L’hybridation entre le véhicule électrique et le véhicule thermique

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Les Gaz a Effet de Serre (GES)

Les rejets de gaz a effet de serre dus a l’activité humaine visés par le protocole de Kyoto concernent les six gaz suivants [PR07] :
– le dioxyde de carbone ou gaz carbonique (CO2) provient de la combustion des ´energies fossiles.
– le m´ethane (CH4) provient de l’´elevage des ruminants, de la culture du riz, des d´e-charges d’ordures, des exploitations p´etroli`eres, gazi`eres et charbonni`eres ;
– le protoxyde d’azote (N2O) vient des engrais azot´es et de divers proc´ed´es chimiques ;
– les gaz fluor´es ou hydrofluorocarbones (HFC) sont des gaz propulseurs des bombes a´erosols, des gaz r´efrig´erants ou proviennent d’industries diverses ;
– les hydrocarbures perfluor´es (PFC) sont ´emis notamment lors de la fabrication de l’aluminium ;
– l’hexafluorure de soufre (SF6) est un gaz inerte utilis´e comme d´etecteur de fuite et isolant ´electrique.
Afin de quantifier l’impact de chacun de ces gaz sur le r´echauffement global, l’indicateur de Pouvoir de Rechauffement Global ou PRG1 a et´ cr´e´. Les PRG de ces diff´erents gaz tels que d´efinis par le Groupement d’Experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat (GIEC) sont ceux de 1995 (Tab. 1.1).
Les transports routiers ´emettent de mani`ere directe du dioxyde de carbone par la com-bustion du gazole ou de l’essence, du m´ethane par ´evaporation des carburants en stockage et a` l’´echappement lors de combustions incompl`etes et de gazs fluor´es pr´esents dans les sys-t`emes de climatisation. De mani`ere indirecte, l’exploitation du p´etrole, indispensable a` ce jour pour nos v´ehicules, devrait aussi ˆetre pris en compte, du moins en partie, dans le calcul des ´emissions dues aux transports (Fig. 1.1.c).

Les sources des ´emissions en France

La France fait partie des pays industrialis´es qui ´emettent le moins de GES si l’on com-pare les ´emissions annuelles par habitant en tCO2/habitant. Alors que les ´emissions annuelles par habitant de la Russie, des Etats-Unis d’Am´erique, de l’Australie, et du Quatar, repr´-sentent respectivement pr`es de 15.4, 24.5, 30.3 et 53.1 tCO2/habitant [PR07], celles de la France ne repr´esentent que 8.8 tCO2/habitant. En effet, en France, la production d’´electricit´ ne repr´esente que 8 % des ´emissions de gaz `a effet de serre, alors que dans la majorit´e des pays, celle-ci occupe une part relative beaucoup plus importante. L’´electricit´ en France est produite `a hauteur de 75 % par l’´energie nucl´eaire et `a hauteur de 15 % par l’´energie hydrau-lique. Or, ces deux ´energies ´emettent tr`es peu de CO2. N´eanmoins, de par le haut niveau de vie en France malheureusement fortement corr´el´ `a l’impact environnemental, les ´emissions de GES en France restent bien sup´erieures aux ´emissions moyennes mondiales qui sont de 6.7 tCO2,e/habitant `a cause des ´emissions de N2O et de gaz fluor´es qui sont sup´erieures `a la moyenne mondiale.
En 2006, le PRG relatif a` la France m´etropolitaine est estim´ a` 532 Mt CO2,e. Quatre secteurs contribuent majoritairement aux ´emissions de gaz a` effet de serre qui sont par ordre de pr´edominance [CIT08] :
– le transport routier avec 24 % du total hors UTCF, du fait du CO2 essentiellement,
– l’industrie manufacturi`ere avec 23 %, du fait d’´emissions de chacune des six substances contribuant au PRG,
– l’agriculture/sylviculture avec 19 %, du fait des deux polluants N2O et CH4,
– le r´esidentiel/tertiaire avec 19 %, du fait d’´emissions de chacune des six substances contribuant au PRG,
La transformation d’´energie contribue au PRG mais dans une moindre mesure puisque ce secteur ne repr´esente que 13 % du PRG total hors UTCF de la France m´etropolitaine en 2006, le secteur des ”autres transports hors transport routier” repr´esente moins de 2 % des ´emissions totales.

