EP4638161A1 - Système thermique pour véhicule automobile - Google Patents

Système thermique pour véhicule automobile

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EP4638161A1
EP4638161A1 EP23833706.7A EP23833706A EP4638161A1 EP 4638161 A1 EP4638161 A1 EP 4638161A1 EP 23833706 A EP23833706 A EP 23833706A EP 4638161 A1 EP4638161 A1 EP 4638161A1
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EP
European Patent Office
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heat transfer
transfer fluid
point
circulation
conduits
Prior art date
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Pending
Application number
EP23833706.7A
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German (de)
English (en)
Inventor
David Gerard
Cedric Libert
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Ampere SAS
Original Assignee
Ampere SAS
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Publication date
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a thermal system for a motor vehicle.
  • the invention also relates to a thermal management method for a motor vehicle.
  • the invention further relates to a motor vehicle equipped with a thermal system.
  • a first type consists of using hydrogen in a fuel cell powering an electric motor.
  • a second type is to use hydrogen as fuel in an internal combustion engine. Both the first and second type of engine have advantages.
  • the advantages of an engine of the first type include in particular very high efficiency when using the vehicle at low power, and the absence of regulated polluting emissions when using an electric motor.
  • the advantages of a second type engine relate to the possibility of generating high power with high efficiency.
  • the internal combustion engine produces regulated pollutants in small quantities.
  • the invention relates to a thermal system for a motor vehicle, the vehicle being equipped with an electric motor and an internal combustion engine, comprising a fuel cell capable of powering the electric motor, a system of post-treatment of the exhaust gases of the combustion engine and a circuit comprising a first set of conduits, the first set of conduits being arranged to allow a first circulation of a heat transfer fluid from the fuel cell towards the post-treatment system treatment.
  • the thermal system comprises a first heat exchanger comprising a fluid entry point into the first heat exchanger and a fluid exit point out of the first heat exchanger.
  • the circuit also includes:
  • the circuit further comprises:
  • the seventh set of conduits connecting the second point and the first point, the seventh set of conduits being arranged to allow a seventh circulation of heat transfer fluid from the post-treatment system to the stack.
  • the fuel used by the cell is dihydrogen, and/or the cell is of the proton exchange membrane type, and/or the cell is of the high temperature proton exchange membrane type.
  • the heat transfer fluid is a synthetic heat transfer fluid in the liquid phase and/or the heat transfer fluid is effective over a temperature range greater than or equal to 100 degrees, or even greater than or equal to 200 degrees, in particular on a temperature range of -40°C to 200°C, or even over a temperature range of -85°C to 260°C.
  • the post-treatment system comprises a portion of exhaust gas flow conduit containing a catalyst and the circuit comprises a second heat exchanger for implementing a heat transfer between a heat transfer fluid circulating in the second heat exchanger and the conduit portion.
  • the conduit portion and a heat exchange surface of the second heat exchanger are cylindrical in shape, and the heat exchange surface surrounds the conduit portion.
  • the heat transfer fluid circulates in a direction opposite to a direction of flow of the exhaust gases in the conduit portion.
  • the second step includes an implementation of the first circulation of heat transfer fluid and, optionally, an implementation of the fifth circulation of heat transfer fluid.
  • the first stage and the second stage comprise an implementation of the second circulation and the fourth circulation of heat transfer fluid, and/or
  • the third step and the fourth step include an implementation of the third circulation of heat transfer fluid, and/or - the fourth step includes implementation of the sixth circulation and/or the seventh circulation of heat transfer fluid.
  • the invention also relates to a motor vehicle equipped with a thermal thermal management system according to the invention.
  • Figure 1 schematically represents a motor vehicle equipped with a thermal system according to one embodiment of the invention.
  • Figure 3 illustrates a first embodiment of a thermal system according to the invention.
  • Figure 4 is a perspective view of one embodiment of a heat exchanger for a post-treatment system.
  • Figure 6 illustrates a second embodiment of a thermal circuit according to the invention.
  • FIG. 7 illustrates a third embodiment of a thermal circuit according to the invention.
  • An embodiment of a motor vehicle 100 according to the invention is described below with reference to Figures 1 and 2.
  • the motor vehicle 100 is a motor vehicle of any type, in particular a passenger vehicle or a utility vehicle.
  • the motor vehicle 100 is a hydrogen vehicle, that is to say a vehicle using energy resulting from the oxidation of hydrogen to move.
  • the motor vehicle 100 is a hybrid vehicle comprising both a first internal combustion engine 10 operating on hydrogen and a second electric motor 20 powered by electrical energy from a fuel cell 30 supplied with hydrogen.
  • the first engine 10 is called combustion engine 10 or heat engine 10.
  • a thermal system 70 which takes care of the thermal management of the first and second motors of the motor vehicle 100.
  • the thermal system 70 comprises the first and second motors 10, 20 and the battery 30.
  • the fuel cell 30 For its operation, the fuel cell 30 must be associated with a high voltage battery 14, and with two converters 15, 16.
  • the battery 14 supplies energy to the electric motor in specific situations, for example in a phase of start of the electric motor, when the battery has not yet reached its optimal operating temperature.
  • the battery 14 also makes it possible to provide high power very quickly in a transient driving phase.
  • the fuel cell 30 comprises three elements: an oxidizing anode which emits electrons, a reducing cathode which collects electrons and an electrolyte which separates them.
  • a reservoir supplies the two electrodes with fuel, the anode receiving hydrogen and the cathode oxygen.
  • the anode oxidizes the fuel, then releases electrons that the electrolyte will force to pass through an external circuit. This generates a direct electric current. This process is called “oxidation.”
  • the oxygen present in the cathode will react on contact with the electrons released by the reaction described above. This is a “reduction” that produces heat and water.
  • the thermal system 70 further includes:
  • a hydrogen storage system 40 comprising an interface for filling it and making it possible to supply hydrogen to the combustion engine 10 and the fuel cell 30,
  • the role of the post-treatment system 60 is to treat the nitrogen oxides generated by the heat engine 10 during the combustion of hydrogen.
  • the post-treatment system makes it possible to generate dinitrogen molecules from nitrogen oxides.
  • the thermal system 70 comprising a thermal circuit 71 according to the invention, the thermal circuit 71 making it possible to manage
  • the thermal circuit 71 can make it possible to use the heat generated by the heat engine and/or the heat engine. post-combustion system for heating the battery 30 to bring it to a temperature close to its operating temperature, for example a temperature close to 100 degrees.
  • the thermal circuit 71 can make it possible to heat the post-treatment system and/or the thermal engine for the bring it to a temperature close to its operating temperature, for example a temperature close to 100 degrees.
  • the thermal circuit 71 comprises,
  • a first pump 73 placed downstream of the outlet 722, generating a circulation of a cooled heat transfer fluid towards a three-way valve 731, making it possible to direct the heat transfer fluid towards the battery and/or the heat engine and/or the electric motor for their cooling,
  • the thermal circuit 71 of cooling or heating of a given element of the thermal system 40 (the given element being able to be, for example, the fuel cell or the post-processing system treatment 60) requires that a portion of the thermal circuit 71 be arranged at a short distance from said given element. In other words, a portion of the thermal circuit 71 must circulate at a sufficiently short distance from said given element to allow thermal transfer between the portion of the thermal circuit and said given element.
  • a first point A located near the fuel cell must be interpreted as “a first point A located at a sufficiently short distance from the fuel cell to allow heat transfer between a circulating heat transfer fluid at point A and the fuel cell. »
  • the expression “near” can also be used to locate a portion of the thermal circuit 71 at a sufficiently short distance from a given element to allow thermal transfer between said portion of the thermal circuit 71 and the given element.
  • point A designates a portion of circuit 71 located near an element to be cooled or heated.
  • point A designates a portion of circuit 71 located near the battery 30.
  • point A can designate either an area upstream of the battery 30 relatively in the direction of circulation of the heat transfer fluid, i.e. a zone downstream of the battery 30 relative to the direction of circulation of the heat transfer fluid.
