mercredi 28 décembre 2011

Véhicules hybrides non rechargeables

Table des matières de ce blog


Parmi les véhicules dits « électriques », cette catégorie est actuellement de loin la plus répandue, tirée par Toyota avec sa Prius et son « Hybrid Synergy Drive », et poussée par des subventions.

Remarques préalables :

« Hybride » signifie que le véhicule dispose, en plus du moteur thermique conventionnel, d’un ou plusieurs moteurs électriques, et d’une batterie associée. On peut imaginer que l'hybridation soit autre qu'électrique, et notamment à volant d'inertie ou à air comprimé permettant de stocker l'énergie.

« Non rechargeable » ou « no plug » signifie que la batterie n’est en aucun cas rechargée par le réseau électrique, mais toujours par le moteur thermique via le moteur électrique alors utilisé en générateur.

Il s’en suit que ces véhicules, bien que dits hybrides, n’utilisent en fait qu’une seule énergie : celle du carburant transformée en énergie mécanique par le moteur thermique. Le caractère hybride ne concerne que la transmission de cette énergie mécanique:
·        par voie mécanique, ou par voie électrique,
·        pour cette dernière, immédiate, ou différée par la batterie.

Puissance électrique d’un véhicule hybride

Contrairement à un moteur thermique, un moteur électrique, capable de fournir en permanence une puissance déterminée, est aussi capable de fournir beaucoup plus en étant suralimenté, au prix d’un échauffement qui limite la durée de cette puissance accrue, d’autant plus courte qu’elle sera élevée. Les puissances annoncées pour les moteurs électriques sont des puissances de crête, ou proches de celles-ci.

Un véhicule hybride va donc disposer :
·      d’un moteur thermique de cylindrée plus ou moins réduite, fournissant un peu plus de la puissance maximum nécessaire pour rouler à la vitesse de croisière sur sol horizontal,
·       d’un ou plusieurs moteurs électriques dont les fonctions dépendent du niveau d’hybridation, lui-même dépendant principalement de la puissance du moteur électrique et de la capacité de la batterie associée, comme explicité ci-dessous.

Niveaux d’hybridation

L’énergie électrique peut intervenir de différentes manières  dans le fonctionnement des véhicules comportant un moteur thermique. On classe les véhicules par niveau d’hybridation croissant, comme suit :

Stop and Start (Microhybride) : L’alternateur et le démarreur conventionnels sont remplacés par une machine électrique unique, couplée au moteur par courroie,  qui permet :
·        de charger la batterie quand le moteur tourne, comme un alternateur,
·        de faire démarrer le moteur thermique quand il est arrêté, comme un démarreur, mais silencieux et avec une durée de vie accrue.
Le moteur du véhicule s’arrête automatiquement quelques secondes après l’arrêt du véhicule. Il redémarre automatiquement dès que l’accélérateur est sollicité. Ceci permet de réduire la consommation et les émissions en utilisation urbaine et dans les encombrements.

Start and Go (Freinage récupératif) : Avec les seuls éléments ci-dessus un peu plus largement dimensionnés, on peut obtenir un premier niveau de freinage par la machine électrique qui transforme l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique stockée dans la batterie. La limite de ce freinage est liée à la puissance de l’alternateur  (4 Kw dans l’exemple ci-dessous) et à la capacité de la batterie.

·        Un véhicule de 1400 kg roulant à 36 km/h (10 m/s) a une énergie cinétique de 70 KJ qui peut être absorbée par un alternateur de 4 Kw en 16 secondes (ralentissement très lent).

·        Le même véhicule roulant à 144 km/h (40m/s) a une énergie cinétique de 1 120 KJ qu’un freinage d’urgence doit absorber en 5 secondes. La puissance moyenne requise est de 224 Kw, qui seront dissipés à 98% par le freinage conventionnel.

·        En descente, la capacité récupérative de l’alternateur se limite à une pente de 1,5% à 72 km/h (20m/s), hors forces de roulement et aérodynamique prépondérantes. Elle est très faible. 

Ces exemples montrent que le freinage récupératif est un avantage essentiellement urbain. Un conducteur anticipant ses arrêts en tirera le meilleur parti.


Tableau extrait du rapport Syrota 2009

Mild hybrid (hybride léger) : Cette catégorie est dans son principe proche de la précédente, sauf en ceci que :
·        la machine électrique est montée entre l’embrayage et la boîte de vitesses,
·        sa puissance peut atteindre ou dépasser 10 Kw,
·        la capacité de batterie est augmentée en proportion.


Toutes les fonctions précédentes sont maintenues, mais la puissance électrique accrue permet :
·        un freinage récupératif 3 fois plus efficace, qui devient significatif
·        une petite aide aux accélérations qui aboutit à maintenir les performances avec un moteur thermique un peu moins puissant.

Cette solution réduit comme les précédentes, et un peu mieux qu’elles, la consommation et les émissions en ville, et apporte en plus un léger gain en utilisation routière en raison de l’utilisation d’un moteur moins surabondant, ayant donc un meilleur rendement. Elle ne permet pas un fonctionnement uniquement électrique du véhicule : en dehors de l'arrêt du véhicule, le moteur thermique tourne en permanence.

