Hybrid Synergy Drive

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Le terme Hybrid Synergy Drive (HSD) désigne un ensemble de technologies utilisées dans les automobiles hybrides développées par Toyota. Elles sont installées dans certains modèles de Toyota, notamment les Toyota Auris et Prius, ainsi que dans certains modèles de la marque Lexus. Cette technologie a aussi été vendue par Toyota à Nissan pour la Nissan Altima hybride. La technologie HSD est le cœur d’un véhicule « Full-Hybrid » (appelé également : hybride "série-parallèle") qui permet à l'automobile d'être propulsée uniquement par le moteur électrique, au contraire d'autres véhicules dits « Mild Hybrids » qui en sont incapables et ne sont donc considérés que comme des hybrides partiels. Elle intègre aussi un second moteur électrique associé à un train épicycloïdal qui fonctionnent comme un variateur de vitesse mécanique. Le Synergy Drive est un système à contrôle électronique, sans liaison mécanique entre le moteur et les commandes : l'accélérateur et le levier de vitesse envoient des signaux électriques à un ordinateur qui pilote les moteurs.

Du TSD au HSD

Le HSD^[1] 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 HSD en vue de son utilisation en dehors de la marque Toyota (notamment pour la marque Lexus qui a elle-même renommé ses systèmes dérivés du système HSD en Lexus Hybrid Drive depuis 2006). Le système HSD a été conçu pour être plus puissant, plus performant et plus efficace que le THS^[2]. Il a été introduit sur les modèles de Lexus à transmission intégrale et à propulsion^[3],[4]. En mai 2007 Toyota avait vendu un million de véhicules hybrides dans le monde entier, et deux millions à la fin du mois d'août 2009^[5]. En 2009 les véhicules hybrides conçus par Toyota constituent environ 75 % des ventes de véhicules hybrides aux États-Unis^[6].

Principes

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 couples et de vitesses. Dans une motorisation traditionnelle, le vilebrequin est généralement attaché à une boite de vitesse 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 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).

Sources d'énergie

Système HSD avec moteur thermique et moteurs-générateurs électriques.

Unité haute tension d'un système HSD.

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, ensembles 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 conditionné si nécessaire) est alors 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 arrières du véhicule (tambours ou disques selon les modèles), 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)^[7].

Le moteur-générateur électrique MG2 (parfois appelé « MG-T », le T signifiant torque, terme anglais pour « couple ») est plus puissant. 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 batteries^[7].

Ces 2 moteurs ont une puissance totale d'environ 80 chevaux soit 59 kW (Prius III).

La transmission

Toyota e-CVT transmission : MG1 est à gauche, MG2 à droite, le train épicycloïdal au centre.

Train épicycloïdal d'un moteur HSD.

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 (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 2 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-contre représentant le train épicycloïdal d'un moteur HSD à 2 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^[8].
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 HSD fonctionne en distribuant le courant électrique issu des batteries vers les deux moteurs-générateurs, avec pour objectif d'atténuer la charge supportée par l'ICE. De ce fait, étant donné qu'un apport de puissance électrique peut être assuré par les moteurs électriques pendant les phases d'accélération, la puissance de l’ICE peut être adaptée à la charge moyenne du véhicule plutôt qu'aux pics de puissance nécessaires lors de fortes accélérations ; l’ICE peut donc avoir une puissance maximale plus faible que le moteur d'un véhicule non hybride de classe équivalente. Il est ainsi possible d'optimiser le rendement de l'ICE : la majorité du temps, il peut être utilisé à un régime proche de l'optimal en termes de puissance, de couple, de consommation et d'émissions, les batteries et moteurs électriques absorbant ou délivrant l'énergie supplémentaire nécessaire aux demandes du conducteur. Les moteurs-générateurs pouvant assurer seuls le déplacement du véhicule à faible vitesse et permettant à tout moment le démarrage de l'ICE, ce dernier peut être arrêté lors de certaines phases de conduite, ce qui réduit encore la consommation.

