Hybrid Synergy Drive (HSD) – nazwa handlowa technologii hybrydowego napędu samochodów, opracowanej przez firmę Toyota. Jednostki napędowe Hybrid Synergy Drive wykorzystywane są w samochodach Toyota Yaris Hybrid, Toyota Auris Hybrid, Toyota Auris Touring Sports Hybrid, Toyota PriusStaunton, Robert H., et al. Evaluation of 2004 Toyota Prius hybrid electric drive system. No. ORNL/TM-2006/423. Oak Ridge National Lab.(ORNL), Oak Ridge, TN (United States), 2006.Hsu, J. S., C. W. Ayers, and C. L. Coomer. Report on Toyota/Prius motor design and manufacturing assessment. United States. Department of Energy, 2004., Toyota RAV4 Hybrid, Toyota Highlander Hybrid, Toyota Camry HybridBurress, T. A., et al. Evaluation of the 2007 Toyota Camry hybrid synergy drive system. No. ORNL/TM-2007/190, Revised. Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Oak Ridge, TN, 2008., Toyota Previa, Lexus RX 400h/RX 450h, Lexus NX 300h/NX 350h, Lexus ES 300h, Lexus GS 450h, Lexus LS 600h/LS 600hLBurress, Timothy A., et al. Evaluation of the 2008 Lexus LS 600H hybrid synergy drive system. No. ORNL/TM-2008/185. Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Oak Ridge, TN, 2009., Lexus CT 200h oraz Lexus HS 250h. Toyota udostępnia również licencję na technologię HSD firmie Nissan, która wykorzystuje ją w modelu Nissan Altima Hybrid. Współpracujący z Toyotą producent podzespołów Aisin Seiki Co. oferuje podobne przekładnie hybrydowe innym firmom motoryzacyjnym.
Do maja 2007 r. Toyota sprzedała na całym świecie milion samochodów hybrydowych, w sierpniu 2009 r. całkowita sprzedaż przekroczyła dwa miliony, w kwietniu 2012 r. – cztery miliony, w grudniu 2014 -- sześć milionów, a w kwietniu 2016 r. globalna sprzedaż samochodów hybrydowych Toyoty przekroczyła dziewięć milionów egzemplarzy. Pojazdy hybrydowe produkcji Toyoty stanowią ok. 75% wszystkich samochodów hybrydowych sprzedawanych w USAToyota captures 75% of US hybrid share, 26 marca 2009..
Idea napędu hybrydowego Ideą hybrydowych napędów spalinowo-elektrycznych jest wykorzystanie zalet napędu elektrycznego, takich jak oszczędność i elastyczność, przy wyeliminowaniu jego największej wady, czyli małego zasięgu, przez wykorzystanie silnika spalinowego jako źródła energii. Technologia HSD zapewnia napęd w pełni hybrydowy, umożliwiając również jazdę z napędem czysto elektrycznym, przy wyłączonym silniku spalinowymAyers, C.W.; Hsu, J.S.; Marlino, L.D.; Miller, C.W.; Ott, G.W.; Oland, C.B.; Evaluation of 2004 Toyota Prius hybrid electric drive system interim report, Oak Ridge National Laboratory, November 2004, ORNL/TM-2004/247..
W systemie Toyota HSD głównym źródłem napędu pozostaje silnik spalinowy, jednak konwencjonalną skrzynię przekładniową zastąpiono w nim przekładnią planetarną, która w połączeniu z napędem elektrycznym pełni rolę bezstopniowej skrzyni biegów. Tłokowy silnik spalinowy osiąga największą sprawność w wąskim zakresie prędkości obrotowych, musi jednak zapewniać napęd kół w całym użytkowym zakresie prędkości samochodu. W konwencjonalnych samochodach za dostosowanie prędkości i momentu obrotowego silnika do zapotrzebowania wynikającego z sytuacji odpowiada wielostopniowa przekładnia zębata, zwana skrzynią biegów. Może to być klasyczna przekładnia manualna ze sprzęgłem ciernym lub przekładnia automatyczna ze sprzęgłem hydrokinetycznym – oba rodzaje realizują to samo zadanie. Kierowca reguluje prędkość i moment obrotowy wytwarzany przez silnik za pomocą pedału przyspieszenia, zaś mechaniczna przekładnia przekazuje niemal całą moc wytwarzaną przez silnik na koła, zmniejszając prędkość obrotową i zwiększając moment obrotowy zgodnie ze współczynnikiem wybranego przełożenia. Liczba dostępnych przełożeń (czyli „biegów”) jest ograniczona, zazwyczaj do 4, 5 lub 6. W związku z tym praktyczny zakres obrotów silnika na każdym z przełożeń obejmuje również wartości niższe i wyższe od obrotów optymalnych, co powoduje spadek średniej sprawności silnika – inaczej mówiąc, zużycie tej samej ilości paliwa daje mniej energii mechanicznej i umożliwia przejechanie mniejszej odległości. Konieczność pracy w szerokim zakresie prędkości obrotowych wiąże się nie tylko z gorszą sprawnością silnika – powoduje również zwiększenie jego złożoności, wielkości i masy, a także zmniejsza niezawodność i trwałość. Dlatego silniki napędzające generatory elektryczne, z definicji pracujące w bardzo wąskim zakresie prędkości obrotowych, są dużo prostsze, mniejsze, lżejsze, trwalsze, bardziej niezawodne i mają większą sprawność niż silniki samochodowe czy inne, działające w szerokim zakresie prędkości obrotowychBurress, Timothy A., et al. Evaluation of the 2010 Toyota Prius hybrid synergy drive system. No. ORNL/TM-2010/253. Oak Ridge National Laboratory (ORNL); Power Electronics and Electric Machinery Research Facility, 2011..
