Тойотаның гибридтік жүйесі: Құрастыру және технологиясы

Кіріспе

Toyota Motor Corporation өндірген гибридтік автомобильдің күштік жүйесі

Hybrid Synergy Drive (HSD), сондай-ақ Toyota Hybrid System II ретінде де танылған, Toyota Motor Corporation компаниясының Toyota және Lexus маркалы көліктерде қолданылатын гибридтік автомобильдің күштік жүйесі технологиясының бренді. Алғаш рет Prius көлігінде енгізілген бұл технология бірнеше басқа Toyota және Lexus көліктерінде де қолданылады және сутегімен жұмыс істейтін Mirai электр көлігінің күштік жүйесіне, сондай-ақ Prius көлігінің плагин-гибридтік нұсқасына бейімделген. Бұрын Toyota өзінің HSD технологиясын Nissan Altima Hybrid көлігінде пайдалану үшін Nissan компаниясына лицензиялаған. Оның бөлшектерін жеткізуші Aisin басқа автомобиль компанияларына ұқсас гибридтік берілістер ұсынады. HSD технологиясы толық гибридтік көлікті құрайды, бұл автомобильді электр қозғалтқышымен ғана жүргізуге мүмкіндік береді, ал көптеген басқа брендтік гибридтер мұндай мүмкіндікке ие емес және олар жеңіл гибридтер саналады. HSD сонымен қатар үздіксіз өзгермелі беріліс жүйесіне ұқсас жұмыс істейтін электрлік қозғалтқыш пен планеталық беріліс механизмін біріктіреді. Synergy Drive – қозғалтқыш пен қозғалтқыш басқаруы арасында тікелей механикалық байланыссыз сымдық жүйе: газ педалі/акселератор және HSD көлігіндегі беріліс ауыстырғыш жай ғана басқару компьютеріне электрлік сигналдарды жібереді. HSD – 1997 жылдан 2003 жылға дейін Toyota Prius көлігінде қолданылған Toyota Hybrid System (THS) жүйесінің жетілдірілген түрі. Екінші буын жүйесі алғаш рет 2004 жылы қайта жобаланған Prius көлігінде пайда болды. Атауы Toyota брендінен тыс көліктерде қолданылуына байланысты өзгертілді (Lexus; Lexus көліктерінде қолданылатын HSD туынды жүйелері Lexus Hybrid Drive деп аталды), 2006 жылы Camry және Highlander көліктерінде іске асырылды, ал ақыр соңында 2010 жылы «үшінші буын» Prius және 2012 жылы Prius c көліктерінде де қолданысқа енді. Toyota Hybrid жүйесі қуатты және тиімділікті арттыруға, сондай-ақ «көшіре түсуге» (ірі де, кіші көліктерге бейімделуге) арналған, мұнда ICE/MG1 және MG2 бөлек қысқарту жолдарына ие және соңғы қысқарту берілісімен және дифференциалмен байланысқан «құрама» беріліске біріктіріледі; ол барлық дөңгелекті және артқы дөңгелекті Lexus модельдерінде енгізілді. 2007 жылдың мамырына қарай Toyota бүкіл әлемде бір миллион гибрид көлігін сатты; 2009 жылдың тамызының соңына қарай екі миллион; ал 2013 жылдың наурызында 5 миллиондық шегінен өтті. 2014 жылға дейін әлемде 7 миллионнан астам Lexus және Toyota гибридтері сатылды. 2013 жылғы мәліметтер бойынша, TMC-нің әлемдік гибридтік сатылымының 38%-ы АҚШ-қа тиесілі. ICE-ді іске қосқанда қозғалтқыш ретінде, ал жоғары кернеулі батареяны зарядтағанда генератор (алмастырғыш) ретінде пайдаланылады. MG2 – тұрақты магнитті роторы бар, негізгі қозғалтқыш ретінде және генератор (алмастырғыш) ретінде пайдаланылатын, регенерациялық қуаты жоғары кернеулі батареяға бағытталады. MG2 әдетте екі мотор-генератордың қуаттысырақ болып табылады. Қуат электроникасы, үш DC-AC инверторы және екі DC-DC түрлендіргіштерді қамтиды. Компьютерлік басқару жүйесі және сенсорлар. HVB – жоғары кернеулі батарея, үдеу кезінде электр энергиясының көзі және регенеративті тежеу кезінде электр энергиясын сіңіретін құрылғы.

Hybrid Synergy Drive (HSD), also known as Toyota Hybrid System II, is the brand name of Toyota Motor Corporation for the hybrid car drive train technology used in vehicles with the Toyota and Lexus marques. First introduced on the Prius, the technology is an option on several other Toyota and Lexus vehicles and has been adapted for the electric drive system of the hydrogen powered Mirai, and for a plug in hybrid version of the Prius. Previously, Toyota also licensed its HSD technology to Nissan for use in its Nissan Altima Hybrid. Its parts supplier Aisin offers similar hybrid transmissions to other car companies. HSD technology produces a full hybrid vehicle which allows the car to run on the electric motor only, as opposed to most other brand hybrids which cannot and are considered mild hybrids. The HSD also combines an electric drive and a planetary gearset which performs similarly to a continuously variable transmission. The Synergy Drive is a drive by wire system with no direct mechanical connection between the engine and the engine controls: both the gas pedal/accelerator and the gearshift lever in an HSD car merely send electrical signals to a control computer. HSD is a refinement of the original Toyota Hybrid System (THS) used in the 1997 to 2003 Toyota Prius. The second generation system first appeared on the redesigned Prius in 2004. The name was changed in anticipation of its use in vehicles outside the Toyota brand (Lexus; the HSD derived systems used in Lexus vehicles have been termed Lexus Hybrid Drive), was implemented in the 2006 Camry and Highlander, and would eventually be implemented in the 2010 "third generation" Prius, and the 2012 Prius c. The Toyota Hybrid System is designed for increased power and efficiency, and also improved "scalability" (adaptability to larger as well as smaller vehicles), wherein the ICE/MG1 and the MG2 have separate reduction paths, and are combined in a "compound" gear which is connected to the final reduction gear train and differential; it was introduced on all wheel drive and rear wheel drive Lexus models. By May 2007 Toyota had sold one million hybrids worldwide; two million by the end of August 2009; and passed the 5 million mark in March 2013. as of 2014, more than 7 million Lexus and Toyota hybrids had been sold worldwide. The United States accounted for 38% of TMC global hybrid sales as of 2013. used as a motor when starting the ICE and as a generator (alternator) when charging the high voltage battery
MG2, an AC motor generator, also having a permanent magnet rotor, used as the primary drive motor and as a generator (alternator), which regeneration power is directed to the high voltage battery. MG2 is generally the more powerful of the two motor generators
Power electronics, including three DC AC inverters and two DC DC converters
Computerized control system and sensors
HVB, a high voltage battery sources electrical energy during acceleration and sinks electrical energy during regeneration braking

