Sistema ibrido Toyota Aygo X: come funziona l'eCVT e perché consuma solo 3,7 litri/100 km

Il cuore del sistema: il Power Split Device e l'eCVT che non è un CVT

Partiamo da un chiarimento fondamentale che sfugge a molti. Il sistema Toyota viene spesso chiamato eCVT, sigla che sta per Electronic Continuously Variable Transmission, ma tecnicamente non si tratta affatto di un cambio a variazione continua tradizionale come quelli a cinghia o a catena. È qualcosa di radicalmente diverso e, dal punto di vista ingegneristico, decisamente più elegante ed efficiente.

Il nucleo di tutto è il Power Split Device, un rotismo epicicloidale composto da tre elementi fondamentali che lavorano in sinergia. C'è la corona dentata esterna, c'è il portasatelliti centrale con i suoi ingranaggi planetari, e infine c'è il pignone centrale. Questi tre componenti possono ruotare indipendentemente l'uno dall'altro, e bloccandone uno mentre si fanno ruotare gli altri, si ottengono rapporti di trasmissione diversi attraverso l'interazione meccanica tra gli ingranaggi.

Nella configurazione Toyota, ogni elemento del rotismo epicicloidale è collegato a una fonte di potenza diversa, e qui sta il genio del sistema. Il generatore elettrico MG1, acronimo di Motor Generator 1, è collegato al pignone centrale. Il motore a combustione interna è collegato al portasatelliti. Il motore elettrico di trazione MG2 è collegato alla corona dentata esterna. L'aspetto cruciale è che la corona è direttamente connessa alle ruote attraverso un riduttore fisso, quindi la velocità della corona determina direttamente la velocità del veicolo.

Come funziona in modalità elettrica pura

Quando l'auto viaggia in modalità completamente elettrica, il motore a combustione resta spento e fermo. In questa configurazione, il motore elettrico MG2 trascina la corona dentata e quindi le ruote, mentre il portasatelliti, essendo collegato al motore termico spento, rimane immobile. La conseguenza meccanica è che il pignone, collegato a MG1, deve necessariamente ruotare in senso inverso rispetto alle ruote. È una conseguenza inevitabile della cinematica del rotismo epicicloidale: se un elemento è fermo e un altro ruota in un senso, il terzo deve per forza ruotare nell'altro senso.

Durante le frenate, entrambi i motori elettrici si trasformano in generatori. MG2, collegato alle ruote che stanno rallentando, genera corrente sfruttando l'energia cinetica del veicolo in movimento. Anche MG1 partecipa alla rigenerazione, recuperando energia che altrimenti andrebbe dispersa in calore nei freni meccanici tradizionali.

La magia del rapporto variabile continuo

Qui arriviamo al punto che rende questo sistema così particolare e difficile da comprendere per chi è abituato ai cambi tradizionali. La velocità di rotazione di MG1 controlla in modo continuo e infinitamente variabile il rapporto di trasmissione tra il motore a combustione e le ruote. Pensateci un momento: il motore termico può mantenere un regime costante, diciamo 2500 giri al minuto, mentre la velocità dell'auto aumenta progressivamente. Come è possibile? È MG1 che, variando la propria velocità di rotazione sul pignone, modifica il rapporto effettivo tra portasatelliti e corona, permettendo al motore di restare nel suo regime ideale mentre l'auto accelera. È come se il cambio scalasse continuamente marce più lunghe, ma senza scalare nulla fisicamente.

L'opposto è altrettanto affascinante. L'auto può viaggiare a velocità costante mentre il motore aumenta o diminuisce i suoi giri. MG1 compensa istantaneamente questa variazione di regime motore modificando la propria velocità sul pignone centrale, mantenendo inalterata la velocità delle ruote. Questo è ciò che crea il cosiddetto effetto scooter, quella sensazione particolare in cui sembra che il motore viaggi scolllegato dalle ruote, come se si fosse rotto qualcosa nel cambio. In realtà è tutto perfettamente intenzionale e controllato dall'elettronica.

L'ottimizzazione dell'efficienza attraverso la gestione dei flussi di energia

Il vero scopo di tutta questa complessità è permettere al motore termico di lavorare sempre nel suo range di massima efficienza. I motori a combustione interna hanno una mappa di consumo specifico dove certi regimi e certi carichi sono molto più efficienti di altri. Tipicamente, per il tre cilindri 1.5 della Aygo X, il punto dolce si trova attorno ai 2500-3000 giri al minuto con un carico medio-alto.

