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Introduction

Profil technique du moteur conventionnel

La technologie des moteurs automobiles évolue sans cesse, et le moteur à essence n’a plus le monopole sous le capot : en effet, on trouve aujourd’hui des véhicules hybrides et électriques sur nos routes. Cette nouvelle réalité complique la vie des consommateurs, qui ne savent pas toujours comment bien évaluer les différentes possibilités qui s’offrent à eux.

HISTORIQUE, SURVOL ET TENDANCES...................................4 NOTIONS FONDAMENTALES SUR LES MOTEURS...................5 MOTEURS À ESSENCE ET DIESEL.............................................7 TECHNOLOGIES DU MOTEUR À ESSENCE...............................8 TECHNOLOGIES DU MOTEUR DIESEL....................................12 CARBURANTS DE REMPLACEMENT.......................................14

Afin d’aider les consommateurs à mieux comprendre les différents types de moteurs sur le marché, nous avons mandaté deux des journalistes automobiles les plus réputés au Canada, Gerry Malloy et Marc Lachapelle, pour rédiger ce livre électronique. L’objectif de celui-ci est d’offrir des explications simples mais complètes, faciles à consulter et utiles pour le consommateur.

Association canadienne des automobilistes Bureau national 1545, avenue Carling, bureau 500 Ottawa (Ontario) K1Z 8P9 Téléphone : 613 247-0117 Télécopieur : 613 247-0118 CAA.ca ® CAA et son emblème sont des marques déposées de l’Association canadienne des automobilistes.

Profil technique des véhicules hybrides et électriques HISTORIQUE, SURVOL ET TENDANCES.................................18 VÉHICULES HYBRIDES ET ÉLECTRIQUES............................... 19 VÉHICULES HYBRIDES ÉLECTRIQUES.................................... 22 AUTRES TECHNOLOGIES HYBRIDES......................................26 VÉHICULES ÉLECTRIQUES À BATTERIE..................................29 VÉHICULES ÉLECTRIQUES À PILE À COMBUSTIBLE.............. 36

Offrir des renseignements pertinents et pratiques sur les plus récentes innovations du monde de l’automobile est l’un des mandats de l’Association canadienne des automobilistes (CAA). Nous souhaitons informer les Canadiens afin de les aider à devenir des consommateurs avertis, et croyons que ce livre électronique constitue un autre pas dans la bonne direction.

L’élaboration de cet abécédaire a été rendue possible en partie grâce à la contribution financière de Ressources Naturelles Canada.

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Comprendre la technologie des moteurs

Découvrir les moteurs – de conventionnels à novateurs

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N OTION S FON D A MEN TA LES SU R LES MOTEU RS

Profil technique du moteur conventionnel Historique, survol et tendances Le moteur à combustion interne (MCI) est, depuis plus de cent ans, la source d’énergie de propulsion prédominante pour les véhicules routiers. Et c’est tout à fait justifié. Ce type de moteur s’est révélé puissant, fiable et relativement peu coûteux à produire et utiliser. Après un siècle de développement, le MCI a maintenant atteint des niveaux de raffinement, d’efficacité et de fonctionnement écologique inédits. Malgré cela, les pressions sociales, environnementales et règlementaires exigent que les moteurs deviennent encore plus écologiques et efficaces. On s’attend à ce que les alternatives au MCI propulsent une part grandissante du parc de véhicules circulant au Canada à l’avenir mais il semble aussi que le MCI continuera d’y occuper une place importante dans l’avenir immédiat et peut-être à beaucoup plus long terme.

Les moteurs à combustion interne (MCI) qui propulsent la plupart des voitures et camions actuels sont des moteurs à piston à quatre temps.

Principes de fonctionnement Au cœur du moteur se trouve un cylindre (ou plusieurs) à l’intérieur duquel s’élève et s’abaisse un piston. Le sommet du cylindre est scellé par une culasse et le piston est relié au vilebrequin par une bielle. Des soupapes installées dans la culasse permettent d’acheminer de l’air et du carburant dans le cylindre et d’en extraire ensuite les gaz d’échappement. [NOTE: Dans un moteur deux-temps, les soupapes peuvent se trouver dans les parois du cylindre plutôt que dans la culasse] Comme son nom l’indique, le moteur à quatre temps fonctionne en quatre étapes distinctes (chacune de ces étapes représente un mouvement ascendant ou descendant du piston) et ces quatre étapes sont complétées sur deux tours complets du vilebrequin.

1. Pendant que le piston descend dans le cylindre, de l’air ou un mélange d’air et de carburant y est aspiré ou poussé par compression (COURSE D’ADMISSION); 2. En remontant dans le cylindre, le piston comprime le mélange air-carburant dans la chambre de combustion (COURSE DE COMPRESSION);

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3. Lorsque le piston a atteint ou presque le point le plus élevé de sa course dans le cylindre, le mélange air-carburant est allumé et la pression exercée par les gaz en expansion pousse le piston vers le bas dans le cylindre (TEMPS MOTEUR).

L’impulsion vers le bas du piston durant le TEMPS MOTEUR provoque la rotation du vilebrequin à l’aide de la bielle et cette force de rotation (couple) est acheminée aux roues motrices du véhicule généralement par l’entremise de la transmission.

4. Le piston qui remonte à nouveau chasse le reste des gaz d’échappement du cylindre (COURSE D’ÉCHAPPEMENT).

arbre à cames échappement

bougie d’allumage arbre à cames admission

soupape d’échappement collecteur d’échappement

collecteur d’admission soupape d’admission piston

filtre à air vilebrequin carter d’huile


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Profil technique du moteur conventionnel NO TI O N S F O N D A ME N TA LE S S UR LE S MOT E UR S

MOTEU RS À ESSEN CE ET D IESEL Les moteurs à essence et diesel qui équipent les voitures et les camions légers ont beaucoup de ressemblances mais affichent aussi plusieurs différences.

Disposition des cylindres

Disposition des soupapes

Alors que certains moteurs come ceux des tondeuses à gazon n’ont qu’un cylindre, le moteur des voitures et camions légers actuels comptent trois, quatre, cinq, six, huit, dix ou douze cylindres.

Les moteurs sont souvent présentés en fonction de la disposition de leurs soupapes et surtout de l’emplacement de l’arbre à cames qui commande leur ouverture et fermeture. Lorsqu’il agit directement sur les soupapes, au-dessus de la culasse, il s’agit d’un moteur à simple ou double arbre à cames en tête. Et si l’arbre à cames est placé dans le blocmoteur on parle alors d’un moteur à culbuteurs.

Les cylindres sont habituellement disposés en ligne, en V ou à plat (à l’horizontale) de part et d’autre du vilebrequin. On parle ainsi de 3, 4, 5 ou 6 cylindres en ligne, de V6, V8, V10 ou V12 et de 4 ou 6 cylindres à plat.

En général, plus il y a de cylindres et plus il y a de temps moteur pour chaque tour de vilebrequin, plus doux sera le fonctionnement du moteur. La taille ou cylindrée du moteur est la somme du volume déplacé par tous les pistons alors qu’ils se déplacent du point le plus bas au point le plus haut de leur course. Par exemple : 1,8 L; 2,4 L; 3.6 L; 5.0 L (L = litre). En général, plus la taille (cylindrée) d’un moteur est importante, plus il est puissant et plus il consomme de carburant.

Ressemblances Il s’agit dans les deux cas de moteur à combustion interne à quatre temps qui comptent habituellement trois, quatre, cinq, six ou huit cylindres et dont les soupapes sont disposées de manière semblable.

Différences Dans un moteur à essence, le carburant est généralement injecté et mélangé avec l’air dans le collecteur d’admission avant de franchir les soupapes pour se retrouver dans la chambre de combustion (injection indirecte). Dans un moteur diesel, le carburant est injecté directement dans la chambre de combustion (injection directe). Dans un moteur à essence l’allumage du mélange se fait par une bougie. Dans un moteur diesel, le mélange s’allume par lui-même grâce à la chaleur qui se dégage lorsque l’air est fortement comprimé.