Rozwiązaniem zapewniającym zachowanie optymalnych warunków pracy silnika podczas jazdy z dowolną prędkością jest bezstopniowa skrzynia biegów, umożliwiająca kierowcy (lub automatowi) płynną zmianę przełożenia stosownie do sytuacji. Tłokowe silniki spalinowe osiągają największą sprawność przy obrotach rzędu 1500-2000 obr./min dla typowej mocy potrzebnej do napędzania samochodu. W pojeździe z napędem HSD silnik spalinowy pracuje w optymalnym zakresie parametrów, gdy potrzebny jest prąd do doładowania akumulatorów lub podczas przyspieszania, zaś gdy zapotrzebowanie na energię jest mniejsze, zostaje wyłączony.
Podobnie jak w mechanicznych bezstopniowych skrzyniach biegów, przekładnia HSD dopasowuje wypadkowe przełożenie między silnikiem a kołami tak, by utrzymać optymalną prędkość obrotową silnika, a jednocześnie zapewnić odpowiedni moment obrotowy przekazywany na koła podczas ruszania czy przyspieszania. Dlatego właśnie Toyota klasyfikuje samochody z napędem HSD jako wyposażone w elektroniczną, bezstopniową skrzynię biegów e-CVT (electronic continuously variable transmission).
Budowa systemu HSD W „zwykłym” samochodzie silnik spalinowy napędza koła poprzez skrzynię biegów. Do uruchamiania silnika służy rozrusznik (silnik prądu stałego), czerpiący prąd z akumulatora, zaś prądu dla wszystkich urządzeń elektrycznych (oraz do ładowania akumulatora) dostarcza alternator (generator prądu przemiennego)Kaczmarek, Robert. „Simulating the Toyota Prius Electric Motor.”..
W systemie HSD zasadniczym źródłem energii pozostaje tłokowy silnik spalinowy, zaś skrzynię biegów, alternator i rozrusznik zastępują:
MG1 – silnik-generator prądu przemiennego z wirnikiem z magnesami trwałymi, pełniący rolę rozrusznika przy uruchamianiu silnika spalinowego, zaś generatora podczas przyspieszaniaHsu, J. S., et al. Report on Toyota/Prius Motor Torque Capability, Torque Property, No-Load Back EMF, and Mechanical Losses, Revised May 2007. No. ORNL/TM-2004/185. Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Oak Ridge, TN, 2007. MG2 – silnik-generator prądu przemiennego z wirnikiem z magnesami trwałymi, pełniący rolę głównego silnika elektrycznego o dużym momencie obrotowym Elektroniczny układ zasilania, obejmujący trzy inwertery (przetwornice zamieniające prąd stały na przemienny, DC-AC) i dwa konwertery prądu stałego (DC-DC) Mikroprocesorowy układ sterujący HVB (high voltage battery) – wysokonapięciowy zestaw akumulatorów, zasilających napęd elektryczny podczas przyspieszania i magazynujący energię odzyskiwaną podczas hamowania Przekładnia planetarna, łącząca silnik spalinowy, oba silniki elektryczne i układ przeniesienia napędu na koła.
