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FR3083852A1 - Circuit de gestion thermique d'un vehicule automobile electrique ou hybride - Google Patents

Circuit de gestion thermique d'un vehicule automobile electrique ou hybride Download PDF

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FR3083852A1
FR3083852A1 FR1856393A FR1856393A FR3083852A1 FR 3083852 A1 FR3083852 A1 FR 3083852A1 FR 1856393 A FR1856393 A FR 1856393A FR 1856393 A FR1856393 A FR 1856393A FR 3083852 A1 FR3083852 A1 FR 3083852A1
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FR
France
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heat exchanger
refrigerant
passes
compressor
heat
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Ceased
Application number
FR1856393A
Other languages
English (en)
Inventor
Mohamed Yahia
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Systemes Thermiques SAS
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques SAS
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Publication date
Application filed by Valeo Systemes Thermiques SAS filed Critical Valeo Systemes Thermiques SAS
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Publication of FR3083852A1 publication Critical patent/FR3083852A1/fr
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Abstract

La présente invention concerne un circuit de gestion thermique d'un véhicule automobile électrique ou hybride dans lequel circule un fluide réfrigérant, ledit circuit de gestion thermique comportant une boucle principale comportant : • un compresseur comprenant au moins deux étages de compression, • un premier échangeur de chaleur destiné à être traversé par un flux d'air externe, • un premier dispositif de détente, et • un deuxième échangeur de chaleur destiné à être en relation avec les batteries du véhicule automobile, la sortie de fluide réfrigérant dudit deuxième échangeur de chaleur étant reliée au premier étage de compression du compresseur, • ledit circuit de gestion thermique comportant une première branche de circulation reliée à un autre étage de compression du compresseur, et comportant dans le sens de circulation du fluide réfrigérant : • un deuxième dispositif de détente, et • un troisième échangeur de chaleur permettant les échanges de chaleur avec un flux d'air interne, ledit circuit de gestion thermique comportant une deuxième branche de circulation, ladite deuxième branche de circulation comportant dans le sens de circulation du fluide réfrigérant : • un troisième dispositif de détente, et • un quatrième échangeur de chaleur destiné à être traversé par le flux d'air interne.

Description

La présente invention traite du domaine des circuits de gestion thermique pour véhicule, notamment pour véhicule automobile, et plus particulièrement, la présente invention se rapporte aux circuits de gestion thermique permettant une régulation thermique d’un dispositif de stockage électrique destiné aux véhicules automobiles électriques ou hybrides.
Ces véhicules, qu’ils soient totalement électriques ou bien hybrides, c’est-à-dire combinant l’utilisation d’un moteur thermique et d’un moteur électrique, nécessitent un approvisionnement en énergie électrique conséquent et sont équipés de dispositifs de stockage électrique ou batteries. Ces batteries supportent mal de fonctionner en dehors d’une plage de températures déterminées, généralement située autour de 45°C. En dehors de cette plage de température, le fonctionnement des batteries ainsi que sa durée de vie peut être diminuée. De plus, au-dessus de cette plage de température, les batteries peuvent atteindre des hautes températures auxquelles il peut se détériorer. Cela est notamment le cas lors de la charge des batteries.
Il est ainsi connu d’utiliser un circuit de fluide réfrigérant, par ailleurs utilisé pour chauffer ou refroidir différentes zones ou différents composants du véhicule, pour refroidir ou réchauffer les batteries selon les besoins et les amener et les maintenir proche de leur température optimale de fonctionnement.
A titre d’exemple, le circuit de fluide réfrigérant peut être suffisant pour refroidir les batteries lors d’une phase de charge classique du dispositif de stockage électrique du véhicule, à savoir une phase de charge réalisée en raccordant le véhicule pendant plusieurs heures au réseau électrique domestique. Cette technique de charge permet de maintenir la température du dispositif de stockage électrique en dessous d’un certain seuil, ce qui permet de réduire les dimensions du circuit de gestion thermique du dispositif de stockage électrique, notamment pour son refroidissement.
Cependant, une nouvelle technique de charge rapide a fait son apparition récemment. Elle consiste à charger le dispositif de stockage électrique sous une tension et un ampérage élevés, de manière à charger le dispositif de stockage électrique en un temps réduit de quelques dizaines de minutes. Toutefois cette charge rapide implique un échauffement du dispositif de stockage électrique important de part un effet Joule ainsi que des réactions chimiques exothermiques ce qui impose un dimensionnement plus important du/des échangeur(s) de chaleur destiné(s) à la régulation thermique du dispositif de stockage électrique. De plus, la puissance de refroidissement générée et nécessaire pour refroidir les batteries lors d’une charge rapide est problématique lorsque l’on désire également avoir un refroidissement conjoint de l’habitacle du véhicule automobile notamment d’un point de vue des différentes température d’évaporation du fluide réfrigérant au niveau des batteries et de l’échangeur de chaleur utilisé pour refroidir l’habitacle.
La présente invention propose de résoudre au moins en partie les inconvénients de l’art antérieur et propose un circuit de gestion thermique ainsi que des modes de fonctionnement permettant un refroidissement conjoint de l’habitacle et des batteries notamment lors d’une charge rapide.
