การวิเคราะห์โดยละเอียดของระบบไฮบริดต่างๆ ของโตโยต้า: THS Hybrid MAX i-FORCE MAX PHEV Multi-Stage HEV

【PCauto】หลายคนรู้จักเฉพาะระบบ THS ของ Toyota แต่ในความเป็นจริง Toyota ซึ่งเป็นผู้ผลิตรถยนต์ที่ผลิตรถยนต์ไฮบริดจำนวนมากที่สุดในช่วงแรกยังมีเทคโนโลยีระบบไฮบริดรูปแบบอื่นๆ อีกด้วย

นอกจาก THS ที่ติดตั้งใน Camry และ Corolla แล้ว Toyota ยังมีระบบไฮบริดอีกสี่เทคโนโลยีที่ถูกนำมาใช้ในรถยนต์ที่วางจำหน่ายทั่วโลก ได้แก่ Hybrid MAX i-FORCE MAX PHEV และ Multi-Stage HEV

THS (Toyota Hybrid System) ระบบไฮบริดแบบแบ่งกำลัง

เทคโนโลยีหลักของระบบ THS อยู่ที่โครงสร้างแบ่งกำลัง (Power Split Device) ซึ่งใช้เกียร์ดาวเคราะห์แบบแถวเดียวเพื่อประสานงานแบบไดนามิกระหว่างเครื่องยนต์และมอเตอร์คู่

เกียร์ดาวเคราะห์ประกอบด้วยส่วนประกอบสามส่วน ได้แก่ เกียร์ดวงอาทิตย์ (Sun Gear) โครงรับเกียร์ดาวเคราะห์ (Planet Carrier) และวงแหวนฟันเฟือง (Ring Gear) ซึ่งเชื่อมต่อกับ MG1 เครื่องยนต์ และ MG2 ตามลำดับ

กำลังที่ส่งออกจากเครื่องยนต์ถูกแบ่งออกเป็นสองส่วน: เส้นทางกล (ผ่านโครงรับเกียร์ดาวเคราะห์เพื่อขับล้อโดยตรง) และเส้นทางไฟฟ้า (MG1 สร้างพลังงานไฟฟ้าเพื่อขับ MG2 หรือเก็บพลังงานไว้ในแบตเตอรี่)

โหมดการทำงานของระบบประกอบด้วย

ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าอย่างเดียว: แบตเตอรี่จ่ายไฟไปยัง MG2 เพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ โดยที่เครื่องยนต์หยุดทำงาน

ขับเคลื่อนแบบไฮบริด: พลังงานบางส่วนจากเครื่องยนต์ถูกใช้เพื่อขับเคลื่อนล้อโดยตรง ส่วนที่เหลือถูก MG1 เปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าเพื่อจ่ายไปยัง MG2

การชาร์จขณะขับขี่: พลังงานส่วนเกินจากเครื่องยนต์ถูก MG1 เปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าและเก็บไว้ในแบตเตอรี่

การฟื้นฟูพลังงาน: ในขณะลดความเร็ว MG2 ทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเปลี่ยนพลังงานจลน์เป็นพลังงานไฟฟ้า

THS รุ่นที่สี่ใช้เครื่องยนต์ 2ZR-FXE ขนาด 1.8 ลิตร แบบวัฏจักรแอตกินสัน ที่มีประสิทธิภาพทางความร้อนถึง 40%

E-CVT รุ่น P610 ผ่านการปรับปรุงอัตราทดเกียร์และอัลกอริธึมควบคุมมอเตอร์ ทำให้ประสิทธิภาพทางความร้อนของระบบเพิ่มขึ้นเป็น 41%

ชุดแบตเตอรี่นิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์ใช้โครงสร้างแบบสองขั้ว เพื่อลดความต้านทานภายในและเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน ระบบนี้ไม่จำเป็นต้องชาร์จไฟจากภายนอก โดยพลังงานทั้งหมดมาจากการทำงานของเครื่องยนต์ในช่วงประสิทธิภาพสูงและการฟื้นฟูพลังงานจากการเบรก

ระบบไฮบริดสมรรถนะสูง Hybrid MAX

Hybrid MAX ใช้สถาปัตยกรรม P2 แบบขนาน ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากการกระจายกำลังของ THS แบบดั้งเดิม

