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Description détaillée

Face aux mutations de notre société, le véhicule thermique se doit d'évoluer.
Sa dépendance aux sources d'énergie fossiles ainsi que ses émissions polluantes et à effet de serre doivent êtres réduites, surtout pour son intégration dans les villes.

La voiture électrique n'est pas, pour le moment, appelée à remplacer la voiture thermique, même si elle offre une bonne alternative. Son autonomie restreinte la destine à une utilisation essentiellement urbaine et périurbaine.
Pour les longs trajets, les voitures hybrides thermique/électrique sont un bon compromis, mais elles offrent une autonomie « toute électrique » faible.

Certains constructeurs ont résolu le problème en adaptant leur transmission hybride : on parle alors d'hybride rechargeable ou Plug-in. Ces véhicules sont un mix entre le véhicule électrique et le véhicule hybride. Il s'agit en fait d'un véhicule électrique à faible autonomie sur lequel un groupe électrogène viendra prendre le relais lorsque la batterie de traction aura atteint son niveau mini.

Prenons l'exemple de l'Opel Ampera qui offre une autonomie toute électrique de 60 km et de 500 km supplémentaires lorsque le groupe électrogène prend le relais, soit une autonomie complète de 560 km.

L'autonomie électrique de cette voiture semble faible, mais une étude sur l'utilisation européenne de la voiture montre que 80% des utilisateurs ne parcourent pas plus de 50 km par jour. Cela permettrait, sur une moyenne annuelle de 15000 km, de réaliser 10000 km en « tout électrique ».

 

Présentation des différents éléments composant la technologie

Moteur électrique principal

Le moteur électrique principal, MG1, est positionné sur l'essieu avant. Il délivre jusqu'à 111 kW (150 ch) pour un couple maxi de 370 Nm.

Le groupe électrogène

 

Le groupe électrogène est constitué d'un moteur thermique 4 cylindres  essence, couplé à un moteur/générateur (MG2). Il fonctionne sur une plage restreinte de régimes, entre 1800 et 3700 tr/min, voire 4800 tr/min en cas de puissance maxi demandée (63 kW -86 ch- dans ce cas).

 

Le moteur thermique

À partir de 1700 tr/min, le moteur est dans sa zone quasi-optimale avec une CSP (consommation spécifique) de 240 g/kWh (rendement thermique = 35,8%), ce qui est une valeur particulièrement performante. À 3700 tr/min, la CSP ne dépasse pas 250 g/kWh (rendement thermique = 34,4%).

Le moteur/générateur

En mode générateur, MG2 tournant dans ce cas à la même vitesse que le moteur thermique, son rendement varie entre 90 et 93% (excepté aux très faibles puissances). Au final, le rendement énergétique du groupe électrogène est bien inférieur à celui d'une centrale thermique et le groupe émet plus de CO2 par kW qu'une centrale nucléaire, ce qui explique le choix de l'utiliser uniquement pour alimenter la traction et pas pour recharger la batterie.

Il n'y a pas de démarreur ni d'alternateur, puisque ces fonctions sont assurées par le MG2 en mode moteur.

 

Batterie

 

Le pack de batteries (volumineux afin d'avoir une autonomie suffisante) est placé en T au centre du châssis, ceci afin d'optimiser l'espace utilisé et la structure du châssis.
 Il est constitué de 288 cellules au lithium-ion pouvant stocker 16 kW, d'une électronique de puissance, d'un programme de sécurité (température et courant) et d'un circuit à eau pour le chauffage et le refroidissement. Cette régulation thermique est nécessaire avec la technologie lithium-ion.
Son temps de recharge est inférieur à 4 heures sous 220 volts.
Afin d'assurer une durée de vie de 10 ans et 240 000 km, seulement 65% de sa capacité sont utilisés au départ, l'énergie étant puisée selon les conditions de température et de vieillissement. Les utilisateurs ne devraient ainsi pas percevoir de variations pendant toute la durée de vie de leur voiture.

L'électronique de puissance
Elle est composée de différents éléments :

Chargeur de batterie DC/DC :

Il va utiliser l'énergie de la batterie de traction pour recharger la batterie 12 V de la voiture. Pour ce faire il fera une conversion entre la tension de la batterie de traction et le 12 V de la batterie de bord.

Chargeur sur secteur :

Il va permettre de recharger la voiture sur une prise de courant domestique.

Boîtier de gestion électronique :

C'est lui qui va permettre de commander le moteur électrique.

La prise de charge
 

 

La voiture étant rechargeable sur secteur, elle est dotée d'une prise de charge standard. Il n'est pas prévu de prise de charge rapide sur ces véhicules, le temps de charge étant déjà court.