La présente invention concerne donc un circuit de gestion thermique d’un véhicule automobile électrique ou hybride dans lequel circule un fluide réfrigérant, ledit circuit de gestion thermique comportant une boucle principale comportant dans le sens de circulation du fluide réfrigérant :
° un compresseur comprenant au moins deux étages de compression, ° un premier échangeur de chaleur destiné à être traversé par un flux d’air externe, ° un premier dispositif de détente, et ° un deuxième échangeur de chaleur destiné à être en relation avec les batteries du véhicule automobile électrique ou hybride, la sortie de fluide réfrigérant dudit deuxième échangeur de chaleur étant reliée au premier étage de compression du compresseur, ledit circuit de gestion thermique comportant une première branche de circulation reliant un premier point de jonction disposé en aval du premier échangeur de chaleur, entre ledit premier échangeur de chaleur et le premier dispositif de détente, à un étage de compression du compresseur différent de son premier étage, ladite première branche de circulation comportant dans le sens de circulation du fluide réfrigérant :
° un deuxième dispositif de détente, et ° un troisième échangeur de chaleur permettant les échanges de chaleur avec un flux d’air interne, ledit circuit de gestion thermique comportant une deuxième branche de circulation reliant un deuxième point de jonction disposé en aval du premier point de jonction, entre ledit premier point de jonction et le premier dispositif de détente, à un troisième point de jonction disposé en aval du deuxième échangeur de chaleur, entre ledit deuxième échangeur de chaleur et le premier étage de compression du compresseur, ladite deuxième branche de circulation comportant dans le sens de circulation du fluide réfrigérant :
° un troisième dispositif de détente, et ° un quatrième échangeur de chaleur destiné à être traversé par le flux d’air interne.
Selon un aspect de l’invention, le troisième échangeur de chaleur peut être un échangeur de chaleur bifluide disposé conjointement sur la première branche de circulation et sur une boucle de circulation d’un fluide caloporteur, ladite boucle de circulation pouvant comporter une pompe, ledit troisième échangeur de chaleur et un cinquième échangeur de chaleur destiné à être traversé par le flux d’air interne.
Selon un autre aspect de l’invention, le troisième échangeur de chaleur peut être destiné à être traversé par le flux d’air interne.
Selon un autre aspect de l’invention, le quatrième échangeur de chaleur peut comporter en outre un matériau à changement de phase.
Selon un autre aspect de l’invention, le circuit de gestion thermique peut comporter en outre un échangeur de chaleur interne permettant les échanges de chaleur entre le fluide réfrigérant en sortie du deuxième dispositif de détente et le fluide réfrigérant circulant entre le premier et le deuxième point de jonction.
Selon un autre aspect de l’invention, le circuit de gestion thermique peut être configuré dans un premier mode de fonctionnement dans lequel le fluide réfrigérant circule dans :
° le compresseur, ° le premier échangeur de chaleur au niveau duquel il perd de la chaleur, ° une première partie du fluide réfrigérant passe par la boucle principale et traverse le premier dispositif de détente au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une basse pression, le fluide réfrigérant traversant ensuite le deuxième échangeur de chaleur au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le premier étage de compression du compresseur, ° une deuxième partie du fluide réfrigérant passe par la première branche de circulation et traverse le deuxième dispositif de détente au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une pression intermédiaire, supérieure à la basse pression, le fluide réfrigérant traverse ensuite le troisième échangeur de chaleur au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le deuxième étage de compression du compresseur.
Selon un autre aspect de l’invention, le circuit de gestion thermique peut être configuré dans un deuxième mode de fonctionnement dans lequel le fluide réfrigérant circule dans :
° le compresseur, ° le premier échangeur de chaleur au niveau duquel il perd de la chaleur, ° une première partie du fluide réfrigérant passe par la première branche de circulation et traverse le deuxième dispositif de détente au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une pression intermédiaire, le fluide réfrigérant traverse ensuite le troisième échangeur de chaleur au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le deuxième étage de compression du compresseur, ° une deuxième partie du fluide réfrigérant passe par le premier dispositif de détente au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une basse pression, inférieure à la pression intermédiaire, le fluide réfrigérant traverse ensuite le deuxième échangeur de chaleur au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le premier étage de compression du compresseur, ° une troisième partie du fluide réfrigérant passe par la deuxième branche de circulation et traverse le troisième dispositif de détente au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à la basse pression, le fluide réfrigérant traverse ensuite le quatrième échangeur de chaleur au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le premier étage de compression du compresseur.
Selon un autre aspect de l’invention, le circuit de gestion thermique peut être configuré dans un troisième mode de fonctionnement dans lequel le fluide réfrigérant circule dans :
° le compresseur, ° le premier échangeur de chaleur au niveau duquel il perd de la chaleur, ° une première partie du fluide réfrigérant passe par la deuxième branche de circulation et traversant le troisième dispositif de détente au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une basse pression, le fluide réfrigérant traverse ensuite le quatrième échangeur de chaleur au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le premier étage de compression du compresseur, ° une deuxième partie du fluide réfrigérant passe par la première branche de circulation et traverse le deuxième dispositif de détente au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une pression intermédiaire, supérieure à la basse pression, le fluide réfrigérant traverse ensuite le troisième échangeur de chaleur au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le deuxième étage de compression du compresseur.