Moteur à plat

Moteur en ligne

Moteur en V

Les pour et contre Grâce à ces caractéristiques, les moteurs diesel offrent un meilleur rendement énergétique que les moteurs à essence et consomment donc moins. Par contre, à cause de leur taux de compression et leurs pressions de combustion plus élevés, les moteurs diesel doivent être de construction plus robuste et sont donc généralement plus lourds et plus chers à fabriquer. La combustion du carburant diesel produit une plus grande quantité de particules (suie) et d’oxydes d’azote (NOx) ce qui rend nécessaire l’ajout de dispositifs de contrôle plus complexes et coûteux au système d’échappement.


Avantages • Consommation en carburant réduite • Couple plus élevé (pour de meilleures accélérations) • Moteur plus durable Inconvénients • Plus lourd • Plus cher à fabriquer • Plus bruyant (légèrement) • Exige un traitement des gaz d’échappement plus coûteux • Forte odeur du carburant si on en renverse

AMORCE DE LA COMBUSTION DANS DEUX TYPES DE MOTEURS

La carburant diesel est plus dense et demeure stable à des pressions et températures plus élevées que l’essence avant de s’auto-allumer. C’est pourquoi les moteurs diesel peuvent employer un taux de compression plus élevé (une mesure qui indique à quel point le mélange air-carburant est comprimé) avant que le carburant ne s’enflamme.

Essence

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Avantages et inconvénients du moteur diesel par rapport au moteur à essence:

Diesel


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Profil technique du moteur conventionnel TECHNOL O G I E S D U M O TE UR À E S S E NC E Au cours des dernières années, certains constructeurs automobiles ont appliqué au moteur à essence un éventail de nouvelles technologies qui permettent d’améliorer son rendement et de réduire ses émissions polluantes et sa consommation. Parmi ces technologies on relève:

Calage variable des soupapes

Cylindrée variable Lorsque le moteur fonctionne à faible charge, lorsqu’on roule à vitesse constante sur route plate, en descente ou en décélération par exemple, seule une faible portion de sa puissance est requise. Dans de telles conditions, un système à cylindrée variable permet de désactiver certains des cylindres d’un moteur – généralement la moitié. On emploie différents dispositifs électroniques et mécaniques pour obtenir le même résultat : maintenir les soupapes fermées et couper l’alimentation en carburant et l’allumage des cylindres visés.

Alors que les premiers systèmes à cylindrée variable provoquaient de légères secousses à chaque intervention, les contrôles électroniques raffinés maintenant utilisés rendent la transition entre cylindrée réduite et fonctionnement normal quasi imperceptible. Un système à cylindrée variable peut réduire la consommation dans une proportion allant jusqu’à 20 % dans certains cas.

Cylindrée variable – et il repasse instantanément de 4 à 8 cylindres actifs lorsque la charge augmente fortement (ex. : en grimpant une côte)

Cylindrée variable – Le moteur passe imperceptiblement de 8 à 4 cylindres actifs lorsqu’il est en faible charge (ex. : à vitesse constante)

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Le moment et le degré d’ouverture des soupapes d’admission et d’échappement d’un moteur ont une influence primordiale sur sa douceur de fonctionnement, son rendement et sa puissance. Avec les systèmes de commande de soupapes classiques, utilisés depuis plus de cent ans, ces caractéristiques sont déterminées par la forme des cames sur l’arbre à cames qui les actionne, et elles sont constantes pour chacun des quatre temps du moteur. Parce que ces caractéristiques ne varient pas, le rendement d’un moteur ne peut être optimisé que pour une portion réduite de son fonctionnement (régime et charge). Dans toutes les autres conditions, le moteur n’offre pas son rendement maximal.

Injection directe Dans un moteur conventionnel, le carburant est injecté (ou aspiré à l’époque des carburateurs) dans le flux d’admission à pression relativement faible avant de franchir les soupapes et de s’engouffrer dans la chambre de combustion.

INJECTEUR

La composition du mélange air/ carburant qui en résulte ne peut être contrôlée avec précision (peut varier d’un cylindre à l’autre). Avec un moteur à injection directe d’essence, le carburant est injecté, à très haute pression, directement dans la chambre de combustion où il se mêle à l’air admis. De cette manière, le mélange air/ carburant peut être contrôlé avec beaucoup plus de précision ce qui produit à la fois une combustion plus propre et complète, une puissance accrue et un meilleur rendement.

Des progrès récents dans le domaine du contrôle des soupapes permettent de faire varier à la fois la distribution (l’instant où les soupapes s’ouvrent et se referment) et le calage (le degré d’ouverture des soupapes) selon les conditions de fonctionnement du moteur.

INJECTION DIRECTE – BMW On en tire un rendement amélioré et des gains en puissance sur une plus grande plage d’utilisation du moteur.


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Profil technique du moteur conventionnel TECHNOL O G I E S D U M O TE UR À E S S E NC E

Suralimentation Dans les moteurs à essence conventionnels, l’air est habituellement aspiré dans chaque cylindre par la succion que génère le piston lorsqu’il descend durant la course d’admission et que la ou les soupapes d’admission sont ouvertes. Dans les moteurs suralimentés par compresseur volumétrique (supercharger) ou par turbocompresseur, l’air est poussé dans le cylindre à une densité supérieure à la pression atmosphérique. Puisqu’il y a davantage d’air et de carburant dans la chambre de combustion, l’énergie libérée durant le cycle de combustion est plus grande. Puissance et rendement augmentent d’autant, en proportion variable.

Polycarburant Le compresseur volumétrique est entraîné mécaniquement, ce qui consomme une partie de la puissance du moteur. La pression de suralimentation est donc proportionnelle au régime – plus le moteur tourne vite, plus forte est la pression de suralimentation. Le turbocompresseur est entraîné par les gaz d’échappement qui font tourner une roue de turbine. Il ne sollicite donc aucunement la puissance du moteur et la pression de suralimentation produite est proportionnelle au débit des gaz d’échappement et non au régime. Plus la charge du moteur est grande et plus forte est la suralimentation.

Avec l’un ou l’autre de ces systèmes, des moteurs plus petits et plus légers peuvent être utilisés pour obtenir la puissance voulue. L’avantage du compresseur volumétrique est une suralimentation sans délai, grâce à l’entrainement mécanique direct, ce qui produit des accélérations instantanées. Son inconvénient est d’entraîner une consommation en carburant continue même lorsqu’on n’a pas vraiment besoin de lui. L’avantage du turbocompresseur est de produire une pression de suralimentation et de consommer plus de carburant seulement lorsque la charge du moteur exige plus de puissance et produit les gaz d’échappement nécessaires pour l’entraîner. En toute autre circonstance, le fonctionnement est normal et offre la consommation réduite d’un moteur de petite cylindrée.

Un moteur polycarburant, comme le mot le suggère, peut consommer plus d’un type de carburant. Les véhicules actuellement dotés de moteurs polycarburants peuvent consommer de l’essence, du carburant E85 (85 % d’éthanol et 15 % d’essence) ou un mélange des deux. Les avantages potentiels des moteurs polycarburants, qui incluent une consommation réduite en carburant fossiles, sont limités au Canada par la disponibilité presque nulle du carburant E85.

Arrêt-redémarrage automatique Un véhicule à l’arrêt brûle du carburant en pure perte. Sa consommation, en litres par 100 km est infinie, puisqu’il ne bouge pas. Un des dispositifs les plus efficaces pour réduire la consommation des véhicules à propulsion hybride-électrique est la fonction arrêt-redémarrage qui coupe automatiquement le moteur lorsque la voiture s’immobilise pour plus de quelques secondes et le faire redémarrer aussitôt que le conducteur relâche les freins ou appuie sur l’accélérateur. Le dispositif arrêt-redémarrage est offert sur des véhicules non-hybrides en Europe (surtout à boîte manuelle) depuis plusieurs années. Ces systèmes deviennent maintenant peu à peu disponibles aussi en Amérique du Nord (y compris sur des modèles à boite automatique).

