Unidad de sinergia híbrida

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Logotipo de HSD

Hybrid Synergy Drive ( HSD ), también conocido como Toyota Hybrid System II , es la marca de Toyota Motor Corporation para la tecnología de tren de transmisión de automóviles híbridos utilizada en vehículos con las marcas Toyota y Lexus . Introducida por primera vez en el Prius , la tecnología es una opción en varios otros vehículos Toyota y Lexus y se ha adaptado para el sistema de propulsión eléctrica del Mirai impulsado por hidrógeno y para una versión híbrida enchufable del Prius . Anteriormente, Toyota también otorgó la licencia de su tecnología HSD a Nissan para su uso en suNissan Altima Híbrido. Su proveedor de repuestos Aisin Seiki Co. ofrece transmisiones híbridas similares a otras compañías automotrices.

La tecnología HSD produce un vehículo completamente híbrido que permite que el automóvil funcione solo con el motor eléctrico, a diferencia de la mayoría de los híbridos de otras marcas que no pueden y se consideran híbridos suaves . El HSD también combina un accionamiento eléctrico y un engranaje planetario que funciona de manera similar a una transmisión continuamente variable . El Synergy Drive es un sistema de conducción por cable sin conexión mecánica directa entre el motor y los controles del motor: tanto el pedal del acelerador / acelerador como la palanca de cambio de velocidades en un automóvil HSD simplemente envían señales eléctricas a una computadora de control .

Logotipo de LHD

HSD es un refinamiento del Toyota Hybrid System ( THS ) original utilizado en el Toyota Prius de 1997 a 2003. El sistema de segunda generación apareció por primera vez en el Prius rediseñado en 2004. El nombre se cambió anticipándose a su uso en vehículos fuera de la marca Toyota ( Lexus ; los sistemas derivados de HSD utilizados en los vehículos Lexus se han denominado Lexus Hybrid Drive ), se implementó en el Camry 2006 , y eventualmente se implementaría en el Prius de "tercera generación" de 2010 y el Prius c de 2012. El sistema híbrido de Toyota está diseñado para aumentar la potencia y la eficiencia, y también mejorar la "escalabilidad" (adaptabilidad a vehículos más grandes y pequeños), donde el ICE / MG1 y el MG2 tienen rutas de reducción separadas y se combinan en un "compuesto". engranaje que está conectado al tren de engranajes de reducción final y al diferencial; ^[1] se introdujo en los modelos Lexus de tracción total y tracción trasera . ^{[2] [3]} En mayo de 2007, Toyota había vendido un millón de híbridos en todo el mundo; dos millones a finales de agosto de 2009; y superó la marca de los 5 millones en marzo de 2013. ^{[4] [5]} En septiembre de 2014 ^[actualizar], se habían vendido más de 7 millones de híbridos Lexus y Toyota en todo el mundo. ^[6]Estados Unidos representó el 38% de las ventas híbridas mundiales de TMC a marzo de 2013 ^[actualizar]. ^[5]

Principio

Motor Toyota 1NZ-FXE (izquierda) con HSD temprano, seccionado y resaltado (derecha). Se muestra el HSD del dispositivo de división de potencia ICE-MG1-MG2 de generación 1 / generación 2, encadenado.

El sistema HSD de Toyota reemplaza una transmisión de engranajes normal con un sistema electromecánico . Un motor de combustión interna (ICE) proporciona potencia de manera más eficiente en un rango de velocidad pequeño , pero las ruedas deben manejarse en el rango de velocidad completo del vehículo. En un automóvil convencional, la transmisión de engranajes proporciona a las ruedas diferentes requisitos discretos de potencia de par y velocidad del motor. Las transmisiones con engranajes pueden ser manuales, con embrague , o automáticas, con convertidor de par , pero ambas permiten que el motor y las ruedas giren a diferentes velocidades. El conductor puede ajustar la velocidad y el par entregado por el motor con el aceleradory la transmisión transmite mecánicamente casi toda la potencia disponible a las ruedas que giran a una velocidad diferente a la del motor, en un factor igual a la relación de transmisión para la marcha seleccionada actualmente. Sin embargo, hay un número limitado de "marchas" o relaciones de cambio entre las que el conductor puede elegir, normalmente de cuatro a seis. Este conjunto de relación de transmisión limitada obliga al cigüeñal del motor a girar a velocidades en las que el ICE es menos eficiente, es decir, en las que un litro de combustible produce menos julios. Los requisitos óptimos de par de velocidad del motor para diferentes condiciones de conducción y aceleración del vehículo se pueden medir limitando cualquiera de los tacómetrosRPM o ruido del motor en comparación con la velocidad real. Cuando se requiere que un motor funcione de manera eficiente en un amplio rango de RPM, debido a su acoplamiento a una transmisión de engranajes, los fabricantes tienen opciones limitadas para mejorar la eficiencia , confiabilidad o vida útil del motor , así como para reducir el tamaño o el peso del motor. . Esta es la razón por la que el motor de un motor-generador suele ser mucho más pequeño, más eficiente, más confiable y de mayor duración que uno diseñado para un automóvil u otra aplicación de velocidad variable.

Sin embargo, una transmisión continuamente variable permite al conductor (o la computadora del automóvil) seleccionar efectivamente la relación de transmisión óptima requerida para cualquier velocidad o potencia deseada. La transmisión no se limita a un conjunto fijo de engranajes. Esta falta de restricción libera al motor para que funcione con su consumo de combustible específico de freno óptimo . Un vehículo HSD generalmente hará funcionar el motor con su eficiencia óptima siempre que se necesite energía para cargar las baterías o acelerar el automóvil, apagando el motor por completo cuando se requiera menos energía.

Al igual que una CVT , una transmisión HSD ajusta continuamente la relación de transmisión efectiva entre el motor y las ruedas para mantener la velocidad del motor mientras las ruedas aumentan su velocidad de rotación durante la aceleración. Esta es la razón por la que Toyota describe los vehículos equipados con HSD como que tienen una e-CVT ( transmisión electrónica continuamente variable ) cuando se requiere para clasificar el tipo de transmisión para listas de especificaciones de estándares o propósitos regulatorios.

