WO2013076405A1 - Dispositif de gestion thermique d'une chaine de traction d'un vehicule hybride ou electrique - Google Patents

Dispositif de gestion thermique d'une chaine de traction d'un vehicule hybride ou electrique Download PDF

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WO2013076405A1
WO2013076405A1 PCT/FR2012/052629 FR2012052629W WO2013076405A1 WO 2013076405 A1 WO2013076405 A1 WO 2013076405A1 FR 2012052629 W FR2012052629 W FR 2012052629W WO 2013076405 A1 WO2013076405 A1 WO 2013076405A1
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WO
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battery
temperature
cooling
radiator
electric
Prior art date
Application number
PCT/FR2012/052629
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English (en)
Inventor
Ludovic Lefebvre
Original Assignee
Peugeot Citroen Automobiles Sa
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to the field of the thermal management of a power train of a hybrid or electric vehicle, and more particularly the thermal management of a power train of a hybrid or electric vehicle by low temperature coolant or very low temperature.
  • the heat engine is only used to drive a generator that produces electrical energy to make, via the electric motor, move the vehicle and / or recharge the battery,
  • the electric and thermal motors can, each individually or both together, propel the vehicle; the heat engine can additionally recharge the battery.
  • Such vehicles comprise at least one circuit with a coolant, called low temperature (BT) and generally having maximum temperatures of at most 60 to 90 ° C, dedicated to the cooling of the components of the electric traction system (electrical machines, power electronics, inverters, converters, battery charger ).
  • Hybrid vehicles also include a so-called high temperature liquid cooling circuit (HT) dedicated to the cooling of the combustion engine, or even of the gearbox and having temperatures that can reach and temporarily exceed 120 ° C. in operation, and 140 ° C. in heat stroke, with locally up to 160 to 180 ° C, for example in a turbocharger turbine housing.
  • BT low temperature
  • HT high temperature liquid cooling circuit
  • the two circuits BT and HT are, in the case of a hybrid vehicle, independent.
  • the BT circuit of an electric or hybrid vehicle comprises, in a traditional way, in addition to the cooling members of the electric traction chain:
  • a water pump very generally electric, for moving the coolant, ducts, in order to convey the coolant from one point to the other of this circuit BT,
  • BT radiator an outdoor air / water exchanger, called a BT radiator, for evacuating the calories carried by the coolant
  • GMV motor-fan unit
  • Such electric and hybrid vehicles furthermore comprise, as electrical energy storage devices, a high-voltage traction battery required to supply electrical energy to move the vehicle.
  • a high-voltage traction battery required to supply electrical energy to move the vehicle.
  • Li-ion lithium-ion
  • the speed of a chemical reaction grows exponentially with temperature. Therefore, the higher its temperature and the more instantaneous electrical power is extracted from the battery, the more the electrons are mobile, the more the impedance of the cells the component is reduced and their capacity increases.
  • the battery heats up in operation, essentially by Joule effect (flow of electric current through the internal resistance of each cell forming the battery) and by the chemical reactions (enthalpy and entropy) taking place there.
  • too high a cell temperature can initiate irreversible chemical processes, resulting in an irreversible reduction of their capacity and their lifetime, a thermal runaway, swelling and mechanical deformations creating short circuits or open circuits, or the release of toxic or flammable products.
  • a Li-ion battery can not withstand durably, for its service life and dependability, a temperature above 40 ° C to 50 ° C.
  • Such a high voltage traction battery is cooled, most often:
  • Refrigeration implemented directly or indirectly, allows high cooling performance of the traction battery, with a favorable energy balance thanks to a coefficient of performance generally taking values well above 1 for the usual refrigeration by 25 to 40 ° C of T ° outside, and which take even higher values by a clement ambient T ° (5 to 20 ° C) for situations of usual life where the traction battery needs to be cooled.
  • a coefficient of performance generally taking values well above 1 for the usual refrigeration by 25 to 40 ° C of T ° outside, and which take even higher values by a clement ambient T ° (5 to 20 ° C) for situations of usual life where the traction battery needs to be cooled.
  • any thermal management system is to maintain the organs in their optimal operating ranges while minimizing the energy expended, since this energy is no longer available for traction or propulsion of the vehicle and is therefore reflected in a significant reduction in the vehicle's range.
