Brevet FR2792259A1 — publié le 20001020

Dispositif de refroidissement pour véhicule électrique à pile à combustible L'invention se rapporte au refroidissement des véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de refroi- dissement d'un véhicule électrique alimenté par une pile à combustible. De nombreux travaux sont consacrés actuellement au développe- ment des piles à combustible en tant que sources d'énergie électrique pour l'alimentation des véhicules animés par des moteurs électriques. On sait qu'une pile à combustible transforme en énergie électrique l'énergie chimique produite par un couple combus- tible-comburant. Pour les véhicules automobiles, les piles à combustible qui s'avèrent actuellement les plus prometteuses sont les piles du type à membrane, fonctionnant à partir d'une source d'hydrogène provenant soit d'une bouteille embarquée dans le véhicule, soit d'une unité produisant directement de l'hydro- gène dans le véhicule. C'est ainsi que l'on peut produire directement de l'hydrogène en utilisant un reformeur fonc- tionnant avec un carburant approprié,-,tel que le méthanol, l'essence, le gazole, etc. Dans un véhicule automobile du type précité, il faut non seulement refroidir le moteur électrique assurant la propul- sion du véhicule ainsi que la commande de puissance dudit moteur, mais aussi la pile à combustible elle-même puisque cette dernière est généralement alimentée à partir d'hydro- gène et d'air sous pression, lesquels sont habituellement à une température supérieure à la température ambiante. Le refroidissement des piles à combustible pose certains problèmes étant donné qu'il implique d'utiliser de l'eau désionisée comme fluide de refroidissement. Or, ce fluide de refroidissement présente plusieurs inconvénients. Tout d'abord il est incompatible avec différents matériaux comme l'aluminium, le cuivre ou l'acier, par exemple. En outre, ce fluide gèle dès que la température descend en dessous de O C. Et, bien entendu, il n'est pas possible d'ajouter à cette eau désionisée de l'antigel, comme dans les circuits classiques de refroidissement des moteurs de véhicules automobiles. L'invention vise notamment à apporter une solution aux problèmes ci-dessus mentionnés. Elle propose à cet effet un dispositif de refroidissement du type défini en introduction, lequel comprend une première boucle de refroidissement propre à refroidir la pile à combustible et parcourue par un premier fluide de refroidis- sement, une deuxième boucle de refroidissement propre à refroidir au moins le moteur électrique et parcourue par un deuxième fluide de refroidissement, et un échangeur de chaleur interposé entre la première boucle de refroidissement et la deuxième boucle de refroidissement. Ainsi, la pile à combustible et au moins le moteur électrique sont refroidis par deux boucles utilisant des fluides de refroidissement différents et échangeant de la chaleur entre elles par un échangeur de chaleur approprié. De ce fait, le refroidissement de la pile à combustible s'effectue indirec- tement à partir du fluide de refroidissement servant au refroidissement du moteur. Avantageusement, la première boucle de refroidissement comprend des moyens de régulation thermique pour la maintenir dans une condition hors gel. Ces moyens de régulation thermique comprennent avantageuse- ment au moins une résistance électrique chauffante intégrée à un réceptacle parcouru par le premier fluide de refroidis- sement. Ce réceptacle peut être réalisé notamment sous la forme d'un vase de remplissage et de dégazage intégré à la première boucle de refroidissement. Avantageusement, le dispositif comprend en outre des moyens d'isolation thermique de la première boucle de refroidisse- ment. Cette dernière comprend avantageusement une pompe électrique pour assurer la circulation du premier fluide de refroidisse- ment. Dans l'invention, la deuxième boucle de refroidissement comprend avantageusement un radiateur de refroidissement parcouru par le second fluide de refroidissement et propre à être balayé par un flux d'air. Selon une autre caractéristique de l'invention, la deuxième boucle de refroidissement comprend une branche principale intégrant l'échangeur de chaleur interposé entre la première boucle et la deuxième boucle, une branche secondaire inté- grant le radiateur de refroidissement et une vanne thermosta- tique du type à trois voies montée à la jonction de la branche principale et de la branche secondaire. Selon encore une autre caractéristique de l'invention, la deuxième boucle de refroidissement comprend un organe de refroidissement pour le refroidissement du moteur électrique du véhicule. Lorsque ce moteur électrique est du type à courant alternatif et est commandé par une commande de puissance, cet organe de refroidissement sert avantageusement au refroidissement à la fois du moteur électrique et de la commande de puissance. L'organe de refroidissement précité peut être intégré soit à la branche principale de la deuxième boucle de refroidisse- ment, soit à une dérivation