 

Particularité de fonctionnement

Si la voiture n'est utilisée qu'en mode batterie sur une période supérieure à un mois, la qualité de la chaîne de traction thermique peut être affectée : dégradation de la qualité de l'essence, taux d'humidité dans l'huile, séchage de certains joints, etc. Il a été prévu un programme qui passe alors en mode thermique. Le moteur thermique fonctionnera alors quelques minutes.

 

Présentation du système Voltec

Le système Voltec comprend un moteur thermique, deux moteurs-générateurs  (MG1 et MG2), un train planétaire, un frein multidisque (C1) et deux embrayages multidisques (C2 et C3). Tous ces éléments sont sur la même ligne d'arbre et leurs connexions dépendent de la position des multidisques. La couronne dentée du train planétaire peut être bloquée par le frein C1 et le moteur-générateur MG2 peut être relié à cette couronne par l'embrayage C2, et au moteur thermique par l'embrayage C3.

 Description des modes de fonctionnement hybride du véhicule

Ce véhicule est un véhicule électrique à autonomie étendue. Il utilise un système de propulsion électrique pour entraîner le véhicule en permanence. L'électricité est la source principale d'énergie du véhicule. L'essence est la source secondaire.
Le véhicule possède deux modes de fonctionnement : électrique et autonomie étendue. Dans les deux modes, le véhicule est entraîné par les moteurs électriques intégrés à la boîte de vitesses. L'énergie électrique est convertie en une énergie mécanique pour entraîner les roues et propulser le véhicule.

Mode électrique

Le mode électrique est le mode principal de fonctionnement du véhicule. En mode électrique, le véhicule est motorisé par l'énergie électrique stockée dans la batterie de traction. Le véhicule peut fonctionner dans ce mode avec une autonomie atteignant 40-80 km avant que la batterie n'ait atteint son niveau bas de charge.

Électrique seulement, moteur thermique arrêté (EV) :

Le courant continu de la batterie alimente le module convertisseur continu-alternatif de la génératrice de moteur d'entraînement, où il est converti en courant alternatif triphasé. Seul MG1 est alimenté.

Électrique seulement ou combiné, moteur thermique arrêté (EV) :
 

En fonction de la demande du conducteur et des conditions routières, le véhicule peut passer en mode combiné. Si le couple requis pour propulser le véhicule est bas, le moteur d'entraînement MG1 peut fournir le couple nécessaire pour faire avancer le véhicule. Si la demande augmente, le couple principal fourni proviendra des moteurs d'entraînement MG1 et MG2.

Mode autonomie étendue

Lorsque le véhicule atteint un niveau de charge des batteries de 20 à 25%, il passe en mode « autonomie étendue ». Dans ce mode, l'électricité est produite par la génératrice de moteur électrique qui est entraînée par le moteur à combustion interne (ICE). Cette source secondaire d'alimentation électrique étend l'autonomie du véhicule. Le fonctionnement se poursuit en mode autonomie étendue jusqu'à ce que le véhicule soit branché pour recharger la batterie de traction et restaurer le mode électrique.
La batterie de traction continue à fournir une certaine alimentation et travaille avec l'ICE pour fournir un rendement de pointe en cas de besoin, comme dans le cas d'une côte ou d'une forte accélération. La batterie de traction ne se recharge pas en mode d'autonomie étendue.
La façon la plus efficace de recharger la batterie de l'Ampera est de la brancher. Le générateur est utilisé seulement pour maintenir l'état de charge minimale de la batterie. Si la batterie est tirée vers le bas en dessous du niveau minimum, le générateur chargera la batterie à son état de charge minimale, puis la maintiendra à ce niveau minimum.

Électrique seulement, moteur thermique en marche (EV) ou autonomie étendue :

Dès que la batterie atteint un niveau bas, le moteur thermique démarre. Après le démarrage du moteur, le système fonctionne en mode électriquement variable (EV) où le moteur thermique entraîne le moteur MG2 afin de générer l'électricité et de fournir le courant au moteur d'entraînement MG1 qui fournit le couple aux roues. L'énergie générée par le moteur d'entraînement MG2 est soit stockée dans la batterie soit fournie au moteur d'entraînement MG1 fournissant le couple de sortie en fonction des conditions de conduite. Le moteur fonctionnera à une vitesse appropriée pour optimiser la consommation en carburant tout en maintenant les exigences de la puissance de sortie.
 

