Brevet FR2915429A1 — publié le 20081031

Système de gestion de stockage de froid pour véhicule automobile [0001 L'invention se rapporte à un système de gestion de froid et plus précisément de gestion de froid au niveau de l'aérotherme pour véhicule automobile présentant des conditions de vie dans lesquelles le moteur thermique est arrêté en phase de roulage. 2] De manière générale, un système de climatisation destiné à refroidir l'habitacle d'un véhicule automobile, comprend un système 1 o échangeur comportant un évaporateur, un compresseur, un condenseur, un détendeur et un fluide susceptible de changer d'états : liquide / gaz , comme illustré sur le schéma de la figure 1. 3] Le compresseur : Directement entraîné par le moteur du véhicule à l'aide d'une courroie et d'une poulie, celui-ci comprime du fluide 15 frigorigène, le refoulant sous haute pression et à haute température vers le condenseur. • Le condenseur : Grâce à une ventilation, cet échangeur thermique provoque la condensation du gaz qui arrive à l'état gazeux en haute pression et haute température. Il le liquéfie grâce à l'abaissement de 20 température de l'air qui le traverse. 4] L'évaporateur : C'est un échangeur thermique, comme le condenseur qui prélève des calories à l'air qui sera soufflé dans la cabine (il refroidit l'air et l'assèche). L'humidité prélevée dans l'air ruisselle sur les ailettes de l'évaporateur et est progressivement évacuée sous le véhicule. 25 • Le détendeur : Le détendeur est un composant qui permet de réguler à la fois le débit de fluide dans la boucle et la température au niveau de l'évaporateur via une modification de section de passage d'un orifice calibré. 5] Ainsi, l'air chaud venant de l'extérieur se refroidit en traversant l'évaporateur tout en s'asséchant également car l'humidité présente dans l'air 5 extérieur se colle sur la surface froide de l'évaporateur. 6] Lorsque le moteur thermique est arrêté, le système de climatisation n'est plus opérationnel. Ce qui pose un problème pour des véhicules automobiles, qui dans leur utilisation, ont des coupures du moteur thermique fréquentes. Ainsi pour des applications dites STT ( Stop and 1 o Start) dans lesquelles, le moteur thermique est arrêté durant de courts intervalles de temps, par exemple au feu rouge, un inconfort thermique peut être ressenti au-dessus d'une température d'air extérieur de 25 C (avec un ensoleillement significatif). La température d'air soufflé dans l'habitacle augmente de manière importante. Toutefois le point le plus bloquant est la 15 ré-évaporation de l'eau stockée dans l'échangeur du groupe de climatisation produisant du froid, ce qui présente un grand inconfort pour l'utilisateur (bouffée d'humidité chaude dans le visage). Typiquement, lorsque le moteur thermique est opérationnel, correspondant à un roulage dit classique , l'air au niveau de l'évaporateur se situe à environ 5 C. Moteur arrêté, la boucle 20 de réfrigération s'arrête (compresseur arrêté), il y a alors un accroissement de la température d'air au niveau de l'évaporateur. Au-dessus de 15 C, l'eau stockée dans l'évaporateur se ré-évapore (et est apportée à l'habitacle). 7] Il a déjà été proposé de conserver un fonctionnement classique du circuit d'eau moteur et du groupe de climatisation en dehors 25 de conditions de vie où la phase de stop peut potentiellement poser un problème de confort thermique en été. Dans ces conditions de vie l'aérotherme découplé du circuit d'eau moteur est alimenté en air sortant de l'évaporateur en phase de fonctionnement (stockage de froid dans l'aérotherme) et d'arrêt du moteur thermique (restitution de froid dans l'aérotherme). 8] L'aérotherme est un échangeur thermique dont la fonction est généralement de réchauffer l'air pulsé dans l'habitacle. Ce réchauffement est obtenu par un échange calorifique entre le liquide de la boucle chaude issu du circuit de refroidissement du moteur thermique et l'air pulsé dans l'habitacle. La figure 2 illustre le principe de fonctionnement actuel du circuit de refroidissement. configuration dans laquelle : • d'une part, le circuit hydraulique de refroidissement du moteur thermique 1 o est associé de manière classique à un radiateur 1, au moteur thermique 2 et comprend une première partie 21 comportant une pompe à eau 22, un boîtier d'eau 23 et un thermostat 24 permettant de contrôler et de commander la circulation du liquide de refroidissement en sortie du moteur thermique 2. Le circuit hydraulique comprend également une 15 seconde partie 31 comportant une pompe électrique 32 pour alimenter un aérotherme 3. Dans certaines applications un tuyau (dit de bypass) 33 est utilisé afin d'accroitre le débit d'eau interne moteur lorsque le thermostat moteur est fermé. • d'autre part, le groupe de climatisation 4 comporte notamment un 20 évaporateur 41 permettant d'envoyer de l'air refroidi dans l'aérotherme 3 qui le réchauffe. 