Les transports routiers : premier ´emetteur de GES en France

Le bilan

Entre 1990 et 2006, les ´emissions de CO2 de la route ont augmente de 16 % pour une croissance de 28 % de la circulation routi`ere (tous v´ehicules confondus). Bien qu’en diminution constante sur les v´ehicules r´ecents, les transports routiers sont responsables de 59 % des oxydes d’azote (NOx), de 27 % du monoxyde de carbone (CO) et de 49 % des compos´es organiques volatiles (COV) (p.175 de [CIT08]). Si aucun changement n’intervient, l’objectif de r´eduction des ´emissions de GES aux niveaux de celles de 1990 d’ici 2010 est fortement compromis a` cause du transport.
Dans le secteur des transports, le transport routier pr´edomine largement en terme de GES puisqu’il repr´esente, en 2006, 93 % du PRG des transports. La part du CO2 est pr´edomi-nante dans cette indice de PRG. Cependant, il faut noter l’augmentation de la consommation de gaz fluor´es dans les syst`emes de climatisation des v´ehicules routiers dont le PRG repr´esente, en 2006, 4.1 GtCO2. A titre indicatif, cette valeur est comparable au PRG du transport a´erien national estim´ `a 4.7 GtCO2 [CIT08].
Les ´emissions de CO2 du transport routier fran¸cais peuvent ˆetre subdivis´ees en plusieurs sous-cat´egories selon le type de v´ehicule et le type de carburant utilis´e (An. A.1). En 2006, plus de la moiti´e des ´emission de CO2 proviennent des voitures particuli`eres, 17 % des v´ehicules utilitaires et 27 % des poids-lourds (bus et car inclus) ; les deux-roues et les voitures GPL ne prenant qu’une part n´egligeable.
La voiture particuli`ere est bien le moyen de transport pr´ef´er´ des fran¸cais avec 83 % des kilom`etres parcourus par voyageur par ce mode de transport (An. A.1). Ce mode de d´eplacement reste cependant la plus gourmande en ´energie et la plus forte ´emettrice de CO2 compar´ee aux autres modes de transports. Si l’on s’int´eresse aux transports ferroviaires, ceux-ci sont moins ´emetteurs de GES du fait de leur motorisation ´electrique. L’impact de l’origine de l’´electricit´ est pris en compte selon qu’elle est produite en France (48 gCO2/kWh en 2005) ou en Europe (344 gCO2/kWh moyenne en 2005 de l’UE-15) [V08]. Mˆeme avec le facteur d’´emissions europ´een, les transports ferroviaires ´emettent 4 a` 8 fois moins de GES que les modes de transports routiers de voyageurs (An. A.1).

L’´evolution

Un traffic important en stagnation : De 1990 a` 2007, la mobilit´e des fran¸cais augmente de presque 40 % dont 36 % d’augmentation due a` l’utilisation de la voiture particuli`ere. Une stagnation de la mobilit´e est observ´ee entre 2001 et 2004. En 2007, apr`es deux ann´ees de l´eg`ere d´ecroissance, le transport int´erieur de voyageurs repart a` la hausse (+ 1,5 %). Cette inversion de tendance est li´ee a` la reprise de la circulation des voitures particuli`eres (+ 1,6 %), qui avait connu un recul les deux ann´ees pr´ec´edentes ; les transports collectifs continuent de progresser bien qu’ils ne repr´esentent encore qu’une faible part des moyens de transports utilis´es [INSEE08a]. Par ailleurs, l’augmentation durable du coˆut du p´etrole devrait soit diminuer la mobilit´e des voyageurs, soit les orienter vers des solutions moins coˆuteuses [DP07] comme :
– la multi-modalit´e qui consiste a` utiliser plusieurs moyens de transport pour un trajet ;
– le covoiturage ;
– les modes de d´eplacements doux comme le v´elo.
Ces changement ne sont possibles uniquement si les infrastuctures sont adapt´ees, notamment dans les villes o`u ces changements sont les plus applicables.
De plus, des leviers politiques ; plus ou moins populaires, peuvent ˆetre actionn´es comme le bonus-malus mis en place pour les v´ehicules particuliers ou le p´eage pour acc´eder aux centres villes d`ej`a plus contest´.
Le transport de marchandises est un domaine qui s’est, lui aussi, fortement d´evelopp´ avec une augmentation de 245 `a 320 milliards de tonnes-km du flux de marchandise en France de 1990 `a 2007. En 2007, 80 % de ces flux sont effectu´es par poids-lourds [INSEE08b]. A la diff´erence des voitures particuli`eres, ce secteur est en constante augmentation +3.1 % en moyenne par an depuis 1990 [Cai07]. L’impact du coˆut du transport aujourd’hui sur le coˆut final des produits reste cependant faible et ne repr´esente pas un levier sur la r´eduction du flux de marchandises. C’est pourquoi d’ici 2012, p´eriode de l’apr`es-Kyoto, il est probable que les transports de marchandises soient inclus dans un syst`eme de quotas d’´emissions de CO2.
Les progr`es technologiques : Un certain nombre d’am´eliorations ont et´ effectu´es sur le raffinage des combustibles et les motorisations thermiques qui ont permis de r´eduire les ´emissions unitaires des v´ehicules de polluants locaux et globaux :
– La diminution de la teneur en soufre et en plomb dans le carburant a permis de r´eduire significativement leur pr´esence dans l’air ;
– La g´en´eralisation des pots catalytiques a permis de diminuer les rejets polluants tels que les hydrocarbures imbrˆul´es et et le monoxyde de carbone ;
– L’utilisation des filtres `a particules sur les motorisations diesel a permis de supprimer la majeure partie des ´emissions de compos´es de polluants solides (fum´ee noire) ;
– L’am´elioration de l’efficacit´ energ´etique des motorisations (injection directe, d´esac-tivation de piston, etc) et de la transmission permettant une diminution des consom-mations et par cons´equent des ´emissions de CO2.
Des efforts continuent a` ˆetre r´ealis´es sur :
– la r´eduction de la r´esistance au roulement due aux pneumatiques [Mic03] ;
– la limitation du coefficient de p´en´etration dans l’air SCx ;
– l’am´elioration du rendement energ´etique du moteur thermique ;
Depuis peu de temps, les v´ehicules ´electriques reviennent au devant de la sc`ene apr`es un ´echec dans les ann´ees 90 [CG05]. Plusieurs inconv´enients avaient eu raison du d´eveloppement de ce type de v´ehicule, [CG05] d´esigne notamment l’autonomie limit´ee des v´ehicules de l’ordre de 80 km en usages r´eels, les probl`emes des lieux de recharge, le surcoˆut de la batterie et l’impossibilit´e des m´enages d’investir dans un v´ehicule pour un usage uniquement urbain. De 1996 `a 2000, seulement 25 000 v´ehicules ont et´ vendu en France. Cependant, les progr`es r´ecents dans le domaine des batteries lithium ont permis d’augmenter l’autonomie du v´ehicule.
A ce jour, cette nouvelle g´en´eration de v´ehicule n’est pas encore commercialis´ee. On ne sait donc pas encore si le coˆut `a l’achat sera attractif.
Cette question de l’autonomie et du coˆut de la batterie reste centrale dans le d´eveloppe-ment du v´ehicule ´electrique, c’est pourquoi le concept de l’hybridation (cf Chap. 1.2) connait un certain engouement de la part des constructeurs car il permet de r´eduire la taille de la batterie pour une plus grande autonomie. Le surcoˆut de l’hybridation reste cependant une limitation a son d´eveloppement.
Les r´egressions technologiques : Bien que les progr`es r´ealis´es sur les motorisations ont permis de r´eduire significativement leur consommation et leurs ´emissions a` performances ´egales, le march´e automobile a pris trois orientations qui vont a` l’encontre de la r´eduction de consommation et d’´emission de polluants :
– La masse moyenne des v´ehicules vendus en France a subit une augmentation constante et importante ces derni`eres d´ecennies afin d’am´eliorer la s´ecurit´ et le confort dans le v´ehicule (An. A.3), l’influence de la masse du v´ehicule est mis en ´evidence dans l’annexe A.10 ;
– La puissance sp´ecifique moyenne des v´ehicules vendus en France tend `a augmenter (An. A.3).
– La g´en´eralisation de la climatisation et d’accessoires tels que les ordinateurs de bord, GPS augmente la consommation d’´energie du v´ehicule ; il est important d’insister sur la climatisation qui n´ecessite enorm´ement d’´energie et conduit `a des surconsom-mations importantes comprises entre 12 % `a 43 % selon l’usage du v´ehicule et la motorisation [BG03] ; cette surconsommation se r´epercutant sur les ´emissions des diff´erents polluants cit´es auparavant. De plus, l’utilisation syst´ematique de gaz r´efri-g´erants fluor´es, susceptibles de s’´evaporer au cours de la dur´ee de vie du v´ehicule, ajoute une part consid´erable d’´emissions de GES a` fort PRG.