[Fig.l] représente une vue schématique d’un circuit de gestion thermique selon un premier mode de réalisation.
[Fig.2] représente une vue schématique d’un circuit de gestion thermique selon un deuxième mode de réalisation.
[Fig.3] représente une vue schématique du circuit de gestion thermique de la figure 2 selon un premier mode de fonctionnement.
[Fig.4] représente un diagramme pression \ enthalpie du fluide réfrigérant selon le premier mode de fonctionnement de la figure 3.
[Fig.5] représente une vue schématique du circuit de gestion thermique de la figure 2 selon un deuxième mode de fonctionnement.
[Fig.6] représente un diagramme pression \ enthalpie du fluide réfrigérant selon le deuxième mode de fonctionnement de la figure 5.
[Fig.7] représente une vue schématique du circuit de gestion thermique de la figure 2 selon un troisième mode de fonctionnement.
[Fig.8] représente un diagramme pression \ enthalpie du fluide réfrigérant selon le troisième mode de fonctionnement de la figure 7.
Les éléments identiques sur les différentes figures, portent les mêmes références.
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 tels ou tels critères.
Dans la présente demande, 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.
Les figures 1 et 2 montrent un circuit de gestion thermique 1 d’un véhicule automobile électrique ou hybride dans lequel circule un fluide réfrigérant. Ce circuit de gestion thermique 1 comporte notamment une boucle principale A, une première branche de circulation B et une deuxième branche de circulation C.
La boucle principale A comporte plus particulièrement dans le sens de circulation du fluide réfrigérant :
• un compresseur 3 comprenant au moins deux étages de compression, • un premier échangeur de chaleur 5 destiné à être traversé par un flux d’air externe 100, • un premier dispositif de détente 7, et • un deuxième échangeur de chaleur 9 destiné à être en relation avec les batteries du véhicule automobile électrique ou hybride.
La sortie de fluide réfrigérant dudit deuxième échangeur de chaleur 9 est reliée au premier étage de compression du compresseur 3.
Par flux d’air externe 100 on entend plus particulièrement un flux d’air extérieur au véhicule automobile. Le premier échangeur de chaleur 5 peut ainsi notamment être un condenseur disposé en face avant du véhicule automobile et traversé par le flux d’air externe 100 généré par le déplacement du véhicule automobile et/ou par un ventilateur.
La première branche de circulation B relie quant à elle un premier point de jonction 31 disposé en aval du premier échangeur de chaleur 5, entre ledit premier échangeur de chaleur 5 et le premier dispositif de détente 7, à un étage de compression du compresseur 3 différent de son premier étage. La première branche de circulation B comporte dans le sens de circulation du fluide réfrigérant :
• un deuxième dispositif de détente 11, et • un troisième échangeur de chaleur 15 permettant les échanges de chaleur avec un flux d’air interne 200.
Par flux d’air interne 200, on entend plus particulièrement un flux d’air à destination de l’habitacle du véhicule automobile. Ce flux d’air interne 200 peut notamment circuler dans un dispositif de chauffage, ventilation et climatisation également appelé HVAC en anglais pour « Heating, Ventilation and Air-Conditioning ».
Selon un premier mode de réalisation illustré à la figure 1, le troisième échangeur de chaleur 15 est en relation thermique directe avec le flux d’air interne 200. Par cela, on entend que le troisième échangeur de chaleur 15 est destiné à être traversé par le flux d’air interne 200.
Le troisième échangeur de chaleur 15 peut alors être disposé directement dans le dispositif de chauffage, ventilation et climatisation dans le flux d’air interne 200.
Selon un deuxième mode de réalisation illustré à la figure 2, le troisième échangeur de chaleur 15 est en relation thermique indirecte avec le flux d’air interne 200. Le troisième échangeur de chaleur 15 peut alors être un échangeur de chaleur bifluide disposé conjointement sur la première branche de circulation B et sur une boucle de circulation D d’un fluide caloporteur. Cette boucle de circulation D comporte notamment une pompe 21, ledit troisième échangeur de chaleur 15 et un cinquième échangeur de chaleur 23 destiné à être traversé par le flux d’air interne 200. Dans ce deuxième mode de réalisation, ce cinquième échangeur de chaleur 23 peut être plus particulièrement disposé dans le dispositif de chauffage, ventilation et climatisation.
La deuxième branche de circulation C relie quant à elle un deuxième point de jonction 32 à un troisième point de jonction 33. Le deuxième point de jonction 32 est notamment disposé en aval du premier point de jonction 31, entre ledit premier point de jonction 31 et le premier dispositif de détente 7. Le troisième point de jonction 33 est quant à lui disposé en aval du deuxième échangeur de chaleur 9, entre ledit deuxième échangeur de chaleur 9 et le premier étage de compression du compresseur 3.
La deuxième branche de circulation C comporte dans le sens de circulation du fluide réfrigérant :
• un troisième dispositif de détente 17, et • un quatrième échangeur de chaleur 19 destiné à être traversé par le flux d’air interne 200.
