Híbrido da Toyota - HSD - pequena introdução

[telmo.salgado]

Dissecando o híbrido mais bem sucedido do Planeta, o Prius, encontram-se todas as razões para aprofundar o tema.
De facto, só tenho um texto da minha autoria e com fontes referidas. Trata-se, portanto, por palavras minhas tentar expor as características mais importantes e que orgulham a Toyota.

O sistema híbrido teve algumas aproximações no passado. Nas locomotivas diesel é o caso mais generalizado. Porém, nos automóveis, as caixas de velocidades chegavam para toda a transmissão necessária. Em 1993/94 o espírito inquieto dalguns directores da Toyota chegaram à conclusão que seria hora de reinventar o conceito automóvel. Quando apresentaram o resultado, espantou o mundo, e é inegável o contributo da nossa marca no futuro da sustentabilidade.

Como funciona o híbrido?

O sistema híbrido utilizado no Prius – HSD- permite, em praticamente todas as condições de funcionamento, a utilização separada ou simultânea da fonte motriz térmica e eléctrica. Com isto atinge-se a eficiência mais elevada possível:
1 - O motor de combustão térmica a gasolina (Atkinson com compressão 13:1 a partir de 4 tempos Otto) funciona sempre no seu regime de carga/rotação óptimo, permitindo uns belos 225g/kwh. Este rendimento pode ombrear com um turbodiesel actual.

2 – O motor eléctrico (que são na realidade 2, mas que adiante se verá porquê no HSD) tem um elevadíssimo rendimento, e funciona como gerador nas situações de captura/regeneração
Porém, a condição de carga óptima do motor térmico obriga a alguns detalhes. Entre os quais, calar o motor quando não é essencial ao movimento, ou até “forçar” a potência debitada, com a evacuação de energia para a bateria quando em cargas menos francas.
Este facto faz com que em qualquer levantar do pé do acelerador o motor de combustão interna (doravante designado por MCI) se cale. O motor eléctrico (adiante MG – acrónimo de motor-gerador) actua então como travão-motor, imitando o mesmo comportamento de desacelaração ao pedido do condutor, enviando carga à bateria. Nas travagens, aumenta o poder de desaceleração, contribuindo para a travagem efectiva do veículo, até ao máximo de 11kw – convém acrescentar que estas travagens têm sempre uma componente hidráulica (travões convencionais) quer para apoio instantâneo em caso de actuação do ABS, nos picos de travagem, e quando a velocidade é inferior a 6km/h.
Portanto, quebrando o mito de “onde carregar a bateria?” ainda tão disseminado, é evidente que acontece que a energia só é encaminhada para lá nos excessos do sistema: desaceleração por levantar o pé, travagem regenerada e optimização do funcionamento do MCI por acerto de carga na zona de maior eficiência.
A energia eléctrica é também usada nos periféricos, incluindo o ar condicionado, permitindo no trânsito, com o MCI parado, o seu funcionamento autónomo.
Mas onde reside um belo resultado é na actuação simultânea do MG + MCI, soma um resultado do MCI à carga máxima com a capacidade da bateria via MG. Neste conjunto o Prius II tinha 110cv combinados, e o Prius III 136cv (geridos pelos 99cv MCI + 80cv MG limitados pela capacidade de descarga da bateria). Esta vantagem é bem consistente, sendo equivalente ou superior a alguns “overboost” no mercado. O 1.8 do Prius III, devido à maior capacidade unitária face às gerações anteriores do Prius 1.5, é contra a corrente generalizada de redução de cilindrada, bem como permite o desempenho em AE com menores rotações, mantendo uma boa eficiência.