  • the circuit 71 comprises a first cut-off valve 732 arranged on a portion of the cold heat transfer fluid inlet circuit near the post-treatment system 60.
  • the first cut-off valve 732 offers the possibility of cooling the heat engine 10 without cool the post-treatment system 60.
  • circuit 71 further comprises a second cut-off valve 733
  • the thermal circuit 71 comprises a first set of conduits 101 arranged to allow a first circulation of a heat transfer fluid between a first point A located near the fuel cell and a second point B located near the post- treatment 60, so as to implement a transfer of heat from the fuel cell 30 to the post-treatment system 60.
  • first set of conduits 101 makes it possible to heat the post-treatment system 60 from the heat generated by the battery 30.
  • the first circulation is particularly advantageous in a time interval preceding a transition between a phase of operation of the electric motor 20, and an operating phase of the thermal engine 10, requiring the start-up of the post-treatment system 60.
  • the post-treatment system 60 will have been preheated by the implementation of the first circulation .
  • the temperature of the heat transfer fluid depends in particular on the operating temperature of the battery 30.
  • a proton exchange membrane type battery can heat the heat transfer fluid to a temperature of approximately 100 degrees, which allows the system to post-treatment 60 to reach this temperature before its start, thanks to the implementation of the first circulation 101.
  • the temperature of 100 degrees thus reached by the post-treatment system 60 is below the minimum temperature from which it can operate, which is generally around 200 degrees. This is particularly the case for post-treatment systems using so-called “selective catalytic reduction” catalysis technology.
  • This technology which is most suitable for neutralizing the nitrogen oxide molecules emitted by the combustion engine 10, is effective as soon as the catalyst reaches a temperature above 200 or 225 degrees.
  • Preheating the post-treatment system makes it possible to reduce the temperature rise time of the post-treatment system 60 to the minimum operating temperature of the catalyst, and therefore to reduce the quantity of nitrogen oxide molecules emitted. between a starting time of the combustion engine 10 and a time when the catalyst reaches an optimal operating temperature.
  • preheating the post-treatment system also makes it possible to reduce the electrical energy necessary to bring the post-treatment system 60 up to its minimum temperature of functioning.
  • a second type of so-called “high temperature” proton exchange membrane cell can heat the heat transfer fluid to a temperature of around 200 degrees.
  • the preheating of the post-treatment system 60 is particularly advantageous, because it allows the catalyst to reach its optimal operating temperature before the instant of starting the combustion engine 10.
  • the choice of the heat transfer fluid must be made according to an operating temperature range of the different components intended to be cooled or heated by the thermal circuit 71. Such a choice influences the efficiency of a temperature transfer between a heat source. heat (the battery 30, in the case of the first circulation) and an element to be heated (the post-treatment system 60, in the case of the first circulation). Some fluids have very wide operating ranges. In particular, certain heat transfer fluids in synthetic liquid phase exhibit excellent heat transfer properties over a wide temperature range. This makes them very advantageous for applications requiring efficient cooling and heating ranges and offer excellent heat transfer rates even at -45°C, with their recommended operating temperature range being between -85°C. and 260°C.
  • Figure 3 represents a first embodiment of a circuit 71, in which the battery 30, the combustion engine 10 and the posttreatment system 60 are connected to the circuit 71, while the electric motor 20 is not connected to the circuit 71.
  • Figure 6 represents a second embodiment of a circuit 71, in which the battery 30, the electric motor 20, the combustion engine 10 and the post-processing system 60 are connected to the circuit 71.
  • Figure 7 represents a third embodiment of a circuit 71, which is a variant of the first embodiment, in which a system purge 734 of the heat transfer fluid and a second cut-off valve 733 have been added, in the part of the cooling circuit relating to the post-treatment system 60.
  • the purge system 734 makes it possible to drain the heat transfer liquid in contact with the post-treatment system -treatment when it is at a very high temperature, for example during phases where it has reached its operating temperature.
  • the circuit 71 further comprises a second heat exchanger 75 intended to promote heat transfer between the heat transfer fluid and a portion of conduit of the post-treatment system containing a catalyst.
  • the second heat exchanger has a heat exchange surface 754 with the first conduit portion.
  • Figures 4 and 5 illustrate an embodiment of a second heat exchanger 75.
  • Figure 5 represents an exhaust system 90 comprising a post-treatment system 60 disposed upstream of an exhaust conduit 80, relative to a direction of circulation 759 of the exhaust gases.
  • the second heat exchanger 75 is placed near the conduit portion of the post-treatment system containing a catalyst.
  • the conduit portion and the heat exchange surface 754 of the second exchanger 75 are of cylindrical shape.
  • the cylindrical conduit portion is arranged inside the cylinder formed by the heat exchange surface 754, so that the heat exchange surface 754 surrounds the conduit portion.
  • the heat transfer fluid from circuit 71 circulates in the second heat exchanger 75, between an entry point 751 of the second heat exchanger 75 and an exit point 752 of the second heat exchanger 75, in a space delimited by an exterior surface 753 and an interior surface 754 of the second heat exchanger 75.
  • the interior surface 754 plays the role of a heat exchange surface with the first conduit portion, in particular it implements a transfer of heat between a heat transfer fluid circulating in the second heat exchanger 75 and the first portion of conduit.
  • the entry point 751 of the second heat exchanger 75 and the exit point 752 of the second heat exchanger 75 are arranged so that the heat transfer fluid flows in a direction opposite to a direction of flow of the heat transfer fluid. exhaust gas.
  • thermal circuit 71 provides means for implementing different circulations of heat transfer fluid intended to cool components, in particular intended to cool the electric motor 20, the combustion engine 10 and the battery 30 during their operation.
  • circuit 71 includes
  • the motor vehicle 100 is further equipped with an electric motor 20, and the thermal circuit 71 comprises a fourth set of conduits 104 connecting the outlet point 722 and a fourth point D, located near the engine at electric 20, the fourth set of conduits 104 being arranged to allow a fourth circulation of heat transfer fluid for cooling the electric motor 20.
  • circuit 71 advantageously comprises other means for preheating one of the motors 10 or 20, or the battery, among which:
  • the thermal system 70 advantageously comprises a means of detecting an upcoming alternation between use of the combustion engine and use of the electric motor.
  • first subsystem 110 comprising the battery 30 and the electric motor 20 is controlled by a first digital controller 111
  • second subsystem 120 comprising the combustion engine 10 and the post-treatment system 60 is controlled by a second digital controller 121.
  • the first and second digital controllers 111, 121 are controlled by a central controller 131 which manages the vehicle's energy management laws.
  • the detection of an upcoming need to start one of the first or second subsystems 110, 120 is carried out at the central controller 131.
  • This information is then transmitted to at least the one of the first and second digital controllers 111, 121.
  • the digital controller 111, 121 of the system starting soon controls the start of preheating of said system.
  • the thermal system 70 can communicate with the digital controllers 111, 121 in order to detect an upcoming alternation between use of the combustion engine and use of the electric motor
  • the thermal system 70 further comprises the means for implementing a thermal management method according to the invention.
  • the thermal system 70 comprises a processing unit 76 comprising a microprocessor 77, a memory 78 and communication interfaces 79.
  • the thermal system 70 and particularly the microprocessor 77, mainly comprises the following modules which cooperate with each other:
  • module 771 for thermal management of an operating phase of the battery and the electric motor, this module being able to cooperate with the pump 73 and the three-way valve 731,
  • module 772 for anticipating an upcoming start of the combustion engine and the post-treatment system, this module being able to cooperate with the second digital controller 121 and the pump 74,
  • module 773 for thermal management of an operating phase of the combustion engine and the post-treatment system, this module being able to cooperate with the pump 73, the three-way valve 731, the first cut-off valve 732, and the second cutting valve 733,
  • module 774 for anticipating an upcoming start of the battery and the electric motor, this module being able to cooperate with the first digital controller 111 and the pump 74.
