Die Hybridtechnologie von Toyota

Von einer revolutionären Idee zur weltweit führenden Technologie Im Jahr 1997 präsentierte Toyota die erste Generation des Prius und entfachte damit eine Revolution in der Elektrifizierung des Automobils – auch wenn der Prius anfangs Anlass für zahlreiche skeptische Kommentare war. Bei Toyota war man sicher, dass sich diese einzigartige Vision durchsetzen würde.

Bis heute hat Toyota weltweit über 7,3 Millionen Hybridfahrzeuge verkauft und mit der Hybridtechnik im TS040 Hybrid-Rennwagen den Fahrer- und Konstrukteurs-Weltmeistertitel in der FIA Langstrecken-Weltmeisterschaft 2014 gewonnen.

DIE HYBRID IDEE

Schon seit einigen Jahrzehnten sieht sich die Automobilindustrie mit drei wichtigen ökologischen Herausforderungen konfrontiert: mit der Erhaltung der Luftqualität, den Ursachen für den Klimawandel und mit der Sicherung der Energieversorgung. Um die Energieressourcen zu schonen und die globale Erwärmung zu verhindern muss der Energieverbrauch von Fahrzeugen noch weiter gesenkt werden.

Schon in den 1960er Jahren machte man sich bei Toyota Gedanken um alternative Antriebe, und in den
1990er Jahren initiierte Toyota schließlich ein Entwicklungsprogramm für umweltverträgliche Automobiltechnologien.

In der Toyota Earth Charter 1992 bekundete das Unternehmen das Ziel, „saubere und sichere Automobile
zu bauen und für eine nachhaltige Gesellschaft sowie für eine gesunde Umwelt zu arbeiten“. Im Jahr
darauf entstanden die Leitlinien für den Toyota Environmental Action Plan.

Diese Initiativen ebneten den Weg für eine technische Entwicklung, die Toyota auch in Zukunft weiter
verfolgen will, um mit minimaler Umweltbelastung nachhaltige Mobilität zu sichern.

Im Jahr 1994 rief Toyota das G21 Projekt ins Leben mit dem Ziel, ein „grünes und umweltverträgliches
Auto“ für das 21. Jahrhundert zu bauen, das abgesehen von seiner Umweltverträglichkeit den Komfort und
den Fahrspaß eines konventionellen Fahrzeugs bietet.

Anfangs war das Entwicklungsziel ein Antrieb, der 1,5-fach effizienter sein sollte als ein herkömmlicher
Benzin- oder Dieselantrieb. Angesichts des Potenzials der Hybrid-Technologie fasste man aber bald einen
2-fach effizienteren Antrieb ins Auge.

Die frühe Erkenntnis, dass der Elektronik beim Motor der Zukunft entscheidende Bedeutung zukommen
würde, führte zu der Entscheidung, dass sich Toyota das Know-how aller elektronischen wie mechanischen
Komponenten der neuen Technologie von Anfang an selbst aneignen wollte. Toyota beschloss deshalb,
alle Komponenten des Hybridantriebs selbst zu entwickeln und herzustellen. Im Verlauf der Entwicklung
des Toyota Hybrid Systems wurden über hundert Hybrid-Antriebsvarianten unter die Lupe genommen.
Als Vollhybrid kann ein Fahrzeug mit dem Toyota Hybrid System entweder rein elektrisch oder durch die
Kombination aus Elektro- und Verbrennungsmotor angetrieben werden. Die Elektronik regelt in
Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Last kontinuierlich den möglichst effizienten Einsatz der einzelnen
Komponenten.

Im Schiebebetrieb und beim Bremsen arbeitet der Elektromotor als Generator, auch regeneratives
Bremssystem genannt. So wandelt man die kinetische Energie des Fahrzeugs, die normalerweise in Form
von Wärme verlorengehen würde, in elektrische Energie um, die in der Hybrid-Batterie gespeichert wird.
Zudem sollte das Toyota Hybrid System im Hinblick auf das Bekenntnis zur nachhaltigen Mobilität
zukunftssicher sein und sich auch für Plug-in Hybride, Elektrofahrzeuge und Brennstoffzellenfahrzeuge
einsetzen lassen.

Ein Plug-in Hybrid verfügt im Wesentlichen über die gleiche Antriebskonfiguration wie ein Hybrid, allerdings
mit einer extern aufladbaren und leistungsstärkeren Hybridbatterie, die die elektrische Reichweite
vergrößert.

