Comment fonctionnent les hybrides TFSIe (GTE et E-Tron) ?
Nota bene : en 2019 E-Tron a fait place au nom TFSIe. GTE reste pour le moment la nomenclature pour VW mais cela pourrait changer.
De plus en plus démocratisés, les dispositifs d'hybridations n'ont pas tous la même manière de fonctionner. Voyons dans cet article les systèmes du groupe Volkswagen, à savoir les E-Tron et GTE, des hybrides rechargeables permettant de rouler en tout électrique sur des distances très honorables, de 30 à 50 km.
E-Tron et GTE comment ça marche ?
Avant d'expliquer le fonctionnement de cette technologie, il faut préciser qu'il existe deux types d'architectures d'E-Tron selon la disposition du moteur dans l'auto, et cela modifie aussi quelques paramètres au niveau de l'embrayage et de l'architecture de boîte, sans modifier la logique de l'hybridation cependant.
Il y a donc les versions transversales qu'accueillent par exemple les A3, Golf et autre Passat, ce système utilise donc un moteur électrique qui va animer l'auto via un double embrayage. Concernant le dispositif E-Tron des autos plus prestigieuses, à savoir les Q7 et autres Audi A6, l'architecture est donc longitudinale avec cette fois-ci un convertisseur de couple en lieu et place du double embrayage des versions transversales.
Mais quel que soit le type d'architecture, le principe de cette solution (comme la majorité d'ailleurs) consiste à adapter des mécaniques thermiques déjà existantes en hybrides, en effectuant le moins de modifications possibles pour éviter des années de développement et pour pouvoir sortir dès aujourd'hui des dispositifs sur le marché des particuliers. Les pièces mécaniques qui existent depuis des lustres sont si amorties que le but du jeu est d'en garder le plus possible. Ici, pour faire grossier, on se retrouve à intercaler un moteur électrique entre le moteur et l'embrayage. Mais voyons ça de plus près ...
GTE et E-Tron transversal : fonctionnement
La disposition transversale ne révolutionne rien ici, mais comme cette dernière se distingue de la version longitudinale par un double embrayage, il fallait les mettre à part. Malgré tout le principe reste inchangé, c'est seulement la technologie de la boîte et de l'embrayage qui changent : Trains parallèles et double embrayage pour la transversale et trains épicycloïdaux et convertisseur pour la longitudinale.
Spécificités de l'A3 e-Tron :
- Capacité de la batterie : 8.8 kWh
- Puissance électrique : 102 ch
- Autonomie en électrique : 50 km
Que ce soit dans une A3 e-Tron ou Golf GTE on parle bien de la même chose
Ici on a donc finalement affaire à une simple auto en S-Tronic / DSG dont on a ajouté une béquille électrique. Pour être plus précis, le moteur électrique est placé entre le moteur et les deux embrayages, sachant que ce dernier est toujours connecté à la boîte mais qu'il peut en revanche se désolidariser du moteur.
Le moteur électrique se compose donc d'un rotor et d'un stator, le rotor (centre) est relié au moteur par le biais d'un embrayage multidisque et le stator (autour du rotor) reste immobile. Le moteur électrique est ici ceinturé par du liquide de refroidissement car il a vite tendance à chauffer (si trop alors fonte de la bobine et moteur HS ..). Qui a dit que les moteurs électriques avaient un rendement parfait ? Il y a bel et bien un effet Joule et des pertes par chaleur qui réduit donc le rendement à 80 - 90% (encore moins si on considère les pertes à la recharge et les pertes dans les câbles de l'auto, et n'oublions pas que cela devient vraiment moyen si on prend en compte le rendement de l'énergie électrique produite qu'on va mettre dans le réservoir, donc à partir de la centrale électrique).
Voyons donc maintenant les différents modes de conduite pour y voir un peu plus clair ...
On retrouve par exemple cette hybridation sur les Golf et A3.
Mode recharge
Soit vous roulez et le moteur électrique est switché en générateur (la batterie ne l'alimente plus), soit vous branchez l'auto au secteur.
Dans le premier cas, c'est le mouvement du rotor dans le stator qui va générer un courant dans le stator. Ce dernier est alors envoyé vers la batterie qui va prendre l'énergie qu'elle peut, car elle est limitée au niveau capacités d'absorption. Si il y a un excès d'énergie, cette dernière est envoyée sur des résistances spéciales qui vont chauffer (en gros on se débarrasse du courant en trop comme on peut ...).
