25 lat technologii hybrydowej Toyoty. Pięć generacji i wzrost wydajności o ponad połowę
25 lat temu zadebiutowała Toyota Prius, pierwszy seryjny samochód z napędem hybrydowym. Teraz wraz z Corollą Cross i Corollą z rocznika 2023 na rynek wchodzi piąta generacja napędu hybrydowego, która przewyższa poprzednie rozwiązania pod względem dynamiki, kultury pracy i wydajności. Obecnie hybrydy to najważniejszy napęd w gamie Toyoty, który odpowiada za ponad połowę sprzedaży marki w Polsce i w Europie.
Od 1997 roku Toyota opracowała 5 generacji napędu hybrydowego, a jej gama samochodów hybrydowych rozrosła się do ponad 40 modeli z niemal wszystkich segmentów. Łączna sprzedaż hybryd produkcji Toyoty przekroczyła 20 milionów pojazdów, a ostatnie 10 milionów opuściło salony w ciągu pięciu lat. Na całym świecie samochody te pokonują łącznie ponad 0,5 miliarda kilometrów dziennie.
Hybrydy Toyoty w Polsce
W Polsce sprzedaż hybryd rozpoczęła się w 2004 roku i do dziś przekroczyła 190 000 aut. Pierwszym modelem z tym napędem dostępnym w polskich salonach był Prius 2. generacji. Trzecia generacja hybrydowego liftbacka, która na całym świecie stała się synonimem ekologicznego samochodu, trafiła na rynek w 2009 roku, a rok później dołączył do niego Auris wyposażony w ten sam napęd. Premiera Aurisa Hybrid wyznacza początek nieprzerwanego wzrostu sprzedaży hybryd Toyoty w Polsce, który trwa do dziś. W 2012 roku wraz z Yarisem Hybrid napęd hybrydowy po raz pierwszy na polskim rynku wykroczył poza segment C.
Kolejny model Priusa wprowadził na światowe rynki w 2015 roku napęd hybrydowy czwartej generacji opracowany w nowej architekturze TNGA. Od tego momentu gama hybryd Toyoty w Polsce zaczęła się szybko rozrastać. W 2016 roku zadebiutował crossover Toyota C-HR, który powstał na tej samej co Prius platformie TNGA-C i otrzymał ten sam napęd hybrydowy 1.8 122 KM. Wraz z tym modelem Toyota po raz pierwszy poszerzyła swoją ofertę w Europie o kompaktowego SUV-a, jednocześnie wprowadzając od tego segmentu technologię hybrydową.
Rekordowa popularność Corolli Hybrid
Modelem, który zmienił reguły gry na polskim rynku, stała się Corolla 12. generacji. Debiutujące w 2019 roku auto powstało na platformie TNGA-C i otrzymało dwa napędy hybrydowe czwartej generacji do wyboru – układ 1.8 122 KM i nowy napęd Hybrid Dynamic Force 2.0 184 KM. Corolla Hybrid zastąpiła hybrydowego Aurisa i stała się pierwszym modelem z niskoemisyjnym napędem, którego roczna sprzedaż w Polsce przekroczyła 10 000 egzemplarzy. W 2021 roku, trzecim roku obecności na rynku, Corolla stała się najpopularniejszym samochodem w Polsce, a jej hybrydowe wersje pokonały barierę 16 000 egzemplarzy.
Elektryczny napęd na cztery koła
W 2016 roku w salonach pojawił się jeszcze jeden obok Toyoty C-HR hybrydowy SUV – RAV4 Hybrid. Wraz z nim zadebiutował w Europie hybrydowy napęd na cztery koła E-FOUR, obecnie znany jako AWD-i. RAV4 2016 korzystał z układu hybrydowego trzeciej generacji, który w odmianie E-FOUR miał dodatkowy silnik elektryczny przy tylnej osi, uruchamiany automatycznie w warunkach słabszej przyczepności. W 2019 roku do salonów weszła kolejna generacja RAV4, która obok architektury TNGA otrzymała napęd hybrydowy czwartej generacji, zarówno w układzie FWD, jak i AWD-i.
Nowy model i nowa technologia
Tegoroczna premiera Corolli Cross wprowadza na rynek napęd hybrydowy piątej generacji oraz trzecią generację układu AWD-i. To pierwszy raz, kiedy kolejna odsłona technologii hybrydowej Toyoty debiutuje w innym modelu niż Prius. Corolla Cross otrzymała 197-konny układ Hybrid Dynamic Force oparty na silniku 2.0. W przyszłym roku do kompaktowego crossovera dołączy Corolla jako drugi model napędzany hybrydą najnowszej generacji. Najpopularniejszy samochód na świecie będzie oferował dwie wersje napędowe – układ z silnikiem 2.0 197 KM oraz napęd 1.8 140 KM.
