Titre de l'invention
Système et procédé de régulation d'une installation de climatisation
Arrière plan de l'invention
La présente invention se rapporte aux installations de climatisation du type climatisation pour véhicule automobile. Plus particulièrement, l'invention se rapporte aux installations du type climatisation pour véhicule automobile qui utilisent un compresseur électrique dans le circuit de réfrigération.
Les circuits de climatisation classiques pour véhicule automobile comprennent principalement un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur formant ainsi un circuit de réfrigération parcouru par un fluide frigorigène. L'évaporateur est balayé par un flux d'air pour produire un flux d'air réfrigéré ou climatisé dans l'habitacle du véhicule. La température du flux d'air réfrigéré est contrôlée notamment par ajustement de la vitesse du compresseur qui est variable en fréquence.
Dans la plupart des véhicules récents équipés d'une installation de climatisation, le compresseur utilisé dans le circuit de réfrigération est électrique. La particularité d'un compresseur électrique est son indépendance par rapport au régime moteur. Il régule sa puissance en fonction de sa vitesse de rotation, laquelle est variable. Dans ce cas, la puissance frigorifique n'est plus limitée par le régime moteur mais par la disponibilité de la source électrique, laquelle hiérarchise les priorités des équipements consommateurs d'énergie électrique en partant des équipements de sécurité vers les équipements de confort.
Par conséquent, pour les véhicules équipés d'un compresseur électrique pour la climatisation, qui n'est pas considéré comme un équipement de sécurité, se pose le problème de la gestion de la puissance absorbée par celui-ci en terme de consommation d'énergie électrique et par conséquent d'autonomie.
Objet et résumé de l'invention Un objet de l'invention est de réaliser un système de régulation d'une installation de climatisation permettant de minimiser la puissance
électrique absorbée par le compresseur électrique intervenant dans la boucle de climatisation.
Ces buts sont atteints grâce à un système de régulation d'une installation de climatisation équipée d'un circuit de réfrigération pour refroidir un flux d'air comprenant un compresseur électrique dont la fréquence de rotation est commandée en fonction d'une valeur de consigne, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour mesurer un ou plusieurs paramètres physiques dans le circuit de réfrigération, un moyen de traitement pour calculer au moins une valeur à partir des paramètres mesurés, ladite valeur calculée étant significative d'un changement dans la capacité de refroidissement de la température du flux d'air par rapport à la puissance absorbée du compresseur, et pour comparer la valeur calculée avec une ou plusieurs valeurs de seuil, et un moyen de commande en fréquence du compresseur relié au moyen de traitement pour ajuster la fréquence de rotation du compresseur électrique en fonction du résultat de la comparaison.
Ainsi, le système selon l'invention permet d'économiser la puissance consommée dans le compresseur sans nuire au coefficient de performance du compresseur. Selon une caractéristique de l'invention, le moyen de traitement mémorise plusieurs valeurs de seuil et les compare à la valeur calculée à partir des paramètres physiques mesurés de sorte que suivant le résultat de la comparaison, le moyen de traitement envoie soit une information de diminution de la fréquence de rotation du compresseur à une valeur minimale sans tenir compte de la valeur de consigne, soit une information de maintien ou de diminution de la fréquence de rotation sans tenir compte de la valeur de consigne, soit une information de maintien ou d'augmentation de la fréquence de rotation du compresseur pour obtenir la valeur de consigne. Selon une caractéristique de l'invention, le moyen de mesure des paramètres physiques comprend un premier et un second capteurs de pression respectivement placés à l'entrée et à la sortie du compresseur. La valeur calculée par le moyen de traitement à partir des paramètres physiques mesurés correspond alors au taux de compression calculé à partir des pressions d'entrée et de sortie mesurées par les capteurs.
Le moyen de mesure peut comprendre en outre un capteur de
température et le moyen de traitement calcule une seconde valeur à partir de la température et de la pression mesurées en entrée du compresseur.
