FR3064536A1

FR3064536A1 - Dispositif de gestion de la temperature de l'air dans un habitacle de vehicule electrique

Info

Publication number: FR3064536A1
Application number: FR1752645A
Authority: FR
Inventors: Jean-Marie L'HUILLIER; Nathalie Stekelorom
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2018-10-05
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: FR3064536B1

Abstract

L'invention se rapporte à un dispositif de gestion de l'air entrant dans un habitacle de véhicule électrique comprenant un équipement destiné à piloter la température de l'air destiné à pénétrer dans l'habitacle. La principale caractéristique d'un dispositif de gestion selon l'invention, est que ledit équipement comprend un élément de chauffage (100, 110) présentant au moins deux zones distinctes (101, 102, 111, 112) portées à des températures différentes, ledit dispositif comprenant des sorties associées auxdites zones (101, 102, 111, 112) permettant de diffuser à l'intérieur de l'habitacle des flux d'air à des températures différentes vers des endroits identifiés dudit habitacle.

Description

® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE

INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication :

(à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)

©) N° d’enregistrement national

064 536

52645

COURBEVOIE ©IntCI⁸: B 60 H 1/22 (2017.01)

DEMANDE DE BREVET D'INVENTION

A1

©) Date de dépôt : 29.03.17.	© Demandeur(s) : RENAULT S.A.S. — FR.
(30) Priorité :
	@ Inventeur(s) : L'HUILLIER JEAN-MARIE et STEKE-
	LOROM NATHALIE.
(43) Date de mise à la disposition du public de la
demande : 05.10.18 Bulletin 18/40.
©) Liste des documents cités dans le rapport de
recherche préliminaire : Se reporter à la fin du
présent fascicule
(© Références à d’autres documents nationaux	® Titulaire(s) : RENAULT S.A.S..
apparentés :
©) Demande(s) d’extension :	© Mandataire(s) : RENAULT SAS.

DISPOSITIF DE GESTION DE LA TEMPERATURE DE L'AIR DANS UN HABITACLE DE VEHICULE ELECTRIQUE.

FR 3 064 536 - A1 _ L'invention se rapporte à un dispositif de gestion de l'air entrant dans un habitacle de véhicule électrique comprenant un équipement destiné à piloter la température de l'air destiné à pénétrer dans l'habitacle.

La principale caractéristique d'un dispositif de gestion selon l'invention, est que ledit équipement comprend un élément de chauffage (100, 110) présentant au moins deux zones distinctes (101, 102, 111, 112) portées à des températures différentes, ledit dispositif comprenant des sorties associées auxdites zones (101, 102, 111, 112) permettant de diffuser à l'intérieur de l'habitacle des flux d'air à des températures différentes vers des endroits identifiés dudit habitacle.

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DI SPOSI Tl F DE GESTI ON DE LA TEMPERATURE DE L’AI R DANS UN HABI TACLE DE VEHI CULE ELECTRI QUE

L’invention se rapporte à un dispositif de gestion de la température de l’air dans un habitacle de véhicule électrique.

Le confort thermique dans un véhicule, et plus particulièrement un véhicule automobile, est optimal lorsque la température autour de la tête des occupants est d’environ 23°C et lorsque la température autour des pieds est d’environ 25°C/26°C.

Si par exemple dans un véhicule automobile la température était uniforme de 23°C dans la zone des pieds et de la tête, les occupants se plaindraient d’avoir froid aux pieds. Il est donc important de respecter une certaine stratification de la température dans le véhicule notamment entre les pieds des occupants et leurs têtes.

Dans le cas des véhicules conventionnels comportant un moteur thermique, un climatiseur situé généralement sous la planche de bord permet de réaliser sous certaines conditions une stratification en température, car :

- On bénéficie d’une source chaude « gratuite » surabondante en température, provenant des calories fournies par le moteur thermique. Ces calories sont prélevées à l’aide d’un circuit de fluide caloporteur, par exemple un mélange d’eau et de glycol, traversant un échangeur thermique appelé aérotherme destiné à chauffer l’habitacle,

- L’air extérieur ou recyclé traversant l’aérotherme est mélangé grâce à un volet de mixage, avec de l’air qui n’a pas traversé cet aérotherme, donc de l’air froid, pour permettre d’obtenir un air résultant avec une température appropriée, adaptée au confort thermique des occupants.

