FR2982935A1 - Dispositif de gestion thermique d'une chaine de traction d'un vehicule hybride ou electrique - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif de gestion thermique d'une chaine de traction d'un véhicule, formée par au moins une batterie de traction (10) et des organes électriques de traction (17, 18, 19), comprenant un radiateur (14), un évaporateur réfrigérant/eau (11), et un premier circuit de refroidissement de la batterie (10), dans lequel circule un fluide de refroidissement. Le dispositif se caractérise par le fait que le radiateur (14) comporte au moins deux sorties, une première sortie du radiateur (14) permettant un seul passage dans le radiateur (14) du fluide de refroidissement vers les organes électriques (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, et une deuxième sortie du radiateur permettant au moins deux passages dans le radiateur du fluide refroidissement vers la batterie (10), le radiateur (14) permettant de définir un deuxième circuit de refroidissement pour les organes électriques (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, indépendant du premier circuit de refroidissement pour la batterie de traction (10).
Description
DISPOSITIF DE GESTION THERMIQUE D'UNE CHAINE DE TRACTION D'UN VEHICULE HYBRIDE OU ELECTRIQUE La présente invention concerne le domaine de la gestion thermique d'une chaine de traction d'un véhicule hybride ou électrique, et plus particulièrement la gestion thermique d'une chaine de traction d'un véhicule hybride ou électrique par liquide de refroidissement basse température ou très basse température. La pression économique, notamment sur le prix des carburants, réglementaire et environnementale (réglementation des émissions polluantes et des gaz à effet de serre, épuisement des réserves de pétrole), guide la tendance actuelle vers le développement de véhicules à chaînes de traction purement électrique ou hybride électrique (le moteur thermique à combustion interne et au moins un moteur électrique), dites : i=> soit série : le moteur thermique ne sert qu'à entraîner une génératrice qui produit de l'énergie électrique pour faire, via le moteur électrique, se mouvoir le véhicule et/ou recharger la batterie, i=> soit parallèle : les moteurs électrique et thermique peuvent, chacun individuellement ou les deux ensemble, propulser le véhicule ; le moteur thermique pouvant additionnellement recharger la batterie.
De tels véhicules comprennent au moins un circuit avec liquide de refroidissement, appelé basse température (BT) et ayant généralement des températures maximum d'au plus 60 à 90°C, dédié au refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique (machines électriques, électronique de puissance, onduleurs, convertisseurs, chargeur de batterie ...). Les véhicules hybrides comprennent également un circuit de refroidissement liquide dit haute température (HT) dédié au refroidissement du moteur à combustion, voire aussi de la boîte de vitesses et ayant des températures pouvant atteindre et temporairement dépasser 120°C en fonctionnement, et 140°C en coup de chaud, avec localement jusqu'à 160 à 180°C, par exemple dans un carter de turbine du turbocompresseur.
De par les niveaux de température rencontrés les deux circuits BT et HT sont, dans le cas d'un véhicule hybride, indépendants. Le circuit BT d'un véhicule électrique ou hybride comprend de façon traditionnelle, en plus des organes à refroidir de la chaîne de traction électrique : i=> une pompe à eau, très généralement électrique, pour faire se mouvoir le liquide de refroidissement, i=> des conduits, afin d'acheminer le liquide de refroidissement d'un point à l'autre de ce circuit BT, i=> un échangeur air extérieur / eau, appelé radiateur BT, pour évacuer les calories véhiculées par le liquide de refroidissement, i=> éventuellement un groupe moto-ventilateur (GMV), dédié ou partagé avec le refroidissement du radiateur principal du circuit HT (dans le cas d'un véhicule hybride thermique) et du condenseur si le véhicule est de surcroît climatisé. Ainsi, dans tous les modes de propulsion ou de traction du véhicule, qu'il soit hybride thermique ou électrique, les calories dissipées par les organes de la chaîne de traction électrique dans le circuit BT sont évacuées à l'air extérieur. De tels véhicules électriques et hybrides comprennent de plus, en tant que stockeurs d'énergie électrique, une batterie haute tension de traction, nécessaire pour fournir de l'énergie électrique faisant se mouvoir le véhicule. Grâce à leurs différentes propriétés les stockeurs au lithium-ion (Li-ion) sont particulièrement propices à remplir tous les challenges associés à ces véhicules et sont utilisés pour les véhicules électriques et hybrides futurs. Mais ces batteries au Li-ion requièrent une grande attention quant à leur gestion thermique, due à la grande sensibilité de leur électrochimie à la température. D'après la loi d'Arrhenius, la vitesse d'une réaction chimique croît de façon exponentielle avec la température. Par conséquent, plus sa température est élevée et davantage de puissance électrique instantanée est extraite de la batterie, plus les électrons sont mobiles, plus l'impédance des cellules la composant est réduite et plus leur capacité augmente. Ainsi, la batterie s'échauffe en fonctionnement, essentiellement par effet Joule (flux de courant électrique à travers la résistance interne de chaque cellule formant la batterie) et par les réactions chimiques (enthalpie et entropie) s'y déroulant. Néanmoins, une température des cellules trop élevée peut initier des processus chimiques irréversibles, résultant en une réduction irréversible de leur capacité et de leur durée de vie, un emballement thermique, un gonflement et des déformations mécaniques créant des court-circuits ou des circuits ouverts, ou encore le dégagement de produits toxiques ou inflammables. Une batterie au Li-ion ne peut durablement supporter, pour sa durée de vie et sa sûreté de fonctionnement, une température au-delà de 40°C à 50°C. A l'inverse, toujours selon cette loi d'Arrhenius, à basse température la vitesse des réactions chimiques est réduite et l'électrolyte peut geler, avec pour conséquences une détérioration des performances de la batterie, une perte parfois irréversible de capacité et une réduction de sa durée de vie. Par conséquent, une gestion fine de la thermique de la batterie au Li-ion est requise pour maintenir sa température dans une plage précise et réduite afin d'optimiser performance et durabilité. En particulier, en plus du conventionnel refroidissement de ce type de batterie, un réchauffement actif par ambiance froide peut donc s'avérer pertinent et crucial pour assurer et garantir la mobilité du véhicule, d'autant plus s'il est purement électrique. Une telle batterie haute tension de traction est refroidie, le plus souvent : i=> par de l'air frais, par exemple prélevé dans l'habitacle ou dans le coffre ou à l'extérieur, par convection naturelle ou forcée à l'aide d'un pulseur d'air ; i=> par eau, sur le circuit de refroidissement basse température (BT) déjà existant pour le refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique. De par le niveau de T° pouvant régner dans le circuit BT et celui requis par la batterie, cette eau requiert, préalablement à son entrée dans la batterie, d'être refroidie, par la mise en oeuvre (indirecte) du circuit de réfrigération du véhicule ; i=> par la mise en oeuvre directe de la réfrigération du véhicule, via une dérivation du circuit de climatisation du véhicule. Le refroidissement par air frais a pour inconvénients : - sa dépendance à la situation dans l'habitacle : air de l'habitacle pollué par la fumée de cigarette ou la poussière, vitres ouvertes, réglages du groupe de climatisation par l'utilisateur du véhicule pas toujours favorables à la thermique de la batterie,...; - sa nécessaire communication avec l'habitacle, sous les angles sûreté de fonctionnement et sécurité ; - les nuisances acoustiques, particulièrement sensibles dans un véhicule électrique ou full hybride en roulage purement électrique ; - son intrusion dans l'habitacle : conduits d'air de grosse section et pulseur d'air ou échangeur thermique supplémentaire à implanter. La réfrigération, mise en oeuvre directement ou indirectement, permet des performances de refroidissement élevées de la batterie de traction, avec un bilan énergétique favorable grâce à un coefficient de performance prenant en général des valeurs bien supérieures à 1 pour la réfrigération usuelle par 25 à 40°C de T° extérieure, et qui prendre des valeurs encore plus élevées par une T° ambiante clémente (5 à 20°C) pour des situations de vie usuelle où la batterie de traction nécessite d'être refroidie. 2 9 82 93 5 4 Nous nous trouvons alors dans une situation où des calories, dissipées dans le circuit de liquide de refroidissement BT par les organes de la chaîne de traction électrique, sont gâchées puisqu'évacuées à l'air extérieur, alors qu'en même temps de l'énergie (électrique ou fossile - carburant) est gaspillée (car non utilisée pour 5 faire avancer le véhicule) pour générer par ailleurs des calories pour réchauffer la batterie de traction. Or, le but de tout système de gestion thermique est de maintenir les organes dans leurs plages optimales de fonctionnement tout en minimisant l'énergie dépensée, puisque cette énergie n'est alors plus disponible pour la traction ou 10 propulsion du véhicule et se traduit donc par une réduction sensible de l'autonomie du véhicule. C'est ce que propose le premier exemple de l'état de l'art représenté sur la figure 1, équivalent au document US 7 975 757. La batterie de traction (10) est associée au circuit de refroidissement basse température des organes de la chaîne 15 de traction électrique (17, 18), comme représenté, préférentiellement sur une branche en parallèle à celle où sont refroidis ces organes. Le but est de minimiser l'impact de la perte de charge hydraulique de l'échangeur thermique interne de la batterie de traction (10) sur le dimensionnement de la pompe à eau (23) du circuit de refroidissement BT et de fournir, lorsque cela est requis, l'eau la plus froide possible 20 en entrée de la batterie (10) tout en minimisant le recours à la réfrigération mise en oeuvre de façon indirecte (sur-refroidissement du liquide de refroidissement avant son entrée dans la batterie, au travers d'un évaporateur réfrigérant/eau (11) (également appelé chiller) associé sur le circuit réfrigérant en parallèle de l'évaporateur implanté dans le groupe de climatisation du véhicule). Les 25 inconvénients d'une telle architecture sont multiples : - il n'y a pas de possibilité de réchauffage actif de la batterie de traction, - le dimensionnement du circuit BT (radiateur, pompe à eau, GMV et occurrences d'enclenchement de ces organes) doit prendre en compte les calories supplémentaires dissipées dans ce circuit par la batterie de traction, et cette 30 architecture sollicite davantage le circuit réfrigérant dans les situations où l'eau BT est trop chaude pour la batterie : une partie des calories dissipées dans l'eau BT par les organes de la chaîne de traction électrique est absorbée par le chiller et donc surcharge le circuit réfrigérant et pénalise la réfrigération de l'habitacle si elle n'est pas compensée par une adaptation du dimensionnement du circuit 35 réfrigérant (condenseur (15), compresseur (22), GMV (20)). Il est également connu une autre architecture, illustrée sur la figure 2, où là aussi, la batterie de traction (10) est associée au circuit BT de refroidissement des 2 9 82 93 5 5 organes de la chaîne de traction électrique, sur une branche en parallèle à celle où sont refroidis ces organes et, en aval d'un chiller associé sur le circuit réfrigérant en parallèle de l'évaporateur pour climatiser l'habitacle. Cette architecture se distingue de la précédente par la mise en oeuvre : 5 - d'un réchauffeur (175), de type brûleur à combustible ou électrique, du liquide en amont de la batterie - et d'une vanne de commutation (170), permettant de dissocier la batterie du circuit de refroidissement BT pour créer un second circuit dissocié du premier et réaliser ainsi un réchauffage (via ce réchauffeur) et un refroidissement (via le 10 chiller) actifs de la batterie, sans impacter le circuit de refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique ni surcharger, comme reproché à l'architecture présentée en figure 1, le circuit réfrigérant. Cette architecture présente l'inconvénient du recours à une énergie externe (électrique ou fossile) pour réchauffer la batterie, impactant en particulier l'autonomie 15 du véhicule, sa masse, son prix de revient et de vente. Une troisième architecture, illustrée sur la figure 3, connue met en oeuvre 4 circuits de refroidissement (sans compter le circuit de fluide réfrigérant pour la climatisation de l'habitacle du véhicule) avec chacun un ou plusieurs échangeurs thermiques, générant les impacts inhérents en termes de coûts, de masse, de porte- 20 à-faux avant, de dimensionnement et d'implantation : - celui de la batterie de traction, par liquide de refroidissement avec un échangeur air/eau dédié en façade avant, un chiller (11) pour dans certaines situations sur-refroidir l'eau avant son entrée dans la batterie (10) et son propre vase d'expansion (161); 25 - l'électronique de puissance (19) (comprenant les onduleurs des machines électriques) et le chargeur (17) de la batterie sont refroidis par un autre circuit de liquide de refroidissement qui met en oeuvre son propre radiateur (171) et son propre vase d'expansion (174); - l'huile de lubrification des machines électriques est refroidie en face avant du 30 véhicule par un échangeur air/huile (230, 173) dédié ; - celui du moteur thermique, qui met en oeuvre son propre radiateur (172) et son propre vase d'expansion. En ce qui concerne la batterie de traction, sa gestion thermique est assurée par une vanne distributrice et son réchauffage par un réchauffeur électrique haute 35 tension sur l'eau en amont de la batterie, avec les impacts associés en coûts et masse, implantation, sûreté de fonctionnement, autonomie du véhicule par ambiantes froides. La présente invention a donc pour objet de pallier un ou plusieurs des inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif permettant le réchauffage de la batterie sans aucune autre énergie extérieure supplémentaire. Pour cela la présente invention propose un dispositif de gestion thermique d'une chaine de traction d'un véhicule, formée par au moins une batterie de traction et des organes électriques de traction, comprenant un radiateur, un évaporateur réfrigérant/eau, et un premier circuit de refroidissement de la batterie dans lequel circule un fluide de refroidissement, le radiateur comportant au moins deux sorties, une première sortie du radiateur assurant un seul passage dans le radiateur du fluide de refroidissement vers les organes électriques de la chaîne de traction électrique, et une deuxième sortie du radiateur assurant au moins deux passages dans le radiateur du fluide refroidissement vers la batterie, les deux sorties du radiateur permettant de définir un deuxième circuit de refroidissement pour les organes électriques de la chaîne de traction électrique, indépendant du premier circuit de refroidissement pour la batterie de traction. Ce premier circuit de refroidissement permet ainsi, en refroidissant les organes électriques de la chaine de traction, de récupérer les calories dissipées par les organes électriques de la chaine de traction pour dans une de ses configurations réchauffer la batterie de traction. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte un thermostat double effet en aval ou en amont du radiateur permettant, lorsqu'il est fermé, de conserver dans le circuit de refroidissement les calories dissipées par les organes de la chaîne de traction électrique. Les calories sont alors maintenues dans le circuit de refroidissement, et non pas dissipées à l'air extérieur au travers du radiateur. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif permet plusieurs modes de refroidissement de la batterie.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte des moyens permettant de stopper la circulation de fluide de refroidissement vers la batterie tout en continuant à refroidir les autres organes électriques. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte des moyens permettant d'inverser le sens de circulation du fluide de refroidissement pour permettre le réchauffage de la batterie en utilisant les calories dissipées par les organes électriques de la chaîne de traction.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte des moyens permettant le refroidissement simultané de la batterie et des autres organes électriques, en connectant en un même circuit de refroidissement les premier et second circuits de refroidissement.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte des moyens permettant le refroidissement à très basse température de la batterie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant aux figures annexées et données à titre d'exemple: - la figure 1 est une représentation schématique du mode de fonctionnement d'un premier dispositif selon l'art antérieur, - la figure 2 est une représentation schématique du mode de fonctionnement d'un second dispositif selon l'art antérieur, - la figure 3 est une représentation schématique du mode de fonctionnement d'un troisième dispositif selon l'art antérieur, - la figure 4 est une représentation du mode de fonctionnement d'une partie du dispositif selon l'invention, - la figure 5 est une représentation schématique du mode de fonctionnement du dispositif (cas 1) selon l'invention, - la figure 6 est une représentation du mode de fonctionnement du dispositif (cas 2) selon l'invention, - la figure 7 est une représentation schématique du mode de fonctionnement du dispositif (cas 3) selon l'invention, - la figure 8 est une représentation schématique du mode de fonctionnement du dispositif (cas 4) selon l'invention, - la figure 9 est une représentation schématique du mode de fonctionnement du dispositif (cas 5) selon l'invention, - la figure 10 est une représentation schématique du mode de fonctionnement du dispositif (cas 6) selon l'invention, - la figure 11 est une représentation schématique du mode de fonctionnement du dispositif (cas 7) selon l'invention, - la figure 12 est une représentation schématique du mode de fonctionnement du dispositif (cas 8) selon l'invention, - la figure 13 est une représentation schématique est une représentation schématique de la gestion thermique du véhicule en roulage selon l'invention, - la figure 14 est une représentation schématique des plages de températures de la batterie selon l'invention. La gestion thermique de la chaîne de traction d'un véhicule est nécessaire lors des situations « utilisation » en roulage mais également dans les autres situations de vie du véhicule. En particulier, le critère dimensionnant pour la durée de vie de la batterie est en premier lieu sa température moyenne. Une attention particulière doit également être apportée à la température batterie dans l'état « hors utilisation » du véhicule : parking, garage, stationnement, etc., cette situation pouvant représenter jusqu'à 80 à 85% de la durée de vie du véhicule.
