Prolongateur d'autonomie
Un prolongateur d'autonomie (ou range extender en anglais) est un groupe auxiliaire de puissance (GAP ou APU en anglais) fonctionnant à partir de carburant, adossé à un véhicule électrique. Son rôle consiste à entraîner un générateur électrique afin de recharger la batterie lorsque celle-ci est épuisée, prolongeant ainsi l’autonomie du véhicule au-delà de ce que la batterie seule pourrait offrir.
Cette configuration, appelée chaîne cinématique hybride en série, se distingue par le fait que la source de combustion (moteur thermique, pile à combustible, etc.) ne propulse pas directement les roues, mais produit uniquement de l’électricité. Les prolongateurs d’autonomie les plus répandus utilisent des moteurs à combustion interne, mais d’autres technologies ont été développées, telles que les piles à combustible, les microturbines, les moteurs à piston libre ou encore d’autres types de générateurs[1].
Les véhicules équipés d’un prolongateur d’autonomie sont désignés sous le nom de véhicules électriques à autonomie prolongée (ou EREV, pour Extended-Range Electric Vehicles).
Types de prolongateur d'autonomie
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Le développement de la technologie d'extension d'autonomie peut être catégorisé en trois générations selon le type de moteur principal[2] :
Moteur à combustion interne
modifierLa grande majorité des prolongateurs d’autonomie déployés utilisent un moteur à combustion interne à mouvement alternatif (piston) couplé à un générateur. Dans une configuration hybride en série, le moteur n’a pas besoin de varier sa puissance en fonction de la vitesse ou de la charge du véhicule, car cette tâche est gérée par le moteur électrique et la batterie. Ainsi, le moteur peut être dimensionné en fonction de la puissance moyenne requise par le véhicule, plutôt que de sa puissance maximale, et fonctionner à un régime optimal. Cela réduit la consommation de carburant et l’usure mécanique par rapport à un moteur conventionnel soumis à des variation de charge et de régime[3].
Pour les véhicules de tourisme, les cylindrées des prolongateurs d’autonomie se situent généralement entre 0,6 et 1,5 litre. Mazda, par exemple, a utilisé un moteur Wankel de 830 cm³ dans son MX-30 R-EV. Pour des applications plus lourdes, comme les pick-ups, des moteurs plus imposants peuvent être employés : le Dodge Ram 1500 REV utilise ainsi un V6 3,6 litres comme générateur.
Moteurs Wankel et rotatifs
modifierLes moteurs Wankel suscitent un intérêt particulier pour les prolongateurs d’autonomie en raison de leur compacité et de leur rapport poids/puissance. Ils fonctionnent avec une efficacité optimale à régime constant, ce qui les rend particulièrement adaptés à une utilisation en tant que générateur dans un véhicule électrique à autonomie prolongée. Mazda a commercialisé un prolongateur d’autonomie Wankel dans le MX-30 R-EV et mène des recherches sur des versions fonctionnant à l’hydrogène[4].
Générateur à piston libre
modifierUn générateur linéaire à piston libre (FPLG) remplace le mécanisme conventionnel vilebrequin-bielle par un piston qui oscille librement entre les chambres de combustion et de détente, entraînant directement un alternateur linéaire . L'absence de vilebrequin élimine les pertes par frottement liées à la conversion d'un mouvement linéaire en mouvement rotatif. Ce système peut fonctionner avec une large gamme de carburants, y compris l'hydrogène et les biocarburants. En laboratoire, les conceptions à piston libre ont démontré une efficacité supérieure et des niveaux de bruit, vibrations et dureté réduits par rapport aux moteurs à vilebrequin équivalents. Cependant, en 2025, aucun prolongateur d’autonomie à piston libre n’a encore été produit en série[5].
Microturbine
modifierLes microturbines offrent un rapport poids/puissance élevé et la capacité de fonctionner avec plusieurs carburants, notamment le gaz naturel, le biogaz et l'hydrogène, tout en promettant de faibles émissions. Une microturbine de 35 kW utilisée comme prolongateur d’autonomie pourrait être environ 50 % plus légère et 40 % plus compacte qu’un moteur à piston équivalent, avec une efficacité thermique de 30 à 35 %[6]. Les turbines fonctionnent de manière plus efficace à vitesse constante et régulière, une caractéristique parfaitement adaptée au rôle de générateur dans un véhicule à autonomie étendue. Des sociétés d'ingénierie telles que Delta Motorsport (avec Cosworth ) et Wrightspeed ont développé des prolongateurs d'autonomie à microturbine pour l'automobile ; aucun prolongateur d'autonomie à base de microturbine n'était entré dans la production en série de véhicules de tourisme en 2025, bien que la technologie ait été démontrée dans des applications pour poids lourds.
