Brevet FR3092039A1 — publié le 20200731

Description Titre de l'invention : ENSEMBLE D'UN MOTEUR ELECTRIQUE ET D'UN SYSTEME D'ECHANGE DE CHALEUR A FLUIDE Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention concerne un ensemble d'un moteur électrique et d'un système d'échange de chaleur à fluide pour une utilisation du moteur électrique comme un élément du système d'échange de chaleur à fluide, notamment comme source de chaleur du système ou comme élément d'entraînement d'au moins une pompe de circulation de fluide du système d'échange de chaleur. [0002] Un tel ensemble se destine non limitativement à un véhicule automobile à mode unique de propulsion électrique ou à un véhicule hybride à propulsion électrique et thermique, le véhicule pouvant être propulsé simultanément ou en alternance par un moteur électrique et un moteur thermique, le véhicule hybride comportant un moteur électrique alimenté électriquement par une batterie rechargeable. Art antérieur [0003] Pour un moteur électrique de propulsion, associé ou non à un moteur thermique, il est prévu un système d'échange de chaleur à fluide caloporteur de refroidissement pour le refroidissement du moteur électrique par un noyau de fluide et pour le refroidissement d'éléments associés au moteur électrique comme la batterie de traction alimentant le moteur électrique et un onduleur en sortie de la batterie de traction. Un tel système d'échange de chaleur à fluide caloporteur comprend une ou des pompes à fluide caloporteur. [0004] Le document CN-A-102555776 concerne un système d'échange de chaleur à fluide caloporteur de refroidissement. Le système d'échange de chaleur comprend trois boucles. Une première boucle sert à refroidir un moteur et comprend une pompe à fluide de refroidissement du moteur et un radiateur. [0005] Une deuxième boucle sert à refroidir le moteur, un moteur d'entraînement et un convertisseur de fréquence comportant un radiateur, une pompe à fluide de refroidissement, un moteur d'entraînement, une unité de contrôle du moteur d'entraînement, un moteur auxiliaire et une unité de contrôle du moteur connectés en série. [0006] Une troisième boucle est utilisée pour le refroidissement d'un système alimenté par batterie et consiste en un radiateur, une première vanne, une deuxième vanne, une batterie de puissance et. ses éléments associés et une pompe à fluide à contre-courant. [0007] Le radiateur de la troisième boucle, la deuxième vanne, la batterie de puissance et la pompe à fluide à contre-courant sont connectés en série et les premières vannes sont reliées en parallèle aux deux extrémités de la pompe à eau à retour. 2 100081 Le procédé de commande décrit dans ce document comprend une utilisation suffisante de la capacité de refroidissement du radiateur, de la pompe à fluide et d'un ventilateur de refroidissement pour refroidir et contrôler un moteur intégré dans un véhicule automobile. [0009] Un tel système d'échange et un tel procédé de commande sont compliqués et il n'existe pas de synergie entre un moteur électrique et le système d'échange de chaleur. [0010] Une telle synergie existe dans un autre état de la technique concernant un ensemble d'un moteur électrique de traction et d'un système d'échange de chaleur à fluide caloporteur dans lequel une pompe à circulation de fluide est entraînée par l'arbre de transmission du moteur électrique en étant intégrée dans cet arbre. [0011] Ceci permet de supprimer une pompe à fluide électrique d'où un gain d'implantation et de coût. Cependant ceci n'est effectif que pendant un mode de propulsion électrique quand l'arbre de transmission est entraîné par le moteur électrique. Un tel entraînement de la pompe à fluide ne peut avoir lieu moteur à l'arrêt, par exemple pour refroidir une batterie de traction pour l'alimentation du moteur électrique quand cette batterie est en rechargement, notamment un rechargement dit rapide dégageant beaucoup de chaleur. [0012] Par conséquent, le problème à la base de la présente invention est, pour un ensemble comprenant une chaîne de traction d'un moteur électrique et un système d'échange de chaleur au moins pour le refroidissement du moteur électrique et de ses éléments associés, de réaliser des synergies entre la chaîne de traction électrique et le système d'échange de chaleur. Résumé