Le quatrième échangeur de chaleur 19 est également disposé dans le dispositif de chauffage, ventilation et climatisation. De préférence, ce quatrième échangeur de chaleur 19 est disposé, dans le sens de circulation du flux d’air interne 200, en amont du troisième échangeur de chaleur 15 dans le premier mode de réalisation (comme illustré sur la figure 1) ou en amont du cinquième échangeur de chaleur 23 dans le deuxième mode de réalisation (comme illustré sur la figure 2).
Le quatrième échangeur de chaleur 19 peut comporter en outre un matériau à changement de phase. Ce matériau à changement de phase permet notamment d’augmenter l’inertie thermique du quatrième échangeur de chaleur 19 et de refroidir le flux d’air interne 200 pendant un certain temps même quand le fluide réfrigérant ne circule pas dans le quatrième échangeur de chaleur 19.
Les premier 7, deuxième 11 et troisième 17 dispositifs de détente peuvent comporter notamment une fonction d’arrêt afin de bloquer la circulation du fluide réfrigérant lorsqu’ils sont complètement fermés. Une telle fonction d’arrêt permet de contrôler la circulation du fluide réfrigérant et ainsi de décider si ledit fluide réfrigérant circule dans le deuxième échangeur de chaleur 9, dans la première branche de circulation B et/ou dans la deuxième branche de circulation C.
Une solution alternative (non représentée) est de disposer une première vanne d’arrêt sur la boucle principale A entre le deuxième 32 et le troisième 33 point de jonction, une deuxième vanne d’arrêt sur la première branche de circulation B et une troisième vanne d’arrêt sur la deuxième branche de circulation C.
Le circuit de gestion thermique 1 peut également comporter un échangeur de chaleur interne 13 permettant les échanges de chaleur entre le fluide réfrigérant en sortie du deuxième dispositif de détente 11 sur la deuxième branche de circulation B et le fluide réfrigérant circulant entre le premier 31 et le deuxième point de jonction 32 sur la boucle principale A.
Les figures 3 à 8 montrent le circuit de gestion thermique 1 de la figure 2, selon différents modes de fonctionnements. Ces modes de fonctionnement ne sont pas limités au deuxième mode de réalisation et peuvent tout à fait être réalisé par le premier mode de réalisation de la figure 1.
Sur les figures 3, 5 et 7, seules les portions dans lesquelles le fluide réfrigérant circule sont représentées. La différence de traits marque la pression du fluide réfrigérant. Un trait épais correspond à une haute pression, un trait fin correspond à une pression intermédiaire et le trait pointillé correspond à une basse pression.
Premier mode de fonctionnement :
La figure 3 montre le fonctionnement du circuit de gestion thermique 1 selon un premier mode de fonctionnement. Dans ce premier mode de fonctionnement, le fluide réfrigérant circule dans :
• le compresseur 3, • le premier échangeur de chaleur 5 au niveau duquel il perd de la chaleur, • une première partie du fluide réfrigérant passe par la boucle principale A et traverse le premier dispositif de détente 7 au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une basse pression, le fluide réfrigérant traverse ensuite le deuxième échangeur de chaleur 9 au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le premier étage de compression du compresseur 3, • une deuxième partie du fluide réfrigérant passe par la première branche de circulation B et traversant le deuxième dispositif de détente 11 au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une pression intermédiaire, supérieure à la basse pression, le fluide réfrigérant traversant ensuite le troisième échangeur de chaleur 15 au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le deuxième étage de compression du compresseur 3.
La figure 4 montre quant à elle un diagramme de l’évolution de la pression (exprimée en Pa) et de l’enthalpie (exprimée en kJ/kg) du fluide réfrigérant lors de ce premier mode de fonctionnement.
Dans ce premier mode de fonctionnement, le fluide réfrigérant passe tout d’abord dans le compresseur 3 en sortie duquel le fluide réfrigérant est à haute pression, comme illustré par la courbe 300 du diagramme de la figure 4.
Le fluide réfrigérant passe ensuite par le premier échangeur de chaleur 5 au niveau duquel le fluide réfrigérant perd de la chaleur, notamment au profit du flux d’air externe 100, comme illustré par la courbe 500 du diagramme de la figure 4.
Au niveau du premier point de jonction 31, une première partie du fluide réfrigérant passe par la boucle principale A et traverse le premier dispositif de détente 7 au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une basse pression, comme illustré par la courbe 700 du diagramme de la figure 4. Le fluide réfrigérant traverse ensuite le deuxième échangeur de chaleur 9 au niveau duquel il absorbe de la chaleur, comme illustré par la courbe 900 du diagramme de la figure 4, avant de rejoindre le premier étage de compression du compresseur 3.
Toujours au niveau du premier point de jonction 31, une deuxième partie du fluide réfrigérant passe par la première branche de circulation B et traverse le deuxième dispositif de détente 11 au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une pression intermédiaire, supérieure à la basse pression, comme illustré par la courbe 110 du diagramme de la figure 4. Le fluide réfrigérant traverse ensuite le troisième échangeur de chaleur 15 au niveau duquel il absorbe de la chaleur, comme le montre la courbe 150 du diagramme de la figure 4, avant de rejoindre le deuxième étage de compression du compresseur 3.
