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première version décembre 2006
dernière mise à jour
26 janvier 2015

Les véhicules hybrides

introduction
les principes
électricité + essence
les conséquences
douceur et faible pollution
le City-CAT
un moteur à air comprimé
quelques autres réalisations
le présent et l'avenir
introduction
Le transport automobile est l'une des causes de l'excès d'effet de serre produit par le CO2, diverses approches sont examinées en vue de limiter les émissions de ce gaz. La commission européenne a défini de nouvelles normes applicables progressivement, mais elles semblent peu réalistes avec des moteurs à essence traditionnel, surtout si les automobilistes dans leur ensemble continuent à conduire inintelligemment. A moins que les constructeurs ne généralisent la solution dite du véhicule hybride qui a le mérite d'exister et d'être déjà commercialisée à relativement grande échelle, en particulier par le constructeur japonais Toyota qui au cours de l'année 2005 a vendu 130000 véhicules de cette catégorie. Nous allons donc examiner le procédé en nous demandant quel est son avenir, quels sont ses avantages et évidemment ses inconvénients au vu de l'expérience acquise.
les principes
Appliquée aux voitures, la technologie hybride combine un petit moteur à essence avec un moteur électrique à couple élevé à bas régime, ce dernier étant associé à une batterie. Ce système optimise la consommation d'essence pour un fonctionnement plus écologique. L'idée d'installer deux moteurs sous le capot peut paraître peu rentable, compliquée et vouée à l'échec. Mais dans la pratique, elle peut permettre d'accroître le nombre de kilomètres parcouru avec un litre d'essence de près de 20 %, tout en réduisant la pollution d'un tiers. En outre, ces voitures offrent un réel agrément de conduite.


En pratique on constate l'existence de plusieurs procédés dont l'objectif est de récupérer au mieux l'énergie gaspillée. En effet environ un tiers de l'énergie consommée par un véhicule à moteur thermique sert réellement à déplacer le véhicule, le reste est essentiellement perdu lorsque le rendement du moteur devient catastrophique c'est à dire en accélération ou lors d'un freinage et une petite partie (croissante) sert à l'alimentation des multiples gadgets électriques dont est doté un véhicule moderne. Aujourd'hui les progrès encore possibles sur le moteur thermique lui-même ne semblent pas de nature à améliorer sensiblement ce rendement. L'hybridation va donc avoir comme objectif d'intervenir lors des phases où le moteur à essence est au plus loin de son optimum, c'est-à-dire donc dans les phases d'accélération et/ou de freinage. On va donc avoir des dispositifs dits à hybridation partielle qui récupéreront essentiellement l'énergie gaspillée au freinage, parfois aideront à l'accélération, et d'autres dits à hybridation totale qui interviendront en outre lors des phases de démarrage.

Examinons ce dernier cas.

Une pièce très importante du système va résider dans le module de commande de puissance : il s'agit d'un ordinateur qui détermine la répartition de la puissance dans le véhicule. Ce module contrôle l'accélérateur, la charge de la batterie et d'autres paramètres de fonctionnement, puis concentre l'énergie vers les roues ou la batterie, depuis l'un des deux moteurs, en fonction du besoin. Il se charge également de stopper et redémarrer le moteur à essence lors des arrêts et reprises.

démarrage : Lorsque la voiture est arrêtée, à un feu ou dans un embouteillage, le moteur à essence est immédiatement stoppé et lors du démarrage c'est le moteur électrique seul qui va entrainer la voiture jusqu'à 25-40km/h. C'est la phase où un moteur à essence pollue le plus et on élimine ainsi totalement la pollution durant ces premières secondes. On enclenche le moteur à essence lorsqu'une certaine vitesse est atteinte, mais le moteur électrique peut continuer à fonctionner ainsi une berline familiale au lieu de nécessiter un moteur de plus de 100kW pourra n'utiliser qu'un moteur d'une soixantaine de kW, le complément étant fourni par le moteur électrique lors des phases d'accélération intense jusqu'à ce qu'on atteigne la vitesse de croisière, alors le complément électrique n'est plus nécessaire et le moteur électrique est alors entrainé par le moteur à essence, jouant maintenant un rôle d'alternateur pour recharger la batterie.

