L’ (HSD) est une technique de traction hybride développée par Toyota. Intégrée aux véhicules hybrides produits par l'entreprise et vendus sous les marques Toyota et Lexus (exemples : Toyota Prius, Yaris HybrideToyota Yaris Hybride HSD Turbo.fr, avril 2012, Lexus CT 200h), le HSD a été utilisé par Nissan pour l'Altima hybride et Mazda pour l'Axela hybride, et adapté à des véhicules plus puissants ou à quatre roues motrices.
La motorisation HSD comprend un moteur thermique et deux moteurs-générateurs électriques reliés mécaniquement entre eux et aux roues par un ou deux trains épicycloïdaux qui permettent d'échanger de la puissance et du couple avec les roues (traction, mais aussi freinage dynamique). Les moteurs-générateurs électriques sont reliés électriquement à un onduleur qui permet d'échanger de la puissance électrique (motrice ou génératrice) entre eux et avec la batterie. La répartition de puissance et l'injection éventuelle de puissance par le moteur thermique est gérée par un calculateur de bord qui prend en compte les sollicitations du conducteur et les situations de conduite.
Du fait de son montage particulier, lHybrid Synergy Drive est parfois qualifié de série-parallèle ou Full-Hybrid avec une capacité de traction purement électrique à des vitesses relativement élevées (ex. ). Du fait de l'adaptation permanente de la vitesse des moteurs électriques à la situation de conduite et de leur liaison au moteur thermique via des trains épicycloïdaux, le comportement de la motorisation HSD s'apparente à celui d'un variateur de vitesse.
vignette|Le logo Hybrid Synergy Drive
Historique Le HSDHybrid Synergy Drive sur le site Toyota.fr est une amélioration du système original Toyota Hybrid System (THS) utilisé sur la Toyota Prius de première génération (1997 à 2003).
Le système THS-II est apparu en 2004, avec la Prius de seconde génération. Il a ensuite été renommé « Toyota Hybrid Synergy Drive », puis « Hybrid Synergy Drive » (HSD) en vue de son utilisation en dehors de la marque Toyota (notamment pour la marque Lexus). Le système HSD a été conçu pour être plus puissant, plus performant et plus efficace que le THS.. En 2009, il a été introduit sur les modèles de Lexus à transmission intégrale et à propulsion...
En , le groupe Toyota (avec Lexus) avait vendu un million de véhicules hybrides dans le monde entier, et deux millions à la fin du mois d'.. En 2009, les véhicules hybrides conçus par Toyota constituaient environ 75 % des ventes de véhicules hybrides aux États-Unis..
En , plus de de véhicules Lexus et de Toyota hybrides avaient été vendus dans le monde Toyota a cumulé 7 million d’hybrides vendues depuis 1997 Green Car Reports, le 2 octobre 2014 puis 9 millions en .
Principes Un moteur à combustion interne (désigné ci-après par le sigle ICE, pour ) ne délivre sa puissance de façon optimisée que dans une plage réduite de couple et de vitesses. Dans les véhicules à transmission mécanique, la boîte de vitesses, manuelle ou automatique, assure un fonctionnement convenable du moteur et un embrayage ou un convertisseur de couple permet une transition entre les différents rapports selon la situation de conduite Evaluation of the 2010 Toyota Prius hybrid synergy drive system, No. ORNL/TM-2010/253 Oak Ridge National Laboratory (ORNL); Power Electronics and Electric Machinery Research Facility, Burress, Timothy A. et al., 2011.
Le système HSD remplace la transmission mécanique des motorisations usuelles par un système électromécanique. Toyota décrit les véhicules équipés de systèmes HSD comme des véhicules à (E-CVT, ). Ce système permet d’utiliser les deux 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 et flux d'énergie vignette|Système HSD d'une Prius II avec :* à gauche le moteur thermique* à droite les deux moteurs-générateurs électriques. L'unique source d'énergie primaire est l'ICE quand il brûle de l'essence. Le freinage dynamique permet également de convertir l'énergie cinétique en énergie électrique pour recharger la batterie de traction et constitue de ce fait une source d'énergie secondaire.