de l'invention [0013] A cet effet, la présente invention concerne un procédé d'échange de chaleur par cir- culation d'un fluide caloporteur dans un système d'échange de chaleur à fluide caloporteur comprenant au moins une pompe de circulation de fluide avec une chaîne de traction comprenant un moteur électrique et une batterie de traction, dans lequel il est prédéterminé des modes de fonctionnement de la chaîne de traction dans lesquelles le moteur électrique remplit und fonction comme élément du système d'échange de chaleur à savoir être une source de chaleur permettant de chauffer le système d'échange par une dégradation du rendement électrique du moteur thermique, faire office de pompe à fluide caloporteur dans le système d'échange et être une source d'énergie cinétique dans le système d'échange. [0014] L'effet technique est une simplification du système d'échange de chaleur. Par exemple, il n'est plus nécessaire d'utiliser une pompe de circulation de fluide avec moteur électrique intégré, au moins une pompe de circulation de fluide étant entraînée directement par le moteur électrique. D'autre part, il est possible de conférer au moteur électrique la fonction de source de chaleur du système d'échange de chaleur, le fonc- 3 tionnement du moteur électrique étant dégradé pour dégager de la chaleur, cc qui est similaire à ce qui est fait pour un moteur thermique. [0015] Ceci entraîne aussi une diminution de coût et un encombrement moindre pour l'ensemble du système d'échange de chaleur et de chaîne de traction électrique. [0016] Dans le cas d'une pompe à fluide entraînée directement par le moteur électrique, il peut être ainsi garanti un débit dc fluide caloporteur très élevé pour les branches du système d'échange de chaleur, par exemple pour le circuit caloporteur de refroidissement de la batterie. [0017] Pour ordre d'idée, il est demandé un débit de plus de 40 litres par minutes à 50°C pour refroidir la batterie alors que l'état de l'art actuel ne permet que d'avoir 15 litres par minute avec des pompes électriques d'une puissance électrique de l'ordre de 40W à 60W. [0018] Il était donc à ce jour nécessaire d'installer plusieurs pompes à eau électriques de forte puissance, par exemple de 150W, pour garantir les débits de fluide caloporteur élevé demandé par de nouvelles situations de vie pour les pompes à forte puissance, de l'ordre de 350kW, cc qu'évite la mise en oeuvre de la présente invention car un tel débit élevé dc fluide caloporteur peut être garanti par la mise en oeuvre du procédé selon la présente invention. [0019] Avantageusement, un des modes de fonctionnement est un rechargement de la batterie de traction, le moteur électrique, alors à l'arrêt, étant débrayé d'une partie de la chaîne de traction et remis en marche en étant couplé à ladite au moins une pompe de circulation de fluide en entraînant la pompe pour une circulation de fluide vers la batterie de traction afin de refroidir la batterie de traction. [0020] Les avantages précédemment mentionnés sont ainsi obtenus. [0021] Avantageusement, le moteur électrique est aussi couplé avec un compresseur de cli- matisation d'une boucle de climatisation faisant partie du système d'échange de chaleur à fluide caloporteur, un couplage du moteur électrique avec le compresseur de climatisation se faisant simultanément à un couplage du moteur électrique avec ladite au moins une pompe de circulation de fluide. [0022] Avantageusement, le moteur électrique étant en marche, un des modes de fonc- tionnement est un mode dégradé de fonctionnement du moteur électrique afin d'augmenter une chaleur dégagée par le moteur électrique, le moteur électrique faisant office de source de chaleur du système d'échange de chaleur à fluide caloporteur. [0023] La disposition du système d'échange de chaleur et du moteur électrique est alors similaire à la disposition d'un système d'échange de chaleur avec un moteur thermique classique, ce qui n'avait jamais été envisagé jusqu'à présent. [0024] L'invention concerne un ensemble d'une chaîne de traction à moteur électrique et d'un système d'échange de chaleur à fluide caloporteur, la chaîne de traction comportant un embrayage et une batterie de traction pour une alimentation du moteur électrique, un carter moteur intégrant le moteur électrique, un