de cette branche principale. Il est avantageux que la deuxième boucle de refroidissement comprenne en outre un échangeur de chaleur pour le refroidis- sement d'au moins un auxiliaire de la pile à combustible. Cet échangeur de chaleur peut être intégré à la branche secondaire de la deuxième boucle de refroidissement, ou bien à une dérivation de la branche principale de la deuxième boucle de refroidissement. La deuxième boucle de refroidissement comprend avantageuse- ment un aérotherme pour le chauffage de l'habitacle du véhicule. De plus, cette deuxième boucle de refroidissement comprend avantageusement une pompe électrique pour assurer la circula- tion du deuxième fluide de refroidissement. De préférence, l'échangeur de chaleur interposé entre la première boucle de refroidissement et la deuxième boucle de refroidissement est réalisé essentiellement en acier inoxyda- ble. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'un véhicule automobile animé par un moteur électrique alimenté à partir d'une pile à combustible; - la figure 2 est un schéma d'un dispositif de refroidisse- ment selon l'invention convenant à un véhicule du type représenté à la figure 1; - la figure 3 est une vue en trois dimensions du dispositif de refroidissement de la figure 2; et - la figure 4 est un schéma analogue à celui de la figure 2 dans une variante de réalisation. On se réfère d'abord à la figure 1 qui montre schématiquement un véhicule automobile V propulsé par un moteur électrique 10 alimenté à partir d'une pile à combustible 12, par l'intermé- diaire d'une commande de puissance 14. La pile à combustible 12 est alimentée en hydrogène à partir d'un reformeur 16, qui produit cet hydrogène à partir d'une source d'un carburant (dans l'exemple du méthanol) provenant d'un réservoir 18. La pile à combustible 12, qui est avantageusement du type à membrane, produit un courant électrique continu qui est envoyé à la commande de puissance 14. Cette dernière comprend un onduleur 20 propre à transformer le courant électrique continu en courant électrique alternatif appliqué au moteur électrique 10, lequel est du type alternatif. La commande 14 comprend en outre un module de commande 22 et un convertis- seur 24 du type courant continu/courant continu. Le véhicule loge en outre des batteries 26, du type tampon, servant notamment au démarrage. Le moteur électrique 10 est couplé aux roues avant du véhicule par l'intermédiaire d'un ensemble boîte-pont 28. Dans un véhicule de ce type, il est nécessaire de refroidir non seulement le moteur électrique 10 ainsi que la commande de puissance 14, mais aussi la pile à combustible 12, qui est alimentée par de l'hydrogène et de l'air se trouvant à une température supérieure à la température ambiante. On peut, pour cela, utiliser un dispositif de refroidissement tel que représenté aux figures 2 et 3. Conformément au schéma de la figure 2, le dispositif comprend une première boucle de refroidissement 30 propre à refroidir la pile à combustible 12 et une deuxième boucle de refroidissement 32 propre à refroidir le moteur électrique 10 ainsi que la commande de puissance 14 qui lui est associée. La boucle 30 est parcourue par un premier fluide de refroi- dissement qui est de l'eau désionisée, c'est-à-dire de l'eau pure, étant donné qu'il s'agit du seul fluide utilisable pour le refroidissement de la pile à combustible 12. Par contre, la boucle de refroidissement 32 est parcourue par un mélange d'eau et d'antigel (par exemple de l'éthylène glycol) comme utilisé classiquement dans les circuits de refroidissement des moteurs de véhicules automobiles. Un échangeur de chaleur 34 du type liquide/liquide est interposé entre les boucles 30 et 32 et permet ainsi d'échan- ger de la chaleur entre les deux boucles, sans mélange des fluides de refroidissement. L'échangeur de chaleur 34 peut être constitué d'un échangeur de chaleur classique, du moment qu'il est réalisé dans un matériau approprié compatible avec les deux fluides de refroidissement. On a intérêt ici à utiliser un échangeur de chaleur constitué essentiellement d'acier inoxydable. La première boucle 30 comprend un réceptacle 36 réalisé ici sous la forme d'un vase de remplissage et de dégazage, servant également à l'expansion du premier fluide de refroi- dissement. La boucle comprend en outre une pompe électrique 38 propre à assurer la circulation du premier fluide de refroidissement dans le sens indiqué par les flèches. Pour prévenir tout risque de gel du liquide de refroidisse- ment, le dispositif de l'invention comprend des moyens de régulation thermique comprenant ici au moins une résistance électrique chauffante 40 intégrée au vase 36. Cette résis- tance est reliée à un circuit électrique approprié 42 et est alimentée dès que la température détectée descend au voisi- nage de 0 C en température positive, de manière à maintenir le circuit hors gel. En outre, le dispositif comprend des moyens d'isolation thermique 44 associés à la boucle 30. Il s'agit avantageuse- ment d'une enceinte isolante ou