Flujos de energía

En un diseño de automóvil convencional, el alternador excitado por separado con rectificador integral (generador de CC) y arrancador (motor de CC) se consideran accesorios que están conectados al motor de combustión interna (ICE) que normalmente impulsa una transmisión para accionar las ruedas que impulsan el vehículo. Una batería se usa solo para arrancar el motor de combustión interna del automóvil y hacer funcionar los accesorios cuando el motor no está funcionando. El alternador se utiliza para recargar la batería y hacer funcionar los accesorios cuando el motor está en marcha.

El sistema HSD reemplaza la transmisión de engranajes, el alternador y el motor de arranque por:

• MG1 , un motor-generador de CA que tiene un rotor de imán permanente , ^[7] utilizado como motor al arrancar el ICE y como generador (alternador) cuando se carga la batería de alto voltaje.
• MG2 , un motor-generador de CA, que también tiene un rotor de imán permanente, utilizado como motor de accionamiento primario y como generador (alternador), cuya energía de regeneración se dirige a la batería de alto voltaje. MG2 es generalmente el más potente de los dos motores-generadores.
• Electrónica de potencia , incluidos tres inversores CC-CAy dos convertidores CC-CC
• Sensores y sistema de control computarizado
• HVB , una batería de alto voltaje genera energía eléctrica durante la aceleración y absorbe energía eléctrica durante el frenado de regeneración

A través del divisor de potencia, el sistema HSD de un híbrido completo en serie paralelo permite los siguientes flujos de potencia inteligentes: ^[8]

• Fuente auxiliar
  • HVB -> Convertidor DC-DC -> Batería de 12VDC
  • Batería de 12VDC -> Varias funciones auxiliares estándar y automáticas de ahorro de energía
• Carga del motor (Recarga y / o catalizador de calefacción y / o HVAC de confort interior)
  • HIELO -> MG1 -> HVB
• Unidad de batería o EV
  • HVB -> MG2 -> ruedas
• Motor y accionamiento del motor (aceleración moderada)
  • ICE -> ruedas
  • ICE -> MG1 -> MG2 -> ruedas
• Accionamiento por motor con carga (conducción en carretera)
  • ICE -> ruedas
  • HIELO -> MG1 -> HVB
• Motor y accionamiento del motor con carga (situación de gran potencia, como en colinas empinadas)
  • ICE -> ruedas
  • HIELO -> MG1 -> HVB
  • ICE -> MG1 -> MG2 -> ruedas
• Potencia total o ralentización gradual (situaciones de potencia máxima)
  • ICE -> ruedas
  • ICE -> MG1 -> MG2 -> ruedas
  • HVB -> MG2 -> ruedas
• Frenado en modo B
  • Ruedas -> MG2 -> HVB
  • Ruedas -> MG1 -> ICE (ECU - Unidad de control electrónico - usa MG1 para hacer girar el ICE que agota la batería - permitiendo más carga de MG2, y también conecta el ICE a las ruedas causando "frenado del motor"; ICE RPM aumenta cuando el nivel de carga de HVB es demasiado para aceptar la electricidad de regeneración de MG2, o un mayor esfuerzo por parte del conductor presionando el pedal del freno)
• Frenado regenerativo
  • ruedas -> MG2 -> HVB
• Frenado fuerte
  • Disco delantero / tambor trasero (disco trasero en Reino Unido) -> ruedas
  • Todos los discos -> ruedas (2010 y posteriores, excepto el Prius c actual de 2012, que usa disco delantero y tambor trasero).

Electrónica de potencia del Prius NHW11 "Classic"

MG1 y MG2

• MG1 (Motor-generador primario): Un motor para arrancar el ICE y un generador para generar energía eléctrica para MG2 y para recargar la batería de tracción de alto voltaje y, a través de un convertidor de CC a CC , para recargar la batería auxiliar de 12 voltios. . Mediante la regulación de la cantidad de energía eléctrica generada (variando el par y la velocidad mecánica de MG1), MG1 controla efectivamente el transeje 'S transmisión de variación continua .
• MG2 (motor-generador secundario): impulsa las ruedas y regenera energía para el almacenamiento de energía de la batería HV mientras frena el vehículo. MG2 acciona las ruedas con energía eléctrica generada por el MG1 accionado por motor y / o el HVB. Durante el frenado regenerativo, MG2 actúa como generador, convirtiendo la energía cinética en energía eléctrica, almacenando esta energía eléctrica en la batería.

Transmisión

Toyota HSD tardío, seccionado y resaltado. Se muestra el dispositivo de división de potencia ICE-MG1, sin cadena, de generación 3 / dispositivo de reducción de velocidad del motor MG2, HSD. Este es un transeje P510, de un 2012– Prius c; un transeje P410, de un Prius 2010-2015, es similar, pero es físicamente más grande; Un transeje P610 Generación 4 de un Prius 2016 es 47 mm más estrecho que un P410 al implementar motores de lado a lado en lugar de motores de extremo a extremo.

El diseño de engranajes mecánicos del sistema permite que la potencia mecánica del ICE se divida de tres maneras: par adicional en las ruedas (bajo velocidad de rotación constante), velocidad de rotación adicional en las ruedas (bajo par constante) y potencia para un generador eléctrico. . Una computadora que ejecuta los programas apropiados controla los sistemas y dirige el flujo de energía de las diferentes fuentes de motor + motor. Esta división de potencia logra los beneficios de una transmisión continuamente variable (CVT), excepto que la conversión de par / velocidad utiliza un motor eléctrico en lugar de una conexión mecánica directa del tren de engranajes. Un automóvil HSD no puede funcionar sin la computadora, la electrónica de potencia, el paquete de baterías y los generadores de motor, aunque en principio podría funcionar sin el motor de combustión interna. (Ver: híbrido enchufable) En la práctica, los automóviles equipados con HSD se pueden conducir una o dos millas sin gasolina, como medida de emergencia para llegar a una estación de servicio .

