Les différents types de véhicules hybrides

L'appellation "véhicule hybride" est de plus en plus utilisée par les constructeurs afin de matérialiser leurs efforts en matière de réduction des émissions de CO₂. Seulement, en l'absence de cadre légal européen, des véhicules aux fonctionnalités bien différentes sont regroupés sous une seule et même appellation, ce qui n'est pas sans créer une certaine confusion auprès du grand public.

Pourquoi un véhicule hybride ?

Un véhicule hybride est un véhicule combinant au moins un moteur à combustion interne (essence, diesel, E85, GPL, etc.) et au moins un moteur électrique. Le but d'un véhicule hybride est de diminuer les émissions de CO₂ d'un véhicule (et donc la consommation de carburant) en combinant les avantages d'un moteur à combustion interne (autonomie, faible coût de production) à ceux d'un moteur électrique (pas d'émission de CO₂ en roulant, couple disponible dès les plus bas régimes, rendement élevé).

L'hybridation est une technologie relativement jeune et offre plus de potentiel de réduire significativement les émissions de CO₂ à coût modéré par rapport aux autres voies d'amélioration déjà matures telles que l'amélioration du rendement moteur, diminution de la trainée aérodynamique du véhicule et la diminution de la masse du véhicule, par exemple. 

Les différentes catégories de véhicules hybrides

Les véhicules hybrides peuvent être regroupés en 4 catégories :

• Micro-hybride (micro hybrid)
• Hybride légère (mild hybrid - mHEV)
• Hybride (non rechargeable) (full hybrid ou 100% hybrid - HEV)
• Hybride rechargeable (plug-in hybrid - PHEV)

Enfin, il convient d'ajouter les véhicules hybrides dont les moteurs sont montés en série : dans cette configuration, seul le moteur électrique est utilisé pour la traction du véhicule, le moteur thermique étant utilisé uniquement comme générateur de courant, comme, par exemple, la BMW i3 avec prolongateur d'autonomie et l'Opel Ampera.

Classification selon les fonctionnalités

La technologie de micro-hybride (micro hybrid) consiste à équiper le moteur thermique d'un démarreur renforcé afin de permettre la coupure et le démarrage du moteur thermique sans intervention du conducteur lors des phases d'arrêt du véhicule (système start/stop) et permet aussi de récupérer de l'énergie électrique dans les phases de freinage.

Un véhicule doté d'une hybridation légère (mild hybrid - mHEV) reprend les fonctionnalités d'une micro-hybridation en y ajoutant une batterie dédiée (de type Li-ion ou Ni-MH) de faible capacité et la possibilité de fournir un apport en couple au moteur thermique dans les phases critiques (forte accélération par exemple).

Cette fonction est confiée à un alterno-démarreur qui est relié au vilebrequin moteur  (position P0) par une courroie, permettant des démarrages plus en douceur que les démarreurs renforcés. Le moteur électrique peut être aussi positionné en aval du moteur sur la chaîne de transmission, ce qui permet de supprimer la courroie d'accessoires (positions P1, P2, P3 et P4) et de n'utiliser que le moteur électrique pour mettre en mouvement le véhicule sur de courtes distances et à faible vitesse (positions P2, P3 et P4).

D'autre part, un véhicule mHEV peut offrir des fonctions auxiliaires pour diminuer la charge exercée sur le moteur : compresseur de climatisation électrique (entraîné habituellement par la courroie accessoires), compresseur électrique (habituellement entraîné par le vilebrequin lorsqu'il est présent et consommateur d'énergie à forte charge) et chauffage électrique des systèmes de dépollution EHC - Electrically Heated Catalyst (pour réduire les émissions polluantes lors d'un démarrage à froid)

Un véhicule hybride non rechargeable (full hybrid - HEV) reprend les fonctionnalités d'un véhicule mHEV en y ajoutant la possibilité de rouler en mode 100% électrique sur une courte distance (de l'ordre de 2 à 3 km).

Un véhicule hybride rechargeable (plug-in hybrid - PHEV) est un véhicule hybride HEV ayant une batterie d'une capacité telle qu'il est possible de parcourir plus de 30 km en mode 100% électrique. Si la batterie est rechargée en partie pendant les phases de décélération, c'est surtout le fait de brancher la voiture sur le réseau électrique qui permettra de recharger pleinement la batterie et de profiter au maximum des possibilités de roulage en mode électrique ou à pleine puissance (combinaison du moteur thermique et du moteur électrique).