  • the motor vehicle 100 in particular the thermal system 70, preferably comprises all the hardware and/or software elements configured so as to implement the method defined in the subject of the invention or the method described below.
  • the process includes an iteration on:
  • step E4 for anticipating an upcoming start of the battery and the electric motor, the second step E2 comprising an implementation of the first circulation of heat transfer fluid and, optionally, an implementation of the fifth circulation of coolant.
  • the first subsystem 110 comprising the battery 30 and the electric motor 20 is started and controlled by the first digital controller 111. In one embodiment, we then receive an order to start cooling from the first digital controller 111.
  • the pump 73 is then put into operation if it was not already started, and the three-way valve 731 is configured to implement the second circulation of fluid 102 between the outlet point 722 of the first heat exchanger 72 and the first point A located near the stack 30, for cooling the stack 30.
  • the three-way valve 731 is also configured to implement the fourth circulation of fluid 104 between the outlet point 722 of the first heat exchanger 72 and the fourth point D located near the electric motor 20, for cooling the electric motor 20.
  • step E2 we wait for a notification of an upcoming start of the second subsystem 120 comprising the combustion engine 10 and the post-treatment system 60, the notification being able to come from the second digital controller 121.
  • the first circulation of heat transfer fluid is implemented between the battery 30 and the post-treatment system 60.
  • the second pump 74 is then put into operation if it was not already started.
  • the heating of the posttreatment system 60 is then carried out by the passage of the heat transfer fluid between the point d the inlet 751 of the second heat exchanger 75 and the outlet point 752 of the second heat exchanger 75.
  • step E2 it is also possible to implement the fifth circulation of heat transfer fluid between the battery 30 and the combustion engine 10, for heating the combustion engine 10.
  • step E3 we wait for a notification of a start of the second subsystem 120, the notification possibly coming from the second digital controller 121.
  • the three-way valve 731 is configured to implement the third circulation of heat transfer fluid 103, between the outlet point 722 and the third point C located near the combustion engine 10 for cooling the engine combustion 10.
  • a first cut-off valve 732 is configured so that it prevents the passage of cold cooling fluid near the post-treatment system 60.
  • the first cut-off valve 732 is closed in order to prevent the cooling of the post-treatment system 60.
  • circuit 71 is produced according to the third mode previously described with reference to Figure 6, it is also possible to close the second cut-off valve 733 to prevent the post-treatment system from transmitting too large a quantity of heat to the heat transfer fluid.
  • the purge system 734 is activated in order to store the heat transfer fluid which has been heated by the system post-treatment 60. The fluid thus stored will be reinjected later when the post-treatment system needs to be warmed up again before starting.
  • step E4 we wait for a notification of an upcoming start of the first subsystem 110 comprising the battery and the electric motor, the notification being able to come from the first digital controller 111.
  • the sixth circulation of heat transfer fluid is implemented between the heat engine 10 and the battery 30.
  • the second pump 74 is started if it does not is not yet started.
  • the seventh circulation of heat transfer fluid is implemented between the post-treatment system 60 and the battery 30.
  • the circuit 71 includes a purge system 734 and if the purge system 734 is activated , the purge system 734 is deactivated. Furthermore, if the second cut-off valve 733 is closed, it is opened.
  • Table 1 provides a summary of the different heat transfer fluid circulations capable of being implemented by the thermal circuit according to the invention depending on an alternation between use of a combustion engine 10 and use of an engine electric 20.
  • the first line of table 1 defines different driving phases of the motor vehicle 100:
  • step E1 a first phase of driving with the electric motor, without anticipation of a future use of the combustion engine, corresponding to step E1,
  • step E2 a second phase of driving with the electric motor, with anticipation of the next use of the combustion engine, corresponding to step E2,
  • step E3 a third phase of driving with the combustion engine, without anticipation of the next use of the electric motor, corresponding to step E3,
  • step E4 a fourth phase of driving with the combustion engine, with anticipation of the next use of the electric motor, corresponding to step E4.
  • the second line of Table 1 describes the heat transfer fluid circulations implemented for the thermal management of the cell, according to the four driving phases previously listed.
  • the third line of Table 1 describes the heat transfer fluid circulations implemented for the thermal management of the electric motor, according to the four driving phases previously listed.
  • the fourth line of Table 1 describes the heat transfer fluid circulations implemented for the thermal management of the combustion engine, according to the four driving phases previously listed.
  • the fifth line of Table 1 describes the heat transfer fluid circulations implemented for the thermal management of the post-treatment system, according to the four driving phases previously listed.
  • the sixth line of Table 1 describes the operation of the purge system 734, according to the four driving phases previously listed.
  • combustion engine 10 and the electric motor 20 could be used simultaneously.
  • the thermal system according to the invention makes it possible to integrate all of the thermal needs of the two engines, the battery and the post-treatment system by implementing a single heat transfer fluid circuit.
  • the single circuit makes it possible to cool one and/or the other of the two motors, as well as the battery during operation of the electric motor.
  • the single circuit also allows the posttreatment system, the heat engine and/or the battery to be preheated before they are started, particularly when the engines are used alternately.
  • the preheating implemented thanks to the thermal system makes it possible to reduce a temperature rise phase of the posttreatment system; it therefore makes it possible to effectively reduce nitrogen oxide emissions from the heat engine, from the start of the heat engine.
  • the preheating implemented thanks to the thermal system also makes it possible to reduce the duration of a battery temperature rise phase, a phase during which the high voltage battery must be used.
  • the thermal system when starting the battery and the motor electric, the usage time of the high voltage battery is reduced, which improves the fuel efficiency of the vehicle.

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Abstract

Système thermique (70) pour un véhicule automobile (100), le véhicule étant équipé d'un moteur électrique (20) et d'un moteur à combustion interne (10), caractérisé en ce qu'il comprend une pile à combustible (30) apte à alimenter le moteur électrique (20), un système de post-traitement (60) des gaz d'échappement du moteur à combustion (10) et un circuit (71) comprenant un premier ensemble de conduits (101), le premier ensemble de conduits (101) étant agencé pour permettre une première circulation d'un fluide caloporteur de la pile à combustible (30) vers le système de post- traitement (60).

Description

Système thermique pour véhicule automobile
L’invention concerne un système thermique pour véhicule automobile. L’invention concerne également un procédé de gestion thermique d’un véhicule automobile. L’invention concerne de plus un véhicule automobile équipé d’un système thermique.
Les moteurs utilisant l’hydrogène comme source d’énergie sont principalement de deux types. Un premier type consiste à utiliser l’hydrogène dans une pile à combustible alimentant un moteur électrique. Un deuxième type consiste à utiliser l’hydrogène comme carburant dans un moteur à combustion interne. Le premier et le deuxième type de moteur présentent tous deux des avantages.
Les avantages d’un moteur du premier type comprennent en particulier un rendement très élevé lors d’un usage du véhicule à faible puissance, et l’absence d’émission polluante réglementée lors de l’utilisation d’un moteur électrique.
Les avantages d’un moteur du deuxième type portent sur la possibilité de générer de fortes puissances avec un rendement important. En revanche, le moteur à combustion interne produit des polluants réglementés en faible quantité.
On connait du brevet US6899062B2 un système combinant les deux types de moteurs et mettant en œuvre un circuit de refroidissement partagé entre les premier et deuxième types de moteur. Toutefois cette solution de gestion thermique n’est pas optimale.
Le but de l’invention est de fournir un système thermique remédiant aux inconvénients ci-dessus et améliorant les systèmes connus de l’art antérieur. En particulier, l’invention permet de réaliser un système thermique qui soit fiable et efficace, qui permette de simplifier la gestion thermique des deux types de moteurs tout en optimisant les conditions d’utilisation de chaque type de moteur.
A cet effet, l’invention porte sur un système thermique pour un véhicule automobile, le véhicule étant équipé d’un moteur électrique et d’un moteur à combustion interne, comprenant une pile à combustible apte à alimenter le moteur électrique, un système de post-traitement des gaz d’échappement du moteur à combustion et un circuit comprenant un premier ensemble de conduits, le premier ensemble de conduits étant agencé pour permettre une première circulation d’un fluide caloporteur de la pile à combustible vers le système de post-traitement.
