Technologie hybride : l’avenir commence dès aujourd’hui

Volvo Trucks s’est lancé le défi de mettre au point un groupe propulseur hybride dès le début des années 1980. Après des années de recherche, de développement et de tests, un Volvo FE hybride à la pointe de la technologie voit aujourd’hui le jour. La solution : une technologie d’hybridation parallèle offrant une réduction de la consommation de carburant pouvant atteindre 30 %.

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Il est des bruits que l’on n’entend qu’en ville, parmi lesquels le ronron matinal du moteur diesel du camion de collecte des déchets s’arrêtant et redémarrant sans cesse au fil des rues, auquel vient s’ajouter parfois un bruit de bris de verre provenant des ordures déversées dans le compacteur. Mais le fond sonore urbain va bientôt changer avec l’arrivée de la technologie hybride. A faible vitesse, le grondement du moteur diesel sera en effet remplacé par le doux murmure d’un moteur électrique.

Le Volvo FE hybride, qui sera disponible en différentes versions destinées à des applications de distribution, de transport urbain et de collecte d’ordures ménagères, représente une avancée majeure dans le domaine des technologies automobiles respectueuses de l’environnement. Outre une réduction considérable du niveau de bruit, la motorisation hybride permet d’abaisser les rejets de CO2 et la consommation de carburant de 15 à 20 % selon l’application. Volvo est même parvenu à obtenir une baisse de la consommation de 30 % grâce à une superstructure rechargeable pour le compactage des déchets.

« Nous avons trouvé la voie à suivre pour les applications intra-urbaines avec arrêts et redémarrages fréquents », explique Henrik Kloo, coordinateur du projet Volvo FE hybride pour Volvo Trucks. « Dans le contexte actuel de montée des prix du carburant et de prise de conscience croissante du problème du changement climatique, chacun se demande quelle est la solution. Nous apportons ainsi un élément de réponse. »

Une technologie d’avant-garde
Si le Volvo FE hybride fait appel à une technologie d’avant-garde, l’idée de l’association d’un moteur à combustion interne et d’un moteur électrique n’est quant à elle pas nouvelle. Le premier brevet de moteur hybride a en effet été déposé en 1899 par un jeune inventeur dénommé Ferdinand Porsche. Volvo Trucks participe à des présentations et des études théoriques de systèmes hybrides depuis le milieu des années 1980 et a testé diverses technologies, depuis l’hybride mécanique à l’hybride électrique en passant par l’hybride hydraulique.

En 2002, un projet d’ingénierie de haut niveau a été lancé afin de déterminer quel type de solution hybride garantit le meilleur équilibre entre rendement énergétique, robustesse et rentabilité.

« Nous avons écarté certaines configurations de système hybride qui étaient trop onéreuses, et avons finalement opté pour ce que l’on appelle un système hybride parallèle, comprenant un moteur électrique et une boîte de vitesses mécanique automatisée », explique Anders Kroon, directeur des technologies hybrides chez Volvo Powertrain, fabricant de groupes propulseurs intégré au Groupe Volvo.

En 2006, le projet a abouti à la mise au point d’un camion FM9 hybride avec lequel ont été réalisés les premiers essais de véhicule hybride parallèle. Contrairement au système hybride série plus classique, dans lequel un moteur électrique entraîne seul les roues tandis qu’un moteur thermique recharge les batteries, le système hybride parallèle fait intervenir le moteur électrique ou le moteur thermique, ou encore les deux conjointement. Il est doté d’un moteur diesel et d’une transmission traditionnels, ainsi que d’un moteur électrique monté entre l’embrayage et la boîte de vitesses. C’est un système fiable dans lequel les moteurs diesel et électrique peuvent fonctionner de manière indépendante.

« Ces deux sources de puissance interviennent sur le même essieu par le biais de la boîte de vitesses, ce qui permet d’entraîner les roues », explique Henrik Kloo. « Ainsi, au démarrage, c’est le moteur électrique qui est activé car il est alors plus efficace en cas de lourdes charges du fait qu’il développe un couple plus élevé à bas régime. Puis, lorsque le véhicule atteint une vitesse plus élevée, le moteur diesel entre en action et fonctionne de pair avec le moteur électrique ou bien le relaie, si le système de commande évalue que cela est préférable. A vitesse élevée, le camion hybride se comporte comme un camion classique mais, à faible vitesse, son fonctionnement est comparable à celui d’un véhicule électrique. » Au freinage, le moteur électrique sert de frein moteur, réduisant ainsi l’usure des freins tout en récupérant l’énergie du freinage.

Même si Volvo Powertrain a développé des dizaines de moteurs diesel depuis sa création, la mise au point d’une solution hybride destinée à une production en série comporte un certain nombre de difficultés concernant notamment la batterie et son système de commande. La batterie choisie par Volvo pour le Volvo FE hybride est une batterie au lithium-ion de même composition chimique que celles des téléphones et ordinateurs portables, mais aux dimensions plus importantes puisqu’elle pèse 200 kg environ.

