FR3112719A1 - Dispositif de gestion thermique des batteries d’un véhicule automobile électrique ou hybride - Google Patents

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heat
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Amrid Mammeri
Kamel Azzouz
Gael Durbecq
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Abstract

Dispositif de gestion thermique (1) d’un véhicule automobile électrique ou hybride, comportant une première boucle de circulation (A) d’un fluide réfrigérant ainsi qu’une deuxième boucle de circulation (B) d’un fluide caloporteur et un échangeur de chaleur bifluide (101) agencé conjointement à la fois sur la première (A) et la deuxième (B) boucle de circulation,la deuxième boucle de circulation (B) comportant : une branche principale (B1) comprenant une pompe (23), un deuxième échangeur de chaleur (27) et un troisième échangeur de chaleur (29) disposé en aval du deuxième échangeur de chaleur (27), lesdits deuxième (27) et troisième (29) échangeurs de chaleur étant configurés pour échanger de l’énergie calorifique avec un flux d’air externe (F1), et l’échangeur de chaleur bifluide (101) disposé en aval du troisième échangeur de chaleur (29), et une branche de contournement (B2) connectée en parallèle du troisième échangeur de chaleur (29) et de l’échangeur de chaleur bifluide (101), ladite branche de contournement (B2) comportant un refroidisseur (31) configuré pour échanger de l’énergie calorifique directement ou indirectement avec des éléments électriques tels que l’électronique de puissance et le moteur électrique. Figure d’abrégé : Fig 1

Description

Dispositif de gestion thermique des batteries d’un véhicule automobile électrique ou hybride
La présente invention concerne un dispositif de gestion thermique d’un véhicule automobile électrique ou hybride. Plus spécifiquement, la présente invention concerne un dispositif de gestion thermique des batteries et des éléments électriques tels que l’électronique de puissance et le moteur électrique dudit véhicule.
Une des problématiques avec l’émergence des véhicules électriques et hybrides est l’autonomie des batteries ainsi que le temps de recharge de ces dernières. Le temps de recharge des batteries peut aller jusqu’à 8 heures voire plus avec l’utilisation d’un chargeur basse puissance, par exemple connecté au réseau électrique domestique. Ce temps de recharge peut convenir pour une utilisation quotidienne mais n’est pas adapté pour effectuer de longs trajets.
Une solution connue est d’installer des stations de recharge de forte puissance, par exemple de l’ordre de 350kW permettant un temps de recharge plus court par exemple inférieure à 1h voire 1/2h. Cependant, une telle recharge rapide entraîne une chauffe importante des batteries. Il est donc nécessaire de pouvoir refroidir les batteries. De manière générale, un véhicule électrique ou hybride comporte un dispositif de gestion thermique de batteries et des éléments électriques tels que l’électronique de puissance et le moteur électrique. Ce dispositif de gestion thermique des batteries utilise généralement un circuit de climatisation permettant également la gestion thermique de l’habitacle. Du fait que lors de la recharge des batteries, le véhicule est à l’arrêt, il est d’autant plus difficile de refroidir les batteries et les éléments électriques tels que l’électronique de puissance et le moteur électrique car le ou les échangeurs de chaleur du dispositif de gestion thermique permettant la dissipation de la chaleur sont traversés par un flux d’air, dit externe, généré uniquement par un système de ventilation. Il est ainsi important que le dispositif de gestion thermique comporte une architecture des échangeurs de chaleur permettant une efficacité maximale notamment lors de recharges rapides.
Un des buts de la présente invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l’art antérieur et de proposer une architecture d’un dispositif de gestion thermique permettant un bon refroidissement des batteries et des éléments électriques tels que l’électronique de puissance et le moteur électrique notamment lors d’une recharge rapide.
La présente invention concerne donc un dispositif de gestion thermique d’un véhicule automobile électrique ou hybride, ledit dispositif de gestion thermique comportant une première boucle de circulation d’un fluide réfrigérant ainsi qu’une deuxième boucle de circulation d’un fluide caloporteur, ledit dispositif de gestion thermique comportant également un échangeur de chaleur bifluide agencé conjointement à la fois sur la première et la deuxième boucle de circulation,
ladite première boucle de circulation comportant dans le sens de circulation du fluide réfrigérant, un compresseur, l’échangeur de chaleur bifluide, un premier dispositif de détente et un premier échangeur de chaleur,
la deuxième boucle de circulation comportant :
  • une branche principale comprenant dans le sens de circulation du fluide caloporteur une pompe, un deuxième échangeur de chaleur et un troisième échangeur de chaleur disposé en aval du deuxième échangeur de chaleur, lesdits deuxième et troisième échangeurs de chaleur étant configurés pour échanger de l’énergie calorifique avec un flux d’air externe, et l’échangeur de chaleur bifluide disposé en aval du troisième échangeur de chaleur, et
  • une branche de contournement connectée en parallèle du troisième échangeur de chaleur et de l’échangeur de chaleur bifluide, ladite branche de contournement comportant un refroidisseur configuré pour échanger de l’énergie calorifique directement ou indirectement avec des éléments électriques tels que l’électronique de puissance et le moteur électrique.
