Volant d’inertie : Volvo invente son hybride « low-cost »

Le système KERS Volvo à volant d'inertie.

Le système KERS Volvo à volant d’inertie.

Avec des normes de CO2 toujours plus sévères, les constructeurs devront tous démocratiser l’hybridation. Une gageure pour des marques grand public qui se doivent de conserver des modèles aux tarifs abordables ! Si Toyota reste fidèle à la solution des batteries, PSA a fait le choix de l’hybride pneumatique. Volvo explore pour sa part une voie encore inédite sur une voiture de série : l’hybridation par volant d’inertie. Un système essentiellement mécanique qui présente l’avantage d’être moins coûteux qu’une hybridation 100% électrique, tout en permettant de baisser émissions et consommation jusqu’à 25 %. Reste à prouver la viabilité de cette technologie…

Foncièrement, l’hybridation revient à récupérer de l’énergie habituellement perdue (sous forme de chaleur lors des freinages ou de frottements lors de l’utilisation du frein moteur) pour la stocker, afin de la réutiliser pour propulser le véhicule. Le principe est immuable, et si les modes opératoires varient – je ne vais pas ici vous refaire la description des différentes architectures (hybrides série, parallèle, série/parallèle…) – jusqu’à présent, la solution de stockage reste la même : une bonne vieille batterie, comme sur la première Toyota Prius de 1997.

La Toyota Prius, une voiture "propre"... du moins à l'usage.

La Toyota Prius.

Néanmoins, les batteries n’ont pas que des avantages, loin s’en faut. D’abord, elles coûtent cher, et leur prix ne devrait pas baisser fondamentalement, ne serait-ce que parce qu’elles exigent des matériaux rares (lithium, nickel). Et puis elles sont lourdes : les voitures hybrides en embarquent couramment une bonne centaine de kilos. Du coup, les constructeurs cherchent des alternatives à la batterie. PSA Peugeot Citroën et Koenigsegg travaillent sur l’air comprimé (avec les technologies Hybrid Air et Airbrid), tandis que Porsche et Volvo planchent sur le volant d’inertie.

La technologie Hybrid Air, c'est pas du vent ! (pardon)

La technologie Hybrid Air de PSA

Porsche a déjà appliqué cette technologie en compétition, avec sa 911 GT3 R Hybrid. Celle-ci embarquait à la place du passager une imposante cloche métallique contenant un volant d’inertie métallique. Lors des freinages, les moteurs électriques de la GT3 R Hybrid se transformaient en générateurs, créant un courant électrique converti en champ magnétique par une bobine, mettant en rotation le volant d’inertie. Et au moment de restituer l’énergie stockée, le dispositif fonctionnait en sens inverse.

La 911 GT3 R Hybrid aux 24 Heures du Nuerburgring en 2011

La 911 GT3 R Hybrid aux 24 Heures du Nuerburgring en 2011

De son côté, Volvo a préféré opter pour une solution essentiellement mécanique. Un volant d’inertie en carbone de 6 kilos est enfermé sous vide dans un cylindre blindé situé au niveau du pont arrière. Capable de tourner à des régimes allant jusqu’à 60 000 tr/min, il est couplé à l’essieu arrière par l’intermédiaire d’une transmission à variation continue.

Le système KERS Volvo à volant d'inertie.

Le système KERS Volvo à volant d’inertie.

Concrètement, ce KERS (kinetic energy recovery system dans la langue de Shakespeare) permet de gagner jusqu’à 25 % en consommations et émissions, tout en optimisant les performances. Car ce système est capable de générer l’équivalent de 80 chevaux et un couple abondant, ce qui se traduit par des accélérations plus véloces. Le véhicule d’essai, une Volvo S60, est ainsi capable de sprinter de 0 à 100 km/h en seulement 5,5 secondes.

Le système KERS Volvo à volant d'inertie.

Le système KERS Volvo à volant d’inertie.

