FR3078386A1 - Systeme thermique d’un vehicule hybride ou electrique comportant trois boucles de fluide caloporteur - Google Patents
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Abstract
Système thermique d'un véhicule hybride ou électrique comportant une première boucle très basse température comprenant une batterie de traction (2) alimentant une machine électrique de traction (54) et un refroidisseur de climatisation du véhicule (6), une deuxième boucle haute température comprenant un réchauffeur électrique du fluide (20) et un aérotherme de chauffage de l'habitacle (32), et une troisième boucle basse température comprenant la machine électrique de traction (54), son onduleur de commande (52) et un échangeur thermique avec l'air ambiant (58), ce système comportant une première vanne pilotée à au moins trois voies (4) pouvant isoler ou mettre en série le circuit très basse température et le circuit haute température, et une deuxième vanne pilotée à au moins trois voies (56) pouvant isoler ou mettre en série le circuit haute température et le circuit basse température.
Description
«SYSTEME THERMIQUE D’UN VEHICULE HYBRIDE OU ELECTRIQUE COMPORTANT TROIS BOUCLES DE FLUIDE CALOPORTEUR» [0001] La présente invention concerne un système thermique pour un véhicule hybride ou électrique, ainsi qu’un véhicule hybride ou électrique équipé d’un tel système thermique.
[0002] Les véhicules hybrides comportent une première motorisation équipée d’un moteur thermique, et une seconde motorisation comprenant une machine électrique reliée à un onduleur de contrôle de cette machine, recevant l’énergie de batteries de traction. En particulier les véhicules hybrides peuvent comporter une première machine électrique intégrée dans la transmission du moteur thermique, entraînant les roues avant, et une deuxième machine électrique indépendante entraînant les roues arrière.
[0003] Les véhicules électriques comportent au moins une machine électrique, ainsi que des batteries de traction et un onduleur pour chaque machine. Les véhicules hybrides et électriques peuvent comporter de plus un chargeur embarqué, qui recharge les batteries de traction à partir d’un branchement sur un réseau de distribution d’électricité.
[0004] Les batteries de traction pouvant comporter des cellules électrochimiques disposées en série ou en parallèle, utilisant différentes technologies, ou des condensateurs électriques de forte capacité, sont appelées par la suite batterie.
[0005] La machine électrique, la batterie et l’onduleur générant des calories lors de leurs fonctionnements, doivent être refroidis pour optimiser les performances et éviter leurs destructions. En particulier certains types de batteries comme les batteries au lithium-ion, doivent travailler avec une très basse température, d’environ 60°C. Une température trop basse réduit les performances de ces batteries, en particulier la capacité de stockage, ce qui limite l’autonomie du véhicule, et une température trop élevée endommage ces batteries en réduisant leurs durées de vie.
[0006] Un type de système de gestion thermique connu pour un véhicule hybride, présenté notamment par le document FR-A1-2951114, comporte trois boucles de circulation de fluide caloporteur, comprenant une première boucle haute température de refroidissement du moteur thermique, contenant un aérotherme de chauffage de l’habitacle, une deuxième boucle basse température de refroidissement de l’onduleur et de la machine électrique de traction commandée par cet onduleur, et une troisième boucle très basse température de refroidissement de la batterie de traction.
[0007] Un échangeur thermique avec l’air ambiant comporte trois parties, chaque partie étant dédiée à une des boucles de refroidissement. Deux vannes permettent de disposer la partie haute température du radiateur dans le circuit très basse température, en particulier quand la machine électrique est en fonctionnement et le moteur thermique à l’arrêt, afin d’utiliser cette partie ce qui réduit le nombre de composants ainsi que l’espace occupé dans le compartiment moteur.
[0008] Toutefois ce type de système de gestion thermique ne permet pas d’autres optimisations de la gestion des flux thermiques des trois circuits, en utilisant en particulier suivant les besoins toutes les capacités de production de calories pour réchauffer la batterie qui peut être trop froide, ou toutes les capacités de dissipation d’énergie quand certains éléments génèrent beaucoup d’énergie thermique.