Il sistema Toyota fa di tutto per mantenere il motore in questa zona virtuosa. Se l'auto richiede meno potenza di quella che il motore sta erogando nel suo punto di massima efficienza, l'energia in eccesso non viene sprecata. Viene catturata da MG1 che funziona da generatore, ricaricando la batteria anche se in quel momento non ce ne sarebbe stretto bisogno. È un concetto controintuitivo: il motore produce temporaneamente più energia del necessario per muovere l'auto, ma lo fa in modo così efficiente che il bilancio complessivo è comunque migliore rispetto a far lavorare il motore in un regime meno ottimale.

Perché non è un cambio tradizionale: il ruolo dei tre input

Ecco il punto che spesso sfugge anche agli appassionati più preparati. Il Power Split Device da solo offre soltanto rapporti fissi, determinati dalla geometria degli ingranaggi. Non c'è nulla di continuamente variabile in un rotismo epicicloidale di base. La variabilità infinita del rapporto di trasmissione esiste solo perché il sistema ha tre input invece di uno. C'è il motore a combustione, c'è MG1 e c'è MG2, e tutti e tre possono fornire o assorbire potenza simultaneamente.

È la distribuzione intelligente della potenza tra queste tre fonti, controllata elettronicamente migliaia di volte al secondo, che crea l'effetto di un cambio a variazione continua. Se togliessimo i motori elettrici, ci troveremmo semplicemente con un cambio a rapporto fisso. È per questo che chiamarlo eCVT è tecnicamente fuorviante: non è un CVT che è stato elettrificato, è un sistema di distribuzione della potenza completamente diverso che ha alcune caratteristiche simili a quelle di un CVT.

I limiti fisici del sistema e le soluzioni ingegneristiche

Come ogni soluzione tecnica, anche il sistema Toyota ha i suoi vincoli fisici. MG1, il generatore collegato al pignone, ha limiti di velocità massima oltre i quali non può girare senza subire danni o surriscaldamenti. Questo pone un limite fondamentale alla velocità massima raggiungibile in modalità puramente elettrica, che si attesta attorno ai 64 km/h. Oltre questa soglia, il motore termico deve necessariamente intervenire, anche se l'energia nella batteria sarebbe ancora sufficiente per la propulsione elettrica.

Toyota ha affrontato questo limite a partire dal 2012 introducendo un secondo rotismo epicicloidale che funge da riduttore, modificando i rapporti di base e permettendo al sistema di gestire velocità più elevate senza spingere MG1 oltre i suoi limiti meccanici. Sulla Aygo X, che eredita il sistema dalla Yaris di ultima generazione, questa evoluzione è già presente.

La sfida dell'integrazione su un'auto compatta

Tutto questo sistema complesso, che sulla Yaris trova una collocazione tutto sommato agevole, doveva essere integrato in un'auto lunga 16 cm in meno e con un passo di 15 cm in meno. Qui Toyota ha dovuto dimostrare capacità di packaging estreme.

Per il motore termico e la trasmissione eCVT, l'unica soluzione possibile era allungare lo sbalzo anteriore. I 76 millimetri aggiuntivi hanno permesso di alloggiare il tre cilindri 1.5, più grande del precedente 1.0 aspirato, insieme a tutta l'elettronica di potenza, agli inverter che controllano i due motori elettrici, e al power split device stesso con i suoi tre elementi connessi.

Ma la sfida più grande riguardava la batteria. Il pacco batterie della Yaris è disposto su due file di celle, una configurazione che occupa una certa profondità sotto i sedili posteriori. Sulla Yaris funziona perfettamente perché c'è spazio sufficiente prima di arrivare all'arcata del vano ruota. Sulla Aygo X, invece, i sedili posteriori poggiano la loro parte posteriore quasi direttamente sull'arcata delle ruote, quindi lo spazio in profondità era drasticamente insufficiente.

La soluzione è stata riprogettare completamente il pacco batteria in un'unica fila di celle disposte longitudinalmente. Toyota parla proprio di batteria longitudinale perché è stretta e lunga, posizionata sotto le ginocchia dei passeggeri posteriori invece che sotto i loro glutei. Questa configurazione ha richiesto di ridisegnare anche tutto il sistema di raffreddamento.

