Brevet FR2830926A1 — publié le 20030418

La présente invention concerne un dispositif de régulation thermique pour véhicule automobile, notamment de type électrique ou hybride. Un véhicule de type hybride combine deux sources d'énergie pour assurer sa propulsion : un moteur électrique et un moteur thermique. Dans un véhicule de type électrique ou hybride, le moteur électrique est alimenté par une batterie et commandé par un dispositif d'électronique de puissance. Le bon fonctionnement de la batterie dépend de la température de l'air environnant cette batterie, notamment de la température ambiante à l'extérieur du véhicule. Généralement la batterie est désactivée lorsque sa température dépasse une valeur maximale d'environ 55 C. Toutefois, la durée de vie de la batterie pourrait être augmentée en limitant davantage sa température maximale. Il est connu de refroidir la batterie à l'aide de moyens de mise en circulation d'un flux d'air au contact de cette batterie. Habituellement, l'air de refroidissement de la batterie provient de l'habitacle du véhicule. Les moyens de climatisation de l'habitacle participent donc au refroidissement de la batterie. Ainsi, on connaît déjà dans l'état de la technique un dispositif de régulation thermique pour véhicule automobile, du type comprenant une pompe à chaleur comportant un circuit principal de fluide frigorigène prélevant des calories d'une source froide pour les transférer vers une source chaude, la source froide comportant un échangeur thermique fluide frigorigène/air, dit premier évaporateur. L'évaporateur, généralement agencé dans l'habitacle, permet de refroidir l'air de cet habitacle. L'air prélevé dans l'habitacle permet de refroidir la batterie. Comme pour la batterie, il convient de limiter la température du dispositif d'électronique de puissance. Il est connu de refroidir le dispositif d'électronique de puissance à l'aide d'un circuit de liquide caloporteur (généralement un mélange d'eau et d'antigel) raccordé à un échangeur thermique liquide caloporteur/air, agencé dans la face avant du véhicule. À la sortie de l'échangeur thermique, la température du liquide caloporteur est abaissée généralement jusqu'à environ 60 C. Toutefois, le volume et le coût du dispositif d'électronique de puissance pourraient être réduits en abaissant davantage la température du liquide caloporteur destiné à refroidir ce dispositif. L'invention a notamment pour but d'optimiser, d'une part, le fonctionnement et la durée de vie de la batterie et, d'autre part, l'encombrement et le coût du dispositif d'électronique de puissance, ceci en modifiant le moins possible la configuration du compartiment moteur et des moyens de climatisation de l'habitacle du véhicule. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de régulation thermique pour véhicule automobile, du type précité, caractérisé en ce que la source froide comporte également un échangeur thermique fluide frigorigène/liquide caloporteur, dit second évaporateur, couplant thermiquement le circuit principal de fluide frigorigène à un circuit secondaire de liquide caloporteur pouvant être raccordé à au moins un premier échangeur thermique secondaire en échange thermique avec une première source de calories du véhicule. Suivant des caractéristiques de différents modes de réalisation de ce dispositif : - le circuit secondaire de liquide caloporteur peut être raccordé à un second échangeur thermique secondaire en échange thermique avec une seconde source de calories du véhicule ; - les premier et second échangeurs secondaires sont raccordés en parallèle dans le circuit secondaire de liquide caloporteur ; - le circuit secondaire de liquide caloporteur comprend une vanne munie d'une première voie raccordée à une sortie du second évaporateur de la source froide, d'une deuxième voie raccordée à une entrée du premier échangeur secondaire et d'une troisième voie raccordée à une entrée du second échangeur secondaire ; - le circuit secondaire de liquide caloporteur est muni d'une pompe d'entraînement de ce liquide caloporteur ; - la source chaude comporte un échangeur thermique fluide frigorigène/air, dit condenseur, agencé dans un compartiment moteur du véhicule ; - le premier évaporateur est agencé dans un habitacle du véhicule ; - chaque échangeur thermique secondaire est agencé dans une partie du véhicule distincte de l'habitacle ; - le second évaporateur de la source froide est agencé dans une partie du véhicule distincte de l'habitacle ; - le premier évaporateur et le second évaporateur sont raccordés en série, le second évaporateur étant agencé en amont ou en aval du premier évaporateur en considérant le sens de circulation du fluide frigorigène dans le circuit principal ; - chaque source de calories est choisie parmi un organe exothermique du véhicule, tel qu'un organe formant dispositif d'électronique de puissance ou batterie d'alimentation d'un moteur électrique d'entraînement du véhicule, et de l'air de suralimentation d'un moteur thermique du véhicule ; - le liquide caloporteur du circuit secondaire est un mélange d'eau et d'antigel. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins dans lesquels les figures 1 à 3 sont des vues schématiques d'un dispositif de régulation thermique selon trois modes de réalisation de l'invention, respectivement. On a représenté sur la figure 1 un dispositif de régulation thermique pour véhicule automobile, notamment de type électrique ou hybride, selon un premier mode de réalisation de l'invention. Ce dispositif de régulation thermique est désigné par la référence générale 10. Dans ce qui suit, deux organes sont dits couplés thermiquement entre eux lorsqu'ils échangent de la chaleur entre eux au moyen d'un échangeur thermique approprié. Le dispositif de régulation thermique 10 comprend une pompe à chaleur 12 comportant un circuit principal 14 de fluide frigorigène, de type à compression, prélevant des calories d'une source froide 16 pour les transférer au moins partiellement vers une source chaude 18. Les sources froide 16 et chaude 18 sont raccordées entre elles par un compresseur 20 (électrique ou mécanique) et une vanne de détente 22. Le fluide frigorigène se vaporise en enlevant de la chaleur à la source froide 16. Le compresseur 20 aspire le fluide vaporisé et le refoule vers la source chaude 18 où il se condense en refroidissant. La vanne de détente 22 laisse passer le fluide frigorigène liquide vers la source froide 16 en abaissant sa pression. Le sens de circulation du fluide frigorigène dans le circuit principal 14 est indiqué par des flèches sur la figure 1. Le fluide frigorigène circulant dans le circuit principal 14 est d'un type classique. Ce fluide frigorigène est choisi par exemple parmi un dérivé chloré et fluoré du méthane ou de l'éthane (Fréon), un hydrocarbure, l'ammoniaque, le dioxyde de carbone, etc. La source chaude 18 comprend par exemple un échangeur thermique 24 fluide frigorigène/air, dit condenseur. Le compresseur 20, la vanne de détente 22 et le condenseur 24 sont agencés dans un compartiment C1 du véhicule formant, de préférence, un compartiment moteur de ce véhicule. Le condenseur 24 est agencé, par exemple, dans une face avant du véhicule. La source froide 16 comporte un échangeur thermique 26 fluide frigorigène/air, dit premier évaporateur, ainsi qu'un échangeur thermique 28, fluide frigorigène/liquide caloporteur, dit second évaporateur. Le second évaporateur 28 couple thermiquement le circuit principal 14 de fluide frigorigène à un circuit secondaire 30 de liquide caloporteur. Ce circuit 30 comporte une pompe 32, de préférence électrique, de mise en circulation du liquide caloporteur, raccordée, dans l'exemple illustré, à une sortie du second évaporateur 28. En variante, la pompe 32 pourrait être agencée en amont du second évaporateur 28. Le liquide caloporteur du circuit secondaire 30 est, par exemple, un mélange d'eau et d'antigel. Le sens de circulation du liquide caloporteur dans le circuit secondaire 30 est indiqué par des flèches sur la figure 1. Le circuit secondaire 30 peut être raccordé, d'une part, à un premier échangeur thermique secondaire 34 en échange thermique avec un premier organe exothermique du véhicule et, d'autre part, à un second échangeur thermique secondaire 36 en échange thermique avec un second organe exothermique du véhicule. Les premier 34 et second 36 échangeurs thermiques secondaires sont raccordés en parallèle dans le circuit secondaire 30 de liquide caloporteur. Dans l'exemple décrit, le premier organe exothermique, en échange thermique avec l'échangeur 34, est formé par un dispositif d'électronique de puissance destiné à commander un moteur électrique d'entraînement du véhicule. Par ailleurs, le second organe exothermique, en échange thermique avec l'échangeur 36, est formé par une batterie d'alimentation du moteur électrique du véhicule. En variante, le circuit secondaire 30 de liquide caloporteur pourrait n'être raccordé qu'à un seul échangeur thermique secondaire, par exemple l'échangeur 36 en échange thermique avec la batterie. On notera que, selon l'invention, les organes exothermiques en échange thermique avec les échangeurs 34,36 peuvent être quelconques. Le circuit secondaire 30 de liquide caloporteur comprend une vanne 38 munie d'une première voie 38A raccordée à la sortie du second évaporateur 28, par l'intermédiaire de la pompe 32, d'une deuxième voie 38B raccordée à une entrée du premier échangeur secondaire 34 et d'une troisième voie 38C raccordée à une entrée du second échangeur