Por Que o Sistema de Divisão de Potência Tornou o Híbrido da Toyota Imparável?

O que torna o híbrido da Toyota imbatível não é o motor elétrico ou a bateria isoladamente, mas sim o trem de força de divisão de potência (power-split), que divide e combina a potência de dois motores com um único conjunto de engrenagens planetárias. Essa arquitetura compensa os pontos fracos dos híbridos em série e em paralelo em um único mecanismo, dando ao veículo a capacidade de se movimentar sem problemas com o motor a gasolina, o motor elétrico ou uma combinação dos dois. Lançado em 1997 com o primeiro híbrido produzido em série, o Prius , esse sistema continua sendo até hoje a solução considerada referência pelo setor.

Série, paralelo e divisão de potência: qual é a diferença entre as três arquiteturas?

Para entender os trens de força híbridos, é preciso distinguir três arquiteturas básicas. No híbrido em série, as rodas giram apenas por eletricidade; o motor de combustão interna alimenta o gerador, e a eletricidade vai para o motor. O primeiro exemplo a entrar em cena foi justamente esse esquema: Ferdinand Porsche projetou o Egger-Lohner C.2 em 1898, apresentou em 1900 o Lohner-Porsche elétrico com motores nas rodas dianteiras e, em 1901, o Lohner-Porsche Mixte Hybrid , que combinava hub drive com motor a gasolina, tornou-se o primeiro veículo híbrido a entrar em produção em série. Em 1902, Porsche venceu até mesmo o Exelberg Rally com esse veículo. Mas o preço da arquitetura em série é claro: a energia é transportada até as rodas de forma elétrica, não mecânica, e cada conversão gera perdas.

No híbrido paralelo, o motor de combustão interna e o motor elétrico compartilham um eixo de saída comum; os motores podem acionar as rodas individualmente ou juntos. Esse arranjo geralmente usa uma bateria menor do que o série e é recarregado pela frenagem regenerativa. Como a conexão mecânica é mantida, a perda de eficiência é limitada; em contrapartida, os regimes de rotação do motor e das rodas estão interligados, o que dificulta manter o motor em sua faixa de operação mais eficiente.

A arquitetura de divisão de potência está entre as duas: um dispositivo de divisão de potência é adicionado ao caminho paralelo, abrindo múltiplos caminhos de potência do motor de combustão interna até as rodas. O motor, o gerador e o motor de tração podem operar de forma independente (desacoplada); o sistema se comporta como série ou paralelo conforme as condições, mantendo a eficiência em condução mista. A característica distintiva fundamental é a transmissão eletrônica continuamente variável, ou seja, a eCVT, que mantém o motor em sua faixa de operação eficiente.

Projeto G21: da meta de 20 quilômetros à decisão pelo híbrido

O nascimento do sistema da Toyota não veio de uma manobra de engenharia, mas de um exercício de visão. No verão de 1993, a convite do presidente honorário Eiji Toyoda, iniciou-se um estudo de design de veículos para o século 21; em setembro de 1993, o codinome G21 (na combinação com o Globe) o projeto foi fundado. A equipe, composta por 10 engenheiros e designers, definiu como meta uma eficiência de combustível de 20 km/litro. Em fevereiro de 1994, o projeto foi oficialmente estabelecido; à frente dele estava Takeshi Uchiyamada, que mais tarde se tornaria presidente da Toyota.

Em novembro de 1994, o cenário mudou. O vice-diretor geral responsável pela tecnologia, Akihiro Wada, ordenou que o projeto se tornasse híbrido, e foi declarado que, caso isso não fosse possível, o projeto seria cancelado. A meta era dobrar a eficiência alvo e, segundo a avaliação da equipe, a única forma de conseguir isso era com a tecnologia híbrida. Um detalhe notável: até os próprios membros da equipe G21 viam, naquela época, a hibridização como uma tecnologia não comprovada que não estaria pronta até o início do século 21. A ordem mudou essa decisão.

A equipe estudou os sistemas por cerca de seis meses e escolheu o tipo de dois motores devido ao seu potencial de alta eficiência de combustível. A consequência mais radical dessa escolha foi a seguinte: presumia-se que a transmissão convencional desapareceria completamente. Em junho de 1995, veio a aprovação oficial para o veículo de produção; o motor, os motores-geradores e os inversores seriam desenvolvidos internamente, e para a bateria haveria uma colaboração com a Matsushita Battery Industrial. Em agosto de 1995, Hiroshi Okuda tornar-se presidente da Toyota foi um marco no desenvolvimento do híbrido.