Full hybrid (hybride intégral) : Cette catégorie accède au fonctionnement uniquement électrique sur des distances courtes, tout en conservant le carburant comme unique source d’énergie. Elle requiert une puissance électrique d’au moins 30 kw, et une batterie d’une capacité d’au moins 1 Kwh pouvant fournir par exemple 10 Kw pendant 6 minutes à petite vitesse, soit une autonomie (à pleine décharge) de l’ordre de 4 km.

La diversité des fonctions assurées, et la recherche de l’optimisation des rendements, notamment du moteur thermique, par une commande numérique complexe, amène à des architectures de transmission variées, pouvant être très différentes des architectures conventionnelles. Voir fiche sur la « Toyota Prius 3 ».

La puissance électrique significative permet :
·        un freinage récupératif beaucoup plus important : pente à 10% à 20 m/s, ou de 20 m/s à l’arrêt en 9 secondes sur du plat,
·        une assistance significative aux accélérations qui permet elle-même..
·   une réduction significative de la puissance du moteur (« downsizing ») permettant d’améliorer son rendement en toutes circonstances, sans perte de perfomance,
·        un fonctionnement purement électrique en usage urbain ou encombré sur de courtes distances.

Architectures des transmissions hybrides

Hybride série : c’est une transmission purement électrique : le moteur thermique  et la génératrice constituent un groupe électrogène qui alimente un moteur électrique qui entraîne l’arbre de transmission. La batterie située sur la transmission électrique permet de stocker ou au contraire de fournir de l’anergie selon les conditions d’utilisation.

Cette transmission a l’inconvénient évident d’un rendement médiocre, produit des rendements de chacune des deux machines électriques. Pratiquement, on ne la rencontrera que sur des véhicules hybrides connectables ayant une batterie de bonne autonomie. Le groupe électrogène est alors qualifié de "prolongateur".


Hybride parallèle : Un moteur thermique est suivi d’une transmission classique : embrayage, boîte de vitesses. Le couple d’entrée de boîte peut se voir augmenté ou réduit par l’intervention d’une machine électrique reliée à une batterie et couplée à la même entrée. Cette transmission est pratiquement la seule utilisée dans les premiers niveaux d’hybridation.


  
Hybride à dérivation de puissance : Outre une transmission mécanique conventionnelle ou non, la transmission comporte deux machines électriques :
·        l’une essentiellement génératrice, en sortie du moteur thermique,
·        l’autre, essentiellement moteur, en sortie de transmission mécanique.
Il est ainsi possible de transmettre de l’énergie mécanique à l’arbre de transmission :
·        en partie par voie mécanique, comme dans un véhicule conventionnel,
·        en partie par voie électrique, comme dans un hybride série,
·        et de maîtriser cette répartition.
La batterie intervient, en apport ou prélèvement d’énergie, au niveau de la chaîne de transmission électrique.
Cette dualité permet une simplification importante de la chaîne de transmission mécanique. La médiocrité du rendement évoquée à propos des transmissions série subsiste, mais est limitée à une petite partie de la puissance.


Ce type de transmission est notamment celui de la Toyota Prius qui fait l'objet d'un message dédié.

Avantages possibles du véhicule hybride (selon les architectures)

·    Moteur thermique plus petit, fonctionnant plus près de sa plage de rendement optimum, consommant un peu moins en fonctionnement routier ou autoroutier usuel.
·        Capacité de freinage récupératif : le premier niveau de freinage est assuré par le moteur électrique fonctionnant en générateur qui transforme l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique stockée dans la batterie, dans la limite de sa capacité, au lieu de la dissiper en énergie thermique dans les freins.
·       Capacité à rouler en mode électrique en circulation urbaine encombrée, moteur thermique arrêté, avec une consommation énergétique nulle à l’arrêt et très faible à petite vitesse.
·        Tous les facteurs ci-dessus aboutissant à une baisse très significative de la consommation, particulièrement en trafic urbain.
·        Silence incomparable en mode électrique

Limites des véhicules hybrides

·        Très faible autonomie en mode électrique, limitée à quelques kilomètres
·        Intérêt limité sur trajets routiers ou autoroutiers
·        Compliqué et coûteux
·        Plus lourd et moins de volume utile à cause des batteries
·        Durée de vie limitée et prix élevé des batteries

Conclusion

En l’absence de subventions, ce type de véhicule n’est compétitif que pour une utilisation essentiellement urbaine et périurbaine.

Les subventions ajoutées à l’effet de mode verte habilement utilisée par les constructeurs, ont élargi son marché à l’utilisation mixte, grâce à une autonomie normale, mais sans avantage particulier.

Cette situation pourrait évoluer à moyen terme avec l’augmentation du coût des produits pétroliers, et/ou la réglementation des émissions de CO2, qui justifieraient l’investissement dans un véhicule plus coûteux, mais consommant moins.