Obecnie gama modelowa Toyoty w Polsce składa się z ośmiu modeli hybrydowych, w tym pięciu SUV-ów z wszystkich segmentów – od miejskiego Yarisa Cross po 7-osobowego Highlandera. Cztery z nich są dostępne z napędem AWD-i.
Konstrukcja napędu hybrydowego Toyoty
Podstawowe zasady konstrukcji i działania pełnego napędu hybrydowego, opracowanego przez Toyotę, pozostają niezmienne od samego początku. Układ hybrydowy to połączenie silnika benzynowego i elektrycznego, generatora oraz akumulatora trakcyjnego. Całością steruje komputer za pośrednictwem przekładni planetarnej, która stanowi serce układu. Przekładnia składa się z kilku kół zębatych. Jest zwarta, lekka i nie zawiera sprzęgieł ani pasów. Układ poszczególnych zębatek jest kluczowy dla funkcjonalności napędu hybrydowego Toyoty i jest objęty patentem.
Początki napędu hybrydowego – przełomowa technologia
Choć podstawowe założenia budowy układów hybrydowych Toyoty są stałe, w ciągu 25 lat technologia ta została tak bardzo rozwinięta, że jej wydajność wzrosła o ponad 50%. Prius pierwszej generacji, choć jako sedan segmentu B wyglądał skromnie, pod maską krył bardzo zaawansowaną technologię. Prawdziwym przełomem w konstrukcji zelektryfikowanych napędów okazała się opatentowana przez Toyotę przekładnia planetarna, dzięki której samochód hybrydowy może ruszyć bez uruchomienia silnika benzynowego, korzystać w pełnym zakresie prędkości auta z wąskiego przedziału najbardziej efektywnych obrotów silnika spalinowego oraz ładować baterię zarówno podczas jazdy, jak i postoju. Przekładnia pierwszego Priusa zarządzała pracą silnika benzynowego 1.5 o mocy 58/72 KM, silnika elektrycznego o mocy 40/44 KM, generatora i baterii niklowo-wodorkowej przy użyciu falownika zamieniającego prąd zmienny na stały i odwrotnie.
Druga generacja – konwerter Boost
W drugiej generacji napędu hybrydowego zwykły falownik został zastąpiony konwerterem Boost, który nie tylko zmienia prąd między stałym a zmiennym, ale zwiększa napięcie. Jest to rewolucyjna zmiana, która pozwoliła zastosować baterię trakcyjną nawet o 3-krotnie mniejszym napięciu nominalnym niż napięcie silników elektrycznych. Zmniejszono także liczbę ogniw baterii z 228 do 168, co pozwoliło ograniczyć jej wielkość i umieścić pod podłogą. Współcześnie przy wysokich cenach surowców potrzebnych do wytwarzania baterii konwerter Boost znacząco obniża koszty produkcji hybryd. Prius drugiej generacji nadal był napędzany silnikiem 1,5 l, ale jego moc wzrosła do 79 KM, a większy silnik elektryczny generował 68 KM mocy.
Trzecia generacja – skrzynia redukcyjna
Począwszy od trzeciej generacji hybryd, z przekładnią planetarną współpracuje skrzynia redukcyjna, która pozwala wydajniej korzystać z silnika elektrycznego. Dzięki niej maksymalny moment obrotowy silnika elektrycznego był dostępny w znacznie większym zakresie obrotów niż w poprzednich generacjach. Hybrydy trzeciej generacji korzystały z udoskonalonej baterii niklowo-wodorkowej, lecz z jednym wyjątkiem. Minivan Prius + miał we wnętrzu trzy rzędy siedzeń, dlatego bateria nie mogła mieścić się pod tylną kanapą, jak w pozostałych modelach. Zamiast tego zastosowano mniejszy i lżejszy akumulator litowo-jonowy, zamontowany w podłokietniku.
Standardowy napęd zastosowany w Priusie, a potem Aurisie otrzymał większy silnik 1,8 l, a moc całego układu wzrosła do 136 KM. Trzecia generacja zyskała też kilka innych wariantów o różnych wielkościach i mocach ze względu na to, że gama hybryd Toyoty na świecie została znacznie rozbudowana o modele z różnych segmentów. W Polsce oferta modeli z układem hybrydowym trzeciej generacji obejmowała obok Priusa i Aurisa z segmentu C także miejskiego Yarisa Hybrid i średniej wielkości SUV-a RAV4 Hybrid.
