Les différents types de véhicules hybrides

Ce système produit de l'électricité à bord. Les nombreuses conversions de puissance mécanique électrique dégradent le rendement mais permettent de découpler les
roues du moteur thermique. Le HS permet l'utilisation d'électricité pour entraîner le ou les moteurs électriques. Le découplage permet des stratégies de contrôle intéressantes et une optimisation du fonctionnement du moteur thermique. Le HS permet ainsi d'obtenir des véhicules à émissions faibles, en particulier dans des cycles urbains. Ce système est aussi très bien adapté à un fonctionnement en mode électrique dans les limites de l'autonomie fournie par la batterie choisie. La batterie est relativement coûteuse et lourde, au moins aujourd'hui encore et probablement pour les années à venir et peut pénaliser particulièrement les petits véhicules à bas prix. Elle permet une conduite propre, la récupération de l'énergie au freinage, l'utilisation du
moteur thermique dans des conditions optimales.

- Système mono - moteur électrique :

Dans le système mono - moteur électrique ce moteur peut être de type asynchrone ou synchrone (avec ou sans aimants).

Figure 1. Hybride série mono - moteur

- Système multi - moteur électrique :

La fonction du différentiel mécanique (D) doit être accomplie par les moteurs électriques ou par leur pilotage. L'utilisation de plusieurs moteurs asynchrones avec une
seule source d'alimentation est une solution relativement complexe à mettre en oeuvre. La différence des vitesses de rotation en virage fait glisser les moteurs asynchrones par
rapport à leur fréquence d'alimentation, et crée donc des pertes additionnelles. Une alimentation individuelle par moteur (synchrone avec ou sans aimants ou asynchrone) avec une électronique de pilotage superposée aux électroniques moteurs est une
solution simple à mettre en oeuvre mais peut être coûteuse.
L'électronique de pilotage doit être capable d'assurer le fonctionnement même en cas de défauts sur les onduleurs, ce qui est délicat [1].

Figure 2. Hybride série multi - moteur

Le rendement du HS est, en général, médiocre sur uncycle complet Européen, US ou Japonais. Il peut être amélioré si les rendements des moteurs électriques sont élevés en traction et en récupération. Le rendement de la batterie, en charge et en décharge, est également important, d'autant plus évidemment, qu'elle est utilisée fréquemment.
L'utilisation fréquente de la batterie permet de réduire les émissions du véhicule souvent au détriment du rendement du système. Toutefois la recharge de batterie au réseau peut
donner aussi une énergie à bas prix dans certains pays, surtout si les tarifs de nuits sont utilisés et si les tarifs ne changent pas de façon significative. L'analyse comparative
des coûts d'exploitation, lorsque des sources électriques et de combustible sont utilisées, est faite séparément. Le HS est, en général intéressant pour ses émissions
faibles et son utilisation d'énergie électrique. Toutefois la construction du système et son contrôle nécessitent beaucoup de soin pour éviter une détérioration rapide du rendement et des coûts de production sensiblement plus élevés que les véhicules conventionnels, surtout liés au dimensionnement du système électrique avec la batterie.

B) L'hybride parallèle

Dans cette configuration les sources d'énergie primaires,le moteur à combustion et la batterie sont liés directement et séparément aux roues du véhicule.
Le moteur à combustion est utilisé, en général, pour rouler sur route et autoroute, et la batterie fournit un appointpour les accélérations, la récupération, le ralenti et parfois permet les démarrages. En mode urbain, on peut utiliser un mode électrique seul si la batterie le permet ou un mode hybride mixte si la batterie est plus modeste [2].
Le HP est classifié en:
- HP ou les couples s'additionnent,
- HP ou les vitesses s'additionnent.
La Figure 3 et la Figure 4 donnent des explications de ces terminologies. De nombreuses variations sont réalisables. Toutes ne sont pas nécessairement intéressantes.
Dans le système hybride parallèle le moteur thermique et le moteur électrique peuvent agir indépendamment sur la traction. Dans la plupart des cas le moteur thermique attaque à travers un réducteur ou une boîte à vitesses avec un embrayage (VE) le train de traction. Le moteur électrique sert à assurer certains régimes de pointe en accélération ou la traction à basses vitesses. Ce système peut permettre par rapport au système série une réduction de la taille de la machine électrique et de la batterie.

Figure 3. Hybride parallèle

La batterie peut être chargée par inversion du fonctionnement du moteur électrique ou par une génératrice de petite taille. Différentes variantes sont envisageables.