[0009] La présente invention a notamment pour but d’éviter ces inconvénients de la technique antérieure.
[0010] Elle propose à cet effet un système thermique d’un véhicule hybride ou électrique équipé d’une machine électrique de traction, comportant trois boucles de fluide caloporteur comprenant chacune des équipements disposés en série, une première boucle très basse température comprenant une batterie de traction alimentant la machine électrique, et un refroidisseur de climatisation du véhicule, une deuxième boucle haute température comprenant un réchauffeur électrique du fluide et un aérotherme de chauffage de l’habitacle, et une troisième boucle basse température comprenant la machine électrique de traction et son onduleur de commande, ce système comportant une première vanne pilotée à au moins trois voies pouvant isoler ou mettre en série le circuit très basse température et le circuit haute température, et une deuxième vanne pilotée à au moins trois voies pouvant isoler ou mettre en série le circuit haute température et le circuit basse température.
[0011] Un avantage de ce système thermique est que de manière simple, les deux vannes permettent entre les trois boucles dans certaines conditions de mutualiser des équipements générant une énergie thermique ou des équipements de refroidissement, suivant les besoins d’autres équipements, ce qui permet de réduire le nombre de composants ou leurs puissances thermiques, et d’optimiser la masse et l’encombrement du système thermique ainsi que les coûts.
[0012] Le système thermique suivant l’invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles.
[0013] Avantageusement, les deux vannes pilotées comportent chacune deux positions qui pour la première vanne laissent passer le fluide venant de la batterie vers alternativement le refroidisseur ou l’aérotherme, et pour la deuxième vanne laissent passer le fluide venant de la machine électrique vers alternativement l’échangeur thermique ou le réchauffeur.
[0014] Selon un mode de réalisation, les deux vannes pilotées sont des vannes à trois voies comprenant une entrée et deux sorties alternatives, le circuit haute température comportant en amont de la première vanne pilotée un premier clapet anti-retour laissant passer le fluide vers cette première vanne pilotée, et comportant en amont de la deuxième vanne pilotée un deuxième clapet anti-retour laissant passer le fluide vers cette deuxième vanne pilotée.
[0015] Selon un autre mode de réalisation, les deux vannes pilotées sont des vannes à au moins quatre voies comprenant deux entrées et deux sorties, une de ces entrées et une de ces sorties étant disposées en série dans le circuit haute température dans une position boucle courte.
[0016] Dans ce cas, les vannes quatre voies pilotées peuvent être des vannes rotatives.
[0017] En variante, les vannes quatre voies pilotées peuvent être des vannes coulissantes.
[0018] Avantageusement, le système thermique comporte un unique vase d’expansion relié en permanence aux trois circuits quelles que soient les positions des vannes pilotées.
[0019] Dans ce cas, les vannes coulissantes peuvent comporter une troisième voie de sortie qui est reliée en permanence à ses deux voies d’entrée, la troisième voie de sortie de la première vanne pilotée étant reliée au vase d’expansion.
[0020] Avantageusement, la boucle basse température comporte un chargeur de batterie embarqué.
[0021] L’invention a aussi pour objet un véhicule automobile hybride ou électrique équipé d’une machine électrique de traction alimentée par une batterie de traction, comportant un système thermique comprenant l’une quelconque des caractéristiques précédentes.
