Brevet FR3107210A1 — publié le 20210820

La présente invention concerne un dispositif de conditionnement thermique d'un véhicule automobile pourvu d’un habitacle et équipé, d’un moteur électrique (M), d’une batterie (B) de traction et d’une électronique de puissance (5, 6), ledit dispositif comprenant trois circuits de liquide caloporteur formant, respectivement, une boucle à très basse température (TBT) pour le refroidissement de la batterie (B) de traction, une boucle à basse température (BT) pour le refroidissement du moteur électrique (M) et de l’électronique de puissance (5, 6) et une boucle à haute température (HT) pour le chauffage de l’habitacle, les trois boucles étant raccordées entre elles par des conduites et des clapets anti-retour (20, 30), caractérisé en ce qu’il comprend, d’une part, une électrovanne trois voies (1) dont une première voie est raccordée à la boucle très basse température (TBT), une seconde voie est raccordée à la liaison entre la boucle à basse température (BT) et la boucle haute température (HT) et une troisième voie raccordée à la liaison entre la boucle à très basse température (TBT) et la boucle à basse température (BT) et, d’autre part, une électrovanne (2) dont une première voie est raccordée à la boucle haute température (HT) et une seconde voie est raccordée à la liaison entre la boucle à très basse température (TBT) et la boucle à basse température (BT), les deux électrovannes (1, 2) étant destinées à isoler et/ou à connecter au moins deux des trois circuits caloporteurs.  Figure 1A DISPOSITIF DE CONDITIONNEMENT THERMIQUE DU GROUPE MOTOPROPULSEUR ET DE L’HABITACLE DE VEHICULES ELECTRIQUES OU HYBRIDES ET PROCEDE DE MISE EN ŒUVRE DUDIT DISPOSITIF L’invention s’applique au domaine de la gestion thermique des véhicules automobiles à motorisation électrique ou hybride. Plus précisément, l’invention concerne, à titre principal, un dispositif apte et destiné à assurer, dans un véhicule électrique ou hybride, éventuellement de grand gabarit, un conditionnement thermique optimal et circonstancié, à la fois, du groupe motopropulseur et de ses divers composants, de la batterie de traction et de l’habitacle y compris dans les zones dites de grand froid. A titre subsidiaire, l’invention se rapporte à un procédé de mise en œuvre de ce dispositif en vue de faciliter le refroidissement du moteur électrique et de ses équipements électriques et électroniques ainsi que le chauffage de l’habitacle. Les véhicules électriques sont pourvus, de manière traditionnelle, d’un ensemble de circuits caloporteurs destinés à assurer, à la fois, le refroidissement des différents composants électriques et le chauffage de l’habitacle. L'architecture de cet ensemble de circuits est généralement composée de trois boucles. Une première boucle à haute température permet d'apporter des calories à l'habitacle du véhicule pour le confort de ses occupants et comprend, notamment, au moins un échangeur aérotherme, une résistance électrique et/ou un réchauffeur pour les zones dites de grand froid et, le cas échéant, un condenseur pour les véhicules équipés d’une pompe à chaleur. Une seconde boucle à basse température permet de refroidir, au moyen d'un radiateur, le moteur électrique de traction et ses composants fonctionnels tels que ceux utilisés par l’électronique de puissance (l’onduleur, le chargeur/convertisseur, …). Ces deux boucles sont complétées par une troisième boucle à très basse température permettant de refroidir, via un échangeur, la batterie haute puissance destinée à alimenter le moteur de traction. Ces trois boucles peuvent être connectées ou déconnectées par l'activation de deux électrovannes avantageusement disposées sur des nœuds de liaison entre les boucles. Il existe des dispositifs de conditionnement thermique tels que celui décrit dans le brevet FR3014370 qui comprend des circuits caloporteurs destinés à assurer le chauffage et le refroidissement de l'habitacle du véhicule, sa déshumidification, le chauffage et le refroidissement de la batterie et le dégivrage de l'évaporateur avant. Par ailleurs, le brevet FR2841183 décrit un dispositif de régulation de la température de l'habitacle d'un véhicule automobile à motorisation électrique. Ce dispositif comprend un circuit de fluide de refroidissement circulant, dans une boucle principale, entre un premier échangeur associé aux batteries et un second échangeur associé au moteur électrique et, dans une boucle secondaire, entre le premier échangeur et un troisième échangeur associé à l'habitacle. Cependant, ces dispositifs ne permettent pas d’adapter et d’optimiser le conditionnement thermique des composants électriques aux conditions