулятор высокого напряжения

Высокое напряжение никель-металлогидрид (NiMH) аккумулятор Toyota Prius второго поколения.

Система HSD имеет два основных аккумуляторных блока: аккумулятор высокого напряжения (HV), также известный как тяговый аккумулятор, и аккумулятор на 12 В. свинцово-кислотная батарея известный как аккумулятор низкого напряжения (LV), который работает как вспомогательный аккумулятор. Низковольтная аккумуляторная батарея обеспечивает питание электроники и аксессуаров, когда гибридная система выключена, а главное реле высоковольтной аккумуляторной батареи выключено.[11][12]

Тяговая батарея - это запечатанный никель-металлогидрид (NiMH) аккумулятор упаковка. Аккумулятор Toyota Prius первого поколения состоял из 228 ячеек, упакованных в 38 модулей, а Prius второго поколения состоял из 28 призматических никель-металлогидридных модулей Panasonic, каждый из которых содержал шесть 1,2-вольтовых элементов, соединенных последовательно для обеспечения номинального напряжения 201,6 В. вольт. Емкость разряда второго поколения Prius составляет около 20 кВт на 50% состояние заряда (SoC). Мощность увеличивается с повышением температуры и уменьшается с понижением температуры. В Prius есть компьютер, предназначенный исключительно для поддержания оптимальной температуры аккумулятора и оптимального уровня заряда.[13]

Как и Prius второго поколения, аккумулятор Prius третьего поколения состоит из того же типа ячеек на 1,2 В. Он имеет 28 модулей по 6 ячеек с общим номинальным напряжением всего 201,6 В. Повышающий преобразователь используется для производства постоянного напряжения 500 В для инверторов MG1 и MG2.[11] Электроника автомобиля позволяет использовать только 40% от общей номинальной емкости аккумуляторной батареи (6,5 ампер-час), чтобы продлить срок службы батареи. В результате SoC может изменяться только от 40% до 80% от номинальной полной зарядки.[11] Батарея, используемая в Горец Гибрид и Lexus RX 400h был упакован в другой металлический корпус батареи с 240 ячейками, которые выдают высокое напряжение 288 вольт.[13]

Кнопка режима EV в 2012 году Тойота Камри гибрид.

Кнопка с надписью «EV» поддерживает электромобиль после включения и в большинстве условий низкой нагрузки на скорости менее 25 миль в час (40 км / ч), если тяговый аккумулятор имеет достаточный заряд. Это позволяет полностью электрическое вождение без расхода топлива на расстояние до 1,6 км. Однако программное обеспечение HSD автоматически переключается в режим EV всякий раз, когда это возможно.[14][15] Только Подключаемый модуль Toyota Prius Hybrid имеет более длительное вождение полностью электрический диапазон в смешанная операция электрический бензин 11 миль (18 км) (EPA рейтинг), пока аккумулятор не разрядится.[16] Prius PHEV оснащен 4.4 кВтч литий-ионные батареи разработан совместно с Panasonic который весит 80 кг (180 фунтов) по сравнению с никель-металлогидридная батарея из Prius третьего поколения, который имеет мощность всего 1,3 кВт / ч и весит 42 кг (93 фунта). Аккумулятор большего размера обеспечивает полностью электрическую работу на более высоких скоростях и на большие расстояния по сравнению с обычным гибридом Prius.[17][18]

В следующей таблице приведены данные о емкости высоковольтных АКБ за несколько периодов 2013-2014 гг. год выпуска Автомобили Lexus и Toyota.[19]

Средство передвиженияМодель
Год		Аккумулятор
вместимость
(кВтч )[19]		Тип батареи
Lexus CT 200h20111.3NiMH
Lexus ES 300h20131.6NiMH
Лексус GS 450h20131.9NiMH
Лексус LC 500h20181.1Литий-ионный
Лексус LS 600h L20081.9NiMH
Lexus RX 450h20141.9NiMH
Toyota Avalon Гибрид20131.6NiMH
Toyota Auris Гибрид20141.3[11]NiMH
Тойота Камри Гибрид20141.6NiMH
Тойота Камри Гибрид20181.6 / 1.0NiMH / Li-ion
Toyota C-HR Гибрид20161.3NiMH
Тойота Королла Гибрид20191.4 / 0.75NiMH / Li-ion
Тойота Хайлендер Гибрид20141.9NiMH
Toyota Mirai (FCV )20151.6[20]NiMH
Toyota Prius20101.3NiMH
Toyota Prius20161.2 / 0.75NiMH / Li-ion
Toyota Prius c20140.9NiMH
Toyota Prius v20141.3 / 1.0NiMH / Li-ion
Toyota Prius PHV20144.4[18]Литий-ионный
Toyota Prius Prime20168.8Литий-ионный
Toyota RAV420191.6NiMH
Toyota Yaris Гибрид20140.9[21]NiMH