Le troisième échangeur de chaleur 15 peut absorber directement de l’énergie calorifique dans le flux d’air interne 200 dans le cadre du premier mode de réalisation du circuit de gestion thermique 1. Dans le cadre du deuxième mode de réalisation du circuit de gestion thermique 1, le troisième échangeur de chaleur 15 absorbe de l’énergie calorifique du fluide caloporteur circulant dans la boucle de circulation D. Le fluide caloporteur circulant dans la boucle de circulation D perd ainsi de l’énergie calorifique au niveau du troisième échangeur de chaleur 15 et en absorbe du flux d’air interne 200 au niveau du cinquième échangeur de chaleur 23.
Dans le cas où le circuit de gestion thermique 1 comporte un échangeur de chaleur interne 13, ce dernier permet un sous-refroidissement du fluide réfrigérant passant par la boucle principale A. En effet, une partie de l’énergie calorifique du fluide réfrigérant passant entre le premier 31 et le deuxième 32 point de jonction est transférée au fluide réfrigérant circulant dans la première branche de circulation B en sortie du deuxième dispositif de détente 11, comme illustré par les courbes 130a et 130b du diagramme de la figure 4.
Cet échangeur de chaleur interne 13 permet ici d’améliorer le coefficient de performance du circuit de gestion thermique 1 dans ce premier mode de fonctionnement.
Dans ce premier mode de fonctionnement, le fluide réfrigérant ne circule pas dans la deuxième branche de circulation C. Pour cela, le troisième dispositif de détente 17 peut par exemple être fermé et bloquer la circulation du fluide réfrigérant.
Ce premier mode de fonctionnement permet de refroidir les batteries efficacement via le deuxième échangeur de chaleur 9, notamment lors d’un chargement rapide nécessitant une forte capacité de refroidissement pour maintenir les batteries au plus près de leur température optimale de fonctionnement. De plus ce premier mode de fonctionnement permet, conjointement au refroidissement des batteries en chargement rapide, d’avoir également un pré-refroidissement directe ou indirecte du flux d’air interne 200 via le troisième échangeur de chaleur 15.
Le fait que le deuxième échangeur de chaleur 9 soit traversé par le fluide réfrigérant à basse pression permet de lui allouer une plus grande capacité de refroidissement. Une capacité de refroidissement plus faible est néanmoins allouée au troisième échangeur de chaleur 15 du fait qu’il soit traversé par un fluide réfrigérant à une pression intermédiaire.
Dans le cas où le quatrième échangeur de chaleur 19 comporte un matériau à changement de phase, ce dernier peut également participer au refroidissement du flux d’air interne 200.
Deuxième mode de fonctionnement :
La figure 5 montre le fonctionnement du circuit de gestion thermique 1 selon un deuxième mode de fonctionnement. Dans ce deuxième mode de fonctionnement, le fluide réfrigérant circule dans :
• le compresseur 3, • le premier échangeur de chaleur 5 au niveau duquel il perd de la chaleur, • une première partie du fluide réfrigérant passe par la première branche de circulation B et traverse le deuxième dispositif de détente 11 au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une pression intermédiaire, le fluide réfrigérant traverse ensuite le troisième échangeur de chaleur 15 au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le deuxième étage de compression du compresseur 3, • une deuxième partie du fluide réfrigérant passe par le premier dispositif de détente 7 au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une basse pression, inférieur à la pression intermédiaire, le fluide réfrigérant traverse ensuite le deuxième échangeur de chaleur 9 au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le premier étage de compression du compresseur 3, • une troisième partie du fluide réfrigérant passe par la deuxième branche de circulation C et traverse le troisième dispositif de détente 17 au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à la basse pression, le fluide réfrigérant traverse ensuite le quatrième échangeur de chaleur 19 au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le premier étage de compression du compresseur 3.
La figure 6 montre quant à elle un diagramme de l’évolution de la pression (exprimée en Pa) et de Γ enthalpie (exprimée en kJ/kg) du fluide réfrigérant lors de ce deuxième mode de fonctionnement.
Dans ce deuxième mode de fonctionnement, le fluide réfrigérant passe tout d’abord dans le compresseur 3 en sortie duquel le fluide réfrigérant est à haute pression, comme illustré par la courbe 300 du diagramme de la figure 6.
Le fluide réfrigérant passe ensuite par le premier échangeur de chaleur 5 au niveau duquel le fluide réfrigérant perd de la chaleur, notamment au profit du flux d’air externe 100, comme illustré par la courbe 500 du diagramme de la figure 6.
Au niveau du premier point de jonction 31, une première partie du fluide réfrigérant passe par la première branche de circulation B et traverse le deuxième dispositif de détente 11 au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une pression intermédiaire, comme illustré par la courbe 110 du diagramme de la figure 6. Le fluide réfrigérant traverse ensuite le troisième échangeur de chaleur 15, comme le montre la courbe 150 du diagramme de la figure 6, au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le deuxième étage de compression du compresseur 3.
Le troisième échangeur de chaleur 15 peut absorber directement de l’énergie calorifique dans le flux d’air interne 200 dans le cadre du premier mode de réalisation du circuit de gestion thermique 1. Dans le cadre du deuxième mode de réalisation du circuit de gestion thermique 1, le troisième échangeur de chaleur 15 absorbe de l’énergie calorifique du fluide caloporteur circulant dans la boucle de circulation D. Le fluide caloporteur circulant dans la boucle de circulation D perd ainsi de l’énergie calorifique au niveau du troisième échangeur de chaleur 15 et en absorbe du flux d’air interne 200 au niveau du cinquième échangeur de chaleur 23.
