Hybride série GM : Opel Ampera ou Chevrolet Volt

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GM lance en Europe sous le nom d’Opel Ampera, un véhicule identique à la Chevrolet Volt, qui appartient à la catégorie encore peu représentée des véhicules hybrides série. Son schéma utilise astucieusement les propriétés des engrenages planétaires,  rejoignant en cela la Toyota Prius, mais selon des modalités assez différentes :

 

	Chevrolet Volt ou Opel Ampera	Toyota Prius
Couronne périphérique	Bloquée par C1, ou couplée par C2 à la machine électrique réversible… …liée ou non par C3 au moteur thermique 63 KW	Moteur électrique 63 kw solidaire de la sortie vers les roues
Soleil (entrée centrale)	Moteur électrique 111 KW	Machine électrique réversible
Planétaires (épicycloïdaux)	Sortie vers les roues	Moteur thermique 76 KW

GM a eu recours à deux machines électriques:

• L’une est toujours motrice, sauf en freinage récupératif, et mécaniquement couplée à l’entrée centrale du système planétaire.
• L’autre peut être indifféremment motrice ou génératrice selon les cas. Elle peut être mécaniquement couplée à un moteur thermique, ou  à la couronne périphérique du système planétaire, ou aux deux, par deux embrayages C2 et C3.
• Rappelons que les Toyota n’ont pas d’embrayage.

Les 3 modes de fonctionnement figurent ci-dessous :

(images empruntées à Opelblog)

En mode électrique monomoteur normal, à vitesse modérée (probablement moins de 100 km/h) la batterie alimente le moteur qui est couplé à l’entrée centrale de la boîte de vitesses. L’autre entrée (la couronne) est bloquée par l’embrayage C1. Le rapport de démultiplication du moteur aux roues est alors fixe, et les propriétés des systèmes planétaires ne sont pas utilisées.

 

Quelle est la puissance du moteur principal de traction ?

GM annonce 111 KW et 370 Nm sans indiquer à quelles vitesses ces valeurs sont obtenues. Mais on a vu que la puissance d’un moteur électrique, contrairement à celle d’un moteur thermique, nécessite d’être définie, ce qui n’est pas le cas. Essayons d’y voir plus clair. 

• Une telle puissance, avec une transmission adaptée, devrait être capable d’entraîner une carrosserie aussi bien profilée à plus de 200 km/heure, ce que la batterie ne pourrait supporter que pendant  16 kwh x 75% / 111 kw = 0,11 heure = 7 minutes. D’ailleurs le véhicule est limité à 160 km/h, ce qui nécessite environ 47 KW soit une autonomie de 16 kwh x 75% / 47 kw = 0,25 heure = 15 minutes. Ni 111 kw, ni 47 kw ne peuvent donc être des puissances permanentes.
• En régime permanent dans le mode « prolongateur » qui s’affranchit de la capacité de la batterie (voir ci-dessous), il n’est pas nécessaire que le puissance permanente du moteur de traction excède les 47 KW ci-dessus, à réduire selon la dérivation de puissance directe du moteur thermique dans le système planétaire que les données disponibles ne permettent pas de calculer.
• En revanche GM annonce que ce véhicule de 1730 kg est capable d’accélérer de 0 à 100 km/h en 9 secondes. Belle performance! Notons ici que, le rapport de transmission étant fixe pendant cette accélération, celle-ci s’effectue :
• au couple maximum du moteur, très probablement constant dans la plage basse dans laquelle la puissance fournie est donc proportionnelle à la vitesse, jusqu’à 65 km/h, 
• et à  la puissance maximum du moteur, et donc à couple décroissant, dans la plage haute, supérieure à 65 km/h.

Une modélisation faite par l’auteur montre qu’un tel moteur donnant 370 Nm de 0 à 65 km/h, puis 110 kw de 65 à 100 km/h (graphe ci-dessous), permet d’obtenir ces 9 secondes. La vitesse maxi dans ce mode n’est qu’une hypothèse, faute de données suffisantes.