Dans un mode de réalisation, le système thermique comprend un premier échangeur thermique comprenant un point d’entrée du fluide dans le premier échangeur thermique et un point de sortie du fluide hors du premier échangeur thermique.
De plus, le circuit, dont le premier ensemble de conduits relie un premier point situé à proximité de la pile à combustible et un deuxième point situé à proximité du système de post-traitement, comprend également :
- un deuxième ensemble de conduits reliant le point de sortie et le premier point, le deuxième ensemble de conduits étant agencé pour permettre une deuxième circulation de fluide caloporteur pour le refroidissement de la pile et/ou,
- un troisième ensemble de conduits reliant le point de sortie et un troisième point, situé à proximité du moteur à combustion, le troisième ensemble de conduits étant agencé pour permettre une troisième circulation de fluide caloporteur pour le refroidissement du moteur à combustion et/ou,
- un quatrième ensemble de conduits reliant le point de sortie et un quatrième point, situé à proximité du moteur à électrique, le quatrième ensemble de conduits étant agencé pour permettre une quatrième circulation de fluide caloporteur pour le refroidissement du moteur électrique.
Dans un mode de réalisation, le circuit comprend en outre :
- un cinquième ensemble de conduits reliant le premier point et le troisième point, le cinquième ensemble de conduits étant agencé pour permettre une cinquième circulation de fluide caloporteur de la pile vers le moteur à combustion, et/ou
- un sixième ensemble de conduits reliant le troisième point et le premier point, le sixième ensemble de conduits étant agencé pour permettre une sixième circulation de fluide caloporteur du moteur à combustion vers la pile, et/ou
- un septième ensemble de conduits reliant le deuxième point et le premier point, le septième ensemble de conduits étant agencé pour permettre une septième circulation de fluide caloporteur du système de post-traitement vers la pile.
Dans un mode de réalisation, le combustible utilisé par la pile est du dihydrogène, et/ou la pile est de type à membrane échangeuse de protons, et/ou la pile est de type à membrane échangeuse de protons à haute température.
Dans un mode de réalisation, le fluide caloporteur est un fluide caloporteur synthétique en phase liquide et/ou le fluide caloporteur est efficace sur une plage de températures d’étendue supérieure ou égale à 100 degrés, voire supérieure ou égale à 200 degrés, notamment sur une plage de températures de -40°C à 200°C, voire sur une plage de températures de - 85°C à 260°C.
Dans un mode de réalisation, le système de post-traitement comprend une portion de conduit d’écoulement des gaz d’échappement contenant un catalyseur et le circuit comprend un deuxième échangeur thermique pour une mise en œuvre d’un transfert de chaleur entre un fluide caloporteur circulant dans le deuxième échangeur thermique et la portion de conduit. De plus, la portion de conduit et une surface d’échange thermique du deuxième échangeur thermique sont de forme cylindrique, et la surface d’échange thermique entoure la portion de conduit.
En complément ou alternativement, le fluide caloporteur circule dans une direction opposée à une direction d’écoulement des gaz d’échappement dans la portion de conduit.
L’invention porte en outre sur un procédé de gestion thermique d’un véhicule automobile équipé d’une pile à combustible, d’un moteur électrique, d’un moteur à combustion, d’un système de post-traitement des gaz d’échappement du moteur à combustion, et d’un système thermique selon l’invention comprenant une itération des étapes suivantes :
- une première étape de gestion thermique d’une phase de fonctionnement de la pile et du moteur électrique, puis
- une deuxième étape d’anticipation d’un démarrage prochain du moteur à combustion et du système de post-traitement, puis
- une troisième étape de gestion thermique d’une phase de fonctionnement du moteur à combustion et du système de post-traitement, puis
- une quatrième étape d’anticipation d’un démarrage prochain de la pile, et la deuxième étape comprend une mise en œuvre de la première circulation de fluide caloporteur et, optionnellement, une mise en œuvre de la cinquième circulation de fluide caloporteur.
Dans un mode de réalisation du procédé de gestion thermique :
- la première étape et la deuxième étape comprennent une mise en œuvre de la deuxième circulation et de la quatrième circulation de fluide caloporteur, et/ou
- la troisième étape et la quatrième étape comprennent une mise en œuvre de la troisième circulation de fluide caloporteur, et/ou - la quatrième étape comprend une mise en œuvre de la sixième circulation et/ou de la septième circulation de fluide caloporteur.
L’invention porte en outre sur système de gestion thermique selon l’invention, le système comprenant des éléments matériels et/ou logiciels mettant en œuvre le procédé selon l’invention, notamment des éléments matériels et/ou logiciels conçus pour mettre en œuvre un procédé selon l’invention.
L’invention porte également sur un véhicule automobile équipé d’un système thermique de gestion thermique selon l’invention.
Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d’un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
La figure 1 représente schématiquement un véhicule automobile équipé système thermique selon un mode de réalisation de l’invention.
La figure 2 représente un véhicule équipé d’un moteur électrique alimenté par une pile à combustible et d’un moteur thermique à hydrogène.
La figure 3 illustre un premier mode de réalisation d’un système thermique selon l’invention.
La figure 4 est une vue en perspective d’un mode de réalisation d’un échangeur thermique pour un système de post-traitement.
La figure 5 représente un système de post-traitement équipé d’un échangeur thermique pour un système de post-traitement.
La figure 6 illustre un deuxième mode de réalisation d’un circuit thermique selon l’invention.
La figure 7 illustre un troisième mode de réalisation d’un circuit thermique selon l’invention. Un mode de réalisation d’un véhicule automobile 100 selon l’invention est décrit ci-après en référence aux figures 1 et 2. Le véhicule automobile 100 est un véhicule automobile de toute type, notamment un véhicule de tourisme ou un véhicule utilitaire. Le véhicule automobile 100 est un véhicule à hydrogène, c’est à dire un véhicule utilisant pour se déplacer une énergie issue de l’oxydation de l’hydrogène.
Dans un mode de réalisation plus spécifiquement décrit dans ce document, le véhicule automobile 100 est un véhicule hybride comprenant à la fois un premier moteur à combustion interne 10 fonctionnant à l’hydrogène et un deuxième moteur électrique 20 alimenté à partir d’une énergie électrique issue d’une pile à combustible 30 alimentée en hydrogène. Dans la suite du document, le premier moteur 10 est appelé moteur à combustion 10 ou moteur thermique 10.
Dans la suite du document, on définit un système thermique 70 prenant en charge la gestion thermique des premier et deuxième moteurs du véhicule automobile 100. Le système thermique 70 comprend les premier et deuxième moteurs 10, 20 et la pile 30.
Pour son fonctionnement, la pile à combustible 30 doit être associée à une batterie 14 à haute tension, et à deux convertisseurs 15, 16. La batterie 14 fournit de l’énergie au moteur électrique dans des situations spécifiques, par exemple dans une phase de démarrage du moteur électrique, lorsque la pile n’a pas encore atteint sa température de fonctionnement optimale. La batterie 14 permet en outre de fournir très rapidement une forte puissance dans une phase transitoire de conduite.
Selon un mode de réalisation, la pile à combustible 30 comprend trois éléments : une anode oxydante qui émet des électrons, une cathode réductrice qui collecte des électrons et un électrolyte qui les sépare. Un réservoir approvisionne les deux électrodes en combustible, l'anode recevant de l'hydrogène et la cathode de l'oxygène. L'anode oxyde le combustible, puis libère des électrons que l'électrolyte va forcer à passer par un circuit externe. Celui-ci génère un courant électrique continu. Ce processus est appelé "oxydation". De son côté, l'oxygène présent dans la cathode va réagir au contact des électrons libérés par la réaction décrite précédemment. Il s'agit d'une "réduction" qui produit de la chaleur et de l'eau.