ระบบนี้ประกอบด้วยเครื่องยนต์เทอร์โบชาร์จ (2.4T หรือ 3.5T) มอเตอร์ไฟฟ้าด้านหน้า คลัตช์หลายแผ่นแบบเปียก และเกียร์อัตโนมัติ 6 สปีด (6AT)

มอเตอร์ไฟฟ้าถูกติดตั้งระหว่างเครื่องยนต์และเกียร์ โดยทำการเชื่อมต่อ/ตัดการเชื่อมต่อกับเครื่องยนต์ผ่านทางคลัตช์

หลักการทางเทคนิคและคุณสมบัติ

วิธีการควบรวมกำลัง: คลัตช์ K0 ควบคุมการเชื่อมต่อระหว่างเครื่องยนต์และมอเตอร์ไฟฟ้า ส่วนคลัตช์ K1 จัดการการส่งกำลังเข้าสู่เกียร์

กลไกการทบแรงบิด: แรงบิดจากเครื่องยนต์และมอเตอร์ไฟฟ้าถูกผสานกันโดยตรงบนเพลาขับของเกียร์ โดยให้กำลังรวมสูงสุดถึง 367 แรงม้า

ระบบส่งกำลัง: ใช้เกียร์ Direct Shift-6AT พร้อมกลไกเปลี่ยนเกียร์ด้วยมือ และรองรับการขับเคลื่อนโดยตรงจากเครื่องยนต์

ระบบแบตเตอรี่: ใช้แบตเตอรี่แบบเจนิคเกิ้ลไฮโดรเจนชนิดสองขั้ว ลดความต้านทานภายในเพื่อรองรับการชาร์จและการจ่ายไฟที่สูงขึ้น (เพิ่มขึ้น 30% เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่แบบดั้งเดิม)

ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อใช้ eAxle ที่เป็นมอเตอร์ไฟฟ้าบนเพลาหลัง โดยมอเตอร์เพลาหลังสามารถเสริมแรงบิดได้สูงสุดถึง 30% ระบบนี้ให้สองแหล่งพลังงานทำงานพร้อมกันเสมอ ซึ่งต่างจากกลยุทธ์การสลับสภาพการทำงานของ THS เพื่อคงประสิทธิภาพการขับเคลื่อนสูงอย่างต่อเนื่อง

i-FORCE MAX ระบบไฮบริดเพื่อการออฟโรด

i-FORCE MAX ใช้สถาปัตยกรรมไฮบริดแนวตั้งแบบ P2 ออกแบบมาเพื่อรองรับความต้องการแรงบิดสูงและการใช้ในสถานการณ์ออฟโรด

ระบบประกอบด้วยเครื่องยนต์เทอร์โบชาร์จ (3.5T V6 หรือ 2.4T L4) มอเตอร์ไฟฟ้าแบบบูรณาการ เกียร์อัตโนมัติแบบตั้งตรง (8AT / 10AT) และระบบขับเคลื่อนสี่ล้อแบบเครื่องกล

หลักการทางเทคนิคหลัก

ตำแหน่งบูรณาการของมอเตอร์: มอเตอร์เชื่อมต่อกับเพลาขาเข้าของเกียร์โดยตรงผ่านสปไลน์ ตำแหน่งระหว่างล้อช่วยแรงของเครื่องยนต์และเกียร์

กลไกช่วยแรงบิด: มอเตอร์ให้การชดเชยแรงบิดสูงสุดในช่วงรอบต่ำของเครื่องยนต์ (แรงบิดสูงสุดเพิ่มเติม 250N·m)

ระบบเกียร์: รักษาเกียร์อัตโนมัติแบบเครื่องกลและกล่องแบ่งพลังงาน สนับสนุนโหมดขับเคลื่อนสี่ล้อต่ำ (เพิ่มแรงบิด 2.64 เท่า)

ระบบแบตเตอรี่: แบตเตอรี่ NiMH ขนาด 1.87kWh ออกแบบให้ต้านทานแรงสั่นสะเทือน รองรับการปล่อยพลังงานสูง (สูงสุด 80kW)

ในขณะระบบทำงาน มอเตอร์จะทำหน้าที่หลักสามประการ

สตาร์ทเครื่องยนต์ (แทนที่มอเตอร์สตาร์ทแบบดั้งเดิม)