 

Dans ce mode, le véhicule est nerveux malgré sa masse imposante, capable d’accélérations de l’ordre de 3,5 m/s² jusqu’à 65 km/h, et restant supérieures à 2 m/s² au delà. Toutefois, l’utilisation de cette capacité d’accélération très « énergivorace » ne se fera qu’au détriment de l’autonomie électrique. 

En mode électrique à vitesse élevée, soit plus de 100 km/h dans l’hypothèse ci-dessus, la batterie alimente les deux moteurs électriques qui sont couplés respectivement directement sur l’entrée centrale (moteur primaire) et à la couronne par l’embrayage C2 (machine secondaire). Ils ont donc des rapports de démultiplication différents, et donc des couples à tout instant proportionnels. Les rapports de réduction n’étant pas publiés, on ne peut pas calculer ce coefficient de proportionnalité.

Alors qu’environ 17 kw (fournis par le moteur électrique principal à vitesse maxi et couple réduit) sont suffisants pour entraîner le véhicule à 100 km/h, environ 47 kw seront nécessaires pour l’entraîner à 160 km/h en vitesse stabilisée. Dans le même temps la modélisation du véhicule montre que le couple va croître d’un facteur 1,70.

La puissance du moteur principal, toujours à la même vitesse maximum, va donc monter à environ :

17 kw x 1,7 = 29 kw par augmentation du couple.

Par les vertus des systèmes planétaires dans les quels les vitesses d’entrée s’additionnent (à un facteur près), la machine électrique réversible travaillant ici en moteur va donc fournir :

 47 kw – 29 kw = 18 KW.

L’une comme l’autre sont loin de leurs limites, car la vraie limite du véhicule n’est pas la puissance des moteurs électriques, mais la capacité de la batterie.

 

En mode prolongateur utilisant le moteur thermique, la deuxième machine électrique est couplée au moteur thermique par l’embrayage C3 et à l’entrée de la boîte de vitesses par l’embrayage C2. Le couple du moteur thermique, plus (moteur) ou moins (génératrice) le couple de la machine secondaire, est transmis à la deuxième entrée de la boîte de vitesses.

 

Puissance du moteur thermique à essence de 1400 cm3 : 63 KW à 4800 t/min. Réservoir 35 litres. Couplé à la machine électrique réversible par l’embrayage C3, il tourne donc à la même vitesse qu’elle.

S’agissant ici d’une puissance permanente, on peut raisonnablement supposer que la machine électrique réversible associée a une puissance permanente inférieure à celle du moteur thermique, sans pouvoir déterminer de combien.

En effet, une partie de la puissance du moteur thermique est transmise directement à l’entrée « couronne » du système planétaire, et la puissance électrique est alors réduite d’autant.

D’un autre côté, on a vu ci-dessus qu’à la vitesse stabilisée de 160 km/h le véhicule nécessite 47 kw, nécessairement fournis par le moteur thermique, et transmis simultanément: 

• par voie mécanique via C3 et C2, 
• et par voie électriques via la machine réversible utilisée en génératrice, et le moteur électrique principal.

A cette vitesse maximum, une marge de puissance reste disponible (63 kw – 47 kww = 16 kw) sans tirer sur la batterie. Elle peut être utilisée pour recharger la batterie, la machine travaillant alors en génératrice, ou pour obtenir une accélération jusqu’à la vitesse maximum, la machine étant électriquement à vide.

Cette accélération pourrait être augmentée en faisant travailler la machine en moteur alimenté par la batterie, mais cette configuration très consommatrice ne figure pas sur les schémas Opel.

Notons toutefois, au vu du schéma ci-dessous, que la revendication d’un véhicule dont les roues ne sont entraînées que par des moteurs électriques est fausse : Une partie de l’énergie vient, via l’embrayage C2, de la machine secondaire couplée au moteur thermique par l’embrayage C3.

Si cette configuration est nuisible à l’image de véhicule « presque tout électrique », elle est en revanche favorable au rendement, puisqu’elle élimine une partie des pertes cumulées des deux machines électriques.

Paramètres de l’Opel Ampera

Batterie Lithium-Ion de 16 KWH pesant 200 kg. Temps de charge 4 heures avec prise 16 A. Autonomie en mode électrique 40 à 80 km. La charge complète est possible par exemple en 5 heures avec une prise ordinaires 230 V 16 A.

