Hybrid Synergy Drive

Hybrid Synergy Drive
Das Logo des Hybrid Synergy Drive
Aufgeschnittener Hybrid Synergy Drive
Antriebskomponenten des Hybrid Synergy Drive

Hybrid Synergy Drive (Abk. HSD) ist ein Markenname für das Hybridantriebssystem von Toyota. Es wird derzeit im Toyota Prius, Toyota Auris und diversen Lexus-Modellen angeboten. In Amerika und Japan wird es auch in weiteren Toyota-Modellen angeboten sowie an Nissan und Ford lizenziert.

Das HSD ist ein kraftstoffsparender Antrieb für Kraftfahrzeuge und hat hierfür zahlreiche Auszeichnungen erhalten. PKW mit Hybridantrieb (von denen der Hybrid Synergy Drive einen Teil repräsentiert) sind in den USA weit beliebter als in Europa. Im Jahr 2010 wurden in den USA 291.000 Hybridfahrzeuge verkauft, in Europa dagegen nur 110.000. In Japan sind PKW mit Hybridantrieb am weitesten verbreitet. So wurden dort im selben Jahr 492.000 Einheiten abgesetzt.[1]

Inhaltsverzeichnis

Versionen

Das im ersten Fahrzeug mit Hybridantrieb (Toyota Prius 1997) eingesetzte Antriebssystem wurde unter dem Namen Toyota Hybrid System (THS) bekannt. Im Jahre 2003 kam die zweite Generation des Prius (NHW20) mit dem verbesserten THS-II auf den Markt. Dieses System erscheint unter dem Markennamen Hybrid Synergy Drive (kurz HSD). Das Hybrid Synergy Drive ist das Antriebsaggregat des Toyota Prius ab Modelljahr 2003 (Stand Mai 2006). Eine leistungsfähigere Version des THS-C wird in den Hybridfahrzeugen der Marke Lexus eingesetzt. Dieses System vermarktet der Hersteller unter dem Namen Lexus Hybrid Drive. In der im Jahr 2009 erschienenen 3. Version des Toyota Prius wurde ein erneut weiterentwickeltes HSD eingeführt. Der bei Toyota 2010 erschienene Toyota Auris HSD sowie der seit 2011 erhältliche Lexus CT 200h verwenden ein baugleiches System wie der Prius 3.

Verwendung

Der erste PKW, der mit dem HSD ausgestattet wurde, war der Toyota Prius. Toyota baut ihn aber mittlerweile auch in andere Automobile ein. Dies sind: Toyota Alphard, Toyota Auris, Toyota Camry, Toyota Highlander und Toyota Previa. Von 2012 an wird er auch im Toyota Yaris erhältlich sein.[2]

Bei der Toyota Tochter Lexus wird der HSD in folgenden Modellen angeboten: Lexus CT, Lexus GS, Lexus HS 250h, Lexus LS 600h und Lexus RX.

Toyota lizenziert diese Technologie auch an Nissan und Ford: Nissan bietet den HSD im Nissan Altima an, Ford im Ford Escape Hybrid.

Aufbau

Das HSD ist eine Einheit aus einem Verbrennungsmotor und zwei Motorgeneratoren sowie ein Akkumulator hoher Kapazität und eine elektronische Steuereinheit. Der HSD ist ein leistungsverzweigter Hybridantrieb, bei dem mit Hilfe des Power Split Device die Leistung des Verbrennungsmotors und der Elektromotoren verteilt wird. Der Aufbau des HSD wird am Beispiel des Toyota Prius der dritten Generation beschrieben.

