Toyota Prius (1. díl): Hybrid Synergy Drive

Kroutící moment přes 450 Nm, zrychlení 0-100 km/h za 10,9 s, kombinovaná spotřeba 4,3 l/100 km. Ne, toto nejsou parametry moderního dieselu, ale patří druhé generaci hybridní Toyoty Prius. Jeden z ekologicky nejšetrnějších automobilů dneška jsme řídíli v Holandsku.

Toyota Prius je velmi zajímavý automobil, takže naše dojmy z provozu uvedeme za pár dní v samostatném článku. Ještě předtím se ve dvou dílech podrobně seznámíme s technikou tohoto auta. Dnešní článek věnujeme hybridnímu hnacímu ústrojí, které se z velké části podílí na výborných parametrech této Toyoty.

První vývojové kroky k současnému hybridnímu pohonu podnikla Toyota již v šedesátých letech a po představení několika prototypů, byla v roce 1997 uvedena na trh první generace Toyoty Prius. Ta přišla v roce 2000 v upravené verzi také do Evropy. Práce na vývoji hybridních pohonů však pokračovala a v Japonsku byl představen velkoprostorový hybridní automobil s elektrickým pohonem všech kol nebo luxusní limuzína jejíž třílitrový šestiválec s přímým vstřikováním benzínu spolupracuje s elektromotorem. První Prius znamenal pro Toyotu velký úspěch, neboť za šest let se prodalo 115000 kusů tohoto nekonvenčního automobilu.

Co je to hybridní pohon?

Hybridní hnací ústrojí je kombinace dvou (nebo více) zdrojů energie pro pohon nebo alespoň asistenci pohonu automobilu při jízdě. Jednou z častých kombinací je spojení spalovacího motoru a elektromotoru. Prvním vývojovým stupněm hybridního pohonu jsou tzv. „mild hybrid“ vozidla, které používají další zdroj síly jen jako pomocný zdroj zlepšující vlastnosti spalovacího motoru. Tyto vozy nemohou jezdit bez vypnutého hlavního zdroje (spalovacího motoru). Druhou skupinou hybridů jsou tzv. „strong hybrid“ automobily, které navíc mohou pracovat i jen s využitím elektromotoru.

Hybrid Synergy Drive

Nová generace hybridního pohonu Toyoty se skládá hned ze dvou elektrických strojů, spalovacího motoru a převodového ústrojí. Větší Elektromotor pohání kola nového Priusu resp. regeneruje pohybovou energii automobilu při brzdění zpět v elektrickou energii. Druhý, menší elektrický stroj-generátor- produkuje elektrickou energii ze spalovacího motoru a pracuje současně také jako startér. Převodové ústrojí je vlastně jen planetové soukolí, spojující všechny části bez potřeby spojky nebo hydrodynamického měniče momentu.

Klíčovou novinkou pohonu Hybrid Synergy Drive je zavedení vysokonapěťového systému. Zatímco první Prius využíval přímo napětí baterií (272 V), Hybrid Synergy Drive mění napětí baterií na vyšší, pro lepší účinnost a vyšší výkon elektromotoru. Elektrický systém může být pěkně přirovnatelný k proudu vody. Stejné množství vody – stejný elektrický proud – dodává větší výkon, když voda padá z větší výšky – což je ekvivalent napětí v elektrickém systému. Tedy stejný proud produkuje vyšší výkon při vyšším napětí, i když rozměry elektromotoru zůstávají původní. Nový Prius používá maximální napětí až 500 V.