Evaluation des ´emissions unitaires de polluants d’un v´ehicule

La mesure des quantit´es de gaz ´emis par un v´ehicule est r´eglement´ee par les normes EURO mises en place par la communaut´e europ´eenne.

Proc´edures d’essai pour l’homologation des v´ehicules

Les m´ethodes d’´evaluations de consommation et d’´emissions de CO2 et des autres pol-luants sont fix´ees par les r´eglementations europ´eennes n➦83, 84 et 101 ([CE58, CE07b, CE08a, CE08b, CE08c]). Pratiquement, le v´ehicule est plac´e sur un banc a` rouleau, banc dynamom´e-trique muni d’un syst`eme simulant la r´esistance a` l’avancement et l’inertie. On ex´ecute sans interruption le nouveau cycle europ´een de conduite NEDC d’une dur´ee totale de 19 minutes 40 secondes et comprenant deux parties (An. A.8). La premi`ere partie est constitu´ee de quatre cycles el´ementaires urbains. La deuxi`eme partie est constitu´ee d’un cycle extra-urbain. Les ´emissions de CO2, CO, HC et NOx sont mesur´ees lors de ce suivi de cycle par des analyseurs de gazs. Par un bilan de carbone, il est possible de calculer la consommation du v´ehicule (An. A.5). Au d´ebut du cycle, le moteur thermique et le syst`eme de d´epollution doivent ˆetre a` temp´erature ambiante ; on parle alors de d´emarrage a` froid responsable de sur´emission importante (An. A.12).
La proc´edure qui vient d’ˆetre d´ecrite correspond a` l’´epreuve de type I des ´epreuves d’homologation. En tout 6 types de contrˆole sont r´ealis´es pour l’homologation des v´ehicules a` moteur a` combustion interne et des v´ehicules ´electriques hybrides equip´es d’un moteur a` combustion interne (An. A.4).

Limites du cycle d’´evaluation europ´een

Le nouveau cycle europ´een de conduite NEDC est le cycle d’essai utilis´e pour l’ho-mologation des v´ehicules en Europe (An. A.8). Cependant, la cin´ematique impos´ee est peu repr´esentative de l’usage r´eel des v´ehicules l´egers. La commission estime que la proc´edure doit ˆetre actualis´ee et entend donc r´eexaminer le cycle d’essai afin qu’il refl`ete dˆument les ´emissions g´en´er´ees par la conduite r´eelle sur route [CE08b]. Des ´etudes d’usage et de synth`ese de cycles ont d´ej`a et´ r´ealis´ees dans le cadre des projets europ´eens HYZEM et ARTEMIS qui s’articulent autour de deux axes : la description de l’usage des v´ehicules et la synth`ese de cycles d’´evaluation [And97a, And97b, And04].
Compte-tenu du contexte que nous venons de d´ecrire, les constructeurs doivent proposer rapidement des v´ehicules encore plus sobres. Bien que les progr`es r´ealis´es sur la motorisation diesel ont et´ significatifs, il semblerait que les gains envisageables soient limit´es. Le principe de l’hybridation apparaˆıt donc ˆetre une solution int´eressante pour r´eduire significativement, et rapidement, la consommation des v´ehicules. Une rupture technologique est donc en train de se pr´eparer ; mais va-t-elle pour autant se g´en´eraliser ?