La combinaison d'une conception efficace du véhicule et de l'ICE, du freinage dynamique, de l'arrêt de l'ICE pendant les pauses et du stockage de l'énergie électrique apporte aux véhicules équipés de système HSD des avantages significatifs en termes d'efficacité énergétique par rapport à un véhicule à motorisation traditionnelle. Ce gain d'efficacité est particulièrement visible lors de la conduite en ville. Il nécessite cependant un apprentissage de la part du conducteur, qui doit adapter son style de conduite à la conception du système hybride.

Les phases de fonctionnement

Système HSD installé sur un véhicule.

Le système HSD opère de façons différentes selon les phases de circulation, la vitesse et le couple demandés :

Démarrage

Pour démarrer l'ICE, l'énergie électrique est envoyée des batteries vers MG1 afin que celui-ci agisse comme un démarreur. Du fait de la taille moteurs-générateurs, démarrer l'ICE ne nécessite que peu de puissance de la part de MG1, et le bruit lors du démarrage est quasiment inaudible en comparaison de celui du démarreur d'un véhicule à motorisation traditionnelle. La mise en route de l'ICE peut avoir lieu aussi bien à l'arrêt du véhicule qu'en roulant.

Déplacement à vitesse faible

Pendant les accélérations à faible vitesse, l'ICE tourne, en général, plus rapidement que les roues mais ne développe pas suffisamment de couple. Le surplus de vitesse alimente MG1, qui fonctionne en générateur, alimentant les batteries et MG2. Ce dernier fonctionne en moteur afin de compléter le besoin en couple de l'arbre de transmission.

Déplacement à vitesse élevée

À haute vitesse, l'ICE tourne plus lentement que les roues mais développe plus de couple que nécessaire, qui est utilisé par MG2, qui fonctionne alors en générateur, produisant alors de l'électricité. Celle-ci alimente les batteries et MG1, qui fonctionne en moteur pour augmenter la vitesse des roues. En régime continu, l'ICE fournit l'essentiel de la puissance nécessaire à la propulsion du véhicule, le supplément (pendant une forte accélération, ou pour gravir une forte pente), étant fournit par MG1 alimenté par les batteries. Lorsque la puissance de propulsion requise change, les batteries la rééquilibrent rapidement, ce qui permet à l'ICE de changer de régime relativement lentement ce qui limite la consommation.

Marche arrière

La marche arrière fonctionne en mode pur électrique ; il n'y a pas de "marche arrière" au sens habituel du terme (boîte de vitesses conventionnelle) : l'ordinateur alimente MG2 de façon à entrainer les roues motrices dans le sens opposé. Les premiers modèles ne fournissaient pas suffisamment de couple dans certaines situations : certains utilisateurs des premières Prius ont rapporté n'être pas capables de franchir en marche arrière certaines collines pentues de San Francisco. Le problème a été résolu avec les modèles ultérieurs. Si les batteries sont faiblement chargées, le système peut utiliser l'ICE entrainer MG1, qui fonctionne alors en générateur pour fournir l'énergie manquante à MG2.

Mode silencieux (« mode furtif », ou « electric vehicle », EV)

À faible vitesse et couple modéré, le système HSD peut fonctionner sans utiliser l'ICE : de l'électricité est fournie seulement à MG2, l'ICE est alors découplé des roues et peut être arrêté. Ce mode est communément connu sous le nom de stealth mode, « mode furtif ». Certains véhicules équipés d'un système HSD (notamment la Prius) permettent d"imposer l'utilisation de ce mode, appelé alors mode EV, pour electric vehicle (véhicule électrique). Selon la charge des batteries, le type de trajet et le style de conduite, le véhicule peut rouler dans ce mode silencieux jusqu'à plusieurs kilomètres sans consommer de carburant.

Point mort

Dans la plupart des pays, la réglementation impose que les transmissions automobiles possèdent un point mort où que le moteur soit découplé de la transmission. La position N (Neutre) du levier de vitesse permet d'activer ce mode. Le point mort du système HSD est obtenu en éteignant les moteurs électriques. Dans ces conditions, si les roues du véhicule ne sont plus en mouvement, le train épicycloïdal est stationnaire. La couronne du train épicycloïdal l'est également, et donc le pignon central aussi : les satellites sont gardés stationnaires par l'inertie de l'ICE, sauf à grande vitesse. MG1 est alors en roue libre, et aucune puissance n'est dissipée.

Système HSD d'une Lexus (système Lexus Hybrid Drive).