Le circuit de réfrigération peut comprendre en outre un détendeur électrique commandé par le moyen de traitement afin d'ajuster la surchauffe en entrée du compresseur en fonction de la fréquence de rotation du compresseur.
Selon un autre aspect de l'invention, le moyen de mesure des paramètres physiques comprend un capteur de température du flux d'air en sortie du circuit de réfrigération et un détecteur de la fréquence de rotation du compresseur. Dans ce cas, la valeur calculée par le moyen de traitement correspond au rapport entre la décroissance de la température du flux d'air et l'accroissement de la fréquence du compresseur mesurés.
Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, le moyen de traitement envoie les informations de commande de la fréquence du compresseur en fonction d'une première valeur calculée correspondant au taux de compression du compresseur et en fonction d'une seconde valeur calculée correspondant au rapport entre la décroissance de la température du flux d'air mesurée et l'accroissement de la fréquence du compresseur. La présente invention a également pour objet un procédé de régulation d'une installation de climatisation équipée d'un circuit de réfrigération comprenant un compresseur électrique dont la fréquence de rotation est commandée en fonction d'une valeur de consigne, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: a) mesure d'un ou plusieurs paramètres physiques dans le circuit de réfrigération, b) calcul d'au moins une valeur à partir des paramètres mesurés, ladite valeur calculée étant significative d'un changement dans la capacité de refroidissement de la température du flux d'air par rapport à la puissance absorbée du compresseur, c) comparaison de la valeur mesurée du paramètre avec une ou plusieurs valeurs de seuil, et d) ajustement de la fréquence de rotation du compresseur électrique en fonction du résultat de la comparaison. Selon une caractéristique de l'invention, on mémorise plusieurs valeurs de seuil et on les compare à la valeur calculée à partir des
paramètres physiques mesurés de sorte que suivant le résultat de la comparaison, soit on diminue la fréquence de rotation du compresseur à une valeur minimale sans tenir compte de la valeur de consigne, soit on maintient ou on diminue la fréquence de rotation sans tenir compte de la valeur de consigne, soit on maintient ou on augmente la fréquence de rotation du compresseur pour obtenir la valeur de consigne.
La valeur calculée peut correspondre soit au taux de compression calculé à partir de mesures des pressions d'entrée et de sortie du compresseur, soit au rapport entre la décroissance de la température du flux d'air refroidi en sortie du circuit de réfrigération et l'accroissement de la fréquence du compresseur, soit aux deux en combinaison.
Brève Description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une représentation schématique du système de régulation selon l'invention,
- la figure 2 est un diagramme montrant l'évolution du coefficient de performance (COP) et la puissance absorbée (Pu) du compresseur en fonction du taux de compression suivant différentes conditions d'utilisation, - la figure 3 est un diagramme montrant l'évolution de la température du flux d'air soufflé (ts) et de coefficient de performance (COP) du compresseur en fonction du taux de compression suivant différentes conditions d'utilisation,
- la figure 4 est un organigramme représentant les étapes de régulation de la fréquence du compresseur en fonction du taux de compression selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 5 est un organigramme d'un exemple de régulation de la fréquence du compresseur suivant les étapes de la figure 4,
- la figure 6 est un diagramme montrant l'évolution de la température du flux d'air soufflé (ts) en fonction de la fréquence de rotation (Fc) du compresseur suivant différentes conditions d'utilisation,
- la figure 7 est un diagramme montrant l'évolution de la puissance absorbée (Pu) dans le compresseur en fonction de sa fréquence de rotation (Fc) suivant différentes conditions d'utilisation,
- la figure 8 est un organigramme représentant les étapes de régulation de la fréquence du compresseur en fonction du rapport entre la variation de la température du flux d'air soufflé et la variation de fréquence du compresseur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 9 est un organigramme d'un exemple de régulation de la fréquence du compresseur suivant les étapes de la figure 8,
- la figure 10 est un exemple d'un régulateur de type proportionnel intégral utilisé pour la régulation de la fréquence du compresseur selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, et
- la figure 11 est un exemple d'une table de régulation de la fréquence du compresseur en fonction à la fois du taux de compression et du rapport entre la variation de la température du flux d'air soufflé et la variation de fréquence du compresseur conformément à un troisième mode de réalisation.
