Toyota Prius Hybridtechnik

Hybridfahrzeuge zeichnen sich durch niedrigen Kraftstoffverbrauch und geringe Emissionen aus, ohne hinsichtlich Platzangebot, Fahreigenschaften oder Fahrkomfort Wünsche offen zu lassen. Deshalb sind sie von den Kunden als alltagstaugliche Fahrzeuge anerkannt und akzeptiert.

Die Technik des Toyota Prius

Auf den Toyota Prius 1 wurde innerhalb eines kleinen Schul-Projekts einer Kfz-Mechatroniker Klasse zum Thema Alternative Antriebe der RWS-Berufsschule bereits vor einigen Jahren eingegangen. Damals handelte es sich noch um das erste Modell mit diesem wegweisenden Antrieb. Die Schüler waren damals bei den Probefahrten alle hellauf begeistert. Mittlerweile hat  Toyota schon die dritte Version des Prius auf dem Markt gebracht und viele Schwächen seiner Vorgänger wurden ausgemerzt. 

Toyota Prius 3

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 2 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.  

Die Batterie des Toyota Prius

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

Der Nickel-Metallhydrid-Akkumulator wird während der Fahrt über den Generator vom Verbrennungsmotor und per Rekuperation, d.h. durch Energierückgewinnung beim Bremsen und im Schubbetrieb, geladen. Der Ladezustand der Batterie und der Energiefluss werden dem Fahrer auf einem zentralen Display angezeigt. Um eine lange Lebensdauer der Batterie zu ermöglichen, wird diese weder vollständig geladen noch voll entladen. (Quelle: Wikipedia)

Prius Nickel-Metallhydrid-Batterie (Prius 3)

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 des Prius Hybrid Synergie Drive (Fahrmodus):

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.

Prius Plugin

Der Toyota Prius Plug-in Hybrid repräsentiert eine neue Entwicklungsstufe des Hybrid Synergy Drive, der Antriebstechnologie des Toyota Prius. Der Vollhybrid Antriebsstrang des Prius wurde um eine größere Batterie erweitert, die an jeder haushaltsüblichen Steckdose aufgeladen werden kann. Damit legt der Prius Plug-in Hybrid Strecken von bis 25 km rein elektrisch und völlig emissionsfrei zurück. Ist die Batterieladung aufgebraucht, lässt er sich wie ein normales Hybrid-Fahrzeug weiterfahren.

Toyota Prius Plugin

Quellen: Technikprofi, Toyota, Prius wiki,

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Das Wichtigste zur Toyota Hybrid Erfolgsgeschichte in Kürze

• Toyota bietet weltweit in 80 Ländern 23 Vollhybrid-Fahrzeuge an – viermal so viel wie jeder andere Hersteller ·

• Insgesamt haben Toyota und Lexus weltweit schon über 5,5 Millionen Hybride verkauft - mehr als zehn Prozent davon in Europa

• In den ersten vier Monaten des Jahres 2013 sind in Europa 245 % mehr Toyota Hybride verkauft worden als im Vergleichszeitraum des Vorjahres, womit der Marktanteil von 61 % auf 75 % gewachsen ist

• Im ersten Quartal 2013 sind die Verkaufszahlen der Toyota Motor Corporation in Europa um 82 % gestiegen

• Auris, Yaris, Prius (einschließlich Prius Plug-in) und Prius+ belegen die ersten vier Plätze in der europäischen Verkaufsstatistik für Hybridfahrzeuge

• Mit 23 Vollhybrid-Modellen – 16 der Marke Toyota und 7 Lexus – bietet die Toyota Motor Corporation (TMC) derzeit in rund 80 Ländern weltweit viermal so viele Hybridfahrzeuge an wie jeder andere Hersteller.

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Autor: Johannes Wiesinger