-
Hybridní automobily 3 – Jak funguje Toyota Prius
Jak funguje Toyota Prius
V dnešním článku spojíme teorii s praxí a povíme si něco o fungování asi dnes nejznámějšího hybridu Toyoty Prius. Jak už bylo řečeno, jedná se o kombinovaný hybrid. Klíčovým členem celého systému je dělič výkonu.
Pro začátek si je dobré uvědomit několik věcí:
– vůz nemá klasickou převodovku ( manuální či automatickou)
– vůz není vybaven ani spojkou či hydrodynamickým měničem (spalovací motor je pevně spojen s poháněnými koly přes jeden převodový poměr!! )
– motor nemá startér, jeho funkci zastupuje jeden z motor-generátorů (Prius má dva)
– motor nemá alternátor, elektrická energie pro spotřebiče na palubě vozu je dodávána z některého motor-generátoru
Dělič výkonu (v tomto případě mechanický, ještě existuje elektrický) je planetové soukolí, které se obecně skládá z ozubených kol a unašeče. Umožňuje větvit tok výkonu.
SP-spalovací motor, G- motor/generátor 1, EM-motor/generátor 2
V případě Priusu se jedná o planetový diferenciál se dvěma stupni volnosti.
Planetový diferenciál (D) má dva centrální členy. Prvním je koruna s vnitřním ozubením, druhým je planeta s vnějším ozubením. Jejich vzájemný kontakt zprostředkovává satelit. Malé ozubené kolo uložené většinou na jehlových ložiskách. Satelity jsou nasazeny na unašeči, který je spojen s výstupem spalovacího motoru (červený hřídel). Planeta je zase propojena s rotorem motor/ generátoru 1 (označíme si ho MG1).
Čelní pohled na planetový diferenciál (video viz Rozjezd)
Režimy pohonného ústrojí
Rozjezd
Při rozjezdu poháněná kola stojí. Rozbíhají se z nulových otáček. To naznačují šrafy na korunovém kole (fialová). Koruna je spojena s hřídelem, který skrze ocelový pás a pár ozubených kol pohání klec nápravového diferenciálu. Odtud jde výkon přes kuželová kola na hnané poloosy. Červený hřídel značí výstup ze spalovacího motoru, je spojen s unašečem (zelená), který pohání satelity (modrá). Jelikož korunové kolo stojí, satelity obíhají po jeho vnitřním ozubení a otáčejí planetou (oranžová). S rotorem MG1 je spojena právě planeta. Rotor se tedy otáčí a ze statoru je odebírán elektrický proud. Celý proces naznačuje tok výkonu (červená křivka).
Takto získaná elektrická energie prochází elektrickým konvertorem (mění proud a napětí) a je spotřebována na pohon rotoru motor/generátoru (MG2). Tento rotor je nalisován na hřídeli spojeným právě s korunovým kolem (fialové).
Zrychlování
Při zrychlování vozu rostou otáčky kol. S poháněnou nápravou je spojeno korunové ozubené kolo (fialová). Toto otáčení koruny způsobí, že dojde k poklesu otáček planety (oranžová), která roztáčí rotor generátoru MG1. Dochází k větvení výkonu. S rostoucími otáčkami koruny ( = poháněné nápravy), klesají otáčky generátoru. Nebo jinak řečeno, roste hodnota výkonu přenášeného mechanickou cestou (paralelně tj. výstup 2) nad hodnotou výkonu přenášeného elektricky (sériově tj. výstup 1).
Jízda vysokou rychlostí (dálnice)
Při jízdě vysokou rychlostí se planeta (oranžová) vůči koruně (fialová) prakticky neotáčí. Z toho důvodu se rotor generátoru MG1 neotáčí. Na obrázku je naznačeno šrafy. Výkon je přenášen mechanickou cestou.
Brzdění (rekuperace)
Pokud řidič sundá nohu z plynu spalovací motor nedodává výkon a volně se protáčí. Otáčející se kola se stávají zdrojem energie a otáčí rotorem MG2. Jde o přeměnu kinetické energie vozu na elektrickou. Z MG2 (při rozjezdu měl funkci elektromotoru) se stává generátor. Na statoru jeho vinutí se odebírá elektrický proud. Ten se využívá k dobíjení baterií v případě, že nejsou zcela nabity. Pokud bude využita zcela jejich kapacita, řídící jednotka začne automaticky posílat tento elektrický proud do vinutí statoru MG1, dochází k brzdění jeho rotoru a přes dělič i spalovacího motoru.
