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Panorama des technologies du véhicule hybride

Si un système hybride thermique-électrique bien adapté permet incontestablement une réduction de la consommation de carburant et des émissions des véhicules en parcours urbain, notamment pour les bus, il n'est pas certain que son bilan écologique et économique global soit positif pour un véhicule qui accomplit essentiellement des trajets routiers. Toutefois, étant donné l'engouement général pour les véhicules hybrides, il s’agit moins pour les constructeurs de déterminer si la production d'automobiles à propulsion hybride se justifie techniquement et écologiquement, mais plutôt de répondre aux questions « quel système d'hybridation ? » et « comment exploiter rentablement ce marché potentiel ? ». La multiplicité des systèmes et des combinaisons possibles constituant un vrai casse-tête, tant pour les classifier que pour inventorier les avantages et les inconvénients de chacun et en préférer un plutôt qu'un autre, nous nous limiterons à la description des concepts les plus intéressants et les plus prometteurs.

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03/11/2008http://www.auto-innovations.com/site/dossier5/hybride0kiprint.html

Chevrolet Tahoe 2008 Hybrid

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Page 1 : Sommaire : La propulsion thermique-électrique dans un contexte global Page 3 : L'hybridation des véhicules routiers Page 4 : Hybride parallèle - 1/2 Page 5 : Hybride parallèle - 2/2 Page 6 : Hybride série, Hybride série / parallèle avec embrayage de prise directe Page 7 : Hybride avec transmission à double embrayage Page 8 : Hybride en division de puissance – Toyota THS - 1/3 Page 9 : Hybride en division de puissance – Toyota THS - 2/3 Page 10 : Hybride en division de puissance – Toyota THS - 3/3 Page 11 : Hybride en division de puissance avec réducteur à 2 rapports pour MG2

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Montage bi-mode en double dérivation de puissance Page 13 : Allison Electric Drive Ep 40 et Ep50 - 1/2 Page 14 : Allison Electric Drive Ep 40 et Ep50 - 2/2 Page 15 : Montage en double dérivation de puissance plus rapports fixes Page 16 : "Plug-in hybrids", Controverses Page 17 : Conclusion

La propulsion thermique-électrique dans un contexte global

La réalisation de systèmes de propulsion hybrides combinant moteur thermique avec des générateurs et moteurs électriques est loin d'être une technique nouvelle : ces systèmes sont généralisés pour les locomotives et sous-marins diesel-électriques. En outre, des automobiles à transmission électrique ont été construites depuis plus d'un siècle, à commencer par les Lohner-Porsche de 1900 - 1906.

Ce n'est pas sans raison que, excepté les types diesel-hydrauliques allemands à convertisseurs hydrodynamiques de couple (produits par Voith), les locomotives Diesel ont une transmission électrique : la force de traction élevée disponible à partir de l'arrêt procurée par les moteurs électriques leur permet de démarrer et d'accélérer les trains les plus lourds avec toute la douceur et la progressivité requise. Certains navires ont eux aussi été équipés de systèmes de propulsion diesel-électrique car la puissance aisément modulable et la réversibilité des moteurs électriques procure une facilité de manœuvres et une rapidité de réponse lors des inversions du sens de rotation sans égal. Toute liaison mécanique entre le vilebrequin du Diesel et le système de propulsion (roues ou hélices) est supprimée, ce qui donne une grande liberté architecturale et découple ce système de propulsion des vibrations engendrées par

Lohner- Porsche de 1900 Cliquez pour agrandir

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l'acyclisme inhérent aux machines thermiques alternatives. Au lieu d'être accouplé à une transmission mécanique à engrenages, le vilebrequin du moteur thermique entraîne un générateur électrique. Ce dernier est relié par fils aux moteurs de propulsion qui peuvent être logés directement dans les bogies ou même dans les roues, comme sur la Lohner-Porsche de 1900 ci-dessus. Sur les locomotives, le courant électrique produit par le groupe électrogène n'est pas accumulé dans des batteries, il est envoyé directement aux moteurs de traction. En revanche, le courant est évidemment stocké dans le cas des sous-marins afin de leur permettre de plonger plus profondément qu'en immersion périscopique avec leurs diesels respirant au schnorkel. Il en va de même pour les véhicules routiers hybrides, bien qu'ils n'aient en principe pas à plonger. Dans leur cas, les buts de cette accumulation sont de permettre :

La récupération d'énergie cinétique en décélération et au freinage. Les manœuvres et le roulage à vitesse modérée en propulsion électrique pure, moteur thermique hors service afin d'éviter son fonctionnement sous faible charge et donc à bas rendement. L'appoint temporaire de la puissance des moteurs électriques à celle du moteur thermique lors de fortes sollicitations. Eventuellement, le roulage avec du courant chargé sur le réseau.

Étant donné qu'un moteur électrique développe son couple maximum à l'arrêt, une transmission électrique agit en convertisseur de couple et ses propriétés sont donc comparables à celles d'un convertisseur hydrodynamique de couple. Mais si cette dernière solution a jusqu'ici été préférée en traction routière, la première domine largement la traction ferroviaire.