Mais le mélange est intentionnellement non homogène afin de diriger l’air plus frais vers les sorties « dégivrage » ou « aérateurs » plutôt orientées vers la tête des occupants, et de l’air plus chaud vers les sorties destinées aux pieds des occupants.

Cette stratification fait l’objet d’une mise au point du fournisseur du climatiseur afin de respecter une différence de température donnée entre les pieds et la tête des occupants.

Or, les véhicules bénéficiant d’une traction électrique, comme par exemple les véhicules électriques purs ou bien les véhicules hybrides rechargeables, n’ont pas la possibilité d’avoir un apport de calories gratuites, puisqu’ils ne bénéficient pas de l’apport de calories d’un moteur thermique. De plus, les températures des circuits de refroidissement des organes électriques restent trop faibles pour assurer du chauffage, en tout cas, durant les phases de roulage dites « zéro émission ».

Les solutions pour chauffer l’habitacle de ce type de véhicules sont nombreuses :

- L’aérotherme dans le boitier de climatisation peut être remplacé par un radiateur électrique à résistance (le plus souvent à résistance à coefficient de température positif, pour des questions de sécurité),

- L’aérotherme dans le boitier de climatisation peut aussi être remplacé par un « condenseur », si le circuit de climatisation est réversible. Il s’agit alors d’un système de pompe à chaleur, qui permet d’utiliser moins d’énergie pour le chauffage que la solution précédente,

- Ou bien, il est possible de conserver l’aérotherme (échangeur eau glycolée/ air), mais alors, l’apport de calorie est amené par une résistance électrique chauffant l’eau, et un débit d’eau est créé à l’aide d’une pompe de circulation,

- Ou bien, à la place de la résistance électrique sur le circuit d’eau, il est aussi possible de mettre un échangeur aussi appelé condenseur à eau réfrigérant/eau, si le circuit de climatisation est réversible.

Quelles que soient les solutions exposées ici, elles sont consommatrices d’énergie, et le chauffage consommera directement ou indirectement le courant de la batterie de traction (directement en alimentation d’une résistance chauffante sur l’eau ou sur l’air, ou bien indirectement en alimentant le compresseur de climatisation pour la production de calories par le biais du condenseur à air ou à eau).

Or cette consommation de courant, qui peut représenter jusqu’à 50% de l’énergie nécessaire à la traction du véhicule, diminue significativement l’autonomie du véhicule.

Pour limiter cette consommation au juste nécessaire, on pilote au juste nécessaire les éléments de chauffage pour atteindre la température d’air soufflé à injecter dans l’habitacle. On pilote notamment le courant dans les résistances de chauffage ou bien la vitesse du compresseur, en fonction de la température obtenue en air soufflé. Ce pilotage n’est en général pas réalisé sur un moteur thermique, car la température dans l’aérotherme dépend principalement de celle du moteur et est plus subie que pilotée.

Ce pilotage au juste nécessaire ne permet pas de réaliser un mélange air chaud / air froid, tel qu’il est réalisé aujourd’hui dans une conception classique, et donc ne permet pas de réaliser une stratification en température de l’air aux différentes sorties de l’appareil de climatisation. En effet, la stratification dépend de l’hétérogénéité du mélange réalisé par le volet de mixage. Pour réaliser ce mélange il faut avoir une source d’air chaud, plus chaude que le besoin en température d’air à fournir à l’habitacle pour maintenir le confort des occupants, ce qui n’est à priori pas optimal en consommation électrique si mal gérée.

Par ailleurs, le pilotage au juste nécessaire possible, permet la suppression du volet de mixage. Or la stratification classiquement réalisée dépend de l’utilisation d’un volet de mixage d’air.

