[Motorisation] Toyota Yaris HSD: démontage et analyse du moteur hybride

Hortevin

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Fontenay le Fleury
#1
Voici un rapport de démontage de la motorisation hybride de Toyota Yaris HSD, réalisé par une université automobile japonaise. La motorisation de Yaris hybride est basée sur le système THS-II de Prius 2, et les ingénieurs ont apporté multiples améliorations pour le rendre compatible avec les citadines: le moteur essence 1,5L a été amélioré, et la transmission hybride double moteur électrique est rendu plus compact et plus léger.

Toyota Yaris hybride Moteur démonté.jpg

Bon le véhicule démonté est une Aqua (Prius C), mais c'est le coussin japo-américain de la Yaris et ils partagent la même motorisation. C'est une citadine au même titre que Renault Clio ou Peugeot 208.

Cette motorisation hybride 1,5L HSD (puissance totale cumulée: 100 Ch, 73 kW) est utilisé dans plusieurs véhicules chez Toyota: Aqua/Prius C, Yaris, Corolla et Sienta. Elle utilise un moteur essence 1NZ-FXE (73 Ch) associé à un moteur électrique principal (1LM, 45 kW et 169 N.m).



Comparé à la motorisation hybride de Prius 3 (1,8L HSD), le système hybride Yaris HSD est plus léger de 42 Kg: 16,5 Kg pour le moteur essence, 8 kg pour la transmission et 11 kg pour la batterie.

Le moteur 1NZ-FXE optimisé:

Toyota Yaris hybride 1NZ-FXE.jpg


Le moteur essence Atkinson 1NZ-FXE de Yaris hybride est de même référence que Prius 2.
En revanche, sur Yaris, les ingénieurs Toyota ont ajouté la vanne EGR refroidie, pompe à eau électrique et un collecteur d'échappement miniaturisé. La chambre de combustion a également été modifié, le taux de compression passe de 1:13 à 1:13,4. Moins puissant (54 kW contre 56 kW), il fournit néanmoins plus de couple (111 N.m au lieu de 110 N.m) que la Prius 2.

Moteur essence 1NZ-FXE.jpg

Les ingénieurs Toyota ont réduit les frottements mécaniques sur ce moteur 1NZ-FXE:
  • Forme de chaîne de distribution modifiée
  • Ajout de traitement de surface Fluor
  • Réduction du volume de pompe à huile
  • Ajout de traitement de surface DLC (diamant like carbon ou carbone adamantin)
Malgré un mécanisme de soupape moins performant que Prius 2, les pertes liées au frottement de la Yaris hybride ont été réduit de 30%.

Pompe à eau électrique:

Comme la Prius 3, Yaris hybride utilise une pompe à eau électrique (élément qui permet au liquide de refroidissement de circuler).
Toyota Yaris hybride pompe à eau.jpg

Cela permet de:
  • Supprime la courroie d'accessoire
  • Réduire les pertes d'entraînement à haut régime
  • Contrôler le débit de liquide de refroidissement en fonction de la sollicitation: le débit max a donc été réduit de 50%, donc moins de pertes de frottement.
De plus, le fait d'électrifier la pompe à eau, enlève la contrainte géométrique d'intégration due à la courroie. L'emplacement de la pompe à eau est plus libre, et permet de raccourcir le moteur de 20mm.

Vanne EGR:

La vanne EGR est désormais refroidie, ce qui a augmenté sa plage d'utilisation de 17,5% (sous JC08), par rapport à Prius 2. Les ailettes de refroidissement ont également été revus pour améliorer la conduction, pour baisser davantage la température du gaz d'échappement.
Toyota Yaris hybride Vanne EGR.jpg


Transmission e-CVT de Yaris hybride

La transmission a également été rendu plus compact et plus léger, comparé à Prius 3ème génération, c'est 21mm de longueur et 8 kilos en moins. Le système de refroidissement est optimisé, forme des engrenages optimisée et moteur électrique miniaturisé.

