Brevet FR2816258A1 — publié le 20020510

Dispositif de refroidissement d'un véhicule à moteur électri- que alimenté par une pile à combustible L'invention se rapporte au refroidissement des véhicules automobiles. Elle concerne plus particulièrement un dispositif de refroi- dissement d'un véhicule à moteur électrique alimenté par une pile à combustible. Un tel dispositif peut s'appliquer aussi bien à des véhicules animés uniquement par un moteur électrique, qu'à des véhicu- les du type hybride susceptibles d'être animés, soit par un moteur électrique, soit par un moteur d'un autre type, en particulier par un moteur à combustion interne. Dans un véhicule automobile du type précité, il faut assurer le refroidissement de la pile à combustible, étant donné que 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. Il faut aussi assurer le refroidissement du moteur électrique proprement dit, ainsi que sa commande de puissance et éventuellement d'autres accessoires. On connaît déjà des dispositifs de refroidissement de ce type qui comprennent une boucle principale avec un radiateur principal pour refroidir la pile à combustible et une boucle secondaire avec un radiateur secondaire pour refroidir au moins le moteur électrique. Dans les dispositifs connus, la boucle principale et la boucle secondaire sont réalisées en tant que deux circuits séparés qui sont parcourus chacun par un fluide de refroidis- sement particulier et qui comprennent chacun une pompe électrique, un vase d'expansion et des moyens de régulation. Les raisons principales de l'existence de deux circuits séparés tiennent principalement au fait que ces deux circuits doivent fonctionner à des niveaux de température et de débit différents. En effet, le circuit principal doit fonctionner à une température et à un débit plus élevés que le circuit secondaire. Du fait de l'existence de deux boucles ou circuits séparés, le dispositif de refroidissement comporte un nombre élevé de composants, ce qui a notamment pour inconvénient de compli- quer la réalisation du dispositif et d'augmenter son encom- brement. L'invention a notamment pour but de surmonter les inconvé- nients précités. Elle vise en particulier à procurer un dispositif de refroi- dissement de structure simplifiée comprenant un nombre réduit de composants. L'invention propose à cet effet un dispositif de refroidisse- ment du type défini en introduction, dans lequel la boucle principale et la boucle secondaire font partie d'un même circuit qui est parcouru par un seul fluide de refroidisse- ment et qui comprend une section commune aux deux boucles sur laquelle est montée une pompe commune, et dans lequel est prévue au moins une vanne de régulation propre à répartir le fluide réfrigérant entre les deux boucles selon une loi choisie. Ainsi, le dispositif de refroidissement de l'invention regroupe la boucle principale et la boucle secondaire au sein d'un même circuit qui est parcouru par un fluide de réfrigé- rant unique, sous l'action d'une pompe commune. Ceci permet de réduire le nombre de composants du circuit et en outre de permettre à la boucle principale et à la boucle secondaire de fonctionner avec leurs spécificités propres, en particulier en ce qui concerne le niveau de débit et de température, notamment grâce à une vanne de régulation particulière. Dans une première forme de réalisation de l'invention, la section commune comprend seulement la pompe, et le dispositif comprend en outre une seule vanne de régulation placée en amont de la pompe. Avantageusement, il s'agit d'une vanne à quatre voies qui comprend une première entrée reliée à la boucle principale en aval du radiateur principal, une deuxième entrée reliée à une dérivation de la boucle principale qui contourne le radiateur principal, une troisième entrée reliée à la boucle secondaire et une sortie reliée à la section commune. Dans une seconde forme de réalisation, la section commune comprend la pompe et le radiateur principal, et le dispositif comprend en outre une première vanne de régulation placée en aval du radiateur principal et en amont de la pompe, ainsi qu'une deuxième vanne de régulation placée en aval de la pompe. Avantageusement, la première vanne de régulation est une vanne à trois voies qui comprend une première entrée reliée à la boucle principale en aval du radiateur principal, une deuxième entrée reliée à une dérivation de la boucle princi- pale qui contourne le radiateur principal et une sortie reliée à la section commune. La deuxième vanne de régulation est avantageusement une vanne à trois voies qui comprend une entrée reliée à la section commune, une première sortie reliée à la boucle principale en amont de la pile à combusti- ble et une deuxième sortie reliée à la boucle secondaire en amont du radiateur secondaire, en sorte que la boucle secondaire est montée en parallèle avec la pile à combusti- ble. Dans une troisième forme de réalisation de l'invention, le radiateur principal est divisé en une première partie et une deuxième partie, la section commune comprend la pompe, la première partie du radiateur principal et le radiateur secondaire, tandis que la deuxième partie