Толық параллель гибридтің HSD жүйесі қуатты бөлу арқылы келесідей интеллектуалды қуат ағындарын қамтамасыз етеді:

Қосымша қуат
HVB > DC-DC түрлендіргіш > 12В тұрақты ток батареясы
12В тұрақты ток батареясы > 12В көлік электроникасы
Қозғалтқышты зарядтау (Қайта зарядтау және/немесе катализаторды қыздыру және/немесе ішкі жағдайды қамтамасыз ету үшін HVAC)
ICE > MG1 > HVB
Батарея немесе электр көлігімен жүру
HVB > MG2 > дөңгелектер
Қозғалтқыш және қозғалтқышпен жүру (Орташа үдеу)
ICE > дөңгелектер
ICE > MG1 > MG2 > дөңгелектер
Қозғалтқышпен жүру және зарядтау (Тас жолда жүру)
ICE > дөңгелектер
ICE > MG1 > HVB
Қозғалтқыш және қозғалтқышпен жүру және зарядтау (Жоғары қуат қажет болатын жағдайларда, мысалы, тік төбелерде)
ICE > дөңгелектер
ICE > MG1 > HVB
ICE > MG1 > MG2 > дөңгелектер
Толық қуат немесе біртіндеп тежеу (Максималды қуат қажет болатын жағдайларда)
ICE > дөңгелектер
ICE > MG1 > MG2 > дөңгелектер
HVB > MG2 > дөңгелектер
B режимінде тежеу
Дөңгелектер > MG2 > HVB
Дөңгелектер > MG1 > ICE (ECU – Электрондық басқару блогы MG1-ді ICE-ді айналдыру үшін пайдаланады, бұл батареяны төмендетеді – MG2-ден көбірек заряд алуға мүмкіндік береді, сондай-ақ ICE-ді дөңгелектермен байланыстырады, «қозғалтқышпен тежеуді» тудырады; HVB зарядының деңгейі MG2-ден регенерациялық электр қуатын қабылдау үшін тым жоғары болғанда немесе тежегіш педальды күшпен басу кезінде ICE айналымдары артады)
Регенеративті тежеу
Дөңгелектер > MG2 > HVB
Қатты тежеу
Алдыңғы дискі/артқы барабан (Ұлыбританияда артқы дискі) > дөңгелектер
Барлық дискі > дөңгелектер (2010 жылдан бастап және жаңа, 2012 жылғы ағымдағы Prius c көлігінен басқа, ол алдыңғы дискіні, артқы барабанды пайдаланады).

MG1 және MG2

MG1 (бірінші мотор-генератор): Ішкі жану қозғалтқышын іске қосуға арналған мотор және MG2-ге электр қуатын өндіруге, сондай-ақ жоғары кернеулі жетек батареясын зарядтауға, ал DC-DC түрлендіргіш арқылы 12 вольттық қосалқы батареяны зарядтауға қолданылады. Электр қуатының мөлшерін реттеу арқылы (MG1-дің механикалық айналым моменті мен жылдамдығын өзгерту арқылы) MG1 трансакстың үздіксіз өзгермелі берілісін тиімді басқарады. MG2 (екінші мотор-генератор): Дөңгелектерді жетектейді және көлік тежелу кезінде жоғары кернеулі батареяда энергияны қалпына келтіреді. MG2 дөңгелектерді қозғалтқыш арқылы MG1 қозғалтқышымен және/немесе жоғары кернеулі батареядан өндірілетін электр қуатымен жетектейді. Регенеративті тежеу кезінде MG2 генератор ретінде жұмыс істейді, кинетикалық энергияны электр энергиясына айналдырып, осы электр энергиясын батареяда сақтайды.

