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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La boite de vitesses

 

 

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 dans un système 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'ils alimentent. Ex :  compresseur de climatisation, résistance de chauffage, etc..

Le système ActiveHybrid fait partie de cette dernière versions d'hybride ce qui lui permet une réduction de la consommation et des émissions d'environ 20%.

La technologie ActiveHybrid permet de rouler soit :
• en tout électrique,
• avec le seul moteur thermique
• en associant les deux modes de propulsion.
Rouler en mode électrique sans émettre de CO2 est possible jusqu'à une vitesse de 60 km/h. Le moteur thermique est mis en route en fonction de la charge requise et automatiquement mis en veille en décélération à des vitesses inférieures à 65 km/h. 

Le système d'entraînement de l'ActiveHybrid se compose (par exemple) : 
• d'un V8 Turbo débitant une puissance de 300 kW (407 ch)
• et de deux moteurs électriques délivrant respectivement 67 kW (91 ch) et 63 kW (86 ch).
 La puissance maximale du système que le conducteur peut solliciter est de 357 kW (485 ch) pour un couple culminant à 780 Newtons-mètres.

Au freinage et en décélération, l'énergie cinétique est convertie en énergie électrique qui est stockée dans la batterie de traction. 
À cet effet, un des deux moteurs électriques ou bien, en fonction de la situation de conduite, les deux, font office de générateur. La puissance de récupération du système est de 25 fois supérieure à celle obtenue sur des hybrides parallèles conventionnels.

Les situations de conduite

Chaque état peut être réparti en quatre phases :
1) Accélération : à l'arrêt, la gestion électronique du moteur et de la transmission obtient la puissance par la batterie de traction afin de mettre le véhicule en mouvement. Dans cette phase, le véhicule accélère en mode entièrement électrique. 
2) Conduite : à partir d'une certaine vitesse, le moteur électrique atteint sa limite de puissance et de régime et la propulsion s'effectue alors par le moteur à combustion interne.
3) Dépassement : lors d'un dépassement ou d'une accélération soudaine, le moteur électrique et le moteur thermique tournent ensemble afin de mettre, au total, une puissance plus élevée à disposition.
4) Freinage : lors d'un freinage, celui-ci s'effectue en premier lieu en mode électrique (récupératif). Si la décélération au freinage n'est pas suffisante, le freinage s'effectue également avec le frein hydraulique. Pendant un freinage électrique, le moteur électrique fonctionne en générateur et transforme une partie de l'énergie de freinage en énergie électrique qui est ensuite stockée dans la batterie de traction.

La fonction démarrage / arrêt (stop and start)
• Si le véhicule est arrêté et que le moteur thermique a atteint sa température de "fonctionnement", à un feu rouge par exemple, le moteur thermique est coupé (éteint). Cela entraîne une réduction de l'émission de CO2 et de la consommation de carburant.
• À l'arrêt, également, la batterie de traction alimente la climatisation, l'éclairage du véhicule, etc. Au cas où le niveau de charge de la batterie de traction ne serait pas suffisant, le moteur thermique démarre afin de recharger la batterie de traction par le moteur électrique et maintenir une énergie électrique suffisante.
• Si le véhicule est proche de s'arrêter, le moteur thermique est déjà coupé (à une certaine vitesse) pendant le freinage, avant l'arrêt complet du véhicule.

Le démarrage (premier tour de roue)
• Au démarrage, le couple élevé du moteur électrique est utilisé, seuls les moteurs électriques entraînent le véhicule et ce, avec l'énergie de la batterie de traction. Le moteur thermique reste arrêté (s'il a atteint sa température de "fonctionnement").

 La conduite
• Pendant la conduite, le moteur thermique et le moteur électrique tournent à différents pourcentages selon la vitesse et selon le niveau de charge de la batterie.
En petite jusqu'à moyenne vitesse, le moteur thermique ne fonctionne pas dans sa plage idéale. En revanche, le moteur électrique assure son couple maximum.
Par conséquent (si le niveau de charge de la batterie de traction est suffisant) c'est le moteur électrique qui entraîne seul le véhicule. Le moteur thermique est allumé uniquement lorsque le niveau de charge de la batterie de traction est faible, afin de la recharger.
Lors d'une conduite à une vitesse élevée, le moteur thermique fonctionne à un rendement idéal. Dans cette plage de puissance, le moteur électrique nécessiterait trop d'énergie, c'est pourquoi la traction est effectuée en grande partie par le moteur à combustion interne. Lorsque le niveau de charge de la batterie de traction est faible, une partie de la puissance du moteur thermique est utilisée afin de recharger la batterie de traction par le moteur électrique.

