Brevet FR2819344A1 — publié le 20020712

"Véhicule comportant une batterie d'accumulateurs refroidie par un dispositif de climatisation" La présente invention concerne un véhicule automobile comportant une batterie d'accumulateurs de traction. La présente invention concerne plus particulièrement un véhicule automobile dont la motorisation fait appel à au moins un moteur électrique, comportant une batterie d'accumulateurs de traction équipée d'un circuit de refroidissement qui comprend des canaux de refroidissement adjacents à au moins une paroi des éléments d'accumulateurs de la batterie, et comportant un dispositif de climatisation qui comprend un circuit fermé de climatisation dans lequel circule un fluide frigorigène et dans lequel sont agencés en série respectivement, dans le sens d'écoulement du fluide, un dispositif principal de régulation du débit du fluide frigorigène, un évaporateur principal, un compresseur et un condenseur. Les performances de la batterie de traction d'un véhicule dépendent fortement de sa température de fonctionnement. Lorsque la température de fonctionnement est trop élevée, cela provoque généralement, en charge, une perte de rendement ou une interdiction de la charge, et, en décharge ou en pause, une autodécharge importante, voire une dégradation de la durée de vie et de l'autonomie de la batterie. Lorsque la température ambiante est supérieure à la température optimale de fonctionnement de la batterie, l'air extérieur ne peut plus servir de source froide nécessaire pour évacuer les calories produites dans l'électrolyte des éléments d'accumulateurs de la batterie. En effet, en utilisant un dispositif de refroidissement (par air ou par eau)"idéal", la température des batteries serait au minimum égal à la température ambiante. Les documents US-A-5.866. 276 et JP-A-10. 306.722 proposent de refroidir la batterie avec de l'air, le deuxième document utilisant l'air d'un habitacle climatisé. L'inconvénient majeur de ce système est la mauvaise qualité de l'échange thermique convectif entre les parois de la batterie et l'air. L'augmentation de l'écart de température, dans la mesure où cet écart respecte le cahier des charges de la batterie, permet d'atténuer cette mauvaise qualité des transferts de chaleur. Il demeure cependant souhaitable de mettre en contact l'air et les éléments d'accumulateurs de la batterie sur la plus grande surface possible, ce qui provoque un accroissement de l'encombrement de la batterie. D'autre part, l'utilisation d'air comme fluide caloporteur nécessite une bonne distribution du'débit autour de chaque élément d'accumulateur, afin d'assurer une homogénéité satisfaisante en température. L'augmentation du débit d'air est aussi un paramètre d'homogénéisation, mais il est coûteux en terme d'énergie consommée. Le document JP-A-9.199. 186 propose de refroidir la batterie avec de l'eau. Dans ce système, un circuit d'eau de refroidissement qui est différent du circuit de refroidissement du moteur doit être implanté sur le véhicule. Ce circuit de refroidissement nécessite une pompe à eau et des éléments de tuyauterie. Ce système nécessite donc de prévoir des éléments supplémentaires coûteux en termes de prix, de poids, de fiabilité et de facilité de mise en oeuvre. On connaît d'autres systèmes de refroidissement d'une batterie. Le document WO-A-98/50976 propose d'utiliser l'effet Peltier, c'est à dire de faire baisser la température de la batterie en appliquant un courant électrique sur des cellules électrothermiques plaquées sur la paroi externe de la batterie. Le brevet US-A-5.449. 571 propose d'utiliser un matériau à changement de phase pour réguler la température de la batterie. Ce système ne peut être utilisé que pour des applications limitées, par exemple sur des trajets très courts, car il n'est efficace que pour de faibles écarts entre la température interne de la batterie et la température de l'air ambiant. Les solutions proposées ci-dessus ne sont pas suffisamment efficaces, ou sont très difficiles à réaliser, pour une batterie qui doit fonctionner à une température ambiante élevée, par exemple 40celsius, ou pour une batterie qui est fréquemment sollicitée par la décharge ou la recharge en électricité, par exemple dans le cas d'un véhicule du type hybride. L'invention vise à remédier à ces inconvénients. Dans ce but, l'invention propose un véhicule du type décrit précédemment, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement forme une portion du circuit de climatisation qui est intercalée entre le dispositif principal de régulation, ou détendeur, et le compresseur, de manière que les canaux de refroidissement constituent un évaporateur, le passage du fluide frigorigène dans les canaux de refroidissement provoquant sa vaporisation au moins partielle. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - les canaux de refroidissement constituent l'évaporateur principal ; - le circuit de refroidissement est une branche secondaire, ou dérivation, du circuit de climatisation qui est agencée parallèlement à la branche principale du circuit de climatisation comportant l'évaporateur principal et qui prélève le fluide frigorigène, dans le circuit de climatisation, en un point de prélèvement situé entre le dispositif de régulation et l'évaporateur principal ; - la portion du circuit de refroidissement en amont des canaux de refroidissement comporte un dispositif secondaire de régulation du débit du fluide frigorigène ; - le circuit de refroidissement réintroduit le fluide frigorigène dans le circuit de climatisation en un point de réintroduction situé entre l'évaporateur principal et le compresseur ; - le circuit de refroidissement réintroduit le fluide frigorigène dans l'évaporateur principal ; - le circuit de refroidissement réintroduit le fluide frigorigène dans le circuit de climatisation, en amont de l'évaporateur principal ; - le dispositif de climatisation est le dispositif de climatisation de l'habitacle du véhicule. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma qui représente un véhicule réalisé conformément aux enseignements de l'invention ; - la figure 2 est un schéma qui représente une portion du circuit de refroidissement de la batterie du véhicule ; - la figure 3 est un schéma similaire à celui de la figure 1 qui représente une variante de réalisation de l'invention. On a représenté schématiquement sur la figure 1 un véhicule automobile 10 dont la motorisation fait appel à au moins un moteur électrique (non représenté) et qui est réalisé conformément aux enseignements de l'invention. Le véhicule 10 est par exemple un véhicule du type à motorisation hybride, c'est à dire que son énergie de déplacement peut être fournie par un moteur électrique et/ou par un moteur thermique en fonction de ses conditions d'utilisation. Le véhicule 10 comporte une batterie 12 d'accumulateurs de traction qui permet de stocker de l'énergie électrique en vue d'alimenter le moteur électrique. Le véhicule 10 est équipé d'un dispositif de climatisation 14, ici de son habitacle. Le dispositif de climatisation 14 comporte un circuit fermé de climatisation 16 dans lequel circule un fluide frigorigène, par exemple du fréon du type HFC134a. Le fluide frigorigène circule ici dans le sens horaire, en considérant la figure 1. Le circuit de climatisation 16 comporte en série respectivement, dans le sens d'écoulement du fluide frigorigène, un dispositif principal de régulation 18 du débit du fluide frigorigène, un évaporateur principal 20, un compresseur 22 et un condenseur 24. Le dispositif principal de régulation 18 est par exemple un détendeur principal, ou soupape d'expansion. Le dispositif de climatisation 14 fonctionne selon le principe d'un réfrigérateur à compresseur. Le fluide frigorigène s'évapore dans l'évaporateur principal 20, sous l'action de la chaleur prélevée dans l'habitacle du véhicule, par exemple au moyen d'un ventilateur qui envoie l'air contenu dans l'habitacle du véhicule sur l'évaporateur 20. En se vaporisant, le fluide frigorigène provoque le refroidissement du flux d'air de l'habitacle. Le fluide frigorigène sort donc de l'évaporateur principal 20 à l'état gazeux et il pénètre dans le compresseur 22 qui l'aspire et le comprime en vue de lui retirer la chaleur transmise par l'air de l'habitacle. Le compresseur 22 refoule ensuite le fluide frigorigène comprimé à l'état de vapeur dans le condenseur 24. Le condenseur 24 comporte une grande surface d'échange thermique avec l'air extérieur de manière à évacuer à nouveau la chaleur absorbée par le fluide frigorigène et de manière à condenser le fluide frigorigène. Idéalement, le fluide frigorigène sort donc du condenseur 24 à l'état liquide. Le fluide frigorigène passe ensuite dans le détendeur principal 18, généralement commandé par un thermostat (non représenté), qui a pour fonction d'injecter dans l'évaporateur principal 20 la quantité de fluide frigorigène nécessaire à la fabrication du froid par vaporisation. Le véhicule 10 comporte aussi un circuit de refroidissement 26 de la batterie 12 