Électrique seulement, moteur thermique combiné en marche (EV) :
 

En fonction de la demande du conducteur et des conditions routières, le véhicule peut passer en mode moteur thermique combiné. En cours de fonctionnement selon ce mode, l'énergie électrique du moteur est combinée avec celle de la batterie pour fournir le couple de sortie nécessaire pour faire avancer le véhicule. L'embrayage C3 est verrouillé, de même que l'embrayage C2.
Par conséquent, le moteur thermique, par le biais de l'embrayage C3, du moteur MG2 et de l'embrayage C2, est directement relié au train épicycloïdal et participe à l'entraînement des roues mécaniquement. Grâce à ce système l'efficacité énergétique a été améliorée de 10 à 15%.

Démarrage du moteur à combustion interne (ICE)

Ce véhicule n'utilise pas de démarreur 12 V pour lancer l'ICE. Une génératrice beaucoup plus puissante de 300 V, placée dans la boîte de vitesses, est utilisée pour faire démarrer l'ICE. La génératrice du moteur d'entraînement peut faire tourner l'ICE au régime de fonctionnement (800 tr/min) en seulement quelques centaines de millisecondes. La génératrice du moteur d'entraînement permet un démarrage quasi-instantané de l'ICE.
Les ordinateurs embarqués du véhicule déterminent la nécessité du fonctionnement de l'ICE. Certaines circonstances, normales pour le véhicule, forcent l'ICE à fonctionner :
•  La batterie de traction présente un niveau de charge faible.
•  Le capot est ouvert ou mal verrouillé.
•  L'ICE est nécessaire pour maintenir la température de la batterie de traction.
•  L'ICE doit tourner pour l'entretien.
•  Les températures ambiantes sont extrêmement basses.
Lorsque le capot est ouvert, l'ICE tourne sans s'arrêter. La batterie de traction n'est ni chargée ni déchargée à ce moment.
Certaines pannes de batterie de traction font fonctionner l'ICE sans arrêt.
Marche arrière
Lorsque le véhicule fait marche arrière, l'embrayage C1 est bloqué et le moteur d'entraînement MG1 tourne en sens inverse pour fournir le couple aux roues. En cas de besoin, le moteur thermique démarre, le moteur d'entraînement MG2 est utilisé pour fournir le courant nécessaire pour entraîner le moteur MG1.

Freinage régénératif

Lorsque le véhicule décélère ou freine, le module inverseur d'alimentation fait fonctionner le moteur d'entraînement électrique en mode génératrice. En fonctionnant comme une génératrice électrique, le moteur d'entraînement électrique exerce une charge sur la chaîne cinématique qui contribue à ralentir le véhicule. L'énergie électrique créée par le moteur d'entraînement électrique est transférée par le module inverseur à l'ensemble batterie de traction. Une communication constante entre le module inverseur et le module de commande électronique de frein permet le mélange de la force de freinage régénérative avec la force de freinage hydraulique.

Mode entretien

Le mode entretien est disponible pour l'entretien et le diagnostic ainsi que pour vérifier le fonctionnement du MIL. Il peut aussi être nécessaire lors de l'examen des émissions gazeuses. Le véhicule étant en position d'arrêt et la pédale de frein relâchée, il faut maintenir enfoncé le bouton POWER (alimentation) pendant plus 5 secondes pour placer le véhicule en mode entretien. Les instruments et les systèmes audio fonctionnent comme ils le font en position fonction/marche, mais le véhicule ne peut pas rouler. Le système de propulsion ne fonctionne pas en mode entretien.

Moteur thermique indisponible

Si le réservoir de carburant est vide ou si le module inverseur d'alimentation a détecté que l'ICE ne démarre pas suite à une panne, le véhicule continue à rouler en mode électrique.

Modes de maintenance

Mode de maintenance du moteur thermique
Le mode maintenance du moteur à combustion fait fonctionner le moteur thermique pour le maintenir en bon état de fonctionnement lorsque le véhicule a fonctionné uniquement en mode électrique pendant une période prolongée. Le mode maintenance du moteur à combustion fait fonctionner l'ICE, même si l'état de charge de la batterie de traction est suffisant pour faire fonctionner le véhicule en mode électrique.

Mode maintenance de carburant

Lorsque seul le mode électrique est utilisé pendant longtemps, un mode maintenance de carburant fait tourner l'ICE pour consommer le carburant ancien. L'ICE fonctionne jusqu'à ce que suffisamment de nouveau carburant  ait été ajouté ou qu'un niveau bas de carburant ait été détecté. Pendant le mode maintenance de carburant, l'ICE est mis en marche et arrêté.

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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'élément
• Le diagnostic des système
• 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 formé selon les normes françaises ne peuvent pas 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 peuvent pas intervenir sur ces véhicules.

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Exemple d’outillage approprié