arbre de transmission du couple en sortie du moteur électrique ainsi que des moyens de commande d'un fonctionnement de la chaîne de traction, le système d'échange de chaleur comprenant au moins une pompe à fluide caloporteur, un noyau de fluide caloporteur pour un refroidissement du moteur électrique disposé dans un intérieur de carter et une branche de circulation de fluide sous une action de ladite au moins une pompe pour un refroidissement de la batterie de traction, rensemble mettant en oeuvre un tel procédé, dans lequel, dans des conditions prédéterminées de fonctionnement de la chaîne de traction, le moteur électrique remplit une fonction comme élément du système d'échange de chaleur. [0025] Le moteur électrique est donc utilisé comme élément du système d'échange de chaleur, ce qui représente une économie de moyens. [0026] Par exemple, le moteur électrique peut faire office de source de chaleur permettant de chauffer les différents composants du circuit caloporteur par une dégradation du rendement électrique du moteur électrique provoquant une dissipation de chaleur par effet Joule. [0027] En alternative, le moteur électrique peut servir d'élément d'entraînement d'un ou de plusieurs pompes à fluide caloporteur ou pour l'entraînement d'un compresseur de climatisation. [0028] Avantageusement, quand la batterie de traction est en cours de rechargement et le moteur électrique est à l'arrêt, l'embrayage de la chaîne de traction découple le moteur électrique de la partie de la chaîne de traction se trouvant en aval de l'embrayage et des premiers moyens de couplage, positionnés en amont de l'embrayage sur la chaîne de traction, d'une première pompe à fluide avec le moteur électrique remis en marche par des moyens d'activation du moteur électrique pour un entraînement de la première pompe. [0029] 11 est ainsi obtenu une architecture du système d'échange thermique limitant le nombre de pompes à fluide en les remplaçant par au moins une pompe à fluide entraînée directement par le moteur électrique alors redémarré, donc à plus forte puissance qu'une pompe électrique classique intégrant son propre moteur. [0030] Pour cet entraînement, il peut être utilisé une façade d'entraînement par chaîne ou courroie, comme sur les moteurs thermiques à explosion ou des systèmes d'engrenage pour entraîner la ou les pompes à fluide. Ceci permet de réduire le nombre de composants, ce qui est crucial dans un environnement moteur étant très contraint. [0031] Avantageusement, les premiers moyens de couplage sont sous la forme d'un engrenage, d'une chaîne ou d'une courroie, d'un entraînement à rapport variable ou d'un couplage direct de la première pompe à fluide sur l'arbre de transmission en amont de l'embrayage avec intégration de la première pompe à fluide dans l'arbre de transmission. [0032] Avantageusement, la première pompe à fluide est logée dans le carter moteur. [0033] Avantageusement, des deuxièmes et/ou des troisièmes moyens de couplage, po- sitionnés en amont de l'embrayage sur la chaîne de traction, relient respectivement un compresseur de climatisation d'une boucle de climatisation et/ou une deuxième pompe à fluide au moteur électrique en parallèle des premiers moyens de couplage avec la première pompe. [0034] Avantageusement, les moyens de commande de la chaîne de traction imposent un mode dégradé de fonctionnement du moteur électrique alors en marche afin d'augmenter une chaleur dégagée par le moteur électrique, le moteur électrique faisant office de source de chaleur du système d'échange de chaleur à fluide caloporteur, le système d'échange de chaleur intégrant une boucle de climatisation incorporant un compresseur de climatisation, une boucle comprenant un radiateur et un boîtier de sortie de fluide en sortie du moteur électrique prélevant de la chaleur au moteur électrique en mode dégradé. Brève description des figures [0035] D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : [0036] [fig.1] - la figure 1 est une représentation schématique d'un ensemble d'une chaîne de traction d'un moteur électrique alimenté par une batterie de traction et d'un système d'échange de chaleur à fluide caloporteur comportant une pompe à fluide, le moteur électrique étant remis en marche lors d'un rechargement de la batterie pour entraîner la