Pile à combustible
modifierUne pile à combustible convertit directement un combustible comme l'hydrogène en électricité par une réaction électrochimique, sans combustion. Les piles à combustible sont plus efficaces que les moteurs à combustion en régime permanent et ne produisent aucune émission locale en ce qui concerne l'hydrogène. Les piles à combustible à hydrogène ont été utilisées comme prolongateurs d'autonomie dans les bus électriques à batterie — par exemple, la variante à pile à combustible du Mercedes-Benz eCitaro atteint une autonomie d'environ 400km 120km de plus quer la version fonctionnant uniquement sur batterie, utilisant une pile à combustible Toyota de 60 kW pour recharger[7].
Cependant, leur adoption dans les véhicules de tourisme se heurte à des obstacles pratiques, tels que :
- Le manque d’infrastructures de ravitaillement en hydrogène,
- Le coût élevé des piles à combustible,
- Les défis liés au stockage de l’hydrogène à bord.
Générations de prolongateurs d’autonomie
modifier- Première génération : moteurs à combustion interne alternatifs standard adaptés à la production d'électricité en tant que générateurs.
- Deuxième génération : moteurs spécialement conçus et optimisés pour le rôle de générateur à charge et vitesse constantes dans les hybrides en série, notamment les moteurs Wankel, les moteurs à combustion rotatifs et les moteurs à piston libre avec production d'électricité intégrée.
- Troisième génération : microturbines et piles à combustible fonctionnant à charge constante, offrant un rendement supérieur et des émissions inférieures aux approches à piston, mais au prix d'une complexité et d'un coût plus élevés.
Réglementations
modifierEurope
modifierDans l'Union européenne, la réglementation concernant les véhicules électriques à autonomie prolongée (EREV, ou Extended-Range Electric Vehicles) s’inscrit dans le cadre plus large des normes applicables aux véhicules à faibles émissions et aux véhicules hybrides rechargeables. Bien qu'il n'y ait pas de législation spécifique aux EREV comparable à la certification BEVx californienne, ces véhicules sont soumis aux règlements européens sur les émissions de CO₂ et aux normes de sécurité et d’homologation en vigueur pour les véhicules hybrides et électriques.
Les EREV doivent notamment respecter le règlement (UE) 2019/631, qui fixe des objectifs stricts de réduction des émissions de CO₂ pour les constructeurs automobiles, ainsi que les normes européennes pour les émissions polluantes des moteurs thermiques utilisés comme prolongateurs d’autonomie. Par ailleurs, la directive 2014/45/UE encadre l’homologation des véhicules, incluant les exigences techniques pour les systèmes hybrides, tandis que la norme ECE R100 s’applique aux véhicules électriques et hybrides en matière de sécurité des batteries et de compatibilité électromagnétique. En 2025, l’Europe renforce également ses exigences en matière d’autonomie électrique minimale et d’efficacité énergétique, poussant les constructeurs à optimiser l’intégration des prolongateurs d’autonomie pour limiter leur impact environnemental. Enfin, les subventions et incitations fiscales pour les véhicules à faibles émissions, comme le bonus écologique en France, peuvent s’appliquer aux EREV sous conditions, notamment si leur autonomie électrique dépasse un seuil minimal (défini à 50 à 80 km en usage réel). Ces mesures visent à encourager l’adoption de technologies plus propres tout en garantissant une transition progressive vers la mobilité zéro émission.
Amérique du Nord
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En Californie, les règlements sur les véhicules à zéro émission (ZEV) adoptés par le California Air Resources Board (CARB) incluent une catégorie spécifique pour les véhicules électriques à autonomie prolongée, désignés sous le nom de BEVx (Battery Electric Vehicle with eXtended range). Pour obtenir cette certification, un véhicule doit répondre aux critères suivants[8] :
- Le véhicule doit avoir une autonomie tout électrique d'au moins 75 milles (120,7008 kilomètres), supérieur aux 50 milles (80 kilomètres) requis d'un véhicule zéro émission ;
- L'APU doit fournir une autonomie supplémentaire inférieure ou égale à l'autonomie de la batterie ;
- Le groupe auxiliaire de puissance (APU) ne doit pas s'enclencher tant que la batterie n'est pas déchargée ;
- Le véhicule doit satisfaire aux exigences relatives aux véhicules à très faibles émissions (SULEV) ;
- Le groupe auxiliaire de puissance (GAP) et tous les systèmes d'alimentation en carburant associés doivent être conformes aux exigences de zéro émission par évaporation.
