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Les motorisations des véhicules du futur

Parallèlement aux réponses que peuvent apporter les filières des nouveaux carburants face à l'accroissement de l'effet de serre et à la raréfaction de la ressource pétrolière, des mutations technologiques profondes concernant le mode de propulsion sont attendues sur les véhicules du futur, en particulier grâce à l'introduction massive de dispositifs électromécaniques (véhicules électriques et hybrides) et électrochimiques (piles à combustibles).

Le véhicule électrique

Le véhicule électrique n'est pas une nouveauté puisqu'il est né avec l'automobile à la fin du xix^e siècle (cf. automobile - Histoire). Après plus d'un demi-siècle d'abandon, la prise de conscience des problèmes environnementaux en ville relance, dans les années 1990, la conception et la production de ce type de véhicules. Le stockage, à bord du véhicule, de l'énergie électrique est assuré par une batterie d'accumulateurs électrochimiques. Le grand intérêt de ce type d'automobiles est l'absence totale de rejets nuisibles. Les progrès dans le domaine des batteries avec les couples nickel-métal hydrure (NiMH, 60 à 110 Wh/kg) et lithium-ion (150 à 190 Wh/kg) permettent d'atteindre une autonomie supérieure à 200 kilomètres pour un petit véhicule. D'autres facteurs positifs, tels que la recharge rapide des batteries, laissent alors entrevoir un avenir solide pour ce mode de propulsion. Au début des années 1990, certaines études prévoient une production mondiale annuelle de 200 000 véhicules électriques en l'an 2000. Mais l'autonomie trop faible de ces véhicules est un frein trop important et, en dix années, si plus de 100 prototypes sont conçus, moins de 20 000 véhicules électriques sont commercialisés dans le monde.

De nouvelles initiatives se font jour, en particulier en France où sont développés des concepts de véhicules plus légers, des composants moteurs mieux optimisés et des batteries plus performantes (li-métal-polymère par exemple). Des autonomies supérieures à 300 kilomètres pourraient convaincre certains clients de faire l'acquisition de ce type d'automobiles. Cependant, pour que ces véhicules entièrement électriques se développent en produits automobiles de masse (c'est-à-dire à plusieurs millions de véhicules par an), il faudrait une véritable rupture dans les technologies des batteries. La physique ne laisse que peu d'espoir à cet égard. Dans leur état actuel de développement, les véhicules électriques sont bien adaptés aux déplacements urbains et périurbains, à condition que les bornes de recharge soient installées en nombre suffisant.

Les clients sont-ils prêts à acquérir un véhicule limité à ce type d'utilisation ? Le peu de succès des véhicules électriques urbains à propulsion classique laisse penser le contraire. Sans une véritable volonté politique capable de corriger le marché, le véhicule tout électrique risque fort de rester un bel objet technologique.

Les véhicules hybrides

Les véhicules hybrides sont équipés d'une motorisation associant au moins deux moteurs alimentés par deux sources d'énergie différentes, à savoir un moteur thermique (fonctionnant au carburant) et un moteur électrique (alimenté par une batterie). Batteries, moteur thermique, moteurs et générateurs électriques échangent, stockent et fournissent l'énergie mécanique nécessaire à la propulsion du véhicule.

Automobile hybride

La Toyota Prius (ici version 2006), apparue sur le marché automobile japonais en 1997, fut la première automobile hybride de série commercialisée au monde. Elle est équipée de deux moteurs électriques et d'un moteur thermique à essence. La garde au sol très basse et la hauteur de... 

Crédits : Toyota Motor Sales, USA

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Quel est donc l'intérêt de concevoir un système aussi complexe ? Il est de plusieurs ordres :

– utiliser le moteur thermique avec un meilleur rendement en le faisant fonctionner dans sa plage de fonctionnement optimale ;

– utiliser un moteur thermique plus petit, car les demandes de forte puissance (en accélération) sont couvertes en utilisant les réserves électriques stockées dans les batteries pendant les phases de déplacement nécessitant une faible puissance ;

– récupérer l'énergie dissipée par le freinage en utilisant le moteur électrique en générateur.

Dans un système hybride, ces deux types de moteurs se complètent. Une répartition de puissance judicieuse entre les motorisations thermique et électrique permet un gain en consommation significatif. Toutefois, une double motorisation, impliquant un stockage d'énergie électrique pesant et coûteux, ainsi qu'un contrôle de répartition de puissance par une électronique et une mécanique appropriées donnent lieu à un surcoût important par rapport au véhicule classique.

Architecture et taux d'hybridation

Généralement, on distingue deux grands types d'architecture (fig. 3) :

Véhicule hybride : types d'architecture

Les deux grands types d'architecture de véhicules hybrides. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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– l'hybride « parallèle » dans lequel l'énergie de propulsion peut être transmise aux roues soit par le moteur électrique, soit par le moteur thermique, ou par les deux à la fois ;

– l'hybride « série » où la puissance mécanique délivrée aux roues passe entièrement par le moteur électrique, celui-ci étant alimenté en électricité soit par les batteries, soit par un générateur actionné par un moteur thermique.

Il existe en fait de nombreuses variantes. Les hybrides série de forte puissance avec l'architecture des locomotives Diesel électrique ont été développés en de nombreux prototypes, mais aucune application industrielle n'a vu le jour. Le véhicule électrique équipé d'un petit groupe électrogène pour augmenter son autonomie en rechargeant les batteries fait aussi partie du groupe des hybrides série. Par ailleurs, en architecture hybride parallèle, on classe les différents types de motorisation par le taux d'hybridation : faible, moyen, fort ou du stop and start (soft hybrid) au full hybrid. Relevons encore que d'autres architectures plus complexes ont été développées comme celle avec deux machines électriques et un moteur thermique mise en œuvre par Toyota sur son modèle Prius. Cette automobile, sortie en 1997, représente la première réussite commerciale d'un véhicule hybride.

Quelles technologies pour quels usages ?

Ce foisonnement technologique, habituel dans une phase de transition technologique rapide, a aussi été porté par le souci de s'adapter aux utilisations diverses de l'automobile et des véhicules utilitaires. Ainsi, le véhicule électrique équipé d'un groupe thermique électrogène (sa capacité de secours) pourra être utilisé non seulement en ville mais également en zone périurbaine. Les hybrides parallèles sont les plus polyvalents avec une réduction de consommation importante en ville où les phases d'accélération et de freinage sont les plus importantes et où l'intervention du moteur électrique est la plus efficace. Certains d'entre eux peuvent fonctionner en mode « zéro émission » (moteur thermique arrêté), par exemple dans des zones piétonnières en centre-ville. Pour la famille des hybrides parallèles, les économies de carburant dépendent du taux d'hybridation et du type d'usage – urbain, routier, autoroutier (tabl. 2).

Automobile : véhicules hybrides parallèles

Les caractéristiques des différents types d'hybridation pour les véhicules hybrides parallèles. La diminution des émissions de gaz à effet de serre pour ces trois types d'hybridation est identique à celle de la consommation des carburants. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les composants : moteurs thermiques et électriques, batteries

L'hybridation s'applique aussi bien aux moteurs à essence qu'aux moteurs Diesel. Le couple à bas régime du moteur électrique convient bien pour l'assistance du moteur à essence dans cette plag [...]

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Gaz d'échappement
Crédits : Nello Giambi/ Getty Images

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Automobile : réglementation européenne antipollution
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Filtre à particules d'un moteur Diesel
Crédits : PSA Peugeot Citroën

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Automobile : systèmes de dépollution
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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