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Fonctionnement de l'hybride de Toyota (HSD)

Bien connu de tous, l'hybridation HSD de Toyota a une notoriété qu'on peut qualifier de magistrale. Le dispositif de la marque japonaise (collaboration Aisin) est à la fois réputé pour son efficience mais aussi sa très bonne fiabilité. Il est toutefois peu évident à appréhender en raison de sa complexité ainsi que des nombreux modes de fonctionnement possibles.

Nous allons donc essayer de comprendre la manière dont fonctionne le dispositif hybride de Toyota, le fameux HSD e-CVT série / parallèle. Ce dernier permet de rouler en 100% électrique ou en combinant électrique et thermique. Je m'attaque ici à un sujet un peu difficile et il me sera alors parfois nécessaire de simplifier un peu les choses (bien que cela ne nuise en rien à la logique et au principe).

Sachez désormais que les transmissions HSD sont fabriquées par Aisin (AWFHT15) qui est possédé à 30% par Toyota, et que ce sont eux qui fournissent les transmissions hybrides et non hybrides au groupe PSA quand il s'agit des boîtes EAT ou e-AT8 (hybrid2 et Hybrid4). Nous en sommes aujourd'hui à la quatrième génération au niveau de son évolution technique. Si le principe reste globalement le même, des petites améliorations sont apportées au niveau du train épicycloïdal central, ou encore au niveau de la disposition pour gagner en compacité et en efficience (réduire la longueur des câbles permet de réduire les pertes électriques par exemple).

Explication synthétique

Si vous souhaitez savoir de manière globale comment fonctionne le HSD, voici une explication qui synthétise le tout. A vous d'aller plus loin dans l'article pour approfondir ou essayer de comprendre des choses qui vous échapperaient à ce stade.

Voici le rôle de chacun des composants ainsi que les particularités techniques du HSD :

• ICE (Internal Combustion Engine) est le moteur thermique : toute l'énergie vient de lui et il est donc à la base de tout. Il est relié à MG1 via le train épicycloïdal
  
• MG1 sert de générateur électrique (animé par le moteur thermique) mais aussi de variateur de démultiplication. Il lie ICE à MG2 via le train planétaires (épicycloïdal). MG2 est relié directement aux roues, donc si les roues tournent il tourne, et si il tourne alors les roues aussi (bref, aucun débrayage possible entre les deux) ...
  
• MG2 sert de moteur électrique de traction (distance 2 km maxi ou 50 km sur Plugin / rechargeable) mais aussi de générateur électrique (décélération : régénération)
• Train épicycloïdal : il lie ensemble MG1, MG2, ICE et les roues (cela n'empêche que certains éléments peuvent rester fixes pendant que d'autres tournent, à vous d'étudier et comprendre comment s'anime un train épicycloïdal). C'est aussi grâce à lui qu'on a la variation continue / démultiplication et donc c'est lui qui représente la boîte de vitesse (le ratio change en le faisant freiner ou "reculer" : le lien entre ICE et MG1)
  

La démultiplication consiste à plus ou moins additionner les mouvements de ICE (thermique) et MG2 (qui est connecté en dur avec les roues ne l'oublions pas).


Cette vidéo est parfaite pour "ressentir" la manière dont fonctionne l'hybridation Toyota

Nouveauté : mode séquentiel manuel sur l'hybride HSD de Toyota ?

Les ingénieurs ont réussi à simuler (en partie ..) des rapports en jouant sur la manière dont MG1 va freiner ou reculer, de manière non progressive, pour induire des rapports plus tranchés. La démultiplication est générée par MG1 qui va lier d'une manière plus ou moins solidaire et plus ou moins "glissée" ICE et MG2 (MG2 = moteur électrique de traction mais aussi et surtout les roues). Cette démultiplication peut donc être progressive ou "par crans" selon comment le répartiteur de puissance pilote MG1.
Notez cependant que les passages de rapports ne se sentent qu'à charge partielle ... Et dans le cas d'une charge pleine (accélération maximale), on revient à un fonctionnement à variation continu car c'est le seul moyen d'obtenir les meilleures performances en accélération avec ce système (le calculateur abandonne donc les sauts de rapports pour maximiser les accélérations).
Ce mode sert donc plus pour avoir du frein moteur en descente que pour conduire sportivement.

Voici ce que cela donne dans les faits. A pleine charge on perd hélas le mode séquentiel et on ne sent plus de rapports passer

Plusieurs versions ?