Un véhicule équipé du HSD dispose de deux batteries : une batterie au plomb alimentant les calculateurs et la plupart des accessoires, elle seule permet l'initialisation du système hybride, elle est maintenue en charge par un convertisseur électronique qui puise dans la batterie de traction, uniquement lorsque le système hybride est en marche ; une batterie de traction qui permet d'alimenter seule les moteurs électriques et maintenir en charge la batterie .
Les deux moteurs-générateurs MG1 et MG2 assurent la conversion entre puissance électrique et puissance mécanique. La capacité du système hybride à contrôler leur rotation permet de maintenir en permanence l'ICE à un régime et une charge optimale compte tenu de la puissance demandée par le conducteur et des besoins : en traction ou freinage du véhicule (couple) ; pour la charge de la batterie de traction (excédent de couple). Par ailleurs, MG2 a une capacité de traction et de régénération importante, de l'ordre de 80 % de celle de l'ICE, sur certains modèles. Le démarrage de l'ICE à une vitesse de rotation adéquate, est effectué par une combinaison de la rotation des deux moteurs électriques, en particulier par l'alimentation de MG1. L'ICE peut ainsi être arrêté lors des phases où il n'est plus utile : ralentissement, freinage, accélération modérées, arrêt du véhicule.
Depuis la sortie de la Prius II en 2004, tous les gros accessoires, compresseur de climatisation compris, sont alimentés par la batterie de traction à travers l'électronique de puissance.
Ainsi, et contrairement aux véhicules à transmission mécanique, un système hybride HSD ne contient ni alternateur (générateur de courant pour recharger la batterie ), ni démarreur (moteur à courant continu). C'est l'électronique de puissance qui, pilotée par le calculateur de traction, se charge de distribuer la puissance électrique nécessaire à la recharge des batteries.
Le relâchement total de la pédale d'accélérateur enclenche le mode générateur de MG2, la course initiale de la pédale de frein permet d'augmenter progressivement l'effet. Une partie de l'énergie cinétique du véhicule est alors convertie en énergie électrique via les roues, ce qui permet de ralentir le véhicule en rechargeant la batterie. 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 friction à commande hydraulique, qui sont également utilisés pour les freinages d'urgence — l'essentiel de l'énergie cinétique est alors dissipée sous forme de chaleur et donc gaspillée.
Les moteurs électriques : MG1 et MG2 Le moteur-générateur électrique MG1 (parfois appelé « MG-S », le S signifiant , 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 son couple et de 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) Toyota - Hybrid System Operation document, sur le site autoshop101.com. Le moteur-générateur électrique MG2 (parfois appelé « MG-T », le T signifiant , terme anglais pour « couple ») est plus puissant que MG1. En prise directe sur la transmission finale, il assure seul ou conjointement avec l'ICE, la propulsion. 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 batteries.
Ces deux moteurs sont des moteurs synchrones, contrôlés électroniquement, à haute tension (500 à selon les modèles). Ils utilisent une technologie « sans balais » (brushless) et sont dotés d’aimants permanents à haute coercitivité, à base de néodyme « Prius uses Brushless Motor », sur le site brushlesscar.com..
Ces moteurs ont, dans la Prius III, une puissance d'environ (soit ) pour MG1 et de (soit ) pour MG2.
La transmission vignette|Toyota e-CVT transmission : MG1 est à gauche, MG2 à droite, le train épicycloïdal au centre. vignette|Train épicycloïdal d'une motorisation HSD. vignette| Dessin schématique d'un train épicycloïdal à 4 satellites.
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 électriques (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, ), 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, la plupart des 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 (anglais : transaxle) du système HSD contient un train épicycloïdal qui relie les trois moteurs et ajuste le couple de l'ICE et des moteurs électriques aux besoins 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 trois 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-contre 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.
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 capteurs..
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, à 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