[0022] L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement dans la description explicative qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d’exemple illustrant un mode de réalisation de l’invention, et dans lesquels :
- la figure 1 est un schéma d’un système de gestion thermique selon l’invention, comprenant deux vannes pilotées à trois voies présentées dans une position donnant trois boucles courtes indépendantes ;
- la figure 2 est un schéma d’un système de gestion thermique suivant une variante, comprenant deux vannes à quatre voies rotatives présentées dans une position donnant trois boucles courtes indépendantes ;
- les figures 3A et 3B présentent une vanne rotative de ce système de gestion thermique, disposée successivement dans une position de boucle courte et une position de boucle longue ;
- la figure 4 présente le même système de gestion thermique comprenant deux vannes à quatre voies coulissantes disposées dans une position donnant trois boucles indépendantes ;
- les figures 5A et 5B présentent une vanne coulissante de ce système de gestion thermique, disposée successivement dans une position de boucle courte et de boucle longue ;
- la figure 6 présente ce système de gestion thermique dans une position boucle courte du circuit très basse température, et boucle longue des circuits haute température et basse température mis en série ;
- la figure 7 présente ce système de gestion thermique dans une position boucle courte du circuit basse température, et boucle longue des circuits haute température et très basse température mis en série ;
- la figure 8 présente ce système de gestion thermique dans une position boucle longue des circuits haute température, basse température et très basse température mis tous les trois en série ;
- la figure 9 présente une variante de ce système de gestion thermique comprenant deux vannes à cinq voies ; et
- les figures 10A et 10B présentent une vanne coulissante de ce système de gestion thermique, disposée successivement dans une position de boucle courte et de boucle longue ;
[0023] La figure 1 présente un système de gestion thermique d’un véhicule hybride, comportant une première boucle de fluide caloriporteur très basse température comprenant successivement une batterie de traction 2, une entrée a et une sortie b d’une première vanne trois voies pilotée 4, un refroidisseur 6 recevant un fluide frigorigène 8, utilisé aussi pour la climatisation de l’habitacle du véhicule, un premier raccord trois branchements 10, une première pompe de circulation 12 de ce circuit actionnée par un moteur électrique, et une première sonde de température 14.
[0024] La boucle très basse température régule la température de la batterie de traction 2 pour la refroidir, notamment pendant les périodes de recharge rapide, ou la réchauffer au démarrage par temps froid afin d’optimiser ses performances ainsi que sa durée de vie.
[0025] Une deuxième boucle de fluide caloriporteur haute température comporte successivement un réchauffeur électrique 20 recevant un courant haute tension, une deuxième sonde de température 22, un deuxième raccord trois branchements 24, un premier clapet anti-retour 26, un troisième raccord trois branchements 28 comprenant un branchement relié à une sortie d de la première vanne trois voies 4, et un autre branchement relié à une deuxième pompe de circulation 30 de ce circuit actionnée par un moteur électrique.
[0026] La deuxième boucle comporte ensuite un premier échangeur thermique 32 de chauffage de l’habitacle du véhicule, puis un quatrième raccord trois branchements 34, un deuxième clapet anti-retour 36, un cinquième raccord trois branchements 38, et revient enfin au réchauffeur électrique 20.
[0027] Le deuxième raccord trois branchements 24 comporte un branchement relié à un sixième raccord trois branchements 40 comprenant un branchement relié au premier raccord trois branchements 10, et un autre branchement relié à un vase d’expansion 42 permettant un dégazage du fluide.
[0028] La troisième boucle de fluide caloriporteur basse température comporte successivement un chargeur embarqué de batterie 50, un onduleur 52, une machine électrique de traction 54 commandée par cet onduleur, une deuxième vanne trois voies pilotée 56, un échangeur thermique avec l’air ambiant 58, disposé à l’avant du véhicule pour dissiper des calories dans l’atmosphère, un septième raccord trois branchements 60, une troisième sonde de température 62, puis une troisième pompe de circulation 64 de ce circuit actionnée par un moteur électrique.
[0029] Le quatrième raccord trois branchements 34 comporte un branchement relié au septième raccord trois branchements 60. Le cinquième raccord trois branchements 38 comporte un branchement relié à la deuxième sortie d de la deuxième vanne quatre voies 56.
[0030] La troisième boucle basse température permet de réguler la température de la machine électrique 54, et de l’électronique de l’onduleur 52 et du chargeur embarqué 50, qui doivent présenter des basses températures de l’ordre de 70 à 80°C.
[0031] Chaque vanne trois voies 4, 56 est pilotée pour à partir d’une entrée a, la relier alternativement à une première sortie b ou à une deuxième sortie d, l’autre sortie qui n’est pas utilisée étant isolée.
