Une voiture hybride est une voiture qui possède deux types de motorisation, à savoir essence et électrique le plus souvent (on trouve aussi des gazole + électrique, mais c’est beaucoup plus rare).
Leur fonctionnement, et surtout leur raison d’exister est un peu particulier : malgré une complexité et un poids à vide plus importants, elles sont plus économies en carburant.
Pour une voiture hybride « simple » (non rechargeable, donc) l’énergie primaire reste exclusivement de l’essence. Si vous êtes dans une phase électrique, il s’agit uniquement d’énergie thermique récupérée et convertie en énergie électrique. Pourtant, ces voitures consomment 20 à 30 % de carburant en moins qu’une voiture à essence équivalente.
Si l’énergie provient uniquement de l’essence dans tous les cas de figure, comment consomment-elles moins ? D’où vient cette sobriété ?
Comment fonctionne une voiture hybride ?
Fonctionnement
Le fonctionnement est relativement simple : au lieu d’avoir un moteur thermique, ou un moteur électrique, la voiture hybride possède les deux.
Une boite de vitesse ainsi qu’un convertisseur, couplé à l’ordinateur de bord s’occupe de distribuer l’énergie :
- soit du moteur électrique vers les roues
- soit du moteur thermique vers les roues
- soit des deux moteurs vers les roues
- soit du moteur thermique vers le moteur électrique (puis vers la batterie)
- soit des roues vers le moteur électrique (puis vers la batterie)
- soit des roues et du moteur thermique vers le moteur électrique (puis vers la batterie)
Et c’est à peu près tout. La raison de toutes ces possibilités est une question d’efficience, c’est à dire de la meilleur utilisation possible de l’énergie à disposition (essence, batterie, mais aussi vitesse de la voiture, connaissance du trajet en cours, etc.).
En effet, les moteurs électrique et les batteries permettent quelque chose de fondamental qu’un moteur thermique est incapable de faire : récupérer de l’énergie.
L’énergie à récupérer est de l’énergie qui serait autrement perdue, par exemple par échauffement et usure des plaquettes de frein. Cette énergie peut être stockée dans la batterie puis être réemployée plus tard.
Et de l’énergie autrement perdue… il y en a beaucoup ! Rien que lors des freinages et des descentes, les pertes vont de 5 % (sur l’autoroute et sur le plat) à 30 % (en ville ou en montagne). Imaginez, si votre voiture consommait entre 5 et 30 % de moins. Ça serait bien non ?
Et bien, et une hybride permet cela.
Comment ? Grâce à quelques astuces simples.
Astuce 1 : une meilleure gestion de la puissance du moteur
Quand il s’agit de se déplacer en voiture, le but est de parcourir une distance maximale avec une quantité de carburant minimale.
Une façon d’y parvenir, c’est de le faire tourner à un régime moteur adapté.
Le moteur thermique, par son fonctionnement même, est efficace si plusieurs facteurs sont réunis :
- le moteur ne doit pas tourner trop vite : moins de tours, c’est moins de cycles moteur, et donc moins de carburant injecté ;
- le couple moteur doit correspond au besoin : s’il produit trop, une partie de l’énergie est perdue ;
- les moteurs thermiques fonctionnent le mieux à un régime moteur donné (typiquement autour de 1 500 tours par minute). C’est là où les cycles de compression/décompression des gaz sont les plus efficaces pour le type de moteur utilisé.
En pratique, que l’on roule en ville, sur route ou sur autoroute, le moteur ne tourne jamais exactement à son point le plus sobre. En ville, la vitesse est basse et le moteur gaspille de la puissance. Sur autoroute, il tourne trop vite et gaspille de la puissance également :
Le véhicule hybride est muni, en plus d’un moteur thermique, d’un moteur électrique d’appoint. L’avantage du moteur électrique, c’est qu’il peut tourner à n’importe quelle vitesse avec un très bon rendement. Le moteur électrique a une très large place de régime optimal. Il peut aussi tourner en moteur régénérateur.
Si l’on imagine maintenant que le moteur thermique soit à son régime idéal lorsque la voiture roule à 80 km/h, alors le moteur produit juste ce qu’il faut et ne gaspille rien quand on roule à cette vitesse.
