Unidad de sinergia híbrida

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Hybrid Synergy Drive ( HSD ), también conocido como Toyota Hybrid System II , es el nombre comercial de Toyota Motor Corporation para la tecnología de transmisión híbrida que se utiliza en los vehículos de las marcas Toyota y Lexus . Introducida por primera vez en el Prius , la tecnología es una opción en varios otros vehículos Toyota y Lexus y ha sido adaptada para el sistema de transmisión eléctrica del Mirai propulsado por hidrógeno y para una versión híbrida enchufable del Prius . Anteriormente, Toyota también licenció su tecnología HSD a Nissan para su uso en su Nissan Altima Hybrid. Su proveedor de piezas Aisin ofrece transmisiones híbridas similares a otras compañías automovilísticas.

La tecnología HSD produce un vehículo híbrido completo que permite que el automóvil funcione solo con el motor eléctrico, a diferencia de la mayoría de los híbridos de otras marcas que no pueden hacerlo y se consideran híbridos suaves . El HSD también combina un sistema de propulsión eléctrica y un conjunto de engranajes planetarios que funciona de manera similar a una transmisión continuamente variable . El Synergy Drive es un sistema de conducción por cable sin conexión mecánica directa entre el motor y los controles del motor: tanto el pedal del acelerador como la palanca de cambios en un automóvil HSD simplemente envían señales eléctricas a una computadora de control .

El HSD es un refinamiento del sistema híbrido original de Toyota ( THS ) utilizado en el Toyota Prius de 1997 a 2003. El sistema de segunda generación apareció por primera vez en el Prius rediseñado en 2004. El nombre se cambió en previsión de su uso en vehículos fuera de la marca Toyota ( Lexus ; los sistemas derivados del HSD utilizados en los vehículos Lexus se han denominado Lexus Hybrid Drive ), se implementó en el Camry y el Highlander de 2006, y finalmente se implementaría en el Prius de "tercera generación" de 2010 y el Prius c de 2012. El sistema híbrido de Toyota está diseñado para aumentar la potencia y la eficiencia, y también mejorar la "escalabilidad" (adaptabilidad a vehículos más grandes y más pequeños), en el que el ICE/MG1 y el MG2 tienen rutas de reducción separadas y se combinan en un engranaje "compuesto" que está conectado al tren de engranajes de reducción final y al diferencial; ^[1] se introdujo en los modelos Lexus de tracción total y tracción trasera . ^{[2] [3]} Para mayo de 2007, Toyota había vendido un millón de híbridos en todo el mundo; dos millones a fines de agosto de 2009; y superó la marca de 5 millones en marzo de 2013. ^{[4] [5]} Para septiembre de 2014 ^[actualizar], se habían vendido más de 7 millones de híbridos Lexus y Toyota en todo el mundo. ^[6] Estados Unidos representó el 38% de las ventas globales de híbridos de TMC a marzo de 2013. ^[actualizar][ ^5]

El sistema HSD de Toyota reemplaza una transmisión con engranajes normal por un sistema electromecánico . Un motor de combustión interna (ICE) entrega potencia de manera más eficiente en un rango de velocidad pequeño , pero las ruedas necesitan ser impulsadas en el rango de velocidad completo del vehículo. En un automóvil convencional, la transmisión con engranajes entrega a las ruedas diferentes requisitos discretos de potencia de velocidad-par del motor. Las transmisiones con engranajes pueden ser manuales, con embrague , o automáticas, con convertidor de par , pero ambas permiten que el motor y las ruedas giren a diferentes velocidades. El conductor puede ajustar la velocidad y el par entregado por el motor con el acelerador y la transmisión transmite mecánicamente casi toda la potencia disponible a las ruedas que giran a una velocidad diferente a la del motor, por un factor igual a la relación de transmisión para la marcha seleccionada actualmente. Sin embargo, hay un número limitado de "marchas" o relaciones de transmisión entre las que el conductor puede elegir, normalmente de cuatro a seis. Este conjunto limitado de relaciones de transmisión obliga al cigüeñal del motor a girar a velocidades en las que el ICE es menos eficiente, es decir, donde un litro de combustible produce menos julios. Los requisitos óptimos de velocidad y par motor para diferentes condiciones de conducción y aceleración del vehículo se pueden medir limitando la velocidad de RPM del tacómetro o el ruido del motor en comparación con la velocidad real. Cuando se requiere que un motor funcione de manera eficiente en un amplio rango de RPM, debido a su acoplamiento a una transmisión con engranajes, los fabricantes tienen opciones limitadas para mejorar la eficiencia , la confiabilidad o la vida útil del motor, así como para reducir el tamaño o el peso del motor. Es por eso que el motor para un motor-generador suele ser mucho más pequeño, más eficiente, más confiable y de mayor vida útil que uno diseñado para un automóvil u otra aplicación de velocidad variable.

Sin embargo, una transmisión continuamente variable permite al conductor (o a la computadora del automóvil) seleccionar de manera efectiva la relación de transmisión óptima requerida para cualquier velocidad o potencia deseada. La transmisión no está limitada a un conjunto fijo de marchas. Esta falta de restricción libera al motor para que funcione con su consumo de combustible específico para el frenado óptimo . Un vehículo HSD generalmente hará funcionar el motor con su eficiencia óptima siempre que se necesite energía para cargar baterías o acelerar el automóvil, apagando el motor por completo cuando se requiere menos energía.

Al igual que una CVT , una transmisión HSD ajusta continuamente la relación de transmisión efectiva entre el motor y las ruedas para mantener la velocidad del motor mientras las ruedas aumentan su velocidad de rotación durante la aceleración. Por eso, Toyota describe los vehículos equipados con HSD como si tuvieran una e-CVT ( transmisión electrónica continuamente variable ) cuando es necesario clasificar el tipo de transmisión para listas de especificaciones de estándares o fines regulatorios.