La plupart des systèmes arrêtredémarrage exigent une batterie additionnelle et un démarreur plus robuste en plus d’un dispositif qui permet de transformer l’énergie libérée au freinage en électricité et de la conserver dans les batteries. (voir micro-hybrides). Au moins un constructeur a développé un système arrêtredémarrage qui utilise un cycle de combustion pour faire redémarrer le moteur sans l’aide d’un démarreur ou de batteries additionnelles. Ce système est maintenant disponible au Japon et pourrait l’être bientôt en Amérique du Nord. Selon les conditions d’utilisation d’un véhicule (ex : surtout en ville) un système arrêt-redémarrage peut réduire considérablement la consommation en carburant.

L’inconvénient du turbocompresseur est que la roue de turbine met un certain temps à prendre de la vitesse, ce qui peut entraîner un délai (temps de réponse) lorsque le conducteur appuie sur l’accélérateur. Les progrès récents de la conception des turbocompresseurs et de l’électronique ont toutefois permis d’éliminer presque entièrement ce temps de réponse.

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Profil technique du moteur conventionnel TECHNOL O G I E S D U M O TE UR DIE S E L De nouvelles technologies appliquées aux moteurs diesels au cours des deux dernières décennies ont amélioré leurs performances et réduit à la fois leur consommation, leurs émissions polluantes et leur bruit de façon très nette. Parmi ces technologies on remarque :

La suralimentation par turbocompresseur

Injection directe à haute pression

La suralimentation par turbocompresseur est maintenant la norme pour les moteurs diesels employés dans les voitures et camions légers modernes. On appelle souvent ces moteurs turbo-diesels.

Les moteurs diesels emploient l’injection de carburant depuis des décennies. Jusqu’à la fin des années 90 ils employaient des systèmes à pression relativement faible et leurs pompes à carburant jouaient le double rôle de maintenir la pression du carburant et de contrôler sa distribution et son acheminement vers les injecteurs.

Comme pour les moteurs à essence, le turbocompresseur, dont la roue de turbine est entraînée par les gaz d’échappement, pousse de l’air dans le cylindre à une densité supérieure à la pression atmosphérique. Les moteurs diesels se prêtent particulièrement bien à la suralimentation par turbocompresseur parce que leur admission n’est pas modulée comme dans les moteurs à essence : plus il y a d’air admis, plus le moteur brûle de carburant et produit de la puissance. Les turbo-diesels peuvent offrir une puissance spécifique supérieure, des émissions polluantes moindres et un plus grand raffinement que les diesels atmosphériques.

Les limites de ces systèmes étaient à la source des principales lacunes de moteurs diesels soit le démarrage difficile par temps froid, le bruit et les émissions de polluants. Tout cela a changé avec l’adoption de l’injection directe par rampe à haute pression dans les voitures en 1997. Dans ces systèmes, une ‘rampe’ commune tient lieu d’accumulateur de pression pour emmagasiner la carburant à une pression constante élevée qui peut aller jusqu’à 2 000 bars (20 000 lb-po2). Cette rampe alimente une série d’injecteurs directs à contrôle électronique.

Traitement des gaz d’échappement

Filtres à particules Les pressions élevées et le contrôle électronique précis de la distribution et de la quantité permettent une meilleure pulvérisation du carburant. Certains systèmes effectuent jusqu’à cinq injections pour chaque temps de combustion. De surcroît, ils injectent une petite quantité de carburant (préinjection) juste avant l’injection principale pour aider à moduler la combustion et réduire le bruit et la vibration. Grâce à tous ces éléments, le moteur diesel moderne est plus silencieux, moins polluant et offre un meilleur rendement et une puissance supérieure à ses devanciers tout en ayant la capacité de soutenir des régimes plus élevés.

Les technologies modernes d’injection de carburant et de combustion ont réduit fortement les émissions polluantes des moteurs diesels. Toutefois, puisque la combustion ne peut être contrôlée avec autant de précision dans un moteur diesel que dans un moteur doté de bougies d’allumage, ses gaz d’échappement contiennent des particules qui n’ont pas brûlé et qu’on appelle aussi de la suie.

On les empêche d’être projetées dans l’air ambiant au moyen d’un filtre à particules ajouté au système d’échappement pour les bloquer et les accumuler. Selon les conditions d’utilisation, ces filtres peuvent être efficaces de 80 à 100 %. Les particules ainsi recueillies sont ensuite brûlées automatiquement à très haute température selon des intervalles choisis par l’ordinateur de gestion.

TRAITEMENT DE L’ÉCHAPPEMENT MOTEUR DIESEL BLUETEC

Convertisseur catalytique d’oxydation

BLUETEC Soupape de dosage liquide AdBlue

Catalyseur sélectif (NOx)

Dans certaines conditions d’utilisation, les moteurs diesels ont tendance à produire plus d’oxydes d’azote (NOx) dans leurs gaz d’échappement. Ces substances peuvent être réduites dans le système d’échappement par l’utilisation d’un système de réduction catalytique sélective (RCS). Le RCS injecte dans le système d’échappement une solution à base d’urée qui y transforme les NOx en molécules d’azote et d’eau à l’aide des gaz d’échappement brûlants et d’un catalyseur. L’utilisation d’un système RCS requiert la présence d’un petit réservoir qui contient le liquide à base d’urée qui est commercialisé sous différentes marques. Le système avertira le conducteur à plusieurs reprises avant de se retrouver à court de liquide mais si cela se produit, le fonctionnement du véhicule sera automatiquement limité.

Ils permettent également des régimes plus élevés ce qui est avantageux pour leur utilisation dans les voitures et camions légers. Filtre à particules

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Profil technique du moteur conventionnel CARBUR A N T S D E R E MP L AC E ME NT Bien que l’essence et le diesel soient de loin les carburants les plus courants dans les voitures et camions légers, d’autres substances peuvent être utilisées dans des moteurs à combustion interne conventionnels modifiés en conséquence.

Éthanol L’éthanol ou alcool éthylique est produit depuis des siècles, surtout comme alcool à boire. De nos jours, le carburant éthanol est ‘dénaturé’ par des additifs qui le rendent impropre à être bu. En Amérique du Nord, le carburant éthylique est produit presque entièrement par la fermentation du maïs mais on peut aussi le tirer d’autres grains et cultures à haute teneur en amidon tels que la canne à sucre et la betterave à sucre. L’éthanol pur peut être utilisé dans un moteur modifié – une pratique courante aux premiers temps de l’industrie automobile – il est habituellement mélangé à de l’essence pour être utilisé comme carburant de nos jours. La forme la plus pure d’éthanol actuellement disponible est le E85 (85 % d’éthanol / 15 % d’essence). Seuls les véhicules certifiés ‘polycarburants’ peuvent consommer du E85 sans risque d’endommager le moteur.

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Méthanol L’éthanol est également utilisé couramment comme additif dans l’essence à des concentrations de 5 % ou 10 % et la plupart des véhicules actuellement en circulation peuvent s’en accommoder. On prépare également un mélange à 15 % qui sera réservé aux véhicules relativement récents. Comme additif, l’éthanol sert à empêcher le cognement (rehaussant du coup l’indice d’octane de l’essence) et remplace ainsi l’oxyde de butyle tertiaire et de méthyle (MTBE) utilisé précédemment et avant cela le plomb tétraéthyle (PTE), deux composés reconnus nocifs pour l’environnement et la santé humaine. En plus de réduire l’utilisation du pétrole, l’éthanol peut diminuer l’impact sur l’environnement, selon la façon dont il est produit. Ressources naturelles Canada (RNC) affirme que l’utilisation d’éthanol peut réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES) dans une proportion pouvant aller jusqu’à 40 % si on le compare à l’essence en termes de vie utile.