Si l’on roule à une vitesse différente (que ce soit plus vite, mais aussi plus lentement), le moteur est hors régime idéal et la consommation au 100 km grimpe :
Dans une hybride maintenant, le moteur thermique tourne constamment comme s’il était à son régime le plus efficace. Résultat, on se trouve beaucoup plus proche de la zone d’efficience :
Si la voiture roule à 90 km/h, le complément de puissance nécessaire sera fourni par le moteur électrique. Si la voiture roule à moins de 80 km/h, alors le surplus de couple moteur entraîne le moteur électrique comme une dynamo pour recharger la batterie. En effet, il est alors plus rentable de produire davantage et de stocker l’excédent que de faire tourner le moteur moins vite :
Maintenant deux questions se posent :
- Que se passe-t-il si l’on roule lentement et que la batterie atteint 100 % ?
- Que se passe-t-il si on roule vite et que la batterie est à 0 % ?
Dans le premier cas, l’ordinateur de bord va couper le moteur essence et fonctionner uniquement sur l’électrique : la voiture ne consomme alors rien et il utilise l’excédent d’énergie stocké un peu plus tôt.
On roule alors exclusivement sur de l’énergie qui serait autrement perdue sur une voiture thermique (non-hybride).
Dans le second cas, le moteur thermique n’a pas le choix : il doit tourner davantage, car on veut rouler plus vite. On consommera plus de carburant, mais c’est ce qui arrive si l’on roule plus vite. Une fois que la batterie est chargée, on retourne en mode hybride ou électrique.
Tout ceci est contrôlé par l’ordinateur de bord. Les véhicules les plus modernes permettent même de s’adapter à votre style de conduite pour anticiper les changements de régime à opérer. Aussi, ceci est possible, car les voitures hybrides sont pratiquement toujours munies de boîtes de vitesse automatiques.
Exemple numérique
Quand on roule à basse vitesse (30-50 km/h) avec une voiture traditionnelle (non-hybride), le moteur thermique consomme normalement : les cycles moteurs sont identiques qu’à 80 km/h. Mais comme on doit rouler plus longtemps pour faire nos 100 km de référence, la consommation rapportée au 100 km devient plus importante. C’est pour cette raison qu’un véhicule thermique consommera 7 ou 8 litres au 100 km en ville, mais seulement 5 à 6 sur route.
Ce n’est pas parce qu’il tourne plus vite à basse vitesse : c’est juste qu’il tourne plus longtemps pour parcourir la même distance, car nous comptons notre consommation « au 100 km ».
Sur une hybride, le moteur électrique prend entièrement le relai à basse vitesse (donc là où le moteur thermique est très mauvais). Quand la batterie est vide, le thermique recharge la batterie pendant quelques minutes, puis on revient à l’électrique.
Dans la phase de recharge, le moteur consomme beaucoup : 10 à 12 L/100 km. Ça peut sembler beaucoup et faire peur, mais c’est normal. En réalité, ces phases sont courtes. Ainsi, on parcourra 4 km en consommant 10 L/100 km, mais après on roulera 6 km sur l’électrique. Au final sur les 10 km, on aura une consommation moyenne de 4 L/100 km, ce qui est nettement moins que nos 7-8 L d’une thermique en ville !
Sur route et sur autoroute, les deux moteurs tournent de concert, toujours pour ajuster la puissance demandée à ce que peut fournir le moteur thermique, et en puisant ou stockant le manque et le surplus dans la batterie. Car oui, il est toujours plus efficient de convertir l’électricité dans tous les sens (avec 5 % de pertes) que de faire tourner un moteur thermique à un régime inadéquat, où les pertes avoisinent alors 70 à 80 %…
Astuce 2 : récupérer de l’énergie perdue
Ci-dessus, je ne parle que de la partie moteur, et comment on arrive à tirer parti de façon très ingénieuse des deux moteurs totalement différents que sont le moteur thermique et le moteur électrique, dans le but de consommer moins.
Comme si cela ne suffisait pas : les véhicules hybrides ont une deuxième astuce pour consommer moins : la régénération.
En effet, un moteur électrique peut fonctionner en mode générateur. Et cela va nous servir.