extérieures ainsi qu’aux paramètres intrinsèques en adoptant des configurations propres pour chacune des boucles. Dans ce contexte, l’invention propose une solution technique consistant à implanter sur le véhicule un nouveau circuit de refroidissement modulaire dans lequel chaque boucle est susceptible d’être connectée ou isolée en fonction de la prestation thermique habitacle recherchée, de la performance dynamique longitudinale attendue (masse remorquée) et de l'autonomie demandée au véhicule (tenant compte de la charge de la batterie). Ce but est atteint, selon l’invention, au moyen d’un dispositif de conditionnement thermique d'un véhicule automobile pourvu d’un habitacle et équipé, d’un moteur électrique, d’une batterie de traction et d’une électronique de puissance, ledit dispositif comprenant trois circuits de liquide caloporteur formant, respectivement, une boucle à très basse température (TBT) pour le refroidissement de la batterie de traction, une boucle à basse température (BT) pour le refroidissement du moteur électrique et de l’électronique de puissance et une boucle à haute température (HT) pour le chauffage de l’habitacle, les trois boucles étant raccordées entre elles par des conduites et des clapets anti-retour, caractérisé en ce qu’il comprend, d’une part, une électrovanne trois voies dont une première voie est raccordée à la boucle très basse température (TBT), une seconde voie est raccordée à la liaison entre la boucle à basse température (BT) et la boucle haute température (HT) et une troisième voie raccordée à la liaison entre la boucle à très basse température (TBT) et la boucle à basse température (BT) et, d’autre part, une électrovanne dont une première voie est raccordée à la boucle haute température (HT) et une seconde voie est raccordée à la liaison entre la boucle à très basse température (TBT) et la boucle à basse température (BT), les deux électrovannes étant destinées à isoler et/ou à connecter au moins deux des trois circuits caloporteurs. Selon une variante de réalisation préférentiel, la première voie de ladite électrovanne trois voies est une voie d’entrée du liquide caloporteur. Selon une autre variante, la seconde voie et la troisième voie de ladite électrovanne trois voies sont des voies de sortie du liquide caloporteur. Selon encore une autre variante, la seconde électrovanne est une électrovanne à trois voies. Selon une caractéristique avantageuse du dispositif, au moins l’une des boucles haute température et basse température comprend un clapet anti-retour. Selon une autre caractéristique, chacune des trois boucles comprend une pompe à liquide caloporteur et une sonde de température. Selon encore une autre caractéristique, il est prévu qu’une boîte de dégazage soit raccordée au circuit basse température. Un autre objet de l’invention est un procédé de conditionnement thermique d’un véhicule automobile électrique au moyen du dispositif tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu’on effectue la connexion ou l’isolation des boucles par ouverture ou fermeture d’au moins l’une des électrovannes en fonction d’au moins un facteur choisi parmi, les paramètres extérieurs au véhicule, l'état de paramètres intrinsèques à la chaîne de traction et les consignes du conducteur et/ou des passagers. Selon une variante de mise en œuvre du procédé, les paramètres extérieurs au véhicule sont choisis parmi, la température de l’air extérieur, l’état de la route, la vitesse du vent; les paramètres de traction sont choisis parmi, la température des organes participant à la performance dynamique longitudinale, les capacités de chacun de ces organes et l’optimisation énergétique et les consignes de pilotage sont choisies parmi, la vitesse du véhicule, la masse remorquée, les besoins de chauffage ou de climatisation de l’habitacle. Encore un autre objet de l’invention est un véhicule automobile électrique ou hybride équipé d’un dispositif de conditionnement thermique présentant les caractéristiques définies ci-dessus. Le dispositif de conditionnement thermique de l’invention s’applique aux véhicules équipés d’un moteur électrique ou hybride, le cas échéant, rechargeable et est apte et destiné à isoler ou à connecter les deux circuits de refroidissement et le circuit de chauffage de l’habitacle au moyen d'un jeu de deux électrovannes couplées à des clapets anti-retour. Le dispositif de conditionnement thermique de l’invention est modulaire. Il permet, sur la base d'une architecture de circuit caloporteur commune, de proposer des variantes permettant d'optimiser le chauffage de l’habitacle. Le dispositif de l’invention permet, en outre, d’implanter la même architecture sur des bases de véhicules différentes, en particulier, de véhicules légers et de véhicules utilitaires et, par la même, la reprise de composants identiques d'une base à l'autre. Par ailleurs, le dispositif de l’invention présente un intérêt significatif pour équiper des véhicules destinés à être utilisés dans des zones dites de grand froid et/ou avec des options de pompe à chaleur. 