9] Au-dessus d'une certaine température extérieure, le besoin de réchauffer l'air arrivant dans l'habitacle n'existe plus (l'air ne passe plus dans l'aérotherme, mais le bypass). Il est alors envisageable de détourner la 25 fonctionnalité de base de l'aérotherme. 0] Dans ce contexte, la présente invention propose également d'utiliser l'aérotherme pour refroidir l'air, lorsque le moteur thermique est coupé et ce avec des moyens optimisés de gestion de froid. En effet la gestion de stockage du froid doit être transparente pour l'utilisateur du véhicule tout en minimisant le nombre de capteurs à intégrer et en assurant la performances des différents organes et ce malgré une chute de température trop lente lors du premier démarrage moteur. 1] Plus précisément, la présente invention propose de piloter le stockage du froid de manière à : • ne pas avoir de stockage de froid durant la période pendant laquelle l'air arrivant à l'intérieur de l'habitacle du véhicule n'est pas encore froid • et stocker de manière progressive le froid afin d'assurer un stockage sans que l'usager ressente d'inconfort au niveau de la température d'air soufflé. 2] Pour assurer un tel fonctionnement, l'invention a pour objet un système de gestion du froid, pour véhicule automobile comportant un moteur thermique pouvant être arrêté en phase de roulage, un circuit hydraulique et un groupe de climatisation comprenant un évaporateur et un aérotherme , ledit système comportant des moyens pour dissocier la partie du circuit hydraulique d'alimentation du moteur thermique de la partie du circuit hydraulique d'alimentation de l'aérotherme, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour estimer la température de l'air en sortie de l'évaporateur et des moyens pour estimer la température de l'air en sortie de l'aérotherme, permettant d'estimer la température d'air soufflé dans l'habitacle du véhicule automobile. 3] Avantageusement, les moyens pour estimer la température d'air en sortie de l'aérotherme comportent des moyens pour estimer la température d'eau dans la branche aérotherme à partir d'un calcul d'échange thermique. 4] Selon une variante de l'invention, le système de gestion du froid comprend des moyens pour réguler la compression selon la comparaison entre une température objectif préétablie de température d'air sortie évaporateur et une température calculée. [0015] Selon une variante de l'invention, le système comprend en outre des moyens pour estimer le débit d'air devant traverser l'aérotherme à partir de la température d'air soufflé dans l'habitacle. 6] Selon une variante de l'invention, le système comporte en outre des moyens pour réguler le débit d'air permettant de réguler la compression. [0017] Avantageusement, les moyens pour réguler le débit d'air permettant de réguler la compression sont de type volet de mixage permettant de mixer le débit d'air en sortie de l'évaporateur et le débit d'air en sortie de l'aérotherme. 8] De manière générale il est également important d'estimer la quantité d'eau (coté air) présente dans l'aérotherme de manière à être en mesure de la limiter car elle pourrait endommager l'échangeur non prévu pour cela et à assurer un meilleur confort au niveau de l'air ambiant à l'utilisateur, quelle que soit la phase du cycle de refroidissement en cours (arrêt ou non du moteur thermique). [0019] C'est pourquoi selon une variante de l'invention, le système comporte également des moyens pour estimer la quantité d'eau (coté air) présente dans l'aérotherme. 0] Avantageusement les moyens pour estimer la quantité d'eau dans l'aérotherme comportent des moyens pour calculer la température du 25 liquide hydraulique d'alimentation de l'aérotherme. 1] Selon une variante de l'invention, le système comporte en outre des moyens de type vanne hydraulique dont le pilotage permet un apport d'eau chaude moteur à l'aérotherme pour évaporer l'humidité stockée. 2] L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et grâce aux figures annéxées parmi lesquelles : • la figure 1, déjà décrite, illustre un dispositif de climatisation selon l'art connu ; • la figure 2, déjà décrite, illustre un circuit de refroidissement moteur 10 associé au groupe de climatisation selon l'art connu ; • les figures 3a et 3b schématisent les évolutions de température d'air dans le groupe de climatisation en mode apport de froid possible en mode de stop . Ces températures sont données respectivement lorsque le moteur thermique fonctionne (aérotherme stockant du froid et réchauffant 15 donc l'air) et lorsqu'il est à l'arrêt (aérotherme restituant du froid à l'air et donc l'asséchant et le refroidissant) ; • la figure 4 schématise les paramètres mesurés dans le système de climatisation selon l'invention et permettant d'optimiser la température de l'habitacle. 