Como conduzir e tirar superior proveito dos modos à disposição?
Regra quase geral: o condutor só com o acelerador pode determinar a acção dos motores. Em baixa carga é natural que o MG faça tudo. Carregando mais forte, entra em acção o MCI. A fundo, entram os dois. É tudo automático e mas inerente à vontade do condutor.
1. A gestão de energia a bordo pode ser ainda beneficiada por diversos comportamentos com impacto significativo nos consumos (alguns são exclusivos dos híbridos!):
2. Limitando quando possível travagens desnecessárias - qualquer travagem, mesmo com regeneração, incorre em perdas
3. Evitar acelerações fortes, que obriguem o MCI a operar num regime de rpm acima da zona óptima
Antevisão do plano de inclinação da estrada – ao chegar a uma zona que se sabe vai iniciar descida, umas centenas de metros antes da chegada ao topo pode ser forçada a descarga da bateria (usando modo eléctrico somente, i.e. com MCI parado e consumo zero), e dar espaço à regeneração que irá inevitavelmente ocorrer na descida subsequente.

Funcionamento do Hybrid Sinergy Drive
O sistema HSD é o sistema híbrido da Toyota (e Lexus), bem como de algumas marcas que licenciaram o seu uso nos seus modelos híbridos - caso por exemplo de alguns modelos da Ford e da Nissan.
Ddiferencia-se de outros sistemas, como o sistema IMA da Honda por exemplo, por ser um sistema híbrido série/paralelo, a Toyota chama-lhe um sistema "puro híbrido", conhecido tecnicamente como Full-Hybrid.
As duas forças motoras principais em vez de apenas uma dos veículos tradicionais, provém de 2 motores-geradores (MG1 e MG2) e do motor de combustão MCI.

Os principais componentes do sistema HSD, no caso do Prius 3G são:

- MCI. No caso do 3G é um motor de 1800cc de ciclo Atkinson;
- MG1. Este motor-gerador é o coração da transmissão híbrida, controlando o grau de desmultiplicação de binário do MCI junto do MG2, carrega a bateria por acção do MCI quando necessário, e faz de motor de arranque para iniciar a marcha do MCI;
- MG2. Este motor-gerador é responsável pela força principal de locomoção do Prius, estando ligado às rodas de tracção do veículo através de redutoras, recarrega também a bateria por regeneração na travagem, e produz energia para alimentar o MG1 em cruzeiro;
- Bateria HV. A bateria de tracção armazena toda a energia produzida pelos MGs, que normalmente seria desperdiçada num veículo tradicional não híbrido, disponibilizando-a de volta aos MGs quando estes dela necessitam para locomover o veículo;
- Inversor. O inversor é a central de redireccionamento da energia eléctrica entre os diversos componentes. É o inversor que faz de "agulheiro" obedecendo aos comandos da centralina híbrida principal que solicita o reencaminhamento de energia entre os diversos componentes. Também é o inversor que converte a corrente contínua da bateria em corrente alterna trifásica que os MGs utilizam, bem como rectifica a corrente gerada ou regenerada pelos MGs em corrente contínua para poder ser armazenada pela bateria HV;
- PSD. O Power Split Device (unidade divisora de potência) é o coração do sistema HSD. É o componente mecânico para onde as forças dos 3 motores convergem. É no PSD que todas as forças se conjugam para fazer locomover o veículo da forma mais eficiente possível, através da sua actuação de forma independente mas coordenada;
- SRU. A Speed Reduction Unit (unidade planetária de redução de velocidade) é um componente destina-se a reduzir a rotação do MCI (relação fixa com o PSD).



Porém, é no PSD reside o verdadeiro Ovo de Colombo do híbrido da Toyota. Esta unidade divisora da potência funciona com o MG1 a fazer de variador de relação, pelo efeito epicicloidal, tanto para um sentido como para o outro. O MCI pode estar parado com o veículo em movimento, bastando para tal o MG1 rodar para trás.

É um sistema de funcionamento não muito intuitivo, mas que pode ser compreendido com o recurso a um gráfico de 3 entradas. O ICE é o MCI, e para cada rotação deste deverá passar um segmento de recta ligando a velocidade das rodas (MG2) obtendo a rotação do MG1 que o sistema deverá requerer. Este gráfico permite compreender também a rotação no sentido negativo do MG1 quando o MCI está parado e o veículo em funcionamento. A verde uma situação de 20mph (32km/h) e MCI parado, o MG1 roda a -3000rpm, a azul à mesma velocidade, com o MCI a 1700rpm o MG1 roda a +3000rpm. A linha vermelha é à mesma rotação do MCI (1700rpm) a uma velocidade de 52mph (82km/h), implicando -2000rpm do MG1.

