Brevet FR3101030A1 — publié le 20210326

L’invention concerne, d’une part, un dispositif de conditionnement thermique d’une batterie (B) à haut voltage pour le démarrage à froid du moteur électrique d’un véhicule hybride équipé d’un moteur thermique, d’une turbine (1), d’au moins un compresseur (2, 2a, 3), d’un échappement catalytique (E) pourvu de moyens de chauffage (C) et d’une batterie standard, caractérisé en ce que ledit compresseur est actionné électriquement au moyen de ladite batterie standard et est associé à une vanne trois voies (20) montée sur un piquage situé entre ledit compresseur (2, 2a, 3) et le moteur (M) et raccordée via une conduite d’air (21) aux moyens de chauffage (C) de l’échappement catalytique (E) qui sont eux-mêmes raccordés, via une conduite (22), à un échangeur thermique (10) destiné à réchauffer la batterie (B) à haut voltage et, d’autre part, un procédé de conditionnement thermique de la batterie à haut-voltage au moyen dudit dispositif. Figure de l’abrégé : Fig. 1A Dispositif de conditionnement thermique des batteries à haut voltage pour véhicules hybrides L’invention s’applique au domaine de l’alimentation électrique des moteurs des véhicules hybrides. Plus particulièrement, l’invention concerne un dispositif et un procédé de conditionnement thermique des batteries à haut-voltage utilisées pour l’alimentation des moteurs électriques des véhicules hybrides et, notamment, des véhicules hybrides rechargeables. Un véhicule hybride est équipé d’au moins deux groupes de motorisation différents comprenant, respectivement, un moteur thermique et au moins un moteur électrique. Il existe aussi aujourd’hui des véhicules hybrides rechargeables ( Plug-in- Hybrid -Electric Vehicle ou PHEV) qui disposent, notamment, d’une batterie spécifique dédiée essentiellement à la motorisation électrique. Cette batterie à haut voltage (de tension de fonctionnement comprise entre 300V et 500V et dont la puissance est généralement comprise entre 90 kW et 100 kW) se recharge lorsque le véhicule roule par récupération de l’énergie de décélération ou lorsque le véhicule est à l’arrêt par un branchement sur le secteur. Ce type de véhicule est capable de fonctionner en mode tout électrique indépendamment du moteur thermique et permet de concilier les avantages d’un véhicule électrique pour de courts trajets et d’un véhicule thermique pour les plus longues distances. Toutefois, le démarrage à froid de ces véhicules hybrides est problématique, en particulier, en présence de basses températures. En effet, dans de telles conditions climatiques, le véhicule ne peut pas démarrer en mode électrique malgré une pleine charge de la batterie parce que sa température ne lui permet pas de fournir l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement du moteur électrique. Il en résulte que le véhicule va devoir démarrer et rouler en utilisant son moteur thermique jusqu’à ce que la température de la batterie du moteur électrique se réchauffe, ce qui est pénalisant pour les performances du véhicule et entraîne des nuisances pour l’environnement (pollution). Il est connu de réchauffer des batteries électriques de véhicules automobiles au moyen d’un dispositif tel que celui décrit dans le US10005450B2. Cependant, ce dispositif qui utilise les calories des gaz d’échappement nécessite donc que le moteur thermique soit en fonction. Par conséquent, ce dispositif n’est pas adapté au chauffage de la batterie à haut-voltage du moteur électrique d’un véhicule hybride dans lequel le moteur thermique doit rester à l’arrêt pour le démarrage. Par ailleurs, dans certains véhicules hybrides, la motorisation est équipée d’un compresseur, d’une turbine et le moteur thermique est pourvu d’un échappement catalytique. Cet échappement catalytique est souvent muni de moyens de chauffage électriques (« Electrical H eated C atalyst » ou EHC) alimentés par une batterie standard et classique de 12V (dite SLI pour « Start- Lighting -Ignition ») équipant habituellement tous les véhicules automobiles y compris les véhicules hybrides. Dans ce contexte, l’invention propose de résoudre le problème de l’inactivation à froid de la batterie à haut voltage du moteur électrique en la réchauffant grâce aux équipements traditionnels du moteur thermique et en utilisant une combinaison entre un compresseur et une turbine, au moins l’un d’entre eux étant alimenté électriquement (e-turbine ou e-compresseur) et les moyens de chauffage du système d’échappement catalytique. Ce but est atteint au moyen d’un dispositif de conditionnement thermique d’une batterie à haut voltage pour le démarrage à froid du moteur électrique d’un véhicule hybride, ledit véhicule étant équipé d’un moteur thermique, d’une turbine, d’au moins un compresseur, d’un échappement catalytique pourvu de moyens de chauffage et d’une batterie standard caractérisé en ce que ledit compresseur est actionné électriquement au moyen de ladite batterie standard et est associé à une vanne trois voies montée sur un