하이브리드 시너지 드라이브

Hybrid Synergy Drive
하이브리드 Synergy 드라이브 로고

도요타 하이브리드 시스템 II라고도 알려진 하이브리드 시너지 드라이브(HSD)는 도요타와 렉서스 마크가 장착된 차량에 사용되는 하이브리드 자동차 드라이브 트레인 기술의 브랜드 이름입니다.프리우스에 처음 도입된 이 기술은 다른 몇몇 도요타 및 렉서스 차량의 옵션이며, 수소 동력 Mirai의 전기 구동 시스템과 프리우스의 플러그인 하이브리드 버전에 적용되었습니다.앞서 도요타는 자사의 HSD 기술을 닛산 알티마 하이브리드에 사용할 수 있도록 닛산에 라이선스했다.부품 공급업체인 아이신 세이키(Aisin Seiki Co.)는 것이다.

HSD 기술은 대부분의 다른 브랜드 하이브리드가 마일드 하이브리드로 간주되지 않는 것과 달리 전기 모터로만 주행할 수 있는 풀 하이브리드 차량을 생산합니다.HSD는 또한 전기 구동 장치와 유성 기어 세트를 결합하여 연속 가변 변속기와 유사한 성능을 발휘합니다.Synergy Drive는 엔진과 엔진 컨트롤 사이에 직접적인 기계적 연결이 없는 드라이브 바이 와이어 시스템입니다. HSD 차량의 가속 페달/가속기와 기어 변속 레버는 모두 컨트롤 컴퓨터로 전기 신호를 전송하기만 하면 됩니다.

Lexus 하이브리드 드라이브 로고

HSD는 1997년부터 2003년까지 도요타 프리우스에 사용된 원래의 도요타 하이브리드 시스템(THS)을 개량한 것입니다.2세대 시스템은 2004년에 새롭게 디자인된 프리우스에 처음 등장했다.Toyota 브랜드(Lexus, Lexus 차량에 사용되는 HSD 유래 시스템은 Lexus Hybrid Drive) 이외의 차량에 사용될 것으로 예상하여 이름이 변경되었으며, 2006년 Camry 및 Highlander에 구현되었으며, 2010년 "3세대" 프리우스 및 2012년 프리우스 C에 구현될 예정입니다.The Toyota Hybrid System is designed for increased power and efficiency, and also improved "scalability" (adaptability to larger as well as smaller vehicles), wherein the ICE/MG1 and the MG2 have separate reduction paths, and are combined in a "compound" gear which is connected to the final reduction gear train and differential;[1] it was introduced4륜구동 및 후륜구동 렉서스 [2][3]모델입니다.도요타는 2007년 5월까지 전 세계에서 100만대, 2009년 8월 말까지 200만대를 판매했으며 2013년 [4][5]3월에는 500만대를 돌파했다.렉서스와 도요타 하이브리드는 2014년 9월 현재 [6]전 세계에서 700만대 이상 팔렸다.2013년 [5]3월 현재 TMC 글로벌 하이브리드 매출의 38%를 미국이 차지하고 있습니다.

원칙

초기 HSD를 장착한 Toyota 1NZ-FXE 엔진(왼쪽)으로 구분 및 강조 표시됨(오른쪽).제1세대/제2세대, 체인으로 연결된 ICE-MG1-MG2 파워 스플릿 디바이스 HSD가 표시되어 있습니다.

도요타의 HSD 시스템은 일반적인 기어 변속기를 전기 기계식 시스템으로 대체한다.내연 엔진(ICE)은 작은 속도 범위에서 가장 효율적으로 동력을 공급하지만, 휠은 차량의 최대 속도 범위에서 구동되어야 합니다.기존 자동차에서 기어 변속기는 서로 다른 개별 엔진 속도-토크 출력 요구 사항을 휠에 전달합니다.기어드 변속기는 수동 또는 토크 컨버터와 함께 자동 변속될 수 있지만, 엔진과 휠이 서로 다른 속도로 회전할 수 있습니다.운전자는 가속 페달을 사용하여 엔진에서 전달되는 속도 및 토크를 조정할 수 있으며, 변속기는 현재 선택된 기어의 기어비와 동일한 비율로 엔진과 다른 속도로 회전하는 휠에 사용 가능한 동력 대부분을 기계적으로 전달합니다.그러나 운전자가 선택할 수 있는 기어 또는 기어비는 일반적으로 4에서 6까지로 제한됩니다.이 제한된 기어비 세트는 엔진 크랭크축을 ICE의 효율성이 떨어지는 속도(예: 연료 1리터당 줄 수 있음)로 강제로 회전시킵니다.다양한 차량 주행 및 가속 조건에 대한 최적의 엔진 속도-토크 요구 사항은 실제 속도와 비교하여 타코미터 RPM 속도 또는 엔진 소음을 제한하여 측정할 수 있습니다.엔진이 기어드 변속기와 결합되어 넓은 RPM 범위에서 효율적으로 작동해야 하는 경우, 제조업체는 엔진의 크기나 무게를 줄일 뿐만 아니라 엔진 효율성, 신뢰성 또는 수명을 개선하기 위한 선택사항이 제한됩니다.이것이 엔진 발전기용 엔진이 자동차 또는 기타 가변속도를 위해 설계된 엔진보다 훨씬 작고, 효율적이며, 신뢰성이 높고, 수명이 긴 이유입니다.

그러나 연속 가변 변속기는 운전자(또는 자동차 컴퓨터)가 원하는 속도 또는 동력에 필요한 최적의 기어비를 효과적으로 선택할 수 있도록 합니다.변속기는 고정 기어 세트로 제한되지 않습니다.이러한 제약이 없기 때문에 엔진이 브레이크 고유의 최적의 연료 소비로 작동할 수 있습니다.HSD 차량은 일반적으로 배터리를 충전하거나 차량을 가속하는 데 동력이 필요할 때마다 최적의 효율로 엔진을 작동시키고, 더 적은 동력이 필요할 때는 엔진을 완전히 셧다운합니다.