Операция

Привод HSD работает путем переключения электроэнергии между двумя двигателями-генераторами, питаясь от аккумуляторной батареи, чтобы выровнять нагрузку на двигатель внутреннего сгорания. Поскольку увеличение мощности от электродвигателей доступно в периоды быстрого разгона, размер ДВС можно уменьшить, чтобы он соответствовал только средней нагрузке на автомобиль, а не рассчитывался по пиковым потребностям мощности для быстрого разгона. Двигатель внутреннего сгорания меньшего размера может быть разработан для более эффективной работы. Кроме того, во время нормальной работы двигатель может работать с идеальной скоростью и крутящим моментом или близкими к ним с точки зрения мощности, экономии или выбросов, при этом аккумуляторная батарея поглощает или подает мощность, в зависимости от обстоятельств, чтобы уравновесить потребность, создаваемую двигателем. Водитель. Во время остановок движения двигатель внутреннего сгорания можно даже выключить для еще большей экономии.

Комбинация эффективной конструкции автомобиля, рекуперативного торможения, выключения двигателя для остановки движения, значительного накопления электроэнергии и эффективной конструкции двигателя внутреннего сгорания дает автомобилю с приводом от HSD значительные преимущества в эффективности, особенно при движении по городу.

Фазы эксплуатации

Типичная конфигурация гибридного синергетического привода

HSD работает в разных фазах в зависимости от скорости и требуемого крутящего момента. Вот несколько из них:

  • Зарядка батареи: HSD может заряжать батарею, не двигая автомобиль, запустив двигатель и потребляя электроэнергию от MG1. Мощность передается в аккумулятор, а на колеса не подается крутящий момент. Бортовой компьютер делает это при необходимости, например, при остановке в транспортном потоке или для прогрева двигателя и каталитического нейтрализатора после холодного пуска.
  • Запуск двигателя: Для запуска двигателя питание подается на MG1, который действует как стартер. Из-за размера двигателей-генераторов запуск двигателя происходит относительно быстро и требует относительно небольшой мощности от MG1. Кроме того, обычные пусковой двигатель звук не слышен. Запуск двигателя может происходить при остановке или движении.
  • Реверс (эквивалент): Нет передачи заднего хода, как в обычной коробке передач: компьютер меняет последовательность фаз на двигатель-генератор переменного тока MG2, создавая отрицательный крутящий момент на колеса. Ранние модели не обеспечивали достаточного крутящего момента для некоторых ситуаций: были сообщения о том, что первые владельцы Prius не могли поддерживать автомобиль на крутых холмах. Сан-Франциско. Проблема исправлена ​​в последних моделях. Если аккумулятор разряжен, система может одновременно запустить двигатель и потреблять мощность от MG1, хотя это снизит доступный обратный крутящий момент на колесах.
  • Нейтральная передача (эквивалент): Большинство юрисдикций требуют, чтобы автомобильные трансмиссии имели нейтральную передачу, которая разделяет двигатель и трансмиссию. «Нейтральная передача» HSD достигается выключением электродвигателей. В этом состоянии планетарная передача неподвижна (если колеса автомобиля не вращаются); если колеса транспортного средства вращаются, коронная шестерня будет вращаться, вызывая вращение солнечной шестерни (инерция двигателя будет удерживать несущую шестерню в неподвижном состоянии, если только скорость не будет высокой), в то время как MG1 может свободно вращаться, пока батареи не заряжаются. . Руководство по эксплуатации[22] предупреждает, что нейтральная передача со временем разрядит аккумулятор, что приведет к «ненужной» мощности двигателя для зарядки аккумуляторов; разряженный аккумулятор приведет к неработоспособности автомобиля.
Гибридный привод Lexus
  • Работа электромобиля: На низких скоростях и умеренных крутящих моментах HSD может работать без запуска двигателя внутреннего сгорания: электричество подается только на MG2, позволяя MG1 вращаться свободно (и, таким образом, отсоединять двигатель от колес). Это широко известно как «Скрытый режим». При наличии достаточного заряда аккумулятора автомобиль может проехать в этом бесшумном режиме несколько километров даже без бензина.
  • Низкая передача (эквивалент): При ускорении на низких оборотах в нормальном режиме двигатель вращается быстрее, чем колеса, но не развивает достаточный крутящий момент. Дополнительная частота вращения двигателя подается на MG1, действующий как генератор. Выходной сигнал MG1 подается на MG2, действующий как двигатель и добавляющий крутящий момент на приводном валу.
  • Высокая передача (эквивалент): При движении на высокой скорости двигатель вращается медленнее, чем колеса, но развивает больший крутящий момент, чем необходимо. MG2 затем работает как генератор, чтобы удалить избыточный крутящий момент двигателя, производя мощность, которая подается на MG1, действующий как двигатель для увеличения скорости вращения колеса. В установившемся режиме двигатель обеспечивает всю мощность для движения автомобиля, если только двигатель не может ее обеспечить (например, при резком ускорении или движении по крутому склону на высокой скорости). В этом случае разницу обеспечивает аккумулятор. Каждый раз, когда изменяется требуемая тяговая мощность, аккумулятор быстро уравновешивает бюджет мощности, позволяя двигателю изменять мощность относительно медленно.
  • Регенеративное торможение: Потребляя мощность от MG2 и помещая ее в аккумуляторную батарею, HSD может имитировать замедление обычного торможение двигателем при сохранении мощности для будущего повышения. Рекуперативные тормоза в системе HSD поглощают значительную часть нормальной тормозной нагрузки, поэтому обычные тормоза на автомобилях HSD размеры меньше, чем у обычных автомобилей аналогичной массы, и они служат значительно дольше.
  • Торможение двигателем: Система HSD имеет специальную настройку трансмиссии, обозначенную «B» (для тормоза), которая заменяет обычную автоматическая коробка передач Настройка «L», обеспечивающая торможение двигателем на холмах. Его можно выбрать вручную вместо рекуперативного торможения. Во время торможения, когда аккумулятор приближается к потенциально опасному высокому уровню заряда, электронная система управления автоматически переключается на обычный торможение двигателем, потребляя мощность от MG2 и шунтируя ее на MG1, ускоряя двигатель с закрытой дроссельной заслонкой для поглощения энергии и замедления транспортного средства.
  • Электрический наддув: Аккумуляторная батарея обеспечивает резервуар энергии, который позволяет компьютеру согласовывать потребности двигателя с заданной оптимальной кривой нагрузки, а не работать с крутящим моментом и скоростью, требуемыми водителем и дорогой. Компьютер управляет уровнем энергии, хранящейся в батарее, чтобы иметь возможность поглощать дополнительную энергию там, где это необходимо, или подавать дополнительную энергию для повышения мощности двигателя.