  • the traction battery (1 0) is associated with the low temperature cooling circuit of the control devices.
  • the aim is to minimize the impact of the hydraulic head loss of the internal heat exchanger of the traction battery (1 0) on the dimensioning of the water pump (23) of the cooling circuit BT and to provide, when this is required, the coldest possible water inlet battery (1 0) while minimizing the use of refrigeration implemented indirectly (over-cooling of the coolant before entering the battery, to through a refrigerant / water evaporator (1 1) (also called chiller) associated on the refrigerant circuit in parallel with the evaporator installed in the air conditioning unit of the vehicle).
  • a refrigerant / water evaporator (1 1) also called chiller
  • the dimensioning of the LV circuit (radiator, water pump, GMV and the occurrences of engagement of these organs) must take into account the additional calories dissipated in this circuit by the traction battery, and this architecture puts more demands on the refrigerant circuit in the situations where the BT water is too hot for the battery: part of the calories dissipated in the BT water by the components of the electric power train is absorbed by the chiller and thus overload the refrigerant circuit and penalizes the refrigeration of the interior if it is not compensated by an adaptation of the design of the refrigerant circuit (condenser (1 5), compressor (22), GMV (20)).
  • FIG. 2 There is also known another architecture, illustrated in FIG. 2, where again the traction battery (1 0) is associated with the cooling circuit BT of the components of the electric traction system, on a branch in parallel with the one where these bodies are cooled and downstream of an associated chiller on the refrigerant circuit in parallel with the evaporator to cool the passenger compartment.
  • This architecture differs from the previous one by the implementation:
  • a switching valve (1 70) for separating the battery from the cooling circuit BT to create a second circuit dissociated from the first and thus achieve heating (via this heater) and cooling (via the chiller) active of the battery, without impacting the cooling circuit of the components of the electric power train nor overload, as reproached to the architecture shown in Figure 1, the refrigerant circuit.
  • This architecture has the disadvantage of the use of external energy (electric or fossil) to heat the battery, impacting in particular the autonomy of the vehicle, its mass, its cost price and sales.
  • a third architecture illustrated in FIG. 3, known implements 4 cooling circuits (not counting the refrigerant circuit for the air conditioning of the passenger compartment of the vehicle) with each one or more heat exchangers, generating the inherent impacts in terms of cost, mass, front overhang, sizing and siting:
  • the power electronics (1 9) (including the inverters of the electrical machines) and the charger (1 7) of the battery are cooled by another coolant circuit which uses its own radiator (1 71) and its own expansion vessel (174);
  • the thermal management is ensured by a distributing valve and its heating by a high voltage electric heater on the water upstream of the battery, with the associated impacts in terms of costs and mass, implantation, operational reliability, vehicle autonomy in cold environments.
  • the present invention therefore aims to overcome one or more of the disadvantages of the prior art by providing a device for heating the battery without any additional external energy.
  • the present invention proposes a device for thermal management of a traction chain of a vehicle, formed by at least one traction battery and electric traction units, comprising a radiator, a refrigeration circuit with a refrigerant evaporator. water, and a first cooling circuit of the battery in which circulates a cooling fluid, the radiator comprising at least two outlets, a first radiator outlet ensuring a single passage in the radiator of the cooling fluid to the electrical organs of the chain electric traction, and a second radiator output providing at least two passages in the radiator of the cooling fluid to the battery, the two outputs of the radiator for defining a second cooling circuit for the electrical components of the electric power train, independent the first cooling circuit for the traction battery .
  • This first cooling circuit thus makes it possible, by cooling the electric members of the drive train, to recover the calories dissipated by the electric members of the drive train in one of its configurations to heat the traction battery.
  • the device comprises a double-acting thermostat downstream or upstream of the radiator allowing, when it is closed, to keep in the cooling circuit the calories dissipated by the components of the traction chain. electric. The calories are then maintained in the cooling circuit, and not dissipated to the outside air through the radiator.
  • the device allows several modes of cooling the battery.
  • the device comprises means for stopping the flow of cooling fluid to the battery while continuing to cool the other electrical organs.
  • the device comprises means for reversing the direction of circulation of the cooling fluid for allow the heating of the battery using the calories dissipated by the electrical components of the power train.
  • the device comprises means for simultaneously cooling the battery and other electrical organs, by connecting the first and second cooling circuits in a same cooling circuit.