Režim brzdění motorem lze aktivovat i ručně, posunem voliče na přístrojové desce do polohy B. Tento režim značně ulehčuje brzdám, které mohou být menší. Takto lze brzdit pouze do určité rychlosti (s klesající rychlostí klesá účinek brzdění motorem), do nulové rychlosti se brzdí klasickými kotoučovými brzdami.
EV mód
Jedná se o čistě elektrický režim. U Evropských verzí může být aktivován tlačítkem. Umožňuje jízdu bez spalovacího motoru. Motor-generátor MG2 je napájen z baterií. Jelikož se klikový hřídel neotáčí, unašeč je zastaven a dochází k volnému otáčení rotoru MG1. V případě poklesu zhruba na 60% maximální kapacity baterií je spuštěn benzinový motor. Řídící jednotka tedy umožňuje využití jen 40% kapacity baterií z důvodu prodloužení jejich životnosti.Couvání
Jelikož automobil nedisponuje klasickou převodovkou, která zařazením dálšího ozubeného kola zajistí zpětný chod vozu, musí dojít k tzv. přepólování statoru MG2. Rotor se tak otáčí opačným směrem a vůz couvá. Podmínkou je dostatečné nabití baterií (známi jsou problémy řidičů při couvání v San Fanciscu). Případně je dodatečná energie získána z MG1, který je poháněn spalovacím motorem. Tímto způsobem mohou být nabíjeny baterie, pokud vůz stojí (energií z MG1).
Převodovka CVT
Podle zvuku, který Prius během zrychlování a jízdě samotné vydává, se zdá, že vůz disponuje převodovkou CVT. Tato převodovka umožňuje plynule měnit převodový poměr a tak je spalovací motor během zrychlování udržován v pásmu nejvyššího točivého momentu. Vůz tedy zrychluje, otáčky motoru jsou však konstantní. Takový typ převodovky je ideálním kompromisem, umožňuje motoru setrvat v nízkých otáčkách během dálniční jízdy, a tak uspořit palivo a při akceleraci je v zásobě vždy dostatek výkonu. Převodovka se obvykle skládá s ocelového pásu, který obíhá po dvou kuželech. Příčným posuvem kuželů se mění průměr opásání na vstupu a výstupu a tím i výsledný převodový poměr.
Princip běžné převodovky CVT, kužele se přibližují/oddalují, tím se mění poloměr opásání na vstupním/výstupním hřídeli
Pohonné ústrojí Priusu
Power split device = dělič výkonu
Avšak Toyota svůj „převodový“ systém nazývá ECVT (Electrically Controlled Variable Transmission). Kola vozu jsou pevně spojeny se spalovacím motorem. Výkon z hřídele, na kterém je nalisován rotor MG2, je přenášen sice ocelovým pásem, ale poloměr opásání se nemění. Vůz má tedy jeden stálý převodový poměr. Toto řešení je možné jedině u hybridního vozu, kterému při rozjezdu z nízkých otáček pomáhá elektromotor. Ten má narozdíl od spalovacího motoru k dispozici 400 Nm již od 0-1200min-1. Kolísání otáček motoru je zajištěno spoluprácí děliče, MG1 a MG2. Maximální rychlost vozu je omezena otáčkami MG2.
Přenos výkonu na kola přes ocelový pás včetně páru ozibených kol a stálého převodu
Ocelového pásu je použito i z jiného důvodu. V převodovkách se používají převážně ozubená kola se šikmým ozubením. Při záběru šikmé ozubení vyvozuje axiální síly (tj. v ose hřídele). Tyto síly bývají zachyceny například kuželíkovými ložisky. Ale uložení výstupního hřídele děliče ( spojen s korunovým kolem) neumožňuje použití těchto ložisek. Možným řešením, je použití kol s přímým ozubením. Ta zase bývají mnohem hlučnější (typický zvuk vozu při couvání, zpátečka mívá přímé zuby).
U ocelového pásu problém s axiální silou nenastává.
Pohonné ústrojí a zavěšení
Baterie
Třetí generace Prius používá Ni-Mh baterie. Skládají se z 28 modulů. Ty obsahují 6 článků. Každý má napětí 1,2 V. Celkové napětí baterií pokleslo oproti druhé generaci (z 273,6V na 201,6 V). Avšak díky elektronice je napětí celého hybridního systému zvýšeno na 500V. Hmotnost baterií je 45kg a měrný výkon je 1250 W/kg (1.generace 600 W/kg). Jejich správné fungování, optimální teplotu a nabití, hlídá elektronika. Toyota slibuje, že po 290 tis km se jejich výkon a kapacita nebude měnit.
