Bonjour. Je m’appelle Amélie DANLOS et je suis maître de conférences au CNAM.

Je vais vous parler aujourd’hui des véhicules hybrides. Pourquoi ces véhicules en particulier ? Parce que les véhicules qui utilisent un moteur thermique sont pointés du doigt aujourd’hui à cause de leurs émissions de polluants et de gaz à effet de serre. Les véhicules électriques, eux, sont très plébiscités mais ils restent contraints, avec notamment leur autonomie assez réduite.

On va donc d’abord se demander comment fournir de l’énergie aux véhicules hybrides. Le moteur électrique présente de nombreux avantages pour la circulation en milieu urbain. Ils supportent bien mieux que le moteur thermique les différents arrêts et redémarrages qu’on peut avoir en ville. En revanche, le terrain préféré du moteur thermique, ce sont les grandes routes avec les longs trajets où on va travailler à fortes charges et avec une autonomie assez grande. 

Pour pouvoir récupérer des avantages de ces deux motorisations, on va utiliser ce qu’on appelle l’hybridation, c’est-à-dire un système qui va comporter au moins deux sources d’énergie. On va pouvoir différencier plusieurs degrés d’hybridation qui peuvent aller du moins électrique au plus électrique. 

Le premier, le micro-hybride, qui va utiliser la technologie qu’on appelle stop-and-start, permet de soulager le moteur thermique pour justement les arrêts et les redémarrages fréquents qu’on peut avoir en ville. 

Le mild hybrid qui est l’hybridation légère est un système qui permet d’apporter un plus grand soutien au moteur thermique avec le moteur électrique mais qui ne permet pas de fonctionner en 100 % électrique. 

En revanche, le full hybrid ou l’hybridation totale permet lui de ne fonctionner pratiquement qu’en 100 % électrique et permet d’aller avec des courtes distances et des tous petits trajets, de pouvoir fonctionner en émettant le moins possible de polluants.

L’hybridation rechargeable ou le plug-in hybrid est un système qui permet, lui, de pouvoir se recharger sur le réseau. 

Donc, on va différencier les trois premiers cas qu’on va appeler hybride discret où là on va essayer d’utiliser ce système pour réduire au maximum la consommation de carburant.

Le quatrième cas, lui, qu’on va appeler hybride fonctionnel, permet non seulement d’utiliser la voiture comme un outil qui va utiliser de l’énergie mais aussi qui peut en produire. Donc on va pouvoir valoriser le véhicule avec les hybrides fonctionnels. 

Les véhicules hybrides sont comme tous les autres véhicules. Ils doivent atteindre des objectifs mais dans la limite de contraintes qui leurs sont imposées. Il faut donc d’abord que le véhicule puisse avoir assez d’énergie pour avancer, mais il faut que cette énergie soit fournie par un système qui reste à un prix raisonnable quand on veut acheter un véhicule. Il faut aussi qu’il soit dans des consignes de sécurité précises, par exemple on a toujours la sécurité au freinage auquel il faut faire attention. Il faut réfléchir aussi aux moyens d’approvisionnement de ces véhicules qui changent par rapport aux véhicules standards et tout cela dans le cadre de la réglementation avec tout ce qui est polluants, gaz à effet de serre, mais aussi le bruit et les champs électromagnétiques qu’on peut avoir quand on utilise de l’électricité.

Maintenant qu’on a vu tout ce qui permet de faire avancer le véhicule, il faut qu’on regarde aussi comment stocker l’énergie et en particulier l’énergie électrique. C’est ce qu’on voit ici. On a deux exemples de système qui permettent de stocker l’énergie. Un premier système avec des accumulateurs qui forment ce qu’on appelle la batterie. Ce système fonctionne en utilisant l’énergie de réaction chimique. On a aussi les super-condensateurs. Là, ceci est une manière de stocker l’énergie directement sous forme électrostatique. 

La différence entre ces deux systèmes, on peut la voir par exemple avec le nombre de cycles de recharge qu’ils peuvent supporter, mais aussi avec le temps de recharge de chacun des systèmes. 

Quand on regarde ces deux points, c’est les super-condensateurs qui remportent la première bataille. Le problème c’est que les super-condensateurs ont un gros défaut, c’est leur densité énergétique, c’est-à-dire la quantité d’énergie qu’on peut avoir pour un système de même taille ou de même masse, et sur ce point, les accumulateurs eux remportent la victoire.

On a tout ce qu’il faut pour faire notre véhicule hybride. On a deux motorisations différentes et un système pour stocker l’énergie. On va donc maintenant pouvoir voir comment mettre ensemble tout cela pour faire fonctionner notre véhicule.