Afin de permettre au premier et au deuxième moteurs de fonctionner, le système thermique 70 inclut en outre :
- un système de stockage de l’hydrogène 40 comprenant une interface pour son remplissage et permettant d’alimenter en hydrogène le moteur à combustion 10 et la pile à combustible 30,
- un axe de transmission 50 relié au premier et au deuxième moteur 10, 20 et transmettant un mouvement de rotation aux roues du véhicule automobile 100,
- un système de post-traitement 60 des gaz d’échappement du premier moteur 10.
Le système de post-traitement 60 a pour rôle de traiter les oxydes d’azote générés par le moteur thermique 10 lors de la combustion de l’hydrogène. Le système de post-traitement permet de générer des molécules de diazotes à partir des oxydes d’azote.
Le système thermique 70, comprenant un circuit thermique 71 selon l’invention, le circuit thermique 71 permettant de gérer
- d’une part le refroidissement de la pile à combustible 30 et du premier moteur 10, et
- d’autre part le réchauffement du système de post-traitement 60. En outre, durant une période de temps précédant une transition entre une phase de conduite utilisant le moteur thermique et une phase de conduite utilisant le moteur électrique, le circuit thermique 71 peut permettre d’utiliser la chaleur générée par le moteur thermique et/ou le système de post-combustion pour réchauffer la pile 30 pour l’amener à une température proche de sa température de fonctionnement, par exemple une température proche de 100 degrés.
De plus, durant une période de temps précédant une phase de conduite utilisant le moteur électrique et une phase de conduite utilisant le moteur thermique, le circuit thermique 71 peut permettre de réchauffer le système de post-traitement et/ou le moteur thermique pour l’amener à une température proche de sa température de fonctionnement, par exemple une température proche de 100 degrés.
Dans les différents modes de réalisations représentés par les figures 3 à 5, le circuit thermique 71 comprend,
- un premier ensemble de conduits 101 reliant un premier point A situé à proximité de la pile à combustible et un deuxième point B situé à proximité du système de post-traitement 60,
- un échangeur thermique 72 présentant une entrée 721 et une sortie 722 pour le fluide caloporteur,
- une première pompe 73 placée en aval de la sortie 722, générant une circulation d’un fluide caloporteur refroidi vers une vanne à trois voies 731 , permettant d’orienter le fluide caloporteur vers la pile et/ou le moteur thermique et/ou le moteur électrique pour leur refroidissement,
- une deuxième pompe 74 placée en amont de l’entrée 721 , générant une circulation d’un fluide caloporteur réchauffé par un passage à proximité du moteur thermique et/ou à proximité du système de post-traitement 60 et/ou à proximité de la pile en fonctionnement. La mise en œuvre, par le circuit thermique 71 , d’un refroidissement ou d’un réchauffement d’un élément donné du système thermique 40 (l’élément donné pouvant être, par exemple, la pile à combustible ou le système de post-traitement 60) nécessite qu’une portion du circuit thermique 71 soit disposée à une faible distance dudit élément donné. En d’autres termes, une portion du circuit thermique 71 doit circuler à une distance suffisamment faible dudit élément donné pour permettre un transfert thermique entre la portion de circuit thermique et ledit élément donné.
Dans la suite du document, l’expression « le point X est à proximité de l’élément Y » doit être interprétée comme signifiant « le point X est à une distance suffisamment faible de l’élément Y pour permettre un transfert thermique entre un fluide caloporteur circulant au point X et l’élément Y ».
Par exemple, l’expression « un premier point A situé à proximité de la pile à combustible » doit être interprétée comme « un premier point A situé à une distance suffisamment faible de la pile à combustible pour permettre un transfert thermique entre un fluide caloporteur circulant au point A et la pile à combustible. »
L’expression « à proximité de » peut également être utilisée pour situer une portion du circuit thermique 71 à une distance suffisamment faible d’un élément donné pour permettre un transfert thermique entre ladite portion du circuit thermique 71 et l’élément donné.
Dans la suite du document, les expressions « point A », « point B », « point C », ou « point D » sont utilisées pour désigner une portion du circuit 71 se trouvant à proximité d’un élément à refroidir ou à réchauffer. Par exemple, le terme « point A » désigne une portion de circuit 71 se trouvant à proximité de la pile 30. Selon le contexte dans lequel il est utilisé, le terme « point A » peut désigner soit une zone en amont de la pile 30 relativement au sens de circulation du fluide caloporteur, soit une zone en aval de la pile 30 relativement au sens de circulation du fluide caloporteur.
Le circuit 71 comprend en une première vanne de coupure 732 disposée sur une portion de circuit d’arrivée de fluide caloporteur froid à proximité du système de post-traitement 60. La première vanne de coupure 732 offre la possibilité de refroidir le moteur thermique 10 sans refroidir le système de post-traitement 60.
Dans un mode de réalisation présenté plus loin en référence à la figure 7, le circuit 71 comprend en outre une deuxième vanne de coupure 733
Ainsi, le circuit thermique 71 comprend un premier ensemble de conduits 101 agencé pour permettre une première circulation d’un fluide caloporteur entre un premier point A situé à proximité de la pile à combustible et un deuxième point B situé à proximité du système de post-traitement 60, de sorte à mettre en œuvre un transfert de chaleur de la pile à combustible 30 vers le système de post-traitement 60.
En d’autres termes, premier ensemble de conduits 101 permet de réchauffer le système de post-traitement 60 à partir de la chaleur générée par la pile 30. La première circulation est particulièrement avantageuse dans un intervalle de temps précédent une transition entre une phase de fonctionnement du moteur électrique 20, et une phase de fonctionnement du moteur thermique 10, nécessitant le démarrage du système de posttraitement 60. Ainsi, au moment de son démarrage, le système de posttraitement 60 aura été préchauffé par la mise en œuvre de la première circulation.
La faisabilité et l’efficacité d’un tel préchauffage du système de posttraitement 60 requiert une adéquation entre la température du fluide caloporteur et une température optimale pour le fonctionnement du système post-traitement 60.
Or la température du fluide caloporteur dépend notamment de la température de fonctionnement de la pile 30. En particulier, une pile de type à membrane échangeuse de protons peut réchauffer le fluide caloporteur à une température d’environ 100 degrés, ce qui permet au système de post-traitement 60 d’atteindre cette température avant son démarrage, et ce grâce à la mise en œuvre de la première circulation 101 .
La température de 100 degrés ainsi atteinte par le système de posttraitement 60 se situe en dessous de la température minimale à partir de laquelle il peut fonctionner, qui se situe généralement autour de 200 degrés. C’est le cas notamment pour les systèmes de post-traitement utilisant une technologie de catalyse dite « à réduction catalytique sélective ». Cette technologie, qui est la plus adaptée pour neutraliser les molécules d’oxyde d’azote émises par le moteur à combustion 10, est efficace dès que le catalyseur atteint une température située au-dessus de 200 ou 225 degrés.
Le préchauffage du système de post-traitement permet de réduire le temps de montée en température du système de post-traitement 60 jusqu’à la température minimale de fonctionnement du catalyseur, et donc de réduire la quantité de molécules d’oxyde d’azote émises entre un instant de démarrage du moteur à combustion 10 et un instant où le catalyseur atteint une température optimale de fonctionnement. Dans le cas d’un système de post-traitement assisté électriquement par exemple, le préchauffage du système de post-traitement permet en outre de réduire l’énergie électrique nécessaire pour amener le système de post-traitement 60 jusqu’à sa température minimale de fonctionnement. Alternativement, un deuxième type de pile à membrane échangeuse de protons dite « à haute température » peut réchauffer le fluide caloporteur à une température d’environ 200 degrés. Dans ce cas, le préchauffage du système de post-traitement 60 est particulièrement avantageux, car il permet au catalyseur d’atteindre sa température de fonctionnement optimal avant l’instant de démarrage du moteur à combustion 10.