In einem Elektrofahrzeug vereinfacht sich die Antriebskonfiguration. Der Verbrennungsmotor fällt weg,
dafür kommen ein stärkerer Elektromotor und eine deutlich stärkere Batterie zum Einsatz, die das
Fahrzeug bis zum nächsten Ladevorgang einige Stunden lang antreiben können.

In dem Brennstoffzellenfahrzeug Toyota Mirai erzeugt das Toyota Fuel Cell System elektrische Energie für
den Antrieb. Wie beim Hybrid wird die Batterie während der Fahrt aufgeladen, es muss lediglich mit
Wasserstoff betankt werden. Tankzeiten und die Reichweite sind praktisch identisch mit den heute üblichen
Benzin- und Diesel Fahrgewohnheiten.

PRIUS I

Der 1997 in Japan präsentierte Prius I war das weltweit erste in Großserie produzierte Hybrid-Fahrzeug.
Damit legte Toyota den Grundstein für nachhaltige Mobilität.

Der Name Prius ist mit dem Lateinischen „Prior“ verwandt und bedeutet so viel wie „der erste seiner Art
oder auch vorweggehen“. Der Prius wurde zum Symbol für ein Automobil, das bereits auf den Markt kam,
bevor Umweltbewusstsein in aller Munde war.

Der Prius I kombinierte einen effizienten 1,5-Liter VVT-i Atkinson-Benzinmotor, zwei Motor-Generatoren
MG1 und MG2 über ein Planetengetriebe. Kupplung, Schaltgetriebe, Anlasser oder auch die Lichtmaschine
werden seither nicht mehr benötigt. Ergänzt wird der Vollhybridantrieb um eine wartungsfreie Hochvolt-
Nickel-Metallhydrid Batterie. Sein Kraftstoffverbrauch lag bei nur 5,1 Litern auf 100 Kilometern bei 120 g
CO2 pro Kilometer. Der Wagen beschleunigte von 0 auf 100 km/h in 13,4 Sekunden und erzielte eine
Höchstgeschwindigkeit von 160 km/h.

Im Jahr 2000 kam der Prius I mit optimierter Antriebselektronik und verbessertem Motor nach Europa. Die
maximale Leistung des Benzinmotors betrug statt 43 kW/58 PS bei 4.000 U/min nun 52 kW/70 PS bei
4.500 U/min, und die Leistung des Elektromotors stieg von 30 kW/40 PS auf 33 kW/44 PS. Die größte
Innovation bestand aber aus den nun industriell hergestellten Batteriezellen. Deutlich reduzierte Baugröße
und die Gewichtsreduktion von 86 auf 56 kg ermöglichten nun eine Durchlademöglichkeit im Kofferraum.
Zudem erhielt das Fahrzeug ein strafferes Fahrwerk, einen Stabilisator am Heck sowie eine überarbeitete
elektrische Servolenkung, die das Lenkgefühl optimierte.

Der Prius I war das erste Fahrzeug in Europa mit einer 5 Jahre/100.000 Kilometer Garantie. Weltweit wurden fast 125.000 Einheiten verkauft, über 4.000 davon in Europa. Er gewöhnte die Welt an den Gedanken, dass es Alternativen zu Fahrzeugen gibt, die nur mit Otto- oder Dieselmotor angetrieben werden.

PRIUS II

Der Ende 2003 vorgestellte neue Hybrid Synergy Drive (HSD) in der zweiten Prius Generation kombinierte
einen nochmals erstarkten 1,5-Liter Benzinmotor mit leistungsfähigeren Motor-Generatoren.

Die neue Nickel-Metallhydrid-Batterie des Prius II verfügte über deutlich weniger Batteriezellen und war 14 %
Prozent leichter bei einer gleichzeitig 35 % höheren Leistungsdichte. Sie leistete einen Beitrag, das Fahrzeuggewicht um 140 Kilogramm zu senken.

Neu eingeführt wurde eine EV Taste, die es dem Fahrer bei entsprechendem Ladezustand der Batterie ermöglicht, zwei Kilometer weit mit bis zu 50 km/h Geschwindigkeit rein elektrisch zu fahren.

Der Prius II stellte klar unter Beweis, dass Umweltverantwortung nicht mit einem Verzicht auf Fahrspaß
einhergehen muss. Er beschleunigte in unter 11 Sekunden von 0 auf 100 km/h bei einem Kraftstoffverbrauch von nur 4,3 Litern auf 100 Kilometer und CO2-Emissionen von lediglich 104 g/km. Das entsprach einer Reduktion von 13 Prozent im Vergleich zum ersten Prius.

