La Voiture Hybride

I.Fonctionnement d'une voiture hybride.

Une voiture hybride est une voiture alliant un moteur thermique classique et un moteur électrique. Le principe de fonctionnement est relativement simple:

  • Lorsque le véhicule est immobile, les deux moteurs sont à l'arrêt.
  • Au démarrage, le moteur électrique se met en marche et permet à la voiture d'atteindre une vitesse d'environ 25-30 km/h.
  • A vitesse plus élevée, c'est le moteur thermique qui prend le relais.
  • En cas de grande accélération, les deux moteurs sont mis en marche afin de fournir plus de puissance à la voiture.
  • Lors de la décélération et du freinage, l'énergie cinétique de la voiture est utilisée pour recharger la batterie.

Schéma

L'intérêt d'une voiture hybride se voit donc principalement au démarrage. En effet l'utilisation de l'électrique au démarrage permet de réduire la très forte consommation d'essence d'une voiture traditionnelle et de limiter en plus, les émissions de CO2. Cette motorisation permet aussi de récupérer l’énergie perdue lors du freinage et de la redistribuer lors des accélérations.

La gestion de l’utilisation du moteur électrique et du moteur thermique repose sur une gestion électronique poussée du moteur et de la transmission. La répartition des rôles entre les deux moteurs est assurée par un ordinateur calculant en permanence la combinaison optimale en fonction de la vitesse. Cet ordinateur gère également la transmission. Un écran, situé près du conducteur, transmet généralement dans la plupart des voitures hybrides, la charge de la batterie et la phase dans laquelle se situe le système.

Ecran

A.Fonctionnement d'un moteur thermique

Le moteur thermique le plus utilisé est le moteur à explosion (ou moteur à essence) à 4 temps que l'on retrouve dans la plupart des voitures traditionnelles actuellement. L'objectif d'un moteur thermique est de fournir de la puissance à la voiture. Pour cela le moteur essence doit stocker, comprimer et faire exploser l'énergie air-essence.

Si le moteur à 4 temps est le plus utilisé, tous les moteurs thermiques fonctionnent sur le même principe de base:

  • un piston, relié a un vilebrequin par l'intermédiaire d'une bielle, se déplace de haut en bas à l'intérieur du cylindre.
  • Ce mouvement du piston est transformé en mouvement rotatif par la bielle et le vilebrequin.
  • Le mouvement du piston est assuré par l'énergie libérée lors de l'implosion du mélange air-essence au contact de la bougie.

Moteur 

Dans le moteur à explosion à 4 temps on distingue 4 phases principales:

  • La phase d'ADMISSION durant laquelle le mélange air-essence entre dans le cylindre grâce à la dépression provoquée par la descente du piston.
  • Durant la phase de COMPRESSION le piston remonte, comprimant ainsi le gaz.
  • Il y a ensuite la phase d'EXPLOSION. Le mélange air-essence comprimé, au contact d'une bougie déclanchant une étincelle, entre en combustion. Le mélange est ainsi porté à une pression et à une température plus élevée, le gaz se détend donc et repousse ainsi le piston qui actionne le vilebrequin. C'est une transformation de chaleur en travail.
  • La dernière phase est la phase d’ÉCHAPPEMENT durant laquelle les gaz froids sont éjectés du cylindre lors de la remontée du piston.

Cycle moteur à 4 temps

Pour assurer le bon fonctionnement d’un tel moteur, un carburateur permet de doser et de réguler l’arrivée d’essence et d’air au niveau du cylindre lors de la phase d’admission, un filtre à air empêche toutes poussières de pénétrer dans le cylindre et un pot d’échappement afin d’atténuer le bruit provoqué par ce moteur.

De nombreuses voitures hybrides utilisent également des transmissions à "variation continue", offrant une grande variété de rapports de vitesse, au lieu des cinq ou six traditionnellement proposés. Une pièce très importante réside 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.

Les voitures à hybridation partielle se révèlent moins robustes. Elles remplacent le générateur par un puissant moteur-générateur, de sorte que le moteur à essence peut se couper pendant les arrêts et puis être redémarré rapidement et en toute transparence par le moteur électrique, lorsqu'il faut accélérer. Dans ce cas toutefois, le moteur électrique ne permet pas de faire avancer le véhicule à proprement parler. Il existe par ailleurs différents degrés sur l'échelle qui sépare les modèles à hybridation partielle de ceux à hybridation complète. Par exemple, le système 100 % hybride de la Toyota Prius utilise un moteur électrique relié à la transmission séparément du moteur à essence, ce qui offre une plus grande flexibilité dans l'utilisation de la puissance. D'un autre côté, la Honda Civic Hybrid dispose d'un moteur électrique intégré entre le moteur à essence et la transmission. En conséquence, le système Honda ne permet pas de conduire la voiture grâce à l'énergie électrique aussi longtemps que la Prius.

 

B.Fonctionnement d'un moteur électrique

Voir page sur les voitures électriques

II.Avantages et inconvénients

A.Avantages

Econome :

A cause de l’épuisement des ressources en énergie fossile comme le pétrole, les chercheurs ont du rechercher un moyen efficace de remplacer l’essence. Le système hybride joue un rôle actif dans cette perspective.