Au delà des différentes générations, le système THS / HSD / MSHS distribué sur les Toyota et Lexus a deux grandes déclinaisons. La première, et la plus répandue, est la version transversale qui est aujourd'hui incarnée par la Aisin AWFHT15 (appelé au début des années 90 THS pour Toyota Hybrid System. C'est désormais HSD pour Hybrid Synergy Drive). Elle se décline en deux modèles plus ou moins compacts pour les Prius / NX / C-HR (plus gros), corolla et Yaris (petit).

Voici la plus moderne (Prius 4) transmission HSD des versions transversales (il y en a désormais de deux tailles différentes, ici la plus grosse). Elle est bien plus compacte que la version que vous pourrez voir plus bas (pas celle juste en dessous longitudinale, encore plus bas ...)


Une Prius 4 en pleine accélération, voila le fameux effet de variation continue obtenu par la combinaison des moteurs / générateurs électriques, du moteur thermique et du train épicycloïdal central

Vient ensuite le MSHS pour Multi Stage Hybrid System (dont je ne devrais pas vraiment parler ici en réalité ... Mais comme ça fonctionne de manière identique, que ça provient aussi d'Aisin et que c'est pour le groupe Toyota ...), c'est un dispositif bien plus gros à positionner en position longitudinale, et qui peut cette fois générer de vrais rapports qui sont au nombre de 10 (4 vrais rapports dans la boîte et la combinaison des moteurs électriques d'une manière futée qui permet d'arriver à 10. Le total n'est donc pas un multiple de 4 mais peu importe).
En réalité il existe deux versions : AWRHT25 et AWRHM50 (MSHS qui a 10 rapports).

La version longitudinale (ici AWRHM50) bien plus prestigieuse est avant tout faite pour les Lexus (peu de Toyota ont le moteur dans ce sens). Deux versions existent dont une qui peut générer jusqu'à 10 vrais rapports.


Allez à 1:00 minute pile pour voir comment la AWFHT15 permet de générer des rapports. Chose étrange, les fameux "sauts de vitesses" ne se ressentent plus en pleine charge moteur ... C'est parce que le dispositif est le plus performant (chronos) en mode CVT, la pleine charge induit donc le mode classique en variation continue

Comment fonctionne l'hybride de Toyota ?

Quel est donc le principe de base du dispositif hybride HSD ? Si on devait le résumer grossièrement, on pourrait parler d'un moteur thermique qui travaille avec deux moteurs / générateurs (un moteur électrique est toujours réversible) et dont les différents couples (de chaque moteur) sont jugulés et gérés par un train épicycloïdal central mais aussi l'intensité électrique (et le sens de l'électricité) géré par le répartiteur de puissance ("inverter" en anglais). La démultiplication (boîte CVT) est gérée électroniquement en faisant fonctionner le moteur MG1 d'une certaine manière et aussi par le biais du train épicycloïdal central qui permet de combiner plusieurs puissance pour en sortir une seule.
Le moteur peut être totalement déconnecté des roues comme il peut aussi l'être via le trin épicycloïdal ...
Bref, même en voulant simplifier on se rend compte que ça ne va pas être si facile à assimiler, nous allons donc rester sur les grands principes. Je vous mets toutefois une vidéo en anglais qui va dans les moindres détails, donc si vous voulez pousser la chose au bout vous devriez pouvoir y arriver (avec de la motivation et des neurones en forme évidemment).

Voici le dispositif de la Prius 2, moins compact que ce que je vous ai montré plus haut. Voyez comme ils ont mis en évidence le compresseur de climatisation (bien en bleu à gauche du moteur). En effet, il est animé par un moteur électrique contrairement à toute voiture "normale". Les roues sont reliées à la chaîne qu'on voit sur la partie centrale vers la droite (en plein milieu de l'e-CVT)


l'e-CVT de plus près


De profil on voir un des cardans de roue, relié à la chaîne via le différentiel

Les différents modes de fonctionnement

Voyons les différents modes de fonctionnement du dispositif, et au passage pourquoi il est considéré comme série / parallèle, alors que normalement un système hybride est soit l'un soit l'autre. La manière ingénieuse dont été conçu l'HSD permet les deux, et c'est aussi ce qui rend un peu complexe la chose ...

Dispositif HSD Toyota : précisions et architecture

Voici l'architecture simplifiée du dispositif HSD, avec quelques couleurs pour vous aider à faire les liens entre les composants.

Le schéma est inversé par rapport à la photo du haut car pas pris du même angle ... J'ai repris la disposition de la Prius 2 et il y a donc ici une chaîne, sur les versions plus modernes il n'y en a pas mais le principe ne change en rien (que ce soit une chaîne, un arbre ou un engrenage cela revient au même).



