En trois générations, la Prius à système Hybrid Synergy Drive® a gagné 35 % en puissance tout en réduisant sa consommation de 23 % et ses émissions de CO2 de 25,5 %.

La première Prius associait à une transmission variable en continu un moteur à essence de 1,5 litre et un moteur électrique pour une puissance totale de 101 ch (74 kW) en affichant une consommation de 5,1 litres/100 km et un taux de CO2 de 120 g/km.

Elue Voiture de l’Année 2005 par la presse automobile européenne et en tête des enquêtes de satisfaction clients JD Power en France en Allemagne et au Royaume Uni ces deux dernières années, la Prius II de 2003 a amélioré la batterie, le moteur électrique et l’inverseur de son système 100 % hybride et adopté un convertisseur survolteur pour augmenter encore le rendement. Elle développait 111 ch (82 kW) en diminuant la consommation à 4,3 l/100 km et le taux de CO2 à 104 g/km.

Aujourd’hui, la nouvelle Toyota Prius offre une puissance totale en hausse de 24 % qui grimpe de 110 à 136 ch (100 kW). La consommation d’essence chute de 9 % à 3,9 l/100 km en cycle mixte et le taux de CO2 en baisse de 14% à 89 g/km.

90 % des composants du système hybride (y compris le moteur thermique) ont été redéfinis afin de l'alléger et d'en réduire l'encombrement. La nouvelle boîte-pont accueille le moteur électrique, le générateur, le répartiteur de puissance et le réducteur de régime moteur sous un carter de transmission léger et compact, de taille comparable à celle d’une boîte de vitesses classique. Elle raccourcit de 12,5 mm en longueur et s’allège de 20 kg par rapport à la version antérieure. Avec en prime une sérieuse chasse aux bruits et une réduction de 10 à 20 % des pertes énergétiques.

La nouvelle Prius conserve un système hybride à architecture série-parallèle, donc 100% hybride. Il comprend le moteur à essence, un moteur électrique, un générateur, une batterie hautes performances, une électronique de puissance et un répartiteur de puissance. Par l’intermédiaire d’un train épicycloïdal, ce dernier collecte puis redistribue, en fonction des besoins, la puissance issue du moteur thermique, du moteur électrique et du générateur. À la décélération et au freinage, le moteur électrique se comporte comme un générateur et récupère l’énergie cinétique (habituellement dissipée sous forme de chaleur en phases de décélération et de freinage) et la stocke sous forme électrique dans la batterie.

Le système offre tous les avantages d’une architecture moteur série/parallèle, alors que ses concurrentes semi-hybrides n’utilisent qu’une configuration parallèle qui recourt au moteur électrique qu’à titre d'appoint, pour renforcer les performances du moteur thermique à l’accélération. Les véhicules hybride à configuration en série comme la Chevrolet Volt, qui recourent à la seule puissance du moteur électrique pour entraîner les roues. Dans ce cas, le moteur à essence opère de manière indépendante et ne sert qu’à recharger la batterie en fonction des besoins. Certes, les émissions sont ainsi limitées mais ces hybrides exigent des batteries plus grosses et plus Lourdes (ou plus chères), sans pouvoir égaler les performances et la vitesse de croisière élevée d’une hybride intégrale.

Fonctionnement de l’Hybrid Synergy Drive® / 100% Hybride Quel que soit le trajet, le système Toyota Hybrid Synergy Drive® / 100% Hybride adopte différents modes de fonctionnement pour optimiser la sobriété de Prius : au repos, le moteur thermique se coupe automatiquement pour économiser le carburant. Dans les phases de faible rendement moteur – au démarrage ou sur la plage des bas et moyens régimes –, la voiture tourne sur le seul moteur électrique et s’affranchit ainsi de tous rejets.

En conditions de roulage normales, la répartition de puissance entre les moteurs thermique et électrique est ajustée en permanence afin d’optimiser le rapport performances/consommation de carburant. Grâce au système de freinage à commande électronique ECB et récupération d’énergie, le moteur électrique se comporte comme un générateur de forte puissance pour optimiser la gestion énergétique du système Hybrid Synergy Drive® / 100% Hybride : en phases de décélération et de freinage, il récupère l’énergie cinétique (normalement perdue sous forme de chaleur) et la stocke sous forme électrique dans la batterie haute tension.

Le niveau de puissance de la batterie est constamment géré par le générateur (entraîné par le moteur thermique) pour supprimer toute nécessité de recharge à partir d'une source externe.

Revue de details des composants

Le moteur thermique

Le nouveau moteur à essence de 1,8 litre à calage variable des soupapes d’admission VVT-i (Variable Valve Timing-intelligent) qui remplace le 1,5 litre, conserve son fonctionnement en cycle Atkinson. Cette technique se caractérise par la compression et la détente qui ne sont pas symétriques et la fermeture tardive des soupapes reporte la compression. Le rapport de détente est alors supérieur au rapport de compression, d'où des pertes énergétiques moindres à l'admission et à l'échappement et une meilleure conversion de l'énergie de combustion en énergie mécanique utile. Avec une puissance de 98 ch à 5 200 tr/min et un couple maximal de 142 Nm, le nouveau moteur fournit 32 Nm de plus à un régime inférieur (2 180 tr/min contre 2 470, soit 290 tr/min de moins). Puissance et couple gagnent respectivement 27% et 23%.

