Automobile hybride électrique

Pour les articles homonymes, voir Propulsion hybride et Véhicule hybride.

La Toyota Prius est une automobile hybride essence-électricité, équipée du système Hybrid Synergy Drive (HSD).

Une automobile hybride électrique est une automobile faisant appel à deux stockages d'énergie distincts pour se mouvoir, dont l'un de nature électrique. Un tel véhicule n'a pas besoin d'une source extérieure d'énergie électrique (de type branchement au réseau électrique), mais peut bénéficier d'un tel système. C'est alors une automobile hybride rechargeable.

On les désigne généralement simplement comme voiture hybride dans le cas de l'association d'un moteur thermique et d'une machine électrique réversible. Un véhicule hybride « électrochimique-électrique » utilise une pile à combustible pour produire le courant destiné au moteur électrique. Les hybrides font appel à un dispositif de stockage électrique réversible (supercondensateur ou batterie d'accumulateurs).

Principe de fonctionnement

Le principe général de fonctionnement consiste à combiner un moteur électrique (souvent réversible en générateur) avec un moteur thermique pour propulser un véhicule.

Les différentes phases de fonctionnement :

• Lorsque le véhicule est immobile, les deux moteurs sont à l'arrêt ;

• Au démarrage, c'est le moteur électrique qui assure la mise en mouvement de la voiture, jusqu'à une vitesse de l'ordre de 50 km/h ;

• Lorsqu'une vitesse plus élevée est atteinte ou qu'une accélération forte est demandée, le moteur thermique prend le relais ;

• En cas de très forte accélération, les deux moteurs fonctionnent simultanément, ce qui permet une accélération supérieure ;

• En phase de décélération, de descente et de freinage, une part de l'énergie cinétique est transformée par le moteur/générateur en électricité pour recharger les batteries assurant ainsi le rôle de frein moteur et soulageant les freins mécaniques.

Étant donné les modes de fonctionnement possibles, la gestion de l'ensemble est en général confié à l'électronique embarquée qui tient compte de l'état de charge de la batterie, de la température du moteur thermique et de celle du catalyseur, des besoins de chauffage ou de climatisation et de la pression sur les pédales d'accélérateur et de frein. Toutefois, la récupération d'énergie au freinage n'est pas disponible sur tous les véhicules hybrides.

Niveaux d'hybridation

Système full hybrid parallèle » ; ENG=moteur thermique (engine) ; Clutch=embrayage ; MOT=moteur électrique ; PE= électronique de commande ; BATT=batterie ; TX=transmission

On classe les véhicules hybrides en fonction de l'importance de la partie électrique et de la façon dont elle est combinée avec le moteur thermique. La nomenclature varie selon les sources et les constructeurs ; la plus utilisée est d'origine américaine :

• Le mild hybrid est le niveau d'hybridation minimal. Sauf à l'arrêt, le moteur thermique tourne en permanence. Le moteur électrique récupère l'énergie cinétique (pendant un freinage ou une descente, le moteur électrique fonctionne alors en générateur et fournit un couple résistant s'ajoutant au frein moteur). L'énergie récupérée est stockée dans des batteries ou des super-condensateurs et fournit un appoint de puissance pour aider les reprises. Ce système est appelé Urban Hybrid chez PSA (concept-car C5 Airscape), c'est un stop & start aux fonctionnalités élargies. Des technologies comparables existent chez BMW ou encore Ford. Un système analogue, le SREC est utilisé en compétition automobile, notamment en Formule 1. Ce niveau d'hybridation correspond à des puissance de 8 à 15 kW^[1].

• Le full hybrid est la formule la plus répandue. La voiture peut être entraînée par chaque moteur séparément ou par les deux moteurs ensembles. Cela nécessite donc des puissances supérieures à 20 kW^[1]. Une gestion de la transmission complexe permet toutes les combinaisons. Le pourcentage d'utilisation du moteur électrique dépend de la capacité de la batterie, dont la charge est effectuée en roulant par le moteur thermique et par l'énergie cinétique récupérée.

