עיקרון הטכנולוגיה ההיברידית בטויוטה פריוס


טויוטה פריוס הוא רכב הפועל בטכנולוגיה היברידית (בן-כלאיים). מערכת היברידית כוללת את מאפייני פעולה של מנוע שריפה פנימית (מנוע בנזין) ושל מנוע חשמלי. ברכב קיימים שני מקורות המספקים אנרגיה להנעת הרכב: מיכל דלק להפעלת מנוע הבנזין, ומצבר ניקל מטאל היידריד (NiMH) בעל מתח של 201.6 וולט הממוקם בתא המטען מאחורי המושב.  המערכות היברידיות ברב דגמי הרכב בעולם, כמו המערכת ההיברידית של טויוטה מנצלת את אנרגיה שהייתה הופכת לחום מבוזבז בזמן בלימה ועושה בה שימוש לטעינת המצבר.
שילוב של מנוע בנזין ומנוע חשמלי מעניק חיסכון בדלק והפחתת הזיהום הסביבתי.
כתלות בתנאי הנהיגה ובמצב טעינת המצבר מופעל מנוע הבנזין ו/או המנוע החשמלי על מנת להניע את הרכב.
כלומר, עם בתחילת הנסיעה המצבר ההיברידי טעון, יחל הרכב לנסוע באמצעות המנוע החשמלי, עם המצבר פרוק, יופעל מנוע הבנזין והרכב יתחיל לנסוע בצורה משולבת של שני המנועים (החשמלי ומנוע הבנזין). בזמן הנסיעה משתלבים שני המנועים ופועלים ביחד או לחוד בהתאם לתנאי הנסיעה.

המרכיבים העיקריים של המערכת היברידית:

  • מנוע בנזין – מנוע בנפח של 1.5 ליטר, 4 צילינדרים 16 שסתומים עם גל זיזים עילי כפול.
  • מנוע גנרטור (Motor Generator MG1)  - פועל כמתנע למנוע הבנזין, כמו כן, משמש כגנרטור להטענת המצבר ההיברידי ולהספקת אנרגיה חשמלית להנעת המנוע גנרטור  (MG2).
  • מנוע גנרטור (Motor Generator MG2)  - פועל כמנוע חשמלי להנעת הרכב בתחילת הנסיעה ובכל מהלך הנסיעה. בזמן האטה ובלימה הוא משמש כגנרטור להטענת המצבר ההיברידי.
  • מערכת הילוכים פלנטארית (Planetary Gear Set) – הינה יחידת העברת הכוח משמשת לשילוב העברת הכוח ממנוע הגנרטור (MG1)  דרך שילוב פלנטארי למנוע הבנזין ולמנוע הגנרטור  .(MG2)  
  • ממיר מתח (Inverter) – ממיר את המתח הישר מהמצבר (201.6V) למתח חילופין גבוה 500V. הממיר מספק את המתח החילופין ל- MG1, ול - MG2, כמו כן ליישר את המתח חילופין מ- MG1   ו- MG2 להטענת הסוללה למתח הגבוה.
  • סוללת המתח הגבוה (HV Battery) – מספקת מתח למנוע גנרטור (MG2)  בתחילת הנסיעה ולהתנעה למנוע גנרטור (MG1), בזמן נסיעה הסוללה נטענת ע"י המנוע גנרטור (MG1)  , ובזמן האטה או בלימה ע"י המנוע גנרטור (MG2).
  • מחשב ניהול המתח הגבוה (HV ECU) - תפקידו להבטיח פעולת סוללה תקינה בהתאם לדרישת הצרכנים, עפ"י תנאי הנסיעה. מחשב מחשב ניהול המתח הגבוה שומר על מצב טעינה אופטימלי של הסוללה בכל טווח פעולתו, ובכל תנאי עבודת הסוללה האופטימאליים.

המרכיבים העיקרים של המערכת

מצבי הפעולה של המערכת

1. פעולת המערכת במצב התנעה /סרק
 
במצב התנעה וסרק כאשר הסוללה טעונה מנוע הבנזין כבוי והמערכת ממתינה ללחיצה על דוושת התאוצה לצורך הפעלת המנוע גנרטור (MG2). במידה והסוללה לא טעונה במלואה, מנוע הגנרטור (MG1)  משמש כמתנע למנוע הבנזין ומתניע אותו באופן אוטומטי. לאחר התנעת המנוע, הוא הופך לגנרטור ודרך ממיר המתח הוא מטעין את סוללת המתח הגבוה.

2. פעולת המערכת בתחילת נסיעה
 
בתחילת הנסיעה (הילוך ראשון) כאשר הסוללה טעונה במלואה, המנוע גנרטור (MG2), מניע את גלגלי הרכב לבדו, זמן זה מוגבל ותלוי בתנאי הדרך, במצב הסוללה וכד'. כאשר מתח הסוללה יורד מתחת לנתון כלשהו, מנוע הבנזין מותנע, כתוצאה מכך המנוע גנרטור (MG1)  משמש כגנרטור ודרך ממיר המתח הוא מטעין את סוללת המתח הגבוה.

3. פעולת המערכת בנסיעה רגילה/עומס חלקי
 
במצב נסיעה זה הרכב נוסע במהירות בינונית (הילוך שני – ושלישי). המנוע גנרטור (MG2) אינו פועל, מנוע הבנזין פועל ומניע את המנוע גנרטור (MG1) שפועל כגנרטור ומטעין את סוללת המתח הגבוה.
כאשר לוחצים על דוושת התאוצה הסוללה נכנסת לפעולה דרך ממיר המתח ומפעילה את המנוע גנרטור (MG2) שפועל כמנוע חשמלי שעוזר למנוע הבנזין לסובב את גלגלי הרכב.
 
4. פעולת המערכת בנסיעה במהירות גבוהה ללא עומס
 
במצב נסיעה זה הרכב נוסע במהירות גבוהה (הילוך רביעי - וחמישי). בשלב זה מנוע הבנזין בפעולה ומניע את גלגלי הרכב לבדו, בשלב זה המנוע גנרטור (MG2) בהתאם לפקודות ממחשב המתח הגבוה נכנס ויוצא לסירוגין מפעולה כמנוע חשמלי. מצב זה הינו מצב חסכוני של תצרוכת דלק.
 
5. פעולת המערכת בנסיעה בעומס מלא בהאצה
 
במצב נסיעה זה מנוע הבנזין פועל ומניע את המנוע גנרטור (MG1), שפועל כגנרטור שמספק אנרגיה חשמלית להפעלת המנוע גנרטור (MG2) כמנוע חשמלי. בשלב מסוים גם סוללת המתח הגבוה   מזינה באנרגיה נוספת את המנוע החשמלי (MG2) לצורך  עמידה בתנאי העומס בהם נמצא הרכב.

6. פעולת המערכת בהאטה
 
כאשר הנהג עוזב את דוושת התאוצה והרכב מאט או במצב של לחיצה על דוושת הבלם, במצב זה המנוע גנרטור (MG2) משמש כגנרטור המטעין  את סוללת המתח הגבוה, כמו כן, המנוע פועל כבלם מנוע להאטת הרכב.
 
7. פעולת המערכת בנסיעה לאחור
 
במצב נסיעה לאחור (הילוך R) סוללת המתח הגבוה מניעה את המנוע גנרטור (MG2) כמנוע חשמלי. ממיר המתח הופך את הקוטביות למנוע החשמלי פעולה זו גורמת למערכת  הפלנטארית להסתובב הפוך  וכך גם כיוון סיבוב גלגלי הרכב.

סרטון הדגמה של המערכת