Description détaillée de modes de réalisation
Sur la figure 1, le circuit de réfrigération 1 est formé par un compresseur 2, un condenseur 3, un détendeur 5 et un évaporateur 6, tous parcourus par un fluide fπ'gorigène dans le sens des flèches indiquées sur le circuit. Une masse donnée du fluide frigorigène passe par différents états intermédiaires avant de revenir dans son état initial de volume, température et de pression. Sur le circuit 1, on peut suivre à partir de l'entrée du compresseur, le cycle du fluide frigorigène. Le compresseur 2 absorbe les vapeurs basse pression surchauffées issues de l'évaporateur 6 et refoule vers le condenseur 3 des vapeurs haute pression surchauffées. Dans le condenseur 3, les vapeurs haute pression surchauffées vont se refroidir jusqu'à la température de vaporisation. Ensuite, elles vont totalement se liquéfier en cédant la chaleur latente à l'extérieur grâce à un ventilateur 4. Le liquide va être sous-refroidi. A la sortie du condenseur 3, le détendeur 5 va alimenter l'évaporateur en liquide basse pression. Dans l'évaporateur 6, à basse pression, le liquide va totalement se vaporiser et être surchauffé. L'évaporateur va prélever la chaleur latente de
vaporisation à un flux d'air soufflé par un pulseur 15 et le refroidir. Ce flux d'air soufflé constitue l'air réfrigéré ou climatisé qui est envoyé dans l'habitacle du véhicule.
Au cours des transformations subies, le fluide frigorigène prend de la chaleur à une source chaude par l'évaporateur 6 et cède de la chaleur à une source froide par le condenseur 3. Le compresseur 2 dont la vitesse est variable en fréquence comprime les vapeurs du fluide frigorigène et les refoule, à haute pression et haute température, vers le condenseur 3.
La technologie des compresseurs électriques est la plupart du temps du type "scroll" ou rotative. Cette technologie possède un rendement volumétrique qui peut être considéré comme constant dans les plages de température d'utilisation de la climatisation.
L'installation de climatisation fonctionne entre deux sources quantifiées en température et en énergie auxquelles correspondent deux niveaux de pression du fluide réfrigérant: haute pression HP et basse pression BP telles que délimitées sur la figure 1. Le fluide haute pression traverse le condenseur 3 et il est dépendant de la température extérieure et du débit d'air qui traverse le condenseur. De la même manière, le fluide basse pression traverse l'évaporateur 6 et il est fonction de la température, du débit d'air mais en plus de l'humidité de l'air.
Toutes les courbes des figures 2, 3, 5 et 6 correspondent à des valeurs mesurées suivant trois essais, chacun ayant été réalisé dans des conditions d'utilisations différentes qui sont récapitulées dans le tableau ci- dessous. L'indice numérique 1, 2 ou 3 indiqué sur chaque courbe des figures 2, 3, 5 et 6 correspond au numéro de l'essai du tableau. Comme indiqué dans le tableau ci-dessous, les conditions sur la boucle de régulation du compresseur sont constantes (i.e. température, humidité et débit) pour chaque essai, seule la fréquence du compresseur varie.
La figure 2 illustre l'évolution du coefficient de performance du compresseur (COP) (rapport entre la puissance frigorifique produite et la puissance électrique absorbée) ainsi que de la puissance électrique absorbée par ce dernier en fonction du taux de compression. Comme illustré sur la figure, le COP du compresseur électrique varie en fonction du taux de compression mais reste "indépendant" des conditions extérieures (température, humidité et débit d'air) agissant sur la boucle, tandis que la puissance électrique absorbée, qui varie de façon linéaire en fonction du taux de compression, est dépendante de ces conditions extérieures.
La figure 3 représente l'évolution de la température du flux d'air soufflé ts à la sortie de l'évaporateur 6 en fonction du taux de compression.