L’emploi de l’éthanol comme carburant est toutefois controversé. Il a suscité un débat sur le thème ‘aliment ou carburant’ quant à l’utilisation de produits agricoles comme le maïs. Cet écueil peut être évité par le recours à des composés récemment développés tels que ‘l’éthanol cellulosique’. Selon le procédé utilisé, ce carburant peut être produit à partir de matières premières non-alimentaires telles que les tiges de maïs, le panic raide, la paille, les copeaux de bois et même les déchets domestiques. Les premières usines de production commerciale d’éthanol cellulosique sont présentement en construction au Canada et aux États-Unis. Quelle que soit la méthode utilisée pour le produire, l’éthanol a une densité énergétique inférieure à l’essence – un litre d’essence en contient au-delà de 40 % de plus qu’un litre d’éthanol. Un véhicule peut donc rouler plus loin avec un litre d’essence qu’un litre d’éthanol – généralement de 25 à 30 % plus loin.

Le méthanol, comme l’éthanol, est un alcool qu’appelle parfois ‘alcool de bois’. On peut le tirer non seulement du bois mais de presque toute matière issue de la biomasse, y compris des déchets d’origine animale. On peut aussi le produire à partir d’hydrocarbures tels que le charbon et les produits pétroliers. Le méthanol actuellement disponible est presque entièrement dérivé du gaz naturel. Son profil énergétique est semblable à celui de l’éthanol mais son indice d’octane est plus élevé et sa densité d’énergie encore plus faible. Sa consommation est donc nettement plus forte que l’essence. Par contre, le méthanol a souvent été utilisé en course automobile en raison de son indice d’octane élevé. Le méthanol pourrait représenter une alternative possible à l’essence mais aucun effort n’est actuellement fait pour le commercialiser au Canada.


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Profil technique du moteur conventionnel CARBUR A N T S D E R E MP L AC E ME NT

Gaz naturel comprimé (GNC) Le gaz naturel, comme le pétrole, est un carburant fossile dont les réserves sont limitées. Il est par contre abondant au Canada et relativement facile à extraire et distribuer. Le gaz naturel comprimé (GNC) est stocké à des pressions de 200248 bars (2 900–3 600 lb-po2) habituellement dans un réservoir cylindrique ou sphérique. Composé principalement de méthane, le GNC peut remplacer l’essence ou le diesel dans un moteur à combustion interne après quelques modifications mineures. Ces modifications pourraient par exemple inclure l’installation d’un sélecteur qui permette de passer de l’essence/diesel au GNC pour faciliter une utilisation ‘bi-carburant’. Le GNC brûle plus proprement que l’essence et le diesel et produit moins de polluants toxiques et de ces gaz à effet de serre (GES) qui influencent les changements climatiques. Bien utilisé, le GNC peut être aussi sûr que l’essence. Il faut une plus forte concentration de gaz naturel dans l’air d’admission et des températures plus élevées pour que la combustion s’amorce.

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Propane (GPL) Les véhicules convertis pour rouler au GNC peuvent se révéler un peu moins performants qu’avec de l’essence mais les véhicules conçus dès le départ pour consommer du gaz naturel offrent habituellement des performances semblables. Le GNC a une densité énergétique (au volume) beaucoup plus faible que l’essence ou le diesel (environ 25 % celle du diesel). Conséquemment, un véhicule équipé d’un réservoir de GNC de taille comparable à un réservoir pour l’essence ou le diesel aura une autonomie de beaucoup inférieure entre deux pleins. Bien qu’il y ait des pompes de GNC à plusieurs postes d’essence à travers le Canada, elles sont loin d’être aussi nombreuses que les pompes pour l’essence ou le diesel. Plusieurs constructeurs offrent des modèles conçus pour le GNC en vente libre ailleurs qu’en Amérique du Nord. Au Canada, cependant, ils sont essentiellement disponibles pour les utilisateurs commerciaux et les parcs de véhicules.

Le propane, souvent appelé gaz de pétrole liquéfié (GPL), est un carburant gazeux qui est comprimé et stocké dans un réservoir pressurisé. Comme l’essence, il est vendu au volume (litres). Au Canada, le propane est un sous-produit de la production de gaz et du raffinage de l’huile. Le GPL peut aussi contenir du butane. Utilisé comme carburant, le GPL est pulvérisé et brûlé comme un gaz. Sa combustion est relativement propre si on le compare à l’essence mais moins que celle du GNC. Les modèles développés par un constructeur peuvent produire jusqu’à 20 % moins de gaz à effet de serre (GES) qu’avec de l’essence, pour la vie utile du véhicule. Parce que la densité d’énergie est moindre qu’avec l’essence, la consommation peut augmenter dans une mesure allant jusqu’à 25 % et l’autonomie diminuer d’autant que 40 %. Il y a généralement peu de différence en performance entre l’utilisation du propane et de l’essence.

Hydrogène (H2) Contrairement au GNC, le propane est plus lourd que l’air et forme une flaque advenant une fuite. Il y a donc risque d’explosion ou d’incendie. Il faut toutefois une concentration en GPL dans l’air plus forte qu’avec de l’essence et des températures beaucoup plus élevées pour qu’il prenne feu. On ajoute au GPL un odorisant puissant pour faciliter la détection s’il y a une fuite. Bien que certains constructeurs offrent l’adaptation au propane en option pour les parcs de voitures et camions légers, la plupart des systèmes sont installés sur le marché secondaire.

L’hydrogène est le carburant potentiel le plus abondant sur Terre mais n’existe pas à l’état pur dans la nature. Il est toujours combiné à un ou plusieurs autres éléments tels que l’oxygène dans l’eau (H2O) ou le carbone dans les hydrocarbures tels que le gaz naturel ou le charbon. Ce n’est pas une source d’énergie mais un vecteur énergétique. Pour être utilisé comme carburant, l’hydrogène doit être extrait d’un de ces composés. Il est présentement surtout extrait du gaz naturel. On peut aussi l’obtenir par électrolyse de l’eau ce qui en ferait un carburant parfaitement propre si l’électricité utilisée est de source renouvelable, soit hydroélectrique, solaire, géothermique, marémotrice ou éolienne. L’hydrogène est habituellement considéré comme un carburant en rapport avec les piles à combustible. Il peut toutefois être utilisé dans les moteurs à combustion interne, sous forme gazeuse ou liquide.

Au moins trois grands constructeurs ont construit des véhicules d’essai dotés de moteur à combustion interne fonctionnant à l’hydrogène et démontré leur faisabilité. Le plus grand désavantage de l’hydrogène comme carburant est sa très faible densité d’énergie (au volume). Même sous forme liquide, ce qui requiert le stockage à de très basses températures, il exigerait un réservoir trois fois grand comme un réservoir d’essence pour offrir la même autonomie. Et un réservoir pour le stockage sous forme gazeuse devrait avoir plusieurs fois cette taille. L’autre limite importante est l’absence d’une infrastructure de ravitaillement. Bien qu’on ait installé des postes de ravitaillement en hydrogène dans les régions où circulent des véhicules d’essai à pile à combustible, le développement d’un réseau étendu de distribution d’hydrogène semble encore appartenir à un avenir lointain.

Un véhicule qui utiliserait l’hydrogène (H2) comme carburant ne produirait virtuellement aucun polluant, son seul rejet étant de l’eau.


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V ÉH ICU LES H YBRID ES ET ÉLECTRIQU ES

Profil technique des véhicules hybrides et électriques Historique, survol et tendances Bien que le moteur thermique soit toujours la source d’énergie prédominante pour les véhicules routiers, l’électrification de l’automobile est déjà bien amorcée.

Les hybrides électriques et les purs véhicules électriques ont plusieurs ressemblances mais également des différences importantes.

Ressemblances

Différences

Les deux types emmagasinent de l’énergie électrique, généralement à l’aide de batteries d’accumulateurs, et emploient des moteurs électriques pour entraîner ou aider à entraîner leurs roues, directement ou indirectement.

