Une automobile hybride électrique est un véhicule automobile faisant appel à deux types d'énergie embarqués pour se mouvoir, dont l'un est de nature électrique (électrochimique ou électrostatique). L'architecture la plus répandue pour ce type de véhicule hybride associe un moteur électrique à un moteur thermique, généralement à essence.
La nature réversible de la partie motrice électrique permet la récupération d'une partie de l'énergie cinétique du véhicule par freinage régénératif. Le moteur électrique devient alors générateur : en fournissant un couple résistant aux roues il produit de l’électricité, laquelle est stockée dans une batterie d'accumulateurs ou de supercondensateurs.
Les motorisations hybrides impliquent un surplus d'énergie grise pour leur fabrication et un surcoût de plusieurs milliers d'euros. En contrepartie, elles permettent de réduire les émissions directes de CO2 et d'autres polluants par le véhicule de 15 à 25 %, en particulier lorsque utilisées en ville, où la circulation est erratique, ou dans les embouteillages.
Une propulsion hybride électrique consiste à combiner un moteur thermique avec un, ou plusieurs, moteurs électriques, afin de profiter des avantages de chaque type de moteur tout en en limitant les faiblesses : le moteur électrique est très efficace et souple, ne produit localement aucune pollution de l'air, et permet la récupération d'énergie lors des freinages, tandis que le moteur thermique confère au véhicule puissance à vitesse plus élevée et autonomie de sa source d'énergie (le carburant).
Les différentes phases de fonctionnement d'un full hybrid se déroulent comme suit :
- lorsque le véhicule est immobile, les deux moteurs sont à l'arrêt ;
- la mise en mouvement de la voiture est assurée par le moteur électrique seul, jusqu'à une vitesse maximum variant entre 70 et 130 km/h, selon les choix techniques du fabricant et le niveau de charge de la batterie d'accumulateurs ;
- au-delà de ces vitesses, ou lorsqu'une accélération plus forte est demandée, le moteur thermique est démarré pour fournir le supplément de puissance et réduire ou couper l'alimentation du moteur électrique ;
- en cas de demande de puissance importante (forte accélération ou forte pente), les deux moteurs fonctionnent simultanément pour additionner leurs couples moteurs ;
- en phase de décélération ou de descente, le freinage régénératif permet au moteur/générateur électrique de convertir une partie de l'énergie cinétique en énergie électrique, rechargeant la batterie. Ce rôle de frein moteur peut être accru en forçant le moteur thermique à tourner sans injection de carburant, soulageant ainsi les freins à friction ; celui-ci peut aussi au contraire être arrêté pour réduire consommation et émissions, ce qui désactive son frein moteur.
La gestion de l'ensemble est confiée à l'électronique embarquée, qui tient compte de l'état de charge de la batterie, de la température du moteur thermique et de celle du catalyseur, des besoins en chauffage et en climatisation et de la pression sur les pédales d'accélérateur et de frein.
En 1894, Paul Pouchain, un inventeur lillois conçoit une voiture avec un moteur à essence sous le capot et des moteurs électriques.
En 1899, une autre automobile de ce type est présentée par les Établissements Pieper, de Liège. Étonnamment similaire dans ses caractéristiques aux hybrides modernes, elle utilise un moteur à pétrole de 3,5 chevaux qui entraîne directement les roues. Sur l'arbre de transmission, en amont d'une boîte de vitesses à engrenages à deux rapports avec embrayage, est intercalée une dynamo, selon le principe de l'hybride parallèle. Le moteur fonctionne toujours à pleine charge, la dynamo permet la charge d'accumulateurs, pour un poids de seulement 25 kg. Lorsque la tension de la dynamo est supérieure à celle de la batterie, celle-ci est chargée, sinon le courant électrique s’inverse et la dynamo se comporte alors comme un moteur électrique. La puissance de l'ensemble moteur-dynamo peut alors atteindre 6 ch.
Plusieurs constructeurs se lancent, pendant la première décennie du vingtième siècle, dans ce qui est alors appelé l'automobile mixte, ou pétroléo-électrique, dont la Lohner-Porsche mixte, créée par Ferdinand Porsche en 1900 pour Ludwig Lohner, ou les Auto Mixte fabriquées sous la marque GEM par Léonce Girardot. Aucun de ces coûteux modèles ne rencontrant le succès, la technologie disparaît avec la Première Guerre mondiale.
