Hybrid Synergy Drive (Abk. HSD)

Hybrid Synergy Drive (Abk. HSD) ist ein Markenname für das Hybridantriebssystem von Toyota. Dieses wird derzeit für den Toyota Prius, Toyota Auris, Toyota Auris Touring Sports, Toyota Yaris, Toyota Prius+, Toyota Prius Plug-in Hybrid, Toyota RAV4 und für diverse Lexus-Modelle angeboten. In Amerika und Japan wird es auch in weiteren Toyota-Modellen angeboten sowie an Nissan und Ford lizenziert.


Das Logo des Hybrid Synergy Drive


Aufgeschnittener Hybrid Synergy Drive

PKW mit Hybridantrieb 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][2]


Antriebskomponenten des Hybrid Synergy Drive

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). Der 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 dritten Version des Toyota Prius (seit 2009) wurde ein erneut weiterentwickelter HSD eingeführt. Der Toyota Auris HSD (seit 2010) sowie der seit 2011 erhältliche Lexus CT 200h verwenden ein baugleiches System wie der Prius 3.
Verwendung

Der erste PKW mit HSD war der Toyota Prius. Toyota baut HSD aber mittlerweile auch in andere Automobile ein. Dies sind: Toyota Alphard, Toyota Auris, Toyota Auris Touring Sports, Toyota Camry, Toyota Highlander, Toyota Previa, Toyota Prius Plug-in Hybrid, Toyota Prius+, Toyota RAV4 und Toyota Yaris.

Bei der Toyota Tochter Lexus wird der HSD, der dort Lexus Hybrid Drive heißt, in folgenden Modellen angeboten: Lexus CT, Lexus IS, Lexus GS, Lexus HS 250h, Lexus LS 600h, Lexus NX 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

Der HSD ist eine Einheit aus einem Verbrennungsmotor und zwei Motorgeneratoren sowie einem Akkumulator hoher Kapazität und einer elektronischen 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 vier 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 und gibt Drehmoment an die Antriebsräder.

Das Power Split Device besteht aus einem Planetengetriebe und einer elektronischen Steuerung. Es bestimmt das Übersetzungsverhältnis des Getriebes zwischen dem Verbrennungsmotor und der Abgangswelle. Außerdem ermöglicht es, den Kraftfluss je nach Ansteuerung der Motorgeneratoren einzustellen. Eine Kupplung gibt es nicht, in jedem Betriebszustand sind alle Bauteile formschlüssig miteinander verbunden.

Der Verbrennungsmotor ist mit dem Planetenradträger 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 (2016) auf dem Markt befindlichen Fahrzeugen mit HSD kommt ein Viertakt-Benzinmotor mit Nockenwellenverstellung zum Einsatz. Seit dem Prius der zweiten Generation wird dieser im Atkinson-Zyklus betrieben. Er hat vier 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 (42 kW bei der Modellgeneration 3) wird zum Starten des Verbrennungsmotors und während der Fahrt meistens 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 dient als direkter Antriebsmotor und als Rekuperationsbremse zum Rückgewinnen der Bremsenergie. Beim Prius der dritten Generation hat er eine Leistung von 60 kW.[3]

Akkus

Ein wichtiges Element des HSD ist der Hochleistungs-Akkupack. Dieser ist erheblich leistungsfähiger als die in konventionellen PKW eingesetzten Starter-Akkus. Es ist ein Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, während Starter-Akkus fast ausnahmslos Bleiakkumulatoren sind. Im ab 2012 erhältlichen Prius PHV kommt ein Lithium-Ionen-Akku mit 4,4 kWh zum Einsatz (verwendetes Nettoladefenster ca. 3,0 kWh). Im Toyota Prius+ kommt ein kleinerer Li-Ion-Akku zum Einsatz.[4]

Die Spannung des Ni-MH-Akku-Packs beträgt 201,6 Volt. Er verfügt über eine maximale Abgabeleistung von 27 kW (dritte Generation), was zugleich auch die maximal für die Elektromotoren verfügbare Leistung ist, mit der der Verbrennungsmotor unterstützt werden kann.[5] 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 (von 40 % bis üblicherweise 60 %, bei Bergab-Rekuperation bis max. 80 %), ist seine Lebensdauer so hoch wie die des Fahrzeuges selbst. 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 zehn Jahren eine Fahrleistung von über 300.000 km aufwies. Beschleunigung und Verbrauch waren nahezu gleich geblieben, was dafür spricht, dass auch die Leistung des Akkumulators kaum nachgelassen hatte.[6]