Classification selon la puissance du générateur électrique

La classification du mode hybride peut aussi se faire en tenant compte de la puissance du moteur/générateur électrique :

• micro-hybride : tension de 12 V et puissance du moteur électrique inférieure à 5 kW
• hybridation légère : tension de 48 V et puissance du moteur électrique comprise entre 5 kW et 20 kW
• hybrides rechargeables et non rechargeables : tension supérieure à 100 V et puissance du moteur électrique supérieure à 20 kW

Réduction des émissions de CO₂

Plus le niveau d'hybridation est élevé, plus la réduction des émissions de CO₂ est potentiellement élevée. Néanmoins, cette réduction peut varier significativement en fonction des conditions de conduite du véhicule, notamment en ce qui concerne les véhicules hybrides rechargeables.

Le coût de la technologie hybride est essentiellement conditionné par la taille de la batterie plus que par l'intégration d'un ou plusieurs moteurs électriques dans la chaîne de traction.

Réglementation européenne

Il n'y a pas de cadre légal, au niveau européen, concernant les différents types de véhicules hybrides. La Commission Européenne définit un véhicule électrique hybride comme étant un véhicule comportant au moins un moteur électrique et au moins un moteur à combustion interne ainsi que 2 systèmes de stockage de l'énergie de propulsion (c'est-à-dire un réservoir de carburant et une batterie Li-ion, par exemple). Une batterie 12V classique n'est pas considérée comme étant un système de stockage de l'énergie de propulsion, mais comme un dispositif périphérique.

A des fins d'homologation et afin de quantifier les émissions de CO₂ de chaque véhicule, la Commission Européenne fait une différence entre un véhicule électrique hybride rechargeable de l'extérieur (VEH-RE) ou non rechargeable (VEH-NRE). En effet, dans le cas d'un véhicule hybride rechargeable, le constructeur doit déterminer l'autonomie du véhicule en mode électrique pour pondérer les émissions de CO₂ du moteur thermique, ce qui n'est pas demandé dans le cas d'un véhicule hybride non rechargeable.

Les cas limites

La technologie SHVS (Smart Hybrid Vehicle by Suzuki) développée par Suzuki comporte une batterie Li-ion dédiée de 0.1 kWh (0.04 kWh sur les premières versions) et un alterno-démarreur délivrant 2.3 kW et 50 N.m de couple à une tension de 12 V. La faible puissance de l'alterno-démarreur et la tension de 12 V en font une micro-hybride. Néanmoins, du fait de sa batterie dédiée et de ses fonctionnalités étendues (apport de couple au moteur thermique), le SHVS peut être aussi considéré comme une motorisation hybride légère.

Désormais, Suzuki décline aussi le SHVS avec une tension de 48 V et une batterie de 0.4 kWh. La puissance de l'alterno-démarreur (10 kW et 53 N.m) en font une voiture hybride légère à part entière.

La technologie e-Boxer proposée par Subaru est aussi difficilement classable. La tension de l'alterno-démarreur (48 V) et sa puissance de 12.3 kW (pour 66 N.m de couple) en font une hybride légère. Toutefois, l'alterno-démarreur étant positionné en sortie de boîte de vitesses (position P3), le moteur électrique est capable de faire avancer le véhicule sans l'aide du moteur thermique sur une distance de 1.5 km (batterie de 0.6 kWh) jusqu'à une vitesse de 40 km/h.

Sa tension de 48 V semble contraindre la technologie e-Boxer à être classée dans la catégorie des hybrides légères (mild hybrid). Pourtant, ses prestations ne sont pas si éloignées de celles des hybrides non rechargeables (full hybrid) si on fait abstraction de la puissance du moteur électrique ou de sa tension de service.

Par exemple, la Toyota Yaris hybrid, qui est une full hybrid (non rechargeable) a une batterie de 0.6 kWh procurant une autonomie de 2 km et atteint une vitesse maximum de 65 km/h en mode électrique. Le moteur électrique de la Yaris développe 59 kW sous une tension de 178 V.

Voies d'amélioration

Si les interactions entre moteur à combustion interne et moteur électrique sont bien maîtrisées par les constructeurs, la récupération d'énergie pour charger la batterie reste certainement le talon d'Achille des véhicules hybrides. Elle est finalement assez faible du fait que de l'énergie n'est récupérée que par l'alternateur pendant les phases de freinage.

Dans le cas d'un moteur thermique, seul un tiers de l'énergie produite, en moyenne, est utilisée pour mouvoir le véhicule, les 2/3 restant étant majoritairement perdu en chaleur résiduelle (systèmes de refroidissement du moteur et chaleur des gaz d'échappement) et une petite portion en frictions internes. 