Le confort thermique obtenu sur les véhicules électriques n’est donc pas conforme aux exigences souhaitées.

Un dispositif de gestion de la température de l’air selon l’invention, permet d’assurer une stratification maîtrisée de la température notamment entre les pieds et la tête des occupants d’un véhicule à propulsion électrique, tout en s’affranchissant des inconvénients relevés dans l’état de la technique.

L’invention a pour objet un dispositif de gestion de l’air entrant dans un habitacle de véhicule électrique comprenant un équipement destiné à piloter la température de l’air destiné à pénétrer dans l’habitacle.

La principale caractéristique d’un dispositif de gestion selon l’invention est que ledit équipement comprend un élément de chauffage présentant au moins deux zones distinctes portées à des températures différentes, ledit équipement comprenant des sorties associées auxdites zones permettant de diffuser à l’intérieur de l’habitacle des flux d’air à des températures différentes vers des endroits identifiés dudit habitacle. De cette manière, puisque les différentes zones de l’élément de chauffage vont directement porter à des températures différentes l’air incident, il n’est plus nécessaire de mettre en œuvre une chambre de mixage et un volet de mixage. II suffit de porter à la bonne température les différentes zones de l’élément de chauffage pour obtenir différents flux d’air ayant chacun la température désirée. Ainsi, grâce à un tel dispositif il est par exemple possible et facile d’acheminer un flux d’air chaud vers les pieds des occupants du véhicule, et un flux d’air à une température plus modérée vers la tête desdits occupants ou vers un parebrise.

Avantageusement, l’élément de chauffage présente deux zones distinctes portées à des températures différentes, le dispositif de gestion comprenant une première sortie associée à la zone la plus chaude et acheminant l’air vers les pieds des occupants du véhicule, et une deuxième sortie associée à la zone la plus froide et acheminant l’air vers la tête des occupants. Un tel dispositif n’est pas complexe à réaliser dans la mesure où il n’y a que deux zones de l’élément de chauffage portées à des températures différentes. II est de plus particulièrement apte à assurer aux occupants du véhicule un confort de bonne qualité, en leur permettant d’avoir les pieds au chaud et leur tête à des températures plus modérées.

De façon préférentielle, l’écart de température entre les deux zones distinctes de l’élément de chauffage est compris entre 15°C et 4°C. Un tel dispositif trouve sa signification lorsque l’écart de température entre les différentes zones de l’élément de chauffage est significatif, c'est-à-dire d’au moins quelques degrés.

Préférentiellement, les températures des différentes zones de l’élément de chauffage sont réglables indépendamment les unes des autres. De cette manière, un dispositif de gestion selon l’invention est particulièrement souple d’utilisation en proposant un grand éventail de flux d’air à des températures différentes.

Selon un mode de réalisation d’un dispositif de gestion selon l’invention, l’élément de chauffage est une résistance électrique associée à des transistors de puissance, lesdits transistors étant aptes à piloter le courant électrique dans les différentes zones de ladite résistance pour obtenir les températures souhaitées. Ainsi, les transistors de puissance régulent le courant électrique dans les différentes zones de l’élément de chauffage pour obtenir pour chacune desdites zones la température recherchée.

Avantageusement, la résistance électrique est une résistance électrique à coefficient de température positif.

De façon préférentielle, les transistors de puissance sont de type IGBT (de l’anglais Insulate Gâte Bipolar Transistor).

Selon un autre mode de réalisation préféré de l’invention, l’élément de chauffage est un échangeur thermique dans lequel pénètre de l’air chaud qui est acheminé vers une zone dudit échangeur dans laquelle circule de l’air froid, ledit échangeur présentant une zone chaude correspondant à la zone de pénétration de l’air chaud et une zone froide correspondant à la zone où l’air chaud se mélange à l’air froid.

Préférentiellement, l’échangeur comprend deux conduits parallèles reliés par un conduit de liaison, l’air chaud pénétrant par l’un desdits conduits parallèles et le mélange de l’air chaud avec l’air froid est réalisé dans l’autre conduit parallèle. De cette manière, l’échangeur a une forme en U.