CVT와 마찬가지로 HSD 변속기는 엔진과 휠 사이의 유효 기어비를 지속적으로 조정하여 엔진 속도를 유지하는 동시에 가속 중에 휠의 회전 속도가 증가합니다.토요타가 HSD 장착 차량에 대해 표준 사양 목록 또는 규제 목적을 위해 변속기 유형을 분류해야 할 때 e-CVT(전자식 연속 가변 변속기)가 적용된다고 설명하는 것도 이 때문입니다.

전력 흐름

기존 자동차 설계에서 일체형 정류기(DC 제너레이터) 및 스타터(DC 모터)가 장착된 별도의 여자 교류 발전기는 일반적으로 차량을 추진하기 위해 변속기를 구동하는 내연 엔진(ICE)에 부착된 액세서리로 간주됩니다.배터리는 차량의 내연 엔진을 시동하고 엔진이 작동하지 않을 때 액세서리를 구동하는 데만 사용됩니다.교류 발전기는 엔진이 작동 중일 때 배터리를 충전하고 액세서리를 작동시키는 데 사용됩니다.

HSD 시스템은 기어드 변속기, 교류 발전기 및 스타터 모터를 다음과 같이 교체합니다.

  • MG1은 영구 자석 [7]로터가 있는 AC 모터 발전기로, ICE 시동 시 모터 및 고전압 배터리 충전 시 발전기(교류 발전기)로 사용됩니다.
  • AC 모터 제너레이터인 MG2는 또한 1차 구동 모터 및 고전압 배터리로 재생 전력이 유도되는 제너레이터(교류 발전기)로 사용되는 영구 자석 로터를 가지고 있습니다.MG2는 일반적으로 두 개의 모터 제너레이터 중 더 강력합니다.
  • DC-AC 인버터 3개와 DC-DC 컨버터 2개를 포함한 전력 전자 장치
  • 컴퓨터 제어 시스템 및 센서
  • HVB: 고전압 배터리 가속 시 전기 에너지를 공급하고 회생 제동 시 전기 에너지를 흡수합니다.

따라서 파워 스플리터를 통해 직렬 병렬 풀 하이브리드의 HSD 시스템은 다음과 같은 지능형 동력 [8]흐름을 허용합니다.

  • 보조 전원
    • HVB -> DC-DC 컨버터 -> 12VDC 배터리
    • 12VDC 배터리 -> 12V 차량용 일렉트로닉스
  • 엔진 차지(재충전 및/또는 촉매변환기 및/또는 실내 쾌적 HVAC)
    • ICE -> MG1 -> HVB
  • 배터리 또는 EV 드라이브
    • HVB -> MG2 -> 휠
  • 엔진 및 모터 구동(가속도가 중간)
    • ICE -> 휠
    • ICE -> MG1 -> MG2 -> 휠
  • 충전식 엔진 구동(고속도로 주행)
    • ICE -> 휠
    • ICE -> MG1 -> HVB
  • 엔진 및 모터 구동(급경사지 등 고출력 상황)
    • ICE -> 휠
    • ICE -> MG1 -> HVB
    • ICE -> MG1 -> MG2 -> 휠
  • 최대출력 또는 완만한 속도 저하(최대전력 상황)
    • ICE -> 휠
    • ICE -> MG1 -> MG2 -> 휠
    • HVB -> MG2 -> 휠
  • B 모드 제동
    • 휠 -> MG2 -> HVB
    • 휠 -> MG1 -> ICE(ECU - 전자 컨트롤 유닛 - MG1을 사용하여 배터리를 소모하는 ICE를 회전시키고, MG2에서 더 많은 충전을 허용하며, ICE를 휠에 연결하여 "엔진 제동"을 유발합니다. ICE RPM은 HVB의 충전 레벨이 MG2에서 재생되는 전기를 받아들이기에 너무 높거나 운전자가 브레이크 페달을 밟을 때 증가합니다.)
  • 회생 제동
    • 휠 -> MG2 -> HVB
  • 급제동
    • 프론트 디스크/리어 드럼(영국 후면 디스크) -> 휠
    • 모든 디스크 -> 휠(2010년 이후, 전면 디스크와 후면 드럼을 사용하는 2012-현재 프리우스 c 제외).
Prius NHW11 "클래식"의 파워 일렉트로닉스

MG1 및 MG2

  • MG1(기본 모터 발전기):ICE를 시동하는 모터와 MG2용 전력을 생성하고 고전압 견인 배터리를 충전하는 제너레이터 및 DC-DC 컨버터를 통해 12V 보조 배터리를 충전하는 모터입니다.MG1은 (MG1의 기계적 토크와 속도를 변화시킴으로써) 발전량을 조절함으로써 트랜스액슬의 무단변속기를 효과적으로 제어한다.
  • MG2(세컨더리 모터 제너레이터):차량을 제동하는 동안 HV 배터리 에너지 저장을 위해 휠을 구동하고 동력을 재생합니다.MG2는 엔진 구동 MG1 및/또는 HVB에 의해 생성된 전기로 휠을 구동합니다.회생 제동 중에는 MG2가 제너레이터 역할을 하여 운동 에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리에 전기 에너지를 저장합니다.