(como não consegui o link, amanhã edito e coloco-o)

A actuação do PSD como caixa de variação contínua é particularmente suave, controlada electronicamente e de efeito linear. De facto, a Toyota caracteriza-a como E-CVT, e tem como particular impacto numa aceleração contínua, sem falhas, desde parado até à velocidade máxima, com fluxo de energia constante, carregando ou descarregando bateria, parando ou arrancando o MCI.

Vantagens:
Dispensa embraiagem, caixa de velocidades tradicional e motor de arranque
Total controlo e liberdade de movimentos autónomos do MCI e MG1/2.

Desvantagem única: um caminho eléctrico nos MG1 e MG2 que induz uma pequena perda, embora teoricamente equivalente às perdas numa transmissão convencional.



Fontes:
http://www.allhybridcars.com/how-hybrid-cars-work.html

http://www.allhybridcars.com/hybrid-car-technology.html

http://autospeed.com.au/cms/title_Br...6/article.html

http://www.techno-fandom.org/~hobbit/cars/sweet/

http://prius.ecrostech.com/

http://www.fueleconomy.gov/feg/tech/...ius1_5_01b.pdf

http://john1701a.com/

[JustaPor]

Visto o assunto do tópico ser de algo relacionado com a Toyota, o tópico foi movido para a secção Geral. ;)

[telmo.salgado]

Agradecido.
Eu também poderia ter inicialmente colocado na Informação Técnica, mas como não tive acesso, deixei no off.topic.
O que interessa é que possa ser lido, e aprofundados os links postos à disposição. ;)

[Comandante]

Desde já agradeço a tua disponibilade para expôr este tema, pelo qual me interesso uma vez que a longo prazo quiçá se a vida assim o p€rmitir, tenciono comprar um Prius.

Como me interesso pelo tema, tento saber o porquÊ das coisas, e entender todos os pormenores, no entanto existem algumas coisas que não entendo

Confesso que já por várias vezes tentei perceber ao certo o que é o MCI, e como funciona a sua associação com os MG's, mas sempre sem ficar convenientemente esclarecido. Também espreito o fórum prius.pt e já lá tentei aprofundar um pouco sobre isto mas o resultado foi o mesmo.....

Segundo percebo, o MCI é o motor que usa a gasolina, o MG1 e 2 são ambos motores eléctricos que fazem a regeneração e que por consequinte carregam as baterias.

Dizes em cima o seguinte:

Em baixa carga é natural que o MG faça tudo. Carregando mais forte, entra em acção o MCI. A fundo, entram os dois.

As baterias não estão em constante carga qiuando o carro está a rolar? E para haver a carga das mesmas, não é sempre preciso o uso do MCI para colocar o carro a rolar? Quer dizer, para colocar o carro a rolar, entra em acção o MG1, mas depois é usado o MCI....

Outra dúvida prende-se com o seguinte:

ao chegar a uma zona que se sabe vai iniciar descida, umas centenas de metros antes da chegada ao topo pode ser forçada a descarga da bateria (usando modo eléctrico somente, i.e. com MCI parado e consumo zero), e dar espaço à regeneração que irá inevitavelmente ocorrer na descida subsequente.

Qual é a vantagem de descarregar a bateria, para depois ser novamente carregada? Fazendo isso não vai originar um maior desgaste nas baterias? É que como se sabe são bastante caras caso alguma delas avarie.....

Outrs coisa é o seguinte: No fórum prius.pt fala-se muito em fazer o maior nº de kms com 1 só depósito. O caso de casos reportados no fórum das baterias "queimadas" por parte de quem deixa o depósito secar completamente, e por conseguinte o motor usar toda a energia acumulada na bateria HV, o que leva a que a bateria queime não sendo depois possível voltar a carregar normalmente pelos MG1 e MG2?

Peço-te desculpa se algumas das perguntas estão confusas, mas o tema como se sabe é ele próprio complexo. Existem mais algumas dúvidas mas para já fico por aqui para não dispersar demasiado. agradecia se pudesses responder a cada uma para poder entender melhor a matéria.

