Une immersion dans l’environnement High-Tech des alternatives hybrides de propulsion.
Les technologies de motorisation alternatives au moteur 100% thermique apparaissent très tôt sur le marché de l’automobile. Les premières tentatives datent du 19ᵉ siècle, avec la voiture hybride électrique présentée par le fabricant belge Pieper en 1899 par exemple. Toutefois, ce n’est que depuis une quinzaine d’années que celle-ci recouvre un intérêt progressif auprès des OEM , à la faveur d’une mobilité plus « durable ». De récentes études révèlent toutefois une certaine méconnaissance du public face à ces alternatives. D’autres, de nature plus technique, mitigent les vertus écologiques affichées par les constructeurs qui doivent repenser la filière dans son ensemble sous contrainte énergétique.
L’hybridation
[hubspot type=form portal=25165866 id=56e1d601-5c3b-4f06-8ac4-af2d2d4a08b9]
La voiture hybride est un véhicule à moteur qui embarque deux types d’énergie pour se déplacer, dont l’une est électrique. L’architecture la plus courante allie un moteur électrique avec un moteur thermique à combustion interne, généralement à essence (mais pas exclusivement). L’hybridation répond dès lors à deux objectifs principaux : d’une part la diminution de la consommation de carburants fossiles émetteurs de GES et, d’autre part, l’optimisation du rendement énergétique ainsi que la réduction des coût d’exploitation du véhicule.
Les niveaux d’hybridation parallèle
L’hybridation légère ou Mild Hybrid Electrical Vehicle (MHEV)
Il s’agit du niveau faible d’hybridation. Le moteur à combustion fonctionne en permanence, sauf à l’arrêt. Quant au moteur électrique, il récupère l’énergie cinétique du freinage (freinage régénératif) et fonctionne alors comme un générateur de puissance d’appoint aux démarrages et aux reprises de vitesse du véhicule, deux régimes consommateurs en énergie.
L’hybridation classique ou Full Hybrid Electrical Vehicle (FHEV)
C’est le niveau d’hybridation total, catégorie historique des modèles développés par Toyota et lancés en 1997. L’hybridation classique permet une propulsion du véhicule par une gestion complexe de la transmission et renforce ainsi la synergie des deux moteurs en fonction du régime de vitesse. Le pourcentage d’utilisation en mode « tout électrique » dépend toutefois de la capacité de la batterie ainsi que de son autonomie. Comme l’hybridation légère, les modèles classiques ne nécessitent aucune recharge extérieure.
Crédits : afdc.ernergy.gov
L’hybridation rechargeable ou Plug-In Hybrid Electrical Vehicle (PHEV)
Le véhicule hybride rechargeable (PHEV) est propulsé par un moteur à essence et un moteur électrique, à l’instar de ses cousins hybrides classiques. Sa batterie embarquée est toutefois beaucoup plus importante et peut se recharger à l’aide d’une source externe ainsi que, dans une moindre mesure, par le freinage régénératif. Une voiture hybride rechargeable se comporte dès lors comme un véhicule totalement électrique (BEV) tant que la batterie alimente suffisamment le système de traction électrique. Le bloc thermique reprend vie lorsque la batterie s’épuise au-delà d’un certain seuil, ce qui permet au véhicule de rouler sans interruption.
L’hybridation en série
L’hybridation rechargeable à prolongateur d’autonomie ou Extended-range Electric Vehicle (E-REV)
Le véhicule hybride à autonomie étendue est un modèle de propulsion « tout électrique », dont la puissance motrice est fournie par un moteur électrique. Il se distingue de ses cousins BEV par son moteur à combustion supplémentaire d’appoint. Lorsque la batterie atteint son seuil de charge critique, le moteur à combustion interne est alors activé et alimente par générateur interposé le moteur électrique et/ou recharge la batterie. Cette disposition permet ainsi de surmonter la limitation de l’autonomie inhérente à un véhicule hybride classique ou hybride rechargeable.
Focus sur les batteries en hybridation parallèle
Les questions de l’autonomie et de la recharge des batteries Lithium-ion polymères sont complexes et multifactorielles. Elles tournent essentiellement autour des différents modes et attitudes de conduite, de leurs caractéristiques électrochimiques intrinsèques de leurs composants et de la puissance de recharge appliquée. Pour commencer, disons ceci :
- Les batteries des véhicules rechargeables ont une capacité de charge de 7 à 13 fois supérieures à leurs cousines embarquées dans l’hybridation classique
- Leur utilisation en mode « tout électrique » dépasse difficilement les 40km de distance parcourue
- Elles diminuent sensiblement la consommation de carburant fossile, les émissions de GES et le bruit du moteur thermique sur les courtes distances
- La puissance de charge – issue d’une borne dédiée ou d’une prise secteur – influence directement sur les cycles et les coûts de recharge.