Power Split Device

Darstellung eines Planetengetriebes mit 4 Planetenrädern.
Gelb (und weitgehend verdeckt): Das Sonnenrad; es ist beim HSD mit dem Motorgenerator MG1 verbunden; Blau: Die Planetenräder; der Verbrennungsmotor des HSD treibt den grün dargestellten Planetenradträger an, rot: Das Hohlrad; es ist mit Motorgenerator MG2 verbunden. Hier wird die Kraft abgenommen und an die Antriebsräder weitergegeben

Es ist dies ein Planetengetriebe und eine elektronische Steuerung, die das Übersetzungsverhältnis des Getriebes zwischen dem Verbrennungsmotor zur Abgangswelle bestimmt; aber auch der Kraftfluss wird damit je nach Ansteuerung der Motorgeneratoren einstellbar. Eine Kupplung gibt es nicht, in jedem Betriebszustand sind alle Bauteile kraftschlüssig miteinander verbunden. Beim THS-C, einer Weiterentwicklung der Firma Lexus, können die Drehzahlbereiche durch zusätzliche Getriebe erweitert werden.

Die Welle des Verbrennungsmotors ist mit dem Träger der Planetenräder verbunden, das Sonnenrad mit dem kleineren Motorgenerator MG1. Das Hohlrad des Planetengetriebes ist der Kraftabgabepunkt des HSD. Mit diesem ist auch der größere Motorgenerator MG2 verbunden.

Der Verbrennungsmotor

Bei allen bis heute (2011) auf dem Markt befindlichen Fahrzeugen mit HSD kommt ein 4-Takt-Benzinmotor mit Nockenwellenverstellung zum Einsatz. Seit dem Prius der zweiten Generation wird dieser im Atkinson-Zyklus betrieben. Er hat 4 Zylinder, 1,8 Liter Hubraum und 73 kW Leistung (Toyota Prius & Auris, Lexus CT 200h).

Die Motorgeneratoren

Die beiden elektrischen Aggregate des HSD werden von Toyota Motorgenerator genannt, da sie sowohl als Generator wie auch als Motor fungieren können. Sie werden mit MG1 und MG2 abgekürzt. Die elektrotechnisch korrekte Bezeichnung für diesen Motortyp lautet Drehstrom-Synchronmaschine mit Permanentmagneterregung.

Der leistungsschwächere MG1 wird zum Starten des Verbrennungsmotors und als Generator eingesetzt. Durch Veränderung seiner Drehzahl wird daneben auch das Übersetzungsverhältnis eingestellt, mit dem der Verbrennungsmotor seine Leistung an das Hohlrad und damit an die Antriebsräder abgibt.

Der stärkere MG2 wird ebenfalls zum Starten des Verbrennungsmotors eingesetzt, dient jedoch meist als zusätzlicher Antriebsmotor. Beim Prius der dritten Generation hat er eine Leistung von 60 kW.[3]

Akkus

Akku eines Prius der zweiten Generation (NHW20)

Ein wichtiges Element des HSD ist der Hochleistungs-Akkupack. Dieser ist erheblich leistungsfähiger als die in konventionellen PKW eingesetzten Starter-Akkus. Mit Ausnahme des für 2012 geplanten Prius PHV (Lithium-Ionen-Akku) ist dies ein Nickel-Metall-Hydrid-Akku, während Starter-Akkus fast ausnahmslos Bleiakkus sind. Die Spannung des Akku-Packs beträgt 201,6 Volt. Der Akkupack verfügt über eine maximale Abgabeleistung von 27 kW, was zugleich auch die maximal für die Elektromotore verfügbare Leistung ist, mit der der Verbrennungsmotor unterstützt werden kann.[4] Zum Vergleich: Die Spannung eines konventionellen PKW-Starter-Akkus beträgt 12 Volt, seine Maximalleistung ca. 2 kW.