piquage situé entre ledit compresseur et le moteur et raccordée via une conduite d’air aux moyens de chauffage de l’échappement catalytique qui sont eux-mêmes raccordés, via une conduite, à un échangeur thermique destiné à réchauffer la batterie à haut volta Selon un premier mode de réalisation du dispositif de l’invention, le compresseur est entraîné par la turbine qui est elle-même entraînée par un moteur électrique alimenté par ladite batterie standard. Selon un second mode de réalisation, le compresseur est directement entraîné par un moteur électrique alimenté par ladite batterie standard. Selon un troisième mode de réalisation, le dispositif comprend un second compresseur disposé en amont du premier compresseur, c’est-à-dire au plus près de la prise d’air, et entraîné par un moteur électrique alimenté par ladite batterie standard. Dans ce dernier mode, la vanne trois voies est montée sur un piquage situé entre le premier compresseur et le second compresseur. De préférence, l’échangeur thermique est pourvu d’un capteur de température, couplé à des moyens d’asservissement du compresseur et/ou des moyens de chauffage de l’échappement catalytique. Un autre objet de l’invention est un procédé de conditionnement thermique d’une batterie à haut voltage de véhicule hybride en vue d’un démarrage à froid du moteur électrique au moyen du dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on alimente électriquement avec la batterie standard, d’une part, la turbine ou l’un des compresseurs et, d’autre part, les moyens de chauffage de l’échappement catalytique pour produire un flux d’air chaud que l’on envoie vers la batterie à haut voltage afin de la réchauffer jusqu’à ce que sa température atteigne sa température minimale d’activation. Ainsi, une fois que la batterie à haut voltage est à la température normale d’activation, le moteur électrique du véhicule est alimenté et peut alors démarrer. Selon une variante spécifique, ce procédé est mis en œuvre suite à l’activation préalable par l’utilisateur du véhicule d’une commande spécifique de chauffage automatique de la batterie à haut-voltage. Selon une autre variante, on fait varier le débit du flux d’air issu du compresseur et la puissance des moyens de chauffage de l’échappement catalytique pour contrôler la température de la batterie à haut voltage. Encore un autre objet de l’invention est un véhicule hybride équipé d’un dispositif de conditionnement thermique présentant les caractéristiques définies ci-dessus. Le procédé de conditionnement thermique peut être mis en œuvre au moyen du dispositif de l’invention quand le véhicule est à l’arrêt en utilisant la batterie standard de 12V, moteur coupé ou en simple stationnement et même pendant que la batterie à haut voltage est branchée sur le secteur pour sa recharge. En outre, le procédé de l’invention permet de garantir que le démarrage du véhicule ne s’effectuera qu’au moyen du moteur électrique et non par le moteur thermique ce qui contribue à une économie de carburant et à une préservation de l’environnement. Les zones à zéro émission (dites ZEV) et, notamment, celles situées en milieu urbain, sont donc facilement et librement accessibles par le véhicule hybride équipé du dispositif de l’invention. Par ailleurs, le contrôle de la température de la batterie à haut-voltage assure une plus grande disponibilité de l’énergie électrique, un allongement de la durée de vie de cette batterie et une plus grande fiabilité du véhicule hybride. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre, en référence aux figures annexées et détaillées ci-après. est une vue schématique d’un premier mode de réalisation du dispositif de conditionnement thermique de l’invention. est une vue schématique d’un second mode de réalisation du dispositif de conditionnement thermique de l’invention. est une vue schématique d’un troisième mode de réalisation du dispositif de conditionnement thermique de l’invention. est un graphe représentant un mode de mise en œuvre préférentiel du procédé de l’invention. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures. Naturellement, les modes de mise en œuvre du procédé de l’invention illustrés par les figures présentées ci-dessus et décrites ci-après, ne sont donnés qu'à titre d’exemples non limitatifs. Il est explicitement prévu que l'on puisse proposer et combiner entre eux différents modes pour en proposer d'autres. L’invention concerne le domaine de l’alimentation du moteur électrique des véhicules hybrides et, plus particulièrement, des véhicules hybrides rechargeables ( Plug-in- Hybrid -Electric Vehicle ou PHEV). De manière générale, un véhicule hybride est équipé d’au moins deux groupes de motorisation différents comprenant, respectivement, un moteur thermique et au moins un moteur électrique. Les véhicules hybrides rechargeables sont équipés d’une batterie spécifique dédiée essentiellement à la motorisation électrique. Cette batterie délivre un courant électrique continu de haut voltage dont la tension