Selon un aspect de l’invention, le dispositif de gestion thermique est configuré de sorte que les pertes de charge au niveau de la branche de contournement, du troisième échangeur de chaleur et de l’échangeur de chaleur bifluide sont telles que le débit de fluide caloporteur circulant dans ledit troisième échangeur de chaleur et l’échangeur de chaleur bifluide est compris entre 20 % et 50 % du débit de fluide caloporteur généré par la pompe.
Selon un autre aspect de l’invention, la deuxième boucle de circulation comporte un dispositif de régulation du débit de fluide caloporteur circulant d’une part dans la branche de contournement et d’autre part dans le troisième échangeur de chaleur et l’échangeur de chaleur bifluide.
Selon un autre aspect de l’invention, le dispositif de régulation de débit est une vanne trois-voies disposée au niveau d’un premier point de jonction de la branche de contournement, ledit premier point de jonction étant disposé sur la branche principale entre le deuxième et le troisième échangeur de chaleur.
Selon un autre aspect de l’invention, le dispositif de gestion thermique est configuré pour que, lorsque le moteur électrique est en fonctionnement, le débit de fluide caloporteur circulant dans le troisième échangeur de chaleur et l’échangeur de chaleur bifluide soit compris entre 20 % et 50 % du débit de fluide caloporteur généré par la pompe.
Selon un autre aspect de l’invention, le dispositif de gestion thermique est configuré pour que, lorsque le moteur électrique est à l’arrêt, le débit de fluide caloporteur circulant dans la branche de contournement soit compris entre 10 % et 20 % du débit de fluide caloporteur généré par la pompe.
Selon un autre aspect de l’invention, le deuxième échangeur de chaleur est disposé en aval du troisième échangeur de chaleur dans le sens de circulation du flux d’air externe.
Selon un autre aspect de l’invention, le deuxième et le troisième échangeur de chaleur sont deux échangeurs de chaleur distincts.
Selon un autre aspect de l’invention, le deuxième et le troisième échangeur de chaleur sont regroupés au sein d’un même échangeur de chaleur dit combiné.
Selon un autre aspect de l’invention, l’échangeur de chaleur combiné comporte, dans son épaisseur, une première passe de fluide caloporteur correspondant au troisième échangeur de chaleur et une deuxième passe de fluide caloporteur correspondant au deuxième échangeur de chaleur.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, fournie à titre illustratif et non limitatif, et des dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une représentation schématique d’un dispositif de gestion thermique selon un premier mode de réalisation,
La figure 2 est une représentation schématique d’un dispositif de gestion thermique selon un deuxième mode de réalisation.
Sur les différentes figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d'autres réalisations.
Dans la présente description, on peut indexer certains éléments ou paramètres, comme par exemple premier élément ou deuxième élément ainsi que premier paramètre et second paramètre ou encore premier critère et deuxième critère, etc. Dans ce cas, il s’agit d’un simple indexage pour différencier et dénommer des éléments ou paramètres ou critères proches, mais non identiques. Cette indexation n’implique pas une priorité d’un élément, paramètre ou critère par rapport à un autre et on peut aisément interchanger de telles dénominations sans sortir du cadre de la présente description. Cette indexation n’implique pas non plus un ordre dans le temps par exemple pour apprécier tel ou tel critère.
Dans la présente description, on entend par « placé en amont » qu’un élément est placé avant un autre par rapport au sens de circulation d'un fluide. A contrario, on entend par « placé en aval » qu’un élément est placé après un autre par rapport au sens de circulation du fluide.
Sur les figures 1 et 2, le sens de circulation des fluides au sein de chacune des boucles de circulation est représenté par des flèches.