Ici, on a un schéma qui nous montre nos deux sources d’énergie, une qui permet d’utiliser l’énergie et une qui permet d’utiliser l’énergie mais aussi d’en produire. Ces deux systèmes sont reliés, avec différents couplages et peuvent donner ensuite leur énergie aux roues pour faire avancer le véhicule.

On voit ici une première architecture d’hybridation. On va avoir un autre carburant qui est stocké dans le réservoir, qui va ensuite alimenter le moteur thermique. Le moteur thermique va être relié à un moteur électrique, qui est lui-même relié à un autre moteur électrique qui va pouvoir échanger avec la batterie ou le super-condensateur, donc le système de stockage d’énergie, pour ensuite redonner toute leur énergie aux roues motrices sous forme d’énergie mécanique. Ce système est appelé hybridation série.

On peut aussi arranger les choses autrement et supprimer le moteur électrique. Dans ce cas-là, le moteur thermique permet directement de donner l’énergie aux roues motrices. On garde quand même notre deuxième motorisation pour avoir vraiment un système hybride qui est relié toujours à la batterie ou au super-condensateur. 

Avec ce système, on réussit à réduire la taille de la batterie, de la machine électrique, donc on pourrait croire que c’est un système qui a tous les avantages, pas seulement parce que le problème avec ce système c’est qu’on va pouvoir récupérer moins d’énergie au freinage, et on va avoir une autonomie qui est un peu plus réduite que le premier système. 

Ce système, appelé hybridation parallèle, n’a pas que des avantages, le premier non plus. Donc, il faut aussi envisager des modes d’hybridation plus complexes qui vont se trouver entre les deux et qui vont s’appeler l’hybridation série parallèle.

Maintenant qu’on a vu un peu comment fonctionnait tout cela, il est temps de jeter un œil sur le bilan qu’on peut obtenir, les résultats qu’on peut avoir avec un véhicule hybride. 

Dans ce tableau, on peut voir les différences de consommation qu’on peut avoir avec nos différents véhicules hybrides, les véhicules hybrides discrets et notre véhicule hybride fonctionnel. On peut atteindre jusqu’à 40 % de réduction de consommation avec le full hybride et 60 % de réduction de consommation avec le plug-in. 

On s’intéresse aussi aux émissions de polluants et là, quand on va comparer avec une voiture qui utilise un moteur à essence et un hybride discret, on voit tout de suite que pour la ville, ce système hybride permet de réduire beaucoup les émissions de gaz à effet de serre de CO2.

On peut aussi s’intéresser à tout ce qui va arriver demain. Pour le moment, je ne vous ai fait un état des lieux que de ce qui existait sur le marché. Les scientifiques, les industriels s’intéressent maintenant à comment utiliser les super-condensateurs pour en faire vraiment le système de stockage de l’avenir. Pour cela, il suffit d’améliorer sa capacité en densité énergétique. C’est ce qui est fait avec les super-condensateurs haute densité qui utilisent des structures particulières de matériaux avec notamment les nanotubes de carbone pour obtenir des densités d’énergie qui sont semblables à celles des batteries, donc de l’ordre de 155 Wh/kg.

Toujours en travaillant sur les matériaux, on a par exemple Volvo Car Group qui propose une manière différente de stocker l’énergie, non plus seulement dans une batterie, mais cette fois-ci dans l’ensemble de la structure du véhicule, donc cela peut être les portières, le capot ou encore le coffre. 

Une autre piste intéressante, c’est les routes électriques. Ces routes sont maintenant un peu dans différents projets dans le monde. Ici, on vous présente un projet européen de recherche qui s’appelle Fabric, qui a déjà installé des sites de test en France et qui permet d’avoir des portions de route pour le moment qui permettent de recharger les véhicules électriques et les véhicules hybrides en roulant, par induction. Il va y avoir un autre site de test qui va être mis en place en France, en région parisienne, à Satory.

Maintenant, vous avez tous les outils pour comprendre ce qu’est un véhicule hybride, les différents types d’hybridations qui existent et quelques solutions innovantes qu’on a pu croiser. Vous avez donc maintenant tout ce qu’il vous faut pour vous forger votre propre opinion sur les innovations dans ce domaine. 

Je vous invite à creuser la question, à échanger sur le forum à propos des nouvelles solutions que vous avez pu croiser dans les journaux ou à la télévision ou sur internet, en espérant que tout ceci va vous permettre d’aller plus loin et de découvrir ce que les scientifiques réservent pour imaginer les véhicules de demain.