Come funziona il sistema HSD di Prius (e le altre auto ibride Toyota) 1 parte.

Dopo 6 anni di guida ibrida con Honda Insight sono passato a una PRIUS 3.
Questo — ed altri articoli che seguiranno — sono il sunto di quanto ho imparato sul powertrain di questa vettura. Particolarissimo, complesso, governato interamente dall’elettronica, efficiente ed affidabile. Questo primo articolo descrive il sistema HSD nei suoi fondamenti di base.

Il sistema Hybrid Synergy Drive (HSD) utilizzato da Toyota (ad esempio in Prius e Auris) è composto da varie istanze.

Il primo componente è un motore 1,8 a benzina a ciclo Atkinson che chiameremo da adesso in poi ICE (internal combustion engine). Il motore a benzina non è mai connesso direttamente alle ruote, il trasferimento di potenza avviene sempre tramite un motore elettrico o motore di trazione principale (che chiameremo MG2). Fa parte di HSD un ulteriore motore/generatore, più piccolo di MG2 con meno coppia ma giri di rotazione superiori, che chiameremo MG1. MG1 è anche l’unità che fisicamente “mette in moto la vettura” che parte quindi sempre in elettrico. Il deposito dell’energia elettrica accumulata dal sistema è costituito da una batteria ad alto voltaggio HVB. Per l’energia termica, è ovviamente presente un normale serbatoio di benzina. Il sistema ibrido Toyota prevede quindi (semplificando) l’uso di una unità a benzina, due motori elettrici ed una batteria ad alto voltaggio.

E’ quindi sempre il motore elettrico MG2 a muovere le ruote, tramite un particolare ruotismo epicicloidale (che chiameremo PSD) e che costituisce il “cambio” del sistema. Il “sole” è costituito da MG1 e MG2 è la corona esterna. ICE (il motore termico) è il pianeta centrale.

Il sistema HSD non ha quindi un “cambio” tradizionale, neppure automatico o CVT propriamente detto, non esiste la frizione, non ci sono le tradizionali “marce”. Neppure intese come un passaggio di rapporto continuo. La trasmissione ha un rapporto sempre fisso che non cambia mai.

Il computer di bordo utilizza il PSD per ottenere la spinta da MG2 (motore elettrico di trazione) o da ICE (motore termico) a seconda delle condizioni (posizione pedale acceleratore, pendenza, carico, stato carica batteria, temperatura ecc.). MG1 (il motore/generatore) è una sorta di “buffer” tra MG2 e ICE. Una bella simulazione e visualizzazione interattiva di come funziona il PSD è visibile qui.

Il comportamento di PSD può essere paragonato a quello di un CVT, cambio a variazione continua, ad esempio quello montato sulla ibrida Honda Insight, tuttavia PSD non è comunque un CVT propriamente detto, dato che ICE/MG1/MG2 sono connessi tra loro con un rapporto che è sempre fisso. 
Per esigenze di omologazione, Toyota ha definito il PSD come un e-CVT (electronic controlled CVT) ma è soltanto una definizione documentale.

Nella guida con PSD non esiste “cambiata” (manuale o automatica o continua che sia) e il guidatore può solo limitatamente decidere se utilizzare ICE o MG2 dato che il sistema è perfettamente in grado di gestire al meglio i flussi energetici. Non è quindi possibile durante la guida decidere di usare un motore o l’altro. Si può decidere con un apposito tasto (su alcuni modelli) di andare solo in elettrico a certe condizioni specifiche (può essere utile nei centri storici o per parcheggiare la macchina ad esempio), ma non è mai una scelta efficace in termini energetici, dato che i massimi benefici si hanno nella gestione automatica ed elettronica del sistema ibrido che a certe condizioni farà comunque marciare la vettura solo in elettrico, anche senza la selezione manuale.

Il computer che sovrintende al sistema si assicura insomma che ICE ed MG2 girino sempre al regime di massima efficienza, dove la massima coppia si genera con il minimo dell’energia. Tipicamente per MG2 da un regime pari a zero sino a moderato e per ICE da un regime moderato a quello massimo.

Ogni coppia in surplus che dovesse essere generata (dal variare delle condizioni) non è mai dispersa, ma recuperata (assieme a quella delle frenate rigenerative) e reimpiegata da MG2 (se ne fa richiesta) tramite il “buffer” di MG1 (che gira creando energia elettrica) o altrimenti salvata nella batteria ad alto voltaggio HVB per l’impiego successivo.

La Prius (mi riferisco a Prius ma anche alle altre vetture dotate di PSD, senza dubbio la Auris) è interamente “drive by wire” nel senso che i comandi non sono mai direttamente connessi fisicamente ad ICE o agli altri sistemi, ma solo elettricamente al computer di controllo, che interpreta e gestisce le richieste di potenza (o di frenata) del guidatore.

L’acceleratore è quindi un “interruttore variabile” — come quello del pedale della Playstation per capirsi — che agisce richiedendo semplicemente coppia al sistema HSD e non giri al motore. Sarà il computer a decidere — valutando tutte le variabili in gioco — da quale elemento erogare la potenza richiesta per soddisfare la richiesta del guidatore nella massima efficenza energetica. Anche la “leva” del cambio non è ovviamente una leva che aziona meccanismi, ma (si torna all’esempio della Playstation) un joystick che seleziona elettronicamente la posizione.

Alla prossima puntata con “cosa cambia con HSD nella guida quotidiana?”