ให้ความสามารถในการคลานด้วยไฟฟ้าบริสุทธิ์เมื่อขับเคลื่อนที่ความเร็วต่ำ

ให้แรงบิดเสริมเมื่อเร่งความเร็ว ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อเต็มรูปแบบแบบกลไกจะกระจายแรงบิดไปยังล้อหน้าและล้อหลังผ่านตัวกระจายแรงบิดกลางแบบทอร์เซน (ค่าเริ่มต้น 40:60) เพลาหลังติดตั้งตัวล็อกเฟืองท้ายแบบกลไก

ระบบปลั๊กอินไฮบริด PHEV

ระบบ PHEV ของ Toyota ได้รับการพัฒนาจากสถาปัตยกรรม THS โดยมีการปรับปรุงหลักคือแบตเตอรี่ลิเธียมขนาดใหญ่และความสามารถในการชาร์จจากภายนอก

ระบบรุ่นที่ 6 ใช้เครื่องยนต์ 2.5L แบบวงจร Atkinson (ประสิทธิภาพความร้อน 41%) + มอเตอร์คู่ แต่เพิ่มความจุของแบตเตอรี่เป็น 18.1kWh (RAV4 Prime)

โหมดไฟฟ้าบริสุทธิ์: แบตเตอรี่ส่งกำลังไปยังมอเตอร์หน้าและหลัง (กำลังสูงสุด 134kW) ความเร็วสูงสุด 135 กม./ชม.

โหมดไฮบริด: หลักการทำงานเหมือนกับ THS แต่เกณฑ์การทำงานของเครื่องยนต์สูงขึ้น (เริ่มทำงานเมื่อ SOC ของแบตเตอรี่ต่ำกว่า 20%)

การควบคุมการชาร์จ: เพิ่มตัวแปลง DC-DC รองรับการชาร์จเร็ว DC 50kW (ชาร์จ 80% ภายใน 30 นาที)

การจัดการความร้อน: ชุดแบตเตอรี่ใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว รักษาอุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสมไว้ที่ 25-35℃

การอัปเกรดระบบไฟฟ้าขับเคลื่อนประกอบด้วย

กำลังมอเตอร์หน้าเพิ่มขึ้นเป็น 88kW (เพิ่มขึ้น 40% เมื่อเทียบกับรุ่น HEV)

มอเตอร์หลังใช้เทคโนโลยี E-Four มีกำลังสูงสุด 40kW

PCU ใช้ส่วนประกอบพลังงาน SiC ซิลิคอนคาร์ไบด์ ลดการสูญเสียพลังงานลง 30% ระบบรองรับฟังก์ชัน V2L สามารถจ่ายพลังงานภายนอกผ่านพอร์ตชาร์จได้ถึง 1500W

ระบบไฮบริด Multi-Stage HEV

ระบบ Multi-Stage HEV เป็นการพัฒนาขั้นสูงของเทคโนโลยีไฮบริดของ Toyota โดยมีนวัตกรรมการควบคุมเกียร์จำลองแบบ 10 สปีด

ระบบประกอบด้วยเครื่องยนต์ 2.5L Dynamic Force มอเตอร์คู่ และระบบเกียร์หลายระดับ

เครื่องยนต์ใช้การออกแบบวงจร Atkinson พร้อมระบบ VVT-iE ที่ควบคุมวาล์วด้วยไฟฟ้า และระบบฉีดน้ำมันสองแบบ D-4S โดยมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนถึง 41%

จุดเด่นทางเทคนิค

ระบบเกียร์หลายระดับทำงานประสานกับชุดเกียร์ดาวเคราะห์และคลัตช์ เพื่อให้การปรับรอบเครื่องยนต์เป็นไปอย่างแม่นยำ

มอเตอร์ด้านหน้ามีกำลังสูงสุด 131.9kW และแรงบิด 300N·m; มอเตอร์ด้านหลังกำลัง 40kW และแรงบิด 121N·m

แบตเตอรี่ Ni-MH ที่มีกำลังสูงมีขนาดเล็กลง 67% เมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้า ความหนาแน่นพลังงานเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจน

ระบบขับเคลื่อนสี่ล้อไฟฟ้า E-Four สามารถกระจายแรงบิดระหว่างหน้าและหลังได้ตั้งแต่ 100:0 ถึง 20:80 อย่างชาญฉลาด