Freinage dynamique

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.

Freinage moteur

Le système HSD possède un mode de transmission spécial, libellé B (pour Brake, freinage), qui joue le rôle du mode L des véhicules à transmission automatique traditionnels, destiné à augmenter le frein moteur sur les routes à forte pente. Ce mode peut être sélectionné manuellement à la place du freinage dynamique. Pendant le freinage, lorsque les batteries atteignent un niveau de charge potentiellement nocif, le système de contrôle électronique passe automatiquement en freinage moteur traditionnel, récupérant de l'énergie via MG2 pour l'envoyer à MG1, accélérant l'ICE, dont le papillon des gaz est fermé. Celui-ci absorbe alors l'énergie, et le véhicule décélère.

Puissance additionnelle fournie par le moteur électrique

Les batteries constituent un réservoir d'énergie qui permet à l'ordinateur de gérer l'ICE suivant une courbe de charge optimale, prédéterminée, plutôt que de faire opérer celui-ci suivant le couple et la vitesse demandés par le conducteur et la route. L'ordinateur gère le niveau d'énergie stockée dans les batteries, pour avoir la capacité d'absorber un surplus d'énergie ou de fournir davantage d'énergie aux moteurs-générateurs afin d'épauler l'ICE, selon le besoin.

Charge de la batterie

Le système HSD peut charger la batterie sans que le véhicule ne roule, en faisant fonctionner l'ICE et en récupérant l'énergie électrique generée par MG1. La puissance est alors entièrement envoyée vers les batteries, et aucun couple n'est appliqué aux roues.

Performances

Les Toyota Prius

Les Toyota Prius autorisent des accélérations raisonnables, comparables aux autres berlines de cette catégorie, mais elles offrent surtout une très grande efficacité énergétique. La consommation de la Prius III est généralement inférieure à 5 l/100 km pour des trajets urbains. Des consommations inférieures à 4 l/100 km ne sont pas inhabituelles, particulièrement pour des trajets longs à vitesse modérée (un trajet plus long permet à l'ICE de chauffer complètement). C'est un rendement approximativement deux fois supérieur à celui d'une berline de classe équivalente doté d'un moteur à essence conventionnel.

L'efficacité de la Prius n'est pas uniquement due au système HSD : l'ICE à cycle d'Atkinson, par opposition au cycle d'Otto utilisé dans la plupart des moteurs traditionnels, est conçu spécifiquement pour améliorer l’efficacité énergétique du moteur thermique grâce à un vilebrequin décalé afin d'accroître le taux de détente pendant la phase de combustion, et grâce à un système d'admission spécifique limitant la perte d'énergie causée dans un moteur classique par la dépression dans les cylindres lors de la phase d'admission. Le cycle d'Atkinson récupère plus d'énergie par cycle que le cycle d'Otto, du fait d'une phase de combustion plus longue. L'inconvénient du cycle d'Atkinson est un couple plus faible, en particulier à faible vitesse ; mais le MG2 du système HSD est capable de compenser par un très fort couple à basse vitesse.

La Toyota Highlander Hybrid

Le Toyota Highlander Hybrid offre des performances en accélération supérieures à la version non-hybride. Le modèle hybride passe de 0 à 60 mph (96,6 km/h) en 7,2 s, soit près d'une seconde de moins que la version conventionnelle. Le modèle hybride développe 268 cv, contre 215 pour la version non-hybride. Enfin, la consommation du modèle hybride est estimée par l'Environmental Protection Agency entre 7.6 et 8,7 l/100 km, tandis que celle du modèle conventionnel est estimée entre 9.4 et 12,4 l/100 km.

Les économies de carburant

Vue interne du système HSD.

L'économie de carburant du système HSD dépend des conditions d'utilisation de l'ICE : la conduite doit prendre en compte un certain nombre d'éléments.