secondaire 36. Les premier 26 et second 28 évaporateurs sont raccordés en série. Ces évaporateurs 26,28 peuvent être intégrés dans un module commun ou bien séparés l'un de l'autre. Dans le premier mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 1, le second évaporateur 28 est agencé en aval du premier évaporateur 26 en considérant le sens de circulation du fluide frigorigène dans le circuit principal 14. Par ailleurs, on notera que dans ce premier mode de réalisation de l'invention, le premier évaporateur 26 et le second évaporateur 28 sont agencés dans un compartiment C2 du véhicule formant un habitacle du véhicule. Par contre, les deux échangeurs thermiques secondaires 34,36 sont agencés dans un compartiment C3 du véhicule distinct de l'habitacle. Ce compartiment C3 peut être formé, par exemple, par le compartiment moteur (dans ce cas les compartiments C1 et C3 sont identiques) ou bien par un compartiment disposé sous un plancher de l'habitacle du véhicule. On décrira ci-dessous les principaux aspects du fonctionnement du dispositif de régulation thermique 10 selon l'invention. a) fonctionnement du dispositif de régulation thermique 10 en saison froide Lors du démarrage du véhicule, les organes exothermiques en échange thermique avec les échangeurs 34,36 n'ont pas besoin d'être refroidis car leur température est suffisamment basse. De même, l'habitacle du véhicule n'a pas besoin d'être refroidi. De ce fait, la pompe à chaleur 12 et la pompe 32 du circuit secondaire 30 de liquide caloporteur sont désactivées. Après une certaine durée de fonctionnement de la motorisation électrique du véhicule, la température des organes exothermiques en échange thermique avec les échangeurs 34,36 s'élève. La pompe à chaleur 12 et la pompe 32 du circuit secondaire 30 sont alors activées. La vanne 38 est réglée de façon à permettre le refroidissement de chaque organe exothermique selon les besoins. Le compresseur 20 fonctionne à un faible régime suffisant pour évacuer les calories provenant des organes exothermiques et du circuit secondaire 30 vers la source chaude 18 de la pompe à chaleur. Le cas échéant, le compresseur 20 fonctionne à un régime plus élevé de façon à permettre le refroidissement de l'habitacle par l'intermédiaire du premier évaporateur 26 agencé dans cet habitacle. b) fonctionnement du dispositif de régulation thermique 10 en saison chaude Dans ce cas, le compresseur 20 fonctionne généralement à un régime élevé de façon à refroidir, d'une part, l'habitacle, par l'intermédiaire du premier évaporateur 26, et d'autre part, les organes exothermiques, par l'intermédiaire du second évaporateur 28. Si au cours du fonctionnement du véhicule, il n'est plus nécessaire de refroidir les organes exothermiques, la pompe 32 est désactivée. On a représenté sur les figures 2 et 3 un dispositif de régulation thermique selon des deuxième et troisième modes de réalisation de l'invention, respectivement. Sur ces figures, les éléments analogues à ceux des figures précédentes sont désignés par des références identiques. Dans le deuxième mode de réalisation de l'invention, illustré sur la figure 2, le second évaporateur 28 est agencé en amont du premier évaporateur 26 de façon à optimiser le refroidissement des organes exothermiques en échange thermique avec les échangeurs 34, 36. Dans le troisième mode de réalisation de l'invention, illustré sur la figure 3, le second évaporateur 28 est agencé dans le compartiment C3, distinct de l'habitacle, formant un compartiment moteur ou un compartiment disposé sous un plancher de l'habitacle du véhicule. L'agencement dans le compartiment moteur du second évaporateur 28 facilite l'intégration du dispositif de régulation thermique 10 selon l'invention dans un véhicule classique en évitant de modifier notablement la configuration des moyens de climatisation de l'habitacle du véhicule existant déjà. Bien entendu, une combinaison des différents modes de réalisation de l'invention décrits ci-dessus est possible sans sortir du cadre de cette invention. Parmi les avantages de l'invention, on notera que le circuit secondaire 30 de liquide caloporteur, couplé à la pompe à chaleur 12 par le second évaporateur 28, permet de refroidir efficacement la batterie et le dispositif d'électronique de puissance d'un véhicule électrique ou hybride. De ce fait, la température maximale de la batterie peut être limitée à 45 C, ce qui permet d'accroître la durée de vie de cette batterie notamment d'un tiers de la durée de vie habituelle. Par ailleurs, la température du liquide caloporteur en échange thermique avec le dispositif d'électronique de puissance peut être abaissée d'environ 40 C par rapport à un dispositif de régulation thermique classique, ce qui permet de réduire le volume de ce dispositif d'électronique de puissance d'environ 1 litre. En saison chaude, le circuit secondaire 30 de liquide caloporteur, couplé thermiquement à la source froide 16 de la pompe à chaleur, permet de réduire rapidement la température de la batterie de façon à la stabiliser à la valeur d'environ 450 garantissant une durée de vie relativement longue des batteries. L'invention permet donc de faciliter l'utilisation de véhicules électriques ou hybrides dans des régions chaudes. Enfin, l'invention peut être adaptée aux véhicules existants sans modifier notablement la configuration du compartiment moteur et des moyens de climatisation de l'habitacle de ces véhicules. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation décrit précédemment. En particulier, chaque échangeur thermique secondaire peut être en échange thermique avec une source de calories quelconque du véhicule autre qu'un organe exothermique, par exemple de l'air de suralimentation d'un moteur thermique du véhicule. Dans ce cas, le moteur est généralement suralimenté au moyen d'un ensemble turbo-compresseur muni, d'une part, d'une turbine entraînée par des gaz d'échappement du moteur, agencée en aval du moteur, et d'autre part, d'un compresseur d'air d'admission agencé en amont du moteur. L'air d'admission du moteur, se réchauffant dans le compresseur, peut être refroidi à la sortie de ce compresseur, grâce à un échangeur secondaire du dispositif selon l'invention afin d'optimiser les performances du moteur et minimiser les émissions de polluants. REVENDICATIONS 1. Dispositif de régulation thermique pour véhicule automobile, du type comprenant une pompe à chaleur (12) comportant un circuit principal (14) de fluide frigorigène prélevant des calories d'une source froide (16) pour les transférer vers une source chaude (18), la source froide (16) comportant un échangeur thermique (26) fluide frigorigène/air, dit premier évaporateur, caractérisé en ce que la source froide (16) comporte également un échangeur thermique (28) fluide frigorigène/liquide caloporteur, dit second évaporateur, couplant thermiquement le circuit principal (14) de fluide frigorigène à un circuit secondaire (30) de liquide caloporteur pouvant être raccordé à au moins un premier échangeur thermique secondaire (34,36) en échange thermique avec une première source de calories du véhicule. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit secondaire (30) de liquide caloporteur peut être raccordé à un second échangeur thermique secondaire (34,36) en échange thermique avec une seconde source de calories du véhicule. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premier et second échangeurs secondaires (34,36) sont raccordés en parallèle dans le circuit secondaire (30) de liquide caloporteur. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit secondaire (30) de liquide caloporteur comprend une vanne (38) munie d'une première voie (38A) raccordée à une sortie du second évaporateur (28) de la source froide, d'une deuxième voie (38B) raccordée à une entrée du premier échangeur secondaire et d'une troisième voie (38C) raccordée à une entrée du second échangeur secondaire. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit secondaire (30) de liquide caloporteur est muni d'une pompe (32) d'entraînement de ce liquide caloporteur. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source chaude (18) comporte un échangeur thermique (24) fluide frigorigène/air, dit condenseur, agencé dans un compartiment moteur (C1) du véhicule. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier évaporateur (26) est agencé dans un habitacle (C2) du véhicule. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque échangeur thermique secondaire (34,36) est agencé dans une partie (C3) du véhicule distincte de l'habitacle. 9. Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le second évaporateur (28) de la source froide (18) est agencé dans une partie (C3) du véhicule distincte de l'habitacle. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier évaporateur (26) et le second évaporateur (28) sont raccordés en série, le second évaporateur (28) étant agencé en amont ou en aval du premier évaporateur (26) en considérant le sens de circulation du fluide frigorigène dans le circuit principal (14). 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque source de calories est choisie parmi un organe exothermique du véhicule, tel qu'un organe formant dispositif d'électronique de puissance ou batterie d'alimentation d'un moteur électrique d'entraînement du véhicule, et de l'air de suralimentation d'un moteur thermique du véhicule. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le liquide caloporteur du circuit secondaire (30) est un mélange d'eau et d'antigel.