En un diseño de automóvil convencional, el alternador excitado por separado con rectificador integrado (generador de CC) y motor de arranque (motor de CC) se consideran accesorios que están conectados al motor de combustión interna (ICE) que normalmente impulsa una transmisión para impulsar las ruedas que impulsan el vehículo. Una batería se utiliza solo para arrancar el motor de combustión interna del automóvil y hacer funcionar los accesorios cuando el motor no está en marcha. El alternador se utiliza para recargar la batería y hacer funcionar los accesorios cuando el motor está en marcha.

El sistema HSD reemplaza la transmisión con engranajes, el alternador y el motor de arranque con:

• MG1 , un motor-generador de CA que tiene un rotor de imán permanente , ^[7] utilizado como motor al arrancar el motor de combustión interna y como generador (alternador) al cargar la batería de alto voltaje.
• MG2 , un motor-generador de CA, que también tiene un rotor de imán permanente, que se utiliza como motor de accionamiento primario y como generador (alternador), cuya energía de regeneración se dirige a la batería de alto voltaje. MG2 es generalmente el más potente de los dos motores-generadores.
• Electrónica de potencia , incluidos tres inversores CC-CA y dos convertidores CC-CC
• Sistema de control computarizado y sensores
• HVB , una batería de alto voltaje , genera energía eléctrica durante la aceleración y absorbe energía eléctrica durante el frenado de regeneración.

A través del divisor de potencia, el sistema HSD de un híbrido completo serie-paralelo permite los siguientes flujos de potencia inteligentes: ^[8]

• Energía auxiliar
  • HVB -> Convertidor DC-DC -> Batería 12VDC
  • Batería de 12 V CC -> Electrónica del vehículo de 12 V
• Carga del motor (Recarga y/o calentamiento del convertidor catalítico y/o confort interior HVAC)
  • HIELO -> MG1 -> HVB
• Batería o propulsión EV
  • HVB -> MG2 -> ruedas
• Motor y accionamiento del motor (aceleración moderada)
  • ICE -> ruedas
  • ICE -> MG1 -> MG2 -> ruedas
• Accionamiento del motor con carga (Conducción en carretera)
  • ICE -> ruedas
  • HIELO -> MG1 -> HVB
• Accionamiento del motor y del motor con carga (situación de gran potencia, como en pendientes pronunciadas)
  • ICE -> ruedas
  • HIELO -> MG1 -> HVB
  • ICE -> MG1 -> MG2 -> ruedas
• Potencia máxima o desaceleración gradual (situaciones de máxima potencia)
  • ICE -> ruedas
  • ICE -> MG1 -> MG2 -> ruedas
  • HVB -> MG2 -> ruedas
• Frenado en modo B
  • Ruedas -> MG2 ->HVB
  • Ruedas -> MG1 -> ICE (ECU - Unidad de control electrónico - utiliza MG1 para hacer girar el ICE, lo que drena la batería, lo que permite una mayor carga del MG2 y también vincula el ICE a las ruedas, lo que provoca un "frenado del motor"; las RPM del ICE aumentan cuando el nivel de carga del HVB ​​es demasiado para aceptar la electricidad regenerativa del MG2 o aumenta el esfuerzo del conductor al presionar el pedal del freno)
• Frenado regenerativo
  • ruedas -> MG2 -> HVB
• Frenada brusca
  • Disco delantero/tambor trasero (disco trasero en el Reino Unido) -> ruedas
  • Todas las ruedas de disco -> (2010 y más nuevos, excepto Prius c 2012-actual, que usa disco delantero y tambor trasero).

• MG1 (Motor-generador primario): Un motor para poner en marcha el motor de combustión interna y un generador para generar energía eléctrica para el MG2 y recargar la batería de tracción de alto voltaje y, a través de un convertidor de CC a CC , para recargar la batería auxiliar de 12 voltios. Al regular la cantidad de energía eléctrica generada (al variar el par mecánico y la velocidad del MG1), el MG1 controla de manera efectiva la transmisión continuamente variable del transeje .
• MG2 (Motor-generador secundario): impulsa las ruedas y regenera energía para el almacenamiento de energía de la batería HV mientras frena el vehículo. MG2 impulsa las ruedas con energía eléctrica generada por el MG1 accionado por motor y/o el HVB. Durante el frenado regenerativo, MG2 actúa como generador, convirtiendo la energía cinética en energía eléctrica, almacenándola en la batería.

El diseño de engranajes mecánicos del sistema permite que la potencia mecánica del ICE se divida de tres maneras: par adicional en las ruedas (a velocidad de rotación constante), velocidad de rotación adicional en las ruedas (a par constante) y potencia para un generador eléctrico. Una computadora que ejecuta los programas apropiados controla los sistemas y dirige el flujo de potencia de las diferentes fuentes de motor + motor. Esta división de potencia logra los beneficios de una transmisión continuamente variable (CVT), excepto que la conversión de par/velocidad utiliza un motor eléctrico en lugar de una conexión directa de tren de engranajes mecánicos. Un automóvil HSD no puede funcionar sin la computadora, la electrónica de potencia, el paquete de baterías y los generadores de motor, aunque en principio podría funcionar sin el motor de combustión interna. (Ver: Híbrido enchufable ) En la práctica, los automóviles equipados con HSD pueden conducirse una milla o dos sin gasolina, como medida de emergencia para llegar a una gasolinera .

