Wszystko o zelektryfikowanych napędach Toyoty

Aktualna norma 95 gramów nie jest możliwa do osiągnięcia przy wykorzystaniu wyłącznie konwencjonalnych napędów. Każda z firm musi mieć w swoim portfolio hybrydy plug-in czy auta elektryczne. W przyszłości, za 30 czy 50 lat przemiany, które teraz mają miejsce będą miały bardzo duże znaczenie. Może nawet i wcześniej. Motoryzacja musi się zmienić. Przepisy wymuszają zmiany w konstrukcji samochodów, których celem jest ograniczanie zużycia paliwa i emisji CO2 oraz szkodliwych substancji. Na końcu tej drogi są bezemisyjne samochody elektryczne, a jednym z ważnych etapów pośrednich hybrydy. Tak przynajmniej widzi to Toyota.

CZYTAJ TAKŻE: Toyota prezentuje ceny nowego Yarisa

Obecnie obowiązujące w Unii Europejskiej normy wymagają, by średnia emisja nowych samochodów sprzedawanych przez poszczególne marki mieściła się w granicy 95 g/km. W 2030 roku limit ten będzie wynosił 65 g/km, co oznacza, że niezbędny stanie się wysoki udział samochodów elektrycznych w puli wszystkich sprzedanych aut. Współczesne samochody elektryczne póki co kosztują sporo. Są coraz lepsze względem wydajności i zasięgu, ale to jeszcze nie ten etap, który życzy sobie masowy odbiorca. Kiedy jedni stawiają w pełni na rozwój napędów elektrycznych inne firmy obniżają średnią emisję poprzez ofertę modeli hybrydowych i hybryd plug-in.

Foto: moto.rp.pl

Technologia hybrydowa nie jest niczym nowym na rynku, a mimo to nadal nie wszyscy rozumieją techniczne rozwiązania kryjące się za tą nazwą. Hybryda to połączenie napędu spalinowego i elektrycznego, w którym silnik elektryczny współpracuje z silnikiem spalinowym. Taka konstrukcja ma zapewnić większą wydajność, niższe zużycie paliwa i emisję spalin oraz lepszą dynamikę w porównaniu do takiego samego silnika spalinowego. Obecnie na rynku oferowane są trzy rodzaje hybryd. Pierwsze z nich to samoładujące się, zelektryfikowane pełne napędy hybrydowe (full hybrid), zdolne do poruszania się na samym silniku elektrycznym, w których moc silnika elektrycznego jest porównywalna z mocą silnika benzynowego. Drugi typ to coraz częściej pojawiające się miękkie hybrydy (mild hybrid), wyposażone w niewielką baterię i silnik elektryczny o napięciu od 12 do 48 V, zaś trzeci to hybrydy plug-in, wyposażone w duże akumulatory trakcyjne, które mogą być ładowane z zewnętrznego źródła zasilania.

Schemat podzespołów miękkiej hybrydy.

Foto: moto.rp.pl

Toyota to pionier napędu hybrydowego. Ta japońska marka jako pierwsza wprowadziła na rynek masowo produkowany samochód hybrydowy. Był to Prius, który zadebiutował w 1997 roku. W ciągu 23 lat doświadczeń Toyota opracowała 4 generacje napędu hybrydowego, a wspólnie z marką Lexus oferuje obecnie 44 modele hybrydowe i sprzedała ponad 15 milionów tych samochodów. Hybrydy obu marek pokonują łącznie 0,5 miliarda kilometrów dziennie.

Rok 1997 – pierwsza generacja Toyoty Prius.

