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Das Plug-in-Hybrid-System im Toyota Prius PHV

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  • Das Plug-in-Hybrid-System im Toyota Prius PHV

    Der neue Prius PHV verwendet ein Plug-in-Hybridsystem auf Basis des Toyota Hybrid Systems (THS). Die elektrische Fahrleistung wurde gegenüber dem ursprünglichen THS für den aktuellen Prius ohne Plug-In-Funktion deutlich verbessert.Die Umweltbilanz des Fahrzeugs, der Stromverbrauch und der Kraftstoffverbrauch sind bei mittelgroßen Autos Spitzenklasse.
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    ENTWICKLUNGSZIELE

    Nach der Erlangung von Erfahrungen mit der vorherigen Generation des Prius PHV bestand das Ziel bei der Entwicklung eines neuen Prius-Plug-in-Hybridfahrzeugs (PHV) darin, ein hocheffizientes System mit stark verbesserter dynamischer Leistung im EV-Modus zu schaffen. Auch die Leistung der Hybridsystemkomponenten im aktuellen Prius Hybrid Vehicle (HV) musste maximiert werden, um eine hohe Leistung im HV-Modus zu gewährleisten [2]. Gleichzeitig war das Fahrgefühl des Fahrzeugs im EV-Modus ein Ziel für die Verbesserung, einschließlich der Leistung bei kalter Temperatur. Zusätzlich musste die Effizienz des Ladesystems und die Leistung des Ladegeräts verbessert werden, um den Anstieg der Ladezeit aufgrund des erweiterten EV-Modus zu minimieren. Das Ladesystem musste neue Funktionen enthalten, zum Beispiel basierend auf Wochenplanung, Timer und koordinierter Steuerung zwischen Vorklimatisierung und Batterieaufwärmsystem, um die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern. Diese Entwicklungsschritte der neuen Einheiten und Systeme wurden beim Aachener Kolloquium 2017 vorgestellt [1].




    SYSTEMARCHITEKTUR

    Die hybride Systemarchitektur im neuen Prius PHV, BILD 1, basiert auf dem aktuellen Prius-Hybridsystem [2]. Ein neues duales Motorantriebssystem wurde eingeführt, das es ermöglicht, den Generator (MG1) zusätzlich zum Motor (MG2) zu verwenden, um das Fahrzeug mit stark verbesserter Leistung im EV-Modus zu fahren. Für eine verbesserte EV-Modus-Reichweite verfügt das Traktionsbatteriesystem über eine andere Batterietechnologie und eine Batterie mit größerer Kapazität als die für Prius HV. Die Hochleistungs-Lithium-Ionen-Batterie wurde für lange elektrische Reichweite und hohe elektrische Antriebsleistung entwickelt. Ein Batteriesystem wurde entwickelt, um die Batterietemperatur bei niedrigen Temperaturen zu halten. Der Komfort der Kabine wird durch ein Wärmepumpen-Klimasystem gewährleistet, das auch in kaltem Zustand eine gute elektrische Reichweite ermöglicht. Die Leistungssteuereinheit (Power Control Unit, PCU) ist stark erweitert, einschließlich der Ausgabe des Aufwärtswandlers, um eine hohe elektrische Ausgangsleistung von der Lithium-Ionen-Batterie zu realisieren, die dann durch geeignete Antriebskraftsteuerung zu einem guten elektrischen Fahrgefühl führt. Die Leistung des neuen Ladegerätes ist 1,6 Mal höher als die des vorherigen Prius PHV, um die Ladezeit zu verkürzen. Das Vorklimatisierungssystem und das Batteriewärmesystem können während des Ladevorgangs durch einen Timer aktiviert werden. So können Fahrer von Anfang an mit dem Fahrzeug komfortabel und kraftvoll fahren. Der Motor ist der gleiche 2ZR-FXE Benzinmotor, der im Prius HV mit einem maximalen thermischen Wirkungsgrad von 40% verwendet wird [3].

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    PHV-TRANSAXLE

    Ein neues PHV-Transaxle zielt auf die EV-treibende Kraft ab. Um dies zu erreichen, ist eine Einwegkupplung zwischen dem Motor und der Leistungsverzweigungseinrichtung angeordnet, die das Doppelmotorantriebssystem realisiert, das es ermöglicht, dass das Fahrzeug unter Verwendung von zwei Motoren angetrieben wird. Eine elektrische Ölpumpe (EOP) verbessert die Kühlung von Motor und Planetengetriebe während des EV-Modus. Die Verwendung der vorhandenen Komponenten und Funktionen des HV-Transaxle im Prius HV ermöglicht eine hohe Leistung im HV-Modus.

