Hybrid Synergy Drive
Hybrid Synergy Drive (Abk. HSD) ist ein Markenname für das Hybridantriebssystem von Toyota. Es wird derzeit im Toyota Prius und diversen Lexus-Modellen angeboten. In Amerika und Japan wird es auch in weiteren Toyota-Modellen angeboten. Toyota vergibt Lizenzen für die Verwendung der Technik, so basiert der Antrieb des in Amerika angebotenen Ford Escape Hybrid auf dem System.
Das HSD ist ein sehr kraftstoffsparender und umweltfreundlicher Antrieb für Kraftfahrzeuge und hat hierfür bereits zahlreiche Auszeichnungen erhalten. Eine energiesparende Fahrweise ist jedoch Voraussetzung für niedrigen Verbrauch. Zudem ist er wesentlich leiser, wenn nicht stark beschleunigt wird.
Der Anteil am Gesamtaufkommen ist gegenwärtig (2009) noch sehr gering. Es wird geschätzt, dass in Deutschland nur ca. 3.000 Fahrzeuge von einem HSD angetrieben werden.
Versionen
Das im ersten Fahrzeug mit Hybridantrieb (Toyota Prius 1997) eingesetzte Antriebssystem wurde unter dem Namen Toyota Hybrid System (THS) bekannt. Im Jahre 2003 kam die dritte Generation des Prius mit dem verbesserten THS-II auf den Markt. Dieses System erscheint unter dem Markennamen Hybrid Synergy Drive (kurz HSD). Das Hybrid Synergy Drive ist das Antriebsaggregat des Toyota Prius ab Modelljahr 2003 (Stand Mai 2006). Eine leistungsfähigere Version des THS-C kommt in den Hybridfahrzeugen der Marke Lexus zum Einsatz. Auch dieses System vermarktet der Hersteller unter dem Namen Hybrid Synergy Drive.
Aufbau
Das HSD ist eine Einheit aus einem Verbrennungsmotor und zwei Motorgeneratoren. Dazu gehört noch ein Akkumulator hoher Kapazität und eine elektronische Steuereinheit. Es ist ein leistungsverzweigter Hybridantrieb. Kernstück des HSD ist ein Power Split Device genanntes Planetengetriebe. Der Außenzahnkranz des Planetengetriebes ist der Kraftabgabepunkt des HSD. Mit diesem ist der größere Motorgenerator MG2 verbunden. Das Sonnenrad ist mit dem kleineren Motorgenerator MG1 verbunden. Die Welle des Verbrennungsmotors ist mit den Planetenrädern verbunden.
Die Steuerung des Übersetzungsverhältnis des Getriebes zwischen dem Verbrennungsmotor zur Abgangswelle wird von einer elektronischen Steuerung übernommen. Dabei können die Motorgeneratoren je nach Bedarf als Motor oder als Generator arbeiten. Der Kraftfluss im Planetengetriebe ändert sich je nach Ansteuerung der Motorgeneratoren und des Verbrennungsmotors. Beim THS-C können die Drehzahlbereiche durch zusätzliche Getriebe erweitert werden. Eine Kupplung gibt es nicht, in jedem Betriebszustand sind alle Bauteile kraftschlüssig miteinander verbunden.
