Principe et Fonctionnement de l'Hybride HSD (texte)

Source: Wikipedia

PRINCIPES

D'une manière générale, un moteur à combustion interne (désigné ci-après par le sigle ICE, pour Internal Combustion Engine) ne délivre sa puissance de façon optimisée que dans une plage réduite de couple et de vitesses. Dans une motorisation traditionnelle, le vilebrequin est généralement attaché à une boîte de vitesses mécanique ou à une transmission automatique par un embrayage ou un convertisseur de couple qui permettent au conducteur d'ajuster la vitesse et le couple délivrés par le moteur à la vitesse et au couple nécessaires pour mouvoir les roues du véhicule. Il s'agit d'une transmission mécanique.

Le système HSD (Hybrid Synergy Drive) remplace la transmission mécanique des motorisations usuelles par un système électromécanique. Toyota décrit les véhicules équipés de systèmes HSD comme des véhicules à « transmission à variation continue contrôlée électroniquement » (E-CVT, Electronically-controlled Continuously Variable Transmission). Ce système permet d’utiliser les 2 sources d’énergie (électrique et moteur thermique) avec une répartition variant de 0 à 100 % pour chacune des sources, ainsi que n’importe quel rapport intermédiaire.

Sources d'énergie

L'alternateur (générateur de courant) et le démarreur (moteur à courant continu) d'un véhicule « classique » sont considérés comme des accessoires attachés à l'ICE, celui-ci générant via la transmission le mouvement des roues du véhicule. Une batterie n'est nécessaire que pour démarrer l'ICE et alimenter les accessoires électriques lorsque le moteur est à l'arrêt. L'alternateur est utilisé pour recharger la batterie et alimenter les accessoires électriques lorsque le moteur est en marche.

Le système HSD remplace la boîte de vitesses (transmission mécanique), l’embrayage, l'alternateur et le démarreur du véhicule « classique » par une paire de moteur(s)-générateur(s) contrôlés électroniquement (désignés par les abréviations MG1 et MG2), un répartiteur de puissance mécanique (train épicycloïdal), et une batterie qui sert de réserve d'énergie.

Le moteur-générateur MG2 peut être utilisé pour propulser le véhicule, seul ou conjointement avec l'ICE, selon les conditions de conduite (seul à faible vitesse ou lors d'accélérations douces, ensemble à vitesse supérieure ou en cas de forte accélération).
Le moteur-générateur MG1 peut être utilisé pour recharger les batteries et pour démarrer l'ICE (il agit alors comme un démarreur). Ce fonctionnement permet à l'ICE d'être arrêté lors des phases d’arrêt du véhicule — l'alimentation des accessoires (y compris la pompe à eau et l'air climatisé si nécessaire) est assurée par la batterie.

Lorsque le conducteur souhaite ralentir, la course initiale de la pédale de frein enclenche le mode générateur de MG2. Une partie de l'énergie cinétique du véhicule est alors convertie en énergie électrique via les roues, ce qui permet simultanément de recharger les batteries et de ralentir le véhicule. Ce système de freinage dynamique permet donc de récupérer une partie de l'énergie initialement utilisée pour accélérer le véhicule. Une pression plus forte active les freins à disque à l'avant et les freins arrière du véhicule (tambours aux États-Unis ou disques en Europe), qui sont également utilisés pour les freinages d'urgence — l'essentiel de l'énergie cinétique est alors dissipé sous forme de chaleur, et donc gaspillé.

Les moteurs électriques : MG1 et MG2

Le moteur-générateur électrique MG1 (parfois appelé « MG-S », le S signifiant speed, terme anglais pour « vitesse ») possède une puissance relativement faible. Il sert essentiellement à produire du courant électrique afin de recharger les batteries et à alimenter MG2. De plus, en régulant la quantité d'énergie électrique générée (par variation de sa résistance interne et sa vitesse de rotation), c'est MG1 qui contrôle la transmission à variation continue via le train épicycloïdal. Enfin, MG1 assure la fonction de démarreur du moteur thermique (ICE)9.

Le moteur-générateur électrique MG2 (parfois appelé « MG-T », le T signifiant torque, terme anglais pour « couple ») est plus puissant que MG1. Il assure, conjointement avec l'ICE, la propulsion des roues. Les caractéristiques du MG2 en termes de couple permettent au système HSD d'obtenir une bonne performance dynamique avec un ICE modeste, et notamment un démarrage et une accélération souples. Pendant le freinage dynamique, MG2 convertit l'énergie cinétique en énergie électrique, qui est ensuite stockée dans les batteries9.

Ces 2 moteurs sont des moteurs synchrones, contrôlés électroniquement, à haute tension (500 à 650 V selon les modèles). Ils utilisent une technologie « sans balais » (brushless) et sont dotés d’aimants permanents à haute coercitivité, à base de néodyme10.