Un transeje HSD contiene un conjunto de engranajes planetarios que ajusta y combina la cantidad de torque del motor y los motores según lo necesiten las ruedas delanteras. Es una combinación sofisticada y complicada de engranajes, motores-generadores eléctricos y controles electrónicos controlados por computadora. Uno de los motores-generadores, MG2, está conectado al eje de salida y, por lo tanto, acopla el par hacia adentro o hacia afuera de los ejes de transmisión; la alimentación de electricidad al MG2 agrega torque a las ruedas. El extremo del motor del eje de transmisión tiene un segundo diferencial; una pata de este diferencial está conectada al motor de combustión interna y la otra pata está conectada a un segundo motor-generador, MG1. El diferencial relaciona la velocidad de rotación de las ruedas con las velocidades de rotación del motor y MG1, y MG1 se utiliza para absorber la diferencia entre la velocidad de la rueda y el motor. El diferencial es un conjunto de engranajes epicíclicos (también llamado "dispositivo de división de potencia"); eso y los dos motores-generadores están todos contenidos en una sola caja de transmisión que está atornillada al motor . Los acoplamientos y sensores especiales monitorean la velocidad de rotación de cada eje y el par total en los ejes de transmisión, para retroalimentación a la computadora de control. ^[9]

En los HSD de Generación 1 y Generación 2, MG2 está conectado directamente a la corona, es decir, una relación 1: 1, y no ofrece multiplicación de par, mientras que en los HSD de Generación 3, MG2 está conectado a la corona a través de un 2.5: 1 conjunto de engranajes planetarios, ^[10] y que, en consecuencia, ofrece una multiplicación de par de 2,5: 1, siendo este un beneficio principal del HSD Generación 3, ya que proporciona un MG2 más pequeño pero más potente. Sin embargo, un beneficio secundario es que el MG1 no se conducirá a exceso de velocidad con tanta frecuencia, y que de otro modo obligaría a emplear el ICE para mitigar este exceso de velocidad; esta estrategia mejora el rendimiento del HSD, además de ahorrar combustible y el desgaste del ICE.

Batería de alto voltaje

Batería de níquel-hidruro metálico (NiMH) de alto voltaje del Toyota Prius de segunda generación .

El sistema HSD tiene dos paquetes de baterías principales, la batería de alto voltaje (HV), también conocida como batería de tracción, y una batería de plomo-ácido de 12 voltios conocida como batería de bajo voltaje (LV), que funciona como batería auxiliar. La batería LV suministra energía a los componentes electrónicos y accesorios cuando el sistema híbrido está apagado y el relé principal de la batería de alto voltaje está apagado. ^{[11] [12]}

La batería de tracción es un sellado de níquel e hidruro metálico (NiMH) de la batería pack. El paquete de baterías del Toyota Prius de primera generación constaba de 228 celdas empaquetadas en 38 módulos, mientras que el Prius de segunda generación constaba de 28 módulos de hidruro metálico de níquel prismático Panasonic, cada uno con seis celdas de 1,2 voltios, conectadas en serie para producir un voltaje nominal de 201,6 voltios. La capacidad de potencia de descarga del paquete Prius de segunda generación es de aproximadamente 20 kW al 50% del estado de carga (SoC). La capacidad de potencia aumenta con temperaturas más altas y disminuye a temperaturas más bajas. El Prius tiene una computadora que se dedica exclusivamente a mantener la batería a la temperatura óptima y al nivel de carga óptimo. ^[13]

Al igual que el Prius de segunda generación, el paquete de baterías del Prius de tercera generación se compone del mismo tipo de celdas de 1,2 voltios. Tiene 28 módulos de 6 celdas para una tensión nominal total de solo 201,6 voltios. Se utiliza un convertidor elevador para producir voltaje de suministro de CC de 500 voltios para los inversores de MG1 y MG2. ^[11] La electrónica del automóvil solo permite el uso del 40% de la capacidad nominal total del paquete de baterías (6,5 amperios-hora) para prolongar la vida útil de la batería. Como resultado, el SoC puede variar solo entre el 40% y el 80% de la carga completa nominal. ^[11] La batería utilizada en el Highlander Hybrid y el Lexus RX 400h estaba empaquetada en una carcasa de batería de metal diferente con 240 celdas que entregan un alto voltaje de 288 voltios. ^[13]

Botón de modo EV en el Toyota Camry híbrido 2012 .

Un botón etiquetado como "EV" mantiene el modo de vehículo eléctrico después de encenderlo y en la mayoría de las condiciones de carga baja a menos de 40 km / h (25 mph) si la batería de tracción tiene suficiente carga. Esto permite una conducción totalmente eléctrica sin consumo de combustible hasta 1 mi (1,6 km). Sin embargo, el software HSD cambia automáticamente al modo EV siempre que puede. ^{[14] [15]} Solo el Toyota Prius híbrido enchufable tiene un rango de conducción totalmente eléctrico más largo en operación combinada eléctrica-gasolina de 11 millas (18 km) ( clasificación EPA ) hasta que se agota la batería. ^[16] El Prius PHEV está equipado con baterías de iones de litio de 4,4 kWh. co-desarrollado con Panasonic que pesa 80 kg (180 lb), en comparación con la batería de níquel e hidruro metálico de la tercera generación Prius , que tiene una capacidad de sólo 1,3 kWh, y pesa 42 kg (93 lb). El paquete de baterías más grande permite un funcionamiento totalmente eléctrico a velocidades más altas y distancias más largas que el Prius híbrido convencional. ^{[17] [18]}

La siguiente tabla detalla la capacidad de la batería HV para varios vehículos Lexus y Toyota. ^[19]