Int´erˆet de l’hybridation

Dans cette partie, apr`es un bref rappel du principe de l’hybridation, nous pr´esentons succinctement les fonctionnalit´es qui peuvent ˆetre impl´ement´ees dans ce type de v´ehicule, les principaux constituants d’un tel syst`eme, ainsi que l’agencement de ces constituants par des exemples d’architectures. Enfin, nous pr´esenterons les potentialit´es de r´ecup´eration d’´energie au freinage et les r´eductions de consommation obtenues par simulation et sur des v´ehicules existants.

L’hybridation entre le v´ehicule ´electrique et le v´ehicule thermique

Cette partie s’attache a` pr´esenter le principe de l’hybridation ainsi que les nouvelles fonctionnalit´es que peut apporter cette technologie. Les diff´erentes familles de v´ehicules hy-brides sont diff´erenci´ees selon leurs fonctionnalit´es.

Principe de l’hybridation ´electrique des v´ehicules

Le principe des v´ehicules hybrides thermiques-´electriques est de cumuler dans une mˆeme motorisation, les avantages de la solution ´electrique avec ceux de la chaˆıne de propulsion thermique. Le v´ehicule devient alors moins consommateur de carburant et moins polluant dans les villes tout en gardant une autonomie et des performances dynamiques comparables a` celles des v´ehicules thermiques classiques sur routes et autoroutes.
Le fonctionnement d’un v´ehicule hybride ´electrique s’articule autour des phases fonda-mentales suivantes :
– la transformation non r´eversible d’´energie via le moteur thermique ;
– la r´ecup´eration, le stockage et la restitution de l’´energie via les el´ements ´electriques ;
– le couplage de ces deux sources d’´energie ;
– la gestion optimum de ces composants en vue de satisfaire les demandes du conducteur avec une consommation et des ´emissions de polluants minimum.