Autonomie des batteries Plug-in-Hybrides
À l’instar des modèles thermiques standards, la transformation en énergie cinétique d’un véhicule rechargeable dépend des facteurs physiques auxquels il est soumis (sa masse, son aérodynamisme, les conditions de route, la température extérieure, etc.) Par analogie, grimper le Cervin à -4o ou se balader sur les plages du lac Léman au printemps n’implique pas le même « effort » physique. La consommation du véhicule témoigne de cet effort et influence ainsi directement sur l’autonomie de la batterie. Les tests en conditions réelles de conduite réalisés par le TCS en 2016 nous donnent quelques ordres de grandeur utiles : pour tous les modèles analysés, les valeurs de consommation en mode « tout électrique » oscillent entre 11,6 et 15,1 kWh/heure pour une distance maximale qui s’étend entre 40 et 43km à 20 Celsius. L’illustration ci-dessous nous aide à mieux comprendre la gestion de l’hybridation rechargeable :
Credits: Song, P.; Lei, Y.; Fu, Y. – Multi-Objective Optimization and Matching of Power Source for PHEV Based on Genetic Algorithm. Energies 2020, 13, 1127. https://doi.org/10.3390/en13051127
La même étude observe qu’une fois la puissance maximale de la batterie épuisée, celle-ci cesse d’alimenter le moteur électrique et son homologue thermique est rapidement sollicité pour une prise en charge totale de la propulsion. Elle conclue enfin que la vertu énergétique de l’hybridation parallèle s’applique avant tout aux courtes distances, mais se détériore dès le mode « tout thermique » enclenché.
Recharge d’une batterie Plug-in Hybride
Deux méthodes de recharge sont possibles pour les modèles Plug-in Hybrides. La première consiste à brancher le véhicule à une simple prise domestique, l’autre via une connexion murale dédiée de type Wallbox. La différence réside dans la puissance de charge délivrée à la sortie du dispositif électrique, influant ainsi sur le temps de recharge et l’autonomie de la batterie Lithium-Ion.
Dans le cas d’une connexion sur le courant secteur domestique, il faut compter plus de 6 heures de recharge, la capacité de l’alimentation n’excédant généralement pas les 2kW. Raison pour laquelle il est de plus en plus courant de recourir aux installations à plus forte puissance de charge. A titre d’exemple, voici quelques valeurs illustrant les rapports entre la puissance de charge de l’alimentation et l’autonomie électrique dégagée pour deux segments populaires de véhicules :
Puissance de recharge de type wallbox | Autonomie avec 1h de recharge – citadine | Autonomie avec 1h de recharge – berline | ||
2.2 kW | 10 km | 7 km | ||
3.7 kW | 25 km | 15 km | ||
7.4 kW | 50 km | 25 km |
Ainsi, pour calculer le temps de charge complète pour un PHEV (ou pour tout autre véhicule BEV), il suffit de prendre sa capacité de stockage (mesurée en kWh) et de la diviser par la puissance de l’alimentation (exprimée en kW). Pour en savoir plus, téléchargez notre Apperçu des performances électriques par modèles, disponible ci-dessous.
Réduction des GES et véhicules Plug-in Hybrides, un couple impossible ?
En Suisse, les voitures individuelles sont responsables de près de 24 % des émissions de CO2 . Et autant dire que le sujet des modèles hybrides divise. En effet, les méthodes de calcul diffèrent en fonction des approches retenues par les industriels d’un côté, et les autorités régulatrices de l’autre. Les données observées en conduite réelle semblent dévoiler un tout autre narratif que celui issu des protocoles de laboratoire ; et ce à plus forte raison depuis l’introduction de la norme WLTP en 2017, adoptée par tous les états membres de l’Union Européenne, Suisse y compris. Mais si les nouvelles normes établissent une réalité des émissions de GES plus factuelle par véhicule, il n’existe actuellement aucune modélisation propre à la flotte hybride rechargeable en tenant compte du cycle de vie complet des véhicules à l’échelle du pays:
- La norme NEDC (New European Driving Cycle) encadre les tests effectués en laboratoire, en vigueur depuis 1992
- La norme WLPT (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures), appliquée dès 2017, est un cycle d’homologation avec deux fois plus de phases et avec une vitesse maximale supérieure à la NEDC
- La norme RDE (Real Driving Emission) est un test sur route et en condition de conduite réelle, contrairement au WLPT qui reste un cycle théorique
Une étude menée aux États-Unis nous présente toutefois une vue d’ensemble sur la répartition des émissions de CO2 par catégorie et par scenarii de mix énergétique :
Credits: Constantine Samaras, Kyle Meisterling, Environmental Science & Technology, American Chemical Society, 2008, https://bit.ly/3DWXIZY
Émissions de GES sur le cycle de vie (g CO2-eq/km) des véhicules conventionnels (ICE), des véhicules électriques hybrides (HEV) et des véhicules hybrides rechargeables (PHEV) ayant une autonomie de 30, 60 ou 90 km. L’intensité des GES du cycle de vie de l’électricité est de 670 g CO2-eq/kWh (186 g/MJ ; scénario moyen américain). Les écarts d’incertitude représentent les changements dans les émissions totales selon les scenarii d’électricité à forte intensité de carbone (950 g CO2-eq/kWh) ou à faible intensité de carbone (200 g CO2e/kWh).
