L'hybride parallèle

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Description détaillée

L'architecture hybride parallèle se retrouve dans 3 niveaux d'hybridations :
 

• MHEV
• HEV
• PHEV

 

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Les composants

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La fonction principal de ce composant, est d'assurer l'ensemble des transformations électriques. Courant continu vers courant alternatif et inversement.

1. De la batterie de traction vers le moteur électrique, c'est l'onduleur qui entre fonction, pour transformer le courant continue de la batterie en courant alternatif triphasé, et Inversement lors de la récupération d'énergie produite par le moteur électrique dans les phases de freinage.
2. La batterie de traction recharge la batterie de servitude, via l'électronique de puissance, c'est le convertisseur qui est sollicité.
3. Il alimente des éléments de confort en utilisant l'énergie électrique de la batterie de traction.

L'électronique de puissance gère l'élévation de la tension ou l'abaissement, selon les organes qu'elle alimente. Ex :  compresseur de climatisation, résistance de chauffage, etc..

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Le moteur électrique

Exemple d'implantation :
 

Le moteur électrique peut-être placé entre le moteur thermique et la boîte de vitesses.

L'important dans l'architecture hybride parallèle, c'est que le moteur électrique soit en mesure de déplacer le véhicule sans l'aide du moteur thermique. Pour cela on retrouve un embrayage entre le moteur électrique et le moteur thermique, pour accoupler ou désaccoupler les deux, selon les phases de fonctionnement.

Autres possibilités, le moteur électrique se trouve sur un essieu différent de celui du moteur thermique. Exemple : Volvo XC90 T8, Mitsubishi Outlander PHEV, Peugeot 3008 Hybrid4, etc... De cette façon, le véhicule peut bénéficier de 4 roues motrices. Ces exemples sont aussi des architectures hybrides parallèles.

Les moteurs synchrones à aimants permanents sont privilégiés dans les véhicules hybrides parallèles pour les raisons suivantes :

• Efficacité énergétique élevée
• Densité de puissance élevée
• Contrôle précis

 

Efficacité énergétique élevée : 

Les moteurs synchrones à aimants permanent ont un rendement supérieur à celui des moteurs asynchrones ou à induction, surtout à faible charge. Ils sont conçus pour minimiser les pertes d'énergie, ce qui les rend très efficaces, avec des rendements pouvant atteindre 90 % ou plus.

Densité de puissance élevée : 

Les moteurs synchrones à aimants permanent produisent plus de puissance pour un volume donné par rapport à d'autres types de moteurs. Cela permet d’obtenir des performances élevées avec des moteurs de petite taille. de 30 kW à plus de 300 kW.

Contrôle précis :

Dans un moteur synchrone, le rotor équipé d'aimants permanents ou de bobinages créé un champ magnétique fixe. Cela permet au rotor de répondre plus rapidement aux variations du courant d'alimentation, ce qui améliore la réactivité et la précision dans le contrôle du couple et de la vitesse. Cela en fait une option privilégiée pour les applications nécessitant une grande précision.

Ces avantages assurent une conduite fluide et une parfaite intégration avec le système de gestion hybride. 

 

Détails :
 

Exemple de caractéristiques d'un moteur électrique :

Puissance mécanique en tant que moteur : 60 kW  
Puissance électrique en tant que générateur : 80 kW 
Poids environ 60 kg
 

Les moteurs électrique de SUV hybride peuvent dépasser les 100 kW. (Ex: Volvo XC90 hybride), ces valeurs sont données à titre indicatif.

 

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Le moteur thermique est optimisé pour un rendement énergétique maximal, dans une plage de fonctionnement restreinte. L’objectif est de permettre au moteur de fonctionner dans les conditions les plus efficaces, le moteur électrique compense lorsque des besoins de puissance ou d’efficacité supplémentaires sont nécessaires.

 

Principal caractéristiques 

1. Taille et puissance optimisées :

La puissance du moteur thermique peut être réduite par rapport à celle d’un véhicule conventionnel, car il partage la charge de propulsion avec le moteur électrique. Cette réduction de taille et de puissance permet une meilleure efficacité énergétique. Il dépasse rarement les 100 kW de puissance et les 2.0 litres de cylindrée, même sur des véhicules de gros gabarit.

2. Optimisation de la consommation de carburant :

Grâce à l’assistance électrique, le moteur thermique peut fonctionner dans des conditions de faible consommation de carburant, notamment lors des phases de charge de la batterie ou d’accélérations modérées, où le moteur électrique prend le relais pour une partie de la charge. Cela permet de minimiser la consommation de carburant ainsi que les émissions polluantes.

3. Compatibilité avec le système hybride :

Le moteur est adapté pour fonctionner en harmonie avec le système hybride, ce qui implique une gestion électronique avancée pour coordonner son activité avec celle du moteur électrique et de la batterie.

Ces particularités permettent au moteur thermique de contribuer efficacement à la réduction de la consommation de carburant et des émissions tout en maintenant des performances de conduite satisfaisantes.