Figure 4. Hybride parallèle avec génératrice

Le HP permet dans sa configuration la plus simple une petite batterie, légère et bon marché. On comprend que l'industrie automobile se soit en majorité orientée vers ce
type de véhicule.
Dans sa configuration plus complexe, une grosse batterie et moteurs électriques permettent un mode électrique substantiel.
Le HP donne souvent un très bon rendement à haute vitesse puisque la transmission mécanique est alors optimum. A basse vitesse, le rendement énergétique du système n'est en général pas très bon car le moteur thermique, s'il est utilisé, est lié aux roues et les points de travail ne peuvent pas être choisis de façon optimale. Si le ou les moteurs électriques sont utilisés la situation ne sera pas meilleure. La récupération d'énergie peut améliorer sensiblement cette situation. Le HP a souvent un bon rendement surtout dans les cycles ou les vitesses élevées sont importantes. Les émissions dépendent du moteur thermique et des catalyseurs utilisés.
Des progrès importants ont été faits sur ces sujets ces dernières années qui ont amélioré de façon considérable les émissions des véhicules conventionnels.

C) Système hybride série / parallèle

Une construction particulière des HP permet d'obtenir un véhicule hybride parallèle avec des performances optimisées :
- à basse vitesse, comparables aux HS,
- à haute vitesse, comparables aux HP.
Ces systèmes, appelés série - parallèle, sont intéressants puisqu'ils fournissent un optimum. Le premier véhicule hybride sur le marché, la Toyota Prius fait partie de cette
catégorie. Les variantes possibles dépendent du dimensionnement de la batterie et du moteur électrique.
Dans les cas extrêmes:
- Une petite batterie et un moteur électrique modeste fournissent un support à l'accélération et une récupération éventuellement modeste. Ce système peut être autarcique, ne nécessitant pas de recharge du réseau.
- Une batterie plus importante permet un mode électrique avec recharge au réseau. Ce cas n'est souvent pas favorable car le système comprend alors des poids et des coûts
maximums, toutefois il permet un mode électrique substantiel.
En résumé, le système série - parallèle est intéressant. Il permet diverses variantes. Dans le cas avec une petite batterie, petit moteur électrique il est alors autarcique. Il est
intéressant de noter que l'utilisation de transmission à rapport variable continu (CVT) permet d'obtenir un confort de conduite tout à fait remarquable. Différents types de CVT
sont envisageables. Le CVT électromagnétique permet d'obtenir un rendement favorable.
Ce système est caractérisé par la possibilité de fonctionnement en hybride série, hybride parallèle et tous les hybrides intermédiaires. Les différents fonctionnements sont
atteints grâce au dispositif du répartiteur de puissances. Nous classifions donc ici ce type de système sous cette forme.

1) Système avec répartiteur mécanique : C’est le système qu'utilise actuellement la TOYOTA Prius. Un réducteur planétaire est utilisé ici pour répartir les puissances entre le moteur thermique, la génératrice et le moteur électrique.

Figure 5. Hybride série - parallèle avec répartiteur mécanique

2) Système avec répartiteur électrique : L'idée est de supprimer le répartiteur mécanique et d'assurer sa fonction par une machine électrique spéciale, le transmoteur (TM). Il s'agit une machine ou le stator peut tourner et est ici directement accroché à l'arbre de sortie du moteur thermique. L'alimentation du stator se fait à travers un jeu de bagues collectrices.

Figure 6. Hybride série - parallèle avec répartiteur électrique

3) Autres possibilités : D'autres possibilités ont été étudiées car ce système série - parallèle permet une grande souplesse d'utilisation. De nombreuses alternatives peuvent
être construites. L'hybridation permet l'électrification du système d'entraînement à divers degrés. La possibilité d'avoir des systèmes électriques avec des tensions multiples, afin d'obtenir des énergies et des puissances plus élevées qu'aujourd'hui, a soulevé un grand intérêt ces dernières années. Les systèmes incluent la tension standard de 12 V et d'autres plus élevées, en général 36 V, qui permettent de supporter des nouvelles fonctions électriques: pompes électriques, direction assistée électrique, "X-by-wire",
contrôle électrique de catalyseur, démarreur - alternateur intégré, nouveau type de contrôle moteur thermique, etc. Les multi - tensions permettent, en fonction des charges requises, d'obtenir de meilleurs rendements. Ces systèmes sont alimentés par une génératrice accouplée au moteur thermique, ce qui permet aussi un démarrage plus silencieux et plus rapide. Le système 36 V autorise aussi le développement de fonctionnalités difficilement réalisables avec 12 V et la réduction significative des courants et des pertes associées. Ces systèmes sont hybrides au sens de la définition, lorsque le système électrique est utilisé pour la traction, le ralenti et / ou la récupération.