Brevet FR2865070A1 — publié le 20050715

La présente invention concerne un dispositif perfectionné de régulation thermique d'un module de batteries pour véhicule automobile. Certains véhicules, de type hybride, comprennent une motorisation comportant un moteur d'entraînement thermique et une machine électrique permettant d'alterner des configurations de fonctionnement en modes thermique et électrique. La machine électrique est reliée à un module de batteries. Le bon fonctionnement des batteries, refroidies à l'air, dépend notamment de la température de l'air qui les entoure. En saison froide, lorsque par exemple la température des batteries est voisine de -18 C, les réactions chimiques dans les batteries sont inhibées ce qui empêche ces dernières de délivrer la puissance électrique nécessaire au bon fonctionnement de la machine électrique. Il convient donc d'élever la température des batteries jusqu'à environ 5 C, température à partir de laquelle les batteries sont en mesure de délivrer la puissance électrique nécessaire au bon fonctionnement de la motorisation. En saison chaude, lorsque par exemple la température des batteries est supérieure à 55 C, leur sollicitation doit être réduite afin de ne pas affecter leur durée de vie. On connaît déjà dans l'état de la technique, notamment d'après FR-A-2 829 619 (FR-01 11610), un dispositif de régulation thermique d'un module de batteries pour véhicule automobile, du type comprenant des moyens de mise en circulation d'un flux d'air à travers le module de batteries, et une enceinte formant des moyens de guidage du flux d'air dans laquelle sont logés le module de batteries et des moyens de régulation thermique du flux d'air. Ces moyens de régulation thermique comportent en général des moyens de chauffage, permettant d'élever la température de l'air circulant dans l'enceinte lors d'un démarrage en saison froide, et un échangeur thermique liquide caloporteur/air permettant de réduire la température de l'air circulant dans l'enceinte lors d'un fonctionnement du véhicule automobile au cours duquel la température des batteries est proche de 55 C. L'échangeur thermique liquide caloporteur/air est raccordé à un circuit de liquide présentant une inertie thermique relativement importante limitant l'efficacité de la régulation thermique du module de batteries. L'invention a notamment pour but de fournir des moyens de régulation thermique du module de batteries économiques et efficaces, tout en optimisant le fonctionnement et la durée de vie de ce module de batteries. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de régulation thermique du type précité, caractérisé en ce que les moyens de régulation thermique du flux d'air 15 20 25 30 35 comprennent un échangeur thermique fluide frigorigène/air formant un évaporateur d'une première source froide de pompe à chaleur, dit évaporateur de batteries. L'air circulant à travers le module de batteries est ainsi susceptible d'être directement refroidi par échange thermique avec le fluide frigorigène circulant dans le circuit de la pompe à chaleur, ceci sans être gêné par l'inertie thermique d'un liquide caloporteur ou par des pertes thermiques dans des conduits véhiculant ce liquide caloporteur. Un dispositif de régulation thermique selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - la pompe à chaleur participe à la climatisation de l'habitacle du véhicule automobile; - la pompe à chaleur comporte une seconde source froide comprenant un second évaporateur, dit évaporateur d'habitacle, raccordé en parallèle avec l'évaporateur de batterie à un circuit de fluide frigorigène; - les moyens de régulation thermique du flux d'air comportent des moyens de chauffage, par exemple des moyens électriques de chauffage par effet joule; - les moyens de chauffage comprennent une thermistance, notamment de type CTP (Coefficient de Température Positif) ; un ventilateur d'entraînement du flux d'air à travers l'échangeur thermique est logé dans l'enceinte; - le dispositif comporte des moyens d'isolation thermique de l'enceinte; l'enceinte est raccordée à des moyens de mise en circulation d'air provenant de l'extérieur de l'enceinte; les moyens de mise en circulation d'air extérieur comportent une ouverture d'entrée de l'air dans l'enceinte et une ouverture de sortie de l'air de l'enceinte; les moyens de mise en circulation d'air extérieur comportent des moyens d'obturation des ouvertures d'entrée et de sortie de l'air; - les moyens d'obturation comportent un volet déplaçable entre une position d'obturation des ouvertures d'entrée et de sortie et une position de canalisation de flux d'air entrant et sortant; les moyens de mise en circulation d'air extérieur comportent des moyens de commande des moyens d'obturation entre des configurations de mise en circulation de l'air dans l'enceinte et d'isolation de l'enceinte par rapport à l'air extérieur; les moyens de commande comportent un calculateur prenant en compte au moins un paramètre thermique; - le paramètre thermique est choisi parmi une consigne pour la climatisation de l'habitacle, la température de l'air à l'intérieur de l'enceinte, la température de l'air provenant de l'extérieur de l'enceinte et la température du module de batteries. 