Беріліс

Жүйенің механикалық берілістерінің құрылымы ICE-ден механикалық қуатты үш жолмен бөлуге мүмкіндік береді: дөңгелектердегі қосымша айналым моменті (тұрақты айналу жылдамдығы кезінде), дөңгелектердегі қосымша айналу жылдамдығы (тұрақты айналым моменті кезінде) және электр генераторына қуат. Тиісті бағдарламаларды орындайтын компьютер жүйелерді басқарады және әр түрлі қозғалтқыш + мотор көздерінен қуат ағынын бағыттайды. Бұл қуатты бөлу үздіксіз өзгермелі берілістің (CVT) артықшылықтарын қамтамасыз етеді, бірақ айналым моменті/жылдамдық түрлендіруі тікелей механикалық беріліс орнына электр қозғалтқышы арқылы жүзеге асырылады. HSD машинасы компьютер, қуат электроникасы, аккумулятор және мотор-генераторларсыз жұмыс істей алмайды, бірақ қағида бойынша ішкі жанатын қозғалтқышсыз да жұмыс істей алады. (Қараңыз: Plug-in hybrid) Іс жүзінде HSD жабдықталған көліктер жанармай стансасына жете алу үшін шұғыл шара ретінде бір-екі шақырымға дейін бензинсіз жүруге болады. HSD трансакслында алдыңғы дөңгелектерге қажетті айналым моментін қозғалтқыш пен мотордан реттейтін және үйлестіретін планеталық беріліс жиынтығы бар. Бұл – күрделі және қиын комбинация, электрлік мотор-генераторлар мен компьютерлік басқару жүйесінің үйлесімі. Мотор-генераторлардың бірі, MG2, шығыс білікпен байланысты, сонымен қатар қозғалтқыш біліктеріне айналым күшін қосып немесе одан алып отырады; MG2-ге электр қуатын беру дөңгелектерге айналым күшін арттырады. Қозғалтқыш білігінің соңында екінші дифференциал орналасқан; осы дифференциалдың бір тармағы ішкі жанатын қозғалтқышқа, ал екінші тармағы екінші мотор-генераторға, MG1-ге бекітілген. Дифференциал дөңгелектердің айналу жылдамдығын қозғалтқыш пен MG1 айналу жылдамдықтарымен байланыстырады, MG1 дөңгелек пен қозғалтқыш арасындағы жылдамдық айырмасын сіңіру үшін қолданылады. Дифференциал – эпициклдік беріліс жиынтығы (сонымен қатар «қуатты бөлу құрылғысы» деп те аталады); ол және екі мотор-генератор бір трансаксл корпусында орналасқан, ол қозғалтқышқа бекітілген. Арнайы байланыстар мен сенсорлар басқару компьютеріне кері байланыс үшін әрбір біліктің айналу жылдамдығын және қозғалтқыш біліктеріндегі жалпы айналым моментін бақылайды. 1-ші және 2-ші буын HSD-де MG2 тікелей сақиналы беріліске қосылған, яғни 1:1 қатынаспен, және айналым моментін көбейтуді ұсынбайды, ал 3-ші буын HSD-де MG2 сақиналы беріліске 2.5:1 планеталық беріліс арқылы қосылған, нәтижесінде 2.5:1 айналым моментін көбейтуді қамтамасыз етеді, бұл 3-ші буын HSD-нің басты артықшылығы, өйткені ол кіші, бірақ қуаттырақ MG2-ні қамтамасыз етеді. Алайда, екінші артықшылығы – MG1 жиі айналу жылдамдығын асырмайды, әйтпесе бұл жылдамдықты төмендету үшін ICE-ді пайдалану қажет болар еді; бұл стратегия HSD өнімділігін жақсартады, сондай-ақ отынды үнемдеуге және ICE тозуын азайтуға мүмкіндік береді.

The mechanical gearing design of the system allows the mechanical power from the ICE to be split three ways: extra torque at the wheels (under constant rotation speed), extra rotation speed at the wheels (under constant torque), and power for an electric generator. A computer running appropriate programs controls the systems and directs the power flow from the different engine + motor sources. This power split achieves the benefits of a continuously variable transmission (CVT), except that the torque/speed conversion uses an electric motor rather than a direct mechanical gear train connection. An HSD car cannot operate without the computer, power electronics, battery pack, and motor generators, though in principle it could operate while missing the internal combustion engine. (See: Plug in hybrid) In practice, HSD equipped cars can be driven a mile or two without gasoline, as an emergency measure to reach a gas station. An HSD transaxle contains a planetary gear set that adjusts and blends the amount of torque from the engine and motor(s) as it's needed by the front wheels. It is a sophisticated and complicated combination of gearing, electrical motor generators, and computer controlled electronic controls. One of the motor generators, MG2, is connected to the output shaft, and thus couples torque into or out of the drive shafts; feeding electricity into MG2 adds torque at the wheels. The engine end of the drive shaft has a second differential; one leg of this differential is attached to the internal combustion engine and the other leg is attached to a second motor generator, MG1. The differential relates the rotation speed of the wheels to the rotation speeds of the engine and MG1, with MG1 used to absorb the difference between wheel and engine speed. The differential is an epicyclic gear set (also called a "power split device"); that and the two motor generators are all contained in a single transaxle housing that is bolted to the engine. Special couplings and sensors monitor rotation speed of each shaft and the total torque on the drive shafts, for feedback to the control computer. In Generation 1 and Generation 2 HSDs, MG2 is directly connected to the ring gear, that is, a 1:1 ratio, and which offers no torque multiplication, whereas in Generation 3 HSDs, MG2 is connected to the ring gear through a 2.5:1 planetary gear set, and which, consequently, offers a 2.5:1 torque multiplication, this being a primary benefit of the Generation 3 HSD as it provides for a smaller, yet more powerful MG2. However, a secondary benefit is the MG1 will not be driven into overspeed as frequently, and which would otherwise mandate employing the ICE to mitigate this overspeed; this strategy improves HSD performance as well as saving fuel and wear and tear on the ICE.