Auguste Gonnet construit cependant en 1952 un prototype « Velo Gonnet » comportant deux tableaux de bord pour deux motorisations.
Il faut attendre plus de 80 ans avant la mise sur le marché, en grande série, de la Toyota Prius, fin 1997 au Japon, dans une version commercialisée uniquement dans l'archipel. La troisième version de la Prius (modèle NHW20) recevra le titre européen de voiture de l'année en 2005.
Le coupé deux-places Honda Insight, sorti en 1999, est exporté aux États-Unis et dans quelques autres pays, mais pas en France. Sans approcher le succès de la Prius, Honda commercialise depuis également une version hybride dite IMA de la Honda Civic.
En raison de la crise du pétrole et des contraintes écologiques, de nombreux constructeurs automobiles annoncent des programmes de recherche importants dans ce domaine, notamment General Motors, qui s'associe avec Mercedes et BMW, Ford ayant acquis la technologie de Toyota de première génération, et plus récemment PSA qui s'associe à divers grands équipementiers pour réaliser la première voiture hybride Diesel-électrique, dans le cadre d'un important programme de développement soutenu par l'Agence de l'innovation industrielle.
En mars 2003, Toyota commercialise une version hybride-Diesel de son utilitaire, le « Toyota Dyna Diesel hybrid ».
En 2007, Toyota Motorsport remporte avec sa Camry Hybride plusieurs prix d'importance dans le monde automobile, l'Association des journalistes automobiles du Canada ayant octroyé à la Camry Hybride 2007 les titres de « voiture canadienne de l'année » et de « meilleure voiture familiale de plus de 30 000 $ CAN » et l’association canadienne des automobilistes, le prix Pyramide 2007 CAA pour des initiatives environnementales.
En 2008, Toyota vend un million d'exemplaires de sa Prius. Lexus, la marque haut de gamme de Toyota, commercialise des berlines et un 4x4 hybride, le RX400h, qui rencontre un certain succès malgré son prix élevé.
D'autres constructeurs vendent également des modèles hybrides, mais avec des parts de marché marginales (Mazda, General Motors, Renault...). En France, Renault produit quelques milliers de Kangoo hybrides.
En 2011, le constructeur français Peugeot adopte pour sa motorisation HYbrid4 une position originale, en reprenant la structure existante d'un véhicule à traction Diesel pour y ajouter deux moteurs électriques sur les roues arrière, permettant un fonctionnement en trois modes différents : traction classique Diesel ; hybride quatre roues motrices ; propulsion électrique.
En 2016, Chrysler met en vente le tout premier monospace hybride, le Pacifica.
En 2018, Honda prévoit la sortie de son véhicule hybride Honda Clarity qui présente la plus forte autonomie de conduite en mode tout électrique, jusqu'à 76 km. Le constructeur vise à ce que les véhicules électriques représentent les deux tiers de ses ventes automobiles mondiales d'ici 2030.
Une expérimentation menée à Londres, de 2017 à 2019, avec 20 fourgonnettes hybrides rechargeables (Ford Transit) équipées d'un prolongateur d'autonomie, a montré que la flotte a fonctionné en mode électrique sur 75 % de son kilométrage dans le centre de Londres, et à 49 % dans l’agglomération ; la moyenne de consommation d’essence s’établit à 3,3 litres au 100 km, pour 75 grammes de CO2 émis au kilomètre ; les émissions de CO2 et de polluants sont donc fortement réduites. Cologne, en Allemagne, et Valence, en Espagne, ont déjà été sélectionnées pour des programmes similaires.
En 2019, 18 582 véhicules hybrides ont été vendus et/ou achetés en France.
En 2021, du fait de l'électrification des véhicules en Europe, les ventes de véhicules hybrides ont dépassé celles de véhicules Diesel.
Le constructeur japonais Toyota prévoit de supprimer les moteurs à combustion traditionnelle de sa gamme d'ici 2050, alors qu'ils représentaient encore 86 % de ses ventes en 2014. Dans son plan de réduction des émissions de CO2, publié en octobre 2015, il annonce qu'en 2050 les émissions moyennes de CO2 de ses nouveaux véhicules seront réduites de 90 % par rapport à celles de 2010. D'ici 2020, il espère atteindre un volume cumulé de quinze millions de modèles hybrides dans le monde et être en mesure de vendre à cette date au moins 30 000 véhicules alimentés par une pile à combustible par an.
