Créé le : 03/08/2009
Le développement des véhicules hydrides s'inscrit dans la lutte contre la pollution et l'effet de serre. Une approche en ce sens a déjà été réalisée dans le segment automobile, avec les véhicules électriques, mais des défauts majeurs ont mis fin à cette tentative : faible autonomie, coût important et usure / volume important des batteries. Aujourd'hui, grâce aux véhicules hybrides, les constructeurs espèrent conserver l'objectif initial, en réduisant les inconvénients. Un véhicule hybride est un véhicule qui met en uvre au moins deux sources d'énergies pour assurer sa propulsion. Un moteur électrique est généralement associé à un moteur thermique. L'intérêt de cette association est de combiner les avantages des deux motorisations : autonomie du système thermique et gain en pollution pour le véhicule électrique. La viabilité de ces nouveaux véhicules dépend donc du rapport surcoût / réduction de la consommation (et de la pollution). Les prototypes réalisés ces dernières années font état à la fois d'une faisabilité industrielle à court terme et d'un intérêt économique / environnemental certain. Toyota a largement prouvé avec sa Prius que la rentabilité était accessible (même si certains soupçonnent le constructeur japonais d'avoir vendu sans marge la première génération de Prius), et que les caractéristiques des voitures étaient attractives : à peine plus de 100 g de CO2/km et des performances équivalentes ou supérieures à celles des voitures traditionnelles. Une phase de commercialisation a donc commencé et tous les secteurs du transport sont désormais concernés : automobiles et transport en commun (dont bus) notamment, engins agricoles et de chantier dans une moindre mesure. STRUCTURE DES VEHICULES HYBRIDES Contrairement à la technique pile à combustible, les industriels ont résolu la plupart des problèmes techniques en matière de véhicules hybrides. On peut même dire qu'il possèdent déjà du « recul » dans ce domaine. On définit classiquement la structure hybride comme une « architecture mécanique » asservie à un « système de commande ». L'architecture mécanique regroupe l'ensemble des éléments du moteur électrique et du moteur thermique et définit leur liaison et interdépendance mécaniques (structure en série ou en parallèle). Le système de commande (un calculateur) permet, lui, de définir les modalités de fonctionnement des moteurs : l'un ou l'autre ou bien les deux à la fois ; l'objectif étant de maintenir le véhicule dans une plage de rendement élevé. ARCHITECTURE Il existe plusieurs architectures mécaniques différentes, chacune ayant des points forts et des points faibles. La première est l'architecture série (figure 1), dans laquelle la propulsion est intégralement électrique (assurée par un ou plusieurs moteurs électriques). En ville, domaine de prédilection de ce système, la batterie permet de réaliser des trajets avec des performances suffisantes en regard du parcours urbain. Sur route, le moteur électrique est à encore seul à l'uvre mais le moteur thermique joue ici un rôle important de recharge des batteries ou d'alimentation de la motorisation électrique, pour assurer l'autonomie du véhicule. Ce type d'architecture est donc plutôt dédié aux véhicules urbains, comme les bus. Dans l'architecture parallèle (figure 2), le véhicule peut se servir aussi bien du moteur thermique que du moteur électrique pour assurer sa propulsion. Chacun des moteurs possède donc, en quelque sorte, une prise directe sur les roues. C'est avec cette structure que les hybrides justifient vraiment leur nom : on retrouve alors le confort et les performances du moteur thermique et l'économie du moteur électrique. Signalons qu'il existe trois principaux types d'architecture parallèle : 1) l'architecture hybride parallèle à addition de vitesse simple, 2) l'architecture hybride parallèle à addition de couple simple arbre et 3) l'architecture hybride parallèle à addition de couple double arbres. L'architecture hybride parallèle à addition de vitesse simple est celle retenue par Toyota pour sa Prius. Ce système est celui qui permet une plus grande souplesse dans le choix du fonctionnement de chacun des moteurs. En contrepartie, ce mode implique un système de commande très pointu et très puissant pour gérer de façon optimale cette « motorisation combinée ». Figure 1 : architecture hybride série. Source : Laboratoire d'Automatique, de Mécanique, et d'Informatique industrielles et Humaines (LAMIH), CNRS, Université de valenciennes Figure 2 : architecture hybride parallèle à addition de vitesse simple. LAMIH, CNRS, Université de valenciennes COMMANDE Pour assurer son autonomie électrique (pas de nécessité de recharge sur le secteur), le véhicule