Courbes de couple et puissance typiques d'un moteur électrique (Toyota Prius) Cliquez pour agrandir

L'hybridation des véhicules routiers

En pratique, les émissions de CO2 d'une propulsion hybride essence électrique sont très similaires à celles d'un

groupe motopropulseur Diesel de puissance équivalente. Cliquez pour agrandir

L'impérieuse nécessité de diminuer la consommation et les émissions des véhicules routiers fait que la possibilité d'accumuler l'énergie cinétique gaspillée en décélération et au freinage est désormais considérée comme un avantage primordial. Le stockage d'énergie par air comprimé suscite des pertes considérables dues à la dissipation de la chaleur produite durant la compression et sa détente s'accompagne d'un refroidissement adiabatique qui fait chuter la pression. Bien que l'usage de volants d'inertie soit sérieusement envisagé, notamment pour exploiter les possibilités offertes par le règlement de la future Formule 1 de 2009, les nouveaux types de batteries, plus légères et performantes que les lourds accumulateurs au plomb, constituent encore le moyen préféré de stocker l'énergie. Au lieu d'être dissipée en chaleur, un partie de l'énergie de freinage récupérée par un moteur-générateur électrique reflue dans la batterie ou inversement.



La propulsion par combinaison d'un moteur thermique et de moteurs électriques se prête à de nombreuses variantes ayant chacune leurs avantages et leurs inconvénients. On peut distinguer différents concepts :

en parallèle en série en dérivation de puissance en double dérivation de puissance

Chacun de ces types peut se subdiviser en différentes variantes et d'autres classifications sont possibles, telle que celle qui différencie les hybridations légères, moyennes et lourdes. Mais tous ces classements sont arbitraires et approximatifs car les configurations possibles sont si nombreuses et variées qu'elles se fondent en un continuum qu'il est toujours artificiel de fragmenter en catégories distinctes. D'ailleurs, chaque véhicule automobile à transmission manuelle présente une très légère hybridation par son alternateur, son démarreur et sa batterie. Il est en effet toujours possible de déplacer ce véhicule au démarreur sur quelques mètres si son moteur thermique tombe en panne – par exemple au milieu d'un passage à niveau. Les derniers modèles de BMW exploitent de manière favorable cette architecture conventionnelle grâce à un puissant alternateur (3 kW) qui n'est, dans la mesure du possible, chargé qu'en décélération. Le moteur thermique est automatiquement stoppé lors de l'arrêt du véhicule au point mort et relancé lors du débrayage (fonction "start-stop") par un démarreur lui aussi conventionnel mais prévu pour un usage intensif.

Alterno-démarreur

Un autre concept procurant des avantages similaires consiste à remplacer les deux machines électriques, alternateur et démarreur, par une seule nommée alterno-démarreur. Cet organe peut être monté en lieu et place de l'alternateur conventionnel. Toutefois son système d'entraînement par courroie doit être non seulement renforcé, mais aussi réversible pour pouvoir transmettre la puissance dans les deux sens. D'autre part, le lancement à froid des moteurs diesels est problématique, si bien qu'un démarreur conventionnel additionnel ou une poulie à deux vitesses avec train planétaire réducteur incorporé sont nécessaires.



Hybride parallèle - 1/2

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Visteon SpeedStart





L'alterno-démarreur peut aussi être prévu pour une intégration directe sur la ligne d'arbre, entre le moteur et l'embrayage, entre l'embrayage et la boîte à vitesses ou entre deux embrayages.


En principe, un alterno-démarreur installé à la place du volant moteur est compatible avec n'importe quel type de transmission. Mais avec une transmission automatique conventionnelle, il faut d'abord que la pompe à huile de transmission qui est entraînée par le moteur thermique ait établi la pression nécessaire, d'où un délai inadmissible pour que le véhicule puisse démarrer après le lancement de ce moteur. L'installation d'une pompe électrique s'impose, ce qui affecte le rendement du groupe motopropulseur,



Hybride parallèle - 2/2

Il est avantageux de pouvoir découpler le moteur thermique de l'alterno-démarreur en intercalant l'embrayage entre les deux, car cela autorise en outre :

une récupération d'énergie cinétique conséquente en décélération étant donné que le moteur thermique n'est alors plus entraîné en pure perte; le démarrage et la propulsion du véhicule tant en avant qu'en arrière uniquement par le moteur-générateur, moteur thermique arrêté.

accroît les coûts et diminue l'intérêt de cette combinaison.

Si un puissant alterno-démarreur est intégré entre le moteur et la transmission, il peut assurer la propulsion du véhicule en parallèle avec le moteur thermique. Autrement dit, ce montage – qui ne se distingue de l'alterno-démarreur que par la puissance de la machine électrique – permet la propulsion conjointement par les deux types de moteurs en conservant l'intermédiaire d'une transmission mécanique à plusieurs rapports ou d'une CVT, comme sur la Honda Civic IMA.

Chez Honda, l'embrayage est situé en aval du variateur


Honda Civic IMA : moteur-générateur en bout de vilebrequin, inverseur planétaire de marche arrière,

variateur à courroie métallique et embrayage multidisques sur arbre de sortie.




(Cette configuration correspond à celle des sous-marins allemands des deux guerres mondiales, alors que les types américains avaient un montage en série dans lequel les diesels ne pouvaient pas entraîner directement les arbres d'hélice.) À la masse du disque d'embrayage s'ajoute alors celle du rotor du moteur-générateur, ce qui impose son pilotage électronique au régime synchrone lors des changements de rapports. Ce concept a été choisi par PSA Peugeot-Citroën pour les prototypes 307 et C4 hybrides diesel-électriques et par Volvo pour des poids-lourds, notamment des autobus.