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 annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique un dispositif de régulation thermique selon l'invention inséré dans un circuit de pompe à chaleur; la figure 2 est une vue schématique plus détaillée du dispositif de régulation thermique de la figure 1 dans un premier mode de fonctionnement; la figure 3 est une vue similaire à celle de la figure 2, dans un second mode de fonctionnement. On a représenté sur la figure 1 un dispositif de régulation thermique d'un module de batteries B pour véhicule automobile, notamment de type électrique ou hybride. Le module de batteries B comprend en général plusieurs éléments formant batterie mais pourrait le cas échéant n'en comprendre qu'un seul. Le module B est logé dans une enceinte E. Le dispositif de régulation thermique, désigné par la référence générale 10, comporte notamment une pompe à chaleur 12. Cette pompe à chaleur 12 comporte un circuit 14 de fluide frigorigène, de type à compression, prélevant des calories de première 16 et seconde 18 sources froides pour les transférer, au moins partiellement, vers une source chaude 20. Les première 16 et seconde 18 sources froides sont raccordées à l'amont de la source chaude 20 par un compresseur commun 22, de type électrique ou mécanique, et à l'aval de la source chaude 20 par des première 24 et seconde 26 vannes de détente. Le fluide frigorigène passant par la première 16 ou seconde 18 source froide se vaporise en enlevant de la chaleur à cette première 16 ou seconde 18 source 20 froide. Le compresseur 22 aspire le fluide vaporisé et le refoule vers la source chaude 20 où il se condense en refroidissant. La première 24 ou seconde 26 vanne de détente laisse passer le fluide frigorigène liquide vers la source froide 16 ou 18 correspondante 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. On notera que le fluide frigorigène circulant dans le circuit principal 14 est de type classique. Ce fluide frigorigène est choisi par exemple parmi un dérivé chloré et fluoré du méthane ou de l'éthane (Fréon, R134a), un hydrocarbure, l'ammoniaque, le dioxyde de carbone, etc. La source chaude 20 comprend par exemple un échangeur thermique 27 fluide frigorigène/air, dit condenseur. La première source froide 16, logée dans l'enceinte E, comme le module de batteries B, comporte un échangeur thermique 28 fluide frigorigène/air, dit évaporateur de batteries. De préférence, l'enceinte E comporte des moyens d'isolation thermique. La seconde source froide 18 comporte un échangeur thermique 29 fluide frigorigène/air destiné à participer à la climatisation de l'habitacle du véhicule. Cet échangeur 29, dit évaporateur d'habitacle, est raccordé en parallèle avec l'évaporateur de batteries 28 au circuit de fluide frigorigène 14. On notera donc que la pompe à chaleur 12 utilisée dans le cadre de l'invention participe à la climatisation de l'habitacle du véhicule automobile ainsi qu'à la régulation thermique du module de batteries B. L'enceinte E, représentée plus en détail sur les figures 2 et 3, forme des moyens de guidage d'un flux d'air mis en circulation à travers le module de batteries B. Ce flux d'air est schématisé par des flèches F. Des moyens 32 de régulation thermique de ce flux d'air, comprenant notamment l'évaporateur de batterie 28, sont logés dans l'enceinte E. Les moyens 32 de régulation thermique du flux d'air F comportent en outre des moyens de chauffage 34, par exemple des moyens électriques de chauffage par effet Joule. Ces moyens de chauffage 34 comprennent une thermistance classique, notamment de type CTP (Coefficient de Température Positif), utilisée dans une plage de fonctionnement telle que la puissance délivrée par la thermistance diminue lorsque la température augmente. La puissance fournie par les moyens électriques de chauffage 34 dépend de la thermistance utilisée. Par exemple, on pourra utiliser une thermistance CTP participant à la climatisation de l'habitacle du véhicule. Dans d'autres cas, on pourra utiliser une thermistance CTP alimentée par le module de batteries. En général, la puissance fournie par les moyens électriques de chauffage 34 est de l'ordre de 1 kW. Le flux d'air F passant à travers le module de batteries B ainsi qu'à travers les moyens de régulation thermique 32 est entraîné par un ventilateur classique 36 logé dans l'enceinte E. On notera que l'enceinte E est raccordée à des moyens 38 de mise en circulation d'air provenant de l'extérieur