De façon avantageuse, l’équipement destiné à piloter la température de l’air destiné à pénétrer dans l’habitacle est un appareil de climatisation comprenant au moins une arrivée d’air, l’élément de chauffage et différentes sorties destinées à acheminer l’air en différents endroits de l’habitacle à des températures différentes.

Un dispositif de gestion de la température de l’air dans un habitacle de véhicule électrique selon l’invention, présente l’avantage d’être d’un encombrement réduit par rapport aux dispositifs actuellement en vigueur et impliquant un volet de mixage et une chambre de mixage. II a de plus l’avantage d’être souple d’utilisation, car les différentes zones de l’élément de chauffage peuvent être portées à des températures variées de manière à obtenir un large spectre de flux d’air à des températures différentes. Un dispositif de gestion selon l’invention présente enfin l’avantage d’être mieux contrôlé en raison de la suppression du volet de mixage, qui réclamait une certaine précision de placement.

On donne ci-après, une description détaillée d’un mode de réalisation préféré d’un dispositif de gestion de la température de l’air dans un habitacle de véhicule électrique selon l’invention, en se référant aux figures suivantes :

La figure 1 est une vue schématique en coupe d’un dispositif de gestion de la température de l’air dans un habitacle de véhicule selon l’état de la technique,

Les figures 2a, 2b et 2c sont trois figures schématiques de côté d’une résistance électrique d’un dispositif de gestion selon l’invention, montrant différentes zones portées à des températures différentes, respectivement alimentée à 100%, à 50% et à 20%,

La figure 3 est une vue schématique de côté d’un échangeur thermique d’un dispositif de gestion selon l’invention, montrant deux zones distinctes portées à des températures différentes.

En se référant à la figure 1, un boitier de climatisation 1 ou HVAC d’un véhicule automobile doté d’un moteur thermique, comprend schématiquement une entrée 2 d’air frais, un ventilateur 11, un évaporateur 3, un volet de mixage 4, un aérotherme 5, une chambre de mixage 6 et des sorties 7, 8, d’air à la température voulue, par exemple vers les pieds des occupants du véhicule et/ou vers un pare-brise dudit véhicule. Le volet de mixage 4 est placé en amont de l’aérotherme 5, et permet de distribuer l’air vers la chambre de mixage 6 en fonction des besoins du moment. En effet, ce volet 4 peut adopter une première position extrême pour laquelle il permet à l’intégralité de l’air incident issu de l’évaporateur 3 de transiter par l’aérotherme 5, permettant à l’air se retrouvant dans la chambre de mixage 6 d’être réchauffé. Il peut également adopter une deuxième position extrême pour laquelle il permet à l’intégralité de l’air incident issu de l’évaporateur 3 d’éviter l’aérotherme, permettant à l’air se retrouvant dans la chambre de mixage 6 d’être à la même température que celle de l’air issu de l’évaporateur

3. Le volet 4 peut enfin se placer dans au moins une position intermédiaire située entre ces deux positions extrêmes, pour permettre le passage d’un premier flux d’air 9 ayant transité par l’aérotherme 5 et d’un deuxième flux d’air direct 10 évitant ledit aérotherme 5. Ainsi, lorsque le volet de mixage 4 adopte une position intermédiaire, la chambre de mixage 6 reçoit le premier et le deuxième flux 7, 8 d’air qui se mélangent avant d’être diffusé vers les sorties 7, 8 d’air. Un tel boitier de climatisation 1 est encombrant en raison de la présence du volet de mixage 4 et de la chambre de mixage 6. Il requiert de plus un contrôle précis de la position du volet de mixage 4 qui complexifie sa structure et son fonctionnement.

Un dispositif de gestion de la température de l’air dans un habitacle de véhicule électrique selon l’invention permet de contrôler la température de l’air injecté dans l’habitacle, tout en s’affranchissant de la présence du volet de mixage 4 et de la chambre de mixage 6.