Reste que ce système doit encore prouver sa viabilité en production de série. Car mettre un disque de plusieurs kilos en rotation à 60 000 tr/min suppose une régularité parfaite dudit disque, le plus infime déséquilibre se traduisant par d’insupportables vibrations. Le processus de production devra donc être d’une précision parfaite. En outre, ce système est assez encombrant, difficile à miniaturiser et peu souple en matière d’intégration à bord : on peut déjà pronostiquer qu’il rognera une partie du volume de coffre et entraînera la suppression définitive de la roue de secours.

Le système KERS Volvo à volant d'inertie.

Le système KERS Volvo à volant d’inertie.

Cette solution technique n’en reste pas moins intéressante. Reste à savoir quand elle débarquera en série : cela fait déjà deux ans que les tests dynamiques ont commencé chez Volvo…

16 réflexions au sujet de « Volant d’inertie : Volvo invente son hybride « low-cost » »

  1. Hello Vincent,

    « Foncièrement, l’hybridation revient à récupérer de l’énergie habituellement perdue (sous forme de chaleur lors des freinages ou de frottements lors de l’utilisation du frein moteur) pour la stocker, afin de la réutiliser pour propulser le véhicule. »

    Non, il y a deux choses.
    L’hybridation, qui n’est ni plus ni moins qu’un moyen de propulsion faisant appel à deux systèmes distincts (l’un ou l’autre ou les deux à la fois).
    Ce que tu évoques ici c’est la triple fonction « récupération/stockage/restitution » de l’énergie.
    Effectivement, chacun y va de son petit tour de R&D et de brevets associés. La combinaison coût/fiabilité/masse/encombrement/quantité d’énergie stockée déterminera le gagnant :-)))
    Enfin, ces systèmes à volants d’inertie ont aussi un autre inconvénient : ils génères des forces de précession qui à mon sens peuvent nuire à la stabilité du véhicule (dépend de l’orientation de l’axe principal du volant).

    Patrick

    • L’hybridation récupère l’énergie de freinage et permet de la restituer lors des accélérations.
      Elle permet aussi d’assister le moteur thermique en absorbant les aléas de conduites, en gardant le moteur thermique sur un régime avantageux.
      Elle permet aussi sur de faibles sollicitations de se passer du moteur thermique.

  2. Les batteries ont aussi un impact géopolitique. Il me semble que la Chine possède 98% des ressources de lithium et tout le monde ne veut pas être dépendant d’elle. A ce titre, le METI a lancé avec les constructeurs japonais des programmes de recherche pour remplacer les matières premières rares des batteries comme le lithium par d’autres matériaux. Cela dit, dans le cas de Volvo, c’est un peu moins une nécessité.

  3. Systeme interessant mais qui sera probablement couteux du fait de l’usure inhérente aux système necessitant des rotations rapides. Materiaux de tres haute qualite , lubrification parfaite en permanence (etancheite parfaite en corrollaire).
    Parfait quand on recherche de la performance, pas sur que ca arrive dans la voiture de monsieur tout le monde. Le cout d’entretien risque d’annuler rapidement le gain energetique.

  4. Pourquoi pas. Mais rendons à Williams ce qui leur appartient (pas cités dans l’article dommage). C’est bien eux qui ont les premiers fait les tests de ce système à volant sur leurs F1 puis qui ont fourni et Porsche et Audi pour leurs systèmes en courses.

  5. Pas sûr que l’usure soit un réel problème. Les turbos modernes prennent de vitesses folles et pourtant les roulements tiennent bons. Les poids mis en action ici sont certes plus importants mais les régimes de rotations sont également inférieur (j’admets que la relation doit être (je ne l’ai plus en mémoire) quadratique donc ça ne compense pas complètement).

    Je ne pense pas que ce soit foncièrement insurmontable niveau durée de vie dans le cas d’une masse inférieur à 10 Kg, bien que les traitements de surfaces et contrôles de géométrie resteront couteux.