Un transeje HSD contiene un conjunto de engranajes planetarios que ajusta y combina la cantidad de par del motor y los motores según lo necesiten las ruedas delanteras. Es una combinación sofisticada y complicada de engranajes, generadores de motor eléctricos y controles electrónicos controlados por computadora. Uno de los generadores de motor, MG2, está conectado al eje de salida y, por lo tanto, acopla el par hacia dentro o hacia fuera de los ejes de transmisión; al alimentar electricidad al MG2, se agrega par en las ruedas. El extremo del motor del eje de transmisión tiene un segundo diferencial ; una pata de este diferencial está conectada al motor de combustión interna y la otra pata está conectada a un segundo generador de motor, MG1. El diferencial relaciona la velocidad de rotación de las ruedas con las velocidades de rotación del motor y MG1, y MG1 se usa para absorber la diferencia entre la velocidad de la rueda y la del motor. El diferencial es un conjunto de engranajes epicicloidales (también llamado "dispositivo de división de potencia"); eso y los dos generadores de motor están todos contenidos en una sola carcasa de transeje que está atornillada al motor . Los acoplamientos y sensores especiales monitorean la velocidad de rotación de cada eje y el torque total en los ejes de transmisión, para enviar retroalimentación a la computadora de control. ^[9]

En los HSD de Generación 1 y Generación 2, el MG2 está conectado directamente a la corona dentada, es decir, una relación 1:1, y que no ofrece multiplicación de par, mientras que en los HSD de Generación 3, el MG2 está conectado a la corona dentada a través de un conjunto de engranajes planetarios de 2,5:1, ^[10] y que, en consecuencia, ofrece una multiplicación de par de 2,5:1, siendo este un beneficio principal del HSD de Generación 3, ya que proporciona un MG2 más pequeño, pero más potente. Sin embargo, un beneficio secundario es que el MG1 no se conducirá a exceso de velocidad con tanta frecuencia, lo que de otro modo obligaría a emplear el ICE para mitigar este exceso de velocidad; esta estrategia mejora el rendimiento del HSD, además de ahorrar combustible y desgaste del ICE.

El sistema HSD tiene dos paquetes de baterías principales: la batería de alto voltaje (HV), también conocida como batería de tracción, y una batería de plomo-ácido de 12 voltios conocida como batería de bajo voltaje (LV), que funciona como batería auxiliar. La batería LV suministra energía a los componentes electrónicos y accesorios cuando el sistema híbrido está apagado y el relé principal de la batería de alto voltaje está apagado. ^{[11] [12]}

La batería de tracción es un paquete de baterías de níquel-metal hidruro (NiMH) selladas . El paquete de baterías del Toyota Prius de primera generación constaba de 228 celdas empaquetadas en 38 módulos, mientras que el Prius de segunda generación constaba de 28 módulos prismáticos de níquel-metal hidruro de Panasonic, cada uno de los cuales contenía seis celdas de 1,2 voltios, conectadas en serie para producir un voltaje nominal de 201,6 voltios. La capacidad de potencia de descarga del paquete del Prius de segunda generación es de aproximadamente 20 kW con un estado de carga (SoC) del 50 % . La capacidad de potencia aumenta con temperaturas más altas y disminuye con temperaturas más bajas. El Prius tiene una computadora que se dedica exclusivamente a mantener la batería a la temperatura óptima y al nivel de carga óptimo. ^[13]

Al igual que el Prius de segunda generación, la batería del Prius de tercera generación está compuesta por el mismo tipo de celdas de 1,2 voltios. Tiene 28 módulos de 6 celdas para un voltaje nominal total de solo 201,6 voltios. Se utiliza un convertidor elevador para producir un voltaje de suministro de CC de 500 voltios para los inversores de MG1 y MG2. ^[11] La electrónica del automóvil solo permite que se use el 40% de la capacidad nominal total del paquete de baterías (6,5 amperios-hora) para prolongar la vida útil de la batería. Como resultado, se permite que el SoC varíe solo entre el 40% y el 80% de la carga completa nominal. ^[11] La batería utilizada en el Highlander Hybrid y el Lexus RX 400h estaba empaquetada en una carcasa de batería de metal diferente con 240 celdas que brindan un alto voltaje de 288 voltios. ^[13]

Un botón etiquetado como "EV" mantiene el modo de vehículo eléctrico después de encenderlo y en la mayoría de las condiciones de carga baja a menos de 25 mph (40 km/h) si la batería de tracción tiene suficiente carga. Esto permite una conducción totalmente eléctrica sin consumo de combustible durante hasta 1 milla (1,6 km). Sin embargo, el software HSD cambia al modo EV automáticamente siempre que puede. ^{[14] [15]} Solo el Toyota Prius Plug-in Hybrid tiene una autonomía de conducción totalmente eléctrica más larga en funcionamiento mixto eléctrico-gasolina de 11 mi (18 km) ( clasificación de la EPA ) hasta que se agote la batería. ^[16] El Prius PHEV está equipado con baterías de iones de litio de 4,4 kWh codesarrolladas con Panasonic que pesan 80 kg (180 lb) en comparación con la batería de níquel-hidruro metálico del Prius de tercera generación , que tiene una capacidad de solo 1,3 kWh y pesa 42 kg (93 lb). El paquete de baterías de mayor tamaño permite un funcionamiento totalmente eléctrico a velocidades más altas y distancias más largas que el Prius híbrido convencional. ^{[17] [18]}

La siguiente tabla detalla la capacidad de la batería HV para varios vehículos Lexus y Toyota. ^[19]

El sistema de propulsión HSD funciona desviando la energía eléctrica entre los dos generadores de motor, que funcionan con la batería, para equilibrar la carga del motor de combustión interna. Dado que el aumento de potencia de los motores eléctricos está disponible para los períodos de aceleración rápida, el motor de combustión interna se puede reducir para que coincida solo con la carga promedio del automóvil, en lugar de ajustarse a las demandas de potencia máxima para una aceleración rápida. El motor de combustión interna más pequeño se puede diseñar para que funcione de manera más eficiente. Además, durante el funcionamiento normal, el motor se puede operar a su velocidad y nivel de par ideales o cerca de ellos para potencia, economía o emisiones, con la batería absorbiendo o suministrando energía según sea apropiado para equilibrar la demanda del conductor . Durante las paradas de tráfico, el motor de combustión interna incluso se puede apagar para lograr una mayor economía.

La combinación de un diseño de automóvil eficiente, frenado regenerativo, apagado del motor para paradas de tráfico, almacenamiento significativo de energía eléctrica y un diseño de motor de combustión interna eficiente le otorgan al automóvil impulsado por HSD importantes ventajas de eficiencia, particularmente en la conducción urbana.