Obrigado.

[telmo.salgado]

As baterias não estão em constante carga qiuando o carro está a rolar? E para haver a carga das mesmas, não é sempre preciso o uso do MCI para colocar o carro a rolar? Quer dizer, para colocar o carro a rolar, entra em acção o MG1, mas depois é usado o MCI....

Outra dúvida prende-se com o seguinte:



Qual é a vantagem de descarregar a bateria, para depois ser novamente carregada? Fazendo isso não vai originar um maior desgaste nas baterias? É que como se sabe são bastante caras caso alguma delas avarie.....

Outrs coisa é o seguinte: No fórum prius.pt fala-se muito em fazer o maior nº de kms com 1 só depósito. O caso de casos reportados no fórum das baterias "queimadas" por parte de quem deixa o depósito secar completamente, e por conseguinte o motor usar toda a energia acumulada na bateria HV, o que leva a que a bateria queime não sendo depois possível voltar a carregar normalmente pelos MG1 e MG2?

Peço-te desculpa se algumas das perguntas estão confusas, mas o tema como se sabe é ele próprio complexo. Existem mais algumas dúvidas mas para já fico por aqui para não dispersar demasiado. agradecia se pudesses responder a cada uma para poder entender melhor a matéria.

Obrigado.

Viva

Espero estar à altura para poder responder.

Quando o Prius é ligado (IGN), o estado da bateria híbrida (adiante bateria HV) é verificado. Se estiver abaixo do valor mínimo admissível - "state of charge" (adiante SOC) que a Toyota designou para esta bateria HV, automaticamente o MCI arranca para providenciar essa carga mínima. Havendo energia no sistema, nesta ocasião já provinda do MCI, o automóvel está pronto a arrancar de imediato.
Nota: o mínimo da bateria ronda 40% de carga e o máximo 80% de SOC para operação sem quaisquer danos na bateria HV (células NiMH).

A vantagem de usar a bateria até ao fim (ver nota do SOC) é gastar zero combustível. Se eu tenho mais de 1km disponível eléctricos que no final vou voltar a receber (descida), vou usá-los em meu benefício! É nestas ocasiões que o sistema responde de maneira efectiva ao pedido do condutor, bastando este estar atento à "borla" possível. Este pequeno truque pode permitir somente uma pequena poupança, mas a galinha tem um papo que enche aos poucos...Trata-se dum caso de aproveitamento da morfologia do terreno (energia potencial), com o retorno da energia usada na subida.

Quanto às "baterias queimadas" não concordo contigo. Quando esgota o combustível o carro pára, é assim em qualquer veículo. Talvez se consiga forçar a nota e andar até um posto próximo, mas nas versões mais recentes o sistema não está preparado para o fazer, preferindo salvaguardar a bateria HV.
O concurso de "andar o máximo possível" não existe no outro fórum, há é alguns proprietários que colocam o seu Prius em situações extremas para ajudar a compreender o seu funcionamento "traumático" que o manual não prevê. E de facto, a reserva do 3G é muito conservadora e consegue meter-se mais de 47litros em vez dos 45 nominais. Os dados são depois processados para comunicação. Quem conseguir dados novos, obviamente vê o seu trabalho reconhecido pelos pares, como por exemplo o record do 3G de autonomia (1380km) realizado por uma senhora.

---------- Mensagem adicionada em 12:30 PM ---------- Mensagem anterior em 12:13 PM ----------

Ainda a questão das descidas...Há uma outra vantagem em ter espaço vago na bateria antes de iniciar uma descida, é que a regeneração possível faz com que se poupe travões hidráulicos, da mesma forma como a caixa tem um modo "B" que é braking. Este modo faz rodar o MCI para fazer de travão-motor. Só que neste caso do "B" a energia é dissipada.

[Comandante]

Hummm....Então existem 2 baterias independentes no Prius? A bateria chamada HV que é onde acumula a energia gerada pelo MCI quando o carro está em movimento e pelos MG's 1 e 2 aquando das regenarações efectuadas por cada um deles, e depois existe outra bateria digamos de "emergência" que é usada pelas pessas que forçam o andamento mesmo quando já estão sem combustível? ou a bateria é toda a mesma?

