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Hybrid Synergy Drive: So funktioniert Toyotas Hybrid-Antrieb
Mit der Entwicklung des ersten marktfähigen Hybrid-Antriebs „Hybrid Synergy Drive“ (HSD) hat Toyota in den 1990er Jahren den Grundstein für seine heutige Marktposition gelegt. Was mit der Einführung des Prius im Jahr 1997 begann, wurde mit den Modellen Yaris Hybrid und Auris Hybrid in den 2000er Jahren fortgesetzt. Seit 2013 ist mit dem Auris Touring Sports außerdem der erste vollwertige Hybrid-Kombi auf dem Markt.
Im Folgenden soll die Funktionsweise des Hybrid Synergy Drive ausführlich erläutert werden.
Prrinzip
Hybrid-Fahrzeuge verfügen im Unterschied zu herkömmlichen Automobilen nicht über eine, sondern mehrere Antriebsquellen. Beim Toyota Prius sind dies ein 73 kW starker Ottomotor mit 1,8 Litern Hubraum und zwei Elektro-Aggregate (von Toyota als „Motorgeneratoren“ bezeichnet), die 42 und 60 kW entfalten.
Ein Energiemanagement-System entscheidet je nach Fahrsituation, welches der Aggregate zum Einsatz kommt. Hierdurch wird ein Spritverbrauch von durchschnittlich 3,9 Litern pro 100 Kilometer erreicht, was für einen Wagen der Mittelklasse ein sehr geringer Wert ist.
Die beiden Elektro-Aggregate MG1 und MG2 fungieren sowohl als Motor wie auch als Generator. Während der stärkere MG2 als Antriebsmotor und Rekuperationsbremse dient, wird der schwächere MG1 zum Starten und während der Fahrt als Generator eingesetzt.
Im Stadtverkehr hört der Fahrer bisweilen, wie der Benzinmotor zum Beschleunigen gestartet wird. Nimmt man den Fuß vom Gas (etwa im Leerlauf oder beim Bergabfahren), ebbt das Geräusch ab – der Motor wird dann automatisch abgeschaltet. Nur wenn der Ladezustand der Batterie gegen null tendiert, wird der Ottomotor in diesen Phasen weiterbetrieben.
Akku
Das HSD ist mit einem Nickel-Metallhydrid-Akku ausgestattet, der auf zwei verschiedene Weisen geladen wird: durch Rekuperation (Rückgewinnung von Energie durch Bremsvorgänge) und über den Generator des Verbrennungsmotors. Um eine möglichst lange Lebensdauer des Akkumulators zu erreichen, wird dieser niemals vollständig ge- oder entladen. Solange es der Ladezustand erlaubt, wird der Wagen stets rein elektrisch betrieben.
Die maximale Abgabeleistung des Ni-MH-Akku-Packs liegt bei der dritten Prius-Generation bei 27 kW, die Spannung bei exakt 201,6 Volt. Zum Vergleich: Ein herkömmlicher Starter-Akku arbeitet mit einer Spannung von 12 Volt und leistet nur rund 2 kW. In jedem Fahrzeug mit HSD gibt es außerdem einen konventionellen 12-V-Akku, der im Notfall den Betrieb der Bordelektronik aufrechterhält.
Der Prius kann im reinen Elektrobetrieb etwa zwei Kilometer zurücklegen, sofern die Durchschnittsgeschwindigkeit nicht über 50 km/h liegt. Bei 25 km/h erhöht sich die maximale Distanz auf vier Kilometer.
Lebensdauer
Eine von Toyota durchgeführte Untersuchung ergab, dass die Lebensdauer der Ni-Mh-Hochleistungsakkus ebenso hoch ist wie der Fahrzeuge, in denen sie verwendet werden. Für die Studie wurden Daten von 36.000 Fahrzeugen zusammengetragen und ausgewertet.
In einer anderen Untersuchung wurden in den USA zwei Prius-Fahrzeuge mit Kilometerständen von 0 und 300.000 verglichen. Die Verbrauchs- und Beschleunigungswerte lagen bei beiden Wagen auf einem annähernd gleichen Niveau. Dies spricht dafür, dass die Akkuleistung des älteren Prius sich nur unwesentlich verringert hatte.
Steuerungselektronik und Kraftübertragung
Das HSD ist mit drei elektronischen Modulen (Electronic Control Units oder ECUs) ausgestattet. Das Battery ECU steuert die Kühlung und überwacht den Ladezustand des Akkus, während das Skid Control ECU das regenerative Bremsen steuert. Der Energiefluss zwischen den beiden Motorgeneratoren und dem Akku wird vom High Voltage Electronic Control Unit (HV ECU) gesteuert. Weitere Funktionen des HV ECU sind die Speicherung von Betriebsdaten sowie die Überwachung des Hybridantriebs.
Alle Toyota-Fahrzeuge mit HSD-Antrieb verfügen über eine teilweise „Drive-by-Wire“-Steuerung. Das Gaspedal, der Wählhebel und die elektrohydraulische Bremse werden elektronisch gesteuert. Im Falle eines Versagens der Fahrzeugelektrik schaltet sich ein hydraulisches Notfallsystem ein, sodass die Bremsen weiterhin funktionieren. Sämtliche Nebenverbraucher wie Servolenkung und Klimaanlage werden elektrisch betrieben. Da alle Antriebsaggregate auch als Generatoren fungieren, benötigen die Fahrzeuge keine konventionelle Lichtmaschine.
Boost-Converter
Seit der Einführung des Prius II im Jahr 2003 verfügen HSD-Fahrzeuge über einen sogenannten Boost-Converter, der die Spannung des Akkus von 201,6 Volt auf bis zu 500 Volt Gleichspannung (bzw. 650 Volt beim Prius III) erhöht. Arbeiten einer oder beide Elektroaggregate als Generator, wandelt der Boost-Converter deren Drehstrom in eine Ladegleichspannung von ca. 200 Volt um.
Inverter
Der Inverter wandelt die 650-Volt-Gleichspannung in einen frequenzvariablen Drehstrom um, der den Motorgeneratoren als Energiequelle dient. Sowohl der Inverter als auch der Boost-Converter sowie beide Elektro-Aggregate werden über einen vom Ottomotor unabhängigen Kreis wassergekühlt. Seit der dritten Modellgeneration (ab 2009) ist außerdem ein zweiter Inverter vorhanden, der die 201,6-Volt-Gleichspannung des Hybrid-Akkus in eine Dreiphasen-Wechselspannung gleicher Höhe umwandelt.