Un dispositif de gestion de l’air entrant dans un habitacle de véhicule électrique selon l’invention, comprend un appareil de climatisation, pouvant par exemple être situé sous une planche de bord dudit véhicule. Cet appareil de climatisation comporte au moins une entrée d’air, un équipement destiné à piloter la température dudit air entrant, et des sorties d’air destinées à acheminer l’air vers l’intérieur de l’habitacle du véhicule électrique vers des zones identifiées dudit habitacle. Cet équipement possède la particularité de comprendre un élément de chauffage 100, 110 présentant au moins deux zones 101, 102, 111, 112 distinctes portées à des températures différentes, et au moins une sortie d’air est associée à chacune desdites zones 101, 102, 111, 112 pour acheminer un flux d’air à une température donnée, vers un endroit identifié de l’habitacle. Ainsi, la sortie qui est associée à la zone de l’élément de chauffage 100, 110 qui est portée à la plus haute température peut acheminer de l’air chaud vers les pieds des occupants du véhicule, et la sortie qui est associée à la zone de l’élément de chauffage 100, 110 qui est portée à une température plus modérée, peut acheminer de l’air plus frais vers la tête desdits occupants. A titre d’exemple, une sortie supplémentaire associée à la zone de l’élément de chauffage 100, 110 la moins chaude peut aussi acheminer de l’air moins chaud vers un pare-brise du véhicule. Dans l’exemple considéré, l’élément de chauffage présente deux zones 101, 102, 111, 112, l’une 101, 111 qualifiée de chaude et l’autre 102, 112 qualifiée de froide, la température de ladite zone chaude 101, 111 étant supérieure à la température de ladite zone froide 1 02, 112 d’au moins 3°C.

En se référant aux figures 2a, 2b et 2c, selon un mode de réalisation préféré d’un dispositif de gestion selon l’invention, l’élément de chauffage est formé par une résistance électrique 100 de type CTP, c'est-à-dire à coefficient de température positif, traversée par un courant électrique. Ainsi, la zone chaude 101 et la zone froide 102 de la résistance électrique 100 sont obtenues en faisant varier le courant électrique au sein de ladite résistance 100. Le contrôle en courant de la résistance électrique 100 est réalisé à l’aide de plusieurs transistors de puissance de type IGBT (de l’anglais Insulate Gâte Bipolar Transistor), qui permettent de réguler ledit courant afin de créer les deux zones 101, 102. Le contrôle est généralement uniforme et la température reste équilibrée sur toute une section de la résistance 100.

A titre d’exemple, en se référant à la figure 2a, si la résistance CTP 100 est alimentée en courant à 100%, on obtient une résistance 100 portée à une température homogène de 60°C, sans distinction de zone froide 102 et de zone chaude 101.

En se référant à la figure 2b, si la résistance CTP 100 de la figure 2a est alimentée en courant à 50%, ladite résistance 100 présente alors une zone chaude 101 portée à une température de 50°C et une zone froide 102 portée à une température de 43°C.

En se référant à la figure 2c, si la résistance CTP 100 de la figure 2a est alimentée en courant à 20%, ladite résistance 100 présente une zone chaude 101 portée à une température de 35°C et une zone froide 102 portée à une température de 28°C.

Il est important de souligner qu’une telle résistance électrique 100 peut présenter un nombre variable de zones portées à des températures différentes. Il suffit de dimensionner correctement ladite résistance 100 et d’y associer de façon optimisée les transistors de puissance. L’écart de température entre les différentes zones est maîtrisé et peut être programmé pour prendre une valeur prédéterminée bien précise.

