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Hybridation : quelles technologies pour quels résultats ?

mercredi 5 décembre 2012, par Bertrand GAY

Les constructeurs mettent en place différentes solutions techniques d’hybridation. L’apport électrique dépend du coût de l’ensemble et de la capacité de la batterie. L’architecture Toyota constitue la référence dans la catégorie des véhicules péri-urbains à essence. Les dispositions avec moteur longitudinal plaçent le moteur électrique à la place du convertisseur de couple, entre le moteur et la boîte de vitesses.


Les premières réalisations hybrides datent déjà d’une quinzaine d’années avec la Toyota Prius et pourtant l’éventail des choix techniques et des mises en œuvre reste très large. Une simple raison à cela, les usages et les clientèles visées assez différents permettent d’envisager plusieurs choix techniques. De ceux-ci découlent, à moins que cela ne soit l’inverse, les niveaux d’investissements et les volumes de ventes souhaités par les constructeurs.

Depuis quinze ans, l’architecture technique développée par Toyota pour la Prius est la référence du marché. Le moteur thermique, fonctionnant suivant le cycle thermique Atkinson, et le moteur électrique peuvent alimenter chacun, indépendamment ou en combinaison, la boîte de vitesses.

Evidemment, le fonctionnement du moteur électrique dépend de l’état de charge de la batterie. La boîte de vitesses utilisée par Toyota s’apparente à une boîte à variation continue mais pilotée par électronique. L’ensemble est efficace mais complexe et surtout coûteux.

Voici pourquoi, au même moment, Honda a choisi une voie d’hybridation plus légère, donc moins coûteuse. Dans son architecture, le moteur électrique se trouve entre le moteur thermique et la boîte de vitesses. Honda fait ainsi l’économie d’embrayages additionnels pour découpler les différentes sources de puissance.

L’ensemble est plus économique mais également moins performant en mode électrique. La Honda ne roule en mode électrique que sur des faibles distances et son moteur thermique est toujours entraîné, même quand il est coupé. Dans ce cas, le système d’entraînement des soupapes laisse celles-ci entr’ouvertes et l’allumage est coupé.

De son côté, Toyota, conscient des surcoûts de son système, vient d’en développer une nouvelle version. Ce groupe motopropulseur équipe la Yaris Hybride et la Prius c vendue outre-Atlantique. Il utilise le moteur quatre cylindres 1.5 dérivant de celui de la seconde génération de Prius.

Mais afin de loger l’ensemble entre les roues de la Yaris, Toyota a étudié un ensemble boîte-pont-moteur électrique plus compact. Il comprend une transmission à variation continue pilotée électroniquement et un moteur électrique plus compact. Ils permettent de raccourcir l’ensemble de 6 %. L’ensemble du groupe est plus léger, donc moins coûteux et l’espérance de forts volumes de production pourraient aider à baisser encore les coûts.

De plus, les batteries de la Yaris Hybride se rechargent trois fois plus rapidement que celles de la Prius, ce qui augmente le nombre de plages de fonctionnement du moteur électrique. Le pari est intéressant, car les prestations restent très attractives dans la Yaris Hybride, dont la version de base est homologuée à 3,5 l/100 km soit 79 g/km de CO2.

Dans le même temps, Toyota a fait évoluer sa Prius vers le haut en la dotant d’une possibilité de recharge sur le secteur. Le système de charge se double d’une nouvelle gestion des batteries tirant au mieux partie de la capacité de la batterie.

L’ensemble est coûteux et rapproche la Prius de la Chevrolet Volt / Opel Ampera qui est-elle une hybride série. Dans cette configuration, le moteur thermique entraîne une génératrice qui recharge les batteries, elles-mêmes délivrant leur courant au moteur électrique qui entraîne seul les roues. Mais, dans le cas des voitures de la GM, il y a un raffinement supplémentaire : le moteur thermique peut apporter son concours pour entraîner les roues lors d’accélération au-dessus de 120 km/h.

L’autre architecture hybride couramment utilisée sur les moteurs disposés de manière longitudinale installe cette fois le moteur électrique à l’avant de la boîte de vitesses à la place du convertisseur de couple. C’est la solution retenue par BMW sur l’Active Hybrid 5 mais également par Porsche sur le Cayenne Hybrid et l’Audi Q5. Sans surprise, l’on retrouve sous le capot de ces trois voitures, l’excellente boîte automatique ZF à huit rapports dans sa version hybride. Pour sa 300 Bluetec Hybrid, Mercedes reprend le même principe d’implantation mais avec la boîte automatique 7 vitesses maison.