  • the device comprises means for cooling at very low temperature of the battery.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the mode of operation of a first device according to the prior art
  • FIG. 2 is a schematic representation of the mode of operation of a second device according to the prior art
  • FIG. 3 is a schematic representation of the mode of operation of a third device according to the prior art
  • FIG. 4 is a representation of the operating mode of a part of the device according to the invention.
  • FIG. 5 is a schematic representation of the operating mode of the device (case 1) according to the invention.
  • FIG. 6 is a representation of the operating mode of the device (case 2) according to the invention.
  • FIG. 7 is a schematic representation of the operating mode of the device (case 3) according to the invention.
  • FIG. 8 is a schematic representation of the operating mode of the device (case 4) according to the invention.
  • FIG. 9 is a schematic representation of the operating mode of the device (case 5) according to the invention.
  • FIG. 10 is a schematic representation of the operating mode of the device (case 6) according to the invention
  • FIG. 11 is a schematic representation of the operating mode of the device (case 7) according to the invention
  • FIG. 12 is a schematic representation of the operating mode of the device (case 8) according to the invention.
  • FIG. 13 is a schematic representation and is a schematic representation of the thermal management of the vehicle while driving according to the invention.
  • FIG. 14 is a schematic representation of the temperature ranges of the battery according to the invention.
  • the thermal management of a vehicle's drivetrain is necessary during "use” situations during driving but also in other vehicle life situations.
  • the criterion sizing for the life of the battery is primarily its average temperature.
  • Special attention must also be paid to the battery temperature in the "off-use" state of the vehicle: parking, garage, parking, etc., which can represent up to 80 to 85% of the vehicle's service life.
  • the battery may need to be thermally managed before, during but also after recharging, cooling and reheating;
  • Figures 5 to 12 detail the different modes of operation of the device according to the invention in the different situations “use” and “out of use” of the vehicle.
  • This device comprises a refrigerant / water evaporator (chiller) (1 1) arranged in the refrigerant circuit on a branch (151) parallel to that (152) supplying refrigerant fluid to the evaporator (12) implanted in the air conditioning unit of the vehicle .
  • These two branches have an expander (131, 132) associated with each evaporator (1 1, 12).
  • At least the branch comprising the refrigerant / water evaporator (1 1) is equipped with an on / off valve (121), preferably the two branches are equipped with an on / off valve (121, 122) upstream of each evaporator (1 1, 12), condemning or allowing the circulation of refrigerant in each branch of the refrigerant.
  • the on / off valve (121) disposed on the branch comprising the refrigerant evaporator / water (1 1) is preferably naturally closed while the on / off valve (122) disposed on the branch comprising the evaporator (1 1) cabin is preferably naturally open.
  • the secondary loop (151) (containing the chiller) of the refrigerant circuit is deactivated (on / off valve (121) in the OFF position) because there is then no need to over-cool BT fluid before it enters the traction battery.
  • the implementation of the refrigerant / water evaporator (1 1) is necessary and therefore, in particular, the opening of the on / off valve (121) (ON position).
  • the low temperature cooling circuit (BT) is equipped with a number of actuators whose operation will be explained below in the context of the description of each configuration.
  • This device also comprises a three-way valve (24) and a thermostat (21) of the double-acting type whose positions and roles will be explained later.
  • this system allows a permanent circulation of the BT fluid in the charger (19), which is active yet only in the charging phase of the traction battery on the external electrical network: in order to overcome the loss associated hydraulic load and in order not to alter the durability and availability of the charger by an average T ° of its internal components higher than without circulation (since the charger is then heated by the BT fluid that passes through), the charger could be more wisely associated with the LV circuit according to one of the architectures proposed in the patent application No. FR1 155974 without changing the subject of this memo.
  • Fig.5 to 12 shows that, the on / off valve (101), disposed on the branch to the radiator BT (14) upstream of the thermostat (21) of double-acting type occupying a position in opposite phase of the on / off valve (103) disposed on the branch (158) of the cooling circuit between the battery (10) and the chiller (1 1), their grouping into a single actuator is possible.
  • FIG. 4 shows the preferred architecture of the radiator (14) for cooling the liquid BT according to the invention.
  • This radiator is preferably a tube-finned external air / coolant-type heat exchanger, comprising a water box (146, 147) and a first outlet water box (150) and a bundle formed by the assembly of tubes and fins.