Les émissions directes de CO2 par le véhicule, en 2020 selon les mesures des procédures d'essai WLTP, peuvent être réduites de 5 % avec le mild hybrid et de 30 % avec le full hybrid. L'hybride rechargeable permet un gain de 65 %. À titre de comparaison, le véhicule tout électrique peut théoriquement réduire de 100 % ses émissions directes de CO2.
Consommation réduite
Selon le type d'utilisation (urbain/autoroute) et de conduite (économe/sportive), la motorisation hybride permet de diminuer de 10 à 25 % la consommation moyenne des véhicules, suivant le niveau d'hybridation, le modèle et l'utilisation qui en est faite. La conduite urbaine offre ainsi les meilleurs gains, par son irrégularité et les faibles vitesses atteintes, alors que la conduite autoroutière offre les plus faibles, du fait des vitesses élevées. En cas d'embouteillage l'usage d'un véhicule hybride est de nouveau intéressant, à la différence des véhicules Diesel.
Une fois l'énergie grise des équipements hybrides amortie, la motorisation hybride est donc particulièrement intéressante en ville, notamment pour les taxis, qui peuvent rapidement amortir le surcoût initial. Elle commence à être appliquée aux autobus et camions aux États-Unis, en Europe et au Japon.
Pollution de l'air
L'hybridation est à l'origine d'importants progrès, dans les années 2000, en réduction d'émissions de polluants.
Émissions de gaz à effet de serre
L'hybridation permet de réduire les émissions locales de gaz à effet de serre, proportionnelles à la consommation de carburant, tandis que le freinage régénératif évite le rejet d'une grande partie des polluants dus au freinage par friction. Selon l'Association des constructeurs européens d'automobiles (ACEA), l'hybridation légère (mild hybrid) réduit les émissions de CO2 de 10 à 20 %, l'hybridation complète (full hybrid) de 20 à 40 % et les émissions des hybrides rechargeables sont réduites de 50 à 75 %.
Nuisances urbaines
De nombreuses nuisances urbaines, dues en bonne partie à la circulation routière, peuvent être atténuées par l'utilisation de véhicules hybrides, particulièrement efficaces en ville. Peuvent ainsi être réduits la pollution aérienne déjà mentionnée, le phénomène d'îlot de chaleur, le smog et la pollution sonore. Ces bénéfices sont encore renforcés par les systèmes à bord, qui encouragent à l'écoconduite pour tirer le meilleur parti de l'hybridation. Du reste, certaines villes restreignent déjà leur entrée aux véhicules les moins polluants lors de pics de pollution.
Autonomie
L'avantage de l'hybride sur l'électrique est que son autonomie n'est pas limitée par la capacité et le temps de recharge de la batterie. En effet, un véhicule hybride électrique est similaire de ces points de vue à un modèle essence classique, dont le plein est effectué rapidement, tandis que les batteries électriques doivent être soit longuement rechargées, soit échangées. Les véhicules électriques avec moteur thermique prolongateur d'autonomie ne présentent pas cet inconvénient et présentent l'avantage que le moteur thermique peut fonctionner exclusivement à son régime de rendement maximum.
On peut toutefois difficilement comparer la consommation et l'autonomie des automobiles hybrides et électriques. Pour les premières, il s'agit d'une motorisation thermique optimisant l'usage du carburant en produisant leur électricité, tandis que les secondes reçoivent principalement leur énergie électrique d'une source extérieure au véhicule ; enfin, les hybrides rechargeables (PHEV) combinent les deux principes.
Les véhicules hybrides présentent les inconvénients suivants.
En septembre 2020, l'Institut Fraunhofer et le Conseil international sur le transport propre (ICCT) publient les résultats de l'analyse de données sur l'utilisation réelle de plus de 100 000 voitures hybrides rechargeables en Europe, Amérique du nord et Chine : en moyenne, la consommation de carburant et les émissions de CO2 sont deux fois plus élevées dans l'usage réel des automobilistes particuliers que les valeurs mesurées dans les tests standards des constructeurs ; dans le cas des véhicules d'entreprises, les valeurs réelles sont quatre fois supérieures aux valeurs officielles. La raison en est que souvent les voitures hybrides rechargeables ne sont pas rechargées régulièrement ; par exemple, les utilisateurs privés allemands ne les rechargent en moyenne que trois jours sur quatre, et ceux de voitures d'entreprise un jour sur deux. En moyenne, les véhicules hybrides rechargeables des particuliers ne fonctionnent en mode électrique que 37 % de leur kilométrage, et les véhicules d'entreprise 20 %. Les auteurs font une série de recommandations, par exemple que les constructeurs accroissent la capacité des batteries, que les gestionnaires de flottes d'entreprise limitent les budgets alloués aux cartes de carburant, qu'ils facilitent l'accès aux points de recharge et abaissent leur tarif.