pompe conformément à un premier mode de réalisation du procédé selon la présente invention, [0037] [fig.2] - la figure 2 est une représentation schématique d'un ensemble d'une chaîne de traction d'un moteur électrique alimenté par une batterie de traction et d'un système d'échange de chaleur à fluide caloporteur comportant une pompe à fluide, le moteur électrique étant remis en marche lors d'un rechargement de la batterie pour entraîner, d'une part, la pompe et, d'autre part, un compresseur de climatisation conformément à un deuxième mode de réalisation du procédé selon la présente invention, [0038] [fig.3] - la figure 3 est une représentation schématique d'un ensemble d'une chaîne de traction d'un moteur électrique alimenté par une batterie de traction et d'un système 6 d'échange de chaleur à fluide caloporteur comportant une pompe à fluide, le moteur électrique étant remis en marche lors d'un rechargement de la batterie pour entraîner, d'une part, la pompe et, d'autre part, un compresseur de climatisation et/ou une deuxième pompe à fluide conformément à un troisième mode de réalisation du procédé selon la présente invention, [0039] [fig.4] - la figure 4 est une représentation schématique d'un ensemble d'une chaîne de traction d'un moteur électrique alimenté par une batterie de traction et d'un système d'échange de chaleur à fluide caloporteur comportant une pompe à fluide, le moteur électrique, alors en marche, étant mis en mode dégradé de fonctionnement en faisant office de source de chaleur pour le système d'échange de chaleur à fluide caloporteur conformément à un quatrième mode de réalisation du procédé selon la présente invention. [0040] Il est à garder à l'esprit que les figures sont données à titre d'exemples et ne sont pas limitatives de l'invention. Elles constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention. [0041] Dans ce qui va suivre, il est fait référence à toutes les figures prises en combinaison. Quand il est fait référence à une figure spécifique, cette figure est à prendre en combinaison avec les autres figures pour la reconnaissance des références numériques désignées. Description détaillée de l'invention [0042] En se référant aux figures 1 à 4, le système d'échange 1 de chaleur à fluide ca- loporteur peut présenter un noyau lb de fluide pour le refroidissement du moteur électrique 4 pour son ou ses rotors et son ou ses stators alimenté par du fluide lui parvenant par une branche 1 a de circulation de fluide. [0043[ Un tel noyau lb de fluide peut être d'un seul tenant ou comprendre de multiples sous-noyaux lb. Le système d'échange 1 comprend aussi un échangeur de chaleur pour le refroidissement de la batterie 5 de traction et, le cas échéant, un échangeur de chaleur pour le refroidissement de l'onduleur 6 alimenté par la branche 1 a de circulation de fluide en sortie du moteur électrique 4. Au moins une pompe 2 à fluide dans le système d'échange 1 permet une circulation de fluide dans le système par la branche la de circulation de fluide. [0044] Le système d'échange 1 de chaleur peut aussi comprendre un radiateur et présenter d'autres branches d'échange de chaleur que celle précédemment mentionnée refroidissant le moteur électrique 4 et la batterie 5 de traction. [0045] Selon le procédé de la présente invention, il est prédéterminé des modes de fonc- tionnement de la chaîne de traction 3 dans lesquelles le moteur électfique 4 remplit une 7 fonction comme élément du système d'échange 1 de chaleur. [0046] La fonction est de faire office de source de chaleur permettant de chauffer le système d'échange 1 par une dégradation du rendement électrique du moteur thermique, de faire office de pompe à fluide caloporteur dans le système d'échange 1 et faire office de source d'énergie cinétique dans le système d'échange 1. [0047] Plusieurs de ces modes vont être ci-après détaillés. [0048] En se référant aux figures 1 à 3, un premier des modes de fonctionnement dans lesquelles le moteur électrique 4 remplit une fonction comme élément du système d'échange 1 de chaleur peut être un rechargement de la batterie 5 de traction, avantageusement un rechargement rapide, par exemple d'une puissance supérieure à 150KW et dégageant de la chaleur par effet Joule. [0049] Le moteur électrique 4 est, dans cette condition de