mini|Das Logo des Hybrid Synergy Drive mini|Aufgeschnittener Hybrid Synergy Drive mini|Antriebskomponenten des Hybrid Synergy Drive
Hybrid Synergy Drive (Abk. HSD) ist der Markenname für das Hybridantriebssystem von Toyota. Das System verbindet den Verbrennungsmotor über ein Planetengetriebe mit zwei Elektromotoren. Es wirkt wie ein verlustarmes stufenloses Getriebe und ersetzt somit Schaltgetriebe, Kupplung, Anlasser und Lichtmaschine.
Geschichte Erstmals eingesetzt wurde es im Jahr 1997 im Toyota Prius, für den es seither das einzige verfügbare Antriebssystem darstellt. Später wurde er auch für den Toyota Corolla Hybrid, Toyota Auris Hybrid, Toyota Auris Touring Sports, Toyota Yaris Hybrid, Toyota RAV4 Hybrid, Toyota Camry Hybrid, Toyota C-HR Hybrid und für diverse Lexus-Modelle wie CT200h, RX400h, GS450h und LS600h angeboten. In Amerika und Japan wird es auch in weiteren Toyota-Modellen angeboten sowie an Nissan, Ford und Mazda lizenziert.
Im Jahr 2010 waren Hybridantriebe in den USA mit 291.000 verkauften Fahrzeugen (2,5 % Marktanteil), weit beliebter als in Europa mit 110.000 Stück (0,7 %). In Japan wurden im selben Jahr sogar 492.000 Stück (11,0 %) abgesetzt.
Versionen Das im ersten Großserien-Fahrzeug mit Hybridantrieb (Toyota Prius 1997) verwendete Antriebssystem wurde unter dem Namen Toyota Hybrid System (THS) bekannt.
Im Modelljahr 2003 kam die zweite Generation des Prius (NHW20) mit dem verbesserten THS-II auf den Markt. Dieses System erschien unter dem Markennamen Hybrid Synergy Drive (kurz HSD). Eine leistungsfähigere Version des THS-C wird in den Hybridfahrzeugen der Marke Lexus unter dem Namen Lexus Hybrid Drive eingesetzt.
In der dritten Version des Toyota Prius (seit 2009) wurde ein weiterentwickelter HSD eingeführt. Im Toyota Auris HSD (seit 2010) und dem seit 2011 erhältlichen Lexus CT 200h verwendet Toyota ein baugleiches System.
Verwendung Der erste Pkw mit HSD war der Toyota Prius. Toyota baut den HSD aber mittlerweile auch in andere Automobile ein. Dies sind: Toyota Alphard, Toyota Auris, Toyota Corolla, Toyota C-HR, Toyota CamryBurress, 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 Highlander, Toyota Previa, Toyota Prius Plug-in HybridEnergy, Renewable. "" (2011)., Toyota Prius+, Toyota RAV4 und Toyota Yaris.
Bei der Toyota-Tochter Lexus wird der HSD, der dort Lexus Hybrid Drive heißt, in folgenden Modellen angeboten: Lexus CT, Lexus IS, Lexus GS, Lexus HS 250h, Lexus LS 600h,Burress, 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 NX und Lexus RX.
Toyota lizenziert diese Technik auch an Nissan, Ford und Mazda: Nissan bietet den HSD im Nissan Altima an, Ford im Ford Escape Hybrid und Mazda seit 2013 im Mazda3.
Von 1997 bis 2019 verkaufte Toyota über 13 Mio. HSD-Fahrzeuge. Toyota hält 24.000 Patente rund um den HSD und räumte bis 2030 Mitbewerbern eine unentgeltliche Nutzung des HSD für deren Fahrzeuge ein, um die sparsame HSD-Technik und deren Vorteile weiterzuverbreiten.https://www.reuters.com/article/us-toyota-patents/toyota-to-give-royalty-free-access-to-hybrid-vehicle-patents-idUSKCN1RE2KC
Aufbau Der HSD ist ein System aus einem Verbrennungsmotor, zwei Motorgeneratoren, einem Überlagerungsgetriebe mit Planetenradsatz, einem Akkumulator mit hoher Leistungsdichte und einer elektronischen Steuereinheit. Der HSD ist ein Hybridantrieb mit Leistungsverzweigung, bei dem mit Hilfe des Power Split Device die Leistung des Verbrennungsmotors und der Motorgeneratoren verteilt wird. Der Aufbau des HSD wird am Beispiel des Toyota Prius der dritten Generation beschrieben.
