Véhicules hybrides par F. BADIN, B. JEANNERET, F. HAREL, R
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Véhicules hybrides par F. BADIN, B. JEANNERET, F. HAREL, R
Véhicules Mots-clés hybrides Transports routiers,Pollution atmosphérique, Véhicules hybrides. par F. BADIN, B. JEANNERET,F. HAREL,R. TRIGUI, INRETS LTE Les véhicules une solution simplement véhicules 1. La situation vis-à-vis hybrides d'avenir thermiques-électriques pour limiter une solution d'attente à pile à combustible. des transports des émissions pourraient les émissions avant routiers de polluants atmosphériques 1.1. Nature des émissions Les transports routiers sont responsables d'émissions de polluants que l'on peut en première approximation classer en deux types, soit : - Les émissionslocales ou régionales, dont les effets se font sentir à proximité des véhicules et qui peuvent concerner jusqu'à une agglomération. Les polluants concernés dans notre cas sont principalement le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures imbrûlés (HC) et les oxydes d'azote (NOx). On notera que les effets de ces émissions sont dépendants des conditions géographiques du site (vallée, altitude...) mais également des conditions atmosphériques (ensoleillement, vent...), - Les émissionstransfrontières ou globales, les effets correspondants peuvent couvrir plusieurs pays (pluies acides) ou même concerner toute la planète (effet de serre). Les polluants concernésdans notre cas sont principalement le dioxyde de soufre (SO 2)'lesNOx ainsi que le CO2, Au cours des annéespassées,la préoccupation majeure a porté alternativement sur les émissions locales ou globales, suivant que l'on a pris en considération les effets polluantes, le développement être ou des photochimiques dans les grandes agglomérations (Bassin de Los Angeles dans les années70), la maîtrise de l'énergie, ou les modifications apportéesà l'effet de serre. 1.2 La part des transports routiers Les émissions de polluants atmosphériquesont des origines diverses ; il est intéressant de faire apparaître la part due aux transports routiers, sur laquelle on peut espérer agir par le biais des véhicules. 1.2.1 Evolutions dans letemps Si on se réfère au niveau de la France métropolitaine, on peut constater les faits suivants [1] : - les émissions d'hydrocarbures volatiles non méthaniques (COVNM) et de CO présentent une baisse continue depuis la fin des années 80, les transports routiers représentaient en 1998 de l'ordre de 30% du total émis pour les COVNM et 46% pour le CO, - les émissions de NOx ont cru jusqu'au début des années 90 et diminuent depuis (12% entre 90 et 98), la part des transports a augmenté constamment, jusqu'à représenter près de 50% en 98, - les émissionsde CO, ont fortementdécru de 1973à 1985 et celles-ci sont relativementstablesdepuis,la part des transportsroutiersreprésentantenviron 26% du total émis en 1998. NOPSIS . La motorisationclassiquedes véhicules progressedans le sens d'une limitation de la consommationd'énergie et des émissionspolluantes.Cependant,l'utilisationdesvéhiculesen conditions réelles, en majorité dans des conditions transitoiresthermiques,en limite les effets bénéfiques. . L'augmentation du nombredes fonctionsélectriquesdansles véhiculesajoutéeà uneutilisationde ceux-cien majoritésur des petitstrajetsmilitepouruneintroductionde latractionélectrique. . Les constructeursmettant au point des véhicules hybrides ont en plus fait bénéficier ces véhicules d'un grand nombre d'innovationstechnologiquesqui contribuent à leurs performancesglobales. . The development of traditional power trains for road vehiclesis increasingly concentrating on reducing the energy consumptionand the levels of atmosphericpollutiongenerated. However,with the majorityof journeysbeingtoo short for the engineto reach its optimal temperature, the benefits are limited. . The rise in on-board electrical systems, coupled with short journey times, makesthe use of an electric power train an attractiveproposition. -Those manufacturerswho have developedhybrid vehicles havealso been ableto use manyspin-offtechnologiesacross their entirevehicle range. REE ?3 2001 1 ÉNERGIE, COMMANDE Dossî e ir) 1.2.2 ET COMMUNICATIONS Evolutionsdans l'espace La répartition dans l'espace des polluants considérés n'est pas uniforme, la part due aux transports étant sensiblement plus élevée dans les agglomérations (voir tab. 1). CO HC Milan [2] 99 97 Londres [3] 99 - Los Angeles [41 88 -. 