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 mit 12 Volt Gleichspannung 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 bis zu 650 Volt (Prius 3, bis zu 500V bei Prius 2), 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 (bis zu 500V bei der Modellgeneration 2) in die Ladegleichspannung von knapp über 200 Volt um.[3]

Inverter

Mit Hilfe eines Inverters wird die 650-V-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 Hybrid-Akku abgegebene Gleichspannung in Höhe von 201,6 Volt in eine Dreiphasen-Wechselspannung gleicher Höhe um, um damit die Klimaanlage zu speisen. Dieser Inverter ist seit der Modellgeneration 3 im Gehäuse des E-Antriebs/Klimakompressors integriert.[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 das am jeweiligen Motorgenerator wirkende Drehmoment 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).

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 Hybridantriebs und speichert Betriebsdaten zur einfachen 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 43 kW Leistung, wohingegen der 2009 vorgestellte Prius ZVW30 über einen Verbrennungsmotor mit 1,8 Liter Hubraum und 73 kW Leistung verfügt. Der größte Verbrennungsmotor, der in einem HSD heute zum Einsatz kommt, ist ein V8-Motor mit 5 Liter Hubraum und 290 kW Leistung im Lexus LS 600h. Parallel zur Leistung des Verbrennungsmotors wuchs auch die Leistung der Elektromotoren und somit die Leistung des Gesamtsystems.

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 Akkumulators 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 mit einer Spitzenspannung von 650 Volt.[5]

Aufgrund der direkten Verbindung war beim Prius der ersten und zweiten Generation die Drehzahl von MG 1 identisch mit der Drehzahl des Sonnenrades und die Drehzahl von MG 2 identisch mit der Drehzahl des Hohlrades. Der HSD der dritten Generation (eingesetzt z.B. im Prius ZVW30 von 2009) besitzt im Gegensatz dazu ein weiteres Planetengetriebe, das die Drehzahl des Hohlrades in Bezug auf MG2 ungefähr halbiert. Damit halbiert sich auch die Drehzahl des Sonnenrades und damit auch die Drehzahl von MG 1. Beim Prius der ersten und zweiten Generation limitierte die zulässige Maximaldrehzahl von MG 1 die Maximalgeschwindigkeit, mit der im rein elektrischen Modus gefahren werden kann. Durch die zusätzliche Untersetzung mit Hilfe des zweiten Planetengetriebes kann mit diesem erweiterten HSD nun bei erheblich höherer Geschwindigkeit elektrisch gefahren werden, was insbesondere beim Prius PHV von Bedeutung ist, der bedeutend leistungsfähigere Akkus besitzt.[7] Auch beim THS-C, einer Weiterentwicklung der Firma Lexus, kommt ein zusätzliches Getriebe zum Einsatz.

Da der Verbrennungsmotor eines PKW mit HSD mit sehr hohem Wirkungsgrad betrieben wird, fällt auch wenig Abwärme ab, mit der Motor, Katalysator und Fahrzeuginnenraum beheizt werden können. Diesem Problem wurde im HSD der dritten Generation, wie er im Prius ZVW zum Einsatz kommt, mit einem Wärmerückgewinnungssystem begegnet. Das Wärmerückgewinnungssystem wurde im Toyota Prius+, der im Jahr 2012 vorgestellt werden wird, weiter verbessert. Bei diesem Fahrzeug kommt unter dem Namen "pitch and bounce control" ein neuentwickeltes Regelsystem zum Einsatz, das ein Aufschaukeln des Fahrzeugs in Form von Nickbewegungen bei schlechten Wegstrecken durch entgegengesetzt wirkende Ansteuerung des Antriebs verhindert.[8]

Funktion

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.


