Brevet FR2958340A1 — publié le 20111007

PROCEDE DE DETERMINATION DE LA P SSANCE'D`UNiMOTEUR ELECT QUE:' N COMPRESSEUR HYBRIDE La présente invention concerne un procédé de détermination de la puissance d'un moteur électrique d'un compresseur hybride d'un circuit de climatisation d'un véhicule automobile à moteur thermique, L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le ! domaine dei climatisation des véhicules automobiles à moteur thermique équipés d'un système d'arrêt redémarrage automatiques, tel que les systèmes aptes à mettre en oeuvre la fonction connue sous le terme angle-saxon de « Stop and ad ». La fonction « Stop and Start » consiste, sous certaines conditions, à S provoquer automatiquement l'arrêt complet du moteur thermique lorsque + véhicule est lui-même à l'arrêt, puis à redémarrer automatiquement le moteur thermique à la suite, par exemple, d'une action du conducteur interprétée comme une demande de redémarrage. Une situation typique de mise en oeuvre de la fonction « Stop and Start » est celle de l'arrêt à un feu rouge. Lorsque le véhicule s'arrête au feu, le mode « 0p » de la fonction « Stop and Start » provoque l'arrêt automatique moteur thermique, le véhicule entre alors flans: made « Start » qui permet au moteur thermique de redémarrer automatiquement sans qu'il soit nécessaire d'utiliser le moyen de démarrage initial du moteur, 20 comme une clé de contact par exemple. Quand le feu devient vert, le mode « Start » redémarre automatiquement le moteur, notamment au moyen d'un alterno-démarreur, à la suite de la détection par le système de pilotage au démarrage du véhicule de l'enfoncement par le conducteur de la pédale d'embrayage, de la pédale d'accélérateur, ou encore de toute autre action 25 pouvant interprétée commet volonté du conducteur de redémarrer son véhicule. On comprend l'intérêt de la fonction « Stop and Start » en termes d'économie d'énergie et de réduction de la pollution, surtout en milieu urbain, Par ailleurs, on sait qu'un circuit de climatisation d'un véhicule à moteur thermique comporte un compresseur de fluide réfrigérant qui est entraîné par l'arbre du vilebrequin du moteur thermique par l'intermédiaire d'une courroie et d'une poulie reliée mécaniquement à l'axe du compresseur. En d'autres termes, le circuit de climatisation du véhicule ne peut fonctionner que si le moteur thermique entraîne le compresseur. Par conséquent, lors des phases d'interruption d'entraînement du compresseur par le moteur thermique, notamment les phases d'arrêt du véhicule dans le contexte de la fonction « Stop and Sad », le compresseur n'est plus entraîné par le moteur thermique la et la climatisation cesse de fonctionner. Il en résulte qu'au cours de ces phases d'arrêt la température de consigne à l'intérieur de l'habitacle ne peut être maintenue, ce qui peut provoquer un sentiment d'inconfort chez les passagers du véhicule. Pour assurer le maintien de la température dans l'habitacle durant les 15 phases d'arrêt d'entraînement du compresseur par le moteur thermique, il est proposé de remplacer, par exemple, le compresseur usuel entraîné par le moteur thermique du véhicule par un compresseur hybride constitué de deux chambres de compression séparées, constituant, d'une part, un compresseur dit mécanique dont l'axe est entraîné par le moteur thermique de la même 20 manière que le compresseur usuel et, d'autre part, un compresseur dit électrique dont l'axe est entraîné par un moteur électrique auxiliaire. Les axes de deux chambres de compression sont indépendants. Lorsque le moteur thermique tourne, hors des phases d'arrêt déterminées par la fonction « Stop and Start », le fluide réfrigérant circule 25 dans le circuit de climatisation à travers le compresseur mécanique entraîné par l'arbre du vilebrequin du moteur thermique, tandis que le compresseur électrique est coupé. Inversement, durant les phases d'arrêt de la fonction « Stop and Start », le fluide réfrigérant est dirigé vers le compresseur électrique, lequel est alors entraîné par le moteur électrique, Ainsi, grâce au 3o compresseur électrique, on réalise la continuité de fonctionnement du circuit de climatisation et le maintien de la température de confort dans l'habitacle lorsque le moteur thermique est à l'arrêt. 