Serienreifes Hybridkonzept am Beispiel des Toyota Prius

Toyota hat mit dem Prius ein serienreifes Hybridsytem entwickelt das seit 1997 über 150000 mal verkauft wurde und seine Alltagstauglichkeit und sein Sparpotential dabei unter Beweis gestellt.

Beschreibung:

Im Toyota Prius der neuen Generation kommt der Hybrid Synergy Drive (HSD) zum Einsatz, der eine Weiterentwicklung des Toyota Hybrid System (THS) darstellt. Dieses Hybrid-System verfügt über einen Antriebsstrang, der durch eine Kombination von zwei Antriebsarten gebildet wird, einen Ottomotor und einen Elektromotor. Dieses System ist dadurch Charakterisiert, dass es zwei Arten von Antriebskräften entsprechend den jeweiligen Fahrbedingungen optimal einsetzt. Es nutzt die starken Seiten der Antriebsmethoden optimal aus und kompensiert effektiv deren schwächen. Dadurch ist es möglich ein gut ansprechendes, dynamisches Fahrverhalten zu erzielen und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch sowie die Abgas-Emissionen deutlich zu reduzieren.

Aufbau

Der Hybrid Synergy Drive besteht aus einer Antriebseinheit, einer Batterie und den dazugehörigen Steuergeräten. In der Antriebseinheit die unter der Motorhaube platz findet sind Benzinmotor, Elektromotor, Generator und der Inverter mit Spanungswandler untergebracht. Die Batterie befindet sich unter der Kofferraum.

Die einzelnen Komponenten:

Der Verbrennungsmotor:

Es handelt sich um einen 4-Zylinder Reihenmotor mit 1,5 Liter Hubraum und 16-Ventil-DOHC-Anordnung. Dieser Motor ist mit einer intelligenten adaptiven Ventilsteuerung ausgestattet. Darüber Hinaus wird ein Atkinson Zyklus mit hohem Expansionsverhältnis eingesetzt, um eine hohe Leistung, ruhigen Lauf, geringen Kraftstoffverbrauch und schadstoffarme Abgase zu erreichen. Der Atkinson-Zyklus ermöglicht es den Verdichtungstakt und den Expansionstakt des Mechanismus unabhängig voneinander einzustellen. Dieses ermöglicht einen hohen thermischen Wirkungsgrad.

Hybridmotor Hybridmotor ©JK

Technische Daten des Motors:

Max. Ausgangsleistung: 53kW @ 4500 min1
Max. Drehmoment: 115Nm @ 4200 min1
Verdichtungsverhältnis: 13:1
Oktanzahl des Kraftstoffs: ROZ 95 oder höher

Der Generator:

Der Generator hat die Aufgabe mechanische Energie des Verbrennungsmotors in elektrische Energie zum Betreiben des Elektromotors, zum laden der Fahrbatterie und für das Bordnetz umzuwandeln. Gleichzeitig dient er als Anlasser für den Verbrennungsmotor. Außerdem wird über die Erzeugte Energiemenge und damit über die Drehzahl des Generators das Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes geregelt. Der Generator ist ein Drehtsrom-Synchronmotor mit Dauermagneten. Er erzeugt eine Dreiphasen Wechselspannung von 500 Volt und kann mit einer Drehzahl von bis zu 10000 min1 betrieben werden

Der Elektromotor:

Der Elektromotor dient dazu die Kraft des Ottomotors zu unterstützen und Leistungsreserven bereitzustellen um die Gesamtantriebskraft zu erhöhen. Des Weiteren erzeugt er beim Bremsen oder im Schubbetrieb elektrische Energie um die Batterie zu laden (regeneratives Bremsen). Der Aufbau ist das gleiche wie bei dem Generator, mit dem Unterschied das der Elektromotor etwas größer ist um größere Leistungen abgeben zu können.

Technische Daten:

U= 500V~
Max Leistung: 50Kw bei 1200-1540 U/min
Max Moment : 400 Nm (0-1.200 U/min)

Das Planetengetriebe:

Das Plantetengetriebe verteilt die vom Verbrennungsmotor erzeugte Energie zu den Rädern und zum Generator. Der Verbrennungsmotor ist dabei mit dem Planetenkranz verbunden, der Generator mit dem Sonnenrad und der Elektromotor sowie die Verbindung zur Vorderachse greifen am äußeren Ring an. Dies ermöglicht eine Stufenlose Regulierung von Motor- und Generatordrehzahl und ein ruckfreies Beschleunigen.