Жоғары кернеулі батарея

HSD жүйесінде екі негізгі аккумулятор жиынтығы бар: жоғары кернеулі (HV) аккумуляторы, сондай-ақ сүйреу аккумуляторы деп аталады, және 12 вольттық қорғасын-қышқыл аккумуляторы, төмен кернеулі (LV) аккумуляторы ретінде жұмыс істейді. LV аккумуляторы гибридтік жүйе өшірілген кезде және жоғары кернеулі аккумулятордың негізгі релесі өшірілген кезде электроника мен қосымша жабдықтарға қуат береді. Сүйреу аккумуляторы – герметикалық никель-металл гидридті (NiMH) аккумулятор. Бірінші буын Toyota Prius аккумуляторы 38 модульге орналасқан 228 ұяшықтан тұрды, ал екінші буын Prius 28 Panasonic призмалық никель-металл гидрид модулінен тұрды, әрқайсысы 1,2 вольттық алты ұяшықты қамтиды, олар 201,6 вольт номиналды кернеуді шығару үшін тізбектей қосылған. Екінші буын Prius аккумуляторының разрядтау қуаты 50% зарядталған күйде (SoC) шамамен 20 кВт құрайды. Қуаты жоғары температурада артады және төмен температурада төмендейді. Prius аккумулятордың оңтайлы температурада және оңтайлы заряд деңгейінде ұстауға арналған жеке компьютерге ие. "EV" деп белгіленген батырма қуаттанғаннан кейін және көптеген жағдайларда төмен жүктеме кезінде, егер сүйреу аккумуляторы жеткілікті зарядталған болса, электрлік көлік режимін сақтайды. Бұл 1 мильге (2 км) дейін жанармайды тұтынусыз толық электрлік жүруге мүмкіндік береді. Алайда, HSD бағдарламалық құралы мүмкін болған кезде автоматты түрде EV режиміне ауысады. Тек Toyota Prius Plug-in Hybrid ғана аралас режимде электрмен жүрудің ұзағырақ қашықтығын – 11 миль (18 км) (EPA рейтингі) аккумулятор толық разрядталғанға дейін ұсынады. Prius PHEV Panasonic компаниясымен бірлесіп әзірленген 4,4 кВт⋅сағ литий-иондық аккумуляторлармен жабдықталған, бұл үшінші буын Prius-тің 1,3 кВт⋅сағ сыйымдылығы бар никель-металл гидридтік аккумуляторынан жеңіл. Үлкен аккумулятор жиынтығы дәстүрлі Prius гибридіне қарағанда жоғары жылдамдықпен және ұзақ қашықтықта толық электрлік жұмысты қамтамасыз етеді. Төмендегі кестеде бірнеше Lexus және Toyota көліктерінің HV аккумуляторының сыйымдылығы туралы мәліметтер келтірілген. Көлік үлгісіЖылАккумулятор сыйымдылығы (кВт⋅сағ)Аккумулятордың разрядтау лимиті (кВт)Lexus CT 200h20111.3NiMHLexus ES 300h20131.6NiMHLexus ES 300h20211.6Li-ionLexus GS 450h20131.9NiMHLexus IS 300h20131.6NiMH28,524Lexus LC 500h20181.1Li-ionLexus LS 600h L20081.9NiMHLexus RX 450h20141.9NiMHLexus NX 300h20151.6NiMH2725,5Toyota Avalon Hybrid20131.6NiMHToyota Auris Hybrid20141.3NiMH2521Toyota Camry Hybrid20141.6NiMH2725,5Toyota Camry Hybrid20181.6 / 1.0NiMH / Li-ionToyota C-HR Hybrid20161.3NiMH31,921Toyota Corolla Hybrid20191.4 / 0.75NiMH / Li-ion31,921Toyota Highlander Hybrid20141.9NiMHToyota Mirai (FCV)20151.6NiMHToyota Prius20101.3NiMH2521Toyota Prius20161.2 / 0.75NiMH / Li-ion31,921Toyota Prius c20140.9NiMHToyota Prius v20141.3 / 1.0NiMH / Li-ionToyota Prius PHV20144.4NiMH17,515Toyota Yaris Hybrid20200.76Li-ion3520Toyota Innova/Kijang Innova Zenix Hybrid20221.31NiMH

The HSD system has two principal battery packs, the High Voltage (HV) battery, also known as the traction battery, and a 12 volt lead acid battery known as the Low Voltage (LV) battery, which functions as an auxiliary battery. The LV battery supplies power to the electronics and accessories when the hybrid system is turned off and the high voltage battery main relay is off. The traction battery is a sealed nickel metal hydride (NiMH) battery pack. The battery pack of the first generation Toyota Prius consisted of 228 cells packaged in 38 modules, while the second generation Prius consisted of 28 Panasonic prismatic nickel metal hydride modules, each containing six 1.2 volt cells, connected in series to produce a nominal voltage of 201.6 volts. The discharge power capability of the second gen Prius pack is about 20 kW at 50% state of charge (SoC). The power capability increases with higher temperatures and decreases at lower temperatures. The Prius has a computer that's solely dedicated to keeping the battery at the optimum temperature and optimum charge level. A button labelled "EV" maintains electric vehicle mode after being powered on and under most low load conditions at less than if the traction battery has enough charge. This permits all electric driving with no fuel consumption for up to 1 mile (2 km). However, the HSD software switches to EV mode automatically whenever it can. Only the Toyota Prius Plug in Hybrid has a longer driving all electric range in blended operation electric gasoline of 11 mile (18 km) (EPA rating) until the battery is depleted. The Prius PHEV is outfitted with 4.4 kWh lithium ion batteries co developed with Panasonic that weighs compared with the nickel metal hydride battery of the third generation Prius, which has a capacity of only 1.3 kWh, and weighs The larger battery pack enables all electric operation at higher speeds and longer distances than the conventional Prius hybrid. The following table details the HV battery capacity for several Lexus and Toyota vehicles. VehicleModelYearBatteryCapacity(kWh)Battery Discharge Limit(kW)Lexus CT 200h20111.3NiMHLexus ES 300h20131.6NiMHLexus ES 300h20211.6Li ionLexus GS 450h20131.9NiMHLexus IS 300h20131.6NiMH 28,524Lexus LC 500h20181.1Li ionLexus LS 600h L20081.9NiMHLexus RX 450h20141.9NiMHLexus NX 300h20151.6NiMH 2725,5Toyota Avalon Hybrid20131.6NiMHToyota Auris Hybrid20141.3NiMH 2521Toyota Camry Hybrid20141.6NiMH 2725,5Toyota Camry Hybrid20181.6 / 1.0NiMH / Li ionToyota C HR Hybrid20161.3NiMH 31,921Toyota Corolla Hybrid20191.4 / 0.75NiMH / Li ion 31,921Toyota Highlander Hybrid20141.9NiMHToyota Mirai (FCV)20151.6NiMH Toyota Prius20101.3NiMH 2521 Toyota Prius20161.2 / 0.75NiMH / Li ion 31,921Toyota Prius c20140.9NiMHToyota Prius v20141.3 / 1.0NiMH / Li ionToyota Prius PHV20144.4NiMH 17,515Toyota Yaris Hybrid20200.76Li ion 3520Toyota Innova/Kijang Innova Zenix Hybrid20221.31NiMH