Спектакль

В Toyota Prius имеет умеренное ускорение, но имеет чрезвычайно высокую эффективность для четырехдверного седана среднего размера: обычно значительно лучше, чем 40 миль на галлон (США) (5,9 л / 100 км), что типично для коротких городских прогулок; 55 миль на галлон (4,3 л / 100 км) - не редкость, особенно для расширенных поездок на скромных скоростях (более длительная поездка позволяет двигателю полностью прогреться). Это примерно вдвое выше топливной экономичности аналогичного четырехдверного седана с обычной силовой передачей. Не вся дополнительная эффективность Prius связана с системой HSD: Цикл Аткинсона сам двигатель также был разработан специально для минимизации сопротивления двигателя за счет смещения коленчатый вал для минимизации сопротивления поршня во время рабочий ход, и уникальная система впуска для предотвращения сопротивления, вызванного коллекторный вакуум («насосные потери») по сравнению с нормальным Цикл Отто в большинстве двигателей. Кроме того, цикл Аткинсона восстанавливает больше энергии за цикл, чем цикл Отто, из-за его более длительного рабочего хода. Обратной стороной цикла Аткинсона является очень низкий крутящий момент, особенно на низкой скорости; но HSD имеет огромный крутящий момент на низкой скорости, доступный от MG2.

В Горец Гибрид (также продается как Kluger в некоторых странах) предлагает лучшие характеристики разгона по сравнению с его негибридной версией. Гибридная версия разгоняется до 60 миль в час за 7,2 секунды, что почти на секунду меньше, чем у обычной версии. Полезная мощность составляет 268 л.с. (200 кВт) по сравнению с обычными 215 л.с. (160 кВт). Максимальная скорость для всех горцев ограничена до 112 миль в час (180 км / ч). Типичная экономия топлива для Highlander Hybrid составляет от 27 до 31 миль на галлон (8,7–7,6 л / 100 км). EPA оценивает обычный Highlander в 19 миль на галлон по городу и 25 миль на галлон по шоссе (12,4 и 9,4 л / 100 км соответственно).