Baterie
Elektrický konvertor
Motor-generátor
Oba elektromotory mají podobnou konstrukci. Liší se hlavně velikostí. Oba jsou to 3-fázové synchronní motory na střídavý proud, s permanentními magnety. Vinutí je pouze ve statoru. MG1 je spojen s planetovým kolem. Slouží jako startér spalovacího motoru a řídí jeho otáčky. Jeho maximální výkon je 18 kW. MG2 je spojen s korunovým kolem děliče. Jeho dostatečný výkon 50kW mu dává možnost pohánět vůz, či ho brzdit při generátorovém chodu. Oba jsou chlazeny vodou.
Vinutí MG2
Spalovací motor
Jedná se o řadový čtyřválec o objemu 1,5 litru. Výkon je 76 koní v 5000 min-1 a 115Nm ve 4200min-1. Motor nepoužívá klasický „Ottův“ cyklus, kdy je sací ventil zavírán před dolní úvratí, ale „Atkinsonův“ cyklus. Sací ventil je zavírán až za dolní úvratí, část komprese je nevyužito a vzduch uniká zpět do sacího potrubí. Je to dáno požadavkem menšího množství vzduchu potřebného k naplnění válce při nižším zatížení a otáčkách. U konvenčních motorů dochází ke škrcení vzduchu klapkou na vstupu do válce, což způsobuje ztráty.
U Atkinsonova cyklu je dráha, po kterou dochází ke kompresi menší než dráha expanzní (kdy píst koná práci a je tlačen dolů). Více tepla je přeměněno v mechanickou práci. Motor spotřebuje méně paliva.
Odsazení na klikovém hřídeli
U motoru byly dále sníženy třecí ztráty odsazením na klikovém hřídeli. Píst je tak při pracovním zdvihu méně tlačen na stěnu válce. Maximální otáčky jsou omezeny na 5000min-1. Proto jsou některé díly odlehčeny a celý klikový mechanismus má menší setrvačné síly.
Pohonné ústrojí Priusu
Mercedes-Benz E – první neoficiální foto Hybridní automobily 2
Bebo
Delicious
Digg
Bleetbox
28 Responses to Hybridní automobily 3 – Jak funguje Toyota Prius
[1]
14. 8. 2008 v 7:09T613
Tady někdo hodně dlouho nespal! Tvoje drahá polovička asi přestala mít ráda hybridní auta 😉
Zatím jsem to jen zběžně proletěl, ale i tak smekám. Asi si to budu muset vytisknout a v klidu prolouskat.
[2]
14. 8. 2008 v 10:22_Teddy_
To „odsadenie na klukovom hriadeli“ je teda velmi zle zobrazene. Uplne nespravny obrazok, z ktoreho nevidno to hlavne. Offset je totiz vzdialenost osi klukoveho hriadela (myslim hlavne loziska) od zvislej osi prechadzajucej valcom (u beznych motorov je to nula, osi sa pretinaju a su na seba kolme). Lepsie to vidno na tomto obrazku:
http://www.wfu.edu/~rollins/piston/offset/figure1.png
[3]
14. 8. 2008 v 10:30da_b0mb
[2] ja to z toho teda pochopil
[4]
14. 8. 2008 v 11:11Baracudaj
[2] _Teddy_: Díky za upozornění, sehnat obcas dobré podklady či obrázky bývá problém. S ostatním si spokojen? Princip děliče ti je jasný?
[5]
14. 8. 2008 v 11:18Baracudaj
[1] T613: Díky, určitě na to mrkni. Abych pravdu řekl, sepsat to dalo celkem zabrat. Většina podkladů je v angličtině. A pak umět věci podat, aby to pochopili lidé, kteří to nikdy neviděli. Snad se mi to podařilo, případné nejasnosti rád vysvětlím.
Psal jsem to vždycky k večeru, v noci funguju normálně :-))
[6]
14. 8. 2008 v 11:31_Teddy_
[2] Bez obav. Mame vo firme cele oddelenie venujuce sa len hybridnym technologiam, a hodne sme testovali aj prius. videl som ho rozobraty „na kusy“… 🙂
[7]
14. 8. 2008 v 11:39Baracudaj
[6] _Teddy_: Člověk z oboru, tobě asi nemusím vysvětlovat jak funguje planetový diferenciál. Cím se vase firma vlastně zabývá? Nějaká vývojová kancelář?
