Les principales configurations

Selon la nature de l’énergie embarquée à bord des véhicules électriques, nous pouvons distinguer deux ensembles à savoir, le véhicule hybride - hybride rechargeable et le véhicule tout électrique. Les caractéristiques principales de ces véhicules sont exposées dans la partie suivante.

1.3.2.1 Les véhicules hybrides - hybrides rechargeables

Un véhicule est hybride lorsqu’il utilise au moins deux sources d’énergie différentes pour se déplacer. Généralement, il est désigné par une association d’un moteur à combustion interne avec une machine électrique associée à un système de stockage. Trois architectures de véhicule hybride se distinguent [36]–[39]: Hybride série, Hybride parallèle et le bi-mode (série-parallèle). Dans la représentation hybride série (Figure 1.13), le moteur thermique entraine un générateur électrique qui débite sur une batterie et alimente le ou les convertisseurs du ou des moteurs électriques de tractions. Cette configuration offre la possibilité d’une gestion globale de l’énergie présente dans le système (thermique et électrique) [37], [38]. La Chevrolet Volt commercialisée aux Etats Unis en 2010 intègre ce mode de fonctionnement.

Figure 1.13 : Architecture d’un VH série [38].

Concernant l’architecture hybride parallèle (Figure 1.14), elle permet aux deux moteurs, thermique et électrique, de fonctionner ensemble ou séparément. A l’instar de la Honda Insight et le prototype hybride HDi de PSA, le fonctionnement simultané et optimisé des deux moteurs permet d’améliorer le rendement et de réduire la pollution [37], [38].

L’hybride bi-mode ou mixte -n’est rien d’autre qu’un hybride parallèle plus spécifique. Cette architecture résulte de la combinaison entre l’hybridation parallèle à addition de couple et à addition de vitesse. Diverses possibilités de conception existent, la plus connue étant celle utilisée par le constructeur Toyota (Prius, Yaris HSD et Auris HSD). Ce véhicule est généralement constitué de deux machines électriques et d’un train planétaire. La première machine électrique (quelques kW) et la seconde (quelques dizaines de kW) réalisent respectivement l’addition de vitesse et l’addition de couple.

Figure 1.14 : Architecture d’un VH parallèle [38].

Concernant l’hybridation des véhicules, elle est classée en plusieurs degrés en fonction de l’importance du système électrique du véhicule. Du plus faible degré d’hybridation au plus important, nous citons [37], [39], [40] :

- Micro-hybride « Start & Stop » : lors des phases d’arrêt, ce système s’attache à contrôler les actions de démarrages et de coupures automatiques du moteur thermique.

- Semi-hybride : hormis le concept Start & Stop, il utilise aussi l’électricité pour alimenter d’autres systèmes. Éclairage et appareils de bord, entre autres, profite ainsi de l’électricité stockée dans la batterie du véhicule, elle-même rechargée par le moteur thermique et les phases de freinage.

- Full hybride : sa configuration est quasiment identique à celle du Semi-hybride sauf que les composants sont encore plus puissants. La Toyota Prius adopte ce mode de fonctionnement. L’électricité produite par le moteur thermique et le freinage régénératif est stockée dans une batterie.

- Hybride rechargeable : sur de petites distances, ce type de véhicule est capable de fonctionner en mode tout électrique. Il dispose d’une batterie pouvant être rechargée à l’aide d’une prise de courant et d’un chargeur.

1.3.2.2 Le véhicule tout électrique

Un véhicule tout électrique correspond à un véhicule qui possède uniquement un accumulateur comme source d’énergie. Son architecture est représentée à la Figure 1.15. Les véhicules tout électrique proposés actuellement sont exclusivement urbains, leur autonomie reste limitée et dépend des technologies des batteries. Le freinage régénératif

permet d’accroitre sensiblement l’autonomie. Il permet en outre d’obtenir un frein moteur. Pour ces raisons, il est nécessaire d’avoir un système de conversion réversible [37], [38].

Figure 1.15 : Architecture d’un véhicule tout électrique [38].

1.3.2.3 Les sources d’énergie électrique embarquées

Le stockage de l’énergie électrique est l’un des éléments dont l’automobile attend le plus de progrès. Des performances plus élevées, particulièrement dans les domaines de stockage et de gestion énergétique, permettraient une plus grande quantité d’énergie à récupérer par les véhicules hybrides et une plus grande autonomie des véhicules électriques. Des progrès sont espérés par les batteries, mais aussi par les condensateurs.

1.3.2.3.1 Les batteries

Le futur du marché des VE est dicté par les performances des batteries qui aujourd’hui restent le verrou technologique pour leur popularisation. Une puissance massique élevée pour les fortes accélérations, une énergie massique importante pour une meilleure autonomie et une durée de vie élevée pour réduire les coûts sont les paramètres vitaux pour accroitre la viabilité du véhicule électrique rechargeable. Une synthèse des performances de plusieurs technologies de batteries est illustrée dans le Tableau 1.2 [38]. Les figures « Figure 1.16 - Figure 1.17» exposent respectivement le coût et la durée de vie en fonction du rendement de différentes technologies d’accumulateurs électrochimiques [39].

Tableau 1.2 : Comparaison des performances des batteries [38]. Technologie Energie spécifique (Wh/kg) Puissance spécifique (W/kg) Rendement (%) Nombre de cycle Coût (€/kWh) Plomb-acide 35-50 150-400 80 500-1000 70-110 Nickel-cadmium 30-50 150-150 75 1000-2000 180-240 Nickel-métal- hydrure 70-95 200-300 70 1000-2000 200-350 Zinc Air 100-220 30-80 60 500 70-95 Sodium-sulfure 150-240 230 85 1000 150-250 Lithium-ion 80-130 200-300 >95 1000 150

L’analyse des données du tableau montrent que les batteries Li-ion affichent de meilleures performances comparées aux autres accumulateurs. Elles sont actuellement les plus adaptées pour les applications de types véhicules électriques [39]. Parmi ses avantages [41] :

- une haute densité d’énergie pour un poids relativement faible ;

- une meilleure sécurité que la filière lithium-métal ;

- aucun effet mémoire, contrairement aux accumulateurs à base de nickel ;

- une faible autodécharge (5 à 10% par mois) ;

- pas de maintenance, à la différence des accumulateurs acide-Plomb.

Figure 1.17 : Durée de vie et rendement des différentes technologies de batteries [39].

1.3.2.3.2 Les supercondensateurs

Les supercondensateurs stockent de l’énergie grâce à une séparation physique des charges positives et négatives. L’absence des variations chimiques sur les électrodes permet aux supercondensateurs d’avoir une durée de vie plus longue mais avec une densité d'énergie plus faible. Leur densité de puissance est considérablement plus élevée que celle de la batterie. Leur faible résistance interne permet d’avoir un bon rendement. Ils peuvent être utilisés comme dispositifs de stockage d'énergie assistant pour les VE. Ils sont très appropriés pour capter l'électricité à partir de la régénération de puissance de freinage et de fournir rapidement la puissance lors d’une accélération en raison de leur rapide charge et décharge. Leur association avec les batteries est une solution parmi d’autres pour optimiser le système de stockage électrique du VE ou du VHR [42].