La figure 1 montre un dispositif de gestion thermique 1 d’un véhicule automobile électrique ou hybride. Ce dispositif de gestion thermique 1 comporte une première boucle de circulation A d’un fluide réfrigérant (représentée en trait plein) ainsi qu’une deuxième boucle de circulation B d’un fluide caloporteur (représentée en trait pointillé). Le dispositif de gestion thermique 1 comporte également un échangeur de chaleur bifluide 101 agencé conjointement à la fois sur la première A et la deuxième B boucle de circulation,
La première boucle de circulation A comporte, dans le sens de circulation du fluide réfrigérant, un compresseur 13, l’échangeur de chaleur bifluide 101, un premier dispositif de détente 15 et un premier échangeur de chaleur 17 configuré pour échanger de l’énergie calorifique directement ou indirectement avec les batteries.
Par « directement ou indirectement », on entend ici que le premier échangeur de chaleur 17 peut :
  • être en contact direct avec les batteries pour permettre leur gestion thermique, ou
  • être un échangeur de chaleur bifluide agencé conjointement sur la première boucle de circulation A et sur une autre boucle de circulation (distincte de la deuxième boucle de circulation B) qui comporte un échangeur de chaleur en contact avec les batteries pour une gestion thermique indirecte.
La première boucle de circulation A peut notamment être un circuit de climatisation et comporter un deuxième dispositif de détente 16 et un évaporateur 19 destiné à être traversé par un flux d’air interne F2. Le deuxième dispositif de détente 16 et l’évaporateur 19 sont disposés sur une première conduite de dérivation A1 reliant un premier point de raccordement 11a à un deuxième point de raccordement 11b. Le premier point de raccordement 11a est disposé en amont du premier dispositif de détente 15, entre l’échangeur de chaleur bifluide 101 et ledit premier dispositif de détente 15. Le deuxième point de raccordement 11b est quant à lui disposé en aval du premier échangeur de chaleur 17, entre ledit premier échangeur de chaleur 17 et le compresseur 13. Au sein de la première conduite de dérivation A1, le deuxième dispositif de détente 16 est disposé en amont de l’évaporateur 19.
La deuxième boucle de circulation B comporte quant à elle une branche principale B1 représentée en trait épais et une branche de contournement B2. La branche principale B1 comprend, dans le sens de circulation du fluide caloporteur, une pompe 23, un deuxième échangeur de chaleur 27 et un troisième échangeur de chaleur 29 disposé en aval du deuxième échangeur de chaleur 27. Ces deuxième 27 et troisième 29 échangeurs de chaleur sont configurés pour échanger de l’énergie calorifique avec un flux d’air externe F1. Par flux d’air externe F1, on entend ici un flux d’air extérieur au véhicule automobile. La branche principale B1 comporte également l’échangeur de chaleur bifluide 101 disposé en aval du troisième échangeur de chaleur 29.
La branche de contournement B2 est quant à elle connectée en parallèle du troisième échangeur de chaleur 29 et de l’échangeur de chaleur bifluide 101. Plus précisément, la branche de contournement B2 relie un premier point de jonction 21a à un deuxième point de jonction 21b. Le premier point de jonction 21a est disposé sur la branche principale B1 en aval du deuxième échangeur de chaleur 27, entre ledit deuxième échangeur de chaleur 27 et le troisième échangeur de chaleur 29. Le deuxième point de jonction 21b est quant à lui disposé sur la branche principale B1 en aval de l’échangeur de chaleur bifluide 101, entre ledit échangeur de chaleur bifluide 101et la pompe 23. Cette branche de contournement B2 comporte un refroidisseur 31 configuré pour échanger de l’énergie calorifique directement ou indirectement avec des éléments électriques tels que l’électronique de puissance et le moteur électrique.
Le fait que le premier point de jonction 21a soit disposé entre le deuxième 27 et le troisième 29 échangeur de chaleur permet que le fluide caloporteur allant vers l’échangeur de chaleur bifluide 101 traverse à la fois le deuxième 27 et le troisième 29 échangeur de chaleur. Ce fluide réfrigérant échangera alors plus d’énergie calorifique que le fluide réfrigérant passant par la branche de contournement B2 qui lui n’aura traversé que le deuxième échangeur de chaleur 27. De ce fait, la puissance de refroidissement consacrée aux batteries via l’échangeur de chaleur bifluide 101 sera plus élevée que la puissance de refroidissement consacrée aux éléments électriques tels que l’électronique de puissance et le moteur électrique.
Toujours comme illustré sur la figure 1, le deuxième échangeur de chaleur 27 est de préférence disposé en aval du troisième échangeur de chaleur 29 dans le sens de circulation du flux d’air externe F1. Selon une première variante, le deuxième 27 et le troisième 29 échangeur de chaleur peuvent être deux échangeurs de chaleur distincts.