L'accélération (fonction Boost)
• Lors d'une forte accélération, au démarrage, dans les pentes ou lors de dépassements, une énergie supplémentaire peut être délivrée par le moteur électrique (si le niveau de charge de la batterie de traction est suffisant) en tant qu'énergie d'entraînement. C'est ce que l'on appelle la fonction Boost. Les puissances combinées du moteur thermique et des moteurs électriques permettent d'obtenir une dynamique de puissance et une forte accélération comme sur les véhicules équipés d'une motorisation plus puissante.

Le freinage
• L'un des avantages essentiels des propulsions hybrides est l'utilisation de l'énergie cinétique qui se libère dans les descentes ou lors du freinage. C'est ce que l'on appelle la récupération ou le freinage récupératif. Au lieu de transformer l'énergie libérée sur les freins en énergie calorifique, celle-ci est transformée en énergie électrique par le moteur électrique qui fonctionne alors en générateur et stocke l'énergie dans la batterie de traction.

Les composants clés de ce système
La batterie de traction
 

La batterie utilisée est de type Ni-MH.
Chaque élément de batterie libère une tension nominale de 1,2 volt. La densité énergétique d'une batterie Ni-MH est d'environ 80 Wh/kg.
Le point fort de cette technologie est sa capacité à libérer une grande quantité d'énergie électrique en un court laps de temps. 
La batterie Ni-MH est très sensible :
• à la surcharge,
• à la décharge profonde,
• à la température.
Pour la gérer, il est donc nécessaire d'avoir recours à une électronique.

Les moteurs électriques
Les moteurs utilisés sont de type alternatif triphasé.
Les moteurs à courant triphasé sont des convertisseurs électromécaniques qui peuvent avoir la fonction d'un moteur électrique ou d'un générateur.
C'est-à-dire qu'ils consomment du courant en phase moteur (pour faire avancer le véhicule) et ils produisent du courant en phase générateur (lorsque que l'inertie fait avancer le véhicule ou lors d'un freinage par exemple).
Les moteurs sont de type synchrone et offrent ainsi un couple élevé à bas régime dès les premiers tours de roues.

 
L'électronique de puissance
 

 

 
 L'électronique de puissance est la désignation des composants électroniques dont la fonction est de commuter, commander et de transformer l'énergie électrique. Les composants et les commutations de l'électronique de puissance peuvent commuter des tensions et des courants très élevés (supérieurs à 600 V et à 1200 A).

Fonctionnement de la chaîne de traction
Implantation des moteurs électriques dans la transmission
 

 

Les différentes phases de fonctionnement
Mode ECVT 1
Purement électrique
Ce mode avec démultiplication variable (mode ECVT 1) est conçu pour les faibles vitesses et le couple maximum de traction. Dans ce mode, le véhicule peut être entraîné :
• uniquement par le moteur électrique B,
• uniquement par le moteur à combustion,
• par le moteur électrique B et le moteur à combustion.
 

Pour la réalisation du mode ECVT 1, seul l'embrayage à disques multiples 1 dans la boîte de vitesses active est fermé, tous les autres sont ouverts.
Lors de la propulsion purement électrique, le moteur électrique A tourne aussi, à savoir sans charge, dans le sens opposé au moteur électrique B. L'arbre primaire de boîte de vitesses et ainsi le moteur à combustion sont immobiles.

Mode combiné
En cas de propulsion combinée avec le moteur à combustion et le moteur électrique B, la puissance du moteur à combustion est divisée en deux parties. On pourrait dire aussi que la puissance du moteur à combustion se « ramifie ». De là vient le terme « propulsion hybride à répartition de puissance».
Les deux parts sont :
• une part mécanique, qui sert directement à la propulsion du véhicule,
• une part électrique, parce que le moteur électrique A travaille comme génératrice et produit de l'énergie électrique.
 