Falando ainda nas baterias, como é possível neste caso queimar uma bateria, se a mesma pode ser recarregada? o Prius não deveria ter um aviso luminoso por ex, que indicasse ao condutor que está a abusar das baterias? é que segundo li no prius.pt, quando deixam secar o depósito e andam apenas em modo eléctrico, a bateria descarregando depois não há nada a fazer.....não é possível iniciar sequer o carro..... :oops

ISto que referes:

Nota: o mínimo da bateria ronda 40% de carga e o máximo 80% de SOC para operação sem quaisquer danos na bateria HV (células NiMH).

Tem a ver com o que já li por várias vezes no fórum que referi, no qual os utilizadores do Prius chamam de "deixar o MCI aquecer um pouco antes de iniciar a marcha" ?

Já agora, sei que depende do tipo do trajecto, das vezes que se usa o travão que leva logo a regenaração = carga das baterias, mas que tempos demora a bateria a carregar?

Desculpa a carrada de perguntas, mas é mesmo para deslindar e esmíuçar bem estes assuntos

[telmo.salgado]

Hummm....Então existem 2 baterias independentes no Prius? A bateria chamada HV que é onde acumula a energia gerada pelo MCI quando o carro está em movimento e pelos MG's 1 e 2 aquando das regenarações efectuadas por cada um deles, e depois existe outra bateria digamos de "emergência" que é usada pelas pessas que forçam o andamento mesmo quando já estão sem combustível? ou a bateria é toda a mesma?

Falando ainda nas baterias, como é possível neste caso queimar uma bateria, se a mesma pode ser recarregada? o Prius não deveria ter um aviso luminoso por ex, que indicasse ao condutor que está a abusar das baterias? é que segundo li no prius.pt, quando deixam secar o depósito e andam apenas em modo eléctrico, a bateria descarregando depois não há nada a fazer.....não é possível iniciar sequer o carro..... :oops

ISto que referes:



Tem a ver com o que já li por várias vezes no fórum que referi, no qual os utilizadores do Prius chamam de "deixar o MCI aquecer um pouco antes de iniciar a marcha" ?

Já agora, sei que depende do tipo do trajecto, das vezes que se usa o travão que leva logo a regenaração = carga das baterias, mas que tempos demora a bateria a carregar?

Desculpa a carrada de perguntas, mas é mesmo para deslindar e esmíuçar bem estes assuntos

A bateria HV referida serve para tudo no veículo no que diz respeito à tracção/regeneração. Somente os periféricos ligados fora do IGN/READY é que são responsabilidade da bateria de 12V de chumbo (igual aos outros veículos), como luzes, alarme, rádio. A bateria tradicional também liga o relé geral do sistema híbrido, mas pouco mais.

Quando muito solicitada a HV e não poder o MCI responder para carregar, é iniciado um alarme de avaria. Como disse, esta sequência é pouco clara no manual, e o que sabemos é que nos 3G é mais difícil progredir até à exaustão. Se isso acontecer por algum motivo particular, a bateria HV ficando descarregada não significa o seu fim, apenas uma redução das capacidades a médio/longo prazo. Era o caso do 1G e dalgumas versões USA do 2G, que não tinha bloqueio automático.

O MCI aquecer um pouco antes de iniciar a marcha é uma questão interessante, e sem conclusão à vista se deverá ser a melhor prática. Quando desligamos o Prius chegando a casa, fica sempre carga disponível na bateria HV para mover o automóvel nos momentos iniciais, em que o MCI aquece, com o objectivo particular o sistema de exaustão e o seu líquido de refirgeração (a Toyota determinou que nesta acção os parâmetros do MCI estão exclusivamente virados para isso e a rotação/carga são geridas numa rotina - nota: caso o pedal seja pressionado a fundo, passa para modo normal no imediato). Normalmente 50 segundos depois já este dirige força motriz às rodas, se for solicitado. Há quem prefira fazê-lo em movimento, como eu.