• L'hybride rechargeable, ou plug-in hybrid, est un véhicule hybride qui peut se recharger sur le réseau électrique, ce qui permet de l'utiliser en mode tout électrique pour les petits trajets. La configuration peut être série ou parallèle. Ainsi les Chevrolet Volt et Opel Ampera, premières utilisatrices de ce système, permettraient à leurs utilisateurs de rouler jusqu'à 60 km par jour sans utiliser d'essence, en rechargeant les batteries la nuit. Le moteur thermique est mis en route lorsque les batteries sont épuisées ou au-delà d'une certaine vitesse, allouant jusqu'à 600 km d'autonomie au total sur les Volt et Ampera.

Disposition mécanique

• Hybride série. C'est le moteur électrique qui entraîne le véhicule, le moteur thermique entraîne une génératrice qui recharge les batteries; le moteur thermique n'est pas relié aux roues et peut tourner à son régime optimal (de meilleure consommation spécifique). De plus, il y a moins de pertes mécaniques dans la transmission. Des batteries d'accumulateurs ou des supercondensateurs permettent de stocker l'énergie et de rouler en « tout électrique ». Le freinage est, bien sûr, régénératif. La Chevrolet Volt (véhicule issu d'un concept-car dont la commercialisation a débuté en décembre 2010 aux États-Unis^[2]) illustre cette technologie.

• Hybride parallèle. Les deux moteurs sont reliés à la transmission. Les mouvements des moteurs thermique et électrique sont raccordés au même arbre. Exemples, la Honda Insight et le prototype hybride HDi de PSA.

• Hybride série-parallèle. Combinaison complexe des deux solutions. Les mouvements des moteurs thermique et électriques sont combinés de manière plus élaborée avec un train épicycloïdal qui permet des vitesses de rotation différentes pour les moteurs thermique et électriques. Exemples, les Toyota Prius et Auris HSD, Nissan Altima Hybrid, Lexus Rx400h, GS450h, LS600h utilisent des variantes de ce principe (système Hybrid Synergy Drive).

• Un concept particulier de véhicule hybride intégral consiste à utiliser un moteur thermique classique sur les roues avant et un (ou deux) moteur électrique sur les roues arrières. On dispose ainsi de quatre roues motrices sans la complication de la transmission mécanique. Le concept-car Citroën C-Metisse utilisait ce principe ainsi que les Peugeot 3008 Hybrid4^[3] et Peugeot 508 RXH hybride^[4] (commercialisation prévue début 2012). Le premier véhicule à utiliser ce principe en série faisait encore plus compliqué, puisque le Lexus RX400h combinait un groupe hybride entrainant les roues avant (système Toyota série-parallèle) avec un moteur électrique entrainant les roues arrière^[5].

Tout véhicule à moteur thermique peut être équipé d'une coupure automatique du moteur thermique lorsque le véhicule s'immobilise, réduisant ainsi sensiblement la consommation en parcours urbain (et uniquement là). Sur les modèles non hybrides, l'alternateur et le démarreur d'une voiture classique sont remplacés par un alterno-démarreur, un moteur électrique réversible. Bien que parfois présentés sous le terme de micro-hybride, le moteur électrique ne peut être utilisé pour le déplacement du véhicule, faut d'une puissance suffisante. Ces techniques peuvent cependant permettre une optimisation du fonctionnement du groupe propulseur ou des accessoires électriques, voire être associés à de la récupération d'énergie cinétique. L'appartenance de ces véhicules à la famille des hybrides fait débat^[6].

