De nos jours, la majorité des véhicules utilisés dans le monde sont encore équipés de moteurs à combustion interne (MCI), qu’il s’agisse d’essence ou de diesel. Un véhicule électrique hybride (HEV) a au moins deux sources d’énergie pour sa propulsion : le moteur à combustion interne et un moteur électrique.
Les fabricants automobiles développent et vendent des HEV pour trois principales raisons :
- Réduire les émissions de CO2 (en diminuant la consommation de carburant)
- Réduire les émissions toxiques des gaz d’échappement
- Améliorer la dynamique du groupe motopropulseur (en augmentant la puissance et le couple totaux)
Le groupe motopropulseur d’un HEV est assez complexe, car il comprend tous les composants d’un véhicule à moteur à combustion interne ainsi que la plupart des composants d’un véhicule électrique pur (VE). De plus, en fonction du niveau d’hybridation, il a besoin de deux sources d’énergie : le réservoir de carburant pour le moteur et une batterie pour la machine électrique.
Pour transformer un véhicule à moteur à combustion interne en HEV, il est nécessaire d’ajouter :
- Une batterie haute tension (entre 200 et 400 V)
- Un contrôleur électronique de puissance (onduleur)
- Une machine électrique
- Un convertisseur continu-continu
Les principaux inconvénients d’un HEV sont les suivants : il alourdit le véhicule en raison des composants électriques supplémentaires, il est plus difficile à construire et le prix total d’achat et de possession augmente par rapport à un véhicule à moteur à combustion interne.
Dans la plupart des HEV, la propulsion électrique est assurée par des machines électriques à aimant permanent. Les principaux avantages d’une machine électrique par rapport à un moteur à combustion interne sont les suivants :
- Couple élevé constant à basse vitesse
- Très haute efficacité
- Distribution instantanée du couple
- Capacité de récupération d’énergie
Lorsque nous combinons une machine électrique avec un moteur à combustion interne, nous obtenons les avantages suivants par rapport à un groupe motopropulseur conventionnel :
- En fournissant une assistance en couple avec le moteur électrique, le moteur à combustion interne peut fonctionner au point de consommation de carburant le plus efficace (vitesse et couple)
- Le moteur à combustion interne peut être réduit de taille tout en conservant un couple et une puissance globale constants du groupe motopropulseur, grâce à l’assistance du moteur électrique
- L’énergie cinétique du véhicule lors du freinage peut être récupérée et stockée dans la batterie haute tension, avec l’aide de la machine électrique fonctionnant comme un générateur
- La réponse en couple du groupe motopropulseur peut être améliorée en raison de la distribution instantanée du couple du moteur électrique
- Les rapports de boîte de vitesses peuvent être réduits pour maintenir le moteur à des vitesses de fonctionnement plus basses (meilleure efficacité énergétique), car le moteur électrique peut fournir instantanément le couple demandé par le conducteur
Avec deux sources d’énergie, le système de contrôle hybride doit décider de la répartition du couple entre le moteur à combustion interne et la machine électrique, en fonction de l’entrée du conducteur et de l’état de fonctionnement du véhicule.
Un véhicule électrique hybride peut effectuer au moins une ou plusieurs des fonctions suivantes :
- Arrêt/démarrage du moteur
- Assistance en couple électrique (remplissage et augmentation)
- Récupération d’énergie (freinage régénératif)
- Conduite électrique
- Chargement de la batterie (pendant la conduite)
- Chargement de la batterie (à partir du réseau)
Un véhicule électrique hybride est également appelé un véhicule électrique hybride complet (FHEV) pour le distinguer des autres types de véhicules électriques hybrides (légers et rechargeables).
Certains véhicules sont équipés de la fonction de démarrage/arrêt du moteur, qui éteint automatiquement le moteur à combustion interne lorsque le véhicule est à l’arrêt et le redémarre lorsque le conducteur souhaite conduire. Cela réduit la consommation globale de carburant du véhicule. Certains de ces véhicules disposent également d’une fonction de gestion de l’énergie, qui optimise la consommation de l’énergie de la batterie basse tension (12 V). Dans un véhicule à moteur à combustion interne classique sans gestion de l’énergie, la batterie basse tension sert principalement à générer l’énergie électrique nécessaire pour démarrer le moteur. Après le démarrage du moteur, l’énergie électrique pour tous les consommateurs électriques est fournie par l’alternateur, ce qui impose un couple de charge supplémentaire sur le moteur.