전송

최신형 도요타 HSD, 구분 및 강조 표시제 3 세대 체인리스 ICE-MG1 동력 분할 장치/MG2 모터 속도 감소 장치 HSD가 표시되어 있습니다.이것은 2012–Prius c의 P510 트랜스액슬이며, 2010–2015 Prius의 P410 트랜스액슬은 유사하지만 물리적으로 더 크다. 2016–Prius의 4세대 P610 트랜스액슬은 엔드 투 엔드 모터가 아닌 사이드 사이드 모터를 구현하여 P410보다 47mm 좁다.

시스템의 기계적 기어 설계를 통해 ICE의 기계적 동력은 휠의 추가 토크(정회전 속도 이하), 휠의 추가 회전 속도(정회전 속도 이하), 전기 발전기의 동력 등 세 가지 방식으로 나눌 수 있습니다.적절한 프로그램을 실행하는 컴퓨터가 시스템을 제어하고 서로 다른 엔진 + 모터 소스에서 동력을 공급합니다.이 동력 분할은 토크/속도 변환이 직접 기계 기어 트레인 연결 대신 전기 모터를 사용한다는 점을 제외하고 연속 가변 변속기(CVT)의 이점을 제공합니다.HSD 자동차는 컴퓨터, 전력 전자 장치, 배터리 팩 및 모터 발전기 없이는 작동할 수 없습니다. 그러나 원칙적으로 내연기관을 놓쳐도 작동할 수 있습니다.('플러그인 하이브리드' 참조)실제로, HSD를 장착한 자동차는 주유소에 도착하기 위한 긴급 조치로서 휘발유 없이 1, 2마일을 달릴 수 있다.

HSD 트랜스액슬에는 프론트 휠에 필요한 엔진과 모터의 토크량을 조정하고 혼합하는 유성 기어 세트가 포함되어 있습니다.이것은 기어링, 전기 모터 발전기 및 컴퓨터로 제어되는 전자 제어 장치의 정교하고 복잡한 조합입니다.모터 제너레이터 중 하나인 MG2가 출력축에 연결되어 구동축 안팎에서 토크를 결합합니다. MG2에 전기를 공급하면 휠에 토크가 추가됩니다.구동축의 엔진 엔드에는 두 번째 디퍼렌셜이 있습니다. 이 디퍼렌셜의 한쪽 레그는 내연 엔진에 부착되고 다른 한쪽 레그는 두 번째 모터 제너레이터인 MG1에 부착됩니다.디퍼렌셜은 휠의 회전 속도를 엔진 및 MG1의 회전 속도와 관련시키며, MG1은 휠과 엔진 속도 간의 차이를 흡수하는 데 사용됩니다.디퍼렌셜은 에피사이클릭 기어 세트("동력 분할 장치"라고도 함)이며, 두 모터 제너레이터는 모두 엔진에 볼트로 고정되는 단일 트랜스액슬 하우징에 들어 있습니다.특수 커플링 및 센서는 각 축의 회전 속도 및 구동축의 총 토크를 모니터링하여 컨트롤 컴퓨터에 피드백을 제공합니다.[9]

세대 1과 소녀 2HSDs에서 MG2 직접 링 기어에 나오는 반면, 세대 3HSDs에, MG2를 링 기어에 2.5를 통해 연결되어 있는,:, 결과적으로:2.51토크 곱셈을 제공한다, 의 이 되는 근본적인 장점이 없토크 곱셈 1유성 기어 set,[10]을 제공하는 1대 1비율, 즉 연결되어 있다.겐3 HSD는 작지만 강력한 MG2를 제공합니다.그러나, 두 번째 이점은 MG1이 과속으로 자주 주행하지 않고, 그렇지 않으면 이러한 과속을 완화하기 위해 ICE를 사용해야 한다는 것이다. 이 전략은 ICE의 연료 및 마모와 손상을 줄일 뿐만 아니라 HSD 성능을 향상시킨다.

고전압 배터리

2세대 토요타 프리우스의 고전압 니켈 수소화물(NiMH) 배터리.

HSD 시스템에는 견인 배터리라고도 하는 고전압(HV) 배터리와 보조 배터리로 작동하는 저전압(LV) 배터리라는 12V 납산 배터리가 있습니다.LV 배터리는 하이브리드 시스템이 꺼지고 고전압 배터리 주 릴레이가 [11][12]꺼지면 전자 장치와 액세서리에 전원을 공급합니다.

트랙션 배터리는 씰링된 니켈-금속 수소화물(NiMH) 배터리 팩입니다.1세대 도요타 프리우스의 배터리 팩은 38개의 모듈로 구성된 228개의 셀로 구성됐으며, 2세대 프리우스는 각각 1.2볼트 셀 6개가 직렬로 연결된 28개의 파나소닉 프리즘 니켈 수소화물 모듈로 구성돼 201.6볼트의 공칭 전압을 생성했다.2세대 프리우스 팩의 방전 전력 용량은 50% 충전 상태(SoC)에서 약 20kW입니다.전력 기능은 온도가 높을수록 증가하고 온도가 낮을수록 감소합니다.프리우스는 배터리를 최적의 온도와 최적의 [13]충전 레벨로 유지하는 데만 전념하는 컴퓨터를 가지고 있습니다.

2세대 프리우스와 마찬가지로 3세대 프리우스 배터리 팩은 1.2볼트 셀로 구성되어 있습니다.6셀 28개의 모듈이 있으며 총 공칭 전압은 201.6V에 불과합니다.부스트 컨버터는 MG1 및 [11]MG2용 인버터용 500V DC 공급 전압을 생성하기 위해 사용됩니다.이 차량의 전자 장치는 배터리 수명을 연장하기 위해 배터리 팩의 총 정격 용량(6.5암페어시)의 40%만 사용할 수 있습니다.그 결과 SoC는 정격 [11]풀충전량의 40~80%까지만 변화할 수 있습니다.Highlander Hybrid 및 Lexus RX 400h에 사용되는 배터리는 288V의 [13]고전압을 전달하는 240셀의 다른 금속 배터리 케이스에 포장되어 있습니다.