Toyota Hybrid System: como funciona a engrenagem planetária?

Em março de 1997, a Toyota anunciou que havia concluído o Toyota Hybrid System(THS), com motor elétrico e gerador integrados e divisão de potência. No coração do sistema estava o dispositivo de divisão de potência com engrenagem planetária: esse mecanismo conectava os dois motores-geradores ao motor de combustão interna e dividia a potência do motor entre mover as rodas e gerar eletricidade. Os eixos de entrada e saída estarem no mesmo plano proporcionava compacidade; o motor de tração aumentava a potência do motor e, na desaceleração, funcionava como gerador, carregando a bateria; o segundo motor gerava eletricidade com a potência do ICE, controlava a transmissão e também desempenhava a função de motor de arranque. Um inversor foi colocado entre a bateria e os motores.

Hoje Hybrid Synergy Drive (HSD), como o sistema é conhecido, é a versão refinada do THS do Prius de 1997-2003. O sistema de segunda geração apareceu no Prius de 2004 e a mudança de nome refletia a expectativa de que a tecnologia se expandiria além da marca Toyota; o sistema também foi aplicado ao Camry e ao Highlander em 2006. No HSD, o lugar da transmissão convencional, do alternador e do motor de arranque é ocupado por MG1, MG2, uma eletrônica de potência composta por três inversores DC-AC e dois conversores DC-DC, controle computadorizado e uma bateria de alta tensão.

A divisão de trabalho dos dois motores-geradores é clara:

• MG1: o motor que dá partida no ICE e o gerador que carrega a bateria; ao regular a geração de eletricidade, controla efetivamente o CVT do transaxle.
• MG2: o motor de tração principal e o gerador de frenagem regenerativa; geralmente é mais potente.

O conjunto de engrenagens planetárias funciona de forma semelhante a um CVT e a Toyota denomina o sistema, para fins de legislação, como e-CVT na classe. O HSD é um híbrido completo: o veículo pode se mover apenas com o motor elétrico - a maioria dos híbridos rivais não consegue fazer isso e, por isso, são considerados mild hybrid. O sistema também evoluiu dentro das gerações: na 1ª e 2ª geração, o MG2 estava diretamente ligado à coroa dentada (1:1, sem multiplicação de torque); na 3ª geração, foi conectado por meio de um conjunto de engrenagem planetária de 2,5:1, tornando possível um MG2 menor, porém mais potente. No lado da bateria, o Prius de 1ª geração usava 228 células e 38 módulos, enquanto a 2ª e a 3ª geração passaram a 28 módulos NiMH prismáticos Panasonic com tensão nominal de 201,6 V; a eletrônica mantém a carga apenas na faixa de 40-80% para preservar a vida útil da bateria.

Por que a Honda escolheu um caminho diferente? A preferência pelo IMA paralelo

Enquanto a Toyota investia na divisão de potência com dois motores, a Honda adotou uma solução que priorizava o equilíbrio entre simplicidade e custo. O primeiro híbrido de produção da Honda, Insight foi lançado no mercado em 1999 e equipado com o sistema de híbrido paralelo Integrated Motor Assist (IMA). No IMA, o motor elétrico e o motor a gasolina compartilham um mesmo eixo de saída; ao contrário do híbrido em série, o motor a gasolina pode movimentar as rodas sozinho. Era um veículo que veio após o Prius de 1997 e era classificado como mild hybrid com sistema paralelo.

O resultado foi a primeira grande separação arquitetural do mercado de híbridos. A Toyota havia escolhido um sistema com mais componentes e controle complexo, visando o limite superior de eficiência; a Honda preferiu uma configuração que oferecia eficiência razoável com menos peças. O IMA foi usado por cerca de seis gerações e a evolução híbrida da Honda alcançou ao longo do tempo o atual sistema e:HEV . Porém, a impossibilidade de dirigir totalmente no modo elétrico colocou o IMA em uma categoria tecnicamente mais limitada diante do HSD: como a maioria dos híbridos fora do HSD, o IMA também não consegue partir apenas com eletricidade.

Depois de 1997: como a arquitetura de divisão de potência moldou o mercado?