du radiateur principal fait partie de la boucle secondaire. Le dispositif comprend alors en outre une vanne de régulation placée en amont du radiateur principal. Dans cette troisième forme de réalisation de l'invention, on utilise avantageusement une vanne à quatre voies qui comprend une première entrée reliée à la boucle principale en aval de la pile à combustible, une deuxième entrée reliée à la boucle secondaire en aval de la deuxième partie du radiateur principal, une première sortie reliée à la section commune en amont de la première partie du radiateur principal et une deuxième sortie reliée à une dérivation de la boucle princi- pale qui contourne la première partie du radiateur principal. Dans cette troisième forme de réalisation de l'invention, la première partie du radiateur principal et le radiateur secondaire peuvent être montés soit en série, soit en parallèle. Avantageusement, quelle que soit la forme de réalisation choisie, le dispositif comprend en outre un vase d'expansion monté dans la boucle principale. Il peut comprendre en outre au moins un aérotherme monté dans la boucle principale pour assurer le chauffage de l'habitacle du véhicule. Avantageusement, le dispositif comprend en outre un groupe motoventilateur associé au radiateur principal, ou bien au radiateur secondaire. Dans la description qui suit, faite seulement à titre d'exemple, on se réfère aux dessins annexés, sur lesquels: - les figures 1 à 3 sont des schémas représentant trois formes de réalisation différentes d'un dispositif selon l'invention; et - la figure 4 est un schéma représentant une variante de réalisation de la figure 3. La figure 1 représente schématiquement un dispositif de refroidissement pour un véhicule automobile animé par un moteur électrique 10 qui est alimenté à partir d'une pile à combustible 12. Le dispositif comprend un circuit unique pour refroidir la pile à combustible 12, laquelle est alimentée par de l'hydrogène et de l'air se trouvant à une température supérieure à la température ambiante. Le dispositif sert également à refroidir divers appareillages électriques 14, y compris la commande de puissance du moteur, et différents accessoires 16. Le dispositif comprend une boucle principale 18 et une boucle secondaire 20 qui possèdent une section commune 22 sur laquelle est montée une pompe électrique commune 24 apte à faire circuler un même fluide dans les branches 18 et 20. La branche principale 18 comprend un radiateur principal 26 auquel est associé un groupe moto-ventilateur 28. Le radia- teur 26 est susceptible d'être refroidi par un flux d'air F mis en mouvement sous l'action du groupe moto-ventilateur 28 et/ou de la vitesse du véhicule. A la sortie de la section commune 22, le circuit 22 se divise en deux conduits 30 et 32 appartenant respectivement à la boucle principale 18 et à la boucle secondaire 20. La conduite 30 mène à la pile à combustible 12. En aval de cette dernière, est placée une conduite 34 qui mène au radiateur principal 26. La sortie de ce radiateur est reliée par une conduite 36 à une vanne de régulation 38, du type à quatre voies, qui sera décrite plus loin. Sur la conduite 34 est monté un aérotherme 40 propre à être traversé par un flux d'air pour assurer le chauffage de l'habitacle du véhicule. La boucle principale 18 comprend un vase d'expansion 42 relié à la conduite 34 par des conduites 44 et 46. La vanne de régulation 38 comprend trois entrées El, E2 et E3 et une sortie S. L'entrée E1 est reliée à la conduite 36, c'est-à-dire à la boucle principale 18, en aval du radiateur principal 26. L'entrée E2 est reliée à une dérivation 48 qui contourne le radiateur principal 26 et qui est reliée à un point intermédiaire 50 de la conduite 34. La troisième entree E3 est reliée à une conduite 52 de la boucle secondaire 20. La sortie S est reliée à la section commune 22, en amont de la pompe électrique 24. Sur la conduite 32 de la boucle secondaire 20 est monté un radiateur secondaire 54. A la sortie du radiateur 54, la conduite 32 se divise en deux conduites sur lesquelles sont montés respectivement des appareillages électriques 14 et les accessoires 16. La vanne de régulation 38 permet de réguler le débit et la température du fluide de refroidissement de manière séparée, dans la boucle principale 18 et dans la boucle secondaire 20. La boucle principale 18 fonctionne avec un débit généralement plus élevé (typiquement de l'ordre de 5000 litres par heure) que la boucle secondaire qui fonctionne avec un débit plus faible (typiquement de l'ordre de 2000 litres par heure). En outre, la boucle principale 18 fonctionne à une tempéra- ture plus élevée, dite haute température (HT), alors que la boucle secondaire 20 fonctionne à une température plus basse, dite basse température (BT). Grâce à une conception appropriée de la vanne de régulation 38, les boucles 18 et 20 peuvent conserver leurs spécificités en ce qui concerne leurs niveaux de débit et de température. Cette vanne peut faire passer le fluide soit dans le radia- teur principal 26, soit dans la dérivation 48. Dans ce dernier cas, le fluide de refroidissement ne traverse pas le radiateur