Toyota Yaris hybride Transmission hybride schéma.jpg

(Schéma de transmission - boîte de vitesse de Yaris hybride)

Toyota Yaris hybride Transmission e-CVT.jpg

a.) Le liquide de refroidissement est introduit localement pour refroidir directement les moteurs électriques (MG1/MG2), ce qui simplifie l'architecture (comparé à un bloc traditionnel qui est refroidi entièrement).
b.) On voit que les bobines du moteur électrique utilise un fil de cuivre de section rectangulaire

Toyota Yaris HSD Transmission.jpg

Voici la boîte pont (transmission finale) de Yaris hybride.

Contrairement à la Prius 2 dont la transmission partage le liquide de refroidissement du PCU (Power Control Unit) sur le principe de "water jacket", ici, Yaris utilise un refroidissement par huile, qui cible les moteurs électriques.
 

Hortevin

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Fontenay le Fleury
#2
L'électronique de puissance de Toyota Yaris hybride

Voici le moteur électrique / générateur 1LM utilisé par Yaris HSD.
Comparé à Prius 3 (2009), il est moins puissant (45 kW contre 60 kW), mais il est aussi moins long (-10%) et son diamètre est aussi réduit (-15%).
On passe d'un bobinage concentrique (orienté couple) à un bobinage distribué (orienté vitesse), vous avez plus d'explication dans ce cours bref. Les fils de cuivre du stator passent aussi à une section rectangulaire, d'après les explications Toyota sur le moteur de Prius 4 dont la même chose a été vue, cela permet un meilleur refroidissement ou un gain de place (on peut rapprocher davantage les fils de cuivre).

Toyota Yaris hybride 1LM moteur électrique.jpg


Le PCU de Yaris hybride a également été optimisée en taille: nouveau convertisseur DC-DC (courant continu) et nouvel ECU (Engine Control Unit), et les autres composants auxiliaires ont été rendus plus petits.
Toujours par rapport à Prius 3, le poids a été allégé de 1,1 kg et la taille réduite de 12%.

Toyota Yaris HSD PCU.jpg

Dans la vue de gauche (partie supérieure), on a à gauche la carte de contrôle du moteur, et à droite, carte de contrôle de grille. Au niveau de la partie inférieure, c'est le convertisseur DC-DC (courant continu) qui passe la tension de 144V à 520V.

Toyota Yaris hybride IGBT.jpg

Voici les transistors IGBT (rôle: interrupteur / commande) de Yaris hybride: les 3 transistors à droite servent au moteur MG2, tandis que les 3 autres servent au générateur MG1. Le système de refroidissement est amélioré grâce à une plaque aluminium estampée.

La batterie de Yaris Hybride:

Avant la citadine hybride Aqua/Prius C/Yaris HSD, les batteries sont soit logées dans le coffre, derrière la banquette arrière (comme Prius et Camry), soit logées dans l'accoudoir central (les monospaces comme Prius + et Estima).
Pour une citadine, la première solution réduirait beaucoup trop le volume du coffre disponible, et la seconde solution serait trop compromettante pour le confort de l'habitacle.

C'est pourquoi les ingénieurs ont tout fait, pour que la batterie soit intégrée sous la banquette arrière. Ce qui réduit son impact sur le volume habitacle et coffre.
De plus, cela abaisserait le centre de gravité du véhicule et améliore ainsi sa tenue de route.
Toyota Yaris hybride emplacement batterie.jpg


La batterie NiMH est toujours fabriquée par Primearth EV Energy, une join-venture entre Toyota et Panasonic.
Le BMS (Battery Management system) et le système de refroidissement provient en revanche de Denso (filiale de Toyota).
Toyota Yaris hybride batterie - comparé à batterie Prius 3.jpg


La batterie de Yaris hybride est composée de 20 modules de batterie (contre 28 pour Prius 3).
Chaque module contient 6 accumulateurs de 1,2V, a donc une tension de 7,2V avec une capacité de 6,5 Ah (sur 3 heures). Chaque module pèse 1,04 Kg.

Au total, la batterie de Yaris HSD fait 144V avec une capacité de 0,94 kW.
Pour une dimension de L600 x l300 x H100 (mm), c'est 20% de moins que Prius 3 et plus léger de 11 kg.