Foto: moto.rp.pl

Można śmiało stwierdzić, że Toyota dopracowała napęd hybrydowy do perfekcji i dysponuje obecnie najnowocześniejszą i najbardziej zaawansowaną technologią tego napędu na świecie. Czwarta generacja napędu zadebiutowała na rynku w 2015 roku wraz z premierą czwartego modelu Priusa, a następnie znalazła zastosowanie w kolejnych modelach, takich jak Toyota C-HR, Corolla, RAV4 czy Camry. Wysokie, sięgające nawet 650 V napięcie układu hybrydowego Toyoty pozwala zastosować mocny silnik elektryczny. W efekcie Japończycy chwalą się, że ich hybrydy napędzające modele Toyoty i Lexusa mogą poruszać się w mieście nawet do 70 procent czasu jazdy w bezemisyjnym trybie elektrycznym. Wchodzący na rynek nowy Yaris ma to przebić i zwiększyć udział trybu bezemisyjnego do 80 procent czasu jazdy w miejskich warunkach.

Najnowsza generacja Toyoty Yaris.

Foto: moto.rp.pl

Pełny napęd hybrydowy Toyoty składa się z dwóch dużych silników elektrycznych, które skutecznie odzyskują energię z hamowania, zwiększają osiągi, wspomagając silnik benzynowy podczas przyspieszania, oraz umożliwiają rozpędzanie auta w trybie jazdy elektrycznej. W układach AWD-i za napęd tylnej osi odpowiada trzeci silnik elektryczny, który współpracuje z hybrydowym układem napędzającym przednią oś, by zapewnić lepszą przyczepność na śliskiej nawierzchni. Używane w napędach hybrydowych nowej generacji silniki spalinowe to jednostki z serii Dynamic Force, które pracują w cyklu Atkinsona (silnik pracujący w cyklu Atkinsona ma lepszą sprawność w zakresie średnich obrotów), a to ma pozwolić jeszcze bardziej oszczędzić paliwo. Ta technologia musi przynosić wymierne efekty bo zaczyna być coraz szerzej stosowana w innych hybrydach np. w nowej Hondzie Jazz.

Unikatowym rozwiązaniem w technologii hybrydowej Toyoty jest konwerter (przetwornica napięcia), który podnosi napięcie do wartości wymaganej przez mocny silnik elektryczny. Dzięki temu rozwiązaniu napięcie baterii trakcyjnej może być nawet trzy razy mniejsze od napięcia silnika. Na przykład w Priusie 4. generacji pracuje motor elektryczny o mocy 53 kW i napięciu 600 V, do którego zasilania dzięki użyciu konwertera wystarcza bateria o mniejszej liczbie ogniw i napięciu zaledwie 202 V. Dzięki temu może być ona mniejsza i lżejsza. Jednocześnie silnik może pracować przy niższym natężeniu prądu, co przekłada się ograniczenie strat energii. To rozwiązanie pozwala również wygospodarować więcej miejsca w kabinie i bagażniku.

Czwarta generacja Toyoty Prius.

Foto: moto.rp.pl

W napędzie 4. generacji wprowadzono nową przekładnię o równoległych osiach i dużym przełożeniu. Dzięki temu można zastosować w układzie mniejszy silnik elektryczny, a i tak otrzymamy wysoki moment obrotowy na kołach. To rozwiązanie ułatwia jazdę w trybie EV i pozwala rozwinąć prędkość do 115 km/h na samym silniku elektrycznym. Wyższa efektywność baterii trakcyjnych w 4. generacji napędu hybrydowego pozwala zwiększyć ilość przyjmowanej i oddawanej energii w jednostce czasu o 30 procent. To przekłada się na lepszą dynamikę auta w zakresie średnich obciążeń.

Obniżenie napięcia w baterii oraz mniejsze natężenie prądu sprawiają, że cały układ jest mniej obciążony, przez to bardziej efektywny. Nie bez powodu od lat hybrydy Toyoty są synonimem niezawodności, co potwierdzają prestiżowe rankingi, takie jak TÜV czy Consumer Reports, a baterie trakcyjne pracują przez cały cykl życia auta bez konieczności wymiany. Mniejsze natężenie prądu pozwala ograniczyć średnicę przewodów, co sprawia, że instalacja elektryczna jest lżejsza, tańsza i mniej surowcochłonna. Zastosowanie mniejszych przewodów wydłuża żywotność układu i ogranicza straty energii.