46 NOx 1.3.1 La limitation so2 76 22 60 29 à particules, mise en température, re-circulation de gaz, rapidité de réaction des catalyseurs, adaptation au carburant...), - le véhicule et le circuit carburant pour les évaporations. Les constructeurs présentent à l'heure actuelle des solutions permettant de satisfaire aux nouvelles normes prévues pour les polluants, tout en limitant la consommation afin de satisfaire les réglementations à venir sur le CO 2 » PSA dispose ainsi d'un moteur essence à injection directe en mélange pauvre (HPi) respectant la norme EuroIV (valeurs émises par le moteur en g/km normalisé, mélange 0,5 pour le CO, 0,075 pour les HC et 0,06 pour les NOx). D'autres constructeurs travaillent sur l'optimisation des moteurs, Nissan présentant un moteur essence com- Limitationde la consommation (C°zl patible avec le niveau SULEV Californien [5]. De telles innovations présentent cependant un coût de La prise de conscience de l'effet global dû aux émissions de CO vis-à-vis de l'effet de serre, tel que cela a été mis en évidence lors des réunions de Kyoto, a conduit les constructeurs (ACEA en particulier) Evolutions classiques ment, rampe commune, augmentation de la pression...), - la dépollution (fonctionnement en mélange pauvre, piège On constate depuis le début des années 80 une réglementation européenne de plus en plus sévère concernant les émissions, ceci tant dans les quantités émises que dans les procédures (Figure 1). De tels progrès ont été rendus possibles par un meilleur contrôle de l'injection et par l'utilisation de systèmes dépolluants de plus en 1.3.2 2.1 des motorisations gnétiques, réduction des frottements et des pertes dans les accessoires, turbulences d'admission, diagnostic à bord...), - l'injection (injection directe pilotée électronique- des émissions (temps de mise en action, La situation normes, portent principalement sur : - le moteur (distribution variable, soupapes électroma- 80 - Réglementation des émissions plus performants pauvre...). 2. Les motorisations classiques présentent elles-mêmes un fort potentiel d'évolutions vers des consommations et des émissions plus faibles. Ces innovations rendues nécessaires par la recherche du respect des nouvelles Tab. 1 - Evaluation de la part des transports routiers dans les émissions globalesd'une agglomération. 1.3 DANS LES TRANSPORTS développement et de mise en oeuvre qui influera sur leur succès dans la concurrence avec les solutions hybrides. Par ailleurs, il apparaît que certaines de ces solutions sont mises en oeuvre dans les véhicules hybrides (Honda), ce à étudier les possibilités de limitation des émissions, par réduction de la consommation. Au niveau européen, les accords prévoient que, pour une moyenne de 186 g/km en 1995, les émissions seront ramenées à 140 g en 2008 (moyenne des voitures qui rend les analyses très complexes. 2.2 Problèmes Les problèmes les plus importants pour les véhicules clas- neuves), l'objectif étant une perspective de se rapprocher des 120 g en 2012. siques sont liés aux conditions d'utilisation très variables, ainsi qu'à une tendance lourde vers l'augmentation de la puissance électrique du réseau de bord. 1,2 -7 NOx 0,8 HC A 5 2.2.1 Conditions d'utilisation Euro 1 1992 0,6 1 utilisé à l'arrêt du véhicule alors qu'il ne CO produit pas d'énergie pour la traction (nous verrons que son usage peut cependant être rendu nécessaire pour l'entraînement d'un climatiseur). Les études IM " Mq gepro 3 toi Co Euro4200511 1 11 0 0.5 1 1 1.5 1 111- 2 1. Evolutions des émissions à l'homologation en g/X ; M. 1 Pour un moteur thermique dans une transmission classique on peut