Przekładnia planetarna pełni rolę rozdzielacza mocy, który dzięki inteligentnemu sterowaniu pracą silnika spalinowego i obu elektrycznych silników-generatorów zapewnia odpowiedni przepływ mocy między poszczególnymi elementami układu
MG1 i MG2 MG1 (pomocniczy silnik-generator): Przy uruchamianiu silnika spalinowego pełni rolę rozrusznika, zaś w większości sytuacji wytwarza prąd do zasilania silnika MG2 i ładowania akumulatora. Poprzez odpowiednie regulowanie prędkości i momentu obrotowego wytwarzanego przez MG1, układ elektroniczny wykorzystuje go do sterowania przełożeniem bezstopniowej skrzyni biegów. Podczas jazdy z dużą prędkością działa jako silnik zasilany energią wytworzoną przez MG2, zwiększając prędkość przekazywaną do układu przeniesienia napęduHsu, J. S., et al. Report on Toyota/Prius motor torque-capability, torque-property, no-load back EMF, and mechanical losses. United States. Department of Energy, 2004.. MG2 (główny silnik-generator): Napędza koła, wykorzystując prąd wytworzony przez MG1 oraz pochodzący z akumulatora i zapewnia gładkie ruszanie z miejsca, zaś podczas hamowania rekuperacyjnego odzyskuje energię, zamieniając energię kinetyczną pojazdu na elektryczną, gromadzoną w akumulatorze. Podczas jazdy z dużą prędkością działa jako generator, wytwarzając prąd zasilający MG1.
Przekładnia Wchodząca w skład systemu przekładnia mechaniczna umożliwia rozdzielanie mocy wytworzonej przez silnik spalinowy w taki sposób, by wykorzystać nadmiar prędkości obrotowej lub momentu obrotowego, który nie zostanie przekazany na koła. Przepływem mocy z różnych źródeł – silnika spalinowego i silników elektrycznych – steruje układ mikroprocesorowy z odpowiednim oprogramowaniem. W ten sposób realizowane są funkcje bezstopniowej skrzyni biegów, tyle że konwersja prędkości i momentu obrotowego dokonywana jest za pomocą silników elektrycznych, a nie przekładni mechanicznej. Napęd HSD nie mógłby działać bez sterownika mikroprocesorowego, elektronicznych układów zasilających, akumulatora i elektrycznych silników-generatorów, choć do jego działania nie jest w zasadzie konieczny silnik spalinowy (patrz: Hybryda Plug-in). W istocie, samochód z napędem HSD może przejechać kilka kilometrów bez benzyny – na przykład aby dojechać do stacji benzynowej.
W przekładni planetarnej sumują się momenty obrotowe silnika spalinowego, silników elektrycznych oraz układu przeniesienia napędu. Silnik spalinowy połączony jest z jarzmem, na którym znajdują się koła obiegowe przekładni. Jeden z elektrycznych silników-generatorów (w dokumentacji Toyoty nazywany MG2, zwany również „MG-T” od „torque”, czyli moment obrotowy), jest zamontowany na kole zewnętrznym przekładni, połączonym z wałem napędowym – jego zadanie to wspomaganie momentu obrotowego przekazywanego na koła. Drugi, mniejszy silnik-generator (w nomenklaturze Toyoty MG1, zwany także „MG-S” od „speed” – prędkość) połączony jest z kołem centralnym przekładni, która w sytuacji, gdy obroty silnika spalinowego są wyższe, niż wynikałoby to z prędkości obrotowej kół, umożliwia odebranie nadmiaru prędkości przez MG1, pełniący wtedy rolę generatora. Prędkości i momenty obrotowe na poszczególnych elementach są monitorowane przez komputer sterujący układem za pomocą zestawu specjalnych czujników.
Działanie W zależności od prędkości i zapotrzebowania na moment obrotowy, zespół napędowy HSD może pracować w różnych trybach. Oto niektóre z nich:
Ładowanie akumulatora: Ładowanie akumulatora HSD może się odbywać podczas postoju pojazdu. Wówczas MG1 pracuje jako generator napędzany przez silnik spalinowy. Prąd trafia w całości do akumulatora, zaś moment obrotowy nie jest przekazywany na koła. Dźwignia biegów musi być ustawiona w pozycję „Park”.
Uruchomienie silnika spalinowego: W celu uruchomienia silnika spalinowego, prąd doprowadzany jest do silnika MG1, pełniącego rolę rozrusznika. Ze względu na dużą moc MG1, uruchomienie silnika spalinowego nie stanowi dla niego dużego obciążenia, nie słychać nawet typowego dźwięku rozrusznika. Silnik spalinowy może zostać uruchomiony zarówno podczas postoju, jak i podczas jazdy.