Des nouvelles fonctionnalit´es dans le v´ehicule

Les v´ehicules hybrides thermiques-´electriques offrent un certain nombre de fonctionna-lit´es suppl´ementaires compar´ees aux v´ehicules traditionnels [BDRT+04] :
1. Optimisation de la gestion d’´energie des accessoires ´electriques ;
2. Stop & Start (arrˆet du moteur a` l’arrˆet et d´emarrage automatique) ;
3. R´ecup´eration d’´energie au freinage ;
4. Assistance ´electrique a` la traction ou “booster”;
5. Mode tout ´electrique ou “Zero Emission Vehicule”;
6. Autonomie en tout ´electrique ;
7. Recharge batterie sur le r´eseau.
La succession de ces fonctionnalit´es respecte le pincipe de cumulativit´e : un v´ehicule ayant par exemple la cinqui`eme fonctionnalit´e est en capacit´e de proposer les quatres premi`eres. Nous allons maintenant revenir sur chaque fonctionnailt´e cit´ee ci-dessus afin de les pr´esenter plus en d´etail.
1. Optimisation de la gestion d’´energie des accessoires ´electriques : Dans le cas de v´ehicules munis d’accessoires tr`es consommateurs (cf. §1.2.2.1), la batterie est utilis´ee comme un tampon d’´energie. Par un syst`eme de gestion ad´equat, les instants de recharge sont choisis pour que le moteur thermique atteigne les points de fonctionnement a` hauts rendements. Ces points de fonctionnement correspondent a` des faibles r´egimes et forts couples ; la recharge de la batterie sera donc privil´egi´ee lors des phases d’acc´el´eration et sera evit´ee lorsque le moteur thermique tourne au r´egime de ralenti au moment o`u le couple demand´ au moteur thermique est faible. Ces phases de recharge par le moteur thermique sont classiquement appel´ flux s´erie. Ce principe de fonctionnement peut limiter les performances du v´ehicule mais le gain en consommation peut ˆetre tr`es int´eressant selon la puissance demand´ee par les accessoires. Dans le cas extrˆeme d’une Clio hybride muni d’un moteur ´electrique de 10 kW alimentant 3 kW d’accessoires, les gains obtenus par rapport a` un v´ehicule classique sont de l’ordre de 1.7 L/100 km sur un cycle HYZEM urbain soit 20 % de gain, de 1 L/100 km sur un cycle HYZEM routier soit 16 % de gain de carburant, et de 0.5 L/100 km sur un cycle HYZEM autoroutier soit 9 % de gain de carburant [DSTB+04]. Pour le cas particulier de la climatisation qui est a` ce jour entrain´ee m´ecaniquement, les syst`emes de climatisation ´electriques pourraient se d´evelopper sur des v´ehicules ayant ce type de gestion d’´energie avanc´ee.
2. Stop & Start : Le principe du Stop & Start consiste a` g´erer de mani`ere automatique la mise en route ou l’arrˆet du moteur thermique. Cette fonctionnalit´e trouve tout son int´erˆet en milieu urbain dense o`u le v´ehicule est souvent a` l’arrˆet (feu tricolore, embou-teillage). Lors de la r´ealisation des cycles HYZEM [And97a], il a et´e d´emontr´ que le pourcentage de temps o`u la voiture est a` l’arrˆet dans un milieu urbain est de 20 a` 25 % de la dur´ee du trajet. L’´economie de l’ordre de 5 a` 10 % intervient donc sur les phases d’arrˆet du moteur et sur les phases de d´emarrage pendant lesquelles le moteur thermique est assist´e jusqu’`a ce qu’il atteigne un r´egime de l’ordre de 800 tr/min [LPFK+04].
3. R´ecup´eration d’´energie au freinage : La fonctionnalit´e primordiale du v´ehicule hybride est la r´ecup´eration au freinage. Elle consiste a` transformer l’´energie cin´etique normalement dissip´ee par les freins m´ecaniques lors des phases de d´ec´el´eration en ´energie ´electrique via un moteur ´electrique ou g´en´eratrice. Cette ´energie ´electrique est r´ecup´er´ee par le stockage d’´energie r´eversible (batteries, supercondensateurs, volant d’inertie). Les potentialit´es de r´ecup´eration d’´energie sont variables selon l’usage du v´ehicule, l’´elec-trification ou non de son essieu arri`ere, et l’architecture de la motorisation hybride (An. B.2).
4. Assistance ´electrique `a la traction (Booster) : Un moteur ´electrique est coupl´e au moteur thermique afin de diminuer ses demandes de puissances transitoires. Le moteur thermique est alors assist´e lorsqu’il n’est pas en mesure d’assurer le couple n´ecessaire a` un r´egime donn´e. De plus, dans le cas o`u pour un r´egime donn´e, la demande de couple ´ecarte le rendement du moteur de son optimum, le moteur ´electrique intervient et permet au moteur thermique de rester dans sa zone de meilleurs rendements. Une utilisation trop importante de cette fonction aurait pour cons´equence une d´echarge trop rapide de la batterie. Dans certaines ´etudes, il est envisag´ de r´eduire la taille du moteur thermique “downsizing” tout en pr´eservant les performances du v´ehicule [Ali08].
5. Mode tout ´electrique (Zero Emission Vehicule) : Le mode tout ´electrique est utilis´e dans les phases de d´emarrage du v´ehicule, le moteur ´electrique fournissant la totalit´e de la puissance n´ecessaire a` la traction. Le v´ehicule roule donc en tout ´electrique sans assistance du moteur thermique. Cependant, ce mode n’est valide que pour des vitesses inf´erieures a` une valeur limite, 30 km/h pour la Toyota Prius, sur de tr`es courtes distances et lorsque la consigne de puissance n’est pas trop elev´ee.
6. Autonomie en mode tout ´electrique : Cette fonctionnalit´e est similaire a` celle des v´ehicules ´electriques. Le v´ehicule est capable d’ˆetre tract´e uniquement par le moteur ´electrique sans aide du moteur thermique. L’autonomie du v´ehicule est variable selon la capacit´e de stockage de la batterie. Cette option peut ˆetre notamment tr`es utile en milieu urbain dense o`u la vitesse des v´ehicules est relativement faible (environ 18 km/h hors arrˆet d’apr`es [And97a]).
7. Recharge batterie sur le r´eseau : Comme les v´ehicules ´electriques, certains v´ehicules hybrides peuvent recharger leurs batteries par un apport d’´electricit´ ext´erieur au v´ehi-cule en se branchant sur le r´eseau ´electrique ou sur un stockage d’´energie d´ecentralis´e. On parle alors de v´ehicules hybrides plugs-in. Ces v´ehicules offrent une fonctionnalit´e suppl´ementaire a` celles propos´ees par les v´ehicules ´electriques. L’autonomie peut ˆetre prolong´ee lorsque la batterie est compl`etement d´echarg´ee donc inutilisable. Cet autono-mie “sans batterie” permet alors de terminer son trajet sans encombre ´evitant ainsi la recherche d´esagr´eable d’une borne de recharge qui pourrait vous ammener a` la panne s`eche. Le chargeur du v´ehicule peut se trouver a` bord du v´ehicule ou sur un syst`eme ext´erieur. L’alimentation en courant devra pouvoir supporter des r´egimes de 30 A.
Maintenant que nous avons d´efinies l’ensemble des fonctionnalit´es qu’un v´ehicule hybride peut proposer, nous allons voir les diff´erentes possibilit´es de les impl´ementer dans un v´ehicule et pr´esenter la classification.