2012년형 도요타 캠리 하이브리드의 EV 모드 버튼.

"EV"라는 라벨이 붙은 버튼은 전원을 켠 후에도 트랙션 배터리가 충분히 충전되어 있을 경우 대부분의 저부하 조건에서 40km/h(25mph) 미만의 속도로 전기차 모드를 유지합니다.따라서 최대 1.6km(1mi) 동안 연료를 소비하지 않고 전기로 주행할 수 있습니다.그러나 [14][15]HSD 소프트웨어는 가능할 때마다 자동으로 EV 모드로 전환됩니다.배터리가 [16]방전될 때까지 11mi(18km)(EPA 정격)의 혼합 작동 전기 가스레인지에서 전륜 구동 범위가 더 긴 것은 도요타 프리우스 플러그인 하이브리드뿐입니다.프리우스 PHEV는 파나소닉과 공동으로 개발한 리튬이온배터리 4.4kWh를 탑재해 3세대 프리우스의 니켈금속수소배터리(1.3kWh)에 비해 무게는 80kg(180파운드)이며 무게는 42kg(93파운드)이다.더 큰 배터리 팩은 기존의 프리우스 [17][18]하이브리드보다 더 빠른 속도와 더 먼 거리에서 전기로 작동할 수 있습니다.

다음 표에는 일부 Lexus 및 Toyota [19]차량의 HV 배터리 용량이 자세히 나와 있습니다.

차량 모델
연도		 배터리
용량.
(kWh)[19]		 배터리 종류 배터리 충전 제한
(kW)[20]		 배터리 방전 제한
(kW)[21]
렉서스 CT 200h 2011 1.3 NiMH
렉서스 ES 300h 2013 1.6 NiMH
렉서스 GS 450h 2013 1.9 NiMH
렉서스 IS 300h 2013 1.6 NiMH -28,5 24
렉서스 LC 500h 2018 1.1 리튬 이온
렉서스 LS 600h L 2008 1.9 NiMH
렉서스 RX 450h 2014 1.9 NiMH
렉서스 NX 300h 2015 1.6 NiMH -27 25,5
도요타 아발론 하이브리드 2013 1.6 NiMH
도요타 오리스 하이브리드 2014 1.3[11] NiMH -25 21
도요타 캠리 하이브리드 2014 1.6 NiMH -27 25,5
도요타 캠리 하이브리드 2018 1.6 / 1.0 NiMH / 리튬 이온
도요타 C-HR 하이브리드 2016 1.3 NiMH -31,9 21
도요타 코롤라 하이브리드 2019 1.4 / 0.75 NiMH / 리튬 이온 -31,9 21
도요타 하이랜더 하이브리드 2014 1.9 NiMH
도요타 미라이(FCV) 2015 1.6[22] NiMH
도요타 프리우스 2010 1.3 NiMH -25 21
도요타 프리우스 2016 1.2 / 0.75 NiMH / 리튬 이온 -31,9 21
도요타 프리우스 C 2014 0.9 NiMH
도요타 프리우스 v. 2014 1.3 / 1.0 NiMH / 리튬 이온
도요타 프리우스 PHV 2014 4.4[18] 리튬 이온
도요타 프리우스 프라임 2016 8.8 리튬 이온
도요타 RAV4 2015 1.6 NiMH -27 25,5
도요타 RAV4 2019 1.6 NiMH
도요타 RAV4 프라임 2020 18.1 리튬 이온
도요타 야리스 하이브리드 2014 0.9[23] NiMH -17,5 15
도요타 야리스 하이브리드 2020 0.76 리튬 이온 -35 20

작동

HSD 드라이브는 배터리 팩에서 구동되는 두 모터 제너레이터 사이의 전력을 차단하여 내연기관의 부하를 균등하게 하는 방식으로 작동합니다.급가속 기간 동안 전기 모터로부터의 동력 부스트를 사용할 수 있기 때문에 ICE는 고속 가속을 위한 피크 전력 수요에 따른 크기가 아니라 차량의 평균 부하에 맞도록 크기를 줄일 수 있습니다.소형 내연기관은 보다 효율적으로 작동하도록 설계할 수 있습니다.또한 정상 작동 중에는 엔진이 동력, 경제성 또는 배기 가스 배출을 위한 이상적인 속도 및 토크 레벨 또는 그 부근에서 작동할 수 있으며, 배터리 팩은 운전자의 요구 사항의 균형을 맞추기 위해 적절한 동력을 흡수하거나 공급할 수 있습니다.교통정지를 하는 동안 내연기관의 전원을 끌 수도 있어 경제성을 높일 수 있습니다.

효율적인 자동차 설계, 회생 제동, 교통 정지를 위한 엔진 꺼짐, 상당한 전기 에너지 저장 공간 및 효율적인 내연 엔진 설계가 결합된 HSD 동력 자동차는 특히 도심 주행에서 상당한 효율 이점을 제공합니다.

동작 단계

일반적인 하이브리드 Synergy 드라이브 구성

HSD는 속도 및 요구 토크에 따라 서로 다른 단계로 작동합니다.그 중 몇 가지는 다음과 같습니다.

