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Le fonctionnement du système hybride Honda

[ Article publié par: Moustache ]

Pourquoi cet article ?

Depuis que ce système existe, et que je l’apprécie depuis bientôt 4 ans sur mon CR-V et la Jazz de mon épouse, je m’y suis beaucoup intéressé, en regardant des vidéos mais aussi en le « monitorant » grâce à un dongle OBDII et l’appli CarScanner qui fournit un certain nombre de paramètres invisibles pour le conducteur.

Je pense donc assez bien le connaître, mais je me rends compte également que le fonctionnement reste obscur et mal compris, non seulement par bien des utilisateurs, mais encore par la quasi totalité des journalistes de l’automobile. Ces derniers sont peu aidés il est vrai par la comm Honda qui se prend une fois encore les pieds dans le tapis en évoquant un système CVT, peu vendeur de surcroît ! De plus, le nom du système a changé il y a 3 ans: d’I-MMD il est passé à e:hev, ce qui a encore rajouté de l’incompréhension, alors que les bases étaient les mêmes.

Et ce, alors que ce système (qualifié par certains d’usine à gaz), est au contraire d’une simplicité mécanique extrême et se révèle finalement assez facile à appréhender pour peu qu’on veuille bien abandonner les vieux réflexes vroum vroum (et aussi qu’on fasse confiance les yeux fermés à l’électronique de puissance et à son pilotage, qui font le job remarquablement bien, avec efficacité et fiabilité).

Je me propose donc de m’atteler à quelques explications, que je voudrais simples. Certains trouveront cet article trop compliqué, d’autres au contraire trop réducteur (terme choisi intentionnellement, on y reviendra !).

Intérêt des systèmes hybrides dans l’automobile

Le seul intérêt de l’hybridation est de contourner un des talons d’Achille des moteurs thermiques: leur non réversibilité.

Ainsi, un moteur électrique convenablement piloté pourra fournir de l’énergie mécanique (= tourner) si on lui fournit du courant, mais il pourra tout aussi bien fournir de l’énergie électrique si on le force à tourner.

Alors qu’un moteur thermique qu’on force à tourner ne produira jamais d’essence (ou alors j’ai raté un épisode !). Dans le cas de figure où on lui impose de tourner (en décélération ou en descente) un moteur thermique ne pourra que convertir en chaleur l’énergie mécanique qu’on lui impose.

Le but de l’hybridation est de récupérer cette énergie qui sinon aurait été perdue. Comment ? en associant à un moteur thermique une autre motorisation qui, elle, sera réversible: cela peut-être un moteur à air comprimé (qui peut fonctionner en compresseur, solution tentée il y a quelques années par Peugeot), ou un moteur électrique qu’on peut piloter en moteur ou en générateur. D’autres solutions plus ou moins farfelues existent mais ce n’est pas le propos de ce post.

Une fois cette énergie récupérée il faut la stocker pour pouvoir la réutiliser plus tard (vaste problème !). Dans l’ancien système Peugeot elle était stockée dans une bouteille sous forme d’air comprimé, dans tous les autres systèmes automobiles elle est stockée sous forme électrique dans une batterie.

Quelques bases

Comme dans la grande majorité des véhicules électriques, les moteurs électriques qu’utilise Honda sont des moteurs synchrones, et il faut en expliquer le fonctionnement ! D’ailleurs pourquoi ce type de moteurs alors qu’il y a 30 ans ils n’étaient guère utilisés que pour leur vitesse de rotation bien déterminée ? Ainsi on les trouvait surtout dans des applications ne nécessitant pas de forte puissance mais réclamant une vitesse parfaitement stable: horloges, systèmes enregistreurs, platines vinyle…

Il faut dire qu’il faut les alimenter en courant alternatif et que la fréquence de celui-ci commande directement la vitesse de rotation, sans glissement possible. Pour changer la vitesse de rotation il faut donc impérativement changer la fréquence du courant, et il y a 50 ans ce n’était pas une mince affaire. Donc la plupart étaient alimentés par le secteur en 50 Hz et leur vitesse de rotation était irrémédiablement fixe.

Heureusement l’électronique de puissance moderne est arrivée et depuis quelques années il est relativement facile de fabriquer de puissants courants alternatifs à fréquence continument variable (de 0 à quelques dizaines de kHz): on pilote ainsi la vitesse de rotation de ces moteurs. Ces moteurs peuvent ainsi démontrer leurs qualités: (très) bon rendement, simplicité mécanique, compacité, fiabilité.

Analyse du sytème Honda

Je prendrai comme exemple le système du CR-V et de la Civic XI qui sont très voisins. La Jazz et le HR-V s’appuient sur un système identique mais à échelle de puissances réduite. J’utiliserai le cheval comme unité de puissance. Ce n’est pas très académique mais c’est plus parlant pour l’automobiliste. Ceux qui voudront raisonner en kW savent déjà qu’un cheval est l’équivalent de 735 W.