Im Jahr 2004 wurde der HSD zum International Engine of the Year gekürt, und er wurde in fünf aufeinander folgenden Jahren zum Best Fuel Economy Engine of the Year gewählt.

2005 wurde der Prius II dann zum Car of the Year ernannt.

Weltweit wurden vom Prius II fast 1,2 Millionen Einheiten abgesetzt, knapp 125.000 davon in Europa.

PRIUS III

Bei der dritten Generation des Prius aus dem Jahr 2009 wurden 90 Prozent aller Hybrid Drive Komponenten neu entwickelt, um ein leichteres und kompakteres System zu erhalten, das eine höhere Leistung abgibt, bei Kälte besser funktioniert und im Alltag sowohl den Verbrauch als auch die CO2-Emissionen deutlich senkt.

Ein neuer 1,8-Liter VVT-i Atkinson-Benzinmotor steigerte die Systemleistung um 22 Prozent auf 136 PS.

Auf diese Art beschleunigt der Prius III in 10,4 Sekunden von 0 auf 100 km/h und erreicht er eine
Spitzengeschwindigkeit von 180 km/h.

Die CO2-Emissionen wurden auf 89 g/km und der Kraftstoffverbrauch auf 3,9 Liter pro 100 Kilometer gesenkt. Damit erzielt der Prius III eine Reichweite von nahezu 1.150 Kilometer.

Im Verlauf von drei Generationen ist es den Toyota Ingenieuren gelungen, die Leistung des Hybridantriebs
um 35 Prozent zu steigern und gleichzeitig sowohl den Kraftstoffverbrauch als auch die CO2-Emissionen
um ein Viertel zu reduzieren.

Der jüngste Prius stellt seine technologische Vorherrschaft auch mit seiner innovativen Ausstattung unter
Beweis. Er verfügt über einen Intelligenten Parkassistenten, ein Pre-Crash Safety System mit adaptiver
Geschwindigkeitsregelanlage, ein Solar-Schiebedach, das mit dem erzeugten Strom den Innenraum kühlt,
ein Head-up Display sowie ein Touch Tracer Display und LED Scheinwerfer.

Bis heute wurden weltweit mehr als 2,2 Millionen Einheiten des Prius III verkauft, über 147.000 davon in
Europa.

DIE PRIUS FAMILIE

Mit der Einführung des Prius+ und des Prius Plug-in Hybrids entstand 2012 die Prius Familie.

Der Prius+, der erste siebensitzige Vollhybrid in Europa, hat eine ähnliche Silhouette wie der Prius, bietet aber noch mehr Platz für Fahrgäste und Gepäck.

Die zweite Sitzreihe des Prius+ besteht aus drei verschiebbaren und umklappbaren Einzelsitzen, die dritte Sitzreihe aus einer 50:50 geteilten Sitzbank. Um drei Sitzreihen zu ermöglichen, kommt im Prius+ eine kompakte Lithium-Ionen-Hybridbatterie zum Einsatz, die in der Mittelkonsole zwischen den Vordersitzen untergebracht ist.

Die Batterie besteht aus lediglich 56 zweireihig übereinander angeordneten Zellen. Dadurch sinkt der Platzbedarf erheblich, und sie ist mit einem Gewicht von 34 Kilogramm sieben Kilogramm leichter als die Nickel-Metallhydrid-Batterie des Prius, obwohl sie dieselbe Maximalleistung entwickelt.

Der Hybridantrieb des Prius+ ist identisch mit dem des Prius. Eine auf höhere Zuladung angepasste Endübersetzung beschleunigt den Prius+ in 11,3 Sekunden von 0 auf 100 km/h, und er erreicht 165 km/h Spitzengeschwindigkeit. Dank klassenbester Aerodynamik und niedrigem Gewicht verbraucht er nur 4,1 Liter auf 100 Kilometer bei CO2-Emissionen von nur 96 g/km.

Seit der Markteinführung wurden weltweit über 520.000 Einheiten des Prius+ verkauft, fast 30.000 davon in Europa.

PLUG-IN HYBRID

Der Prius Plug-in Hybrid liefert eine beachtlich nahtlose Beschleunigung und arbeitet sehr leise. Er kann rein elektrisch bei maximal 85 km/h Geschwindigkeit bis zu 25 Kilometer weit fahren.

Seine Lithium-Ionen Batterie hat mit 4,4 kWh fast die vierfache Kapazität wie die Batterie im Prius, und ihr Ladehub wurde auf 60 Prozent erhöht. Sie lässt sich an einer normalen 230-Volt Steckdose in 1,5 Stunden komplett aufladen.

Das Leergewicht des Fahrzeugs steigt dabei lediglich um 45 kg.