En se référant à la figure 3, selon un autre mode de réalisation préféré d’un dispositif de gestion selon l’invention, l’élément de chauffage est formé par un échangeur thermique 110. En effet, s’il demeure difficile voire impossible pour un échangeur thermique de type aérotherme ou bien de type « inner condenser >> (échangeur de chaleur thermodynamique pour la pompe à chaleur), de piloter finement une stratification en température, il est toutefois possible de créer une zone chaude 111 et une zone froide 112 dans ledit échangeur 110. Pour ce faire, ledit échangeur comprend un circuit de circulation d’air présentant deux segments parallèles 113, 114 relié par un segment de liaison 115 perpendiculaire auxdits deux segments parallèles 113, 114. De cette manière, l’échangeur 110 a une structure en forme de U. De l’air froid en entrée traverse de façon uniforme en débit et température, l’échangeur 110. Le fluide chaud (représenté par le liquide de refroidissement pour un aérotherme, ou réfrigérant pour un condenseur de pompe à chaleur), traverse d’abord la partie basse 113 de l’échangeur 110. En échangeant sa chaleur avec l’air froid, le fluide perd en température. Le fluide est ensuite conduit vers le haut 114 de l’échangeur 110, pour continuer d’apporter ses calories à l’air froid. Naturellement, en sortie de l’échangeur l’air n’est plus uniforme en température. L’air en partie basse 113 est plus chaud que l’air en partie haute. Un tel échangeur 110 présente ainsi une zone froide 112 et une zone chaude 111.

Claims

REVENDI CATI ONS

1. Dispositif de gestion de l’air entrant dans un habitacle de véhicule électrique comprenant un équipement destiné à piloter la température de l’air destiné à pénétrer dans l’habitacle, caractérisé en ce que ledit équipement comprend un élément de chauffage (100, 110) présentant au moins deux zones distinctes (101, 102, 111, 112) portées à des températures différentes, et en ce qu’il comprend des sorties associées auxdites zones (101, 102, 111, 112) permettant de diffuser à l’intérieur de l’habitacle des flux d’air à des températures différentes vers des endroits identifiés dudit habitacle.
2. Dispositif de gestion selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’élément de chauffage (100, 110) présente deux zones distinctes (101, 102, 111, 112) portées à des températures différentes, et en ce qu’il comprend une première sortie associée à la zone la plus chaude (101,

111) et acheminant l’air vers les pieds des occupants du véhicule, et une deuxième sortie associée à la zone la plus froide (102, 112) et acheminant l’air vers la tête des occupants.
3. Dispositif de gestion selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’écart de température entre les deux zones distinctes (101, 102, 111,

112) de l’élément de chauffage (100, 110) est compris entre 15°C et 4°C.
4. Dispositif de gestion selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les températures des différentes zones (101, 102, 111, 112) de l’élément de chauffage (100, 110) sont réglables indépendamment les unes des autres.
5. Dispositif de gestion selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’élément de chauffage est une résistance électrique (100) associée à des transistors de puissance, et en ce que lesdits transistors sont aptes à piloter le courant électrique dans différentes zones (101, 102) de ladite résistance (100) pour obtenir les températures souhaitées.
6. Dispositif de gestion selon la revendication 5, caractérisé en ce que la résistance électrique (100) est une résistance électrique à coefficient de température positif.
7. Dispositif de gestion selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les transistors de puissance sont de type IGBT.
8. Dispositif de gestion selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l’élément de chauffage est un échangeur thermique (110) dans lequel pénètre de l’air chaud qui est acheminé vers une zone dudit échangeur (110) dans laquelle circule de l’air froid, et en ce que ledit échangeur (110) présente une zone chaude (111) correspondant à la zone de pénétration de l’air chaud et une zone froide (112) correspondant à la zone où l’air chaud se mélange à l’air froid.
9. Dispositif de gestion selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’échangeur (110) comprend deux conduits parallèles (113, 114) reliés par un conduit de liaison (115), et en ce que l’air chaud pénètre par l’un desdits conduits (113) parallèles et le mélange de l’air chaud avec l’air froid est réalisé dans l’autre conduit (114) parallèle.
10. Dispositif de gestion selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l’équipement destiné à piloter la température de l’air destiné à pénétrer dans l’habitacle est un appareil de climatisation comprenant au moins une arrivée d’air, l’élément de chauffage (100, 110) et différentes sorties destinées à acheminer l’air en différents endroits de l’habitacle à des températures différentes.

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