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

 

Mas há também casos, mesmo nas frenagens, em que o motor de combustão continua ligado para carregar as baterias híbridas através do MG1, que vira gerador, e dos movimentos das rodas pelo MG2 (acima).

 

Em outras condições, o motor de combustão interna não faz nada além de carregar as baterias híbridas (acima). É o que acontece ao ficar parado por muito tempo no trânsito ou numa leve descida em que não haja como regenerar energia pela diminuição de velocidade. O motor a combustão também pode estar ligado sem haver fluxo de energia para qualquer lugar. Essa situação, que pode parecer sem sentido, visa provavelmente manter catalisador e óleo lubrificante em temperaturas de trabalho ideais.

 

 

A escolha e a transição entre todos esses modos ocorrem em frações de segundo, alternando-os constantemente sem trancos ou ruídos. Afinal, tudo é controlado pelo eletromagnetismo, até mesmo o que podemos chamar de transmissão CVT: o sistema controla os giros do motor a combustão pelo MG1, conforme a demanda de potência. Claro que nada é perfeito e sempre há perdas de energia em forma de calor, mas numa quantidade menor que nos sistemas mecânicos — além de tudo ser mais simples e com conexões diretas.

O problema é que sistemas elétricos exigem temperaturas mais baixas, o que requer um sistema independente de arrefecimento para os motores MG1 e MG2. A própria bateria também tem seu sistema de refrigeração com um ventilador que, dependo da exigência do acelerador, se ativa e emite um leve ruído dentro da cabine.

 

O Prius usa sistemas de arrefecimento separados para o motor a combustão e os elétricos; as baterias sob o banco traseiro têm seu ventilador 

 

Já que falamos em bateria, muitos se sentem inseguros por sua durabilidade e o custo de manutenção e reposição a longo prazo. Esse fator pode explicar a maior desvalorização do Prius no mercado comparado ao “irmão” de preço similar quando novo, o Corolla Altis. Contudo, quanto à manutenção preventiva ou programada, não há maior diferença para um carro comum — e quando existe é para melhor, caso do prazo de troca do filtro de ar do motor a combustão, a cada 40 mil quilômetros. Afinal, o consumo de combustível menor revela que a cada km o motor respira menos ar que em um carro apenas a gasolina.

No caso das baterias, problemas são improváveis porque seu sistema de gerenciamento visa sua preservação, como explicado na segunda semana. Os problemas mais comuns são relacionados à oxidação das conexões que unem os módulos, como é mostrado nos laboratórios da Uninove. Afinal, onde passa corrente elétrica há maior oxidação.

No caso de um problema de oxidação tão grave a ponto de impedir o fluxo de corrente, o sistema não parte o carro e acusa erro permanente na central eletrônica. A forma de solucionar não é complicada: basta retirar o conjunto de baterias do carro, soltando alguns parafusos e conectores, e tirar a capa de proteção. Uma vez identificados os conectores oxidados, basta trocá-los ou mesmo poli-los para que o sistema volte a funcionar.

 

Problemas nas baterias do Prius são incomuns: os mais frequentes são de oxidação das conexões que unem os módulos, pois onde passa corrente elétrica há maior oxidação

 

Dificilmente algum módulo apresenta problema e, quando o faz, é por curto-circuito causado pela oxidação dos conectores, bastando trocar os módulos danificados. Países com boa frota de híbridos têm várias empresas que recondicionam essas baterias, o que tende a acontecer no Brasil com o tempo. Se for realmente preciso substituir o jogo de baterias em concessionaria, a Toyota Grand Motors do Morumbi, em São Paulo, forneceu o preço de R$ 9.550 sem custo de mão de obra.

 

Em manutenção programada não há maior diferença para um carro comum — e quando existe é para melhor, caso da longa duração do filtro de ar do motor

 

A quarta e última semana do Prius teve apenas uso urbano. Foram 390 km com média de consumo de 22,5 km/l. A melhor marca foi de 30,3 km/l, no trecho de descidas e velocidade constante com média de 26 km/h, e a pior — se podemos dizer pior — foi de 14,5 km/l com média de 15 km/h e várias subidas e descidas. No total rodamos 2.079 km em 30 dias com média geral de 21,9 km/l. Durante os abastecimentos notamos média de indicação de consumo 2,7% melhor no computador de bordo que o medido na bomba, dentro da praxe do mercado.

O editor Fabrício Samahá, que usou o Prius por algum tempo, opinou: “Não é um carro que me agrade aos olhos, mas convence quando o dirigimos. Agrada pela rapidez de respostas, pois o motor elétrico supre a aceleração até que o outro alcance a rotação ideal. A suspensão macia, ajudada pelos pneus de perfil alto, e o baixíssimo nível de ruído resultam em conforto acima da média para um carro de seu porte. Com as melhorias de estilo que a Toyota aplicou à linha 2019, ainda por chegarem ao Brasil, eu talvez comprasse um”.

 

O estilo causa polêmica, mas o Prius nos conquistou em 30 dias pelo conforto, com interior espaçoso, rodar macio e baixíssimo nível de ruído e vibrações

 

“Alguns itens internos são muito práticos, como carregador de celular por indução, função um-toque para todos os controles elétricos de vidros e ótimo espaço para objetos”, observou Fabrício. “O ar-condicionado, por funcionar mesmo sem o motor a combustão, é perfeito quando se precisa aguardar alguém no carro em dia quente. Muito bons os faróis, que usam leds nos principais e nos de neblina, e o retrovisor direito biconvexo. Gostei do estepe integral e com roda de alumínio, raro hoje. Por seu preço, porém, ele deveria ter difusor de ar para o banco traseiro, comando de vidros a distância, faixa degradê no para-brisa e sensores de estacionamento”.

 

 

No balanço geral o Prius agradou muito, não apenas pela economia de combustível — esperada, mas que surpreendeu —, mas também pelo conjunto do carro: muito confortável para o uso diário, sobretudo em vias de pavimentação ruim, com baixo nível de ruído e boas conveniências no interior. Como sempre há o que melhorar, achamos uma ofensa o freio de estacionamento por pedal (anacrônico e perigoso para o pé, como citamos na primeira semana) e não gostamos da central de áudio, ruim de usar e sem integração a Apple Car Play e Android Auto. Uma pena, pois a qualidade de áudio oferecida pela empresa JBL é de primeira.

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