O que é espantoso é que estas acções sob o capot ocorrem sem grande alarido, de forma automática e em nada interferem na relação do veículo com a estrada. Aliás, muitos proprietários de Prius nem sequer se interessam por estas questões, e nem precisam saber para fazer consumos bem contidos. Muitos admitem não saber quando o MCI entra ou sai de cena...porque realmente é quase imperceptível!

[Comandante]

Obrigado

Acho esta tecnologia HSD deveras interessante e daí que gosto de perceber o seu funcionamento. Achas que a bateria demora muito tempo a carregar, para o espaço que permite percorrer apenas usando o modo eléctrico? (salvo erro 2 km a uma veloc máx de 50 km/h)

Quando o carro está a rolar, o MCI está sempre em funcionamento certo? salvo aquelas excepções em que usa a carga da bateria para descarregar tal como referiste no post anterior. Já agora, essa descarga provocada voluntáriamente pelo condutor, nunca é total certo? Fica sempre alguma carga na HV.....

[telmo.salgado]

Achas que a bateria demora muito tempo a carregar, para o espaço que permite percorrer apenas usando o modo eléctrico? (salvo erro 2 km a uma veloc máx de 50 km/h)

Quando o carro está a rolar, o MCI está sempre em funcionamento certo? salvo aquelas excepções em que usa a carga da bateria para descarregar tal como referiste no post anterior. Já agora, essa descarga provocada voluntáriamente pelo condutor, nunca é total certo? Fica sempre alguma carga na HV.....

Uma carga completa de bateria para os ditos 2km só no fim duma descida, ou seja, com carga completa (8 traços) - 500Wh. Normalmente, em plano, a situação da bateria (6 traços) serve apenas para 1km. É mais ou menos o equivalente a 250wh de energia, de acordo com o consumo típico dum veículo eléctrico. Vazio indica 2 traços. A capacidade nominal da bateria HV é 1310Wh, dos quais se usa uma janela de 40%. http://en.wikipedia.org/wiki/Toyota_Prius
Ora bem, são essas distâncias em plano, pois a descer podem significar muito mais. Lá para as zonas montanhosas do interior percorrem-se muitos km, mesmo muitos, sem pedir ajuda ao MCI. Tal como num carro tradicional com consumo zero no CB!

Por várias vezes esgotei bateria (SOC 40%) e a sua recuperação ocorre à medida que o MCI vai fazendo rolar o carro, aproveitando o desvio de carga para benefício do rendimento térmico. 10 a 15km depois em estrada (10 minutos) está novamente nos 5-6 traços.

Comandante, não leste bem o meu post inicial. O MCI liga se for solicitado para tal, pois a baixa velocidade ou pouca carga o MG toma conta das operações. Daí eu ter referido que o acelerador controla a sua entrada. O MCI só está permanentemente a rodar acima dos 75km/h, para evitar sobre-rotação do MG1 para manter o MCI parado via PSD.
Mal o MCI entre ao serviço, vai carregando a bateria HV, com maior ou menor velocidade, de forma a manter a zona óptima de funcionamento.
Acima dos 75km/h e levantando o acelerador, o MCI está em modo de abertura das válvulas de admissão para fazer bombagem nula, reduzindo ao máximo as perdas travão-motor.

[Comandante]

ok Telmo. Obrigado pelas respostas

[zeluis9]

grande tópico! estamos sempre a aprender! :D
toyota é toyota, venha quem vier... sempre no topo ! (:

[telmo.salgado]

O tópico presta-se a juntar mais informação. Quem tiver elementos e textos, seus ou de outrém, para adicionar está à vontade!

[telmo.salgado]

Apenas para adicionar, um post que tem causado algum alarido positivo na comunidade Prius internacional...
Andam impacientes por descobrir o autor, para verificar a autenticidade das declarações do mesmo, mas definitivamente, os números são reveladores das capacidades do HSD aqui introduzi.

http://www.canadiandriver.com/forum/...1343#msg681343

1 milhão e 300mil...com miolo original (bateria, motor e transmissão) :O

[sparow]

va andar aos caraças!!!impressionante.

[Wizard]

Porra e eu que pensava que 120000 ano era muito!!!