Grundlegende Funktion
Über die Drehzahl des Sonnenrades, also des Motorgenerators MG1, lässt sich die Übersetzung einstellen und somit auch die Drehzahl des Verbrennungsmotors. So ist es in einem weiten Geschwindigkeitsbereich möglich, den Verbrennungsmotor vom Stillstand bis zur Höchstdrehzahl zu betreiben. Die Maximaldrehzahl des Motorgenerators begrenzt aber den steuerbaren Bereich. So kann der Verbrennungsmotor beim THS und THS-II bei niedrigen Geschwindigkeiten nur langsam drehen, deshalb ist zum Anfahren der große Motorgenerator MG2 erforderlich. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten kann der Verbrennungsmotor nicht in den Stillstand versetzt werden. Der Verbrennungsmotor und einer der beiden Motorgeneratoren dienen beide dem Vortrieb des Fahrzeuges und können diese Aufgabe jeweils alleine oder in Kombination ausüben. Der zweite Motorgenerator dient vornehmlich als überdimensionale Lichtmaschine und als Anlasser. Das Hybridfahrzeug kann sich mit dieser Antriebseinheit folgende Betriebszustände annehmen:
- Anfahren mit reinem Elektroantrieb, Strom wird von der Batterie geliefert
- Fahren mit dem Verbrennungsmotor
- Verbrennungsmotor treibt Fahrzeug an, Motorgenerator lädt Batterie
- Verbrennungsmotor & Motorgenerator treiben Fahrzeug an, anderer Motorgenerator liefert den benötigten Strom
- Verbrennungsmotor & Motorgenerator treiben Fahrzeug an, Batterie liefert den benötigten Strom
- Rollen lassen. Verbrennungsmotor ist aus, Motorgenerator übt leichte Vorbremsung aus, Bremsenergie wird zur Ladung der Batterie benutzt
- Bremsen mit dem Motorgenerator, Bremsenergie wird zur Ladung der Batterie benutzt
- Bremsen mit dem Motorgenerator und der mechanischen Bremse, Bremsenergie wird zur Ladung der Batterie benutzt
Vor- und Nachteile des Konzepts
Ein Verbrennungsmotor kann nicht bei Drehzahl nahe 0 betrieben werden. Zum Anfahren ist bei PKWs mit Handschaltgetriebe daher eine mechanische Kupplung nötig. Bei Automatik-Getrieben wird die bei Stillstand (in Getriebestellung D) und sehr niedrigen Geschwindigkeiten des PKWs anfallende Leistung in den hydraulischen Wandler geleitet. In beiden Fällen wird Motorleistung in Wärme umgewandelt und somit vernichtet.
Ein Ottomotor besitzt bei niedrigen Drehzahlen ein geringes Drehmoment und somit eine sehr geringe Leistung. Um im PKW jederzeit eine gewisse Leistungsreserve verfügbar zu haben, wird daher selten mit der niedrigsten möglichen Motordrehzahl gefahren. Vielmehr wählt der Fahrer eine Drehzahl, bei der der Motor eine gewisse Leistungsresverve hat, so dass der Motor mit niedriger Last betrieben wird. Der Wirkungsgrad eines Ottomotors ist bei niedrigen Lasten jedoch erheblich reduziert, was u.a. durch Drosselverluste hervorgerufen wird. Zur Wirkungsgradverbesserung von Ottomotoren im Teillastbereich bestehen verschiedene Ansätze wie Zylinderabschaltung oder die von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich gelöste Nockenwellenverstellung. Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor kann ein Elektromotor von Drehzahl 0 aus betrieben werden und liefert bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment. Eine Koppelung dieser Motorkonzepte erlaubt somit, die Schwächen des Verbrennungsmotors auszugleichen.
Vorteile
Das Hybrid Synergy Drive erlaubt, Drehzahl und Leistung des Verbrennungsmotors unabhängig von der geforderten Antriebsleistung zu regeln. Wird der Verbrennungsmotor genutzt, kann er mit konstant hoher Last und somit hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Bei einem konventionell angetriebenen PKW kann Fahrer (oder Automatikgetriebe) dies zwar durch Fahren/Beschleunigen im hohen Gang ebenso sicherstellen; wird jedoch eine Mehrleistung gefordert, kann sie dann nur durch eine Drehzahlerhöhung, also durch Wahl eines kleineren Ganges erreicht werden. Schaltvorgang und Drehzahländerung des Verbrennungsmotors benötigen hierfür Zeit. In der Praxis fährt daher kaum ein Fahrer bei niedrigen Geschwindigkeiten im großen Gang. Eine schnelle Leistungsanforderung kann beim Hybrid Synergy Drive mit den Elektromotoren unmittelbar bedient werden, während parallel dazu das stufenlose Getriebe die Übersetzung ändert, um so Drehzahl und Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Damit kann der Verbrennungsmotor ohne Komforteinbußen immer mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden.
Weitere Vorteile sind:
- Der Verbrennungsmotor hat keinen unnötigen Leerlauf; sobald nur geringe Antriebsleistung benötigt wird (Fahrzeug rollt oder steht), geht der Verbrennungsmotor aus.
- Falls der Verbrennungsmotor warm laufen muss (z.B. zur Innenraumheizung), lädt er die Batterie.
- Im rein elektrischen Betrieb kann der Wagen fast lautlos bewegt werden. (nützlich z.B. nachts im Wohngebiet)
- Anlasser und Lichtmaschine entfallen, der Motor wird von den Elektromotoren gestartet; diese können auch als Generatoren genutzt werden. Da die Motorgeneratoren in beiden Drehrichtungen laufen können, ist auch kein mechanischer Rückwärtsgang nötig, der Rückwärtsantrieb erfolgt über den Motorgenerator MG2.