La transmission

La conception du train épicycloïdal et l'électronique de contrôle du système HSD permettent à la puissance mécanique de l'ICE d'être répartie de deux façons :

apport de couple et augmentation de la vitesse de rotation des roues (accélération du véhicule) ;
puissance disponible pour les moteurs-générateurs (recharge de la batterie).

Un programme informatique relié à des capteurs, contrôle le système et oriente les flux de puissance depuis les différentes sources (ICE, MG1, MG2). Ce fonctionnement permet d'obtenir les avantages d'une transmission à variation continue (CVT, Continuously Variable Transmission), à ceci près que la conversion couple/vitesse utilise deux moteurs électriques et un mécanisme à planétaires plutôt qu'un embrayage, des poulies avec gorges à écartement variable et une courroie.

Un véhicule équipé d'un système HSD ne peut pas rouler sans l'ordinateur, les systèmes électroniques, les batteries et les moteurs-générateurs, alors qu'il peut en principe fonctionner sans l'ICE. En pratique, les véhicules équipés de systèmes HSD n'ont qu'une autonomie de deux ou trois kilomètres sans carburant : l'économie de carburant réside dans un équilibre permanent entre propulsion par l'ICE, récupération d'énergie et motorisation électrique.

La transmission (en:transaxle) du système HSD contient un train épicycloïdal qui relie les 3 moteurs et ajuste le couple de l'ICE et des moteurs électriques au besoin des roues avant.

MG2 est solidaire de l'arbre de transmission relié aux roues avant : alimenter MG2 en électricité augmente donc le couple au niveau des roues ; MG2 récupère aussi l'énergie au niveau des roues lors du freinage dynamique.

Le train épicycloïdal qui se comporte comme un différentiel réversible (la puissance peut venir des 3 arbres), fait le lien entre la vitesse de rotation des roues et les vitesses de rotation de l'ICE et de MG1 ; ce dernier étant utilisé pour compenser la différence de vitesse entre les roues et l'ICE.

Dans les schémas ci-dessous représentant le train épicycloïdal d'un moteur HSD à deux roues motrices, l’ICE (le moteur thermique) est relié au porte-satellites (parties bleue et verte) ; le moteur électrique MG1 est relié au pignon central (partie beige) ; le moteur électrique MG2 et l’arbre allant vers le différentiel et les roues sont reliés à la couronne (partie rose) du train épicycloïdal.
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Le train épicycloïdal et les deux moteurs-générateurs sont contenus dans un boîtier unique qui est fixé à l'ICE. L'ordinateur surveille et contrôle la vitesse de rotation de chaque arbre et le couple total des arbres de transmission via des sondes et des capteurs11.

Le train épicycloïdal permet aussi de modifier le rapport de démultiplication (réduction) entre les arbres d’entrée (ICE et MG1) et l'arbre de sortie (MG2 et roues).

FONCTIONNEMENT

Le système hybride HSD gère à chaque instant la répartition de la puissance à fournir, récupérer ou dissiper entre les éléments actifs (moteurs, freins, batteries) en fonction des sollicitations du conducteur, de l'effort de propulsion ou de freinage à fournir et de l'état de charge des batteries.

Généralités

Le HSD peut utiliser les moteurs électriques pour propulser le véhicule ou pour assister le moteur thermique pour que ce dernier soit le plus efficient possible quels que soient les besoins en traction.

La présence des deux moteurs-générateurs électriques reliés par un onduleur permet d'utiliser l'un ou l'autre des moteurs en générateur de manière à ajuster la puissance délivrée par l'ICE aux besoins de la propulsion. L'autre avantage est que l'un des moteurs électriques peut être utilisé comme un puissant démarreur, ce qui permet d'éteindre et allumer l'ICE selon les besoins en traction et pour charger les batteries.

Alimentés par la batterie de traction, les moteurs-générateurs peuvent apporter un complément de puissance à l'ICE lors d'un pic de puissance, ou assurer seuls la traction du véhicule à vitesse et accélération faible ou modérée (jusqu'à environ 90 km/h sur les Toyota récentes par exemple).

Lors du freinage, les moteurs-générateurs peuvent récupérer l'énergie cinétique du véhicule et alimenter les batteries ou faire tourner l'ICE.

Du fait de l'apport possible de puissance supplémentaire par les moteurs électriques alimentés par la batterie de traction (ex. + 35 % sur les berlines Toyota), le moteur peut être sous-dimensionné et n'a pas besoin de fournir tout le couple nécessaire à la traction. C'est pourquoi le HSD incorpore souvent un ICE à cycle d'Atkinson, qui présente un meilleur rendement qu'un moteur à cycle d'Otto.