Voici plus en détails le mécanisme, car il faut comprendre que l'embrayage est ici obtenu par la force électromagnétique entre le rotor et le stator de MG1

MG1 est connecté au moteur via les planétaires (verts) du train épicycloïdal. C'est à dire que pour tourner le rotor de MG1 (partie centrale), le moteur thermique passe par le biais du train épicycloïdal. J'ai mis de la même couleur ce train et le moteur pour qu'on voit bien leur connexion physique. De plus, et ce n'est pas mis en évidence sur le schéma, mais le satellite vert et le pignon solaire central MG1 bleu clair sont bien connectés physiquement (il y a un espace sur le schéma entre les deux) tout comme la couronne (le bord du train) et le satellite vert du moteur thermique.

MG2 est directement connecté aux roues via la chaîne, mais il anime aussi le planétaire extérieur du train épicycloïdal central (la couronne en bleu foncé, j'ai choisi la même couleur pour le prolongement du train épicycloïdal pour qu'on voit bien que c'est connecté à MG2).

Voici le train épicycloïdal de face au lieu d'être de profil sur le schéma plus haut, on voit mieux les connexions entre les différentes engrenages liés à MG1, MG2 et ICE

La difficulté consiste à comprendre le fonctionnement du train épicycloïdal sachant que les mouvements internes ne sont pas les mêmes selon les modes de conduite mais aussi selon la vitesse ...

Pas d'embrayage ?

Contrairement à toutes les autres transmissions, le HSD n'a besoin ni d'embrayage ni de convertisseur de couple (une CVT a besoin d'un convertisseur pas exemple). C'est ici la force électromagnétique qui lie les roues au moteur via le train épicycloïdal grâce à MG1. C'est alors le rotor et le stator de ce dernier (MG1) qui produisent alors l'effet de friction : quand vous tournez un moteur électrique à la main il y a une résistance, et c'est cette dernière qu'on utilise ici comme embrayage.
Même mieux, pendant la friction (différence de vitesse entre stator et rotor, donc entre le moteur et les roues) alors il y a production d'électricité. Et cette électricité on va la stocker dans la batterie !
Voilà pourquoi le système HSD est considéré comme très intelligent, c'est parce qu'il fait en sorte de perdre un minimum d'énergie en récupérant de l'énergie au moment de la friction. Sur un embrayage classique on va perdre cette énergie en chaleur, ici elle est convertie en électricité qu'on récupère dans une batterie.
Il n'y adonc aussi aucune usure mécanique car il n'y a pas de contact physique entre le rotor et le stator.

Donc si nous résumons :

• A l'arrêt le moteur peut tourner car le lien entre l'axe moteur et la couronne n'est pas fait : le pignon solaire est libre (même si en général une Prius se coupe à l'arrêt pour économiser du carburant)
  
• En faisant grimper le régime moteur, le rotor tourne suffisamment vite pour générer une force électromagnétique qui va alors donner du couple au pignon solaire : créant un lien entre axe moteur et couronne
• Quand le lien est fait les vitesses de l'axe moteur et de la couronne sont égales
• Quand la vitesse des roues devient supérieure à celle du moteur alors le pignon solaire va se mettre à tourner dans l'autre sens pour faire évoluer la démultiplication (après avoir bloqué le tout, il se met alors à "rouler" pour encore accélérer la vitesse du système). On peut plutôt dire que en recevant du couple, le pignon solaire ne fait pas que solidariser les axes moteur et la couronne, il va aussi les faire accélérer par la suite (il ne fait pas que frein"résister", il fait aussi tourner par la suite)

Mode 100% électrique

Ici les moteurs ICE (thermique) et MG1 n'ont pas de rôle particulier, c'est MG2 qui fait tourner les roues grâce à l'énergie électrique tirée de la batterie (énergie issue de la chimie donc). Et même si MG2 fait tourner le rotor MG1 cela n'a pas d'incidence sur le moteur thermique ICE, et il n'y a donc aucune résistance qui nous gène.

Mode recharge à l'arrêt

Ici le moteur thermique est en marche et il fait tourner MG1 via le train épicycloïdal. Cela produit donc de l'électricité qui va être envoyée au répartiteur de puissance, ce dernier route l'électricité vers la batterie uniquement.