Vehículo	Año modelo	Capacidad de la batería ( kWh ) [19]	Tipo de Batería	Límite de carga de la batería ( kW ) [20]	Límite de descarga de la batería ( kW ) [21]
Lexus CT 200h	2011	1.3	NiMH
Lexus ES 300h	2013	1,6	NiMH
Lexus GS 450h	2013	1,9	NiMH
Lexus IS 300h	2013	1,6	NiMH	-28,5	24
Lexus LC 500h	2018	1.1	Li-ion
Lexus LS 600h L	2008	1,9	NiMH
Lexus RX 450h	2014	1,9	NiMH
Toyota Avalon Híbrido	2013	1,6	NiMH
Toyota Auris Híbrido	2014	1.3 [11]	NiMH	-25	21
Toyota Camry híbrido	2014	1,6	NiMH	-27	25,5
Toyota Camry híbrido	2018	1.6 / 1.0	NiMH / Li-ion
Toyota C-HR híbrido	2016	1.3	NiMH	-31,9	21
Toyota Corolla híbrido	2019	1,4 / 0,75	NiMH / Li-ion
Toyota Highlander Híbrido	2014	1,9	NiMH
Toyota Mirai ( FCV )	2015	1,6 [22]	NiMH
Toyota Prius	2010	1.3	NiMH	-25	21
Toyota Prius	2016	1,2 / 0,75	NiMH / Li-ion	-31,9	21
Toyota Prius c	2014	0,9	NiMH
Toyota Prius v	2014	1.3 / 1.0	NiMH / Li-ion
Toyota Prius PHV	2014	4.4 [18]	Li-ion
Toyota Prius Prime	2016	8.8	Li-ion
Toyota RAV4	2015	1,6	NiMH	-27	25,5
Toyota RAV4	2019	1,6	NiMH
Toyota Yaris Híbrido	2014	0,9 [23]	NiMH
Toyota Yaris Híbrido	2020	0,76	Li-ion	-35	20

Operación

El variador HSD funciona desviando la energía eléctrica entre los dos generadores de motor, ejecutando el paquete de baterías, para nivelar la carga en el motor de combustión interna. Dado que un aumento de potencia de los motores eléctricos está disponible para períodos de aceleración rápida, el ICE puede reducirse para igualar solo la carga promedio en el automóvil, en lugar de dimensionarse según las demandas de potencia máxima para una aceleración rápida. El motor de combustión interna más pequeño puede diseñarse para funcionar de manera más eficiente. Además, durante el funcionamiento normal, el motor puede funcionar a o cerca de su velocidad y nivel de par ideales para potencia, economía o emisiones, con la batería absorbiendo o suministrando energía según corresponda para equilibrar la demanda del conductor.. Durante las paradas de tráfico, el motor de combustión interna se puede incluso apagar para ahorrar aún más.

La combinación de un diseño de automóvil eficiente, frenado regenerativo, apagado del motor para paradas de tráfico, almacenamiento significativo de energía eléctrica y un diseño eficiente del motor de combustión interna le dan al automóvil impulsado por HSD importantes ventajas de eficiencia, particularmente en la conducción en ciudad.

Fases de funcionamiento

Una configuración típica de Hybrid Synergy Drive

El HSD opera en distintas fases dependiendo de la velocidad y el par requerido. Éstos son algunos de ellos:

• Carga de la batería : el HSD puede cargar su batería sin mover el automóvil, haciendo funcionar el motor y extrayendo energía eléctrica del MG1. La potencia se deriva a la batería y no se suministra torque a las ruedas. La computadora de a bordo hace esto cuando es necesario, por ejemplo, cuando se detiene en el tráfico o para calentar el motor y el convertidor catalítico después de un arranque en frío.
• Arranque del motor : para arrancar el motor, se aplica energía al MG1 para que actúe como motor de arranque. Debido al tamaño de los generadores de motor, arrancar el motor es relativamente rápido y requiere relativamente poca energía del MG1. Además, no se escucha el sonido del motor de arranque convencional . El arranque del motor puede ocurrir mientras está parado o en movimiento.
• Marcha atrás (equivalente) : No hay marcha atrás como en una caja de cambios convencional: la computadora invierte la secuencia de fase al motor-generador AC MG2, aplicando par negativo a las ruedas. Los primeros modelos no proporcionaban suficiente torque para algunas situaciones: ha habido informes de que los primeros propietarios de Prius no podían retroceder con el automóvil en colinas empinadas en San Francisco . El problema se ha solucionado en modelos recientes. Si la batería está baja, el sistema puede hacer funcionar el motor y extraer energía del MG1 simultáneamente, aunque esto reducirá el par de torsión inverso disponible en las ruedas.
• Marcha neutra (equivalente) : la mayoría de las jurisdicciones requieren que las transmisiones automotrices tengan una marcha neutra que desacople el motor y la transmisión. La "marcha neutral" HSD se logra apagando los motores eléctricos. En esta condición, el engranaje planetario está parado (si las ruedas del vehículo no giran); Si las ruedas del vehículo están girando, la corona girará, lo que hará que el engranaje solar también gire (la inercia del motor mantendrá el engranaje portador estacionario a menos que la velocidad sea alta), mientras que el MG1 puede girar libremente mientras las baterías no se cargan. . El manual del propietario ^[24] advierte que la marcha neutra eventualmente agotará la batería, resultando en una potencia del motor "innecesaria" para recargar las baterías; una batería descargada inutilizará el vehículo.

Unidad híbrida Lexus

• Operación EV : a velocidades lentas y pares moderados, el HSD puede funcionar sin hacer funcionar el motor de combustión interna en absoluto: la electricidad se suministra solo a MG2, lo que permite que MG1 gire libremente (y, por lo tanto, desacopla el motor de las ruedas). Esto se conoce popularmente como "Modo sigiloso". Siempre que haya suficiente carga de batería, el automóvil se puede conducir en este modo silencioso durante algunos kilómetros incluso sin gasolina.
• Marcha baja (equivalente) : cuando se acelera a bajas velocidades en funcionamiento normal, el motor gira más rápidamente que las ruedas pero no desarrolla suficiente par. La velocidad adicional del motor se alimenta a MG1 que actúa como generador. La salida de MG1 se alimenta a MG2, actuando como un motor y agregando par en el eje de transmisión.
• Marcha alta (equivalente) : cuando navega a alta velocidad, el motor gira más lentamente que las ruedas pero desarrolla más torque del necesario. Luego, MG2 funciona como un generador para eliminar el par motor sobrante, produciendo energía que se alimenta a MG1 que actúa como un motor para aumentar la velocidad de la rueda. En estado estable, el motor proporciona toda la potencia para propulsar el automóvil a menos que el motor no pueda suministrarlo (como durante una aceleración fuerte o al subir una pendiente pronunciada a alta velocidad). En este caso, la batería aporta la diferencia. Siempre que cambia la potencia de propulsión requerida, la batería equilibra rápidamente el presupuesto de potencia, lo que permite que el motor cambie de potencia con relativa lentitud.
• Frenado regenerativo : al extraer energía del MG2 y depositarla en el paquete de baterías, el HSD puede simular la desaceleración del frenado normal del motor mientras ahorra energía para un impulso futuro. Los frenos regenerativos en un sistema HSD absorben una cantidad significativa de la carga de frenado normal, por lo que los frenos convencionalesde los vehículos HSD tienen un tamaño inferior al de los frenos de un automóvil convencional de masa similar y duran significativamente más.
• Frenado del motor : el sistema HSD tiene una configuración de transmisión especial etiquetada como 'B' (para freno), que reemplazala configuración de 'L'de una transmisión automática convencional, proporcionando frenado del motor en pendientes. Esto se puede seleccionar manualmente en lugar del frenado regenerativo. Durante el frenado, cuando la batería se acerca a niveles altos de carga potencialmente dañinos, el sistema de control electrónico cambia automáticamente al frenado del motor convencional, extrayendo energía de MG2 y desviándola a MG1, acelerando el motor con el acelerador cerrado para absorber energía y desacelerar el vehículo.
• Impulso eléctrico : el paquete de baterías proporciona una reserva de energía que permite a la computadora ajustar la demanda del motor a una curva de carga óptima predeterminada, en lugar de operar al par y la velocidad exigidos por el conductor y la carretera. La computadora administra el nivel de energía almacenado en la batería, de modo que tenga la capacidad de absorber energía adicional donde sea necesario o suministrar energía adicional para aumentar la potencia del motor.

