Le document traite de la technologie hybride HSD du véhicule Toyota Prius, mettant en avant son architecture et ses modes de fonctionnement. Il décrit comment le système combine un moteur thermique et des machines électriques pour optimiser la performance, récupérer de l'énergie et réduire la consommation. Des tâches d'analyse fonctionnelle, ainsi que des études de performance des moteurs et de la batterie, sont également abordées.

1. ANNEE SCOLAIRE
2020/2021
La technologie HSD du véhicule
hybride Toyota Prius
Classe :2 SCMB
Date 14/01/2021 CHAINE D’ENERGIE DE LA TOYOTA DUREE :120 min
Partie I - Présentation du système et de ses modes de fonctionnement Objectif :
Comprendre l'architecture du système HSD par une approche globale des performances de
La technologie HSD du véhicule hybride Toyota Prius
I.A - Introduction
Dans le contexte actuel d'économie des énergies Fossiles et de réduction des émissions de gaz
nocifs, Le système de propulsion hybride constitue une alternative intéressante à la propulsion
classique Par moteur thermique seul car il permet de réduire La consommation.
La spécificité de la solution retenue Sur la Prius consiste à :
• récupérer l'énergie du véhicule lors du freinage ;
• exploiter le moteur thermique à son rendement optimal.
I.B - Architecture du système hybride HSD Toyota
Comme le montre la figure 1, la technologie hybride de Toyota, nommée HSD (Hybride Synergie
Drive), associe un moteur thermique à essence et sa transmission à deux machines électriques
et une batterie de puissance. Le schéma de principe ci-dessus et la figure 1 mettent en évidence
les deux machines électriques (le moteur électrique et la génératrice) reliées au moteur
thermique par un train épicycloïdal. Page 1/14
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2. LA FIGURE 1
A partir de la position de la pédale d’accélérateur et de la vitesse du véhicule, le calculateur
détermine la vitesse de rotation optimale du moteur thermique et la consigne d’ouverture du
papillon des gaz.
La puissance en sortie du moteur thermique est transmise, grâce à un train épicycloïdal, à la
chaîne silencieuse et à la génératrice. Un asservissement en vitesse de la génératrice permet de
contrôler la vitesse de rotation du moteur thermique.
Le répartiteur de puissance gère les échanges de puissance électrique entre la génératrice, le
moteur électrique et la batterie.
Le moteur électrique entraîne la chaîne silencieuse, seul ou en complément du moteur
thermique. Il récupère également l’énergie cinétique ou potentielle du véhicule lors des phases
de ralentissement.
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3. I.C - Les principaux modes de fonctionnement de la Toyota Prius
Les flèches indiquent le sens du transfert de l’énergie.
Mode 1 : Démarrage et vitesse lente. La batterie fournit toute l’énergie nécessaire au déplacement de la
voiture.
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TABLEAU DES CARACTERISTIQUES DU MOTEUR THERMIQUE