En combinant les courbes des figures 2 et 3, on observe, qu'en fonction de l'augmentation du taux de compression, l'accroissement de la puissance absorbée est quasi constant tandis que la décroissance de la température de soufflage s'amoindrie sensiblement. Plus précisément, on note sur la Figure 3, pour chaque courbe de température tsχ à ts3 respectivement un point de changement de pente A, B ou C à partir duquel la température de l'air soufflé décroît plus lentement tandis que la puissance électrique continue de croître de façon linéaire. Au delà de ces points de changement de pente, le confort apporté par la climatisation devient coûteux en énergie électrique pour le véhicule.
La vitesse du compresseur qui est variable en fréquence est habituellement commandée par une valeur de consigne liée à la température du flux d'air que l'on souhaite obtenir ou maintenir dans l'habitacle du véhicule. A cet effet, l'installation de climatisation comprend une boucle de régulation classique pour faire varier la fréquence de commande appliquée au compresseur en fonction de la valeur de consigne visée. Cependant, on constate d'après la figure 3 que l'augmentation de la vitesse du compresseur et, par conséquent du taux de compression produit, ne conduit pas à une diminution de la température du flux d'air soufflé constante et qu'au delà d'un certain niveau du taux de compression (points A, B et C) la capacité à refroidir l'air soufflé diminue sensiblement alors que la puissance électrique consommée croît toujours linéairement. En d'autres termes, au delà de certaines valeurs du taux de
compression, l'augmentation de la vitesse du compresseur pour atteindre une valeur de consigne liée à une température cible du flux d'air soufflé devient superflue au regard de l'énergie électrique consommée.
En fonction du mode de régulation du véhicule, automatique, semi-automatique ou manuel, on peut prendre en compte plusieurs paramètres agissant sur le taux de compression et donc sur la puissance électrique du compresseur.
Un premier mode de réalisation, illustré sur la figure 1, consiste à mesurer le taux de compression en utilisant deux capteurs de pression 8 et 9 respectivement en entrée et en sortie du compresseur 2 pour mesurer la basse pression PE et la haute pression Ps. Le taux de compression PS/PE résultant est calculé par un moyen de traitement 20, du type microprocesseur programmable, qui reçoit les valeurs de pression PE et Ps respectivement mesurées par les capteurs 8 et 9. Tout comme dans la boucle de régulation classique de la vitesse du compresseur, en fonction du taux de compression résultant, le moyen de traitement 20 peut diminuer ou augmenter la fréquence appliquée au compresseur en envoyant des informations de commande à un dispositif de commande en fréquence 13 tel qu'un onduleur par exemple. En ajustant ainsi la fréquence de rotation du compresseur, on agit directement sur la puissance électrique absorbée par le compresseur. Dans le cadre de la régulation de température classique dans une installation de climatisation, le moyen de traitement 20 reçoit également en entrée des signaux de réglage de la température de consigne tœns, de marche/arrêt ACON de la régulation automatique de la climatisation, de mesure de la température ambiante tamb et du régime moteur N du compresseur.
Suivant d'autres types de régulation expliqués plus loin, le moyen de traitement 20 peut également recevoir en entrée la température du flux d'air soufflé ts et la fréquence du compresseur Fc. La figure 4 montre un organigramme des étapes mises en œuvre pour ajuster la fréquence du compresseur en fonction du taux de compression. Dans l'étape ST1 la pression PE en entrée et la pression Ps en sortie sont mesurées par les capteurs 8 et 9. Dans l'étape ST2, le moyen de traitement 20 reçoit les pressions PE et Ps ainsi mesurées et calcule le taux de compression TCOmp= PS/PE. Le taux de compression TCOmp calculé est alors comparé à plusieurs valeurs de seuil prédéterminées qui
délimitent des zones représentées sur la figure 3. Dans l'exemple considéré en figure 3, on délimite une première zone dite "éco" entre des valeurs du taux de compression allant de 4 à 5. Une seconde zone dite "limite" se situe entre des valeurs du taux de compression allant de 5 à 6. Enfin, une troisième zone dite "d'arrêt" se situe entre les valeurs 6 et 7 du taux de compression. Le moyen de traitement 20 effectue une comparaison entre le taux de compression calculé à partir des mesures de pression et les valeurs de seuil déterminées.
