В основу работы системы Toyota Hybrid Synergy Drive (HSD) положена совместная работа двух двигателей: традиционного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и электродвигателя. Разработка корпорации Toyota организована по параллельной схеме, то есть в зависимости от режима движения возможна совместная работа двух двигателей или отключение одного из них. От аналогов HSD отличается ещё и тем, что нет необходимости заряжать батареи от сети, энергии, вырабатываемой при торможении и работе бензинового двигателя достаточно. Основная задача совместного использования двух двигателей состоит в выравнивании нагрузки на ДВС. Если в обычных, не гибридных автомобилях параметры двигателя подбирают исходя из пиковой, максимально возможной нагрузки на автомобиль, то подход инженеров Toyota даёт возможность при расчёте параметров бензинового двигателя ориентироваться на среднюю нагрузку. Роль источника дополнительной мощности, для быстрого ускорения автомобиля, на себя берёт электродвигатель. В этих условиях баланс таких параметров автомобиля как экономичность, мощность, уровень выбросов в атмосферу близок к идеальному.

В состав системы HSD входят такие компоненты как: ДВС, электродвигатель, электрогенератор, аккумуляторные батареи, инвертор, бесступенчатая трансмиссия, планетарная передача. Учитывая особенности работы всю систему можно условно разделить на два блока – блок ДВС, отвечающий за работу на установившемся режиме движения и электрический блок, который используется на установившемся и неустановившемся режиме.

Кроме экономии топлива ставится ещё и задача максимально снизить уровень шума. Поэтому используется легкий, компактный бензиновый двигатель, работающий по циклу Аткинсона. такой подход даёт более высокий коэффициент расширения, сокращает потери энергии и более эффективно преобразует её в мощность двигателя. Интеллектуальная система открытия клапанов Variable Valve Timing (VVT) позволила снизить потребление воздуха и топлива, повысила уровень реагирования во всём диапазоне оборотов. Благодаря этому на низких и средних оборотах повышен крутящий момент, кроме этого уменьшены выбросы. Для снижения веса, жёсткость двигателя оптимизирована с помощью компьютерного анализа. Для блока цилиндров использована ребристая крышка из алюминия. Установлен двигатель по четырёхточечной схеме, для уменьшения вибрации и шума используются резиновые прокладки.

В состав системы HSD также входит два мотора-генератора: MG1 (вспомогательный) и MG2 (основной). Мотор MG1 может работать совместно с ДВС, генерировать энергию для заряда батаре й или использоваться для запуска бензинового двигателя. Основной мотор-генератор MG2 имеет несколько вариантов работы: при рекуперативном торможении он преобразует кинетическую энергию автомобиля в электрическую, выступая в роли генератора, и обеспечивает зарядку батарей; обеспечивает плавное ускорение с места только за счёт электроэнергии накопленной MG1, может работать совместно с ДВС.

Используется синхронный электродвигатель с постоянным магнитом. На выходе даёт мощность до 60 кВт. Способен развивать крутящий момент свыше 200 Нм, в то время как аналоги, так называемые «мягкие» гибридные системы дают около 30-40 Нм. Используется только воздушное охлаждение, при спокойном режиме вождения электродвигатель не работает в полную силу для экономии топлива.

Работу электродвигателя обеспечивают никелевые либо литий-ионные батареи, их замена не предусмотрена на протяжении всего жизненного цикла автомобиля. Размещены они в задней части автомобиля, под багажным отделением. Такое положение никак не влияет на размеры салона и багажного отделения автомобиля.

Блок управления Power Control Unit (PCU) по праву можно считать сердцем системы HSD. Несмотря на малые размеры, не более чем батарея на 12 В, именно он анализирует поступающую информацию и обеспечивает корректную работу системы в целом. Состоит из инвертора, преобразователя, повышающего напряжение и DC/DC преобразователя. Инвертор отвечает за преобразование постоянного тока, поступающего от батареи в переменный ток силой 605 В. В обычных, не гибридных автомобилях, для зарядки дополнительной батареи используется генератор, в этом случае его использование невозможно, так как он не сможет работать при выключенном электродвигателе. Для решения этой проблемы используется DC/DC преобразователь, который понижает напряжение до 14 В и обеспечивает питание вспомогательных систем и зарядку дополнительных батарей.

Используется гибридная КПП с электрической бесступенчатой трансмиссией – Electric Continuously Variable Transmission (E-CVT). Сравнимая по размера с обычной, КПП системы HSD включает в себя генератор, электромотор, устройство разделения мощности и понижающий редуктор. Управление реализовано без механического контакта, по принципу wire-by-wire. Это подразумевает, что водитель управляет непосредственно бортовым компьютером, а тот, учитывая ещё и внешние факторы, исполняет полученные команды.

В зависимости от ситуации конструкция E-CVT позволяет распределять мощность ДВС несколькими способами: при постоянной скорости вращения колеса возможно создание дополнительного крутящего момента; при постоянном крутящем моменте обеспечивается дополнительная скорость вращения колеса, часть мощности при этом резервируется для генератора. КПП содержит планетарный механизм, который, исходя из режима движения автомобиля (на основании данных с передних колёс) регулирует величину крутящего момента в целом и в отдельности крутящий момент, обеспечиваемый ДВС и моторами-роторами MG1 и MG2.

Работу HSD можно чётко разделить на несколько этапов, в зависимости от скорости и режима вождения:

  1. Аккумуляторная батарея резервирует некий запас электроэнергии. Суть этого режима работы состоит в том, что электроника автоматически будет поддерживать заданный режим движения. В зависимости от ситуации энергия будет либо поглощаться, без ущерба для движения, либо будет предоставлена дополнительная энергия для повышения мощности двигателя.
  2. Предусмотрено два режима торможения: рекуперативное (идёт зарядка батарей) и второй режим, торможение с использованием двигателя, со встроенной защитой от повреждения батарей. При максимальном уровне заряда батарей электронная система управления автоматически переходит на режим торможения с помощью двигателя, при этом поглощение энергии не происходит.
  3. Режим движения при малых скоростях и сравнительно небольшом крутящем моменте. В случае, если батареи заряжены, автомобиль может проехать несколько километров при выключенном ДВС. При этом режиме движения работает только мотор-ротор MG2, MG1 в это время свободно вращается.

Работа системы HSD нацелена на максимальную экономичность без ущерба комфорту и скорости движения. Кроме экономии топлива значительно уменьшается воздействие на окружающую среду. Учитывая режимы движения современных автомобилей, наибольший эффект от её использования будет заметен в городских условиях.

Видео по теме

3D анимация работы системы
Реальная 3D модель
На Toyota Prius 2009
На Toyota Prius V

Самые крутые обои на рабочий стол