[0032] En disposant la première vanne trois voies 4 dans une position reliant son entrée a venant de la batterie 2 à sa première sortie b vers le refroidisseur 6, on ferme la deuxième sortie d et on isole le premier circuit très basse température du circuit haute température. De même en disposant la deuxième vanne trois voies 56 dans une position reliant son entrée a venant de la machine électrique 54 à sa première sortie b vers l’échangeur thermique 58, on ferme la deuxième sortie d et on isole le deuxième circuit haute température du circuit basse température. Chaque circuit travaille de manière indépendante.
[0033] En inversant uniquement la position de la première vanne trois voies 4, le fluide sortant de la batterie 2 part vers le deuxième circuit haute température pour être alternativement refroidi dans l’aérotherme 32 ou chauffé dans le réchauffeur 20, le premier clapet anti-retour 26 empêchant un départ du fluide dans l’autre sens dans le deuxième circuit haute température. Le retour du fluide passe par le deuxième raccord trois branchements 24, puis vers la première pompe de circulation 12 pour revenir à la batterie 2.
[0034] En inversant uniquement la position de la deuxième vanne trois voies 56, le fluide sortant de la machine électrique 54 part vers le deuxième circuit haute température pour être refroidi dans l’aérotherme 32, le deuxième clapet anti-retour 36 empêchant un départ du fluide dans l’autre sens dans le deuxième circuit haute température. Le retour du fluide passe par le quatrième raccord trois branchements 34 puis par le septième raccord trois branchements 60, pour arriver sur la troisième pompe électrique 64, le chargeur de batterie 50 et l’onduleur 52.
[0035] De cette manière on utilise les calories générées par le chargeur de batterie 56, l’onduleur 52 ou la machine électrique 54 suivant ce qui est en fonctionnement, pour alimenter l’aérotherme 32 de chauffage de l’habitacle.
[0036] La figure 2 présente un système de gestion thermique similaire, comprenant une première vanne rotative à quatre voies 70 comportant une première entrée a et une première sortie b reliées comme pour la première vanne trois voies précédente 4, et une deuxième entrée c ainsi qu’une deuxième sortie d disposées à la place des deux branchements du troisième raccord trois branchements 28 qui sont disposés en série dans le deuxième circuit haute température. Le premier clapet anti-retour 26 est retiré.
[0037] Dans une position boucle courte présentée figure 3A, la première vanne rotative 70 met en communication la première entrée a avec la première sortie b pour fermer la boucle très basse température, et la deuxième entrée c avec la deuxième sortie d pour fermer la boucle haute température, en séparant ces deux boucles.
[0038] Dans une position boucle longue présentée figure 3B, la première vanne rotative 70 met en communication la première entrée a avec la deuxième sortie d, et isole les deux autres voies c, d. La boucle très basse température est disposée en série avec la boucle haute température, le fluide venant de la batterie 2 allant directement vers l’aérotherme 32, le retour entre ces deux boucles se faisant par successivement le deuxième 24, le sixième 40 et le premier 10 raccord trois branchements.
[0039] D’une manière similaire une deuxième vanne rotative à quatre voies 72 comporte une première entrée a et une première sortie b reliées comme pour la deuxième vanne trois voies précédente 56, et une deuxième entrée c ainsi qu’une deuxième sortie d disposés à la place des deux branchements du cinquième raccord trois branchements 38 qui sont disposés en série dans le deuxième circuit haute température. Le deuxième clapet anti-retour 36 est retiré.
[0040] La deuxième vanne rotative quatre voies 72 peut être en position boucle courte pour séparer la boucle haute température de la boucle basse température. Alternativement, la deuxième vanne rotative quatre voies 72 peut être en position boucle longue, la boucle haute température étant disposée en série avec la boucle basse température, le fluide venant de la machine électrique 54 allant directement vers le réchauffeur 20 puis l’aérotherme 32, le retour entre ces deux boucles se faisant par successivement le quatrième 34 et le septième 60 raccord trois branchements.