  • 배터리 충전:HSD는 엔진을 작동시키고 MG1에서 전력을 추출하여 차량을 이동하지 않고도 배터리를 충전할 수 있습니다.동력이 배터리로 전달되고 휠에 토크가 공급되지 않습니다.온보드 컴퓨터는 필요할 때(예: 교통 체증 중에 정지하거나 콜드 스타트 후 엔진 및 촉매변환기를 예열하는 경우) 이 작업을 수행합니다.
  • 엔진 시동:엔진을 시동하기 위해 MG1에 전원이 공급되어 스타터 역할을 합니다.모터 제너레이터의 크기 때문에 엔진 시동이 비교적 빠르고 MG1의 출력이 상대적으로 적게 소요되며, 기존 스타터 모터 소리도 들리지 않는다.엔진 시동은 정지 또는 이동 중에 발생할 수 있습니다.
  • 후진 기어(등가):기존 기어박스와 달리 후진 기어가 없습니다. 즉, 컴퓨터는 위상 시퀀스를 AC 모터 제너레이터 MG2로 역전시켜 휠에 음의 토크를 가합니다.초기 모델은 일부 상황에서 충분한 토크를 공급하지 못했습니다. 초기 프리우스 소유자들이 샌프란시스코의 가파른 언덕을 차를 후진할 수 없었다는 보고가 있었습니다.최근 모델에서는 문제가 해결되었습니다.배터리가 부족하면 시스템이 엔진을 구동하는 동시에 MG1의 동력을 공급할 수 있지만, 이렇게 하면 휠에서 사용 가능한 역방향 토크가 감소합니다.
  • 중립 기어(동등품):대부분의 국가에서는 자동차 변속기에 엔진과 변속기를 분리하는 중립 기어를 장착해야 합니다.HSD "중립 기어"는 전기 모터를 끄면 달성됩니다.이 상태에서 유성 기어는 정지 상태(차량 휠이 회전하지 않는 경우)입니다. 차량 휠이 회전하면 링 기어가 회전하여 선 기어도 회전합니다(엔진 관성 때문에 속도가 높지 않은 한 캐리어 기어가 정지 상태를 유지합니다). 반면 MG1은 배터리가 충전되지 않는 동안 자유롭게 회전할 수 있습니다.사용[24] 설명서에 따르면 중립 기어는 결국 배터리를 방전시켜 배터리를 충전하는 데 "불필요한" 엔진 출력을 발생시킵니다. 방전된 배터리는 차량을 작동할 수 없게 만듭니다.
렉서스 하이브리드 드라이브
  • EV 작동:저속 및 적당한 토크에서는 HSD가 내연 엔진을 전혀 구동하지 않고도 작동할 수 있습니다. 즉, 전기가 MG2에만 공급되므로 MG1이 자유롭게 회전할 수 있으며, 따라서 엔진이 휠에서 분리됩니다.이것은 일반적으로 「스텔스 모드」라고 불립니다.배터리 전원이 충분하다면 휘발유가 없어도 몇 마일 동안 이 사일런트 모드로 주행할 수 있습니다.
  • 저속 기어(동등품):정상 작동 시 저속 가속 시 엔진이 휠보다 더 빠르게 회전하지만 토크가 충분하지 않습니다.여분의 엔진 속도는 제너레이터 역할을 하는 MG1에 공급됩니다.MG1의 출력은 MG2로 공급되어 모터 역할을 하며 구동축에서 토크를 추가합니다.
  • 하이 기어(등가):고속 주행 시 엔진은 휠보다 느리게 회전하지만 필요 이상의 토크가 발생합니다.그런 다음 MG2가 제너레이터로 작동하여 과도한 엔진 토크를 제거하며, MG1에 공급되는 동력이 모터 역할을 하여 휠 속도를 높입니다.정상 상태에서는 엔진이 급전할 수 없는 경우를 제외하고(급가속 또는 고속으로 가파른 경사를 주행할 때처럼) 엔진이 모든 동력을 공급하여 차량을 추진합니다.이 경우 배터리는 차분을 제공합니다.필요한 추진력이 변경될 때마다 배터리는 신속하게 출력 버젯의 균형을 유지하여 엔진의 출력이 상대적으로 느리게 변화하도록 합니다.
  • 회생 제동: MG2에서 동력을 끌어와 배터리 팩에 축적함으로써 HSD는 향후 부스트를 위해 동력을 절약하면서 정상적인 엔진 제동 감속을 시뮬레이션할 수 있습니다.HSD 시스템의 회생 브레이크는 정상 제동 부하를 상당히 많이 흡수하므로 HSD 차량의 기존 브레이크는 비슷한 질량의 기존 차량의 브레이크에 비해 크기가 작고 수명이 상당히 길어집니다.
  • 엔진 제동:HSD 시스템에는 'B'(브레이크용)라는 레이블이 지정된 특수 변속기 설정이 있으며, 이는 기존의 자동 변속기 'L' 설정을 대체하여 언덕길에서 엔진 브레이크를 제공합니다.회생 제동 대신 수동으로 선택할 수 있습니다.제동 중에 배터리가 잠재적으로 높은 충전 레벨에 도달하면 전자 제어 시스템이 자동으로 기존 엔진 제동으로 전환되어 MG2의 동력을 끌어 MG1로 전환하고 스로틀을 닫은 상태에서 엔진 속도를 높여 에너지를 흡수하고 차량을 감속합니다.
  • 전기 부스트:배터리 팩은 운전자가 요구하는 토크와 속도로 작동하지 않고, 컴퓨터가 엔진 요구를 미리 결정된 최적 부하 곡선에 맞출 수 있는 에너지 저장소를 제공합니다.배터리에 저장된 에너지 레벨을 관리하여 필요에 따라 여분의 에너지를 흡수하거나 엔진 출력을 높이기 위해 여분의 에너지를 공급할 수 있습니다.