4. Les principaux modes de fonctionnement de la Toyota Prius
Les flèches indiquent le sens du transfert de l’énergie.
Mode 1 : Démarrage et vitesse lente. La batterie BAT 8 fournit toute l’énergie nécessaire au déplacement
de la voiture.
Mode 2 : Le moteur thermique MT1 entraîne les roues et le générateur MG5, le générateur alimentant alors le
moteur MG6. La répartition de l’énergie fournie entre le moteur thermique et le moteur électrique est contrôlée
par le calculateur afin d’assurer un rendement optimum.
Si le niveau de charge de la batterie est trop faible, le générateur peut également fournir l’énergie nécessaire à
la charge de la batterie.
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5. Mode 3 : Le moteur thermique MT1 entraîne les roues et le générateur MG5. Le moteur
électrique MG6 est alimenté par le générateur et la batterie BAT 8
.
Mode 4 : Mode permettant le freinage de la voiture. La machine électrique MG6
fonctionne en générateur et permet de charger la batterie.
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6. Tâche 1 Analyse fonctionnelle du HSD et de la Toyota Prius et modes de fonctionnement 11PTS
1-Compléter le diagramme des interactions ainsi que le tableau des fonctions (6x0.25=1.5PTS)
2- compléter le diagramme SADT A-0 (4x0.25=1pt)
3-Compléter la chaine fonctionnelle de la voiture hybride (12x0.25=3pts)
4 - Compléter le diagramme FAST (8x0.25=2pts)
5-D’après les modes de fonctionnements remplir le tableau en indiquant par M : Moteur et G :
générateur L’organe concerné (14x0.25=3.5pts)
Tâche 2 Etude des performances maximales du moteur thermique 2PTS
Objectif : Vérifier que le moteur thermique seul permet d’atteindre la vitesse maximale.
On considère que le véhicule se déplace sur route horizontale sans vent, avec les conditions
Atmosphériques : pression 1 bar, température 25°C, masse volumique de l’air ρ = 1,169 kg.m-3
1. Calculer la valeur de la force de résistance au roulement : Froul=m.g.f (0.25pt)
On prendra g = 9,81 m.s-2
2. Calculer la force de résistance aérodynamique à 170 km/h : F Aero = ½ ρ S Cx V2
. (0.25pt)
3. Calculer la valeur de la résistance totale à l’avancement. En déduire la puissance nécessaire
à l’avancement du véhicule. (0.5pt)
4. Le moteur thermique seul suffit-il à entraîner le véhicule à la vitesse maximale ? (0.25pt)
5. Déterminer la vitesse angulaire de la roue Ω roue (0.25pt)
6. Pour une vitesse de rotation du moteur de 12 500 Tr/min calculer Ω moteur en déduire
Le rapport de réduction k de la transmission (0.5pt)
Tâche 2 Etude des performances maximales de la batterie et des moteurs électriques 7 pts
Mode 1 : Démarrage et vitesse lente. La batterie fournit toute l’énergie nécessaire au déplacement
De la voiture.
Etude des performances de La batterie
La batterie utilisée par le système hybride se compose de 228 éléments NiMH (Nickel Métal Hydrure)
Regroupés dans un bloc placé sous les sièges arrière (masse totale : 52 kg). Chaque élément
présente Une tension d’environ 1,2 V et une capacité de 6,5 Ah. Le courant maximal est de 80 A à la
décharge et de 50 A à la charge.
Par convention, pour toute la suite de l’exercice on notera le courant positif lors de la charge et négatif
Lors de la décharge.
1-Calculer la tension totale de la batterie. (0.25pt)
2-Calculer les puissances maximales admissibles à la charge et à la décharge. (0.5pt)
3-Calculer l’énergie totale qui serait contenue dans la batterie si son état de charge était de 100 %
. (0.25pt)
4- La résistance interne de la batterie étudiée a pour valeur R = 0,46 Ω(0.25pt)
Déterminer la valeur de la force électromotrice pour un courant I=17 A
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7. Etude des performances du moteur électriques MG5
Le moteur à courant continu MG5 est d’une puissance de 250 W. Ce moteur fonctionnant à flux
constant
Présente les caractéristiques suivantes : Tension nominale d’induit : UN = 24 V
Intensité nominale du courant d’induit : IN = 12,9 A
Résistance d’induit : R = 0,20 Ω
Fréquence de rotation nominale : Nm = 2750 tr/min
1-Dessiner le modèle équivalent électrique de l’induit du moteur en fléchant toutes les tensions
et le courant et En utilisant uniquement la convention réceptrice. (0.5pt)
2- En déduire la relation liant U à E, R et I(0.25pt)
3- Calculer la f.é.m. EN au point de fonctionnement nominal(0.25pt)
4) Rappeler les relations liant la f.é.m. E à la vitesse angulaire Ω, et Ω à la fréquence de rotation
n en tr/min. (0.75pt)
Justifier alors la proportionnalité entre E et n. (0.5pt)
5) On se place au fonctionnement nominal et on suppose que les pertes collectives PC sont
égales à 27 W.
a) A quoi correspondent physiquement ces pertes collectives ? (0.25pt)
b) Calculer la puissance absorbée Pa par le moteur, (0.25pt)
c) Calculer les pertes dissipées par effet joule PJ dans l’induit, (0.25pt)
d) Retrouver par le calcul la puissance mécanique utile Pu de 250 W indiquée au début de
l’énoncé(0.25pt).
e) Calculer le rendement η , (0.25pt)
f) Calculer le couple utile Cu(0.25pt)
Etude des performances du moteur électriques MG6
Le moteur MG6 est un triphasé qui est alimenté par une tension de 400 V- 50 Hz ; ce dernier
possède 6 pôles et absorbe un courant nominal IN = 15,5 A avec un facteur de puissance
Cos φ = 0,8.
• La vitesse de rotation nominale est Nm = 970 tr/min.
• Les enroulements statoriques sont couplés en triangle et chacun a une résistance R = 0,8 Ω.
• Les pertes fer du stator sont Pfs = 206 W et les pertes mécaniques sont pm = 447 W.
Calculer la valeur :
1. De la vitesse de synchronisme ns (en tr/min) et le glissement g (en %) : (0.5pt)
2. De la puissance active Pa absorbée par le moteur : (0.25pt)
3. Des pertes par effet Joule PJs dans le stator : (0.5pt)
4. De la puissance électromagnétique PTr transmise au rotor : (0.25pt)
5. Des pertes par effet Joule PJr dans le rotor : (0.25pt)
6. Du couple électromagnétique Ce : (0.25pt)
7. Du rendement ηMV du moteur : (0.25pt)
8-Représenter le bilan de ce moteur (0.25pt)
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1-Compléter le diagramme des interactions
ainsi que le tableau des fonctions
Doc REP 01