La combinaison d'une conception efficiente du véhicule et de l'ICE, du freinage dynamique, de la capacité de l'ICE à ne fonctionner qu'en cas de besoin et d'une capacité de stockage d'énergie par recharge des batteries permet aux véhicules équipés du système HSD d'être plus efficients que des véhicules de puissance et masse équivalentes à motorisation uniquement thermique.

Cependant, le gain en rendement apporté par le freinage dynamique se limite aux vitesses modérées (conduite urbaine) et aux route vallonnées, à condition de freiner avec douceur et anticipation.

Les phases de fonctionnement

Le système HSD peut fonctionner suivant plusieurs modes de transmission, en fonction des demandes du conducteur (accélération, freinage, position du sélecteur, accessoires) et de l'état de charge et de disponibilité en puissance des batteries de traction et d'accessoires.

Stationnement

Lorsque le sélecteur est en position P (park), MG2 est bloqué à l'arrêt et retient les roues motrices. Cependant le système hybride peut faire tourner l'ICE pour recharger les batteries par l'utilisation de MG1 en générateur.

Démarrage du moteur thermique

Pour démarrer l'ICE, MG1 est alimentée par la batterie de traction afin que celui-ci agisse en démarreur de l'ICE. Du fait de la puissance de MG1, le démarrage est immédiat et silencieux. La mise en route de l'ICE peut avoir lieu aussi bien à l'arrêt du véhicule qu'en roulant. Elle est automatique et survient lorsqu'au moins une des deux batteries est peu chargée, lorsqu'un accessoire puissant est utilisé (ex. chauffage, climatisation) et lorsque la vitesse ou la demande de puissance dépassent la limite supportée par la propulsion électrique. Le démarrage de l'ICE peut avoir lieu lorsque le sélecteur est en position P, R, D ou B, pas en position N.

Marche avant

Lorsque le sélecteur est en position D (drive) ou B, le système hybride ajuste continûment la vitesse de MG1 pour assurer une utilisation du moteur thermique suivant une courbe de charge programmée compte tenu de la puissance sollicitée par le conducteur et du couple nécessaire pour propulser le véhicule à cette puissance.

ICE en surrégime

Si l'ICE ne développe pas assez de couple et trop de vitesse pour assurer la propulsion à la puissance demandée (surrégime), par exemple lors d'accélérations à faible vitesse ou sur une rampe de forte pente, MG1 fonctionne en générateur pour transférer la puissance correspondant à la vitesse en excès de l'ICE aux batteries et à MG2 qui fonctionne en moteur pour compléter le besoin en couple de l'arbre de transmission.

ICE en sous-régime

Si l'ICE développe trop de couple et pas assez de vitesse pour assurer la propulsion à la puissance demandée (sous-régime), par exemple à vitesse constante sur route plate ou descendante, MG2 fonctionne en générateur pour transférer la puissance correspondant au couple en excès développé par l'ICE aux batteries et à MG1 qui fonctionne en moteur pour compléter le besoin en vitesse de l'arbre de transmission.

Sollicitation d'une forte puissance

Lorsque le conducteur sollicite une forte puissance (accélérateur fortement appuyé), le système hybride peut alimenter MG1 avec la batterie de traction pour accompagner les changements de régime de l'ICE et ajouter un surplus temporaire de puissance pour la propulsion du véhicule.

Propulsion purement électrique

À faible vitesse et puissance modérée, le système hybride peut assurer une propulsion purement électrique. La batterie de traction alimente MG2 qui fonctionne en moteur et assure la propulsion. L'ICE est à l'arrêt et MG1 est libre. Certains véhicules (ex. Toyota Prius, Auris, Yaris, Aqua) on un mode EV (electric vehicle), dit aussi stealth mode ou « mode furtif », qui permet de forcer la propulsion purement électrique. Selon l'état de charge des batteries le véhicule peut être propulsé sans consommation de carburant sur plusieurs hectomètres à plusieurs kilomètres.

Marche arrière

Lorsque le sélecteur est en position R (rear), la marche arrière est assurée par un fonctionnement de MG2 en moteur inversé pour entraîner les roues motrices dans le sens opposé. Si les batteries sont faiblement chargées, le système peut utiliser l'ICE pour entraîner MG1, qui fonctionne alors en générateur pour fournir l'énergie manquante à MG2. Les premiers modèles ne fournissaient pas suffisamment de couple dans certaines situations : certains utilisateurs des premières Prius avaient rapporté l'impossibilité de franchir en marche arrière certaines collines pentues de San Francisco. Le problème a été résolu avec les modèles ultérieurs.

Point mort

Lorsque le sélecteur est en position N (neutral), le système hybride est au point mort. L'ICE, MG1 et MG2 sont à l'arrêt et le train épicycloïdal est stationnaire. Cependant la couronne et le pignon central peuvent tourner si les roues sont en mouvement. Le passage au point mort est indispensable si le véhicule est tracté avec les roues avant touchant le sol, pour éviter une génération incontrôlée d'électricité par MG2. Ce mode de fonctionnement est l'équivalent du point mort obligatoire selon les réglementations de nombreux pays.