Mode récupération d'énergie

C'est le fameux mode "B" (freinage régénératif) qu'on peut voir au pommeau de la boîte (quand on l'actionne on a plus de frein moteur lié à la récupération de l'énergie cinétique par MG2, la résistance est donc ici électromagnétique). La force inertielle / énergie cinétique provient des roues et se propage donc jusqu'à MG2 par le biais d'engrenages mécaniques et une chaîne. Comme un moteur électrique peut être réversible, il va alors générer du courant électrique : si j'envoie du jus dans un moteur électrique il va tourner, si je fais tourner à la main un moteur électrique arrêté il va produire de l'électricité.
Ce courant électrique est récupéré par le répartiteur pour l'envoyer à la batterie qui va alors être rechargée.

Moteur électrique et thermique qui travaillent ensemble

A vitesse stabilisée et à bonne allure, c'est à dire la majorité du temps, les roues vont alors être animées par la force des moteurs électrique (MG2) et thermique.
Le moteur ICE thermique fait tourner le train épicycloïdal, ce qui va générer de l'électricité dans MG1. Cela va aussi envoyer de la force mécanique aux roues puisque le train épicycloïdal y est aussi connecté.
C'est ici que les difficultés peuvent devenir contraignantes car selon la vitesse, les rotations dans le train épicycloïdal ne vont pas être les mêmes (notamment le sens de certains pignons).
La démultiplication façon CVT (variation continue et progressive comme sur les scooters) se fait alors grâce au jeu des tensions entre les moteurs (grâce à l'effet d'aimant provoqué par le jus qui passe dans les bobines : champs électromagnétique induit) mais aussi le train épicycloïdal qui accueille la puissance de plusieurs canaux. Bon courage pour le comprendre sur le bout des doigts même si la vidéo que je vous mets à disposition pourra vous le permettre.

Puissance maximum

C'est un peu comme le paragraphe précédent sauf qu'ici on va prendre en plus la puissance électrique que peut délivrer la batterie, c'est donc MG2 qui en profite.

Voici dans les faits la version de la Prius 4 :

Version Plug-in / rechargeable ?

Il faut d'abord passer par un répartiteur de puissance et un onduleur pour gérer les différences de puissance et les différents types de jus : alternatif, continu ...

Version HSD 4X4 ?

Pourquoi série / parallèle ?

Le dispositif est appelé série / parallèle car il est nommé "série" quand on est en mode 100% électrique. On a donc un fonctionnement semblable à une BMW i3, le moteur thermique est un générateur de courant qui alimente une batterie qui elle-même va faire mouvoir l'auto. En gros, avec cette manière de faire le moteur est totalement déconnecté des roues.

Il est aussi appelé parallèle quand le moteur vient se connecter aux roues via le dispositif épicycloïdal. Et c'est ce qu'on appelle un montage en série (voir les différents montages ici).

Toyota en ferait-il trop sur son système ?

Pour conclure cet article, je voulais émettre un petit coup de gueule. En effet, Toyota communique beaucoup sur son dispositif hybride et c'est tout à fait compréhensible et légitime. Toutefois, il me semble que la marque va un peu trop loin sur deux aspects. Le premier consiste à idéaliser la technologie en faisant sous entendre au passage qu'elle va en quelque sorte sauver la planète, et qu'en gros la marque est en train d'engager une révolution qui va tous nous sauver. Certes ça réduit les consommations, mais il ne faut pas non plus caricaturer, un monospace diesel sans hybridation fait quasi aussi bien si ce n'est mieux parfois.

Toyota profite donc du contexte actuel anti-diesel pour en rajouter une couche qui me semble ici un poil enjolivée à la limite de la manipulation, en voici une :

Vient ensuite le problème du branchement. La marque japonaise appuie une grande partie de sa communication dans le fait que l'auto n'a pas besoin d'être rechargée sur secteur, un peu comme si c'était un avantage technologique sur les concurrents. En réalité c'est ici un peu trompeur puisque c'est plus une lacune qu'autre chose ... Les voitures hybrides qui peuvent se recharger n'ont pas la nécessité absolue de le faire, c'est une option qui s'offre en plus à son propriétaire ! Donc la marque arrive à faire passer un des inconvénients comme un avantage, et ça c'est quand même fort non ? Ironie, Toyota vend des versions rechargeables de sa Prius, et elle est censée être mieux ... Voici un des clips publicitaires :

Pas besoin de la recharger ? Je dirais plutôt : "mince, il n'y a pas de possibilité de le faire ..."

Aller plus loin ?

Pour aller plus loin je vous invite à scruter cette vidéo qui est hélas en anglais uniquement. L'explication se fait étape par étape afin de la rendre la plus simple et compréhensible possible.

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• Rappels Toyota

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