Toyota Yaris hybride Batterie NiMH.jpg

Démontage de batterie de Yaris hybride

Il existe également d'autres systèmes qui viennent compléter la batterie, comme le système BMS (Battery Management System), qui permet d'envoyer les données sur la tension de la batterie, et gérer l'état de charge (SoC) de la batterie:
Toyota Yaris hybride BMS Battery Management System.jpg


Voici la disposition de la batterie principale (NiMH) et la batterie 12V qui sert à alimenter les accessoires électriques, tels que les essuies glaces ou les phares.
Toyota Yaris hybride batterie.jpg


Le réservoir de carburant n'est pas en interférence avec la batterie, mais son volume a été diminuée par rapport à une Yaris classique, passant de 42 litres à 36 litres. Ceci dit, avec une consommation de carburant réduite, la version hybride aura en réalité la même autonomie que les versions essences et diesel.
Toyota Yaris hybride emplacement batterie 12V.jpg


Freinage régénératif à commande électronique (ECB) de Yaris Hybride:

Appelé en anglais "Electronically Controlled Brake", ce système de commande de freinage permet de coordonner le contrôle du freinage hydraulique traditionnel et le contrôle du freinage régénératif.

Toyota Yaris hybride système Freinage.jpg

Contrairement à un système de freinage 100% hydraulique où la pression huile est proportionnelle à l'enfoncement de la pédale, le ECB cherche à maximiser la régénération cinétique, via le moteur électrique, pour freiner et récupérer le maximum d'énergie électrique.

Toyota Yaris hybride ECB.jpg

Le cœur du système ECB (freinage régénératif à commande électrique) est constitué par 2 modules:
  • (a) Un module électronique qui regroupe le calculateur ECU (Electronic Control Unit), actionneur de frein et le simulateur de course de pédale
  • (b) Un module hydraulique qui regroupe une pompe à huile et un accumulateur de freinage. L'accumulateur sert à restituer l'huile de freinage sous pression, en cas de défaillance de la pompe.
Dans le cas où on cherche à maximiser le freinage régénératif, le module (a) va exercer peu de pression sur (b), afin d'éviter le fonctionnement des freins hydrauliques.

Toyota Yaris hybride frein tambour.jpg


Les roues arrières de Yaris hybride utilisent un frein à tambour. Cette technologie a l'avantage d'avoir un coût de fabrication peu élevé, mais présente l'inconvénient d'accumuler la chaleur et de dégrader le freinage quand celui-ci se prolonge.
Notez que pour la première fois, Toyota utilise le système de coordination freinage régénératif sur des freins à tambour.

Source:
プリウスのシステムを大幅に小型化 - クルマ - 日経テクノロジーオンライン
電池を後席下に置き、運動性能高める - クルマ - 日経テクノロジーオンライン
 

Aurigas

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#3
On trouve vraiment des trucs très intéressant sur ce forum!
Bravo!
Je serais très curieux de voir ce genre d'image concernant l'Auris TS! :)
 

Fred41

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#4
Très intéressant, je comprends mieux comment est faite ma Yaris !

Merci Hortevin !

Fred.
 

Hortevin

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Fontenay le Fleury
#5
De rien!
C'est vrai que je suis heureux de pouvoir partager des informations sur le système hybride de Yaris, dont on dispose peu d'info.

J'ai désormais achevé la présentation de la motorisation hybride de Yaris HSD.
J'ai ajouté sur le 2ème post, la disposition des 2 batteries (HT et 12V) et surtout, l'explication du contrôle de freinage régénératif.

Bonne lecture! :)
 
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Profitroll

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Bischheim
#6
J'ai un peu de mal a interpréter le schéma.
Le réducteur, c'est un bête engrenage comme sur la P4 ? Donc plus simple que le 2eme train planétaire de la P3.
Ça et le moteur électrique me laisse penser que cette motorisation était un avant-gout des évolutions de la P4, mis a part le 1nz-fxe qui date. Vous avez la même interprétation ?
Juste une erreur, tu indique une puissance de 65ch, il me semble que c'est 75, non ?
 