Il peut sembler paradoxal de doter le système hybride d’un moteur thermique plus gros et plus puissant pour diminuer la consommation d'essence, mais sa cylindrée supérieure lui procure en fait un meilleur rendement énergétique en vitesse de croisière. À 120 km/h par exemple, le moteur thermique tourne ainsi plus lentemment et procure une économie de carburant d’environ 10 % sur les longs trajets, là où la précédente Prius ne sortait pas du lot.

Parallèlement, le rendement par temps froid s’améliore grace à l’adoption d’une pompe à eau électrique et d’un récupérateur de chaleur qui réoriente les gaz d’échappement pour chauffer le liquide de refroidissement moteur au démarrage. La Prius III s’adjoint aussi un système de recirculation des gaz d’échappement (EGR), – refroidis de 880°C à 150°C – dans le circuit d’admission, ce qui abaisse encore la température de fonctionnement du moteur thermique tout en réduisant les pertes de charge par une diminution de la dépression à l’admission.

Le moteur électrique

Le moteur électrique synchrone de 81 ch (60 kW) dispose d’un couple maximal de 207 Nm sur la plage de 0 à 13 000 tr/min. Il offre 20 % de puissance supplémentaire que celui de la Prius II tout en étant plus léger de 33 %. Il travaille en tandem avec le moteur thermique pour doper l’accélération, ou entraîne seul les roues motrices lorsque la Prius roule en mode tout électrique EV. Lors du freinage régénératif, le moteur électrique se comporte comme un générateur de forte puissance, en récupérant l’énergie cinétique sous forme électrique pour recharger la batterie. Ce moteur est désormais refroidi par air et la tension maximale de service survoltée à 650 Volts au lieu de 500 en cas de besoin d’une puissance maximale. Cependant, en conditions de roulage ordinaires, le moteur tourne dans la mesure du possible sous une tension non amplifiée afin de réduire la consommation de carburant.

Générateur

Comme le moteur électrique, le générateur est aussi du type synchrone à courant alternatif. Développant 57 ch (42 kW), il remplit de nombreuses fonction au cœur du système Hybrid Synergy Drive® / 100% Hybride. Le système étant dépourvu de démarreur électrique, c’est le générateur qui sert à démarrer le moteur à essence. En conditions de conduite normale, la puissance motrice thermique est attribuée, selon les besoins du système, à l’entraînement des roues ainsi qu’à l’alimentation du générateur. Via l’électronique de puissance, ce dernier actionne alors le moteur électrique tout en rechargeant la batterie haute tension. En outre, le générateur contrôle le régime du moteur thermique afin d’optimiser la consommation d’essence. Lorsque le groupe hybride n'a plus besoin du moteur thermique, le générateur le coupe. Toutefois, si la Prius roule suffisamment longtemps sur le seul moteur électrique pour devoir recharger la batterie, le générateur démarre alors le moteur thermique qui lui fournit en retour la puissance nécessaire pour effectuer cette recharge.

Batterie de forte puissance

Grâce à sa batterie haute tension de 202 V, toujours à technologie nickel métal hydrure (Ni-MH) logée sous le plancher du coffre, la nouvelle Prius peut rouler en seul mode électrique (EV) deux kilometres -au mieux. Avec 2 kW supplémentaires malgré une taille réduite, la batterie fournit maintenant un maximum de 36 ch (27 kW), favorisant la progressivité du moteur au démarrage. La capacité du ventilateur de la batterie a été augmenté pour renforcer l’efficacité du système de refroidissement et tenir compte du surcroît de puissance de la batterie. La Prius n’utilise pas la technologie des batteries lithium-ion car Toyota estime que pour l’instant, les batteries nickel-métal hydrure sont à la fois plus fiables et plus adaptées pour faire face aux nombreuses phases de recharge et de décharge. Elles sont également moins onéreuses que des éléments lithium-ion. Les batteries ont été conçues pour une durée de vie en principe égale à celle la voiture. De nombreuses Prius de 1ère génération ont largement passé au Japon les 300 000 km avec leurs batteries hybrides d’origine.

Électronique de puissance PCU

De taille désormais similaire à une batterie standard de 12 Volts, l’électronique de puissance (PCU) du système Hybrid Synergy Drive® / 100% Hybride se compose d’un convertisseur-survolteur qui amplifie la tension du moteur électrique, du générateur et de la batterie afin d’augmenter la puissance du système hybride, d’un inverseur qui transforme le courant continu issu de la batterie en courant alternatif afin d’alimenter le moteur et le générateur, et d’un convertisseur CC/CC qui ramène la haute tension de 202 V de la batterie à 14 V, afin d’alimenter les systèmes accessoires et de recharger la batterie auxiliaire.

Le nouvel inverseur de 13,5 kg et 13 litres s’allège de 36 % et gagne 37 % en compacité sur son prédécesseur. Sa commutation plus rapide augmente l'efficacité, et il convertit désormais le courant continu de la batterie en courant alternatif de 650 V pour entraîner le moteur électrique et, à l'occasion, le générateur – ce qui améliore considérablement les performances de l'électronique de puissance.