Instrumententräger Toyota Auris Hybrid

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 zur Beschleunigung beitragen, die Beschleunigung allein übernehmen, oder auch sowohl beschleunigen als auch gleichzeitig mit Hilfe der nun als Generatoren wirkenden Elektromotoren die Akkus laden. Beim Bremsen wird bei niedriger Bremsleistung zunächst mit den Generatoren gebremst und die Energie in die Akkus eingespeist. Nur wenn die geforderte Bremsleistung höher ist als die Akkuladeleistung, werden auch die konventionellen Bremsen am Bremsvorgang beteiligt. All dies geschieht vollautomatisch und ist durch den Fahrer nicht beeinflussbar.
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 einen weiten Geschwindigkeitsbereich vom Stillstand bis zur Höchstdrehzahl betrieben werden. Die Maximaldrehzahl von MG 1 begrenzte jedoch bei den Modellen vor dem Prius III 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 MG1 (bzw. beider Elektromotoren beim Prius III) ebenfalls überschritten würde. 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:

Anfahren mit reinem Elektroantrieb, Strom wird vom Akku geliefert; MG 1 und MG 2 drehen gegenläufig, der Träger der Planetenräder steht.
Fahren mit dem Verbrennungsmotor:
MG 1 steht
Verbrennungsmotor treibt das Fahrzeug an, MG 1 lädt den Akku
Verbrennungsmotor und MG 2 treiben das Fahrzeug an, MG 1 liefert den benötigten Strom
Verbrennungsmotor und MG 2 treiben das Fahrzeug an, der Akkumulator liefert den benötigten Strom
Rollen: Der Verbrennungsmotor ist aus, der MG 1 übt eine leichte Vorbremsung aus, sollte gebremst werden müssen, kann die anfallende Bremsenergie zur Ladung des Akkumulators benutzt werden
Bremsen mit dem Motorgenerator: Der Verbrennungsmotor ist aus, Bremsenergie wird zur Ladung des Akkumulators benutzt
Bremsen mit dem Motorgenerator und der hydraulischen („konventionellen“) Bremse; Bremsenergie wird zur Ladung des Akkumulators benutzt.
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 Schaltgetriebe 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 ist somit nicht mehr nutzbar. 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. Beim Hybrid Synergy Drive wird zum Anfahren ein Elektromotor verwendet. Im Unterschied zu einer mechanischen Kupplung entstehen hierbei keine derartigen Reibungsverluste. Diese Art des Anfahrens ist verschleißfrei und verlustarm.

Ein Ottomotor besitzt bei niedrigen Drehzahlen eine geringere 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 kleineren 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.

Bei niedrigen Geschwindigkeiten bis ca. 50 km/h ist zum Halten der Geschwindigkeit so wenig Leistung nötig, dass der Verbrennungsmotor eines Mittelklasse-PKW durch Absenken der Motordrehzahl nicht mehr im Bereich seines optimalen Wirkungsgrades betrieben werden kann. Bei Unterschreiten von ca. 1200/min sinkt der Wirkungsgrad eines PKW-Otto-Motors nämlich wieder und kann durch Fahren unter Last bei zu niedrigen Drehzahlen von unter 1000/min sogar beschädigt werden. Zum Halten einer Geschwindigkeit von 50 km/h ist nur eine Leistung von ca. 5 kW nötig.[9] In dem im Stadtverkehr üblichen Geschwindigkeitsbereich ist es unter Energiesparaspekten daher sinnvoller, einen PKW mit in Akkus gespeicherter Energie elektrisch zu betreiben.

Da die Energiedichte heute verfügbarer Akkus weit geringer als die von Benzin oder Diesel ist, sind trotz deutlich höherem Wirkungsgrad des Elektromotors die Akkus eines reinen Elektrofahrzeugs bei Überland- und Autobahnfahrten unverhältnismäßig schnell entleert oder unverhältnismäßig groß, schwer und teuer. Rein elektrisch betriebene Fahrzeuge mit hohen Reichweiten bei Überland- und Autobahnfahrten sind daher derzeit die Ausnahme.
Vorteile

Der 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 mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Eine schnelle Leistungsanforderung kann beim Hybrid Synergy Drive mit dem Motorgenerator MG 2 unmittelbar bedient werden, während parallel dazu mit Hilfe von Motorgenerator MG 1 die Übersetzung verändert wird, um damit die Drehzahl und Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen. Folglich kann der Verbrennungsmotor ohne Komforteinbußen immer mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden.

