Come funziona Toyota Hybrid (HSD)

Tutti sanno bene che l'ibridazione HSD di Toyota ha la reputazione di essere un'officina. Il dispositivo del marchio giapponese (collaborazione Aisin) è noto non solo per la sua efficienza, ma anche per la sua ottima affidabilità. Tuttavia, è difficile da capire a causa della sua complessità e delle molte possibili modalità di funzionamento.

Pertanto, cercheremo di capire come funziona il dispositivo ibrido di Toyota, il famoso e-CVT Serial / Parallel HSD. Quest'ultimo ti consente di guidare 100% elettrico o una combinazione di elettrico e termico. Qui affronto un argomento un po' complesso, ea volte ho bisogno di semplificarlo un po' (sebbene ciò non tolga nulla alla logica e al principio).

Ora sappi che le trasmissioni HSD sono prodotte da Aisin (AWFHT15), di cui Toyota possiede il 30%, e che forniscono trasmissioni ibride e non ibride al gruppo PSA quando si tratta di EAT o e-AT8. scatole. (ibrido2 e ibrido4). Ora siamo alla quarta generazione in termini di sviluppo tecnico. Sebbene il principio generale rimanga lo stesso, vengono apportati piccoli miglioramenti all'ingranaggio planetario centrale o al layout per ottenere compattezza ed efficienza (ad esempio, cavi di lunghezza inferiore riducono le perdite elettriche).

Spiegazione sintetica

Se vuoi una visione olistica di come funziona l'HSD, ecco una spiegazione che lo riassume. Devi andare oltre nell'articolo per approfondire o cercare di capire cosa ti sta sfuggendo in questa fase.

Ecco il ruolo di ogni componente e le specifiche tecniche dell'HSD:

• L'ICE (Internal Combustion Engine) è un motore termico: tutta l'energia proviene da esso, e quindi è alla base di tutto. È collegato a MG1 tramite un treno epicicloidale.
• MG1 funge da generatore elettrico (azionato da un motore termico) e da variatore del cambio. Collega ICE a MG2 tramite ingranaggio planetario (planetario). MG2 è collegato direttamente alle ruote, quindi se le ruote girano, gira, e se gira anche le ruote (insomma, tra loro non è possibile il disimpegno)...
• MG2 funge da motore di trazione (distanza massima 2 km o 50 km su plug-in/ricaricabile) e anche come generatore elettrico (rallentamento: rigenerazione)
• Ingranaggio planetario: collega insieme MG1, MG2, ICE e le ruote (questo non interferisce con alcuni elementi fissati mentre altri girano, è necessario imparare e capire come prende vita l'ingranaggio planetario). Anche grazie a lui, abbiamo un cambio/decremento continuo, e quindi è lui che rappresenta il cambio (il rapporto di trasmissione cambia, facendolo frenare o "retrocedere": il collegamento tra ICE e MG1)

La riduzione consiste più o meno nell'aggiunta dei movimenti del motore a scoppio (termico) e dell'MG2 (che è rigidamente collegato alle ruote, non dimentichiamolo).

Allenatore di ingranaggi planetari ibridi

Questo video è perfetto per avere un'idea di come funziona l'ibridazione Toyota.

Novità: modalità sequenziale manuale su Toyota HSD Hybrid?

Gli ingegneri sono stati in grado di simulare (parzialmente ..) i rapporti giocando su come la MG1 avrebbe frenato o invertito in modo non progressivo per ottenere rapporti più chiari. Il rapporto di trasmissione è generato da MG1, che più o meno saldamente e più o meno "scivola" collega ICE e MG2 (MG2 = motore elettrico di trazione, ma anche, soprattutto, ruote). Pertanto, tale diminuzione può essere graduale o “sfalsata” a seconda di come controlla il distributore di potenza MG1.

Si noti però che i cambi di marcia non si fanno sentire a carico parziale... E a pieno carico (massima accelerazione) si torna alla variabile continua perché solo così si ottengono le migliori prestazioni di accelerazione con questo sistema (il computer quindi rifiuta per cambiare marcia per la massima accelerazione).

