Scoprire i segreti del motore ibrido Toyota ci catapulta in un mondo dove l'innovazione tecnologica si sposa con la sostenibilità ambientale. Sin dalla presentazione della Prius nel 1997, primo veicolo ibrido prodotto in serie al mondo, la Toyota ha continuato a perfezionare la sua formula, tanto che oggi conta oltre 15 milioni di veicoli ibridi venduti a livello globale. E non è un caso se nel 2020 i modelli ibridi Toyota hanno dominato il mercato statunitense, con una percentuale vicina all'80% delle vendite totali di auto ibride. Presso la nostra concessionaria Toyota a Firenze potrete scoprire numerosi modelli ibridi e, in particolare, la Yaris Hybrid, modello di punta della famosa casa automobilistica giapponese.
Ma come funziona un motore ibrido? La Toyota Yaris Hybrid, ad esempio, passa fluidamente dal motore a benzina a quello elettrico, o li usa entrambi, a seconda delle necessità di guida. Il cuore della tecnologia ibrida di Toyota si chiama Hybrid Synergy Drive (HSD). Il funzionamento del motore ibrido vanta la perfetta sinergia tra motore a benzina ed elettrico, in specifici momenti di guida. Analizziamo nel dettaglio i componenti che caratterizzano modelli come la Toyota Yaris Hybrid.
I Componenti Fondamentali del Sistema HSD
Il sistema Hybrid Synergy Drive (HSD) utilizzato da Toyota, presente in modelli come Prius e Auris, è un complesso ma ingegnoso insieme di componenti che lavorano in perfetta armonia. Il primo componente chiave è un motore a benzina da 1,8 litri che opera secondo il ciclo Atkinson. Questo motore termico, che chiameremo da ora in poi ICE (Internal Combustion Engine), è progettato per essere particolarmente efficiente, con una calibratura ottimizzata per lavorare sinergicamente con il motore elettrico. È importante sottolineare che il motore a benzina non è mai connesso direttamente alle ruote; il trasferimento di potenza avviene sempre tramite un motore elettrico o motore di trazione principale, che identificheremo come MG2.
Fa parte integrante dell'HSD anche un ulteriore motore/generatore, più piccolo di MG2, con meno coppia ma con regimi di rotazione superiori, che chiameremo MG1. MG1 ha un ruolo fondamentale: è l'unità che fisicamente "mette in moto la vettura", consentendo quindi alla Prius e ad altri modelli ibridi di partire sempre in modalità completamente elettrica.
L'energia elettrica necessaria per il funzionamento di MG1 e MG2 è immagazzinata in una batteria ad alto voltaggio (HVB - High Voltage Battery). Per quanto riguarda l'energia termica, è ovviamente presente un normale serbatoio di benzina. Il sistema ibrido Toyota, quindi, prevede in sintesi l'uso di un'unità a benzina, due motori elettrici e una batteria ad alto voltaggio.
Il Ruolo Chiave del Power Split Device (PSD)
E' sempre il motore elettrico MG2 a muovere le ruote, ma non in modo diretto. Il trasferimento di potenza avviene tramite un particolare ruotismo epicicloidale, che chiameremo PSD (Power Split Device). Questo ingranaggio costituisce di fatto il "cambio" del sistema ibrido Toyota. Per comprendere meglio la sua funzione, possiamo immaginare il PSD come un differenziale planetario: MG1 e MG2 sono collegati alla corona esterna, mentre l'ICE (motore termico) è collegato al planetario centrale.
Questo design innovativo significa che il sistema HSD non ha un "cambio" tradizionale, né automatico né CVT propriamente detto. Non esiste frizione, né ci sono le tradizionali "marce" intese come passaggi di rapporto continui. La trasmissione ha un rapporto fisso che non cambia mai.