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 d’ensemble d’un mode de réalisation du dispositif de conditionnement thermique selon l’invention. est un schéma synoptique illustrant le mode de réalisation du dispositif de la figure 1A. est une vue partielle du dispositif des figures 1A et 1B représentant la boucle très basse température (TBT). est une vue partielle du dispositif des figures 1A et 1B représentant la boucle basse température (BT). est une vue partielle du dispositif des figures 1A et 1B représentant la boucle haute température (HT). représente une première variante de la boucle haute température (HT) de la figure 4 pour une application aux zones de grand froid. représente une seconde variante de la boucle haute température (HT) de la figure 4 pour une application aux zones de grand froid avec climatisation additionnelle. représente une troisième variante de la boucle haute température (HT) de la figure 4 pour une application avec pompe à chaleur. est une vue d’ensemble du dispositif des figures 1A et 1B dans un premier mode de mise en œuvre du procédé de l’invention avec les trois boucles isolées les unes des autres. est une vue d’ensemble du dispositif des figures 1A et 1B dans un second mode de mise en œuvre du procédé de l’invention avec les boucles haute température et basse température connectées. est une vue d’ensemble du dispositif des figures 1A et 1B dans un troisième mode de mise en œuvre du procédé de l’invention avec les boucles haute température et très basse température connectées. est une vue d’ensemble du dispositif des figures 1A et 1B dans un quatrième mode de mise en œuvre du procédé de l’invention avec les trois boucles connectées. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques dans la description et sur la figure. 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 la gestion thermique des véhicules automobiles électriques ou hybrides en particulier, les véhicules légers ou utilitaires destinés à être utilisés dans les zones dites de grand froid. L’invention a plus particulièrement trait à un dispositif de conditionnement thermique comprenant, comme illustré par les figures 1A et 1B, trois circuits de liquide caloporteur (par exemple, eau/glycol). Ces trois circuits sont sous forme, respectivement, d’une boucle à très basse température (TBT), d’une boucle à basse température (BT) et d’une boucle à haute température (HT). Les trois boucles du dispositif de conditionnement thermique sont raccordées, de manière traditionnelle, par des conduites et pourvues de clapets anti-retour forçant la circulation du liquide caloporteur dans un sens unique. La boucle (TBT) du circuit de liquide caloporteur à très basse température illustrée par la figure 2 est destinée à refroidir, au moyen d'un échangeur 11 (dit « chiller »), la batterie de traction B à haute puissance qui alimente le moteur électrique de traction M. Le liquide de refroidissement ne devra pas dépasser la température maximale tolérée par la batterie pour assurer un fonctionnement satisfaisant. La température maximale généralement admise pour une batterie ayant des cellules électriques à base de matériau Lithium-ion est d'environ 60°C. La boucle (BT) du circuit de liquide à basse température illustrée par la figure 3 est destinée, quant à elle, à refroidir, à l'aide d'un radiateur 31, des organes tels que le moteur électrique M de traction et des composants de l’électronique de puissance tels qu’un onduleur 5 spécifique à ce moteur électrique, et un chargeur/convertisseur 6. La température du liquide de refroidissement est contrôlée et est maintenue en dessous d’une température maximale comprise entre 70°C et 80°C. La boucle (HT) du circuit de liquide caloporteur à haute température permet d'apporter des calories à l'habitacle du véhicule pour le confort de ses occupants. A cet effet, la boucle (HT) est pourvue d'un aérotherme 21 et d'une résistance électrique 22 (dite « High Voltage Water Heater »), comme illustré par la figure 4. Selon des variantes de réalisation du dispositif de l’invention, la boucle (HT) comprend, un réchauffeur supplémentaire 22a pour les pays de grand froid (variante de la figure 4A), un second aérotherme 21a associé à une pompe auxiliaire P2a pour les véhicules de grand gabarit (type véhicules