El HSD funciona en distintas fases en función de la velocidad y el par requerido. A continuación se indican algunas de ellas:

• Carga de la batería : El HSD puede cargar su batería sin mover el coche, haciendo funcionar el motor y extrayendo energía eléctrica del MG1. La energía se desvía hacia la batería y no se suministra par a las ruedas. El ordenador de a bordo lo hace cuando es necesario, por ejemplo, cuando se detiene en el tráfico o para calentar el motor y el convertidor catalítico después de un arranque en frío.
• Arranque del motor : para arrancar el motor, se aplica energía al MG1 para que actúe como motor de arranque. Debido al tamaño de los generadores del motor, el arranque del motor es relativamente rápido y requiere relativamente poca energía del MG1. Además, no se escucha el sonido del motor de arranque convencional . El motor puede arrancar mientras está parado o en movimiento.
• Marcha atrás (equivalente) : No hay marcha atrás como en una caja de cambios convencional: la computadora invierte la secuencia de fases del motor-generador de CA MG2, aplicando un par negativo a las ruedas. Los primeros modelos no suministraban suficiente par para algunas situaciones: ha habido informes de propietarios de los primeros Prius que no pudieron hacer marcha atrás con el automóvil en pendientes pronunciadas en San Francisco . El problema se ha solucionado en los modelos recientes. Si la batería está baja, el sistema puede hacer funcionar simultáneamente el motor y extraer energía del MG1, aunque esto reducirá el par de reversa disponible en las ruedas.
• Punto muerto (equivalente) : la mayoría de las jurisdicciones exigen que las transmisiones de los automóviles tengan un punto muerto que desacople el motor y la transmisión. El "punto muerto" del HSD se consigue apagando los motores eléctricos. En esta condición, el engranaje planetario está estacionario (si las ruedas del vehículo no giran); si las ruedas del vehículo giran, el engranaje anular girará, haciendo que el engranaje solar también gire (la inercia del motor mantendrá el engranaje portador estacionario a menos que la velocidad sea alta), mientras que el MG1 puede girar libremente mientras las baterías no se cargan. El manual del propietario ^[24] advierte que el punto muerto acabará agotando la batería, lo que dará lugar a una potencia del motor "innecesaria" para recargar las baterías; una batería descargada dejará el vehículo inoperativo.

• Funcionamiento en modo EV : A bajas velocidades y con un par motor moderado, el HSD puede funcionar sin necesidad de utilizar el motor de combustión interna: la electricidad se suministra únicamente al MG2, lo que permite que el MG1 gire libremente (y, por lo tanto, desacopla el motor de las ruedas). Esto se conoce popularmente como "modo sigiloso". Siempre que haya suficiente energía de la batería, el coche puede circular en este modo silencioso durante algunos kilómetros incluso sin gasolina.
• Marcha corta (equivalente) : Al acelerar a bajas velocidades en funcionamiento normal, el motor gira más rápido que las ruedas, pero no desarrolla suficiente par motor. La velocidad adicional del motor se envía a MG1, que actúa como generador. La potencia de MG1 se envía a MG2, que actúa como motor y agrega par motor al eje de transmisión.
• Marcha alta (equivalente) : cuando se conduce a alta velocidad, el motor gira más lentamente que las ruedas, pero desarrolla más par del necesario. El MG2 funciona entonces como generador para eliminar el exceso de par motor, lo que produce potencia que se envía al MG1, que actúa como motor para aumentar la velocidad de las ruedas. En estado estable, el motor proporciona toda la potencia para propulsar el automóvil a menos que el motor no pueda suministrarla (como durante una aceleración fuerte o al subir una pendiente pronunciada a alta velocidad). En este caso, la batería proporciona la diferencia. Siempre que cambia la potencia de propulsión requerida, la batería equilibra rápidamente el presupuesto de potencia, lo que permite que el motor cambie de potencia con relativa lentitud.
• Frenado regenerativo : al extraer energía del MG2 y depositarla en la batería, el HSD puede simular la desaceleración del frenado normal del motor y, al mismo tiempo, ahorrar energía para un refuerzo futuro. Los frenos regenerativos de un sistema HSD absorben una cantidad significativa de la carga de frenado normal, por lo que los frenos convencionales de los vehículos HSD son de menor tamaño en comparación con los frenos de un automóvil convencional de masa similar y duran significativamente más.
• Frenado motor : el sistema HSD tiene una configuración especial de transmisión denominada "B" (para freno), que reemplaza la configuración "L" de una transmisión automática convencional y proporciona frenado motor en pendientes. Esta opción se puede seleccionar manualmente en lugar del frenado regenerativo. Durante el frenado, cuando la batería se acerca a niveles de carga potencialmente dañinos, el sistema de control electrónico cambia automáticamente al frenado motor convencional , extrayendo energía del MG2 y desviándola al MG1, acelerando el motor con el acelerador cerrado para absorber energía y desacelerar el vehículo.
• Impulso eléctrico : la batería proporciona una reserva de energía que permite que la computadora adapte la demanda del motor a una curva de carga óptima predeterminada, en lugar de funcionar con el par y la velocidad que exigen el conductor y la carretera. La computadora administra el nivel de energía almacenado en la batería, de modo que tenga la capacidad de absorber energía adicional cuando sea necesario o de suministrar energía adicional para aumentar la potencia del motor.

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El Toyota Prius tiene una aceleración modesta pero una eficiencia extremadamente alta para un sedán de cuatro puertas de tamaño mediano: generalmente significativamente mejor que 40 mpg (EE. UU.) (5,9 L/100 km) que es típico para breves paseos por la ciudad; 55 mpg (4,3 L/100 km) no es poco común, especialmente para viajes prolongados a velocidades modestas (un viaje más largo permite que el motor se caliente por completo). Esto es aproximadamente el doble de la eficiencia de combustible de un sedán de cuatro puertas equipado de manera similar con un tren de potencia convencional. No toda la eficiencia adicional del Prius se debe al sistema HSD: el motor de ciclo Atkinson en sí también fue diseñado específicamente para minimizar la resistencia del motor a través de un cigüeñal desplazado para minimizar la resistencia del pistón durante la carrera de potencia y un sistema de admisión único para evitar la resistencia causada por el vacío del colector ("pérdidas de bombeo") en comparación con el ciclo Otto normal en la mayoría de los motores. Además, el ciclo Atkinson recupera más energía por ciclo que el Otto debido a su carrera de potencia más larga. La desventaja del ciclo Atkinson es un par motor muy reducido, particularmente a baja velocidad; Pero el HSD tiene un enorme torque a baja velocidad disponible desde el MG2.