20 [0023] Le fonctionnement du système de climatisation selon l'invention est illustré sur les figures 3a et 3b. De manière connue, le dispositif de gestion du froid présent dans un véhicule automobile comprend un évaporateur pouvant générer de l'air refroidi. Comme illustré en figure 3a, sous l'action du moteur thermique, l'évaporateur 41 peut typiquement 25 refroidir un air chaud à environ 30 C, prélevé depuis l'extérieur, à une température d'environ 5 C. Cet air refroidi est alors envoyé dans l'aérotherme 3 indépendant du circuit d'eau moteur stockant des frigories ce qui peut induire un réchauffement de la température de l'air le traversant, pouvant atteindre typiquement une température de 7 C. 4] Lorsque le moteur est coupé, comme illustré en figure 3b, l'évaporateur 41 n'est plus opérationnel, l'air rentrant à 30 C, ressort à 30 C, pour rentrer dans l'aérotherme 3 et bénéficier de l'inertie de ce dernier pour être refroidi, passant dans l'exemple illustré à une température de 12 C. 5] En dehors des phases où un stockage de froid est désiré au niveau de l'aérotherme, le groupe de climatisation ainsi que le circuit d'eau moteur ont un fonctionnement similaire à une architecture non équipée de cette invention. 6] C'est pourquoi le système de l'invention propose d'intégrer un estimateur de température d'air soufflé permettant d'estimer la température d'entrée de l'air dans l'habitacle en fonction de la température d'air sortie évaporateur et la température en sortie de l'aérotherme. 7] A partir de la température d'air en sortie de l'évaporateur et la température d'eau dans la branche aérotherme, il est possible de définir la température d'air en sortie de l'aérotherme via un modèle d'échange thermique tel que celui présenté ci-après : [0028] Le bilan de puissance à l'aérotherme est le suivant : P=k (Q eau_aéro ; Q air_aéro) * (T airsévapo ù T eau_aero) avec : Q eau_aéro : le débit d'eau traversant l'aérotherme Q air aéro : le débit d'air traversant l'aérotherme k : coefficient d'échange étant une fonction à 2 paramètres T air_s_évapo : la température de l'air en sortie de l'évaporateur T eau_aéro : la température de l'eau en sortie de l'aérotherme P=Q air_aéro * (T air_s_évapo ù T air_s_aéro) T air_s_aéro T air_s_evapo + k(Q eau_aéro Q air_aéro) / Q air_aéro * (T eau_aéro ù T air_s_évapo) [0029] La température sortie groupe (T air_s_groupe) est fonction de la part du débit de l'évaporateur (Q air) traversant l'aérotherme (Q air_aero) ainsi que des températures sortie aérotherme et évaporateur. T air_s_groupe= (Q air_aéro/Q air) * T air_s_aéro + (1- Q air_aéro/Q air) * T air s evapo 0] Ayant déterminé la température de l'air en sortie de l'aérotherme, on la compare à une valeur standard désiré et on ajuste le débit d'air en entrée de l'aérotherme de manière à converger vers cette valeur cible. 1] L'autorisation de stop peut être donnée : • selon des critères de température d'air habitacle et soufflé (reprises des stratégies actuelles STT) • selon un état de charge du système de stockage, si le système de 20 stockage n'est pas chargé l'autorisation de stop peut être interdite dans certaines conditions. [0032] A partir de l'objectif de température d'air soufflé fixé, il est alors possible de définir un pourcentage de débit devant traverser l'aérotherme (position du volet de mixage) et autoriser ou non le stop de manière à atteindre une valeur optimale de température au sein de l'habitacle. 3] Ainsi la cylindrée du compresseur (à contrôle externe) peut être pilotée, non plus en fonction de la température d'air en sortie évaporateur (correspondant initialement à la tempérture d'air soufflé) mais à partir de la température d'air en sortie du groupe de climatisation (aérotherme et évaporateur) . De même à iso tension d'alimentation électrique du pulseur de climatisation (c'est-à-dire à iso-puissance) le débit d'air soufflé est inférieur dans le cas d'un passage de l'air par l'aérotherme (la perte de charge de la ligne d'air étant plus importante). De ce fait et afin de revenir à iso-débit augmentation de la consigne de pilotage du pulseur est envisagée en mode de stockage. 