Proposition de classification des v´ehicules hybrides

Comme nous l’avons vu pr´ec´edemment, les v´ehicules hybrides ont une large palette de fonctionnalit´es envisageables, ce qui se traduit par des taux d’´electrification pouvant ˆetre tr`es vari´es. Le tableau 1.2 regroupe les gammes de dimensionnement en puissance, tension et ´energie du pack de batteries, n´ecessaires a` la r´ealisation des diff´erentes fonctionnalit´es d´e-finies au paragraphe pr´ec´edent. Les taux d’´electrification sont d´esign´ees par les appelations commerciales soft, micro, mild et full hybrid ce qui permet de synth´etiser la d´esignation des fonctionnalit´es comprises dans le v´ehicule. Certaines classes de v´ehicules hybrides telles que les mild hybrid et les full hybrid repr´esentent des taux d’´electrification de gamme ´etendue. Pour le mild hybrid, les crit`eres de puissance permettent de discerner les v´ehicules qui auto-risent des assistances a` la traction plus ou moins grandes. Pour le full hybrid, le crit`ere de l’´energie embarqu´ee est pr´edominant et d´efini l’autonomie du mode tout ´electrique. Lorsque que l’autonomie souhait´ee du v´ehicule devient grande, il peut ˆetre int´eressant de recharger la batterie sur le r´eseau.

Les limites de l’hybridation et ses points faibles

Un certain nombre de points restent a` ´eclaircir concernant les v´ehicules hybrides et nous ne ferons ici que les lister. La gestion de la temperature du moteur thermique et de son syst`eme de d´epollution dans un v´ehicule hybride est tr`es importante. Le moteur n’´etant que tr`es peu sollicit´e dans certains usages, le moteur et son post-traitement n’ont pas le temps de se chauffer ce qui peut induire des surconsommations et des sur´emissions dommageables aux gains de l’hybridation. C’est pourquoi, un syst`eme de r´ecup´eration des gaz d’´echappement permettant de r´echauffer plus rapidement le moteur et le pot catalytique a et´ ajout´e dans la Toyota Prius 3, pr´esent´ee au salon de D´etroit en Janvier 2009. La sur-consommation du moteur thermique lors du d´emarrage peut aussi r´eduire la marge des gains si des r´eglages optimaux ne sont pas r´ealis´es. Le surpoids induit par l’´electrification du v´ehicule peut avoir un impact n´egatif sur la consommation du v´ehicule lors de notamment des mont´ees (An. A.10). Le surcoˆut de la technologie reste un frein au d´eveloppement de ce type de v´ehicule qui tend cependant a` diminuer avec l’inflation du cours du p´etrole.
Cette partie a montr´e l’int´erˆet des v´ehicules hybrides pour r´eduire la consommation de carburant et les ´emissions de CO2 en usage. Cependant, l’ajout de nouveaux composants dans le v´ehicule pose la question du bilan carbone car ces el´ements ont un coˆut CO2 et energ´etiques lors de leur production et leur recyclage. De plus, dans le cas des v´ehicules plugs-in, les modes de production d’´electricit´ vont avoir un impact tr`es fort sur les gains de l’hybridation suivant que l’´energie ´electrique est principalement produite par des centrales nucl´eaires ou des usines a` charbons. Dans ce cas, une approche du puits a` la roue est n´ecessaire.
Le stockage d’´energie reste un el´ement sensible d’un point de vue fiabilit´e. Le manque de retour d’exp´erience ne permet pas `a ce jour d’´etablir des lois de comportement et repr´esente donc un risque pour le constructeur inh´erent `a la nature novatrice de l’hybridation ; ce risque pouvant ˆetre tr`es couteux dans le cas o`u il est n´ecessaire de rappeler les v´ehicules vendus pour les modifier. A titre d’exemple, Toyota a rappel´ les premi`eres g´en´erations de Prius fabriqu´ees entre mai 2000 et d´ecembre 2003 pour un probl`eme de suintement sur les cosses de la batterie qui alimente le syst`eme hybride. Le vieillissement du stockage peut alt´erer son fonctionnement et ainsi r´eduire sa contribution `a la traction du v´ehicule. Enfin, la s´ecurit´ des batteries est un point essentiel `a la sˆuret´ des utilisateurs. Ceci pose des probl`emes dans le cas des batteries lithium-ion `a base de cobalt tr`es sensibles aux surcharges qui peuvent alors ˆetre le si`ege d’emballement thermique. Cette partie nous a permis de rappeler l’apport de l’hybridation dans le contexte actuel. Elle s’est attach´ee a` pr´esenter d’une part le fonctionnement d’un v´ehicule hybride et d’autre part son ´evaluation en tant que v´ehicule commercialis´. Nous avons ainsi pu d´emontrer com-ment l’hybridation des v´ehicules pourrait permettre une r´eduction significative des ´emissions de GES dues aux transports routiers. N´eanmoins, des r´eserves sont faites sur certains points qui doivent ˆetre rapidement ´eclaircis par d’autres travaux de recherche.