d'accumulateurs. Ce circuit de refroidissement 26 est représenté partiellement sur la figure 2. Le circuit de refroidissement 26 comprend des canaux de refroidissement 28,30 qui sont adjacents à au moins une paroi 32,34 des éléments d'accumulateurs 36 de la batterie 12. Le circuit de refroidissement 26 est prévu pour permettre la circulation d'un fluide caloporteur, illustrée par des flèches, en vue de refroidir les éléments d'accumulateurs 36. Conformément aux enseignements de l'invention, le circuit de refroidissement 26 est raccordé au circuit de climatisation 16, entre le détendeur principal 18 et le compresseur 22, de manière que le fluide caloporteur du circuit de refroidissement 26 soit le fluide frigorigène du circuit de climatisation 16. Le circuit de refroidissement 26 forme donc une portion du circuit de climatisation 16 et les canaux de refroidissement 28,30 forment donc un évaporateur secondaire, puisque le fluide frigorigène se vaporise au moins partiellement sous l'effet de la chaleur dégagée par les éléments d'accumulateurs 36. Selon le mode de réalisation de la figure 1, le circuit de refroidissement 26 est une branche secondaire, ou dérivation, du circuit de climatisation 16 qui est agencée parallèlement à la branche principale du circuit de climatisation 16 comportant l'évaporateur principal 20. Le circuit de refroidissement 26 prélève donc le fluide frigorigène en un point de prélèvement 40 situé entre le détendeur principal 18 et l'évaporateur principal 20, et il réintroduit le fluide frigorigène, dans le circuit de climatisation 16, en un point de réintroduction 42 situé entre l'évaporateur principal 20 et le compresseur 22. Pour permettre un bon fonctionnement du dispositif de climatisation 14, le fluide frigorigène provenant du circuit de refroidissement 26 doit être complètement vaporisé et légèrement surchauffé lorsqu'il est réinjecté à l'entrée du compresseur 22. A cet effet, le circuit de refroidissement 26 comporte, en amont des canaux de refroidissement 28,30, un dispositif secondaire de régulation 38, par exemple un détendeur secondaire, qui a pour fonction d'injecter dans les canaux de refroidissement 28,30 une quantité optimale de fluide frigorigène nécessaire au refroidissement des éléments d'accumulateurs 36 par évaporation. Pour illustrer les avantages de la solution proposée, calculons les ordres de grandeurs des différents paramètres dans l'exemple suivant : Dans le cas où le fluide est du fréon du type HFC134a, c'est-à-dire du type qui est utilisé pour les climatisations des véhicules automobiles, la variation d'enthalpie massique au niveau de l'évaporateur principal 20 est de l'ordre de 100 kJ/kg. Pour une puissance évacuée par exemple de 500 W en moyenne dans un cycle de fonctionnement classique d'un véhicule électrique ou d'un véhicule hybride qui alterne des phases de charge, des phases de décharge et des phases de pause, le débit de fréon nécessaire est inférieur à 20 kg/h, ce qui représente moins de 20 % du débit d'un dispositif de climatisation 14 d'un habitacle de véhicule du type berline comportant cinq places. On constate que les pertes de charge sont du même ordre de grandeur que celles que l'on obtiendrait avec un dispositif de refroidissement à eau. Par rapport à un véhicule classique, le véhicule 10 selon l'invention nécessite donc un dispositif de climatisation 14 légèrement plus puissant, ou bien on accepte une faible dégradation de l'efficacité de la climatisation de l'habitacle. Grâce au véhicule 10 selon l'invention, le dispositif de refroidissement de la batterie 12 est très compact. En effet, le véhicule 10 étant déjà climatisé, le refroidissement de la batterie 12 est obtenu uniquement en ajoutant un dispositif secondaire 38 de régulation du débit. On note que le dispositif de régulation 38 est aussi nécessaire dans le cas d'un refroidissement par eau climatisée. De plus, le véhicule 10 selon l'invention ne nécessite pas de concevoir des composants spécifiques pour être réalisé, les éléments nécessaires étant déjà montés sur des véhicules en série. On note que le véhicule 10 selon l'invention nécessite de prévoir des canaux de refroidissement 28,30 qui sont adaptés à un écoulement diphasique, le fluide frigorigène passant d'une phase liquide à une phase vapeur, de manière à éviter la création de bouchons de vapeur qui créeraient des instabilités de débit. L'optimisation de la géométrie des canaux 28, 30, en particulier l'absence d'angle droit, qui a déjà été effectuée dans le cas du refroidissement à eau