Операция

HSD жүйесі екі мотор-генератор арасында электр қуатын бағыттап, батареядан жұмыс істей отырып, ішкі жанатын қозғалтқыштың (ICE) жүктемесін теңестіреді. Электр моторларынан күшті күшейту жылдам үдеу кезінде қолжетімді болғандықтан, ICE жоғары қуат талаптарына емес, автомобильдің орташа жүктемесіне сәйкес мөлшерде таңдалуы мүмкін. Бұл кішірек ішкі жанатын қозғалтқышты тиімдірек жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, қалыпты режимде қозғалтқыш қуаттылық, экономикалық тұрғыдан тиімділік немесе шығарындыларды азайту үшін ең қолайлы жылдамдық және айналу моментінде жұмыс істей алады, ал батарея жүргізушінің қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін қуатты сіңіріп немесе жеткізеді. Көлік тоқтағанда, жанармай үнемдеу үшін ішкі жанатын қозғалтқышты толығымен сөндіруге болады. Тиімді автомобиль дизайны, регенеративті тежегіш жүйе, қозғалтқышты тоқтау кезінде сөндіру, электр қуатын сақтау мүмкіндігі және тиімді ішкі жанатын қозғалтқыш дизайнының үйлесімі HSD жүйесімен жабдықталған автомобильге, әсіресе қала ішінде айтарлықтай тиімділік артықшылықтарын береді.

Жұмыс істеу кезеңдері

HSD жылдамдық пен қажетті айналу моментіне байланысты әртүрлі фазаларда жұмыс істейді. Олардың кейбіреулері:
Батареяны зарядтау: HSD қозғалтқышты іске қосып, MG1-ден электр қуатын алып, көлік қозғалмай тұрғанда батареяны зарядтай алады. Электр қуаты батареяға жіберіледі, ал дөңгелектерге айналу күші берілмейді. Борттағы компьютер қажет болған жағдайда, мысалы, қозғалыс кезінде тоқтағанда немесе суық старттан кейін қозғалтқыш пен катализаторды жылыту үшін мұны жасайды.
Қозғалтқышты іске қосу: Қозғалтқышты іске қосу үшін MG1-ге қуат беріледі, ол стартер ретінде жұмыс істейді. Мотор-генераторлардың өлшеміне байланысты, қозғалтқышты іске қосу салыстырмалы түрде жылдам және MG1-ден салыстырмалы түрде аз қуатты қажет етеді. Сонымен қатар, дәстүрлі стартер қозғалтқышының шуы естілмейді. Қозғалтқышты тоқтаған немесе қозғалған кезде іске қосуға болады.
Кері бағыт (эквиваленті): Дәстүрлі беріліс қорабындағыдай кері бағыт жоқ: компьютер фаза тізбегін кері бұрады және дөңгелектерге теріс айналу моментін қолданады. Алғашқы үлгілер кейбір жағдайларда жеткілікті айналу моментін қамтамасыз етпеді: Сан-Францискодағы тік көлік жолдарына көлікті кері тарта алмаған алғашқы Prius иелері туралы хабарлар болды. Бұл мәселе соңғы үлгілерде шешілді. Егер батареяның заряды аз болса, жүйе бір мезгілде қозғалтқышты іске қосып, MG1-ден қуат алады, бірақ бұл дөңгелектердегі кері айналу моментін азайтады.
Бейтарап бағыт (эквиваленті): Көптеген заңнамалар автомобильдердің беріліс қорабында қозғалтқыш пен берілісті ажыратып тұратын бейтарап бағыт болуын талап етеді. HSD-дегі "бейтарап бағыт" электр моторларын өшіру арқылы жүзеге асырылады. Бұл жағдайда планетарлық беріліс тұрақты болады (егер көлік дөңгелектері айналмаса); егер көлік дөңгелектері айналса, сақиналық беріліс айналады, соның салдарынан күн берілісі де айналады (қозғалтқыштың инерциясы жылдамдық жоғары болмаса, қозғалтқыш берілісін тұрақты ұстайды), ал MG1 батареялар зарядталмағанда айналуға болады. Пайдаланушы нұсқаулығында бейтарап бағыттың соңында батареяны толық сығып тастауы, нәтижесінде батареяны зарядтау үшін "қажетсіз" қозғалтқыш қуаты пайда болады екені ескертілген; толық сығып тасталған батарея көлікті жұмыссыз қалдырады.
EV режимі: Төмен жылдамдықтарда және орташа айналу моменттерінде HSD ішкі жану қозғалтқышын іске қоспай жұмыс істей алады: электр қуаты тек MG2-ге беріледі, бұл MG1-ге еркін айналуға мүмкіндік береді (және осылайша қозғалтқышты дөңгелектерден ажыратып алады). Бұл "Жылтыр режим" деп белгілі. Егер батареяның қуаты жеткілікті болса, көлікті бензинсіз де бірнеше шақырым бойы үнсіз жүргізуге болады.
Төмен бағыт (эквиваленті): Қалыпты режимде төмен жылдамдықпен үдемеленгенде, қозғалтқыш дөңгелектерге қарағанда жылдам айналады, бірақ жеткілікті айналу моментін дамыта алмайды. Артық қозғалтқыш жылдамдығы генератор ретінде жұмыс істейтін MG1-ге беріледі. MG1 шығаруы MG2-ге беріледі, ол мотор ретінде жұмыс істейді және қозғалтқыш білігіне айналу моментін қосады.
Жоғары бағыт (эквиваленті): Жоғары жылдамдықпен қозғалғанда, қозғалтқыш дөңгелектерге қарағанда баяу айналады, бірақ қажеттіден артық айналу моментін дамытады. MG2 кейіннен артық қозғалтқыш айналу моментін жою үшін генератор ретінде жұмыс істейді, бұл қуатты дөңгелек жылдамдығын арттыру үшін мотор ретінде жұмыс істейтін MG1-ге жібереді. Тұрақты күйде қозғалтқыш көлікті қозғауға қажетті барлық қуатты береді, егер қозғалтқыш оны жеткізе алмаса (қатты үдемеленгенде немесе жоғары жылдамдықпен тік көлік жолына көтерілгенде). Бұл жағдайда батарея айырмашылықты жабады. Қажетті қуат өзгерген сайын, батарея қуат балансын жылдам түзетіп, қозғалтқыштың қуатын салыстырмалы түрде баяу өзгертуге мүмкіндік береді.
Регенеративті тежеу: MG2-ден қуат алып, батареяға салып, HSD қалыпты қозғалтқыш тежеуінің баяулауын симуляциялай алады, сонымен бірге қуатты кейінгі күшейту үшін сақтайды. HSD жүйесіндегі регенеративті тежегіштер қалыпты тежеу жүктемесінің едәуір бөлігін сіңіреді, сондықтан HSD көлік құралдарындағы дәстүрлі тежегіштер ұқсас салмақты дәстүрлі автомобильдегі тежегіштерге қарағанда кішкентай және әлдеқайда ұзақ қызмет етеді.
Қозғалтқыш тежеуі: HSD жүйесінде "B" (Brake) әрпімен белгіленген арнайы беріліс орнатылуы бар, ол дәстүрлі автоматты берілістің "L" орнатылуын ауыстырады, төбелерде қозғалтқыш тежеуін қамтамасыз етеді. Бұл регенеративті тежеудің орнына қолмен таңдалады. Тежеу кезінде, батареяның потенциалды зиянды деңгейге жақындағанда, электрондық басқару жүйесі автоматты түрде дәстүрлі қозғалтқыш тежеуіне ауысады, MG2-ден қуат алып, MG1-ге жіберіп, газ педалі жабық күйде қозғалтқышты жылдамдатып, энергияны сіңіріп, көлікті баяулатады.
Электр күшейтуі: Батарея жинағы қозғалтқышқа түсетін сұранысты алдын ала белгіленген оңтайлы жүктеме қисығымен сәйкестіруге мүмкіндік беретін энергия қоры қызметін атқарады, емес, жүргізуші мен жол талап ететін айналу моменті мен жылдамдықпен жұмыс істемейді. Компьютер батареяда сақталатын энергия деңгейін басқарады, қажет болған жағдайда қосымша энергияны сіңіруге немесе қозғалтқыш қуатын күшейту үшін қосымша энергияны беруге мүмкіндік береді.