Les purs véhicules électriques utilisent uniquement de l’électricité fournie par une source externe telle que le réseau et stockée à bord dans des batteries pour se mouvoir à l’aide d’au moins un moteur électrique.

Aux premiers temps de l’industrie automobile, il y a plus de 100 ans, les véhicules électriques étaient

Les véhicules hybrides utilisent au moins deux types de production et de stockage d’énergie habituellement un moteur thermique à essence ou diesel, en plus d’au moins un moteur électrique et le stockage d’électricité par batteries. Ces systèmes peuvent fonctionner conjointement ou indépendamment les uns des autres.

en compétition directe avec ceux qui utilisaient des moteurs à combustion interne ou à vapeur pour s’attirer les faveurs du public. Le moteur thermique en est sorti victorieux à l’époque mais la propulsion électrique est en pleine remontée, portée par la diminution des ressources mondiales de pétrole, l’augmentation de la pollution locale, la menace du réchauffement planétaire et l’adoption d’une règlementation gouvernementale sévère pour solutionner ces problèmes. L’électrification des véhicules a été stimulée récemment par les progrès techniques importants des batteries, des moteurs et de l’électronique.

PORSCHE PANAMERA HYBRIDE

En gros, l’électrification des véhicules regroupe un large éventail de technologies et de configurations dont les véhicules électriques à batterie – interprétation moderne de la voiture électrique de jadis – de même que les hybrides, hybrides rechargeables et véhicules à pile à combustible.

LES VÉHICULES ÉLECTRIQUES RENAULT Z.E.

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Technologies des véhicules hybrides et électriques Accumulateur Forte pression

V ÉHI CU L E S H Y B R I D E S É LE C T R IQUE S Réservoir faible pression

Le terme ‘hybride’ est un passepartout qui englobe tous les véhicules qui possèdentMoteur au moins deux systèmes de propulsion différents. Generator Ces systèmes combinent généralement un moteur à combustion interne (ou thermique) et un ou plusieurs moteurs électriques. Mais au-delà de ces traits communs, les hybrides se présentent sous plusieurs formes et configurations.

Bien que son nom le suggère, le freinage par récupération n’engage pas directement le système de freinage du véhicule. Il utilise plutôt le moteur/générateur du véhicule pour aider à ralentir le véhicule et pour récupérer une partir de l’énergie cinétique qui serait normalement transformée en chaleur par les freins. En général, lorsque le véhicule ralentit, même sans que les freins soient actionnés, le moteur/ générateur électrique ou un générateur autonome est automatiquement couplé aux roues. L’électricité ainsi produite est aussitôt stockée dans les batteries de propulsion. C’est la charge électromagnétique du générateur qui aide à ralentir les roues.

Générateur Hybrides à configuration en parallèle

Carburant Liquide

Batterie

HYBRIDE EN PARALLÈLE

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La configuration la plus courante actuellement est l’hybride parallèle dont le moteur thermique et le (ou les) moteur électrique est relié à un Batterie mécanisme tel une transmission qui achemine leur puissance aux roues. Dans ce type d’hybride, moteur thermique et moteur(s) électrique(s) peuvent fournir de la puissance aux roues séparément ou simultanément.

Moteur

Moteur/ Générateur

Le moteur électrique joue habituellement aussi le rôle d’un générateur entraîné par le moteur thermique pour recharger les batteries lorsque la puissance électrique n’est pas requise pour propulser le véhicule. Les hybrides présentement offerts par BMW, Honda, Hyundai, Kia et Mercedes-Benz, par exemple, sont des hybrides à configuration en parallèle. L’hybride à configuration en sérieparallèle est une variation sur ce type. Il comprend un deuxième moteur-générateur et un mécanisme de transfert qui, dans certaines circonstances, permet au moteur thermique de recharger les batteries alors les roues ne sont entraînées que par le (ou les) moteur électrique. Les hybrides que produisent actuellement Ford, Nissan et Toyota peuvent être considérés comme des hybrides à configuration en sérieparallèle. Les hybrides de type parallèle et série-parallèle permettent d’utiliser des moteurs thermiques de plus petite cylindrée qui consomment moins livrer les performances visées. Parce qu’ils possèdent deux systèmes de propulsion et d’accumulation d’énergie, ces types d’hybride sont généralement plus complexes et plus coûteux que des véhicules traditionnels comparables.

Hybrides à configuration en série Le type de groupe propulseur hybride le plus simple, employé fréquemment sur les locomotives, est l’hybride à configuration enMoteur Moteur Trans série dont seuls le (ou les) moteur de pompe électrique a un lien mécanique avec les roues motrices. La seule fonction de leur moteur thermique est d’entraîner un générateur qui fournit l’électricité aux moteurs et recharge les batteries. Les moteurs thermiques des hybrides à configuration en série peuvent offrir un meilleur rendement que

Carburant Liquide

ceux d’autres véhicules parce qu’on peut les faire tourner sur une plage de régime et de charge plus étroite qui permet une efficacité optimale. Les hybrides à configuration en Arbrecomplexes que les série sont moins de transmission hybrides parallèles et devraient en principe coûter moins. Ils requièrent toutefois habituellement plus de cylindrée, ce qui ajoute à la fois du poids et du coût.

Accumulateur Les véhicules comme la Chevrolet Forte pression Volt qu’on présente comme une voiture électrique à autonomie prolongée sont techniquement des hybrides à configuration en série.

Moteur/ Générateur

Moteur

Generator

Batterie

Transmission

Les hybrides électriques et les purs véhicules électriques ont en commun le système de freinage par récupération électrodynamique.

Les différents types Moteur/ d’hybrides Transmission

Les hybrides ne sont Carburant Liquide pas tous les mêmes

Transmission

Freinage par récupération

HYBRIDE EN SÉRIE


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Technologies des véhicules hybrides et électriques V ÉHI CU L E H Y B R I D E S É L E C T R IQUE S Le vaste choix d’hybrides à configuration en parallèle ou en série-parallèle présentement offerts se sépare en catégories plus précises encore, selon leurs capacités.

Micro-hybrides

Hybrides légers

Hybrides complets

Un micro-hybride est un véhicule propulsé par un moteur à combustion interne doté d’un petit moteur/ générateur électrique qui permet l’utilisation d’un système arrêtredémarrage automatique.

Un hybride léger est un véhicule propulsion essentiellement par un moteur thermique doté également d’au moins un moteur électrique qui peut aider à entraîner les roues dans certaines circonstances.

Avec un hybride complet, le moteur thermique et le (ou les) moteur électrique peuvent tous deux entraîner les roues, que ce soit simultanément ou par lui-même, indépendamment de l’autre.

Le démarreur et l’alternateur du moteur thermique sont généralement remplacés par un démarreur/générateur intégré (DGI), entraîné par courroie.

Les hybrides légers sont généralement équipés d’un moteur/générateur électrique placé entre le moteur et la transmission, ou relient ces derniers par courroie (comme les micro-hybrides). Parce qu’ils sont couplés directement, l’un ne peut tourner sans l’autre.

Ce système permet la pleine utilisation des atouts des systèmes hybrides, qu’il s’agisse de la récupération d’énergie au freinage ou de l’arrêt-redémarrage, en plus de permettre l’utilisation d’un moteur à combustion interne plus petit.

Un hybride léger ne peut être propulsé uniquement par le (ou les) moteur électrique. Il peut, toutefois, offrir certains autres éléments des systèmes hybrides tels que la récupération d’énergie au freinage et l’arrêtredémarrage, en plus de permettre l’utilisation d’un moteur thermique plus petit.

Les systèmes hybrides complets sont habituellement plus complexes et plus coûteux que les micro-hybrides et les hybrides légers.

Le DGI ne peut entraîner les roues du véhicule. Par contre, il peut récupérer une partie de l’énergie cinétique et recharger la batterie en décélération et au freinage. La technologie des micro-hybrides est plus simple, plus légère et moins coûteuse que les autres types de propulsion hybride. Elle peut réduire la consommation de 10 à 15 % en circulation urbaine. L’avantage des hybrides en consommation est généralement moindre sur la route. Quelques micro-hybrides sont présentement commercialisés en Europe et au Japon et pourraient l’être bientôt au Canada.