Power Split Device mini|Darstellung eines Planetengetriebes mit vier Planetenrädern.Gelb (und weitgehend verdeckt): Das Sonnenrad; es ist beim HSD mit dem Motorgenerator MG1 verbunden. Blau: Die Planetenräder; der Verbrennungsmotor des HSD treibt den grün dargestellten Planetenradträger an. Rot: Das Hohlrad; es ist mit Motorgenerator MG2 verbunden und gibt Drehmoment an die Antriebsräder. Das Power Split Device besteht aus einem Planetengetriebe und einer elektronischen SteuerungBurress, 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 (PDF, 7,24 MB), am 7. September 2018 abrufbar.. Es bestimmt das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Verbrennungsmotor und der Abgangswelle. Außerdem ermöglicht es, den Kraftfluss je nach Ansteuerung der Motorgeneratoren einzustellen. Eine Kupplung gibt es nicht, in jedem Betriebszustand sind alle Bauteile formschlüssig miteinander verbunden.
Der Verbrennungsmotor ist mit dem Planetenradträger verbunden, das Sonnenrad mit dem kleineren Motorgenerator MG1. Der größere Motorgenerator MG2 wirkt auf das Hohlrad des Planetengetriebes, es ist der Kraftabgabepunkt des HSD.
Verbrennungsmotor Alle Fahrzeuge (Stand 2016) mit HSD auf dem Markt haben einen fremdgezündeten Viertakt-Verbrennungsmotor mit Nockenwellenverstellung. Seit dem Prius der zweiten Generation wird er im Atkinson-Zyklus betrieben. Er hat vier Zylinder, 1,8 Liter Hubraum und 73 kW Leistung (Toyota Prius & Auris, Lexus CT 200h).
Zwei Motorgeneratoren Die beiden elektrischen Maschinen („Motorgeneratoren“) des HSD werden von Toyota MG1 und MG2 genannt. Es sind Drehstrom-Synchron-Reluktanzmotoren mit Permanentmagnetunterstützung.Hsu, 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.Hsu, 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. Sie können sowohl als Generator wie auch als Motor arbeiten.
Der schwächere MG1 (42 kW bei der Modellgeneration 3) dient zum Starten des Verbrennungsmotors und während der Fahrt als Generator. Seine Drehzahl bestimmt das Übersetzungsverhältnis zwischen Verbrennungsmotor und Hohlrad und damit den Antriebsrädern.
Der stärkere MG2 dient als Antriebsmotor und als Rekuperationsbremse zum Rückgewinnen der Bremsenergie. Beim Prius der dritten Generation hat er eine Leistung von 60 kW.Autoshop101.com
Akku mini|Akku eines Prius der zweiten Generation (NHW20) Ein wichtiges Element des HSD ist die Hochleistungs-Akkumulatorenbatterie. Diese ist erheblich leistungsfähiger als die Starterbatterien in konventionellen Pkw. Es war lange Zeit ein Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, während Starter-Akkus fast ausnahmslos Bleiakkumulatoren sind. Der ab 2012 erhältliche Prius PHV hat einen Lithium-Ionen-Akku mit maximal 4,4 kWh Energieinhalt, von denen aber nur ca. 3,0 kWh verwendet werden (Nettoladefenster). Der Toyota Prius+ hat einen kleineren Lithium-Ionen-Akkumulator.Green Car congress: Toyota previews Prius V bei www.greencarcongress.com vom 24. Mai 2011, am 7. September 2018 abrufbar. Seit 2020 wird im Toyota Yaris ebenfalls ein Lithium-Ionen-Akku verbaut.
Die Spannung der Ni-MH-Akkubatterie beträgt 201,6 Volt. Sie kann maximal 27 kW abgeben (dritte Generation). Das ist die maximal verfügbare Leistung, mit der die Elektromotoren den Verbrennungsmotor unterstützen können. Zum Vergleich: Die Spannung eines konventionellen Pkw-Starter-Akkus beträgt 12 Volt, seine Maximalleistung ca. 2 kW.
Der Hochleistungs-Akku des HSD wurde auf eine hohe Zyklenfestigkeit ausgelegt. Da er darüber hinaus nie voll ge- und entladen wird (von 40 % bis üblicherweise 60 %, bei Bergab-Rekuperation bis max. 80 %), ist seine Lebensdauer so hoch wie die des Fahrzeuges selbst. Bei einem in den USA durchgeführten Test wurde die Leistung eines neuen Toyota Prius mit dem eines Fahrzeuges verglichen, das nach zehn Jahren eine Fahrleistung von über 300.000 km aufwies. Beschleunigung und Verbrauch waren nahezu gleich geblieben, was dafür spricht, dass auch die Leistung des Akkumulators kaum nachgelassen hatte.