Der Hochleistungs-Akku des HSD wurde für eine hohe Zyklenfestigkeit ausgelegt. Da er darüber hinaus nie voll ge- und entladen wird, ist seine Lebensdauer in etwa so hoch wie die des Fahrzeuges. Die Auswertung der Daten von ca. 36.000 Toyota Prius ergab, dass diese Fahrzeuge - und damit auch die Akkus - eine extrem hohe Zuverlässigkeit aufwiesen. Bei einem in den USA durchgeführten Test wurde die Leistung eines neuen Toyota Prius mit dem eines Fahrzeuges verglichen, das nach 10 Jahren eine Fahrleistung von über 300.000 km aufwies. Beschleunigung und Verbrauch waren nahezu gleich geblieben, was dafür spricht, dass auch die Leistung des Akkus kaum nachgelassen hatte.[5]

Neben diesem Akkupack verfügt jeder PKW mit HSD auch über einen konventionellen, erheblich kleineren 12 Volt-Akku. Sollte im Fehlerfall der Hochspannungsstromkreis nebst Hochleistungs-Ni-MH-Akku während der Fahrt ausfallen, ist damit sichergestellt, dass die Bordelektronik, die herstellerübergreifend durchgängig mit 12 Volt Gleichspannung betrieben wird, weiter funktioniert. Da dieser Akku nicht dafür vorgesehen ist, den Verbrennungsmotor zu starten, verfügt er über eine geringere Kapazität als übliche Starterakkus.[3]

Der Boost-Converter

Der seit dem Prius der zweiten Generation vorhandene Boost-Converter erhöht die Spannung des Ni-MH-Akkus in Höhe von 201,6 Volt in eine maximale Gleichspannung von 650 Volt um, womit - nach Wandlung in Drehstrom - die Motorgeneratoren gespeist werden. Wenn MG1 und / oder MG2 als Generator arbeiten, wandelt er deren Drehstrom in Höhe von bis zu 650 Volt in die Ladegleichspannung von knapp über 200 Volt um.[3]

Inverter

geöffneter Inverter des Toyota Prius NHW11

Mit Hilfe eines Inverters wird die 650V Gleichspannung in einen frequenzvariablen Drehstrom gewandelt, mit dem die Motorgeneratoren gespeist werden. Beide Elektromotoren, der Boost-Converter und der Inverter, werden über einen vom Verbrennungsmotor unabhängigen Kreis wassergekühlt. Ein zweiter Inverter wandelt die vom Akku abgegebene Gleichspannung in Höhe von 201,6 Volt in Wechselspannung gleicher Höhe um, um damit die Klimaanlage zu speisen.[3]

Positions- und Drehzahlsensoren

Im HSD sind eine Reihe von Sensoren aktiv. Die wichtigsten sind: Positions- und Drehzahlsensoren für MG1 und MG2, mit denen nicht nur die aktuelle Drehzahl, sondern auch die genaue Winkelposition beider Motoren bestimmt werden kann. Durch Messung der Strombilanz ist daneben auch exakt die am jeweiligen Motorgenerator wirkende Kraft bekannt.

Weitere Sensoren nehmen die Position des Gas- und Bremspedals sowie die Position des Schalthebels auf.

Steuerungselektronik

Im HSD arbeiten mehrere elektronische Module, sogenannte ECUs (Electronic Control Units). Es sind dies:

  • HV ECU (High Voltage Electronic Control Unit): Sie steuert den Energiefluss zwischen Akku und den beiden Motorgeneratoren. Die HV ECU überwacht daneben den sicheren Betrieb des Hybridantriebes und speichert Betriebsdaten zur einfacheren Fehlersuche. Im Fehlerfall kann sie den Hochspannungskreis mit Hilfe von drei Relais außer Betrieb nehmen.
  • Skid Control ECU: Sie steuert und überwacht das regenerative Bremsen.
  • Battery ECU: Sie überwacht den Ladezustand des Akkupacks und steuert die Kühlung

Entwicklungsstufen

Seit seiner Einführung im Jahr 1997 erfuhr der HSD zahlreiche Verbesserungen. So hatte der Verbrennungsmotor des Toyota Prius I nur 1,5 Liter Hubraum und 43kW Leistung. Der größte Verbrennungsmotor, der in einem HSD heute zum Einsatz kommt, ist ein V8-Motor mit 5 Liter Hubraum und 290 kW Leistung (Lexus LS 600h).