Il computer di bordo utilizza il PSD per ottenere la spinta necessaria da MG2 (motore elettrico di trazione) o da ICE (motore termico), a seconda delle condizioni di guida: posizione del pedale dell'acceleratore, pendenza, carico del veicolo, stato di carica della batteria, temperatura e molti altri parametri. MG1 (il motore/generatore) agisce come una sorta di "buffer" tra MG2 e ICE, gestendo il flusso di energia in modo intelligente. Una simulazione interattiva di come funziona il PSD è disponibile per una comprensione più approfondita.
PSD Power Split Device (Working Model)
PSD vs. CVT: Una Differenza Fondamentale
Il comportamento del PSD può essere paragonato a quello di un CVT (Continuously Variable Transmission), come ad esempio quello montato sulla Honda Insight ibrida. Tuttavia, il PSD non è comunque un CVT propriamente detto, dato che ICE, MG1 e MG2 sono connessi tra loro con un rapporto che è sempre fisso. Per esigenze di omologazione, Toyota ha definito il PSD come un e-CVT (electronic controlled CVT), ma si tratta soltanto di una definizione documentale.
Nella guida con PSD, non esiste alcuna "cambiata" (manuale, automatica o continua che sia), poiché il sistema è perfettamente in grado di gestire al meglio i flussi energetici in ogni istante. Non è quindi possibile, durante la guida, decidere di utilizzare un motore o l'altro agendo sul PSD. Su alcuni modelli è presente un apposito tasto (modalità EV) che consente di viaggiare esclusivamente in modalità elettrica a determinate condizioni specifiche (utile nei centri storici o per parcheggiare, ad esempio). Tuttavia, questa scelta manuale non è quasi mai la più efficace in termini energetici, poiché i massimi benefici si ottengono dalla gestione automatica ed elettronica del sistema ibrido, che in certe condizioni farà comunque marciare la vettura solo in elettrico, anche senza la selezione manuale.
Gestione Elettronica e "Drive by Wire"
Il computer che sovrintende al sistema si assicura che ICE e MG2 operino sempre ai regimi di massima efficienza, dove la massima coppia viene generata con il minimo dispendio di energia. Tipicamente, per MG2 questo regime va da zero fino a valori moderati, mentre per ICE va da un regime moderato a quello massimo. Ogni coppia in surplus che dovesse essere generata (a seguito di variazioni delle condizioni operative) non viene mai dispersa. Viene invece recuperata - assieme a quella generata durante le frenate rigenerative - e reimpiegata da MG2 (se richiesto) tramite il "buffer" di MG1 (che in questo caso gira creando energia elettrica), oppure salvata nella batteria ad alto voltaggio HVB per un impiego successivo.
Le vetture come la Prius e le altre dotate di PSD (come la Auris) sono interamente "drive by wire". Ciò significa che i comandi del guidatore non sono mai connessi fisicamente all'ICE o agli altri sistemi, ma solo elettricamente al computer di controllo. Quest'ultimo interpreta e gestisce le richieste di potenza (o di frenata) del guidatore. L'acceleratore, quindi, non è un semplice comando meccanico, ma piuttosto un "interruttore variabile" - simile a quello del pedale di un videogioco - che agisce richiedendo semplicemente coppia al sistema HSD, e non giri specifici al motore. Sarà il computer a decidere, valutando tutte le variabili in gioco, da quale elemento erogare la potenza richiesta per soddisfare la domanda del guidatore con la massima efficienza energetica.
L'Esperienza di Guida Ibrida: Fluidità e Silenziosità
Le auto ibride sono, ad oggi, una delle risposte più efficaci ed efficienti alla crescente richiesta del mercato di veicoli più performanti, meno inquinanti e più economici da mantenere. Il tipo di cambio può influenzare notevolmente l'efficienza di un'auto ibrida, tanto quanto lo fanno i motori che la alimentano. L'esperienza di guida di un'auto ibrida è intrinsecamente diversa da quella di un'auto tradizionale a combustione interna, soprattutto per via della sua motorizzazione duale.