El Highlander Hybrid (también vendido como Kluger en algunos países) ofrece un mejor rendimiento de aceleración en comparación con su versión no híbrida. La versión híbrida va de 0 a 60 mph en 7,2 segundos, recortando casi un segundo el tiempo de la versión convencional. La potencia neta es de 268 hp (200 kW) en comparación con los 215 hp (160 kW) convencionales. La velocidad máxima para todos los Highlander está limitada a 112 mph (180 km/h). El consumo de combustible típico para el Highlander Hybrid es de entre 27 y 31 mpg (8,7–7,6 L/100 km). La EPA clasifica a un Highlander convencional con 19 mpg en ciudad y 25 mpg en carretera (12,4 y 9,4 L/100 km respectivamente).

El aumento de kilometraje del HSD depende del uso del motor de gasolina lo más eficientemente posible, lo que requiere:

• Conducciones prolongadas , especialmente en invierno: Calentar el habitáculo interior para los pasajeros va en contra del diseño del HSD. El HSD está diseñado para generar la menor cantidad posible de calor residual . En un coche convencional, este calor residual en invierno se suele utilizar para calentar el habitáculo interior. En el Prius, para poner en funcionamiento la calefacción es necesario que el motor siga funcionando para generar calor utilizable en el habitáculo. Este efecto se nota más cuando se apaga el control de climatización (calefacción) cuando el coche está parado con el motor en marcha. Normalmente, el sistema de control del HSD apagará el motor porque no es necesario y no lo volverá a poner en marcha hasta que el generador alcance una velocidad máxima.
• Aceleración moderada : debido a que los autos híbridos pueden reducir la velocidad o apagar por completo el motor durante una aceleración moderada, pero no rápida, son más sensibles que los autos convencionales al estilo de conducción. Una aceleración fuerte obliga al motor a alcanzar un estado de alta potencia, mientras que una aceleración moderada lo mantiene en un estado de menor potencia y alta eficiencia (aumentado por el refuerzo de la batería).
• Frenado gradual : los frenos regenerativos reutilizan la energía del frenado, pero no pueden absorberla tan rápido como los frenos convencionales. El frenado gradual recupera energía para su reutilización, lo que aumenta el kilometraje; el frenado brusco desperdicia la energía en forma de calor, al igual que en un automóvil convencional. El uso del selector "B" (frenado) en el control de la transmisión es útil en descensos largos para reducir el calor y el desgaste de los frenos convencionales, pero no recupera energía adicional. ^[25] Toyota desaconseja el uso constante de "B" ya que "puede causar una disminución del ahorro de combustible" en comparación con conducir en "D". ^[26]

La mayoría de los sistemas HSD tienen baterías que están dimensionadas para brindar el impulso máximo durante una sola aceleración desde cero hasta la velocidad máxima del vehículo; si hay más demanda, la batería puede agotarse por completo, de modo que este impulso de par adicional no está disponible. Entonces, el sistema vuelve a utilizar solo la potencia disponible del motor. Esto da como resultado una gran disminución en el rendimiento en ciertas condiciones: un Prius de modelo anterior puede alcanzar más de 90 mph (140 km/h) en una pendiente ascendente de 6 grados, pero después de aproximadamente 2000 pies (610 m) de ascenso de altitud, la batería se agota y el automóvil solo puede alcanzar 55-60 mph en la misma pendiente. ^{[ cita requerida ]} (hasta que la batería se recargue conduciendo en circunstancias menos exigentes)

El diseño del sistema híbrido de Toyota (Hybrid Synergy Drive) ya ha tenido cinco generaciones desde el Toyota Prius original para el mercado japonés de 1997. El tren motriz tiene las mismas características básicas, pero se han introducido una serie de mejoras significativas.

Notas

El sistema se denominó Sistema Híbrido Toyota (THS) cuando se introdujo con el Prius en 1997. ^[28] El transeje híbrido , designado P110, ^[29] incluye dos motores eléctricos (MG1 y MG2) y un conjunto de engranajes planetarios , que Toyota llama "Dispositivo de división de potencia" (PSD); la potencia mecánica del motor de combustión interna (E) se puede dirigir a las ruedas o al MG1, que actúa como generador. ^[28]

La energía eléctrica fluye entre MG1, MG2 y una batería de almacenamiento a través de un inversor. Aunque MG1 normalmente funciona como generador (alternador), también sirve como motor de arranque para el motor de combustión interna. MG2 normalmente actúa como motor, ya sea por sí mismo a bajas velocidades o para ayudar al motor de combustión interna, pero MG2 también puede actuar como generador, por ejemplo, durante la desaceleración para el frenado regenerativo . ^{[28] [30]}

Esquemáticamente, el MG1 está conectado al engranaje planetario central (S), el motor de combustión interna está conectado al portaengranajes planetarios (P) y no a ningún engranaje individual, y el MG2 está conectado a la corona dentada (R). Las ruedas están conectadas a la corona dentada a través de un engranaje reductor adecuado y un diferencial, no ilustrado en el diagrama. ^[28]

El sistema híbrido de Toyota utiliza un paquete de baterías de alto voltaje, que oscila entre 276 y 288 V. Se ha producido una mejora continua y gradual en la capacidad específica de la batería de tracción. El Prius original utilizaba celdas D de 1,2 voltios envueltas en plástico, y todos los vehículos THS/HSD posteriores han utilizado módulos de batería personalizados de 7,2 V montados en un soporte.