Chauffage de l'habitacle

Le fait de chauffer l'habitacle pour le confort des passagers est en contradiction avec les principes du système HSD : celui-ci est optimisé pour minimiser les pertes de chaleur, alors que l'énergie perdue sous forme de chaleur est utilisée pour chauffer en hiver l'habitacle des véhicules à motorisation traditionnelle. Pour la Toyota Prius, l'activation du chauffage oblige le moteur thermique à fonctionner en continu afin de produire la chaleur permettant le chauffage de l'habitacle. Cet effet est plus prononcé lorsque l'on éteint le contrôle électronique de la climatisation ou lorsque le véhicule est à l'arrêt : en l'absence de chauffage, le système de contrôle du HSD éteindrait l'ICE, quand il n'est pas nécessaire, et ne le redémarrerait que lorsque la voiture repart et atteint la vitesse limite du moteur électrique.

Accélération modérée

Puisque les véhicules hybrides peuvent réduire le régime de l'ICE ou même le couper complètement lors d'une accélération modérée, ils sont plus sensibles que les véhicules conventionnels au style de conduite. En particulier, de fortes accélérations obligent l'ICE à produire une puissance importante tandis que des accélérations douces nécessitent une moindre puissance de l'ICE avec une efficacité plus grande, celle-ci étant augmentée par l'apport d'énergie électrique.

Freinage progressif

Le freinage dynamique réutilise l'énergie du freinage, mais ne peut absorber l'énergie aussi rapidement que des freins traditionnels. Le freinage progressif récupère l'énergie pour sa réutilisation, ce qui permet de réduire la consommation ; un freinage « violent » gaspille l'énergie en chaleur, comme pour un véhicule conventionnel. L'utilisation de la position B (braking, freinage) de la boîte de vitesse automatique peut être utile dans des descentes longues afin de réduire l'échauffement et l'usure des freins conventionnels, mais il ne récupère pas plus d'énergie^[9]. L'utilisation continue du mode B est déconseillée par Toyota car elle pourrait entraîner une usure excessive de certains engrenages^[10].

Les batteries

Batterie Ni-MH de la Prius II.

Les batteries de la plupart des systèmes HSD sont conçues pour un apport maximal d'énergie pendant une seule accélération, départ arrêté, jusqu'à la vitesse maximale du véhicule. Si la demande dure plus longtemps, les batteries peuvent se vider complètement, et il n'est plus possible d'apporter de couple supplémentaire. La puissance du système est alors limitée à celle du moteur thermique. Cela peut entraîner dans certains cas, une baisse importante de performance. Ainsi, les premiers modèles de Prius pouvaient atteindre 140 km/h dans une pente de 6°, mais après une montée de 600 m la batterie était vide et le véhicule peinait à atteindre 90 km/h tant que la batterie n'était pas rechargée par un trajet dans des conditions plus favorables à la récupération d'énergie.

Evolutions des systèmes HSD

Historique des modèles hybrides Toyota et Lexus

Premières générations de motorisation Toyota hybride : THS (Toyota Hybrid System), THS2 et HSD à deux roues motrices.

Les principes de base de la conception des systèmes THS (Toyota Hybrid System) puis HSD n'ont pas changé depuis l'introduction sur le marché japonais de la Toyota Prius en 1997, mais ont connu un certain nombre d'ajustements. Le schéma ci-contre illustre les trajets des flux de puissance entre les moteurs-générateurs électriques MG1 et MG2, l'ICE et les roues, connectés via les divers pignons du train épicycloïdal : S = le pignon central (Sun gear), C = les satellites (planetary Carrier), R = la couronne (Ring gear).

La capacité des batteries a vu une amélioration continue depuis les premières Prius. Celles-ci utilisaient des modules constitués d’accumulateurs D de 1,2 V assemblés sous un film plastique. Les véhicules suivants ont utilisé des modules de batteries personnalisés de 7,2 V montés dans un boîtier adapté.

D'abord nommé « système hybride Toyota » (THS, Toyota Hybrid System) pour les premières générations de Prius, le système hybride connut une première amélioration avec le THS II pour les Prius de 2004. Les versions suivantes furent renommées HSD en vue de fournir des constructeurs de marque différente. Les moteurs du système THS étaient directement alimentés par les batteries : tension entre 276 et 288 V. Le système HSD possède un convertisseur continu-continu permettant d'augmenter la tension issue des batteries à plus de 500 V, ce qui permet à la fois d'utiliser des câbles électriques de section plus faible et des moteurs plus puissants.