Die beiden Motorgeneratoren wurden im Prius der ersten Generation mit einer Spannung betrieben, die identisch mit der Spannung des Akkupacks von 274 Volt war. Beim ersten Prius-Modell gab es bisweilen Probleme durch Überhitzung der Leistungselektronik. Daher wurde diese ab der zweiten Generation wassergekühlt. Mit Einführung des Prius der zweiten Generation wurde die Spannung des Akkus auf 201,6 Volt abgesenkt, die der Motorgeneratoren aber mit Hilfe des dazugekommenen Boost-Converters auf 500 Volt erhöht. Beim Prius III arbeitet dieser Boost-Converter nun mit einer Spitzenspannung von 650 Volt.[4]

Funktion

Der Hybrid Synergy Drive ist für den Fahrer einfach zu bedienen; um dies sicherzustellen und um einen optimalen Betriebszustand zu gewährleisten, sind eine Reihe von Regelkreisen ständig aktiv.

Fahren mit dem HSD

Die Regelung von Drehzahl und Lastverteilung aller Motoren wie auch der Ladezustand der Akkus werden beim HSD vollautomatisch von der Elektronik gesteuert. Der Fahrer wählt nur, ob er vorwärts oder rückwärts fahren will und wie stark er beschleunigen oder bremsen möchte. Mit Gas- und Bremspedal wird, wie bei einem konventionellen PKW, beschleunigt und gebremst, jedoch entscheidet die Elektronik, welche Motoren bzw. Generatoren dazu wie verwendet werden. Durch Wahl verschiedener Fahrprogramme besteht die Möglichkeit, auf die Schaltpunkte der Elektronik Einfluss zu nehmen. Auf diese Weise kann das Fahrzeug entweder möglichst sportlich oder möglichst sparsam bewegt werden. Alternativ kann für eine bestimmte Zeit auch ausschließlich elektrisch gefahren werden.

Ein Druck auf das Gaspedal im Stand bewirkt (meist), dass zunächst mit dem Elektromotor MG2 beschleunigt wird; bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl wird der Verbrennungsmotor vollautomatisch und ruckfrei gestartet. Er kann nun mit zur Beschleunigung beitragen, diese vollständig übernehmen oder auch sowohl beschleunigen wie auch gleichzeitig mit Hilfe der nun als Generator wirkenden Elektromotoren die Akkus laden. Umgekehrt wird bei einem Bremsvorgang bei niedriger geforderter Bremsleistung zunächst mit den Generatoren gebremst und die Energie in die Akkus eingespeist. Nur wenn eine Bremsleistung gefordert wird, die höher ist, als maximal mit den Generatoren möglich ist, werden auch die konventionellen Bremsen am Bremsvorgang beteiligt. All dies geschieht vollautomatisch und für den Fahrer unbeeinflussbar.

Die Betriebsmodi des HSD

Über die Drehzahl des Sonnenrades, also des Motorgenerators MG 1, wird die Übersetzung und somit die Drehzahl des Verbrennungsmotors eingestellt. Der Verbrennungsmotor kann über einem weiten Geschwindigkeitsbereich vom Stillstand bis zur Höchstdrehzahl betrieben werden. Die Maximaldrehzahl von MG 1 begrenzt jedoch den steuerbaren Bereich; der Verbrennungsmotor kann beim THS und THS-II bei niedrigen Geschwindigkeiten nicht mit der Drehzahl seiner maximalen Leistung drehen; daher wird zum schnellen Anfahren die Leistung des Verbrennungsmotors und des großen Motorgenerators MG 2 zusammen genutzt. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten kann der Verbrennungsmotor nicht angehalten werden, da in diesem Fall die Maximaldrehzahl von MG 1 ebenfalls überschritten würde (jedoch bei umgekehrter Drehrichtung). Der Verbrennungsmotor und einer der beiden Motorgeneratoren dienen beide dem Vortrieb des Fahrzeuges und können diese Aufgabe jeweils alleine oder in Kombination ausüben. Motorgenerator MG 1 dient vornehmlich als Generator und Anlasser. Das Hybridfahrzeug kann so folgende Betriebszustände annehmen:

  1. anfahren mit reinem Elektroantrieb, Strom wird vom Akku geliefert; MG 1 und MG 2 drehen gegenläufig, der Träger der Planetenräder steht.
  2. fahren mit dem Verbrennungsmotor:
    1. MG 1 steht
    2. Verbrennungsmotor treibt das Fahrzeug an, MG 1 lädt den Akku
    3. Verbrennungsmotor und MG 2 treiben das Fahrzeug an, MG 1 liefert den benötigten Strom
    4. Verbrennungsmotor und MG 2 treiben das Fahrzeug an, der Akku liefert den benötigten Strom
  3. rollen. Der Verbrennungsmotor ist aus, der MG 1 übt eine leichte Vorbremsung aus, sollte gebremst werden müssen, kann die anfallende Bremsenergie zur Ladung des Akkus benutzt werden
  4. bremsen mit dem Motorgenerator. Der Verbrennungsmotor ist aus, Bremsenergie wird zur Ladung des Akkus benutzt
  5. bremsen mit dem Motorgenerator und der hydraulischen („konventionellen“) Bremse; Bremsenergie wird zur Ladung des Akkus benutzt.
  6. Motorbremse: Dieser Modus wird nur aktiviert, wenn bei geringer Bremsleistung der Akkumulator bereits zu sehr geladen ist, um weitere Energie aufzunehmen (meist bei langen Bergabfahrten). Die Bremsenergie wird dann durch den ohne Kraftstoffzufuhr drehenden Motor in Wärme umgesetzt, um ein Überhitzen und Verschleißen der Scheibenbremsen zu verhindern.

Vor- und Nachteile des Konzepts

Ein Verbrennungsmotor kann nicht bei einer Drehzahl nahe 0 betrieben werden. Zum Anfahren ist bei PKW mit Handschaltgetriebe daher eine mechanische Kupplung nötig. Bei Automatikgetrieben wird die bei Stillstand (in Getriebestellung D) und sehr niedrigen Geschwindigkeiten des PKWs anfallende Leistung in den hydraulischen Wandler geleitet. In beiden Fällen wird Motorleistung in Wärme umgewandelt und somit vernichtet. Im Gegensatz zum Verbrennungsmotor kann ein Elektromotor von einer Drehzahl 0 aus betrieben werden und liefert bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment - auch bei Drehzahl 0.

Ein Ottomotor besitzt bei niedrigen Drehzahlen ein geringes Drehmoment und somit eine sehr geringe Leistung. Um im PKW jederzeit eine Leistungsreserve verfügbar zu haben, wird daher selten mit der unter Verbrauchsaspekten optimalen, niedrigen Motordrehzahl gefahren. Vielmehr wählt der Fahrer einen niedrigeren Gang und damit eine höhere Drehzahl, als für die abgerufene Leistung eigentlich nötig ist. Damit wird der Verbrennungsmotor mit relativ niedriger Last betrieben. Der Wirkungsgrad eines Ottomotors ist bei niedrigen Lasten jedoch erheblich reduziert, was u.a. durch Drosselverluste hervorgerufen wird.

Bei einem konventionell angetriebenen PKW kann der Fahrer (oder das Automatikgetriebe) durch Fahren bzw. Beschleunigen im hohen Gang zwar mit hoher Last und hohem Wirkungsgrad fahren; wird jedoch Mehrleistung gefordert, kann sie dann nur durch eine Drehzahlerhöhung, also durch Wahl eines kleineren Ganges erreicht werden. Schaltvorgang und Drehzahländerung des Verbrennungsmotors benötigen hierfür Zeit. In der Praxis fährt daher kaum ein Fahrer bei niedrigen Geschwindigkeiten im hohen Gang.