Le choix du fluide caloporteur doit être fait en fonction d’une plage de température de fonctionnement des différents composants destinés à être refroidis ou réchauffés par le circuit thermique 71. Un tel choix influence l’efficacité d’un transfert de température entre une source de chaleur (la pile 30, dans le cas de la première circulation) et un élément à réchauffer (le système de post-traitement 60, dans le cas de la première circulation). Certains fluides présentent des plages de fonctionnement très larges. Notamment, certains fluides caloporteurs en phase liquide synthétique présentent d'excellentes propriétés de transfert de chaleur sur une large plage de températures. Ils sont ainsi très avantageux pour des applications exigeant des plages de refroidissement et de chauffage efficaces et offrent d'excellents taux de transfert de chaleur, même à -45 ° C, leur plage de température d'utilisation recommandée se situant entre -85°C et 260°C.
La figure 3 représente un premier mode de réalisation d’un circuit 71 , dans lequel la pile 30, le moteur à combustion 10 et le système de posttraitement 60 sont reliés au circuit 71 , alors que le moteur électrique 20 n’est pas relié au circuit 71.
La figure 6 représente un deuxième mode de réalisation d’un circuit 71 , dans lequel la pile 30, le moteur électrique 20, le moteur à combustion 10 et le système de post-traitement 60 sont reliés au circuit 71 .
La figure 7 représente un troisième mode de réalisation d’un circuit 71 , qui est une variante du premier mode de réalisation, dans laquelle un système de purge 734 du fluide caloporteur et une deuxième vanne de coupure 733 ont été ajoutés, dans la partie du circuit de refroidissement relative au système post-traitement 60. Le système de purge 734 permet de vidanger le liquide caloporteur en contact avec le système de post-traitement lorsque celui-ci se situe à une température très élevée, par exemple lors de phases où il a atteint sa température de fonctionnement.
Dans un mode de réalisation avantageux du système thermique 70, le circuit 71 comprend en outre un deuxième échangeur thermique 75 destiné à favoriser un transfert de chaleur entre le fluide caloporteur et une portion de conduit du système de post-traitement contenant un catalyseur. A cet effet, le deuxième échangeur thermique présente une surface d’échange thermique 754 avec la première portion de conduit.
Les figures 4 et 5 illustrent un mode de réalisation d’un deuxième échangeur thermique 75. La figure 5 représente un système d’échappement 90 comprenant un système de post-traitement 60 disposé en amont d’un conduit d’échappement 80, relativement à un sens de circulation 759 des gaz d’échappement. Le deuxième échangeur thermique 75 est disposé à proximité de la portion de conduit du système de post-traitement contenant un catalyseur.
Dans le mode de réalisation présenté, la portion de conduit et la surface d’échange thermique 754 du deuxième échangeur 75 sont de forme cylindrique. Avantageusement, la portion de conduit cylindrique est disposée à l’intérieur du cylindre formé par la surface d’échange thermique 754, de sorte que la surface d’échange thermique 754 entoure la portion de conduit.
Le fluide caloporteur du circuit 71 circule dans le deuxième échangeur thermique 75, entre un point d’entrée 751 du deuxième échangeur thermique 75 et un point de sortie 752 du deuxième échangeur thermique 75, dans un espace délimité par une surface extérieure 753 et une surface intérieure 754 du deuxième échangeur thermique 75. La surface intérieure 754 joue un rôle de surface d’échange thermique avec la première portion de conduit, notamment elle met en œuvre un transfert de chaleur entre un fluide caloporteur circulant dans le deuxième échangeur thermique 75 et la première portion de conduit.
Dans un mode de réalisation, le point d’entrée 751 du deuxième échangeur thermique 75 et le point de sortie 752 du deuxième échangeur thermique 75 sont disposés de sorte que le fluide caloporteur s’écoule dans une direction opposée à une direction d’écoulement des gaz d’échappement.
De plus, le circuit thermique 71 fournit des moyens de mise en œuvre différentes circulations de fluide caloporteur destinées à refroidir des composants, notamment destinées à refroidir le moteur électrique 20, le moteur à combustion 10 et la pile 30 durant leur fonctionnement.
Ainsi, le circuit 71 comprend
- un deuxième ensemble de conduits 102 reliant le point de sortie 722 du premier échangeur 72 et le premier point A, le deuxième ensemble de conduits 102 étant agencé pour permettre une deuxième circulation de fluide caloporteur pour le refroidissement de la pile 30 et/ou,
- un troisième ensemble de conduits 103 reliant le point de sortie 722 du premier échangeur 72 et un troisième point C, situé à proximité du moteur à combustion 10, le troisième ensemble de conduits 103 étant agencé pour permettre une troisième circulation de fluide caloporteur pour le refroidissement du moteur à combustion 10.
De plus, dans un mode de réalisation représenté par la figure 6, le véhicule automobile 100 est en outre équipé d’un moteur électrique 20, et le circuit thermique 71 comprend un quatrième ensemble de conduits 104 reliant le point de sortie 722 et un quatrième point D, situé à proximité du moteur à électrique 20, le quatrième ensemble de conduits 104 étant agencé pour permettre une quatrième circulation de fluide caloporteur pour le refroidissement du moteur électrique 20.
En outre, d’autres circulations de fluide sont envisageables, notamment durant un intervalle de temps précédant un démarrage de l’un des deux moteurs.
Ainsi, outre le premier ensemble de conduits 101 précédemment décrit, le circuit 71 comprend avantageusement d’autres moyens de préchauffage d’un des moteurs 10 ou 20, ou de la pile, parmi lesquels :
- un cinquième ensemble de conduits 105 reliant le premier point A et le troisième point C, le cinquième ensemble de conduits 105 étant agencé pour permettre une cinquième circulation de fluide caloporteur de la pile 30 vers le moteur à combustion 10, et/ou
- un sixième ensemble de conduits 106 reliant le troisième point C et le premier point A, le sixième ensemble de conduits 106 étant agencé pour permettre une sixième circulation de fluide caloporteur du moteur à combustion 10 vers la pile 30, et/ou
- un septième ensemble de conduits 107 reliant le deuxième point B et le premier point A, le septième ensemble de conduits 107 étant agencé pour permettre une septième circulation de fluide caloporteur du système de post-traitement 60 vers la pile 30.
Pour mettre en œuvre un préchauffage d’un des moteurs 10 ou 20, ou de la pile, le système thermique 70 comprend avantageusement un moyen de détection d’une prochaine alternance entre un usage du moteur à combustion et un usage du moteur électrique.
Dans un mode de réalisation,
- un premier sous-système 110 comprenant la pile 30 et le moteur électrique 20 est piloté par un premier contrôleur numérique 111 , et - un deuxième sous-système 120 comprenant le moteur à combustion 10 et le système post-traitement 60 est piloté par un deuxième contrôleur numérique 121.
Les premier et deuxième contrôleurs numériques 111 , 121 sont pilotés par un contrôleur central 131 qui gère les lois de gestion d’énergie du véhicule. La détection d’un besoin prochain de démarrer l’un des premier ou deuxième sous-systèmes 110, 120 (par exemple pour optimiser la consommation) s’effectue au niveau du contrôleur central 131. Cette information est ensuite transmise à au moins l’un des premier et deuxième contrôleurs numériques 111 , 121. Le contrôleur numérique 111 , 121 du système démarrant prochainement commande le démarrage du préchauffage dudit système.
Dans ce mode de réalisation, le système thermique 70 peut communiquer avec les contrôleurs numériques 111 , 121 afin de détecter une prochaine alternance entre un usage du moteur à combustion et un usage du moteur électrique
Dans un mode de réalisation avantageux, le système thermique 70 comprend en outre les moyens de mise en œuvre d’un procédé de gestion thermique selon l’invention. Notamment, le système thermique 70 comprend une unité de traitement 76 comprenant un microprocesseur 77, une mémoire 78 et des interfaces de communication 79.