Weitere Vorteile sind:

Der Verbrennungsmotor hat keinen unnötigen Leerlauf; mit Ausnahme der Warmlaufphase wird der Verbrennungsmotor nur gestartet, wenn er auch mit guten Wirkungsgrad betrieben werden kann; bei niedrigen Geschwindigkeiten, oder wenn keine oder nur eine geringe Antriebsleistung benötigt wird, wird der Verbrennungsmotor abgestellt. Dies geschieht nicht nur bei Halt an einer roten Ampel, sondern auch bei Bergabfahrt, wenn der Fahrer vollständig vom Gas geht, oder beispielsweise in einer Tempo-30-Zone.

Der HSD ermöglicht über den gesamten Geschwindigkeitsbereich eine unterbrechungsfreie Beschleunigung. Start und Stopp des Verbrennungsmotors geschehen stets ruckfrei und ohne Zugkraftunterbrechung.

Geht der Fahrer eines PKW mit Handschaltung komplett vom Gas, sinkt der Verbrauch aufgrund der Schubabschaltung auf 0. Allerdings wird das Fahrzeug dann immer auch von der Motorbremse gebremst, auch wenn der Fahrer gar nicht bremsen wollte. Bei einem Fahrzeug mit HSD wird eine gleiche Bremswirkung mit Hilfe der Elektromotoren erreicht, die in diesem Fall als Generator eine gewisse Leistung in die Akkumulatoren einspeisen. Ist diese Nutzbremse nicht gewünscht, kann sie durch leichtes Antippen des Gaspedals unterbunden werden, womit ein Effekt wie der eines Freilaufs erzielbar ist. Bei einem PKW mit Handschaltung müsste der Fahrer dazu den Leerlauf einlegen und den Motor abstellen, wovon aus Sicherheitsgründen jedoch abzuraten ist, da mit dem Abschalten des Motors auch Systeme wie die Servolenkung und der Bremskraftverstärker funktionslos würden.

Da ein großer Teil anfallender Bremsenergie zum Laden der Akkus verwendet wird (= Rekuperation), ist der Bremsenverschleiß viel geringer, sowie der Verbrauch bei Berg- und Talfahrt im Allgemeinen stark reduziert. Bremsenergie kann zwar auch bei einigen konventionell betriebenen PKW wiederverwendet werden; die 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 wäre.

Der Wirkungsgrad des HSD liegt bei etwa 45 % im Vergleich zu 40 % eines Dieselmotors und 35 % eines konventionellen Benzinmotors.[10]

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.

Der HSD fährt sich wie ein Auto mit Automatikgetriebe. Der Fahrer wählt nur, ob er vorwärts oder rückwärts fahren möchte.

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, Heckscheibenheizung, 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 Nebenaggregaten, die in konventionellen PKW vom Verbrennungsmotor angetrieben werden, erlaubt einen effizienteren Betrieb (Klimaanlage, Servolenkung, Wasserpumpe zur Motorkühlung, Bremskraftverstärker).

Da die Motorkühlung elektrisch betrieben wird, kann der Verbrennungsmotor gefahrlos auch unmittelbar nach einer längeren Volllastanforderung ausgeschaltet werden, ohne dass es zu einem Wärmestau im Motorblock kommt, denn die Kühlwasserpumpe kann auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors weiterlaufen.

Ein großer Vorteil dieses Hybridkonzeptes ist die Vermeidung von Teillastläufen, in denen konventionelle Ottomotoren nur mit sehr 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.[11][12] Daher ist der Verbrauchsvorteil durch die Kombination von Dieselmotor und HSD eher begrenzt.

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 mitgeführten Akkus erhöhen das Fahrzeuggewicht und verringern potentiell die Größe des verfügbaren Kofferraums. Da bei Auris II und Yaris der Hybrid-Akku unter dem Rücksitz untergebracht ist, gibt es hier dennoch keinerlei Kofferraumeinschränkungen gegenüber den Nicht-Hybrid-Varianten. Insgesamt kann man an Yaris und Auris sehen, dass die Hybridvariante etwas schwerer als der reine Benziner ist, aber leichter als die jeweiligen Dieselmodelle.

Da der Verbrennungsmotor mit hohem Wirkungsgrad betrieben wird, fällt wenig Abwärme für die Innenraumheizung an. Dies wird beim Prius der 3. Generation durch eine Abgaswärmerückführung überkompensiert.