L'énergie électrique générée peut être accumulée en partie ou intégralement dans la batterie haut voltage. Le moteur électrique B absorbe, en tant que moteur électrique, de l'énergie. Elle provient intégralement ou en partie du moteur électrique A ou de la batterie haut voltage. L'importance des différentes quantités d'énergie dépend d'un grand nombre de facteurs et elles sont recalculées et réglées à chaque moment par l'appareil de commande Master Hybride.

Cette chaîne cinématique électrique est caractérisée par le fait que le moteur à combustion produit à l'aide d'une génératrice de l'énergie électrique qui est utilisée intégralement ou en partie par un moteur électrique pour la propulsion. Cette chaîne cinématique électrique correspond dans sa disposition à celle d'une propulsion hybride série.

Mode ECVT 2
Contrairement au premier, le mode ECVT 2 est conçu pour les vitesses plus élevées. En mode ECVT 2 on peut aussi bien rouler en tout électrique qu'avec le moteur à combustion allumé.
Les moteurs électriques peuvent assister le moteur à combustion ou être utilisés pour charger la batterie haut voltage. De façon analogue au premier mode ECVT, un moteur électrique est typiquement utilisé comme moteur (ici le moteur électrique A) et l'autre comme génératrice (ici le moteur électrique B).
En mode ECVT 2, l'embrayage à disques multiples 2 est fermé, mais tous les autres sont ouverts.
 

 Rapports de base fixes
À la différence des deux modes ECVT, les rapports fixes de la boîte de vitesses active se distinguent par un rapport de démultiplication fixe de l'arbre primaire de boîte de vitesses à l'arbre de sortie de boîte de vitesses. Un changement de régime du moteur à combustion se traduit donc dans la mesure par un changement de vitesse du véhicule.

Comparés aux modes ECVT, les rapports fixes présentent l'avantage de supprimer la double transformation de l'énergie en propulsion électrique. La production d'énergie électrique par un moteur électrique et l'exploitation de l'énergie électrique par le deuxième moteur électrique est en effet liée à des pertes.

Dans tous les rapports fixes (à l'exception du rapport quatre), les moteurs électriques peuvent :
• tourner sans charge,
• être utilisés comme moteur pour assister le moteur à combustion, 
• être utilisés comme génératrice pour charger la batterie haut voltage.
Exception : dans le rapport fixe quatre, le moteur électrique B est à l'arrêt de sorte que seul le moteur électrique A peut être utilisé.
Si on oublie les différentes démultiplications dans les rapports fixes, la boîte de vitesses active se comporte comme si les moteurs électriques et le moteur à combustion étaient montés sur le même arbre. Cette disposition correspond exactement à celle d'une propulsion hybride parallèle.

Pas de transmission de force
Étant donné qu'il n'y a pas d'embrayage entre le moteur à combustion et la boîte de vitesses active, la boîte de vitesses active doit présenter un état dans lequel il n'y a pas de transmission de force entre l'arbre primaire de boîte de vitesses et l'arbre de sortie de boîte de vitesses. Le moteur à combustion peut ainsi par exemple tourner librement sans que le véhicule ne se déplace. À l'inverse le véhicule peut rouler librement sans que le couple soit fourni ou supporté par le moteur.
On obtient l'état « pas de transmission de force » par l'ouverture des quatre embrayages à disques multiples.

Quand le moteur à combustion tourne, les moteurs électriques tournent sans charge et ne sont donc pas utilisés comme générateur ou comme moteur. À partir du régime moteur à combustion de 4000 tr/min, les moteurs électriques atteindraient des régimes pour lesquels ils ne sont pas conçus. C'est pourquoi le régime du moteur à combustion est régulé électroniquement à une valeur inférieure à 4000 tr/min.

Conclusion :
Les flux d'énergie peuvent être pilotés de façon à ce que la batterie haut voltage soit chargée (hausse du point de charge du moteur à combustion) ou déchargée (assistance du moteur à combustion). La stratégie de fonctionnement règle les flux d'énergie en vue du rendement global le meilleur possible.
 

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Méthodes et pratiques

Les techniciens intervenant sur les véhicules hybrides série parallèle 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