Brevet FR2944238A1 — publié le 20101015

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT POUR VEHICULE AUTOMOBILE L'invention a pour objet un dispositif de refroidissement pour véhicule automobile, comprenant un circuit de refroidissement apte à refroidir un ensemble moteur à l'aide d'un liquide de refroidissement refroidi par un radiateur couplé à un ventilateur. L'invention s'applique avantageusement aux véhicules automobiles électriques. Dans un moteur à combustion interne, les combustions répétées surchauffent les pièces en contact, comme par exemple les pistons, les cylindres, et les soupapes, et se diffusent sur l'ensemble des pièces mécaniques du moteur. Il faut donc les refroidir sous peine de destruction. Pour un bon fonctionnement, les moteurs à explosion ont ainsi besoin d'une température régulière et adaptée. Dans le cas d'un véhicule à propulsion électrique, il est également nécessaire de refroidir les différents éléments de la chaîne de traction. Il est connu d'utiliser un système de refroidissement comprenant une ou plusieurs pompes permettant de faire circuler un liquide de refroidissement à travers le moteur, ainsi qu'un radiateur, qui est un échangeur de température permettant de refroidir le liquide. Le radiateur est généralement couplé à un ventilateur. Le ventilateur est un appareil à pales entraîné par un moteur et utilisé pour forcer le passage de l'air extérieur dans le radiateur, en vue de lui faire absorber la chaleur du liquide de refroidissement du moteur. Il apparaît souhaitable de disposer d'un dispositif de refroidissement permettant d'optimiser le fonctionnement des pompes et du ventilateur, et permettant notamment de limiter l'usure de ces appareils et leur consommation en énergie. Il apparaît également souhaitable d'obtenir une bonne efficacité de refroidissement. Le dispositif selon l'invention permet d'atteindre ces objectifs. L'invention a ainsi pour objet un dispositif de refroidissement pour véhicule automobile, comprenant un circuit de refroidissement apte à refroidir un ensemble moteur à l'aide d'un liquide de refroidissement circulant dans un radiateur traversé par de l'air issu d'un ventilateur, et un système de commande apte à commander le débit d'air et le débit du liquide de refroidissement dans le radiateur. Dans le dispositif selon l'invention, le système de commande est apte à établir une commande globale de refroidissement en fonction de la température du liquide de refroidissement et d'une température de consigne, et il est apte à commander le débit d'air et le débit du liquide de refroidissement en fonction de la commande globale de refroidissement. Ainsi, la commande simultanée du débit d'air et du débit du liquide de refroidissement à partir d'une commande unique de refroidissement permet l'obtention d'un refroidissement simplifié et plus efficace. De préférence, le système de commande est apte à asservir la commande globale de refroidissement dans un système de régulation en boucle fermée en fonction de la température du liquide de refroidissement et de la température de consigne. Le système de commande est avantageusement apte à commander de manière continue la vitesse de rotation du ventilateur. Le système de commande peut être apte à commander le débit d'air en fonction de la vitesse du véhicule. Le véhicule automobile peut être un véhicule électrique et l'ensemble moteur peut comprendre un système électronique de pilotage. Le véhicule électrique peut comprendre un ensemble chargeur de 30 batterie et le circuit de refroidissement est avantageusement apte à refroidir l'ensemble chargeur et l'ensemble moteur. Le dispositif peut comprendre une première pompe apte à alimenter sélectivement en liquide de refroidissement l'ensemble moteur et une deuxième pompe apte à alimenter sélectivement en liquide de refroidissement l'ensemble chargeur. A cet effet, le dispositif peut comprendre une première vanne apte à empêcher un passage de liquide de refroidissement dans l'ensemble chargeur et une deuxième vanne apte à empêcher un passage de liquide de refroidissement dans l'ensemble moteur. Le dispositif peut également comprendre une