Quando si guida un'auto ibrida, una delle prime cose che si nota è la quasi totale assenza di rumore, specialmente in modalità completamente elettrica. Questo rende la guida più piacevole e meno stancante, soprattutto negli ambienti urbani molto trafficati. Inoltre, le auto ibride tendono ad avere una migliore accelerazione a bassa velocità rispetto alle loro controparti tradizionali, grazie alla coppia istantanea fornita dal motore elettrico. Infine, anche il "cambio" nelle auto ibride contribuisce a un'esperienza al volante differente.
Tipologie di Trasmissione nei Veicoli Ibridi
Un'auto ibrida può avere diversi tipi di trasmissione, ognuna con le proprie caratteristiche.
- Cambio Automatico Tradizionale: Questo tipo di cambio utilizza un convertitore di coppia per gestire il passaggio tra le marce, permettendo al motore di rimanere in un intervallo di giri ottimale per migliorare l'efficienza.
- Cambio a Variazione Continua (CVT): Questo tipo di cambio ha il grande vantaggio di adattarsi fluidamente alle diverse condizioni di guida, eliminando i bruschi "salti" tra le marce che si possono percepire nei cambi tradizionali. Grazie a questa caratteristica, il CVT può mantenere il motore sempre entro il range di giri più efficace per qualsiasi situazione di guida, ottimizzando il consumo di carburante e riducendo le emissioni. In un'auto ibrida, il CVT si integra perfettamente con il sistema ibrido, perché riesce a gestire il passaggio tra il motore elettrico e quello a combustione in modo molto efficiente.
- Cambio Manuale: Il cambio manuale in un'auto ibrida è sicuramente una scelta meno convenzionale, ma può essere interessante per chi apprezza il controllo diretto sulla guida. Utilizzando un cambio manuale in un'auto ibrida, si ha la possibilità di gestire attivamente il bilanciamento tra il motore elettrico e quello a combustione interna, aumentando il piacere di guida e ottimizzando il consumo energetico.
- Cambio a Doppia Frizione (DCT - Dual Clutch Transmission): Questo tipo di cambio è caratterizzato da due frizioni separate: una per le marce dispari e una per le marce pari. La rapidità e la fluidità dei cambi di marcia offerte dal DCT garantiscono una guida estremamente dinamica e reattiva, motivo per cui vengono spesso utilizzati nelle auto sportive, migliorando notevolmente l'esperienza di guida.
La decisione sul tipo di cambio da scegliere per un'auto ibrida dipende da diversi fattori, come lo stile di guida personale, le priorità in termini di performance, efficienza e il tipo di esperienza di guida desiderata. Se il focus principale è l'efficienza del carburante e si desidera una guida fluida e silenziosa, il CVT è spesso la scelta più adatta. Infine, il DCT è perfetto se non si vuole rinunciare alla sportività.
L'Approccio Unico di Toyota: Un "Cambio" che Non è un Cambio
Tornando al sistema HSD di Toyota, è fondamentale comprendere che, escludendo pochissimi esempi particolari (come la Honda CR-Z), le auto ibride Toyota utilizzano sempre un cambio automatico o, più precisamente, un sistema che emula le funzioni di un cambio automatico. Il principio del cambio "scollegabile" si applica anche ai cambi a doppia frizione, come accade su alcune recenti ibride Mercedes e Hyundai.
L'ibrido che Subaru sta per introdurre su Forester e XV prende spunto dalla meccanica dei modelli in commercio, con motori boxer a 4 cilindri e cambio a variazione continua Lineartronic. Tuttavia, il più classico degli ibridi, a 25 anni dalla sua ideazione, rimane un esempio unico: il suo schema, oggi presente su numerosi modelli Toyota (Yaris, CH-R, Corolla, RAV4, oltre naturalmente alle varie Prius e Lexus CT), ha la particolarità di utilizzare un cambio che… non è un cambio nel senso tradizionale del termine.
Abbiamo visto una serie di cambi senza frizione, ebbene, sappiate che esiste anche una trasmissione che, al contrario, prevede una frizione ma nessun cambio. Sul SUV giapponese (in riferimento a modelli non Toyota, per contrasto), il motore a benzina 1.5 viene utilizzato principalmente come generatore istantaneo di corrente per alimentare il motore elettrico principale e solo in una specifica modalità di marcia viene collegato alle ruote tramite una frizione.