  • the outlet water box (150) comprises a single outlet nozzle (145), the first outlet, of the liquid BT, positioned at the bottom, while the design of the water box (146, 147) is more complex. . This includes:
  • a first outlet end (143) of the liquid BT in the upper part, of internal diameter smaller than that of the inlet end (142) of the liquid BT and positioned on the inlet water box (146) at an altitude greater than the inlet end (142) of the liquid BT.
  • This tip has the purpose of degassing the heat transport circuit. BT fluid borrowing this output did not cross the beam and therefore did not exchange calories with the outside air;
  • a second outlet nozzle (144), the second outlet, of the liquid BT located in the lower part of the outlet water box (147) and on the other side of the internal wall (141) with respect to the mouthpiece inlet (142) and the first outlet end (143) of the liquid BT.
  • the BT radiator outputs are therefore available with BT fluids of different temperatures:
  • Outlet tip (145) on the outlet water box (150) BT liquid cooled to a certain temperature level, by a single passage (148) through the radiator (14).
  • a single cooling passage is sufficient to cool the components of the electric power train;
  • a double cooling passage is required to provide average cooling of the traction battery (10).
  • the number of passages for the cooling of the battery will always be strictly greater than that for the cooling of the components of the electric traction system in order to obtain a colder BT liquid.
  • the disadvantage of increasing the hydraulic resistivity of the branch containing the water / battery heat exchanger as the number of passages increases, will be countered by the adequate sizing of the number of water tubes in each passage, the water pump and the water / battery heat exchanger.
  • the configuration of the three-way valve (24) and the double-acting thermostat (21) allows two modes of operation (Case 1 illustrated in Figure 5 and Case 2 illustrated in Figure 6).
  • a first mode of operation (Case 1, illustrated in Figure 5) consists in heating the traction battery (10).
  • the main electric water pump (23) of the LV circuit is inactive (OFF position) and the electric water pump (102) positioned on the battery branch is active (ON position).
  • the position taken by the three-way valve (24) then makes it possible, by the operation of this pump (23), to suck up the coolant BT which has previously passed through the members of the electric traction system (electrical machines (17) , power electronics, inverters, converters (18) battery charger (19)) through this valve (24), and discharge this coolant BT into the battery (10).
  • the liquid BT can exit the battery (10) only by an on / off valve (101) in the open position arranged at the output of the battery (10) to the radiator (14) BT upstream of the thermostat (21) of the type double effect.
  • the on / off valve (103) disposed on the branch (158) of the circuit between the battery (10) and the chiller (1 1) being here in the closed position.
  • the BT liquid leaving the battery (10) borrows the branch passes through the open on / off valve (101) which controls it and reaches an intersection: •
  • the BT liquid can not move towards the BT radiator because:
  • the on / off valve (104) disposed at the output of the radiator BT (14) to the chiller (1 1) is closed, thus condemning the output of the radiator BT (14) by the double passage (148, 149);
  • the liquid BT can not take the conduit (154) to the double-acting thermostat (21) which, in the closed position, releases this path to the fluid BT, on the one hand because the main electric water pump (23) of the LV circuit is inactive (OFF position) and secondly because the valve (24) blocks, in this position, this issue.
  • the components of the electric traction system electrical machines, power electronics, inverters, converters, charger, etc.
  • This configuration of the device according to the invention thus makes it possible to heat the traction battery (10) by the calories dissipated in their cooling circuit by the other members (17, 18, 19) of the electric traction chain, without implementation. no external energy.
  • thermostat (21) double effect (here downstream of the radiator (14) BT, but it can indifferently be located upstream thereof) is to allow to keep in the LV circuit the calories dissipated to the liquid BT by the members (17, 18, 19) of the electric traction system which, in the absence of a thermostat, would be exhausted to the outside air through the radiator BT (14).
  • These calories are doubly useful: for the purpose here sought, to warm the battery (10), but also, in order to operate these organs at their optimum operating temperature.
  • a heater preferably ethanol type to not then impact the autonomy of the vehicle, and preferentially the same as that used to warm the cabin, by adaptation of the associated heat transfer circuits
  • a heater is present immediately upstream of the battery to accelerate its rise in temperature, without, however, calling into question the recovery of the heat losses of the components of the electric power train in order to heat the battery.