Volvo développe un système hybride parallèle permettant à un moteur Diesel plus petit et à un moteur électrique de travailler soit seuls, soit conjointement. Aux arrêts de bus et aux feux rouges, par exemple, il est possible de couper complètement le moteur Diesel. À lui seul, le moteur électrique permet de démarrer le véhicule et ce, sans émissions et en silence. Le moteur Diesel ne reprend la main qu’à une certaine distance de l’arrêt de bus. « Avec la nouvelle technologie hybride de Volvo, nous pensons pouvoir réduire la consommation de carburant des autobus de 35 % », déclare Edward Jobson, responsable de l’environnement chez Volvo Buses, constructeur qui espère pouvoir commercialiser ses premiers bus hybrides dans quelques années.



Une puissance électrique de l'ordre du kW par 100 kg de poids en charge de la voiture permet de

Autre exemple, la RATP (Régie autonome des transports parisiens) a expérimenté un Microbus Gruau équipé d'un système Stop-Sart développé par Valeo de mai à juillet 2007. Le système met en veille le moteur quand le bus s'arrête, ce qui permet une réduction de la consommation de carburant et du niveau de bruit. Dans les grandes agglomérations, où les arrêts sont très fréquents, le système Stop-Start pourrait permettre de réduire la consommation de carburant jusqu'à 20%. Par ailleurs, le moteur coupé élimine aussi toute source de bruit. Valeo a aussi doté ce prototype d'un système de récupération d'énergie au freinage (freinage récupératif). Une partie de l'énergie cinétique du véhicule est transformée en électricité par l'alterno-démarreur durant les phases de ralentissement et de freinage. Cette électricité est stockée dans des super-condensateurs et peut ainsi alimenter le réseau électrique du véhicule sans décharger la batterie.


Alternativement, le moteur-générateur peut-être inséré entre deux embrayages.




récupérer une grande partie de l'énergie cinétique normalement perdue en décélération et de maintenir une vitesse stabilisée allant jusqu'à 100 km/h sur route plane. Mais pour éviter une mise en marche du moteur thermique à la moindre accélération, la puissance du moteur-générateur ne devrait pas être inférieure à 2 kW / 100 kg. L’Audi Q7 hybride prototype dispose de ce type de montage. Le générateur est placé entre le moteur V8 FSI et une transmission automatique. Ses caractéristiques sont une puissance maxi de 32 kW et un couple maxi de 200 Nm.

Hybride série

Le montage en série, avec groupe électrogène et moteur(s) électrique/(s) de traction est largement appliqué sur les locomotives diesel-électriques, sur certains bus, et il a aussi été utilisé sur des voitures telles que les Lohner-Porsche et Owen Magnetic de 1915 - 1922. Nous avons vu qu'avec un montage en série, il n'y a plus de liaison mécanique entre les roues et le moteur thermique, dont toute la puissance est transmise électriquement. Deux machines électriques au moins sont donc nécessaires et elles doivent être dimensionnées en conséquence, ce qui implique une masse et un volume important. Le principe est simple, mais la réalisation coûteuse et les multiples conversions d’énergie, thermique - mécanique - électrique - mécanique, affectent le rendement d'une telle transmission. (Le MG1 peut alors être comparé à l'organe primaire d'un variateur, par exemple la pompe d'un convertisseur hydrodynamique de couple qui transforme la puissance mécanique prélevée au moteur thermique en puissance hydraulique et l'envoie sur une turbine dont le régime est lié à celui de l'arbre de sortie.)





Cette configuration présente toutefois un certain nombre d'avantages :

Le régime du moteur thermique est complètement indépendant de la vitesse du véhicule et ce moteur peut tourner constamment au régime et à la charge la plus favorable en fonction de la puissance demandée. Il peut être arrêté à n'importe quelle vitesse du véhicule, dès que la charge des batteries est suffisante pour alimenter le ou les moteur(s) électriques de traction. Ces derniers peuvent être placés n'importe où, par exemple un ou même deux sur chaque essieu. Leur dimensionnement conséquent permet de récupérer un maximum d'énergie cinétique lors des phases de décélération et de freinage en les faisant fonctionner en générateurs. Aucun organe mécanique de démarrage, de conversion du couple et d'inversion du sens de rotation tel qu'embrayage et boîte à vitesse n'est nécessaire. Il n'y a pas de changement de rapports et les interruptions de force de traction ou les chocs qu'ils peuvent occasionner sont exclus, de même que les problèmes liés à la gestion et à la commande de ces rapports.



Hybride série / parallèle avec embrayage de prise directe

Un embrayage peut être inséré entre le groupe électrogène et le moteur électrique de traction afin de permettre une transmission mécanique lorsque le véhicule roule à une vitesse acceptable pour le vilebrequin du moteur thermique. De cette manière, analogue à celle qui est procurée par l'embrayage de pontage d'un convertisseur hydrodynamique de couple, la transmission passe d'entièrement électrique à totalement mécanique, avec l'avantage d'un rendement supérieur. Les deux machines électriques tournent néanmoins et peuvent soit apporter temporairement à la chaîne cinématique une puissance d'appoint en soutirant du courant des batteries, soit au contraire recharger ces batteries.