mettre en évidence les points suivants : Ralenti : le moteur thermique est 2,5 1 > 3 d'usage réel réalisées à l'INRETS indiquent que les temps de ralenti représentent de 15 à 30% du temps total en conditions urbaines, et de 10 à 20% en conditions routières [6,7]. - Décélération : le moteur thermique est dans ce cas entraîné par la transmission ; par le passé avec les moteurs utilisant des carburateurs, la consommation n'était pas nulle lors de ces phases. L'utilisation d'injection pilotée permet maintenant pratiquement d'éliminer cette consommation. - Transmission : l'utilisation de transmission à rapports discrets induit des variations très fortes de vitesse et de charge, l'utilisation de l'embrayage à faible vitesse conduisant à des pertes additionnelles. - Mise en température : l'incidence du départ en conditions totalement ou partiellement froides des véhicules a été mise en évidence notamment par les études de l'INRETS réalisées au niveau européen. Il apparaît que la moitié des trajets font moins de 3 km, qu'un tiers débute avec une température moteur de moins de 30°C et qu'un tiers est effectué totalement en conditions transitoires thermiques [8]. Ces conditions thermiques particulières ne sont pas sans influence sur les performances en consommation et en émissions. - Dynamique du véhicule : dans les transmissions mécaniques classiques utilisées sur la plupart des véhicules, les évolutions dynamiques rencontrées au niveau du véhicule sont transmises au moteur thermique. De telles évolutions peuvent prendre à défaut le système d'injection et de dépollution du moteur, conduisant à des émissions instantanées importantes. 2.2.2 Evolutionde la puissance électrique Comme on peut le constater sur les figures 2 et 3, le nombre de moteurs et la puissance installée connaissent une augmentation qui s'accélère ces dernières années [9]. Cette tendance actuelle, et prévue dans le futur, s'explique principalement par : - l'augmentation du nombre d'accessoires de confort (lève-vitres, assistance), - l'électrification de certaines fonctions liées au moteur (pompes, distribution...) ou à la dépollution (préchauffage catalyseur), - l'électrification de certaines fonctions liées au confort (climatisation), ou à la communication. à la dynamique (suspension...) 90 m 80 .. m ..rQ eo g e 60 50 e E 40 0.. l2; 30 E 20 o' ! ! 1935 Nt 1975 1995 2012 3. Evolution constatée et prévue de la puissance du réseau électrique à bord des véliicliles. Ces évolutions ont pour conséquence de rendre la puissance du réseau électrique de bord comparable à celle nécessaire à la traction, pour beaucoup d'usages urbains, et d'imposer une augmentation de la tension et/ou un système bi-voltage. Toutes ces conditions sont favorables à une introduction de la traction électrique dans la propulsion 3. des véhicules. Solutions et potentiel transmissions des alternatives Les problèmes posés portent donc sur la nécessité de réduire l'impact des transports routiers en termes de consommation (CO,) et d'émissions et d'accompagner les évolutions futures. On notera que, dans le cas particulier des véhicules de transports collectifs urbains, un point complémentaire s'ajoute concernant l'amélioration de l'accessibilité ainsi que la flexibilité de l'alimentation en énergie. Pour ces deux facteurs, l'utilisation d'une transmission électrique à moteurs roues peut être une solution. Les différentes solutions potentielles étudiées pour les transmissions alternatives thermiques-électriques sont les suivantes : hybridation série avec moteur thermique de forte puissance (diesel ou turbine à gaz). Ces solutions, qui présentaient un grand potentiel vis-à-vis des émissions, n'ont pas été retenues du fait d'une consommation trop élevée (en plus de problèmes de complexité et de coût), - hybridation série avec moteur thermique de faible 100 0, a 1 1 1909 20000 18900 16000 14000 12000 10000 8000 eàoo 60 () 0 <ooo 4000 o 0 _MW 1 1935 1955 1975 1995 2012 2. Evoltitioi coiistatée et prévue du iioinbi-e de inoteurs électriques à bord des véhicules. puissance