Отображение HSD в разрезе Примечание: Поколение 1 / Поколение 2, связанное, ICE-MG1-MG2 Power Split Device HSD показано

Увеличение пробега HSD зависит от максимально эффективного использования бензинового двигателя, что требует:

  • расширенные диски, особенно зимой: Отопление салона для пассажиров идет вразрез с конструкцией HSD. HSD разработан, чтобы генерировать как можно меньше отходящее тепло насколько возможно. В обычном автомобиле это отработанное тепло зимой обычно используется для обогрева внутренней кабины. В Prius для работы обогревателя требуется, чтобы двигатель продолжал работать для выработки тепла, пригодного для использования в салоне. Этот эффект наиболее заметен при выключении климат-контроля (отопителя) при остановке автомобиля с работающим двигателем. Обычно система управления HSD отключает двигатель, поскольку он не нужен, и не запускает его снова, пока генератор не достигнет максимальной скорости.
  • умеренное ускорение: Поскольку гибридные автомобили могут уменьшить газ или полностью отключить двигатель во время умеренного, но не быстрого ускорения, они более чувствительны, чем обычные автомобили, к стилю вождения. Резкое ускорение переводит двигатель в состояние высокой мощности, в то время как умеренное ускорение удерживает двигатель в состоянии пониженной мощности и высокой эффективности (в сочетании с повышением мощности аккумулятора).
  • постепенное торможение: Рекуперативные тормоза повторно используют энергию торможения, но не могут поглощать энергию так же быстро, как обычные тормоза. Постепенное торможение восстанавливает энергию для повторного использования, увеличивая пробег; при резком торможении энергия расходуется в виде тепла, как и в обычном автомобиле. Использование селектора «B» (торможение) на рычаге управления коробкой передач полезно на длинных спусках для уменьшения нагрева и износа обычных тормозов, но это не возвращает дополнительную энергию.[23] Тойота не рекомендует постоянное использование «B», поскольку это «может привести к снижению расхода топлива» по сравнению с вождением в «D».[24]

Большинство систем HSD имеют батареи, рассчитанные на максимальное ускорение при однократном ускорении с нуля до максимальной скорости автомобиля; при повышенном спросе аккумулятор может быть полностью разряжен, и дополнительное повышение крутящего момента будет недоступно. Затем система возвращается только к мощности, доступной от двигателя. Это приводит к значительному снижению производительности при определенных условиях: Prius ранней модели может развивать скорость более 90 миль / ч (140 км / ч) на 6-градусном подъеме, но после набора высоты около 2000 футов (610 м) аккумулятор разряжается. истощены, и машина может развивать скорость только 55–60 миль в час на том же склоне.[нужна цитата ] (до тех пор, пока аккумулятор не будет заряжен при вождении в менее тяжелых условиях)

Поколения платформы Prius

Схематический вид системы трансмиссии Toyota Hybrid первого поколения (S: центральная солнечная шестерня, C: планетарный носитель, р: внешнее зубчатое колесо, Мотор-генераторы MG1 & MG2, Двигатель внутреннего сгорания ICE)

Конструкция Toyota Hybrid System / Hybrid Synergy Drive теперь насчитывает четыре поколения, начиная с оригинальной Toyota Prius 1997 года, продававшейся на японском рынке. Силовая передача имеет те же основные характеристики, но в нее был внесен ряд существенных улучшений.

Принципиальные схемы иллюстрируют пути потока мощности между двумя электродвигателями-генераторами. MG1 & MG2, Двигатель внутреннего сгорания (ICE), а передние колеса - через планетарный Элементы «Power Split Device». Двигатель внутреннего сгорания соединен с водилом планетарной передачи, а не с какой-либо отдельной шестерней. Колеса соединены с зубчатым венцом.

Удельная емкость тягового аккумулятора постоянно улучшалась. В оригинальном Prius использовались термоусадочные D-элементы на 1,2 В, а во всех последующих автомобилях THS / HSD использовались специальные аккумуляторные модули на 7,2 В, установленные в держателе.

Названная Toyota Hybrid System для начальных поколений Prius, THS последовала за THS II в Prius 2004 года, с последующими версиями, названными Hybrid Synergy Drive. Гибридная система Toyota зависит от напряжения аккумуляторной батареи: от 276 до 288 В. Hybrid Synergy Drive добавляет Преобразователь постоянного тока в постоянный повышение потенциала аккумулятора до 500 В и более. Это позволяет использовать меньшие аккумуляторные блоки и более мощные двигатели.

