Ewolucja zelektryfikowanych napędów Toyoty. Hybrydy pomostem do aut elektrycznych

Narastający od lat problem smogu oraz ocieplenia klimatu sprawia, że normy emisji spalin dla nowych samochodów są systematycznie zaostrzane. Norma 95 gramów nie jest już możliwa do osiągnięcia przy wykorzystaniu wyłącznie konwencjonalnych napędów. Wynikają z tego zmiany w konstrukcji samochodów, których celem jest ograniczanie zużycia paliwa i emisji CO2 oraz szkodliwych substancji, w trosce o ludzkie zdrowie. Motoryzacja stopniowo dąży do bezemisyjnych samochodów elektrycznych, zaś droga do nich prowadzi przez hybrydy jako bardzo ważny etap pośredni.

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. Dziś jeszcze współczesne samochody elektryczne nie są wystarczająco konkurencyjne pod względem ceny, wydajności i zasięgu, dlatego najbardziej racjonalnym rozwiązaniem – zarówno dla klientów jak i producentów – obniżającym średnią emisyjność samochodów są hybrydy.

Hybryda to połączenie napędu spalinowego i elektrycznego, w którym silnik elektryczny współpracuje z silnikiem spalinowym. Taka konstrukcja zapewnia 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 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, ładowane z zewnętrznego źródła zasilania.

Toyota jako pierwsza wprowadziła na rynek masowo produkowany samochód hybrydowy. Był to model 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.

Atuty konstrukcji napędu hybrydowego 4. generacji
Dzięki ogromnemu doświadczeniu i nieustannym pracom rozwojowym Toyota dysponuje obecnie najnowocześniejszą i najbardziej zaawansowaną technologią hybrydową na świecie. Jej czwarta generacja 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. Czwarta odsłona napędów hybrydowych Toyoty opiera się na modułowej architekturze TNGA i wyróżnia wieloma pionierskimi rozwiązaniami.

Wysokie, sięgające nawet 650 V napięcie układu hybrydowego Toyoty pozwala zastosować mocny silnik elektryczny. W efekcie hybrydy Toyoty i Lexusa mogą poruszać się w mieście nawet do 70% czasu jazdy w bezemisyjnym trybie elektrycznym. Obecnie na rynek wchodzi Toyota Yaris nowej generacji, której napęd hybrydowy zwiększy udział trybu bezemisyjnego do 80% czasu jazdy w miejskich warunkach.

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 innowacyjne jednostki z serii Dynamic Force, pracujące w oszczędnym cyklu Atkinsona. Ich wydajność cieplna osiąga rekordowy poziom 40%.

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 mocny silnik może pracować przy niższym natężeniu prądu, co przekłada się ograniczenie strat energii. To rozwiązanie pozwala również wygospodarować więcej miejsca w kabinie i bagażniku.

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%. 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.

Samochody hybrydowe Toyoty są znane ze swojej niezawodności, do czego 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?
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. Marka nie planuje natomiast wprowadzania na rynek hybryd typu mild.

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.

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.

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.

Toyota dysponuje zaawansowaną technologią hybrydową oraz samochodami od początku zaprojektowanymi pod kątem optymalnego montażu układu hybrydowego. Hybrydy Toyoty zużywają o kilka litrów paliwa mniej od ich benzynowych odpowiedników i emitują o kilkadziesiąt g/km CO2 mniej, co powoduje, że Toyota już dziś spełnia nowe, wymagające normy emisji spalin Unii Europejskiej.

Napęd plug-in Toyoty to w pełni funkcjonalny układ full hybrid z możliwością ładowania z zewnątrz
Toyota traktuje hybrydy plug-in jako uzupełnienie szerokiej oferty modeli hybrydowych. Na rynku wyróżnia je to, że zawsze dysponują pełną mocą i maksymalnymi możliwościami oszczędzania paliwa i zgromadzonej energii – ich dynamika jest niezależna od poziomu naładowania baterii, podobnie jak zdolność do wydajnej pracy.

Obecnie na rynku dostępny jest Prius Plug-in Hybrid, a niedługo dołączy do niego potężny, 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 Toyoty (szeregowa, równoległa i szeregowo-równoległa – zależnie od potrzeb pracy) tak jak inne hybrydy marki dysponuje dwoma mocnymi silnikami/generatorami, konwerterem podwyższającym napięcie i przekładnią planetarną, a jednostka sterująca podczas jazdy hybrydowej automatycznie dobiera najbardziej ekonomiczny tryb jazdy.

Sekcja plug-in umożliwia pokonanie kilkudziesięciu kilometrów w bezemisyjnym trybie elektrycznym, w tym również dynamiczne przyspieszanie oraz jazdę z prędkością do 135 km/h bez włączania silnika spalinowego. Miniaturyzacja układu hybrydowego, w tym obniżenie napięcia akumulatora trakcyjnego za sprawą konwertera, przynosi w przypadku hybrydy plug-in ogromne korzyści. Dzięki niemu bateria zasilająca mocny silnik elektryczny może być znacznie mniejsza i trwalsza.

System ogrzewania i chłodzenia akumulatorów w Priusie Plug-in Hybrid jest tak skuteczny, że nawet przy mrozie -20°C auto zachowuje pełną funkcjonalność sekcji elektrycznej. Samochód ten wyróżnia się ponadto jako jedyny na rynku pompą ciepła, która zarówno chłodzi, jak i efektywnie ogrzewa wnętrze nawet przy temperaturze -10°C. Dzięki temu unikatowemu rozwiązaniu samochód zapewnia komfortową temperaturę wnętrza zimą bez uruchamiania silnika spalinowego.