Le système thermique 70, et particulièrement le microprocesseur 77, comprend principalement les modules suivants qui coopèrent entre eux :
- un module 771 de gestion thermique d’une phase de fonctionnement de la pile et du moteur électrique, ce module pouvant coopérer avec la pompe 73 et la vanne à trois voies 731 ,
- un module 772 d’anticipation d’un démarrage prochain du moteur à combustion et du système de post-traitement, ce module pouvant coopérer avec le deuxième contrôleur numérique 121 et la pompe 74,
- un module 773 de gestion thermique d’une phase de fonctionnement du moteur à combustion et du système de post-traitement, ce module pouvant coopérer avec la pompe 73, la vanne à trois voies 731 , la première vanne de coupure 732, et la deuxième vanne de coupe 733,
- un module 774 d’anticipation d’un démarrage prochain de la pile et du moteur électrique, ce module pouvant coopérer avec le premier contrôleur numérique 111 et la pompe 74.
Le véhicule automobile 100, en particulier le système thermique 70, comprend de préférence tous les éléments matériels et/ou logiciels configurés de sorte à mettre en œuvre le procédé défini dans l’objet de l’invention ou le procédé décrit plus bas.
Le procédé comprend une itération sur :
- une première étape E1 de gestion thermique d’une phase de fonctionnement de la pile et du moteur électrique, puis
- une deuxième étape E2 d’anticipation d’un démarrage prochain du moteur à combustion et du système de post-traitement, puis
- une troisième étape E3 de gestion thermique d’une phase de fonctionnement du moteur à combustion et du système de post-traitement, puis
- une quatrième étape E4 d’anticipation d’un démarrage prochain de la pile et du moteur électrique, la deuxième étape E2 comprenant une mise en œuvre de la première circulation de fluide caloporteur et, optionnellement, une mise en œuvre de la cinquième circulation de fluide caloporteur.
Dans la première étape E1 , le premier sous-système 110 comprenant la pile 30 et le moteur électrique 20 est démarré et piloté par le premier contrôleur numérique 111. Dans un mode de réalisation, on reçoit alors un ordre de démarrage du refroidissement issu du premier contrôleur numérique 111.
La pompe 73 est alors mise en fonctionnement si elle n’était pas déjà démarrée, et la vanne à trois voies 731 est configurée pour mettre en œuvre la deuxième circulation de fluide 102 entre le point de sortie 722 du premier échangeur thermique 72 et le premier point A situé à proximité de la pile 30, pour le refroidissement de la pile 30. De plus, la vanne à trois voies 731 est également configurée pour mettre en œuvre la quatrième circulation de fluide 104 entre le point de sortie 722 du premier échangeur thermique 72 et le quatrième point D situé à proximité du moteur électrique 20, pour le refroidissement du moteur électrique 20.
On enchaine ensuite sur l’étape E2 d’anticipation d’un démarrage prochain du moteur à combustion et du système de post-traitement 60. Dans l’étape E2 on se place en attente d’une notification d’un prochain démarrage du deuxième sous-système 120 comprenant le moteur à combustion 10 et le système de post-traitement 60, la notification pouvant être issue du deuxième contrôleur numérique 121 .
Sur réception d’une notification d’un prochain démarrage du deuxième sous-système 120, on met en œuvre la première circulation de fluide caloporteur entre la pile 30 et le système de post-traitement 60. Pour cela, la deuxième pompe 74 est alors mise en fonctionnement si elle n’était pas déjà démarrée.
Dans un mode de réalisation où le circuit 71 comprend un deuxième échangeur thermique 75 selon le mode de réalisation précédemment décrit en référence à la figure 6, le réchauffement du système de posttraitement 60 s’effectue alors par le passage du fluide caloporteur entre le point d’entrée 751 du deuxième échangeur thermique 75 et le point de sortie 752 du deuxième échangeur thermique 75. En complément, dans l’étape E2 on peut également mettre en œuvre la cinquième circulation de fluide caloporteur entre la pile 30 et le moteur à combustion 10, pour le réchauffement du moteur à combustion 10.
Puis, on se place en attente d’une notification d’un démarrage du deuxième sous-système 120, la notification pouvant être issue du deuxième contrôleur numérique 121 . Lorsqu’on reçoit une telle notification, on enchaine sur l’étape E3.
Dans l’étape E3, on configure la vanne à trois voies 731 pour mettre en œuvre la troisième circulation de fluide caloporteur 103, entre le point de sortie 722 et le troisième point C situé à proximité du moteur à combustion 10 pour le refroidissement du moteur à combustion 10. Avantageusement, on configure une première vanne de coupure 732 de sorte qu’elle empêche le passage de fluide de refroidissement froid à proximité du système de post-traitement 60. On interrompt par ailleurs la mise en œuvre de la cinquième circulation de fluide caloporteur, pour interrompre le réchauffement du moteur à combustion 10 par la pile 30.
Avantageusement, la première vanne de coupure 732 est fermée afin d’empêcher le refroidissement du système de post-traitement 60.
Si le circuit 71 est réalisé selon le troisième mode précédemment décrit en référence à la figure 6, on peut en outre fermer la deuxième vanne de coupure 733 pour éviter que le système de post-traitement transmette une quantité trop importante de chaleur au fluide caloporteur. Dans les cas où la température atteinte par le système de post-traitement 60 est très nettement supérieure à une température de fonctionnement de la pile 30, alors on active le système de purge 734 afin de stocker le fluide caloporteur qui a été réchauffé par le système de post-traitement 60. Le fluide ainsi stocké sera réinjecté ultérieurement lorsque le système de post-traitement aura à nouveau besoin d’être réchauffé avant son démarrage.
On enchaine ensuite sur l’étape E4 d’anticipation d’un démarrage prochain de la pile. Dans l’étape E4 on se place en attente d’une notification d’un prochain démarrage du premier sous-système 110 comprenant la pile et le moteur électrique, la notification pouvant être issue du premier contrôleur numérique 111.
Sur réception d’une notification d’un prochain démarrage du premier sous- système 110, on met en œuvre la sixième circulation de fluide caloporteur entre le moteur thermique 10 et la pile 30. Pour cela, on démarre la deuxième pompe 74 si elle n’est pas encore démarrée.
En complément ou alternativement, on met en œuvre la septième circulation de fluide caloporteur entre le système de post-traitement 60 et la pile 30. Pour cela, si le circuit 71 comprend un système de purge 734 et si le système de purge 734 est activé, on désactive le système de purge 734. Par ailleurs, si la deuxième vanne de coupure 733 est fermée, on l’ouvre.
Puis on reboucle sur l’étape E1 .
Le tableau 1 fournit une synthèse des différentes circulations de fluide caloporteur susceptibles d’être mises en œuvre par le circuit thermique selon l’invention en fonction d’une alternance entre un usage d’un moteur à combustion 10 et un usage d’un moteur électrique 20.
[Table 1 ]
La première ligne du tableau 1 définit différentes phases de conduite du véhicule automobile 100 :
- une première phase de roulage au moteur électrique, sans anticipation d’une prochaine utilisation du moteur à combustion, correspondant à l’étape E1 ,
- une deuxième phase de roulage au moteur électrique, avec anticipation d’une prochaine utilisation du moteur à combustion, correspondant à l’étape E2,
- une troisième phase de roulage au moteur à combustion, sans anticipation d’une prochaine utilisation du moteur électrique, correspondant à l’étape E3,
- une quatrième phase de roulage au moteur à combustion, avec anticipation d’une prochaine utilisation du moteur électrique, correspondant à l’étape E4.
La deuxième ligne du tableau 1 décrit les circulations de fluide caloporteur mises en œuvre pour la gestion thermique de la pile, selon les quatre phases de conduite précédemment listées.
La troisième ligne du tableau 1 décrit les circulations de fluide caloporteur mises en œuvre pour la gestion thermique du moteur électrique, selon les quatre phases de conduite précédemment listées.
La quatrième ligne du tableau 1 décrit les circulations de fluide caloporteur mises en œuvre pour la gestion thermique du moteur à combustion, selon les quatre phases de conduite précédemment listées. La cinquième ligne du tableau 1 décrit les circulations de fluide caloporteur mises en œuvre pour la gestion thermique du système de post-traitement, selon les quatre phases de conduite précédemment listées.