de l'enceinte E, c'est à dire d'une source externe à cette enceinte E. Ces moyens 38 de mise en circulation d'air comportent une ouverture d'entrée 38E de l'air dans l'enceinte E et une ouverture de sortie 38S de l'air de l'enceinte E, visible sur la figure 3. Les moyens 38 de mise en circulation d'air extérieur comportent en outre des moyens 40 d'obturation des ouvertures d'entrée 38E et de sortie 38S d'air. Ces moyens d'obturation 40 comportent un volet 42 déplaçable entre une position d'obturation des ouvertures d'entrée 38E et de sortie 38S et une position de canalisation de flux d'air entrant et sortant. Les moyens 38 de mise en circulation d'air extérieur comportent des moyens 44 de commande des moyens d'obturation 40 entre des configurations de mise en circulation de l'air dans l'enceinte E et d'isolation de cette enceinte E par rapport à l'air extérieur, telles que représentées respectivement sur les figures 3 et 2. Ces moyens de commande 44 comportent un calculateur 46 pilotant le volet 42 en prenant en compte au moins un paramètre thermique. Ce paramètre thermique est par exemple choisi parmi une consigne pour la climatisation de l'habitacle, la température de l'air à l'intérieur de l'enceinte E, la température de l'air provenant de l'extérieur de l'enceinte E, et la température du module de batteries B. On décrira ci-dessous certains aspects du fonctionnement du dispositif de régulation thermique 10 liés à l'invention. 1) Saison froide. a) Démarrage du véhicule. Lorsque la température des batteries est voisine de -18 C, le module de batteries B est réchauffé à l'aide des moyens de chauffage 34. L'air, contenu dans l'enceinte E, est entraîné par le ventilateur 36 à travers les moyens électrique de chauffage 34. Le volet 42 est fermé de manière à isoler l'enceinte E de l'extérieur (figure 2) et ainsi ne pas perdre de chaleur fournie par les moyens de chauffage 34. Le flux F d'air chauffé traverse donc le module de batteries B de manière à élever la température des batteries jusqu'à environ 5 ou 6 C. Le flux F d'air chauffé par les moyens de chauffage 34 permet aux batteries du module B d'atteindre rapidement une température pour laquelle elles sont susceptibles de délivrer une puissance électrique suffisante permettant une activation du mode de réalisation hybride ou électrique pure sans contrainte indésirable sur les batteries. b) Démarrage effectué et température des batteries sensiblement stabilisée. Le volet 42 est ouvert de manière à ce que l'air provenant de l'extérieur de l'enceinte E, relativement froid en saison froide, participe au refroidissement du module de batteries B. Ainsi, grâce à l'ouverture de ce volet 42, il n'est généralement pas nécessaire d'activer la pompe à chaleur 12 en saison froide, sous réserve que la température de l'air extérieur soit suffisamment basse, par exemple inférieure à 10 C. 2) Saison chaude. Le flux d'air F, traversant l'échangeur thermique 28, permet de refroidir le module de batteries B de façon à maintenir la température de ce module B en dessous d'un seuil garantissant une durée de vie optimale des batteries. Ce seuil est par exemple d'environ 40 C. Le refroidissement du flux d'air F est réalisé par transfert, via l'échangeur 28, de frigories provenant du liquide frigorigène, relativement froid, vers le flux d'air F circulant dans l'enceinte E. Durant la saison chaude, on choisira ou non d'ouvrir le volet 42 suivant la température de l'air extérieur. Le cas échéant, le volet 42 est maintenu fermé pendant l'activation de la pompe à chaleur 12, afin que l'air froid, circulant en circuit fermé, soit utilisé uniquement pour refroidir le module de batteries. Ceci permet d'assécher l'air circulant dans l'enceinte E. En effet, l'humidité dont l'air est chargé est condensée sur l'évaporateur 28 dès les premiers instants de circulation de l'air à travers cet évaporateur 28. L'air circulant en circuit fermé dans l'enceinte E reste ensuite sec en permanence. Une grande partie de l'énergie utilisée pour la condensation de l'eau comprise dans l'air est donc économisée. De même qu'en saison froide, lorsque la température de l'air extérieur est suffisamment basse, le volet 42 est ouvert. Dans ce cas, la pompe à chaleur 12 est désactivée. Parmi les avantages de l'invention, on notera que celle-ci permet d'optimiser le fonctionnement et la durée de vie du module de batteries B. En effet, en saison froide, le flux d'air chauffé, circulant à travers le module B de batteries permet d'élever rapidement la température des batteries jusqu'à une valeur permettant un bon fonctionnement de la machine électrique. Ensuite, la mise en circulation d'air froid dans l'enceinte E provenant de l'extérieur permet d'économiser de l'énergie en évitant d'activer la pompe à chaleur 12. En saison chaude, le flux d'air F, refroidi par l'échangeur thermique 28 de