rechargement, à l'arrêt. Le moteur électrique 4 est alors débrayé par un embrayage 8 d'une partie 3h de la chaîne de traction 3 du et remis en marche en entraînant la partie complémentaire 3a de la chaîne de traction 3 de la partie 3h ayant été débrayée. [0050] Dans cette configuration, le moteur électrique 4 est alors couplé 9 à au moins une pompe 2 de circulation de fluide intégré dans le système d'échange 1 de chaleur. Le moteur électrique 4 entraîne la pompe 2 pour une circulation de fluide vers la batterie 5 de traction afin de refroidir la batterie 5 de traction. [0051] La figure 1 montre un ensemble d'une chaîne de traction 3 d'un moteur électrique 4 alimenté par une batterie 5 de traction et d'un système d'échange 1 de chaleur à fluide caloporteur comportant une pompe 2 à fluide. Le moteur électrique 4 est remis en marche lors d'un rechargement de la batterie 5 pour entraîner uniquement la pompe 2 de circulation de fluide conformément à un premier mode de réalisation du procédé selon la présente invention. [0052] La figure 2 reprend les caractéristiques de la figure 1 en prévoyant que le moteur électrique 4 entraîne en parallèle un compresseur de climatisation 11 d'une boucle de climatisation conformément à un deuxième mode de réalisation du procédé selon la présente invention, le système d'échange 1 de chaleur étant plus complexe à cette figure 2 que le système d'échange 1 de chaleur montré à la figure 1. [0053] Dans ce deuxième mode de réalisation, le moteur électrique 4 peut aussi être couplé avec le compresseur de climatisation 11 d'une boucle de climatisation faisant partie du système d'échange 1 de chaleur à fluide caloporteur. Un couplage 10 du moteur électrique 4 avec le compresseur de climatisation 11 peut se faire en parallèle à un couplage 9 du moteur électrique 4 avec la pompe 2 ou au moins une pompe 2 de circulation de fluide. [0054] La figure 3 reprend les caractéristiques de la figure 1 en prévoyant que le moteur électrique 4 entraîne en parallèle par un couplage 10 un compresseur de climatisation 8 11 d'une boucle de climatisation et aussi, par un couplage 9a, une pompe 2a de circulation auxiliaire d'une autre boucle d'échange thermique du système que celle associée au moteur électrique 4, conformément à un troisième mode de réalisation du procédé selon la présente invention, les couplages 9, 9a et 10 pouvant se faire en parallèle. [0055] La figure 4 montre un ensemble d'une chaîne de traction 3 d'un moteur électrique 4 alimenté par une batterie 5 de traction et d'un système d'échange 1 de chaleur à fluide caloporteur comportant une pompe 2 à fluide. Dans cette configuration conformément à un quatrième mode de réalisation du procédé selon la présente invention, le moteur électrique 4, alors en marche, peut être mis en mode dégradé de fonctionnement en faisant office de source de chaleur pour le système d'échange 1 de chaleur à fluide caloporteur. [0056] Dans cc quatrième mode de réalisation du procédé selon la présente invention, le moteur électrique 4 étant en marche, un des modes de fonctionnement peut être un mode dégradé de fonctionnement du moteur électrique 4 afin d'augmenter une chaleur dégagée par le moteur électrique 4. Le moteur électrique 4 peut alors faire office de source de chaleur du système d'échange 1 de chaleur à fluide caloporteur. [0057] Ainsi, pour les quatre modes de réalisation de l'invention, en se référant aux figures 1 à 4, l'invention concerne un ensemble d'une chaîne de traction 3 à moteur électrique 4 et d'un système d'échange 1 de chaleur à fluide caloporteur. [0058] La chaîne de traction 3 comporte un embrayage 8 la reliant au moteur électrique 4, une batterie 5 de traction pour une alimentation du moteur électrique 4, un carter 4a moteur intégrant le moteur électrique 4, un arbre de transmission 3a, 3b du couple en sortie du moteur électrique 4 ainsi que des moyens de commande d'un fonctionnement de la chaîne de traction 3, non montrés aux figures. [0059] Le système d'échange 1 de chaleur comprend au moins une pompe 2 à fluide ca- loporteur, un noyau lb de fluide caloporteur pour un refroidissement du moteur électrique 4 disposé dans un intérieur de carter 4a et une branche la de circulation de fluide sous une action de la ou d'au moins une pompe 2 pour un refroidissement