Mode 100% électrique
Ici le moteur est éteint et idéalement il ne faut pas qu'il interfère dans la chaîne cinématique de la transmission ... Pour cela on a donc intégré un embrayage (multidisque, mais ça à la limite c'est un détail) piloté par un calculateur qui permet de déconnecter le moteur du reste de la transmission. En effet, il y aurait énormément de pertes à laisser le moteur connecté puisque la compression de ce dernier freinerait largement les ardeurs du moteur électrique, sans oublier l'inertie importante de toutes les pièces mobiles ... Bref ce n'était pas viable et c'est donc mieux qu'un Hybrid Assist côté poulie Damper.
Donc si on résume, la batterie envoie du courant dans le stator qui induit alors un champ électromagnétique autour de cette bobine. Ce champ magnétique va interagir avec le rotor qui est lui aussi doté d'un champs magnétique, ce qui va le faire bouger (même chose que mettre nez à nez deux aimants, ils se repoussent ou s'attirent selon le sens). Le mouvement du rotor est répercuté aux roues par le biais de la boîte.
Le moteur thermique est donc déconnecté et le moteur électrique anime les roues en passant par le double embrayage (le rotor est donc connecté à l'arbre de demi-boîte 1 ou celui de la 2 selon le rapport) et la boîte de vitesses. Bref, ce petit moteur électrique n'animent pas directement les roues avec un simple rapport de réduction, mais il passe bel et bien par la boîte de vitesses. On peut d'ailleurs légèrement entendre les rapports se passer si on a une oreille attentive.
Mode combiné thermique + électrique
Le fonctionnement est le même que cité précédemment sauf que le moteur thermique est lié à l'électrique par l'embrayage multidisque. De ce fait, les deux embrayages reçoivent du couple des deux moteurs en même temps, ce qui permet donc de cumuler la puissance des deux sur un seul et même axe.
La puissance maximale produite n'est pas le cumul des deux puissances moteur car chacun n'atteint pas sa puissance maxi au même régime mais aussi que les moteurs électriques ne peuvent pas être pleinement comblés en raison d'un débit électrique trop faible provenant de la batterie.
Récupération d'énergie
Le moteur électrique étant lié aux roues via les embrayages et la boîte, il va donc pouvoir tourner (le rotor) et générer de l'électricité, cela en raison de la réversibilité naturelle des moteurs électriques. Le mode récupération est activé par l'onduleur qui se met alors à récupérer de l'énergie venant des bobines plutôt que de lui en injecter pour faire tourner le moteur électrique. Attention toutefois, comme dit plus haut la batterie ne peut pas accueillir trop de courant, et il faut donc une sorte de soupape de décharge permettant d'évacuer ce surplus (sur des résistances prévues pour accueillir du jus et le dissiper en chaleur par effet Joule).
E-Tron Longitudinal
Le système et le principe est le même qu'en transversal, sauf qu'ici on travaille avec du matériel différent. La boîte double embrayage à trains parallèles est ici remplacée par une boîte automatique à trains épicycloïdaux. Les embrayages sont eux aussi remplacés par un convertisseur de couple typique des transmissions automatiques à train épicycloïdal.
On prendra ici comme exemple principal le Q7 e-Tron qui se combine avec un 2.0 TSI ou un 3.0 TDI.
Si l'embrayage semble déconnecter le moteur électrique de la boîte, ce n'est en réalité pas le cas (l'ordre est en effet ici trompeur, et il faut voir le mécanisme interne pour mieux comprendre)
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Pour simplifier l'explication j'ai évité d'indiquer le différentiel central qui renvoie une barre vers le différentiel avant, cela aurait encombré le schéma pour ne rien apporter au niveau compréhension
Mode électrique
Ici la batterie envoie du jus au stator qui produit donc le mouvement du rotor en raison des forces électromagnétiques qui interfèrent entre elles : celles de l'aimant permanent du rotor et celle des bobines de cuivres qui en émettent quand elles ont électrifiées. Le convertisseur reçoit la puissance qui se propage jusqu'aux roues via la boîte et les différents convertisseurs (sur du Quattro il y en a donc pas mal ...).
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Mode combiné
Idem que précédemment sauf qu'il le rotor reçoit en plus la puissance du moteur thermique, la puissance est donc décuplée.
Mode récupération d'énergie
Si j'arrête d'alimenter mon moteur électrique il devient alors un générateur si il reçoit un couple mécanique. Et en décélérant ou même en faisant tourner le moteur je fais bouger le rotor qui va alors induire du jus dans le bobinage du stator. Je récupère cette énergie et je l'envoie dans la batterie au lithium.
On retrouve par exemple cette hybridation sur les Q7 et A6, mais n'oublions pas non plus les Cayenne II et III qui fait partie de la famille Audi / VW.
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