La Fédération européenne pour le transport et l'environnement (T&E) publie le 23 novembre 2020 une étude comparant la production de CO2 en situation réelle et celle affichée par les constructeurs. Les tests effectués sur les modèles les plus récents confirment qu'ils émettent beaucoup plus de CO2 que ne le prétendent les constructeurs : l'écart s'élève entre 28 et 89 % avec une batterie chargée à plein, et avec une batterie vide, ils émettent trois à huit fois plus de CO2 que les valeurs officielles ou même 12 fois plus en mode recharge de batterie. T&E en conclut que les gouvernements devraient mettre fin aux subventions à l'achat et aux allégements fiscaux pour les hybrides rechargeables.
Toyota défend en 2019 sa technologie hybride avec des arguments polémiques, insistant sur l’hybride « qui ne se branche pas », « se recharge en roulant » ou « auto-rechargeable ». L’autorité de protection des consommateurs norvégienne, la Forbrukerrådet, somme Toyota d’interrompre la diffusion des publicités invoquant le « self-charging » (« auto-recharge »), estimant qu'« il est trompeur de donner l’impression que l’alimentation de la batterie hybride est gratuite, car l’électricité produite par la voiture a pour condition nécessaire la consommation d’essence » et que ces campagnes constituent une « pratique commerciale déloyale en violation de l’interdiction [prévue par la loi norvégienne] ».
Entretien
Suivant leur conception, l'architecture complexe de la gestion des moteurs et de la transmission peut nécessiter plus d'entretien à long terme ; pour d'autres, de conception plus optimisée, l'entretien est réduit.
Durée de vie des batteries
Les batteries ayant une durée de vie de huit à dix ans, il faudrait prévoir de les remplacer en cas d'utilisation prolongée du véhicule hybride, ce qui entraînerait un surcoût de maintenance. Certaines marques proposant les systèmes hybrides garantissent spécifiquement la batterie du système hybride, sur dix ans pour les systèmes HSD de Toyota (Yaris, Auris, Prius, etc.) en France, huit ans et kilométrage illimité pour les Honda Civic IMA produites avant 2010, puis cinq ans ou 100 000 kilomètres pour les modèles produits par la suite. D'autres marques proposent une location des batteries.
Perte d'autonomie par temps froid
Les batteries étant sensibles aux variations de température, un véhicule hybride stationnant par une température négative voit sa batterie perdre jusqu’à un quart de sa capacité, réduisant temporairement l'autonomie du véhicule (utilisation du chauffage, performance des batteries réduite par temps froid).
Intérêt par rapport au Diesel
Certains constructeurs comme PSA Peugeot Citroën ont avancé le fait que l'économie en carburant permise par la technique hybride pour des véhicules à essence était proche de celle du passage de l'essence au gazole, et qu'elle n'était donc pas intéressante pour eux sur les marchés ayant fait le choix d'un fort taux d'utilisation de moteurs Diesel comme l'Europe. Cet argument omet l'impact des émissions supérieures de NOx et de particules fines (imbrûlés) des moteurs Diesel. PSA, comme d'autres fabricants, a commercialisé en 2011 un hybride Diesel, le Peugeot HYbrid4, dans le but de réduire les émissions de CO2, ce qui réduit les émissions de NOx sans les supprimer.
Dans une interview au quotidien « Les Echos » du 19 janvier 2022, Carlos Tavares, dirigeant de Stellantis (Peugeot, Fiat, Chrysler) déclare que l'interdiction, par la commission européenne, des véhicules essence ou diesel à partir de 2035 aura des répercutions sociales importantes et dénonce les orientations « tout électrique » des politiques. Il défend notamment le maintien des véhicules hybrides, financièrement abordables pour les classes moyennes, a contrario des voitures 100% électriques.
« Sans transition progressive, les conséquences sociales seront majeures.[…] C’est la brutalité du changement qui crée le risque social » conclue-t-il.
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