Les systèmes hybrides légers sont généralement plus complexes et coûteux que les micro-hybrides mais moins que les hybrides complets. Certains hybrides légers peuvent offrir une consommation meilleure de 50 % ou plus en conduite urbaine. L’avantage des hybrides en consommation est généralement moindre sur la route. La première génération des hybrides de Honda, les camionnettes hybrides Chevrolet et GMC de même que le système Buick eAssist de GM sont tous des exemples d’hybrides légers.

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TOYOTA PRIUS V

Même chez les hybrides complets, la propulsion électrique est variable. Dans certains cas elle se limite au démarrage mais certains modèles peuvent rouler en mode électrique sur quelques kilomètres. Les modèles hybrides actuellement produits par BMW, Ford, Honda, Hyundai, Kia, Mercedes-Benz, Nissan et Toyota sont des hybrides complets. Certains hybrides complets peuvent offrir une consommation réduite de 50 % ou plus en conduite urbaine. L’avantage des hybrides en consommation est généralement moindre sur la route.


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Technologies des véhicules hybrides et électriques V ÉHI CU L E H Y B R I D E S É L E C T R IQUE S

Hybrides rechargeables et à autonomie prolongée Dans un véhicule à propulsion hybride conventionnel, les batteries sont rechargées avec l’électricité produite par le moteur thermique lorsque sa puissance n’est pas toute requise pour entraîner les roues, et par la récupération d’énergie au freinage. Les batteries d’un hybride rechargeable sont également rechargées en branchant le véhicule à une source externe telle qu’une prise électrique résidentielle. En branchant le véhicule durant la nuit on profiterait de batteries entièrement rechargées au matin ce qui pourrait permettre de rouler exclusivement en mode électrique sur les quelques premiers kilomètres.

TOYOTA PRIUS (ROUAGE HYBRIDE RECHARGEABLE)

Et lorsque cette première charge de batterie est consommée, le véhicule se remet en mode de propulsion hybride normal. Avec cette technologie, on remplace l’essence par de l’électricité de source externe pour la première partir du trajet ce qui allonge d’autant l’autonomie du véhicule avant de faire le plein – d’où l’appellation hybride à autonomie prolongée. Les hybrides rechargeables utilisent habituellement un type de batterie différent (habituellement au lithiumion (Li-on)) de ce qu’emploie les autres hybrides (généralement à hydrure métallique de nickel (NiMH)) pour permettre une recharge externe rapide. La distance que peut parcourir un hybride rechargeable en mode électrique dépend de la capacité de ses batteries. Ce type d’hybride exige donc plus de batteries et a tendance à être plus lourd. Les constructeurs doivent donc trouver un point d’équilibre entre l’accroissement de la distance que peut parcourir un hybride rechargeable en mode purement électrique et le poids additionnel des batteries qui augmenteront son autonomie mais également sa consommation en mode hybride.

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Les économies potentielles en carburant d’un hybride rechargeable ou à autonomie prolongée dépendent de la longueur du trajet entre les recharges.

FISKER KARMA PLUG-IN HYBRID

En théorie, si la distance parcourue entre les recharges est moindre que l’autonomie du véhicule en mode purement électrique on n’aurait jamais besoin de faire le plein. Mais si le trajet exige un réservoir de carburant complet avant de faire le plein, l’amélioration en termes de consommation serait relativement faible. Quelques constructeurs mènent actuellement des expériences avec des hybrides rechargeables et certains, dont Ford et Toyota, comptent prochainement vendre ou louer de tels véhicules. Techniquement, la Chevrolet Volt est un hybride en série à autonomie prolongée mais General Motors préfère la présenter comme un véhicule électrique à autonomie prolongée parce que son système de propulsion est d’abord électrique.


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Technologies des véhicules hybrides et électriques AUTRES T E C H N O L O G I E S HYB R IDE S Dans le domaine de l’automobile, le terme ‘hybride’ est généralement associé à des véhicules hybrides électriques qui utilisent des batteries pour emmagasiner de l’énergie. On peut toutefois l’utiliser pour tout véhicule qui profite d’au moins deux sources de production de puissance et de stockage d’énergie, électrique ou autre.

Hybrides à ultracondensateurs Un condensateur est un dispositif conçu pout emmagasiner de l’énergie électrique. En cela il ressemble à une batterie mais s’en distingue par sa capacité à se recharger et se décharger très rapidement. Un ultracondensateur peut stocker beaucoup plus d’énergie qu’un condensateur classique, bien que ceux qui sont actuellement disponibles sur le marché ne peuvent habituellement livrer qu’un dixième de l’énergie d’une batterie de poids comparable. À cause de leur capacité à recevoir et livrer une charge beaucoup plus rapidement qu’une batterie, les ultracondensateurs sont tout indiqués pour les recharges rapides que produit la récupération d’énergie au freinage et utiles pour appuyer les batteries lors d’accélérations rapides.

Ce système est rechargé par la récupération d’énergie au freinage. Lorsque le véhicule ralentit, le système pompe un fluide d’un réservoir à faible pression à un accumulateur à haute pression. Lorsque le véhicule a besoin d’un surcroît de puissance, en accélération par exemple, le liquide à haute pression est réinjecté dans le moteur/pompe hydraulique qui aide à entraîner les roues avant de retourner dans le réservoir à basse pression.

Comme pour les hybrides électriques, les hybrides hydrauliques peuvent être configurés pour fonctionner en série ou en parallèle.

Dans un hybride pneumatique, l’énergie récupérée au freinage est stockée dans un réservoir pressurisé sous la forme d’air comprimé.

Les hybrides hydrauliques sont à leur meilleur lorsque la conduite exige beaucoup de freinage, pour un véhicule de livraison, par exemple. Les systèmes parallèles sont censés réduire la consommation d’autant que 40 % et les systèmes en série de 60 à 70 % dans une telle utilisation.

Le moteur à combustion interne du véhicule sert lui-même de pompe pour comprimer cet air.

Les hybrides hydrauliques sont surtout utilisés actuellement pour des camions de livraison, surtout les services de messagerie.

Plutôt que d’être perdu comme d’habitude, l’air alors comprimé par les pistons est acheminée vers le réservoir pressurisé par une soupape additionnelle dans chaque cylindre.

Réservoir faible pression

Moteur

Trans

Moteur de pompe


L’air ainsi comprimé peut ainsi être utilisé pour redémarrer ou propulser le véhicule, et même suralimenter le moteur thermique, comme un compresseur. Puisque l’air comprimé a une très faible densité d’énergie, il est difficile de le stocker en grande quantité. Un tel système pourrait s’avérer efficace en conduite urbaine où les arrêts et démarrages fréquents permettraient de produire, stocker et utiliser l’énergie de l’air comprimé en cycles réguliers. Les hybrides pneumatiques en sont encore au stade expérimental et aucune utilisation commerciale n’est imminente.

Transmission à variation continue

Volant d’inertie dans compartiment à vide

Dans un hybride à énergie cinétique, l’énergie récupérée au freinage n’est pas stockée sous forme électrique ou hydraulique mais comme de l’énergie cinétique, généralement à l’aide d’un volant d’inertie qui tourne comme une toupie dans un boîtier scellé. Lorsqu’il faut plus de puissance, pour accélérer par exemple, le volant d’inertie est relié au groupe propulseur pour fournir une brève poussée de puissance additionnelle. Les systèmes hybrides à énergie cinétique ne peuvent emmagasiner l’énergie pour de longues périodes à cause des pertes dues à la friction. Ils sont donc à leur meilleur lorsque freinages prononcés et accélérations se succèdent. En course automobile, par exemple. Le système de récupération de l’énergie cinétique (SREC) a d’abord été utilisé en Formule 1 durant la saison 2009.