2958340 Il faut cependant remarquer que durant les phases d'arrêt du circuit de climatisation, notamment les phases d%RA )u moteur thermique imposées par la fonction « op and Start l'habitacle est en général déjà conditionné dans des conditions de confort, de sorte que la puissance frigorifique à fournir > par le moteur électrique pour maintenir ces conditions pendant une durée limitée à quelques dizaines de secondes est inférieure, au moins d'un facteur 2 à 3, à la puissance que doit fournir le moteur thermique. On {eut donc utiliser pour le compresseur électrique une chambre de compression de cylindrée réduite. q Dans ce contexte de réduction de cylindrée, il est également proposé un Compresseur hybride comprenant une seule chambre de compression à Cylindrée variable comportant un axe de compression apte à être entraîné soit par le moteur thermique, dades conditions normales de fonctionnement du circuit de climatisation, par le moteur électrique lors de phases !4 d'interruption d'entraînement du compresseur par le moteur thermique, notamment les phases e arrêt moteur thermique déterminées par la fonction « Stop and Start ». La cylindrée de a chambre de compression est alors prévue pour pouvoir varier dans un domaine de variation présentant un intervalle supérieur de cylindrées dans lequel la chambre de compression est 20 entraînée par le moteur therqui un ierk+| inféricylindrées dans lequel la chambre de compression esentraînée par le moteur électrique. Le fonctionnement d'un circuit de climatisation d'un véhicule automobile comprend habituellement une première phase dite de descente en température (connue également sous le terme anglo-saxon de « cool-clown ») 24 qui se produit au démarrage du véhicule après que ce dernier stresté à l'arrêt penda une durée suffisamment longue pour que la température à l'intérieur de l'habitacle dépasse la température de confort recherchée par les occupants du véhicule, autour de 18CC par exemple. Durant cette phase de descente en température, la puissance thermique à fournir pour atteindre la 30 température de confort est relativement élevée, de l'ordre de 6 kW lorsque le véhicule a été exposé à une température de 25 à 45 `C sous un ensoleillement de 1000 W.m7 une humidité relative de: 0 à 60%, Au niveau du circuit de climatisation proprement dit les conditions de descente en température sont définies de manière à ce que, lorsque la température de confort est atteinte, l' vapor eur du circuit se trouve àune température consigne comprise entre 4 et 2°C, température qui garantit au 3 mieux l'é[m+ ion dune grande partie del'humidité contenue dans lir pulsé à l'intérieur de l'habitacle, que la limitation du développement des bactéries responsables des mauvaises odeurs pouvant être ressenties dans l'habitacle. Toutefois, une température maximale sur l'évaporeur située entre 12e 16'''C reste admissible, car ce n'equ'au-delà de cte mpéra re,dite S seuil d'inconfort de climatisation, que les occupants du véhiculé perçoivent les désagréments liés à l'humidité et aux bactéries, A la première phase de descente en température succède une deuxième phase: e maintien de la température de confort, caractérisée par une puissance thermique à fournir sensiblement moindre, de l'ordre de 3 kW, 15 que celle d'environ 6 kW qui fut nécessaire pour amener l'habitacle à la température de confort. En régime normal d'entraînement du compresseur, /e le moteur thermique qui assure le maintien de la température de l'habitacle à Ü température de confort. 