En 2001, se lanzó al mercado japonés una versión modificada del transeje THS Generación 1, el transeje P210, instalado en la minivan Estima . ^[29] El P210 acopla el motor de combustión interna con el engranaje solar y acopla el motor de arranque/generador (MG1) con el portaengranajes planetarios, lo que es lo opuesto al esquema G1 THS. Además, el G1 THS de un solo motor omite el motor de tracción (MG2) y utiliza una transmisión continuamente variable accionada por correa que se puede acoplar selectivamente a través de embragues giratorios al portaengranajes planetarios o al engranaje de anillo.

Al mismo tiempo se lanzó una opción de tracción total para el Estima; la unidad de tracción trasera Q410 utiliza un motor de tracción eléctrica sin acoplamiento mecánico al transeje delantero. ^[29]

El THS fue seguido por el THS-II en el Prius 2004. A partir del THS-II, Toyota también comenzó a referirse al sistema como Hybrid Synergy Drive (HSD). En comparación con el THS, el THS-II ofrecía un consumo reducido y un mejor rendimiento con mayor potencia y par. ^{[31] : 21} El THS-II utiliza el mismo diseño que el THS, combinando la potencia de tracción de un motor de combustión interna y un motor eléctrico a través de un conjunto de engranajes planetarios (dispositivo de división de potencia) que puede desviar parte de la potencia a un generador eléctrico. ^{[32] : 4}

En el plano eléctrico, el HSD/THS-II incorpora un convertidor de CC a CC que aumenta el potencial de la batería a 500 V o más. Esto permite utilizar paquetes de baterías más pequeños y motores más potentes. ^[31] En comparación con el THS, el tamaño físico del motor de tracción (MG2) en el THS-II sigue siendo aproximadamente el mismo, pero la potencia máxima ha aumentado de 33 a 50 kW (44 a 67 hp) y el par máximo ha aumentado de 350 a 400 N⋅m (260 a 300 lbf⋅ft). Los devanados del estator están conectados en serie, lo que requiere un potencial más alto. ^[33]

Aunque no forma parte del THS/HSD como tal, a partir del Prius 2004, todos los vehículos THS/HSD han sido equipados con un compresor de aire acondicionado eléctrico, en lugar del tipo convencional accionado por motor. Esto elimina la necesidad de hacer funcionar continuamente el motor cuando se necesita enfriar la cabina. Se han instalado dos calentadores de coeficiente de temperatura positivo en el núcleo del calentador para complementar el calor proporcionado por el motor. ^[34]

La versión actualizada del HSD que se entregó por primera vez en el modelo RX 400h del año 2006 es similar al THS/THS-II, con la adición de un segundo conjunto de engranajes planetarios, que Toyota llama Dispositivo de reducción de velocidad del motor (MSRD); se combina con el primer conjunto de engranajes planetarios (PSD) acoplando los dos engranajes anulares juntos. ^[35] Los engranajes anulares acoplados todavía se utilizan para impulsar las ruedas delanteras del vehículo. El motor de tracción (MG2) utiliza el MSRD como engranaje reductor, lo que permite aumentar la densidad de potencia del motor. ^[1] Ford también ha desarrollado un sistema híbrido similar, introducido en el Ford Escape Hybrid .

El director ejecutivo de Toyota, Katsuaki Watanabe , dijo en una entrevista el 16 de febrero de 2007 que Toyota "apuntaba a reducir a la mitad tanto el tamaño como el costo del sistema HSD de tercera generación". ^[36] El nuevo sistema contará con baterías de iones de litio en los próximos años. Las baterías de iones de litio tienen una mayor relación capacidad-peso en comparación con las de NiMH , pero funcionan a temperaturas más altas y están sujetas a inestabilidad térmica si no se fabrican y controlan adecuadamente, lo que plantea problemas de seguridad. ^{[37] [38]}

En 2005, vehículos como el Lexus RX 400h y el Toyota Highlander Hybrid añadieron la tracción a las cuatro ruedas añadiendo un tercer motor eléctrico ("MGR") en el eje trasero. En este sistema, el eje trasero se acciona de forma puramente eléctrica y no existe ningún vínculo mecánico entre el motor y las ruedas traseras. Esto también permite el frenado regenerativo en las ruedas traseras.

En 2006 y 2007, se instaló en los sedanes Lexus GS 450h / LS 600h un desarrollo posterior del sistema de propulsión HSD, bajo el nombre de Lexus Hybrid Drive, como transmisión L110. Las versiones anteriores de HSD/THS se instalaron en transejes utilizados con plataformas de tracción delantera; Lexus Hybrid Drive aplicó el concepto HSD de dos motores a una transmisión longitudinal para vehículos de tracción trasera. Este sistema utiliza dos embragues (o frenos) para cambiar la relación de transmisión del segundo motor a las ruedas entre una relación de 3,9 y 1,9, para regímenes de conducción de baja y alta velocidad respectivamente. Esto reduce el flujo de potencia del MG1 al MG2 (o viceversa) durante velocidades más altas. La ruta eléctrica solo tiene una eficiencia del 70% aproximadamente, lo que reduce su flujo de potencia al tiempo que aumenta el rendimiento general de la transmisión. El segundo conjunto planetario se amplía con un segundo portador y un engranaje solar hasta un engranaje tipo Ravigneaux con cuatro ejes, dos de los cuales se pueden mantener inmóviles alternativamente mediante un freno/embrague.

Los sistemas GS 450h y LS 600h utilizaban tracción trasera y tracción total , respectivamente, y fueron diseñados para ser más potentes que las versiones no híbridas de las mismas líneas de modelos, ^{[2] [3]} al tiempo que proporcionaban una eficiencia de clase de motor comparable. ^[39]

En 2012 se lanzó una versión simplificada con la decimocuarta generación de Crown (S210) ; la transmisión L210 omite los dos embragues pero conserva el segundo conjunto de engranajes planetarios (MSRD) aplicado a la salida del MG2, en común con otros transejes de la Generación 3. Sin embargo, en comparación con los transejes G3, en lugar de acoplar los dos engranajes de anillo, la L210 acopla el engranaje de anillo PSD al portaengranajes planetarios MSRD y conecta a tierra el engranaje de anillo del MSRD en lugar del portaengranajes planetarios.

