Toyota Prius: entenda a mecânica e o sistema híbrido

Conheça os modos de operação do híbrido e fique por dentro de seus sistemas no vídeo com as bancadas da Uninove

Texto e fotos: Felipe Hoffmann

 

Conforme prometido, para esta última matéria de Um Mês ao Volante do Toyota Prius fomos até os campi Santo Amaro e Vergueiro da Uninove (Universidade Nove de Julho), em São Paulo, SP, para apresentar em detalhes as bancadas do sistema híbrido. Nos vídeos desta página você confere tanto essa explanação quanto a análise técnica do modelo no centro automotivo NZ, também na capital paulista.

Quando se fala no sistema híbrido — no qual o motor de combustão interna trabalha em conjunto com o motor elétrico —, muitos perguntam por que não colocar o motor elétrico no eixo traseiro, como no Volvo XC90 T8, como forma de equilibrar melhor o peso do carro. A razão é que no sistema em único eixo, como no Prius, se elimina todo o sistema de transmissão do carro: não há caixa de marchas, embreagem ou conversor de torque, sendo tudo feito por um simples sistema epicicloidal que compensa a diferença de rotação entre os motores. Em lugar da embreagem ou conversor de torque há um motor/gerador elétrico, ou seja, o carro na verdade usa dois motores/geradores elétricos, que a Toyota chama de MG1 e MG2.

 

 

 

Para entender seu funcionamento, recorremos às bancadas (em corte e demonstrativa) da Uninove junto às imagens dos modos de operação, gravadas em movimento com o carro. No vídeo pode-se ver o funcionamento completo da bancada em corte, na qual se visualizam o motor de combustão interna, o MG1 e o MG2.

 

 

Tanto o MG1 quanto o MG2 podem funcionar como motor ou gerador elétrico, dependendo da solicitação. Esses motores e o de combustão interna estão conectados a um sistema epicicloidal — conjunto de engrenagens com uma solar, planetárias e um anel externo. O diferencial de todo carro é um tipo de sistema epicicloidal e faz a mesma função que este, mas em vez das rodas temos aqui os motores MG1, MG2 e de combustão e de forma inversa: é como se girássemos as rodas do carro para girar o motor. No caso do Prius, o conjunto é semelhante aos sistemas de transmissões automáticas, mas sem os conjuntos de embreagens que formam as marchas. Aqui as embreagens são os campos eletromagnéticos criados.

 

A bancada em corte da Uninove mostra componentes do sistema híbrido do Prius; um painel indica como tudo funciona em diferentes condições de uso

 

Os modos do sistema híbrido

Vejamos os modos de operação do sistema, lembrando que o ícone EV significa que o carro está usando apenas os motores elétricos.

 

Começando pela ordem natural de partida (acima), ou seja, com pouca aceleração e velocidade, o que demanda apenas o motor elétrico para movimentar o carro. Nesse caso apenas o MG2 gira, usando a energia das baterias do sistema híbrido, e assim movimenta o sistema epicicloidal e em consequência as rodas, como mostrado no painel do carro. MG1 e motor de combustão interna estão parados. A diferença de rotação é compensada pelo sistema epicicloidal, assim como faz o diferencial do carro quando uma roda gira e outra fica parada.

 

O segundo estágio (acima), que geralmente se vê ao imprimir maiores velocidade e aceleração, ativa o motor de combustão interna para auxiliar na aceleração. Para isso, envia-se energia elétrica para o MG1, que faz a partida do motor a gasolina de modo quase instantâneo e sem trancos. Uma vez que o motor a combustão parte, ele já passa à condição de plena carga (borboleta toda aberta) e varia a rotação em função da potência requerida, ou seja, na condição de maior eficiência possível.

 

Os motores elétricos e o de combustão interna estão conectados a um sistema epicicloidal, semelhante a uma transmissão automática, mas sem conjuntos de embreagens

 

Aí entra a “bruxaria” — ou assim parece a um engenheiro mecânico com mestrado em motores de combustão interna —, pois se cria um campo magnético que começa a “frear” o motor de combustão interna. Uma vez que se freia esse motor, começa a transmissão de rotação para o sistema epicicloidal. É como se fizéssemos patinar a embreagem ou o conversor de torque, casos em que a energia que “freia” o motor (atrito) se transforma em calor e acaba sendo desperdiçada.

No caso do MG1 a energia se transforma em elétrica, que carrega as baterias híbridas. Por isso o motor a combustão funciona a plena carga, pois se busca sua máxima eficiência. Caso não se use toda a energia para acelerar, ela é direcionada para carregar as baterias. Por isso no painel se veem uma seta saindo do motor de combustão para as rodas e outra para o motor elétrico, que por sua vez vai tanto para a bateria como para as rodas. Ou seja, parte da energia que serviu de freio no MG1 torna-se energia elétrica para carregar as baterias, e qualquer sobra vira mais movimento — em forma de energia elétrica — em vez de se desperdiçar em calor.

 

Também pode ocorrer, mas é raro, o motor de combustão tocar sozinho as rodas e toda energia elétrica ser direcionada para carregar as baterias (acima).

 

 

Outra situação (acima) é quando se acelera ao máximo: tanto o motor de combustão interna como o MG2 estão acelerando o carro para entregar o máximo desempenho. A energia que “segurou” o motor de combustão no MG1 é direcionada novamente para o MG2.

 

Já durante redução ou frenagem, temos duas situações. A mais comum é o motor de combustão interna ficar desligado e o MG2 virar um gerador (acima), usando a energia de movimento das rodas para converter em elétrica para as baterias híbridas.

Próxima parte