La scelta di Toyota di non utilizzare un motore diesel per i suoi sistemi ibridi deriva dalla convinzione che, nei sistemi ibridi, si possa ottenere il massimo beneficio utilizzando un motore a benzina particolarmente affidabile. Nei motori diesel, infatti, ci sono componenti complessi come l'impianto di iniezione "Common Rail" e il filtro antiparticolato, necessari per rispettare le normative europee sulle emissioni. In un sistema ibrido, invece, il motore a benzina garantisce una maggiore affidabilità e una migliore gestione del continuo spegnimento e accensione del motore termico. I sistemi "Full Hybrid" Toyota, infatti, utilizzano un motore benzina con caratteristiche particolari, detto a "ciclo Atkinson". La minore potenza specifica che ne consegue contribuisce alla notevole affidabilità, ed è compensata dalla presenza del motore elettrico.
Il Flusso di Energia e la Frenata Rigenerativa
Se avete mai guidato o siete stati passeggeri di un’auto ibrida Toyota, sarete rimasti senza dubbio colpiti dalla sua fluidità di funzionamento e dal silenzio che accompagna le partenze. Tutto ciò è ottenuto attraverso un incessante, quasi frenetico, flusso di dati e rilevazioni tra le varie centraline del sistema di trazione, che mette insieme nel modo più naturale possibile il motore a benzina con quello elettrico.
I concetti di base sono due: il primo è che un propulsore aiuta l'altro nelle sue fasi di debolezza. E viceversa. Ma prima di parlare dei motori, una menzione la merita l'e-CVT, ovvero l'anello di congiunzione tra i due motori e le ruote delle Toyota ibride. In pratica, qui non c'è traccia di cambio tradizionale - manuale o automatico che sia - a fare da collegamento (mediante la frizione o il convertitore di coppia) fra i motori e le ruote. No: a muovere la macchina c'è un ingranaggio simile al differenziale che consente al motore elettrico e a quello a benzina di girare a velocità differenti; ed è per questo che a volte, sulle Toyota ibride, il motore a benzina sale di giri più di quanto ci si aspetterebbe. Va detto però che, a partire dall'ultima generazione di Prius e quindi anche sulla CH-R, questo "anomalo" innalzamento di giri è molto più raro.
Dunque, ricapitolando: un motore a benzina, due motori elettrici (MG1 e MG2), un pacco batterie e un ingranaggio epicicloidale (PSD) che mette d'accordo tutti. Ma non basta. Perché oltre a trarre energia dal serbatoio di benzina e dalle batterie, il sistema ibrido Toyota ne recupera una quantità significativa durante la frenata.
Le cose sono ovviamente più complesse e raffinate di così, ed è per questo che a gestire il tutto provvede una centralina elettronica. Quest'ultima stabilisce in quale direzione debbano andare i flussi di energia, quando usare la potenza congiunta di tutti i motori per il movimento dell'auto o per ricaricare le batterie (tipicamente al nichel-metallo idruro, anche se i sistemi più recenti utilizzano ioni di litio).
In fase di guida ibrida standard, con un'accelerazione non troppo decisa, le ruote vengono spinte sia dal motore benzina che dal motogeneratore MG2. Se l'accelerazione è più potente, invece, il motore termico provvede anche a ricaricare la batteria dell'auto ibrida.
C'è poi la possibilità di viaggiare in 100% elettrico (modalità EV), con la sola spinta di MG2 e con il motore termico spento. Questa modalità di guida si attiva manualmente, premendo il tasto EV, oppure autonomamente quando siamo in veleggiamento: dopo essere arrivati a una velocità desiderata (entro i 110 km/h), rilasciamo l'acceleratore per poi ripremerlo dolcemente. La spia EV si accende, mentre il motore termico si spegne e l'auto mantiene la velocità con la sola spinta di MG2.