20 Lors des phases d'interruption de l'eRai eme du compresseur par le moteur theRp\U conformément au principe du compresseur hybride, c'est au moteur électrique que revient la charge d'assurer le maintien des conditions de confort dans l'habitacle. Dans ce cas, la puissance électrique à fournir au moteur électrique pour une puissance thermique de maintien de 3 25 kW est de 1500 W environ. Si, pour des véhicules hybrides des segments « Mild Hybrid » e« Full Hybrid » équipés de réseaux de courant continu haute tension (6 0 à 150 V pour les véhicules « Mild Hybrid », 500 à 600 V pour les véhicules « Full Hybrid »), fournir une puissance de 1500 W au moteur électrique du 30 compresseur hybride ne pose pas de problème, il en va autrement pour les véhicules du segment « Micro Hybrid », éqpés d'un moteur thermique et d'un a m démarreur pour la mise en oeuvre de la fonction « Stop and ait», ces véhicules ne disposant que d'un réseau basse tension de 12 V. L'intensité de courant demandée est alors trop élevée et la puissance de maintien requise ne peut être fournie au moteur électrique par le réseau de bord. Dans ces conditions, il n'est pas possible de garantir le même niveau de confort pendant les phases d'interruption d'entraînement du compresseur par le moteur thermique que lors des phases de maintien de la température de confort par le moteur thermique. Aussi, un but de l'invention est de proposer un procédé de détermination de la puissance d'un moteur électrique destiné à entraîner un compresseur hybride d'un circuit de climatisation d'un véhicule automobile à 10 moteur thermique pendant des phases d'interruption d'entraînement du compresseur hybride par le moteur thermique, qui permettrait néanmoins de pouvoir maintenir dans l'habitacle du véhicule un niveau de confort suffisant pendant les phases d'interruption d'entraînement par le moteur thermique, ceci même dans le contexte des véhicules du segment « Micro Hybrid » OÙ l'on ne dispose que d'un réseau basse tension pour alimenter le moteur électrique du compresseur hybride. Ce but est atteint, conformément à l'invention, du fait que ledit procédé comprend des étapes consistant à : définir une température maximale mesurée en un point dudit circuit de 20 climatisation, fixer une durée de référence pour les phases d'interruption d'entraînement du compresseur hybride par le moteur thermique, - déterminer la puissance du moteur électrique de manière qu'à l'issue de ladite durée de référence, la température mesurée audit point du circuit de 25 climatisation est au plus égale à ladite température maximale. En pratique, l'invention prévoit que ladite température maximale est mesurée à l'évaporateur du circuit de climatisation, et que ladite température maximale est le seuil d'inconfort de climatisation. La durée de référence est définie comme une durée compatible avec 30 les durées généralement observées pour les phases d'interruption de l'entraînement par le moteur thermique. Cette durée de référence peut être par exemple de 35 s. On comprend ainsi que b puissance du moteur électrique déterminée conformément au procédé selonl'invention peut être rendue sensiblement plus faible que celle qui serait nécessaire pour maintenir température de l'évaporateur à b température de consigne de 4 à 8CC,dont on a vu qu'elle & était de l'ordre de 1500 W. En effet, si, dale cadre de l'invention, On admet par exempque la température mesurée sur l'évaporateur puisse atteindre te seuil d'inconfort de climatisation de 12 à 1600 à l'issue de la durée de référence de 35 s, il suffit alors d'utiliser un moteur électrique dune puissance plus faible, de 500 à 800 W, susce3 e d'être alimenté directement par le l0 réseau bassetension 12 V du véhicule. Selon l'invention, le rapport de la puissance du moteur électrique à la puissance nécessaire au moteur élerique pour maintenir la température audit point du circuit de climatisation égale à ladite température au début d'une phase d'interruption d'entraînement partmoteur thermique est compris !s entre 0,2 0,8, Plus spécialement, ledit rapport est compris entre 0,3 0,55. Dans une première application du procédé selon l'invention, ladite interruption d'entraînement est un arrêt du moteur thermique. En particulier, ledit arrêt moteur thermique est un arrêt automatique om ique d erminé par ure fonction d'arrêt de redémarrage automatiques dumoteur thermique du 20 véhicule(« pp and Start Dans une deuxième application du procédé selon l'invention, ladite interruption d'entraînement est un découplage du moteur thermique du compresseur hybride déterminé par une demande d'accélération du véhicule, La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à 