Pertanto, questa modalità viene utilizzata più per il freno motore in discesa che per la guida sportiva.

Corolla Hybrid 2.0 0-100 e velocità massima

Questo è ciò che sembra in realtà. Purtroppo a pieno carico perdiamo la modalità sequenziale e non sentiamo più le marce.

Più versioni?

A parte le diverse generazioni, il sistema THS/HSD/MSHS applicato a Toyota e Lexus ha due varianti principali. La prima e più comune è la versione trasversale, che oggi è incarnata nell'Aisin AWFHT15 (nei primi anni '90 si chiamava THS per il Toyota Hybrid System. Ora è HSD per l'Hybrid Synergy Drive). È disponibile in due modelli più o meno compatti: Prius / NX / C-HR (più grande), corolla e Yaris (piccola).

Ecco una trasmissione HSD più moderna (Prius 4) dalle versioni trasversali (ora ci sono due dimensioni diverse, ecco quella più grande). È molto più compatto della variante che vedete qui sotto (non quella appena sotto quella longitudinale, anzi sotto...)

Toyota Prius IV 2016 1.8 Hybrid Accelerazione 0-180 km/h

Prius 4 a tutto gas, ecco il famoso effetto di cambio continuo prodotto dalla combinazione di motori elettrici/generatori, un motore termico e un treno planetario centrale.

Poi arriva l'MSHS per il sistema ibrido multistadio (di cui non dovrei proprio parlare qui... Ma dato che funziona in modo identico, arriva anche da Aisin ed è per il gruppo Toyota...) che è molto importante. un dispositivo più grande che deve essere posizionato longitudinalmente e che può questa volta generare ingranaggi reali, di cui sono 10 (4 ingranaggi reali in una scatola e una combinazione di motori elettrici in modo intelligente per ottenere 10. Totale quindi, non un multiplo di 4, ma questo non importa).

Ci sono in realtà due versioni: AWRHT25 e AWRHM50 (MSHS, che ha 10 rapporti).

La ben più prestigiosa versione longitudinale (qui AWRHM50) è destinata principalmente alla Lexus (poche Toyota hanno un motore in tal senso). Esistono due versioni, una delle quali può generare fino a 10 report reali.

2016 Lexus IS300h 0-100 km/h e modalità di guida (eco, normale, sportiva)

Torna a 1:00 minuto per vedere come AWFHT15 può generare report. Stranamente, i famosi "salti di velocità" non si fanno più sentire quando il motore è a pieno carico... Questo perché il dispositivo è più efficiente (cronografo) in modalità variatore, quindi il pieno carico induce una normale modalità di variazione continua.

Come funziona un ibrido Toyota?

Quindi qual è il principio di base del dispositivo ibrido HSD? Se dovessimo riassumere questo in modo approssimativo, potremmo parlare di un motore termico che funziona con due motori/generatori (il motore elettrico è sempre reversibile) e le cui diverse coppie (di ogni motore) sono controllate e comandate dal treno planetario centrale, ma anche l'intensità elettrica (e la direzione dell'elettricità) controllata da un distributore di potenza ("inverter" in inglese). Il riduttore (cambio CVT) è controllato elettronicamente, facendo funzionare il motore MG1 in modo specifico, oltre che tramite un riduttore epicicloidale centrale, che consente di combinare più potenze per erogarne una.

Il motore può essere completamente disaccoppiato dalle ruote, oltre che tramite la trasmissione planetaria ...

Insomma, anche se vogliamo semplificare, capiamo che non sarà così facile da assimilare, quindi ci concentreremo sui principi di base. Tuttavia, ti ho messo un video in inglese che dettaglia i dettagli, quindi se vuoi farcela, dovresti essere in grado di farlo (con motivazione e neuroni sani, ovviamente).