La BMW i3 de 2014, avec son prolongateur d'autonomie en option, a été le premier véhicule à recevoir la certification BEVx[8].
Chine
modifierLa norme GB 36980.1-2025 s'applique à tous les véhicules entièrement électriques et hybrides en Chine, y compris les modèles à autonomie étendue, et exige une autonomie électrique minimale de 100 kilomètres (62,1371192 mi) et les limites de consommation de carburant en mode de maintien de la batterie sont définies en pourcentage de la limite en vertu de la norme GB 19578-2024 en fonction du poids à vide du véhicule[9].
Applications
modifierAutomobile
modifierL’application principale des prolongateurs d’autonomie dans le domaine automobile concerne les véhicules électriques à autonomie prolongée (EREV), où le groupe auxiliaire recharge une grande batterie qui alimente exclusivement le moteur de traction.
Les prolongateurs d’autonomie ont également été proposés pour des véhicules électriques nécessitant une grande autonomie, difficile à atteindre économiquement avec des batteries seules, comme les pick-ups lourds ou les grands SUV. Ford a notamment breveté un générateur à essence monté dans le lit de chargement pour ses camions électriques.
Transport ferroviaire
modifierLes prolongateurs d’autonomie sont également utilisés dans les trains hybrides, où un moteur diesel entraîne un générateur qui alimente des moteurs électriques, une configuration fonctionnellement identique à celle des véhicules routiers hybrides en série.
Transport maritime
modifierDans le domaine maritime, les groupes électrogènes diesel-électriques sont utilisés depuis longtemps dans les navires diesel-électriques. Un moteur diesel entraîne un générateur, et des moteurs électriques propulsent le navire. Cette configuration permet au moteur diesel de fonctionner à son régime le plus efficace, indépendamment de la demande des hélices.
Les piles à combustible à hydrogène ont été déployées comme prolongateurs d’autonomie pour les bus électriques à batterie, permettant des trajets interurbains plus longs, impossibles à réaliser avec la seule puissance des batteries. Par exemple, la version à pile à combustible du Mercedes-Benz eCitaro utilise une pile à combustible Toyota de 60 kW pour recharger sa batterie, portant son autonomie de 280 km à 400 km.
Des configurations hybrides rechargeables utilisant un prolongateur d’autonomie à moteur à combustion interne ont également été utilisées dans des bus hybrides, comme le Gemini 2 de Wrightbus ou le New Routemaster.
Drones (UAV)
modifierLes prolongateurs d’autonomie ont été évalués pour les drones (UAV), où le poids des batteries limite l’endurance. Le programme Wolverine 3 (2010) a utilisé un prolongateur d’autonomie à moteur à combustion interne pour étendre le temps de vol des drones au-delà de ce que leurs batteries pouvaient offrir seules.
Voir aussi
modifierRéférences
modifier- ↑ « A Review of Range Extenders in Battery Electric Vehicles: Current Progress and Future Perspectives », World Electric Vehicle Journal, vol. 12, no 2, (lire en ligne, consulté le )
- ↑ Range Extenders for Electric Vehicles Land, Water & Air 2013-2023, (lire en ligne)
- ↑ Bradley et Frank, « Design, demonstrations and sustainability impact assessments for plug-in hybrid electric vehicles » (consulté le )
- ↑ « Extended Range Electric Vehicles (EREVs) are picking up in China », EVreporter, (consulté le )
- ↑ « Realization of a Novel Free-Piston Engine Generator for Hybrid-Electric Vehicle Applications », Energy & Fuels, (lire en ligne, consulté le )
- ↑ « Delta MiTRE boxes up micro-turbine power for EV range extending », New Atlas, (consulté le )
- ↑ « Drum roll for Mercedes eCitaro with FC range extender », electrive.com, (consulté le )
- 1 2 John Voelcker, « 2014 BMW i3 Electric Car: Why California Set Range Requirements, Engine Limits », Green Car Reports, (consulté le )
- ↑ « New subsidy regulations are coming, what battery size is the optimal solution? », en.eeworld.com.cn (consulté le )
