Toyota Prius Hybridtechnik

Auf den Toyota Prius 1 wurde innerhalb eines Projekts einer Kfz-Mechatroniker Klasse unserer Schule bereits vor einigen Jahren eingegangen. Damals handelte es sich noch um das erste Modell mit diesem wegweisenden Antrieb. Wir waren damals bei den Probefahrten alle hellauf begeistert. Mittlerweile hat  Toyota schon die dritte Version des Prius auf dem Markt gebracht und einige Schwächen seiner Vorgänger wurden ausgemerzt. 

Inzwischen haben auch die europäischen Autohersteller einsehen müssen, dass sie an alternativen Antriebstechnologien wie Elektro- oder Hybridtechnologie nicht vorbei gehen können. In diesem Bericht soll die Technik des Prius ein wenig näher beschrieben werden.  Anmerkung: Die Technik des neuen Prius 3 weicht von der hier beschriebenen Technik etwas ab. Hier geht's zum Prius 3.

Kfz-Mechatroniker Auszubildende nach einer Probefahrt mit dem Prius 2

Wesentlich aufwendiger als das Honda-IMA-System ist der Hybridantrieb im Prius. Toyota hat hier die Kombination aus seriellem und parallelem Hybrid realisiert und nennt es Hybrid-Synergy-Drive®. Zum Einsatz kommen ein 1,5 Liter 57 kW-Vierzylindermotor mit variabler Ventilsteuerung (VVT-i),  sowie ein Drehstrom-Synchronmotor mit 50 kW.

Aufbau

Kern des Hybrid-Synergy-Drive® ist ein Planetengetriebe, das als Kraftweiche dient . 

1 = Sonnenrad 2 = Planetenrad 3 = Planetenradträger 4 = Hohlrad vereinfache Darstellung

Der Benzinmotor ist hierbei mit dem Planetenträger verbunden, der Generator mit dem Sonnenrad und der E-Motor mit dem Hohlrad sowie über ein Kettengetriebe direkt mit dem Antrieb.  

Getriebe Skizze

Das Planetengetriebe verteilt je nach Betriebszustand die Leistung des Vierzylinders zu den Rädern oder zum Generator. Damit kann der Motor, ähnlich dem seriellen Hybriden, möglichst häufig im Bereich des optimalen Verbrauchs laufen. Das Planetengetriebe macht ein Schaltgetriebe und eine Kupplung überflüssig.  

Als Energiespeicher dient eine Nickel-Metallhydrid-Batterie mit 202 Volt. Der Akku besitzt 168 Zellen und wiegt nur noch 39 kg. Dass Toyota von der Langlebigkeit der Hochleistungsbatterie überzeugt ist, beweist die achtjährige Garantie.  

Batteriemodul

Wichtigstes Bauteil des Elektrokreislaufs ist die Steuereinheit. Im Hochspannungsschaltkreis wird die Batteriespannung im Halbleiter-Stromrichter auf 500 V transformiert. Die hohe Spannung erlaubt eine geringere Stromstärke, was die Leistungsverluste reduziert und den Wirkungsgrad erhöht. Zudem wandelt der Stromrichter den Gleich- in Wechselstrom für den Elektromotor um. Der Spannungswandler stellt außerdem die 14-V-Bordspannung sicher.  

Prius Schnittmodell

Der Elektromotor des Prius ist ein Wechselstrom-Synchronläufer. Bei identischen Abmessungen im Vergleich zum Prius-1-Vorgänger konnte Toyota die Leistung von 33 auf 50 kW steigern.

Ebenfalls überarbeitet wurde der Generator, ein Wechselstrom-Synchronläufer. Er wird mit relativ hohen Drehzahlen (10.000 1/min) betrieben, damit die Energieversorgung sichergestellt ist.

Funktion:

Die komplizierte Steuerung des Hybrid Synergy Systems® (HSD) übernimmt ein Rechner. Er analysiert zahlreiche Daten wie GaspedalsteIlung, Ladezustand der Batterie, Fahrgeschwindigkeit und Motordrehzahl und versucht, das Fahrzeug stets im effizientesten Modus zu betreiben. 

Wie die Steuerung im Einzelnen funktioniert, zeigen die folgenden Fahrzustände:

Dank dieser komplexen elektronischen Steuerungslogik schafft der 1300 kg schwere Prius einen EU-Normverbrauch von 4,3 1/100 km und stößt dabei nur 104 g/km CO₂ aus. Damit kann er sogar mit den besten Diesel-Kleinwagen konkurrieren. Außerdem hat der Prius gegenüber den Selbstzündern (ohne Partikelfilter) auch deutliche Emissionsvorteile.

Quellen: Technikprofi, Toyota

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Buchtipp:

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