L’appellation “véhicule hybride” est de plus en plus utilisée par les constructeurs pour montrer leurs efforts en matière de réduction des émissions de CO2. Cependant, en l’absence d’un cadre légal européen, différents véhicules aux fonctionnalités distinctes sont regroupés sous cette appellation, ce qui crée une certaine confusion chez le grand public.
Pourquoi opter pour un véhicule hybride ?
Un véhicule hybride combine au moins un moteur à combustion interne (essence, diesel, E85, GPL, etc.) et au moins un moteur électrique. Le but principal de cette technologie est de réduire les émissions de CO2 (et donc la consommation de carburant) en exploitant les avantages d’un moteur à combustion interne (autonomie, faible coût de production) ainsi que ceux d’un moteur électrique (pas d’émissions de CO2 en roulant, couple disponible dès les bas régimes, rendement élevé).
L’hybridation est une technologie relativement récente qui offre un potentiel important pour réduire significativement les émissions de CO2 à moindre coût par rapport à d’autres méthodes d’amélioration déjà matures, telles que l’amélioration du rendement moteur, la réduction de la traînée aérodynamique du véhicule et la diminution de sa masse, par exemple.
Les différentes catégories de véhicules hybrides
Les véhicules hybrides peuvent être regroupés en 4 catégories :
- Micro-hybride (micro hybrid)
- Hybride légère (mild hybrid – mHEV)
- Hybride (non rechargeable) (full hybrid ou 100% hybrid – HEV)
- Hybride rechargeable (plug-in hybrid – PHEV)
De plus, il existe des véhicules hybrides dont les moteurs sont montés en série : dans cette configuration, seul le moteur électrique est utilisé pour la traction du véhicule, tandis que le moteur thermique est utilisé uniquement comme générateur de courant. C’est le cas, par exemple, de la BMW i3 avec prolongateur d’autonomie et de l’Opel Ampera.
Classification selon les fonctionnalités
La technologie de micro-hybride consiste à équiper le moteur thermique d’un démarreur renforcé afin de permettre la coupure et le démarrage automatique du moteur thermique lors des phases d’arrêt du véhicule (système start/stop) et de récupérer de l’énergie électrique pendant les phases de freinage.
Un véhicule doté d’une hybridation légère reprend les fonctionnalités d’un micro-hybride en y ajoutant une batterie dédiée de faible capacité et la possibilité de fournir un apport en couple au moteur thermique dans les phases critiques (forte accélération par exemple). Cette fonction est assurée par un alterno-démarreur relié au vilebrequin moteur, permettant des démarrages plus doux que les démarreurs renforcés. Le moteur électrique peut également être positionné en aval du moteur sur la chaîne de transmission, permettant ainsi de mettre en mouvement le véhicule sur de courtes distances et à faible vitesse uniquement avec le moteur électrique.
Un véhicule hybride non rechargeable reprend les fonctionnalités d’un véhicule mild hybrid en y ajoutant la possibilité de rouler sur une courte distance en mode 100% électrique.
Un véhicule hybride rechargeable est un véhicule hybride HEV avec une batterie d’une capacité suffisante pour parcourir plus de 30 km en mode 100% électrique. La batterie peut être rechargée partiellement lors des phases de décélération, mais pour recharger complètement la batterie, il est nécessaire de brancher le véhicule sur le réseau électrique. Cela permet de profiter au maximum des possibilités de roulage en mode électrique ou en combinant le moteur thermique et le moteur électrique à pleine puissance.
Classification selon la puissance du générateur électrique
L’autre classification des véhicules hybrides est basée sur la puissance du moteur/générateur électrique :
- Micro-hybride : tension de 12 V et puissance du moteur électrique inférieure à 5 kW
- Hybridation légère : tension de 48 V et puissance du moteur électrique comprise entre 5 kW et 20 kW
- Hybrides rechargeables et non rechargeables : tension supérieure à 100 V et puissance du moteur électrique supérieure à 20 kW
Réduction des émissions de CO2
Plus le niveau d’hybridation est élevé, plus la réduction des émissions de CO2 est potentiellement importante. Cependant, cette réduction peut varier en fonction des conditions de conduite, en particulier pour les véhicules hybrides rechargeables.
Le coût de la technologie hybride dépend principalement de la taille de la batterie plutôt que de l’intégration d’un ou de plusieurs moteurs électriques dans la chaîne de traction.
Réglementation européenne
Il n’existe pas de cadre légal européen définissant les différents types de véhicules hybrides. Selon la Commission européenne, un véhicule électrique hybride est un véhicule comportant au moins un moteur électrique et au moins un moteur à combustion interne, ainsi que deux systèmes de stockage de l’énergie de propulsion (réservoir de carburant et batterie Li-ion, par exemple). Une batterie 12V classique n’est pas considérée comme un système de stockage d’énergie de propulsion, mais comme un dispositif périphérique.
Pour l’homologation et la quantification des émissions de CO2 de chaque véhicule, la Commission européenne distingue les véhicules hybrides rechargeables (VEH-RE) des véhicules hybrides non rechargeables (VEH-NRE). Dans le cas d’un véhicule hybride rechargeable, le constructeur doit déterminer l’autonomie du véhicule en mode électrique pour pondérer les émissions de CO2 du moteur thermique, ce qui n’est pas nécessaire pour un véhicule hybride non rechargeable.
Les cas particuliers
La technologie SHVS (Smart Hybrid Vehicle by Suzuki) développée par Suzuki comprend une batterie Li-ion dédiée de 0,1 kWh et un alterno-démarreur fournissant 2,3 kW et 50 Nm de couple à une tension de 12 V. La faible puissance de l’alterno-démarreur et la tension de 12 V en font une micro-hybride. Cependant, en raison de sa batterie dédiée et de ses fonctionnalités étendues, le SHVS peut également être considéré comme une hybridation légère.