« La batterie est le talon d’Achille de tous les systèmes hybrides de l’industrie automobile », affirme Anders Kroon. « Même si des avancées majeures ont été réalisées dans le domaine du stockage de l’énergie avec les batteries au nickel-métal-hydrure ou au lithium-ion, ainsi qu’avec les super condensateurs, il reste encore beaucoup de progrès à faire pour disposer d’un système parfaitement robuste. »

Le système de 600 volts utilisé sur le Volvo FE nécessite des centaines d’éléments de batterie au lithium-ion montés en série. « Toute la difficulté réside dans la gestion de ce système de manière à garantir sa robustesse », explique Anders Kroon. « Afin de permettre l’utilisation d’un tel niveau d’énergie électrique, nous avons intégré au système des dispositifs de protection qui coupent la batterie et l’isolent du reste du véhicule en cas d’accident ou d’une erreur d’opération lors d’une intervention sur le système. »

Il en résulte un système sophistiqué qui analyse tous les événements et prend les mesures qui s’imposent, le cas échéant. « Ce système doit agir extrêmement vite et fonctionner dans toutes les situations », précise Anders Kroon. « La batterie du camion et l’ensemble du système haute tension embarqué sont reliés à un grand nombre de dispositifs de sécurité. »

Comme tout possesseur d’un téléphone ou d’un ordinateur portable âgé d’au moins trois ans vous le dira, les batteries au lithium-ion ont une durée de vie limitée. Mais, pour ses batteries, Volvo table sur une durée de vie pouvant atteindre 8 ans selon le cycle de conduite. « Cela devrait correspondre à peu près à la durée de vie du camion, au cours de laquelle un changement de batterie tout au plus pourra être nécessaire », assure Henrik Kloo. « Il s’agit là d’un compromis nécessaire en quelque sorte, permettant d’accroître les économies de carburant grâce à certaines concessions en termes de durée de vie de la batterie. »

Une fois résolus les problèmes liés à la batterie, l’étape suivante a consisté à trouver des fournisseurs. « La technologie utilisée est nouvelle non seulement pour nous, mais également pour nos fournisseurs », explique Anders Kroon. Les batteries choisies par Volvo n’ayant jamais été produites en série auparavant, de nouvelles usines ont dû être construites. « Le principal défi auquel ont été confrontés les fournisseurs de batteries a consisté à garantir la régularité de la production de ces nouvelles usines de manière à obtenir une fiabilité et une productivité satisfaisantes, égales à celles de l’intégrateur de système qui nous fournit le système de stockage de l’énergie. »

Volvo Trucks teste actuellement ses véhicules d’essai hybrides sur le terrain dans le cadre d’une utilisation commerciale, en collaboration avec certains clients. Malgré les progrès considérables réalisés du point de vue technique, la crise financière mondiale a affecté à la fois le développement des produits et les capacités d’investissement du secteur du transport, si bien que la production du Volvo FE hybride en petite série ne débutera pas avant 2012. Par ailleurs, une solution hybride destinée aux applications longue distance est actuellement à l’étude. Même si leur réduction en termes de pourcentage ne sera pas aussi significative que dans le cas de la conduite en ville avec arrêts et redémarrages fréquents, la consommation de carburant et les rejets polluants devraient également pouvoir être abaissés considérablement sur autoroute, du fait de l’importance des distances parcourues.

Anders Kroon se dit lui-même extrêmement satisfait de l’issue du projet Volvo FE hybride. « Nous sommes parvenus à un résultat remarquable pour le client », affirme-t-il. « Une fois leur fonctionnalité et leur fiabilité éprouvées, nos nouvelles technologies gagneront la confiance de tous. Je pense que le Groupe Volvo a entre les mains un produit d’avenir. »

EN SAVOIR PLUS
Fonctionnement du Volvo FE hybride
La solution mise au point par Volvo fait appel à la technologie d’hybridation parallèle qui permet au moteur diesel et au moteur électrique de fonctionner soit conjointement, soit séparément. Le moteur électrique assure trois fonctions : faire fonctionner le véhicule, servir d’alternateur au freinage et agir comme un démarreur pour lancer le moteur diesel. L’énergie produite au freinage est utilisée pour recharger les batteries. En montée, le moteur électrique peut intervenir pour assister le moteur diesel en développant une puissance supplémentaire. Les composants annexes tels que la servopompe, le compresseur d’air et la prise de force, qui sont entraînés par le moteur thermique à bord d’un camion classique, peuvent faire appel à de petits moteurs électriques sur un véhicule hybride. Ainsi, ils ne consomment de l’énergie que lorsqu’ils fonctionnent réellement et leur position peut être définie plus librement.

Caractéristiques techniques
Moteur diesel : Volvo D7
Puissance : 300–340 ch
Moteur électrique : Synchrone triphasé à aimant permanent de 600 volts
Puissance maxi : 120 kW
Couple maxi : 800 Nm
Transmission : I-Shift
Batteries : Lithium-ion 600 V

Légende schéma :
1. Moteur diesel D7
2. Embrayage
3. Moteur électrique I-SAM (Integrated Starter Alternator Motor, moteur alternateur démarreur intégrés)
4. Transmission I-Shift
5. Module PMU (module de commande du groupe propulseur)
6. Batteries
7. Convertisseur d’énergie