Lançado em dezembro de 1997, o Prius entrou também na lista IEEE Milestone como o primeiro carro híbrido produzido em série do mundo. O que veio depois é uma história de escala: a Toyota ultrapassou 1 milhão de vendas de híbridos em maio de 2007, 2 milhões no final de agosto de 2009 e 5 milhões em março de 2013; até março de 2013, os EUA representavam 38% das vendas globais de híbridos. O Prius está em produção há cinco gerações até hoje.

A arquitetura de divisão de potência também não foi uma solução restrita à Toyota. A tecnologia HSD foi licenciada à Nissan para o Altima Hybrid; a Aisin ofereceu transmissões híbridas semelhantes a outros fabricantes. O mesmo sistema foi adaptado para a propulsão elétrica do Mirai e para o Prius Plug-in Hybrid; as versões da Lexus levam o nome Lexus Hybrid Drive . O design de divisão de potência tornou-se padrão em outras marcas também: em comparações recentes, os sistemas da GM, Toyota, Dongfeng e Great Wall também têm à frente o mecanismo de engrenagem planetária, ligando a engrenagem solar ao motor MG1. Mesmo nos veículos do ano-modelo 2026 (por exemplo, RAV4 XA60) as opções de bateria NiMH e li-ion continuam.

Autonomia elétrica e limites práticos

O HSD padrão oferece um modo EV com direção totalmente elétrica abaixo de aproximadamente 40 km/h, se houver carga suficiente na bateria, por cerca de 1,6 km Para uma autonomia elétrica maior, é necessária uma arquitetura separada: o Prius Plug-in Hybrid, com uma bateria de li-ion de capacidade de 4,4 kWh e peso de 80 kg, oferece segundo a medição da EPA 18 km de autonomia elétrica. Também é preciso esclarecer uma pergunta frequente sobre a bateria: o HSD não funciona sem o computador, a eletrônica de potência, a bateria e os motores-geradores; em contrapartida, em princípio pode se mover mesmo sem o motor de combustão interna, e na prática, em emergências, o veículo pode percorrer uma curta distância apenas com gasolina.

Olhando de hoje: por que a divisão de potência ainda é relevante?

Observa-se que os consumidores estão se voltando para os híbridos quando a transição para os veículos elétricos totalmente elétricos diminui, e há um detalhe de produção que reforça a posição da Toyota nesse contexto: ela pode produzir seus híbridos nas mesmas linhas de montagem das linhas a gasolina e plug-in, ajustando a produção em tempo real conforme a demanda. O mais impressionante do ponto de vista da engenharia é a idade do sistema. O arranjo de dois motores, escolhido em 1994 após uma análise de seis meses, ainda funciona, três décadas depois, com seu mecanismo central - engrenagem planetária, dois motores-geradores e eletrônica de potência - praticamente segundo o mesmo princípio. É possível encontrar nos arquivos de patentes estudos detalhados sobre o projeto da engrenagem planetária e arranjos de divisão de potência multimodo; no entanto, é difícil afirmar que a narrativa difundida de que a Toyota travou seu sistema de divisão de potência com uma única patente se baseie em um registro de patente singular e direto - a força do sistema vem menos de um único documento do que da decisão arquitetônica incorporada ao conjunto dos componentes. E é justamente essa decisão que permanece como um dos marcos mais decisivos da história do híbrido: o mecanismo certo arrastou consigo todo o resto da tecnologia.

Fontes

• A História por Trás do Nascimento do Prius, Parte 1
• Item 1. Desenvolvimento do Prius e Estratégia Híbrida
• Hybrid Synergy Drive
• Trem de propulsão de veículo híbrido
• Marcos: Toyota Prius, o Primeiro Veículo Híbrido Produzido em Massa do Mundo, 1997
• Trens de propulsão em série vs paralelo vs série/paralelo
• Prius e Volt: Análise de Configuração do Híbrido de Divisão de Potência
• Por Dentro do Hybrid Synergy Drive da Toyota
• Honda Insight - Integrated Motor Assist
• Evolução do Trem de Propulsão e:HEV
• A história da Porsche começa eletricamente
• Lohner-Porsche
• Comparação de divisão de potência entre GM, Toyota, Dongfeng e Great Wall
• Toyota deve ofuscar rivais conforme consumidores optam por híbridos