[0041] Un calculateur électronique réalise un contrôle du système thermique en fonction d’informations venant de différents capteurs, notamment les capteurs de température de chaque boucle 14, 22, 62, pour activer en particulier les pompes électriques 12, 30, 64 et les vannes pilotées 4, 56, afin d’optimiser les températures de fonctionnement et les rendements énergétiques.
[0042] La figure 4 présente une évolution par rapport à la figure 2, comportant des circuits identiques comprenant chaque une vanne quatre voies coulissante 80, 82 remplaçant une vanne quatre voies rotative 70, 72. Chaque vanne coulissante 80, 82 présentée figures 5A et 5B, comporte de manière identique deux entrées a, c et deux sorties b, d.
[0043] On a les mêmes possibilités de liaisons donnant une position boucle courte présentée figure 5A, reliant la première entrée a à la première sortie b et la deuxième entrée c à la deuxième sortie d, et alternativement par une commande d’un électroaimant 84 déplaçant un tiroir coulissant, et une position boucle longue présentée figure 5B, reliant la première entrée a à la deuxième sortie d, et isolant les deux autres voies b, c.
[0044] La figure 4 présente une isolation des trois circuits, chaque vanne coulissante 80, 82 étant dans sa position boucle courte.
[0045] Dans les figures 6, 7 et 8 suivantes les croix barrant les circuits indiquent une absence de passage de fluides.
[0046] La figure 6 présente une position boucle longue de la deuxième vanne coulissante 82. Le circuit très basse température est isolé, son refroidisseur 6 suffisant à refroidir la batterie 2. Le circuit haute température est en série avec le circuit basse température, l’énergie thermique générée par la machine électrique 54 et son onduleur 52, ou par le chargeur de batterie 50, étant utilisée pour réchauffer l’aérotherme 32 et chauffer l’habitacle du véhicule. L’échangeur thermique 58 est hors circuit pour ne pas perdre de calories vers l’extérieur.
[0047] La figure 7 présente une position boucle longue de la première vanne coulissante 80. Le circuit très basse température est en série avec le circuit haute température, ce qui permet de réchauffer la batterie 2 avec le réchauffeur 20, pour la chauffer avant ou au début du démarrage du véhicule afin de l’utiliser rapidement à sa température optimum. Le circuit basse température est isolé.
[0048] La figure 8 présente une position boucle longue de la première vanne coulissante 80 et de la deuxième vanne coulissante 82. Les trois circuits sont disposés en série, ce qui permet de chauffer la batterie 2 et l’aérotherme 32 avec le réchauffeur électrique 20, le chargeur de batterie 50, l’onduleur 52 ou la machine électrique 54 suivant ce qui est en fonctionnement en générant une énergie thermique.
[0049] La figure 9 présente une évolution par rapport à la figure 4, comportant une vanne coulissante à cinq voies 90, 92 à la place de chaque vanne coulissante à quatre voies 80, 82. Chaque vanne coulissante à cinq voies 90, 92 présentée figures 10A et 10B, comporte en plus une troisième sortie e qui est toujours reliée à la deuxième entrée b.
[0050] Le deuxième raccord trois branchements 24 du circuit haute température est supprimé, la liaison vers le sixième raccord trois branchements 40 conduisant au vase d’expansion 42 étant remplacée par la troisième sortie e de la première vanne cinq voies 90. De cette manière dans la position boucle courte de la première vanne cinq voies 90 le circuit haute température est toujours relié au vase d’expansion 42 du circuit très basse température, ce qui permet d’utiliser un même vase d’expansion tout en séparant ces deux circuits.
[0051] Le quatrième raccord trois branchements 36 du circuit haute température est supprimé, la liaison vers le septième raccord trois branchements 60 conduisant à la deuxième pompe 64 étant remplacée par la troisième sortie e de la deuxième vanne cinq voies 92. De cette manière dans la position boucle courte de la deuxième vanne cinq voies 92, le circuit basse température est toujours relié par une canalisation unique au circuit haute température, qui est lui-même toujours relié au vase d’expansion 42, ce qui permet d’utiliser un même vase d’expansion tout en séparant ces deux premiers circuits.