Suzuki propose également le SHVS avec une tension de 48 V et une batterie de 0,4 kWh. La puissance de l’alterno-démarreur (10 kW et 53 Nm) en fait une véritable hybride légère.
La technologie e-Boxer de Subaru est également difficilement classifiable. La tension de l’alterno-démarreur (48 V) et sa puissance de 12,3 kW (pour 66 Nm de couple) en font une hybride légère. Cependant, l’alterno-démarreur étant positionné en sortie de boîte de vitesses, le moteur électrique est capable de propulser le véhicule sans l’aide du moteur thermique sur une distance de 1,5 km (batterie de 0,6 kWh) jusqu’à une vitesse de 40 km/h.
Sa tension de 48 V semble classer la technologie e-Boxer dans la catégorie des hybrides légères. Pourtant, ses performances ne sont pas si éloignées de celles des hybrides non rechargeables si l’on considère la puissance du moteur électrique ou sa tension de service.
Par exemple, la Toyota Yaris hybride, qui est une hybridation complète (non rechargeable), a une batterie de 0,6 kWh offrant une autonomie de 2 km et atteint une vitesse maximale de 65 km/h en mode électrique. Le moteur électrique de la Yaris développe 59 kW sous une tension de 178 V.
Voies d’amélioration
Si les interactions entre moteur à combustion interne et moteur électrique sont bien maîtrisées par les constructeurs, la récupération d’énergie pour charger la batterie reste le point faible des véhicules hybrides. Elle est relativement faible car seule l’alternateur récupère de l’énergie lors des phases de freinage.
Dans le cas d’un moteur thermique, seul un tiers de l’énergie produite en moyenne est utilisée pour propulser le véhicule, les deux tiers restants sont principalement perdus sous forme de chaleur résiduelle (systèmes de refroidissement du moteur et chaleur des gaz d’échappement) et une petite partie sous forme de frictions internes.
Au niveau du moteur à combustion interne, deux technologies pourraient permettre de réduire ces pertes à l’avenir :
- L’E-turbo (également connu sous le nom de MGU-H en Formule 1) consiste à ajouter un moteur électrique sur le même axe que les turbines du turbocompresseur. Ce moteur permet de récupérer de l’énergie lors des phases à haut régime et lors des décélérations. Il réduit également le décalage entre la pression de suralimentation attendue et celle fournie par le turbocompresseur lors d’une accélération dès les bas régimes. Cette technologie est actuellement présente uniquement sur la Mercedes-AMG One, un modèle de luxe à production limitée (prix de vente supérieur à 2 millions d’euros).
- La récupération de chaleur des gaz d’échappement selon le cycle organique de Rankine (ORC) est une technologie utilisée dans d’autres secteurs industriels. Elle consiste à convertir la chaleur des gaz d’échappement en électricité à l’aide d’un échangeur air/eau. Le fluide circulant dans l’échangeur se vaporise sous l’effet de la chaleur, générant une pression élevée qui entraîne une turbine reliée à un générateur d’électricité.
D’autres méthodes indépendantes du moteur thermique permettent également de générer de l’électricité en roulant pour recharger la batterie. Parmi ces méthodes, citons le toit solaire (déjà utilisé sur certains véhicules hybrides ou électriques de série) et les suspensions électromécaniques.
Un toit équipé de cellules photovoltaïques permet de récupérer environ 0,5 kWh d’énergie par jour. Cependant, cette solution peut être contrecarrée si le véhicule est stationné à l’extérieur, car en été, l’habitacle est surchauffé et en hiver, il fait froid. En revanche, si le véhicule est stationné sous un auvent ou, mieux encore, dans un garage, il est possible de mieux contrôler la température à l’intérieur de l’habitacle et de réduire la consommation d’énergie pour le chauffage ou la climatisation.
En 2015, Audi a présenté un concept de suspension électromécanique (eROT) qui remplace les suspensions classiques. Cette suspension permet une meilleure maîtrise des mouvements de la voiture et convertit l’énergie cinétique en énergie électrique. Selon les premiers essais, ce système permettrait de récupérer environ 0,3 kWh d’énergie pour une heure de trajet. Cependant, ce concept n’est pas encore utilisé en série.
Avenir des véhicules hybrides
La réglementation européenne, qui prévoit d’interdire la vente de véhicules à moteur thermique et hybrides à partir de 2035, ne favorise pas le développement des technologies visant à améliorer la récupération d’énergie des moteurs à combustion interne, car ces applications sont coûteuses à développer et difficilement rentables en moins d’une décennie.
De plus, le mode de calcul des émissions de CO2 actuel favorise les véhicules hybrides rechargeables plutôt que l’amélioration du rendement des moteurs à combustion interne pour les voitures compactes et supérieures. En prenant en compte le facteur d’utilisation en mode électrique pour les véhicules hybrides rechargeables, les émissions de CO2 de ces derniers sont nettement plus favorables.
Par exemple, la Toyota Prius hybride (batterie de 0,6 kWh) est homologuée à 84 g de CO2 par km, tandis que la version hybride rechargeable, équipée du même groupe motopropulseur mais avec une batterie d’une capacité de 8,8 kWh et rechargeable, affiche des émissions de CO2 de seulement 28 g par km.
Les solutions hybrides, qu’elles soient légères ou non, rechargeables ou non, sont en train de se généraliser rapidement afin que les constructeurs puissent atteindre leurs objectifs en matière d’émissions de CO2 d’ici 2025 et 2030. Cependant, étant donné que les ventes de véhicules à moteur thermique seront interdites à partir de 2035 par l’Union européenne, l’avenir des véhicules hybrides semble tout aussi limité que celui des moteurs à combustion interne.