9. 2- compléter le diagramme SADT A-0
3-Compléter la chaine fonctionnelle de la voiture hybride
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DOC REP 02

10. 4 - Compléter le diagramme FAST
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DOC REP 03

11. 5-D’après les modes de fonctionnements remplir le tableau en indiquant par M : Moteur et
G : générateur L’organe concerné
Etude des performances maximales du moteur thermique
1. Calculer la valeur de la force de résistance au roulement : Froul=m.g.f
On prendra g = 9,81 m.s-2
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2. Calculer la force de résistance aérodynamique à 170 km/h : F Aero = ½ ρ S Cx V2
.
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3. Calculer la valeur de la résistance totale à l’avancement. En déduire la puissance nécessaire à
L’avancement du véhicule.--------------------------------------------------------------------------------
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4. Le moteur thermique seul suffit-il à entraîner le véhicule à la vitesse maximale ?
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5. Déterminer la vitesse angulaire de la roue Ω roue
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6. Pour une vitesse de rotation du moteur de 12 500 Tr/min calculer Ω moteur en déduire Le
rapport de réduction k de la transmission --------------------------------------------------------------
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Etude des performances de La batterie
1-Calculer les puissances maximales admissibles à la charge et à la décharge.
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DOC REP 04

12. 2-Calculer l’énergie totale qui serait contenue dans la batterie si son état de charge était de 100 %.
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3- La résistance interne de la batterie étudiée a pour valeur R = 0,46 Ω déterminer la valeur de
la force électromotrice pour un courant I=17 A
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Etude des performances du moteur électriques MG5
Dessiner le modèle équivalent électrique de l’induit du moteur en fléchant toutes les tensions et
le courant et en utilisant uniquement la convention réceptrice.
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2) En déduire la relation liant U à E, R et I.
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3) Calculer la f.é.m. EN au point de fonctionnement nominal.
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4) Rappeler les relations liant la f.é.m. E à la vitesse angulaire Ω, et Ω à la fréquence de rotation
n en tr/min. Justifier alors la proportionnalité entre E et n.
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5) On se place au fonctionnement nominal et on suppose que les pertes collectives PC sont égales
à 27 W.
a) A quoi correspondent physiquement ces pertes collectives ?
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b) Calculer la puissance absorbée Pa par le moteur,
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c) Calculer les pertes dissipées par effet joule PJ dans l’induit,
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d) Retrouver par le calcul la puissance mécanique utile Pu de 250 W indiquée au début de l’énoncé.
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DOC REP 05

13. e) Calculer le rendement η ,
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f) Calculer le couple utile Cu.
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Etude des performances du moteur électriques MG6
Calculer la valeur :
1. de la vitesse de synchronisme ns (en tr/min) et le glissement g (en %) :
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2. De la puissance active Pa absorbée par le moteur :
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3. Des pertes par effet Joule PJs dans le stator :
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4. De la puissance électromagnétique PTr transmise au rotor :
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5. Des pertes par effet Joule PJr dans le rotor :
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6. Du couple électromagnétique Ce :
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7. Du rendement ηMV du moteur :
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8-Représenter le bilan de ce moteur
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14. Dessin de perspective du fonctionnement du Toyota hybride
TABLEAU DES CARACTERISTIQUES DU MOTEUR HYBRIDE ET PERFORMANCES
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DOC RESS 01