Détails du nouveau groupe Motopropulseur hybride TNGA pour la nouvelle Prius 4

Le constructeur automobile japonais, Toyota, a exposé les détails techniques du nouveau groupe motopropulseur (GMP = Moteurs + Transmission+ Calculateurs), de la nouvelle Prius 4 2016.
Il est issu de la conception TNGA (Toyota New Global Architecture): le but étant de partager le plus de composants possibles entre les véhicules.

Pour pouvoir être équipé sur d’autres voitures TNGA, la nouvelle motorisation hybride est plus compacte, tout en réduisant les pertes d’énergie de 20%.

Toute fois, les ingénieurs considèrent cette nouvelle motorisation comme une « évolution normale »: le principe ICE-MG1-MG2 n’est pas modifié, les fondamentaux du programme de contrôle sont donc « presque utilisés tels quels ».

La nouvelle transmission E-CVT TNGA

Comparaison de l’architecture de transmission de Toyota Prius 3 2009 et Toyota Prius 4 2016 (source Nikkei BP)

La grande évolution provient de l’architecture des axes parallèles, alors que les 2 moteurs électriques (MG1 et MG2) de la génération précédente partagent le même axe, via un train épicycloïdal.
Ce nouvel arrangement a permis de réduire la largeur de la transmission de 47 mm (11%), passant de 409 à 362 mm.

Avec des engrenages simples, on a diminué les surfaces de contact (donc moins de frottement), tout en réduisant le nombre de composants de 80%.

• Moteur électrique (MG2 = Motor) est relié à la réduction finale via l’engrenage à axe parallèle
• Le générateur (MG1 = Generator) + moteur thermique (ICE) est relié à la réduction finale via un train épicycloïdal (pas de changement)

Comme les précédentes Prius:  Si on est peu sollicité et qu’on est  dans le régime optimal du moteur, le surplus d’énergie produit par le moteur thermique est transmis au générateur (via le train épicycloïdal) pour recharger la batterie du véhicule. Si on a une forte sollicitation, le moteur électrique (MG2) et le moteur thermique (ICE) fournissent ensemble la puissance nécessaire.

Par ailleurs, la nouvelle Prius 4 a revu le contrôle de motorisation hybride: la vitesse maximale en 100% EV passe de 70 Km/h à 110 Km/h, ce qui améliore légèrement la consommation sur route.

Un moteur électrique plus compact avec 20% de perte en moins

Moteur électrique de Toyota Prius 4 2016 (source: Nikkei BP)

Le moteur électrique de Prius 4ème génération fournit une puissance de 53 kW (72 Ch) et un couple maximal de 163 N.m,  à comparer donc avec:

• Prius 3 (2009-2015): 60 kW (81 Ch) et couple max 207 N.m
• Prius 2 (2004-2009): 50 kW et couple max 400 N.m

Si le couple a encore baissé (400, 207 puis 163 N.m), c’est pour réduire encore la taille du moteur électrique (qui est en général proportionnelle au couple, et au coût/quantité de cuivre).
Entre Prius 3 et Prius 2, la puissance a été augmentée de 10 kW, grâce à une vitesse de rotation plus élevée (rappel: Puissance = C * ω = Couple x Vitesse de rotation).

Comparatif de Transmission-Moteurs électriques Prius 2 (gauche) et Prius 3 (droite)

Cette fois ci, la vitesse de rotation est passé de 13 000 tours par minute à 17 000 tours par minute (même si ce n’est pas suffisant pour garder la même puissance).

Le facteur de remplissage de bobine du stator a donc été rehaussé de 10%: Toyota utilise désormais un fil de cuivre de section rectangulaire, et une méthode spéciale de bobinage (qui diffère de la méthode d’enroulement classique). Le poids est alors réduit de 15%, et la taille de 20%.
(il faut également noter qu’une section rectangulaire du fil de cuivre et ce type de bobinage très aéré permet sans doute un meilleur refroidissement)

Le rotor a utilisé un nouvel alliage fer-silicium pour augmenter le rendement; Toyota a également rectifié le circuit électro-magnétique pour diminuer les harmoniques, ce qui réduit les pertes électromagnétiques.

Ces mesures ont permis réduire les pertes du moteur électrique de 20%.

Nouvelles batteries NiMH et Lithium-ion: puissance électrique en hausse

Nouvelle batterie NiMH de Toyota Prius 4 (source: Nikkei BP)

La nouvelle Prius a augmenté la puissance de sortie de sa batterie, ce qui permet de faire passer plus de courant électrique dans les phases de conduite EV ou recharge.

Au niveau du choix de batterie:

• Batterie Lithium-ion: la version entrée de gamme Eco, la finition haut de gamme « A » et « A Premium ».
• Batterie NiMH: la version standard « S » et tous les finitions équipées de l’option E-Four

La nouvelle batterie NiMH a une tension de 201,6 V et une charge de 6,5 A.h, ce qui donne une capacité de 1,31 kWh.
Elle est composée de 168 accumulateurs répartis par modules de 6 accumulateurs, ce point reste identique à une Prius 3.
En revanche, les électrodes ont été modifiés pour pouvoir augmenter de 28% la puissance reçue (en recharge) et la puissance fournie (en assistance électrique).

Par conséquent, dans les phases de longues descentes, la Prius 4 est capable de régénérer davantage d’énergie électrique.