Histoire

La première automobile de ce type est présentée en 1899 par les Établissements Pieper (de), de Liège^[7]. Étonnamment similaire dans ses caractéristiques aux hybrides modernes, elle utilise un moteur à pétrole de 3,5 ch qui entraîne directement les roues. Sur l'arbre de transmission, en amont d'une boite de vitesses à engrenages à 2 rapports avec embrayage, est intercalée une dynamo réversible, selon le principe de l'hybride parallèle. Le moteur fonctionne toujours à pleine charge, et la dynamo permet la charge d'accumulateurs, pour un poids de seulement 25 kg. Si la tension de la dynamo devient inférieure à celle de la batterie, celle-ci se décharge et la puissance de l'ensemble moteur-dynamo peut alors atteindre 6 ch.

Plusieurs autres constructeurs se lancent, pendant la première décennie du vingtième siècle, dans ce qui est alors appelé l'automobile mixte, ou pétroléo-électrique, dont la Lohner-Porsche (en)^[8] mixte, créée par Ferdinand Porsche en 1900 pour Ludwig Lohner (de). Aucun de ces coûteux modèles ne rencontrant le succès, le technologie disparaît avec la première guerre mondiale.

Il fallut attendre plus de 80 ans avant la mise sur le marché, en grande série, de la Toyota Prius, fin 1997 au Japon, dans une version jamais commercialisée en dehors de l'archipel. La troisième version de la Prius (modèle NHW20) a reçu le titre européen de voiture de l'année en 2005.

Le coupé deux-places Honda Insight sorti en 1999 a été exporté aux États-Unis et dans quelques autres pays mais pas en France. Sans approcher le succès de la Prius, Honda commercialise depuis plusieurs années une version hybride dite IMA de la Honda Civic et un modèle spécifique, l'Insight.

En 2007, Toyota remporta avec sa Camry Hybride plusieurs prix d'importance dans le monde automobile, l'Association des journalistes automobile du Canada ayant octroyé à la Camry Hybride 2007 le titre de voiture canadienne de l'année, ainsi que celui de meilleure voiture familiale de plus de 30 000 $ CAN. L'Association canadienne des automobilistes leur a décerné le prix tant convoité : Pyramide 2007 CAA pour des initiatives environnementales. En 2008, Toyota avait vendu un million d'exemplaires de sa Prius. Lexus, la marque haut de gamme de Toyota, commercialise des berlines et un 4x4 hybrides, ce dernier (Lexus RX400h) rencontrant un certain succès, malgré son prix.

D'autres constructeurs ont également vendu des modèles hybrides mais avec des parts de marché marginales (Mazda, General Motors, Renault...). En France, Renault a produit quelques milliers de Kangoo hybrides^[9].

Crise du pétrole et contrainte écologique obligent, de nombreux constructeurs automobiles ont annoncé des programmes de recherche importants dans ce domaine, notamment General Motors, qui s'associe dans ce domaine avec Mercedes et BMW, Ford ayant acquis la technologie de Toyota de première génération, et plus récemment PSA Peugeot Citroën qui s'est associé à divers grands équipementiers pour réaliser la première voiture hybride diesel-électrique, dans le cadre d'un important programme de développement soutenu par l'Agence pour l'Innovation Industrielle.

En France, un bonus écologique de 2 000 euros est accordé depuis début 2008 pour l'achat de la plupart des véhicules hybrides. Au Canada, le Premier Ministre, Stephen Harper, annonçait dans le nouveau budget 2007 qu'à compter du 20 mars 2007 un programme sous forme de remboursement en espèces sonnantes sur plusieurs modèles éco-énergétiques verrait le jour ; ce remboursement a existé au niveau fédéral jusqu'au 1^er janvier 2009.

Avantages

Ce type de motorisation diminue de 10 à 30 % la consommation des véhicules suivant l'utilisation (la conduite urbaine offrant les plus grands gains et la conduite autoroutière les plus faibles) et permet également de limiter les émissions polluantes proportionnelles à la consommation de carburant. La motorisation hybride est donc particulièrement intéressante pour les taxis et elle commence à être appliquée aux autobus et camions aux États-Unis, en Europe et au Japon.