Hybride avec transmission à double embrayage






Bien entendu, un moteur-générateur peut aussi être inséré entre le moteur thermique et une transmission à double embrayage . Toutefois, ce type de transmission se prête à une disposition particulièrement ingénieuse et avantageuse du moteur-générateur, proposée par la firme LuK du groupe Schaeffler : le concept ESG. Si la machine électrique est connectée à un des deux arbres primaires de la boîte à vitesses (de préférence celui des rapports pairs), toutes les fonctions de "start-stop", de récupération d'énergie cinétique en décélération, d'entraînement du compresseur de climatisation moteur arrêté et de propulsion purement électrique ou conjointe sont assurées sans qu'aucun embrayage supplémentaire ne soit requis. L'illustration en haut à gauche montre le processus de lancement du moteur thermique par le moteur-générateur électrique via l'embrayage des rapports pairs cependant que l'embrayage des rapports impairs est simultanément utilisé pour transmettre une partie du couple aux roues et propulser le véhicule. Une réponse immédiate à une demande d'accélération est ainsi obtenue, avant même que le lancement du moteur thermique soit achevé.





Un prototype équipé d'un moteur Diesel de 1,3 litre et d'un moteur-générateur de 10 kW a été développé et construit par LuK. Getrag propose aussi une transmission hybride à double embrayage.

Hybride en division de puissance – Toyota THS - 1/3



Le montage en dérivation de puissance, (ou "division de puissance") est notoirement représenté par le système Toyota THS des Prius, Lexus RX400h, GS 450h et LS 600h. Le principe est analogue à celui des autres transmissions en dérivation de puissance, qu'elles soient hydrodynamiques, hydrostatiques ou par variateur mécanique. Mais le variateur est ici électrique, ce qui permet de récupérer une partie de l'énergie cinétique en décélération, de l'accumuler dans une ou des batterie(s) et de la réutiliser ensuite, comme dans tout véhicule routier hybride qui se respecte.

La division du couple du moteur thermique est effectuée par un train planétaire (dit aussi train épicycloïdal) différentiel. Dans un différentiel à pignons coniques tel qu'intercalé entre les deux roues d'un essieu, le couple moteur est divisé en deux parties toujours égales : si l'une des roues patine et ne peut transmettre qu'un couple insignifiant, l'autre roue sera incapable d'en transmettre plus, même si son adhérence est bonne. Il en est de même pour un différentiel épicycloïdal à engrenages cylindriques, mais le couple est alors réparti en deux parts inégales, fonction des nombres de dents respectifs du pignon planétaire et de la couronne dentée. Le 4 cylindres à essence de la Prius entraîne le porte-satellites du train épicycloïdal. Le moteur générateur






(MG1) est connecté au pignon planétaire de 30 dents qui reçoit 27,8% du couple alors que la couronne de 78 dents, reliée à la fois à un second moteur-générateur (MG2) et aux roues motrices par une réduction finale, reçoit 72,2% du couple.

Il résulte de cet arrangement que seulement 27,8% du couple développé par le moteur thermique est transmis électriquement, les 72,2% restant étant transmis mécaniquement et donc avec un rendement supérieur. Mais comme la puissance est le produit du couple multiplié par le régime de rotation, la puissance passant par chacune des deux branches, électrique et mécanique, dépend des vitesses de rotation respectives du planétaire et de la couronne. Cette dernière est immobile à l'arrêt de la voiture, étant donné que son régime de rotation est directement proportionnel à la vitesse. A l'arrêt, toute la puissance développée par le moteur est donc absorbée par le MG1 qui la convertit en électricité. Cette électricité est envoyée sur le MG2 dont l'imposant couple (400 Nm de 0 à 1200 tr/min sur les Prius NHW20) s'ajoute aux 72% de celui développé par le moteur thermique, si bien que la voiture peut démarrer. Au fur et à mesure qu'elle prend de la vitesse, la couronne tourne de plus en plus vite et la part de puissance transmise mécaniquement augmente.





Transmission des Prius I. La descente de pont est confiée

à une chaîne car des engrenages à taille hélicoïdale généreraient une réaction axiale.


Transmission des Prius II (2004-2007)




Nomogramme pour Prius II (NHW20). La vitesse théorique par 1000 tr/min de la couronne du train planétaire est de 27,6 km/h, soit autant entre chaque ligne horizontale du quadrillage. Les intersections des lignes jaunes avec l'échelle orange indiquent la vitesse de la voiture à 5000 tr/min du vilebrequin en fonction de divers régimes du

MG1. Les lignes rouges enveloppent la plage de vitesse dans laquelle le moteur thermique peut être arrêté. Cliquez pour agrandir

La relation entre les régimes des trois arbres connectés au train planétaire peut être représentée sur un nomogramme dans lequel trois lignes verticales indiquent les régimes respectifs de manière à ce que, si deux régimes sont connus, le troisième puisse être déterminé graphiquement. Lorsque le train épicycloïdal tourne d'un bloc ou est arrêté, les lignes verticales sont reliées par une ligne