    Die PHV-Transaxle hat ein Vier-Achsen-Layout einschließlich eines Torsionsdämpfers mit einem Drehmomentbegrenzer, BILD 2. Das Planetengetriebe arbeitet als Power-Split-Gerät, liefert Motorleistung an den Generator oder an das Fahrzeug als treibende Kraft. Das Fahrmotor- und Motoruntersetzungsgetriebe sowie die Motordrehzahlreduktionsvorrichtung sind parallel zur Eingangswelle angeordnet. Motor und Motor legen Energie an das angetriebene Gegenzahnrad an, das diese Kraft an das Differentialgetriebe überträgt. Die Einwegkupplung ermöglicht eine Drehung in der Vorwärtsrichtung des Motors auf der Trägerachse des Planetengetriebes. Wenn im EV-Modus eine Antriebskraft erforderlich ist, wird die Einwegkupplung basierend auf dem Drehmoment des Generators aktiviert und überträgt die Kraft an das Differential.

    Das Doppelmotorantriebssystem arbeitet, wenn das Rückwärtsdrehmoment vom Generator auf die Sonnenradachse aufgebracht wird. Die Einwegkupplung ist mit dem Schwungrad auf der Kurbelwelle verbunden und auf der Motorseite vom Schwungrad auf der Trägerachse angeordnet. Er überträgt das Generatormoment auf den mit der Zahnkranzachse verbundenen Ausgang. Zusätzlich Ausgabe von
    Drehmoment vom Fahrmotor ermöglicht, dass das Fahrzeug mit zwei Motoren angetrieben wird.

    Eine dünne Struktur der Einwegkupplung mit einer hohen Drehmomentkapazität wurde durch eine mechanische Einwegkupplung mit Klinken erreicht, die die Reibung nicht erhöht, BILD 3.
    Um ein Ratschengeräusch zu vermeiden, wurde die Motorgeschwindigkeit der Trennung der Sperrklinken und des Innenrings auf etwa 400 U / min ausgelegt, was signifikant niedriger ist als die Motorleerlaufdrehzahl von etwa 1000 U / min. Da Klinken und Innenring im HV-Modus nicht in Kontakt sind, minimiert diese Konstruktion auch das Schleppmoment der Einwegkupplung [4].

    Das Dual Motor Drive System ermöglicht es, den Motor im Vergleich zu einer normalen HV für einen längeren Zeitraum zu stoppen. Somit muss die Wärmeerzeugung durch den Traktionsmotor durch eine EOP gesteuert werden, was die Schmierung und Kühlung des Planetengetriebes verbessert, wenn die motorbetriebene mechanische Ölpumpe (MOP) das Schmierfluid nicht zuführen kann. Ein Ölkreislauf mit geschlossenem Kreislauf von der EOP zur Eingangswelle und zum Planetengetriebe ermöglicht eine Druckschmierung bei stehendem Motor. Parallele Anordnung von EOP und MOP sowie der Einsatz von Rückschlagventilen sorgen für Schmierung und Kühlung unter allen Bedingungen. Beide Pumpen verwenden die gleiche Druckleitung, um gemeinsame Teile mit dem Standard-HV-Transaxle zu verwenden und um den Größeneinfluss des Transaxle durch die EOP zu minimieren.

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    Traktionsbatterie-System

    Das Traktionsbatteriesystem umfasst Steuergeräte wie die Batterie-ECU an der Oberseite des Systems. Das Batteriesystem ist luftgekühlt. Während die Gesamtenergie des neuen Systems im Vergleich zum bisherigen PHV-System auf 8,8 kW / h nahezu verdoppelt wurde, erhöhte sich das Gewicht nur um etwa das 1,5-fache auf 120 kg und das Volumen um das 1,6-fache auf 145 l. 95 Zellen liefern eine Spannung von 351,5 V. Die Struktur des Batteriepakets ermöglicht eine flache Gepäckraumoberfläche. Um starke Einschränkungen der Batterieleistung bei niedrigen Temperaturen und Motorstart zu vermeiden, um den Leistungsbedarf des Fahrers decken zu können, erwärmt eine elektrische Heizung unter dem Batteriestapel die Batterie in kaltem Klima, BILD 5.

    Während des Ladevorgangs hält die elektrische Heizung die geeignete Batterietemperatur aufrecht. Das Heizmuster hat eine variierende Dichte, um die Wärmeerzeugung in allen Bereichen zu optimieren und ein gleichmäßiges Aufwärmen der Zellen in dem Batteriepack sicherzustellen. Eine höhere Heizleistung in den Ecken berücksichtigt den erhöhten Wärmeverlust in Bereichen mit größerer äußerer Oberfläche des Batteriegehäuses, während in der Mitte der Batterie die untere Heizleistung angelegt wird.
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    Ladesystem

    Der Prius PHV kann in ca. 2 Stunden mit europäischer Standardspannung (~ 230 V) mit einer maximalen Leistung von 3,3 kW vollständig aufgeladen werden. Das Onboard-Ladegerät ist kompatibel mit Eingangsspannungen von AC 100 V bis 240 V unter Berücksichtigung der Ladeinfrastruktur in Europa, Japan und den USA. Das luftgekühlte Ladegerät ist unter den Rücksitzen installiert, um nicht Platz für Insassen oder Gepäck zu schaffen.