Ecco la Prius 2, che è meno compatta di quella che ti ho mostrato sopra. Guarda come hanno evidenziato il compressore A/C (in blu a sinistra del motore). Infatti, a differenza di qualsiasi macchina "normale", è azionata da un motore elettrico. Le ruote sono collegate ad una catena visibile nella parte centrale a destra (proprio al centro del variatore elettronico).

variatore elettronico vicino

Vediamo di profilo una delle sospensioni delle ruote collegate alla catena tramite un differenziale.

Varie modalità operative

Diamo un'occhiata alle diverse modalità di funzionamento di un dispositivo e, strada facendo, perché è considerato seriale/parallelo, mentre di solito un sistema ibrido è l'uno o l'altro. Il modo ingegnoso in cui è progettato HSD consente entrambi, e questo lo rende anche un po' complicato...

Dispositivo HSD Toyota: dettagli e architettura

Ecco un'architettura del dispositivo HSD multicolore semplificata per aiutarti a creare connessioni tra i componenti.

Lo schema è capovolto rispetto alla foto in alto perché è ripreso da un'angolazione diversa... io ho preso lo schema della Prius 2 ed è per questo che qui c'è la catena, le versioni più moderne non ce l'hanno, ma il principio non cambia in entrambi i casi (che si tratti di catena, albero o ingranaggio è lo stesso.

Ecco il meccanismo in modo più dettagliato, perché dovrebbe essere chiaro che la frizione è ottenuta qui a causa della forza elettromagnetica tra il rotore e lo statore MG1.

MG1 è collegato al motore tramite un ingranaggio planetario (verde) di un ingranaggio planetario. Cioè, per ruotare il rotore MG1 (sezione centrale), il motore termico passa attraverso un ingranaggio planetario. Ho evidenziato questo treno e questo motore in un unico colore in modo che possiamo vedere chiaramente la loro connessione fisica. Inoltre, e non è evidenziato nel diagramma, il satellite verde e l'ingranaggio solare centrale blu MG1 sono fisicamente ben collegati (c'è uno spazio tra di loro), così come la corona (il bordo del treno). e il satellite verde della macchina termica.

MG2 è collegato direttamente alle ruote tramite una catena, ma aziona anche l'ingranaggio planetario esterno dell'ingranaggio planetario centrale (la corona è blu scuro, ho scelto lo stesso colore per allungare l'ingranaggio planetario in modo da poter vedere chiaramente che è collegato a MG2 ) ...

Ecco il riduttore epicicloidale davanti, non di profilo nello schema sopra, possiamo vedere meglio i collegamenti tra i vari ingranaggi associati a MG1, MG2 e ICE.

La difficoltà sta nel comprendere il principio del treno planetario, sapendo che i movimenti interni non coincidono a seconda delle modalità di movimento, ma anche della velocità...

Niente frizione?

A differenza di tutte le altre trasmissioni, l'HSD non ha bisogno di una frizione o di un convertitore di coppia (ad esempio, un CVT ha bisogno di un convertitore di coppia). È qui che la forza elettromagnetica lega le ruote al motore attraverso il treno planetario grazie a MG1. Poi sono il rotore e lo statore di quest'ultimo (MG1) che poi creano l'effetto di attrito: quando si ruota a mano il motore elettrico, nasce la resistenza, ed è quest'ultimo che qui usiamo come frizione.

È ancora meglio quando, durante l'attrito (la differenza di velocità tra statore e rotore, quindi tra motore e ruote), si genera elettricità. E quell'elettricità sarà immagazzinata nella batteria!

Per questo il sistema HSD è considerato molto intelligente, perché fornisce una minima perdita di energia recuperando energia al momento dell'attrito. Sulla frizione classica, perdiamo questa energia in calore, qui viene convertita in energia elettrica, che ripristiniamo nella batteria.

Quindi, non c'è nemmeno usura meccanica, poiché non c'è contatto fisico tra il rotore e lo statore.

Quando è fermo, il motore può funzionare senza fermarsi perché le ruote non bloccano il motore (cosa che sarebbe successo se ci fossimo fermati con un cambio manuale senza spegnere). L'ingranaggio solare blu (chiamato anche folle) è libero, quindi separa le ruote del motore (da cui gli ingranaggi planetari a corona verde). Se invece l'ingranaggio solare inizia a ricevere coppia, collegherà gli ingranaggi verdi alla corona, e quindi le ruote inizieranno a ruotare gradualmente (attrito elettromagnetico).