ou prolongateur d'autonomie (8 à 15 kW). Les développements les plus avancés se situent en France avec Dynavolt de PSA et Kangoo de Renault. Ces véhicules utilisent pour une grande part la technologie des véhicules électriques ; ils peuvent être rechargés depuis le réseau EDF. Leur mise sur le marché pourrait intervenir dès 2001, - hybridation parallèle avec moteur électrique de faible puissance type alterno-démarreur (7 à 15 kW). Ces véhicules sont très proches des véhicules classiques, le cgain en consommation est de l'ordre de 5 à 10% en urbain, REE N. 3 >? ()() 1 1 ÉNERGIE, COMMANDE ET COMMUNICATIONS DANS LES TRANSPORTS sanspossibilité de mode tout électrique. Le premier véhicule a été mis sur le marché par Honda (voir ci-après), d'autres sont étudiés par PSA (Dynalto), Ford (P2000 LSR) et pourraient être mis sur le marché dès 2001. - hybridation parallèle avec moteur électrique de forte puissance (15 à 35 kW), solutions étudiées notamment par Renault (Scénic), PSA (Dynactive) et Audi (Duo). Ces solutions permettent un gain en consommation de l'ordre de 20 à 30%, un mode tout électrique étant possible (20 km pour la Dynactive). La mise sur le marché semble plus lointaine, vers 2003/2004. - hybridation parallèle à dérivation de puissance. Dans ces solutions, une combinaison astucieuse des solutions parallèle et série permet d'obtenir un gain très important dans les conditions de fonctionnement du moteur thermique et dans le rendement global, ceci au prix d'une grande complexité. De telles architectures ont été commercialisées par Toyota (Prius), Nissan (Tino) et sont étudiées par GM (Precept) et Fiat (Multipla). 4. 4.1 Mise en oeuvre Les acteurs présents sur le marché [12] Toyota Prius : paradoxalement, la solution la plus complexe a été la première sur le marché (fin 97, 40 000 vendus depuis). Toyota annonce une consommation réduite de moitié par rapport au véhicule équivalent et des émissions représentant 10% des normes japonaises (3,6 1/100 km sur cycle 10-15 modes). Le véhicule est vendu 140 000 FF (2,15 MY) avec une aide de l'état couvrant 50% du surcoût par rapport à un véhicule équivalent (ce surcoût est estimé à 23% du prix d'une Prius). D'après les essais réalisés à l'INRETS en usage c réel, le gain en consommation serait de l'ordre de 30% en urbain, 15% sur route et négligeable sur autoroute (par rapport à des véhicules du marché équivalents) [101. Les essais réalisés à l'lFP indiquent que le véhicule présente des émissions compatibles avec le niveau Euro IV [111, Toyota a présenté récemment une version destinée à l'Europe et aux Etats-Unis avec une motorisation plus puissante ; le prix est de l'ordre de 160 000 FF. Honda Insight : ce véhicule présente la consommation la plus faible (2,9 1/100 km sur cycle 10- 15modes, selon le constructeur) et est vendu depuis novembre 1999. Selon Honda, le gain énergétique obtenu se répartit en trois parts égales, soit : - unemasse réduite par une utilisation intensive d'aluminium, pour un véhicule deux places de 840 kg, - un moteur thermique optimisé (distribution variable, frottements, dépollution) et fonctionnant en mélange pauvre (catalyseur de réduction des NOx), - une hybridation de type alterno-démarreur avec un moteur électrique de 10 kW. En octobre 2000, le véhicule avait déjà été vendu à 5000 exemplaires, aux Etats-Unis et au Japon (20% du total) à un prix voisin de 150 000 FF. Nissan Tino : ce véhicule n'a été commercialisé qu'à RH 1 100 exemplaires début 2000 du fait de coûts de fabrication élevés ; sa consommation est, semble-t-il, selon le constructeur, de 4,3 1/100 km pour un véhicule de 5 places (sur cycle 10-15 modes). Sa transmission de type parallèle à dérivation de puissance utilise une CVT, un moteur électrique en parallèle ainsi qu'un générateur entraîné par le moteur thermique. Ce véhicule est le premier hybride commercialisé avec une batterie de type Liion, son prix est cependant nettement plus élevé, à 225 000 FF que celui de la Tino classique (voisin de 130 000 FF suivant les versions). 