Il sistema Ibrido Toyota, come funziona

Una quota storica per una delle innovazioni più incisive nella storia dell’auto. Al 31 gennaio 2017  Toyota ha comunicato di aver venduto 10,5 milioni di vetture ibride. Una diffusione letteralmente costruita in due decenni di affinamento della sua tecnologia Hybrid Sinergy Drive, un sistema complesso basato sul funzionamento sinergico di un motore a benzina a ciclo Atkinson, con un gruppo di motori elettrici. Uno schema definito misto, diverso da qualsiasi soluzione di ibrido messa in atto successivamente.

Negli ibridi in parallelo il motore termico e elettrico sono entrambi preposti alla trazione del veicolo. Possono lavorare sullo stesso asse per mezzo di frizioni gestite elettronicamente, o agire sui due assi separatamente, restando collegati per il solo tramite dell’asfalto e di una buona centralina di gestione. L’ibrido parallelo permette di dimensionare accumulatori e motore elettrico non per la piena potenza di trazione ma per una frazione di essa, andando a diminuire le dimensioni ed i costi di questi componenti. Entrambe le unità possono collaborare per contribuire alla dinamicità ed avere quindi potenze paragonabili a quelle della parte termica.

Nell’ibrido in serie un motore primario produce l’energia che, a seconda delle necessità, viene immagazzinata nel sistema di accumulo o inviata direttamente al motore elettrico preposto alla trazione. A differenza del caso parallelo, la trazione è quindi unicamente elettrica e il sistema di accumulo ed il powertrain elettrico sono dimensionati per la piena potenza, mentre l’unità di produzione di energia elettrica può essere dimensionata per una frazione di essa.

Il sistema ibrido Toyota è la sintesi dei due e sfrutta un propulsore a benzina, un generatore ed un motore elettrico. Le tre unità sono collegate per il tramite di un rotismo epicicloidale. A seconda dello stato di carica della batteria e delle fasi di guida, una centralina gestisce il flusso energetico tra le unità e la trazione o il sistema di accumulo, andando di volta in volta a spostare il flusso energetico dal motore a benzina alle ruote, od al generatore elettrico, e dal sistema di accumulo al motore elettrico di trazione. In questo modo si può eliminare il cambio, che viene sostituito dal rotismo epicicloidale.

Il ciclo Atkinson

Il ciclo di funzionamento è sempre di tipo Atkinson, caratteristica comune a tutti gli ibridi marchiati Toyota-Lexus. Rispetto al classico ciclo Otto troviamo una fase di espansione virtualmente più lunga che viene ottenuta grazie alla chiusura ritardata della valvola aspirazione (resta aperta durante i primi istanti di risalita del pistone). Si ha un riflusso di una parte della miscela aria/carburante nel condotto di aspirazione riducendo così i consumi.

Sole e Satelliti

Al centro del sistema Hybrid Sinergy Drive il cambio “ECVT” che significa “Electrically Controlled Variable Trasmission” , non un semplice cambio CVT. Il suo fulcro si chiama “Power Split Device”, noto come ingranaggio “sole e satelliti” per via della similitudine degli ingranaggi satelliti che ruotano attorno ad un ingranaggio centrale, circondati da un anello dentato che definito Corona. Il motore a combustione è collegato ai satelliti che dunque trascinano tanto la corona che il sole, ma questo meccanismo epicicloidale distribuisce il 72% della coppia alla corona e il 28% restante all’ingranaggio centrale. E’ in questo punto di smistamento la chiave della duttilità del sistema Toyota.

La Corona, quella che riceva la coppia maggiore, è quella incaricata di trasferire il movimento alle ruote, mentre al sole centrale va la parte restante, in condizioni normali diretta, ad un motore elettrico ( MG1 ) che fa da generatore. Da qui in poi, lo schema Toyota si apre alle eventualità più diverse nella guida. Un secondo motore elettrico ( MG2 ) è collegato alla corona e dunque aggiunge la sua spinta al propulsore a benzina in un percorso elettrico che rende l’energia pronta per essere stoccata nella batteria e poi rimessa in circolo direttamente in trazione.e.

Piattaforma energetica

Il sistema Hybrid Sinergy Drive può quindi dirigere la coppia prodotta dal motore termico direttamente verso le ruote, oppure verso un generatore di corrente. Succede quando la vettura è ferma ma l’elettronica segnala la batteria risulta parzialmente scarica, oppure se è in movimento in modalità a zero emissioni e l’energia serve per alimentare la trazione affidata esclusivamente al motore elettrico. L’energia viene smistata, distribuita anche con combinazioni utili quando la coppia del motore a benzina è eccessiva rispetto a quella che serve per marciare. La spinta in più non viene sprecata ma diretta attraverso la trasmissione al generatore, che la utilizza per ricaricare le batterie.

Gli schemi di marcia sono molti, e fanno dell’ibrido Toyota una piattaforma energetica. In partenza si è sostenuti dal motore elettrico, c’è una doppia spinta in piena accelerazione con l’entrata in funzione del propulsore tradizionale, a velocità di crociera si ricicla l’energia meccanica in eccesso per ricaricare le batterie, mentre scatta una combinazione tra generatore vero e proprio o motore elettrico fatto funzionare come generatore per recuperare energia in decelerazione o frenata, in funzione della velocità. Viene da un sistema complesso la soluzione ideale.