Se l'ingranaggio solare è libero, la forza non può essere trasmessa alla corona.

Quando il rotore gira, si crea attrito nello statore, che provoca la coppia, e questa coppia viene trasmessa all'ingranaggio solare, che si blocca e alla fine ruota anche nell'altra direzione. Si crea così un collegamento tra l'albero motore al centro e la corona dentata alla periferia (ingranaggio = ruote). Si noti che il dispositivo serve anche per l'arresto e l'avviamento: quando si vuole avviare è sufficiente bloccare brevemente l'ingranaggio solare in modo che il motore termico del motore a combustione riceva coppia da MG2 collegato alla ruota condotta (questo poi lo avvia come un motorino di avviamento . Fa. Classico).

Quindi, per riassumere:

• Quando è fermo, il motore può girare perché il collegamento tra l'asse del motore e la corona dentata non è stabilito: l'ingranaggio centrale è libero (anche se la Prius generalmente si spegne quando è ferma per risparmiare carburante)
• Aumentando la velocità del motore, il rotore gira abbastanza velocemente da generare una forza elettromagnetica, che poi trasmette la coppia alla ruota solare: creando un collegamento tra l'asse del motore e la corona dentata.
• Quando viene effettuato il collegamento, le velocità dell'asse motore e della ruota anulare sono uguali
• Quando la velocità delle ruote diventa più veloce del motore, l'ingranaggio solare inizia a girare nella direzione opposta per cambiare il rapporto di trasmissione (dopo che tutto è bloccato, inizia a "rotolare" per aumentare ulteriormente la velocità del sistema). Si può dire piuttosto che, ricevendo coppia, il solare non solo collega gli assi motore e la ruota motrice, ma ne fa anche successivamente accelerare (non solo frena "resistendo", ma li fa anche ruotare nel modo seguente)

Modalità 100% elettrica

Qui, i motori ICE (termici) e MG1 non giocano un ruolo speciale, è MG2 che fa girare le ruote a causa dell'elettricità ottenuta dalla batteria (da qui l'energia derivante dalla chimica). E anche se MG2 fa girare il rotore di MG1, non influisce sul motore termico ICE, e quindi non c'è resistenza che ci preoccupi.

Modalità di ricarica da fermo

Qui è al lavoro un motore termico, che fa ruotare MG1 attraverso un treno planetario. In questo modo, l'elettricità viene generata e inviata al distributore di energia, che indirizza l'elettricità solo alla batteria.

Modalità di recupero energetico

Questa è la famosa modalità "B" (frenata rigenerativa), che si vede sul pomello del cambio (quando lo si preme, c'è più freno motore associato al recupero dell'energia cinetica MG2, la resistenza è elettromagnetica). L'inerzia/energia cinetica proviene dalle ruote e quindi viaggia verso MG2 attraverso gli ingranaggi meccanici e la catena. Poiché il motore elettrico può essere reversibile, genererà corrente elettrica: se invio succo al motore elettrico si accenderà, se giro a mano il motore elettrico fermo produrrà elettricità.

Questa corrente elettrica viene recuperata dal distributore per inviarla alla batteria, che verrà poi ricaricata.

Motore elettrico e termico lavorano insieme

Ad una velocità stabile e ad una buona velocità, cioè, la maggior parte delle volte, le ruote saranno azionate dalla potenza dei motori elettrici (MG2) e termici.

Il motore termico ICE aziona l'ingranaggio planetario, che genera elettricità in MG1. Questo trasferirà anche la forza meccanica alle ruote, poiché anche l'ingranaggio planetario è collegato ad esse.

È qui che le difficoltà possono diventare limitanti, perché a seconda della velocità di rotazione dell'ingranaggio planetario non sarà la stessa (in particolare, la direzione di alcuni ingranaggi).

