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! 

La Toyota Prius et son système HSD

Les illustrations de cette fiche viennent de Wikipedia

Ce véhicule comporte 3 moteurs :

·        Un moteur thermique M_th conventionnel à cycle d’Atkinson

·        2 machines électriques synchrones à aimants permanents, « brushless » :

o   1 machine dite M₁ ou « vitesse » utilisée le plus souvent en génératrice

o   1 machine dite M₂ ou « couple » utilisée le plus souvent en moteur

La transmission de puissance depuis le moteur thermique jusqu’à l’utilisation repose sur un train épicycloïdal dont il est nécessaire de comprendre la nature et les propriétés. Il est composé

·        d’un pignon central (beige) de n₁ dents relié à la machine M₁

·    de quatre pignons planétaires (bleus, aussi appelés satellites) de n₂ dents engrenés sur le pignon central, dont les axes sont parallèles et fixés à un flasque tournant solidaire d’un axe central tubulaire concentrique à l’axe du pignon central, et lié au moteur thermique M_th

·       d’une couronne à denture intérieure ayant n₁+ 2 n₂ dents, engrenée sur les 4 planétaires, solidaire d’un arbre de sortie qui est celui de la machine M2 et de la transmission qui va attaquer le couple conique. 

Un tel train épicycloïdal a des propriétés particulières :

·        Les couples des 3 axes Г₁, Г_th et Г₂ sont dans un rapport constant :

Г₁ / k = Г₂ / 1 = Г_th / (1+k)

où k = n₁ /n₂

·        Les vitesses angulaires ω₁, ω_th et ω₂ des 3 axes sont liées par 

ω₂ = ω_th (1+k) / k - ω₁ / k

Ces propriétés sont exploitées dans le HSD (Hybrid Synergy Drive).

En fonctionnement thermique, par définition, la batterie n’est pas sollicitée. La transmission électrique reste indispensable, car la transmission mécanique est dans un rapport fixe, et est toujours en marche avant, faute d’inverseur mécanique. Le moteur thermique fournit la puissance mécanique aux planétaires, et via ces dernier à la machine M₁, ici génératrice. Cette dernière la transforme en puissance électrique fournie à la machine M₂, ici moteur, qui est solidaire de la couronne et ajoute un couple supplémentaire à celui (Г₂) résultant du train épicycloïdal. Le ratio transmis par voie mécanique ou par voie électrique est géré par le système HSD, mais de manière générale, la transmission électrique est prépondérante à petite vitesse, puis décroît aux vitesse moyennes pour devenir négligeable ou nulle aux vitesses élevées.

                                     Schéma établi par l'auteur. La "Boîte de vitesses" est ici le train épicycloïdal

En fonctionnement électrique pur, le moteur thermique est arrêté (ce qui ne veut pas dire à couple nul). Les machines M₁ et M₂ sont toutes deux motrices, la répartition de puissance entre elles résultant du couple de chacune des deux machines (toujours dans un rapport k) multiplié par sa vitesse angulaire, gérées par le système.

En fonctionnement mixte, la batterie est sollicitée. Deux cas sont possibles :

·       Charge de la batterie par la machine M₁ utilisée en générateur, au détriment de l’apport de puissance à M₂ Ceci se produit en cas du ralentissement ou de freinage récupératif, mais aussi en cas de nécessité de recharge de la batterie.

·        Décharge de la batterie par la machine M₂, et éventuellement M1, suivant une répartition gérée par le système, pour obtenir une accélération plus forte, ou gravir plus rapidement une forte pente.

La marche arrière est purement électrique.

En freinage, avec ou sans moteur thermique, M2 transforme, dans la limite de sa puissance de crête et de la capacité de charge de la batterie, l’énergie cinétique du véhicule en énergie électrique qui charge la batterie.

Le démarrage du moteur thermique est possible :

·        A l’arrêt du véhicule (M₂ arrêté ce qui ne veut pas dire à couple nul),

·        En marche

Pratiquement, le système HSD arbitre entre les différents modes de fonctionnement ci-dessus en fonction d’un grand nombre de paramètres et d’algorithmes qui font partie du savoir faire du constructeur, et donc non communiqués.

Cette conception très innovante :

·        ajoute 2 machines électriques synchrones, une batterie, un train épicycloïdal et un système de commande numérique HSD,

·        mais supprime  un embrayage, une boîte de vitesse,  un alternateur et un démarreur.

En termes d’économie de carburant, et donc d’émissions de CO₂, ce HSD permet :

• une variation continue de la plupart des paramètres (Г_th, Г_M1, ω_M1 et ω_th) pour les placer au mieux dans les courbes de rendement du moteur thermique,
• d’optimiser l’utilisation à faible vitesse, et donc à très faible puissance (vitesse inférieure à 40 ou 50 km/h), alternativement en électrique pur et en thermique avec recharge de la batterie,
• de récupérer l'énergie cinétique au freinage au lieu de la dissiper en chaleur.

Ses limites résident dans :

·      Le rendement de la chaîne de transmission de puissance mécanique depuis l’entrée de M1, via une transformation en énergie électrique, jusqu’à à la sortie de M2 sous forme mécanique. Des sources citent 75%, probablement à pleine puissance, donc sans doute nettement meilleur à puissance intermédiaire, mais loin du rendement d’une boîte mécanique.

·        Un couple de sortie limité par le couple du moteur thermique, par la puissance instantanée de la batterie et par les rapports fixes du train épicycloïdal.

En termes de rendement, l’intérêt d’une telle transmission par rapport à une boîte  conventionnelle :

·        soit mécanique conventionnelle à 6 vitesses très bien utilisée,

·        soit automatique pilotée, par exemple à 6 vitesses, ou type DSG de Volkwagen à 7 vitesses et 2 embrayages,

reste à démontrer. Ses points forts demeurent  les très petites vitesses, et la récupération d’énergie au freinage (descente ou ralentissement) qui caractérisent la circulation urbaine.

La Toyota Prius affiche pourtant une émission de CO2, et donc une consommation, inférieures aux véhicules conventionnels comparables en cycle routier. Pourquoi ? Il y a deux raisons, qui n'ont rien à voir avec sa transmission hybride :

• Aérodynamique :La Prius affiche un Cx de 0,25 un peu inférieur à celui de ses proches concurrentes
• Motorisation : La Prius 3 est équipée d’un moteur thermique à cycle Atkinson. Cette variante du cycle Beau de Rochas, anciennement connue, mais très rarement utilisée, permet d’améliorer le rendement au détriment de la puissance pour une cylindrée donnée. L'amélioration n'étant significative que dans une plage de fonctionnement assez étroite, cette technologie est donc ici bien adaptée car l'hybridation permet précisément de faire travailler le moteur le plus souvent dans cette plage.

Véhicules hybrides non rechargeables

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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.