principal, mais seulement l'aérotherme 40, ce qui favorise le chauffage de l'habitacle, spécialement pendant la période d'hiver. Par contre, lorsque le fluide traverse le radiateur princi- pal, le fluide de refroidissement est refroidi essentielle- ment par le radiateur principal 26. Il est à noter que grâce à une conception particulière de la vanne de régulation 38, il est possible de privilégier le passage du fluide de refroidissement soit dans la boucle principale, soit dans la boucle secondaire en fonction des conditions de fonctionnement. La forme de réalisation de la figure 2 s'apparente à celle de la figure 1 et les éléments communs sont désignés par les mêmes références numériques. Dans cette forme de réalisation, la section commune 22 comprend à la fois la pompe 24 et le radiateur principal 26. En outre, le dispositif comprend une première vanne de régulation du type à trois voies placée en aval du radiateur principal 26 et en amont de la pompe 24 et une deuxième vanne de régulation 58 du type à trois voies placée en aval de la pompe 24. Les boucles principales 18 et 20 se divisent par conséquent à la sortie de la vanne de régulation 58. La première vanne 26 comprend deux entrées E1 et E2 et une sortie S qui s'apparentent respectivement aux deux premières entrées E1 et E2 et à la sortie S de la vanne 38 de la figure 1. L'entrée El est reliée à la boucle principale en aval du radiateur principal 26, l'entrée E2 est reliée à la dériva- tion 48 qui contourne le radiateur principal, et la sortie S est reliée à la section commune, en amont de la pompe électrique 24. La vanne de régulation 58 comprend une entrée E et deux sorties S1 et S2. L'entrée E est reliée à la section commune 22, la sortie S1 est reliée à la boucle principale en amont de la pile à combustible, et la sortie S2 est reliée à la boucle secondaire en amont du radiateur secondaire 54. La conduite 52 de la boucle secondaire est reliée ici à la conduite 34 de la boucle principale en un point 60 qui est situé en amont du point 50 de liaison avec la conduite de dérivation 48. La vanne de régulation 56 permet de faire passer le fluide de la boucle principale soit dans le radiateur principal 26, soit dans la conduite de dérivation 48. La vanne de régulation 58 permet de répartir le fluide de refroidissement entre la boucle principale 18 et la boucle secondaire 20 selon une loi choisie. Le dispositif conforme à la figure 3 s'apparente à celui de la figure 1, et les éléments communs sont désignés par les mêmes références numériques. Le radiateur principal 26 est ici divisé en une première partie 26A et une deuxième partie 26B qui font partie respectivement de la boucle principale et de la boucle secondaire. La section commune 22 comprend la pompe électrique 24, la première partie 26A du radiateur principal ainsi que le radiateur secondaire 54. La deuxième partie 26B du radiateur principal fait partie de la boucle secondaire. Le dispositif comprend ici une seule vanne de régulation 62 du type à quatre voies qui comprend deux entrées El1 et E2 et deux sorties Si et S2. L'entrée E1 est reliée à la boucle princi- pale en aval de la pile à combustible 12 et de l'aérotherme 40. L'entrée E2 est reliée à la boucle secondaire en aval de la deuxième partie 26B du radiateur principal et également en aval des appareillages 14 et accessoires 16. La sortie Sl est reliée à la section commune 22 en amont de la première partie 26A du radiateur principal. La sortie S2 est reliée à la dérivation 48 qui contourne la première partie du radiateur principal. Cette dérivation 48 débouche dans la section commune 22 en un point 64 situé entre le radiateur secondaire 54 et la pompe électrique 24. Dans la forme de réalisation de la figure 3, la première partie 26A du radiateur principal et le radiateur secondaire 54 sont montés en série. Le fluide provenant de la sortie S1 de la vanne de régulation 62 traverse successivement cette première partie 26A du radiateur principal et le radiateur secondaire 54 avant d'être aspiré par la pompe 24. Il est à noter que le groupe moto-ventilateur 28 permet d'assurer le refroidissement du fluide qui traverse les deux parties du radiateur. A la sortie de la pompe électrique, le fluide est réparti entre la boucle principale qui comprend notamment la pile 12 et l'aérotherme 40 et la boucle secondaire qui contient la deuxième partie 26B du radiateur principal ainsi que les appareillages 14 et accessoires 16. La vanne de régulation 62 reçoit le fluide de refroidissement provenant respectivement de la boucle principale et de la boucle secondaire et fait ensuite passer le fluide soit dans la première partie du radiateur principal 26A, soit dans la conduite de dérivation 48 selon que le fluide doit ou non être refroidi par le radiateur principal. La forme de réalisation de la figure 4 s'apparente étroite- ment à celle de la figure 3, si ce n'est que la première partie 26A du radiateur principal et le radiateur secondaire 54 sont montés en parallèle, et non pas en série. Le dispositif de'refroidissement de l'invention offre ainsi l'avantage d'utiliser un seul fluide de refroidissement, à savoir un