  • the second operating mode (Case 2) enabled by the configuration of the thermostat (21) and the valve (24) shown in FIG. 6 is identical to the previous one, the only difference being that the on / off valve (104) disposed in output of the radiator (14) BT to the chiller (1 1) is open, allowing the flow of BT fluid through the radiator BT (14) in two passes.
  • BT liquid coming out of the battery (10) then follows two paths: the one traversing the organs of the electric traction system (17, 18, 19) and the one passing through the radiator (14) BT out of the outlet water box (147) after a double pass (148, 149).
  • the electric water pump (102) positioned on the battery branch thus sucks the liquid BT coming from these two channels (153, 155) and delivers at the input of the traction battery (10) a liquid BT derived from the mixture of liquids BT from these two paths, an intermediate temperature, between that of the BT fluid having passed through the organs (17, 18, 19) of the electric drive train and having collected the calories dissipated by these operating members, and that of the BT fluid having evacuated calories to the outside air through its crossing of the radiator (14) BT.
  • the temperature of the fluid at the output of the electric pump (102) is the average of the temperatures of the incoming BT fluids, weighted by the flows in these two branches.
  • This mode of operation thus allows the system to continue to provide adequate heating of the traction battery, even when the calories dissipated by the organs of the electric power train are surplus.
  • This configuration thus makes it possible to provide the components of the electric traction system with cooling both thanks to the calories absorbed by the cells of the battery and thanks to the calories discharged to the outside air by the radiator BT.
  • the reheating function of the battery is thus extended without affecting the thermal resistance of the various organs.
  • Figure 7 describes the configuration (Case 3) taken by the system when no fluid circulation BT is required internally of the traction battery and as long as the cooling of the components of the electric power train by the radiator BT n It is not necessary, however, with BT fluid circulation despite all necessary through the water core of the components of the electric power train. Any BT fluid access to the traction battery is condemned:
  • the electric water pump (102) is inactive (OFF position);
  • the on / off valve (103) disposed on the branch (158) of the cooling circuit between the battery (10) and the chiller (1 1) is in the closed position; • The on / off valve (104) disposed at the output of the radiator BT (14) to the chiller (1 1) is closed, thus condemning the output of the radiator BT (14) through the double passage (148, 149);
  • the on / off valve (101) disposed at the output of the battery (10) on the branch towards the radiator BT (14) upstream of the double-acting thermostat (21) is here preferably in the closed position;
  • valve (24) adopts a position such that the access of the fluid BT to the traction battery (10), through the electric water pump (102) inactive, is condemned.
  • BT fluid flow is required through the water core of the electric power train components.
  • the main electric water pump (23) of the LV circuit is active (ON position) and the BT liquid that it sucks upstream is discharged downstream towards the three-way valve (24). Due to its position, this condemns the access of the fluid BT to the battery (10) traction.
  • the liquid BT is thus directed towards the members of the electric traction system (17, 18, 19) which it passes in the conventional direction. At their exit, the liquid BT reaches a first intersection. Almost all of the BT fluid is directed by the bypass duct to the thermostat (21) double effect and a small portion of this flow is directed to the radiator (14) BT.
  • the part of the fluid BT which accesses the inlet water box (146) of the radiator BT (14) leaves through the degassing nozzle (143) without crossing the beam of the radiator BT (14) from the closed position of the thermostat (21) which condemns the channel in a single passage (148) through the beam of the radiator BT (14) according to Figure 2 and the closed position of the on / off valve (104) disposed at the output of the radiator BT (14) to the chiller (1 1) which condemns the channel in a double passage (148, 149) through the beam of the radiator BT (14) according to Figure 2.
  • This liquid BT then passes through the box (16) degassing to complete its degassing process and contribute to pressurize the cooling circuit, then is sucked by the main electric water pump (23) of the LV circuit to a final intersection upstream of the pump, where it joins the BT fluid which has passed through the double-acting thermostat (21) sensitizing the passage thereto the thermosensitive element.
  • the temperature of the fluid BT is then insufficiently high to cause the opening of the thermostat (21), which remains closed.
  • the liquid BT coming from these two channels (LV bypass duct (154) (14) and degassing box (16)) is then sucked by the main electric water pump (23) of the LV circuit and discharged into downstream to the valve (24).