Arbre de transmission

Accumulateur Forte pression

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Au freinage, l’alimentation en carburant du moteur est coupée et le véhicule ralentit grâce au freinmoteur.

HYBRIDE À ÉNERGIE CINÉTIQUE

Aucun hybride à ultracondensateurs n’est actuellement disponible mais plusieurs constructeurs expérimentent cette technologie. Des travaux sont également menés pour combiner ultracondensateur et batterie et les ultracondensateurs pourraient remplacer les batteries dans les véhicules électriques mais pas avant plusieurs années.

Hybrides pneumatiques

Hybrides hydrauliques Dans un hybride hydraulique, le moteur à combustion interne est soutenu par un système de stockage et de transmission d’énergie hydraulique. En fait, le système hydraulique joue le rôle que le système électrique d’un hybride électrique.

Hybrides à énergie cinétique

Différentiel modifié avec engrenage de couplage


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Profil technique des véhicules hybrides et électriques V ÉH ICU LES ÉLECTRIQU ES À BATTERIE Les véhicules électriques à batterie, contrairement aux hybrides, sont propulsés uniquement à l’électricité.

Principes

Défis

Cette énergie provient d’une source extérieure, habituellement le réseau électrique, et elle est stockée à bord dans des batteries. Une partie de l’énergie cinétique peut être récupérée au freinage sous forme d’électricité et stockée aussi dans les batteries.

Le principal défi, avec les véhicules électriques à batterie, a toujours été de stocker suffisamment d’énergie dans les batteries embarquées pour jouir de performances comparables à celles d’un moteur à combustion interne tout en profitant d’une autonomie suffisante entre les recharges.

Les roues sont entraînées par un ou plusieurs moteurs électriques qui sont alimentés par les batteries.

Les véhicules électriques à batterie actuels ont généralement une autonomie d’environ 160 km alors qu’une voiture conventionnelle peut parcourir 500 km ou plus avec un seul plein de carburant. La question de l’autonomie est compliquée par le fait que le temps de recharge d’un véhicule électrique à batterie est habituellement beaucoup plus long que le temps requis pour faire le plein d’essence ou de diesel – on parle de plusieurs heures à moins d’utiliser des postes de recharge rapide à haut voltage. On peut augmenter l’autonomie en ajoutant des batteries mais le poids additionnel la réduit. Il faut donc trouver le point d’équilibre entre ces deux facteurs. À leur niveau actuel de développement, le coût des véhicules électriques est un autre défi parce qu’ils sont plus chers que les véhicules conventionnels à moteur thermique.

VOLVO RECHARGE

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Profil technique des véhicules hybrides et électriques V ÉHI CU L E S É L E C T R I Q U E S À B AT T E R IE

Perspectives

Types de batteries

Parce qu’ils ne consomment pas (directement) de carburants dérivés du pétrole et n’émettent pas eux-mêmes de polluants, les gouvernements soutiennent fortement le développement et la vente de véhicules électriques à batterie, entre autres par des incitatifs et ristournes pour les acheteurs.

Une batterie est un appareil électrochimique de stockage d’énergie qui peut fournir de l’électricité selon les besoins.

Par conséquent, le développement des batteries et de la technologie des véhicules électriques se poursuit à un rythme effréné de par le monde. Avec les ressources exceptionnelles qui sont consacrées à leur développement, il est très probable que les véhicules électriques à batterie deviennent très bientôt une alternative intéressante pour un grand nombre de consommateurs.

Elle est généralement constituée d’une anode, d’une cathode, d’électrolyte et de séparateurs. Les différents types de batteries sont généralement identifiés par les matériaux qui forment une ou plusieurs de ces composantes (ex : batterie au plomb).

Les batteries peuvent être constituées d’une ou plusieurs cellules qui peuvent être branchées en série pour fournir un voltage plus élevé. Une batterie de 12 volts, par exemple, est composée de six cellules interconnectées et les accumulateurs d’un véhicule électrique peuvent contenir des centaines de cellules individuelles. Les caractéristiques des batteries qui sont particulièrement importantes pour une utilisation dans l’automobile sont la densité d’énergie et la densité de puissance.

Power electronics Drivetrain grid distribution board

AUDI A3 E-TRON

Charging grid distribution board

Single-speed transmission

Battery (under floor module)


Batterie au plomb On utilise les batteries au plomb dans les voitures et camions conventionnels pour le démarrage, l’éclairage et les autres accessoires électriques.

La densité de puissance (exprimée en W/kg) rend compte du volume de puissance que peut fournir une batterie sur demande, c’est-à-dire à quel rythme elle peut libérer l’énergie qu’elle contient (et à l’inverse, à quelle vitesse elle peut être rechargée).

Elles sont relativement peu coûteuses et leur densité de puissance est élevée mais leur densité d’énergie est plutôt faible.

Voici quelques types de batteries offertes en vente libre et certaines de leurs caractéristiques et avantages :

Les premières voitures électriques utilisaient des batteries au plomb il y a un siècle mais elles sont trop lourdes et l’autonomie qu’elles permettent est insuffisante pour les véhicules électriques d’aujourd’hui.

CHEVROLET VOLT BATTERIE LITHIUM-ION

Batterie à hydrure métallique de nickel (NiMH) On retrouve souvent des batteries à hydrure métallique de nickel (NiMH) dans les véhicules hybrides actuels et elles alimentent aussi des appareils peu coûteux tels que les rasoirs et brosses à dents électriques de même que les appareils-photo et caméscopes. Leur coût est raisonnable et elles offrent le double de la densité d’énergie de batteries au plomb mais parce que leur densité de puissance est plus faible, elles occupent plus d’espace (il en faut plus). Leur taux d’autodécharge est également plus élevé – elles ont effectivement tendance à se décharger d’elles–mêmes quand elles ne sont pas utilisées. Bien qu’elles soient capables de produire des poussées de puissance rapides, les décharges rapides à forte charge et à répétition réduisent leur vie utile. Elles sont donc mieux adaptées aux véhicules hybrides qu’aux véhicules électriques à batterie.

Single-Phase A/C charger (3.3KW)

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La densité d’énergie est la mesure (exprimée en Wh/kg) de l’énergie que peut contenir une batterie. Plus grande est la densité d’énergie, plus longtemps dure la batterie avant de devoir être rechargée.

Battery (luggage compartment module)


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Bornes de recharge Batterie au lithium polymère (Li-poly) La batterie au lithium polymère ressemble aux autres sauf qu’elle utilise un électrolyte solide en plastique (polymère) et que ses cellules ne sont pas obligatoirement cylindriques. Elle peut donc être moulée pour se glisser dans un volume de forme précise ce qui permet une meilleure utilisation de l’espace. Ses autres caractéristiques sont semblables à celles des autres batteries Li-ion. La batterie Li-poly est déjà utilisée dans certains véhicules hybrides.

Batterie au lithium-ion (Li-ion) On retrouve souvent les batteries au lithium-ion dans les téléphones et ordinateurs portables et elles sont de plus en plus recherchées pour les hybrides rechargeables et les véhicules électriques à batterie de même que certains hybrides conventionnels. Leur densité d’énergie et leur densité de puissance sont plusieurs fois supérieures à celles des batteries au plomb et NiMH. Leur rendement en recharge/décharge est également meilleur. Elles sont toutefois plus chères et, sous leur forme la plus courante, leur température doit être bien contrôlée, ce qui exige parfois un système de refroidissement complexe et coûteux dans le véhicule. En raison de leur densité d’énergie élevée, les batteries lithium-ion sont les favorites pour plusieurs hybrides rechargeables et véhicules électriques à batterie déjà ou bientôt disponibles.