25 titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peur r réalisée. La figure 1 est un schéma d'un circuit de climatisation comprenant un compresseur hybride à deux chambres de compression. La figure 2 est un schéma d'un circuit de climatisation comprenant un 30 compresseur hybride à une seule chambre de compression, La figure 3 est un diagramme montrant l'évolution de la température de l'évaporateur d'un circuit de climatisation à compresseur hybride pour différentes phases de fonctionnement du compresseur. Sur la figure 1 est représenté un circuit de climatisation classique d'un véhicule automobile $ moteur therm u comprenant un compresseur 10 d'un fluide réfrigérant qui peut être un fluide organique, inorganique ou eutectique. On peut citer comme exemples non limitatifs le dioxyde de carbone CO2 supercritique, les réfrigérants connus sous les références R134A, 1234yf ou encore le GAR ( Global Alternative R rigera »). En aval du compresseur 10, le fluide réfrigérant sous pression traverse un échangeur 11 de chaleur appelé « refroidisseur de gaz » Gas C00mr»} pour le dioxyde de carbone ou « condenseur » pour le R134A car, dans ce cas, le réfrigérant initialement l) en phaee gazeuse sort du condenseur sous forme liquide. Dans l'exemple de la figure 1, l'échangeur peut être un échangeur à eau, ou un échangeur à air refroidi directement par rair extérieur. Le fluide réfrigérant est ensuite conduit vers un détendeur 12 afin qu'il soit refroidi avant de pénétrer dans l'évaporateur 13 où se produit alors un échange de chaleur ere le réfrigérant refroidi de l'air pulsé en direction de l'habitacle du véhicule. Le fluide réfrigérant> réchauffé en sortie de l'évaporateur 1est alors retourné au compresseur 10 pour effectuer effectnouveau cycle thermique. Comme on peul voir sur la figure 1, compresseur 10 de la figure 1 20 est un compresseur hybride du type à deux chambres de compression séparées, à savoir, d'une part, une première chambre 101 comportant un premier axe 111 de compression apte à être entraîné par l'arbre du vilebrequin du metteur thermique (non rsem du véhicule via une courroie et une poulie 30 reliée mécaniquement à l'axe 111 par l'intermédiaire d'un 2! embrayage 31 et, d'autre part, une deuxième chambre 102 comportant un deuxième axe 112 de compression, indépendant du premier axe 111, apte à être entraîné par un moteur électrique 20. En fonctionnement nominal du circuit de climatisation, l'axe 111 de la première chambre 101 de compression est entraîné par le moteur thermique, la poulie 30 étant couplée à l'axe 111 par l'embrayage 31. Le fluide réfrigérant circule alors travers la première chambre 101 dont la cylindrée, del' l'ordre de 100 ce est choisie de manière à permettre au compresseur hybride â0 d'assurer un niveau de confort optimal à l'intérieur de l'habitacle du véhicule, quels que soient a température extérieure, l'ensoleillement et le degré d'humidité relative. Cependant, il peut se produire, dans certaines circonstances, que le compresseur 10 de climatisation ne soit plus entraîné par le moteur thermique du véhicule et que, par conséquent, le circuit de climatisation cesse de fonctionner et ne peut plus garantir le maintien de la température de confort à l'intérieur de l'habitacle. C'est le cas notamment lors des phases d'arrêt du moteur thermique déterminées par un système d'arrêt et de redémarrage automatiques du moteur thermique apte à mettre en œuvre la fonction « Stop ifs and Start » des véhicules équipés de cette fonction. Afin d'assurer la continuité de climatisation dans l'habitacle, la circulation de fluide réfrigérant est commuté de la première chambre 101 à la deuxième chambre 102 par un dispositif de vannes interne au compresseur hybride 10, puis le moteur électrique 20 est démarré de manière à entraîner le 15 deuxième axe 112 de compression et maintenir le circuit de climatisation en fonctionnement durant ces phases d'arrêt. Lorsque le moteur électrique 20 prend le relais du moteur thermique alors à l'arrêt, l'habitacle du véhicule est en principe déjà porté à la température de confort, de sorte que, compte