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La technologie Ni-mh a été utilisée pendant de nombreuses années. Elle a beaucoup évolué depuis ses premières applications dans les batteries de traction en 1997. Elle présente plusieurs avantages :

 

1.  Durabilité et fiabilité :

Les batteries Ni-MH sont connues pour leur robustesse et leur longue durée de vie. Elles sont plus résistantes aux conditions extrêmes de chaleur et de froid que les batteries lithium-ion, ce qui en fait une option plus fiable dans certaines conditions climatiques. De plus, elles ont tendance à tolérer une décharge profonde sans dégradation rapide.

2. Sécurité accrue :

Comparées aux batteries lithium-ion, les batteries Ni-MH sont moins susceptibles de surchauffer ou de prendre feu en cas de défaillance. Le risque d’emballement thermique est plus faible, ce qui peut être un facteur de sécurité important.

3. Recyclabilité :

Les batteries Ni-MH sont plus faciles à recycler que les batteries lithium-ion. Le processus de recyclage est mieux maîtrisé et moins coûteux, ce qui peut représenter un avantage environnemental.

4. Gestion plus simple de la charge :

Les batteries Ni-MH tolèrent mieux les erreurs de gestion de la charge. Elles peuvent être rechargées plus facilement à divers niveaux de décharge sans subir des dégradations importantes, alors que les batteries lithium-ion nécessitent un contrôle plus précis pour éviter la surcharge ou la décharge excessive.

 

Malgré ses avantages elles ont depuis peu été remplacées par des batteries lithium-ion, que ce soit dans les véhicules hybrides non rechargeables ou dans les hybrides rechargeables, c'est la technologie privilégiée a ce jour. La principale caractéristique qui force ce changement de technologie : la densité énergétique. En effet celle-ci est meilleure sur les batteries lithium-ion.

Le défis majeur d'un véhicule hybride c'est d'obtenir une efficacité énergétique supérieure à un véhicule thermique. Le poids est un paramètre crucial pour l'efficacité énergétique globale du véhicule.

Les batteries lithium-ion ont une densité énergétique élevée, ce qui signifie qu'elles peuvent stocker plus d'énergie qu'une batterie Ni-mh de même poids.

Sur la prius 4, le changement de technologie de batterie à permis un gain de 16 kg, pour une même capacité énergétique, et même puissance.

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Les avantages       

 

Efficacité énergétique optimisée :

Le système hybride parallèle peut adapter son mode de fonctionnement en fonction des conditions de conduite, ce qui permet d'optimiser l'efficacité énergétique. Par exemple, il peut utiliser uniquement le moteur électrique à basse vitesse, puis combiner les deux moteurs lors de fortes accélérations.

Réduction des émissions polluantes :

Les véhicules hybrides parallèle ont des émissions de CO₂ réduites par rapport aux véhicules à moteur thermique classique. Ils utilisent souvent le moteur électrique en ville, ce qui diminue les émissions dans les zones urbaines. Le potentiel de réduction de la consommation et des émissions toxiques est élevé, en particulier en circulation urbaine.

Récupération de l'énergie cinétique :

Comme dans d'autres types de véhicules hybrides, le freinage régénératif permet de récupérer une partie de l'énergie normalement perdue lors des phases de freinage. Cette énergie est stockée dans la batterie pour être réutilisée, augmentant ainsi l'efficacité globale.

 

Les inconvénients

 

Poids supplémentaire :

En combinant deux moteurs (électrique et thermique) ainsi qu’une batterie, ces véhicules sont souvent plus lourds que les véhicules à moteur thermique. Ce poids supplémentaire peut réduire l'efficacité globale, notamment lors des longs trajets à haute vitesse où l'avantage du mode électrique est limité. Le coffre à bagages parfois plus restreint en raison des composants hybrides et des batteries.

Coût d'achat plus élevé :

Le coût initial d'un véhicule hybride parallèle est souvent plus élevé que celui d'un véhicule conventionnel. La présence de deux systèmes de propulsion et d'une batterie ajoute au coût de production. Les coûts de la fabrication et des composants sont plus élevés.

Capacité de la batterie limitée :    

Bien que ces véhicules puissent fonctionner en mode électrique, leur autonomie en tout électrique est limitée, ce qui signifie que le moteur thermique est encore nécessaire pour les trajets plus longs.

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Conclusion

Par rapport aux autres architectures hybrides, telles que l'hybride série ou l'hybride série-parallèle, l'hybride parallèle est relativement plus simple à concevoir, car il nécessite moins de composants et une gestion plus facile des deux sources de puissance.

En conclusion, les véhicules à architecture hybride parallèle offrent un bon compromis entre efficacité énergétique, performances et réduction des émissions polluantes, tout en étant technologiquement accessible pour de nombreux constructeurs automobiles. Ils constituent une étape importante vers la transition énergétique dans l’industrie automobile, en attendant une adoption plus large des véhicules électriques à batterie ou à hydrogène.