Lorsque l’on freine, toute l’énergie cinétique que l’on possède doit être dissipée. Sur une voiture normale, on freine avec les plaquettes de frein ou avec le frein moteur. Dans les deux cas, l’énergie part sous la forme de chaleur, dans la nature.
Sur une hybride, en freinage moteur, les roues entraînent le moteur électrique. Ce dernier fonctionne alors en générateur et l’énergie produite est stockée dans la batterie, et pas perdue. La voiture ralenti également car le moteur électrique résiste aux roues quand les roues l’entraînent (d’où un freinage)
La même chose se produit dans les grandes descentes : plutôt que de freiner des plaquettes pour maintenir sa vitesse, on va utiliser le frein moteur et l’énergie est sauvegardée pour plus tard.
Ceci fonctionne très bien ! L’énergie obtenue comme ça permet de parcourir « gratuitement » des kilomètres qui consommeraient autrement de l’essence.
Première cerise sur le gâteau : la force du frein moteur est généralement pilotable (et donc la quantité de régénération également) : cela permet de doser le frein moteur (chose impossible sur une thermique).
Deuxième cerise sur le gâteau : bien que toutes les voitures soient dotées de freins normaux (à disques et plaquettes), les voitures électrifiées (HEV, PHEV, EV, et même celles à pile à combustible qui ont une petite batterie) utilisent majoritairement le freinage régénératif pour ralentir. Cela fonctionne si bien que les plaquettes de frein sur ces voitures s’usent très peu et durent parfois toute la vie du véhicule, ce qui constitue une source d’économies supplémentaires (ainsi qu’une bonne partie de particules fines en moins).
Conclusion
Un véhicule hybride tire sa consommation en carburant vers le bas en lissant la courbe de régime moteur : dans ces véhicules, le moteur thermique tourne quasiment toujours à sa vitesse idéale (contre pratiquement jamais pour un moteur thermique), donc où elle transforme le plus efficacement possible l’énergie de l’essence en couple moteur utile.
Ce lissage est obtenu grâce à un moteur électrique d’appoint, qui tantôt aide le moteur à produire le couple nécessaire à la conduite, soit absorbe le trop-plein d’énergie (et la stocke dans une batterie).
En plus de ça, le véhicule hybride (comme tous les véhicules électrifiés) peut faire tourner le moteur en générateur, lors des phases de décélération et dans les descentes : plutôt que de dissiper l’énergie dans les plaquettes de frein, elle est restituée dans la batterie. Cette énergie peut alors servir à parcourir gratuitement un peu de distance, et c’est toujours ça de pris.
L’hybride simple (par opposition à l’hybride rechargeable) tire toujours toute son énergie de l’essence uniquement. Cette énergie est juste mieux utilisée, tout en évitant les pertes.
Grâce à ces deux astuces, ces véhicules voient leur consommation baisser de 20 à 30 % sans aucun effort (mis à part le coût d’acquisition initial, encore élevé par rapport aux voitures normales).
Précisions complémentaires
Dans cet article, je parle de « moteur électrique ». En réalité, la plupart des voitures hybrides ont deux moteurs électriques. L’un est principalement utilisé comme moteur pour la propulsion, l’autre est optimisé pour la régénération, donc en générateur.
En effet, bien qu’un moteur électrique peut tout à fait faire les deux, optimiser les composants pour une seule application à chaque fois est souvent un meilleur compromis.
Dans ces conditions, le moteur thermique est lié au générateur, le générateur lié à embrayage, l’embrayage au moteur électrique, et enfin le moteur électrique aux roues :
Ainsi, le moteur thermique tourne à un régime optimal en entraînant les roues. Les variations de charge sur le moteur (quand on prend une descente ou une montée) sont alors absorbées par le moteur et le générateur électrique, comme j’ai expliqué plus haut.
Liens personnels
J’ai utilisé (pendant 3 ans) à titre personnel et quotidiennement une voiture hybride rechargeable (une Hyundai Ioniq Plug-In).
Je ne suis en aucun cas affilié à Hyundai, et cet article n’est pas promotionnel, mais si vous souhaitez en savoir un peu plus sur les voitures hybrides, hybrides rechargeables ou électriques, je vous invite à lire le retour que j’en ai :