En se référant de nouveau à la figure 4, on observe que dans une étape ST3, si le taux de compression est supérieur à 6, c'est à dire dans la zone "arrêt", on stoppe le compresseur ou on diminue sa fréquence à une valeur minimale. L'étape ST4 concerne le cas où le taux de compression est compris entre les valeurs 5 et 6, c'est à dire dans la zone "limite", ce qui conduit à diminuer ou maintenir la fréquence du compresseur sans tenir compte de la valeur de consigne. Dans les étapes ST3 et ST4, il est mis en œuvre une boucle de régulation propre à l'invention qui prévaut sur la boucle de régulation classique basée sur une valeur de consigne. Dans l'étape ST5, on prend en compte les valeurs du taux de compression qui sont inférieures à 5 et qui correspondent à la zone "éco" définie sur la figure 3. L'étape ST5 consiste à augmenter ou à maintenir la fréquence du compresseur en vue d'obtenir la valeur de consigne. Les étapes ST3, ST4 et ST5 sont réalisées par le moyen de traitement 20 qui envoie, via une connexion 26, une information d'ajustement de la fréquence du compresseur au dispositif de commande en fréquence 13 du compresseur. Le dispositif de commande 13 pilote alors le compresseur en fréquence au moyen d'une connexion 14. Ce type de régulation est direct et il s'affranchit des constantes de temps du système.
Un exemple de schéma de régulation de la fréquence du compresseur suivant les étapes définies en figure 4 est illustré en figure 5. Comme on peut le voir sur la figure 5, une fois le mode de régulation automatique "AC ON" enclenché, la commande en fréquence f du compresseur est soit diminuée d'une valeur déterminée Δfi ou Δf2, soit maintenue selon les cas définis à la figure 4. Plus particulièrement, dans l'exemple considéré, on choisit de diminuer la commande en fréquence f d'une valeur Δfi si on est dans l'étape ST3 et d'une valeur Δf2 si l'on se
trouve dans l'étape ST4. La valeur Δfi est sensiblement supérieure à la valeur Δf2 pour diminuer fortement la commande en fréquence lorsque le taux de compression est supérieur à 6 (étape ST3) et dans une moindre mesure (Δf2) lorsque le taux de compression est compris entre 5 et 6 (étape ST4). Dans cet exemple de régulation, lorsque le taux de compression est inférieur à 5 (étape ST5) la commande en fréquence f est maintenue.
Au capteur 8 de pression peut être associé un capteur de température 16 pour prendre en compte la surchauffe du fluide frigorigène en entrée du compresseur comme variable complémentaire sur le choix de la vitesse du compresseur. Ainsi, à partir d'une température déterminée du fluide frigorigène en entrée du compresseur, la fréquence du compresseur sera maintenue ou diminuée sans tenir compte de la valeur de consigne. Selon une autre variante, le détendeur 5 peut être un détendeur électrique dont la durée d'ouverture est commandée, via une liaison 29, par les moyens de traitement 20. Ceci permet d'ajuster la surchauffe du fluide de façon optimale en fonction de la fréquence de rotation du compresseur et, par conséquent, d'optimiser la consommation d'énergie électrique du compresseur.
Un autre mode de régulation peut être basé sur la prise en compte d'un gradient de température traversant l'évaporateur en fonction de la fréquence du compresseur. Sur la figure 6, on a représenté l'évolution de la température ts du flux d'air soufflé en fonction de la fréquence du compresseur. On retrouve le changement de pente aux points A, B et C autour de 90 Hz suivant une évolution plus lente, tandis que la puissance électrique absorbée suit une évolution linéaire identique, comme représentée sur la figure 7. A droite des points A, B et C, on observe un abaissement de seulement 2°C de la température du flux d'air soufflé pour une augmentation de la fréquence de rotation du compresseur de 50Hz.