4.2 Recherches et développements Les constructeurs français PSA et Renault disposent tous deux de prototypes de véhicules à transmission hybride de type parallèle de forte puissance disposant d'une autonomie en mode électrique de l'ordre de 20 km (caractéristiques n'existant pas pour les premiers véhicules vendus au Japon). Le programme américain PNGV est très volontariste avec un objectif de consommation de moins de 3 1/100 km (80 mpg), ce qui correspond à un facteur de réduction de l'ordre de trois par rapport aux véhicules classiques équivalents. En conséquence les trois constructeurs ont développé des véhicules très spécifiques présentant les caractéristiques suivantes : - transmission de type parallèle ou parallèle à dérivation de puissance pour GM, - moteur diesel à injection directe avec common rail ; ce type de moteur, très peu utilisé aux Etats-Unis, permet un gain significatif en rendement. Le contrôle des émissions en vue des normes Tier2, applicables entre 2004 et 2007 (0,07 g/m de NOx et 0,01 g/m de PM) impliquera cependant une dépollution des moteurs ainsi que l'utilisation de carburant à très faible teneur en soufre (0 à 30 ppm), - boîte de vitesse mécanique permettant un gain en rendement par rapport aux transmissions automatiques courantes, - allègement des caisses par utilisation de matériaux thermoplastiques (Chrysler) ou d'aluminium (Ford), ce qui conduit à véhicules de 1000 à 1150 kg, - aérodynamique très poussée(coefficient de l'ordre de 0,2) avec suppression des rétroviseurs (utilisation de caméras vidéo) et traitement des entrées d'air. Les caractéristiques principales des véhicules sont indiquées en annexe. 5. Conclusions et perpectives Les véhicules hybrides préfigurent peut-être les véhicules de demain ; ils intègrent des moteurs thermiques extrêmement performants en rendement et bien dépollués, permettant de répondre aux contraintes sur le CO2, l'énergie et les polluants. Ces véhicules prennent de plus en considération - tirent parti - de l'augmentation prévisible de la puissance électrique du réseau de bord. Les performances très spectaculaires obtenues en consommation (2,6 à 3,6 1/100 km) amènent cependant les remarques suivantes : les véhicules cumulent souvent un grand nombre Dans tous les cas, le véhicule hybride pourrait être considéré comme une solution d'attente, permettant notamment de valider les applications de l'électricité dans la traction, en attendant la diffusion de véhicules à d'innovations technologiques, qui contribuent à la performance globale. Honda indique par exemple que pile à combustible vers 2015 ou 2020. Les incertitudes qui subsistent dans ce domaine (technologie, coûts, infrastructures...) ainsi que les nombreuses déclarations contradictoires de la part des différents intervenants incitent cependant à une très grande prudence dans les prédictions du futur. l'hybridation ne représenterait obtenu sur le véhicule, les cycles d'usage utilisés que 30% du gain total peuvent être très favo- rables à l'hybride en privilégiant l'usage de la transmission électrique avec de très faibles appels de puissance (cas du 10-15 modes). Pour les véhicules les plus avancés, les solutions sont le parallèle, éventuellement à dérivation de puissance, avec une batterie de forte puissance contenant très peu d'énergie (0,3 à 2 kWh). Ces véhicules n'autorisent pas de fonctionnement tout électrique et ne prévoient pas de recharge de la batterie par le réseau ; ils sont donc en tout point semblables aux véhicules classiques pour ce qui concerne leur usage et l'infrastructure (avec peut-être quelques précautions à prévoir pour la batterie de puissance et quelques incertitudes sur la longévité des composants). On remarquera que deux projets français (Dynavolt et Kangoo) se distinguent par une grande autonomie en électrique et une recharge par le réseau ; il s'agit en fait davantage de véhicules électriques avec possibilité de prolongation d'autonomie que de véritables véhicules hybrides. Très peu de constructeurs abordent le problème du coût des véhicules, la