Ne puisant son énergie que dans le carburant, au moins dans les réalisations actuelles, une motorisation hybride ne doit pas être comparée à une motorisation électrique ; il s'agit simplement d'une motorisation thermique optimisant l'usage de l'énergie. L'hybridation est à l'origine d'importants progrès lors des années 2000, permettant à des véhicules hybrides à essence de présenter un bilan en termes d'émissions de polluants meilleur que celui des véhicules diesel, similaire en termes de CO₂ mais avec moins d'émissions de polluants aériens^[10].

Inconvénients

Les accumulateurs électrochimiques de ces véhicules n'auraient pas une durée de vie aussi longue que le véhicule lui-même, il faudrait donc changer ceux-ci une ou plusieurs fois avant le recyclage total du véhicule, ce qui entraînerait un surcoût de maintenance et une obligation importante de recyclage pour le fabricant. Cependant, des marques proposant les systèmes hybrides garantissent spécifiquement le système hybride dont la batterie (8 ans ou 160 000 km pour la Prius en France, 8 ans et kilométrage illimité pour la Honda Civic IMA).

Critiques

Certains constructeurs ont avancé le fait que l'économie en carburant occasionnée par la technique hybride pour des véhicules à essence était proche de celle du passage de l'essence au gazole, et qu'elle n'était donc pas intéressante pour eux sur les marchés ayant fait le choix d'un fort taux d'utilisation de moteurs diesel comme l'Europe. Ce discours occulte l'impact supérieur des émissions de NO_X et de particules fines de carbone des moteurs diesel. Certains fabricants européens projettent des hybrides diesel, espérant obtenir des émissions de CO₂ encore inférieures.

Enfin, d'autres critiques notent que des 4x4 bien que hybrides (Lexus...) restent néanmoins très énergivores comparés à des berlines, mais bien moins toutefois que des 4x4 essence non hybrides.

Selon Patrick Coroller, Directeur national Air et Transport de l'ADEME, "les solutions hybrides ne sont pas pertinentes et ne soutiennent pas la comparaison par rapport aux dernières générations de véhicules purement électriques utilisant des batteries à haute capacité de stockage"^[11]. Toujours selon lui, "les solutions d'hybride essence et à plus forte raison Diesel ne seraient pas adaptées aux marchés des prochaines décennies et sur un plan environnemental, seule la voie de l'hybride rechargeable mérite un soutien à condition de maintenir une origine très majoritairement non polluante de l'électricité" (c'est la voie choisie pour la Toyota Prius III, par exemple). Toutefois, l'avantage des hybrides sur l'électrique pur est leur autonomie non limitée par les batteries qui les rend utilisables sur de plus longs trajets sans avoir à se préoccuper de la recharge des batteries (et à vitesse plus élevée, sur autoroute par exemple).

On peut cependant souligner les problèmes de recyclage des batteries d'une solution purement électrique ou hybride, ainsi que le problème de ressources qui se poserait si le nombre de véhicules devait être très élevé, par exemple la disponibilité du lithium utilisé dans les batteries de type Lithium-Ion (Chevrolet Volt...). Rappelons que près de 14 millions de véhicules (tous types confondus) se vendent chaque année dans la Communauté Européenne.

Liste d'automobiles hybrides électriques

Notes et références

Annexes

Articles connexes

• Biocarburant
• Polycarburant
• Pile à combustible
• Accumulateur électrique
• Propulsion alternative
• Hybrid Synergy Drive

Liens externes

• Un utilitaire : le Mercedes-Benz Sprinter en propulsion hybride sur clean-auto.com, publié le 25 aout 2004.
• Voitures hybrides - Les voitures hybrides actuellement disponibles en FranceSur le site AVEM.fr
• Description de la technologie sur le site de l'ADEME

• Portail de l’automobile