성능

Toyota Prius는 보통 40mpg(미국)(5.9l/100km)보다 훨씬 뛰어난 가속 성능을 자랑하며, 55mpg(4.3l/100km)는 특히 적당한 속도로 장시간 주행하는 경우(긴 주행으로 엔진을 완전히 예열할 수 있음) 일반적입니다.이는 기존 파워트레인을 탑재한 4도어 세단보다 약 2배 높은 연비입니다.프리우스의 모든 추가 효율이 HSD 시스템 때문만은 아닙니다. 앳킨슨 사이클 엔진 자체도 파워 스트로크 시 피스톤 드래그를 최소화하기 위해 오프셋 크랭크축을 통해 엔진 드래그를 최소화하도록 특별히 설계되었으며, 일반적인 오토 사이클에 비해 매니폴드 진공("펌핑 손실")으로 인한 드래그를 방지하도록 고유 흡기 시스템도 설계되었습니다.대부분의 엔진에서.게다가 앳킨슨 사이클은 파워 스트로크가 길기 때문에 오토 사이클보다 사이클당 더 많은 에너지를 회수합니다.앳킨슨 사이클의 단점은 특히 저속에서 토크가 크게 감소한다는 것입니다. 그러나 HSD는 MG2에서 사용할 수 있는 엄청난 저속 토크가 있습니다.

하이랜더 하이브리드(일부 국가에서는 클루거라고도 함)는 비하이브리드 버전에 비해 가속 성능이 우수합니다.하이브리드 버전은 7.2초 만에 0~60mph로 기존 버전보다 거의 1초가 단축됩니다.기존 215hp(160kW)에 비해 순출력은 268hp(200kW)입니다.모든 Highlanders의 최고 속도는 180km/h(112mph)로 제한됩니다.하이랜더 하이브리드의 일반적인 연비는 27~31mpg(8.7~7.6l/100km)입니다.EPA는 기존의 하이랜더를 19개 도시, 25개 고속도로 mpg(각각 12.4l/100km)로 평가했습니다.

HSD의 컷어웨이 디스플레이 주의:제1세대/제2세대, 체인으로 연결된 ICE-MG1-MG2 파워 스플릿 디바이스 HSD가 표시되어 있습니다.

HSD 마일리지 증가는 가솔린 엔진을 최대한 효율적으로 사용하는지에 따라 달라지며, 이를 위해서는 다음이 필요합니다.

  • 특히 겨울철에는 확장 드라이브:승객을 위해 실내 난방을 하는 것은 HSD의 설계와 배치됩니다.HSD는 폐열을 가능한 한 적게 발생하도록 설계되었습니다.기존 자동차에서는 겨울철 폐열이 실내 난방에 주로 사용됩니다.프리우스의 경우 히터를 작동하려면 엔진이 계속 작동해야 실내에서 사용할 수 있는 열을 생성할 수 있습니다.이 효과는 엔진이 작동 중인 상태에서 차량이 정지한 상태에서 실내 온도 조절 시스템(히터)을 끌 때 가장 두드러집니다.일반적으로 HSD 컨트롤 시스템은 엔진이 필요하지 않으므로 엔진을 끄고 제너레이터가 최대 속도에 도달할 때까지 엔진을 다시 시동하지 않습니다.
  • 중간 가속:하이브리드 자동차는 급가속은 아니지만 중간 정도의 가속 시 엔진을 감속하거나 완전히 끌 수 있기 때문에 기존 자동차보다 주행 스타일에 더 민감하다.하드 가속은 엔진을 강제로 고출력 상태로 만드는 반면, 중간 가속은 엔진을 저출력 고효율 상태로 유지합니다(배터리 부스트에 의해 증가).
  • 점진적 제동:회생 브레이크는 제동 에너지를 재사용하지만 기존 브레이크만큼 빠르게 에너지를 흡수할 수는 없습니다.점진적 제동은 재사용 시 에너지를 회수하여 주행거리를 증가시킵니다. 하드 제동은 에너지를 열로 낭비합니다. 일반 자동차와 같습니다.변속기 컨트롤의 "B"(브레이크) 셀렉터는 장시간 내리막 주행 시 기존 브레이크의 열과 마모를 줄이기 위해 유용하지만 추가 에너지를 [25]회수하지는 않습니다.토요타는 "B"를 계속 사용하는 것은 "D"[26]에 비해 연비가 저하될 수 있기 때문에 권장하지 않습니다.

대부분의 HSD 시스템에는 차량이 0에서 최고 속도로 가속할 때 최대 부스트에 적합한 크기의 배터리가 장착되어 있습니다. 수요가 많을 경우 배터리가 완전히 소모되어 추가적인 토크 부스트를 사용할 수 없습니다.그러면 시스템이 엔진에서 사용 가능한 전원으로만 되돌아갑니다.따라서 특정 조건에서 성능이 크게 저하됩니다. 초기 모델인 프리우스는 6도 상승 경사로에서 140km/h(90mph) 이상의 속도를 낼 수 있지만, 약 610m(2,000피트)의 고도를 상승한 후에는 배터리가 소모되고 동일한 [citation needed]경사로에서 55~60mph만 주행할 수 있습니다.(요건이 낮은 환경에서 주행하여 배터리를 충전할 때까지)

프리우스 플랫폼 세대

1세대 도요타 하이브리드 변속기 시스템(S: central Sun" 기어, C: 유성 캐리어, R: 외측 링 기어, 모터 제너레이터 MG1 및 MG2, 내연기관 ICE)의 개략도

토요타 하이브리드 시스템/하이브리드 시너지 드라이브의 디자인은 1997년 일본 시장 토요타 프리우스 이후 4세대를 거쳐왔다.파워트레인은 기본적인 기능은 동일하지만 많은 중요한 개선사항이 있습니다.