horizontale. Si les régimes diffèrent, la ligne transversale s'incline. Les vitesses en marche arrière et en avant avec le moteur thermique arrêté sont limitées par le régime maximal de MG1 alors que celui de MG2 fixe la vitesse maximale théorique de la voiture. Le système est en quelque sorte un compromis entre un montage en série et un montage en parallèle : les régimes du moteur thermique et la vitesse du véhicule sont indépendants à l'intérieur de limites fixées et non pas totalement indépendants comme c'est le cas dans un montage en série. À un rapport régime moteur / vitesse du véhicule déterminé (27,6 km/h par 1000 tr/min sur les Prius NHW20 produites à partir de 2004), les vitesses de rotation du pignon planétaire et de la couronne sont égalisées et le train épicycloïdal tourne d'un bloc. Un embrayage de pontage permettrait une prise directe, mais il compliquerait la transmission si bien que cette potentialité reste inexploitée. À une plus grande vitesse de la voiture par rapport au régime moteur, il y a un point (38,3 km/h par 1000 tr/min), où le pignon planétaire et MG1 ne tournent pas. Un blocage par un frein ou à crabots procurerait un deuxième rapport entièrement mécanique, surmultiplié (en l'occurrence 78 / 30+78 = 0,722), mais un tel mécanisme n'est pas installé non plus. Au-dessus de ce point, le sens de rotation dudit planétaire est inversé ; la plus forte surmultiplication est alors déterminée par le régime maximum de MG1 (porté à 10'000 tr/min sur les Prius NHW20) tournant en sens inverse. Dans ce cas, il n'y a plus de relation fixe entre la vitesse par 1000 tr/min et le régime : la vitesse maximale de la voiture est de 106 km/h moteur thermique arrêté alors qu'elle est de 145 km/h à 1000 tr/min du vilebrequin et 10'000 tr/min inverses de MG1. Si le moteur thermique pouvait alors parvenir à son régime nominal de 5000 tr/min, la vitesse de la voiture s'établirait théoriquement à 298 km/h. Toutefois le régime maximum de MG2 d'environ 6500 tr/min correspond à 180 km/h alors que la vitesse maximum indiquée par le constructeur est de 170 km/h, soit 6150 tr /min du MG2. D'autre part, le moteur thermique ne peut pas atteindre 5000 tr/min en dessous de 85 km/h : à l'arrêt de la voiture, son régime sous pleine charge est limité à 2780 tr/min (10'000 x 0,278). La variation continue est ainsi assurée dans les limites fixées par les régimes maximaux des moteurs ainsi que par les rapports du train épicycloïdal et de la descente de pont. Le contrôle du rapport est effectué en ajustant la résistance interne de MG1 pour réguler son régime et la quantité de puissance électrique qu'il génère.


Les deux moteurs-générateurs sont réversibles et le système autorise toute une gamme d'autres possibilités :



Le lancement du moteur thermique par MG1. La marche arrière.

Le roulage en propulsion exclusivement électrique, moteur thermique arrêté. La charge de la batterie par le moteur thermique et MG1. La charge de la batterie en décélération par MG2. N'importe quelle situation intermédiaire, par exemple la propulsion et la charge de la batterie simultanées.

Voir aussi:

Toyota Prius - Power Split Device Toyota Prius - From Wikipedia Understanding your Prius Toyota Prius Technical Information

Il est évidemment possible de monter un troisième moteur électrique sur l'autre essieu pour réaliser un véhicule à 4 roues motrices, comme dans le cas du Lexus RX400h. Le concept appliqué aux Prius et RX 400h est assez impressionnant pour sa simplicité mécanique et son efficacité. Il a cependant l'inconvénient de nécessiter deux moteurs-générateurs largement dimensionnés, notamment le MG2 qui doit fournir un couple très important au démarrage et à basse vitesse. En effet, le rapport de pont ne doit pas être trop court afin que ce MG2 n'excède pas son régime maximum avant que la voiture ait atteint sa vitesse de pointe. La fraction du couple transmise mécaniquement n'est pas démultipliée non plus par un rapport de boîte et, par exemple dans le cas de la Prius, le vilebrequin du

Groupe motopropulseur Toyota Prius Cliquez pour agrandir



moteur est empêché d'atteindre son régime de couple maxi en dessous de 70 km/h ; il ne peut alors ajouter qu'environ 75 Nm aux 400 Nm qui sont développés par MG2 jusqu'à 33 km/h.

Lexus RX400h : un train planétaire avec une réduction de 2,48 est

intercalé entre la couronne du différentiel épicycloïdal et MG2. Ce dernier peut tourner jusqu'à 12'400 tr/min.





Hybride en division de puissance avec réducteur à 2 rapports pour MG2

Pour remédier à cet inconvénient, les Lexus GS450h, dont le groupe motopropulseur est longitudinal et les roues motrices à l'arrière, ont un réducteur épicycloïdal Ravigneaux procurant deux rapports (3,9:1 et 1,9:1 ) entre le MG2 et l'arbre de sortie de la transmission. Le MG2 de 147 kW est alimenté sous pas moins de 650 volts alors que celui des Prius III fonctionne sous 500 volts.



Lexus GS450h - photo Tompei's Museum of Machines




Lexus GS450h

Cliquez pour agrandir Une importante hystérésis donne un large recouvrement des deux plages : en accélération le changement a lieu

entre 85 et 90 km/h alors qu'en décélération la rétrogradation n'est ordonnée qu'à environ 50 km/h



La Lexus LS600h utilise la même architecture que la GS450h, mais additionnée d'une transmission à 4 roues

motrices ; la puissance du MG2 atteint 165 kW. Cliquez pour agrandir



Montage bi-mode en double dérivation de puissance

Le système Toyota que nous venons de décrire est dit "à sortie couplée", c'est-à-dire à division de puissance en entrée, le régime de MG2 étant lié à celui de l'arbre de sortie alors que MG1 est utilisé pour varier le rapport de transmission. Un autre arrangement possible est celui dit "à entrée couplée", dans lequel le train planétaire différentiel est disposé en sortie du système où il regroupe les couples provenant des deux voies. Dans ce type de configuration, le régime de MG1 est lié à celui de l'arbre d'entrée, en l'occurrence le vilebrequin du moteur et c'est MG2 qui sert à varier le rapport de démultiplication. Ces



Schéma du principe bi-mode. La partie droite montre le

flux de puissance avec une voie électrique nettement réduite par rapport à celle d'un système hybride monomode.




deux solutions peuvent être associées pour constituer une architecture en double dérivation de puissance ("compound split") dans laquelle le régime des deux moteurs-générateurs diffère de celui des arbres d'entrée et de sortie.