Batterie Lithium-ion Toyota Prius rechargeable

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Lithium-phosphate (LFP) Il y a plusieurs types de batteries lithium-ion qui de distinguent par leur composition chimique, surtout le matériau utilisé pour la cathode. Les plus communs sont les oxydes de cobalt et de manganèse. La composition chimique de la batterie au lithium-fer-phosphate est la même que celle d’une batterie lithium-ion mais sa cathode est en phosphate de fer lithié. Elle offre une meilleure stabilité chimique et thermique que les autres batteries lithium-ion et ne risque pas de prendre feu en cas de surcharge ou de court-circuit.

La plupart des véhicules électriques peuvent être rechargés sur une prise électrique triphasée normale (110/120 volts). C’est la recharge de niveau 1. Une recharge complète de niveau 1 peut durer jusqu’à 20 heures, selon les caractéristiques du véhicule et de la batterie.

Les bornes de recharge de niveau 2 (220/240 volts) conçues spécialement à cette fin peuvent réduire le temps de recharge de plus de la moitié. Tous les véhicules hybrides rechargeables vendus en Amérique du Nord sont censés accepter des recharges de niveau 1 et 2. Les bornes de recharge ‘rapides’ de niveau 3 (habituellement à 480 volts) ont été conçues pour permettre une recharge rapide en aussi peu qu’une demi-heure et sont vendues par certains constructeurs de VÉ et des fournisseurs indépendants. Il n’existe toutefois pas encore de norme universelle pour les bornes de recharge rapide.

Des réseaux de postes de recharge rapide semblables aux postes d’essence actuels sont en développement partout en Amérique du Nord. Ils sont toutefois encore rares et très dispersés. Le principe de la recharge par induction – qui s’effectue par exemple en garant le véhicule à un endroit précis sans le brancher – est également à l’étude mais pas encore commercialisé. En général, les batteries se rechargent mieux lentement et des recharges rapides à répétition peuvent réduire leur vie utile.

Sa cote en puissance maximale est également meilleure mais sa densité d’énergie est nettement plus faible que celle des autres batteries au lithium. Certains constructeurs envisagent d’utiliser la batterie lithiumphosphate pour des hybrides et des véhicules électriques à batterie.

TESLA ROADSTER


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Postes de recharge rapide Au lieu de recharger la batterie dans le véhicule on peut aussi la remplacer par une autre qui est fraîchement rechargée. Des postes de remplacement rapide de batteries, semblables aux stationsservice, ont été développés et sont à l’essai. On a déjà rapporté des temps de remplacement de batteries robotisés de moins d’une minute. Seuls les véhicules conçus pour de tels remplacements rapides peuvent être accueillis dans ces installations. Le stockage et la recharge d’une quantité suffisante de batteries est un défi majeur pour ces postes, surtout s’ils doivent tenir plusieurs types de batteries.

Principes

Sources d’électricité Bien que les véhicules électriques à batterie n’émettent eux-mêmes aucun polluant, la source de l’électricité qu’ils utilisent peut en produire des quantités importantes ou avoir d’autres impacts sur l’environnement.

La pertinence écologique d’adopter les véhicules électriques rechargeables peut donc dépendre de l’endroit où l’on vit et de la manière dont y est produite l’électricité qui doit servir à les recharger.

Les centrales thermiques au charbon par exemple, à l’instar des moteurs à combustion interne, émettent du gaz carbonique (CO2), un gaz à effet de serre qui influence les changements climatiques mondiaux, et les déchets radioactifs des centrales nucléaires resteront toxiques pendant des millénaires.

La disponibilité d’une électricité provenant d’une source renouvelable telle que l’hydroélectricité ou l’énergie solaire jouerait certainement en faveur de l’adoption du véhicule électrique.

Les véhicules électriques à pile à combustible sont semblables aux autres véhicules électriques sauf qu’ils produisent leur propre électricité à bord. La source de cette électricité est la pile à combustible, un dispositif électrochimique semblable à une batterie à plusieurs égards.

Il y a divers types de piles à combustible qui fonctionnent avec différents carburants mais la pile à membrane échangeuse de protons, considérée comme la plus prometteuse pour les véhicules automobiles, utilise de l’hydrogène (H2) et l’oxygène de l’air ambiant comme carburants.

L’hydrogène est l’élément chimique le plus abondant de l’univers mais n’existe pas à l’état pur dans la nature. Il est toujours combiné à d’autres éléments tels que l’oxygène dans l’eau (H2O) ou le carbone dans des hydrocarbures comme le gaz naturel (CH4) qu’on utilise généralement comme carburants.

Plutôt que de stocker et relâcher l’énergie électrique comme une batterie, une pile à combustible produit toutefois de l’électricité par réaction chimique aussi longtemps qu’elle reste alimentée en carburant.

HONDA FCX CLARITY

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Profil technique des véhicules hybrides et électriques V ÉHI CU L E S É L E C T R I Q U E S À B AT T E R IE Fonctionnement d’une pile à combustible (Ballard Power Systems) Circuit électrique (rendement 40-60 %)

Défis techniques

Oxydant O2 (oxygène tiré de l’air ambiant)

Combustible H2 (hydrogène)

Chaleur (85oC) refroidissement par air ou liquide

Air et vapeur d’eau

Résidu de combustible Plaque bipolaire

Plaque bipolaire

Électrode – anode

Électrode – cathode

Catalyseur

Catalyseur

Des progrès énormes ont été réalisés dans le domaine des piles à combustible au cours des deux dernières décennies. La taille d’un assemblage de piles qui remplissait une fourgonnette entière a par exemple été réduite à celle d’un moteur thermique conventionnel. De plus, on a développé des procédés pour la fabrication de masse et résolu les problèmes de démarrage et de fonctionnement par temps froid. Le coût de la pile à combustible a été réduit considérablement mais le fait qu’il soit encore plusieurs fois supérieur à celui du moteur thermique demeure un obstacle important. La production et la distribution de l’hydrogène comme carburant est un autre défi.

Membrane échangeuse de protons

L’hydrogène est un vecteur énergétique plutôt qu’une source d’énergie. Il doit donc tirer son énergie d’une autre source. Il le fait en puisant dans l’énergie utilisée pour le séparer des autres éléments auxquels il est combiné, ce qui le rend lui-même utilisable comme carburant.

Dans une pile à combustible, l’hydrogène et l’oxygène réagissent en présence d’un catalyseur pour produire de l’électricité et de l’eau. Dans une pile à combustible à échange de protons (PEM), l’électrolyte est une membrane de polymère qui sépare l’hydrogène de l’oxygène mais permet le passage des ions à charge positive qui produisent l’électricité.

La pile à combustible est d’ailleurs souvent considérée comme le summum ou le Saint-Graal des systèmes de propulsion automobile parce sa seule émanation est de l’eau.

L’hydrogène d’usage commercial est produit surtout à partir du gaz naturel par reformage à la vapeur, un procédé très énergivore. On peut également le produire par électrolyse mais ce procédé consomme lui aussi beaucoup d’énergie et son profil écologique dépend de la source de l’électricité utilisée.

Perspectives Dans les deux cas, l’efficacité du processus de conversion doit aussi être prise en considération. Pour l’environnement, il pourrait s’avérer préférable d’utiliser le gaz naturel ou l’électricité comme sources d’énergie directes plutôt que de les transformer en hydrogène. De plus, il n’existe actuellement aucune infrastructure étendue pour distribuer l’hydrogène.

Plusieurs constructeurs automobiles continuent de préparer la commercialisation de véhicules alimentés par pile à combustible et certains ont annoncé leur intention d’en offrir au public d’ici 2015. Il faudra encore des avancées importantes, surtout en termes de coût et d’infrastructure de distribution d’hydrogène, avant que les véhicules à pile à combustible n’occupent une place importante sur le marché.

Pour fournir une autonomie suffisante à une voiture, l’hydrogène doit être stocké soit à très haute pression soit à très basse température, ce qui complique à la fois la conception du réservoir et le ravitaillement. Ces obstacles ne sont pas insurmontables mais ils sont importants et expliquent l’absence de tout véhicule électrique à pile à combustible en vente libre.

POSTE D’HYDROGÈNE TOYOTA

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