7DAN

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#8
la Prius C, contrairement à la Yaris européenne, est équipée de freins à tambours a l'arrière
 

Astronef

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#9
A noter, l'emplacement super pas pratique pour ne pas dire merdique de la batterie 12V pour les pompiers en cas de désincarcération.
En effet nous déconnectons celle-ci systématiquement afin d'éviter un déclenchement fortuit des airbags...
 

Profitroll

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Bischheim
#10
Sur la Yaris toutes les versions hybrides ont droit aux disques ? Au lancement de la thermique, seule la finition style avait des disques AR.
Bon c'est un peu hors sujet.
 

Hortevin

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#11
Juste une erreur, tu indique une puissance de 65ch, il me semble que c'est 75, non ?
Tu as raison, je viens de retrouver le communiqué de presse de Toyota Yaris hybride, il indique une puissance de 73 Ch (55 kW).

Pas tout compris ce passage par contre :
Si j'ai bien compris, c'est qu'avant, Toyota coordonne uniquement le freinage régénératif avec les freins à disque (à l'avant).
Et cette fois ci, on prend aussi en compte les freins arrière, de technologie tambour.
 

Fichiers joints

dim74200

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74200 MARIN
#12
Ah ça y'es compris merci @Hortevin ;)

Donc le freinage arrière est régulé par rapport au freinage régénératif, alors qu'avant il fonctionnait comme un freinage classique (dès qu'on appui sur la pédale) ?
 

Hortevin

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#13
J'ai un peu de mal a interpréter le schéma.
Le réducteur, c'est un bête engrenage comme sur la P4 ? Donc plus simple que le 2eme train planétaire de la P3.
Ça et le moteur électrique me laisse penser que cette motorisation était un avant-gout des évolutions de la P4, mis a part le 1nz-fxe qui date. Vous avez la même interprétation ?
Non...je n'ai pas cet impression car le réducteur est déjà un engrenage sur la Prius 3 aussi.
Je ne vois pas de différence en terme d'architecture, entre Prius 3 et Yaris hybride...

@Aurigas :
Tu peux voir les infos de l'architecture et des composants de 1,8L HSD dans:
Les Secrets de technologie du système hybride de Toyota Prius 3: une leçon d'amélioration continue | Hybrid Life : Forum Automobile Hybride, c'est exactement la même motorisation entre Prius 3 et Auris 2 TS, mais je pense que tu le sais.
(je n'ai pas encore fini l'article, un peu compliqué sur la partie électronique de puissance)

Donc le freinage arrière est régulé par rapport au freinage régénératif, alors qu'avant il fonctionnait comme un freinage classique (dès qu'on appui sur la pédale) ?
Très bonne question, du coup je suis retourné voir le magazine MotorFan sur Prius 3.
Et je pense que je me suis peut être trompé dans mon explication.

J'ai trouvé ce schéma qui explique que certes le ECB contrôle et coordonne le freinage hydraulique des 4 roues, mais le freinage régénératif se fait uniquement sur les roues avants (OK ça c'est normal).
Toyota Prius ECB Architecture.JPG

Or les freins avants et arrières de Prius 3 sont des freins à disque, peut être Toyota n'a jamais fait de coordination freinage avec les freins à tambour, avant Yaris.

J'ai trouvé des supers graphiques qui expliquent les difficultés en coordination de freinage:
Graphique Freinage Régénération Cinétique.JPG

Je ne sais pas si ils sont suffisamment explicites?
 
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Aurigas

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#14
Merci Hortevin, idéalement j'aurais aimé avoir des photos, des vues de pièces techniques, des éclatés de l'Auris 2, de la même manière que la Yaris, postés plus haut, c'était dans ce sens que j'avais posté précédemment, dans tout les cas j’apprécie beaucoup ce genre de post quelques soit le modèle concerné!:)
Je suis conscient que c'est beaucoup de temps, de travail et c'était simplement une idée qui me plairait, c'est déjà très bien ce que tu fais là! ;)