Le système se compose de 3 unités motrices:

  • un moteur thermique essence (ICE, pour Internal Combustion Engine), développant 147 ch, 2 litres, non turbo, à cycle Atkinson
  • un moteur électrique synchrone (dit de traction, MT) développant 184 ch, pouvant aussi fonctionner en générateur
  • un générateur électrique (GE) pouvant fournir une puissance électrique de 147ch, pouvant aussi fonctionner en moteur synchrone

Ces 3 machines sont implantées mécaniquement comme suit (je fais l’impasse sur le différentiel):

  • MT est relié directement aux roues par un réducteur (on ne fait pas tourner les roues à 12000 t/min !); ce couplage est permanent: pas d’embrayage, pas de crabots, pas de pignon baladeur: rien… mis à part les 2 pignons fixes du réducteur, et c’est tout (et c’est fondamental pour la compréhension)
  • ICE et GE sont couplés en permanence via un réducteur (idem: on ne fait pas tourner le thermique à 12000 t/min, même si c’est un Honda !). Je ne vais pas me répéter: rien entre les 2, mis à part les 2 pignons fixes du réducteur

Déjà, on voit que mécaniquement c’est ultra simple. En plus il n’y a ni démarreur ni alternateur en sus (c’est le propre des hybrides): ICE est démarré par GE, et l’énergie électrique est fournie par GE et/ou MT.

Où cela se complique un peu c’est que quelque part il y a un embrayage (on y reviendra plus tard). Mais rassurez-vous cet embrayage est peu contraint: il ne patine quasiment pas vu qu’il n’est actionné que quand son entrée et sa sortie sont à vitesses de rotation identiques, et de plus quand le couple à transmettre est faible.

Pour stocker l’énergie il est fait appel à une batterie Li-Ion de faible capacité (1 kWh) mais sous haute tension (270 V). Elle est surdimensionnée car elle doit doit fournir des puissances importantes (37 ch) donc des courants élevés (de l’ordre de la centaine d’ampères). De plus, au rythme des décélérations/accélérations et montées/descentes, elle se décharge et se recharge très souvent car ces cycles peuvent durer moins d’une minute. Donc c’est quand même autre chose qu’une batterie de vélo électrique !

Enfin le chef d’orchestre est l’électronique de puissance et son pilotage:

  • elle fournit les courants électriques alternatifs triphasés « à la fréquence et à la phase qui vont bien » à MT et à GE quand ils doivent fonctionnent en moteurs
  • elle récupère les courants électriques alternatifs triphasés fournis par MT et GE quand ils fonctionnent en générateurs
  • elle transforme ces courants alternatifs en continu pour recharger la batterie si nécessaire
  • elle transforme le courant continu de la batterie en alternatif pour épauler MT ou faire tourner GE quand il doit démarrer l’ICE

Tout ce travail paraît assez compliqué mais il est assuré par quelques paires de transistors de puissance commandés (et refroidis) judicieusement.

Evidemment il y a derrière un calculateur dont le logiciel a été mijoté aux petits oignons par Honda !

Modes de fonctionnement

Si vous avez correctement digéré cette analyse, nous allons passer au dessert: des schémas simplifiés qui illustrent chaque mode de fonctionnement. Cela devrait paraître plus clair ! Et pour faciliter les choses, je ne fais figurer sur ces schémas que les organes qui interviennent effectivement dans le fonctionnement de chacun des modes. De plus les réducteurs ne sont pas représentés (d’où ma crainte que certains trouvent ce topo un peu réducteur !).

Nous allons commencer par le plus simple, le mode électrique pur.

Le mode électrique pur

C’est le mode le plus simple: la batterie alimente seule le moteur de traction, ou est rechargée par lui si décélération ou descente. Vu la capacité et la puissance de cette dernière, évidemment ce mode ne peut pas durer longtemps sur terrain plat; de même une demande de puissance à peine soutenue fera que le système demandera à ICE de venir à la rescousse via GE.

Dans ce mode, ICE ne tourne pas, donc GE non plus. Ils ne sont donc pas représentés.

À noter que ce mode ne peut pas générer du chauffage dans l’habitacle. Car le chauffage de l’habitacle est assuré par les pertes importantes (quoique minimisées) du moteur thermique. Mais si vous acceptez de vous geler, ICE ne s’activera pas et vous resterez en électrique pur. Par contre, le compresseur de climatisation étant électrique, il pourra utiliser l’énergie de la batterie pour fonctionner, au détriment de l’autonomie déjà faible.