L'utilisateur consomme beaucoup moins grâce à sa voiture hybride avec la possibilité d'effectuer près de 1000 km en un seul plein. Ainsi, les Toyota Prius et Honda Civic Hybrid ont des consommations annoncées de moins de 5 litres/100km. Pour la nouvelle Lexus RX400h, on parle même de 3,5 litres/100km… En permanence, le conducteur sait quelle énergie est utilisée pour mouvoir son véhicule. Il peut régler sa consommation et devenir acteur de sa propre pollution. Les commandes sont gérées par un système électronique et peuvent être surveillées grâce à un affichage spécial multi-fonctions. En distribuant l'énergie sous ce nouveau mode, on diminue les frais de carburant.

Les grands modèles (notamment de luxe), grâce à ce système, atteignent une consommation en carburant presque égale à celle d’une petite voiture compacte.

L’utilisation d’un moteur hybride permet donc de diminuer de 10 à 30 % la consommation du véhicule suivant l'utilisation (la conduite urbaine permettant de faire d’importantes économies de carburant et la conduite autoroutière très peu) et permet également de limiter les émissions de gaz polluants proportionnellement à la consommation de carburant. La motorisation hybride est donc particulièrement intéressante pour les taxis et commence à être appliquée aux autobus aux États-Unis, en Europe et au Japon.

Toyota Prius

Toyota Prius

Nouvelle conduite :

Les moteurs hybrides offrent également à l'amateur de nouvelles sensations avec des accélérations linéaires et puissantes (qui n'ont plus rien à voir avec ces à-coups plus ou moins violent lors des changements de vitesse). La solution hybride promet une puissance quasi instantanée donnant une impression de réactivité immédiate grâce à l’apport des moteurs électriques.

De plus, quand la voiture ne fonctionne qu’avec le moteur électrique, elle est totalement silencieuse, ce qui réduirait considérablement la nuisance sonore des voitures en ville.

N’oublions pas non plus la souplesse au démarrage grâce à l’utilisation du moteur électrique aussi utilisé pour les faibles vitesses.

Les voitures hybrides, c’est un élément essentiel pour les constructeurs, se doivent d’être aussi performante que les modèles classiques avec même de meilleures notes dans des domaines autres que celui de la simple consommation de carburant.

Autonome :

Lorsque la voiture fonctionne sur moteur à essence, ce dernier produit de l’énergie qui passe ensuite dans la batterie principale par le biais d’un générateur. La gestion d’énergie veille à ce que la batterie ne soit jamais à plat. Le système du freinage régénérateur des véhicules transforme une partie de l’énergie cinétique en énergie électrique qui rechargera la batterie. Dans la plupart des modèles, la batterie rechargeable est conçue pour une durée de vie égale à celle de la voiture.
Les voitures hybrides permettent d'utiliser les avantages d'un véhicule électrique tout en résolvant les problèmes d'autonomie.

Propre :

La voiture hybride peut permettre de polluer jusqu'à 50 % de moins qu’avec une « voiture classique ». Avec une diminution drastique de nos émissions, la circulation (et par conséquent la vie) en ville va changer et s'améliorer. Sur les parcours au ralenti (principalement la circulation en ville), le véhicule est uniquement tracté par l'électricité. Or la pollution atmosphérique de nos cités est principalement due au rejet des gaz d'automobiles. Les émissions de CO2 sont réduites et classent les véhicules hybrides dans la catégorie la plus basse des "machines polluantes". Grâce à ce type de moteur, une meilleure protection de la santé humaine ainsi que de l'environnement est assurée.

Sécurité :

Le comportement des automobilistes devrait changer avec ce type de véhicule privilégiant la sécurité active. Ces nouvelles voitures assistent tellement le conducteur que ce dernier se focalise davantage sur son environnement. Il peut dès lors plus faire attention aux autres conducteurs.

Fiscalité :

Vous pouvez bénéficier d'une réduction d'impôt importante suite à l'acquisition d'un véhicule neuf plus respectueux de l'environnement. Pour ce faire, votre véhicule doit émettre moins de 105 grammes de C02 par kilomètre ou entre 105 g et 115 g. Une extension de cette liste s’opérera bientôt.

B.Inconvénients

Les accumulateurs électrochimiques de ces véhicules n'auraient pas une durée de vie aussi longue que le véhicule lui-même, il faudrait donc changer ceux-ci une ou plusieurs fois avant le recyclage total du véhicule, ce qui entraînerait un surcoût de maintenance et une obligation importante de recyclage pour le fabricant. Cependant, les marques proposant les systèmes hybrides comptent ceux-ci dans la garantie générale du véhicule (par exemple 8 ans ou 160,000 km pour la Prius en France, 8 ans et kilométrage illimité (999 999 km) pour la Honda Civic IMA)

Honda Civic Hybride

Honda Civic hybrid

L’impact majeur des véhicules hybrides sur l’environnement est principalement leur très faible rejet de gaz toxiques. À titre d'exemple, on pourra comparer la quantité de CO2 rejetée par différents modèles vendus sur le marché français (données constructeur) :

L'avantage des hybrides sur l'électrique pur est leur autonomie non limitée par les batteries qui les rend plus aisément utilisables sur de longs trajets (autoroute par exemple).