Le système bi-mode dispose d’un deuxième mode de fonctionnement obtenu par un train planétaire supplémentaire. Lorsque l'embrayage est ouvert et le frein est fermé, le fonctionnement est analogue à celui des transmissions électriques en dérivation de puissance de Toyota et plus particulièrement à celui du Lexus RX400h. Par contre, si le frein est ouvert et l'embrayage fermé, le système fonctionne en tant que transmission électrique en double dérivation. Le changement de mode est effectué au point synchrone, le cheminement du couple changeant alors sans aucune modification du régime des parties rotatives. Dans un système hybride bi-mode, la part de la puissance transmise via la voie électrique dépend de la vitesse du véhicule et du rapport de transmission. La combinaison des deux modes permet de couvrir une très large plage de variation tout en ne transmettant qu’une puissance relativement faible par la voie électrique. Contrairement à un concept monomode, un système bi-mode comporte plusieurs points d'adaptation par lesquels la part de puissance passant par le convertisseur de couple électrique est infime. Le premier de ces trois points peut être utilisé pour améliorer les accélérations, alors que les deux autres optimisent le rendement de la transmission en vitesse de croisière. Le rendement global plus élevé résulte du fait que le maximum de puissance est transmis mécaniquement alors que, simultanément, toutes les fonctionnalités de type hybride sont disponibles. En minimisant la part de puissance qui passe par la voie électrique, cette approche permet de réduire tant les pertes



électriques que la dimension, le poids et le coût des MG.

Allison Electric Drive Ep40 et Ep50 - 1/2

Fabricant mondialement réputé de transmissions automatiques pour poids-lourds, la division Allison de General Motors aura, à fin 2007, équipé plus de 1000 bus de systèmes hybrides bi-modes, la production ayant débuté en octobre 2003. Les transmissions sont conçues selon le brevet US 5'931'757 accordé le 3 août 1999 à Michael Roland Schmidt et elles sont extérieurement similaires aux boîtes automatiques Allison de série B.

Image GM-Allison Cliquez pour agrandir



Les variantes Ep40 et Ep50 sont prévues respectivement pour des puissances continues d'entrée de 210 et 245 kW à 2300 tr/min et des couples maximaux de 1350 et 1420 Nm. Une de leurs particularités est la disposition coaxiale de trois trains planétaires à l'intérieur de deux moteurs-générateurs annulaires (désignés ici MG1 et MG2), ce qui permet une enveloppe très compacte. Ces deux machines électriques asynchrones opérant en courant alternatif triphasé à haute tension peuvent tourner dans les deux sens jusqu'à 5000 tr/min et développer ensemble 160 kW.

Allison fournit tous les composants du dispositif hybride, dont le système de stockage d'énergie qui comprend 240 modules de batteries Nickel Metal Hydride (NiMH).


Photo China Nikkei





Allison Electric Drive Ep40 et Ep50 - 2/2

Accélération sous pleine charge. Le régime du Diesel est constant à partir de 3 km/h ; le système constitue de ce fait

une EVT ou E-IVT, c'est-à-dire une transmission électrique à variation infinie. Cliquez pour agrandir

Mode 1 Dans l'exemple type du diagramme ci-dessus, en mode 1, utilisé en dessous de 34 km/h (21 mph), le frein est fermé et l'embrayage ouvert. Le groupe des deux premiers trains planétaires fonctionne en différentiel, le Diesel pouvant entraîner MG1. Le troisième train sert de réducteur pour le MG2 qui reçoit le courant provenant de MG1 et/ou de la batterie et travaille en moteur. Dans ce mode, analogue à celui du système Toyota THS, le régime du MG2 est proportionnel à celui de l'arbre de sortie, et donc à la vitesse du véhicule, alors que le régime du MG1 monte avec celui du Diesel et diminue avec la vitesse du véhicule. A partir de 25 km/h (16 mph) environ, le MG1 peut cesser de fonctionner en générateur et devenir moteur avant que sa rotation soit arrêtée puis reparte en sens inverse, à 29 km/h (18 mph).