Au niveau du moteur à combustion interne, 2 technologies pourraient permettre, prochainement, de réduire ces pertes :

• E-turbo (plus connu, en Formule 1, sous le nom de MGU-H)
• Récupération de la chaleur des gaz d'échappement

L'E-turbo consiste à insérer un moteur électrique sur le même axe que les turbines du turbocompresseur. Ce moteur permet de récupérer de l'énergie lors des phases à haut régime (au lieu d'avoir recours à l'ouverture de la soupape de décharge) et lors des phases de décélération. Lors d'une accélération dès les plus bas régime, l'e-turbo permet de minimiser le décalage entre le moment où le conducteur appuie sur l'accélérateur et le moment où le turbocompresseur fournit la pression de suralimentation attendue (turbo lag).

Actuellement, il connait une seule application sur un véhicule homologué pour la route : la Mercedes-AMG One, modèle de luxe dont la production est limitée à 275 exemplaires (prix de vente supérieur à 2 millions d'euros).

La récupération de la chaleur des gaz d'échappement selon le cycle organique de Rankine (ORC) est une technologie qui est utilisée dans d'autres types d'industrie. Elle consiste à convertir la chaleur des gaz d'échappement en électricité sur un principe similaire à celui de la climatisation. Pour ce faire, les gaz d'échappement passent à travers un échangeur air/eau. Sous l'effet de la chaleur, le fluide circulant dans l'échangeur va se vaporiser et atteindre une pression élevée. Le fluide sous pression permet d'entraîner une turbine reliée à un générateur d'électricité. 

D'autres voies, indépendantes du moteur thermique, permettent de générer de l'électricité en roulant pour recharger la batterie. De manière non exhaustive, le toit solaire (plusieurs applications sur des véhicules de série hybrides ou électriques) et les suspensions électromécaniques.

Des cellules photovoltaïques implantées sur le toit permettent de récupérer environ 0.5 kWh par jour. Néanmoins, cette solution peut être aussi vue comme une fausse bonne idée dans le sens où, en dehors des phases de roulage, le véhicule doit être stationné à l'extérieur pour augmenter l'efficacité du toit solaire : en été, l'habitacle est surchauffé et en hiver, il y fait froid. A contrario, le stationnement du véhicule sous un auvent ou mieux, dans un garage, permet de mieux contrôler la température au sein de l'habitacle et de minimiser les dépenses d'énergie au démarrage pour contrôler la température au sein de l'habitacle.

Présenté en 2015, Audi a présenté un concept remplaçant les suspensions classiques par un dispositif électromécanique (eROT) afin de proposer une suspension active (meilleure maîtrise des mouvements de caisse) et de convertir l'énergie cinétique en énergie électrique. Selon les premiers essais, ce type de suspension permettrait de récupérer environ 0.3 kWh pour une heure de trajet. Ce concept ne connait pas encore d'application en série.

Avenir des véhicules hybrides

La réglementation européenne, de par sa volonté d'interdire les ventes de véhicules à moteur thermique et hybrides à partir de 2035, n'incite pas à poursuivre le développement des technologies permettant d'améliorer la récupération d'énergie des moteurs à combustion interne car ces applications sont coûteuses à mettre au point et difficilement rentabilisables en une dizaine d'années seulement.

D'autre part, le mode de calcul des émissions de CO₂ actuel incite, pour les véhicules compacts et supérieurs, à proposer des véhicules hybrides rechargeables plutôt qu'à améliorer le rendement des moteurs à combustion interne. En prenant en compte un facteur d'utilisation en mode électrique pour les véhicules hybrides rechargeables, les émissions de CO₂ de ces derniers sont significativement plus favorables.

Par exemple, la Toyota Prius hybride (batterie de 0.6 kWh) est homologuée à 84 g de CO₂ par km, tandis que la version plug-in hybride, équipée du même groupe motopropulseur, mais d'une batterie d'une capacité de 8.8 kWh et rechargeable, présente un bilan de 28 g de CO₂ par km.

Les solutions hybrides, qu'elles soient légères ou non, rechargeables ou non, sont amenées à se généraliser rapidement afin que les constructeurs puissent réaliser leurs objectifs en matière d'émissions de CO₂ en 2025 et 2030. Toutefois, les ventes de véhicules à moteur à combustion interne étant appelées à être interdites à partir de 2035 par l'Union Européenne, l'avenir des véhicules hybrides semble tout aussi limité que celui des moteurs à combustion interne.