d'un autre moyen d'isolation thermique, qui englobe l'ensemble de la boucle 30, y compris la pile à combustible 12 et l'échangeur de chaleur 34. La deuxième boucle 32 est parcourue par le mélange d'eau et d'antigel et n'est donc pas susceptible de geler. Dans ces conditions, il n'est pas nécessaire de l'entourer d'une isolation thermique. La boucle 32 est divisée essentiellement en deux branches: une branche principale 46 et une branche secondaire 48. Ces deux branches sont reliées entre elles par une vanne thermos- tatique 50 du type à trois voies, montée à leur jonction. La branche principale 46 intègre l'échangeur de chaleur 34 interposé entre les boucles 30 et 32, tandis que la branche secondaire 48 intègre un radiateur 52, du type liquide/air, qui est parcouru par le second fluide de refroidissement et qui est propre à être balayé par un flux d'air F provenant de l'extérieur du véhicule. Ce flux d'air est avantageusement pulsé par un groupe moto-ventilateur 54. En vis-à-vis du radiateur 52 est placé un condenseur 56 faisant partie d'un circuit classique de climatisation (non représenté). Ainsi, le flux d'air peut balayer successivement le condenseur 56 et le radiateur de refroidissement 52. La vanne thermostatique 50 est pilotée en fonction de la température du liquide de refroidissement parcourant la boucle 32. Lorsque la température détectée est inférieure à un seuil donné (généralement de l'ordre de 60 C), le second fluide de refroidissement circule en circuit fermé dans la branche principale 46, alors que la branche secondaire 48 est isolée. Par contre, dès que la température détectée atteint ou dépasse le seuil précité, la vanne 50 fait circuler le second fluide de refroidissement dans la branche principale 46 et la branche secondaire 48, si bien que le fluide peut être refroidi par échange thermique avec le flux d'air F. La deuxième boucle 32 comprend en outre un organe de refroi- dissement 58 servant au refroidissement du moteur électrique et de la commande de puissance 14. Dans l'exemple, l'organe de refroidissement 58 est intégré à la branche principale 46 de la boucle 32. La boucle 32 comprend en outre un échangeur de chaleur 60 servant au refroidissement d'un auxiliaire de la pile à combustible. Dans l'exemple, l'échangeur 60 est intégré à une dérivation 62 de la branche principale 46 de la boucle 32. Par ailleurs, cette boucle de refroidissement 32 comprend un radiateur de chauffage 64, encore appelé aérotherme, servant au chauffage de l'habitacle. Ce radiateur 64 est intégré dans la branche principale 46 de la boucle 32. Il est propre à être balayé par un flux d'air qui est ensuite envoyé dans l'habitacle du véhicule. En outre, la boucle de refroidissement 32 comprend une pompe électrique 66 propre à assurer la circulation du deuxième fluide de refroidissement, et un vase d'expansion 68. Ce vase d'expansion, qui est également intégré à la branche princi- pale 46 sert à compenser les variations de volume du second fluide de refroidissement. Ainsi, la pile à combustible 12 est refroidie par de l'eau désionisée parcourant en circuit fermé la boucle 30, tandis que le moteur électrique 10, la commande de puissance 14 et l'auxiliaire sont refroidis par un mélange eau-antigel parcourant la boucle 32. Les boucles 30 et 32 échangent de la chaleur entre elles via l'échangeur de chaleur 34. Ainsi, l'excédent de chaleur prélevé de la pile est transféré à la boucle 32 et cette chaleur est éliminée par échange thermique avec le flux d'air F. Dans le cas o la température ambiante (ou température extérieure) descend en dessous de 0 C, les moyens de régula- tion thermique se mettent automatiquement en marche pour assurer l'échauffement de l'eau désionisée, pour empêcher tout risque de gel de la première boucle 30. Ces risques sont également minimisés par la présence de l'isolation thermique 44. Le dispositif de la figure 2 peut être réalisé de manière compacte, comme le montre la figure 3. Sur cette dernière, on retrouve les mêmes éléments que dans le cas de la figure 2, désignés par les mêmes références numériques. On se réfère maintenant à la figure 4 qui représente le schéma d'un circuit analogue à celui de la figure 2, dans une variante de réalisation. On retrouve les mêmes éléments, désignés sous les mêmes références numériques. Par rapport à la forme de réalisation de la figure 2, celle de la figure 4 diffère essentiellement par le fait que le dispositif de refroidissement 58, l'échangeur de chaleur 60 et le vase d'expansion 68 sont intégrés à une dérivation 70 de la branche principale 46. Sinon, le dispositif de la figure 4 fonctionne sensiblement de la même manière que celui de la figure 2. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites précédemment à titre d'exemple et s'étend à d'autres variantes. Ainsi, on comprendra que la première boucle 30 et la deuxième boucle 32 sont susceptibles de variantes, du moment qu'elles échangent de la chaleur entre elles par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur. L'invention s'applique aux véhicules automobiles animés par des moteurs électriques alimentés par pile à combustible. La pile à combustible est également susceptible de nombreuses variantes, étant alimentée par de l'hydrogène pouvant provenir soit d'une bouteille d'hydrogène, soit d'une unité de production d'hydrogène. Revendications 1. Dispositif de refroidissement pour un véhicule à moteur électrique alimenté par une pile à combustible, caractérisé en ce qu'il comprend une première boucle de refroidissement (30) propre à refroidir la pile à combustible (12) et parcourue par un premier fluide de refroidissement, une deuxième boucle de refroidissement (32) propre à refroi- dir au moins le moteur électrique (12) et parcourue par un deuxième fluide de refroidissement, et un échangeur de chaleur (34) interposé entre la première boucle de refroidis- sement (30) et la deuxième boucle de refroidissement (32). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première boucle de refroidissement (30) comprend des moyens de régulation thermique (36, 40) pour la maintenir dans une condition hors-gel. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de régulation thermique comprennent au moins une résistance électrique chauffante (40) intégrée à un réceptacle (36) parcouru par le premier fluide de refroidis- sement. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le réceptacle (36) est un vase de remplissage et de dégazage intégré à la première boucle de refroidissement (30). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'isolation thermique (44) de la première boucle de refroidissement (30). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la première boucle de refroidissement (30) comprend une pompe électrique (38) propre à assurer la circulation du premier fluide de refroidissement. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la deuxième boucle de refroidissement (32) comprend un radiateur de refroidissement (52) parcouru par le second fluide de refroidissement et propre à être balayé par un flux d'air (F). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la deuxième boucle de refroidissement (32) comprend une branche principale (46) intégrant l'échangeur de chaleur (34) interposé entre la première boucle (30) et la deuxième boucle (32), une branche secondaire (48) intégrant le radiateur de refroidissement (52) et une vanne thermostatique (50) du type à trois voies montée à la jonction de la branche principale (30) et de la branche secondaire (32). 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la deuxième boucle de refroidissement (32) comprend en outre un organe de refroidissement (58) pour le refroidissement du moteur électrique (10) du véhicule. 10. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le moteur électrique (10) est du type à courant alternatif et est commandé par une commande de puissance (14), caractérisé en ce que ledit organe de refroidissement (58) sert au refroidissement du moteur électrique (10) et au refroidisse- ment de la commande de puissance (14). 11. Dispositif selon l'une des revendications 9 et 10, prise en combinaison avec la revendication 8, caractérisé en ce que ledit organe de refroidissement (58) pour le refroidissement du moteur électrique (10) est intégré à la branche principale (46) de la deuxième boucle de refroidissement (32). 12. Dispositif selon l'une des revendications 9 et 10, prise en combinaison avec la revendication 8, caractérisé en ce que ledit échangeur de chaleur (58) pour le refroidissement du moteur électrique (10) est intégré à une dérivation (70) de la branche principale (46) de la deuxième boucle de refroi- dissement (32). 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la deuxième boucle de refroidissement (32) comprend en outre un échangeur de chaleur (60) pour le refroidissement d'au moins un auxiliaire de la pile à combustible. 14. Dispositif selon la revendication 13, prise en combinai- son avec la revendication 8, caractérisé en ce que ledit échangeur de chaleur (60) pour le refroidissement de l'auxi- liaire est intégré à la branche secondaire (48) de la deuxième boucle de refroidissement (32). 15. Dispositif selon la revendication 13, prise en combinai- son avec la revendication 8, caractérisé en ce que ledit échangeur de chaleur (60) pour le refroidissement de l'auxi- liaire est intégré à une dérivation (70) de la branche principale (46) de la deuxième boucle de refroidissement (32). 16. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que la deuxième boucle de refroidissement (32) comprend un aérotherme (64) pour le chauffage de l'habitacle du véhicule. 17. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la deuxième boucle de refroidissement (32) comprend une pompe électrique (66) propre à assurer la circulation du deuxième fluide de refroidissement. 18. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (34) interposé entre la première boucle de refroidissement (30) et la deuxième boucle de refroidissement (32) est réalisé essen- tiellement en acier inoxydable.