L'hybride série

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Description détaillée

Contrairement aux architectures hybrides parallèle qui permettent aux deux moteurs d’animer les roues simultanément ou séparément, l'architecture hybride série ne fait appel qu’au moteur électrique. Tournant à régime constant, le bloc thermique n’intervient que pour recharger une petite batterie.

L'avantage principal de cette architecture, c'est d'offrir l'expérience de conduite d'un véhicule électrique, ou de s'en approcher au maximum, sans avoir les inconvénients de la recharge.
 

 

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Les composants

 

 

 

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Le moteur électrique

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. 

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L'électronique de puissance

L'électronique de puissance rassemble les différents composants qui effectuent les transformations électriques sur la chaine de traction.

Pour nommer ce composant essentiel dans les véhicules électriques et hybrides, les noms de "convertisseur", "onduleur", "transformateur" sont utilisés. On trouve aussi les noms Anglais de "converter" ou "inverter".

 

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/générateur

Le moteur thermique 

Le moteur thermique des véhicules hybrides série est nommé moteur à combustion interne, afin de le différencier du moteur électrique.

Dans les documentations techniques, vous retrouvez l'abréviation "ICE" pour Internal Combustion Engine ou MCI en Français pour Moteur à Combustion Interne.

Son rôle :

• Produire une énergie mécanique au sein du véhicule. Cette énergie est obtenue avec la combustion du carburant. Généralement de l'essence.

• Transmettre cette énergie mécanique au générateur.

   

  

   

  Le générateur

Comparable à un alternateur, il est directement relié à la sortie de l'ICE.

Son rôle :

• Transformer l'énergie mécanique en énergie électrique.
• Produire un courant alternatif triphasé pour les besoins de recharge de la batterie ou de l'alimentation du moteur électrique.

Lorsqu'un alternateur d'un véhicule classique produit une puissance électrique de 1.6 kW (14V X 120A). La génératrice ici associée à l'ICE produit des puissances électriques supérieures à 100 kW. (Ex : Système E-Power Nissan 110 kW) Les tensions de sortie, selon les génératrices, peuvent dépasser les 500 Volts.

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La batterie de traction

Les batteries lithium-ion ont une densité énergétique élevée, ce qui signifie qu'elles peuvent stocker plus d'énergie par unité de poids. Cela permet aux véhicules électriques et hybrides d'avoir une plus grande autonomie sans augmenter excessivement le poids de la batterie.

Elles sont très efficaces en termes de recharge, avec des pertes minimales pendant la charge. Les batteries lithium-ion se rechargent plus rapidement que d'autres types de batteries, ce qui est un atout pour les véhicules hybrides et électriques.

Les batteries lithium-ion ont une durée de vie plus longue, supportant un grand nombre de cycles de charge et décharge sans perte significative de capacité. Cela est particulièrement important pour les véhicules hybrides série, qui sollicitent fréquemment la batterie.

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Les avantages :

 

Les véhicules de type hybride série ont plusieurs avantages par rapport à un véhicule thermique :

• Les atouts de l'expérience de conduite d'un véhicule électrique (Fonctionnement silencieux, fort couple au démarrage, conduite à une pédale, etc...)

 

• L'optimisation du régime de fonctionnement du moteur thermique dans un hybride série réduit les émissions polluantes, notamment en ville où les véhicules passent plus de temps à faible vitesse ou dans des embouteillages. 

  Le moteur thermique n'a pas besoin de tourner en permanence, et les émissions peuvent être fortement réduites par rapport à un moteur thermique classique.

   

• Dans un hybride série, le moteur thermique peut être plus petit et optimisé pour un seul rôle : produire de l’électricité. Cela permet une meilleure optimisation des ressources et des performances.

   

• Un hybride série récupère l’énergie cinétique du freinage pour recharger la batterie, améliorant ainsi l’efficacité énergétique globale du véhicule. Cela réduit l’usure des freins et augmente l’autonomie électrique, un avantage que les véhicules thermiques classiques n’ont pas.

   

• Pas de perte de temps pour la recharge de la batterie de traction, car cette opération est réalisée en roulant par le moteur/générateur.

 

Les inconvénients :

 

L'architecture d'un véhicule hybride série présente des avantages, mais elle comporte aussi certains défauts et limitations. Voici les principaux inconvénients de cette architecture :

 

• Lorsque le moteur thermique est utilisé, il y a une perte d'efficacité liée à la conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique, puis en énergie mécanique à nouveau. Cela peut entraîner une consommation de carburant plus élevée dans certaines conditions par rapport à un véhicule hybride parallèle où le moteur thermique peut entraîner directement les roues.

 

• La gestion de l'énergie dans un système hybride série peut être complexe, car il faut gérer l'interaction entre la batterie, le moteur thermique (qui agit comme un générateur) et le moteur électrique. Optimiser cette gestion pour maximiser l'efficacité tout en minimisant les émissions peut s'avérer difficile.

   

• Lorsque l'autonomie électrique est épuisée. Si la batterie est à plat, le moteur thermique devra fonctionner en continu pour alimenter le véhicule, ce qui peut entraîner un fonctionnement inefficace dans certaines situations, a haute vitesse par exemple. De plus, la recharge des batteries via le moteur thermique est généralement moins efficace qu'une recharge directe via une prise électrique.

 

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Conclusion :  

 

Dans une architecture hybride série, le constructeur s'efforce d'optimiser l'efficacité énergétique globale du véhicule. L'objectif est de maîtriser la consommation de carburant du moteur thermique, tout en évitant d'intégrer une batterie de traction trop lourde ou un moteur électrique surdimensionné. 

Le défi est de concilier ces contraintes tout en offrant une expérience de conduite comparable à celle d'un véhicule entièrement électrique.

Bien que l'architecture hybride série présente des avantages, notamment en matière d'efficacité à basse vitesse et en ville, elle souffre de pertes d'efficacité énergétique à haute vitesse, de coûts et de complexité accrus, et d'une dépendance au moteur thermique pour les longs trajets, limitant parfois ses bénéfices environnementaux.

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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 exigent 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 :