Bien qu'il ne fasse pas à proprement parler partie intégrante du système HSD, tous les véhicules HSD depuis la Prius de 2004 possèdent un compresseur électrique dédié à la climatisation, en lieu et place du traditionnel système de climatisation relié par courroie au moteur thermique (ICE). Il n'est alors plus nécessaire de faire fonctionner continuellement l'ICE pour refroidir l'habitacle. Deux radiateurs électriques dotés de thermistances à coefficient de température positif sont ajoutés afin de compléter la chaleur procurée par l'ICE^[11].

Toyota hybride de seconde génération : motorisation HSD avec 2 trains épicycloïdaux.

Système HSD/LHD de troisième génération (Lexus).

En 2005, les Lexus RX 400h et Toyota Highlander Hybrid intègrent une motorisation à quatre roues motrices grâce à l'addition d'un troisième moteur électrique (MGR, pour Motor-Generator Rear, moteur-générateur arrière) sur l'essieu arrière. Cet essieu est alors exclusivement mû par l'énergie électrique et il n'y a pas de lien mécanique entre l'ICE et les roues arrières. Ce moteur-générateur supplémentaire permet également d'utiliser le freinage dynamique sur les roues arrières. Enfin, MG2 est relié à l'essieu des roues avant par un second train épicycloïdal, ce qui rend possible l'augmentation de la puissance du moteur^[2]. Un système hybride similaire a été développé par Ford : le Ford Escape Hybrid (en).

En 2006 et 2007, une autre évolution du système HSD est appliquée aux berlines Lexus GS 450h et Lexus LS 600h, sous le nom de Lexus Hybrid Drive. Ce système utilise deux embrayages^{[pas clair]} pour permettre une réduction du rapport des vitesses de rotation entre le second moteur et les roues de 3.9 à 1.9, respectivement à bas et à haut régime. L'énergie circulant entre MG1 et MG2 (ou vice versa) à haute vitesse est alors réduite, ce qui augmente l'efficacité de la transmission car le rendement de ce circuit électrique n'est que de 70 %. Le second train épicycloïdal est transformé en train planétaire Ravigneaux (en) à quatre arbres, dont deux peuvent être mis à l’arrêt par un embrayage verrouillable. Les systèmes des GS 450h et LS 600h utilisent respectivement une transmission arrière et une transmission à quatre roues motrices, et ont été conçus pour que les versions hybrides de ces modèles soient plus puissants que les versions non-hybrides^[3],[4], tout en fournissant une consommation comparable^[12].

Prochaines générations

En février 2007, le CEO de Toyota, Katsuaki Watanabe avait indiqué dans une interview que Toyota projetait de « réduire de moitié à la fois la taille et le coût de la batterie des systèmes HSD de troisième génération »^[13]. Il était alors envisagé que les futures hybrides Toyota soient dotées de batteries lithium-ion. Celles-ci possèdent une plus grande capacité énergétique à poids égal, mais coûtent plus que les NiMH, opèrent à plus haute température et peuvent être sujettes à des instabilités thermiques si elles ne sont pas fabriquées et contrôlées correctement, ce qui peut poser des problèmes de sécurité^[14], finalement, la Prius III sera commercialisée en 2009 avec une batterie NiMH^[15].

Au salon automobile de Francfort en septembre 2011, Toyota a annoncé et présenté une Prius hybride rechargeable (plug-in) équipée d'une batterie lithium-ion de 4.4 kWh qui autorise jusqu'à 23 km d’autonomie en mode électrique^[16]. Ce modèle est équipé des mêmes moteurs et d'un système HSD très proche de celui la Prius III ; il doit être commercialisé au premier semestre 2012 en Europe, au Japon et aux USA.

Liste des véhicules équipés de la technologie HSD

La liste suivante recense les véhicules équipés de la technologie HSD ou assimilée (Toyota Hybrid System I/II (THS), Lexus Hybrid Drive (LHD)) :

• Toyota Prius avec THS de décembre 1997 à octobre 2003 et avec THS II depuis octobre 2003 ;
• Lexus RX 400h (Toyota Harrier Hybrid au Japon), depuis mars 2005 ;
• Toyota Highlander Hybrid avec THS de juillet 2005 à septembre 2008 et avec THS II depuis octobre 2008 ;
• Lexus GS 450h, depuis mars 2006 ;
• Toyota Camry Hybrid, depuis mai 2006 ;
• Lexus LS 600h/LS 600h L, depuis avril 2007 ;
• Ford Escape Hybrid, depuis 2005 ;
• Nissan Altima Hybrid, depuis 2007 ;
• Lexus RX 450h, depuis 2009 ;
• Lexus HS 250h, depuis 2009 ;
• Lexus CT 200h (en), depuis fin 2010 ;
• Toyota Auris, depuis juillet 2010.