En aval du deuxième point de jonction, une deuxième partie du fluide réfrigérant circule dans la boucle principale A et traverse le premier dispositif de détente 7 au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une basse pression, inférieure à la pression intermédiaire, comme illustré par la courbe 700 du diagramme de la figure 6. Le fluide réfrigérant traverse ensuite le deuxième échangeur de chaleur 9 au niveau duquel il absorbe de la chaleur, comme illustré par la courbe 900 du diagramme de la figure 6, avant de rejoindre le troisième point de jonction 33.
Toujours en aval du deuxième point de jonction, une troisième partie du fluide réfrigérant passe par la deuxième branche de circulation C et traverse le troisième dispositif de détente 17 au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une basse pression, inférieure à la pression intermédiaire, comme illustré par la courbe 170 du diagramme de la figure 6. Le fluide réfrigérant traverse ensuite le quatrième échangeur de chaleur 19 au niveau duquel il absorbe de la chaleur, comme illustré par la courbe 190 du diagramme de la figure 6, avant de rejoindre le troisième point de jonction 33.
Après le troisième point de jonction 33, le fluide réfrigérant à basse pression rejoint le premier étage de compression du compresseur 3.
Dans le cas où le circuit de gestion thermique 1 comporte un échangeur de chaleur interne 13, ce dernier permet un sous-refroidissement du fluide réfrigérant passant par la boucle principale A. En effet, une partie de l’énergie calorifique du fluide réfrigérant passant entre le premier 31 et le deuxième 32 point de jonction est transférée au fluide réfrigérant circulant dans la première branche de circulation B en sortie du deuxième dispositif de détente 11, comme illustré par les courbes 130a et 130b du diagramme de la figure 6.
Cet échangeur de chaleur interne permet ici d’améliorer le coefficient de performance du circuit de gestion thermique 1 dans ce deuxième mode de fonctionnement.
Dans ce deuxième mode de fonctionnement, le fluide réfrigérant circule à la fois dans la première B et la deuxième C branche de circulation.
Ce deuxième mode de fonctionnement permet de refroidir les batteries efficacement via le deuxième échangeur de chaleur 9, notamment lors d’un chargement rapide nécessitant une forte capacité de refroidissement pour maintenir les batteries au plus près de leur température optimale de fonctionnement. De plus ce deuxième mode de fonctionnement permet, conjointement au refroidissement des batteries en chargement rapide, d’avoir également un refroidissement du flux d’air interne 200. Ce refroidissement du flux d’air interne 200 est réalisé à la fois directement ou indirectement via le troisième échangeur de chaleur 15 et par le quatrième échangeur de chaleur 19.
Le fait que le deuxième échangeur de chaleur 9 soit traversé par le fluide réfrigérant à basse pression permet de lui allouer une plus grande capacité de refroidissement. Une capacité de refroidissement plus faible est néanmoins allouée au troisième échangeur de chaleur 15 du fait qu’il soit traversé par un fluide réfrigérant à une pression intermédiaire.
Dans le cas où le quatrième échangeur de chaleur 19 comporte un matériau à changement de phase, ce dernier peut être « rechargé » dans ce deuxième mode de fonctionnement, notamment pour être utilisé ultérieurement par exemple dans le premier mode de réalisation. Par « recharger », on entend ici que le matériau à changement de phase passe par exemple de la phase liquide à la phase solide.
Troisième mode de fonctionnement :
La figure 7 montre le fonctionnement du circuit de gestion thermique 1 selon un troisième mode de fonctionnement. Dans ce troisième mode de fonctionnement, le fluide réfrigérant circule dans :
• le compresseur 3, • le premier échangeur de chaleur 5 au niveau duquel il perd de la chaleur, • une première partie du fluide réfrigérant passe par la première branche de circulation B et traverse le deuxième dispositif de détente 11 au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une pression intermédiaire, supérieure à la basse pression, le fluide réfrigérant traverse ensuite le troisième échangeur de chaleur 15 au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le deuxième étage de compression du compresseur 3, • une deuxième partie du fluide réfrigérant passe par la deuxième branche de circulation C et traverse le troisième dispositif de détente 17 au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une basse pression, le fluide réfrigérant traverse ensuite le quatrième échangeur de chaleur 19 au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le premier étage de compression du compresseur 3.
La figure 8 montre quant à elle un diagramme de l’évolution de la pression (exprimée en Pa) et de l’enthalpie (exprimée en kJ/kg) du fluide réfrigérant lors dans ce troisième mode de fonctionnement.
Dans ce troisième mode de fonctionnement, le fluide réfrigérant passe tout d’abord dans le compresseur 3 en sortie duquel le fluide réfrigérant est à haute pression, comme illustré par la courbe 300 du diagramme de la figure 8.
Le fluide réfrigérant passe ensuite par le premier échangeur de chaleur 5 au niveau duquel le fluide réfrigérant perd de la chaleur, notamment au profit du flux d’air externe 100, comme illustré par la courbe 500 du diagramme de la figure 8.