[0052] On notera que pour les fonctionnements en boucle longue, les pompes électriques 12, 30, 64 des circuits disposés en série sur un même débit, permettent d’augmenter ce débit dans la boucle longue formée.
[0053] On réalise avec ces différents systèmes thermiques une mise en commun de certains équipements de chauffage ou de refroidissement qui réduit la masse, l’encombrement et les coûts de ces systèmes. En particulier les boucles basse température et très basse température peuvent utiliser un échangeur thermique 58 commun pour les refroidir, et un réchauffeur commun 20 pour les chauffer.
Claims (10)
1. Système thermique d’un véhicule hybride ou électrique équipé d’une machine électrique de traction (54), comportant trois boucles de fluide caloporteur comprenant chacune des équipements disposés en série, une première boucle très basse température comprenant une batterie de traction (2) alimentant la machine électrique (54), et un refroidisseur de climatisation du véhicule (6), une deuxième boucle haute température comprenant un réchauffeur électrique du fluide (20) et un aérotherme de chauffage de l’habitacle (32), et une troisième boucle basse température comprenant la machine électrique de traction (54), son onduleur de commande (52) et un échangeur thermique avec l'air ambiant (58), caractérisé en ce qu’il comporte une première vanne pilotée à au moins trois voies (4, 70, 80, 90) pouvant isoler ou mettre en série le circuit très basse température et le circuit haute température, et une deuxième vanne pilotée à au moins trois voies (56, 72, 82, 92) pouvant isoler ou mettre en série le circuit haute température et le circuit basse température.
2. Système thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux vannes pilotées comportent chacune deux positions qui pour la première vanne (4, 70, 80, 90) laissent passer le fluide venant de la batterie (2) vers alternativement le refroidisseur (6) ou l’aérotherme (32), et pour la deuxième vanne (56, 72, 82, 92) laissent passer le fluide venant de la machine électrique (54) vers alternativement l’échangeur thermique (58) ou le réchauffeur (20).
3. Système thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que les deux vannes pilotées sont des vannes à trois voies (4, 56) comprenant une entrée (a) et deux sorties alternatives (b, d), le circuit haute température comportant en amont de la première vanne pilotée (4) un premier clapet anti-retour (26) laissant passer le fluide vers cette première vanne pilotée (4), et comportant en amont de la deuxième vanne pilotée (56) un deuxième clapet anti-retour (36) laissant passer le fluide vers cette deuxième vanne pilotée (56).
4. Système thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux vannes pilotées sont des vannes à au moins quatre voies (70, 72, 80, 82, 90, 92) comprenant deux entrées (a, c) et deux sorties (b, d), une de ces entrées (c) et une de ces sorties (d) étant disposées en série dans le circuit haute température dans une position boucle courte.
5. Système thermique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les vannes quatre voies pilotées sont des vannes rotatives (70, 72).
6. Système thermique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les vannes quatre voies pilotées sont des vannes coulissantes (80, 82, 90, 92).
7. Système thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte un unique vase d’expansion (42) relié en permanence
5 aux trois circuits quelles que soient les positions des vannes pilotées (4, 70, 80, 90, 56, 72, 82, 92).
8. Système thermique selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les vannes coulissantes (90, 92) comportent une troisième voie de sortie (e) qui est reliée en permanence à ses deux voies d’entrée (a, c), la troisième voie de sortie (e) de la première
10 vanne pilotée (90) étant reliée au vase d’expansion (42).
9. Système thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la boucle basse température comporte un chargeur de batterie embarqué (50).
10. Véhicule automobile hybride ou électrique équipé d’une machine électrique de 15 traction (54) alimentée par une batterie de traction (2), caractérisé en ce qu’il comporte un système thermique selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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