Power Control Unit:

Da der Generator und der Elektromotor mit 500V Dreiphasenwechselspanung, die Batterie mit 202V Gleichspanung und das Bordnetz mit 12V Gleichspanung arbeiten, ist es nötig die verschiedenen Spannungen umzuwandeln. Dies erledigt der Power Control Unit in dem zwei Inverter und ein Spannungswandler untergebracht sind. Der Spannungswandler stellt dabei die 12V gleichspannung für das Bordnetz bereit und der Inverter regelt den Energieaustausch zwischen Elektromotor, Generator und Batterie.

Die Fahrbatterie:

Dient zur Speicherung von elektrischer Energie die beim verzögern oder durch den Verbrennungsmotor gewonnen wurde. Diese wird dann zum Beschleunigen des Fahrzeugs wieder eingesetzt. Die Batterie besteht aus 28 Modulen die aus jeweils sechs Nickel-Metallhydrit Zellen zu je 1,2V bestehen. Dies ergibt eine Gesamtspannung von 202V mit einer Leistung von 21kW bei einer Arbeit von 1,3kWh. Das gewicht beträgt 22kg.

Die Steuergeräte:

Das System besitzt ein eine Motor ECU, eine Batterie ECU und eine Bremsen ECU die die jeweilige Komponente steuern. Die Regelung des Gesamtsystems erfolgt durch die Hybridfahrzeug ECU die Informationen von allen Sensoren und ECUs erhält und auf dieser Grundlage das erforderlich Drehmoment errechnet. Die Berechneten Werte werden dann an die Stellglieder und ECUs gesandt.

Die verschiedenen Fahrzustände:

Anfahren und Fahren mit niedriger Last:

Hierbei ist der Ottomotor abgeschaltet und das Fahrzeug wird durch den Elektromotor der aus der Batterie gespeist wird angetrieben. Dadurch kann der Betrieb des Verbrennungsmotors in Beriechen mit schlechtem Wirkungsgrad vermieden werden. Sollte der Ladezustand der Batterie einen Bestimmten Wert unterschreiten kann der Verbrennungsmotor trotzdem anspringen und die Batterie aufladen.

Normalfahrt:

Die vom Ottomotor erzeugte Energie wird in zwei Komponenten geteilt: Ein Teil dient zum direkten Antrieb der Räder, der andere Teile treibt den Generator an um mit der dadurch erzeugten Energie den Elektromotor zu betreiben, der Ebenfalls auf die Räder wirkt. Die mag sich im Ersten Moment verlustreich erscheinen da mechanische Energie in elektrische und dann wieder in mechanische umgewandelt wird, ermöglicht aber den Verbrennungsmotor in einem Bereich mit gutem Wirkungsgrad zu betreiben, was im gesamten einen Zugewinn an Gesamtwirkungsgrad bedeutet.

Volle Beschleunigung:

Zusätzlich zum Zwei-Wege-System bei der Normalfahrt wird die Antriebsleistung des Elektromotors weiter durch die in der Fahrbatterie gespeicherte Energie ergänzt, wodurch man eine kraftvolle und gleichmäßige Beschleunigung erhält.

Verzögerung oder Bremsen:

Die Räder treiben den Elektromotor an, der in diesem Fall als Generator fungiert und zur Energie-Rückgewinnung dient. Die gewonnene Energie wird in der Fahrbatterie gespeichert und kann später wieder abgerufen werden.

Stillstand:

Wenn das Fahrzeug steht, schaltet sich der Ottomotor automatisch ab. Sollte es jedoch erforderlich sein die Fahrbatterie zu laden oder den Klimakompressor zu betreiben dann läuft der Motor weiter.

Gesamtdaten:

Verbrauch: 4.3 l/100 km
CO2-Ausstoß: 104g/km
Beschleunigung: von 0 – 100 km/h: 10.9 sec
Höchstgeschwindigkeit: 170 km/h
Leergewicht: 1375 kg
Kofferraumvolumen: 408 l / 1210 l
Preis: ab 23900 €