Der Hybrid Synergy Drive Antrieb ist identisch mit seinen beiden Geschwistern. Damit beschleunigt der Prius Plug-in Hybrid aus dem Stand in 11,4 Sekunden auf 100 km/h und erzielt er eine Höchstgeschwindigkeit von 180 km/h.

Dank der erweiterten elektrischen Reichweite hat sich die Kraftstoffeffizienz des Plug-in Hybrids deutlich verbessert. Der Verbrauch ist auf nur 2,1 Liter pro 100 Kilometer bei CO2-Emissionen von lediglich 49 g/km gesunken.

Weltweit fanden über 68.000 Prius Plug-in Hybride einen Käufer, davon über 9.000 in Europa.

DIE ERWEITERUNG DES ANGEBOTS

Mit der Einführung des Auris Hybrid erweiterte Toyota im Jahr 2010 sein Angebot an Vollhybrid-Fahrzeugen. Der Auris Hybrid verfügt über den Antrieb des Prius. Damit war er das erste Auto im C-Segment, das wahlweise mit Benzinmotor, Dieselmotor oder als Vollhybrid erhältlich war. Zudem beflügelte er eindrucksvoll die Wahrnehmung der Vollhybrid-Technologie durch die Kunden.

Für den komplett neuen Auris Hybrid und den praktischen Auris Hybrid Touring Sports aus dem Jahr 2013 wurde die Steuerung des Hybridantriebs wesentlich überarbeitet. Das Beschleunigungsgefühl wurde enger an die Motordrehzahl gekoppelt. Dank der Unterbringung der Hybridbatterie unter den Rücksitzen konnte ein Gepäckraum wie bei den konventionell angetriebenen Modellen realisiert werden.

Mit 40.000 bzw. 36.000 verkauften Einheiten im Jahr 2014 repräsentiert der Hybrid 40 Prozent des Auris
Absatzes und 64 Prozent der Auris Touring Sports Verkäufe.

Die in erster Linie für Europa bestimmten Modelle Auris und Auris Touring Sports werden bei Toyota Motor Manufacturing UK (TMUK) hergestellt. Damit unterstreicht Toyota sein Engagement in Europa.

REVOLUTION IM B-SEGMENT

Der Yaris Hybrid ist der bis heute einzige Vollhybrid im B-Segment. Als Flaggschiff der Baureihe stellt er ein besonderes Angebot im verkaufsstärksten europäischen Fahrzeugsegment dar und brachte die Vorteile der Hybridtechnologie einer größeren Anzahl Menschen nahe als je zuvor.

Sein neuer Antriebsstrang wurde ohne Beeinträchtigung von Leistung, Komfort der Passagiere oder Kofferraumvolumen auf die kompakten Abmessungen des Fahrzeugs angepasst.

Das neu entwickelte Hybridsystem verwendet die Vollhybridkomponenten, die jedoch zusammen 42 kg leichter und kompakter bauen als in den anderen Toyota Hybrid Modellen. Der im Jahr 2014 nochmals optimierte Hybridantrieb verbraucht kombiniert nur 3,3 Liter Kraftstoff auf 100 Kilometer mit CO2-Emissionen von lediglich 75 g/km.

Mit über 58.500 verkauften Einheiten repräsentiert das Hybridmodell ein Drittel des kompletten Yaris Absatzes in Europa.

Im Jahr 2014 erreichte der Hybridabsatz von Toyota in Europa 145.000 Einheiten; das entspricht einer Steigerung um 9 Prozent im Vergleich zum Vorjahr. Kumuliert wurden damit seit der Vorstellung des ersten Prius im Jahr 2000 in Europa 840.000 Toyota Hybridfahrzeuge verkauft.

Bis heute hat Toyota weltweit mit über 7,3 Millionen Einheiten mehr Hybride abgesetzt als jeder andere Hersteller.

Damit hat Toyota zweifellos die Federführung auf dem Weg zur nachhaltigen Mobilität übernommen. Als konkret  fassbarer Erfolg der Hybridtechnologie geht damit eine Reduktion des weltweiten CO2-Ausstoßes durch den Verkehr um mehr als 51 Millionen Tonnen einher.

Die Toyota Vollhybrid-Technologie beschränkt sich allerdings nicht auf die Senkung der Emissionen und die Steigerung des Fahrkomforts. Sie übernimmt auch im Motorsport eine wesentliche Rolle, wie der Gewinn von Fahrer- und Konstrukteurs-Titel in der FIA Langstrecken-Weltmeisterschaft 2014 belegen.