  6. @ Yoann, à propos des terres rares, c’est effectivement en Chine que l’on trouve des ressources importantes de néodyme (super aimants) par exemple, ce qui lui donne un contrôle quasi total sur la production de composants hi-tech.
    Par contre, il se trouve que l’on peut extraire ces composants des nodules poli-métalliques, qui « trainent dans certaines failles abyssales. Il se trouve que les Dom-Tom Français, Polynésiens, seront des bases d’exploitation relativement pratique (ce qui explique aussi pourquoi certains riverains du Pacifique souhaites « décoloniser » cette zone, l’enjeu stratégique est important.
    Pour le Lithium il faut chercher ne Amérique du Sud et en altitude, en Bolivie, du côté des hauts plateaux, où d’ailleurs une guerre de conquête des terrains fait rage depuis quelques années.
    Bref, c’est la ruée sur la planète pour tout ce qui permettra d’industrialiser les super batteries, ou super condensateurs, ou autres …
    @ Vincent : il y a un précurseur dans le domaine du volant d’inertie : les autobus Belges pendant les années 1950. On peut aussi constater que presque toutes les machines à vapeur en étaient dotées bref, on sait à quoi s’attendre …

  7. Une excellente alternative aux hybrides actuels.
    La solution Porche électrique supprime le CVT le réducteur et différentiel de mauvais rendement. Elle peut en plus se combiner avec une petite batterie.
    Effectivement un gyroscope horizontal a moins de réaction sur la trajectoire, une position basse entre les roues est idéale et un plus grand diamètre réduit la vitesse de rotation ..
    Bref une forme déjà connue en F1 /KERS Sauber s.e.
    Les volants d’inertie en carbone semble avoir un poids très acceptable (6 Kg), et si les 25% d’économie sont confirmés, cette technologie low cost a toutes ses chances.

    • je travaille actuellement sur ce KERS de volvo, et je trouve les 25% quasi-utopiques, je cherche actuellement le protocole que volvo a mis en place pour prouver les réductions à priori désirées à savoir 25%, auriez vous une idée du protocole ?

      • Bonjour,

        Aucune idée du protocole exact. Je suppose qu’ils comparent au modèle équivalent sans ce système sur le cycle NEDC. Mais pour l’instant, il faut se contenter des annonces de Volvo. Ceci dit, si vous avez d’autres infos… 😉

  8. L’avantage de ce système par rapport aux batteries est que son coût d’entretien est quasi-nul.
    Dans le principe, il est facile de restituer une forte puissance (80cv annoncé ici).
    Souvenez-vous des 2cv qu’on emballait avant d’embrayer pour faire crisser les pneus au feu rouge : c’est le même principe (inertie d’un volant).
    En revanche, il est difficile de stocker une grosse quantité d’énergie, et l’article ne dit pas combien de Joules ce dispositif peut stocker et restituer.
    Une autre difficulté est la conservation de l’énergie : avec les frottements proportionnels au carré de la vitesse (même sous vide, on a encore les frottements des paliers), la durée de stockage risque de se limiter à quelques mn (contrairement aux batteries). Ce serait aussi intéressant d’avoir cette performance (taux de perte par mn par exemple).
    Une application en course comme la Porsche est idéale : accélérations/décélérations fréquentes et violentes. Pour un père de famille sur autoroute ou nationale, ce sera beaucoup moins évident de rentabiliser le dispositif.
    Mais ça vaut sans doute la peine d’essayer…

  9. Toutes les initiatives sont bonnes pour économiser l energie.les pays pauvres ont trouve une solution mettre au point mort dans les decentes et les faux plats solution risquee si vous ne metrisez pas la methode obligation de ralentir au bout d une grande decente par exemple (il suffit d’utiliser le frein moteur en engageant une vitesse)les boites modernes le permettent aisement.Mais pourquoi ne pas revenir sur un systeme utilise dans les annees 60 par le Suedois SAAB sur son modele 96 a moteur V4 ford la roue libre.En effet il le trouvait trop gourmand d ou l’ adaptation d un systeme de roue libre manoeuvrable par une 4 ieme pedale a droite de l accelerateur.Ah ces vikings ils rament dur!!!…