Außer diesem Akkupack hat jeder PKW mit HSD auch einen konventionellen, erheblich kleineren 12-Volt-Akku. Sollte im Fehlerfall der Hochspannungsstromkreis nebst Hochleistungs-Ni-MH-Akku während der Fahrt ausfallen, ist damit sichergestellt, dass die Bordelektronik mit 12 Volt Gleichspannung weiter funktioniert. Da dieser Akku den Verbrennungsmotor nicht starten muss, hat er eine geringere Kapazität als übliche Starterakkus.
Boost-Converter Der seit dem Prius der zweiten Generation vorhandene Boost-Converter erhöht die Spannung des Ni-MH-Akkus in Höhe von 201,6 Volt in eine maximale Gleichspannung von bis zu 650 Volt (Prius 3, bis zu 500 V bei Prius 2), womit – nach Wandlung in Drehstrom – die Motorgeneratoren gespeist werden. Wenn MG1 und/oder MG2 als Generator arbeiten, wandelt er deren Drehstrom in Höhe von bis zu 650 Volt (bis zu 500 V bei der Modellgeneration 2) in die Ladegleichspannung von knapp über 200 Volt um.
Motorumrichter mini|Geöffneter Inverter des Toyota Prius NHW11 Mit Hilfe eines Wechselrichters (Inverter) wird die 650-V-Gleichspannung in einen frequenzvariablen Drehstrom gewandelt, mit dem die Motorgeneratoren gespeist werden. Beide Elektromotoren, der Boost-Converter und der Inverter, werden über einen vom Verbrennungsmotor unabhängigen Kreis wassergekühlt. Ein zweiter Wechselrichter wandelt die vom Hybrid-Akku abgegebene Gleichspannung in Höhe von 201,6 Volt in eine Dreiphasen-Wechselspannung gleicher Höhe um, um damit die Klimaanlage zu speisen. Dieser Wechselrichter ist seit der Modellgeneration 3 im Gehäuse des E-Antriebs/Klimakompressors integriert.
Positions- und Drehzahlsensoren Im HSD sind eine Reihe von Sensoren aktiv. Die wichtigsten sind: Positions- und Drehzahlsensoren für MG1 und MG2, mit denen nicht nur die aktuelle Drehzahl, sondern auch die genaue Winkelposition beider Motoren bestimmt werden kann. Durch Messung der Strombilanz ist auch das am jeweiligen Motorgenerator wirkende Drehmoment bekannt.
Weitere Sensoren nehmen die Position des Gas- und Bremspedals sowie die Position des Schalthebels auf.
Steuerungselektronik Im HSD arbeiten mehrere elektronische Module, sogenannte ECUs (Electronic Control Units). HV ECU (High Voltage Electronic Control Unit): Sie steuert den Energiefluss zwischen Akku und den beiden Motorgeneratoren. Die HV ECU überwacht daneben den sicheren Betrieb des Hybridantriebs und speichert Betriebsdaten zur einfachen Fehlersuche. Im Fehlerfall kann sie den Hochspannungskreis mit Hilfe von drei Relais außer Betrieb nehmen. Skid Control ECU: Sie steuert und überwacht das regenerative Bremsen. Battery ECU: Sie überwacht den Ladezustand des Akkupacks und steuert die Kühlung.
Entwicklungsstufen Seit seiner Einführung im Jahr 1997 erfuhr der HSD zahlreiche Verbesserungen. So hatte der Verbrennungsmotor des Toyota Prius I nur 1,5 Liter Hubraum und 43 kW Leistung, wohingegen der 2009 vorgestellte Prius ZVW30 mit einem Verbrennungsmotor mit 1,8 Liter Hubraum und 73 kW Leistung ausgestattet wurde. Der größte Verbrennungsmotor in einem HSD ist ein V8-Motor mit 5 Liter Hubraum und 290 kW Leistung im Lexus LS 600h. Parallel zur Leistung des Verbrennungsmotors wuchs auch die Leistung der Elektromotoren und somit die Leistung des Gesamtsystems.
Die beiden Motorgeneratoren wurden im Prius der ersten Generation mit der Spannung der Akkus betrieben, also 274 Volt. Beim ersten Prius-Modell gab es bisweilen Probleme durch Überhitzung der Leistungselektronik. Daher wurde diese ab der zweiten Generation wassergekühlt.