HYBRID RACING FÜR IMMER BESSERE HYBRID-FAHRZEUGE

Während eines Rennens zählt man je nach Strecke und Länge des Rennens tausende von Beschleunigungs- und Bremsphasen, die sich kontinuierlich abwechseln.

Beim Bremsen aus hoher Geschwindigkeit wird dabei kinetische Energie in enorme Wärmemengen umgewandelt.

Die Fähigkeit, diese ansonsten verlorene Energie zu speichern und sie als Powerboost für den Antrieb zu nutzen, bestimmt das überragende Beschleunigungsvermögen von Hybrid-Rennwagen.

Natürlich werden Rennen nicht alleine durch die effiziente Rückgewinnung von Energie gewonnen. Alle fortschrittlichen Technologien des Verbrennungsmotors, des Motor-Generators sowie des mechanischen und regenerativen Bremssystems müssen perfekt und zuverlässig Hand in Hand arbeiten, um dem Fahrer selbst für die Dauer eines 24-Stunden-Rennens maximale Performance bereitzustellen.

Das Projekt der Toyota Motor Corporation, ein Hybridsystem für den Motorsport zu entwickeln, nahm 2005 seinen Anfang. Es führte zu einem Lexus GS 450h, der bei den 24-Stunden von Tokachi in Japan im Jahr 2006 teilnahm.

Im darauf folgenden Jahr beendete der Supra HV-R die 24-Stunden von Tokachi als Sieger. Damit war Toyota der erste Hersteller, der mit Hybrid-Technologie ein internationales Langstreckenrennen gewinnen konnte.

Der Supra HV-R verfügte über einen 150 kW Verbrennungsmotor, der die Hinterräder antrieb, sowie über zwei elektrische Radnabenmotoren mit je 10 kW an den Vorderrädern.

Im Jahr 2012 stieg Toyota mit dem TS030 Hybrid in die FIA World Endurance Championship (WEC) ein.

Der Antrieb dieses Le Mans Prototype 1 Class Rennwagens (LMP1) entstammte den Entwicklungen der Supra HV-R Technologie.

In den Jahren 2012 und 2013 verfügte der 3,4-Liter V8-Rennwagen über einen Super-Kondensator zur Speicherung der Bremsenergie.

Beim Bremsen arbeitet der Motor-Generator Hand in Hand mit dem mechanischen Bremssystem, um Bremsenergie über einen Inverter im Super-Kondensator zu speichern. Beim Beschleunigen wird der Motor-Generator mit dieser Energie angetrieben, um eine erhebliche Extraportion an Power zu liefern.

Die Hybrid-Kapazität wurde an die Hinterräder abgegeben und von den Regularien auf 500 kJ beschränkt.

Der TS030 Hybrid legte Zeugnis ab von dem, was Hybridantriebe im Motorsport zu leisten vermögen. Sein Nachfolger, der TS040 Hybrid, hob die Technologie 2014 auf ein neues Level.

Mit einem zusätzlichen Motor-Generator an der Vorderachse bildete das Toyota Hybrid System – Racing (THS-R) nun einen Allradantrieb ab. Gleichzeitig wurde die Super-Kondensator Technologie entscheidend weiterentwickelt, das Bauteil wurde leichter und leistungsstärker.

Das neueste Hybrid-Antriebssystem von Toyota besteht aus einem 480 PS starken elektrischen Allrad-Boost und einem 520 PS starken 3,7-Liter V8-Verbrennungsmotor, die zusammen beachtliche 1000 PS liefern. Dieser Technologie verdankt der TS040 Hybrid auch eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um erstaunliche 25 Prozent im Vergleich zum Vorjahr.

In der FIA WEC Saison 2014 zeichnete sich für Toyota Racing und seinen Hybrid-Rennwagen ein klarer Triumph ab.

Das Team sicherte sich den Konstrukteurs-Titel, Antony Davidson und Sébastien Buemi gewannen den Fahrertitel.

Der TS040 Hybrid startete vier Mal von Platz eins, fuhr vier schnellste Runden, landetet 12 Mal auf dem Podium und gewann fünf von acht Rennen.

Mit dem ersten Gewinn eines japanischen Herstellers in der World Endurance Championship seit deren Anfängen im Jahr 1953 schrieb das Toyota Team Motorsport-Geschichte.

Dank der im Motorsport gewonnen bahnbrechenden Innovationen baut Toyota seine technische Fachkenntnis in zunehmendem Maße aus, revolutioniert die Hybrid-Technologie und ebnet den Weg für die Hybrid-Fahrzeuge der Zukunft.

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