Гибридный синергетический привод (HSD)

Хотя они и не являются частью HSD как таковые, все автомобили HSD, начиная с Prius 2004 года и далее, были оснащены электрическим компрессором кондиционера вместо обычного двигателя с приводом от двигателя. Это устраняет необходимость постоянно запускать двигатель, когда требуется охлаждение кабины. Два положительный температурный коэффициент нагреватели установлены в сердечнике нагревателя, чтобы дополнить тепло, обеспечиваемое двигателем.[25]

Гибрид Toyota второго поколения (G2): Hybrid Synergy Drive (HSD) с понижающей передачей MG2

В 2005 году такие автомобили, как Lexus RX 400h и Toyota Highlander Hybrid, добавили полный привод за счет добавления третьего электродвигателя («MGR») на заднюю ось. В этой системе задний мост имеет чисто электрический привод, и между двигателем и задними колесами нет механической связи. Это также позволяет рекуперативное торможение задних колес. Кроме того, двигатель (MG2) связан с трансмиссией переднего колеса с помощью второго планетарная передача, тем самым позволяя увеличить удельную мощность двигателя.[1] Форд также разработала аналогичную гибридную систему, представленную в Ford Escape Hybrid.

В 2006 и 2007 годах на седанах Lexus GS 450h / LS 600h была применена дальнейшая разработка трансмиссии HSD под названием Lexus Hybrid Drive. В этой системе используются два сцепления (или тормоза) для переключения передаточного числа второго двигателя на колеса между передаточным числом 3,9 и 1,9 для режимов движения на низкой и высокой скорости соответственно. Это уменьшает мощность, протекающую от MG1 к MG2 (или наоборот) на более высоких скоростях. Эффективность электрического пути составляет всего около 70%, что снижает его поток энергии и одновременно увеличивает общие характеристики трансмиссии. Вторая планетарная передача расширена вторым водилом и солнечной шестерней до снаряжение типа ravigneaux с четырьмя валами, два из которых могут удерживаться тормозом / сцеплением. В системах GS 450h и LS 600h использовались задний привод и полный привод трансмиссии, соответственно, и были разработаны, чтобы быть более мощными, чем негибридные версии тех же модельных рядов,[2][3] обеспечивая при этом эффективность двигателя сопоставимого класса.[26]

Третье поколение

Система Hybrid Synergy Drive (HSD) третьего поколения (G3) / Lexus Hybrid Drive

Генеральный директор Toyota Кацуаки Ватанабэ сказал в интервью 16 февраля 2007 года, что Toyota «стремится сократить наполовину как размер, так и стоимость системы HSD третьего поколения».[27]В новой системе будет литий-ионный батареи в более поздние годы. Литий-ионные аккумуляторы имеют более высокое отношение энергоемкости к массе по сравнению с NiMH, но работают при более высоких температурах и подвержены термической нестабильности, если не производятся и не контролируются надлежащим образом, что вызывает опасения по поводу безопасности.[28][29]

Четвертое поколение

13 октября 2015 года компания Toyota обнародовала подробности гибридного синергетического привода четвертого поколения, который будет представлен в 2016 модельном году. Трансмиссия и тяговый двигатель были переработаны, что позволило снизить их общую массу. Сам тяговый двигатель значительно компактнее и имеет лучшее соотношение мощности и веса. Примечательно снижение механических потерь на трение на 20% по сравнению с предыдущей моделью. Устройство понижения скорости двигателя (вторая планетарная передача, встречающаяся только в коробках передач P410 и P510 третьего поколения), которая подключает тяговый двигатель непосредственно к устройству разделения мощности, а затем и к колесам, было заменено параллельными шестернями на редукторе. Коробка передач P610 четвертого поколения. В 2012– Prius c установлена ​​коробка передач P510. В коробке передач P610 используются косозубые шестерни, а не прямозубые прямозубые шестерни, которые использовались в более ранних коробках передач, и которые работают более плавно и тихо, а также выдерживают более высокие механические нагрузки.

С HSD четвертого поколения Toyota также предлагает вариант с полным приводом, получивший название «E-Four», в котором задний тяговый двигатель управляется электроникой, но не связан механически с передним инвертором. Фактически, система «E-Four» имеет свой собственный задний инвертор, хотя этот инвертор потребляет энергию от той же гибридной батареи, что и передний инвертор. «E-Four» начали предлагаться в моделях Prius в США в 2019 модельном году. «Е-Четыре» - неотъемлемая часть Рав 4 Гибридные модели, предлагаемые в Соединенных Штатах, и все такие гибриды Rav 4 относятся только к категории "E-Four".