Zur Wirkungsgradverbesserung im Teillastbereich bei Ottomotoren mit konventionellem Antrieb bestehen verschiedene Ansätze wie Zylinderabschaltung oder die von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich gelöste Nockenwellenverstellung. Unnötige Motorlaufzeiten werden in herkömmlichen Antriebskonzepten mit Hilfe eines Start-Stopp-Systems verringert.

Vorteile

Das Hybrid Synergy Drive erlaubt, Drehzahl und Leistung des Verbrennungsmotors unabhängig von der geforderten Antriebsleistung zu regeln. Wird der Verbrennungsmotor genutzt, kann er mit konstant hoher Last und somit hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Eine schnelle Leistungsanforderung kann beim Hybrid Synergy Drive mit dem Motorgenerator MG2 unmittelbar bedient werden, während parallel dazu mit Hilfe von Motorgenerator MG 1 die Übersetzung verändert wird, um so Drehzahl und Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Damit kann der Verbrennungsmotor ohne Komforteinbußen immer mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden.

Weitere Vorteile sind:

  • Der Verbrennungsmotor hat keinen unnötigen Leerlauf; sobald nur geringe Antriebsleistung benötigt wird (Fahrzeug rollt oder steht), geht der Verbrennungsmotor aus.
  • Sollte bei einem Fahrzeug mit HSD die Bremsleistung benötigt werden, die bei der Motorbremse in (Reibungs)wärme umgewandelt wird, wird sie beim HSD mit Hilfe der elektrischen Generatoren in die Akkumulatoren eingespeist und somit genutzt.
  • Da ein großer Teil anfallender Bremsenergie zum Laden der Akkus verwendet wird, ist der Bremsenverschleiß viel geringer, sowie der Verbrauch bei Berg- und Talfahrt stark reduziert. Bremsenergie kann zwar auch bei konventionell betriebenen PKW wiederverwendet werden; die erheblich leistungsfähigen Akkus des Hybrid Synergy Drive erlauben jedoch aufgrund ihrer hohen Kapazität einen viel höheren Ladestrom und damit eine größere Bremsleistung für die Rekuperation zu nutzen, als mit üblichen Starterakkus möglich ist.
  • Der Wirkungsgrad des HSD liegt damit bei etwa 45 % im Vergleich zu 40 % eines Dieselmotors und 35 % eines konventionellen Benzinmotors.[6]
  • Während der Standzeiten des Verbrennungsmotors ist der Wagen extrem leise bis geräuschlos, was zu einem entspannten Fahren beiträgt (rote Ampel, Stau, Bergabfahrt). Dies ist auch nützlich, wenn der Wagen in geräuschempfindlicher Umgebung bewegt werden soll.
  • Wenn der Verbrennungsmotor zur Innenraumheizung oder zum schnellen Erwärmen des Katalysators (um den Schadstoffausstoß zu minimieren) warmläuft, lädt er den Akku.
  • Anlasser und Lichtmaschine entfallen. Der Motor wird von den Elektromotoren gestartet.
  • Der Wegfall von Anlasser, Lichtmaschine, Kupplung und Keilriemen senkt die Wartungskosten, denn was es nicht gibt, kann nicht kaputt gehen.[7]
  • Da die Motorgeneratoren in beiden Drehrichtungen laufen können, ist kein mechanischer Rückwärtsgang nötig. Der Rückwärtsantrieb erfolgt über den Motorgenerator MG2.