La sixième ligne du tableau 1 décrit le fonctionnement du système de purge 734, selon les quatre phases de conduite précédemment listées.
Dans un mode de réalisation non détaillé dans ce document, le moteur à combustion 10 et le moteur électrique 20 pourraient être utilisés simultanément.
Finalement, le système thermique selon l’invention permet d’intégrer l’ensemble des besoins thermique des deux moteurs, de la pile et du système de post-traitement en mettant en œuvre un seul circuit de fluide caloporteur. L’unique circuit permet de refroidir l’un et/ou l’autre des deux moteurs, ainsi que la pile lors du fonctionnement du moteur électrique. L’unique circuit permet en outre de préchauffer le système de posttraitement, le moteur thermique et/ou la pile avant leur démarrage, notamment lorsque les moteurs sont utilisés en alternance.
Le préchauffage mis en œuvre grâce au système thermique permet de réduire une phase de montée en température du système de posttraitement ; il permet donc de réduire efficacement les émissions d’oxyde d’azote issues du moteur thermique, et ce dès le démarrage du moteur thermique.
Le préchauffage mis en œuvre grâce au système thermique permet en outre de réduire la durée d’une phase de montée en température de la pile, phase durant laquelle la batterie à haute tension doit être utilisée. Ainsi, grâce au système thermique, lors du démarrage de la pile et du moteur électrique, la durée d’utilisation de la batterie à haute tension est réduite, ce qui améliore le rendement énergétique du véhicule.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système thermique (70) pour un véhicule automobile (100), le véhicule étant équipé d’un moteur électrique (20) et d’un moteur à combustion interne (10), caractérisé en ce qu’il comprend une pile à combustible (30) apte à alimenter le moteur électrique (20), un système de posttraitement (60) des gaz d’échappement du moteur à combustion (10) et un circuit (71 ) comprenant un premier ensemble de conduits (101 ), le premier ensemble de conduits (101 ) étant agencé pour permettre une première circulation d’un fluide caloporteur de la pile à combustible (30) vers le système de post-traitement (60).
2. Système thermique (70) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend un premier échangeur thermique (72) comprenant un point d’entrée (721 ) du fluide dans le premier échangeur thermique (72) et un point de sortie (722) du fluide hors du premier échangeur thermique (72), et en ce que le circuit (71 ), dont le premier ensemble de conduits (101 ) relie un premier point (A) situé à proximité de la pile à combustible et un deuxième point (B) situé à proximité du système de post-traitement (60), comprend également :
- un deuxième ensemble de conduits (102) reliant le point de sortie (722) et le premier point (A), le deuxième ensemble de conduits (102) étant agencé pour permettre une deuxième circulation de fluide caloporteur pour le refroidissement de la pile (30) et/ou,
- un troisième ensemble de conduits (103) reliant le point de sortie (722) et un troisième point (C), situé à proximité du moteur à combustion (10), le troisième ensemble de conduits (103) étant agencé pour permettre une troisième circulation de fluide caloporteur pour le refroidissement du moteur à combustion (10) et/ou,
- un quatrième ensemble de conduits (104) reliant le point de sortie (722) et un quatrième point (D), situé à proximité du moteur à électrique (20), le quatrième ensemble de conduits (104) étant agencé pour permettre une quatrième circulation de fluide caloporteur pour le refroidissement du moteur électrique (20).
3. Système thermique (70) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit (71 ) comprend en outre :
- un cinquième ensemble de conduits (105) reliant le premier point (A) et le troisième point (C), le cinquième ensemble de conduits (105) étant agencé pour permettre une cinquième circulation de fluide caloporteur de la pile (30) vers le moteur à combustion (10), et/ou
- un sixième ensemble de conduits (106) reliant le troisième point (C) et le premier point (A), le sixième ensemble de conduits (106) étant agencé pour permettre une sixième circulation de fluide caloporteur du moteur à combustion (10) vers la pile (30), et/ou
- un septième ensemble de conduits (107) reliant le deuxième point (B) et le premier point (A), le septième ensemble de conduits (107) étant agencé pour permettre une septième circulation de fluide caloporteur du système de post-traitement (60) vers la pile (30).
4. Système thermique (70) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le combustible utilisé par la pile (30) est du dihydrogène, et/ou en ce que la pile (30) est de type à membrane échangeuse de protons, et/ou en ce que la pile est de type à membrane échangeuse de protons à haute température.
5. Système thermique (70) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est un fluide caloporteur synthétique en phase liquide et/ou en ce que le fluide caloporteur est efficace sur une plage de températures d’étendue supérieure ou égale à 100 degrés, voire supérieure ou égale à 200 degrés, notamment sur une plage de températures de -40°C à 200°C, voire sur une plage de températures de -85°C à 260°C.
6. Système thermique (70) selon l’une des revendications précédentes, le système de post-traitement (60) comprenant une portion de conduit
(61 ) d’écoulement des gaz d’échappement contenant un catalyseur
(62) caractérisé en ce que le circuit (71 ) comprend un deuxième échangeur thermique (75) pour une mise en œuvre d’un transfert de chaleur entre un fluide caloporteur circulant dans le deuxième échangeur thermique (75) et la portion de conduit (61 ), en ce que la portion de conduit (61 ) et une surface d’échange thermique (754) du deuxième échangeur thermique (75) sont de forme cylindrique, et la surface d’échange thermique (754) entoure la portion de conduit (61 ), et/ou en ce que le fluide caloporteur circule dans une direction opposée à une direction d’écoulement (759) des gaz d’échappement dans la portion de conduit.
7. Procédé de gestion thermique d’un véhicule automobile (100) équipé d’une pile à combustible (30), d’un moteur électrique (20), d’un moteur à combustion (10), d’un système de post-traitement (60) des gaz d’échappement du moteur à combustion (10), et d’un système thermique (70) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une itération des étapes suivantes :
- une première étape (E1 ) de gestion thermique d’une phase de fonctionnement de la pile et du moteur électrique, puis
- une deuxième étape (E2) d’anticipation d’un démarrage prochain du moteur à combustion et du système de post-traitement, puis
- une troisième étape (E3) de gestion thermique d’une phase de fonctionnement du moteur à combustion et du système de posttraitement, puis
- une quatrième étape (E4) d’anticipation d’un démarrage prochain de la pile, et en ce que la deuxième étape (E2) comprend une mise en œuvre de la première circulation de fluide caloporteur et, optionnellement, une mise en œuvre de la cinquième circulation de fluide caloporteur.
8. Procédé de gestion thermique selon la revendication précédente, caractérisé en ce que
- la première étape (E1 ) et la deuxième étape (E2) comprennent une mise en œuvre de la deuxième circulation et de la quatrième circulation de fluide caloporteur, et/ou
- la troisième étape (E3) et la quatrième étape (E4) comprennent une mise en œuvre de la troisième circulation de fluide caloporteur, et/ou
- la quatrième étape (E4) comprend une mise en œuvre de la sixième circulation et/ou de la septième circulation de fluide caloporteur.
9. Système (70) de gestion thermique selon l’une des revendications 1 à 6, le système comprenant des éléments (10, 20, 30, 40, 50, 60, 71 , 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 721 , 722, 731 , 732, 733, 734, 771 , 772, 773, 774) matériels et/ou logiciels mettant en œuvre le procédé selon l’une des revendications 7 ou 8, notamment des éléments matériels (10, 20, 30, 40, 50, 60, 71 , 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 721 , 722, 731 , 732, 733, 734) et/ou logiciels conçus pour mettre en œuvre un procédé selon l’une des revendications précédentes, et/ou le dispositif comprenant des moyens de mettre en œuvre le procédé selon l’une des revendications précédentes.
10. Véhicule automobile (100) équipé d’un système thermique (70) de gestion thermique selon la revendication précédente et/ou selon l’une des revendications 1 à 6.
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