The HSD operates in distinct phases depending on speed and demanded torque. Here are a few of them:
Battery charging: The HSD can charge its battery without moving the car, by running the engine and extracting electrical power from MG1. The power gets shunted into the battery, and no torque is supplied to the wheels. The onboard computer does this when required, for example when stopped in traffic or to warm up the engine and catalytic converter after a cold start. Engine start: To start the engine, power is applied to MG1 to act as a starter. Because of the size of the motor generators, starting the engine is relatively fast and requires relatively little power from MG1. Additionally, the conventional starter motor sound is not heard. Engine start can occur while stopped or moving. Reverse gear (equivalent): There is no reverse gear as in a conventional gearbox: the computer reverses the phase sequence to AC motor generator MG2, applying negative torque to the wheels. Early models did not supply enough torque for some situations: there have been reports of early Prius owners not being able to back the car up steep hills in San Francisco. The problem has been fixed in recent models. If the battery is low, the system can simultaneously run the engine and draw power from MG1, although this will reduce available reverse torque at the wheels. Neutral gear (equivalent): Most jurisdictions require automotive transmissions to have a neutral gear that decouples the engine and transmission. The HSD "neutral gear" is achieved by turning the electric motors off. Under this condition, the planetary gear is stationary (if the vehicle wheels are not turning); if the vehicle wheels are turning, the ring gear will rotate, causing the sun gear to rotate as well (the engine inertia will keep the carrier gear stationary unless the speed is high), while MG1 is free to rotate while the batteries do not charge. The owners manual warns that Neutral gear will eventually drain the battery, resulting in "unnecessary" engine power to recharge batteries; a discharged battery will render the vehicle inoperable. EV operation: At slow speeds and moderate torques the HSD can operate without running the internal combustion engine at all: electricity is supplied only to MG2, allowing MG1 to rotate freely (and thus decoupling the engine from the wheels). This is popularly known as "Stealth Mode". Provided that there is enough battery power, the car can be driven in this silent mode for some miles even without gasoline. Low gear (equivalent): When accelerating at low speeds in normal operation, the engine turns more rapidly than the wheels but does not develop sufficient torque. The extra engine speed is fed to MG1 acting as a generator. The output of MG1 is fed to MG2, acting as a motor and adding torque at the driveshaft. High gear (equivalent): When cruising at high speed, the engine turns more slowly than the wheels but develops more torque than needed. MG2 then runs as a generator to remove the excess engine torque, producing power that is fed to MG1 acting as a motor to increase the wheel speed. In steady state, the engine provides all of the power to propel the car unless the engine is unable to supply it (as during heavy acceleration, or driving up a steep incline at high speed). In this case, the battery supplies the difference. Whenever the required propulsion power changes, the battery quickly balances the power budget, allowing the engine to change power relatively slowly. Regenerative braking: By drawing power from MG2 and depositing it into the battery pack, the HSD can simulate the deceleration of normal engine braking while saving the power for future boost. The regenerative brakes in an HSD system absorb a significant amount of the normal braking load, so the conventional brakes on HSD vehicles are undersized compared to brakes on a conventional car of similar mass and last significantly longer. Engine braking: The HSD system has a special transmission setting labelled 'B' (for Brake), that takes the place of a conventional automatic transmission's 'L' setting, providing engine braking on hills. This can be manually selected in place of regenerative braking. During braking, when the battery is approaching potentially damaging high charge levels, the electronic control system automatically switches to conventional engine braking, drawing power from MG2 and shunting it to MG1, speeding the engine with throttle closed to absorb energy and decelerate the vehicle. Electric boost: The battery pack provides a reservoir of energy that allows the computer to match the demand on the engine to a predetermined optimal load curve, rather than operating at the torque and speed demanded by the driver and road. The computer manages the energy level stored in the battery, so as to have capacity to absorb extra energy where needed or supply extra energy to boost engine power.