Toutefois, une augmentation de régime du moteur thermique va déplacer vers une plus haute vitesse du véhicule le point d'adaptation auquel le MG1 est arrêté, et inversement une réduction de régime du Diesel déplacera ce point à une vitesse moindre. Le passage du mode 1 au mode 2 est également déplacé en fonction de l'accélération demandée. Transition Les deux modes se chevauchent autour de 34 km/h (21 mph). À ce point, la transition du mode 1 au mode 2 et vice-versa s'effectue par l'intermédiaire d'un rapport fixe qui est obtenu en fermant l'embrayage alors que la différence de régime de ses deux arbres est nulle, tout en maintenant le frein serré. Ce rapport mécanique peut être conservé tant que la vitesse du véhicule reste près de la droite de transition entre les deux modes, ceci afin d'éviter l'entrée dans un cycle de changements incessants et inutiles. Mode 2 Le passage au second mode est réalisé en gardant l'embrayage fermé et en libérant le frein. Le MG1 redevient alors générateur jusqu'à 40 km/h (25 mph) environ, vitesse au-delà de laquelle il fonctionne à nouveau comme moteur, en passant par un arrêt et une inversion de son sens de rotation au 2ème point d'adaptation, à 43 km/h (27 mph). Jusqu'à 54 km/h (34 mph), le MG2 continue à fonctionner en moteur, après quoi il devient générateur. Un 3ème point d'adaptation est atteint à 100 km/h (62 mph), vitesse où le régime du MG2 est nul. Son sens de rotation s'inverse ensuite si l'accélération continue. En mode 2, le régime du MG1 augmente (à partir de 43 km/h) avec celui de l'arbre de sortie alors que le régime du MG2 est (jusqu'à 100 km/h) inversement proportionnel à celui dudit arbre de sortie. Le troisième train épicycloïdal n'est pas utilisé. Marche arrière En marche arrière, comme en mode 1, le frein est serré et le troisième train épicycloïdal fonctionne en réducteur pour le MG2 qui constitue alors la seule source de couple et tourne en sens inverse de celui requis pour la marche avant. Lancement du moteur thermique Le moteur Diesel est lancé par le MG1 qui fait office de démarreur. Voir aussi :



Torque Overload : the GM Allison Hybrid Bus King County Interim Evaluation Results Allison Electric Drives Ep 40/50 - Principles of Operation GM Allison Hybrid Presentation.pdf

Montage en double dérivation de puissance plus rapports fixes

Suite à la mise en service réussie de bus équipés du système hybride GM-Allison dans de nombreuses villes d'Amérique du Nord, DaimlerChrysler et BMW se sont associés à GM pour former la "Global Hybrid Cooperation" et développer une transmission hybride basée sur le même principe, mais destinée à des véhicules particuliers. Dans le même temps, le concept a été complété par un frein et un embrayage supplémentaires de façon à procurer 4 rapports mécaniques fixes au lieu d'un seul. Ces rapports sont obtenus grâce à l'engagement sélectif de paires de freins et embrayages. Lorsque l'une de ces paires est sélectionnée, la voie électrique est alors inutilisée car toute la puissance est transmise mécaniquement, bien que les moteurs-générateurs puissent tout de même agir soit comme moteurs d'appoint, soit comme générateurs de récupération. Les 6 types de fonctionnement possibles incluent toujours les 2 modes en division de puissance avec leurs trois points d'adaptation auxquels l'un des deux MG est stationnaire. Ces moteurs-générateurs servent alors aussi bien à la variation continue intermédiaire entre les rapports mécaniques en tant que convertisseur de couple, que, dans ces 2 modes également, à un apport additionnel de puissance en accélération ainsi qu'au freinage récupérateur.


La transmission automatique moderne avec ses rapports de démultiplication fixes est un des



Dans le quatrième rapport, le MG2 est bloqué mécaniquement, ce qui maximise le rendement à grande vitesse tout en permettant l'utilisation du MG1 en générateur pour la récupération en décélération et alimenter les systèmes auxiliaires consommateurs d’énergie. Avec le deuxième rapport, seul le MG2 est exploitable, car le régime de rotation mécaniquement imposé au MG1 est nettement trop faible pour qu'il puisse fournir une puissance utile. Sur les autres rapports mécaniques (premier et troisième), le comportement à l’accélération et la conduite sous forte charge (par ex. en montant une rampe ou en tirant une remorque) sont améliorés car non seulement la puissance est transférée mécaniquement, mais

deux concepts servant de base à cette transmission hybride. Le bloc de commande d'une transmission automatique sélectionne le rapport optimal en tenant compte des conditions momentanées, du confort et de la consommation de carburant. Les trains planétaires et les embrayages multidisques garantissent le transfert ininterrompu du couple moteur aux roues, alors que le convertisseur de couple permet le démarrage du véhicule sans à-coup et adoucit la transition entre les rapports fixes. La gestion d'une telle transmission est aujourd'hui purement électronique. (Voir à ce sujet notre dossier La transmission automatique conventionnelle). L'autre concept fondamental inhérent à la transmission de la "Global Hybrid Cooperation" est celui de l'"Electric Drive" d'Allison tel que décrit plus haut et dans lequel les deux MG remplissent les rôles respectifs de pompe et de turbine d'un convertisseur hydrodynamique de couple.

Un chef d'œuvre d'ingénierie Cliquez pour agrandir



aussi les deux MG peuvent être activés - dans la limite de la capacité de la batterie d'accumulateurs - pour procurer une puissance additionnelle à l’accélération ou pour le ralentissement récupérateur.

MG1, MG2 : moteurs-générateurs, P: planétaire, PS: porte-satellites

E1, E2 : embrayages, F1, F2 : freins, C: couronne Schémas François Roulet

Cliquez pour agrandir Selon le brevet US 6'953'409 les nombres de dents respectifs de la couronne et du pignon planétaire sont 65/33 pour les deux premiers trains épicycloïdaux et 94/34 pour le troisième train. Il en découle les rapports fixes de 3,765 – 1,713 – 1 – 0,742. Un revirement soudain a causé la surprise début mai 2007 : bien qu'ayant co-développé la transmission hybride bi-mode décrite ci-dessus en alliance avec General Motors et DaimlerChrysler, BMW a annoncé qu'hormis le système mentionné en page 3, aucun véhicule réellement hybride ne sera inclus dans sa gamme, tout au moins dans l'avenir prévisible. Cela n'empêche pas BMW de présenter au Salon de Francfort 2007 le concept-car X6 équipé de cette transmission bi-mode, tout comme l'est le Mercedes



ML450 Hybrid également présent à Frankfort et dont la production est annoncée pour 2009.