de fonctionnement est comprise entre 300V et 500V et la puissance est de 90 kW à 100 kW. Cette batterie se recharge lorsque le véhicule roule par récupération de l’énergie de décélération ou lorsque le véhicule est à l’arrêt par un branchement sur le secteur, comme pour les véhicules électriques traditionnels. Ce type de véhicule est ainsi capable de fonctionner en mode tout électrique indépendamment du moteur thermique. Toutefois, il s’avère que le démarrage à froid de ces véhicules hybrides est problématique, en particulier, en présence de basses températures ambiantes. En effet, dans de telles conditions, la température de la batterie est inférieure à sa température minimale de fonctionnement et elle n’est donc pas susceptible de fournir l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement du moteur électrique. Dans de telles conditions, le véhicule va nécessairement démarrer et rouler en utilisant son moteur thermique jusqu’à ce que la température de la batterie du moteur électrique se réchauffe et que le moteur électrique prenne éventuellement le relais. Les véhicules hybrides sont équipés d’un compresseur 2 (figures 1A et 1B) ou, selon l’invention, de deux compresseurs (2, 3) (figure 1C) et d’un échappement catalytique E pourvu de moyens de chauffage électriques C (« Electrical Heated Catalyst » ou EHC). Ces moyens de chauffage peuvent être alimentés par une batterie standard à bas voltage, généralement de 12V (non représentée) dite SLI (pour « Start- Lighting -Ignition ») telle que celle équipant habituellement les véhicules automobiles et qui est aussi présente sur les véhicules hybrides. Généralement, cette batterie n’est pas aussi sensible aux basses températures que la batterie B à haut-voltage. Par conséquent, l’invention consiste à utiliser ces moyens de chauffage pour réchauffer un flux d’air 30 issu d’une boucle comprenant, soit un compresseur 2 classique couplé à une turbine électrique 1 (ou e-turbine) alimentée par la batterie standard, comme illustré par la figure 1A, soit un compresseur 2a entraîné par un moteur électrique 23 (e-compresseur), comme illustré par la figure 1B. Ce flux d’air à fort débit véhiculant des calories est ensuite envoyé vers la batterie B à haut voltage afin de la conditionner thermiquement. Ce chauffage est effectué jusqu’à ce que la température de la batterie B atteigne sa température minimale d’activation permettant de délivrer un courant électrique suffisant pour assurer le fonctionnement du moteur électrique. Bien entendu, lorsque le moteur thermique M est coupé et que la boucle décrite ci-dessus est alimentée par le courant électrique de la batterie standard, le flux d’air issu du compresseur 2, 2a n’est plus dirigé vers le moteur M mais vers les moyens de chauffage C puis vers la batterie B à haut voltage. Selon l’invention, il est prévu que le procédé de conditionnement thermique soit mis en œuvre si la température ambiante est inférieure à la température minimale de fonctionnement (Tmin, figure 2) de la batterie B à haut voltage, comme illustré par les graphes de la figure 2. Toutefois, ce procédé peut aussi être mis en œuvre dès que le véhicule s’arrête et/ou que la motorisation (thermique ou électrique) est coupée car la température de la batterie à haut-voltage est alors susceptible de baisser rapidement, en particulier, en hiver. A titre optionnel, le procédé de l’invention peut prévoir que le chauffage de la batterie à haut-voltage soit effectué automatiquement si l’utilisateur du véhicule a activé au préalable une commande spécifique pour la mise en œuvre du procédé de conditionnement thermique. Le procédé de l’invention comprend également la possibilité de faire varier le débit du flux d’air issu du compresseur 2 et la puissance des moyens de chauffage C de l’échappement catalytique E pour contrôler et, le cas échéant, ajuster, la température de la batterie B à haut voltage. Le procédé de conditionnement thermique de l’invention est effectué au moyen d’un dispositif spécifique combinant, soit une e-turbine et un compresseur 2 (figure 1A), soit une turbine et un e-compresseur 2a, (figure 1B) alimentant en air sous pression les moyens de chauffage C de l’échappement catalytique E. A cet effet et comme prévu dans le mode de réalisation de la figure 1A, la boucle comprenant la turbine 1 alimentée par la batterie standard est couplée au compresseur 2 qui délivre un flux d’air transitant, via une vanne trois voies 20 montée sur un piquage situé entre ledit compresseur 2 et le moteur M, vers une conduite d’air 21 raccordée aux moyens de chauffage C de l’échappement catalytique E. Les moyens de chauffage C ont eux-mêmes raccordés, via une seconde conduite 22, à un échangeur thermique 10 associé à un carter (non représenté) dans lequel est logé la batterie B à haut voltage. De préférence, l’échangeur thermique 10 est pourvu d’un capteur de température 11 couplé à des moyens d’asservissement de la boucle e-turbine 1/compresseur 2 et/ou des moyens de chauffage C de