Список автомобилей с технологией HSD

Ниже приводится список автомобилей с Hybrid Synergy Drive и соответствующими технологиями (Toyota Hybrid System);

Патентные вопросы

Антонов

Осенью 2005 года компания Antonov Automotive Technology BV Plc подала в суд на Toyota, материнской компании бренда Lexus, в связи с предполагаемым нарушением патентных прав в отношении ключевых компонентов трансмиссии RX 400h и гибридного компактного автомобиля Toyota Prius. Дело находится в секрете с апреля 2005 года, но переговоры об урегулировании не принесли взаимоприемлемого результата. В конце концов Антонов обратился за помощью в судебную систему Германии, где решения обычно принимаются относительно быстро. Владелец патента стремится обложить налогом каждый проданный автомобиль, что может сделать гибридный внедорожник менее конкурентоспособным. Toyota сопротивлялась, пытаясь официально признать недействительными соответствующие патенты Антонова. С ходатайством суда в формате документа Microsoft Word можно ознакомиться здесь.[34]


1 сентября 2006 года Антонов объявил, что Федеральный патентный суд Мюнхена не подтвердил законность немецкой части патента Антонова (EP0414782) в отношении Toyota. Несколько дней спустя суд в Дюссельдорфе постановил, что трансмиссия Toyota Prius и трансмиссия Lexus RX 400h не нарушают патент Антонова на гибридный вариатор.[35]

Форд

Ford Motor Company В 2004 году независимо разработала систему с ключевыми технологиями, аналогичную технологии HSD компании Toyota. В результате Ford получил 21 патент у Toyota в обмен на патенты, относящиеся к технологии выбросов.[36]

Paice

ООО "Пэйс" получил патент на улучшенный гибридный автомобиль с управляемым блоком передачи крутящего момента (Патент США 5343970, Северинский; Алекс Дж., "Гибридный электромобиль", выпущен 6 сентября 1994 г. ) и имеет дополнительные патенты на гибридные автомобили. В 2010 году Toyota согласилась лицензировать патенты Paice; Условия урегулирования не разглашаются.[37]В мировом соглашении стороны соглашаются с тем, что, хотя некоторые автомобили Toyota были признаны эквивалентными патенту Paice, Toyota изобрела, спроектировала и разработала гибридную технологию Prius и Toyota независимо от каких-либо изобретений доктора Северински и Пейса в рамках Toyota долгая история инноваций ».[38]Пэйс ранее заключила соглашение с Фордом на лицензию на патент Пэйс.[39]

Сравнение с другими гибридами

Компания Aisin Seiki Co., миноритарная компания Toyota, поставляет свои версии системы трансмиссии HSD компании Ford для использования в качестве электронного вариатора Powersplit в Ford Escape гибридный[40] и Форд Фьюжн Гибрид.[41]

Nissan лицензировал HSD Toyota для использования в Nissan Altima гибрид, с той же коробкой передач Aisin Seiki T110, что и в Toyota Camry Гибридный.[нужна цитата ]2011 год Infiniti M35h использует другую систему из одного электродвигателя и двух сцеплений.

В 2010 Toyota и Mazda объявили о соглашении о поставке гибридной технологии, используемой в Toyota Prius модель.[42]

Дженерал Моторс, DaimlerChrysler и БМВ с Глобальное гибридное сотрудничество похож в том, что он объединяет мощность одного двигателя и двух двигателей. В 2009 г. Президентская рабочая группа по автомобильной промышленности сказал, что «GM отстает как минимум на одно поколение от Toyota в разработке передовых« зеленых »трансмиссий».[43]

Напротив, Honda с Встроенная система помощи двигателю использует более традиционный ICE и трансмиссия, в которой маховик заменен на электродвигатель, таким образом сохраняя сложность традиционной трансмиссии.