La réflexion que beaucoup de gens auront est: « alors une hybride ça sert à rien finalement, si on ne peut rouler que 2 km en tout électrique ! ». C’est faux car ce mode n’est finalement qu’une petite cerise sur le gâteau: c’est un gain gratuit accordé par le mode hybride, qui est de loin le plus gratifiant en terme d’énergie consommée.

Le mode hybride moteur

Dans ce mode, GE, mu par ICE, alimente MT. La batterie donne un coup de pouce si nécessaire, ou se recharge si les conditions le permettent.

Le régime de ICE est ajusté par les calculateurs de façon à le faire fonctionner dans sa plage de meilleur rendement. Ce régime dépend aussi de la nécessité éventuelle de recharger la batterie: c’est pourquoi, à la même vitesse, sur le même trajet plat, le régime de ICE n’est pas toujours le même. On peut penser que « ça dépend, s’il y a du vent », en fait non, ce régime dépend de l’effort demandé à ICE par le système. Cette non constance peut, au début, dérouter les novices de la conduite hybride… ou faire dire aux journalistes que « ça patine ». Bien sûr il n’en est rien !

Rien n’empêcherait, si ce n’est un rendement global dégradé, un fonctionnement à régime constant, ou à régime proportionnel à la vitesse, ou même avec des montées en régimes successives faisant croire à des passages de vitesses. C’est ce que fait avec brio la Civic XI: en fait il n’y a aucun changement de vitesses, juste un changement de régime d’ICE, calibré et piloté par les calculateurs selon la vitesse et la puissance demandée. Les journalistes, qui ne sont pas à une bourde près, imaginent qu’il y a une vraie boîte de vitesses cachée, ou même que ces montées en régime du moteur thermique ne sont pas réelles, que ce sont juste des reconstitutions audio de montées en régime, et reproduites par les hauts-parleurs !

Le mode hybride régénératif

Ce mode est le pendant du précédent: la voiture devant ralentir ou étant en descente, il n’y a plus besoin d’énergie pour la faire avancer, au contraire. Alors, plutôt que de freiner et d’utiliser le frein moteur thermique comme dans un véhicule classique (ce qui a pour effets respectifs de faire chauffer les freins et le moteur), on utilise MT en générateur. En le forçant à tourner il produit de l’électricité à partir de l’énergie du véhicule (cinétique si on veut le ralentir, potentielle si on lui fait descendre une pente). Et cette énergie est stockée dans la batterie.

C’est là que réside tout l’intérêt de l’hybridation: récupérer et stocker de l’énergie qui, sans hybridation, serait partie en fumée !

Cas particulier de l’hybride régénératif quand la batterie est pleine

Le système est jusqu’à maintenant très séduisant. Mais, car il y a un mais, en décélération ou descente que faire de l’énergie produite par MT quand la batterie est pleine ? On ne peut pas « gaver » la batterie, cela la détruirait. On ne peut pas non plus décider de ne rien faire car on perdrait brutalement tout frein moteur.

Il y a donc une astuce, schématisée ci-dessous: puisque MT est prêt à fournir de l’énergie gratuitement (mais bien utile pour le frein moteur), l’électronique de puissance va la convertir sous la forme électrique « qui va bien » pour faire tourner GE en moteur cette fois-ci. Et alors direz-vous ? N’oublions pas que GE et ICE sont couplés en permanence. Si on fait tourner GE, on fait tourner ICE. Et si ICE n’est pas alimenté en essence, il va s’opposer à cette mise en mouvement et donc faire du frein moteur à l’ancienne.

Le tour est joué, on a su dépenser l’énergie produite par MT et on a maintenu le frein moteur. Ce mode qui ne coûte rien (juste un pilotage inverse de l’électronique de puissance) surprend parfois: en descente de col, le silence est la règle tant que la batterie n’est pas complètement chargée; et tout d’un coup, voilà que le système se met à forcer ICE à tourner, et pas qu’à faible régime: il se montre tout d’un coup très audible !

Le mode direct

Ceci dit, le système Honda souffre d’une petite tare congénitale: en mode hybride moteur, si la batterie ne débite pas, toute l’énergie est fournie par ICE. Cette énergie mécanique est convertie en énergie électrique par GE: voilà une première perte de rendement, car MT et GE, même s’ils ont de très bons rendements (de l’ordre de 90%), ne sont pas parfaits. Cela signifie qu’ils gaspillent 10% de l’énergie totale en chaleur.

De la même façon, il faut convertir l’énergie électrique fournie par GE de manière à ce que fréquence et phase électriques soient adaptées au travail que l’on demande à MT. Cette conversion coûte environ 5% et fait chauffer l’électronique de puissance.

Enfin, encore pour la même raison, MT ne va convertir que 90% de l’énergie électrique en énergie mécanique disponible aux roues.

