Il Power Split System: perché ha reso l'ibrido Toyota senza rivali?

Ciò che rende l'ibrido di Toyota imbattibile non è il motore elettrico o la batteria da soli, ma il gruppo trasmissibile power-split che divide e ricombina la potenza dei due motori attraverso un unico treno epicicloidale. Questa architettura compensa in un solo meccanismo i punti deboli degli ibridi serie e parallelo, dando al veicolo la capacità di muoversi senza soluzione di continuità con il motore a benzina, il motore elettrico o una combinazione dei due. Nel 1997 questo sistema debuttò su strada con la prima Prius ibrida prodotta in serie, ed è ancora oggi la soluzione che il settore considera il riferimento.

Serie, parallelo e power-split: qual è la differenza tra le tre architetture?

Per comprendere i gruppi ibridi è necessario distinguere le tre architetture fondamentali. Nell'ibrido serie le ruote girano solo elettricamente; il motore a combustione interna alimenta il generatore e l'energia elettrica va al motore. Anche il primo esempio a comparire sulla scena storica fu questo schema: Ferdinand Porsche progettò l'Egger-Lohner C.2 nel 1898, nel 1900 presentò la Lohner-Porsche elettrica con motori ruota applicati alle ruote anteriori e nel 1901 la Lohner-Porsche Mixte Hybrid , che univa hub drive e motore a benzina, divenne il primo veicolo ibrido prodotto in serie. Nel 1902 Porsche vinse persino l'Exelberg Rally con questo veicolo. Ma il prezzo dell'architettura serie è evidente: l'energia viene trasportata alle ruote non meccanicamente ma elettricamente, e ogni conversione genera perdite.

Nell'ibrido parallelo il motore a combustione interna e quello elettrico condividono un albero di uscita comune; possono spingere le ruote da soli o insieme. Questa configurazione utilizza generalmente una batteria più piccola rispetto al serie e si carica con la frenata rigenerativa. Poiché il collegamento meccanico è preservato, la perdita di efficienza è limitata; in compenso i regimi del motore e delle ruote sono legati tra loro e mantenere il motore nel suo intervallo di funzionamento più efficiente diventa difficile.

L'architettura power-split è una via di mezzo tra le due: al percorso parallelo viene aggiunto un dispositivo di divisione della potenza e si aprono più percorsi di potenza dal motore a combustione interna alle ruote. Motore, generatore e motore di trazione possono funzionare indipendentemente (decuplati); il sistema, comportandosi secondo le condizioni come serie o come parallelo, mantiene l'efficienza nella guida mista. La caratteristica distintiva fondamentale è il cambio elettricamente variabile continuo che mantiene il motore nell'intervallo efficiente, ovvero l'eCVT.

Il progetto G21: dall'obiettivo dei 20 chilometri alla decisione ibrida

La nascita del sistema di Toyota non derivò da una mossa ingegneristica, ma da uno studio di visione. Nell'estate del 1993, su sollecitazione del presidente onorario Eiji Toyoda, iniziò lo studio per la progettazione di un veicolo per il XXI secolo; nel settembre 1993 il nome in codice G21 (Unione tra Globo e il XXI secolo) fu avviato il progetto. Il team, composto da 10 ingegneri e designer, si poneva l'obiettivo di un'efficienza del carburante di 20 km/litro. Nel febbraio 1994 il progetto fu ufficialmente istituito, guidato da Takeshi Uchiyamada, che in seguito sarebbe diventato presidente di Toyota.

Nel novembre 1994 la situazione cambiò. Il vice direttore generale responsabile della tecnologia, Akihiro Wada, ordinò di trasformare il progetto in un ibrido, precisando che in caso contrario il progetto sarebbe stato annullato. L'obiettivo era raddoppiare l'efficienza prevista e, secondo la valutazione del team, l'unico modo per raggiungerla era la tecnologia ibrida. Un dettaglio degno di nota: gli stessi membri del team G21 consideravano allora l'ibridazione una tecnologia non dimostrata che non sarebbe maturata entro l'inizio del XXI secolo. L'ordine cambiò questa convinzione.

Il team esaminò i sistemi per circa sei mesi e scelse la configurazione a due motori per il potenziale di elevata efficienza del carburante. La conseguenza più radicale di questa scelta era la seguente: si presumeva che il cambio convenzionale sarebbe scomparso completamente. Nel giugno 1995 arrivò l'approvazione formale per il veicolo di produzione: motore, motori-generatori e inverter sarebbero stati sviluppati internamente, mentre per la batteria si sarebbe collaborato con la Matsushita Battery Industrial. Nell'agosto 1995 Hiroshi Okuda divenne presidente di Toyota, un punto di svolta per lo sviluppo dell'ibrido.

Toyota Hybrid System: come funziona il Training ad attuatore pneumatico a sblocco rotante

Nel marzo 1997 Toyota annunciò di aver completato il Toyota Hybrid System(THS), con motore elettrico e generatore integrati e ripartizione della potenza. Al centro del sistema c'era il dispositivo di ripartizione della potenza con ruotismo epicicloidale: questo meccanismo collegava i due motori-generatori al motore a combustione interna e ripartiva la potenza del motore tra la trazione delle ruote e la generazione di elettricità. Il fatto che gli alberi di ingresso e di uscita si trovassero sullo stesso piano garantiva compattezza; il motore di trazione aumentava la potenza del motore e, in decelerazione, funzionava da generatore ricaricando la batteria; il secondo motore produceva elettricità grazie alla potenza del motore a combustione interna, controllava la trasmissione e svolgeva anche la funzione di motorino di avviamento. Tra la batteria e i motori fu collocato un inverter.

Oggi Hybrid Synergy Drive (HSD), il sistema è la versione raffinata del THS della Prius 1997-2003. Il sistema di seconda generazione debuttò sulla Prius 2004 e il cambio di nome rifletteva l'aspettativa che la tecnologia si aprisse oltre il marchio Toyota; il sistema fu applicato anche a Camry e Highlander nel 2006. Nell'HSD il cambio convenzionale, l'alternatore e il motorino di avviamento sono sostituiti da MG1, MG2, dall'elettronica di potenza composta da tre inverter DC-AC e due convertitori DC-DC, dal controllo informatizzato e da una batteria ad alta tensione.

La divisione del lavoro tra i due motori-generatori è chiara:

• MG1: Motore che avvia il motore a combustione interna e generatore che ricarica la batteria; regolando la produzione di elettricità controlla di fatto il CVT del trasmissale.
• MG2: Motore di trazione principale e generatore della frenata rigenerativa; generalmente è più potente.

Il ruotismo epicicloidale svolge una funzione simile a un CVT e Toyota designa il sistema, ai fini normativi, come e-CVT classifica nella categoria. L'HSD è un full hybrid: il veicolo può muoversi solo con il motore elettrico - la maggior parte dei rivali ibridi non può farlo e viene pertanto considerata mild hybrid. Il sistema si è evoluto anche tra le generazioni: nella 1a e 2a generazione MG2 era collegato direttamente alla corona dentata (1:1, senza moltiplicazione di coppia); nella 3a generazione è stato collegato con un set di ingranaggi planetari di 2,5:1, rendendo possibile un MG2 più piccolo ma più potente. Sul fronte batteria, la Prius di 1a generazione utilizzava 228 celle e 38 moduli, mentre la 2a e 3a generazione sono passate a 28 moduli NiMH prismatici Panasonic con tensione nominale di 201,6 V; l'elettronica mantiene la carica solo nell'intervallo 40-80% per la durata della batteria.

Perché Honda ha scelto una strada diversa? La scelta del parallelo IMA

Mentre Toyota investiva nella divisione di potenza a due motori, Honda adottò una soluzione che privilegiava semplicità ed equilibrio dei costi. Il primo ibrido di serie di Honda, Insight fu lanciato sul mercato nel 1999 ed era dotato del sistema ibrido parallelo Integrated Motor Assist (IMA). Nell'IMA il motore elettrico condivide un albero di uscita comune con il motore a benzina; a differenza dell'ibrido serie, il motore a benzina può muovere da solo le ruote. Era un veicolo arrivato dopo la Prius del 1997 e classificato come mild hybrid con sistema parallelo.

Il risultato fu la prima grande divergenza architetturale del mercato ibrido. Toyota aveva scelto un sistema con numero elevato di componenti e controllo complesso, mirando al limite superiore dell'efficienza; Honda preferì una configurazione che offriva un'efficienza ragionevole con meno parti. L'IMA fu utilizzato per circa sei generazioni e l'evoluzione ibrida di Honda giunse col tempo all'attuale sistema e:HEV Tuttavia, l'impossibilità di guidare in modalità completamente elettrica collocò l'IMA in una categoria tecnicamente più limitata rispetto all'HSD: come la maggior parte degli ibridi diversi dall'HSD, anche l'IMA non può partire solo con l'elettrico.

Dopo il 1997: come l'architettura di divisione di potenza ha modellato il mercato?

Presentata nel dicembre 1997, Prius entrò anche nella lista IEEE Milestone come prima automobile ibrida prodotta in serie al mondo. Quella che seguì è una storia di scala: Toyota superò 1 milione di vendite ibride a maggio 2007, 2 milioni alla fine di agosto 2009 e 5 milioni a marzo 2013; a marzo 2013 gli USA rappresentavano il 38% delle vendite ibride globali. La Prius è oggi alla sua quinta generazione di produzione.

L'architettura di divisione di potenza non rimase comunque una soluzione chiusa dentro Toyota. La tecnologia HSD fu concessa in licenza a Nissan per l'Altima Hybrid; Aisin offrì trasmissioni ibride simili ad altri costruttori. Lo stesso sistema fu adattato alla trazione elettrica della Mirai e alla Prius Plug-in Hybrid; le versioni Lexus portano il nome Lexus Hybrid Drive La divisione di potenza divenne standard anche in altri marchi: in confronti recenti, nei sistemi di GM, Toyota, Dongfeng e Great Wall il meccanismo a ingranaggi planetari è ancora in prima linea e collega il sole al motore MG1. Persino nei veicoli dell'anno modello 2026 (ad esempio RAV4 XA60) continuano le opzioni di batteria NiMH e al litio.

Autonomia elettrica e limiti pratici

L'HSD standard offre una modalità EV con guida completamente elettrica sotto i 40 km/h se la batteria ha carica sufficiente, circa 1,6 km Per un'autonomia elettrica maggiore serve un'architettura separata: Prius Plug-in Hybrid, con una batteria li-ion da 4,4 kWh e 80 kg di peso, offre secondo la misurazione EPA 18 km di autonomia elettrica. Va chiarita anche una domanda frequente sulla batteria: l'HSD non può funzionare senza computer, elettronica di potenza, batteria e motori-generatori; in compenso, in linea di principio può muoversi anche senza il motore a combustione, in pratica in caso di emergenza il veicolo può percorrere una breve distanza solo a benzina.

Guardando da oggi: perché la ripartizione di potenza è ancora rilevante?

Si osserva che, quando la transizione verso i veicoli elettrici a batteria completa rallenta, i consumatori si orientano verso l'ibrido, e Toyota ha un dettaglio produttivo che la rafforza in questo contesto: può produrre le sue ibride sulle stesse linee di montaggio delle linee benzina e plug-in, regolando la produzione in tempo reale in base alla domanda. Ancora più notevole dal punto di vista ingegneristico è l'età del sistema. Lo schema a due motori scelto nel 1994 con sei mesi di analisi funziona, anche tre decenni dopo, con lo stesso principio nel suo meccanismo centrale - ingranaggio planetario, due motori-generatori ed elettronica di potenza. Negli archivi dei brevetti è possibile trovare studi dettagliati sulla progettazione dell'ingranaggio planetario e sugli schemi di ripartizione della potenza multimore; tuttavia è difficile affermare che la diffusa narrazione secondo cui Toyota avrebbe bloccato il suo sistema di ripartizione della potenza con un singolo brevetto si fondi su un singolo e diretto atto di brevetto - la forza del sistema deriva più dall'insieme dei componenti e dalla scelta architetturale che vi si è insediata che da un singolo documento. Ed è proprio questa scelta a rappresentare uno dei punti di svolta più decisivi della storia dell'ibrido: il meccanismo giusto ha trascinato con sé il resto della tecnologia.

Fonti

• The Story Behind the Birth of the Prius, Part 1
• Item 1. Development of Prius and Hybrid Strategy
• Hybrid Synergy Drive
• Hybrid vehicle drivetrain
• Milestones: Toyota Prius, the World's First Mass-Produced Hybrid Vehicle, 1997
• Series vs Parallel vs Series/Parallel Drivetrains
• Prius and Volt: Configuration Analysis of Power-Split Hybrid
• Inside Toyota's Hybrid Synergy Drive
• Honda Insight - Integrated Motor Assist
• Evolution of the e:HEV Powertrain
• The history of Porsche begins electrically
• Lohner–Porsche
• GM, Toyota, Dongfeng, Great Wall power-split comparison
• Toyota to outshine rivals as consumers opt for hybrids