freinage : Lorsque l'on freine un second dispositif entre en action (celui utilisé principalement dans une voiture partiellement hybride): il s'agit d'un système de générateurs solidaires des roues et qui sont mis en oeuvre essentiellement lors du freinage, c'est donc leur inertie qui va produire une partie du ralentissement de la voiture, mais au lieu de dissiper toute l'énergie cinétique au niveau des disques et des plaquettes de frein sous forme thermique, une grande partie va donc être convertie en énergie électrique et servira à recharger la batterie. A vitesse constante (cela dépend des véhicules) ou en accélération (dans tous les cas) ces générateurs ne sont pas entrainés par les roues, ils sont entrainés principalement lors du freinage. Le fait d'appuyer sur le frein commande donc simultanément un circuit de freinage classique mais aussi un dispositif electromagnétique qui va avoir pour objet d'attirer la partie tournante des générateurs (le rotor) contre la roue (ou un dispositif qui lui est lié mécaniquement) et donc de la rendre solidaire de la rotation.

accélération : A chaque accélération importante le moteur électrique apportera un complément d'énergie très notable au moteur thermique ce qui garantit des dépassements rapides sans générer le surexcès de pollution des voitures classiques.
quelques conséquences pratiques
Examinons d'abord les conséquences économiques, elles sont multiples : En premier lieu la réduction de puissance du moteur thermique se traduit par une réduction globale de la consommation (et donc de l'émission de CO2). Ainsi la Prius de Toyota qui est une berline familiale de moyenne catégorie consomme-t-elle en moyenne 4.3l/100km alors qu'une version essence équivalente dépasse généralement les 7 litres. La seconde conséquence est que le moteur à essence fatigue moins puisqu'il travaille essentiellement à des régimes optimums ce qui permet au constructeur de proposer des garanties de longue durée sans risque (8 ans). Le système de freinage fatigue moins lui aussi puisqu'il n'effectue qu'une partie du travail et les plaquettes et disques de frein chauffent moins et s'usent donc moins vite.

Le confort de conduite : lorsque la voiture est arrêtée à un feu le moteur thermique est stoppé, le moteur électrique aussi bien évidemment et le silence est total, sans la moindre vibration. C'est impressionnant. Au démarrage le moteur électrique est très silencieux et très doux, mais l'accélération est cependant notable puique le 100km/h est atteint en moins de 10s. Pour coupler efficacement la puissance des 2 moteurs les constructeurs de voitures hybrides ont éliminé la boite de vitesses et préféré la transmission à variation continue ce qui favorise aussi la fluidité de l'accélération.

Mais en raison de la complexité des systèmes hybrides, l'entretien de ces voitures relève le plus souvent du concessionnaire. La plupart des constructeurs automobiles forment en effet leurs mécaniciens dans leurs propres écoles, ce qui les oblige à rester au fait des tout derniers modèles et technologies dudit constructeur, mais pas des autres.

Le principal problème vient de la nécessité d'une très grosse batterie (délivrant une tension de 200V ou plus) qui ne peut être logée dans le compartiment moteur déjà occupé par les deux moteurs et le système sophistiqué de transmission. Dans une grande berline cette batterie sera logée sous les sièges arrière, par contre dans une petite citadine on sera obligé de la caser partiellement dans le coffre ce qui réduira d'autant le volume de ce dernier. C'est sans doute la raison principale pour laquelle à ce jour les voitures hybrides sont toutes des berlines.