  • the members (17, 18, 19) of the electric traction chain dissipate calories in the BT fluid that passes through them.
  • the temperature of the fluid BT which sensitizes the thermosensitive element during the crossing the double-acting thermostat (21) reaches a sufficiently high value, the thermostat begins its translational movement inside its body.
  • FIG. 8 illustrates the configuration (Case 4) taken by the system when cooling of the components of the electric traction system (17, 18, 19) by the radiator (14) BT is necessary whereas no BT fluid circulation is not required within the traction battery (10) nor permitted by the positions taken by the actuators (101, 102, 103, 104).
  • the double-acting thermostat (21) is in full opening, which means that the path from the outlet nozzle (145) made on the outlet water box (150) of the radiator (14) BT up to the main circuit electric water pump (23) of the LV circuit is fully open, allowing the liquid BT to pass through the radiator (14) BT in a single passage (148), while conversely, by the double effect, the conduit of bypass (154) of the radiator BT (14) is fully closed.
  • the intermediate positions of the thermostat (21) between its full closure (as illustrated in FIG. 7) and its full opening (as illustrated in FIG. 8), seen by the system when the temperature of the fluid BT sensitizes the element thermosensitive double-acting thermostat (21) is at a value between its opening and full opening temperatures, are not shown here. These intermediate positions do not add anything to the description here made of the system and do not alter its operation when, in any of these intermediate positions, the fluid BT circulates both in the bypass duct (154). ) and in the radiator BT (14) in a single passage (148
  • the description of the circulation of the liquid BT in the circuit is then identical to that made to explain fig.7.
  • the main electric water pump (23) of the LV circuit is active (ON position) and delivers the LV liquid it sucks upstream to the three-way valve (24).
  • the fluid BT passes through the three-way valve (24) without being able to access the traction battery (10) and is directed towards the members of the electric traction system (17, 18, 19), which it passes in the conventional direction. .
  • the liquid BT is directed towards the radiator (14) BT, thanks to the full opening of the thermostat (21) double effect which condemns at the same time the bypass duct (154).
  • BT fluid moving towards the radiator (14) BT accesses its inlet water box (146).
  • the on / off valve (104) disposed at the output of the radiator BT (14) to the chiller (1 1) is here closed, the double passage through the bundle of the radiator BT (14) is condemned, and like the thermostat ( 21) is open, a very majority of the BT fluid exits the BT radiator (14) flows through the outlet nozzle (145) of the outlet water box (150), passing through the radiator BT (14) in one single passage, and the other very small part of the BT fluid out of the radiator BT (14) by the degassing nozzle (143).
  • BT upstream of the water pump (23), BT fluids are joined having, for a very large part crossed in a the radiator (14) BT then passes through the thermostat (21) double effect always by sensitizing the passage of the thermosensitive element and, for a small part, then through the degassing box (16) from the tip of degassing (143) made in the upper part of the inlet water box (146) of the radiator BT (14).
  • the liquid BT from these two channels is then sucked by the main electric water pump (23) of the LV circuit and discharged downstream to the three-way valve (24).
  • FIG. 7 represents the case where a fluid circulation BT is still necessary through the water core of the members (17, 18, 19) of the electric drive train.
  • This flow of fluid BT may have to be cut, for example to accelerate the rise in temperature of these organs or to reduce the power consumption of the electric pump (23), if their internal temperature allows to cut intermittently (eg: for n seconds every m seconds with n ⁇ m) or continuous (eg: BT fluid circulation cut-off allowed the first few minutes of operation or until a temperature threshold of internal components of the members (17, 18, 19) of the electric power train), then the system adopts the same configuration as that described in Figure 7 with the only difference that then the main electric water pump (23) of the circuit BT is inactive (OFF position) or active (ON position) intermittently.
  • any sufficiently prolonged interruption of the flow of fluid through the circuit BT is likely to lose the information of the temperature of the fluid BT read by the various temperature sensors associated since they are no longer irrigated by the fluid BT.
  • the various internal temperature sensors of the components of the electrical components battery cells, rotor and stator of the electrical machines, motherboard of the electrical power, inverters and voltage converters
  • the computer dedicated or shared
  • drives accordingly and can thus again activate those which were inactive) all the actuators (except those which are passive): on / off valves (101, 103, 104), valve (24), GMV (20), electric pumps (23, 102).