도식 다이어그램은 두 전기 모터 제너레이터 MG1 및 MG2, 내연기관(ICE) 및 프론트 휠 사이의 동력 흐름 경로를 유성 "파워 분할 장치" 요소를 통해 설명합니다.내연 엔진은 개별 기어가 아닌 유성 기어 캐리어에 연결됩니다.휠은 링 기어에 연결되어 있습니다.

트랙션 배터리의 특정 용량이 지속적으로 점진적으로 개선되고 있습니다.원래 Prius는 수축 포장된 1.2V D 셀을 사용했으며 이후 모든 THS/HSD 차량은 캐리어에 장착된 맞춤형 7.2V 배터리 모듈을 사용했습니다.

THS는 초기 프리우스 세대에게 도요타 하이브리드 시스템이라고 불리며 2004년 프리우스에서는 THS II에 이어 하이브리드 시너지 드라이브라는 후속 버전이 출시되었습니다.Toyota Hybrid System은 배터리 팩의 전압(276~288V)에 의존했습니다.하이브리드 시너지 드라이브는 DC-DC 컨버터를 추가하여 배터리의 잠재력을 500V 이상으로 높입니다.이것에 의해, 보다 작은 배터리 팩과 보다 강력한 모터를 사용할 수 있습니다.

하이브리드 시너지 드라이브(HSD)

HSD의 일부는 아니지만 2004년식 Prius 이후의 모든 HSD 차량에는 기존의 엔진 구동식 대신 전기 에어컨 컴프레서가 장착되어 있습니다.따라서 실내 냉각이 필요할 때 엔진을 연속적으로 구동할 필요가 없습니다.엔진에서 [27]제공하는 열을 보충하기 위해 두 개의 정온도계수 히터가 히터 코어에 장착됩니다.

2세대(G2) 도요타 하이브리드:MG2 감속 기능을 갖춘 하이브리드 시너지 드라이브(HSD)

2005년, 렉서스 RX 400h와 도요타 하이랜더 하이브리드와 같은 차량은 리어 액슬에 세 번째 전기 모터(MGR)를 추가하여 4륜 구동 작동을 추가했습니다.이 시스템에서는 리어 액슬이 순수하게 전기적으로 구동되며 엔진과 리어 휠 사이에 기계적 링크가 없습니다.이를 통해 리어 휠에 회생 제동도 가능합니다.또한 모터(MG2)를 제2의 유성 기어 세트로 전륜 트랜스액슬에 링크함으로써 모터의 [1]동력 밀도를 높일 수 있다.포드도 비슷한 하이브리드 시스템을 개발해 포드 이스케이프 하이브리드에 도입했다.

2006년과 2007년에는 렉서스 하이브리드 드라이브라는 이름으로 HSD 드라이브트레인의 추가 개발이 렉서스 GS 450h/LS 600h 세단에 적용되었습니다.이 시스템은 2개의 클러치(또는 브레이크)를 사용하여 저속 주행 및 고속 주행 시 휠에 대한 보조 모터의 기어비를 각각 3.9와 1.9 사이에서 전환합니다.이것에 의해, 고속으로 MG1에서 MG2(또는 그 반대)로 흐르는 전력이 감소합니다.전기 패스의 효율은 약 70%에 불과하기 때문에 전력 흐름은 감소하면서 변속기의 전체적인 성능은 향상됩니다.두 번째 유성 기어 세트는 두 번째 캐리어 및 선 기어와 함께 4개의 샤프트가 있는 라비뇨형 기어까지 연장되며, 이 중 2개는 브레이크/클러치로 번갈아 정지 상태를 유지할 수 있습니다.GS 450h 및 LS 600h 시스템은 각각 후륜 구동과 4륜 구동 트레인을 활용했으며, 동일한 모델 [2][3]라인의 비하이브리드 버전보다 강력하면서도 동등한 엔진 클래스의 [28]효율성을 제공하도록 설계되었습니다.

제3세대

3세대(G3) 하이브리드 시너지 드라이브(HSD)/Lexus 하이브리드 드라이브 시스템

와타나베 가쓰아키 도요타 사장은 2007년 2월 16일 인터뷰에서 도요타가 "3세대 HSD 시스템의 크기와 비용을 절반으로 줄이는 것을 고려하고 있다"[29]고 말했다.새로운 시스템은 나중에 리튬 이온 배터리를 탑재할 것이다.리튬이온배터리는 NiMH에 비해 에너지 용량 대 중량비는 높지만 고온에서 작동하며 적절히 제조 및 제어하지 않으면 열적 불안정성이 발생할 수 있어 안전성에 대한 [30][31]우려가 제기되고 있습니다.

제4세대

2015년 10월 13일, 도요타는 2016년식 4세대 하이브리드 시너지 드라이브의 세부 사항을 공개했습니다.트랜스액슬 및 트랙션 모터가 재설계되어 결합 중량이 감소합니다.트랙션 모터 자체가 훨씬 더 작고 중량 대비 출력 비율이 더 우수합니다.특히 마찰에 의한 기계적 손실이 이전 모델보다 20% 감소했습니다.트랙션 모터를 파워 스플릿 장치에 직접 연결한 후 휠에 연결하는 모터 속도 감소 장치(3세대 P410 및 P510 트랜스액슬에만 있는 두 번째 유성 기어 세트)는 4세대 P610 트랜스액슬의 병렬 기어로 교체되었습니다.2012 – Prius c는 P510 트랜스액슬을 유지합니다.P610 트랜스액슬은 이전의 트랜스액슬에 적용된 직선 커팅 스퍼 기어가 아닌 헬리컬 기어를 채택하여 보다 부드럽고 조용하게 작동하면서도 보다 높은 기계적 부하를 수용합니다.