Comme représenté sur la figure 8, on en déduit une stratégie de régulation tenant compte des observations de la Figure 6. Dans l'étape ST10 la température ts du flux d'air soufflé est mesurée par un capteur de température 10 disposé à la sortie de l'évaporateur 6 et la fréquence Fc du compresseur est obtenue au niveau d'un détecteur 17 disposé sur le
compresseur 2. Dans l'étape ST11, le moyen de traitement 20 reçoit les paramètres ts et Fc et calcule le rapport dT entre une variation de température dts et une variation de la fréquence dFc comme ci-dessous: d ts(n) - ts(n - l) dFc Fc(n) -Fc(n - 1).
Le rapport dT calculé est alors comparé à plusieurs valeurs de seuil prédéterminées, à savoir 0.35, 0.4 et 0.45 dans l'exemple ici considéré. Si le rapport dT est supérieur à 0.45, on stoppe, dans une étape ST12, le compresseur ou on diminue sa fréquence à une valeur minimale. Si le rapport dT est compris entre 0.4 et 0.45, on se trouve dans l'étape ST13 qui conduit à diminuer ou maintenir la fréquence du compresseur sans tenir compte de la valeur de consigne. Enfin, si le rapport dT est inférieur à 0.4, c'est l'étape ST14 qui consiste à augmenter ou à maintenir la fréquence du compresseur en vue d'obtenir la valeur de consigne. Comme pour le mode de régulation précédent, les étapes ST12, ST13 et ST14 sont réalisées par le moyen de traitement 20 qui envoie, via une connexion 26, une information d'ajustement de la fréquence du compresseur au dispositif de commande en fréquence 13 du compresseur. Un exemple de schéma de régulation de la fréquence du compresseur suivant les étapes définies en figure 8 est illustré en figure 9. Comme on peut le voir sur la figure 9, une fois le mode de régulation automatique "AC ON" enclenché, la commande en fréquence f du compresseur est soit diminuée d'une valeur déterminée Δfi ou Δf2, soit maintenue selon les cas définis à la figure 4. Plus particulièrement, dans l'exemple considéré, on choisit de diminuer la commande en fréquence f d'une valeur Δfi si on est dans l'étape ST12 et d'une valeur Δf2 si l'on se trouve dans l'étape ST13. La valeur Δfi est sensiblement supérieure à la valeur Δf2 pour diminuer fortement la commande en fréquence lorsque le rapport dT est supérieur à 0.45 (étape ST12) et dans une moindre mesure
(Δf2) lorsque le rapport dT est compris entre 0.4 et 0.45 (étape ST13).
Dans cet exemple de régulation, lorsque le taux de compression est inférieur à 0.4 (étape ST14) la commande en fréquence f est maintenue.
Dans ce mode de régulation, où l'on tient compte de la constante de temps du système, la vitesse du compresseur est régulée de façon "indirecte" puisqu'on régule sur des variations de mesure et non sur
des mesures instantanées. A cet effet, un régulateur du type proportionnel et intégral comme celui illustré en figure 10 peut être utilisé pour réaliser la régulation avec constante de temps. Sur la figure 10, on détermine l'erreur entre la température de consigne et la température d'air soufflé mesurée. Cette erreur est alors utilisée dans le régulateur qui, au moyen de la formule indiquée à la figure 10, calcule la commande en fréquence f(k) à appliquer au compresseur en tenant compte de la constante de temps. Dans cette formule, Kp est une constante de régulation proportionnelle à l'erreur mesurée, Ti est une constante de temps d'intégration et j est une variable de temps d'échantillonnage.
Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, on met en œuvre un mode de régulation qui combine les deux premiers modes de régulation décrits ci-dessus pour ajuster la fréquence du compresseur. La figure 11 montre un exemple d'une table pour gérer la régulation de la fréquence du compresseur en fonction à la fois du taux de compression et du rapport entre la variation de la température du flux d'air soufflé et la variation de fréquence du compresseur.