On peut cependant souligner les problèmes de recyclage des batteries d'une solution purement électrique ou hybride, ainsi que le problème de ressources qui se poserait si le nombre de véhicules devait être très élevé, par exemple la disponibilité du lithium utilisé dans les batteries de type Ion-Lithium (Chevrolet Volt...). Rappelons que près de 14 millions de véhicules (tous types confondus) se vendent chaque année en U.E.

Prix :

Les voitures hybrides restent pour l’instant très chères. L’effort financier supplémentaire demandé, lors de l’achat, par rapport à un modèle « classique » est légèrement compensé par les économies en consommation de carburant. Ainsi, la Toyota Prius (berline familiale) avoisine tout de même les 27.000 euros…

Poids :

Comparé à une transmission classique, la motorisation hybride fait appel à des pièces supplémentaires comme la batterie hybride, laquelle prend de la place et alourdit le véhicule.

Performance :

Hors des grandes villes, sur autoroute, l'avantage de l'hybride est moins frappant quoique toujours présent. Le moteur électrique est alors peu ou pas sollicité. Il en va de même lors de conditions météorologiques difficiles (grand froid). Notons que la motorisation hybride reste, même dans ces situations, plus avantageux malgré la diminution des performances.

Bruit :

Ce qui peut paraître comme un sérieux plus peut aussi s’avérer dangereux. Les voitures hybrides, qui se déplacent en ville, ne font quasiment pas de bruit. Pour des piétons distraits, le danger est réel car ne pas entendre une voiture, c’est ne pas la voir arriver.

III.Deux exemples de voitures hybrides

  • Toyota Prius :

La Toyota Prius est la voiture hybride la plus connue sur le marché. Elle a connu une évolution à travers trois modèles. Le premier a été lancé en 1997 au Japon seulement. Une version améliorée de ce modèle a été proposée en Europe en 2000.

La dernière génération de la Toyota Prius s’appelle la Toyota Hybrid Synergy Drive. Elle dispose d’un moteur thermique, de deux moteurs électriques et un mode "EV" qui permet de rouler exclusivement à l'électricité.

 

  • Moteur thermique : à essence, 1,8 litre I4 DOHC 16 soupapes, 98 ch à 5200 tr/mn, cycle Atkinson, VVT
  • Moteur électrique : 500 V, 207 Nm à 0 tr/mn, 60 kW/81 ch

Sa puissance maximale atteint 100kW/136 ch.

 La Prius III consomme environ 3,9 litres aux 100 km et rejette 89 g de CO2 / km en cycle mixte. C’est une 4 portes, un peu plus grande que le modèle précédent. Sa nouvelle pompe à eau fonctionne uniquement à l’électricité. En option on peut choisir par exemple des phares à LED, un régulateur de vitesse qui s’adapte en fonction de la distance des autres véhicules ou un toit ouvrant avec panneau solaire et ventilation à énergie solaire.

 

  • Honda Civic Hybrid :

 

A la suite de la Civic à essence et diesel de 8e génération fin 2005, Honda commercialise à nouveau une version hybride (essence + électricité) de sa compacte. Comme pour la Civic IMA (Integrated Motor Assist) de 2003, il s’agit d’une 4 portes, toujours pourvue d’une hybridation  légère par rapport à la Toyota Prius.

Honda Civic

 

Première génération de Honda Civic IMA

La batterie et l’installation électrique restent cachées au niveau du coffre. L’habitabilité progresse également, maintenant proche de la Toyota Prius.

La Honda Civic hybrid possède toujours un moteur i-VTEC de 1,3 litre de cylindrée (le 1339 cm3 de la Jazz revisité) et d'une assistance IMA (Integrated Motor Assist).

Son niveau d'émissions est très bas (à 109 g au lieu de 116 g pour l’ancienne IMA). Le moteur thermique reste très discret, même lors de ses coupures ou de ses remises en action induites par la fonction stop & go, tout comme l’intervention du moteur électrique. Sa consommation reste stable avec en moyenne 6,2 l/100 km.

Contrairement à la Toyota Prius (I et II) qui peut compter sur son seul moteur électrique pour évoluer en ZEV (Zero Emission Vehicule) sur de courts trajets urbains, la nouvelle Honda Civic Hybrid ne peut pas vraiment rouler en 100% électrique ou sinon dans des conditions de marche tellement restrictives qu’on ne peut pas rouler entièrement propre.

A noter que le climatiseur est désormais équipé d'un compresseur hybride alimenté à la fois par le moteur à combustion et le moteur électrique. Lorsque le moteur à combustion tourne au ralenti, le compresseur est alimenté par le moteur électrique, ce qui évite par exemple l’apparition de buée par temps humide. Si un refroidissement rapide est nécessaire, il est alimenté par le moteur électrique et le moteur à combustion. Lorsque la température est stable, il fonctionne seulement avec le moteur électrique afin d'améliorer encore le confort et les économies de carburant.

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