El 13 de octubre de 2015, Toyota anunció los detalles del Hybrid Synergy Drive de cuarta generación que se introdujo para el año modelo 2016. El diseño general vuelve a un solo conjunto de engranajes planetarios similar al THS/THS-II; los engranajes de reducción paralelos en los transejes de cuarta generación reemplazan al dispositivo de reducción de velocidad del motor, que es un segundo conjunto de engranajes planetarios que se encuentra en los transejes de tercera generación. El transeje y el motor de tracción se han rediseñado, lo que ofrece una reducción en el tamaño y el peso combinado. ^[40] El motor de tracción en sí es considerablemente más compacto y obtiene una mejor relación potencia-peso . Cabe destacar que hay una reducción del 20 por ciento en las pérdidas mecánicas debido a la fricción en comparación con el modelo anterior. El Prius c 2012- conserva el transeje P510. El transeje P610 emplea engranajes helicoidales en lugar de los engranajes rectos de corte recto empleados en los transejes anteriores, y que funcionan de manera más suave y silenciosa, al mismo tiempo que se adaptan a cargas mecánicas más altas.

Con la cuarta generación del HSD, Toyota también ofrece una opción de tracción en las cuatro ruedas, denominada "E-Four", similar a la del RX400h y el Highlander Hybrid de 2005, en la que se añade un motor de tracción eléctrica en la parte trasera, pero no está acoplado mecánicamente al motor de combustión interna ni al inversor delantero. De hecho, el sistema "E-Four" tiene su propio inversor trasero, aunque este inversor obtiene energía de la misma batería híbrida que el inversor delantero. "E-Four" comenzó a ofrecerse en los modelos Prius en los Estados Unidos en el año modelo 2019. "E-Four" es una parte integral de los modelos RAV4 Hybrid que se ofrecen en los Estados Unidos, y todos esos RAV4 Hybrid son solo "E-Four".

La transmisión L310 para aplicaciones de tracción trasera sucedió a la transmisión L110 anterior en vehículos premium. En comparación con la L110 y la L210, la L310 acopla el MG2 a la corona dentada del PSD. Además, la L310 agrega un tercer juego de engranajes planetarios, combinado con el segundo (MSRD) al acoplar el portaengranajes planetarios del segundo juego de engranajes planetarios con la corona dentada del tercer juego de engranajes planetarios, y al acoplar la corona dentada del segundo con el portaengranajes planetarios del tercero.

Además, se han añadido varios embragues y frenos giratorios, incluido un embrague unidireccional en el portaengranajes planetarios del segundo conjunto de engranajes planetarios. Al activarlos de forma selectiva, la transmisión puede simular diez relaciones de transmisión diferentes. ^[40]

El transeje Hybrid Synergy Drive de quinta generación es similar a la generación anterior, con mejoras de detalle que hacen que los motores eléctricos sean más livianos, más compactos y más potentes. ^[41]

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A continuación se muestra una lista de vehículos con Hybrid Synergy Drive y tecnologías relacionadas (sistema híbrido Toyota):

• Toyota Prius
  • Generación 1: diciembre de 1997 a octubre de 2003
  • Generación 2: octubre de 2003 a finales de 2009
  • Generación 3: finales de 2009 a finales de 2015
  • Generación 4: finales de 2015-2022
  • Generación 5: principios de 2023 hasta la actualidad
• Toyota Estima Híbrido
  • Junio ​​de 2001–diciembre de 2005
  • Junio ​​de 2006 hasta la actualidad
• Toyota Alphard híbrido
  • Julio de 2003 – marzo de 2008
  • Septiembre de 2011 hasta la actualidad
• Lexus RX 400h / Toyota Harrier Hybrid (marzo de 2005-actualidad)
• Toyota Highlander/Kluger Híbrido
  • con THS I: julio de 2005–septiembre de 2008
  • con THS II: octubre de 2008-actualidad
• Lexus GS 450h (marzo de 2006-actualidad)
• Toyota Camry HEV (mayo de 2006-actualidad)
• Lexus LS 600h/LS 600hL (abril de 2007-actualidad)
• Toyota A-BAT (camión conceptual)
• Nissan Altima Híbrido (2007–2011) ^[42]
• Toyota Crown (abril de 2008-actualidad)
• Lexus RX 450h (2009-actualidad)
• Toyota Sai (2009-2017)
• Lexus HS 250h (2009-actualidad)
• Lexus CT 200h (finales de 2010-actualidad)
• Toyota Auris (julio de 2010-2018)
• Toyota Aqua (diciembre de 2011-actualidad)
• Toyota Prius c (marzo de 2012-2021)
• Toyota Yaris HEV (marzo de 2012-actualidad)
• Toyota Yaris Cross HEV (XP210; agosto de 2020-actualidad)
• Toyota Yaris Cross HEV (AC200; junio de 2023-actualidad)
• Toyota Prius V (2012-2021)
• Lexus ES 300h (2012-actualidad)
• Toyota Avalon Híbrido (finales de 2012-actualidad)
• Toyota Corolla Axio (agosto de 2013-actualidad)
• Toyota Corolla Fielder (agosto de 2013-actualidad)
• Toyota Crown Majesta (2013-2018)
• Lexus IS 300h (2013-actualidad)
• Lexus GS 300h (2013-actualidad)
• Toyota RAV4 HEV (2015-presente)
• Lexus NX 300h (2015-actualidad)
• Lexus RC 300h (2015-actualidad)
• Toyota Sienta híbrido (2015-actualidad)
• Toyota C-HR híbrido (2016-actualidad)
• Lexus LC 500h (2018)
• Toyota Corolla HEV (2018-actualidad)
• Subaru Crosstrek Híbrido (2019-actualidad) ^{[43] [44] [45]}
• Toyota Sienna Híbrida (2020-actualidad)
• Toyota Corolla Cross HEV (2020-actualidad)
• Toyota Urban Cruiser Hyryder / Suzuki Grand Vitara Hybrid (2022-actualidad)
• Toyota Innova HEV (2022-actualidad)

