Systèmes hybrides — Répartition de la puissance, régénération et contrôle

0. Ce que cet article explique

• Les flux énergétiques des systèmes hybrides série, parallèle et série-parallèle.

• Le principe et les contraintes de la répartition de puissance du système hybride Toyota (THS) via un train épicycloïdal.

• La gestion de l'état de charge (SOC), le freinage régénératif, les démarrages du moteur thermique et les limites thermiques et de sécurité.

1. Quel problème un système hybride résout-il concrètement ?

Un moteur thermique seul perd en efficacité thermique à faible charge, à basse vitesse et au démarrage, tandis qu'un moteur électrique seul est limité par la faible capacité énergétique de la batterie par kilogramme, ce qui limite son autonomie. Comment combiner ces deux sources d'énergie pour compenser les faiblesses de l'autre ? C'est précisément le rôle d'un système hybride : il coordonne un moteur thermique qui convertit le carburant en énergie mécanique et un moteur électrique qui convertit l'électricité de la batterie en couple via de multiples flux énergétiques, maintenant ainsi le moteur thermique dans sa plage de fonctionnement optimale, envoyant le surplus d'énergie à la production d'électricité et restituant l'énergie cinétique du véhicule à la batterie lors de la décélération.

2. Trois chemins

Figure 1 — Un véhicule hybride série génère de l'énergie avec le moteur thermique et entraîne les roues uniquement avec le moteur électrique ; un véhicule hybride parallèle relie mécaniquement le moteur thermique et le moteur électrique. Un véhicule hybride à répartition de puissance combine un train épicycloïdal et une liaison électrique.

3. Différences entre les architectures

Dans une configuration série, le moteur thermique fait office de générateur et seul le moteur électrique entraîne les roues. La commande à basse vitesse est simple, mais des pertes dues à la conversion mécanique-électrique-mécanique sont toujours présentes. Une configuration parallèle relie le moteur thermique et le moteur électrique aux roues par un embrayage, une courroie ou des engrenages coaxiaux, en utilisant la liaison mécanique. Fonctionnement efficace en vitesse de croisière, mais nécessitant des changements de vitesse coordonnés. Les systèmes série-parallèle commutent ou combinent les deux voies en fonction de la vitesse et de la charge.

4. Train épicycloïdal THS

Toyota explique que le dispositif de répartition de puissance THS réalloue en permanence la puissance du moteur entre les roues et un générateur. Un train épicycloïdal composé d'un planétaire, d'une couronne et d'un porte-satellites présente la contrainte de vitesse suivante :

pour un nombre de dents N_s,N_r. L'affectation du moteur, du générateur MG1 et du moteur/roue MG2 à ces éléments permet de découpler la vitesse du moteur de la vitesse du véhicule. MG1 peut générer de la puissance tandis que le moteur reste proche de son régime optimal, mais des pertes de conversion et une limite de vitesse pour MG1 persistent.

Dans la pratique, le rapport du nombre de dents N_r/N_s est souvent d'environ 2. Si le moteur est maintenu à une vitesse constante et optimale tandis que la vitesse du véhicule (approximativement la vitesse de MG2) augmente, la contrainte ci-dessus montre que la vitesse de MG1 fluctue fortement avec la vitesse du véhicule, jusqu'à dépasser un certain seuil. À une certaine vitesse, le sens de rotation du MG1 s'inverse. Autour de ce point d'inversion, le flux de puissance passe du mode « génération » (MG1 convertit une partie de la puissance du moteur en électricité) au mode « propulsion » (MG1 fonctionne également comme un moteur, fournissant du couple au MG2). Un seul train épicycloïdal, sans aucune transmission mécanique, produit un rapport de transmission à variation continue, fonctionnant comme ce que l'on appelle souvent une CVT électrique.

5. État de charge (SOC) et bilan énergétique

L'état de charge peut être approximé par intégration du courant :

avec un courant de décharge positif, une capacité nominale Q_n et un rendement de charge \eta_c. Les estimateurs de production ajoutent la température, la tension en circuit ouvert, la résistance interne et la polarisation du capteur de courant. Si l'état de charge atteint sa limite supérieure, la régénération est indisponible et le moteur perd un degré de liberté ; le contrôleur maintient donc une plage d'état de charge cible.

La plupart des véhicules hybrides de série limitent le contrôle à une plage étroite proche du milieu de la plage de fonctionnement. La capacité réelle de la batterie (environ 40 à 80 % de sa capacité totale, par exemple) est utilisée de telle sorte que le conducteur ne voit jamais la charge ou la décharge complète que la chimie des cellules pourrait supporter. Une marge de sécurité en haut de la plage de fonctionnement absorbe la régénération lors des freinages brusques ; une marge en bas de la plage permet au moteur électrique de compenser le manque de puissance lorsque le moteur thermique seul ne peut pas répondre à une forte demande d'accélération. La largeur de cette plage, en fonction de la taille de la batterie, détermine la capacité de batterie nécessaire pour chaque modèle.

6. Modes de fonctionnement

• Démarrage et basse vitesse : l'assistance du moteur électrique évite les à-coups au démarrage du moteur thermique.

• Charge moyenne : le moteur thermique est optimisé pour une utilisation optimale et la batterie est rechargée avec l'énergie excédentaire.

• Forte accélération : le moteur thermique et le moteur électrique fonctionnent simultanément tout en surveillant la charge de la batterie et la température de l'onduleur.

• Décélération : la régénération est privilégiée, puis le freinage par friction est activé lorsque le niveau de charge (SOC), la température ou l'ABS atteint ses limites.

• Arrêt : le moteur thermique coupe le ralenti et alimente les auxiliaires à partir de la batterie ou de l'électricité générée par le moteur thermique.

7. Comparaison des configurations réelles

8. Conditions difficiles et sécurité

Les trajets courts répétés s'arrêtent avant que le moteur et le système de post-traitement n'atteignent leur température optimale. Sur autoroute, la batterie contribue moins et sa masse devient un inconvénient. Par temps froid, la puissance et la régénération sont limitées, et l'échauffement de la batterie réduit la consommation. Isolation haute tension, déconnexion en cas de collision, fuites de carburant, échappement et post-démarrage Les variations de couple nécessitent des systèmes de surveillance de sécurité distincts.

9. Choix pratiques

• Ville et circulation dense : privilégier la fréquence de régénération, le fonctionnement du véhicule électrique à basse vitesse et les démarrages en douceur du moteur thermique.

• Autoroutes : comparer le rendement thermique du moteur, les pertes par effet Joule et la masse de la batterie sur l’ensemble du cycle de conduite.

• PHEV : vérifier la puissance de charge, l’autonomie électrique, le mode de maintien de l’état de charge et la gestion de la batterie pour les longs trajets.

• Véhicules utilitaires : évaluer le refroidissement en montée continue, la facilité d’entretien et la durée de vie des freins régénératifs/à friction.

10. Récapitulatif en trois points

Les véhicules hybrides combinent un moteur thermique et un moteur électrique via des circuits en série, en parallèle ou à répartition de puissance.

L’engrenage planétaire du THS découple le régime moteur de la vitesse du véhicule tout en répartissant la production d’énergie du MG1 et la traction du MG2.

L’état de charge, la régénération, la température, les démarrages et l’isolation doivent être contrôlés simultanément pour que le rendement théorique se traduise par une consommation de carburant réelle.

Références

• Annonce du système hybride Toyota

• Revue technique du Toyota THS-II

• Toyota THS II 2,0 litres

• Document technique NHTSA THS-II