Rendimiento

El Toyota Prius tiene una aceleración modesta pero una eficiencia extremadamente alta para un sedán de cuatro puertas de tamaño mediano: por lo general, significativamente mejor que 40 mpg (EE. UU.) (5,9 l / 100 km) es típico de breves paseos por la ciudad; 55 mpg (4,3 l / 100 km) no son infrecuentes, especialmente para recorridos prolongados a velocidades moderadas (un recorrido más largo permite que el motor se caliente por completo). Esto es aproximadamente el doble de la eficiencia de combustible de un sedán de cuatro puertas equipado de manera similar con un tren de fuerza convencional. No toda la eficiencia adicional del Prius se debe al sistema HSD: el motor de ciclo Atkinson en sí también fue diseñado específicamente para minimizar la resistencia del motor a través de un cigüeñal descentrado para minimizar la resistencia del pistón durante la carrera de potencia.y un sistema de admisión único para evitar el arrastre causado por el vacío del colector ("pérdidas de bombeo") en comparación con el ciclo Otto normal en la mayoría de los motores. Además, el ciclo Atkinson recupera más energía por ciclo que el Otto debido a su carrera de potencia más larga. La desventaja del ciclo de Atkinson es un par mucho más reducido, particularmente a baja velocidad; pero el HSD tiene un par enorme a baja velocidad disponible en MG2.

El Highlander Hybrid (también vendido como Kluger en algunos países) ofrece un mejor rendimiento de aceleración en comparación con su versión no híbrida. La versión híbrida va de 0 a 60 mph en 7.2 segundos, reduciendo casi un segundo el tiempo de la versión convencional. La potencia neta es de 268 CV ​​(200 kW) en comparación con los 215 CV (160 kW) convencionales. La velocidad máxima para todos los montañeses está limitada a 180 km / h (112 mph). La economía de combustible típica de la Highlander Hybrid varía entre 27 y 31 mpg (8,7 a 7,6 l / 100 km). Una Highlander convencional está clasificada por la EPA con 19 mpg en ciudad y 25 en carretera (12,4 y 9,4 l / 100 km respectivamente).

Visualización en corte del HSD Nota: Generación 1 / Generación 2, encadenado, ICE-MG1-MG2 Power Split Device HSD se muestra

El aumento de kilometraje del HSD depende del uso del motor de gasolina de la manera más eficiente posible, lo que requiere:

• unidades extendidas , especialmente en invierno: calentar la cabina interna para los pasajeros va en contra del diseño del HSD. El HSD está diseñado para generar la menor cantidad de calor residual posible. En un automóvil convencional, este calor residual en invierno se usa generalmente para calentar la cabina interna. En el Prius, hacer funcionar el calentador requiere que el motor continúe funcionando para generar calor utilizable en la cabina. Este efecto es más notable cuando se apaga el control de clima (calefacción) cuando el automóvil está parado con el motor en marcha. Normalmente, el sistema de control HSD apagará el motor porque no es necesario y no lo volverá a arrancar hasta que el generador alcance la velocidad máxima.
• Aceleración moderada : debido a que los automóviles híbridos pueden acelerar o apagar completamente el motor durante una aceleración moderada, pero no rápida, son más sensibles que los automóviles convencionales al estilo de conducción. La aceleración fuerte fuerza al motor a un estado de alta potencia, mientras que la aceleración moderada mantiene el motor en un estado de baja potencia y alta eficiencia (aumentado por el impulso de la batería).
• Frenado gradual : los frenos regenerativos reutilizan la energía del frenado, pero no pueden absorber energía tan rápido como los frenos convencionales. El frenado gradual recupera energía para su reutilización, aumentando el kilometraje; frenar con fuerza desperdicia la energía en forma de calor, al igual que en un automóvil convencional. El uso del selector "B" (frenado) en el control de la transmisión es útil en recorridos largos cuesta abajo para reducir el calor y el desgaste de los frenos convencionales, pero no recupera energía adicional. ^[25] Toyota desaconseja el uso constante de "B", ya que "puede causar una disminución del consumo de combustible" en comparación con la conducción en "D". ^[26]

La mayoría de los sistemas HSD tienen baterías que están dimensionadas para un impulso máximo durante una sola aceleración desde cero hasta la velocidad máxima del vehículo; si hay más demanda, la batería puede agotarse por completo, por lo que este refuerzo de par adicional no está disponible. Luego, el sistema vuelve a la potencia disponible del motor. Esto da como resultado una gran disminución en el rendimiento bajo ciertas condiciones: un Prius de modelo anterior puede alcanzar más de 90 mph (140 km / h) en una pendiente ascendente de 6 grados, pero después de aproximadamente 2,000 pies (610 m) de subida de altitud, la batería se descarga. agotado y el automóvil puede alcanzar solo 55 a 60 mph en la misma pendiente. ^{[ cita requerida ]} (hasta que la batería se recargue conduciendo en circunstancias menos exigentes)

Generaciones de la plataforma Prius

Vista esquemática del sistema de transmisión Toyota híbrido de primera generación ( S : engranaje central "Sun", C : portador planetario, R : engranaje de anillo exterior, motores-generadores MG1 y MG2 , motor de combustión interna ICE )

El diseño del Toyota Hybrid System / Hybrid Synergy Drive ahora ha tenido cuatro generaciones desde el Toyota Prius original del mercado japonés de 1997. El tren de fuerza tiene las mismas características básicas, pero ha habido una serie de mejoras significativas.