fluide compatible avec la pile à combustible et les autres radiateurs ou échangeurs de chaleur. Il peut s'agir en particulier d'un mélange du type eau-éthylène glycol. Un autre avantage réside dans le fait que le nombre de composants est diminué puisque la pompe électrique est commune aux deux boucles, de même notamment que le vase d'expansion. Le dispositif de l'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation. Ainsi, en particulier, le groupe moto-ventilateur 28 peut être associé au radiateur secondaire 54 à la place du radiateur principal 26. L'invention trouve une application particulière aux véhicules automobiles du type électrique ou hybride. Revendications 1. Dispositif de refroidissement d'un véhicule à moteur électrique alimenté par une pile à combustible, comprenant une boucle principale avec un radiateur principal pour refroidir la pile à combustible et une boucle secondaire avec un radiateur secondaire pour refroidir au moins le moteur, caractérisé en ce que la boucle principale (18) et la boucle secondaire (20) font partie d'un même circuit qui est parcouru par un seul fluide réfrigérant et qui comprend une section commune (22) des deux boucles, sur laquelle est mon- tée une pompe commune (24), et en ce qu'il est prévu au moins une vanne de régulation (38; 56, 58; 62) propre à répartir le fluide réfrigérant entre les boucles (18, 20) selon une loi choisie. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section commune (22) comprend seulement la pompe (24), et en ce que le dispositif comprend en outre une seule vanne de régulation (38) placée en amont de la pompe (24). 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la vanne de régulation (38) est une vanne à 4 voies qui comprend une première entrée (El) reliée à la boucle princi- pale (18) en aval du radiateur principal (26), une deuxième entrée (E2) reliée à une dérivation (48) de la boucle princi- pale qui contourne le radiateur principal (26), une troisième entrée (E3) reliée à la boucle secondaire (20), et une sortie (S) reliée à la section commune (22). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section commune (22) comprend la pompe (24) et le radiateur principal (26), et en ce que le dispositif comprend en outre une première vanne de régulation (56) placée en aval du radiateur principal (26) et en amont de la pompe (24), ainsi qu'une deuxième vanne de régulation (58) placée en aval de la pompe (24). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première vanne de régulation (56) est une vanne à 3 voies qui comprend une première entrée (El) reliée à la boucle principale (18) en aval du radiateur principal (26), une deuxième entrée (E2) reliée à une dérivation (48) de la boucle principale qui contourne le radiateur principal (26) et une sortie (S) reliée à la section commune (22), tandis que la deuxième vanne de régulation (58) est une vanne à 3 voies qui comprend une entrée (E) reliée à la section commune (22), une première sortie (Sl) reliée à la boucle principale (18) en amont de la pile à combustible (12) et une deuxième sortie (S2) reliée à la boucle secondaire (20) en amont du radiateur secondaire (54), en sorte que la boucle secondaire est montée en parallèle avec la pile à combustible. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le radiateur principal (26) est scindé en une première partie (26A) et une deuxième partie (26B), en ce que la section commune (22) comprend la pompe (24), la première partie (26A) du radiateur principal et le radiateur secon- daire (54), tandis que la deuxième partie (26B) du radiateur principal fait partie de la boucle secondaire (20), et en ce que le dispositif comprend en outre une vanne de régulation (62) placée en amont du radiateur principal (26). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la vanne de régulation (62) est une vanne à 4 voies qui comprend une première entrée (El) reliée à la boucle princi- pale (20) en aval de la pile à combustible (12), une deuxième entrée (E2) reliée à la boucle secondaire (20) en aval de la deuxième partie (26B) du radiateur principal, une première sortie (Sl) reliée à la section commune (22) en amont de la première partie (26A) du radiateur principal et une deuxième sortie (S2) reliée à une dérivation (48) de la boucle princi- pale qui contourne la première partie (26A) du radiateur principal (). 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la première partie (26A) du radiateur principal et le radiateur secondaire (54) sont montés en série. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la première partie (26A) du radiateur principal et le radiateur secondaire (54) sont montés en parallèle. 10. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un vase d'expansion (42) monté dans la boucle principale (20). 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un aérotherme (40) monté dans la boucle principale (20). 12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un groupe moto- ventilateur (28) associé au radiateur principal (26). 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un groupe moto- ventilateur (28) associé au radiateur secondaire (54).