utilitaires, variante de la figure 4B) et un condenseur 23 pour les versions avec pompe à chaleur (variante de la figure 4C). Dans cette dernière variante, le condenseur est, de préférence, relié à un système associé à l’échangeur 11 (« chiller ») de la boucle très basse température (TBT) de refroidissement de la batterie B. L’invention consiste, en particulier, à intégrer dans ce dispositif à trois boucles, une première électrovanne 1 montée sur la boucle à très basse température (TBT). Cette première électrovanne 1 est, de préférence, une électrovanne à trois voies tandis que la seconde électrovanne 2 est une électrovanne simple à deux voies. Comme illustré par la figure 1A, une première voie de l’électrovanne 1 est raccordée à la boucle très basse température (TBT), une seconde voie est raccordée à la liaison entre la boucle à basse température (BT) et la boucle haute température (HT) et une troisième voie est raccordée à la liaison entre la boucle à très basse température (TBT) et la boucle à basse température (BT). Plus précisément, la première voie de l‘électrovanne trois voies 1 est une voie d’entrée du liquide caloporteur tandis que la seconde voie et la troisième voie de l’électrovanne trois voies 1 sont des voies de sortie du liquide caloporteur. La seconde électrovanne 2 est montée sur la boucle à haute température (HT). La voie d’entrée de l’électrovanne 2 est raccordée à la boucle à très basse température (TBT) et à la boucle à basse température (BT). Les deux électrovannes 1, 2 sont disposées de manière avantageuse sur des nœuds de liaison situés entre les boucles. Les deux électrovannes 1, 2 sont pilotées, par exemple, par un calculateur embarqué et programmé de façon à pouvoir isoler et/ou connecter automatiquement au moins deux des trois circuits de liquide caloporteur décrits ci-dessus en fonction de facteurs qui seront décrits par la suite en référence au procédé de conditionnement thermique de l’invention. Selon une variante de l’invention (non représentée), il est toutefois possible de prévoir que la seconde électrovanne 2 et le clapet anti-retour 20 de la boucle haute température (HT) soit remplacés par une électrovanne à trois voies. D’autres variantes du dispositif peuvent être réalisées en adaptant le nombre de voies d'entrée et/ou de sortie des électrovannes. Au moins l’une des boucles et, dans le mode de réalisation des figures 1A, 1B et 5A à 5D, les deux boucles, respectivement, haute température (HT) et basse température (BT) comprennent un clapet anti-retour (20, 30). Chacune des trois boucles (TBT, BT, HT) comprend une pompe (P1, P2, P3) à liquide caloporteur et une sonde de température (12, 24, 32). Dans la variante de réalisation des figures 5A à 5D, la boucle très basse température (TBT) et la boucle haute température (HT) sont munies de vis de purge (13, 25) et le dispositif de l’invention comprend, en outre, une boîte de dégazage 4. L’invention concerne également la mise en œuvre d’un procédé de conditionnement thermique du véhicule électrique ou hybride au moyen du dispositif décrit ci-dessus. Le mode d'activation des deux électrovannes 1, 2, permet d’obtenir jusqu'à quatre configurations différentes qui sont illustrées par les figures 5A à 5D. (le sens des flèches indiquant le sens des flux de liquide caloporteur). La figure 5A illustre une configuration dans laquelle les trois boucles sont isolées les unes des autres. Cette configuration est obtenue en fermant l’électrovanne 1 et en ouvrant l’électrovanne 2, toutes les pompes (P1, P2, P3) étant activées. La figure 5B illustre une configuration dans laquelle les boucles haute température (HT) et basse température (BT) sont connectées. Cette configuration est obtenue en fermant à la fois l’électrovanne 1 et l’électrovanne 2, toutes les pompes (P1, P2, P3) étant activées. La figure 5C illustre une configuration dans laquelle les boucles haute température (HT) et très basse température (BT) sont connectées. Cette configuration est obtenue en ouvrant l’électrovanne 1 et en fermant l’électrovanne 2 et en désactivant la pompe P3 de la boucle (BT). Enfin, la figure 5D illustre une configuration dans laquelle les boucles haute température (HT), basse température (BT) et très basse température (BT) sont toutes connectées. Cette configuration est obtenue en ouvrant l’électrovanne 1 et en fermant l’électrovanne 2 et en activant toutes les pompes (P1, P2, P3). Pour effectuer le passage d'une configuration à une autre on procède par fermeture ou ouverture d’au moins l’une des électrovannes 1, 2 de la manière décrite ci-dessus, en prenant en compte des facteurs choisis parmi, les paramètres extérieurs au véhicule, l'état de