tenu que la durée des phases 20 d'arrêt est généralement limitée à quelques dizaines de secondes, la puissance frigorifique à fournir par le moteur électrique 20 est relativement faible. Par conséquent, la cylindrée de la deuxième chambre 102 de compression peut être limitée, par rapport à la cylindrée de la première 25 chambre 101, à des valeurs voisines de 20 cm3 par exemple. Sur la figure 2 est représenté un autre type de compresseur hybride 10' comprenant une chambre 100 de compression à cylindrée variable dont l'axe 110 peut être entraîné, soit par le moteur électrique 20, soit par l'arbre du vilebrequin du moteur thermique (non représenté) du véhicule via une courroie 3a et la poulie 30 apte à être reliée mécaniquement à l'axe 110 par l'intermédiaire de l'embrayage 31. Il faut souligner ici que cette architecture de compresseur de climatisation hybride se distingue du compresseur de la figure 1 par le fait qu'elle ne met en oeuvre qu'une seule chambre de compression et un axe unique pouvant être indifféremment entraîné par le moteur thermique ou par le moteur électrique, au heu de deux chambres de compression séparées d'axes indépendants. En fonctionnement nominal, l'axe 11 0 de la chambre 100 de compression est entraîné par le moteur thermique, la poulie 30 étant couplée à l'axe 110 par l'embrayage 31. La cylindrée de la chambre de compression est alors choisie dans un intervalle supérieur de valeurs proches de la cylindrée maximale, par exemple compris entre 90 et 110 cm'. Dans ces Io conditions, le compresseur hybride 10' est capable d'assurer un niveau de confort optimal à l'intérieur de l'habitacle du véhicule, quels que soient la température extérieure, l'ensoleillement et le degré d'humidité relative. Comme pour le compresseur hybride 10 à deux chambres de la figure 1, lors des phases d'arrêt du moteur thermique déterminées par une fonction 1 d'arrêt et de redémarrage automatiques du type « Stop and Start », le compresseur 10' de climatisation n'est plus entraîné par le moteur thermique du véhicule. Le circuit de climatisation cesse alors de fonctionner et ne garantit plus le maintien de la température de confort à l'intérieur de l'habitacle. so Dans ces conditions, le moteur électrique 20 est mis en fonctionnement afin d'entraîner à son tour l'axe 110 de compression et assurer la continuité de climatisation En d'autres termes, on peut considérer que le moteur électrique 20 se substitue alors au moteur thermique dans sa fonction d'entraînement de la chambre 100 de compression. Bien entendu, le moteur thermique est, de 25 préférence, débrayé de l'axe 110 de compression. On a déjà mentionné plus haut que la puissance frigorifique à fournir par le moteur électrique 20 en fonctionnement est relativement faible et que, par conséquent, la cylindrée de la chambre 100 de compression peut être ramenée, par rapport aux conditions de fonctionnement nominal, à des 30 valeurs comprises dans un intervalle inférieur de cylindrées voisines de la cylindrée minimale, par exemple entre 20 et 40 cm3. Bien entendu, les intervalles supérieur et inférieur de cylindrées peuvent être réduits simplement aux seules cylindrées Maximale et minimale. I0 La chambre 110 de compression commute alors de façon binaire entre ces deux cylindrées selon que le moteur eraînant de lxe de la chambre est le moteur thermique ou le moteur électrique. Sur la figure on a représenté trois phases typiques de l'évolution de la température mesurée sur l'évaporateur 13 d'un circuit de climatisation comprenant un compresseur hybride, que ce soit le compresseur 10 à deux chambres de la figure ) ou le compresseur 101à chambre unique de la figure 2958340 La première phase est phase de descente en température (ou « CbG- ! clown 9)q a lieu généralement au démarrage du véhicule lorsque te dernier est resté suffisamment longtemps à l'arrêt pour que la température de l'évaporateur 13 à l'intérieur de l'habitacle atteigne des valeurs Text relativement élevées, de 25 5 45°C,supérieures à ta température de confort généralement située autour de 1C. 15 Cette phase de descente en température est réalisée au moyen du moteur thermique du véhicule par era eme de la première chambre 101 du compresseur hybride 10 de la figure â ou de la chambre unique 100 du compresseur hybride ]Æ de la figure la cylindrée de la chambre 100 étant choisie dans l'intervalle supérieur de cylindrées. 