BMW steers away from hybrid powertrains The new two-mode hybrid system from the Global Hybrid Cooperation Global Hybrid Cooperation from Wikipedia





Autres photos.

"Plug-in hybrids"

Une possibilité intéressante consiste à recharger les batteries de véhicules hybrides sur le réseau durant



les heures creuses de nuit. Des automobiles spécifiquement conçues seraient équipées de batteries plus conséquentes qui permettraient de couvrir une distance supérieure en mode électrique. Le challenge reste le coût, le poids, le volume et la durabilité de la batterie d'accumulateurs. En outre, un problème de taxation peut se poser puisque ces véhicules, tout comme ceux 100% électriques, utiliseraient le réseau routier sans payer les taxes que la plupart des Etats prélèvent sur les carburants.

Controverses

Un certain nombre d'utilisateurs nord-américains d'automobiles hybrides n'en sont pas satisfaits et se plaignent du fait que la consommation de leur voiture est largement supérieure aux chiffres indiqués par le cycle test officiel US. La procédure de ce test, exécuté selon un mode de conduite comprenant des phases d'accélérations très progressives, est peu représentative de conditions réelles et est de fait particulièrement favorable aux modèles hybrides. Dans des conditions réelles, un véhicule Diesel offre une consommation et même des émissions de CO2 analogues à celles d'un modèle hybride essence-électrique, ceci pour coût largement inférieur, même en tenant compte d'équipements de dépollution tels que filtre à suies et réduction catalytique sélective des NOx. Voir le récent UBS-Ricardo report "Is diesel set to boom in the US ?" Evidemment, la combinaison d'un moteur Diesel et d'une technologie hybride représente la solution qui permet la consommation de carburant la plus réduite. Néanmoins, l'addition d'un système hybride à un moteur Diesel procure des gains moindres qu'en association avec un moteur à allumage commandé. Ceci est dû à ce que, d'une part la consommation spécifique d'un Diesel est moins défavorable sous faible charge, et d'autre part ses pertes thermiques étant restreintes, sa montée en température est plus longue ce qui impose de le laisser fonctionner plus longtemps après un lancement à froid. Le maintien en température du filtre à particules est également difficile. Mais l'obstacle principal est le coût d'un véhicule comprenant un Diesel avec son équipement de dépollution en plus d'un onéreux système hybride. Ce coût est certainement amortissable et donc acceptable pour des bus urbains ou des taxis, mais devient totalement prohibitif pour une automobile particulière. Outre leur coût élevé, les automobiles hybrides présentent deux inconvénients notoires. Ce sont les dangers inhérents d'une part au silence de leur déplacement en mode électrique pur (les piétons et les cyclistes ne les entendent alors pas arriver) et d'autre part à la haute tension de leur équipement électrique. Ce dernier point nécessite une instruction et un équipement spécifique des services d'intervention en cas d'accident.



Conclusion

Dès que le parcours comporte un certain nombre de décélérations

et de déplacements à vitesse réduite, un système de propulsion hybride bien conçu permet une réduction de consommation assez importante par rapport à un groupe motopropulseur purement thermique. Une diminution supplémentaire de consommation peut être obtenue si le système hybride permet de maintenir constamment le moteur thermique dans sa zone de charge/régime où il présente le meilleur rendement en fonction de la puissance demandée, d'autant plus que sa charge peut être augmentée pour recharger la batterie. Il convient toutefois de ne pas oublier que, excepté l'augmentation de charge pour produire du courant à stocker, ce deuxième point peut également être obtenu grâce à une transmission mécanique à variation infinie (IVT) pour un coût largement inférieur et sans le poids additionnel qui pénalise tout véhicule hybride. La question primordiale est dès lors de déterminer pour quel type de véhicule - affecté principalement à quel type de trajet - une propulsion hybride thermique-électrique devient économiquement et écologiquement rentable. Le choix judicieux peut être ardu car il faut tenir compte d'une foule de facteurs, dont notamment le coût et l'impact environnemental des matériaux et des composants tant à la production qu'au recyclage, et ceci en corrélation avec la durée de vie prévue du véhicule. Néanmoins, il apparaît qu'une propulsion hybride est indubitablement avantageuse pour les bus urbains et périurbains et d'une manière générale pour les véhicules qui circulent souvent en zone urbaine. Cela n'empêche pas General Motors de lancer la production de surpuissants Chevrolet Tahoe et GMC Yukon

Câbles 500 volts sur la Honda Civic IMA





hybrides motorisées par un V8 à allumage commandé de 6 litres avec système de désactivation de 4 cylindres, SUVs qui ne sont pas particulièrement adaptés à un usage urbain.

Grâce au système hybride, le V8 de 6 litres peut fonctionner beaucoup plus souvent avec 4 cylindres désactivés


Auteur : François Dovat. L'auteur remercie Ing. Manlio Alvaro (Allison Transmission) pour la documentation et les renseignements aimablement fournis ainsi que Ing. François Roulet (EPFL, Lausanne) pour ses graphiques et analyses pertinentes.



panorama des technologies du véhicule...

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