Vysoké napětí přispělo k 50% zvýšení výkonu elektromotoru z 33 kW na 50 kW. Tento výkon je k dispozici mezi 1200 a 1540 ot./min. Cenný je však průběh jeho točivého momentu. 400 Nm je k dispozici od 0 do 1200 ot./min! Tak jako motor je také generátor synchronní elektromotor. Generátor se může točit až 10000 ot./min proti obvyklým 6500 ot./min v této třídě. Spalovací motor o objemu 1,5 l pracuje s Atkinsonovým cyklem (zvýšení kompresního poměru snížením objemu spalovacího prostoru, prodloužená expanze). Maximální výkon 57 kW je k dispozici při 5000 ot./min a velmi plochá křivka točivého momentu má maximum 115 Nm při 4000 ot./min. Sečtením charakteristik elektromotoru a spalovacího motoru dostaneme výsledný maximální točivý moment přes 450 Nm, který je možno využít přibližně do 35 km/h, asi 200 Nm je k dispozici při rychlosti 100 km/h.

První pohled pod kapotu nejdříve zaujme stříbrný měnič napětí, oku neviditelná zůstává niklmetalhydridová baterie, která je ukryta v zádi mezi koly. Dodavatelem vysokovýkonného akumulátoru je firma Panasonic. Hmotnost je o 14% nižší proti původnímu řešení v prvním Priusu (nyní jen 39 kg).

Celý systém Hybrid Synergy Drive je řízen vyspělou elektronikou, která má ve své paměti uloženo pět základních režimů práce pohonu a ty se mohou podle situace různě kombinovat.

První je určen pro rozjezd a jízdu v nízkých rychlostech, především ve městě. Jako jediný sériový hybrid na světě umí Prius na přání řidiče zcela vyřadit z činnosti spalovací motor. Přání řidiče je třeba vyjádřit stiskem tlačítka na přístrojové desce a pak lze krátkodobě, například ve městě, cestovat s nulovými emisemi. Maximální rychlost v tomto režimu činí 50 km/h a Prius ujede asi 2 km, podle toho jak jsou právě baterie nabity.

Druhý je určen pro běžnou klidnou jízdu mimo město. Zde již je spalovací motor zapojen do činnosti a rozdělovač točivého momentu podle pokynů řídící jednotky dělí výkon mezi generátor, který přímo pohání elektromotor a mezi kola hnané nápravy. Podle aktuální situace se poměr mezi jednotlivými výstupy upravuje, aby bylo dosaženo maximální účinnosti.

Třetí režim je určen pro situace, kdy je zapotřebí prudká akcelerace. V této situaci je veškerá síla spalovacího motoru soustředěna na poháněná kola a navíc se přidává veškerý výkon elektromotoru hnaného z baterií. V takovém okamžiku je k dispozici výkon až 82 kW a Prius dokáže zrychlovat z 0-100 km/h za 10,9 sekund, čímž se téměř vyrovná klasickým vozům se zážehovým dvoulitrem. Navíc celá akcelerace probíhá hladce bez jakýchkoli rázů.

Maximální snaha o úsporu vynaložené energie je vidět také na řešení brzdového systému Toyoty Prius. V konvenčním autě se s každým sešlápnutím pedálu maří energie, kterou motor vozu obtížně předává, když ne dlouho před tím s vozem akcelerujeme. Prius zapojuje do brzdění generátor, který přeměňuje kinetickou energii auta na elektrickou energii, ukládanou do akumulátoru. Počítač při každém zpomalování porovnává podmínky hydraulického brzdového systému, elektronicky řízeného brzdového systému (brake-by-wire) a rekuperačního brzdového systému, který je přirozeně zařazen, kdykoli je to možné. Srovnání funkce nového Priusu s předchozí generací je vidět z grafu.

Poslední program zajišťuje, aby nedošlo k vybití baterií. Elektronika hlídá danou minimální úroveň nabití a pokud jí baterie dosáhnou spustí se spalovací motor a jeho plný výkon se směřuje do generátoru, který tak dobíjí baterie. Pokud automobil zastaví, motor se automaticky zase vypne.

V dalším dílu se podíváme na zajímavé elektrické systémy v novém Priusu. Přinejmenším elektrická klimatizace je v dnešním automobilu velmi nestandardní řešení. Příští týden uzavřeme miniseriál našimi dojmy z řízení nové Toyoty Prius.