hydride doit en permanence satisfaire la loi de conservation suivante : « sur un trajet, les états de charge initial et final de la batterie doivent être identiques ». Ce bilan énergétique garantit au conducteur une utilisation traditionnelle du véhicule (chargement en carburant du réservoir, uniquement). Tout le rôle du système de commande est donc ici : rendre en permanence compatible ce bilan énergétique avec une utilisation « confortable » du véhicule. Les quelques règles clés peuvent être énoncées de façon simple : en parcours urbain et pour des vitesses de circulation faible (jusqu'à 50 km/heure environ), le système de commande privilégie le moteur électrique, qui est à la fois riche en couple, silencieux et propre, en le laissant agir seul. Lors d'une accélération prolongée, d'une circulation en côte ou d'une vitesse importante (plus de 50 km/heure), c'est le moteur thermique qui devient propulseur. Mais, même dans ce cas, le fonctionnement du véhicule hybride reste différent de celui d'un véhicule traditionnel : une partie de l'énergie déployée servant justement à recharger les batteries du moteur électrique. Enfin, la réversibilité du moteur électrique (apport ou emmagasinement d'électricité) peut spécifiquement intervenir dans la commande. En effet, lors d'un surplus de niveau de charge, et pour satisfaire une demande particulière, les batteries peuvent augmenter la puissance du moteur électrique en lui transférant momentanément de l'énergie. Inversement, certaines caractéristiques dynamiques de circulation peuvent intervenir dans la charge des batteries. C'est le cas du « freinage récupératif » qui transforme l'énergie cinétique du véhicule obtenue lors des décélérations (incluant les freinages lents) en électricité de charge. Au niveau opérationnel, les constructeurs privilégient actuellement deux types de systèmes de commandes. Les premiers sont dits « En temps réel » ; ils s'alimentent des données de niveau de charge des batteries et des conditions de circulation et adaptent en permanence le mode de propulsion du véhicule. Les seconds sont dits « En simulation » ; ils analysent les principaux cycles de vitesse, déterminent un « optimal » correspondant et appliquent des solutions de commande spécifiques à ces cycles. LA BATTERIE : CLE DE VOUTE DE LA RENTABILITE DES HYBRIDES Une fois les problèmes mécaniques (architecture des moteurs) et électronique (commande) réglés, le dernier problème important est celui de la production de la batterie du moteur électrique. Toyota a prouvé qu'une bonne maîtrise de ce segment permettait de rendre rentable le véhicule. Il faut dire que le constructeur japonais s'est doté d'un joint-venture avec Panasonic (PEVE) pour fabriquer des batteries Nickel-Metal Hydrures, dans une usine japonaise spécialisée à Kosai (Japon). Toyota a réellement pu faire des bénéfices sur la commercialisation de la Prius lorsque le système de production de ces dernières a été suffisamment optimisé. La deuxième génération de cette Prius bénéficie ainsi de batteries plus performantes, plus légères et moins volumineuses. Mais la complexité de fabrication de cette batterie est telle qu'il faut encore un temps de production total de 10 jours, ce qui limite la production globale de l'usine à 500 unités par jour. CONCLUSION, PERSPECTIVES DE DEVELOPPEMENT Le marché des véhicules hybrides est en pleine croissance. Seuls deux « points noirs » subsistent encore : les véhicules hybrides sont plus coûteux que leurs homologues traditionnels, d'une part et la production est pour l'instant faible, du fait de la production délicate des batteries. Le coût d'un véhicule hybride sera nécessairement toujours plus fort que celui d'un véhicule traditionnel ; des équipements supplémentaires étant requis C'est plutôt grâce au gain en consommation de carburant, que l'on peut globalement limiter ce surcoût. Le gouvernement, quant à lui, compte sur une incitation financière pour minimiser ce dernier ; les particuliers acquéreurs d'un véhicule hybride neuf bénéficient d'un crédit d'impôt de 1 525. Celui-ci est porté à 2 300 lorsque l'acquisition s'accompagne de la destruction d'un véhicule immatriculé avant le 1er janvier 1992 et acquis depuis au moins un an. Concernant le deuxième point : il est possible de répondre à des commandes limitées de la part des particuliers, comme c'est le cas actuellement, mais si la demande explose vraiment, la capacité de production deviendra bloquante. Les industriels comptent sur des « sauts technologiques » pour solutionner à moyen terme ce problème. Toyota, qui possède un modèle commercialisé très avancé, l'a bien compris et alloue une grande partie de ses efforts à l'optimisation et à la production des batteries.