de la batterie 5 de traction. [0060] L'ensemble met en oeuvre un procédé tel que précédemment décrit. Dans des conditions prédéterminées de fonctionnement de la chaîne de traction 3, le moteur électrique 4 remplit une fonction comme élément du système d'échange 1 de chaleur, soit par exemple comme élément d'entraînement de la pompe 2 ou d'au moins une pompe 2 de circulation de fluide du système d'échange 1 de chaleur ou soit comme source de chaleur pour le système d'échange 1 de chaleur. [0061] Dans les trois premiers modes de réalisation de l'invention, quand la batterie 5 de traction est en cours de rechargement et le moteur électrique 4 est à l'arrêt, la chaîne de 9 traction 3 comprend un embrayage 8 découplant le moteur électrique 4 de la partie 3h de la chaîne de traction 3 se trouvant en aval de l'embrayage 8. [0062] La chaîne de traction 3 peut comprendre des premiers moyens de couplage 9, po- sitionnés en amont de l'embrayage 8 sur la chaîne de traction 3 donc sur la partie 3a de l'arbre de transmission, d'une première pompe 2 à fluide avec le moteur électrique 4 alors remis en marche par des moyens d'activation du moteur électrique 4 pour un entraînement de la première pompe 2. Ceci correspond au mode de réalisation montré à la figure 1. [0063] Les premiers moyens de couplage 9 peuvent être sous la forme d'un engrenage, d'une chaîne ou une courroie ou d'un entraînement à rapport variable. En alternative, les premiers moyens de couplage 9 et la première pompe 2 à fluide peuvent être intégrés directement à l'arbre de transmission en amont de l'embrayage 8 avec intégration de la première pompe 2 à fluide dans l'arbre de transmission 3a, 3h dans sa partie la plus en amont 3a. [0064] Dans tous les cas de figure, la première pompe 2 à fluide peut être logée dans le carter 4a moteur. [0065] En se référant aux figures 2 et 3, pour les deuxièmes et troisième modes de réa- lisation de l'invention, des deuxièmes et/ou des troisièmes moyens de couplage 10, 9a, positionnés en amont de l'embrayage 8 sur la chaîne de traction 3 donc sur la partie amont 3a de l'arbre de transmission 3a, 3h, peuvent relier respectivement un compresseur de climatisation 11 d'une boucle de climatisation et/ou une deuxième pompe 2a à fluide au moteur électrique 4 en parallèle des premiers moyens de couplage 9 avec la première pompe 2, les premiers moyens de couplage 9 restant inchangés. [0066] Les deuxièmes et troisièmes moyens de couplage 9a, 10 peuvent être, comme les premiers moyens de couplage 9, sous la forme d'un engrenage, d'une chaîne ou d'un entraînement à rapport variable. [0067] Comme non montré aux figures, il est alors possible d'avoir des moyens de couplage pouvant relier une pompe 2a auxiliaire à fluide, précédemment mentionnée en tant que deuxième pompe 2a, au moteur électrique 4 en parallèle des premiers moyens de couplage 9 avec la première pompe 2, ceci sans moyens de couplage avec un compresseur de climatisation 11 au moteur électrique 4. Cette pompe 2a auxiliaire peut faire partie d'une boucle différente de la boucle formée par la branche la de circulation de fluide. [0068] Dans un quatrième mode de réalisation de la présente invention, les moyens de commande de la chaîne de traction 3 peuvent imposer un mode dégradé de fonctionnement du moteur électrique 4 alors en marche afin d'augmenter une chaleur dégagée par le moteur électrique 4. [0069] Le moteur électrique 4 peut faire alors office de source de chaleur du système 10 d'échange 1 de chaleur à fluide caloporteur, le système d'échange 1 de chaleur intégrant une boucle de climatisation, une boucle comprenant un radiateur 12 et un boîtier de sortie 13 de fluide en sortie du moteur électrique 4 prélevant de la chaleur au moteur électrique 4 en mode dégradé, ceci en complète analogie avec un système d'échange de chaleur associé à un moteur thermique. [0070] La batterie 5 est rechargée par un chargeur 14 et comporte un onduleur 6 à sa sortie interposé entre la batterie 5 et le moteur électrique 4. Une vanne de connexion 15 peut fermer un circuit de refroidissement de la batterie 5, du chargeur 14 et de l'onduleur du reste du système d'échange de chaleur 1. [0071] L'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples. 11 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5]