Die maximale Gesamt-Systemleistung des Prius III (100 kW) steht nur für wenige Sekunden bis max. drei Minuten am Stück zur Verfügung, nur so lange, bis der Akku leer ist. Danach hat das Auto nur noch die Leistung des Verbrennungsmotors (73 kW). Erst nach einiger Fahrt mit weniger als 73 kW steht wieder die volle Systemleistung zur Verfügung. Dieser Nachteil macht sich bei längeren Fahrten bei Vollgas am Berg bemerkbar und insbesondere auch bei Vollgas beim Ziehen eines Anhängers. Beim Überholen oder allgemein kurzzeitigem Beschleunigen fällt es jedoch nicht auf, weil danach und davor der Akku jeweils wieder geladen wird.[Anmerkung 1]

Besonderheiten/Eigenarten

Die Hybridkomponenten erhöhen nicht unbedingt das Gewicht des Fahrzeuges, denn das Mehrgewicht durch zusätzliche Elektromotoren und die Akkus wird teilweise durch den Wegfall anderer Baugruppen wie Kupplung, Lichtmaschine, Starter und Schaltgetriebe kompensiert.

Die bei Volllast des Gesamtsystems von den Elektromotoren zusätzlich zum Verbrennungsmotor bereitgestellte Leistung wird durch den zulässigen Höchststrom, d. h. die maximale Abgabeleistung des Akkumulators von 27 kW (dritte Generation) begrenzt. Diese ist niedriger als die Maximalleistung der Elektromotoren. Wird der Verbrennungsmotor nicht in Volllast betrieben, kann er zusätzlichen Strom über den Generator erzeugen, welcher im zweiten Elektromotor gleich wieder verbraucht wird. In diesem Fall kann der Elektromotor durchaus mehr als die Akkuleistung von 27 kW an die Räder abgeben, z. B. bei Rückwärtsfahrt.

Die Abschaltung des Verbrennungsmotors während der Fahrt ist nur bis zu einer bestimmten Geschwindigkeit möglich; steht der Verbrennungsmotor, so ist die Drehzahl der Elektromotoren umso höher, je schneller das Fahrzeug fährt. Die zulässige Höchstdrehzahl der Elektromotoren begrenzt damit die Maximalgeschwindigkeit, bis zu der der Verbrennungsmotor abgeschaltet werden kann. Bei Prius-Modellen der ersten und zweiten Generation wirkte MG 1 begrenzend, da seine Drehzahl deutlich höher als die von MG 2 war. Im Prius der dritten Generation wird ein zusätzliches Untersetzungsgetriebe verbaut, so dass MG 1 und MG 2 mit nahezu identischen Drehzahlen laufen.

Da die zum Fahren nötigen Systeme (Servolenkung, Ölpumpe, Bremskraftverstärker, Klimaanlage) auch bei Stillstand des Verbrennungsmotors verfügbar sein müssen, müssen sie auch unabhängig davon funktionieren. Sie werden deshalb elektrisch angetrieben.

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 HSD einen geringeren Verbrauchsvorteil.[13] Der Verbrauchsvorteil durch die variable Übersetzung und den im Atkinson-Zyklus betriebenen Motor bleibt auch auf der Autobahn bestehen, da dieser Motor über den höchsten Wirkungsgrad aller Benzinmotoren verfügt.[14]

Trivia

Der Prius wurde als Generator zur Versorgung der Hauselektrik (bei Stromausfall wegen eines Sturms) verwendet. Hierbei konnte maximal 1000 W über einen an das Prius DC-Hochspannungsbordnetz angeschlossenen Spannungswandler entnommen werden. Sobald der Fahrakku leer war, sprang der Verbrennungsmotor an, um jenen wieder aufzuladen. Auf diese Weise konnte 1 kWh Strom aus einem Liter Benzinverbrauch erzeugt werden, was durchaus konkurrenzfähig zu der Stromerzeugung mit einem kleinen benzinbetriebenen Stromgenerator ist. Hierbei ist vorteilhaft, dass kein unnötiger Leerlaufverbrauch entsteht und Abgase über den Katalysator gereinigt werden.[15]

Siehe auch

Energiesparende Fahrweise


Quelle