Вторичный рынок

Некоторое раннее непроизводство подключаемый гибридный электромобиль конверсии были основаны на версии HSD, установленной в Prius 2004 и 2005 модельного года. Рано свинцово-кислотная батарея конверсии по CalCars продемонстрировали 10 миль (16 км) только для электромобилей и 20 миль (32 км) двойного пробега смешанный режим ассортимент. Компания, планирующая предлагать конверсии потребителям, названа Системы EDrive будет использовать Валентность Литий-ионный батареи и имеют запас хода на электротяге 35 миль (56 км). Обе эти системы оставляют существующую систему HSD в основном без изменений и могут быть аналогичным образом применены к другим вариантам гибридной трансмиссии, просто заменив базовую. NiMH батареи с большей емкостью Аккумуляторная батарея и зарядное устройство для их пополнения примерно по 0,03 доллара за милю из стандартных бытовых розеток.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б Василаш, Гэри (февраль 2005 г.). «Lexus, не похожий ни на какой другой, но как и остальные: представляем RX 400h». Автомобильный дизайн и производство. Архивировано из оригинал на 2006-10-17. Получено 2010-07-12.
  2. ^ а б «Lexus GS450h - Дорожные испытания». Журнал CAR. Архивировано из оригинал на 2011-07-26. Получено 2010-07-13.
  3. ^ а б Василаш, Гэри (июль 2006 г.). "Lexus LS 600H L: не просто очередной серийный автомобиль". Автомобильный дизайн и производство. Архивировано из оригинал на 2007-06-17. Получено 2010-04-12.
  4. ^ "Пресс-релизы> Мировые продажи TMC Hybrids - первые 2 миллиона единиц". TOYOTA. 2009-09-04. Получено 2009-12-03.
  5. ^ а б Пресс-центр Toyota (2013-04-17). «Совокупные глобальные продажи гибридных автомобилей Toyota превышают 5 миллионов, в США - почти 2 миллиона». Конгресс зеленых автомобилей. Получено 2013-04-17.
  6. ^ Джон Фёлькер (03.10.2014). «С 1997 года Toyota продала 7 миллионов гибридов». Отчеты о зеленых автомобилях. Получено 2014-10-03.
  7. ^ Все электродвигатели с возбужденными полями, либо ротором с электромагнитным возбуждением (с отдельным возбуждением), либо ротором с постоянным магнитом (с возбуждением от интегрального возбуждения), могут использоваться в качестве генераторов (и наоборот), поэтому термин двигатель-генератор обычно используется только тогда, когда одно и то же устройство используется для обеих целей, хотя не одновременно.
  8. ^ Берресс, Тимоти Адам (2006). «Векторное управление и экспериментальная оценка синхронных двигателей с постоянными магнитами для HEV» (PDF). Университет Теннесси. п. 16. Получено 29 сентября 2012.
  9. ^ Билл Сиуру. «Synergy Drive: почему гибриды Toyota - рок». Журнал Green Car. Yahoo. Получено 2008-03-12.
  10. ^ В Camry 2007 года и более поздних версиях это соотношение составляет 2,636, а в Prius 2010 года и более поздних версиях это соотношение составляет 2,478, что соответствует среднему коэффициенту примерно 2,5.
  11. ^ а б c d Politechnika Wrocławska - Inżynieria Pojazdów. «Пример использования: Toyota Hybrid Synergy Drive» (PDF). Вроцлавский технологический университет. Получено 2014-11-22. См. Спецификации Auris HSD на стр. 17: 201,6 В x 6,5 А / ч = 1,310 кВт-ч
  12. ^ Консорциум передовых свинцово-кислотных аккумуляторов (ALABC). «Используются ли в гибридных электромобилях свинцово-кислотные батареи? Да! И вот почему». ALABC. Архивировано из оригинал на 2014-05-06. Получено 2014-11-23.
  13. ^ а б Брэд Берман (2008-11-06). «Гибридный автомобильный аккумулятор: подробное руководство - современный гибридный автомобильный аккумулятор: никель-металлогидридный аккумулятор - гибридный аккумулятор Toyota Prius». HybridCars.com. Получено 2014-11-22.
  14. ^ Toyota. «Toyota Prius - Три режима езды». Toyota01. Получено 2014-11-23. Режим EV работает в определенных условиях на низких скоростях на расстояние до мили.
  15. ^ Ань Т. Хьюнь (2012-10-15). "Toyota Camry Hybrid XLE 2012 года: технологии в среднеразмерном седане". Оборудование Тома. Получено 2014-11-23.
  16. ^ Агентство по охране окружающей среды США и Министерство энергетики США (2014-11-21). «Параллельное сравнение - Toyota Prius Plug-in Hybrid 2012/2013/2014». Fueleconomy.gov. Получено 2014-11-21.