Czwarta generacja – zupełnie nowa konstrukcja TNGA
Napęd hybrydowy opracowany w technologii TNGA został gruntownie przebudowany, a każdy element jest mniejszy, lżejszy i bardziej wydajny od poprzednika. Hybrydy 4. generacji są o 41% bardziej wydajne od pierwszego modelu Priusa. Sprawność cieplna silnika benzynowego wzrosła do rekordowych 41%. Silniki elektryczne są mniejsze i lżejsze, a ich uzwojenie zmieniono na segmentowe, co zwiększa jego przekrój i umożliwia większe natężenia prądu. To przekłada się na większą moc i moment obrotowy, a jednocześnie ogranicza straty i ryzyko zwarcia. W porównaniu z pierwszym Priusem, hybrydy 4. generacji dysponują silnikami elektrycznymi o niemal trzykrotnie większej maksymalnej prędkości obrotowej (wzrost z 6 000 obr./min do 17 000 obr./min). Dzięki temu prędkość maksymalna samochodu w trybie EV wzrosła z 50 km/h do 130 km/h.
W napędzie 4. generacji konstruktorzy umieścili silniki MG1 i MG2 na dwóch równoległych osiach, co pozwoliło zmniejszyć szerokość przekładni o 47 mm i jej masę o 20%. W tym rozwiązaniu można zastosować mniejszy silnik elektryczny, a i tak otrzymamy wysoki moment obrotowy na kołach. Wyższa efektywność baterii trakcyjnych pozwala zwiększyć ilość przyjmowanej i oddawanej energii w jednostce czasu o 30%. Obniżenie napięcia w baterii oraz mniejsze natężenie prądu sprawiają, że cały układ jest mniej obciążony, przez to bardziej efektywny.
Piąta generacja – większa dynamika i przyjemność z prowadzenia
Piąta generacja hybryd Toyoty wprowadza większą moc, lepsze osiągi oraz przyjemniejsze wrażenia z jazdy przy zachowaniu tej samej pojemności silnika benzynowego. Nowa Corolla z rocznika 2023, która wraz z faceliftingiem otrzymuje nową generację układów napędowych dla wszystkich trzech rodzajów nadwozia, stanowi dobrą podstawę do porównania obu technologii hybrydowych opracowanych w architekturze TNGA. Łączna moc napędu hybrydowego piątej generacji z silnikiem 1.8 wynosi 140 KM*, co jest wzrostem aż o 18 KM. Nowa hybryda rozpędza się od 0 do 100 km/h o 1,7 sekundy szybciej (9,2 sek.)*, notując emisję CO2 na podobnym poziomie (102 g/km)*. W przypadku układu z silnikiem 2.0 całkowita moc wzrosła do 196 KM*, a czas rozpędzania się od 0 do 100 km/h skrócił się o prawie pół sekundy do poziomu 7,5 s*. Wstępne pomiary wskazują, że nowy mocniejszy napęd będzie emitował od 107 g/km CO2* w cyklu mieszanym, o 3 g/km mniej niż aktualny, 184-konny napęd 2.0.
Wszystkie elementy układu napędowego zostały udoskonalone – są około 20-30 procent mniejsze od tych w czwartej generacji, a wydajność napędu wzrosła o ponad 10%. Nowa bateria litowo-jonowa jest mniejsza i o 14% lżejsza od baterii litowo-jonowej stosowanej w napędach hybrydowych czwartej generacji, a jednocześnie ma o 14% większą moc i nowy układ chłodzenia. W porównaniu z baterią niklowo-wodorkową jej masa spadła o 18 kg. Silniki elektryczne zostały zaprojektowane od nowa. W układzie napędowym 1.8 moc silnika elektrycznego MG2 wzrosła aż o 23 KM, zaś w układzie 2.0 o 5 KM. Nowy jest także falownik o większej wydajności, jednostka sterująca PCU, która ograniczyła straty energii o 6%, oraz układy smarowania i rozprowadzania oleju, które wykorzystują olej o niskiej lepkości, zmniejszając straty mechaniczne.
Współczesne hybrydy w miejskich warunkach są w stanie poruszać się nawet przez 70-80% czasu jazdy wyłącznie na silniku elektrycznym. Wykazują się rekordowo niskim spalaniem i emisją CO2 oraz substancji toksycznych. Hybrydy przyczyniają się także do radykalnego obniżenia emisji niespalinowych – dzięki hamowaniu z wykorzystaniem rekuperacji zostało znacząco ograniczone ścieranie klocków hamulcowych. Jednocześnie prostota konstrukcji hybrydowego układu napędowego gwarantuje wysoką niezawodność.
* dane sprzed homologacji
Udostępnij ten artykuł