Selon une deuxième variante, le deuxième 27 et le troisième 29 échangeur de chaleur peuvent être regroupés au sein d’un même échangeur de chaleur dit combiné. Cette deuxième variante permet notamment de faciliter l’installation du dispositif de gestion thermique 1 dans le véhicule automobile. L’échangeur de chaleur combiné peut ainsi comporter, dans son épaisseur, une première passe de fluide caloporteur correspondant au troisième échangeur de chaleur 29 et une deuxième passe de fluide caloporteur correspondant au deuxième échangeur de chaleur 27. Chaque passe comporte une entrée et une sortie de fluide caloporteur dédiée pour permettre les différentes connexions de fluide caloporteur de la deuxième boucle de circulation B.
Cette architecture de la deuxième boucle de circulation B permet de réguler et de contrôler le flux de fluide caloporteur destiné à échanger de l’énergie calorifique avec la première boucle de circulation A et le flux de fluide caloporteur destiné à échanger de l’énergie calorifique avec des éléments électriques tels que l’électronique de puissance et le moteur électrique. Le fluide caloporteur traversant le troisième échangeur de chaleur 29 et l’échangeur de chaleur bifluide 101permet d’assurer la gestion thermique des batteries via la première boucle de circulation A. Il est ainsi possible de découpler la gestion thermique des batteries et des éléments électriques tels que l’électronique de puissance et le moteur électrique.
Selon un premier mode de réalisation illustré à la figure 1, la proportion de fluide caloporteur circulant dans la branche de contournement B2 peut être déterminée passivement. Le dispositif de gestion thermique 1 est alors configuré de sorte que les pertes de charge au niveau de la branche de contournement B2, du troisième échangeur de chaleur 29 et de l’échangeur de chaleur bifluide 101 sont telles que le débit de fluide caloporteur circulant dans ledit troisième échangeur de chaleur 29 et l’échangeur de chaleur bifluide 101 est compris entre 50 % et 80 % du débit de fluide caloporteur généré par la pompe 23. Le fait de consacrer entre 20 % et 50 % du débit de fluide caloporteur généré par la pompe 23 au refroidissement des éléments électriques tels que l’électronique de puissance et le moteur électrique permet ainsi de prioriser le refroidissement des batteries. De plus, le fluide caloporteur consacré au refroidissement des batteries passe par le troisième échangeur de chaleur 29 et donc bénéficie d’un plus fort refroidissement que celui circulant dans la branche de contournement B2. La puissance de refroidissement des batteries est donc supérieure à celle des éléments électriques tels que l’électronique de puissance et le moteur électrique.
Selon un deuxième mode de réalisation illustré à la figure 2, la proportion de fluide caloporteur circulant dans la branche de contournement B2 peut être contrôlée activement. Pour cela, la deuxième boucle de circulation B peut comporter un dispositif de régulation du débit de fluide caloporteur circulant d’une part dans la branche de contournement B2 et d’autre part dans le troisième échangeur de chaleur 29 et l’échangeur de chaleur bifluide 101.
Comme illustré sur la figure 2, ce dispositif de régulation de débit peut être une vanne trois-voies 33 disposée au niveau du premier point de jonction 21a de la branche de contournement B2. Une alternative non représenté est l’utilisation d’une vanne proportionnelle par exemple disposée sur la branche de contournement B2.
Le dispositif de régulation de débit permet ainsi de contrôler efficacement le débit du fluide caloporteur traversant l’échangeur de chaleur bifluide 101 pour la gestion thermique des batteries et traversant le refroidisseur 31 pour la gestion thermique des éléments électriques tels que l’électronique de puissance et le moteur électrique.
Grâce à ce dispositif de régulation de débit, le dispositif de gestion thermique 1 peut ainsi être configuré pour que lorsque le moteur électrique du véhicule automobile est en fonctionnement, le débit de fluide caloporteur circulant dans le troisième échangeur de chaleur 29 et l’échangeur de chaleur bifluide 101 soit compris entre 20 % et 50 % du débit de fluide caloporteur généré par la pompe 23. Dans ce cas de figure, il est possible de refroidir efficacement à la fois les batteries et les éléments électriques tels que l’électronique de puissance et le moteur électrique.
Lorsque le moteur électrique est à l’arrêt, le dispositif de gestion thermique 1 peut être configuré pour que le débit de fluide caloporteur circulant dans la branche de contournement B2 soit compris entre 10 % et 20 % du débit de fluide caloporteur généré par la pompe 23. Dans ce cas de figure, la priorité est donnée au refroidissement des batteries en limitant le débit de fluide caloporteur passant par la branche de contournement B2. Plus de puissance de refroidissement est alors dédiée au refroidissement des batteries notamment lors d’une recharge rapide.