  • Der HSD ermöglicht über den gesamten Geschwindigkeitsbereich eine unterbrechungsfreie Beschleunigung.
  • Der HSD fährt sich wie ein Auto mit Automatikgetriebe. Der Fahrer wählt nur, ob er vorwärts oder rückwärts fahren möchte.
  • Während ein PKW mit Automatikgetriebe oft mehr Kraftstoff als ein PKW mit Handschaltung verbraucht, benötigt ein PKW mit HSD weniger Kraftstoff.
  • Die in den letzten Jahren stetig zunehmende Zahl elektrischer Verbraucher belastet das Bordnetz heutiger PKW sehr viel stärker als dies früher der Fall war, wofür Akkumulatoren und Lichtmaschinen entsprechend dimensioniert werden müssen (Beispiele: Start-Stopp-System, Standheizung, Sitzheizung, beheizbare Front- und Heckscheibe, Beleuchtung, Autoradio usw); Lichtmaschine und Akkus erhöhen das Fahrzeuggewicht, werden aber zum Fahren nicht benötigt. Beim Hybrid Synergy Drive werden prinzipbedingt sehr leistungsfähige Akkus und Generatoren mitgeführt, die nicht nur im Stand, sondern auch im Fahrbetrieb genutzt werden.
  • Mit den für den Hybridantrieb nötigen, leistungsfähigen Akkumulatoren können bei Stillstand des Verbrennungsmotors Aggregate gespeist werden, die bei konventionellen PKW die vorhandene Akkukapazität überlasten würden (z. B. die Klimaanlage).
  • Der elektrische Betrieb von Aggregaten, die in konventionellen PKW vom Verbrennungsmotor angetrieben werden, erlaubt einen effizienteren Betrieb (Klimaanlage, Servolenkung, Motorkühlung, Bremskraftverstärker).
  • Durch den kombinierten Einsatz mit Elektromotoren kann der HSD mit einem Otto-Motor kombiniert werden, der im Atkinson-Zyklus arbeitet. Dieses Motorkonzept zeichnet sich im Vergleich zu konventionellen Ottomotoren zwar durch einen verbesserten Wirkungsgrad bei einfacher Bauweise aus, ist jedoch bei niedrigen Drehzahlen sehr drehmomentschwach, was den Einsatz in PKWs mit Handschaltgetriebe verbietet. Das Leistungsmanagement wird beim HSD von der Steuerungselektronik übernommen; die Drehmomentschwäche des Verbrennungsmotors wird mit den Elektromotoren teilweise kompensiert und ist für den Fahrkomfort von geringer Bedeutung.
  • Ein großer Vorteil dieses Hybridkonzeptes ist die Vermeidung von Teillastläufen, in denen konventionelle Ottomotoren nur mit schlechtem Wirkungsgrad betrieben werden können. Dieselmotoren arbeiten im Teillastbetrieb allerdings erheblich effizienter als Ottomotoren - gegenüber Dieselmotoren profitiert der HSD daher punkto Teillastläufe nicht im selben Maße.[8][9]
  • Da ein Motor, der im Atkinson-Zyklus arbeitet, weniger Abwärme produziert, kann die Motorkühlung kleiner dimensioniert werden. Dies senkt nicht nur Herstellungskosten, Platzbedarf und Gewicht, sondern verringert auch den Luftwiderstand durch eine kleinere Kühlerfläche und es verkürzt aufgrund der geringeren Kühlflüssigkeitsmenge die Aufwärmphase des Verbrennungsmotors. Dies senkt den Schadstoffausstoß, der in der Warmlaufphase bei allen Ottomotoren am höchsten ist.