Il motore termico, inoltre, può ricaricare la batteria tramite l'MG1 sia quando l'auto è ferma sia quando è in movimento. La ricarica, però, avviene soprattutto tramite la frenata rigenerativa: quando freniamo dolcemente, entra in azione MG2, che trasforma l'energia cinetica in energia elettrica e la invia all'inverter. L'inverter si occupa di trasformare la corrente elettrica continua in alternata e viceversa, e poi la invia alla batteria. In caso di frenata brusca o troppo vigorosa, però, non c'è rigenerazione perché l'energia da accumulare sarebbe troppa in troppo poco tempo e potrebbe danneggiare la batteria.
PSD Power Split Device (Working Model)
Infine, il sistema ibrido Toyota ha la cosiddetta "modalità B", cioè "Brake". Si tratta di una sorta di freno motore elettrico, da usare nelle lunghe discese per risparmiare i freni a disco tradizionali, aumentando al contempo il recupero di energia.
Vantaggi e Affidabilità del Sistema Ibrido Toyota
Le Toyota Hybrid hanno due motori e il passaggio da uno all'altro è automatico. Uno è il classico motore a benzina, l'altro è elettrico ed è alimentato da una batteria che non ha bisogno di prese di ricarica. Le auto ibride possono viaggiare usando il primo o il secondo motore, oppure tutti e due insieme.
Le auto ibride non hanno un motorino di avviamento, frizione, cinghie e altri componenti "tradizionali". Il principio "quello che non c'è non si rompe" è quindi in parte applicabile. Grazie al motore elettrico e alla frenata rigenerativa, il motore termico e i freni lavorano meno e quindi tendono a durare di più.
Le Toyota Hybrid non hanno bisogno di prese e la batteria si ricarica durante la marcia e la frenata. La gamma Toyota Hybrid è ampia e copre ogni settore del mercato: city car, SUV, 4x4, station wagon, 5 porte. Le batterie della gamma Hybrid non necessitano di prese, colonnine, cavi e lunghi tempi di attesa per la ricarica.
Toyota produce auto a tecnologia ibrida da oltre vent'anni, dal lontano 1997. In media, sono vetture tecnologicamente avanzate ma al tempo stesso molto affidabili. Consumano e inquinano poco, rendendo difficile trovare qualcuno disposto a privarsene. Con due motori, uno termico e uno elettrico, si dispone di più potenza e coppia anche in fase di accelerazione. Un RAV4 Hybrid, ad esempio, accelera da 0 a 100 km/h in 8,1 secondi.
Quando la tecnologia ibrida apparve per la prima volta al Tokyo Motor Show del 1995, in molti ebbero perplessità, pochi la compresero e quasi nessuno credeva che potesse avere un seguito commerciale. Oggi, dopo oltre venticinque anni, il sistema ibrido Toyota è il punto di riferimento per le auto ibride e, negli ultimi tempi, ha costretto tutti gli altri costruttori a inseguire. È il sistema ibrido inventato da Toyota e presentato al mercato per la prima volta con la Prius, una vettura all'epoca rivoluzionaria. Un sistema che si è evoluto nel tempo, è cresciuto in complessità ed efficienza, e oggi è arrivato alla sua quarta generazione.
La prima cosa che stupisce quando si guarda uno spaccato di un sistema ibrido Toyota è che mancano tre componenti standard nelle auto "normali": la trasmissione con le marce, l'alternatore e il motorino di avviamento. Al loro posto troviamo due "motogeneratori" (MG1 ed MG2), un inverter, una batteria ad alto voltaggio (tra i 200 e i 300 Volt) e un ingranaggio epicicloidale (il Power Split Device). L'MG1 sostituisce il motorino di avviamento classico e serve anche per ricaricare il pacco batterie, ma non è usato per la trazione. L'inverter, come detto, si occupa di trasformare la corrente elettrica continua in alternata e viceversa.
Con due motori, uno termico e uno elettrico, si ha più potenza e coppia anche in fase di accelerazione. Il motore elettrico, in particolare, dà il massimo in accelerazione, contribuendo a prestazioni brillanti.