Gestion thermique dans les véhicules électriques et hybrides

Le terme « hybride » signifie croisement ou combinaison. Dans la technologie automobile, il signifie que la technique d'entraînement classique d'un moteur thermique a été combinée avec les éléments d'un véhicule électrique.

La technologie hybride devient toujours plus exigeante techniquement en trois étapes : des véhicules à système Micro-hybrid, Mild-hybrid aux véhicules à système Full-hybrid. Malgré des différences techniques, toutes les technologies ont en commun le fait que la batterie utilisée est chargée par récupération de l'énergie de freinage.

Ils s'agit en règle générale de véhicules équipés d'un moteur thermique avec un système Stop&Start ainsi qu'une récupération de l'énergie de freinage.

Ces véhicules sont équipés, en plus, d'un petit moteur électrique et d'une batterie plus puissante. L'entraînement électrique auxiliaire est exclusivement utilisé pour une assistance au démarrage et pour disposer d'une puissance supérieure lors des dépassements, ce qu'on appelle l'effet « boost ».

Ces véhicules peuvent non seulement « booster » mais également rouler en mode tout électrique. Ils sont équipés dans ce but d'une chaîne cinématique complètement électrique. Ceci requiert toutefois une batterie bien plus puissante qu'un système Mild-hybrid.

Cette technologie permet de charger les batteries, par exemple pendant la nuit. L'effet secondaire positif de ce type de véhicule est qu'il peut amener simultanément l'habitacle à la température désirée avant même de prendre la route. Le véhicule est ainsi prêt à être utilisé directement le lendemain matin. L'hybride rechargeable (Plug-in-hybrid) est une variante de Full-hybrid.

La Toyota Prius, la BMW ActiveHybrid X6 (E72) ou le VW Touareg Hybrid sont des représentants actuels typiques des véhicules Full-hybrid. En revanche, la BMW ActiveHybrid 7 et la Mercedes S400 (F04) sont des exemples de la technologie Mild-hybrid.

Comme il ressort de l'aperçu, chacune des technologies dispose de diverses fonctions qui contribuent à économiser le carburant. Ces quatre fonctions sont représentées brièvement dans ce qui suit.

Par définition, un véhicule électrique est un véhicule entraîné par un moteur électrique. L'énergie électrique nécessaire à son déplacement provient d'une batterie de traction (accumulateur), c'est-à-dire pas d'une pile à combustible ou d'un prolongateur d'autonomie (range extender). Étant donné que la voiture électrique elle-même n'émet pas de polluants significatifs pendant son fonctionnement, elle est classée comme véhicule sans émissions.

Sur un véhicule électrique, les roues sont entraînées par des moteurs électriques. L'énergie électrique est stockée dans des accumulateurs se présentant sous la forme d'une ou de plusieurs batteries de traction ou d'alimentation.
Les moteurs électriques à commande électronique peuvent délivrer leur couple maximal même à l'arrêt. Contrairement aux moteurs thermiques, ils ne nécessitent généralement pas de boîte de vitesses manuelle et peuvent accélérer fortement à basse vitesse. Les moteurs électriques sont plus silencieux que les moteurs à essence ou diesel, presque sans vibrations, et n'émettent aucun gaz d'échappement nocif. Leur rendement est très élevé, avec plus de 90 %.

L'économie de poids due à l'élimination des différents composants (moteur, boîte de vitesses, réservoir) du moteur thermique est contrebalancée par le poids relativement élevé des accumulateurs. Les véhicules électriques sont donc généralement plus lourds que les véhicules correspondants équipés d'un moteur thermique. La capacité de la ou des batteries a une grande influence sur le poids du véhicule et le prix.

Dans le passé, les véhicules électriques avaient de faibles autonomies avec une charge de batterie. Depuis peu, cependant, le nombre de voitures électriques capables d'atteindre des distances de plusieurs centaines de kilomètres est en augmentation, par exemple : Tesla Model S, VW e-Golf, Smart electric drive, Nissan Leaf, Renault ZOE, BMW i3.
Afin d'augmenter encore l'autonomie des véhicules électriques, des dispositifs supplémentaires (généralement un moteur thermique) sont parfois utilisés pour produire de l'électricité. C'est ce que l'on appelle le « prolongateur d'autonomie » ou « range extender »

Afin qu'un véhicule électrique puisse fonctionner avec un rendement particulièrement élevé, la température du moteur électrique, de l'électronique de puissance et de la batterie doit être maintenue dans une plage de température favorable à un rendement optimal. À cet effet, un système de gestion thermique sophistiqué est nécessaire :