Dimensions : 4,50 x 1,79 x 1,44 – Masse 1732 kg à vide

Consommation mixte :             1,2 l/100 km

CO2 : 27 g/km

Performances :        Vitesse maxi 160 km/h

                                       Accélération 0 à 100 km/h en 9 secondes.

Autonomie

La limitation de vitesse à 160 km/h, qui correspond probablement plus à la vitesse maximum des deux moteurs qu’à un bridage au sens des moteurs thermiques, apparaît absolument nécessaire et relativement optimiste : ceux qui l’utiliseront n’iront pas loin. La modélisation réalisée par l’auteur donne le graphe suivant de résistance sur sol plan qui croît très vite au-delà de 60 à  80 km/h. L’autonomie, qui est l’inverse, décroît alors très vite.

 

L’automomie annoncée en mode électrique de 40 à 80 km s’entend à faibles puissance et vitesse : typiquement, 80 km parcourus en 1 heure et 20 minutes avec une puissance moyenne inférieure à 12 kw, soit 15 CV. Rappelons d’ailleurs que 16 KWH  = 58 MJ dans la batterie, qui produiront environ 54 MJ d’énergie mécanique, alors qu’un litre d’essence contient environ 30 MJ d’énergie primaire dont on peut tirer environ 10 MJ d’énergie mécanique. La batterie  équivaut à un peu plus de 5 litres d’essence.

L’Ampera stocke ainsi 35 litres d’essence dans son réservoir, plus l’équivalent de 5 litres sous forme électrique, soit au total l’équivalent de 40 litres. C’est peu, et cela caractérise une voiture résolument destinée à une utilisation urbaine ou périurbaine.

Emissions

La consommation mixte à 1,2 l/100 km et les émissions de 27 g/km, qui résultent d'un essai normalisé qui n'a pas été prévu pour un véhicule rechargeable, n’ont strictement aucun sens : cela revient à dire que quand la voiture marche en mode tout électrique, elle ne consomme pas d’essence et n’émet donc pas de CO2. C’est oublier un peu vite qu’elle consomme alors autant d’énergie mécanique que n’importe quel autre véhicule, et même un peu en plus cycle urbain puisqu’elle est plus lourde, et que cette énergie vient de quelque part!

Selon l’origine de l’énergie électrique, le fonctionnement en mode électrique pourra aboutir à des émissions de CO2 :

• nulles (électricité nucléaire, hydraulique ou autres renouvelables)
• du même ordre qu’un véhicule conventionnel (électricité thermique gaz ou fuel)
• deux fois supérieure (électricité thermique au charbon).

Pratiquement, par rapport à un véhicule conventionnel, l’Ampera émettra moins de CO2 si elle est rechargée en France, et plus si elle est rechargée hors de France. Pour assurer son avenir et celui de ses cousines, encore faut-il ne pas renoncer à l’énergie nucléaire !

Le bilan carbone doit intégrer aussi les émissions sur l’investissement, pas toujours négligeables par rapport à celles qui résultent de l’exploitation. Ici, faute de donnée précise, nous nous limiterons à appliquer au coût supposé des batteries (10 000 €) le ratio usuel d’une tonne de CO2 émis par 1000 € d’investissement. La batterie « vaut » donc 10 tonnes de CO2 qui auraient pu être produites par la combustion de gazole fournissant 40 Mwh thermiques, soit environ 12 Mwh électrique, soit encore l’énergie stockée par 750 cycles successifs qui correspondent à peu près à la durée de vie de la batterie. En termes plus simples, l’émission de CO2 liée à la fabrication de la batterie sera tout juste compensée par son utilisation en lieu et place d’un moteur thermique.

Mais il ne faut pas perdre de vue que ce type de véhicule fera sans doute au moins la moitié de sa distance parcourue en mode « prolongateur ». L’amélioration probable du rendement du moteur par un meilleur point de fonctionnement sera grevée par le rendement  de la transmission électrique qui ne dépassera probablement pas 90%, voire moins. Cette configuration, moins favorable que l’hybride parallèle,  n’apporte donc rien en utilisation routière.