Foto: moto.rp.pl

Toyota przez lata wyrobiła sobie opinię niezawodnej marki. Teraz taka sama opinia prezentowana jest przy napędach hybrydowych. Do niezawodności na pewno przyczynia się ich prosta konstrukcja. Auta te pozbawione są wielu elementów, takich jak rozrusznik, alternator, paski, turbina czy sprzęgło, a także konwencjonalnej skrzyni biegów. Żywotność baterii wydłuża system jej ogrzewania, który sprawia, że hybryda bez problemu rusza podczas silnych mrozów. Właściwa temperatura jest utrzymywana także we wnętrzu za sprawą elektrycznego systemu klimatyzacji kabiny, który działa również przy wyłączonym silniku spalinowym. Powyższe zmiany pozwoliły zminiaturyzować cały napęd i w efekcie poprawić funkcjonalność samochodu.

Dlaczego Toyota nie stosuje napędów typu mild hybrid? Decyzja ta wynika z mniejszych możliwości miękkich hybryd w porównaniu do pełnych napędów hybrydowych oraz z ograniczonych korzyści pod względem oszczędności paliwa i emisji spalin. Obecnie na rynku dostępne są trzy rodzaje napędów hybrydowych – obok pełnych hybryd są to miękkie hybrydy oraz hybrydy plug-in. Gama zelektryfikowanych samochodów Toyoty opiera się na pełnych hybrydach, do których stopniowo dołączają hybrydy ładowane z zewnętrznego źródła zasilania. Miękkie hybrydy są wyposażone w niewielką dodatkową baterię o napięciu od 12 do 48 V oraz mały silnik elektryczny, czy też powiększony rozrusznik, który pełni także funkcję alternatora oraz wspomaga silnik benzynowy. W układzie mild hybrid nie jest on w stanie samodzielnie napędzać samochodu w trybie bezemisyjnym.

Foto: moto.rp.pl

Stosunkowo niskie napięcie przekłada się na niską moc silnika elektrycznego, który może tylko wspomagać system. Rozwiązanie to jest łatwe w implementacji w konwencjonalnym samochodzie przez dołożenie instalacji 48 V, która przynosi oszczędności paliwa rzędu dziesiątych części litra na 100 km oraz obniżenie emisji CO2 o kilka gramów na km. To najprostsze rozwiązanie przynoszące tylko niewielkie efekty stosuje coraz więcej marek przerabiając niemal każdy swój napęd w miękką hybrydę.

CZYTAJ TAKŻE: Toyota wyprodukowała 10 mln RAV4

O wiele bardziej wart uwagi jest napęd plug-in. To w pełni funkcjonalny układ full hybrid z możliwością ładowania z zewnątrz. Taki napęd zawsze dysponują pełną mocą i maksymalnymi możliwościami oszczędzania paliwa i zgromadzonej energii. W ofercie Toyoty obecnie na rynku dostępny jest Prius Plug-in Hybrid, a niedługo dołączy do niego 306-konny RAV4 Plug-in hybrid. Samochody te łączą wszystkie atuty pełnych napędów hybrydowych marki z zaletami aut elektrycznych. Rozwiązanie to jest bardziej zaawansowane technologicznie i bardziej wydajne od prostej kombinacji konwencjonalnego silnika spalinowego z połączonym równolegle silnikiem elektrycznym i baterią. W takich konstrukcjach moc auta często zależy od poziomu naładowania dużej, wysokonapięciowej baterii. Hybryda plug-in (szeregowa, równoległa i szeregowo-równoległa – zależnie od potrzeb pracy) dysponuje dwoma mocnymi silnikami/generatorami, konwerterem podwyższającym napięcie i przekładnią planetarną, a jednostka sterująca podczas jazdy hybrydowej automatycznie dobiera najbardziej ekonomiczny tryb jazdy.