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Méthodes et pratiques

 

Les techniciens intervenant sur les véhicules hybrides série peuvent réaliser:
 

• L'entretien du véhicule, (vidange, freinage..)
• Le remplacement d'éléments,
• Le diagnostic des systèmes,
• L'apprentissage ou l'initialisation des calculateurs,
• Le contrôle d'isolement du moteur électrique,
• Les réparations des boitiers de gestion électronique,
• La remise en état des batteries de traction,
• L'équilibrage des cellules,
• La mise en sécurité du véhicule.

Les intervenants non formés à la prévention des risques électriques ne sont pas autorisés à intervenir sur ces véhicules.
 
 

 

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Impact sur les compétences en atelier

Les interventions de réparation et de diagnostic sur ces systèmes exige de: 

Connaître la structure des réseaux multiplexés,

• Maîtriser la lecture des schémas électriques,
• Maîtriser toutes les fonctions de l'outil de diagnostic,
• Connaître les procédures d'intervention,
• Posséder une habilitation.

Les interventions d'entretien nécessite de: 
 

• Connaître les procédures d'intervention,
• Posséder à minima un niveau averti.

 Les personnes ne possédant pas d'habilitation ou à minima d'un niveau averti ne sont pas autorisées à intervenir sur ces véhicules.

Les habilitations

Le travail sur véhicules électriques et hybrides nécessitent une habilitation selon la réglementation NF C18-550.

Il est important de bien identifier les limites d’actions de son titre d’habilitation.

 

Voici quelques exemples d'interventions et le titre d'habilitation nécessaire pour être autorisé à réaliser l'intervention :

 

 

Votre titre d’habilitation est lié à une norme délimitant votre périmètre d’action. Les métiers de l’automobile sont liés à la norme NFC 18-550. Cette norme ne vous autorise pas à travailler sur les infrastructures électriques (prise, borne de recharge…)

Pour cela, il est important d’identifier quel « domaine d’intervention » est couvert par votre titre d’habilitation.
 

Dans le domaine de l’automobile, on distingue plusieurs types d’intervenants :

•Une personne NON habilitée - Ordinaire

C’est une personne n’ayant reçu aucune formation sur les risques électriques. Ne sachant pas analyser les risques électriques et donc intervenir en sécurité, elle n’est pas autorisée à intervenir sur un véhicule électrique ou hybride.

 

•Une personne NON habilitée – Avertie

C’est une personne ayant suivi une formation sur les risques électriques. A travers cette formation et une évaluation, l’apprenant a justifié qu’il est en mesure de réaliser une analyse de risque avant d’intervenir. Il est donc autorisé à travailler sur un véhicule électrique (hors chaîne de traction) si le véhicule est conforme. En cas de détection d’un risque, il stoppe son activité, et alerte la personne qui devra sécuriser ce véhicule.

 

•Une personne habilitée – B0L

C’est une personne habilitée pour réaliser des travaux non électriques, qui a passé une évaluation pratique et théorique. Elle est autorisée à travailler hors chaîne de traction. A condition que le véhicule ne présente pas de risque électrique. Elle connaît ses limites d’interventions et ne travaille pas en présence de risque électrique.

 

•Une personne habilité - B2L

C’est une personne habilitée pour réaliser des travaux électriques, qui a passé une évaluation pratique et théorique. Elle peut travailler sur la chaîne de traction du véhicule, si celui-ci est consigné. Elle ne travaille pas en présence de risque électrique.

 

•Une personne habilitée – B2VL

C’est une personne habilitée pour réaliser des travaux électriques au voisinage, qui a passé une évaluation pratique et théorique. Elle est autorisée à sécuriser la chaîne de traction d’un VE/VH au voisinage d’une PNST (c’est-à-dire à moins de 30 cm), même si elle n’est pas consignée, par exemple pour isoler une pièce nue sous tension. Elle est équipée d'EPI.

 

•Une personne habilitée – BCL

C’est une personne habilitée à consigner un VE/VH, qui a passé une évaluation pratique et théorique. Elle est équipé d’EPI.

Un BCL seul n'est pas autorisé à travailler sur un véhicule électrique ou hybride. Il le consigne pour permettre à une personne habilitée (B2L, B2VL…) de faire les réparations.

Dans l’automobile on trouve rarement des personnes habilitées uniquement BCL !

 

•Une personne habilitée – B2TL

C’est une personne habilitée aux travaux sous tension, qui a passé une évaluation pratique et théorique. Elle peut travailler sous tension, c’est-à-dire intervenir dans la batterie de traction.

Exemple : Remplacement d’un module dans la batterie, d’un capteur, d’un bus bar, d’un BMS, des relais de puissance...

Elle a des EPI spécifiques, et ne travaille qu’avec des outils isolés. Une habilitation sous tension ne remplace pas une habilitation hors tension.

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Exemple d’outillage approprié

Selon la norme NF C18-550, L'ensemble des outils utilisés lors d'intervention sur chaine de traction doivent répondre à un niveau d'isolation de 1000 Volts.

Tous les outils classiques du mécanicien( clé plate, clé à pipe, cliquets, douilles, pinces, tournevis, etc...) existe en version isolé 1000V.

Outillage nouveau :