Enfin, chez PSA, les hybrides reposent sur une idée unique. Celle des deux trains moteurs, techniquement indépendants les uns des autres ; le moteur thermique, diesel en l’occurrence, et sa boîte de vitesses sont sur le train avant et le moteur électrique s’occupe du train arrière. Les deux trains fonctionnent de concert grâce au système de gestion électronique surveillant l’ensemble du véhicule. Avantage complémentaire, le moteur électrique apporte un peu de boost lorsque la boîte pilotée change de rapport pour gommer le trou.


Sur la route, que donnent ces systèmes en termes de consommation ?

C’est l’objet de notre tableau récapitulatif d’où émergent trois idées :
- Les hybrides diesel sont bien placées à la fois en usage péri-urbain et routier. Elles sont les plus polyvalentes du lot et leur compromis performance/consommation est très acceptable aussi bien pour la 508 que pour la E 300.

- En roulage péri-urbain, après une nuit de charge, les Opel Ampera et Toyota Prius rechargeables sont bien placées avec 2,2 l/100 kms et 3,5 l/100 kms. Ensuite, le fonctionnement en mode essence les fait rentrer dans le rang.

- Les motorisations puissantes hybridées se comportent comme des moteurs de haut de gamme, car elles appellent une conduite plus sportive. Ce fut particulièrement le cas du Porsche Cayenne, d’abord Porsche, ensuite SUV hybride. L’Audi Q5 s’est montrée gourmande dans tous les cas, et n’offre guère d’avantage par-rapport à un Q5 diesel bien motorisé.


Batteries : à la recherche du bon équilibre performance / encombrement

La question de l’électrification du véhicule repose sur l’implantation de nouveaux composants, voire une architecture innovante. Dans ce système, il est un élément majeur, la batterie. Suivant les performances demandées le bloc batteries sera plus ou moins volumineux, coûteux et pénalisant en masse et en encombrement.

Les choix d’architectures sont alors prépondérants. L’Opel Ampera loge ses batteries dans une forme en T entre les places arrière et à l’arrière de celles-ci. Cette intrusion dans l’habitacle permet de disposer d’une autonomie d’une soixantaine de kilomètres. Sur l’Ampera, le pack de batteries lithium-ion stocke une énergie de 16 kWh, et elles se rechargent sur le secteur. Tout comme les batteries de la Toyota Prius rechargeable qui vient, avec son autonomie de 25 km à mi-chemin entre la Prius « classique » et l’Ampera.

C’est à l’occasion du lancement de cette Prius rechargeable que Toyota a adopté des batteries lithium-ion, qui disposent d’une meilleure densité énergétique que les nickel-métal hydrures utilisées sur les autres hybrides de la gamme. Sur la Prius rechargeable, les batteries ont capacité de 4,4 kWh. Cette densité énergétique supérieure offre à la fois de nouvelles performances sans pénalité car le volume du bloc de batteries est moitié moins important que sur la Prius 3. Le bloc batterie comprend 56 éléments organisés en quatre piles de 14 éléments.

L’autre stratégie, gagnante pour l’utilisateur car le véhicule équipé, la Yaris Hybride est l’un des trois vainqueurs de notre comparatif, est celle du perfectionnement des principes classiques de l’hybride. Pas de recharge donc, mais une performance à un coût plus adapté. La batterie de la Yaris Hybride comprend 120 éléments arrangés en 20 modules reliés en série. Leur faible encombrement leur permet d’être logés sous la banquette arrière de manière presque transparente.

Sur la 508 Hybrid4, Peugeot implante sa batterie au niveau du train arrière réduisant d’un bon quart la capacité du coffre. Une implantation contraignante mais qui se justifie par la possibilité de rouler deux kilomètres en mode toute électrique.

Côté BMW, Mercedes, Infiniti, Porsche ou Audi Q5, les batteries jouent un rôle moins important dans la propulsion que sur les Toyota, la Lexus CT200h ou la Honda Insight. Néanmoins, les blocs batteries des Porsche et Audi Q5 prennent un peu de place dans le coffre ou sous la banquette arrière. Pour la BMW ActiveHybrid 5, le coffre est réduit d’un tiers. Même punition pour l’Infiniti. Seule la Mercedes 300 BlueTec Hybrid arrive à loger sa petite batterie lithium-ion sous le capot. Elle ne stocke que 0,8 kWh,
ceci explique cela….

Bertrand GAY

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