Los diagramas esquemáticos ilustran las trayectorias del flujo de potencia entre los dos motores-generadores eléctricos MG1 y MG2 , el motor de combustión interna ( ICE ) y las ruedas delanteras a través de los elementos planetarios del "Dispositivo de división de potencia". El motor de combustión interna está conectado al portador de engranajes planetarios y no a ningún engranaje individual. Las ruedas están conectadas a la corona.

Ha habido una mejora continua y gradual en la capacidad específica de la batería de tracción. El Prius original usaba celdas D de 1,2 voltios con envoltura retráctil, y todos los vehículos THS / HSD posteriores han utilizado módulos de batería personalizados de 7,2 V montados en un portador.

Llamado Toyota Hybrid System para las generaciones iniciales de Prius, THS fue seguido por THS II en el Prius 2004, con versiones posteriores denominadas Hybrid Synergy Drive. El sistema híbrido de Toyota se basó en el voltaje del paquete de baterías: entre 276 y 288 V. El Hybrid Synergy Drive agrega un convertidor de CC a CC que aumenta el potencial de la batería a 500 V o más. Esto permite utilizar paquetes de baterías más pequeños y motores más potentes.

Hybrid Synergy Drive (HSD)

Aunque no forma parte del HSD como tal, todos los vehículos HSD del Prius 2004 en adelante han sido equipados con un compresor de aire acondicionado eléctrico, en lugar del tipo convencional impulsado por motor. Esto elimina la necesidad de hacer funcionar continuamente el motor cuando se requiere enfriamiento de la cabina. Se instalan dos calentadores de coeficiente de temperatura positivo en el núcleo del calentador para complementar el calor proporcionado por el motor. ^[27]

Toyota híbrido de segunda generación (G2): Hybrid Synergy Drive (HSD) con engranaje de reducción MG2

En 2005, vehículos como el Lexus RX 400h y el Toyota Highlander Hybrid agregaron la operación de tracción en las cuatro ruedas mediante la adición de un tercer motor eléctrico ("MGR") en el eje trasero. En este sistema, el eje trasero es de propulsión puramente eléctrica y no existe un vínculo mecánico entre el motor y las ruedas traseras. Esto también permite un frenado regenerativo en las ruedas traseras. Además, el motor (MG2) está vinculado al transeje de la rueda delantera mediante un segundo engranaje planetario , lo que permite aumentar la densidad de potencia del motor. ^[1] Ford también ha desarrollado un sistema híbrido similar, introducido en el Ford Escape Hybrid .

En 2006 y 2007, se aplicó un mayor desarrollo de la transmisión HSD, bajo el nombre Lexus Hybrid Drive, en los sedán Lexus GS 450h / LS 600h. Este sistema utiliza dos embragues (o frenos) para cambiar la relación de transmisión del segundo motor a las ruedas entre una relación de 3,9 y 1,9, para regímenes de conducción de baja y alta velocidad, respectivamente. Esto disminuye la potencia que fluye de MG1 a MG2 (o viceversa) durante velocidades más altas. La ruta eléctrica tiene solo un 70% de eficiencia, lo que reduce su flujo de energía y aumenta el rendimiento general de la transmisión. El segundo conjunto de engranajes planetarios se extiende con un segundo portador y engranaje solar a un engranaje de tipo ravigneaux con cuatro ejes, dos de los cuales pueden mantenerse inmóviles alternativamente mediante un freno / embrague. Los sistemas GS 450h y LS 600h utilizaron tracción traseray trenes motrices con tracción en las cuatro ruedas , respectivamente, y fueron diseñados para ser más potentes que las versiones no híbridas de las mismas líneas de modelo, ^{[2] [3] al} tiempo que brindan una eficiencia de clase de motor comparable. ^[28]

Tercera generación

Sistema Hybrid Synergy Drive (HSD) de tercera generación (G3) / Lexus Hybrid Drive

El director ejecutivo de Toyota, Katsuaki Watanabe, dijo en una entrevista el 16 de febrero de 2007 que Toyota tenía "el objetivo de reducir, a la mitad, tanto el tamaño como el costo del sistema HSD de tercera generación". ^[29] El nuevo sistema contará con baterías de iones de litio en años posteriores. Las baterías de iones de litio tienen una relación capacidad-peso de energía más alta en comparación con las de NiMH , pero funcionan a temperaturas más altas y están sujetas a inestabilidad térmica si no se fabrican y controlan adecuadamente, lo que genera problemas de seguridad. ^{[30] [31]}

Cuarta generación

El 13 de octubre de 2015, Toyota hizo públicos los detalles del Synergy Drive híbrido de cuarta generación que se introducirá en el año modelo 2016. El transeje y el motor de tracción se han rediseñado para reducir su peso combinado. El motor de tracción en sí es considerablemente más compacto y obtiene una mejor relación potencia / peso. Cabe destacar que hay una reducción del 20 por ciento en las pérdidas mecánicas debido a la fricción en comparación con el modelo anterior. El dispositivo de reducción de velocidad del motor (un segundo conjunto de engranajes planetarios que se encuentra solo en los transejes de tercera generación P410 y P510), y que conecta el motor de tracción directamente al dispositivo de división de potencia y, posteriormente, a las ruedas, se ha reemplazado con engranajes paralelos en el Transmisión de cuarta generación P610. El 2012– Prius c conserva el transeje P510.El transeje P610 emplea engranajes helicoidales en lugar de los engranajes rectos de corte recto empleados en los transejes anteriores, y que funcionan de manera más suave y silenciosa, al tiempo que soportan cargas mecánicas más altas.