L’étude américaine révèle que les réductions des émissions de GES avec les PHEVs sont directement conditionnées par la teneur en dioxyde de carbone du mix énergétique local. Elle évalue ainsi une réduction possible de 32 % d’émission par rapport aux véhicules conventionnels tout en établissant une différence négligeable avec les autres types d’hybridation. Le document confirme, en outre, la composante importante des émissions GES associés aux matériaux et à la production des batteries au lithium-ion. Ils représenteraient à eux seuls de 2 à 5 % des émissions durant le cycle de vie des PHEVs.
Les coûts d’exploitation (total cost of ownership ou TCO) des véhicules hybrides
Les coûts d’exploitation d’un modèle hybride sont complexes à déterminer. Bien qu’une partie d’entre eux relève de facteurs d’influence similaires aux véhicules thermiques (prix d’achat, rabais, frais d’entretien, kilométrage, etc.), d’autres sont corrélatifs à l’optimisation des différentes architectures de propulsion. S’ajoute une analyse poussée produite par l’équipe d’experts du 26e symposium international sur les véhicules électriques (EVS26) en 2020. Celle-ci plaide également en faveur des modèles Plug-in Hybrides. Le rapport conclut : « […] en comparant différentes données relatives aux kilométrages annuels, les véhicules hybrides rechargeables semblent être une option favorable pour un large éventail de clients ». Le graphique ci-dessous illustre cet énoncé.
Credits: Bernd Propfe, Martin Redelbach, Danilo. Santini, Horst Friedrich, Cost analysis of Plug-in Hybrid Electric Vehicles including Maintenance & Repair Costs and Resale Values, 2020, https://bit.ly/2YWOyxh
Ici, les analystes agrègent l’ensemble des coûts induits dans le cycle de vie d’un véhicule thermique et le compare aux résultats obtenus pour un modèle électrique. Cette comparaison témoigne d’une augmentation du prix d’achat en fonction du niveau d’électrification – principalement en raison du coût élevé de la batterie, qui représente à elle seule un tiers du coût total de production – coût toutefois compensé par l’exploitation de la chaîne de propulsion électrifiée. Ceci est particulièrement vrai pour le coût de l’énergie finale qui peut être réduit jusqu’à 69 % dans ce cas de figure. À cela s’ajoute la diminution des services et de l’entretien du véhicule électrique qui ne nécessite, par exemple, aucune vidange d’huile moteur et ménage les freins par la récupération d’énergie destinée à la recharge.
Des modes alternatifs de propulsion conçus sous la contrainte énergétique… et politique
Les modèles hybrides et plug-in hybrides sont systématiquement classés par les constructeurs dans les véhicules électriques indépendamment de la part électrique effective au sein du dispositif de propulsion. D’aucuns pourraient voir ici une contorsion rhétorique du secteur automobile face aux lois de la physique, puisque, dans le cas d’un MHEV par exemple, l’essentiel de l’alimentation résulte de la combustion d’hydrocarbures.
C’est d’ailleurs ce que martèle l’Étude comparative de l’impact carbone de l’offre de véhicule produite en 2020 par le think tank français The Shift Project qui milite pour une décarbonation de l’économie : « Au-delà d’une certaine distance parcourue sans recharger la batterie, tout se passe comme si la voiture hybride rechargeable était une voiture n’utilisant que le vecteur thermique. »
Si les coûts d’exploitation plaident en faveur des véhicules électriques rechargeables, il n’en demeure pas moins impératif de renforcer des mécanismes privilégiant une recharge régulière et un usage maximal en cycle de travail sur batterie. Les incitations fiscales sur l’électricité consommée et la taxe à l’usage des combustibles fossiles au sein des entreprises détentrices de parcs automobiles en est un exemple parmi d’autres. L’enjeu s’avère désormais énorme, surtout si l’on souhaite respecter les engagements de réduction des GES plébiscités par l’exécutif du pays dans sa nouvelle stratégie énergétique et son objectif de neutralité carbone d’ici 2050.
Navigas mobility – votre partenaire de confiance en mobilité électrique
Nous sommes une start-up spécialisée dans la souscription automobile pour les personnes privées et professionnelles. Grâce à notre réseau de partenaires étendu, nous sommes en mesure de développer des solutions personnalisées de parc automobile pour entreprise, du conseil et de la planification de projets à la réalisation de concepts de mobilité complets.
[1] Stade finale de l’énergie restituée au consommateur
Auteur:
Marc Brusatin
Spécialiste en marketing avec Brevet Fédéral
+41 41 780 31 33