Prius est vendue avec un surcoût de plus de 20% (le coût pour le constructeur est toutefois difficile à vérifier). Des valeurs de 20% de surcoût acceptable par le client sont indiquées ; seul Chrysler précise une évaluation de surcoût, fixée à 55 000 FF (7500 $) dans le programme PNGV, ce qui paraît encore important pour une large diffusion. On peut penser qu'une vaste diffusion du véhicule hybride pourra être imaginée lorsque les problèmes de coût (industrialisation, composants, maintenance) auront été maîtrisés par les industriels (45 000 Prius et Insight ne représentant pas des volumes importants en automobile). Si l'on considère les concurrents du véhicule hybride, il apparaît que les technologies classiques, utilisant un carburant liquide ou gazeux (GPL, GNC) ont encore un potentiel de progrès important. Les premiers véhicules hybrides sont maintenant sur le marché ; on peut, pour le moyen terme, imaginer deux hypothèses extrêmes, soit : - un développement très favorable pour le véhicule hybride, qui prendra une part significative des ventes. Le souci de limiter les coûts conduira cependant à des solutions très classiques, optimisées pour l'énergie (essentiellement parallèle) et avec une très petite batterie de puissance. Ces véhicules seront alors très difficiles à distinguer des véhicules classiques, un développement limité, le véhicule hybride restant une vitrine technologique destinée à promouvoir des solutions ensuite mises en oeuvre sur les véhicules classiques. Références [1] Emissions dans l'air en France, métropole - Citepa Paris 1999 - www.citepa.org. [21 C. SOULAS - INRETS LTN : Les transports à traction électrique, Revue Transport et Sécurité n'32, Décembre 19991, INRETS Arcueil France. [3] P.L. ADCOCK, N. GRANGE, P.M. CUSTER Loughbourough University, Leics, Electric and Hybrid Vehicle Technology 95, Novembre 1995. [4] Q. WANG, M.A. DELUCCHI, D. SPERLING-ITS, University of California Davis, Vol n'40, n'9, Septembre 1990. [5] K. NISHIZAWA, S. MOMOSHIMA, M. KOGA. 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Fr v ar DANS "* a ESX3 3 Prius Prius Japon CEE/US Insight Tino Xsara Scenic Dynactive VP VP VP VP VP Monospace Break Monospace S/P P P S/P S/P P S/P P P 2000 2000 2000 1997 2000 1999 1999 2000 1998 NA NA 1450 1650 CVT méca, auto méca, auto Nissan PSA Renault places 5 5 5 4/5 4/5 2 5 5 5 Caisse Aluminium Thermo- Aluminium plast. Coût ou surcoût Masse en FF à vide en kg Aérodynamique NA N A +58000 150 000 160 1243 1083 1020 1240 1220 820/850 0,16 0,2 0,22 0,30 0,30 0,25 5, méca, auto 6, méca auto Transmission Cont, Cont, Tr épi. Tr épi. CIDI CIDI CIDI SI 4 cyl SI 4 cyl SI 3 cyl SI 4 cyl SI 4 cyl SI 4 cyl 3 cyl « 4 cyl 3 cyl Marque Isuzu Detroit Diesel Toyota Toyota Honda 1,496 0,995 Cylindrée en 1 1,3 1,2 1,47 1,496 PuissmaxkW@tr/mn 40 55 @ 4500 55 @ 4200 43 @ 4000 514 1514 2 5, méca ou CVT Type de moteur thermique du mot. therm. 0000 000 000 # 150 000 # 220 53 @ 4500 49 @ 5700 1,8 1,36 1,6 73 55 @ 5500 80 SYN PM SYN PM SYN PM 25 30 130 280 Couple max Nm @ tr/mn 153 @ 225C 165 102 @ 4000 115 @ 420C 92 @ 4800 111 @ 340C Type de moteur électrique Brushless SYN PM Marque Panasonic du mot. Elec. Puissance max kW Couple Type ASY max Nm NiMH ou Li-Pol nominale en Ah Energie nominale en kWh Tension nominale en V Puissance de traction 1/1002 Cycle Carburant en s 33 10 280 35 305 350 49 NiMH Li-ion NiMH NiMH NiMH SAFT Am. Panasonic Panasonic Panasonic Shin Kobé 6,5 6,5 6,5 3,6 4 31 1,1 0,34 1,8 1,7 350 288 150 288 274 22 21 34 3,6 3,5 2,6 2,9 2,9 FTP FTP FTP 11,5 1 12 11 144 REE 1 utile 2 : Données constructeur L ! -ion NiMH NiCd Panasonic #1 4,5 3 340 168 172 5,2 5,4 25 2,9 4,3 10- 15 10-15 10- 15 10-15 CEN93116 Essence 14,13 Essence 1 3 : Evaluation Mixte Essence Essence Essence Essence 123 13,2 12,6 12,4 1 Accélération en km/h 0-96 0-96 0-96 0-96 0-96 -0-1 0 0- 0-100 0-100 1 : Energie 177P 17 M 30 Gazole Gazole Gazole <30 ppm S <10 ppm S 0 ppm S Performances SYN PM 15 maxi en kW Consommation SYN PM 35 Marque Capacité SYN PM Delphi 25 de batterie DC PNGV