mercredi 28 décembre 2011

La Toyota Prius et son système HSD

Les illustrations de cette fiche viennent de Wikipedia

Ce véhicule comporte 3 moteurs :
·        Un moteur thermique Mth conventionnel à cycle d’Atkinson
·        2 machines électriques synchrones à aimants permanents, « brushless » :
o   1 machine dite M1 ou « vitesse » utilisée le plus souvent en génératrice
o   1 machine dite M2 ou « couple » utilisée le plus souvent en moteur

La transmission de puissance depuis le moteur thermique jusqu’à l’utilisation repose sur un train épicycloïdal dont il est nécessaire de comprendre la nature et les propriétés. Il est composé
·        d’un pignon central (beige) de n1 dents relié à la machine M1
·    de quatre pignons planétaires (bleus, aussi appelés satellites) de n2 dents engrenés sur le pignon central, dont les axes sont parallèles et fixés à un flasque tournant solidaire d’un axe central tubulaire concentrique à l’axe du pignon central, et lié au moteur thermique Mth
·       d’une couronne à denture intérieure ayant n1+ 2 n2 dents, engrenée sur les 4 planétaires, solidaire d’un arbre de sortie qui est celui de la machine M2 et de la transmission qui va attaquer le couple conique. 


Un tel train épicycloïdal a des propriétés particulières :
·        Les couples des 3 axes Г1, Гth et Г2 sont dans un rapport constant :
Г1 / k = Г2 / 1 = Гth / (1+k)
k = n1 /n2
·        Les vitesses angulaires ω1, ωth et ω2 des 3 axes sont liées par 
ω2 = ωth (1+k) / k - ω1 / k
Ces propriétés sont exploitées dans le HSD (Hybrid Synergy Drive).




En fonctionnement thermique, par définition, la batterie n’est pas sollicitée. La transmission électrique reste indispensable, car la transmission mécanique est dans un rapport fixe, et est toujours en marche avant, faute d’inverseur mécanique. Le moteur thermique fournit la puissance mécanique aux planétaires, et via ces dernier à la machine M1, ici génératrice. Cette dernière la transforme en puissance électrique fournie à la machine M2, ici moteur, qui est solidaire de la couronne et ajoute un couple supplémentaire à celui (Г2) résultant du train épicycloïdal. Le ratio transmis par voie mécanique ou par voie électrique est géré par le système HSD, mais de manière générale, la transmission électrique est prépondérante à petite vitesse, puis décroît aux vitesse moyennes pour devenir négligeable ou nulle aux vitesses élevées.

                                     Schéma établi par l'auteur. La "Boîte de vitesses" est ici le train épicycloïdal

En fonctionnement électrique pur, le moteur thermique est arrêté (ce qui ne veut pas dire à couple nul). Les machines M1 et M2 sont toutes deux motrices, la répartition de puissance entre elles résultant du couple de chacune des deux machines (toujours dans un rapport k) multiplié par sa vitesse angulaire, gérées par le système.

En fonctionnement mixte, la batterie est sollicitée. Deux cas sont possibles :
·       Charge de la batterie par la machine M1 utilisée en générateur, au détriment de l’apport de puissance à M2 Ceci se produit en cas du ralentissement ou de freinage récupératif, mais aussi en cas de nécessité de recharge de la batterie.
·        Décharge de la batterie par la machine M2, et éventuellement M1, suivant une répartition gérée par le système, pour obtenir une accélération plus forte, ou gravir plus rapidement une forte pente.

La marche arrière est purement électrique.

En freinage, avec ou sans moteur thermique, M2 transforme, dans la limite de sa puissance de crête et de la capacité de charge de la batterie, l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique qui charge la batterie.

Le démarrage du moteur thermique est possible :
·        A l’arrêt du véhicule (M2 arrêté ce qui ne veut pas dire à couple nul),
·        En marche

Pratiquement, le système HSD arbitre entre les différents modes de fonctionnement ci-dessus en fonction d’un grand nombre de paramètres et d’algorithmes qui font partie du savoir faire du constructeur, et donc non communiqués.

Cette conception très innovante :
·        ajoute 2 machines électriques synchrones, une batterie, un train épicycloïdal et un système de commande numérique HSD,
·        mais supprime  un embrayage, une boîte de vitesse,  un alternateur et un démarreur.

En termes d’économie de carburant, et donc d’émissions de CO2, ce HSD permet :

  • une variation continue de la plupart des paramètres (Гth, ГM1, ωM1 et ωth) pour les placer au mieux dans les courbes de rendement du moteur thermique,
  • d’optimiser l’utilisation à faible vitesse, et donc à très faible puissance (vitesse inférieure à 40 ou 50 km/h), alternativement en électrique pur et en thermique avec recharge de la batterie,
  • de récupérer l'énergie cinétique au freinage au lieu de la dissiper en chaleur.
Ses limites résident dans :
·      Le rendement de la chaîne de transmission de puissance mécanique depuis l’entrée de M1, via une transformation en énergie électrique, jusqu’à à la sortie de M2 sous forme mécanique. Des sources citent 75%, probablement à pleine puissance, donc sans doute nettement meilleur à puissance intermédiaire, mais loin du rendement d’une boîte mécanique.
·        Un couple de sortie limité par le couple du moteur thermique, par la puissance instantanée de la batterie et par les rapports fixes du train épicycloïdal.

En termes de rendement, l’intérêt d’une telle transmission par rapport à une boîte  conventionnelle :
·        soit mécanique conventionnelle à 6 vitesses très bien utilisée,
·        soit automatique pilotée, par exemple à 6 vitesses, ou type DSG de Volkwagen à 7 vitesses et 2 embrayages,
reste à démontrer. Ses points forts demeurent  les très petites vitesses, et la récupération d’énergie au freinage (descente ou ralentissement) qui caractérisent la circulation urbaine.

La Toyota Prius affiche pourtant une émission de CO2, et donc une consommation, inférieures aux véhicules conventionnels comparables en cycle routier. Pourquoi ? Il y a deux raisons, qui n'ont rien à voir avec sa transmission hybride :

  • Aérodynamique :La Prius affiche un Cx de 0,25 un peu inférieur à celui de ses proches concurrentes
  • Motorisation : La Prius 3 est équipée d’un moteur thermique à cycle Atkinson. Cette variante du cycle Beau de Rochas, anciennement connue, mais très rarement utilisée, permet d’améliorer le rendement au détriment de la puissance pour une cylindrée donnée. L'amélioration n'étant significative que dans une plage de fonctionnement assez étroite, cette technologie est donc ici bien adaptée car l'hybridation permet précisément de faire travailler le moteur le plus souvent dans cette plage.