Un cambio di tipo CVT (cambio continuo e progressivo come sugli scooter) è creato dall'interazione delle tensioni tra i motori (grazie all'effetto magnetico causato dal succo che passa attraverso le bobine: un campo elettromagnetico indotto) e l'ingranaggio planetario . che riceve la potenza di più canali. Buona fortuna per averlo a portata di mano, anche se il video che ho messo a tua disposizione te lo permetterà.

Potenza massima

Questo è un po' come il paragrafo precedente, tranne per il fatto che qui stiamo prendendo anche l'energia elettrica che la batteria può fornire, quindi MG2 ne beneficia.

Ecco la versione attuale della Prius 4:

Versione plug-in/ricaricabile?

L'opzione con batteria ricaricabile, che consente 50 km su un veicolo completamente elettrico, consiste solo nell'installazione di una batteria più grande e nell'installazione di un dispositivo che consente di collegare la batteria al settore.

Devi prima passare attraverso il distributore di corrente e l'inverter per gestire la differenza di potenza e i diversi tipi di succo: AC, DC, ecc.

Versione HSD 4X4?

Come dovresti sapere, una versione 4X4 esiste su Rav4 e NX 300H ed è progettata per essere aggiunta all'asse posteriore, proprio come E-Tense e HYbrid / HYbrid4 di PSA. Si tratta quindi di un computer che garantisce la potenza costante delle ruote degli assi anteriore e posteriore, che, quindi, non hanno un collegamento fisico.

Perché seriale/parallelo?

Il dispositivo è chiamato seriale/parallelo perché si chiama "serie" quando si è in modalità elettrica al 100%. Pertanto, lavoriamo allo stesso modo della BMW i3, il motore termico è un generatore di corrente che alimenta la batteria, che a sua volta muove l'auto. Infatti, con questo metodo di funzionamento, il motore è completamente scollegato dalle ruote.

Viene anche chiamato parallelo quando il motore è collegato alle ruote tramite un dispositivo planetario. E questo si chiama build batch (vedi Varie build qui).

Toyota sta facendo troppo con il suo sistema?

Per concludere questo articolo, vorrei dire una piccola filippica. In effetti, Toyota parla molto della sua ibrida plug-in, e questo è completamente comprensibile e legale. Tuttavia, mi sembra che sotto due aspetti il ​​marchio sia andato troppo oltre. Il primo è idealizzare la tecnologia, sottintendendo che in qualche modo salverà il pianeta e che, in sostanza, il marchio sta avviando una rivoluzione che salverà tutti noi. Certo, riduce il consumo di carburante, ma non dovremmo nemmeno essere caricaturali, un minivan diesel non ibridato funziona più o meno allo stesso modo, se non meglio, a volte.

Quindi Toyota sta sfruttando l'attuale contesto anti-diesel per aggiungere uno strato che penso sia un po' impreziosito qui al limite della maneggevolezza, eccone uno:

Spot TV - Gamma Hybrid - Scegliamo Hybrid

Allora c'è un problema di connessione. Il marchio giapponese basa gran parte della sua comunicazione sul fatto che l'auto non ha bisogno di essere ricaricata dalla rete, come se fosse un vantaggio tecnologico rispetto alla concorrenza. Questo in realtà è un po' fuorviante in quanto è più uno svantaggio che altro... Le auto ibride che possono essere caricate non devono assolutamente farlo, questa è un'opzione che viene offerta in aggiunta al suo proprietario! Quindi il marchio riesce a spacciare uno dei difetti come un vantaggio, e questo è ancora forte, no? Ironia della sorte, Toyota sta vendendo versioni plug-in della sua Prius, e dovrebbero essere migliori ... Ecco uno degli annunci pubblicitari:

Non è necessario ricaricarlo? Piuttosto, dirò: "sottile, non c'è modo di fare ..."

Vai avanti ?

Per andare oltre, ti suggerisco di studiare attentamente questo video, che purtroppo è solo in inglese. La spiegazione è fatta in più fasi per renderla il più semplice e diretta possibile.