Freinage

Le système hybride gère trois systèmes de freinage, selon la sollicitation du conducteur (course de la pédale de frein), le mode sélectionné et l'état de charge des batteries.

Freinage par friction

Les roues avant sont munies de plaquettes ou de tambours de freinage assurant un freinage puissant par friction, limité par l'adhérence roue-sol. Cependant, ce moyen de freinage est sous-dimensionné eu égard à la masse du véhicule en raison de la capacité de freinage dynamique.

Freinage dynamique

Article détaillé : Frein dynamique.
Le freinage dynamique est assuré par le fonctionnement de MG2 en générateur lorsque l'accélérateur n'est pas sollicité (sauf très faible vitesse). L'énergie électrique générée par le freinage est envoyée via l'onduleur aux batteries et éventuellement, via MG1 qui fonctionne en moteur, à l'ICE qui fonctionne à vide pour dissiper une puissance de freinage excessive.

Lorsque le sélecteur est en position D, et en l'absence d'appui sur les pédales d'accélération et de frein, le système hybride décélère le véhicule en émulant un frein moteur. MG2 récupère une faible puissance sur l'énergie cinétique du véhicule pour générer de l'électricité destiné à la recharge des batteries. Lorsque la pédale de frein est sollicitée, la puissance générée augmente mais est limitée par la puissance admise à la charge des batteries. Si le freinage demandé dépasse la puissance admise par les batteries, le freinage par friction complète le freinage dynamique.

Freinage moteur

Le système hybride peut dissiper de l'énergie en faisant tourner l'ICE sans admission du carburant. MG2 alimente alors à la fois les batteries et MG1 qui par sa rotation contrôle le régime de l'ICE et la puissance qui y est dissipée.

Le système hybride met en place ce fonctionnement :

lorsque le sélecteur est en position B (brake) et que l'accélérateur n'est pas sollicité, émulant ainsi un frein moteur puissant équivalent au passage à un petit rapport sur une boîte de vitesses ;
lorsque le sélecteur est en position D mais que le niveau de charge des batteries ne permet plus d'accepter davantage d'énergie sans nuire à leur bon fonctionnement.
Effets
En récupérant l'énergie cinétique pour recharger les batteries, le système HSD peut réaliser une décélération équivalente à celle d'un frein moteur traditionnel tout en stockant de l'énergie pour alimenter ultérieurement les moteurs électriques. Le freinage dynamique d'un système HSD absorbe une quantité significative de l'énergie récupérée lors du freinage, ce qui permet aussi d'utiliser des freins de taille inférieure à ceux d'un véhicule conventionnel de masse similaire.

Le mode B accroît significativement le confort de conduite dans les descentes, avec un freinage régénératif renforcé en l'absence de sollicitation des pédales d'accélérateur et de frein : MG2 est dimensionné pour que sa puissance soit équivalente à la somme des puissances maximales que la batterie et l'ICE peuvent récupérer ou dissiper au freinage.

Du fait de sa puissance limitée, le freinage dynamique est très efficace à faible vitesse mais peu opérant à vitesse élevée.

Merci Jeff, grâce à toi je vais devenir un pro de la conduite hybride, je suis en bonne voie.... Wink

Très bien cet exposé, je viens de le découvrir

Très bonnes explications.... merci du partage

Rooo je vais potasser tout çà ! Lorsque je serais au calme Wink

Merci pour ce post ^^

Merci pour cet article très clair et complet qui explique ce HSD et montre aussi à quel point c'est astucieux !
En tant qu'ingénieur, je suis béat d'admiration devant ce système !

hellric a écrit:Merci pour cet article très clair et complet qui explique ce HSD et montre aussi à quel point c'est astucieux !
En tant qu'ingénieur, je suis béat d'admiration devant ce système !

+1 IDEM je vais migrer au Japon ! ou pas
Ce que j'adore, c'est le système silencieux, une pure merveille, les piétons sont surpris à chaque fois lorsque je les laisse passer et que je redémarre dans la foulée Wink

Imagine la même chose il y a 13 ans quand j'avais ma Prius 2 ! Smile

Oui tu te faisais passer pour un petit bonhomme vert ! Very Happy

Cordialement,

Je vais lire et relire ... pas tout compris à la première lecture !!!
V

c'est un système complexe, fiable et plus facile à appréhender.

Bonjour,

On en apprend tous les jours. Merci pour cours de mécanique sophistiqué. Super

Je découvre merci pour cette explication de Principe et Fonctionnement Bravo

zelycorn Design Messages : 110 Date d'inscription : 20/06/2019

excellent, je relirais..

Principe et Fonctionnement de l'Hybride HSD (texte)