restriction hydraulique permettant de maintenir un débit minimum de liquide de refroidissement dans l'ensemble moteur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre sous forme de schéma-blocs un dispositif de refroidissement selon l'invention, intégré à un véhicule électrique, - la figure 2 illustre sous forme de schéma-blocs une stratégie de commande du dispositif, - la figure 3 est une vue de détail d'un bloc de la figure 2, et - les figures 4 à 6 sont des diagrammes utiles à la compréhension de la stratégie de commande. Le dispositif de refroidissement 1, tel qu'illustré à la figure 1, comprend une première pompe électrique 2, une deuxième pompe électrique 3, un chargeur 4 de batterie, un ensemble moteur 5, un radiateur 6, ainsi qu'une première électrovanne 7 et une deuxième électrovanne 8. La première pompe électrique 2, la deuxième pompe électrique 3, la première électrovanne 7 et la deuxième électrovanne 8 sont reliées à un dispositif de commande 9. La première pompe électrique 2 est destinée à être utilisée lors du roulage du véhicule, tandis que la deuxième pompe électrique 3 est destinée à être utilisée lors de la recharge de la batterie. Le débit de la première pompe 2 et le débit de la deuxième pompe 3 peuvent être réglés à l'aide d'un signal de commande. Le chargeur 4 permet, lorsque le véhicule est à l'arrêt, de recharger la batterie électrique de traction, non représentée, à partir du réseau électrique domestique. La première électrovanne 7 permet de court-circuiter la deuxième pompe 3 et le chargeur 4, lors du roulage du véhicule, tandis que la deuxième électrovanne 8 permet de court-circuiter l'ensemble moteur 5 lors du chargement de la batterie, lorsqu'on estime que le refroidissement de l'ensemble moteur 5 n'est pas nécessaire. La deuxième électrovanne 8 peut être reliée à une restriction hydraulique 10 qui permet de réaliser une perte de charge, et de conserver ainsi un débit de liquide de refroidissement dans l'ensemble moteur 5, même lorsque la deuxième électrovanne 8 est passante. L'ensemble moteur 5 comprend un moteur 11 et un système électronique de pilotage 12 destiné notamment à transformer la tension 20 continue de la batterie en tension alternative. Le radiateur 6 permet de refroidir le liquide de refroidissement, de manière similaire au dispositif de refroidissement d'un moteur à combustion interne. Il est équipé d'un moto-ventilateur 13 muni de pales en rotation. La vitesse de rotation des pales du ventilateur 13 25 peut être réglée de manière continue entre une valeur nulle et une valeur maximale. Il est nécessaire de refroidir l'ensemble moteur 5 lors du roulage du véhicule, ainsi que le chargeur 4 lorsque le véhicule est à l'arrêt. La stratégie de refroidissement est gérée par le dispositif de commande 9. 30 Le dispositif de commande 9 est un calculateur qui est en liaison avec des capteurs du circuit de refroidissement, en particulier des capteurs de température du liquide de refroidissement. Le calculateur 9 pilote les pompes 2,3, les électrovannes 7,8, ainsi que le groupe moto-ventilateur 13 du radiateur 6. Le calculateur 9 est en outre avantageusement relié à d'autres calculateurs du véhicule, via par exemple un réseau de type bus CAN (Controller Area Network en langue anglaise), afin d'obtenir d'autres mesures nécessaires à la stratégie de refroidissement. La stratégie de commande du circuit de refroidissement peut être réalisée sous la forme de trois modules A,B,C, tel qu'illustré à la figure 2. Le module A concerne l'élaboration d'une commande globale de refroidissement. Le module B concerne la répartition de la commande globale de refroidissement entre la commande du débit de liquide de refroidissement dans le radiateur 6 et la commande de la vitesse de rotation du ventilateur 13. Le module C concerne quant à lui le choix de la pompe électrique 2,3. Le module A est chargé d'élaborer une commande globale de refroidissement selon l'état du véhicule (roulage ou recharge de la batterie à l'arrêt). Les entrées du module A sont : - la température T du liquide de refroidissement : elle peut être 20 obtenue à l'aide d'un ou plusieurs capteurs