Au niveau du premier point de jonction 31, une première partie du fluide réfrigérant passe par la première branche de circulation B et traverse le deuxième dispositif de détente 11 au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une pression intermédiaire, comme illustré par la courbe 110 du diagramme de la figure 8. Le fluide réfrigérant traverse ensuite le troisième échangeur de chaleur 15 au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le deuxième étage de compression du compresseur 3.
Le troisième échangeur de chaleur 15 peut absorber directement de l’énergie calorifique dans le flux d’air interne 200 dans le cadre du premier mode de réalisation du circuit de gestion thermique 1. Dans le cadre du deuxième mode de réalisation du circuit de gestion thermique 1, le troisième échangeur de chaleur 15 absorbe de l’énergie calorifique du fluide caloporteur circulant dans la boucle de circulation D. Le fluide caloporteur circulant dans la boucle de circulation D perd ainsi de l’énergie calorifique au niveau du troisième échangeur de chaleur 15 et en absorbe du flux d’air interne 200 au niveau du cinquième échangeur de chaleur 23.
En aval du deuxième point de jonction, une deuxième partie du fluide réfrigérant passe par la deuxième branche de circulation C et traverse le troisième dispositif de détente 17 au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une basse pression, inférieure à la pression intermédiaire, comme illustré par la courbe 170 du diagramme de la figure 8. Le fluide réfrigérant traverse ensuite le quatrième échangeur de chaleur 19 au niveau duquel il absorbe de la chaleur, comme illustré par la courbe 190 du diagramme de la figure 8, avant de rejoindre le troisième point de jonction 33.
Après le troisième point de jonction 33, le fluide réfrigérant à basse pression rejoint le premier étage de compression du compresseur 3.
Dans le cas où le circuit de gestion thermique 1 comporte un échangeur de chaleur interne 13, ce dernier permet un sous-refroidissement du fluide réfrigérant passant par la boucle principale A. En effet, une partie de l’énergie calorifique du fluide réfrigérant passant entre le premier 31 et le deuxième 32 point de jonction est transférée au fluide réfrigérant circulant dans la première branche de circulation B en sortie du deuxième dispositif de détente 11, comme illustré par les courbes 130a et 130b du diagramme de la figure 8.
Cet échangeur de chaleur 13 interne permet ici d’améliorer le coefficient de performance du circuit de gestion thermique 1 dans ce troisième mode de fonctionnement.
Dans ce troisième mode de fonctionnement, le fluide réfrigérant ne circule pas dans la branche principale A entre le deuxième 32 et le troisième 33 point de jonction. Pour cela, le premier dispositif de détente 7 peut par exemple être fermé et bloquer la circulation du fluide réfrigérant.
Ce troisième mode de fonctionnement permet de concentrer la capacité de refroidissement du circuit de gestion thermique 1 vers le refroidissement du flux d’air interne
200. Ce refroidissement du flux d’air interne 200 est réalisé à la fois directement ou indirectement via le troisième échangeur de chaleur 15 et par le quatrième échangeur de chaleur 19. Cela permet par exemple un refroidissement rapide de l’habitacle du véhicule automobile.
Dans le cas où le quatrième échangeur de chaleur 19 comporte un matériau à changement de phase, ce dernier peut être « rechargé » dans ce deuxième mode de fonctionnement, notamment pour être utilisé ultérieurement par exemple dans le premier mode de réalisation. Par « recharger », on entend ici que le matériau à changement de phase passe par exemple de la phase liquide à la phase solide.
D’autres modes de fonctionnements sont possibles sans sortir du cadre de l’invention. Par exemple il est possible d’imaginer un mode de fonctionnement dans lequel l’intégralité de la capacité de refroidissement est utilisée pour le refroidissement des batteries. Pour cela, en aval du premier échangeur de chaleur 5, le fluide réfrigérant circule uniquement via le premier dispositif de détente 7 au niveau duquel il passe à basse pression et le deuxième échangeur de chaleur 9 au niveau duquel il absorbe de la chaleur des batteries avant de rejoindre le premier étage de compression du compresseur 3.
Dans cet exemple de mode de fonctionnement, le fluide réfrigérant ne circule pas dans les première B et deuxième C branches de circulation. Pour cela, les deuxième 11 et troisième 17 dispositifs de détente peuvent être fermés et bloquer la circulation du fluide réfrigérant.
Ainsi, on voit bien que du fait de son architecture et des différents modes de fonctionnement permis par cette même architecture, le circuit de gestion thermique permet un refroidissement conjoint entre celui des batteries, notamment en chargement rapide, et de l’habitacle.