Prius платформасының ұрпақтары

Toyota Hybrid System / Hybrid Synergy Drive дизайны 1997 жылғы жапондық Toyota Prius моделінен бастап бес буынға жетті. Көліктік жүйедегі негізгі қасиеттер сақталған, бірақ көптеген маңызды жақсартулар енгізілді. Схемалық суреттер екі электрмотор-генераторлар MG1 және MG2, ішкі жану қозғалтқышы (ICE) және планеталық «Қуатты бөлу құрылғысы» элементтері арқылы алдыңғы дөңгелектер арасындағы қуат ағынының жолдарын көрсетеді. Ішкі жану қозғалтқышы жеке дөңгелектерге емес, планеталық механизмнің корпусына қосылған. Дөңгелектер планеталық механизмнің сыртқы тісті шеңберімен байланыстырылған. Жылдамдықтың батареясының арнайы сыйымдылығы үздіксіз және біртіндеп жақсарып келеді. Алғашқы Prius 1,2 вольттық D элементтерін пайдаланған, ал барлық келесі THS/HSD көліктерінде тасымалдағышқа орнатылған 7,2 В батарея модульдері қолданылған. Бастапқы Prius буындары үшін Toyota Hybrid System деп аталған THS, 2004 жылғы Prius-те THS II-ге ауыстырылды, ал кейінгі нұсқалары Hybrid Synergy Drive деп аталды. Toyota Hybrid System батарея жинағының кернеуіне тәуелді болды: 276 және 288 В. Hybrid Synergy Drive батареяның қуатын 500 В немесе одан да жоғары деңгейге көтеретін DC-DC түрлендіргішін қосады. Бұл кішкентайрақ батарея жинақтарын және қуаттырақ моторларды пайдалануға мүмкіндік береді.

Гибридті синергиялық қозғалтқыш (HSD)

HSD құрамына кірмегенмен, 2004 жылғы Prius-тен бастап барлық HSD көліктерінде дәстүрлі қозғалтқышпен жұмыс істейтін типтің орнына электрлік кондиционер компрессоры орнатылған. Бұл кабинаны салқындату қажет болғанда қозғалтқышты үздіксіз іске қосу қажеттілігін жояды. Қозғалтқыштан берілетін жылуды толықтыру үшін жылытқыш ядросына оң температуралық коэффициенті бар екі жылытқыш орнатылған. 2005 жылы Lexus RX 400h және Toyota Highlander Hybrid сияқты көліктер артқы осқа үшінші электрмоторды ("MGR") қосу арқылы толық жетекке ие болды. Бұл жүйеде артқы ось толығымен электр қуатымен жұмыс істейді және қозғалтқыш пен артқы дөңгелектер арасында ешқандай механикалық байланыс жоқ. Бұл сонымен қатар артқы дөңгелектерде регенеративті тежеуді мүмкін етеді. Сонымен қатар, мотор (MG2) екінші планетарлық беріліс жиынтығы арқылы алдыңғы дөңгелектің трансмиссиясымен байланысады, осы арқылы мотордың қуат тығыздығын арттыруға болады.

Үшінші буын

Toyota компаниясының бас директоры Кацуаки Ватанабе 2007 жылғы 16 ақпандағы сұхбатында Toyota компаниясының "үшінші буын HSD жүйесінің көлемін және құнын жартысына дейін азайтуды мақсат етіп отырғанын" айтты. Жаңа жүйе кейінгі жылдары литий-ионды батареялармен жабдықталады. Литий-ионды батареялар NiMH батареяларымен салыстырғанда салмағына шаққандағы энергия сыйымдылығы жоғарырақ, бірақ олар жоғары температурада жұмыс істейді және дұрыс өндірілмесе және бақыланбаса, жылулық тұрақсыздыққа бейім, бұл қауіпсіздік туралы алаңдаушылықтарды тудырады.

Төртінші буын

2015 жылдың 13 қазанында Toyota 2016 жылғы модель жылында ұсынылатын Төртінші буын гибридтік Синергиялық жетек туралы толық мәліметтерді жариялады. Трансмиссия және жетек моторы жаңадан жобаланып, олардың біріктірілген салмағы азайтылды. Жетек моторы өте ықшамдалған, қуат пен салмақ арақатынасы жақсартылған. Алдыңғы модельмен салыстырғанда, үйкелістен туындаған механикалық шығындар 20 пайызға төмендеді. Мотор айналу жылдамдығын төмендету құрылғысы (үшінші буын P410 және P510 трансмиссияларында ғана кездесетін екінші планетарлық беріліс жиынтығы), жетек моторын тікелей қуатты бөлу құрылғысына, одан кейін доңғалақтарға қосатын, төртінші буын P610 трансмиссиясында параллель берілістермен алмастырылды. 2012 жылғы Prius c P510 трансмиссиясын сақтайды. P610 трансмиссиясында бұрынғы трансмиссияларда қолданылған тік тісті берілістердің орнына спиральді тісті берілістер қолданылады, олар тегіс және тыныш жұмыс істейді, сонымен қатар жоғары механикалық жүктемелерге төтеп береді. Төртінші буын HSD-мен Toyota төрт доңғалақты жетек нұсқасын ұсынады, ол "E Four" деп аталады, онда артқы жетек моторы электрондық түрде басқарылады, бірақ алдыңғы инвертормен механикалық байланысы жоқ. Шындығында, "E Four" жүйесінің жеке артқы инверторы бар, бірақ бұл инвертор алдыңғы инвертормен бірдей гибридтік батареядан қуат алады. "E Four" 2019 жылғы модель жылында АҚШ-тағы Prius модельдерінде қолданыла бастады. "E Four" АҚШ-та ұсынылатын RAV4 гибридті модельдерінің құрамдас бөлігі болып табылады, және барлық RAV4 гибридтері тек "E Four" нұсқасында шығарылады.