ขณะระบบทำงาน ระบบเกียร์หลายระดับทำให้การเร่งความเร็วสมูธขึ้น โดยเวลาการเร่ง 0-100 กิโลเมตร/ชั่วโมง สั้นลงเมื่อเทียบกับระบบ THS แบบดั้งเดิม

เครื่องยนต์ทำงานในช่วงประสิทธิภาพสูงสุดเสมอ โดยอัตราสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงรวมลดลงมากกว่า 30% เมื่อเทียบกับรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในขนาดความจุเท่ากัน เทคโนโลยีนี้ถูกนำไปใช้ในรถรุ่นหรูอย่าง Crown Sedan และ Lexus NX350h เป็นต้น

การเปรียบเทียบเทคโนโลยีระบบไฮบริดทั้งห้าของ Toyota

Toyota ใช้เทคโนโลยีทั้งห้านี้เพื่อนำเสนอระบบไฮบริดที่ครอบคลุม THS มุ่งเน้นประสิทธิภาพสูงสุด Hybrid MAX เน้นสมรรถนะ i-FORCE MAX เน้นความน่าเชื่อถือสำหรับออฟโรด PHEV ขยายระยะการเดินทางด้วยพลังงานไฟฟ้า Multi-Stage HEV มอบประสบการณ์การขับขี่ที่หรูหรา

Toyota ได้พัฒนา 3 สถาปัตยกรรมระบบไฮบริด

เมื่อเราจัดหมวดหมู่ สามารถสรุปได้ว่า Toyota ได้พัฒนาสามสถาปัตยกรรมระบบไฮบริด ได้แก่ THS i-FORCE MAX และ Hybrid MAX

PHEV และ Multi-Stage HEV เป็นเทคโนโลยีที่พัฒนามาจาก THS และถือว่าเป็นสถาปัตยกรรมระบบเดียวกัน

ที่กล่าวเช่นนี้เพราะว่า THS PHEV และ Multi-Stage HEV ต่างใช้งานชิ้นส่วนนิวเคลียสที่สำคัญอย่างชุดเฟืองดาวเคราะห์ (Power Split Device PSD)

PHEV นั้นทำความเข้าใจได้ไม่ยาก Toyota เพิ่มกำลังมอเตอร์ไฟฟ้าและความจุของแบตเตอรี่เพื่อให้รถสามารถวิ่งในรูปแบบไฟฟ้าล้วนได้เร็วขึ้นและไกลขึ้น

Multi-Stage HEV มีความซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งเป็นเวอร์ชันขั้นสูงที่พัฒนามาจากสถาปัตยกรรมระบบไฮบริด THS (Toyota Hybrid System)

Multi-Stage HEV พัฒนาบนพื้นฐาน E-CVT ของ THS โดยเพิ่มชุดเกียร์ 4 สปีดที่จำลอง 10 ระดับเกียร์ผ่านซอฟต์แวร์ และด้วยโครงสร้างผสมผสานระหว่างกลไกเกียร์และเฟืองดาวเคราะห์ สามารถแก้ไขข้อจำกัดของ THS ในด้านการตอบสนองต่อแรงขับและประสิทธิภาพที่ความเร็วสูง พร้อมทั้งยังคงไว้ซึ่งข้อดีด้านการประหยัดน้ำมันของ THS

ระบบนี้เหมาะสำหรับรถยนต์ระดับไฮเอนด์ของ Toyota เช่น Crown Sedan Lexus NX350h ที่เน้นทั้งพลังและประสบการณ์ความหรูหรา

ระบบไฮบริดทั้งหมดที่แนะนำข้างต้นใช้ระบบจัดการพลังงานหลักของ Toyota แต่ได้รับการปรับแต่งโครงสร้างฮาร์ดแวร์ให้เหมาะสมตามตำแหน่งของผลิตภัณฑ์

ด้วยความก้าวหน้าของกระบวนการพลังงานไฟฟ้า ระบบเหล่านี้จะพัฒนาต่อเนื่อง รวมถึงการผสานเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและมอเตอร์ไฟฟ้ากำลังสูง เพื่อรักษาความเป็นผู้นำของ Toyota ในด้านเทคโนโลยีไฮบริด