L'hybride série-parallèle

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Description détaillée

L’intégration de moteurs électriques dans des boîtes de vitesses complexes permet de combiner les avantages des deux types de motorisations, donnant naissance à des technologies appelées à dérivation de puissance ou hybrides série/parallèle. 

Dans ce contexte, le moteur électrique peut avoir une puissance inférieure à la puissance nominale du véhicule, tandis que l’alternateur possède une puissance significativement plus faible.
 

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Les composants

 

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Le composant mécanique interne à la boite de vitesses qui relie et harmonise les forces de chaque moteur est le train épicycloïdal.

Le train épicycloïdal assure la répartition de la puissance à fournir, la récupération ou la division de puissance entre les éléments actifs (moteurs, batteries) et ceci en fonction des sollicitations du conducteur, de l'effort de propulsion ou de freinage à fournir et de l'état de charge des batteries.

Vue d'un train épicycloïdal : 

 

ICE : (Internal Combustion Engine) Moteur à combustion interne.

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 ne dépasse pas 80 kW de puissance et 1,8 litres de cylindrée.

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.

Illustration d'une transmission d'une hybride série-parallèle :

 

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..

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, pour une seule caractéristique, 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 phases de fonctionnement

 

1. Véhicule à l'arrêt

• Aucun entrainement de MG1 et MG2
• Moteur thermique arrêté

 

2. Démarrage du véhicule

Lorsque le véhicule démarre, seule la force du moteur MG2 est utilisée et entraine les roues.

• Moteur thermique arrêté
• MG1 tourne en sens inverse sans produire d'énergie électrique

 

3. Démarrage du moteur thermique

Si la demande de couple augmente, alors que MG2 entraine déjà le véhicule. MG1 est activé afin de démarrer le moteur thermique

Après le démarrage du moteur thermique, MG1 devient générateur.

Le moteur thermique peut-être démarré également pour répondre au besoin d'énergie de la batterie de traction ou de refroidissement de celle-ci.

 

4. Accélération à faible charge

Le porte satellite transmet la force motrice du moteur thermique. Une partie de l'énergie est transférée aux roues, l'énergie restante permet de produire de l'énergie électrique par l'intermédiaire de MG1.

C'est ce fonctionnement qui est à l'origine de l'autre nom donné à l'architecture hybride série-parallèle : "A dérivation de puissance"

 

5. Accélération à pleine charge

Lorsqu'une pleine charge est demandée, l'électronique de puissance augmente le couple de MG2, par un apport d'énergie électrique provenant de la batterie de traction.

 

6. Décélération/récupération d'énergie

Lorsque le véhicule ralentit et ou freine, le moteur thermique est coupé. 

Les roues motrices actionnent MG2 qui fonctionne alors comme générateur pour la charger la batterie de traction.

 

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Les avantages

Efficacité énergétique optimisée :

Le système hybride série-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 série-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.

 

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.

 

Souplesse du moteur thermique :

Le moteur thermique peut fonctionner de manière plus efficace en étant découplé directement des roues dans certaines situations, notamment lors de la recharge de la batterie, où il peut tourner à son régime optimal, contrairement à un moteur thermique standard qui subit des variations constantes.

Les inconvénients

Complexité technologique :

Les véhicules hybrides série-parallèle nécessitent un système de gestion de l’énergie sophistiqué pour coordonner les différents modes de fonctionnement (électrique, thermique, ou les deux). Ce qui peut être potentiellement plus couteux lors d'une panne.

 

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.

 

Coût d'achat plus élevé :

Le coût initial d'un véhicule hybride série-parallèle est souvent plus élevé que celui d'un véhicule conventionnel ou même d'un hybride en parallèle. La présence de deux systèmes de propulsion et d'une batterie ajoute au coût de production.

 

Capacité de la batterie limitée :    

Bien que ces véhicules puissent fonctionner en mode électrique, leur autonomie en tout électrique est généralement assez limitée (sauf dans les modèles hybrides rechargeables), ce qui signifie que le moteur thermique est encore souvent nécessaire pour les trajets plus longs.

 

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Conclusion

Les véhicules hybrides série-parallèle sont un excellent compromis entre les performances d’un véhicule thermique et l'efficacité énergétique d'un véhicule électrique. 

Ils sont particulièrement adaptés aux environnements urbains et aux trajets de courte à moyenne distance, mais la complexité accrue et les coûts initiaux plus élevés peuvent constituer des inconvénients pour certains utilisateurs.

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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 :