Claims (8)

  1. Revendications
    1. Circuit de gestion thermique (1) d’un véhicule automobile électrique ou hybride dans lequel circule un fluide réfrigérant, ledit circuit de gestion thermique (1) comportant une boucle principale (A) comportant dans le sens de circulation du fluide réfrigérant :
    ° un compresseur (3) comprenant au moins deux étages de compression, ° un premier échangeur de chaleur (5) destiné à être traversé par un flux d’air externe (100), ° un premier dispositif de détente (7), et ° un deuxième échangeur de chaleur (9) destiné à être en relation avec les batteries du véhicule automobile électrique ou hybride, la sortie de fluide réfrigérant dudit deuxième échangeur de chaleur (9) étant reliée au premier étage de compression du compresseur (3), ledit circuit de gestion thermique (1) comportant une première branche de circulation (B) reliant un premier point de jonction (31) disposé en aval du premier échangeur de chaleur (5), entre ledit premier échangeur de chaleur (5) et le premier dispositif de détente (7), à un étage de compression du compresseur (3) différent de son premier étage, ladite première branche de circulation (B) comportant dans le sens de circulation du fluide réfrigérant :
    ° un deuxième dispositif de détente (11), et ° un troisième échangeur de chaleur (15) permettant les échanges de chaleur avec un flux d’air interne (200), ledit circuit de gestion thermique (1) comportant une deuxième branche de circulation (C) reliant un deuxième point de jonction (32) disposé en aval du premier point de jonction (31), entre ledit premier point de jonction (31) et le premier dispositif de détente (7), à un troisième point de jonction (33) disposé en aval du deuxième échangeur de chaleur (9), entre ledit deuxième échangeur de chaleur (9) et le premier étage de compression du compresseur (3), ladite deuxième branche de circulation (C) comportant dans le sens de circulation du fluide réfrigérant :
    ° un troisième dispositif de détente (17), et ° un quatrième échangeur de chaleur (19) destiné à être traversé par le flux d’air interne (200).
  2. 2. Circuit de gestion thermique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième échangeur de chaleur (15) est un échangeur de chaleur bifluide disposé conjointement sur la première branche de circulation (B) et sur une boucle de circulation (D) d’un fluide caloporteur, ladite boucle de circulation (D) comportant une pompe (21), ledit troisième échangeur de chaleur (15) et un cinquième échangeur de chaleur (23) destiné à être traversé par le flux d’air interne (200).
  3. 3. Circuit de gestion thermique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième échangeur de chaleur (15) est destiné à être traversé par le flux d’air interne (200).
  4. 4. Circuit de gestion thermique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le quatrième échangeur de chaleur (19) comporte en outre un matériau à changement de phase.
  5. 5. Circuit de gestion thermique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un échangeur de chaleur interne (13) permettant les échanges de chaleur entre le fluide réfrigérant en sortie du deuxième dispositif de détente (11) et le fluide réfrigérant circulant entre le premier (31) et le deuxième point de jonction (32).
  6. 6. Circuit de gestion thermique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il est configuré dans un premier mode de fonctionnement dans lequel le fluide réfrigérant circule dans :
    ° le compresseur (3), ° le premier échangeur de chaleur (5) au niveau duquel il perd de la chaleur, ° une première partie du fluide réfrigérant passe par la boucle principale (A) et traverse le premier dispositif de détente (7) au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une basse pression, le fluide réfrigérant traversant ensuite le deuxième échangeur de chaleur (9) au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le premier étage de compression du compresseur (3), ° une deuxième partie du fluide réfrigérant passe par la première branche de circulation (B) et traverse le deuxième dispositif de détente (11) au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une pression intermédiaire, supérieure à la basse pression, le fluide réfrigérant traverse ensuite le troisième échangeur de chaleur (15) au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le deuxième étage de compression du compresseur (3).
  7. 7. Circuit de gestion thermique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il est configuré dans un deuxième mode de fonctionnement dans lequel le fluide réfrigérant circule dans :
    ° le compresseur (3), ° le premier échangeur de chaleur (5) au niveau duquel il perd de la chaleur, ° une première partie du fluide réfrigérant passe par la première branche de circulation (B) et traverse le deuxième dispositif de détente (11) au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une pression intermédiaire, le fluide réfrigérant traverse ensuite le troisième échangeur de chaleur (15) au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le deuxième étage de compression du compresseur (3), ° une deuxième partie du fluide réfrigérant passe par le premier dispositif de détente (7) au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une basse pression, inférieure à la pression intermédiaire, le fluide réfrigérant traverse ensuite le deuxième échangeur de chaleur (9) au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le premier étage de compression du compresseur (3), ° une troisième partie du fluide réfrigérant passe par la deuxième branche de circulation (C) et traverse le troisième dispositif de détente (17) au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à la basse pression, le fluide réfrigérant traverse ensuite le quatrième échangeur de chaleur (19) au niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le premier étage de compression du compresseur (3).
  8. 8. Circuit de gestion thermique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il est configuré dans un troisième mode de fonctionnement dans lequel le fluide réfrigérant circule dans :
    ° le compresseur (3),
    5 ° le premier échangeur de chaleur (5) au niveau duquel il perd de la chaleur, ° une première partie du fluide réfrigérant passe par la deuxième branche de circulation (C) et traversant le troisième dispositif de détente (17) au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une basse pression, le fluide réfrigérant traverse ensuite le quatrième échangeur de chaleur (19) au niveau duquel il absorbe de la chaleur 10 avant de rejoindre le premier étage de compression du compresseur (3), ° une deuxième partie du fluide réfrigérant passe par la première branche de circulation (B) et traverse le deuxième dispositif de détente (11) au niveau duquel le fluide réfrigérant passe à une pression intermédiaire, supérieure à la basse pression, le fluide réfrigérant traverse ensuite le troisième échangeur de chaleur (15) au 15 niveau duquel il absorbe de la chaleur avant de rejoindre le deuxième étage de compression du compresseur (3).
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