Con el HSD de cuarta generación, Toyota también ofrece una opción de tracción en las cuatro ruedas, denominada "E-Four", en la que el motor de tracción trasero se controla electrónicamente, pero no está acoplado mecánicamente al inversor delantero. De hecho, el sistema "E-Four" tiene su propio inversor trasero, aunque este inversor obtiene energía de la misma batería híbrida que el inversor delantero. "E-Four" comenzó a ofrecerse en los modelos Prius en los Estados Unidos en el año modelo 2019. "E-Four" es una parte integral de los modelos Rav 4 Hybrid que se ofrecen en los Estados Unidos, y todos esos Rav 4 Hybrids son solo "E-Four".

Lista de vehículos con tecnología HSD

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La siguiente es una lista de vehículos con Hybrid Synergy Drive y tecnologías relacionadas (Toyota Hybrid System);

• Toyota Prius
  • Generación 1: diciembre de 1997 a octubre de 2003
  • Generación 2: octubre de 2003 hasta finales de 2009
  • Generación 3: finales de 2009-finales de 2015
  • Generación 4: finales de 2015 hasta el presente
• Toyota Estima Híbrido
  • Junio ​​de 2001 a diciembre de 2005
  • Junio ​​de 2006 hasta el presente
• Toyota Alphard Híbrido
  • Julio de 2003 - marzo de 2008
  • Septiembre de 2011 hasta el presente
• Lexus RX 400h / Toyota Harrier Hybrid (marzo de 2005-presente)
• Toyota Highlander / Kluger Híbrido
  • con THS I: julio de 2005 a septiembre de 2008
  • con THS II: octubre de 2008 hasta el presente
• Lexus GS 450h (marzo de 2006 hasta el presente)
• Toyota Camry Hybrid (mayo de 2006-presente)
• Lexus LS 600h / LS 600hL (abril de 2007 hasta el presente)
• Toyota Crown Majesta (abril de 2012-presente)
• Toyota Crown (abril de 2008-presente)
• Toyota A-BAT (concepto de camión)
• Nissan Altima Hybrid (2007-2011) ^[32]
• Lexus RX 450h (2009-presente)
• Toyota Sai (2009-presente)
• Lexus HS 250h (2009-presente)
• Lexus CT 200h (finales de 2010-presente)
• Toyota Auris (julio de 2010-presente)
• Toyota Prius c (marzo de 2012-presente)
• Toyota Yaris Hybrid (marzo de 2012-presente)
• Toyota Prius V (2012-presente)
• Lexus ES 300h (2012-presente)
• Toyota Avalon Hybrid (finales de 2012-presente)
• Toyota Corolla Axio (agosto de 2013-presente)
• Toyota Corolla Fielder (agosto de 2013-presente)
• Lexus IS 300h (2013-presente)
• Lexus GS 300h (2013-presente)
• Toyota RAV4 Hybrid (2013-presente)
• Lexus NX 300h (2015-presente)
• Lexus RC 300h (2015-presente)
• Toyota C-HR (2016-presente)
• Lexus LC 500h (2018)
• Subaru Crosstrek Hybrid ( 2019- ) ^{[33] [34] [35]}
• Toyota Sienna Hybrid (2020-presente)

Problemas de patentes

Antonov

Desde el otoño de 2005, la empresa Antonov Automotive Technology BV Plc demandó a Toyota , la empresa matriz de la marca Lexus, por una supuesta infracción de patente relacionada con componentes clave en la transmisión del RX 400h y el automóvil compacto híbrido Toyota Prius. El caso ha estado pendiente en secreto desde abril de 2005, pero las negociaciones para llegar a un acuerdo no arrojaron un resultado mutuamente aceptable. Antonov finalmente recurrió legalmente al sistema judicial alemán, donde las decisiones generalmente se toman con relativa rapidez. El titular de la patente busca imponer un impuesto a cada vehículo vendido, lo que podría hacer que el SUV híbrido sea menos competitivo. Toyota se defendió tratando de invalidar oficialmente las patentes relevantes de Antonov. La moción judicial en formato de documento de Microsoft Word se puede leer aquí. ^[36]

El 1 de septiembre de 2006, Antonov anunció que el Tribunal Federal de Patentes de Munich no había confirmado la validez de la parte alemana de la patente de Antonov (EP0414782) contra Toyota. Unos días después, un tribunal de Düsseldorf dictaminó que la línea motriz del Toyota Prius y la línea motriz del Lexus RX 400h no infringen la patente CVT híbrida de Antonov. ^[37]

Ford

Ford Motor Company desarrolló de forma independiente un sistema con tecnologías clave similares a la tecnología HSD de Toyota en 2004. Como resultado, Ford obtuvo la licencia de 21 patentes de Toyota a cambio de patentes relacionadas con la tecnología de emisiones. ^[38]

Paice

Paice LLC recibió una patente para un vehículo híbrido mejorado con una unidad de transferencia de par controlable ( patente de EE . UU. 5343970 , Severinsky; Alex J., "Vehículo eléctrico híbrido", expedida el 6 de septiembre de 1994  ) y tiene patentes adicionales relacionadas con vehículos híbridos. En 2010, Toyota acordó licenciar las patentes de Paice; los términos del acuerdo no fueron revelados. ^[39] En el acuerdo "Las partes acuerdan que, aunque se ha determinado que ciertos vehículos Toyota son equivalentes a una patente de Paice, Toyota inventó, diseñó y desarrolló la tecnología híbrida de Prius y Toyota independientemente de cualquier invención del Dr. Severinsky y Paice como parte de la larga historia de innovación de Toyota ". ^[40]Paice celebró anteriormente un acuerdo con Ford para la licencia de la patente de Paice. ^[41]

Comparación con otros híbridos

Aisin Seiki Co. , propiedad minoritaria de Toyota, suministra sus versiones del sistema de transmisión HSD a Ford para su uso como e-CVT "Powersplit" en el Ford Escape híbrido ^[42] y el Ford Fusion Hybrid . ^[43]

Nissan autorizó el HSD de Toyota para su uso en el Nissan Altima híbrido, utilizando el mismo transeje Aisin Seiki T110 que en el Toyota Camry Hybrid. ^{[ cita requerida ]} El Infiniti M35h 2011 utiliza un sistema diferente de un motor eléctrico y dos embragues.

