Face à l’urgence climatique et à la nécessité de réduire la pollution atmosphérique, l’industrie automobile explore des solutions innovantes. Les véhicules hybrides, qui combinent un moteur thermique traditionnel et un moteur électrique, s’imposent comme une réponse concrète et efficace. Ils constituent une étape essentielle dans la transition vers une mobilité plus respectueuse de l’environnement, en diminuant significativement les émissions polluantes tout en préservant la polyvalence d’utilisation.

Fonctionnement et architectures des moteurs hybrides

La technologie hybride repose sur l’association intelligente d’un moteur thermique, fonctionnant à l’essence ou au diesel, et d’un moteur électrique. Ce dernier vient seconder, voire remplacer, le moteur thermique dans certaines phases de conduite, permettant ainsi d’optimiser la consommation de carburant et de réduire les émissions de gaz polluants. Plusieurs architectures de systèmes hybrides coexistent, chacune présentant des caractéristiques et des avantages spécifiques.

Architectures des systèmes hybrides

On distingue principalement trois architectures de systèmes hybrides.

Hybridation en série

Dans cette configuration, le moteur thermique n’entraîne pas directement les roues. Il agit uniquement comme un générateur, fournissant de l’électricité au moteur électrique, qui assure seul la propulsion du véhicule. Cette architecture est notamment utilisée dans certaines locomotives Diesel-électriques et a été explorée par des modèles comme la Chevrolet Volt (mentionnée dans Moteur Hybride), bien que ce modèle date de 2010.

Hybridation en parallèle

Il s’agit de l’architecture la plus répandue. Le moteur thermique et le moteur électrique peuvent tous deux entraîner les roues, soit simultanément, soit séparément. Un système de gestion électronique sophistiqué optimise la répartition de la puissance entre les deux moteurs en fonction des besoins. La Toyota Prius, pionnière dans le domaine, est un exemple emblématique de cette architecture, tout comme la Nissan Altima, comme indiqué sur La Voiture Hybride.

Hybridation à dérivation de puissance

Cette architecture combine les avantages des systèmes série et parallèle, offrant une grande flexibilité de fonctionnement. Le véhicule peut fonctionner en mode 100% électrique, mais une partie de la puissance du moteur thermique peut également être utilisée pour recharger la batterie ou alimenter directement le moteur électrique, comme expliqué sur Wikipédia.

Types de systèmes hybrides

Au-delà des architectures, on distingue différents types de systèmes hybrides, classés selon leur niveau d’électrification.

Micro-hybride

Il s’agit du niveau d’hybridation le plus élémentaire. Il se caractérise principalement par l’intégration d’un système Stop&Start évolué, qui coupe automatiquement le moteur thermique lors des arrêts temporaires (feux rouges, embouteillages), contribuant ainsi à une légère réduction de la consommation de carburant, comme le précise IFPEN.

Hybride léger (Mild Hybrid)

Ce système intègre un alterno-démarreur plus puissant qui apporte un complément de puissance au moteur thermique lors des phases de démarrage et d’accélération. Le moteur électrique ne peut cependant pas propulser seul le véhicule. La récupération d’énergie au freinage est également améliorée. La consommation baisse de 5 à 10% en ville (Renault Group).

Full Hybrid (HEV)

Ce système permet de rouler en mode 100% électrique sur de courtes distances (quelques kilomètres) et à basse vitesse, généralement en milieu urbain. Le moteur électrique peut entraîner seul les roues, offrant une conduite silencieuse et sans émissions locales. La batterie se recharge lors des phases de freinage et de décélération. La gamme Renault E-TECH, par exemple, utilise des boîtes de vitesses multimodes intelligentes pour optimiser la transition entre les modes de propulsion, permettant d’effectuer jusqu’à 80% des trajets urbains en mode électrique.

Hybride rechargeable (PHEV)

Ce système représente une étape supplémentaire vers le véhicule 100% électrique. Il est équipé d’une batterie de plus grande capacité, qui peut être rechargée sur une prise électrique domestique ou une borne de recharge publique. Cette recharge externe confère au véhicule une autonomie de plusieurs dizaines de kilomètres en mode tout électrique, le rendant particulièrement adapté aux trajets quotidiens. Pour les longs trajets, le véhicule fonctionne comme un hybride simple. L’IFPEN estime que les PHEV, comme la gamme Renault PHEV (Renault Group), peuvent réduire les émissions de CO2 de 50 à 90% en usage urbain, à condition que l’électricité utilisée pour la recharge provienne de sources bas carbone.

Fonctionnement optimisé au quotidien

Un véhicule hybride, qu’il soit HEV ou PHEV, utilise son moteur électrique pour assurer la propulsion, offrant ainsi la possibilité d’un roulage 100% électrique temporaire. Lors des démarrages et des phases de conduite à basse vitesse, le moteur électrique est privilégié, garantissant un fonctionnement silencieux, une grande réactivité et l’absence d’émissions polluantes locales. Un ordinateur de bord sophistiqué gère en temps réel l’utilisation des deux moteurs, optimisant ainsi le fonctionnement dynamique du véhicule, comme le souligne Planète Énergies.

Freinage régénératif

Le freinage régénératif constitue un atout majeur des véhicules hybrides. Il permet de récupérer une partie de l’énergie cinétique, habituellement dissipée sous forme de chaleur lors des freinages, et de la convertir en électricité. Cette électricité est ensuite stockée dans la batterie pour être réutilisée ultérieurement, contribuant ainsi à réduire la consommation de carburant.