L'état « hors utilisation » du véhicule se décompose des situations suivantes : - la recharge de la batterie de traction sur le réseau électrique domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide), qu'elle soit lente ou rapide et immédiate ou programmée. Les besoins thermiques de la chaîne de traction à satisfaire sont les suivants : o la batterie peut nécessiter d'être gérée thermiquement avant, pendant mais aussi après la recharge, en refroidissement comme en réchauffage ; o le chargeur par son activité nécessite d'être refroidi. - le post-refroidissement du véhicule et en particulier celui de la batterie, du moteur à combustion interne ou celui des organes de la chaîne de traction électrique. - le préconditionnement thermique du véhicule et en particulier celui de la batterie, du moteur à combustion interne ou de l'habitacle du véhicule. - lors du repos du véhicule, où là encore une attention particulière sera portée à la thermique de la batterie.
Les figures 5 à 12 détaillent les différents modes de fonctionnement du dispositif selon l'invention dans les différentes situations « utilisation » et « hors utilisation » du véhicule.
Pour l'ensemble des figures, les mêmes éléments sont référencés avec les mêmes références. Notamment, pour les figures 1, 2 et 3 dont les éléments communs avec l'invention portent la même référence. Ce dispositif comprend un évaporateur réfrigérant/eau (chiller) (11) disposé dans le circuit réfrigérant sur une branche (151) parallèle à celle (152) alimentant en fluide réfrigérant l'évaporateur (12) implanté dans le groupe de climatisation du véhicule. Ces deux branches présentent un détendeur (131, 132) associé à chaque évaporateur (11, 12). Au moins la branche comportant l'évaporateur réfrigérant/eau (11) est équipée d'une vanne on/off (121), préférentiellement les deux branches sont équipées d'une vanne on/off (121, 122) en amont de chaque évaporateur (11, 12), condamnant ou autorisant la circulation de fluide réfrigérant dans chacune des branches du fluide réfrigérant. La vanne on/off (121) disposée sur la branche comportant l'évaporateur réfrigérant/eau (11) est préférentiellement naturellement fermée tandis que la vanne on/off (122) disposée sur la branche comportant l'évaporateur (11) habitacle est préférentiellement naturellement ouverte. Dans un premier mode de fonctionnement du dispositif, la boucle secondaire (151) (contenant le chiller) du circuit réfrigérant est désactivée (vanne on/off (121) en position OFF) car il n'y a alors pas besoin de sur-refroidir le fluide BT avant qu'il n'entre dans la batterie de traction.
Dans un second mode de fonctionnement du dispositif, la mise en oeuvre de l'évaporateur réfrigérant/eau (11) est nécessaire et donc, notamment, l'ouverture de la vanne on/off (121) (position ON). Le circuit de refroidissement basse température (BT) est équipé d'un certain nombre d'actionneurs dont le fonctionnement va être expliqué ci-après dans le cadre de la description de chaque configuration. Ce dispositif comporte également une vanne (24) trois voies et un thermostat (21) de type double effet dont les positions et les rôles vont être expliqués plus loin. Ce système s'applique aussi bien pour les véhicules purement électriques que pour les véhicules hybrides. Dans ce dernier cas, le circuit de refroidissement du moteur à combustion interne (et de la boîte de vitesses le cas échéant) n'est pas représenté ici car il s'envisage de façon indépendante du système de la présente invention. De même, ne sont pas représentés ici tous les capteurs (capteurs de température interne des organes électriques, dont en particulier en interne des cellules de la batterie, rotor et stator des machines électriques, carte-mère de l'électrique de puissance, onduleurs et convertisseurs de tension, capteurs de 2 982 935 10 température de fluide en entrée et/ou en sortie de la batterie, capteurs de température de fluide en entrée des organes électriques, capteur de température ambiante, capteur de température du fluide réfrigérant en entrée ou en sortie du chiller, capteur de pression du fluide réfrigérant en entrée ou en sortie du chiller et en 5 sortie du compresseur ou du condenseur, etc ...), ni le calculateur (dédié ou partagé avec d'autres fonctions du véhicule) qui acquiert l'ensemble de ces informations, qui les traite en prenant en compte d'autres informations (vitesse du véhicule, paramètres propres à la batterie tels que par exemple son SOC - State Of Charge selon la terminologie anglo-saxonne -, état de la chaîne de traction, ...) et qui pilote 10 en conséquence l'ensemble des actionneurs (sauf ceux qui sont passifs), dont en particulier les différentes vannes on/off, vanne 3 voies, GMV, pompes électriques. Ces deux dernières familles d'actionneurs (GMV et pompes électriques) présentent un pilotage préférentiellement continûment variable (entre 0 et 100% de commande) plutôt que par états discrets (ex : pompe active uniquement à 100% de son potentiel 15 hydraulique ou GMV commandé en mono-, bi- ou tri-vitesses), ceci afin notamment d'optimiser leur consommation électrique, leur durée de vie et leur bruit de fonctionnement. Par la suite, il est fait état d'un état ON et d'un état OFF des pompes à eau électriques : par abus de langage, l'état ON des pompes à eau électriques correspond à un état de commande compris dans la plage ]mini°/0 ; 20 maxi%[ de leur commande (défalcation faite des plages ]0 ; mini%] et [maxi% ; 100%] éventuellement nécessaires pour réaliser leurs diagnostics électriques). Cet abus de langage n'existe pas pour les vannes on/off qui ne peuvent prendre que deux états d'équilibre. Par ailleurs, ce système autorise une circulation permanente du fluide BT 25 dans le chargeur (19), qui n'est actif pourtant qu'en phase de recharge de la batterie de traction sur le réseau électrique extérieur : afin de s'affranchir de la perte de charge hydraulique associée et afin de ne pas altérer la durabilité et la disponibilité du chargeur par une T° moyenne de ses composants internes plus élevée que sans circulation (puisqu'alors le chargeur est réchauffé par le fluide BT qui le traverse), le 30 chargeur pourrait être plus judicieusement associé au circuit BT selon l'une des architectures proposées dans la demande de brevet n °FR1155974 sans changer le propos du présent mémoire. Enfin, le regroupement de tout ou partie des électrovannes en un même actionneur multivoies est envisageable sans sortir du cadre de la présente invention. 35 Ainsi, la description qui va suivre des fig.5 à 12 montre que, la vanne on/off (101), disposée sur la branche vers le radiateur BT (14) en amont du thermostat (21) de type double effet, occupant une position en opposition de phase de la vanne on/off 2 982 935 11 (103) disposée sur la branche (158) du circuit de refroidissement entre la batterie (10) et le chiller (11), leur regroupement en un même actionneur est possible. La figure 4 présente l'architecture préférentielle du radiateur (14) de refroidissement du liquide BT selon l'invention. Ce radiateur est préférentiellement un 5 échangeur de type liquide de refroidissement / air extérieur à tubes et à ailettes, comprenant une boîte à eau (146, 147) et une première boîte à eau de sortie (150) ainsi qu'un faisceau constitué par l'assemblage des tubes et des ailettes. Préférentiellement, la boîte à eau de sortie (150) comprend un seul embout (145) de sortie, première sortie, du liquide BT, positionné en partie basse, tandis que le design 10 de la boîte à eau (146, 147) est plus complexe. Celle-ci comprend : - une paroi interne (141) la séparant en deux parties : une boîte à eau d'entrée (146) et une boîte à eau de sortie (147) pour une partie du liquide de refroidissement BT qui a donc parcouru deux fois (148, 149) le faisceau. A cette sortie (144) est donc disponible un liquide BT plus froid que celui en 15 sortie de la boîte à eau de sortie (150); - un seul embout d'entrée (142) du liquide BT, en partie haute ; - un premier embout de sortie (143) du liquide BT, en partie haute, de diamètre interne plus faible que celui de l'embout d'entrée (142) du liquide BT et positionné sur la boîte à eau d'entrée (146) à une altitude supérieure à 20 l'embout d'entrée (142) du liquide BT. Cet embout a vocation de dégazage du circuit caloporteur. Le fluide BT empruntant cette sortie n'a pas traversé le faisceau et n'a donc pas échangé de calories avec l'air extérieur ; - un second embout de sortie (144), deuxième sortie, du liquide BT, situé en partie basse de la boîte à eau de sortie (147) et de l'autre côté de la paroi 25 interne (141) par rapport à l'embout d'entrée (142) et au premier embout de sortie (143) du liquide BT. Aux sorties du radiateur BT sont donc disponibles des liquide BT de températures différentes : - embout de dégazage (143) : liquide BT à la même température qu'en entrée 30 mais dégazé ; - embout de sortie (145) sur la boîte à eau de sortie (150) : liquide BT refroidi à un certain niveau de température, par un seul passage (148) à travers le radiateur (14). Un seul passage de refroidissement est suffisant pour refroidir les organes de la chaîne de traction électrique ; - embout de sortie (144) sur la boîte à eau de sortie (147) : liquide BT refroidi à un niveau de température plus bas que le précédent, par un double passage (148, 149) à travers le radiateur (14). Un double passage de refroidissement est nécessaire pour assurer un refroidissement moyen de la batterie de traction (10). Le nombre de passages pour le refroidissement de la batterie sera toujours strictement supérieur à celui pour le refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique afin d'y obtenir un liquide BT plus froid. Dans tous les cas, l'inconvénient d'augmenter la résistivité hydraulique de la branche contenant l'échangeur eau/batterie à mesure que le nombre de passages augmente, sera contré par le dimensionnement adéquat du nombre de tubes d'eau dans chaque passage, de la pompe à eau et de l'échangeur eau/batterie. Situation « utilisation » Plusieurs modes de fonctionnement sont possibles lors de la situation « utilisation ». La configuration de la vanne (24) trois voies et du thermostat (21) de type double effet permet deux modes de fonctionnement (Cas 1 illustré sur la figure 5 et Cas 2 illustré sur la figure 6).
Un premier mode de fonctionnement (Cas 1, illustré sur la figure 5) consiste à réchauffer la batterie de traction (10). Dans cette configuration, la pompe à eau (23) électrique principale du circuit BT est inactive (position OFF) et la pompe à eau (102) électrique positionnée sur la branche batterie est active (position ON). La position prise par la vanne (24) trois voies permet alors, par le fonctionnement de cette pompe (23), d'aspirer le liquide de refroidissement BT ayant au préalable traversé les organes de la chaîne de traction électrique (machines électriques (17), électronique de puissance, onduleurs, convertisseurs (18) chargeur de batterie (19)) en traversant cette vanne (24), et de refouler ce liquide de refroidissement BT dans la batterie (10). Le liquide BT ne peut sortir de la batterie (10) que par une vanne on/off (101) en position ouverte disposée en sortie de la batterie (10) vers le radiateur (14) BT en amont du thermostat (21) de type double effet. La vanne on/off (103) disposée sur la branche (158) du circuit entre la batterie (10) et le chiller (11) étant ici en position fermée. Le liquide BT sortant de la batterie (10) emprunte la branche traverse la vanne on/off (101) ouverte qui la commande et parvient à une intersection : - Le liquide BT ne peut pas se diriger vers le radiateur BT car : - la vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur BT (14) vers le chiller (11) est fermée, condamnant ainsi la sortie du radiateur BT (14) par le double passage (148, 149) ; - le thermostat (21) étant fermé, la sortie du radiateur BT (14) par le simple passage (148) est condamnée ; - de par l'inactivation (position OFF) de la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT et de par la position prise par la vanne (24), aucune circulation n'est permise dans la branche allant de la sortie du radiateur BT (14) par la voie de dégazage et passant par la boîte (16) de dégazage (sans que çà ne porte conséquence au bon fonctionnement du circuit par exemple par déficit de pressurisation : les niveaux de température et de débit régnant alors dans le circuit BT ne lui font pas requérir un niveau important de pressurisation, que la pressurisation naturelle du circuit satisfait entièrement). Le fluide BT ne traversant pas la boîte de dégazage (16), il n'y subit donc pas de dissipation thermique supplémentaire pouvant légèrement dégrader le réchauffage de la batterie (10). - Le liquide BT ne peut emprunter le conduit (154) vers le thermostat double effet (21) qui, en position fermée, libère cette voie au fluide BT, d'une part car la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT est inactive (position OFF) et d'autre part car la vanne (24) lui bloque, dans cette position, cette issue. Le liquide BT sortant de la batterie (10) traverse à nouveau les organes de la chaîne de traction électrique (machines électriques, électronique de puissance, onduleurs, convertisseurs, chargeur ...), y prélève des calories et les transfère aux cellules de la batterie.
Cette configuration du dispositif selon l'invention permet ainsi de réchauffer la batterie de traction (10) par les calories dissipées dans leur circuit de refroidissement par les autres organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, sans mise en oeuvre d'aucune énergie extérieure. L'intérêt du thermostat (21) double effet (ici en aval du radiateur (14) BT, mais il peut indifféremment être implanté en amont de celui-ci) est de permettre de conserver dans le circuit BT les calories dissipées au liquide BT par les organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique qui, en l'absence de thermostat, seraient évacuées à l'air extérieur à travers le radiateur BT (14). Ces calories sont doublement utiles : dans le but ici recherché, pour réchauffer la batterie (10), mais aussi, afin de faire fonctionner ces organes à leur température optimale de fonctionnement.
Dans cette configuration, le sens de circulation du liquide BT à travers les organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique est inversé par rapport au sens traditionnel, représenté figure 1 ou dans les figures qui vont suivre. Cette inversion de sens de circulation du liquide BT à travers ces organes est permise car d'une part ces organes et le circuit BT ont les mêmes comportements hydraulique (notamment vis-à-vis de la position des embouts d'eau sur ces organes) et thermique (transferts thermiques) dans les deux sens possibles de circulation dans la plage de température ici considérée (telle que le refroidissement prodigué par la dissipation de leurs calories au sein de la batterie de traction (10), qui agit ici comme un « radiateur », est suffisant) et d'autre part car les niveaux de température alors rencontrés par ces organes (tant en interne que côté fluide BT) en restent compatibles (car pas très voire peu élevés). Toutefois, une vanne supplémentaire peut être associée au circuit BT pour rétablir, dans cette configuration le sens de circulation traditionnel du liquide BT à travers les organes de la chaîne de traction électrique. Dans une alternative (non illustrée), afin de satisfaire le besoin de réchauffer la batterie de traction dans des conditions ambiantes particulièrement froides lorsque que la température du fluide BT en sortie des organes de la chaîne de traction électrique est insuffisante pour cet usage, il pourra être admis qu'en option un réchauffeur (préférentiellement de type à éthanol pour ne pas alors impacter l'autonomie du véhicule, et préférentiellement le même que celui mis en oeuvre pour réchauffer l'habitacle, par adaptation des circuits caloporteurs associés) soit présent immédiatement en amont de la batterie pour accélérer sa montée en température, sans toutefois remettre en question la récupération des pertes thermiques des organes de la chaîne de traction électrique afin de réchauffer la batterie. Au contraire, à mesure que la température du fluide BT en sortie des organes de la chaîne de traction électrique augmente, le fonctionnement de ce réchauffeur sera progressivement réduit puis stoppé afin de laisser la priorité du réchauffage de la batterie de traction par récupération des pertes thermiques des organes de la chaîne de traction électrique. Le deuxième mode de fonctionnement (Cas 2) permis par la configuration du thermostat (21) et de la vanne (24) représentés sur la figure 6 est identique au précédent, la seule différence étant que la vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur (14) BT vers le chiller (11) est ouverte, autorisant ainsi la circulation du fluide BT à travers le radiateur BT (14) en deux passages. Le liquide BT sortant de la batterie (10) suit alors deux voies : celle traversant les organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19) et celle traversant le radiateur (14) BT en en sortant par la boîte à eau de sortie (147) après un double passage (148, 149). La pompe à eau électrique (102) positionnée sur la branche batterie (active car en position ON) aspire donc le liquide BT venant de ces deux voies (153, 155) et refoule en entrée de la batterie de traction (10) un liquide BT issu du mélange des liquides BT provenant de ces deux voies, d'une température intermédiaire, comprise entre celle du liquide BT ayant traversé les organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique et y ayant collecté les calories dissipées par ces organes en fonctionnement, et celle du fluide BT ayant évacué des calories à l'air extérieur par sa traversée du radiateur (14) BT. Par l'emploi de la vanne on/off (104) la température du fluide en sortie de la pompe électrique (102) est la moyenne des températures des fluides BT en entrée, pondérée par les débits dans ces deux branches. Sous cet aspect de gestion de la température de ce mélange, le remplacement de la vanne on/off (104) par un thermostat (éventuellement piloté électriquement) pourrait sembler plus judicieux : cette option ne permet cependant pas de concilier tous les modes de fonctionnement du système. Cependant cette option reste possible dans le cadre du présent mémoire. Ce mode de fonctionnement permet ainsi au système de continuer à fournir un réchauffage adapté de la batterie de traction, même quand les calories dissipées par les organes de la chaîne de traction électrique sont excédentaires. Cette configuration permet ainsi de fournir aux organes de la chaîne de traction électrique, un refroidissement à la fois grâce aux calories absorbées par les cellules de la batterie et grâce aux calories évacuées à l'air extérieur par le radiateur BT. La fonctionnalité de réchauffage de la batterie, est ainsi prolongée sans affecter la tenue thermique des différents organes. Lorsqu'aucune action sur la thermique de la batterie n'est nécessaire le système se trouve dans les configurations décrites par les figures 7 et 8. La figure 7 décrit la configuration (Cas 3) prise par le système lorsqu'aucune circulation de fluide BT n'est requise en interne de la batterie de traction et tant que le refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique par le radiateur BT n'est pas nécessaire, avec cependant circulation de fluide BT malgré tout nécessaire à travers le noyau d'eau des organes de la chaîne de traction électrique. Tout accès de fluide BT à la batterie de traction est condamné : - La pompe à eau électrique (102) est inactive (position OFF) ; - La vanne on/off (103) disposée sur la branche (158) du circuit de refroidissement entre la batterie (10) et le chiller (11) est en position fermée ; - La vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur BT (14) vers le chiller (11) est fermée, condamnant ainsi la sortie du radiateur BT (14) par le double passage (148, 149) ; - La vanne on/off (101) disposée en sortie de la batterie (10) sur la branche vers le radiateur BT (14) en amont du thermostat double effet (21) est ici préférentiellement en position fermée ; - Enfin, la vanne (24) adopte une position telle que l'accès du fluide BT à la batterie de traction (10), en traversant la pompe à eau électrique (102) inactive, est condamné.
Ici, la circulation de fluide BT est nécessaire à travers le noyau d'eau des organes de la chaîne de traction électrique. La pompe à eau électrique (23) principale du circuit BT est active (position ON) et le liquide BT qu'elle aspire en amont est refoulé en aval vers la vanne (24) trois voies. De par sa position, celle-ci condamne l'accès du fluide BT à la batterie (10) de traction. Le liquide BT est donc dirigé vers les organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19) qu'il traverse dans le sens conventionnel. A leur sortie, le liquide BT parvient à une première intersection. La quasi-totalité du fluide BT est dirigée par le conduit de by-pass vers le thermostat (21) double effet et une infime partie de ce débit est dirigé vers le radiateur (14) BT. La partie du fluide BT qui accède à la boîte à eau d'entrée (146) du radiateur BT (14) sort par l'embout de dégazage (143) sans traverser le faisceau du radiateur BT (14) de par la position fermée du thermostat (21) qui condamne la voie en un simple passage (148) à travers le faisceau du radiateur BT (14) selon la figure 2 et de par la position fermée de la vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur BT (14) vers le chiller (11) qui condamne la voie en un double passage (148, 149) à travers le faisceau du radiateur BT (14) selon la figure 2. Ce liquide BT traverse alors la boîte (16) de dégazage pour y achever son processus de dégazage et contribuer à pressuriser le circuit de refroidissement, puis est aspiré par la pompe à eau électrique (23) principale du circuit BT jusqu'à une dernière intersection en amont de la pompe, où il rejoint le fluide BT qui a traversé le thermostat double effet (21) en en sensibilisant au passage l'élément thermosensible. La température du fluide BT est alors insuffisamment élevée pour provoquer l'ouverture du thermostat (21), qui reste donc fermé. Le liquide BT issu de ces deux voies (conduit (154) de by-pass du radiateur BT (14) et boîte de dégazage(16)) est alors aspiré par la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT et refoulé en aval vers la vanne (24).
Par leur fonctionnement, les organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique dissipent des calories dans le fluide BT qui les traverse. Lorsque la température du fluide BT qui sensibilise l'élément thermosensible lors de la traversée du thermostat double effet (21) atteint une valeur suffisamment élevée, le thermostat débute son mouvement de translation à l'intérieur de son corps. La figure 8 illustre la configuration (Cas 4) prise par le système lorsqu'un refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19) par le radiateur (14) BT est nécessaire alors qu'aucune circulation de fluide BT n'est requise au sein de la batterie de traction (10) ni permise par les positions prises par les actionneurs (101, 102, 103, 104). Ici, le thermostat (21) double effet est en pleine ouverture, ce qui signifie que la voie allant de l'embout de sortie (145) pratiqué sur la boîte à eau de sortie (150) du radiateur (14) BT jusqu'à la pompe à eau (23) électrique principale du circuit BT est pleinement ouverte, autorisant au liquide BT la traversée du radiateur (14) BT en un seul passage (148) tandis qu'a contrario, de par le double effet, le conduit de by-pass (154) du radiateur BT (14) est pleinement fermé. Les positions intermédiaires du thermostat (21) entre sa pleine fermeture (telle qu'illustrée en figure 7) et sa pleine ouverture (telle qu'illustrée en figure 8), vues par le système lorsque la température du fluide BT qui sensibilise l'élément thermosensible du thermostat double effet (21) est à une valeur comprise entre ses températures de début d'ouverture et de pleine ouverture, ne sont pas représentées ici. Ces positions intermédiaires n'apportent rien à la description ici faite du système et n'en altèrent pas le fonctionnement quand, dans l'une quelconque de ces positions intermédiaires, le fluide BT circule à la fois dans le conduit de by-pass (154) et dans le radiateur BT (14) en un simple passage (148). La description de la circulation du liquide BT dans le circuit est alors identique à celle faite pour expliciter la fig.7. La pompe à eau électrique (23) principale du circuit BT est active (position ON) et refoule vers la vanne (24) trois voies le liquide BT qu'elle aspire en amont. Le fluide BT traverse la vanne (24) trois voies sans pouvoir accéder à la batterie (10) de traction et est dirigé vers les organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19), qu'il traverse dans le sens conventionnel. A leur sortie, le liquide BT est dirigé vers le radiateur (14) BT, grâce à la pleine ouverture du thermostat (21) double effet qui condamne en même temps le conduit de by-pass (154). Le fluide BT se dirigeant vers le radiateur (14) BT accède à sa boîte à eau d'entrée (146). Comme la vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur BT (14) vers le chiller (11) est ici fermée, le double passage à travers le faisceau du radiateur BT (14) est condamné, et comme le thermostat (21) est ouvert , une partie très majoritaire du fluide BT sort du radiateur BT (14) circule par l'embout de sortie (145) de la boîte à eau de sortie (150), en traversant le radiateur BT (14) en un simple passage, et l'autre partie très minoritaire du fluide BT sort du radiateur BT (14) par l'embout de dégazage (143). Ainsi, en amont de la pompe à eau (23), se rejoignent les fluides BT ayant, pour une très large partie traversé en un simple passage le radiateur (14) BT puis traversé le thermostat (21) double effet toujours en en sensibilisant au passage l'élément thermosensible et, pour une faible partie, traversé alors la boîte de dégazage (16) à partir de l'embout de dégazage (143) pratiqué en partie supérieure de la boîte à eau d'entrée (146) du radiateur BT (14). Le liquide BT issu de ces deux voies est alors aspiré par la pompe à eau (23) électrique principale du circuit BT et refoulé en aval vers la vanne (24) trois voies. Si la température du fluide BT diminue du fait de l'échange thermique avec l'air extérieur au niveau du radiateur BT (14), suffisamment pour provoquer la refermeture du thermostat (21), alors le système reprend la configuration illustrée par la fig.7. La figure 7 représente le cas où une circulation de fluide BT est malgré tout nécessaire à travers le noyau d'eau des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique. Cette circulation de fluide BT peut avoir à être coupée, par exemple afin d'accélérer la montée en température de ces organes ou afin de réduire la consommation électrique de la pompe électrique (23), si leur température interne permet de couper de façon intermittente (par ex : pendant n secondes toutes les m secondes avec n
Concernant la figure 8, une interruption de la circulation de fluide BT à travers le noyau d'eau des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique n'est pas pertinente, puisque ici le besoin de refroidissement actif de ces organes est avéré de par la position du thermostat (21) double effet. En alternative aux figures 7 et 8, le système peut adopter les configurations des figures 11 et 12 décrites plus loin mais, dans le contexte ici recherché, avec le chiller (11) du circuit réfrigérant alors désactivé (vanne on/off (121) du circuit réfrigérant en position OFF) afin de ne prodiguer aucun refroidissement du fluide BT traversant le chiller (11). Cette alternative aux figures 7 et 8, telle qu'offerte par la variante ici décrite, est pertinente dans le cas où aucune action sur la thermique de la batterie (10) n'est nécessaire (la batterie de traction (10) n'exprime toujours aucun besoin de réchauffage ni de refroidissement) mais que par contre une circulation de fluide BT est malgré tout requise en interne de la batterie de traction (10) pour homogénéiser la distribution des températures en interne des cellules de la batterie et/ou de son échangeur interne. Il n'est alors pas forcément nécessaire que la pompe à eau électrique (102) positionnée sur la branche batterie soit activée à son niveau de commande maximal : une commande intermédiaire peut être suffisante pour satisfaire le besoin. En cas d'un faible besoin de refroidissement de la batterie de traction la configuration du thermostat (21) et de la vanne (24) trois voies reste la même que celles des figures 9 et 10, avec des variantes de fonctionnement.
Une première variante avec configuration de la figure 9 (Cas 5), met en oeuvre, au sein du même circuit BT, deux circulations de fluide BT, avec des niveaux de températures différents. Le besoin de circulation de fluide BT et donc de refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19) est identique à ce qui est décrit en fig.7. Le thermostat (21) double effet est ici en position fermée car la température du fluide BT, ayant au préalable absorbé les calories dissipées par les organes en fonctionnement de la chaîne de traction électrique, y est alors insuffisamment élevée pour en provoquer l'ouverture. La pompe à eau électrique (23) principale du circuit BT est active (position ON) et le liquide BT qu'elle aspire en amont est refoulé en aval vers la vanne (24) trois voies qui, par sa position, condamne l'accès du fluide BT à la batterie de traction (10). Le liquide BT est dirigé vers les organes de la chaîne de traction électrique qu'il traverse dans le sens conventionnel. A leur sortie, le liquide BT est dirigé par le conduit de by-pass (154) vers le thermostat (21) double effet puis, celui-ci étant en position fermée, vers l'aspiration de la pompe à eau principale (23). Par sa sollicitation en charge et en décharge, la batterie (10) a ici un besoin de refroidissement limité. Dans ce cas, le système adopte la configuration telle que : - la pompe à eau électrique (102) positionnée sur la branche batterie est activée (position ON) ; - la vanne on/off (101) disposée en sortie de la batterie (10) sur la branche vers le radiateur (14) BT en amont du thermostat (21) est ici en position ouverte ; - la vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur (14) BT sur la voie (153) vers le chiller (11) est ici aussi en position ouverte; - la vanne on/off (103) disposée sur la branche (158) du circuit entre la batterie (10) et le chiller (11) est ici en position fermée. Par conséquent, la pompe à eau (102) électrique positionnée sur la branche batterie, activée, refoule le fluide BT de ce circuit (153) à l'intérieur de la batterie (10). La vanne on/off (103) disposée sur la branche (158) du circuit entre la batterie (10) et le chiller (11) étant en position fermée, le fluide BT ne peut sortir de la batterie de traction (10) qu'en traversant la vanne on/off (101) disposée en sortie de la batterie (10) et parvient à une intersection, hydrauliquement conçue soit préférentiellement passivement (implantation et orientation des tuyaux d'eau, mise en place d'un clapet à ressort de rappel, équilibre pressostatique ...) ou activement (avec une vanne additionnelle) pour que ce fluide BT en sortie de la batterie de traction (10) soit alors en totalité ou en très grande majorité dirigé vers le radiateur BT (14). Le thermostat (21) étant fermé, la voie en un simple passage (148) à travers le faisceau du radiateur BT (14) est condamnée. Une grande majorité du fluide BT est dirigée vers le radiateur BT (14). Le fluide BT peut sortir du radiateur BT (14) soit par : - la voie en double passage (148, 149) à travers le faisceau du radiateur BT (14) selon la fig.13. Ce débit de fluide BT traversant le radiateur BT (14) assure donc un certain niveau de refroidissement de la batterie de traction (10) ; - par l'embout de dégazage (143) pratiqué en partie supérieure de la boîte à eau (146) d'entrée du radiateur BT (14). Cette configuration permet ainsi de façonner deux boucles de refroidissement de fluide BT découplées l'une de l'autre et d'instaurer ainsi, au sein du même circuit BT, deux circulations distinctes de fluide BT, avec des niveaux de température différents : l'une à travers les organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19) sans échanger de calories et l'autre à travers la batterie de traction (10) dont les calories sont dissipées à l'air extérieur à travers le radiateur BT (14). Un certain niveau de refroidissement de la batterie de traction (10) est ainsi assuré, en mettant à profit le radiateur BT (14) alors non utilisé pour refroidir les organes de la chaîne de traction électrique.
Le point de rencontre entre le fluide BT issu des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction en sortie du thermostat (21) vers la pompe à eau principale (23), et le fluide BT issu de la batterie de traction (10) en sortie de la boîte de dégazage (16), est sans conséquence pour le fonctionnement du système car l'enjeu n'y est que de quelques L/h et car il n'y a pas de transfert thermique entre le fluide BT issu de la batterie (10) et le fluide BT issu des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique. Comme précédemment illustré sur les figures 7 et 9, dans le cas où une circulation de fluide BT est malgré tout nécessaire à travers le noyau d'eau des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, cette circulation peut néanmoins avoir à être coupée de façon continue ou intermittence. Le système adopte alors la même configuration que celle décrite ci-avant à la différence qu'alors la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT est inactive (position OFF). Comme explicité précédemment, le risque de perte de l'information de la température du fluide BT lue par les différents capteurs associés est levé par les informations transmises par les différents capteurs de température matière en interne des composants des organes électriques qui permettent au calculateur d'estimer l'état thermique du système et de commander en conséquence les actionneurs utiles.
Une deuxième variante avec configuration de la figure 10 (Cas 6) permet également d'assurer un faible besoin de refroidissement de la batterie de traction (10) tout en assurant le besoin de refroidissement actif des organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19). On retrouve la même configuration que celle décrite en fig.8. Comme explicité précédemment, le thermostat (21) double effet est alors en pleine ouverture et ouvre en grand la voie (157) allant de l'embout (145) de sortie pratiqué sur la boîte à eau de sortie (150) du radiateur BT (14) jusqu'à la pompe à eau électrique (23) principale du circuit BT et condamne le conduit de by-pass (154) . Les positions intermédiaires du thermostat double effet (21), entre sa pleine fermeture (illustrée en fig.9) et sa pleine ouverture (illustrée en fig.10), correspondant aux valeurs de température du fluide BT intermédiaires entre les températures de début d'ouverture et de pleine ouverture, ne sont pas représentées ici. Ces positions intermédiaires n'apportent rien à la description ici faite du système et n'en altère pas le fonctionnement : à noter simplement que dans l'une quelconque de ces positions intermédiaires, le fluide BT circule à la fois dans le conduit de by-pass (154) et dans le radiateur BT (14) en une simple passe (148).
La description de la circulation du liquide BT dans le circuit est en figure 10 alors identique (modulo ce qui concerne le radiateur BT et le conduit by-pass) à celle faite pour expliciter la figure 9. La pompe à eau électrique (23) principale du circuit BT est active (position ON) et refoule vers la vanne (24) trois voies le liquide BT qu'elle aspire en amont. Le fluide BT traverse la vanne (24) trois voies sans pouvoir accéder à la batterie de traction (10) et est dirigé vers les organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19), qu'il traverse dans le sens conventionnel. A leur sortie, le liquide BT est dirigé, grâce à la pleine ouverture du thermostat (21) double effet qui condamne en même temps le conduit de by-pass (154), en direction du radiateur (14) BT. Concernant le refroidissement de la batterie (10) de traction, le système adopte la même configuration que celle prise en figure 9 et le fonctionnement de cette partie du circuit BT est identique : le fluide BT parvient de même à la même intersection. A cette intersection, le thermostat double effet (21) condamnant le conduit de by-pass (154), les fluides BT issus de la batterie de traction (10) et des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique se rejoignent, se mélangent et sont dirigés vers le radiateur BT (14) en accédant à sa boîte à eau d'entrée (146). Le thermostat (21) double effet et la vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur (14) BT vers le chiller (11) sont tous deux ouverts : les trois voies d'issue du radiateur (14) BT offertes au fluide BT sont alors ouvertes : - par l'embout de dégazage (143) - par l'embout de sortie (145) de la boîte à eau de sortie (150) du radiateur BT (14), en le traversant en un simple passage (148) - par l'embout de sortie (144) sur la boîte à eau (147), par un double passage (148, 149) à travers le radiateur BT (14). Ainsi, un fluide BT refroidi à un certain niveau de température (simple passage (148) de refroidissement à travers le radiateur BT (14)) est dirigé vers le thermostat (21) et les organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, que rejoint le fluide BT issu de la boîte de dégazage (16), tandis qu'est dirigé vers la batterie de traction (10) un liquide BT refroidi à un niveau de température plus bas que le précédent (double passage (148, 149) de refroidissement à travers le radiateur BT (14)), nécessaire pour assurer le refroidissement adéquat de la batterie de traction (10). Ainsi, même si la configuration prise ici par le système ne forme pas, au sein du même circuit BT, deux boucles de refroidissement de fluide BT découplées et distinctes, le système fournit néanmoins aux organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique et à la batterie de traction (10) du fluide BT avec des niveaux de 2 982 935 23 température différents adaptés aux besoins de refroidissement associés. Par ailleurs, si la température du fluide BT issu du radiateur BT (14) par le simple passage (148) de refroidissement venait, du fait de l'échange thermique avec l'air extérieur au niveau du radiateur BT (14), à diminuer suffisamment pour provoquer la refermeture 5 du thermostat (21), alors le système reprendrait la configuration illustrée par la figure 4. Toutefois, ces différentes variantes (figures 9 et 10) ne peuvent pas permettre un refroidissement important de la batterie de traction (10), nécessaire dans certaines situations telles que les écarts de température entre d'une part l'air 10 extérieur et le fluide BT et d'autre part ce fluide BT et les cellules de la batterie (10) ne peuvent pas permettre la dissipation d'une puissance thermique élevée (plusieurs centaines de W, voire jusqu'à 1 à 2 kW). La température du fluide BT est alors soit impossible à obtenir, soit nécessite un radiateur BT (14) de dimensions incompatibles avec l'intégration d'un tel échangeur dans le véhicule, avec de surcroît 15 de lourds impacts sur certaines autres prestations (climatisation, refroidissement du moteur thermique en cas de véhicule hybride, ...). Par ailleurs, le radiateur BT (14) doit également évacuer à l'air extérieur les calories dissipées dans le fluide BT par les organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique et certaines situations, sans qu'elles ne soient exceptionnelles, requièrent du système d'y consacrer la 20 totalité de la surface du radiateur BT (14). C'est pourquoi un sur-refroidissement du fluide BT (pour produire un fluide TBT - très basse température) avant son entrée dans la batterie de traction (10) est nécessaire afin de diminuer fortement la température du fluide pour accroître sensiblement l'écart de température entre le fluide et les cellules de la batterie (10) pour absorber la puissance thermique requise. 25 Pour cela le dispositif prend les configurations décrites figures 11 (Cas 7) et 12 (Cas 8) prises par le système, en mettant alors en oeuvre la réfrigération (le circuit réfrigérant) à travers le chiller (11), pour sur-refroidir le fluide TBT avant qu'il n'entre au sein de la batterie de traction (10). Deux circulations de liquide de refroidissement indépendantes au sein du 30 même circuit BT se font: - un circuit de fluide BT qui traverse le noyau d'eau des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique ; - un circuit de fluide TBT limitant sa circulation entre la batterie de traction (10) et le chiller (11). 35 Pour réaliser le circuit TBT des figures 11 et 12, la vanne on/off (103) disposée sur la branche (158) du circuit entre la batterie (10) et le chiller (11) est ici en position ouverte et la vanne on/off (101) disposée en sortie de la batterie (10) sur la branche vers le radiateur (14) BT en amont du thermostat (21) est fermée afin de forcer le fluide sortant de la batterie (10) de traction à emprunter la voie vers le chiller (11). Dans le même temps, la vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur (14) BT vers le chiller (11) est ici aussi en position fermée pour consacrer l'intégralité de la surface du radiateur (14) BT au refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19) quand le thermostat (21) est ouvert (Cas 8, figure 12) et pour ne pas parasiter le sur-refroidissement du fluide TBT en laissant s'infiltrer dans ce circuit BT un fluide plus chaud. Ainsi, l'activation (position ON) de la pompe à eau électrique (102) positionnée sur la branche (156) batterie permet de réaliser une circulation de fluide TBT restreinte entre la batterie (10) de traction et le chiller (11), et totalement indépendante et découplée de la circulation de fluide BT à travers le noyau d'eau des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, que le thermostat (21) soit fermé (Cas 7, fig. 11) ou ouvert (Cas 8, fig.12). La circulation de fluide BT dans le radiateur (14) est alors entièrement dédiée à évacuer à l'air extérieur les calories absorbées par le fluide BT à la traversée des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique. De plus, la production du fluide TBT à la température adéquate requise par la batterie (10) de traction nécessite une dépense de loin inférieure à celle requise par exemple par l'architecture présentée en fig.1, car la température du fluide TBT en entrée du chiller (11) est bien plus faible car le circuit TBT ne comprend alors que la batterie de traction (10) et le chiller (11) et est totalement séparé du circuit BT, sans mélange possible des fluides BT et TBT. Le dispositif décrit par la présente description permet alors de réduire fortement les sollicitations sur le circuit réfrigérant et le circuit BT.
Pour réaliser le sur-refroidissement du fluide BT (pour produire un fluide TBT - très basse température) avant son entrée dans la batterie de traction (10), le fonctionnement requiert la mise en oeuvre du chiller (11) et donc l'ouverture de la vanne (121) on/off (position ON) et éventuellement l'adaptation du pilotage du compresseur de climatisation, voire du GMV, du pulseur du groupe de climatisation et de la vanne on/off sur le circuit réfrigérant en amont de l'évaporateur habitacle et de son détendeur, pour réaliser le besoin de réfrigération supplémentaire. La transition entre les deux possibilités, c'est-à-dire entre la figure 9 et 11 et la figure 10 et 12, se fait dès que la température interne des cellules de la batterie de traction (ou leur moyenne ou leur valeur maximale ou leur gradient thermique inter- ou intra-cellule) atteint et dépasse un 1er seuil de température batterie et/ou dès que la température du fluide BT en entrée de la batterie atteint et dépasse un 1 er seuil de température tel qu'il est reconnu que le refroidissement de la batterie est alors insuffisant, et/ou par anticipation de l'un de ces deux événements (par exemple par intégration du courant fourni ou reçu par la batterie ou par un bilan thermique de la batterie). La sortie de ce mode de fonctionnement s'effectue si la température interne des cellules de la batterie de traction (ou leur moyenne ou leur valeur maximale ou leur gradient thermique inter- ou intra-cellule) redescend sous un 2nd seuil de température batterie (inférieur au 1er). La configuration prise par le système peut alors être : - soit celle décrite par les cas 5 et 6 (selon la position du thermostat (21)) pour maintenir néanmoins un léger refroidissement de la batterie (10) par le radiateur BT (14) s'il est pertinent et possible de le faire (au regard de la température du fluide BT atteignable en entrée de la batterie (10), compte- tenu des conditions extérieures et des conditions de fonctionnement de la chaîne de traction électrique) ; - soit celle décrite par les cas 3 et 4 (selon la position du thermostat) si aucune circulation de fluide BT n'est requise en interne de la batterie ; - soit, comme explicité plus haut, le système conserve de façon transitoire cette configuration (décrite le cas échéant par les cas 7 et 8) et la boucle secondaire (contenant le chiller (11)) du circuit réfrigérant est désactivée (car il n'y a alors plus besoin de sur-refroidir le fluide BT avant qu'il n'entre dans la batterie de traction (10) : la vanne on/off (121) sur le circuit réfrigérant en amont du chiller (11) et de son détendeur (131) est donc en position OFF) et la pompe à eau électrique (102) positionnée sur la branche batterie est activée à un niveau de commande intermédiaire pour assurer une circulation de fluide BT minimale en interne de la batterie de traction (10) pour homogénéiser la distribution des températures en interne des cellules de la batterie et/ou de son échangeur interne. La figure 13 illustre la gestion du système alors que le véhicule est en roulage, pour gérer thermiquement uniquement la batterie (10), en phase de roulage, en fonction de l'état thermique de la batterie de traction et de la température de l'air extérieur en amont des échangeurs de refroidissement (condenseur et radiateur BT).
Dans le cadre particulier de la fig.13, des hypothèses simplificatrices ont été prises afin de faciliter la compréhension du fonctionnement nominal du système : la seule source d'énergie haute tension est la batterie de traction, les pertes thermiques sont supposées constantes et le système est censé être bien dimensionné. D'autres informations, fournies par les différents capteurs du système non 35 représentés entrent également en considération pour gérer thermiquement efficacement la batterie de traction (10) selon les différents modes de fonctionnement offerts par le système décrit par la présente invention : - mode « chauffage » = réchauffage de la batterie, selon les cas 1 et 2 ; - mode « stand-by » = pas de circulation d'eau en interne de la batterie, selon les cas 3 et 4 ; - mode « by-pass » = circulation d'eau en une boucle courte en interne de la batterie sans échange thermique (by-pass du refroidissement à des fins par exemple d'homogénéisation des températures), selon les cas 7 et 8 avec chiller (11) inactif et vanne on/off (121) associée en position off ; - mode « refroidissement BT » : refroidissement de la batterie (10) grâce au radiateur BT (14), selon les cas 5 et 6 ; - mode « refroidissement TBT » : refroidissement de la batterie (10) en une boucle courte grâce au fonctionnement du chiller (11) et du circuit réfrigérant qui produit du fluide TBT en entrée de la batterie (10), selon cas 7 et 8. Ces modes n'ont pas des plages d'activation et de transition de l'un vers l'autre, fixes uniquement en fonction de l'état thermique de la batterie de traction (10) et de la T° de l'air extérieur : le mode de conduite, le comportement du conducteur, les conditions ambiantes, la puissance disponible ... sont autant de paramètres de variation secondaires possibles en plus de la température de la batterie (10) et la température ambiante, qui restent toutefois les paramètres de 1 er ordre. La figure 13 repose sur les considérations plus ou moins basiques suivantes : - La batterie de traction est considérée présenter (voir fig.14) : o un seuil de température (TBF) en deçà duquel la puissance électrique disponible au niveau de la batterie est fortement réduite et donc le réchauffage de la batterie est nécessaire pour en augmenter les performances disponibles. Si, une fois ce seuil de température atteint et dépassé, la température de la batterie était amenée à redescendre sous ce seuil, une hystérésis est mise en oeuvre pour stabiliser le pilotage du système. Par exemple, TBF appartient à la plage [0°C ; 15°C] et l'hystérésis prend une valeur fixe de 3°C. o un seuil de température (TBD) à partir duquel débute la réduction de performances volontaire de la batterie à des fins de protection thermique. La plage d'utilisation telle que la température de la batterie est supérieure ou égale à TBD est à proscrire. Par exemple, TBD appartient à la plage [45 °C ; 55 °C]. o Un seuil de température (TBI), tel que TBI > TBD, correspondant à la fin du derating, température pour laquelle le calculateur interne de la batterie ouvre les contacteurs à des fins de protection et de sauvegarde de la batterie. Par exemple, TBI prend par exemple la valeur de 60°C. o Un seuil de température (TBM), tel que TBM
Sur toute la plage de température batterie mais plus particulièrement au sein de la plage [TBF ; TBM], le système de gestion thermique doit être optimisé afin d'y maintenir la batterie de traction tout en minimisant l'énergie dépensée pour se faire - Concernant le mode « chauffage », le réchauffage de la batterie est, dès que justifié par la température batterie, préférentiellement mis en oeuvre dès que possible (selon la température du fluide BT dans le circuit BT et le AT entre la température du fluide BT et la température batterie) grâce aux pertes thermiques dissipées dans le fluide BT par les organes de la chaîne de traction électrique. D'autre part, la sollicitation de la batterie en charge et en décharge pendant ce temps de roulage la fait également monter en température par effet Joule. - Concernant le mode « refroidissement BT » : o Un AT mini est nécessaire entre la température batterie et la température ambiante pour juste maintenir la température de la batterie constante sur une sollicitation (par ex en roulage) donnée et donc dissiper à l'air extérieur exactement la puissance thermique dégagée par la batterie. Ce AT dépend des conditions ambiantes et de sollicitation du véhicule : il est donc fortement variable. Néanmoins, toute valeur de AT inférieure à cette valeur de AT mini mais positive est quand même bénéfique pour le système : l'augmentation de la température de la batterie est ralentie par évacuation d'une partie (et non de la totalité, puisqu'alors AT <AT> TBM, ce mode est systématiquement actif, et peut l'être pour des température batterie plus basses, selon notamment la valeur de température batterie et la température ambiante. o Basculer dans ce mode permet d'abaisser rapidement la température batterie. o Par une température ambiante élevée (trop élevée pour tirer parti du mode « refroidissement BT »), à mesure que la température batterie augmente, on pourra être amené à passer directement du mode « by-pass » au mode « refroidissement TBT » sans passer par le mode « refroidissement BT » et vice-versa si la température batterie décroît. o Lors de l'activation du « refroidissement TBT », le débit de fluide TBT en interne de la batterie est porté à sa valeur maxi pour augmenter ainsi la puissance thermique de la batterie absorbée par le système., Compte-tenu du faible surcoût en puissance électrique du pilotage associé de la pompe à eau électrique au regard : - d'une part de la puissance électrique consommée au titre du « refroidissement TBT » (impacts sur le pilotage du compresseur (22) et du GMV (20) notamment) - et d'autre part de la sensibilité du débit d'eau sur la puissance thermique absorbée à la batterie, la motivation ici est d'activer ce mode de sorte à abaisser rapidement la température batterie et à un niveau de température suffisamment bas pour : - minimiser le temps passé dans ce mode et maximiser le temps passé dans des modes moins énergivores (ex : « by-pass » ou « refroidissement BT » ou « stand-by ») - et réduire l'occurrence d'avoir à activer de nouveau le mode « refroidissement TBT » o Lors de la désactivation du « refroidissement TBT », le système adopte l'un des modes « by-pass » ou « refroidissement BT » selon la valeur de la température eau en entrée de la batterie, de la température ambiante et de la différence entre ces deux valeurs. - Le mode « by-pass » est un mode de transition, concurrencé dans certains cas par le mode « stand-by », entre les modes « refroidissement TBT » et « refroidissement BT » ou quand l'un de ces modes jusqu'alors actif devient non nécessaire. Par la circulation de fluide BT associée, le mode « by-pass » contribue à homogénéiser les températures internes des cellules de la batterie. En référence à la figure 6, dans le champ (température batterie, température ambiante) sont définis, dans un 1er temps, trois plages de température ambiante délimitées par deux frontières TAF (de l'ordre de 10 à 20°C et par exemple supérieure à TBF) et TAE (de l'ordre de 30°C et supérieure à TB1) et ensuite : - Un 1er domaine A tel que température batterie TBI : la batterie est alors hors service, donc ne peut plus fournir de l'énergie haute tension pour assurer la mobilité du véhicule ni assurer le refroidissement de la batterie de traction. - Un 2nd domaine B tel que température batterie <TBF> TBF tout en en étant proche. Par conséquent la température batterie initiale appartient au domaine D où aucune gestion thermique n'est mise en oeuvre, jusqu'à ce que la température de la batterie atteigne et dépasse, par les pertes thermiques générées par effet joule, la valeur de TB1 et entre dans le domaine 11. Le mode « refroidissement BT » est alors mis en oeuvre et l'écart de température entre la batterie et l'ambiante est encore suffisant pour que l'équilibre thermique s'établisse à l'intérieur du domaine 11, certes à une valeur de température batterie plus élevée que celles atteintes dans les exemples 1 et 2 mais sans atteindre les domaines 13,12 ni E. - Dans l'exemple n°4, la température ambiante se trouve entre TAF et TAE (à une valeur plus élevée que dans l'exemple n°3) et la batterie se trouve initialement préconditionnée thermiquement à TBF : la sollicitation de la batterie lui fait générer des pertes thermiques par effet joule et la température de la batterie augmente sans aucun refroidissement puisque se situant alors dans le domaine D. La température de la batterie atteint alors TB1 et entre dans le sous-domaine 13 où le mode « refroidissement BT » est mis en oeuvre avec un débit de fluide BT alors forcé à sa valeur maximale, le faible écart de température entre la batterie et l'ambiante le requérant pour évacuer par ce biais la puissance thermique dissipée par la batterie. Alors même si l'équilibre thermique s'établit à une température batterie relativement élevée, elle est maintenue au sein du sous-domaine 13, sans atteindre TBM, uniquement au prix de la puissance électrique consommée par la pompe à eau électrique donc sans requérir l'activation de la réfrigération et du mode « refroidissement TBT », plus énergétivore. - Dans l'exemple n°5, la température ambiante est légèrement inférieure à TAE et la batterie se trouve ici aussi initialement préconditionnée thermiquement à TBF. Les pertes thermiques générées par effet joule font augmenter, en l'absence de tout refroidissement (puisque dans le domaine D), la température de la batterie jusqu'à TB1. Par définition du sous-domaine 13, la température batterie entre alors dans ce sous-domaine du côté des température ambiantes > température batterie. Même si ici également le mode « refroidissement BT » est mis en oeuvre avec un débit de fluide BT alors forcé à sa valeur maximale, ce mode est donc dans un 1er temps inefficace et la température batterie continue à augmenter pour suffisamment dépasser alors la température ambiante. L'écart de température entre la batterie et l'ambiante qui s'instaure suffit alors à évacuer par ce biais la puissance thermique dissipée par la batterie. Ici encore, même si l'équilibre thermique s'établit à une température batterie élevée proche de TBM, elle est maintenue au sein du sous-domaine 13, sans atteindre TBM par le dimensionnement du système de gestion thermique, uniquement au prix de la puissance électrique consommée par la pompe à eau électrique donc sans requérir l'activation de la réfrigération et du mode « refroidissement TBT », plus énergétivores. En alternative, la réfrigération du fluide BT en entrée de la batterie (donc le mode « refroidissement TBT ») pourrait être mis en oeuvre dans la partie du sous-domaine 13 tel que température batterie <température> TBI, alors selon les conditions de stockage du véhicule, un AT d'au moins 20 à 30°C existe entre les températures de l'air extérieur et de la batterie, apte à évacuer la puissance thermique dissipée par la batterie selon l'amplitude de son emballement thermique. Le système de gestion thermique de la chaîne de traction prend alors la configuration décrite pour le cas 5, figure 9 : - la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT est inactive (position OFF), - la pompe à eau électrique (102) située en amont de la batterie (10) est activée pour fournir le débit de fluide BT maximal, - et le GMV (20) est activé (pour fournir sur le radiateur BT (14) une vitesse d'air nécessaire à l'évacuation à l'air extérieur des calories dégagées par la batterie (10) de traction) à un niveau de commande dépendant de la valeur de la température du fluide en sortie de la batterie (10) et de la température de l'air extérieur. Il n'y a donc circulation de liquide de refroidissement qu'au sein de la batterie de traction mais pas dans les organes de la chaîne de traction électrique. Cette configuration est maintenue jusqu'à ce que la température de la batterie soit revenue dans une plage de température acceptable ou que le SOC de la batterie de servitude (qui fournit dans ce cas l'énergie électrique du réseau 12V) atteigne un 1er seuil, au premier de ces termes échu. Par la suite, le système adopte la configuration décrite pour le cas 7, figure 11 où la pompe à eau électrique principale du circuit BT est toujours inactive (position OFF) et où s'instaure une circulation de fluide BT en une boucle courte en interne de la batterie (10) sans échange thermique, avec chiller (11) inactif et vanne on/off (121) associée en position off, avec un débit de fluide BT non maximal, ramené à une valeur nécessaire et suffisante pour homogénéiser les températures internes des cellules de la batterie (10) et le cas échéant, prodiguer un dernier niveau de refroidissement à la batterie. Cette configuration est maintenue jusqu'à ce que la température de la batterie soit revenue dans une plage de température acceptable ou que le SOC de la batterie de servitude atteigne un 2nd seuil ou après qu'un temps prédéfini se soit écoulé après le basculement du système dans la configuration décrite pour le cas 7, figure 11 au premier de ces termes échu. Une fois ce terme atteint, le système adopte la configuration de « Repos » telle que décrite pour le cas 3 avec la pompe à eau électrique principale du circuit BT inactive (position OFF) sans aucune circulation de liquide de refroidissement au sein de la batterie de traction (10) ni au sein des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique. Ces conditions sur le SOC de la batterie de servitude visent à garantir la disponibilité (accès au véhicule, condamnation électrique, réseau de bord ...) et la démarrabilité du véhicule lors de son utilisation suivante : le véhicule étant non branché au secteur électrique externe domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide), aucune recharge de la batterie de servitude n'est alors possible. Sinon ((véhicule non branché au secteur électrique externe domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide) et batterie non détériorée donc disponible) ou (véhicule branché au secteur électrique externe domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide) quelque soit l'état de la batterie), le mode « refroidissement TBT » est alors disponible (le mode « refroidissement BT » également). La priorité lui est donnée pour de maintenir la température de la batterie hors d'une plage potentiellement dangereuse. En effet, le but est ici d'endiguer l'emballement thermique, la détérioration de la batterie et les conséquences associées et n'est plus à l'optimisation énergétique de l'opération, d'autant que le véhicule n'est pas utilisé. Le système adopte alors la configuration décrite pour le cas 7, figure 11 où la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT est inactive (position OFF). Dans un 1 er temps, le circuit réfrigérant donc le chiller (11) sont maintenus inactifs et la vanne on/off (121) associée en position off, avec circulation de fluide à son débit maximal en une boucle courte en interne de la batterie (10), donc sans échange thermique avec le chiller (11). Cette 1ère étape, d'une durée de quelques secondes à quelques dizaines de secondes, vise à homogénéiser les températures internes des cellules de la batterie et à prodiguer un premier niveau de refroidissement à la batterie. Très vite, le circuit réfrigérant (y compris le GMV (20) et le compresseur électrique (22), commandés de façon adéquate, notamment en fonction du niveau de bruit perçu à l'extérieur du véhicule) donc le chiller (11) sont activés et la vanne on/off (121) associée en position on (la vanne on/off (122) associée à l'évaporateur habitacle (12) est alors forcée en position off), et la circulation de fluide en interne de la batterie (10) est maintenue à son débit maximal. Cette configuration est maintenue jusqu'à ce que la température de la batterie soit revenue dans une plage de température acceptable ou, si le véhicule n'est pas branché, jusqu'à ce que les SOC de la batterie de servitude et de la batterie de traction (10) atteignent un 1er seuil, au premier de ces termes échus. Par la suite, toujours en conservant la configuration décrite pour le cas 7, figure 11 et en maintenant la circulation de fluide en interne de la batterie (10) à son débit maximal, le circuit réfrigérant est désactivé (GMV (20) et compresseur électrique (22) stoppés, chiller (11) inactif et vanne on/off (121) associée en position off, vanne on/off (122) associée à l'évaporateur habitacle (12) en position de repos donc en position on). Cette configuration vise à homogénéiser les températures internes des cellules de la batterie (10) et le cas échéant, à lui prodiguer un dernier niveau de refroidissement. Elle est maintenue jusqu'à ce qu'un temps prédéfini se soit écoulé après la désactivation du circuit réfrigérant ou, si le véhicule n'est pas branché, jusqu'à ce que les SOC de la batterie de servitude et de la batterie de traction atteignent un 2nd seuil, au premier de ces termes échu, et tant que la température de la batterie de traction soit revenue dans une plage de température acceptable. Ces conditions sur le SOC de la batterie de servitude ont le même but que précédemment si le véhicule n'est pas branché et donc aucune recharge de la batterie de servitude n'est alors possible : disponibilité et démarrabilité du véhicule lors de son utilisation suivante. Une fois ce terme atteint, le système adopte la configuration de « Repos » que décrit pour le cas 3 avec la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT inactive (position OFF). Si le véhicule est toujours branché, les SOC de la batterie de servitude et de la batterie de traction (10) ayant pu évoluer lors de l'opération qui vient d'être décrite, il pourra être procédé à une recharge de ces batteries (dans n'importe quel ordre mais préférentiellement d'abord celle de servitude jusqu'à un certain niveau de SOC, puis celle de traction si non endommagée, puis enfin la recharge de la batterie de servitude est enfin achevée jusqu'à son SOC maximal admissible). Dans chaque cas, si les entrées d'air en face avant du véhicule sont munies de volets pilotables, leur gestion est adaptée afin d'assurer le flux d'air nécessaire sur les échangeurs en face avant (radiateur BT et condenseur) afin de garantir le refroidissement de la batterie selon les modes « refroidissement BT » et « refroidissement TBT » le cas échéant. Dans le cas d'une batterie non détériorée et véhicule non branché au secteur électrique externe domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide), une alternative non préférentielle à la stratégie explicitée précédemment consiste à recourir uniquement au mode « refroidissement BT » sans solliciter le mode « refroidissement TBT ». Situation « Post-refroidissement » : A l'issue immédiate ou à l'issue d'une temporisation d'une à deux minutes, pour s'affranchir d'activations intempestives lors d'arrêts très courts, d'un roulage sollicitant thermiquement, alors que le véhicule n'est pas branché au secteur, un post-refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique, en simultané avec celui de la batterie de traction, peut être nécessaire si la température eau dans le circuit BT et/ou si la température de ces organes sont trop élevées. Ce post- refroidissement sert à couvrir les risques thermiques liés à l'arrêt de la sollicitation des organes de la chaîne de traction électrique : - point chaud à la coupure du véhicule ; - risque d'obtenir, lors des phases de redémarrage de la chaîne de traction électrique, une température eau dans le circuit BT et/ou une température interne des organes supérieures à leur seuil respectif, et d'entrer en dérating des machines ; - éviter que l'eau stagnant dans les organes de la chaîne de traction électrique ne dépasse le seuil d'ébullition.
L'ordre d'activation des actionneurs pour le post-refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique est l'utilisation de la pompe à eau électrique principale en premier lieu pour évacuer la chaleur résiduelle emmagasinée dans les organes, puis l'utilisation du GMV pour refroidir la température d'eau si cela s'avère nécessaire.
Ainsi, dans un 1 er temps, la pompe à eau électrique sera activée à un seuil calibrable pendant un certain temps calibrable, si la température du fluide BT dans le circuit de refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique atteint ou dépasse un 1 er seuil de température calibrable ou si la température interne d'au moins un des organes atteint ou dépasse un 1 er autre seuil de température calibrable. Ensuite, si cette température de fluide BT atteint ou dépasse un 2nd seuil de température calibrable (ces 1er et 2nd seuils de température du fluide BT seront choisis tels que 2nd seuil de température > 1er seuil de température), il est requis du GMV son activation à au moins une vitesse minimale calibrable, soit fixe, soit variable en cohérence avec l'évolution de la température du fluide BT, et dans ces deux cas afin de réaliser la ventilation requise en limitant le bruit perçu à l'extérieur du véhicule. Ici également, une temporisation calibrable est lancée pour borner l'utilisation de la post-activation du GMV quelque soit la valeur de température du fluide BT, suffisamment longue pour que la température du fluide BT puisse atteindre le seuil de désactivation. Au cas où les entrées d'air en face avant du véhicule sont munies de volets pilotables, leur ouverture est requise si la vitesse du GMV est supérieure à un autre seuil calibrable. Préférentiellement, ces volets pilotables sont maintenus fermés quelle que soit la vitesse de rotation du GMV. A l'inverse, le GMV est arrêté soit au bout d'un temps calibrable, soit si la température du fluide BT descend sous le 2nd seuil de température calibrable diminué d'une hystérésis. Lorsque la vitesse du GMV devient inférieure à un seuil calibrable, la fermeture des volets d'entrées d'air en face avant du véhicule (s'il en est équipé et s'ils ont été préalablement ouverts) est autorisée. De même, la pompe à eau électrique est arrêtée soit au bout d'un temps calibrable, soit si la température du fluide BT descend sous le 1 er seuil de température calibrable ou si la température interne des organes de la chaîne de traction électrique descend sous le 1er autre seuil de température calibrable, ces seuils étant diminués d'une hystérésis. Du côté de la batterie de traction, à l'issue immédiate d'un roulage sollicitant thermiquement pour elle ou à l'issue d'une temporisation d'une à deux minutes pour s'affranchir des enclenchements intempestifs lors d'arrêts très courts, si son SOC est supérieur à une certaine valeur fixée et si sa température atteint ou dépasse un seuil (TEMP BTRAC POSTREFR HIGH) fixé à une valeur : - suffisamment élevé pour ne pas interférer avec les stratégies explicitées ci-avant - mais suffisamment bas pour ne pas altérer la durée de vie de la batterie, un post-refroidissement est opéré jusqu'à ce que la température de la batterie redescende sous un seuil TEMP BTRAC POSTREFR LOW fixé à par exemple 30°C. Par des températures extérieures élevées ou même tempérées, ce post-refroidissement est pertinent pour abaisser la température de la batterie de traction.
Par contre, par des températures extérieures plus faibles, il est connu que les performances de la batterie sont réduites, en l'absence de tout dispositif permettant de réchauffer la batterie autre que son auto-échauffement en utilisation ou afin d'économiser la puissance électrique consacrée à son réchauffement ou encore si les calories présentes dans le circuit BT sont notoirement insuffisantes pour se faire. Il peut alors être pertinent de ne pas post-refroidir la batterie dans ces conditions afin, la batterie encore chaude étant stockée dans une ambiante thermique froide, de conserver à l'intérieur du pack batterie la chaleur utile pour le départ suivant du véhicule avec une batterie encore en température, la plus possible à même de fournir ses performances nominales. Ainsi, à la condition énoncée ci-dessus sur la température de la batterie, s'ajoute comme condition d'entrée dans la phase de post- refroidissement de la batterie, une condition sur la température extérieure, telle que le post-refroidissement soit inhibé si la température extérieure est inférieure à un seuil TEMP EXT POSTREFR (par exemple 10°C). En phase de post-refroidissement, le véhicule n'est pas branché au secteur électrique domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide) (contrairement au préconditionnement thermique commenté ci-après). L'énergie ainsi consacrée à post-refroidir la batterie (durabilité, disponibilité et autonomie du mode électrique) ne peut plus être dédiée à la mobilité du véhicule. Un seuil de température trop bas activant le post-refroidissement est donc certes favorable à la durabilité de la batterie mais ce post-refroidissement se fait en consommant de l'énergie électrique stockée dans la batterie. Ainsi, la condition d'entrée dans ce mode « post-refroidissement » se complète d'une condition sur un niveau de SOC minimal à respecter avant de basculer dans ce mode et la condition de sortie température batterie TEMP_BTRAC_POSTREFR_LOW peut se compléter, au premier des termes échus, d'une condition de durée maximale de post- refroidissement TIMER_POSTREFR (fixée à une valeur par exemple comprise entre 5 et 10 minutes) et d'une condition sur le niveau de SOC minimal de la batterie de traction. Enfin, à ces conditions s'ajoute, avant d'entrer dans la phase de post- refroidissement, une temporisation d'une à deux minutes activée afin de s'affranchir de cette opération alors inutile s'il s'agit d'un arrêt très temporaire avant de repartir. Parmi les cinq modes présentés ci-dessus : « chauffage », « stand-by », « by-pass », « refroidissement BT » et « refroidissement TBT », seuls l'un ou l'autre des deux derniers seront mis en oeuvre pour réaliser ce post-refroidissement. En plus de température de la batterie, le choix s'effectuera en fonction de la température du fluide BT en entrée de la batterie et de la température de l'air extérieur. Ainsi, si les écarts de température entre l'air extérieur et le fluide BT d'une part et entre le fluide BT et la batterie de l'autre, sont suffisants pour que le mode « refroidissement BT » puisse réaliser ce post-refroidissement, alors ce mode est privilégié, sinon on a recours au mode « refroidissement TBT ». Toutefois dans les deux cas, chacun de ces deux modes est suivi, avant la sortie de la situation de post-refroidissement, d'une phase, d'une durée d'une dizaine de secondes à une minute, où le mode « by- pass » est activé afin d'homogénéiser les températures en interne des cellules de la batterie de traction avant de passer dans le mode repos. Ainsi, les différentes configurations pouvant être prises par le système sont: - cas 4 (voire cas 3 si le thermostat se referme mais la circulation de fluide BT peut être maintenue au sein des organes de la chaîne de traction électrique si leurs températures le justifient) si nécessité de post-refroidir ces organes sans besoin d'un post-refroidissement de la batterie ; - cas 6 (voire cas 5 pour les mêmes raisons que ci-avant pour le cas 3) en cas d'un post-refroidissement de la batterie de traction selon le mode « refroidissement BT » et en même temps post-refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique ; - cas 6 et 5 avec désactivation de la pompe à eau électrique principale, si nécessité de post-refroidir la batterie de traction sans besoin de post-refroidir les organes de la chaîne de traction électrique ; - cas 8 (voire cas 7 pour les mêmes raisons que ci-avant pour les cas 3 et 5) en cas d'un post-refroidissement de la batterie de traction selon le mode « refroidissement TBT » et en même temps post-refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique ; - cas 8 et 7 avec désactivation de la pompe à eau électrique principale, si nécessité de post-refroidir la batterie de traction sans besoin de post-refroidir les organes de la chaîne de traction électrique ; - cas 8 et 7 encore avec désactivation du circuit réfrigérant pour réaliser le mode « by-pass » pour la batterie de traction, et désactivation ou non de la pompe à eau électrique principale selon la nécessité de post-refroidir en même temps les organes de la chaîne de traction électrique.
Situation « préconditionnement thermique » : La raison d'être de la phase « préconditionnement thermique de la batterie » est de profiter du raccordement du véhicule au secteur électrique extérieur pour réchauffer ou abaisser si nécessaire et judicieux la température de la batterie : - Dès le raccordement au réseau électrique externe, au plus tôt, à des fins de durée de vie batterie en abaissant ainsi sa température par une dépense énergétique réduite puisque l'énergie requise est puisée sur le réseau électrique, qu'il n'y ait eu ou non de post-refroidissement préalable de la batterie ; - En dehors d'une recharge (le véhicule étant toutefois toujours branché au réseau électrique extérieur), si la thermique batterie et l'ambiante thermique extérieure le justifient ; - Avant le départ du client (si l'heure de départ a été programmée) en refroidissant ou réchauffant la batterie afin qu'elle soit dans sa plage optimale de température de fonctionnement pour garantir une disponibilité accrue du mode électrique pur, selon la valeur alors prise par la température de la batterie. - Après le roulage, en l'absence de post-refroidissement de la batterie, afin de participer à la durabilité batterie (contribuer à abaisser la température moyenne de la batterie sur sa durée de vie) et de permettre une disponibilité accrue du mode électrique pur, selon la thermique batterie et la température extérieure. Un préconditionnement thermique en réchauffage de la batterie est pertinent, afin de satisfaire une disponibilité du mode électrique pur par des températures extérieures froides. Un préconditionnement thermique de la batterie (en refroidissement) peut s'avérer nécessaire afin de réduire la température interne de la batterie de traction à plusieurs titres : - sa durée de vie (impacte la température moyenne de la batterie), - la disponibilité du mode électrique pur ou de la traction électrique (limitations si la température de la batterie est trop élevée), - le bilan énergétique (compte-tenu de la grande inertie thermique de la batterie, sa première requête de refroidissement interviendra plus tard lors du roulage suivant) - et la prestation confort thermique habitacle (la première requête de refroidissement de la batterie, intervenant plus tard lors du roulage suivant, laisse la priorité dans les premiers moments du roulage à la convergence et au maintien de la consigne de régulation de la réfrigération de l'habitacle) Dans le cas d'un véhicule hybride, l'approche peut différer de celle d'un véhicule purement électrique où la chaîne de traction électrique est la seule source de mobilité du véhicule (et donc la batterie de traction sa seule source d'énergie). Pour des températures extérieures plus élevées ou plus basses ou s'il est choisi de privilégier la mobilité du véhicule en ne consacrant pas l'énergie résiduelle stockée dans la batterie à sa gestion thermique, il peut être admis que lors de sa prochaine utilisation, si la thermique de la batterie ne permet pas un départ en mode électrique pur, le moteur thermique soit démarré afin d'assurer la mobilité du véhicule. Pendant ce temps, le refroidissement ou le réchauffage de la batterie sera alors activé, en compromis soit avec la réfrigération de l'habitacle soit avec la puissance électrique disponible en fonction de la température batterie, afin d'en permettre le plus tôt possible la disponibilité selon sa température et l'énergie résiduelle. Cette fonction de préconditionnement thermique n'est accessible que si le véhicule est branché via le chargeur au réseau électrique domestique ou public ou spécifique. Cela afin de réduire la dépense énergétique associée et de ne pas amputer la mobilité en mode hybride ou électrique offerte par l'énergie électrique stockée dans la batterie, l'intérêt étant, en plus de la disponibilité du mode électrique pur et de la durabilité batterie déjà évoquées, d'offrir une autonomie accrue, puisque la réfrigération ou le réchauffage de la batterie ne seront alors pas actifs pendant le temps que la batterie mettra à monter en température et la puissance électrique associée ainsi économisée alors que la batterie est la seule source d'énergie électrique. Une demande de préconditionnement thermique de la batterie est générée 20 dès que le cordon de charge est branché et : - en refroidissement, sur des conditions de température batterie TEMP BTRAC PRECOND HOT et de température ext > TEMP EXT PRECOND (par exemple 10°C) ; - en réchauffage, sur une condition de température batterie
Le refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique doit être assuré : - dès le lancement d'une de ces phases de préconditionnement, un débit minimal pourra être instauré au sein du circuit caloporteur basse température (par défaut nul, ou davantage s'il est requis un débit minimal constant non nul pour le fonctionnement des organes ou pour sensibiliser la sonde de température eau) ; - durant les phases de préconditionnement, si la température interne des organes de la chaîne de traction électrique impliqués dans le processus de préconditionnement ou si la température eau du circuit caloporteur basse température, atteint ou dépasse le critère de température associé, au 1 er des termes échu, alors la pompe à eau électrique est activée à un débit supérieur (par exemple son débit maximal), jusqu'à ce que la température déclencheuse (température interne organe ou température eau du circuit BT) redescende sous le seuil associé diminué d'une hystérésis ajustée en conséquence, selon la nature du critère déclencheur. Lors du refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique en phase de préconditionnement, en référence les volets d'entrée d'air en face avant du véhicule sont maintenus fermés mais leur ouverture peut être requise (si pas déjà ouvert par ailleurs) afin de favoriser le transfert à l'air extérieur des calories dégagées dans le circuit BT par les organes de la chaîne de traction électrique. En référence, il n'est pas requis du GMV un apport de puissance aéraulique sur le radiateur BT mais en alternative non préférentielle, le GMV pourra être activé et désactivé (hystérésis inclus) à un seuil de vitesse calibrable à partir de seuils calibrables de température eau basse température et/ou de température interne des organes impliqués. Ainsi, dès l'entrée dans la situation « préconditionnement thermique » : - La pompe à eau basse température principale est activée à une consigne calibrable : o nulle s'il est permis que les organes associés au processus de préconditionnement puissent fonctionner, pendant tout le processus, sans débit de liquide de refroidissement ; o ou non nulle s'il est requis un débit minimal pour le fonctionnement et le refroidissement de ces organes ou pour sensibiliser la sonde de température du fluide BT. Dans ce cas, le débit minimal de fluide BT requis peut être délivré de façon continue ou périodique (en fonction du temps) ; 2 982 935 48 dans tous les cas variable en fonction de la température eau dans le circuit BT et des température des organes associés au processus de préconditionnement (notamment chargeur et électronique de puissance) au 1 er des termes échu. - Les volets d'entrée d'air en façade avant pourront être en position ouverte si la 5 température eau du circuit BT atteint ou dépasse un autre seuil de température calibrable ou si la température interne d'au moins un des organes concernés atteint ou dépasse un autre seuil de température calibrable, pour favoriser la dissipation thermique à travers le radiateur BT même si le GMV ne tourne pas ou si la vitesse de rotation du GMV atteint et dépasse une valeur calibrable. 10 - Le GMV est commandé à une vitesse calibrable (en référence constamment nulle, donc GMV désactivé) à partir de seuils calibrables sur la température eau du circuit BT et sur les températures des composants impliqués dans le processus de préconditionnement et en considérant des critères de bruit perçu à l'extérieur du véhicule. 15 Pour assurer le préconditionnement thermique de la batterie, le système de gestion thermique de la chaîne de traction ici présenté peut prendre selon les cas plusieurs configurations possibles: - Cas 1, pour récupérer et communiquer à la batterie de traction (10) les calories encore présentes par inertie thermique dans le circuit BT et/ou dissipées par les 20 organes de la chaîne de traction électrique alors opérationnels dans cette phase de vie, notamment le chargeur (19) et l'électronique de puissance (18) ; - Cas 2, pour les mêmes raisons explicitées lors de sa description plus haut ; - Cas 3 et 4, quand le besoin de réchauffer ou de refroidir la batterie (10) n'est plus avéré mais que les autres organes (18, 19) de la chaîne de traction électrique 25 requièrent une circulation interne de fluide BT avec un besoin de refroidissement respectivement limité (thermostat fermé) ou plus important (thermostat ouvert) ; - Cas 5 et 6, quand il s'agit de préconditionner en refroidissement la batterie (10) et que le mode « refroidissement BT » seul peut y suffire, avec en même temps une nécessaire circulation de fluide BT en interne des organes (18, 19) de la chaîne 30 de traction électrique, avec un besoin de refroidissement associé respectivement limité (thermostat (21) fermé) ou plus important (thermostat (21) ouvert) ; - Cas 7 et 8, quand il s'agit de préconditionner en refroidissement la batterie (10) et que le mode « refroidissement TBT » est alors requis (donc circuit réfrigérant actif, chiller (11) opérationnel et vanne on/off associée (121) en position on et vanne on/off (122) associée à l'évaporateur habitacle (12) en position off), avec en même temps une nécessaire circulation de fluide BT en interne des organes (18, 19) de la chaîne de traction électrique, avec un besoin de refroidissement associé respectivement limité (thermostat fermé) ou plus important (thermostat ouvert) ; - Cas 7 et 8 à nouveau, mais cette fois-ci en mode « by-pass » avec uniquement active la pompe à eau électrique (102) associée à la batterie (10) (circuit réfrigérant inactif, donc chiller (11) inopérationnel et vanne on/off (121) associée en position off et vanne on/off (122) associée à l'évaporateur habitacle (12) en position de repos, préférentiellement on), avec en même temps une nécessaire circulation de fluide BT en interne des organes (18, 19) de la chaîne de traction électrique, avec un besoin de refroidissement associé respectivement limité (thermostat (21) fermé) ou plus important (thermostat (21) ouvert) ; - dans chaque cas ci-avant (à l'exception des configurations prises par le système telles qu'explicitées par les cas 1 et 2), la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT est désactivée dès que le besoin de refroidir les organes (18, 19) de la chaîne de traction électrique disparaît et que leur fonctionnement sans circulation interne de fluide BT est permis. Situation « recharge batterie » : Il s'agit de la recharge depuis le réseau électrique domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide), et non de la recharge procurée par le fonctionnement d'au moins une machine électrique en mode générateur de courant en phase de roulage du véhicule. Les véhicules rechargeable, qu'ils soient hybrides ou a fortiori électriques, présentent la possibilité de recharger la batterie de traction sur le secteur (prise domestique ou publique ou spécifique (pour une recharge rapide)). On peut distinguer plusieurs types de recharge : - d'une part, la recharge peut être lente (recharge sous 3 à 5kW maxi) ou rapide (recharge sous jusqu'à 40 à 50kW) : le comportement thermique de la batterie de traction ne sera pas le même lors de ces deux types de recharge ; - d'autre part, la recharge peut être immédiate (dès le branchement du cordon de charge au secteur électrique domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide) si cette recharge est autorisée) ou différée par programmation de l'horaire de début de recharge ou d'utilisation du véhicule souhaité. 2 982 935 50 Lors de cette situation également, la batterie nécessite d'être gérée thermiquement. Selon les cas, refroidie (pour absorber les calories générées au sein de la batterie à la fois par effet Joule et par la thermochimie des réactions s'y déroulant) ou réchauffée, et à la fois : 5 - avant la recharge, en refroidissement ou en chauffage, afin de mettre la batterie thermiquement en condition pour en autoriser la recharge, par exemple si la recharge de la batterie requiert que sa température appartienne à une certaine plage et si une recharge à une puissance trop élevée et à une température batterie trop faible (ex : de -20°C à 0°C) ou à une température trop élevée (ex : > 10 40°C) serait endommageante pour la batterie ; - pendant la recharge, y compris pendant la phase d'équilibrage des cellules ou pour favoriser cette phase, afin non seulement de ne pas dépasser les limites supérieures de température batterie vis-à-vis de sa fiabilité et de sa durée de vie, mais aussi d'optimiser la durée de la recharge. En effet : 15 - pour une température batterie trop élevée, la batterie interdit ou suspend sa recharge pour se protéger ; - pour une température batterie trop faible, la recharge pourra être adaptée en limitant la puissance en début de recharge pour réchauffer la batterie puis la recharger avec le niveau de puissance nominal, d'où 20 potentiellement un allongement du temps de recharge global ; - mais aussi après la recharge, en refroidissement comme en réchauffage, afin de garantir la disponibilité de la batterie pour un roulage en mode électrique pur immédiatement à la suite de sa recharge si sa température interne avait d'aventure trop ou pas suffisamment augmenté à la fin de la recharge. 25 Ainsi avant sa recharge, si une gestion thermique de la batterie est nécessaire pour amener sa température dans une certaine plage et : - si température batterie TEMP_BTRAC_RECH_BEFORE_HOT (par exemple 35 à 40°C), alors un refroidissement est opéré jusqu'à ce que température batterie TEMP BTRAC RECH START HOT (par exemple 20 à 30°C), fixée à une valeur 30 compatible de la plage de température batterie évoquée plus haut et telle qu'un refroidissement de la batterie pendant sa recharge ne soit, dans la mesure du possible, plus nécessaire en recharge lente (ou en recharge rapide sur les faibles niveaux de puissance électrique injectée), afin d'optimiser le temps de recharge. - si température batterie TEMP_BTRAC_RECH_BEFORE_COLD (dans une plage de -40°C à par exemple 0°C ou même au-delà si judicieux), alors un réchauffage des cellules de la batterie est nécessaire jusqu'à ce que température 2 982 935 51 batterie TEMP BTRAC RECH START COLD (par exemple 0 à 20°C), fixée à une valeur compatible de la plage de température batterie évoquée plus haut et telle qu'un refroidissement ni un réchauffage de la batterie pendant sa recharge ne soient, dans la mesure du possible, plus nécessaires en recharge lente (ou en 5 recharge rapide pour de faibles niveaux de puissance électrique injectée), afin d'optimiser le temps de recharge. Pendant la recharge et y compris pendant la phase d'équilibrage des cellules, le refroidissement de la batterie peut s'avérer nécessaire, de façon continue (en recharge rapide pour des niveaux de puissance injectée élevés) ou occasionnelle / 10 intermittente en recharge lente ou en recharge rapide pour de faibles niveaux de puissance électrique injectée, afin de favoriser la recharge en en absorbant les calories dégagées par effet Joule et par les réactions chimiques exothermiques s'y déroulant. Si tel est le cas, s'il est pertinent de refroidir de façon occasionnelle ou intermittente la batterie de traction et si alors température batterie 15 TEMP BTRAC RECH DURING (par exemple 40°C), alors un refroidissement est opéré jusqu'à ce que température batterie TEMP_BTRAC_RECH_LOW_DURING (par exemple au plus 35°C), valeurs fixées de sorte qu'une seconde phase de refroidissement de la batterie pendant sa recharge ne soit, dans la mesure du possible, plus nécessaire en recharge lente (ou en recharge rapide pour de faibles 20 niveaux de puissance électrique injectée), et afin d'optimiser le temps de recharge. Dans le cas d'une recharge rapide avec des niveaux de puissance injectée élevés, le refroidissement de la batterie peut être mis en oeuvre selon le fonctionnement qui vient d'être explicité (seuils d'activation et de désactivation du refroidissement, éventuellement adaptés pour réduire le nombre d'activations et de désactivations du 25 système de refroidissement et limiter l'impact sur la durée de la recharge) ; plus préférentiellement, le refroidissement de la batterie est mis en oeuvre de façon continue afin de maintenir la température de la batterie à une valeur approximativement constante ou alors au sein d'une plage donnée de température, sans sur-solliciter les organes de refroidissement nécessaires par des 30 enclenchements et désenclenchements intermittents. La gestion thermique de la batterie peut se justifier également à l'issue de la recharge, pour garantir la disponibilité de la batterie pour un roulage en mode électrique pur immédiatement à la suite de sa recharge si la température de la batterie est trop ou pas assez élevée à la fin de la recharge, ainsi qu'au titre de la 35 durabilité de la batterie (influence sur sa température moyenne). Si tel est le cas et si température batterie TEMP_BTRAC_RECH_AFTER_HOT (par exemple 35°C) ou si température batterie TEMP_BTRAC_RECH_ AFTER _COLD (dans une plage de -40°C à 10°C), à l'issue immédiate de la recharge, alors respectivement un refroidissement ou un réchauffage est opéré jusqu'à ce que température batterie atteigne TEMP_BTRAC_RECH_AFTER (dans une plage de 10 à 20°C), fixée de sorte que cette valeur soit suffisamment basse pour maximiser la disponibilité d'un roulage en mode électrique pur et pour qu'un refroidissement de la batterie pendant le roulage suivant ait lieu le plus tard possible afin de maximiser l'autonomie en mode électrique, mais quand même suffisamment élevée pour que la batterie soit dans sa plage de température optimale vis-à-vis de la puissance électrique disponible. De même qu'en phase de post-refroidissement (à la différence qu'alors la batterie et le véhicule ne sont pas raccordés à une source d'énergie externe tandis que c'est le cas ici), par des températures ambiantes extérieures faibles telles que les performances de la batterie chambrée à ces températures sont réduites par rapport à leur niveau à des températures batterie plus élevées, l'absence de refroidissement de la batterie après la recharge peut se justifier afin, la batterie étant alors stockée dans une ambiante thermique plus froide et compte-tenu de son inertie thermique et des échanges thermiques en oeuvre par conduction et convection naturelle avec l'environnement ambiant, de conserver à l'intérieur du pack batterie la chaleur utile pour le départ suivant du véhicule avec une batterie encore en température, la plus possible à même à fournir ses performances nominales. Cette stratégie vise aussi à économiser la mise en oeuvre d'un réchauffage a posteriori pour compenser le refroidissement qui aurait été opéré, et l'énergie électrique associée à ces deux opérations. Ainsi, à la condition énoncée ci-dessus sur la température batterie s'ajoute, comme condition d'entrée dans la phase de refroidissement de la batterie après sa recharge, une condition sur la température ambiante, telle que le refroidissement à l'issue de la recharge soit inhibé si température ambiante
En cas d'une recharge lente immédiate, on commence par refroidir (respectivement réchauffer) la batterie si sa température est supérieure au seuil TEMP BTRAC RECH BEFORE HOT (respectivement inférieure au seuil TEMP BTRAC RECH BEFORE COLD) défini ci-dessus. Dans ce cas, la consigne de température de la batterie donnée comme cible à atteindre au système de gestion thermique est alors fixée à TEMP_BTRAC_RECH_LOW_BEFORE (pour le refroidissement : valeur calibrable comprise par exemple entre 0 et 20°C) et à TEMP BTRAC RECH HIGH _BEFORE (pour le réchauffage de la batterie : valeur calibrable comprise par exemple entre -40 et 25°C). Afin de privilégier la recharge batterie, la gestion thermique de la batterie de traction (respectivement refroidissement ou réchauffage, le cas échéant) sera désactivée dès que la température de la batterie atteint un seuil, TEMP_BTRAC_RECH_IMM, compris entre TEMP BTRAC RECH BEFORE et TEMP_BTRAC_RECH_LOW_BEFORE (respectivement TEMP_BTRAC_RECH_HIGH_BEFORE ; valeur calibrable, par exemple 25°C). Ce seuil permet ainsi d'abaisser (respectivement augmenter) significativement la température de la batterie sans attendre d'atteindre le seuil de TEMP_BTRAC_RECH_LOW_BEFORE (TEMP BTRAC RECH HIGH BEFORE respectivement) et sera choisi de sorte à ne pas avoir à gérer thermiquement à nouveau la batterie pendant la recharge (compte-tenu de l'élévation de la température de la batterie pendant la recharge) afin de ne pas allonger le temps total alloué à la recharge. Cette stratégie consistant à appliquer une consigne de refroidissement de la batterie et de stopper sa gestion thermique prématurément, permet de garantir une convergence rapide de la température de la batterie vers la plage désirée. Par ailleurs, s'agissant d'une recharge « immédiate » lente, une contrainte temporelle sur la gestion de la température de la batterie permet de ne pas trop retarder la recharge effective de la batterie si son refroidissement ou réchauffage jusqu'à TEMP_BTRAC_RECH_IMM venait à prendre trop de temps. Ainsi, cette condition se complète, au premier des termes échu, d'une condition de durée maximale (par exemple 10 à 15 minutes). Dans le cas d'une recharge rapide avec des niveaux de puissance injectée élevés, qu'elle soit immédiate ou programmée, le refroidissement de la batterie est nécessaire au moins pendant la recharge (alors que dans le cas d'une recharge lente, les stratégies explicitées ci-avant visent à s'affranchir de la gestion thermique de la batterie pendant la recharge). On déroule alors les processus tels que décrits ci-dessus. Concernant les organes de la chaîne de traction électrique, ceux alors opérationnels en phase de recharge plug-in de la batterie de traction, notamment le chargeur et l'électronique de puissance, peuvent donc requérir du système de gestion thermique de la chaîne de traction un certain niveau de refroidissement, pour assurer leurs fonctions associées à la recharge proprement dite et à la fourniture en haute, basse et/ou très basse tensions des organes nécessaires à la gestion thermique de la chaîne de traction. Ce refroidissement doit être dimensionné dans cette situation de sorte que le respect des critères de température interne à ces composants et de température eau en entrée de ces composants garantit leur fonctionnement optimal (afin notamment de maximiser la disponibilité de la recharge de la batterie à pleine puissance) à leur performance nominale (hors derating) sans atteinte à leur intégrité (fiabilité et durée de vie).
Le refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique doit être assuré : - dès le lancement de la phase de recharge, un débit minimal pourra être instauré au sein du circuit caloporteur basse température (par défaut nul, ou davantage s'il est requis un débit minimal constant non nul pour le fonctionnement des organes ou pour sensibiliser la sonde de température eau), de façon continue ou périodique en fonction du temps ; - durant la phase de recharge, si la température interne des organes de la chaîne de traction électrique associés ou si la température eau du circuit caloporteur basse température , atteint ou dépasse le critère de température associé, au 1 er des termes échu, alors la pompe à eau électrique est activée à un débit supérieur (par exemple son débit maximal), jusqu'à ce que la température déclencheuse (température interne organe ou température eau du circuit BT) redescende sous le seuil associé diminué d'une hystérésis ajustée en conséquence, selon la nature du critère déclencheur.
Cette valeur de débit maximal dans le circuit BT sera par contre imposée, même sans besoin avéré au titre du refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique, en cas de besoin avéré de réchauffer la batterie de traction afin de lui transférer les calories dissipées par ces organes, en l'absence d'autre artifice apte à la réchauffer indépendamment (brûleur, réchauffeur électrique, résistances électriques de contact, pompe à chaleur, ...).
Lors du refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique en phase de recharge de la batterie de traction, l'ouverture des volets d'entrée d'air en face avant du véhicule peut être requis (si pas déjà ouvert par ailleurs, par exemple s'il faut en même temps refroidir la batterie elle-même et que ce refroidissement requiert l'ouverture des volets) afin de si nécessaire favoriser le transfert à l'air extérieur des calories dégagées dans le circuit BT par les organes de la chaîne de traction électrique. En référence, le GMV n'est pas activé au titre du refroidissement de ces organes (hors batterie de traction). En alternative non préférentielle, il pourra être activé / désactivé à un seuil de vitesse calibrable à partir de seuils calibrables de température eau basse température et/ou de température interne des organes impliqués, et tenant compte de critères de bruit perçu à l'extérieur du véhicule. Ainsi, dès l'entrée dans la situation « recharge plug-in de la batterie de traction » : - La pompe à eau basse température principale est activée à une consigne calibrable : o nulle s'il est permis que les organes associés au processus de recharge puissent fonctionner, pendant tout le processus, sans débit de liquide de refroidissement ; o ou non nulle s'il est requis un débit minimal pour le fonctionnement et le refroidissement de ces organes ou pour sensibiliser la sonde de température eau dans tous les cas variable en fonction de la température eau dans le circuit BT et des température des organes associés au processus de recharge (notamment chargeur et électronique de puissance) au 1 er des termes échu. - Les volets d'entrée d'air en façade avant pourront être en position ouverte si la température eau du circuit BT atteint ou dépasse un autre seuil de température calibrable ou si la température interne d'au moins un des organes concernés atteint ou dépasse un autre seuil de température calibrable, pour favoriser la dissipation thermique à travers le radiateur BT même si le GMV ne tourne pas. - Le GMV est commandé à une vitesse calibrable (en référence constamment nulle, donc GMV désactivé) à partir de critères de bruit perçu à l'extérieur du véhicule et de seuils calibrables sur la température du fluide BT et sur les températures des composants impliqués dans le processus de recharge. Ainsi, pour assurer la gestion thermique de la chaîne de traction en phase de recharge de la batterie, le système ici présenté peut prendre selon les cas plusieurs configurations possibles: 2 982 935 56 - Cas 1, pour récupérer et communiquer à la batterie de traction (10) les calories encore présentes par inertie thermique dans le circuit BT et/ou dissipées par les organes de la chaîne de traction électrique alors opérationnels dans cette phase, notamment le chargeur (19) et l'électronique de puissance (18) ; 5 - Cas 2, pour les mêmes raisons explicitées lors de sa description plus haut ; - Cas 5 et 6, quand il s'agit de refroidir la batterie (10) et que le mode « refroidissement BT » seul peut y suffire, avec en même temps une nécessaire circulation de fluide BT en interne des organes (18, 19) de la chaîne de traction électrique, avec un besoin de refroidissement associé respectivement limité 10 (thermostat fermé) ou plus important (thermostat ouvert) ; - Cas 7 et 8, quand il s'agit de refroidir la batterie (10) et que le mode « refroidissement TBT » est alors requis (donc circuit réfrigérant actif, chiller (11) opérationnel et vanne on/off (121) associée en position on et vanne on/off (122) associée à l'évaporateur habitacle (12) en position off), avec en même temps une 15 nécessaire circulation de fluide BT en interne des organes (18, 19) de la chaîne de traction électrique, avec un besoin de refroidissement associé respectivement limité (thermostat (21) fermé) ou plus important (thermostat (21) ouvert) ; - Cas 7 et 8 à nouveau, mais cette fois-ci en mode « by-pass » avec uniquement active la pompe à eau électrique (102) associée à la batterie (circuit réfrigérant 20 inactif, donc chiller (11) inopérationnel et vanne on/off associée (121) en position off et vanne on/off (122) associée à l'évaporateur habitacle (12) en position de repos, préférentiellement on), avec en même temps une nécessaire circulation de fluide BT en interne des organes (18, 19) de la chaîne de traction électrique, avec un besoin de refroidissement associé respectivement limité (thermostat fermé) ou 25 plus important (thermostat ouvert) ; - dans chaque cas ci-avant (à l'exception des configurations prises par le système telles qu'explicitées par les cas 1 et 2), la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT est désactivée dès que le besoin de refroidir les organes (18, 19) de la chaîne de traction électrique disparaît et que leur fonctionnement sans 30 circulation interne de fluide BT est permis. Si ce n'est pas le cas, afin d'en réduire la consommation électrique, la pompe à eau électrique (23) sera mise en oeuvre de façon périodique ou de sorte à fournir le débit minimal requis par les organes à refroidir (batterie de traction (10), électronique de puissance (18), chargeur (19)). On aura noté, a contrario de la phase « préconditionnement thermique », que 35 les cas 3 et 4, tels que la circulation de fluide BT en interne de la batterie (10) est interrompue dès que le besoin de la réchauffer ou de la refroidir n'est plus avéré, ne font préférentiellement pas partie des configurations pouvant être adoptées par le système de gestion thermique de la chaîne de traction dans la phase « recharge plug-in batterie ». En effet, dans ce cas, le mode « by-pass » est privilégié afin de garantir l'homogénéisation des températures internes des cellules de la batterie de traction, celle-ci étant toujours en phase de recharge. Si néanmoins la technologie des cellules de la batterie permet de se passer de cette phase continue d'homogénéisation des températures internes des cellules, de couper toute circulation de fluide BT en interne de la batterie et donc de recourir aux configurations illustrées par les cas 3 et 4, alors ces configurations feront partie du panel de configurations pouvant être prises par le système dans la phase « recharge batterie ». Optimisation du compromis entre les prestations véhicule et la durabilité batterie : Cette stratégie vise à moduler les conditions d'exploitation de la batterie impactant son vieillissement (niveaux de prestations requis, plage d'utilisation, gestion thermique) pour optimiser les performances du véhicule (consommation, autonomie, confort thermique habitacle ...) en compromis avec la durabilité de la batterie. Les conditions d'utilisation du client sont considérées comme des données d'entrée imposées du processus d'optimisation, caractérisées notamment par la température ambiante (zone de commercialisation, climat, saison, conditions de stockage du véhicule ...), le nombre de recharges quotidiennes, le mode (électrique pur, hybride), le type (calme, sportive ...) et les lieux (ville, route, autoroute ...) de conduite ...
Les axes d'optimisation sont : - Libérer les conditions d'exploitation de la batterie d'un client dit « peu sévère » pour améliorer significativement les prestations qui lui sont offertes, au prix d'une durabilité batterie équivalente à celle d'un client plus sévère, toutefois en adéquation avec la durée de vie du véhicule ; - Optimiser les conditions d'exploitation de la batterie d'un client donné pour améliorer ses prestations, à iso-durabilité (exemple : sur-refroidissement de la batterie pour élargir la plage de SOE (pour State of Energy selon la terminologie anglo-saxonne) utile. Pour se faire, un facteur d'endommagement est défini, évalué en temps réel en prenant en compte les conditions d'exploitation de la batterie, et comparé à une cible maximale. Ce facteur d'endommagement vise à garantir autant que possible, pour chaque client, la durabilité de la batterie sur toute la durée de vie du véhicule. Les principaux paramètres pris en compte sont la quantité d'énergie absorbée et fournie par la batterie par plage de SOC, le temps passé dans chaque plage de température de la batterie (à la fois en usage et en stockage) et de courant, le vieillissement et le kilométrage ... Ce facteur d'endommagement influence notamment la profondeur de décharge DOD (pour Depth of Discharge selon la terminologie anglo-saxonne), le SOE et sa modulation, l'ajustement de la puissance électrique disponible et fournie (notamment en fonction du SOC et de la température de la batterie), et aussi la gestion thermique de la batterie (à travers la modulation de sa température de régulation en roulage, préconditionnement thermique, post- refroidissement ...). Dans le cas d'un client dit « peu sévère », caractérisé par un faible niveau de sollicitations (SOE utile faible, température ambiante nominale, refroidissement batterie suffisant, pas ou peu de roulage en mode électrique pur, conduite sage ...), la stratégie autorise, par exemple, un élargissement de la plage de SOE utile ou un refroidissement batterie modéré pour améliorer les prestations véhicule telles que la consommation, l'autonomie en mode électrique pur ... Dans le cas d'un client dit « sévère », caractérisé par un niveau de sollicitations exigeant (conduite sportive, température ambiante élevée, roulages en mode électrique pur fréquents, plusieurs recharges plug-in quotidiennes ...), résultant en un faible niveau de SOE utile et un refroidissement batterie important, même si encore insuffisant, pour la préserver du vieillissement, la stratégie peut faire évoluer le point de fonctionnement de la batterie, par exemple en réduisant le DOD, en abaissant si possible la température de régulation de la batterie, en diminuant le niveau de puissance électrique disponible, de sorte à améliorer la durabilité de la batterie par un compromis et une optimisation des performances du véhicule. Les bénéfices attendus sont, bien-sûr la durabilité de la batterie, mais aussi une amélioration de la consommation à l'usage, de l'autonomie en mode électrique pur, de la robustesse et de la répétitivité des performances (consommation, autonomie en mode électrique pur, puissance électrique disponible ...). Les avantages de l'installation selon l'invention sont nombreux et notamment : - Le réchauffage actif de la batterie de traction est possible sans mettre en oeuvre aucune énergie externe et supplémentaire d'origine fossile ou électrique (contrairement au système illustré par la fig.1), et réalisé en récupérant de façon simple les pertes thermiques des organes de la chaîne de traction électrique. Ceci est particulièrement pertinent énergétiquement puisque ces pertes thermiques sont dans l'état de l'art antérieur évacuées à l'air extérieur donc non mises à profit et puisqu'elles permettent ainsi de s'affranchir ici des dispositifs de chauffage évoqués et des coûts énergétique (consommation de carburant directe ou indirecte, consommation électrique, autonomie) et monétaire (coûts pour le constructeur, le client et le réseau APV) associés. - Le dimensionnement du module de façade aérothermique (échangeurs de refroidissement, GMV) n'est pas contraint par l'adaptation de la chaîne de traction hybride ou électrique et ne génère pas : o comme pour l'architecture présentée en figure 1, une surcharge drastique du circuit réfrigérant en risquant de pénaliser la réfrigération de l'habitacle ou de redimensionner la fonction condensation (condenseur, compresseur, GMV), et/ou d'augmenter les performances et le dimensionnement du circuit BT (radiateur, pompe à eau, GMV et occurrences d'enclenchement de ces organes) pour dissiper les calories supplémentaires présentes dans le fluide BT sans avoir à recourir trop fréquemment à la boucle réfrigérant secondaire (chiller) o la nécessité d'implanter dans le module de façade aérothermique, une multitude d'échangeurs thermiques comme l'illustre la troisième architecture connue. - Gain en autonomie de carburant (réchauffage batterie d'origine non fossile + mode électrique pur davantage disponible) dans le cas d'un véhicule hybride. - Gain en autonomie en mode électrique pur par réduction de la facture énergétique (récupération des pertes thermiques, réduction drastique de la consommation électrique), que ce soit pour un véhicule hybride ou électrique - Gain en durabilité batterie, amélioration de la consommation à l'usage, de la robustesse et de la répétitivité des performances (consommation, autonomie en mode électrique pur, puissance électrique disponible ...). - Gain en disponibilité du mode électrique pur (seule la machine électrique assure alors la traction ou la propulsion du véhicule) grâce au réchauffage de la batterie ; - Gain en implantation, en coûts, en masse et en sûreté de fonctionnement : le réchauffeur de la batterie et son adaptation (réservoir spécifique, faisceau électrique, ...) n'est plus nécessaire ; - Bilan énergétique de la gestion thermique batterie plus favorable (en terme de puissance électrique consommée) ; - Surcoût moindre de la gestion thermique batterie par eau, puisque l'essentiel du circuit de gestion thermique est mutualisé avec la gestion thermique des organes électriques de la chaîne de traction ; - Pas de surcoût sur le module façade aérothermique.
5 Il doit être évident pour l'homme du métier que la présente invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation 10 doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications.
Claims (7)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de gestion thermique d'une chaine de traction d'un véhicule, formée par au moins une batterie de traction et des organes électriques de traction, comprenant un radiateur (14), un évaporateur réfrigérant/eau (11), et un premier circuit de refroidissement de la batterie dans lequel circule un fluide de refroidissement, caractérisé en ce que le radiateur (14) comporte au moins deux sorties, une première sortie du radiateur (14) assurant un seul passage dans le radiateur (14) du fluide de refroidissement vers les organes électriques (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, et une deuxième sortie du radiateur (14) assurant au moins deux passages dans le radiateur du fluide refroidissement vers la batterie (10), les deux sorties du radiateur (14) permettant de définir un deuxième circuit de refroidissement pour les organes électriques (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, indépendant du premier circuit de refroidissement pour la batterie de traction (10).
- 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un thermostat (21) double effet en aval ou en amont du radiateur (14) permettant, lorsqu'il est fermé, de conserver dans le circuit de refroidissement les calories dissipées par les organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique.
- 3. Dispositif selon une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce qu'il permet plusieurs modes de refroidissement de la batterie.
- 4. Dispositif selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant de stopper la circulation de fluide de refroidissement vers la batterie tout en continuant à refroidir les autres organes électriques.
- 5. Dispositif selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant d'inverser le sens de circulation du fluide de refroidissement pour permettre le réchauffage de la batterie en utilisant les calories dissipées par les organes électriques de la chaîne de traction, en connectant en un même circuit de refroidissement les premier et second circuits de refroidissement.
- 6. Dispositif selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant le refroidissement simultané de la batterie et des autres organes électriques.
- 7. Dispositif selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant le refroidissement à très basse température de la batterie.
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Cited By (5)
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