  17. ^ «Подключаемый модуль Prius 2010 года дебютирует в Северной Америке на автосалоне в Лос-Анджелесе; первая литий-ионная аккумуляторная тяговая батарея, разработанная Toyota и PEVE». Конгресс зеленых автомобилей. 2009-12-02. Получено 2010-02-03.
  18. ^ а б «Toyota представляет подключаемый гибрид Prius 2012» (Пресс-релиз). Toyota. 2011-09-16. Получено 2014-11-21.
  19. ^ а б Джош Пил (январь 2014 г.). «Таблица 33. Аккумуляторы для некоторых гибридных электромобилей, модельные годы 2013-2014». Национальная лаборатория Окриджа. Архивировано из оригинал в 2014-11-29. Получено 2014-11-21.
  20. ^ Уэйн Каннингем (19 ноября 2014 г.). "Toyota Mirai: 300-мильный автомобиль с нулевым уровнем выбросов". CNET. Получено 2014-11-21. Mirai имеет никель-металлогидридный аккумулятор на 245 В, аналогичный тому, что установлен в Camry Hybrid. 245 В x 6,5 А / ч = 1,59 кВт-ч
  21. ^ Toyota. "Брошюра Yaris & Yaris HSD" (PDF). Toyota Южная Африка. Получено 2014-11-22. См. Таблицу характеристик: 144 В x 6,5 А / ч = 0,936 кВт-ч
  22. ^ Camry Hybrid 2012 руководство по эксплуатации[постоянная мертвая ссылка ]
  23. ^ ДеБорд, Мэтью (2016-05-06). «Эта особенность Toyota Prius - полная загадка для большинства владельцев». Business Insider.
  24. ^ Toyota 2007 Prius Руководство по эксплуатации (OM47568U) (PDF). п. 146.
  25. ^ «6 - Электрооборудование кузова». Гибридная система Toyota - курс 071 (PDF). Техническое обучение Toyota. п. 1. Архивировано из оригинал (PDF) на 2008-10-31. Получено 2008-10-15.
  26. ^ "Обзор Lexus LS 600h L 2008 года". Vehix.com. Архивировано из оригинал на 2011-07-17. Получено 2010-07-13.
  27. ^ "Предложение Toyota на лучшую батарею". Архивировано из оригинал 28 февраля 2007 г.
  28. ^ Халворсон, Бенгт. Литий-ионный аккумулятор не готов к Prius В архиве 2007-06-20 на Wayback Machine. BusinessWeek, 18 июня 2007 г. Проверено 7 августа 2007 г.
  29. ^ «DailyTech - Toyota избегает литий-ионных аккумуляторов для следующего поколения Prius». Архивировано из оригинал на 2011-05-18. Получено 2010-12-19.
  30. ^ "Nissan прекращает выпуск гибрида Altima". 14 июня 2011 г.
  31. ^ "Subaru Crosstrek Hybrid 2019 года". Subaru. Получено 24 ноября 2018.
  32. ^ «Абсолютно новый гибрид Subaru Crosstrek дебютирует на автосалоне в Лос-Анджелесе». PR Newswire. Получено 24 ноября 2018.
  33. ^ «Subaru Crosstrek Hybrid 2019 года: первая поездка на 17-мильный кроссовер с расходом 35 миль на галлон». Отчеты о зеленых автомобилях. Получено 24 ноября 2018.
  34. ^ «Предполагается, что Toyota нарушила патенты на гибридную технологию Антонова». 19 сентября 2005 г.
  35. ^ "Дюссельдорферский архив". www.duesseldorfer-archiv.de. Получено 6 апреля 2018.
  36. ^ Брюс Нуссбаум (2005-11-01). «Форд новаторский? Часть вторая». Bloomberg Businessweek. Получено 2011-03-09.
  37. ^ Джоан Мюллер (19.07.2010). "Тойота урегулировала патентное дело гибридного автомобиля". Forbes.com. Архивировано из оригинал на 2013-01-23. Получено 2011-03-09.
  38. ^ «Toyota и Paice достигают урегулирования патентных споров» (Пресс-релиз). ООО "Пэйс". 2010-07-09. Получено 2011-03-09.
  39. ^ «Пэйс и Форд достигают мирового соглашения в спорах о нарушении патентных прав на гибридные автомобили» (Пресс-релиз). Paice LLC через PR Newswire. 2010-07-16. Получено 2011-03-09.
  40. ^ "Краткий обзор AISIN" (PDF). Компания Aisin Seiki Co. 21 сентября 2005 г. Архивировано из оригинал (PDF) на 2010-12-12. Получено 2011-03-09. Разработан фирменный гибридный привод HD-10 «двойная система» для использования в Ford Escape Hybrid.
  41. ^ «Флот Форд - Выставочный зал - Автомобили - 2010 Fusion Hybrid». Ford Motor Company. Получено 2011-03-09.
  42. ^ «TMC и Mazda соглашаются на лицензию на технологию гибридных систем» (PDF) (Пресс-релиз). Toyota И Mazda. 2010-03-29. Получено 2010-03-29.
  43. ^ "Определение жизнеспособности Резюме: Корпорация Дженерал Моторс" (PDF). 2009-03-30. Архивировано из оригинал (PDF) на 2009-04-07. Получено 2009-12-03.

внешние ссылки