Table des matières

I Contexte et problematique 
1 L’hybridation : vers une réduction des émissions de CO2 du transport routier 
1.1 La pollution due aux transports routiers
1.1.1 Les polluants atmosphériques et leur sources
1.1.1.1 La pollution locale
1.1.1.2 Les Gaz a Effet de Serre (GES)
1.1.1.3 Les sources des emissions dans le monde
1.1.1.4 Les sources des emissions en France
1.1.2 Les transports routiers : premier émetteur de GES en France
1.1.2.1 Le bilan
1.1.2.2 L’evolution
1.1.3 ´ Evaluation des emissions unitaires de polluants d’un vehicule
1.1.3.1 Procedures d’essai pour l’homologation des vehicules
1.1.3.2 Limites du cycle d’evaluation europeen
1.2 Interet de l’hybridation
1.2.1 L’hybridation entre le v´ehicule ´electrique et le v´ehicule thermique
1.2.1.1 Principe de l’hybridation ´electrique des v´ehicules
1.2.1.2 Des nouvelles fonctionnalit´es dans le v´ehicule
1.2.1.3 Proposition de classification des v´ehicules hybrides
1.2.2 Description des chaˆınes de traction hybride
1.2.2.1 Les composants du v´ehicule hybride
1.2.2.2 La probl´ematique de la gestion d’´energie
1.2.3 Les v´ehicules hybrides au banc d’essai
1.2.3.1 M´ethode d’´evaluation des consommations sur banc `a rouleau
1.2.3.2 Gains en consommation et en ´emissions de CO2
1.2.3.3 Les limites de l’hybridation et ses points faibles
2 La batterie de puissance : un ´el´ement sensible de l’hybridation 
2.1 Un ´el´ement de stockage d’´energie ´electrochimique
2.1.1 Pr´esentation des batteries
2.1.1.1 Rappel du principe de fonctionnement d’une batterie
2.1.1.2 Les deux technologies pr´esenties pour les v´ehicules hybrides
2.1.2 D´efinitions des grandeurs caract´eristiques des batteries
2.1.2.1 Les capacit´es
2.1.2.2 Le rendement faradique
2.1.2.3 L’autod´echarge
2.1.2.4 La tension
2.1.2.5 Les puissances et ´energies disponibles
ix
x TABLE DES MATI` ERES
2.1.2.6 Le rendement ´energ´etique
2.1.2.7 La capacit´e de recharge rapide
2.1.2.8 La dur´ee de vie
2.1.2.9 Le coˆut
2.1.2.10 La s´ecurit´e
2.1.3 Introduction aux indices d’´etats
2.1.3.1 L’´etat de charge (SOC)
2.1.3.2 L’´etat de sant´e (SOH)
2.1.3.3 L’´etat de fonction (SOF)
2.2 Adaptation des batteries `a l’application hybride
2.2.1 Cahier des charges de la batterie
2.2.2 Batteries de puissance vs. batteries d’´energie
2.2.2.1 Des conceptions diff´erentes
2.2.2.2 Des performances diff´erentes
2.2.3 R´ealisation de packs batteries
2.2.3.1 Assemblage des ´el´ements
2.2.3.2 Gestion de l’´etat de charge dans un pack
2.2.3.3 Gestion de la thermique d’un pack
2.3 Estimation de la dur´ee de vie d’une batterie
2.3.1 Les ph´enom`enes de vieillissement
2.3.1.1 Les causes
2.3.1.2 Les effets
2.3.1.3 Les facteurs
2.3.2 Mod´elisation du vieillissement
2.3.2.1 Mod`ele de vieillissement par comptage d’´ev`enements
2.3.2.2 Mod´elisation du vieillissement par mod`ele de performances
2.3.3 Les tests de vieillissement acc´el´er´e
2.3.3.1 Diff´erentes approches
2.3.3.2 Processus d’´elaboration des tests
2.3.3.3 Tests de vieillissement calendaire
2.3.3.4 Tests de vieillissement en cyclage
2.3.3.5 Adaptation des tests de performances
2.3.3.6 Crit`ere de fin de vie
2.4 Objectifs de l’´etude
II Mod´elisation des batteries de puissance 77
3 Avant-propos 81
3.1 L’utilit´e de la mod´elisation des batteries
3.2 Principe de la mod´elisation
3.3 Les diff´erentes approches de la mod´elisation
4 Th´eorie des circuits ´electriques ´equivalents 85
4.1 Des mod`eles de connaissance aux mod`eles de repr´esentation
4.1.1 Le circuit de Randles
4.1.2 Non-lin´earit´e du syst`eme ´electrochimique
4.1.3 Simplification de l’imp´edance faradique
4.1.4 Imp´edances de diffusion et Constant Phase Element (CPE)
4.2 Applications aux batteries
4.2.1 Structure du circuit ´equivalent
4.2.2 Prise en compte de la non-lin´earit´e
4.2.3 Prise en compte du rendement faradique
4.2.4 Prise en compte de l’hyst´er´esis de la tension `a vide
TABLE DES MATI` ERES xi
5 M´ethodes de simulation 93
5.1 R´esolution par transform´ee de Laplace inverse num´erique
5.1.1 Principe
5.1.2 Description de l’algorithme de Gaver-Stehfest
5.1.3 Description de l’algorithme de De Hoog
5.2 Approximation de l’imp´edance par superposition de fonctions de transfert du premier
ordre
5.2.1 Remarques pr´el´eminaires
5.2.1.1 Structure de Foster
5.2.1.2 Structure de Cauer
5.2.2 Approximation de l’imp´edance de Warburg ou d’un CPE
5.2.2.1 Principe de l’approximation
5.2.2.2 Relation entre les param`etres du CPE et de l’approximation
5.2.2.3 Reformulation de l’approximation
5.3 Comparaison th´eorique des m´ethodes de r´esolution