- Der HSD ermöglicht über den gesamten Geschwindigkeitsbereich eine unterbrechungsfreie Beschleunigung.
- Anfallende Bremsenergie wird zum Laden der Akkus verwendet; daher ist der Bremsenverschleiß gering, sowie der Verbrauch bei Berg- und Talfahrt stark reduziert. Anfallende Bremsenergie kann zwar auch bei konventionell betriebenen PKW wiederverwendet werden; die erheblich leistungsfähigen Akkus des Hybrid Synergy Drive erlauben jedoch aufgrund ihrer hohen Kapazität einen viel höheren Ladestrom und damit eine größere Bremsleistung für die Rekuperation zu nutzen, als dies mit üblichen Starterakkus möglich ist.
- Die in den letzten Jahren stetig zunehmende Zahl elektrischer Verbraucher belastet das Bordnetz heutiger PKW sehr viel stärker als dies früher der Fall war, wofür Akkumulatoren und Lichtmaschinen entsprechend dimensioniert werden müssen (Beispiele: Start-Stopp-System, Standheizung, Sitzheizung, beheizbare Front- und Heckscheibe, Beleuchtung, Autoradio usw); beim Hybrid Synergy Drive werden jedoch bereits prinzipbedingt sehr leistungsfähige Akkus mitgeführt.
- Mit den für den Hybridantrieb nötigen, leistungsfähigen Akkumulatoren können bei Stillstand des Verbrennungsmotors Aggregate gespeist werden, die bei konventionellen PKWs die vorhandene Batteriekapazität überlasten würden. (z.B. die Klimaanlage)
- Der elektrische Betrieb von Aggregaten, die in konventionellen PKWs vom Verbrennungsmotor angetrieben werden, erlaubt einen effizienteren Betrieb (Klimaanlage, Servolenkung, Motorkühlung, Bremskraftverstärker).
- Durch den kombinierten Einsatz mit Elektromotoren, kann beim Prius ein Otto-Motor eingesetzt werden, der im Atkinson-Zyklus arbeitet. Dieses Motorkonzept zeichnet sich im Vergleich zu konventionellen Ottomotoren zwar durch einen verbesserten Wirkungsgrad bei einfacher Bauweise aus, ist jedoch bei niedrigen Drehzahlen sehr drehmomentschwach, was den Einsatz in PKWs mit Handschaltgetriebe verbietet. Das Leistungsmanagement wird beim Toyota Prius jedoch von der Steuerungselektronik übernommen; die Drehmomentschwäche des Verbrennungsmotors wird mit den Elektromotoren kompensiert und ist für den Fahrkomfort ohne Bedeutung.
Nachteile
- Die Hybridkkomponenten erhöhen die Herstellungskosten und das Fahrzeuggewicht. Dies wird jedoch teilweise durch den Wegfall einiger Baugruppen kompensiert.
- Die mitgeführten Batterien verringern die Größe des verfügbaren Kofferraums.
- Die Batterien haben nur eine begrenzte Lebensdauer (Herstellergarantie 8 Jahre).
- Da alle zum Fahren nötigen Systeme auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors verfügbar sein müssen, müssen sie auch unabhängig davon funktionieren. Dies bedeutet einen konstruktiven Mehraufwand.
- Das Hybridkonzept des Toyota Prius bietet bei Autobahnfahrten mit weitgehend konstantem Tempo keinerlei Vorteile, sondern nur die Nachteile des Mehrgewichts.
- Der Wirkungsgrad eines stufenlosen Getriebes liegt bei ca. 90 % und damit unter dem eines konventionellen Getriebes.
- Der größte Vorteil dieses Hybridkonzeptes ist die Vermeidung und Verringerung von Teillastläufen, in denen konventionelle Ottomotoren nur mit schlechtem Wirkungsgrad betrieben werden können. Dieselmotoren arbeiten im Teillastbtrieb erheblich effizienter und profitieren daher nicht im selben Maße.[1][2]
Weblinks
Einzelnachweise
- ↑ Werner Clement: Fahrzeuggetriebe Online bei Google Books
- ↑ Süddeutsche Zeitung vom 2. Juni 2004: Die große Hybris des Hybrid, Artikel von Heiko Barske Online