Антонов

2005 жылдың күзінен бастап "Антонов Автомобиль Технологиясы BV Plc" компаниясы "Лексус" брендінің негізін қалаушы "Тойота" компаниясын RX 400h машинасының күш беріліс құрылымының (drivetrain) және Toyota Prius гибридтік шағын автокөлігінің негізгі компоненттеріне қатысты патенттік құқық бұзушылық жасады деген айыппен сотқа берді. Бұл іс 2005 жылдың сәуірінен бері жасырын түрде қаралып келеді, бірақ тараптардың келіссөздері ешқандай уағдаластыққа келмеді. "Антонов" компаниясы соңында Германия сот жүйесіне жүгінді, онда шешімдер әдетте тез қабылданады. Патент иесі сатылатын әрбір көлікке алым салуды талап етеді, бұл гибридтік SUV-дың бәсекеге қабілеттілігін төмендетуі мүмкін. "Тойота" компаниясы "Антоновтың" тиісті патенттерін ресми түрде жарамсыз деп жариялауға тырысты. Сотқа ұсынылған құжатты Microsoft Word форматында осы жерден оқуға болады. 2006 жылдың 1 қыркүйегінде "Антонов" компаниясы Мюнхендегі Федералды патенттік соттың "Антоновтың" патентінің (EP0414782) неміс бөлігінің "Тойотаға" қарсы жарамдылығын растамағанын хабарлады. Бірнеше күннен кейін Дюссельдорф соты "Toyota Prius" және "Lexus RX 400h" машиналарының күш беріліс құрылымы "Антоновтың" гибридтік CVT патентін бұзбайды деген шешім шығарды.

Форд

Ford Motor Company компаниясы 2004 жылы Toyota-ның HSD технологиясына ұқсас негізгі технологияларды дамытты. Соның нәтижесінде Ford компаниясы Toyota-дан 21 патентті лицензияға алып, оның орнына қағаздық эмиссияны азайту технологияларына қатысты патенттерін ұсынды.

Бейбітшілік

Paice LLC компаниясы басқарылатын айналымды момент беру құрылымы бар жақсартылған гибридтік көлікке патент алды және гибридтік көліктерге қатысты қосымша патенттерге ие. 2010 жылы Toyota Пайс компаниясының патенттерін лицензиялауға келісті; келісім шарттары жарияланбады. Келісімде: «Тараптар келіседі, кейбір Toyota көліктері Пайс патентіне балама деп табылғанымен, Toyota Prius және Toyota гибридтік технологиясын доктор Северинский мен Пайс өнертабыстарына тәуелсіз, Toyota-ның ұзақ жылдарға созылған инновациялық тарихының бір бөлігі ретінде өзі ойлап тапты, жобалады және жасады». Пайс бұрын Фордпен Пайс патентін лицензиялау туралы келісім жасаған.

Басқа будандармен салыстыру

Toyota-ға үлестік қатысы бар Aisin Seiki Co. Ford Escape гибриді және Ford Fusion гибриді үшін "Powersplit" e CVT ретінде пайдалануға арналған HSD беріліс жүйесінің нұсқаларын Ford компаниясына жеткізеді. Nissan компаниясы Toyota-ның HSD технологиясын Nissan Altima гибридінде пайдалану үшін лицензиялады, сондай-ақ Toyota Camry Hybrid-те қолданылатын бірдей Aisin Seiki T110 трансакселін пайдаланды. 2011 жылғы Infiniti M35h бір электр қозғалтқышы және екі муфтадан тұратын басқа жүйені қолданады. 2010 жылы Toyota және Mazda Toyota Prius моделінде қолданылатын гибридтік технологияны жеткізу туралы келісімге келді. General Motors, DaimlerChrysler және BMW компанияларының жаһандық гибридтік ынтымақтастығы да осыған ұқсас, себебі ол бір қозғалтқыш пен екі электр қозғалтқышының қуатын біріктіреді. 2009 жылы Президенттің автоөнеркәсіп жөніндегі арнайы тобы "GM компаниясы "жасыл" қуат агрегаттарын дамытуда Toyota-дан кем дегенде бір буын қалып қойғанын" мәлімдеді. Ал Honda-ның Integrated Motor Assist жүйесінде дәстүрлі ICE және беріліс қорабы қолданылады, онда инерциялық дөңгелек электр қозғалтқышымен алмастырылады, соның салдарынан дәстүрлі беріліс қорабының күрделілігі сақталады.

Қосалқы нарық

Кейбір ерте өндіріске жатпайтын плагин-гибридтік электр көліктерінің түрлендірулері 2004 және 2005 жылғы Prius модельдерінде кездесетін HSD нұсқасына негізделген. CalCars жүзеге асырған алғашқы қорғасын-қышқыл аккумуляторларын түрлендіру 10 миль (16 км) электр режимінде және 20 миль (32 км) аралас режимде жүру мүмкіндігін көрсетті. EDrive Systems деп аталатын, тұтынушыларға түрлендіру ұсынуды жоспарлап отырған компания Valence Li-ion аккумуляторларын пайдаланады және 35 миль (56 км) электрмен жүру қашықтығына ие. Бұл екі жүйе де қазіргі HSD жүйесін көбінесе өзгеріссіз қалдырады және басқа гибридтік қуат жүйелеріне де ұқсас қолданылуы мүмкін. Мұны істеу үшін, штаттық NiMH аккумуляторларын жоғары сыйымдылықтағы аккумуляторлармен және оларды стандартты үй розеткаларынан шамамен 1 мильге 0,03 доллардан зарядтауға мүмкіндік беретін зарядтағышпен алмастыру қажет.