Il sistema di gestione termica della batteria

La ventola di raffreddamento della batteria, che sulla Yaris è posizionata lateralmente rispetto al pacco celle, è stata completamente ricollocata nella parte anteriore del pacco batterie, creando un tunnel centrale che attraversa il pavimento posteriore. Questa scelta ha un vantaggio collaterale interessante: siccome l'auto è pensata per quattro posti e non cinque, il tunnel centrale non crea problemi di abitabilità per un ipotetico passeggero centrale, e anzi diventa un comodo piano d'appoggio per oggetti.

Anche la batteria ausiliaria da 12 volt, necessaria per alimentare tutti i sistemi di servizio dell'auto quando la batteria di trazione è inattiva, ha dovuto trovare una nuova collocazione. Sulla Yaris sta accanto al pacco batterie principale, ma sulla Aygo X quello spazio semplicemente non esisteva. Gli ingegneri l'hanno posizionata sotto il fondo del bagagliaio, in una zona che evidentemente era rimasta libera dopo aver sistemato tutti gli altri componenti. È un esempio perfetto di come ogni centimetro disponibile sia stato sfruttato al massimo.

Le conseguenze strutturali del peso aggiuntivo

L'integrazione del sistema ibrido ha comportato un aumento di peso di 140 kg rispetto alla versione termica precedente. Per gestire questo peso extra e la potenza aumentata, Toyota ha dovuto intervenire su diversi elementi del telaio e delle sospensioni.

Le sospensioni sono state completamente riviste sia come molle che come ammortizzatori, per mantenere le caratteristiche di comfort e tenuta di strada nonostante il carico aggiuntivo. Lo sterzo è stato riconfigurato per garantire la stessa precisione e feedback. Ancora più interessante è la scelta di riprogettare i mozzi ruota con un attacco a cinque bulloni invece dei quattro precedenti. Questo incremento del numero di fissaggi garantisce maggiore robustezza nel trasmettere alle ruote i 116 cavalli di potenza complessiva del sistema e nel gestire lo stress meccanico derivante dal peso maggiore, specialmente in frenata e in curva.

Il risultato finale: consumi da record

Tutti questi compromessi ingegneristici, tutto questo lavoro di miniaturizzazione e ottimizzazione, convergono verso un obiettivo preciso: efficienza estrema nel mondo reale, non solo sulla carta delle omologazioni. Le emissioni certificate di CO₂ sono di soli 85 grammi per chilometro, il dato più basso per qualsiasi automobile non plug-in hybrid attualmente sul mercato. E qui c'è una differenza fondamentale rispetto alle plug-in: questo dato è estremamente rappresentativo dell'uso reale, perché il sistema si autogestisce completamente senza dipendere da ricariche esterne o dall'intervento del guidatore.

Percorrendo circa 100 chilometri tra tratti urbani, extraurbani e autostrada, il computer di bordo ha registrato esattamente 3,7 litri per 100 chilometri, confermando perfettamente il dato dichiarato da Toyota. In al cuni casi con uno stile di guida particolarmente attento e con un uso poarsimonioso del gas si riusce a scendere fino a 3,3 litri per 100 chilometri. In condizioni ideali, ovvero percorsi urbani o extraurbani a velocità moderate dove il sistema può massimizzare l'utilizzo della modalità elettrica e della rigenerazione, è probabile che si possano ottenere risultati ancora migliori.

Una lezione di ingegneria applicata

La Toyota Aygo X full hybrid è molto più di un'auto compatta economica. È la dimostrazione concreta che portare tecnologie complesse e avanzate su veicoli di piccole dimensioni non solo è possibile, ma può essere fatto mantenendo prezzi relativamente accessibili. Richiede ingegno, capacità di ripensare completamente il packaging, volontà di investire in soluzioni come la batteria longitudinale invece di limitarsi ad adattare componenti esistenti. Ogni elemento del sistema ibrido è stato studiato, spostato, ridisegnato per coesistere con tutti gli altri in uno spazio che, sulla carta, sembrerebbe insufficiente. 

Il risultato è un sistema che, pur avendo alcune caratteristiche di guida particolari che non incontrano i gusti di tutti gli automobilisti, eccelle nel suo obiettivo primario: offrire efficienza reale, consumi bassissimi, emissioni ridotte, il tutto in un pacchetto compatto e utilizzabile nella vita quotidiana. Con 33 milioni di auto ibride vendute da Toyota nel mondo, di cui 7 milioni solo in Europa, questo non è più un esperimento o una tecnologia emergente. È una soluzione matura, affidabile, e come dimostra la Aygo X, incredibilmente versatile anche quando applicata alle auto più piccole del mercato.