Nachteile

  • Die Hybridkomponenten erhöhen die Herstellungskosten und das Gewicht des Fahrzeuges. Dies wird nur teilweise durch den Wegfall einiger Baugruppen kompensiert.
  • Die mitgeführten Akkus verringern die Größe des verfügbaren Kofferraums.
  • Da alle zum Fahren nötigen Systeme auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors verfügbar sein müssen, müssen sie auch unabhängig davon funktionieren. Dies bedeutet einen konstruktiven Mehraufwand.
  • Der Hybrid Synergy Drive senkt unter anderem durch die Rückgewinnung von kinetischer Energie in elektrische Energie beim Abbremsen des Fahrzeugs den Benzinverbrauch. Bei einer weitgehend konstanten Geschwindigkeit, z.B. bei Autobahnfahrten, hat beispielsweise der Toyota Prius 3 einen zwar vorhandenen, aber weit geringeren Verbrauchsvorteil gegenüber dem Klassendurchschnitt (6,4 zu 9 l/100km);[10] es ist unklar, ob der Minderverbrauch auf den Hybridantrieb zurückzuführen oder Folge der übrigen, verbrauchssenkenden Maßnahmen (cw-Wert u. a.) ist. [11]
  • Da der Verbrennungsmotor mit hohem Wirkungsgrad betrieben wird, fällt wenig Abwärme für Heizzwecke an. Ab dem Prius 3 wird dieses Problem mit Hilfe eines Wärmerückgewinnungssystems adressiert, das die Abwärme der Auspuffgase über einen Wärmetauscher zurückgewinnt.
  • Da ein PKW mit HSD bei niedrigen Geschwindigkeiten fast lautlos bewegt werden kann, besteht die Gefahr, dass andere Verkehrsteilnehmer (Fußgänger, Radfahrer) das Herannahen eines mit derartiger Technik ausgestatteten PKWs nicht oder nicht rechtzeitig bemerken. Damit steigt die Unfallgefahr.
  • Die Leistung der meisten Fahrzeuge mit HSD fühlt sich bei höheren Geschwindigkeiten geringer an, als die Papierform erwarten lässt. Wird z.B. mit dem Prius bei 80 km/h eine starke Beschleunigung benötigt, heult der Verbrennungsmotor stark auf und wird laut. Der Verbrauch steigt dann auch an. Toyota betont, dass der Schwerpunkt der Entwicklung des HSD darin lag, den Verbrauch bei maximalem Komfort zu senken und nicht darin, ein besonders sportliches Fahren zu ermöglichen.[12] Hiervon ausgenommen sind jedoch Lexus GS 450h und LS600h.[13]
  • Die maximal von den Elektromotoren abgebbare Leistung wird durch den zulässigen Höchststrom, d.h. die maximale Abgabeleistung des Akkus begrenzt. Diese ist niedriger als die Maximalleistung der Elektromotore.
  • Die Abschaltung des Verbrennungsmotors während der Fahrt ist nur bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit möglich; steht der Verbrennungsmotor, so ist die Drehzahl von MG1 umso höher, je schneller das Fahrzeug fährt. Die zulässige Höchstdrehzahl von MG1 begrenzt damit die Maximalgeschwindigkeit bei der der Verbrennungsmotor abgeschaltet werden kann.

Siehe auch

Weblinks

 Commons: Hybrid Synergy Drive – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. www.all-electric-vehicles.com [1]
  2. http://www.heise.de/autos/artikel/Produktion-des-Toyota-Yaris-Hybrid-startet-2012-1022085.html
  3. a b c d Autoshop101.com Toyota Hybrid System, Course 71, Section 2, Online, PDF
  4. a b Specs des Toyota Prius III
  5. The 200,000-mile question: How does the Toyota Prius hold up?
  6. Diezeitistreif.ch Fragen und Antworten zum neuen Toyota Auris
  7. Welt.de: Hybrid für Arme
  8. Werner Clement: Fahrzeuggetriebe Online bei Google Books
  9. Süddeutsche Zeitung vom 2. Juni 2004: Die große Hybris des Hybrid, Artikel von Heiko Barske Online
  10. Der Toyota Prius3 im ADAC Autotest Online, pdf
  11. Wranglr4you.com online
  12. Toyota Auros HSD mit Hybridsystem im Test Online bei www.Auto-News.de
  13. Lexus GS 450h gegen Mercedes und BMW

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