la pompe à chaleur 12, permet de réduire si nécessaire la température du module de batteries B de façon à la stabiliser à une valeur garantissant une durée de vie relativement longue des batteries. Cet échangeur 28 est un échangeur fluide frigorigène/air plus efficace qu'un échangeur liquide caloporteur/air classique. On notera par ailleurs que l'échangeur thermique 28 étant monté en parallèle par rapport à l'échangeur thermique de la source froide 18, ces deux échangeurs peuvent fonctionner indépendamment l'un de l'autre. L'habitacle et le module de batteries peuvent donc être régulés thermiquement de manière indépendante. La pompe à chaleur 12 utilisée peut être une pompe à chaleur standard destinée à la climatisation de l'habitacle sur laquelle est raccordée l'évaporateur de batteries 28 en parallèle avec l'évaporateur d'habitacle. Il n'est pas nécessaire de modifier les dimensions du condenseur standard qui est généralement agencé sur la face avant du véhicule. REVENDICATIONS 1. Dispositif (10) de régulation thermique d'un module de batteries (B) pour véhicule automobile, du type comprenant des moyens de mise en circulation d'un flux d'air (F) à travers le module de batteries (B), et une enceinte (E) formant des moyens de guidage du flux d'air (F) dans laquelle sont logés le module de batteries (B) et des moyens (32) de régulation thermique du flux d'air (F), caractérisé en ce que les moyens (32) de régulation thermique du flux d'air (F) comprennent un échangeur thermique fluide frigorigène/air (28) formant un évaporateur d'une première source froide (16) de pompe à chaleur (12), dit évaporateur de batteries (28). 2. Dispositif (10) de régulation thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pompe à chaleur (12) participe à la climatisation de l'habitacle du véhicule automobile. 3. Dispositif (10) de régulation thermique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pompe à chaleur (12) comporte une seconde source froide (18) comprenant un second évaporateur (29), dit évaporateur d'habitacle, raccordé en parallèle avec l'évaporateur de batterie (28) à un circuit (14) de fluide frigorigène. 4. Dispositif (10) de régulation thermique selon l'une quelconque des revendication précédentes, caractérisé en ce que les moyens (32) de régulation thermique du flux d'air (F) comportent des moyens de chauffage (34), par exemple des moyens électriques de chauffage par effet joule. 5. Dispositif (10) de régulation thermique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de chauffage (34) comprennent une thermistance, notamment de type CTP (Coefficient de Température Positif). 6. Dispositif (10) de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un ventilateur (36) d'entraînement du flux d'air (F) à travers l'échangeur thermique est logé dans l'enceinte (E). 7. Dispositif (10) de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'isolation thermique de l'enceinte (E). 8. Dispositif (10) de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte (E) est raccordée à des moyens (38) de mise en circulation d'air provenant de l'extérieur de l'enceinte (E). 9. Dispositif (10) de régulation thermique selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens (38) de mise en circulation d'air extérieur comportent une ouverture d'entrée (38E) de l'air dans l'enceinte (E) et une ouverture de sortie (38S) de l'air de l'enceinte (E) . 10. Dispositif (10) de régulation thermique selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens (38) de mise en circulation d'air extérieur comportent des moyens (40) d'obturation des ouvertures d'entrée (38E) et de sortie (38S) de l'air. 11. Dispositif (10) de régulation thermique selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens d'obturation (40) comportent un volet (42) déplaçable entre une position d'obturation des ouvertures d'entrée (38E) et de sortie (38S) et une position de canalisation de flux d'air entrant et sortant. 12. Dispositif (10) de régulation thermique selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que les moyens (38) de mise en circulation d'air extérieur comportent des moyens (44) de commande des moyens d'obturation (40) entre des configurations de mise en circulation de l'air dans l'enceinte (E) et d'isolation de l'enceinte (E) par rapport à l'air extérieur. 13. Dispositif (10) de régulation thermique selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de commande (44) comportent un calculateur (46) prenant en compte au moins un paramètre thermique. 14. Dispositif (10) de régulation thermique selon la revendication 13, caractérisé en ce que le paramètre thermique est choisi parmi une consigne pour la climatisation de l'habitacle, la température de l'air à l'intérieur de l'enceinte (E), la température de l'air provenant de l'extérieur de l'enceinte (E) et la température du module de batteries (B) .