    Das Ladegerät verwendet eine hohe Betriebsfrequenz für den DC / DC-Wandler und einen Leistungsfaktorkorrektor, um die Größe der Spule und des Transformators zu begrenzen. Ein Universal-Power-Device-Modul wird angewendet. Um einen Leistungsumwandlungswirkungsgrad von 95% zu erreichen, verfügt das Ladegerät über ein optimiertes Transformator-Windungsverhältnis im DC / DC-Wandler, verlustarme Leistungsbauelemente und geringe Schaltverluste aufgrund der Einführung von Zero-Volt Switching (ZVS). Ein DC / DC-Wandler mit niedriger Kapazität versorgt Hilfsgeräte während des Ladevorgangs mit Strom. Dies unterstützt eine hohe Ladeeffizienz für das gesamte Ladesystem. Das Ladegerät und das Steuersystem entsprechen den Ladestandards Mode 2 und Mode 3 der IEC 61851-1 und den Ladestandards Level 1 und Level 2 der SAE J1772 [5].
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    SYSTEMKONTROLLE

    Der Prius PHV ist so ausgelegt, dass der Motor selbst bei einem tiefen Gaspedalhub bei niedrigen Fahrzeuggeschwindigkeiten nicht gestartet wird. Der EV-Modus kann bis zu einer Höchstgeschwindigkeit von 135 km / h gehalten werden. Die Fahrpedaleigenschaften werden sorgfältig kalibriert, um eine gleichmäßige Beschleunigung im EV-Modus zu erreichen, BILD 6.

    Der EV-Modus verwendet entweder den Traktionsmotor allein oder das Doppelmotorantriebssystem, abhängig von der vom Fahrer geforderten Antriebskraft.
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    FAZIT

    Der Toyota Prius PHV erreicht eine herausragende Umweltleistung, die durch Homologationswerte von 22 g / km CO2 im NEFZ sowie die Fünf-Sterne-Bewertung im ADAC EcoTest bestätigt wird [6]. Basierend auf Kunden-Feedback seit 2009 während PHV-Tests und Verkäufen des vorherigen Prius PHV, werden die EV-Reichweite und die maximale EV-Fahrgeschwindigkeit durch die Entwicklung aller Komponenten im PHV-System unter Berücksichtigung der Kundenanforderungen und Batteriekosten optimiert.




    VERWEISE

    [1] Uehara, T .; Ichikawa, S .; Takeuchi, H .; Fukuda, S .; Kinomura, S .; Tomita, Y .; Suzuki, Y .; Hirasawa, T: Entwicklung eines neuen Plug-in-Hybridsystems für C-Segment-Fahrzeuge. Aachener Kolloquium, 2017

    [2] Fushiki, S., Taniguchi, M .; Takizawa, K .; Kikuchi, T .; Hara, K .; Kumagai, T .; Muta, K .: Hybridtechnologien für den neuen Prius. In: Toyota Technical Review 62 (2016), S. 60 69

    [3] Taniguchi, M .; Yashiro, T .; Takisawa, K .; Baba, S .; Tsuchida, M .; Mizutani, T .; Endo, H .; Kimura, H .: Entwicklung neuer Hybrid-Transaxle für Fahrzeuge der Kompaktklasse. SAE Technical Paper 2016-01-1163, 2016, doi: 10.4271 / 2016-01-1163

    [4] Kato, K .; Suzuki, Y .; Nishimine, A .; Sunenaga, S .; Shimbayu, K .; Tsuchida, M .; Baba, S .; Miyazaki, T .: Entwicklung eines neuen Plug-in-Hybrid-Transaxle für Fahrzeuge der Kompaktklasse. 17. Internationaler VDI-Kongress "Getriebe in Fahrzeugen", Bonn, 2017

    [5] Ichikawa, S .; Takeuchi, H .; Fukuda, S .; Kinomura, S. et al .: Entwicklung eines neuen Plug-in-Hybridsystems für Fahrzeuge der Kompaktklasse. SAE Int. J. Alt. Leistung. 6 (1): 95 102, 2017, doi: 10.4271 / 2017-01-1163

    [6] Plug-in-Hybrid im ADAC EcoTest. Online: www.adac.de/infotest/adac-im-einsatz/ motorwelt / pluginhybride_im_ecotest.aspx /, Zugriff: Juli 2017

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