Dans un véhicule électrique hybride, même lorsque le moteur fonctionne, la batterie fournit de l’énergie électrique aux consommateurs. De cette manière, l’alternateur n’a pas besoin de produire d’énergie électrique, le couple de charge de l’alternateur est presque nul et la consommation de carburant diminue. De plus, la batterie est rechargée lorsque le moteur fonctionne aux points de consommation de carburant les plus efficaces ou lorsque le véhicule freine (grâce à la récupération d’énergie).
Les véhicules qui possèdent des fonctions de démarrage/arrêt du moteur et de gestion de l’énergie sont appelés “Micro Hybrides”.
Le moteur électrique peut fournir un couple supplémentaire à la roue, améliorant ainsi la réponse en couple globale du groupe motopropulseur. Il existe deux types d’assistance en couple :
- Remplissage de couple
- Surpuissance de couple
Lorsque le conducteur appuie sur la pédale d’accélérateur, il demande plus de couple du groupe motopropulseur. Un moteur à combustion interne (en particulier diesel) présente un certain retard dans la fourniture du couple demandé. Le retard de réponse en couple du moteur à combustion interne est dû à plusieurs facteurs :
- L’inertie de l’air dans le collecteur d’admission
- L’inertie mécanique des pièces en mouvement
- La limitation du couple (pour éviter la fumée dans l’échappement)
Dans ces situations, appelées transitoires de couple (le moteur change de point de fonctionnement), le moteur électrique peut aider en fournissant un couple supplémentaire, ce qui compense le retard de réponse en couple du moteur. Cette fonction est appelée “remplissage de couple”.
Un moteur à combustion interne a une capacité de couple maximale, qui dépend de la vitesse du moteur. En ajoutant le couple du moteur électrique au couple du moteur à combustion interne, le couple maximal global du groupe motopropulseur est augmenté (compensation positive). Cette fonction est appelée “surpuissance de couple” et ne peut être fournie que pendant une courte durée (de l’ordre de quelques secondes) en raison de l’épuisement de la batterie.
La fonction d’assistance en couple électrique est généralement assurée par les véhicules électriques hybrides légers, les véhicules électriques hybrides complets et les véhicules électriques hybrides rechargeables.
Lorsque le moteur et le moteur électrique fournissent tous deux un couple pour l’accélération du véhicule, le véhicule est en mode hybride/parallèle.
Lorsque le conducteur appuie sur la pédale de frein, le véhicule doit ralentir. Fondamentalement, nous avons besoin d’un couple de freinage aux roues pour réduire la vitesse du véhicule. Le couple de freinage total requis aux roues peut être obtenu de plusieurs manières :
- Uniquement par l’intermédiaire des freins de base (freins hydrauliques)
- Par les freins de base plus le groupe motopropulseur
Si le véhicule a un groupe motopropulseur conventionnel, uniquement avec un moteur à combustion interne, lorsque le conducteur freine, l’injection de carburant est interrompue (coupure de carburant) et le moteur tourne librement (frein moteur). La quantité de frein moteur est égale aux pertes de couple totales du moteur (couple de frottement + pertes de pompage + dispositifs auxiliaires).
Dans un véhicule électrique hybride, lorsque le conducteur freine, un couple négatif peut être demandé au moteur électrique, améliorant ainsi la capacité de freinage du groupe motopropulseur. Dans tous les véhicules électriques hybrides, pendant le freinage du véhicule, le moteur électrique fonctionne en mode générateur. L’énergie cinétique du véhicule fait tourner le rotor du générateur, surmontant son couple négatif, et de l’énergie électrique est générée. La quantité d’énergie électrique générée (récupérée) pendant le freinage (récupération) dépend de la puissance de la machine électrique.
Si le moteur électrique est suffisamment puissant, le véhicule peut être entraîné en mode électrique (EV). Dans ce mode, le moteur à combustion interne est désactivé et le moteur électrique fournit tout le couple nécessaire à la propulsion du véhicule.