4] Pour d'optimiser le fonctionnement de ce type de système de gestion de froid, l'invention propose ainsi d'introduire des moyens pour estimer la quantité d'eau susceptible d'être condensée ou réévaporée dans l'air traversant l'aérotherme.. En effet, la présence d'humidité dans l'aérotherme est très problématique car elle risque de générer des odeurs, un bouchage de l'échangeur ou un stockage d'eau non désiré dans le groupe de climatisation à l'arrêt du véhicule. Afin de reconduire le groupe de climatisation standard , il est nécessaire d'estimer la quantité d'eau présente dans l'aérotherme. Pour cela le système comprend des moyens pour estimer la température d'eau ainsi que des moyens pour déterminer la température d'air entrée aérotherme. Comme illustré en figure 4, Il est donc possible d'estimer la température d'air en sortie de l'aérotherme T aiLs_aéro. En supposant que l'air en sortie d'évaporateur est toujours saturé en humidité (et idem en sortie de l' aérotherme), il est alors possible de réaliser un bilan sur la quantité d'eau Q eau présente dans l'aérotherme. 5] La température d'eau est estimée à chaque instant. La température d'air en entrée de l'aérotherme étant connue (et correspondant à la température d'air en sortie de l'évaporateur T aiLs_évapo), il est alors possible d'estimer la puissance échangée à l'eau (et donc les fluctuations de température d'eau). 6] Afin de positionner la température d'eau il est donc nécessaire 1 o de connaître la conditions initiale de température d'eau. 7] Selon la durée de non utilisation du véhicule, la condition initiale est la température ambiante ou la dernière température estimée lors du précédent roulage. Typiquement cette durée de non utilisation correspond au temps nécéssaire pour passer d'une température d'eau de 80 C à une 15 température d'eau de 20 C soit environ 5 minutes. 8] Lors du précédent roulage, si le système de stockage n'était par opérationnel, la température d'eau est celle lue au niveau de la sonde du moteur thermique. Si le stockage était opérationnel il est possible de recaler l'estimateur via une circulation d'air extérieur dans l'aérotherme une fois le 20 véhicule arrêté, ce qui permet de situer la température d'eau à la fin du roulage à la température ambiante. 9] Le système de gestion de froid selon l'invention permet d'assurer un assèchement de l'aérotherme lors de la fin de l'utilisation du véhicule pour limiter la quantité d'eau stagnant dans l'aérotherme durant l'absence de l'utilisateur, de manière à ne pas endommager l'échangeur qui n'a pas été prévu pour. 0] Selon l'état d'humidité estimé dans l'aérotherme les actions suivantes peuvent être réalisées une fois l'utilisateur sorti du véhicule : • un apport d'eau chaude moteur à l'aérotherme (pour évaporer l'humidité stockée) via un pilotage de la vanne hydraulique ; • une dissociation du circuit d'eau moteur du circuit d'eau aérotherme • une mise en route du pulseur (pour dégager l'humidité en dehors du groupe de climatisation puis revenir à un niveau de température d'eau 1 o connu avant le roulage suivant). REVENDICATIONS 1. Système de gestion du froid, pour véhicule automobile comportant un moteur thermique (2) pouvant être arrêté en phase de roulage, un circuit hydraulique et un groupe de climatisation comprenant un évaporateur (41) et un aérotherme (3), ledit système comportant des moyens pour dissocier la partie du circuit hydraulique (21) d'alimentation du moteur thermique de la partie du circuit hydraulique (31) d'alimentation de l'aérotherme, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour estimer la température de l'air en sortie de l'évaporateur (Tair-s-evapo) et des moyens pour estimer la température to de l'air en sortie de l'aérotherme (Tair-s-aéro), permettant d'estimer la température d'air soufflé (Tair-s-groupe) dans l'habitacle du véhicule automobile. 2. Système de gestion du froid, pour véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour estimer la température d'air en sortie de l'aérotherme (Tair-s-aéro ) comportent des 15 moyens pour estimer la température d'eau dans la branche aérotherme (Teau-aéro). 3. Système de gestion du froid, pour véhicule automobile selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour estimer le débit d'air (Q air-aéro) devant traverser l'aérotherme selon l'objectif défini de température d'air soufflé dans l'habitacle. 20 4. Système de gestion du froid selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens pour réguler le débit d'air permettant de réguler la compression. 1 5. Système de gestion du froid selon la revendication 4, caractérisé en ce que le débit d'air admis en entrée de l'aérotherme est régulé de façon à ce que la température de l'air en sortie de l'aérotherme calculée à partir d'un modèle tenant compte du débit d'air en entrée de l'aérotherme soit conforme à une température souhaitée 6. Système de gestion du froid selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour estimer la quantité d'eau présente dans l'aérotherme. 7. Système de gestion du froid selon l'une des revendications 1 à 6, caracatérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de type vanne hydraulique dont le pilotage permet un apport d'eau chaude moteur à l'aérotherme pour évaporer l'humidité stockée.