Autres motorisations hybrides

Le Lexus Hybrid Drive est une extension du HSD pour les Lexus.

Le moteur issu de la ’'Global Hybrid Cooperation (en) conçu par General Motors, Daimler et BMW est similaire au HSD au sens où il combine la puissance d'un moteur à explosion et de deux moteurs électriques. En 2009, la Presidential Task Force on the Auto Industry (en), impliquée dans la gestion de General Motors et de Chrysler, a considéré que « General Motors [était] au moins une génération derrière Toyota en ce qui concerne le développement de motorisations vertes avancées »^[17].

Ford : Ford a développé indépendamment en 2004 un véhicule avec une technologie similaire au HSD, le Ford Escape Hybrid#Hybrid (en). Ford utilise pour ce système des technologies issues de 21 brevets de Toyota, obtenus en échange de brevets liés à ses technologies de contrôle de pollutions^[18]. Ce système est installé dans le SUV Ford Escape^[19] et la berline Ford Fusion Hybrid, mise sur le marché aux États-Unis en mars 2009.

Honda : Les Honda Civic hybride et Honda Insight utilisent un moteur thermique plus traditionnel et une transmission où le volant d'inertie est remplacé par un moteur électrique de faible puissance (environ 10 kW), ce qui permet de réduire la complexité du moteur et de faciliter son entretien du fait de sa conception plus classique.

Nissan : Nissan à licencié la technologie HSD de Toyota pour son utilisation dans la Nissan Altima hybride (commercialisée aux États-Unis, utilisant le même système HSD que la Toyota Camry hybride). Commercialisée fin 2011 au Japon, le Nissan Infiniti M35h utilisera un système différent avec un moteur électrique de 50 kW et deux embrayages.

Mazda : En 2009, Toyota et Mazda ont annoncé un accord de fourniture de la technologie hybride de Toyota issue de la Prius^[20].

Modifications en après-vente

Certains prototypes de véhicules hybrides rechargeables sont basés sur la modification du système HSD de Prius modèles 2004 et au-delà. Des véhicules HSD convertis et équipés de batteries au plomb par CalCars (en) ont parcouru jusqu'à 16 km en mode électrique uniquement (contre environ 2 km pour le véhicule d'origine) et 32 km en mode mixte. Le système HSD de ces véhicules est quasiment inchangé, la modification consistant essentiellement à remplacer les batteries NiMH d'origine par des batteries à plus grande capacité et à ajouter un chargeur permettant de les recharger depuis une prise électrique.

Controverses

À l'automne 2005, la compagnie "Antonov Automotive Technology BV Plc" a accusé Toyota, maison-mère de la marque Lexus, de violation de brevets pour des composants-clés des transmissions de la Lexus RX 400h et de la Toyota Prius. Après un échec des négociations à l'amiable, Antonov a porté l'affaire devant la justice allemande (Antonov possédant des brevets équivalents dans différents pays), demandant à ce qu'une taxe soit imposée sur chaque véhicule vendu — ce qui rendrait les SUV hybrides moins compétitifs. Toyota, quant à elle, a cherché à invalider, officiellement, les brevets d'Antonov.

Le 1^er septembre 2006, Antonov annonce que la cour fédérale des brevets de Munich n'a pas suivi ses réquisitions^[21] et quelques jours plus tôt, un tribunal de Düsseldorf a estimé que la motorisation de la Toyota Prius ne violait pas le brevet de motorisation hybride d'Antonov^[22].

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Automobile hybride électrique
• Véhicule hybride
• Véhicule hybride rechargeable
• Véhicule électrique
• Moteur à explosion
• Toyota Prius

Sources

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Hybrid Synergy Drive » (voir la liste des auteurs)

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