Dans le cas des véhicules électriques hybrides complets, le mode électrique n’est possible que jusqu’à une vitesse de 5 à 10 km/h, en raison de la quantité d’énergie limitée disponible dans la batterie. Dans le cas des véhicules électriques hybrides rechargeables, la batterie haute tension a une capacité plus élevée, permettant au mode EV d’être possible jusqu’à des vitesses de 90 à 100 km/h.
Chaque batterie possède un état de charge minimum qui doit être maintenu pour éviter tout dommage permanent. L’état de charge représente la quantité théorique d’énergie électrique disponible dans la batterie. Si l’état de charge d’une batterie est de 100 %, cela signifie qu’il y a une quantité théorique maximale d’énergie électrique pouvant être utilisée. Si l’état de charge minimum de la batterie est de 20 %, nous ne pouvons utiliser que 80 % du maximum théorique.
Selon la taille, la puissance et la chimie de la batterie, l’état de charge minimum est différent. Dans le cas des véhicules électriques hybrides, la batterie peut se trouver dans plusieurs états en fonction du niveau d’état de charge :
- Décharge de charge
- Maintien de charge
- Chargement
Lorsque la batterie est complètement chargée, l’énergie électrique est disponible. Dans ce cas, la batterie est en mode “décharge de charge”. Lorsque l’état de charge de la batterie atteint le niveau minimum, le moteur à combustion interne est responsable de la recharge de la batterie afin que l’état de charge ne descende pas en dessous du niveau minimum. Dans ce cas, la batterie est en mode “maintien de charge”. Lorsque le véhicule freine, l’énergie cinétique du véhicule est convertie en énergie électrique et stockée dans la batterie. Dans ce cas, la batterie est en mode “chargement”.
En termes de charge de la batterie, la principale différence entre un véhicule électrique hybride complet et un véhicule électrique hybride rechargeable est que le véhicule hybride rechargeable peut également être chargé en le branchant sur une prise de courant. Le module de commande électronique de puissance d’un véhicule électrique hybride rechargeable contient un redresseur, qui convertit le courant alternatif (CA) de la prise de courant en courant continu (CC) et le stocke dans la batterie haute tension.
Selon les fonctions pouvant être gérées par le système électrique, on distingue les types suivants de véhicules électriques hybrides :
- Micro hybride (start/stop)
- Hybride léger
- Hybride complet
- Hybride rechargeable
Les véhicules hybrides légers peuvent être de deux types distincts :
- Avec un démarreur-générateur intégré à la courroie
- Avec un moteur-générateur intégré au vilebrequin
Le démarreur-générateur intégré à la courroie utilise une machine électrique montée sur l’entraînement des accessoires de l’avant, reliée au moteur à combustion interne par une courroie. C’est la solution la plus couramment utilisée par les fabricants automobiles pour les véhicules électriques hybrides légers. Valeo a développé un système BiSG pour les véhicules électriques hybrides légers, qui est utilisé par plusieurs constructeurs automobiles.
Le moteur-générateur intégré au vilebrequin utilise une machine électrique montée sur le vilebrequin, entre le moteur et la transmission. Un exemple de système CiMG est la technologie Integrated Motor Assist (IMA) de Honda. La principale différence entre le BiSG et le CiMG est que la solution du moteur-générateur intégré au vilebrequin utilise une machine électrique plus puissante ainsi qu’une batterie d’une tension et d’une puissance supérieures.
Dans le tableau ci-dessous, vous trouverez une synthèse des types de véhicules électriques hybrides en fonction de la tension de la batterie, de la puissance de la machine électrique et de l’avantage potentiel en termes de consommation de carburant :
| Type de véhicule hybride électrique | Micro hybride | Hybride léger | Hybride complet | Hybride rechargeable |
|---|---|---|---|---|
| Tension de la batterie [V] | 12 | 48 – 160 | 200 – 300 | 300 – 400 |
| Puissance de la machine électrique [kW] (moteur) | 2 – 3 | 10 – 15 | 30 – 50 | 60 – 100 |
| Puissance de la machine électrique [kW] (générateur) | < 3 | 10 – 12 | 30 – 40 | 60 – 80 |
| Autonomie en mode EV [km] | 0 | 0 | 5 – 10 | < 50 |
| Bénéfice estimé en CO2 [%] | 5 – 6 | 7 – 12 | 15 – 20 | > 20 |
Dans un article ultérieur, nous décrirons chaque type de véhicule électrique hybride plus en détail.
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