de température, - la température Text à l'extérieur du véhicule, et - la vitesse V du véhicule. Les entrées du module B sont : - la commande globale de refroidissement Cg issue du module A, 25 et - la vitesse V du véhicule. Les sorties du module B sont : - la commande Cä du ventilateur. Il s'agit d'un signal compris entre 0 et 100 et exprimant un pourcentage de la puissance maximale 30 du ventilateur, et - la commande du débit d'eau Dcom dans le radiateur. Les commandes C, et Dcom peuvent être obtenues à partir de cartographies de valeurs en fonction de la commande globale de refroidissement Cg. Les entrées du module C sont : - la commande de débit Dcom issue du module B, et - l'état E du véhicule : c'est un signal en provenance du calculateur central de la voiture qui vaut 1 si on est en mode recharge de la batterie du véhicule et qui vaut 0 si on est en mode roulage. Les sorties du module C sont : - la commande du débit Dcomi de la première pompe, utilisée en mode roulage. Il s'agit d'un signal compris entre 0 et 100 et exprimant le pourcentage du débit maximum pouvant être réalisé par la pompe, et - la commande du débit Dcom2 de la deuxième pompe, utilisée en mode recharge. Il s'agit d'un signal compris entre 0 et 100 et exprimant le pourcentage du débit maximum pouvant être réalisé par la pompe. De manière simple, on peut choisir de n'utiliser que la deuxième pompe si le signal de l'état du véhicule vaut 1 et de n'utiliser que la première pompe si le signal de l'état du véhicule vaut 0. Un mode de réalisation de l'élaboration de la commande globale de refroidissement est illustré en détail sur la figure 3. L'objectif est de faire varier automatiquement la commande globale de refroidissement entre 0 et 100 en fonction de la température du liquide de refroidissement. Tant que la température du liquide de refroidissement est inférieure à une température de consigne, la commande de débit reste à la valeur 0, c'est-à-dire que dans ce cas on n'a pas besoin de refroidissement. Dès que la température du liquide de refroidissement dépasse la température de consigne, la régulation se met en marche et la commande augmente progressivement de 0 jusqu'à la valeur maximale 100 qui correspond à un refroidissement maximal. La commande globale de refroidissement est obtenue par régulation en boucle fermée, la consigne considérée étant la température de consigne, et la boucle de réaction considérée étant la température mesurée du liquide de refroidissement. Cet objectif est atteint grâce aux blocs Al à A5 du module A. Le bloc Al élabore la valeur de consigne de température Tons du liquide de refroidissement en fonction de la température Text à l'extérieur du véhicule et de la vitesse V du véhicule. En effet, plus la vitesse V du véhicule est grande, et plus la capacité du radiateur à refroidir est grande, et donc plus il est possible d'augmenter la valeur de consigne de température Tcons• De la même façon, plus la température extérieure Text est froide, et plus l'efficacité du radiateur est grande et donc plus il est possible d'augmenter la valeur de consigne de température Tons. Le bloc Al réalise ainsi la valeur de consigne de température Tcons par interpolation linéaire à partir de cartographies. Le bloc A2 élabore ensuite un signal d'erreur AT qui est la différence entre la température de consigne Tcons et la température mesurée T. Le signal AT est envoyé au bloc A3 qui est un bloc correcteur PI (proportionnel-intégral), bien connu de l'homme du métier. On pourrait toutefois utiliser également un correcteur de type proportionnel ou un correcteur de type intégral. Les entrées du bloc A3 sont : - le signal d'erreur AT issu du bloc A2, - la commande globale de refroidissement Cg envoyée à l'instant d'échantillonnage précédent ; si la commande est saturée à la valeur 0 ou à la valeur 100, le correcteur en est informé et l'action intégrale est elle aussi saturée, - le gain proportionnel G du correcteur PI, par exemple 1%, - la constante de temps Ct intégrale du correcteur PI, par exemple 5s. La sortie du bloc A3 correspond à la valeur Cg souhaitée de refroidissement. Cette commande doit être