도요타는 4세대 HSD에서 리어 트랙션 모터가 전자 제어되지만 프론트 인버터에 기계적으로 결합되지는 않는 4륜 구동 옵션인 "E-4"도 제공하고 있습니다.실제로 E-4 시스템에는 자체 리어 인버터가 있지만 이 인버터는 프론트 인버터와 동일한 하이브리드 배터리에서 전력을 공급받습니다."E-Four"는 2019년식부터 미국에서 프리우스 모델로 제공되기 시작했다."E-Four"는 미국에서 제공되는 RAV4 하이브리드 모델의 필수적인 부분이며, 이러한 RAV4 하이브리드는 모두 "E-Four"만 해당됩니다.

HSD 기술 탑재 차량 목록

다음은 하이브리드 시너지 드라이브 및 관련 기술(도요타 하이브리드 시스템)을 탑재한 차량 목록입니다.

특허 문제

안토노프

2005년 가을, 안토노프 자동차 테크놀로지 BV Plc사는 렉서스 브랜드의 모회사인 도요타를 RX 400h의 드라이브트레인 및 도요타 프리우스 하이브리드 소형차의 주요 부품에 관한 특허 침해 혐의로 고소했습니다.이 사건은 2005년 4월부터 비밀리에 진행되어 왔지만, 화해 협상은 상호 납득할 수 있는 결과를 가져오지 못했다.안토노프는 결국 비교적 신속하게 결정이 내려지는 독일 법원 시스템에서 법적 도움을 청했다.특허 소유자는 판매된 각 차량에 세금을 부과하려고 하는데, 이는 하이브리드 SUV의 경쟁력을 떨어뜨릴 수 있다.도요타는 안토노프의 관련 특허를 공식적으로 무효화하려는 시도를 하며 맞섰다.Microsoft Word 문서 형식의 법원 신청은 여기에서 [36]볼 수 있습니다.

9월 1일 2006년 안토노프는 연방 특허법원 뮌헨에서 도요타에 대한 안토노프의 특허(EP0414782)은 독일의 부분의 유효성 지지를 받지 못한다고 발표했다.며칠 후, 뒤셀도르프 법원은 도요타 프리우스 동력 전달 장치와 렉서스 RX400h 동력 전달 장치는 안토노프 하이브리드 CVT 특허 위배되지 않나 지배했었다.[37]

포드

포드 자동차 회사 독립적으로 핵심 기술 2004년 도요타의 고속 디지털 전송 서비스 기술과 비슷한 시스템을 발전시켰다.결과적으로, 포드 도요타에서 특허 방출 기술 관련 대가로 21특허 등록했습니다.[38]

페이스

PaiceLLC는 관리 가능한 토크 전달 장치 화면이 개선된 하이브리드 차량을 위한 특허를 받았다.미국 특허 5343970, Severinsky. 알렉스는 J.,"하이브리드 전기 차량"하면서 x및 추가 특허를 하이브리드 자동차와 관련된 1994-09-06을 발행했다.2010년 도요타. Paice의 특허;의 타결 조건은 공개되지 않았다.[39]합의"그 당사자는 특정한 도요타 차량이 발생한 등가에. Paice특허, 도요타를 발명하고 개발한 프리우스와 도요타의 하이브리드 기술 독립의 어떤 발명품 중 박사 Severinsky고. Paice소속의 도요타의 긴 역사의 혁신"에서.[40]Paice전 포드와도 함께. Paice의 특허 면허에 대한 협정을 맺었다.[41]

다른 하이브리드와의 비교

아이신 Seiki, 도요타에 minority-owned, 포드에"Powersplit"e-CVT로 포드 이스케이프 hybrid[42]와 포드 퓨전 하이브리드에서 사용을 위한 고속 디지털 전송 서비스 전송 시스템의 버전을 제공한다.[43]

닛산이 닛산 알티마 하이브리드에 사용할 도요타 캠리 하이브리드와 동일한 아이신 Seiki T110 트랜스 액슬을 사용하여 도요타의 고속 디지털 전송 서비스.[표창 필요한]2011인피니티 M35h 전기 모터와 두 손아귀의 다른 체계를 사용한다.

2010년 도요타와 마쓰다가 하이브리드 기술 도요타의 프리우스 모델에 사용한 공급 계약을 발표했다.[44]

제너럴 모터스, 다임러 크라이슬러, BMW의 글로벌 하이브리드 협력는 한가지 엔진과 두 모터의 힘을 결합한 것에서 비슷하다.2009년에는, 프레지덴셜 태스크 포스 Auto산업에"GM도요타 적어도 한세대 뒤에 선진, 'green의 동력 전달 장치 개발에 있"이라고 말했다.[45]

반면, 혼다의 통합 모터 어시스트는 플라이휠이 전기 모터로 대체되는 보다 전통적인 ICE와 변속기를 사용하여 전통적인 변속기의 복잡성을 유지합니다.

애프터마켓

일부 초기 비생산 플러그인 하이브리드 전기차 전환은 2004년과 2005년식 프리우스에서 발견된 HSD 버전을 기반으로 하고 있다.CalCars의 초기 납-산 배터리 전환 결과 ev 전용 10마일(16km)과 혼합 모드 주행 거리 20마일(32km)이 입증되었습니다.EDrive 시스템이라는 이름의 소비자에게 변환을 제공할 계획인 회사는 Valence Li-ion 배터리를 사용하게 되며, 전기 범위는 56km(35마일)입니다.이 두 시스템 모두 기존 HSD 시스템을 거의 변경하지 않고 일반 가정용 콘센트에서 마일당 약 0.03달러에 충전할 수 있는 대용량 배터리 팩과 충전기로 재고 NiMH 배터리를 교체함으로써 다른 하이브리드 파워트레인에도 비슷하게 적용할 수 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크

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