En otoño de 2005, la empresa Antonov Automotive Technology BV Plc demandó a Toyota , la empresa matriz de la marca Lexus, por supuesta infracción de patentes relacionadas con componentes clave del sistema de propulsión del RX 400h y del coche compacto híbrido Toyota Prius. El caso ha estado pendiente en secreto desde abril de 2005, pero las negociaciones para llegar a un acuerdo no dieron lugar a un resultado mutuamente aceptable. Antonov acabó recurriendo a la justicia en el sistema judicial alemán, donde las decisiones suelen tomarse con relativa rapidez. El titular de la patente pretende imponer un impuesto sobre cada vehículo vendido, lo que podría hacer que el todoterreno híbrido fuera menos competitivo. Toyota contraatacó intentando invalidar oficialmente las patentes pertinentes de Antonov. La moción judicial en formato de documento de Microsoft Word se puede leer aquí. ^[46]

El 1 de septiembre de 2006, Antonov anunció que el Tribunal Federal de Patentes de Múnich no había confirmado la validez de la parte alemana de la patente de Antonov (EP0414782) contra Toyota. Unos días más tarde, un tribunal de Düsseldorf había dictaminado que la transmisión del Toyota Prius y la del Lexus RX 400h no violaban la patente de la transmisión CVT híbrida de Antonov. ^[47]

En 2004, Ford Motor Company desarrolló de forma independiente un sistema con tecnologías clave similares a la tecnología HSD de Toyota. Como resultado, Ford obtuvo la licencia de 21 patentes de Toyota a cambio de patentes relacionadas con la tecnología de emisiones. ^[48]

Paice LLC recibió una patente para un vehículo híbrido mejorado con una unidad de transferencia de par controlable ( patente estadounidense 5343970, Severinsky; Alex J., "Vehículo eléctrico híbrido", emitida el 6 de septiembre de 1994  ) y tiene patentes adicionales relacionadas con vehículos híbridos. En 2010, Toyota acordó licenciar las patentes de Paice; los términos del acuerdo no fueron revelados. ^[49] En el acuerdo, "las partes acuerdan que, aunque se ha determinado que ciertos vehículos Toyota son equivalentes a una patente de Paice, Toyota inventó, diseñó y desarrolló el Prius y la tecnología híbrida de Toyota independientemente de cualquier invención del Dr. Severinsky y Paice como parte de la larga historia de innovación de Toyota". ^[50] Paice firmó anteriormente un acuerdo con Ford para la licencia de la patente de Paice. ^[51]

Aisin Seiki Co. , propiedad minoritaria de Toyota, suministra sus versiones del sistema de transmisión HSD a Ford para su uso como e-CVT "Powersplit" en el Ford Escape híbrido ^[52] y el Ford Fusion Hybrid . ^[53]

Nissan licenció el HSD de Toyota para su uso en el Nissan Altima híbrido, utilizando el mismo transeje Aisin Seiki T110 que en el Toyota Camry híbrido. ^{[ cita requerida ]} El Infiniti M35h 2011 utiliza un sistema diferente de un motor eléctrico y dos embragues.

En 2010, Toyota y Mazda anunciaron un acuerdo de suministro para la tecnología híbrida utilizada en el modelo Prius de Toyota . ^[54]

La cooperación global en materia de híbridos entre General Motors , DaimlerChrysler y BMW es similar en el sentido de que combina la potencia de un motor único y de dos motores. En 2009, el Grupo de Trabajo Presidencial sobre la Industria Automotriz afirmó que "GM está al menos una generación por detrás de Toyota en el desarrollo de sistemas de propulsión avanzados y 'ecológicos'". ^[55]

Por el contrario, el sistema Integrated Motor Assist de Honda utiliza un motor de combustión interna (ICE) y una transmisión más tradicionales, donde el volante se reemplaza por un motor eléctrico, conservando así la complejidad de una transmisión tradicional.

Algunas de las primeras conversiones de vehículos eléctricos híbridos enchufables que no llegaron a producirse se basaron en la versión de HSD que se encontraba en el Prius de los años 2004 y 2005. Las primeras conversiones de baterías de plomo-ácido realizadas por CalCars han demostrado una autonomía de 16 km (10 millas) en modo eléctrico únicamente y de 32 km (20 millas) en modo mixto con el doble de kilometraje . Una empresa que planea ofrecer conversiones a los consumidores, llamada EDrive Systems, utilizará baterías de iones de litio Valence y tendrá una autonomía eléctrica de 56 km (35 millas). Ambos sistemas dejan el sistema HSD existente prácticamente sin cambios y podrían aplicarse de manera similar a otros tipos de tren motriz híbrido simplemente reemplazando las baterías de NiMH de serie con un paquete de baterías de mayor capacidad y un cargador para recargarlas por aproximadamente $0,03 por milla en los enchufes domésticos estándar.

• Comparación de los híbridos de Toyota
• Híbrido suave
• Coche híbrido
• Inversor (eléctrico)
• Transistor bipolar de puerta aislada
• Variador de frecuencia
• Cooperación híbrida global
• Asistencia de motor integrada
• Lista de vehículos híbridos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Hybrid Synergy Drive .

• Explicación del HSD en HowStuffWorks
• Explicación de los engranajes planetarios en HowStuffWorks
• Película Hybrid Synergy Drive de Toyota Archivado el 17 de mayo de 2006 en Wayback Machine
• Evaluación del sistema de propulsión híbrido sinérgico Toyota Prius 2010
• Animación que muestra cómo funciona el HSD Archivado el 22 de julio de 2011 en Wayback Machine.
• Animación del dispositivo de división de potencia que muestra
• MG1 y MG2