saturée. Le bloc A4 réalise cette saturation, entre 0 et 100. Cette commande saturée est ensuite mémorisée par le bloc de retard A5 qui permet, à l'instant d'échantillonnage suivant, d'informer le correcteur PI d'une éventuelle saturation. On réussit ainsi à faire évoluer automatiquement la commande globale de refroidissement Cg entre les deux valeurs 0 et 100. La suite de la description est consacrée au module B. Ce module est chargé de répartir le besoin de refroidissement précédemment élaboré sur deux moyens d'action disponibles dans le circuit de refroidissement, soit en modifiant le débit d'eau dans le radiateur, soit en modifiant le débit d'air dans le radiateur. On souhaite de préférence respecter deux contraintes : - ne pas trop solliciter le ventilateur, et - avoir un débit minimum Dmin de liquide de refroidissement dans le circuit, même en l'absence de besoin de refroidissement. La figure 4 est un diagramme illustrant l'évolution de la commande Cä du débit d'air et de la commande du débit d'eau Dcom dans le radiateur, en fonction de la commande globale de refroidissement. La commande du débit d'eau varie linéairement entre un débit Dmin et un débit Dmax, par exemple entre 20% et 80%. Un débit minimal non nul permet d'éviter la formation de points chauds dans le circuit de refroidissement. Tant que la commande globale de refroidissement est inférieure à une valeur seuil, par exemple 25%, le ventilateur est arrêté. On préfère en effet utiliser la circulation du liquide de refroidissement pour de faibles besoins en refroidissement, afin de consommer moins d'énergie et d'éviter les problèmes acoustiques liés au fonctionnement du ventilateur. Lorsque la commande globale de refroidissement dépasse la valeur seuil, la vitesse de rotation du ventilateur évolue linéairement entre une vitesse nulle et la vitesse maximale du ventilateur. Dans une variante, on peut faire évoluer la commande du ventilateur suivant une allure non linéaire, par exemple avec une pente faible pour des valeurs basses de commande globale de refroidissement et une pente forte pour des valeurs de commande globale de refroidissement proches de 100%. On peut également envisager que la commande du ventilateur tienne compte de la vitesse du véhicule. En effet, l'utilisation du ventilateur n'a d'intérêt que si le flux d'air apporté par le ventilateur est supérieur au flux d'air apporté naturellement par la vitesse du véhicule. On peut ainsi diminuer la commande du ventilateur au fur et à mesure que la vitesse du véhicule augmente. La figure 5 illustre un exemple de commande C, du ventilateur en fonction de la vitesse du véhicule, pour une commande globale de refroidissement de 90%. On fait décroître linéairement la commande du ventilateur lorsque la vitesse du véhicule augmente. La commande du ventilateur prend une valeur égale à zéro pour les valeurs de vitesse du véhicule supérieures ou égales à une valeur seuil (ici 40 km/h), car le flux d'air dû au mouvement du véhicule est supérieur à celui que peut produire le ventilateur. La commande Dcom du débit de liquide de refroidissement reste quant à elle constante, quelle que soit la vitesse du véhicule. La figure 6 est un diagramme illustrant un mode de réalisation d'une stratégie de commande du dispositif de refroidissement en fonction du temps. En ordonnée sont représentées successivement, du haut vers le bas : - les pertes en W du système électrotechnique ; elle génèrent un échauffement au niveau de l'électronique de puissance et du moteur électrique, - la vitesse du véhicule, - la température de consigne du liquide de refroidissement et la température du liquide de refroidissement, et - la commande globale de refroidissement, la commande du débit du liquide de refroidissement et la commande du débit d'air. Les pertes et la vitesse du véhicule sont par exemple les suivantes : entre t=0 et t=2000 s, la vitesse du véhicule monte très rapidement à 40 km/h et reste constante à cette valeur. Les pertes montent progressivement jusqu'à 2kW puis restent constantes. Entre t=2000 s et t=4000 s, les pertes restent constantes puis diminuent jusqu'à devenir nulles, tandis que la