  10. En fait il ne s’agit pas de Sauber mais de Williams et c’est eux qui ont fourni Porsche pour sa 911 GT3 R hybrid. La cloche est en aluminium et le volant en carbone. Alors que Porsche utilisera ce volant d’inertie sur ses LMP1 en 2014, les Audi R18 e-tron quattro en sont déjà équipées depuis 2012.
    Williams a créé une filiale « Williams Hybrid Power » pour commercialiser son système. Système développé suite aux recherches effectués pour l’introduction du KERS en F1 en 2009. Contrairement aux autres écuries, Williams a dirigé ses recherches sur un stockage par volant d’inertie plutôt que dans un stockage par batteries, mais ne l’a finalement jamais utilisé en course car il est actuellement peut adapté à la règlementation F1 imposant une puissance très limité du KERS.
    Ils ont reçues plusieurs récompenses pour ce système. Ces réelles améliorations par rapport aux volants d’inertie existants sont, un disque carbone en rotation sous vide d’air et sa précision de fabrication, permettant une rotation à haute vitesses (60 000 tr/min) donc une meilleure efficacité.
    Williams a actuellement signé des contrats pour son introduction dans des bus, tram et métro notamment avec Alstom.
    Je me demande si Volvo ne se fournit pas aussi chez eux pour la partie volant d’inertie, en utilisant un entrainement uniquement mécanique. (le moteur électrique central de Williams étant remplacé par une transmission mécanique)
    En tout cas, le volant Volvo parait plus encombrant (plus large et d’un diamètre moins important : donc à priori moins efficient du point de vue poids de l’ensemble / énergie stockée) Le volant d’inertie Williams a plus une forme de roue et est toujours placé en position couché : donc sans effet gyroscopique néfaste.
    @ Jean François : en fait tous les moteurs à explosion et à vapeur possèdent un volant à inertie pour rendre leur fonctionnement plus régulier.

  11. @ Jeronimo69
    C’est tout à fait exact au sens d’un volant d’équilibrage. Je me contentai d’un simple résumé.
    Ici, on doit lancer le volant et utiliser son énergie potentielle en l’embrayant. Un volant d’équilibrage est par contra asservie en permanence.

    Outre cette nuance, savez vous quelle marque de voiture US avait fait des expériences, dans les années 70, je crois, avec un volant d’inertie placé à l’horizontal, comme mentionné dans votre note ?

    Il y avait des vibrations destructrice et des effets induits (genre moteurs flat twin BMW).

  12. Je l’ignore, mais c’est sûr qu’un volant horizontal est plus exigeant au niveau de son équilibrage (surtout avec des hautes vitesses).
    Il aura par contre tendance à maintenir la voiture dans le même plan que sa rotation, donc à plat, ce qui est bon pour la tenue de route en réduisant le roulis et le tangage.
    Le volant Williams doit être plus facile à équilibrer et souple à l’usage car il ne possède pas de contacts mécaniques (en dehors de ses roulements) Il doit aussi avoir plus tendance à le rester.
    Volvo se fournit en fait chez Flybrid Automotive, c’est drôle de voir comme les constructeurs s’appropries les innovations de leurs sous-traitants en laissant penser qu’elles sont de leur fait.
    Flybrid avait travaillé avec Hope Racing et Dyson Racing pour l’introduction de son système en endurance.
    Ils parlent d’une sortie en série avec Volvo en 2017. Et Audi d’une possible introduction d’un volant Williams dans son A4 en 2014/2015.

  13. @jeronimo69
    Il s’agit finalement de la Chrysler Patriot, un prototype destiné à courir en endurance, au Mans, qui avait déjà tout pour plaire : moteur électrique, turbine à gaz et volant d’inertie pour le stockage intermédiaire.
    Un concentré d’innovations incertaines mise bout à bout, des héros !
    C’était dans les années 90 … et le succès ne fut pas au rendez vous. Autres temps …

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