On peut mettre en évidence deux avantages par rapport aux véhicules tout électrique (qui polluent moins au niveau du véhicule mais qui doivent être rechargés sur une prise de courant et la pollution est alors reportée au niveau de la centrale électrique). Outre la nécessité de recharger la batterie ce qui limite l'emploi et l'autonomie du véhicule (l'autonomie des véhicules testés dès 2007 par la Poste est d'environ 20km) la voiture tout électrique souffre d'accélérations modestes ce qui en cas d'urgence peut se révéler problématique, ces divers points en limitent donc l'usage en milieu urbain. Ce n'est pas le cas de la voiture hybride pour laquelle il n'est pas besoin de brancher la voiture à une prise de courant pour recharger sa batterie... Le moteur à essence et les freins se chargent de fournir l'électricité requise. Lorsque la voiture roule ou ralentit, les freins à récupération rechargent automatiquement la batterie, en exploitant la vitesse du véhicule et en la transformant en électricité. Si la batterie faiblit, pendant l'ascension d'une côte par exemple, le moteur à essence va accélèrer pour générer plus d'électricité (cette faculté est rendue possible par la transmission particulière pilotée non par le conducteur mais par l'ordinateur qui exploite donc intelligemment tous les paramètres variables que lui fournissent les différents capteurs dont est truffée la voiture). De cette façon, la batterie demeure chargée en permanence.
Et comme on l'a déjà mentionné les accélérations sont importantes de même que l'autonomie qui est de l'ordre de 1000km avec un réservoir de 45 litres. En gros le concept hybride optimisé conduit à un véhicule essence consommant 10% de moins qu'un diesel équivalent! Et personne n'interdit la conception d'un véhicule hybride diesel, il se trouve simplement que les rares constructeurs qui ont jusqu'alors développé un hybride commercialisé ne construisent pas de diesel eux-mêmes.
le city-CAT
Il s'agit d'un concept totalement différent, imaginé par l'ingénieur français Guy Negre, responsable de la société niçoise MDI, qui depuis plus de 15 années milite pour le développement de véhicules utilisant un moteur à air comprimé (CAT : Compressed Air Technology).

L'idée est simple : utiliser la décompression de l'air comprimé pour déplacer un piston et donc entrainer un véhicule de manière très silencieuse et sans pollution (au niveau du véhicule) puisqu'il n'utilise que les propriétés physiques de l'air sans la moindre réaction chimique, ou exploiter une technologie flex fuel c'est à dire un moteur à air comprimé en ville jusqu'à 50km/h, puis au dela un moteur à essence classique qui va recomprimer l'air et donc permettre une très grande autonomie. On atteint actuellement avec un véhicule hybride plutôt conçu pour la ville ou les rurbains une autonomie pouvant atteindre 2000km. Le coût du véhicule qui est construit par la compagnie indienne Tata depuis 2007 est d'environ 6000€ en 2014. Un projet dérivé de ce modèle est prévu aux alentours de 5000€ avec une vitesse maxi de 110km/h et une consommation sur route de 1.7l/100km avec une émission de CO2 sur route de 35g/km ce qui constituera le record mondial en terme d'économie d'énergie et pourtant ce véhicule ultra léger (380kg) pourra transporter jusqu'à 6 personnes.

Notons que la thermodynamique nous indique qu'en plus on va rejeter dans l'atmosphère de l'air plus froid que l'air exploité : ce concept est donc doublement intéressant puisqu'il va en quelque sorte lutter contre le réchauffement climatique non seulement parce qu'il n'engendre pas de pollution en mode exclusivement air comprimé, mais aussi par son rejet d'air rafraichi.
quelques réalisations hybrides
Quelques images pour illustrer la Prius de Toyota , le Ford Escape et la SMART version hybride (record mondial en terme de faible pollution 85g de CO2/km ) et la future Peugeot 3008 diesel hybride.

la Prius : un extérieur classique le compartiment moteur et son ordinateur un habitacle sans levier de vitesses

le 4x4 Ford Escape, la plus grosse le Smart de Zytek la plus petite, 3.2l/100km Peugeot 3008 diesel hybride
citroën DS3