vitesse du véhicule chute lentement de 40 km/h à 0 km/h. Enfin, entre t=4000 s et t= 7000 s, les pertes et la vitesse du véhicule restent nulles. En réponse à ces pertes et à cette vitesse du véhicule, entre t= 0 et t= 1100 s environ, la température T du liquide de refroidissement est en dessous de la consigne Tc. La commande globale Cg reste donc à 0. Entre t=1100 s et t=2000 s, la température T dépasse la consigne Tc. La commande globale Cg augmente ainsi jusqu'à 40% pour stabiliser la température T. Cette commande Cg se répartit essentiellement en commande Dcom de débit de liquide de refroidissement car la vitesse du véhicule est suffisante pour refroidir le système. Entre t=2000 s et t=4000 s, comme la vitesse du véhicule chute, la baisse de flux d'air est compensée progressivement par la commande Cä du ventilateur. Cette phase illustre le bon fonctionnement de l'invention. 10 Après t=4000 s, les pertes deviennent nulles. La température T de l'eau diminue ainsi progressivement. La commande globale Cg diminue également, ainsi que les commandes Dcom de débit de liquide de refroidissement et Cä du ventilateur. La stratégie de commande de refroidissement est ainsi particulièrement simple à mettre en oeuvre sur un calculateur. Elle est peu exigeante en temps de calcul et permet de réduire la consommation électrique. Bien que le dispositif décrit ci-dessus comprenne deux pompes, l'invention peut également concerner un dispositif comprenant une ou plus de deux pompes. Elle peut également s'appliquer à un moteur à essence équipé de pompes à eau électriques. REVENDICATIONS1. Dispositif de refroidissement (1) pour véhicule automobile, comprenant un circuit de refroidissement apte à refroidir un ensemble moteur (5) à l'aide d'un liquide de refroidissement circulant dans un radiateur (6) traversé par de l'air issu d'un ventilateur (13), et un système de commande (9) apte à commander le débit d'air et le débit du liquide de refroidissement dans le radiateur (6), caractérisé en ce que le système de commande (9) est apte à établir une commande globale de refroidissement en fonction de la température du liquide de refroidissement et d'une température de consigne, et en ce qu'il est apte à commander le débit d'air et le débit du liquide de refroidissement en fonction de la commande globale de refroidissement. 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de commande (9) est apte à asservir la commande globale de refroidissement dans un système de régulation en boucle fermée en fonction de la température du liquide de refroidissement et de la température de consigne. 3. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système de commande (9) est apte à commander de manière continue la vitesse de rotation du ventilateur (13). 4. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le système de commande (9) est apte à commander le débit d'air en fonction de la vitesse du véhicule. 5. Dispositif (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le véhicule automobile est un véhicule électrique et en ce que l'ensemble moteur (5) comprend un système électronique de pilotage. 6. Dispositif (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le véhicule électrique comprend un ensemble chargeur (4) de batterie, et en ce que le circuit de refroidissement est apte à refroidir l'ensemble chargeur (4) et l'ensemble moteur (5). 7. Dispositif (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une première pompe (2) apte à alimenter sélectivement en liquide de refroidissement l'ensemble moteur (5) et une deuxième pompe (3) apte à alimenter sélectivement en liquide de refroidissement l'ensemble chargeur (4). 8. Dispositif (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend une première vanne (7) apte à empêcher un passage de liquide de refroidissement dans l'ensemble chargeur (4) et une deuxième vanne (8) apte à empêcher un passage de liquide de refroidissement dans l'ensemble moteur (5). 9. Dispositif (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend une restriction hydraulique (10) permettant de maintenir un débit minimum de liquide de refroidissement dans l'ensemble moteur (5).