[8]
14. 8. 2008 v 11:49davy
Hybridni a dale i elektromotory v autech mne velice zajimaji a tady jsem se priucil, takze diky! Jen mam spatnou zkusenost s hybridem Lexus RX400 a to zrejme se spatnym sofware, auto pri plnem rejdu a soucasnem plnem plynu nevracelo volant do prime polohy, ale podrzelo ho v zataceci poloze. To same, kdyz clovek predjizdel, pootocil volant a dal plny plyn, volant zustaval v te poloze a jen silou sel vratit do prime pozice. Dokazes si tenhle jev vysvetlit? Zrejme souvisi s elektirckym rizenim bez posilovace a snahou auta pomoci ridicovi v manevru, ale ve vysledku to bylo vcelku nebezpecne, zvlaste pro toho, kdo je zvykly napr. po vyjeti ze zatacky (typicky za krizovatkou, pomala rychlost) pustit volant, ktery se sam srovnal do primeho smeru. V tomto aute by vsak skoncil na chodniku. Lexus mou reklamaci uznal, ale s oduvodnenim ze slo o typickou vlastnost auta a ne chbu. Auto si vzali zpet.
[9]
14. 8. 2008 v 12:10_Teddy_
[7]: vyvoj a testovanie pohonov, motorov, vozidiel. Taka trosku vacsia „kancelaria“ (~2000 ludi tu, a dalsich 2000 zastupenia po svete).
[10]
14. 8. 2008 v 13:59Baracudaj
[9] _Teddy_: To je krásná práce. A pro které automobilky vyvíjíte? Takže tedy něco jako Ricardo v menším ;-).
[11]
14. 8. 2008 v 14:30Baracudaj
[8] davy: Díky jsem rád, že jsem ti rozšířil znalosti. S tím RX400h. Bud měl Lexus špatnou geometrii na přední nápravě jako příklon, záklon… s tím ale moc nepočítám vzhedem k tomu, že tvrdili, že je to u všech vozů. Samotnou konstrukcí řízení, to také zřejmě nebude, nebo mě ani nenapadá jak by to bylo možné zajistit (tím netvdím že to možné není, nejsem žádný Colin Chapman 😉 ) Takže o pravdu zbývá jen nastavení posilovače řízení a vůbec elektroniky, která se o to stará. Věřím že to u tak luxusního auta bylo nepříjemné.
[12]
14. 8. 2008 v 14:58Pierro
Baracudo, díky za téměř profesionálně napsaný a velice zajímavý článek. Nevím jak ostatní pochopili či ne, ale mě tvé podání poměrně složitého technického systému přišlo jako velice srozumitelné a pro mne jakožto laika a neznalce hybridních technologií i velice poučné. Dostaneš se ve svých článcích i k čistým elektromobilům??
[13]
14. 8. 2008 v 15:36Baracudaj
[12]: Díky Pierro, hodně jsem se snažil psát to, aby to pochopili i lidé kteří nikdy planetový diferenciál neviděli a snažil se článek obohatit různými postřehy či technickými řešeními. Ale v první řadě je snaha to vhodně podat, abych vás nezahltil různými pojmy, pak se čtenář snadno ztratí.
Takže díky za pochvalu.
Mám v plánu napsat něco o palivových článcích a vodíku. Nebo si přeješ něco konkrétního?
[14]
14. 8. 2008 v 16:06GTI
Super článek, velká pochvala, Baracu 😉
[15]
14. 8. 2008 v 16:29Baracudaj
[14] GTI: Díky to potěší 😉
[16]
14. 8. 2008 v 17:33Honza
Nevím, jestli je tohle profesionálně napsaný článek, ale jsem si jistý, že kdyby s takovýmhle zaujetím a takhle kvalitně psali všichni novinářští „profesionálové“, byly by noviny a časopisy daleko čtivější, poctivější a šířily by méně bludů. Díky za dobrou práci.
[17]
14. 8. 2008 v 19:00Baracudaj
[16] Honza: Není zač. Vidím to podobně, na diskuzích se tu a tam objevují různé bludy o fungování nějakých systémů či mechanismů v automobilech. V několika diskuzích o Priusu, jsem se právě dověděl, že vůz má elektromotory a převodovku CVT skrz kterou se vše děje…atd
Našlo by se toho samozřejmě více. Výhoda blogu je hlavně prostor, jak pro text, tak obrázky, v tom jsou noviny či časopisy limitovány. Máš pravdu, že vězšina časopisů o autech se věnuje spíš jejich testování. A odstavců věnované samotné technice je málo. Ale důvod, proč jsem všechny ty Autotipy a Autorevue kupoval byla vždycky technika. Je zvláštní, že se do toho novináři píšící o automobilech příliš nepouští, přitom čtenáři jsou po tom lační.
[18]
14. 8. 2008 v 19:19Navtech
Opět super práce! Ty tomu fakt rozumíš? Já teda ne:))) I když jsem o něco chytřejší a vim, že RC modely jsou něco jinýho.