paramètres intrinsèques à la chaîne de traction et les consignes de pilotage du véhicule. Les paramètres extérieurs au véhicule sont; la température de l’air extérieur, la résistance à l'avancement du véhicule, l’état de la route (pente, résistance…), la vitesse du vent, les intempéries, etc… L'état de paramètres intrinsèques à la chaîne de traction recouvre; la température interne des organes participant à la performance dynamique longitudinale (onduleur, moteur électrique, batterie, chargeur, …), les capacités de performance de chaque organe et, notamment, l'état de santé de la batterie de traction ainsi que de sa capacité en charge (autonomie), l'optimisation énergétique qui permet, par exemple, de transférer les calories de certains organes vers d'autres organes. Les consignes de pilotage du véhicule correspondent principalement aux instructions données par le conducteur et/ou les passagers et portent sur la prestation dynamique longitudinale (vitesse du véhicule, masse remorquée), sur la prestation thermique de l’habitacle (besoin de chauffage, nécessitant l'activation de(s) réchauffeur(s) et de la pompe à eau ou besoin de refroidissement par le système de climatisation). Dispositif de conditionnement thermique d'un véhicule automobile pourvu d’un habitacle et équipé, d’un moteur électrique (M), d’une batterie (B) de traction et d’une électronique de puissance (5, 6), ledit dispositif comprenant trois circuits de liquide caloporteur formant, respectivement, une boucle à très basse température (TBT) pour le refroidissement de la batterie (B) de traction, une boucle à basse température (BT) pour le refroidissement du moteur électrique (M) et de l’électronique de puissance (5, 6) et une boucle à haute température (HT) pour le chauffage de l’habitacle, les trois boucles étant raccordées entre elles par des conduites et des clapets anti-retour (20, 30), caractérisé en ce qu’il comprend, d’une part, une électrovanne trois voies (1) dont une première voie est raccordée à la boucle très basse température (TBT), une seconde voie est raccordée à la liaison entre la boucle à basse température (BT) et la boucle haute température (HT) et une troisième voie raccordée à la liaison entre la boucle à très basse température (TBT) et la boucle à basse température (BT) et, d’autre part, une électrovanne (2) dont une première voie est raccordée à la boucle haute température (HT) et une seconde voie est raccordée à la liaison entre la boucle à très basse température (TBT) et la boucle à basse température (BT), les deux électrovannes (1, 2) étant destinées à isoler et/ou à connecter au moins deux des trois circuits caloporteurs.  Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première voie de ladite électrovanne trois voies (1) est une voie d’entrée du liquide caloporteur. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde voie et la troisième voie de ladite électrovanne trois voies (1) sont des voies de sortie du liquide caloporteur. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite seconde électrovanne (2) est une électrovanne à trois voies. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’au moins l’une des boucles haute température (HT) et basse température (BT) comprend un clapet anti-retour (20, 30). Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacune des trois boucles comprend une pompe (P1, P2, P3) à liquide caloporteur et une sonde de température (32). Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’une boîte de dégazage (4) est raccordée au circuit basse température (BT). Procédé de conditionnement thermique d’un véhicule automobile électrique au moyen du dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on effectue la connexion ou l’isolation des boucles (TBT, BT, HT) par ouverture ou fermeture d’au moins l’une des électrovannes (1, 2) en fonction d’au moins un facteur choisis parmi, des paramètres extérieurs au véhicule, l'état de paramètres intrinsèques à la chaîne de traction et les consignes de pilotage du véhicule. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les paramètres extérieurs au véhicule sont choisis parmi, la température de l’air extérieur, l’état de la route, la vitesse du vent; les paramètres de traction sont choisis parmi, la température des organes participant à la performance dynamique longitudinale, les capacités de chacun de ces organes et l’optimisation énergétique et les consignes de pilotage sont choisies parmi, la vitesse du véhicule, la masse remorquée, les besoins de chauffage ou de climatisation de l’habitacle. Véhicule automobile électrique ou hybride équipé d’un dispositif de conditionnement thermique selon l’une des revendications 1 à 7.