5.3.1 ´ Etude d’un circuit R+R//C
5.3.2 ´ Etude d’un circuit R+R//C+CPE
5.3.3 Synth`ese de la comparaison
6 M´ethodes d’identification 107
6.1 Mesures de la capacit´e de stockage
6.2 Identification du rendement faradique
6.3 Mesures de la tension `a vide
6.4 Identification de l’imp´edance
6.4.1 Analyse temporelle
6.4.1.1 Protocole exp´erimental
6.4.1.2 Crit`ere d’optimisation et algorithme de minimisation
6.4.1.3 Incertitudes sur les param`etres identifi´es
6.4.1.4 Limites de l’approche temporelle
6.4.2 Analyse fr´equentielle
6.4.2.1 Principe
6.4.2.2 Protocole exp´erimental
6.4.2.3 Crit`ere d’optimisation
6.4.2.4 Incertitudes sur les param`etres identifi´es
6.4.2.5 Limites de l’approche fr´equentielle
6.4.3 Combinaison des deux m´ethodes
6.4.3.1 Protocole exp´erimental
6.4.3.2 Incertitudes sur les param`etres identifi´es
7 R´esultats d’identification 121
7.1 Mat´eriels & ´el´ements test´es
7.1.1 Bancs d’essais
7.1.1.1 Bancs de puissance
7.1.1.2 Imp´edancem`etre
7.1.2 Batteries test´ees
7.2 R´esultats d’identification des batteries Li-ion Kokam
7.2.1 Mesures des capacit´es disponibles
7.2.2 Tension `a vide en fonction de l’´etat de charge
7.2.3 Identification de l’imp´edance
7.2.4 Validation du mod`ele
7.3 R´esultats d’identification de la batterie NiMH
7.3.1 Mesures des capacit´es disponibles
7.3.2 Rendement faradique
7.3.3 Tension `a vide en fonction de l’´etat de charge
7.3.4 Identification de l’imp´edance
7.3.5 Validation du mod`ele
xii TABLE DES MATI` ERES
8 Discussion 137
8.1 ´ Evolution des param`etres du mod`eles
8.1.1 La tension `a vide OCV
8.1.2 L’inductance L et la r´esistance R1
8.1.3 La r´esistance R2 et la constante de temps τ2
8.1.4 Le CPE Zc,3
8.1.5 Indices pertinents pour la d´etection de l’´etat de charge
8.2 Calcul des grandeurs de dimensionnement
8.2.1 Puissances et ´energies disponibles
8.2.1.1 Diagrammes de Ragone
8.2.1.2 Diagrammes des puissances disponibles en fonction de l’´etat de charge 144
8.2.2 Acceptabilit´e de la recharche rapide
8.2.3 Apport de la compl´exit´e du mod`ele pour la simulation dans une architecture de
v´ehicule ´electrifi´ee
8.3 Limites de la m´ethode et perspectives
III Analyse de l’usage en vue de l’´elaboration de tests de vieillissement
acc´el´er´e 151
9 Analyse d’usages et cycles de conduite 155
9.1 Statistiques sur les usages des v´ehicules particuliers
9.1.1 Distances journali`eres
9.1.2 Dur´ee des trajets et influence sur la consommation
9.2 M´ethodes de cr´eation des cycles de conduite repr´esentatifs de l’usage
9.2.1 M´ethodes bas´ees sur l’´etude de profils cin´ematiques
9.2.2 M´ethode bas´ee sur l’´etude de profils dynamiques
9.3 Limites des cycles de conduite pour l’´etude des flux ´energ´etiques
10 M´ethode d’analyse des sollicitations ´electriques 161
10.1 D´emarche de l’´etude
10.1.1 Objectifs de l’analyse pour l’´elaboration de cycles de vieillissement
10.1.2 ´ Etapes de l’analyse
10.2 L’impulsion de courant : un ´el´ement caract´eristique du profil de sollicitation
10.2.1 D´efinition des impulsions de courant
10.2.2 Grandeurs caract´eristiques des impulsions
10.3 Classification des impulsions
10.3.1 Cr´eation des matrices individus-variables : le tableau des donn´ees
10.3.2 Distances entre individus
10.3.3 M´ethode de classification
10.4 ´ El´ements repr´esentatifs des classes
10.4.1 Centres de la classe d’impulsion
10.4.2 Profils enveloppes
10.4.3 Comparaison
11 Analyse de l’utilisation de la batterie de la Prius 2 169
11.1 Pr´esentation et analyse macroscopique de la base de donn´ees
11.1.1 Instrumentation du v´ehicule
11.1.2 Essais sur cycles de conduite d’usages r´eels HYZEM
11.1.2.1 Pr´e-conditionnement de la batterie
11.1.2.2 Descriptif des essais retenus
11.1.3 Essais sur route
11.2 Analyse par l’´etude des impulsions
11.2.1 Classification des impulsions de courant
11.2.2 D´etermination des impulsions caract´eristiques
11.2.3 Comparaison des impulsions mesur´ees sur cycles Hyzem et en usage sur route . 180
TABLE DES MATI` ERES xiii
12 Conclusions et perspectives 183
12.1 Construction de tests de vieillissement acc´el´er´e repr´esentatifs de l’usage
12.2 Limites de la m´ethode
12.2.1 L’influence des cycles de conduite
12.2.2 Le crit`ere de similarit´e entre distributions
12.2.3 L’impulsion est-il le meilleur ´el´ement repr´esentatif ?
12.2.3.1 Les limites de l’´etude par impulsions
12.2.3.2 Introduction aux phases de fonctionnement
12.3 Perspectives
Conclusion g´en´erale 186
Bibliographie

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