En 2010, Toyota y Mazda anunciaron un acuerdo de suministro para la tecnología híbrida utilizada en el modelo Prius de Toyota . ^[44]

General Motors , DaimlerChrysler 's y BMW ' s Cooperación Global Hybrid es similar, ya que combina el poder de un solo motor y dos motores. En 2009, el Grupo de trabajo presidencial sobre la industria automotriz dijo que "GM está al menos una generación detrás de Toyota en el desarrollo avanzado y 'verde' del tren motriz". ^[45]

En contraste, el Integrated Motor Assist de Honda usa un ICE y una transmisión más tradicionales donde el volante se reemplaza por un motor eléctrico, conservando así la complejidad de una transmisión tradicional.

Mercado de accesorios

Algunas de las primeras conversiones de vehículos eléctricos híbridos enchufables que no eran de producción se han basado en la versión de HSD que se encuentra en los modelos Prius de 2004 y 2005. Las primeras conversiones de baterías de plomo-ácido realizadas por CalCars han demostrado 10 millas (16 km) de solo vehículos eléctricos y 20 millas (32 km) de autonomía de modo mixto de doble kilometraje . Una empresa que planea ofrecer conversiones a los consumidores llamada sistemas EDrive utilizará baterías de iones de litio de Valence y tendrá 35 millas (56 km) de autonomía eléctrica. Ambos sistemas dejan el sistema HSD existente prácticamente sin cambios y podrían aplicarse de manera similar a otros sabores de tren motriz híbrido simplemente reemplazando el NiMH original. baterías con un paquete de baterías de mayor capacidad y un cargador para recargarlas por aproximadamente $ 0.03 por milla en los enchufes domésticos estándar.

Ver también

• Comparación de híbridos Toyota
• Híbrido suave
• Auto Hibrido
• Inversor (eléctrico)
• Transistor Bipolar de Puerta Aislada
• Unidad de frecuencia variable
• Cooperación híbrida global
• Asistencia de motor integrada
• Lista de vehículos híbridos

Referencias

1. Vasilash, Gary (febrero de 2005). "Un Lexus como ningún otro pero como el resto: Presentamos el RX 400h" . Diseño y Producción Automotriz . Archivado desde el original el 17 de octubre de 2006 . Consultado el 12 de julio de 2010 .
2. "Lexus GS450h - Pruebas en carretera" . Revista CAR. Archivado desde el original el 26 de julio de 2011 . Consultado el 13 de julio de 2010 .
3. Vasilash, Gary (julio de 2006). "El Lexus LS 600H L: no es un coche de producción más" . Diseño y Producción Automotriz . Archivado desde el original el 17 de junio de 2007 . Consultado el 12 de abril de 2010 .
4. "Comunicados de prensa> Ventas mundiales de TMC Hybrids Top 2 millones de unidades" . TOYOTA. 2009-09-04 . Consultado el 3 de diciembre de 2009 .
5. Sala de prensa de Toyota (17 de abril de 2013). "Las ventas híbridas globales acumuladas de Toyota superan los 5 millones, casi 2 millones en EE . UU . " . Congreso de coches ecológicos . Consultado el 17 de abril de 2013 .
6. John Voelcker (3 de octubre de 2014). "Toyota acumula 7 millones de híbridos vendidos desde 1997" . Informes de vehículos ecológicos . Consultado el 3 de octubre de 2014 .
7. Todos los motores eléctricos con campos excitados, ya sea por un rotor de electroimán (excitado por separado) o un rotor de imán permanente (excitado integralmente), pueden usarse como generadores (y viceversa), por lo que el término motor-generador es normalmente se usa solo cuando el mismo dispositivo se usa para ambos propósitos, aunque no simultáneamente.
8. Burress, Timothy Adam (2006). "Control vectorial y evaluación experimental de motores síncronos de imanes permanentes para HEV" (PDF) . Universidad de Tennessee. pag. 16 . Consultado el 29 de septiembre de 2012 .
9. Bill Siuru. "Synergy Drive: ¿Por qué son los híbridos de Toyota?" . Diario de coche verde . Yahoo . Consultado el 12 de marzo de 2008 .
10. En Camrys 2007 y posteriores, esta proporción es 2.636, y en Prius 2010 y posteriores, esta proporción es 2.478, para una proporción promedio de aproximadamente 2.5
11. Politechnika Wrocławska - Inżynieria Pojazdów. "Estudio de caso: Toyota Hybrid Synergy Drive" (PDF) . Universidad Tecnológica de Wrocław . Consultado el 22 de noviembre de 2014 . Consulte las especificaciones de Auris HSD en la página 17: 201.6V x 6.5Amp / hr = 1.310kWh
12. El Consorcio Avanzado de Baterías de Plomo-Ácido (ALABC). "¿Los vehículos eléctricos híbridos usan baterías de plomo-ácido? ¡Sí! He aquí por qué" . ALABC. Archivado desde el original el 6 de mayo de 2014 . Consultado el 23 de noviembre de 2014 .
13. Brad Berman (6 de noviembre de 2008). "La batería de automóvil híbrida: una guía definitiva - Batería de automóvil híbrida de hoy: hidruro metálico de níquel - Batería híbrida de Toyota Prius" . HybridCars.com . Consultado el 22 de noviembre de 2014 .
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16. Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos y Departamento de Energía de Estados Unidos (21/11/2014). "Comparar lado a lado - 2012/2013/2014 Toyota Prius híbrido enchufable" . Fueleconomy.gov . Consultado el 21 de noviembre de 2014 .
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25. DeBord, Matthew (6 de mayo de 2016). "Esta característica del Toyota Prius es un completo misterio para la mayoría de los propietarios" . Business Insider .
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Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Hybrid Synergy Drive .

• Explicación HSD en HowStuffWorks
• Explicación del engranaje planetario en HowStuffWorks
• Película Hybrid Synergy Drive de Toyota
• Evaluación del sistema de transmisión híbrida Synergy del Toyota Prius 2010
• Animación que muestra cómo funciona HSD
• Se muestra la animación del dispositivo Power Split
• MG1 y MG2