En prenant en compte le relais et le BMS (Battery Management System), la batterie NiMH a un poids de 40,3 Kg (1Kg de moins) et un volume de 35,5L (10% de moins).

Si Toyota est parvenu à intégrer le pack batterie sous la banquette arrière, c’est parce qu’ils ont réussi à miniaturiser le relais, le BMS et les câbles; et ils ont également déplacé le système de refroidissement par ventilation, sur le côté latéral du véhicule.

Batterie Lithium-ion de Toyota Prius 4 2016

Pour accompagner la hausse de puissance de la batterie NiMH, la batterie Li-ion, héritée du monospace Prius +, doit aussi être revue:

• Modification du matériau des électrodes
• Diminution de résistance interne des accumulateurs

La tension de cette batterie Lithium (composé de 56 accumulateurs) est de 201,6V, la charge est de 3,6 Ah, ce qui donne une capacité de 0,73 kWh.
En prenant en compte le relais et le BMS (Battery Management System), la batterie Lithium-ion a un poids de 24,5 Kg, soit 15,8 Kg de moins que la version NiMH.

Unité de contrôle de puissance (PCU) 33% plus compact et refroidissement double face

PCU de Toyota Prius 4 2016 (Source: Nikkei BP

Passant de 12,6L à 8,2L de volume, Toyota a réussi à le miniaturiser suffisamment pour qu’il soit intégré directement au dessus de la transmission.
Il y a désormais suffisamment d’espace, pour que la batterie auxiliaire 12V soit placée dans le compartiment moteur, au lieu d’être placé dans le sous-coffre.

Pour miniaturiser le PCU:

• Toyota a utilisé un système de refroidissement double face sur la carte de puissance (Power Cards, composée de semi-conducteurs IGBT et des diodes).
  Il s’agit d’une méthode déjà éprouvée sur Lexus LS600h 2007.
  Sur Prius 3, la carte de puissance est refroidit uniquement sur une seule face.
• Sur les précédents systèmes, les cartes de puissance sont du type « 1 in 1 », c’est à dire soit des convertisseurs passe haut soit des convertisseurs passe bas.
  Sur la nouvelle Prius 4, les ingénieurs ont développé une carte type « 2 in 1 »: une carte réunissant les 2 composants. Ce qui permet de réduire la dimension d’installation des cartes.
• Toyota a également diminué les pertes d’énergie de 20% au niveau des IGBT.
• La Prius 4 a également une seule carte de circuit de contrôle au lieu de deux: ce qui a aussi contribué à la miniaturisation du PCU.

Comparaison des cartes de puissances de Lexus 600h 2007 et de Toyota Prius 3 2009: on peut remarquer la similitude entre le système de refroidissement de LS600h et Prius 4 (voir l’image du Power Stack)

Une motorisation taillée….pour la Yaris?

En vue de tous les données, on peut se demander si tous ces efforts de miniaturisation de la motorisation hybride de Prius 4, ne serait pas une préparation pour intégrer ce bloc dans des citadines type Yaris HSD.

En effet, on sait que la Prius 4 est initiateur du programme TNGA qui, a pour but de standardiser au maximum les composants entre les véhicules de différents gammes.
Aujourd’hui, pour une question d’encombrement et de demande de puissance, il existe principalement 4 différents types de motorisations hybrides chez Toyota:

• Le bloc 1,5L HSD qui équipe les citadines (Yaris, Aqua/Prius C, Sienta, Corolla…etc) appelé segment B
• Le bloc 1,8L HSD qui équipe les compactes, break et monospace  (Prius, Auris, Lexus CT200h, Auris Touring Sport et Prius +)
• Le bloc 2,5L HSD qui équipe les véhicules du plateforme K (Toyota RAV4 et Camry, Lexus IS300h, GS300h et NX300h)
• Le bloc V6 3,5L HSD qui équipe les véhicules comme Lexus RX450h ou GS450h

Et ce matin, une idée un peu folle a traversé ma tête…
Si les ingénieurs parviennent à rendre le nouveau bloc 1,8L HSD suffisamment compact, pourquoi ne pourra-t-on pas intégrer le bloc 1,8L HSD sur la Yaris?

Cet intention expliquerait la baisse de puissance de la motorisation hybride de Prius 4, passant de 136 Ch (100 kW) à environ 122 Ch (90 kW), pour être plus proche du 100 Ch du bloc 1,5L HSD de Yaris.
De même, ça expliquerait l’intérêt de la batterie Lithium-ion qui n’est qu’une version miniaturisée de la batterie NiMH, avec des performances strictement identiques (voir légèrement inférieur, car elle ne supporterait pas l’option E-Four).

En faite, elle serait là pour être intégrée dans une citadine!
Par conséquent, quand Toyota développera la Yaris 4ème génération hybride, elle n’a plus qu’à embarquer la même motorisation que Prius 4, et il suffit d’intégrer cette batterie Lithium-ion suffisamment compacte; plus besoin de s’embêter à développer une autre batterie NiMH moins encombrant.

Et si cela s’avère vrai, ce sera une sacrée d’économie d’échelle que Toyota parvient à réaliser: elle fabriquera alors qu’UNE seule motorisation hybrides pour ses 2 plus grands marchés (compacts et citadines).

« Mesdames et messieurs, c’est sur cette révélation fracassante que je vous dis à bientôt! »