[19]
14. 8. 2008 v 19:57507
Je pekné, že si napísal takýto článok. Ako oficialny. 😉
[20]
14. 8. 2008 v 19:58507
14: GTI, prečo už štyri dni si nič nenapísal. Ani pod Audi.
[21]
14. 8. 2008 v 20:00Baracudaj
[18] Navtech: Ne, ale pššš, to bude jen mezi náma ;-).
Teď vážně, diky. I když se technické řešení může zdát složité a většinou složité opravdu je, zákrývá většinou jednoduchý princip (myšlenku) fungování. A v tomto případě je to postaveno na myšlence větvení toku výkonů, tedy děliči. Buď to prostě teče tudy, nebo tudy v závislosti na otáčení ozubených kol. Vše se děje mechanicky, o to je to průhlednější. Ale tak něco sis určitě odnesl ne?
To já zase nevidím do těch RC ;-).
[22]
14. 8. 2008 v 23:03Alessio
Krásný článek, gratuluji. PS: u popisu děliče výkonu se při rozjezdu počítá s tím, že pracuje pouze spalovací motor? V praxi to přeci bývá naopak, pracuje výhradně EM. Možná, pro lepší názornost, bych přidal i obrázek s tokem výkonu od EM při rozjezdu, aby to bylo jasné. Jinak…perfektní!
[23]
15. 8. 2008 v 8:55Baracudaj
[22] Díky Alessio. Jak jsem psal v textu. Pokud je dostatečně nabitá baterie, pak se vůz rozjíždí výhradně na elektromotor MG2. Je to popsáno v odstavci EV mód. Obrázek je celkem zbytečný. El. energie je brána z akumulátoru na pohon MG2. Ale pokud baterie není dostatečně nabita, pak se vůz rozjíždí se spalovacím motorem. Vlastně je tam popsána celá situace od rozjezdu-zrychlování-jízda vysokou rychlostí, kde vysvětluji jak funguje dělič. Je to i pro snazší pochopení. Ale jinak máš pravdu.
[24]
24. 8. 2008 v 12:03MazdaGE
Jezdim RX400h, taky ho bouzel nemam bez problemu obzvalst v zime. Vyborny clanek. Netusil jsem ze je to tak komplikovane. Myslim ze daleko ucinnejsi by byl system kde by nebylo tolik mechanickych prvku ale pouze motor pripojeny primo na generator a energie vedena kabely, pak jen motor/generator u kazdeho kola. Proc to tak jeste nikdo neudelal??? Vzdyt je to jednoduche a urcite ucinnejsi.
[25]
10. 9. 2008 v 22:19Jaco
Zdravím, jsem laik který žil v omylu 🙂 dlouhou dobu až do ted jsem si myslel že ma každé kolo svuj emotor a tak jak napsal MazdaGE jsem si to představoval. Zajimalo by mě zda některé auta tento systém má? Jinak tento článek mě utvořil novou představu o hybridech :)) Mám ještě malý dotaz za kolik se dá sehnat prius na trhu v cizině? U nás to dělá nějak kolem 700 000 ale někde jsem četl že toyota má cenu pod 300 000. Samozřejmě tam nejsou uvedene náklady na spoustu věcí a tak by mě zajimalá ta dostupná cejnižší cena 🙂 Moc dík
[26]
13. 10. 2008 v 12:02richard
ocelovy pas pouzity v priuse a paralela k pasu pozita v CVT prevodovkach je mylna. krome toho, ze se jedna o ocelovy pas tu neni s CVT zadna souvislot. souvislost s CVT ma samotny DELIC VYKONU – v teto konstelaci (2 elektromotory/alternatory) muzeme tomuto zarizeni rikat i e-CVT. z toho vyplyva i mylna schema na obr. c 1. – sedy obdelnik s popisem CVT prevodovka tam nema co hledat… jinak pekny clanek 😉
[27]
1. 12. 2008 v 9:35killer411
ahoj tvoj clanok je zaujimavy na diplomovej praci sa venujem podobnej temaqtike a tak by som sa chcel opytata na nejaku literaturu alebo texty ktore by mi pomohli pri realizacii alebo pripadne clanky dlhsieho rozsahu s vysvetlenim dakujem
[28]
3. 12. 2008 v 15:17_Teddy_,
ahoj robim diplomovku na navrh elektromotora pre hybridy ak by si mi mohol poskytnut nejaky material na tuto temu bol by som ti vdacny dakujem ahoj suvisiace clanky ma velmi zaujali
Pro přidávání komentářů se musíte nejdříve přihlásit.