Un ingénieur explique la Toyota Prius

Nous profitions de notre session mensuelle « Café, gâteau et véhicules électriques pour véhicules électriques » à la Bracken Ridge Tavern à Brisbane, Queensland. Brian, un nouveau membre du groupe, a attiré mon attention en nous racontant l’histoire d’avoir heurté un kangourou alors qu’il se rendait de Winton à Charters Towers dans le centre-nord du Queensland. Il a alors dit qu’il conduisait une Toyota Prius. J’étais vraiment curieux maintenant. En tant qu’ingénieur, il a pu répondre à certaines de mes questions sur les raisons pour lesquelles Toyota n’a pas fait le saut du véhicule électrique hybride Prius aux véhicules électriques à batterie, et aussi pour partager la différence entre conduire la Prius et sa nouvelle Hyundai Ioniq BEV. C’est ce qu’il m’a dit:

Pour un ingénieur, le développement initial de la Prius était un processus fascinant, en particulier l’interaction entre l’ingénierie et le modèle commercial. Toyota a confié la conception à un membre du conseil d’administration qui était un ingénieur brillant et lui a donné carte blanche – l’argent du développement n’a pas d’objet !! Il y avait 3 domaines principaux qui devaient être développés individuellement et ensuite travailler ensemble de manière optimale :

1. Batterie et système de gestion de batterie (BMS). Les batteries ne faisaient pas partie des compétences de Toyota, ils ont donc conclu un accord avec Panasonic en tant que principal fabricant de batteries nickel-hydrure métallique (NiMH). Cette chimie était « l’état de l’art » actuel en matière de chimie des batteries, et il était peu probable que la logistique des matières premières soit un problème à l’époque. Cependant, la durée de vie prévue des batteries à 200-300 cycles était insuffisante, il a donc fallu développer un BMS pour l’étendre considérablement. La technique utilisée pour prolonger la durée de vie de la batterie consistait à diviser la batterie en un grand nombre de modules plus petits et à utiliser une commande informatique pour s’assurer que l’état de charge de fonctionnement normal restait dans la plage de 30% à 80%. C’est-à-dire qu’aucun module de batterie n’a été autorisé à être surchargé ou à se décharger complètement.

2. Transmission. Cela nécessitait de combiner les attributs du moteur à combustion interne (ICE) et des machines électriques de manière complémentaire. Le moteur ICE fournit une énergie et un couple élevés sur une plage de vitesse étroite. Le moteur électrique donne un couple maximal à vitesse nulle (idéal pour un décollage rapide) et permet de récupérer de l’énergie et de la restituer à la batterie lors du freinage, réduisant ainsi la consommation globale d’énergie. La solution de Toyota consistait à développer la transmission électronique à variation continue (eCVT). Il s’agit de la seule CVT sans pièces coulissantes, elle a donc une durée de vie comparable à celle d’une boîte de vitesses à rapport fixe et est unique à cet égard. Toyota a lié cela à des brevets, de sorte que d’autres fabricants ont été contraints de trouver d’autres solutions (moins efficaces) au problème de transmission, donnant à Toyota un avantage concurrentiel majeur. En termes simples, l’eCVT était une boîte de vitesses à rapport fixe avec une entrée du moteur ICE, une entrée/sortie du moteur/générateur électrique et une sortie/entrée connectée à la ou aux roues. La direction et les proportions du flux d’énergie ont été contrôlées en fonctionnement en continu par ordinateur pour optimiser les performances.

3. Moteur ICE. Les véhicules Pure ICE utilisent le cycle thermodynamique Otto, qui a la plage de vitesse de fonctionnement utilisable la plus large. Les hybrides utilisent généralement le cycle Atkinson, qui est beaucoup plus efficace mais a une plage de vitesse de fonctionnement beaucoup plus étroite. Dans la Prius d’origine, Toyota a optimisé les dimensions et les rapports puissance/poids des 3 principaux composants de sorte que la Prius est devenue le véhicule de transport de personnes le plus efficace sur la route. La batterie était juste assez grande pour fournir un freinage régénératif et un couple de démarrage, mais offrait une autonomie minimale (ou nulle) «batterie uniquement». Il ne pouvait pas non plus fonctionner en mode ICE uniquement (comme je l’ai découvert à mon grand regret lorsque la batterie est finalement morte et que la voiture a été donnée à un collège de formation).

Je pense que cela est devenu le talon d’Achille de la Prius, car elle ne pouvait pas évoluer vers un véhicule électrique pur lorsque la technologie le permettait – ni même évoluer efficacement vers un véhicule électrique hybride rechargeable (PHEV). Toyota a fait valoir que le premier modèle Prius avait été vendu à perte et qu’ils n’avaient atteint le seuil de rentabilité que sur le deuxième modèle. Le « Hybrid Synergy Drive », qui était la combinaison de l’eCVT et de l’électronique de puissance, et les systèmes informatiques ont été facilement transférés vers d’autres modèles de voitures (Corolla, Camry, RAV4, etc.), ce qui a permis une prise de profit avec un développement supplémentaire minimal.

Toyota avait mis tous ses œufs dans le panier hybride, et lorsque la technologie des batteries au lithium a finalement fait du BEV la solution optimale, Toyota n’avait aucun avantage concurrentiel. Les véhicules électriques purs ont un couple de démarrage beaucoup mieux adapté aux besoins et une plage d’énergie régénérative beaucoup plus utilisable. (J’ai particulièrement remarqué ce dernier en revenant de Toowoomba dans la gamme – la Prius atteindrait très rapidement 100% de capacité de batterie nécessitant un freinage par friction pendant la majeure partie de la course. Il y a toujours beaucoup de place dans la batterie Ioniq.)

Du point de vue d’un ingénieur, les choses que j’aime le plus dans le BEV sont :

1. Zéro émission. Je charge à la maison et paie un supplément pour une énergie purement renouvelable (afin que les trolls ne puissent pas m’accuser d’utiliser une énergie au charbon). J’ai d’abord pris conscience des problèmes liés aux émissions de CO2 en 1965.
2. Simplicité et élégance du design et absence de pièces mobiles. Cela signifie un faible coût de maintenance.
3. La conduite à une pédale signifie qu’il est peu probable que je remplace les plaquettes de frein pendant la durée de vie de la voiture. (Bien que je ne les ai remplacés qu’une fois tous les 400 000 km dans la Prius.)
4. Efficacité énergétique. Lors d’un long voyage, je dépense plus en café qu’en énergie !!
5. Couple maximal à vitesse nulle. Même en mode ECO, le véhicule électrique se glisse dans des espaces d’un rond-point très fréquenté, ce qui serait impossible dans une voiture ICE.
6. La conduite stop/start sur l’autoroute Bruce pendant les heures de pointe encombrées a au moins la consolation d’une consommation d’énergie pratiquement nulle, contrairement à l’ICE.

Image en vedette : Toyota Prius 1993, gracieuseté de Toyota.

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