20 Le paramétrage du circuit de climatisation est défini de sorte que température de confort dans l'habitacle puisse être atteinte pour des valeurs de la température Tma de consigne de l'évaporateur 13 comprises entre 4 et 8°C, afin d'éliminer l'humidité de l'air introduit dans [habitacle éviter les mauvaises odeurs développées par certaines bactéries. La température 25 maximale Ax admissible sur l'évaporateur 13 est prise égale au seuil d'inconfort de climatisation compris entre 12 16°C environ, au-delà duquel les odeurs produites par les bactéries deviennent désaéables aux occupants du véhicule. Comme on l'a vu plus haut, la phase de descente en température 30 nécessite la production part m eur thermique dyne puissance thermique de l'ordre de 6 kW. U Lorsque la température de l'évaporateur13 a atteint la valeur Tcor,s de consigne souhaitée, circuit de climatisation entre dans une deuxième phase dite de maintien de la température de confort. Dans des conditions normales de fonctionnement, cette phase de maintien est assurée par le moteur thermique. Bien entendu, la puissance thermique à fournir est plus faible que lors de la phase de descente en température, 3 kW environ au lieu de 6 kW. Par contre, lors des phases d'arrêt el'entraînement du compresseur part moteur thermique, notamment les phases d'arrêt déterminées par la io fonction « Stop and Start » ou de découplage du moteur du compresseur suite à une demande d'accélération du véhicule, c'est le moteur électrique 20 q% doit assurer le maintien du confort dans le véhicule. Pour fournir la puissance thermique de 3 kW requise, une puissance électrique W0 de 1500 W environ est nécessaire. Or, on a expliqué plus haut qu'une telle puissance électrique es difficile à fournir pour les véhicules « Micro Hybrid » à moteur thermique et alternodémarreurgui ne disposent que d'un réseau électrique basse tension de 12 V. Aussi, l'invention propose un procédé pour déterminer une puissance du moteur électrique 20 qui serait compÜ|e avec un réseau de bord de 12 V, 20 mais qui garantirait néanmoins aux occupants du véhicule une sensation de confort suffisant pendant la durée, généralement courte, des phases d'arrêt Comme l'indique la figure 3, après avoir défini la température maximale Tr » à ne pas dépasser en un pis du circuit de climatisation, ici une 25 température da 12 à 16°'C mesurée sur l'évaporeur13 du circuit, on fixe une durée tref de référence pour les phases «interruption d'entraînement par le moteur thermiqu Cette durée treêtre déterminée par la moyenne des durées observées pour les phases d'interruption, par exem35 Puis la puissance électrique W =du m eur électrique 20 est définie manière qu'a l'issue de la durée te de référence, la température mesurée sur l'évaporateur l'évasoit au plus égale à a température maximale Tm ç Dans l'exempee montré sur la figure 3, la température de l'évaporateur est prise égale à la température T m» Dans ces conditions, la puissance électrique e~ea peut être ramenée à des valeurs comprises par exemple entre 500 et 800 W, compatibles avec la tension de 12 V du réseau de bord basse tension des véhicules du segment visé, tout en évitant l'émanation de mauvaises odeurs qui pourraient se s produire à des températures plus élevées. D'une manière générale, pour une valeur de 1500 W de la puissance électrique Wo à fournir pour maintenir l'évaporateur 13 à la température Tcons de consigne, la puissance déterminée par le procédé de l'invention est dans un rapport de 0,2 à 0,8, et, de préférence, entre 0,3 et 0,55. Il faut aussi signaler que le procédé conforme à l'invention de détermination de la puissance du moteur électrique d'un compresseur hybride s'applique également aux véhicules « Mild » et « Full Hybrid » puisque même pour ces véhicules une diminution de l'énergie électrique à fournir par le réseau de bord constitue un avantage qui ne peut être négligé.