Ces pertes, dites de la double conversion (mécanique->électrique->mécanique), absorbent environ 25% de l’énergie fournie par l’essence alimentant ICE. Même si ce dernier, de par son cycle Atkinson, a un très bon rendement (record à 41% pour la Civic XI), le rendement global du système hybride est pénalisé par rapport à un thermique seul couplé tranquillement aux roues. Heureusement qu’une voiture ne roule pas toujours à régime et charge constants, sinon l’hybridation nuirait à la consommation. C’est l’illustration du fait que pour une motorisation hybride, plus les variations de vitesse sont nombreuses et importantes, moins la voiture consomme: cf les consommations ultra basses en ville d’une Jazz e:hev.

Malgré tout, il y a des cas de conduite ou la vitesse reste constante pendant de longues heures: sur autoroute ou voie rapide. Et donc, aucune récupération d’énergie à l’horizon pour recharger la batterie. Honda a pensé heureusement à contourner cette tare, en imaginant le mode direct.

L’idée est simple: puisque la double conversion gaspille un peu d’énergie, il faut la contourner quand on le peut.

Ainsi, un embrayage permet de coupler ICE directement aux roues. Bien sûr il y là aussi une adaptation de régime par des pignons fixes de manière à ce que ce couplage donne un rapport régime/vitesse équivalent à une 6ème sur une boîte 6.

Cet embrayage est à bain d’huile, et comme dit plus haut, il ne se ferme que quand la vitesse de rotation des roues et celle d’ICE sont très proches: il n’y a donc pas de patinage, et donc pas d’usure. De même il n’est actionné que sous faible charge. Il n’y a donc pas de craintes quant à sa longévité. Il est le seul organe du système hybride qui ne fonctionne pas qu’en rotation, mais aussi en translation (si, il faut ajouter pistons et soupapes !).

Ce couplage intervient quand les conditions de charge et de vitesse sont favorables: à partir de 80 km/h environ sur le CR-V et si on est gentil avec la pédale de droite. En cas de besoin plus net de puissance (accélération marquée, vitesse élevée, forte pente) notre ICE 2 litres non turbo de 147 chevaux a un peu de mal. Dans un premier temps la batterie vient gentiment en soutien, mais de façon modérée (d’où les flèches amaigries du diagramme). Si la demande est trop forte, le système repasse en mode hybride, ce qui est l’exact équivalent d’un rétrogradage avec une boîte de vitesses.

De la même manière, si la charge devient faible, ICE en profite pour requinquer gentiment la batterie. Et si la charge devient vraiment trop faible, ICE est coupé et on repasse en mode électrique pur (c’est le cas en descente sur autoroute).

Gestion des modes P, D, R et N

Ces modes sont encore plus simples à gérer qu’on ne le croit.

  • P (Park) coupe les alimentations des moteurs et bloque mécaniquement le différentiel. C’est classique, cependant un choc par un autre véhicule peut, si l’on est en P, détériorer ce système de blocage: toujours mettre le frein de parc, cela permet de réduire ces chocs !
  • D (Drive) est décrit dans les chapitres précédents
  • R (Rear) est assuré par une modification de la phase des courants commandant MT. Cela se passe comme sur une visseuse/dévisseuse: aucun mouvement de pignons ni inversion mécanique. MT tourne dans l’autre sens tout simplement. D’ailleurs quand ces transitions sont demandées par le conducteur, le système pilote ces changements en douceur, il n’y a donc ni à-coups ni chocs mécaniques; si bien que l’on peut sans problème passer de D en R alors que la voiture continue à avancer, ou de R en D alors qu’elle continue à reculer. Si jamais la vitesse à laquelle on demande cette inversion de marche est trop élevée (quelques km/h), le système refuse et passe d’autorité en N.
  • N (Neutral) est le mode le plus méconnu, mais c’est aussi le plus simple: l’alimentation de MT est tout simplement coupée, et MT n’étant plus alimenté, il n’est ni moteur ni freineur, il se comporte juste comme un volant d’inertie. Il n’y a donc aucun inconvénient à passer en N tout en roulant. Certes ça ne sert à rien, mais c’est sans danger, contrairement à ce que pensent les habitués des boîtes automatiques classiques.

Conclusion

On peut donc dire qu’un tel système, qui ne comporte que des engrenages fixes, pas de démarreur ni alternateur, pas d’embrayage classique, pas de boîte de vitesses (que ce soit à crabots, synchros ou pignons baladeurs), et pas une seule courroie, est certainement promis à une grande fiabilité et à une longévité exemplaire.

En tout cas, l’accueil des utilisateurs est unanimement favorable.

Pour finir, voici le schéma global avec toutes les fonctions représentées: