FR3010739A1 - Refroidissement d'une machine electrique d'un vehicule automobile - Google Patents

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Abstract

Un système de refroidissement (1) d'une source de chaleur (4) d'un véhicule automobile, comprenant un circuit de circulation (10) d'un fluide caloporteur, le circuit comprenant : - un dispositif de circulation de fluide (2) comprenant un organe mobile pour conférer du mouvement au fluide caloporteur, et - en aval de la source de chaleur à refroidir, un dispositif de turbine (5), actionné par le fluide caloporteur, apte à fournir un travail mécanique, Le circuit est agencé de sorte que l'organe mobile du dispositif de circulation de fluide est couplé mécaniquement au dispositif de turbine afin que le travail mécanique extrait par ledit dispositif de turbine du fluide réchauffé soit utilisé pour conférer du mouvement au fluide caloporteur dans le circuit de circulation.

Description

REFROIDISSEMENT D'UNE MACHINE ELECTRIQUE D'UN VEHICULE AUTOMOBILE L'invention concerne le refroidissement d'une source de chaleur, en particulier une source de chaleur installée dans un véhicule automobile, notamment un moteur, par exemple une machine électrique, un moteur à combustion interne, ou autre.
Il est connu de refroidir une machine électrique à forte densité de couple et/ou de puissance en faisant circuler un fluide caloporteur, par exemple de l'air, ou bien encore de l'eau additionnée de glycol, à proximité de la machine électrique, de façon à assurer un transfert de la chaleur de la machine électrique vers le fluide caloporteur. La circulation du fluide caloporteur est assurée via un compresseur ou bien encore via une pompe. Un tel moyen de circulation de fluide est alimenté en énergie par la batterie du véhicule, ou bien encore par un alternateur. Le document US 2010/283262 décrit un système de récupération de la chaleur comprenant une pompe, un condenseur, une turbine et un générateur pour alimenter des batteries à partir de l'énergie issue de la turbine. L'énergie issue de cette turbine peut éventuellement servir à actionner des ventilateurs de radiateur et/ou de condenseur. La pompe est entraînée par un moteur électrique.
Il existe un besoin pour un système de refroidissement plus écologique. Il est proposé un système de refroidissement d'une source de chaleur d'un véhicule automobile, comprenant un circuit de circulation d'un fluide caloporteur, ce circuit définissant une zone d'échange thermique à proximité de la source de chaleur, de telle sorte que de la chaleur issue de cette source soit transférée à ce fluide. Le circuit comporte : - un dispositif de circulation de fluide comprenant un organe mobile pour conférer du mouvement au fluide caloporteur, et - en aval de la zone d'échange thermique, un dispositif de turbine, dit aussi turbine dans la présente demande, actionné par le fluide caloporteur, apte à fournir un travail mécanique. Le circuit est agencé de sorte que l'organe mobile du dispositif de circulation de fluide soit couplé mécaniquement à la turbine afin que le travail mécanique extrait par la turbine du fluide réchauffé soit utilisé pour conférer du mouvement au fluide caloporteur dans le circuit de circulation. Ainsi le dispositif de circulation du fluide, par exemple une pompe, un compresseur ou autre, est actionné au moins en partie par la turbine. Dit autrement, on récupère sous forme de travail mécanique l'énergie issue de la chaleur du fluide caloporteur pour faire circuler ce fluide. Le dispositif de circulation de fluide peut ainsi peut ainsi être moins gourmand en énergie électrique que dans l'art antérieur, dans lequel c'est la batterie ou l'alternateur qui alimente ce dispositif. En outre, le système décrit ci-dessus peut avoir une structure et/ou un fonctionnement plus simple que celui décrit dans le document US 2010/283262, du fait du couplage mécanique entre le dispositif de turbine et le dispositif de circulation de fluide. Ce système peut être dénué de radiateur car la chaleur peut être suffisamment absorbée du fait de la génération d'énergie mécanique. Le dispositif de circulation de fluide est couplé mécaniquement à la turbine, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de conversion d'énergie entre la turbine et le dispositif de circulation de fluide : le travail mécanique fourni par la turbine est directement utilisé pour entraîner en mouvement le ou les organes mobiles du dispositif de circulation de fluide. Du fait d'un tel couplage direct, la consommation en énergie du système peut être relativement faible. En particulier, dans le cas d'un véhicule comprenant un moteur de traction à combustion interne, ce système de refroidissement peut entraîner une consommation de carburant moindre que dans l'art antérieur, et donc des émissions de dioxyde de carbone plus limitées. Dans le cas d'un véhicule électrique, le système de refroidissement pourra utiliser moins d'énergie électrique issue du réseau que dans l'art antérieur. Le système de refroidissement peut comprendre une machine électrique pour fournir de l'énergie lors du démarrage du dispositif de circulation de fluide, et éventuellement pour récupérer de l'énergie électrique issue de la turbine. Alternativement, le système peut être dénué d'une telle machine électrique, de sorte que le système est relativement simple dans sa structure et son fonctionnement.
Avantageusement et de façon non limitative, la source de chaleur peut comprendre un moteur, par exemple un moteur de traction du véhicule automobile, ou autre. Avantageusement et de façon non limitative, la source de chaleur peut comprendre une machine électrique, par exemple une machine électrique de traction d'un véhicule automobile, ou autre. L'invention n'est en rien limitée à une machine électrique. La source de chaleur par exemple comprendre un moteur à combustion interne, par exemple un moteur Diesel ou autre.
Le dispositif de circulation de fluide peut par exemple comprendre une pompe, notamment lorsque le fluide caloporteur comprend un liquide ou un mélange liquide-gaz. Dans un mode de réalisation préféré, le dispositif de circulation du fluide comprend un compresseur, et le fluide caloporteur est gazeux.
L'invention n'est en rien limitée par le type de compresseur mis en oeuvre. On pourra par exemple prévoir un compresseur rotatif, par exemple à turbine, à palettes, à vis, ou autre, auquel cas les organes mobiles pour conférer du mouvement au fluide peuvent comprendre des pâles de turbine, ou autre selon le type de compresseur rotatif utilisé.
On pourra tout aussi bien prévoir un compresseur alternatif, auquel cas l'organe mobile pourra comprendre un piston ou autre selon le type de compresseur alternatif utilisé. L'invention n'est pas non plus limitée par la nature du fluide caloporteur mis en oeuvre. On pourra par exemple prévoir de l'air, de l'eau additionnée avec du glycol, de l'hydrogène, de l'huile, un solvant hydrocarbure, un gaz réfrigérant, de la vapeur d'eau, ou autre. Le circuit de circulation de fluide peut être ouvert ou fermé. Dans un mode de réalisation avantageux, le circuit de circulation de fluide est ouvert.
Avantageusement, le dispositif de circulation de fluide peut être en amont de la zone d'échange thermique. Avantageusement et de façon non limitative, le circuit de circulation peut comprendre un dispositif échangeur en amont de la zone d'échange thermique, et en aval du dispositif de circulation de fluide. Le circuit peut être agencé de sorte que cet échangeur comprenne une entrée pour recevoir le fluide issu de la turbine et assure ainsi un échange thermique entre le fluide issu de la turbine et le fluide en amont de la zone d'échange thermique. Ainsi l'air envoyé vers la source de chaleur à refroidir est réchauffé par la sortie de la turbine, ce qui augmente le rendement du dispositif et donc la vitesse de l'air refroidissant la source de chaleur, même si cet air est légèrement plus chaud. Avantageusement et de façon non limitative, la source de chaleur peut comprendre un circuit de refroidissement, ou circuit additionnel, dans lequel circule un fluide caloporteur additionnel. Ainsi, plutôt que de refroidir directement la machine électrique, le fluide caloporteur du circuit de circulation de fluide, ou fluide de travail, reçoit de l'énergie du fluide caloporteur additionnel, lequel est réchauffé par la machine électrique. Le fluide caloporteur additionnel, circulant dans le circuit additionnel, et le fluide de travail peuvent être de natures identiques, ou non. En particulier, le fluide caloporteur additionnel peut avantageusement avoir un coefficient d'échange thermique plus élevé que celui du fluide caloporteur du circuit de circulation du fluide, ce qui pourra se révéler plus efficace pour capter la chaleur issue de la machine électrique. Avantageusement et de façon non limitative, le système de refroidissement peut comprendre un circuit secondaire dans lequel circule un autre fluide caloporteur.
Le circuit secondaire peut définir une zone d'échange thermique secondaire, à proximité d'une partie au moins de la source de chaleur, de telle sorte que de la chaleur issue de cette partie soit transférée à cet autre fluide caloporteur. Avantageusement et de façon non limitative, le dispositif de turbine du circuit de refroidissement de fluide, dit alors circuit principal, peut fournir de l'énergie au circuit secondaire. Le circuit secondaire peut comprendre un dispositif de circulation secondaire pour mettre en circulation cet autre fluide caloporteur dans le circuit secondaire. Ce dispositif de circulation secondaire, par exemple, un compresseur, une pompe, ou autre, peut comprendre un organe mobile secondaire pour conférer du mouvement à cet autre fluide.
Avantageusement, cet organe mobile secondaire peut être actionné, directement ou indirectement, par le dispositif de turbine du circuit principal. Il peut par exemple s'agir d'un couplage mécanique direct entre l'organe mobile secondaire et la turbine. Alternativement on pourra prévoir des conversions d'énergie, par exemple un alternateur peut permettre de convertir de l'énergie mécanique issue de la turbine du circuit principal en électricité. L'électricité ainsi générée peut alimenter, éventuellement après un stockage dans une batterie, le dispositif de circulation de fluide secondaire. Selon un autre exemple, le dispositif de turbine du circuit principal peut fournir de l'énergie pour un dispositif réfrigérant du circuit secondaire, par exemple une pompe à chaleur.
L'énergie peut être fournie sous forme de travail mécanique avec un couplage mécanique direct entre un organe mobile du dispositif réfrigérant, par exemple un ventilateur de pompe à chaleur, et ce dispositif de turbine, ou non. Par exemple, on pourra prévoir une conversion d'énergie, par exemple au moyen d'un alternateur.
Avantageusement et de façon non limitative, le circuit secondaire peut être agencé pour refroidir au moins une tête de bobine d'un stator électrique de la machine électrique de la source à refroidir. En effet, il peut être relativement intéressant, du point de vue du rendement, que les circuits électriques et les bobinages d'une machine électrique aient des températures différentes, en particulier une température plus élevée pour les circuits magnétiques que pour les bobinages. On utilise ainsi la chaleur dégagée par le circuit magnétique relativement chaud, pour générer de l'énergie mécanique afin de faire circuler un fluide caloporteur pour refroidir les bobinages. Les bobinages seront ainsi d'autant plus refroidis que le circuit magnétique est chaud. Il est en outre proposé un véhicule, par exemple un véhicule automobile, comprenant une source de chaleur à refroidir, par exemple un moteur de traction, et un système de refroidissement tel que décrit ci-dessus. Le véhicule peut par exemple être électrique, hybride, ou autre.
L'invention sera mieux comprise en référence aux figures, lesquelles illustrent des modes de réalisation donnés à titre d'exemple et non limitatifs. La figure 1 montre schématiquement un exemple de système de refroidissement selon un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 2 montre un système de refroidissement selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. La figure 3 montre un exemple de système de refroidissement selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
La figure 4 montre un exemple de système de refroidissement selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. La figure 5 montre un exemple de système de refroidissement selon un cinquième mode de réalisation de l'invention. La figure 6 montre un exemple de système de refroidissement selon un sixième mode de réalisation de l'invention. Des références identiques peuvent être utilisées d'une figure à l'autre pour désigner des éléments similaires ou identiques, dans leur forme ou dans leur fonction. En référence à la figure 1 un système de refroidissement 1 d'un moteur électrique 4 comprend un circuit de circulation de fluide 10 définissant un chemin depuis une entrée d'air 11 jusqu'à une sortie d'air 12. Ce circuit 10 comprend un dispositif de circulation de fluide, ici un compresseur 2. Ce compresseur 2 reçoit l'air issu de l'entrée d'air 11 et est raccordé via un passage 13 à la source chaude à refroidir 4, ici un moteur électrique de traction de véhicule électrique. L'air entrant dans le compresseur 2 a une température et une pression sensiblement égales à la température et à la pression de l'air ambiant. Le compresseur permet de mettre cet air sous pression et de lui conférer ainsi une certaine vitesse dans le circuit de circulation de fluide 10. De façon connue en soi, le circuit 10 définit une zone d'échange thermique, non explicitement représentée, à proximité du moteur électrique. Par exemple des conduits non représentés passent à proximité du circuit magnétique du moteur.
L'air réchauffé grâce au transfert thermique entre le moteur électrique 4 et cette zone d'échange thermique passe ensuite par un passage 14 et atteint une turbine 5. Dans le passage 14, l'air réchauffé par le moteur 4 a une température et une pression relativement élevées. Cet air subit une détente dans la turbine 5, ce qui produit un travail mécanique. La turbine 5 est couplée mécaniquement aux pâles, non représentées, du compresseur 2, ici un compresseur rotatif, de sorte que les pâles du compresseur 2 sont entraînées en mouvement par la turbine 5, ce qui participe à la pressurisation de l'air dans le circuit de refroidissement 10. Ainsi, on récupère l'énergie issue de la chaleur de la machine électrique 4 pour actionner le dispositif de circulation du fluide. Dit autrement, cet ensemble constitue en quelque sorte un moteur thermodynamique dans lequel les pertes de la machine électrique 4 constituent la source de chaleur. Le cycle thermodynamique mis en oeuvre peut par exemple être un cycle de Brayton, sans recyclage. Un cycle de Brayton se compose d'une compression et d'une détente adiabatiques avec une addition de chaleur et éventuellement une récupération d'énergie. Il s'agit du cycle utilisé par les turbines à gaz et les turbo réacteurs. Alternativement, on pourra prévoir un cycle de Stirling lequel se définit entre autres par une compression et une détente isothermes. L'invention n'est pas limitée par le cycle thermodynamique mis en oeuvre par ce moteur thermodynamique, on pourra par exemple prévoir un cycle de Rankine, un cycle d'Ericsson, ou autre. La quantité d'énergie récupérable par le moteur thermodynamique est bornée par le rendement du cycle de Carnot : echaud Dans lequel ri Carnot est le rendement du moteur thermodynamique, froid 17 Carnot = 1 9 froid est la température à l'entrée 11 du circuit et e chaud est la température de la machine électrique.
Pour un air ambiant à 20°C, le rendement de Carnot peut ainsi varier entre 10 %, dans le cas d'une source chaude à 50° C à environ 40% dans le cas d'une source chaude à environ 220 °C. Sur un moteur de traction automobile électrique typique, la puissance récupérable peut être proche de 200 W lorsque la source chaude est à 50 °C environ. Lorsque la température de la source chaude est de 220° C, on peut récupérer environ 800 W. Une puissance de 100 W, correspondant à peu près à une température de 30°C entre la source froide et la source chaude, permet un débit de 0, 01 m3 par seconde, c'est-à-dire environ 600 litres par minute sous une différence de pression de 0,1 atm. On peut ainsi évacuer un maximum de 300 W de pertes. Une source chaude à 100°C peut permettre de disposer de plus de 400 watts, et donc d'évacuer 1200 W de perte. Une source chaude à 200°C, ce qui peut correspondre à une température en crête par une machine relativement performante telle que celle employée pour la traction électrique, peut permettre d'évacuer 2 400 W, ce qui peut représenter davantage que les pertes d'un moteur de traction automobile électrique typique, lesquelles peuvent être d'environ 2 kW. Pour revenir à la figure 1, dans cet exemple le système de refroidissement 1 comprend en outre un moteur électrique 15 pour fournir au compresseur 2 l'énergie nécessaire pour faire circuler l'air dans le circuit 10 lors du démarrage. Ce moteur électrique peut éventuellement être utilisé pour fournir un complément d'énergie nécessaire en régime permanent. Dans le mode de réalisation de la figure 2, un cycle de Brayton avec recyclage de chaleur est mis en oeuvre. L'air envoyé au moteur 4 est réchauffé par la sortie de la turbine 5, du fait d'un dispositif échangeur 16. Ceci permet d'augmenter le rendement de la turbine et donc la vitesse de l'air refroidissant le moteur 4. En référence à la figure 3, dans ce mode de réalisation, le circuit de refroidissement 10 ne définit plus une zone d'échange thermique directement avec le moteur électrique, mais avec un circuit de refroidissement additionnel 20, dans lequel circule un autre fluide caloporteur, par exemple de l'eau ou de l'huile.
Cet autre fluide caloporteur peut avantageusement présenter un coefficient d'échange thermique plus important que celui de l'air. Le système 1 comprend ainsi un échangeur 21 pour assurer le transfert thermique entre le fluide dans le circuit 20 et l'air du circuit 10. Le circuit 20 comporte en outre une pompe 22 pour faire circuler l'eau ou l'huile dans le circuit 20. Cette pompe 22 peut être alimentée par la batterie, ou bien éventuellement par la turbine 5 du circuit principal. Comme dans les modes de réalisation précédents, le travail mécanique issu de la turbine 5 sert à actionner les pâles du compresseur 2. La figure 4 illustre un mode de réalisation avec d'une part le circuit de refroidissement additionnel 20 dans lequel circule de l'eau ou de l'huile, et, d'autre part, l'échangeur de chaleur 16 pour récupérer la chaleur du fluide à la sortie de la turbine 5, et ainsi conférer une plus grande vitesse au fluide caloporteur dans le circuit principal 10. Dans les modes de réalisation de ces figures 3 et 4, le système de refroidissement est un système hybride liquide gaz. La machine électrique 4 est refroidie par le liquide de son propre circuit de refroidissement 20 et un échangeur liquide gaz 21 permet de transférer la chaleur de ce liquide au gaz qui constitue le fluide caloporteur du moteur thermodynamique. Dans les modes de réalisation des figures 5 et 6, le circuit de refroidissement 10, dit circuit principal, est couplé avec un circuit secondaire 30 de refroidissement des têtes de bobines du stator électrique du moteur électrique. On utilise la chaleur dégagée par le circuit magnétique du moteur électrique pour d'une part, faire circuler le fluide dans le circuit principal 10, et, d'autre part faire circuler un autre fluide caloporteur dans le circuit secondaire de refroidissement des bobinages 30. Un tel agencement peut ainsi permettre un meilleur rendement dans la mesure où le bobinage et les circuits magnétiques pourront avoir des températures relativement différentes. On dispose ainsi d'une quantité d'énergie significative pour refroidir les bobinages en les baignant dans le fluide caloporteur du circuit secondaire 30 ou en faisant circuler ce fluide caloporteur dans l'âme du conducteur.
Dans le mode de réalisation de la figure 5, le système de refroidissement 1 comprend, outre le circuit principal 10 dans lequel circule de l'air, un circuit secondaire 30 dans lequel circule un autre fluide caloporteur, par exemple de l'eau ou de l'huile.
Ce circuit 30 définit une zone d'échange thermique à proximité du bobinage 41 du moteur 4. La référence 41 désigne un seul bobinage, mais le circuit 30 pourra être agencé de façon à assurer un échange thermique avec tous les bobinages du moteur 4. Ce circuit secondaire 30 comprend un radiateur 31, et une pompe de circulation de fluide 32. Cette pompe est couplée mécaniquement à la turbine 5 de circuit principal 10. Dans le mode de réalisation de la figure 6, on utilise l'énergie mécanique générée par la turbine 5 pour mouvoir une pompe à chaleur 33. Cette pompe à chaleur 33 permet de refroidir le fluide caloporteur du circuit secondaire 30. Ainsi, le circuit principal 10 permet de prélever de la chaleur sur un circuit magnétique relativement chaud, et l'énergie issue de cette chaleur permet, via une conversion en travail mécanique, de refroidir un bobinage 41. Ceci peut être particulièrement intéressant dans la mesure où il est judicieux que ce bobinage 41 soit le plus froid possible, car les pertes de ce bobinage peuvent alors être relativement faibles.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Système de refroidissement (1) d'une source de chaleur (4) d'un véhicule automobile, comprenant un circuit de circulation (10) d'un fluide caloporteur, ledit circuit définissant une zone d'échange thermique à proximité de la source de chaleur, de telle sorte que de la chaleur issue de ladite source soit transférée audit fluide, le circuit comprenant : un dispositif de circulation de fluide (2) comprenant un organe mobile pour conférer du mouvement au fluide caloporteur, et en aval de la zone d'échange thermique, un dispositif de turbine (5), actionné par le fluide caloporteur, apte à fournir un travail mécanique, dans lequel le circuit est agencé de sorte que l'organe mobile du dispositif de circulation de fluide est couplé mécaniquement au dispositif de turbine afin que le travail mécanique extrait par ledit dispositif de turbine du fluide réchauffé soit utilisé pour conférer du mouvement au fluide caloporteur dans le circuit de circulation.
  2. 2. Système de refroidissement (1) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de circulation du fluide (2) comprend un compresseur, et le fluide caloporteur est gazeux.
  3. 3. Système de refroidissement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le circuit de circulation (10) comprend un dispositif échangeur (16) en amont de la zone d'échange thermique, et en aval du dispositif de circulation de fluide (2), le circuit est agencé de sorte que l'échangeur comprenne une entrée pour recevoir le fluide issu du dispositif de turbine (5) afin d'assurer un échange thermique entre le fluide issu dudit dispositif de turbine et le fluide en amont de la zone d'échange thermique.
  4. 4. Système de refroidissement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la source de chaleur (4) comprend un circuit additionnel (20) dans lequel circule un fluide caloporteur additionnel.
  5. 5. Système de refroidissement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant en outre un circuit secondaire (30) dans lequel circule un autre fluide caloporteur, ledit circuit secondaire définissant une zone d'échange thermique secondaire, à proximité d'une partie (41) au moins de la source de chaleur (4), de telle sorte que de la chaleur issue de ladite partie soit transférée audit autre fluide caloporteur, et dans lequel le système de refroidissement est agencé de sorte que le circuit de refroidissement secondaire utilise de l'énergie issue du dispositif de turbine (5).
  6. 6. Système de refroidissement (1) selon la revendication 5, dans lequel le circuit secondaire (30) comporte un dispositif de circulation secondaire (32) comportant un organe mobile secondaire pour conférer du mouvement audit autre fluide caloporteur, caractérisé en ce que le système de refroidissement est agencé de sorte que ledit organe mobile secondaire soit couplé mécaniquement au dispositif de turbine (5) afin que le travail mécanique extrait par ledit dispositif de turbine du fluide réchauffé du circuit de circulation de fluide (10) soit utilisé pour conférer du mouvement audit autre fluide caloporteur dans le circuit secondaire.
  7. 7. Système de refroidissement (1) selon la revendication 5 ou 6, dans lequel le circuit secondaire (30) comporte un dispositif réfrigérant (33), ledit dispositif réfrigérant comprenant un organe mobile pour refroidir ledit autre fluide caloporteur, et le système de refroidissement est agencé de sorte que ledit organe mobile du dispositif réfrigérant soit couplé mécaniquement au dispositifde turbine (5) afin que le travail mécanique extrait par ledit dispositif de turbine (2) du fluide réchauffé du circuit de circulation de fluide (10) soit utilisé pour refroidir ledit autre fluide dans le circuit secondaire.
  8. 8. Système de refroidissement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la source de chaleur comprend une machine électrique (4) de traction de véhicule automobile.
  9. 9. Système de refroidissement (1) selon la revendication 8 lorsqu'elle dépend de l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel la zone d'échange thermique secondaire est à proximité d'au moins une tête (41) de bobine d'un stator électrique de la machine électrique (41).
  10. 10. Véhicule automobile comprenant une source à refroidir (4) et un système de refroidissement (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
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