l’échappement catalytique E. Selon un autre mode de réalisation représenté sur la figure 1B, le dispositif comprend une boucle comprenant un e-compresseur 2a entraîné par un moteur électrique 23 alimenté par la batterie standard. Comme dans le premier mode de réalisation de la figure 1A, l’e-compresseur 2a délivre un flux d’air qui transite, via une vanne trois voies 20 montée sur un piquage situé entre ce compresseur 2a et le moteur M, vers une conduite d’air 21 raccordée aux moyens de chauffage C de l’échappement catalytique E. Dans ce cas, la turbine 1 est inactive puisque le moteur thermique est coupé. Selon encore un autre mode de réalisation du dispositif de l’invention illustré par la figure 1C, et en fonction de la structure de la motorisation M ou du type de véhicule hybride, la boucle comprenant la turbine 1 et le compresseur 2 est désactivée et remplacée par un e-compresseur 3 entraîné par un moteur électrique 31 alimenté par la batterie standard. Dans ce cas, le dispositif de l’invention comprend deux compresseurs, respectivement, un premier compresseur 2 toujours couplé à une turbine 1 mais qui sont tous deux inactifs lorsque le moteur thermique est coupé et un second compresseur (e-compresseur) 3 disposé en amont du premier compresseur, c’est-à-dire au plus près de la prise d’air 30, comme illustré par la figure 1C. Le dispositif comprend alors une vanne trois voies 32 montée sur un piquage situé entre le premier compresseur 2 et le second compresseur 3 et raccordée, via la conduite 21, aux moyens de chauffage C de l’échappement catalytique E. Le procédé de conditionnement thermique selon l’invention consiste à alimenter électriquement avec la batterie standard, d’une part, la turbine 1 ou l’un des e-compresseurs 2a, 3 et, d’autre part, les moyens de chauffage C de l’échappement catalytique E pour produire un flux d’air chaud que l’on envoie vers la batterie B à haut voltage afin de la réchauffer. Ce chauffage est effectué jusqu’à ce que la température TB de la batterie B atteigne sa température minimale d’activation TBmin (figure 2) qui lui permet d’alimenter efficacement la motorisation électrique. Les graphes de la figure 2 illustrent les variations de la température TB de la batterie B à haut voltage en fonction de l’activation (On/Off) de la boucle à alimentation électrique comprenant l’e-turbine 1/compresseur 2 ou l’e-compresseur 2a, 3 alimentant en air les moyens de chauffage C jusqu’à l’atteinte de sa température minimum (TBmin) de fonctionnement. Dispositif de conditionnement thermique d’une batterie (B) à haut voltage pour le démarrage à froid du moteur électrique d’un véhicule hybride, ledit véhicule étant équipé d’un moteur thermique, d’une turbine (1), d’au moins un compresseur (2, 2a, 3), d’un échappement catalytique (E) pourvu de moyens de chauffage (C) et d’une batterie standard, caractérisé en ce que ledit compresseur est actionné électriquement au moyen de ladite batterie standard et est associé à une vanne trois voies (20) montée sur un piquage situé entre ledit compresseur (2, 2a, 3) et le moteur (M) et raccordée via une conduite d’air (21) aux moyens de chauffage (C) de l’échappement catalytique (E) qui sont eux-mêmes raccordés, via une conduite (22), à un échangeur thermique (10) destiné à réchauffer la batterie (B) à haut voltage. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit compresseur (2) est entraîné par la turbine (1) qui est elle-même entraînée par un moteur électrique alimenté par ladite batterie standard. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit compresseur (2a) est directement entraîné par un moteur électrique (23) alimenté par ladite batterie standard. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend un second compresseur (3) disposé en amont du premier compresseur (2) et entraîné par un moteur électrique (31) alimenté par ladite batterie standard. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite vanne trois voies (32) est montée sur un piquage situé entre le premier compresseur (2) et le second compresseur (3). Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit échangeur thermique (10) est pourvu d’un capteur (11) de température, couplé à des moyens d’asservissement du compresseur (2, 2a, 3) et/ou des moyens de chauffage (C) de l’échappement catalytique (E). Procédé de conditionnement thermique d’une batterie (B) à haut voltage de véhicule hybride en vue d’un démarrage à froid du moteur électrique au moyen du dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on alimente électriquement avec la batterie standard, d’une part, la turbine (1) ou l’un des compresseurs (2, 3) et, d’autre part, les moyens de chauffage (C) de l’échappement catalytique (E) pour produire un flux d’air chaud que l’on envoie vers la batterie (B) à haut voltage afin de la réchauffer jusqu’à ce que sa température atteigne sa température minimale d’activation. Véhicule hybride équipé d’un dispositif de conditionnement thermique selon l’une des revendications 1 à 6.