Détection du ralentissement

Des capteurs électroniques détectent le relâchement de la pédale d’accélérateur ou l’action sur la pédale de frein, signalant ainsi une phase de ralentissement ou de freinage, comme l’explique lelectronique.com.

Conversion de l’énergie

Le moteur électrique fonctionne alors comme un générateur, convertissant le mouvement des roues en électricité. (lelectronique.com)

Stockage de l’énergie

L’électricité ainsi produite est dirigée vers la batterie, où elle est stockée pour une utilisation ultérieure, contribuant à la recharger. (lelectronique.com)

Optimisation du moteur thermique

Le moteur thermique d’un véhicule hybride est souvent de plus petite cylindrée et plus léger qu’un moteur thermique conventionnel. Il est conçu pour fonctionner dans sa plage de rendement optimal, c’est-à-dire la zone où il consomme le moins de carburant pour une puissance donnée.

Cycle Atkinson

De nombreux moteurs hybrides utilisent le cycle d’Atkinson, une variante du cycle de Beau de Rochas (cycle à quatre temps). Ce cycle thermodynamique favorise le rendement au détriment de la puissance maximale. L’assistance du moteur électrique permet de compenser ce déficit de puissance lorsque nécessaire, comme l’explique HowStuffWorks.

Autres optimisations

Outre le cycle Atkinson, d’autres optimisations sont mises en œuvre, telles que la réduction des frottements internes, l’utilisation de matériaux légers et l’amélioration de l’aérodynamique du véhicule, contribuant à une meilleure efficacité globale. (HowStuffWorks)

Évolution de l’hybridation

L’hybridation ne se limite pas aux voitures particulières. Elle a d’abord été utilisée dans les locomotives diesel-électriques, puis s’est étendue aux bus, camions, et même aux engins de chantier. On trouve aussi des applications dans le domaine maritime (certains navires hybrides combinent voiles et moteurs, comme le mentionne Wikipédia) et aéronautique (avions hybrides combinant piles à combustible et batteries).

Exemples d’approches spécifiques

Certains constructeurs développent des systèmes hybrides originaux.

Nissan e-POWER

Le système e-POWER de Nissan se distingue par son architecture : le moteur thermique ne sert que de générateur, les roues étant exclusivement entraînées par le moteur électrique. Cette approche permet d’optimiser le fonctionnement du moteur thermique et de réduire le bruit, offrant une expérience de conduite proche d’un véhicule électrique.

Stratégie multi-technologique de Toyota

Toyota, pionnier de l’hybridation avec la Prius, adopte une stratégie multi-technologique. L’hybride y occupe une place centrale, aux côtés des véhicules électriques à batterie et à pile à combustible, afin de répondre aux divers besoins des consommateurs et de réduire les émissions de CO2.

Défis, avancées et avenir de la technologie hybride

La technologie hybride, bien que mature, continue de faire face à des défis et de connaître des avancées significatives.

Défis et améliorations

Les principaux défis concernent les batteries : il est nécessaire d’augmenter leur densité énergétique (pour une plus grande autonomie), de réduire leur coût et d’améliorer leur sécurité, comme le souligne l’IFPEN. La gestion complexe de l’énergie, du freinage régénératif, de la climatisation et de la recharge nécessite des logiciels embarqués sophistiqués. Les coûts des composants électriques (moteur, électronique de puissance) et des systèmes de transmission combinant les deux motorisations constituent également un enjeu économique.

Avancées technologiques

Des avancées sont en cours dans le domaine des batteries, avec la recherche sur les batteries solides, qui promettent une densité énergétique supérieure, une meilleure sécurité et des temps de recharge réduits. L’électronique de puissance, qui gère les flux d’énergie entre la batterie et le moteur électrique, bénéficie également d’améliorations constantes, avec des composants plus compacts, plus efficaces et plus fiables.

Hybrides et véhicules 100% électriques

Il est utile de comparer les véhicules hybrides (HEV et PHEV) aux véhicules 100% électriques (BEV). Les BEV offrent une conduite zéro émission et un fonctionnement silencieux, mais leur autonomie reste limitée et le temps de recharge peut être long. Les HEV et PHEV, en revanche, combinent les avantages des deux mondes : l’autonomie et la polyvalence d’un moteur thermique, et l’efficacité et le silence d’un moteur électrique, avec une autonomie électrique plus ou moins importante selon le type d’hybridation. Les PHEV, en particulier, se rapprochent des BEV en termes d’usage quotidien, tout en conservant la possibilité d’effectuer de longs trajets sans contrainte de recharge.

Rôle des carburants synthétiques

L’avenir des moteurs hybrides pourrait également être influencé par le développement des carburants synthétiques (e-fuels). Ces carburants, produits à partir de sources renouvelables (électricité verte, biomasse), pourraient permettre de réduire considérablement l’empreinte carbone des véhicules hybrides, en rendant leur moteur thermique neutre en émissions de CO2.

Conclusion : un avenir prometteur

Les moteurs hybrides représentent une technologie éprouvée et en constante évolution. Grâce aux progrès continus dans le domaine des batteries, de l’électronique de puissance et de la gestion de l’énergie, les véhicules hybrides sont appelés à jouer un rôle majeur dans la transition vers une mobilité plus durable. L’hybridation, par sa polyvalence et sa capacité d’adaptation, s’impose comme un complément essentiel aux véhicules 100% électriques, contribuant à réduire significativement l’empreinte carbone du secteur automobile. L’avenir se dessine comme un mix énergétique diversifié, où l’hybride occupera une place de choix.