pour diminuer les pertes de charge, est suffisante pour palier cet inconvénient. H n'est a priori pas nécessaire de prévoir des variations de sections de passage importantes au fur et à mesure que le fluide frigorigène change d'état. En effet, dans le cas où le titre à l'entrée des canaux de refroidissement 28, 30 est de l'ordre de 0,3, la saturation, ou la fraction volumique de liquide n'est plus que de quelques pourcents. Les variations de vitesse d'écoulement du fluide frigorigène entre l'entrée et la sortie des canaux de refroidissement 28,30 sont donc faibles. Selon une variante du mode de réalisation précédemment décrit, qui est représentée sur la figure 3, le circuit de refroidissement 26 réintroduit le fluide frigorigène directement dans l'évaporateur principal 20, à l'état de mélange liquidevapeur. La vaporisation complète et la surchauffe du fluide frigorigène s'effectue alors dans l'évaporateur principal 20. On note que, dans cette variante, le dispositif de régulation secondaire 38 n'a plus une fonction de robinet détendeur. Ce dispositif de régulation secondaire 38 est par exemple un simple clapet. Selon cette variante, le fluide frigorigène peut aussi être réintroduit en amont de l'évaporateur principal 20. On a décrit précédemment des modes de réalisation dans lesquels le dispositif de climatisation 14 est le dispositif de climatisation de l'habitacle du véhicule 10. Selon une variante de réalisation (non représentée) de l'invention, un dispositif de climatisation propre à la batterie 12 peut être prévu si le véhicule 10 n'est pas équipé de dispositif de climatisation 14. Dans cette variante, les canaux de refroidissement 28,30 peuvent constituer l'évaporateur principal 20. REVENDICATIONS 1. Véhicule automobile (10) dont la motorisation fait appel à au moins un moteur électrique, comportant une batterie (12) d'accumulateurs (36) de traction équipée d'un circuit de refroidissement (26) qui comprend des canaux de refroidissement (28,30) adjacents à au moins une paroi (32,34) des éléments d'accumulateurs (36) de la batterie (12), et comportant un dispositif de climatisation (14) qui comprend un circuit fermé de climatisation (16) dans lequel circule un fluide frigorigène et dans lequel sont agencés en série respectivement, dans le sens d'écoulement du fluide, un dispositif principal de régulation (18) du débit du fluide frigorigène, un évaporateur principal (20), un compresseur (22) et un condenseur (24), caractérisé en ce que le circuit de refroidissement (26) forme une portion du circuit de climatisation (16) qui est intercalée entre le dispositif principal de régulation, ou détendeur, (18) et le compresseur (22), de manière que les canaux de refroidissement (28,30) constituent un évaporateur, le passage du fluide frigorigène dans les canaux de refroidissement (28,30) provoquant sa vaporisation au moins partielle. 2. Véhicule (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les canaux de refroidissement (28,30) constituent l'évaporateur principal (20). 3. Véhicule (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement (26) est une branche secondaire, ou dérivation, du circuit de climatisation (16) qui est agencée parallèlement à la branche principale du circuit de climatisation (16) comportant l'évaporateur principal (20) et qui prélève le fluide frigorigène, dans le circuit de climatisation (16), en un point de prélèvement (40) situé entre le dispositif de régulation (18) et l'évaporateur principal (20). 4. Véhicule (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la portion du circuit de refroidissement (26) en amont des canaux de refroidissement (28,30) comporte un dispositif secondaire de régulation (38) du débit du fluide frigorigène. 5. Véhicule (10) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement (26) réintroduit le fluide frigorigène dans le circuit de climatisation (16) en un point de réintroduction (42) situé entre l'évaporateur principal (20) et le compresseur (22). 6. Véhicule (10) selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement (26) réintroduit le fluide frigorigène dans l'évaporateur principal (20). 7. Véhicule (10) selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le circuit de refroidissement (26) réintroduit le fluide frigorigène dans le circuit de climatisation (16), en amont de l'évaporateur principal (20). 8. Véhicule (10) selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le dispositif de climatisation (14) est le dispositif de climatisation de l'habitacle du véhicule (10).