Grâce à leur rendement élevé, les entraînements électriques émettent peu de chaleur dans l'environnement pendant le fonctionnement et aucune chaleur à l'arrêt. Pour chauffer la voiture par basse température extérieure ou pour dégivrer les vitres, des chauffages supplémentaires sont donc nécessaires. Ceux-ci sont des consommateurs d'énergie supplémentaires qui pèsent très lourd en raison de leur forte consommation d'énergie. Ils consomment une partie de l'énergie stockée dans la batterie, ce qui a un effet considérable sur l'autonomie, surtout en hiver. Les chauffages auxiliaires électriques intégrés dans le système de ventilation en sont une variante simple, efficace, mais aussi très gourmande en énergie. C'est la raison pour laquelle des pompes à chaleur économes en énergie sont désormais également utilisées. En été, elles peuvent également servir de climatisation pour le refroidissement. Les sièges chauffants et les vitres chauffantes amènent la chaleur directement aux zones à chauffer et réduisent également les besoins de chauffage de l'habitacle. Les voitures électriques passent souvent leurs temps d'arrêt aux bornes de charge. Là, le véhicule peut être pré-tempéré avant de prendre la route sans solliciter la batterie. En cours de route, l'énergie nécessaire au chauffage ou au refroidissement est alors considérablement réduite. Désormais, des applications pour smartphones, avec lesquelles le chauffage peut être commandé à distance, sont également proposées.

Des composants haute tension sont nécessairement installés dans les véhicules électriques et hybrides. Ils sont identifiés par des plaques d'avertissement standardisées. Tous les câbles haute tension sont de couleur orange vif, quel que soit le constructeur.

La procédure suivante s'applique lors de travaux sur des véhicules équipés de systèmes haute tension :
1. Mettre hors tension
2. Empêcher la remise sous tension
3. S'assurer de l'absence de tension

Respectez les indications des constructeurs automobiles et nos conseils d'atelier !

Avec les entraînements classiques à moteur thermique, la climatisation de l'habitacle dépend directement du fonctionnement du moteur vu que l'entraînement du compresseur est mécanique. Les véhicules appelés Micro-hybrid par les professionnels et possédant uniquement une fonction Stop&Start, sont également équipés de compresseurs à transmission par courroie. En cas d'arrêt du véhicule et du moteur, un problème se pose, à savoir l'augmentation de la température à la sortie de l'évaporateur de la climatisation après seulement 2 secondes. L'augmentation lente de la température de soufflage de la ventilation ainsi que l'augmentation de l'humidité de l'air sont gênantes pour les passagers.

Pour faire face à ce problème, il est possible d'utiliser des nouveaux accumulateurs de froid, appelés évaporateurs accumulateurs.

Les conducteurs et conductrices de véhicules équipés de systèmes haute tension (HT) ne sont pas exposés à des risques électriques directs, même en cas de panne. Un grand nombre de mesures prises par les constructeurs automobiles sécurisent le système HT.

Le dépannage des véhicules équipés d'un système HT est également inoffensif tant qu'aucune intervention sur l'installation HT n'est nécessaire pour éliminer les pannes.

Cependant, il existe des dangers en cas de dépannage ou de remorquage de véhicules endommagés lors d'un accident ou qui doivent être récupérés dans la neige ou dans l'eau. Bien que la sécurité intrinsèque des véhicules pour se protéger contre les risques de choc électrique ou d'arc électrique soit très élevée, il n'y a pas de sécurité complète ou à 100 % pour chaque cas de dommage. En cas de doute, les informations respectives du constructeur du véhicule doivent être prises en compte ou demandées.

Le dépannage des véhicules électriques et hybrides peut être effectué par toute personne spécialement qualifiée à cet effet. De ce fait, les intervenants en cas de panne reçoivent des instructions sur la conception et le fonctionnement des véhicules équipés de systèmes haute tension. Les exigences et conditions spécifiques à chaque pays pour les travaux non électrotechniques s'appliquent. (Pour l'Allemagne, la DGUV Information 200-005 « Qualification pour les travaux sur les véhicules équipés d'un système haute tension » (anciennement BGI 8686) est applicable. Veuillez tenir compte des particularités de chaque pays.)

Observez impérativement les indications du constructeur. Le démarrage extérieur via le réseau de bord 12/24 V CC n'est possible que pour un nombre restreint de véhicules. Des tensions résiduelles dangereuses qui ne sont pas déchargées par une résistance à décharge continue peuvent être présentes après la mise hors tension. Avant d'ouvrir, respecter les instructions du mode d'emploi et/ou les informations techniques du constructeur du véhicule.

• Les véhicules non endommagés peuvent généralement être chargés sur un véhicule de dépannage (véhicule à plate-forme).
• En cas de remorquage à l'aide d'une barre ou d'un câble, les indications du constructeur doivent être respectées.
• Afin de récupérer les véhicules en toute sécurité, toutes les mesures du chapitre « Assistance sûre avec les voitures électriques » doivent être prises en compte.
• Si le véhicule est remorqué/récupéré à l'aide d'un treuil, aucun composant HT ne doit se trouver au niveau des points d'attache et risquer d'être endommagé. Il en va de même pour le levage à l'aide d'un cric ou d'une grue de chargement.