En utilisation urbaine, et en l’absence de toute donnée constructeur, on peut penser que la présence de machines électriques très puissantes et d’une batterie de capacité importante permet de disposer d’un freinage récupératif capable de décélérations jusqu’à -4 ou -5m/s², pratiquement suffisantes dans le trafic urbain, évidemment hors l’indispensable freinage d’urgence conventionnel, rarement utilisé.

Economie

Se plaçant au point de vue de l’utilisateur, de nombreux articles de presse (au titre parfois humoristique : « Qui Ampera l’addition ? » ) ont souligné que  l’économie due au faible coût marginal de l’énergie électrique du réseau ne pourra jamais amortir le surcoût très élevé du véhicule. Voir :

http://automobile.challenges.fr/essais/20110720.LQA1054/essai-opel-ampera-qui-ampera-l-addition.html

L’énergie électrique n’est pas vraiment moins coûteuse….

En se plaçant au niveau macroéconomique, c’est plus grave : on compare le coût marginal de l’énergie électrique à 7% de TVA, avec celui du carburant chargé d’une très lourde TIPP, avec en facteur une TVA à 20%.  Rappelons que la TIPP, taxe très ancienne, est la légitime contrepartie de la mise à la disposition des infrastructures routières et des services associés, dont les véhicules électriques ont le même besoin. Une comparaison équitable doit donc porter sur les prix marginaux HT :

• 1 kg de carburant (essence ou gazole) coûte 0, 80 € HT et apporte 43 MJ thermiques, soit environ 13 MJ mécaniques (rendement 30%), soit 3,6 Kwh à 0,22 € l’unité.
• Après rendement de 80% de charge /décharge de batterie, le kwh électrique, pour être compétitif, doit coûter moins de 0,17 € HT, soit 0,18 € TTC. Ce sera généralement le cas en France, mais pas nécessairement à l’étranger, notamment en Allemagne. L’écart reste faible et ne permet absolument pas d’amortir le surcoût du véhicule.

… et ne permet pas d’amortir le surcoût lié aux batteries !

Un facteur supplémentaire doit être pris en compte : le renouvellement des batteries. En se plaçant dans l’hypothèse optimiste d’une durée de vie de 800 cycles, soit environ 50 000 km en mode électrique, soit encore 4 ans d’utilisation pendant 200 jours par an et 60 km par jour, il faudra changer les batteries au moins une fois dans la durée de vie de la voiture. Le prix de ce remplacement n’est pas connu, mais un ordre de grandeur de 10 000 € n’est pas absurde. C’est le prix de 80 000 kwh au tarif français, soit 5 000 recharges de 16 kw. Pour 800 cycles réellement effectués!

Le coût de l’énergie électrique contenue dans une batterie est 5 à 10 fois inférieur au coût de remplacement de la batterie ramené au nombre de charges !

Conclusion

L’Ampera, alias Volt, malgré une conception innovante et intéressante, affiche des résultats décevants en matière économique, écologique et d’autonomie. Ses performances routières sont correctes quoi qu’inférieures à celles d’un véhicule conventionnel de même prix. Il n’est pas sûr que son agrément de conduite urbain, son silence, son caractère innovant et son image soient suffisants pour en faire un succès commercial.

Le choix d’un fonctionnement durablement tout électrique s’ajoutant à une autonomie essentiellement thermique, faisant appel à trois modes cinématiques, vient compliquer la conception et pénaliser le prix, le poids et l’autonomie sans apporter d’avantage déterminant. 

Finalement, elle est pénalisée par le poids, le prix et la durée de vie de ses batteries de grande capacité qui ne lui apportent pas grand-chose de plus qu’une hybride non connectable muni d’une petite batterie, si ce n’est une autonomie augmentée en mode électrique qui ne présente qu’un intérêt limité : l’absence d’émissions locales, sans baisse des émissions totales.

L’avenir des véhicules électriques rechargeables passe par la poursuite de l’amélioration de la durée de vie des batteries et de la baisse de leurs coûts. Le niveau requis pour une compétitivité sans subvention, ni réglementation contraignante, est encore lointain!