Ainsi, on voit bien que l’architecture de la deuxième boucle de circulation B1 permet d’améliorer les performances du dispositif de gestion thermique 1. Cela est particulièrement utile afin de maximiser ses performances lorsque les besoins en refroidissement des batteries sont importants par exemple lors d’une charge rapide de ces batteries.

Claims (10)

  1. Dispositif de gestion thermique (1) d’un véhicule automobile électrique ou hybride, ledit dispositif de gestion thermique (1) comportant une première boucle de circulation (A) d’un fluide réfrigérant ainsi qu’une deuxième boucle de circulation (B) d’un fluide caloporteur, ledit dispositif de gestion thermique (1) comportant également un échangeur de chaleur bifluide (101) agencé conjointement à la fois sur la première (A) et la deuxième (B) boucle de circulation,
    ladite première boucle de circulation (A) comportant dans le sens de circulation du fluide réfrigérant, un compresseur (13), l’échangeur de chaleur bifluide (101), un premier dispositif de détente (15) et un premier échangeur de chaleur (17),
    la deuxième boucle de circulation (B) comportant :
    • une branche principale (B1) comprenant dans le sens de circulation du fluide caloporteur une pompe (23), un deuxième échangeur de chaleur (27) et un troisième échangeur de chaleur (29) disposé en aval du deuxième échangeur de chaleur (27), lesdits deuxième (27) et troisième (29) échangeurs de chaleur étant configurés pour échanger de l’énergie calorifique avec un flux d’air externe (F1), et l’échangeur de chaleur bifluide (101) disposé en aval du troisième échangeur de chaleur (29), et
    • une branche de contournement (B2) connectée en parallèle du troisième échangeur de chaleur (29) et de l’échangeur de chaleur bifluide (101), ladite branche de contournement (B2) comportant un refroidisseur (31) configuré pour échanger de l’énergie calorifique directement ou indirectement avec des éléments électriques tels que l’électronique de puissance et le moteur électrique.
  2. Dispositif de gestion thermique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il est configuré de sorte que les pertes de charge au niveau de la branche de contournement (B2), du troisième échangeur de chaleur (29) et de l’échangeur de chaleur bifluide (101) sont telles que le débit de fluide caloporteur circulant dans ledit troisième échangeur de chaleur (29) et l’échangeur de chaleur bifluide (101) est compris entre 20 % et 50 % du débit de fluide caloporteur généré par la pompe (23).
  3. Dispositif de gestion thermique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième boucle de circulation (B) comporte un dispositif de régulation du débit de fluide caloporteur circulant d’une part dans la branche de contournement (B2) et d’autre part dans le troisième échangeur de chaleur (29) et l’échangeur de chaleur bifluide (101).
  4. Dispositif de gestion thermique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif de régulation de débit est une vanne trois-voies (33) disposée au niveau d’un premier point de jonction (21a) de la branche de contournement (B2), ledit premier point de jonction (21a) étant disposé sur la branche principale (B1) entre le deuxième (27) et le troisième (29) échangeur de chaleur.
  5. Dispositif de gestion thermique (1) selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu’il est configuré pour que, lorsque le moteur électrique est en fonctionnement, le débit de fluide caloporteur circulant dans le troisième échangeur de chaleur (29) et l’échangeur de chaleur bifluide (101) soit compris entre 20 % et 50 % du débit de fluide caloporteur généré par la pompe (23).
  6. Dispositif de gestion thermique (1) selon l’une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu’il est configuré pour que, lorsque le moteur électrique est à l’arrêt, le débit de fluide caloporteur circulant dans la branche de contournement (B2) soit compris entre 10 % et 20 % du débit de fluide caloporteur généré par la pompe (23).
  7. Dispositif de gestion thermique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième échangeur de chaleur (27) est disposé en aval du troisième échangeur de chaleur (29) dans le sens de circulation du flux d’air externe (F1).
  8. Dispositif de gestion thermique (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le deuxième (27) et le troisième (29) échangeur de chaleur sont deux échangeurs de chaleur distincts.
  9. Dispositif de gestion thermique (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le deuxième (27) et le troisième (29) échangeur de chaleur sont regroupés au sein d’un même échangeur de chaleur dit combiné.
  10. Dispositif de gestion thermique (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’échangeur de chaleur combiné comporte, dans son épaisseur, une première passe de fluide caloporteur correspondant au troisième échangeur de chaleur (29) et une deuxième passe de fluide caloporteur correspondant au deuxième échangeur de chaleur (27).
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