  • the system can adopt the configurations of FIGS. 11 and 12 described below but, in the context desired here, with the chiller (1 1) of the refrigeration circuit then deactivated (on / off valve (121 ) of the refrigerant circuit in the OFF position) in order to provide no cooling BT fluid passing through the chiller (1 1).
  • This alternative to FIGS. 7 and 8, as provided by the variant described here, is relevant in the case where no action on the thermal of the battery (10) is necessary (the traction battery (10) does not express there is still no need for reheating or cooling) but that a fluid flow BT is still required internally of the traction battery (10) to homogenize the temperature distribution internally of the cells of the battery and / or its internal exchanger. It is therefore not necessarily necessary that the electric water pump (102) positioned on the battery branch is activated at its maximum command level: an intermediate command may be sufficient to satisfy the need.
  • a first variant with configuration of FIG. 9 implements, within the same LV circuit, two BT fluid circulations, with different temperature levels.
  • the need for circulation of fluid BT and therefore cooling of the components of the electric traction system (17, 18, 19) is identical to that described in FIG.
  • the double-acting thermostat (21) is here in the closed position because the temperature of the fluid BT, having previously absorbed the heat dissipated by the operating members of the electric drive train, is then insufficiently high to cause it to open.
  • the main electric water pump (23) of the LV circuit is active (ON position) and the BT fluid that it sucks upstream is discharged downstream towards the three-way valve (24) which, by its position, condemns the access BT fluid to the traction battery (10).
  • the liquid BT is directed towards the members of the electric traction chain which it passes in the conventional direction. At their outlet, the liquid BT is directed by the bypass duct (154) to the thermostat (21) double effect then, it being in the closed position, towards the suction of the main water pump (23) .
  • the battery (10) By its charging and discharging, the battery (10) here has a limited need for cooling.
  • the system adopts the configuration such that: • the electric water pump (102) positioned on the battery branch is activated (ON position);
  • the on / off valve (103) disposed on the branch (158) of the circuit between the battery (10) and the chiller (1 1) being in the closed position, the fluid BT can not leave the traction battery (10).
  • the thermostat (21) being closed, the path in a single passage (148) through the beam of the radiator BT (14) is locked. A large majority of the BT fluid is directed to the radiator BT (14).
  • the fluid BT can exit the radiator BT (14) either by:
  • This configuration thus makes it possible to shape two BT fluid cooling loops which are decoupled from one another and thus to establish, within the same LV circuit, two distinct flows of fluid BT, with different temperature levels: one through the members of the electric power train (17, 18, 19) without exchanging calories and the other through the traction battery (10) whose calories are dissipated to the outside air through the radiator BT (14). A certain level of cooling of the traction battery (10) is thus ensured, taking advantage of the radiator BT (14) then not used to cool the organs of the electric power train.
  • a second variant with configuration of FIG. 10 also makes it possible to ensure a low need for cooling the traction battery (10) while ensuring the need for active cooling of the components of the electric traction system (17, 18, 19).
  • the double-acting thermostat (21) is then fully open and opens wide the path (157) from the outlet nozzle (145) formed on the outlet water box (150) of the radiator BT ( 14) to the main electric water pump (23) of the LV circuit and condemns the bypass duct (154).
  • the main electric water pump (23) of the LV circuit is active (ON position) and delivers the LV liquid it sucks upstream to the three-way valve (24).
  • the fluid BT passes through the three-way valve (24) without being able to access the traction battery (10) and is directed towards the members of the electric traction system (17, 18, 19), which it traverses in the conventional direction .
  • the liquid BT is directed, thanks to the full opening of the thermostat (21) double effect which condemns at the same time the bypass duct (154), in the direction of the radiator (14) BT.
  • Concerning the cooling of the traction battery (10) the system adopts the same configuration as that in FIG. 9 and the operation of this part of the LV circuit is identical: the BT fluid likewise reaches the same intersection.
  • the double-acting thermostat (21) condemning the bypass duct (154), the BT fluids from the traction battery (10) and the members (17, 18, 19) of the electric traction system. join, mingle and are directed to the BT radiator (14) by accessing its inlet water box (146).
  • the thermostat (21) double acting and the on / off valve (104) disposed at the output of the radiator (14) BT to the chiller (1 1) are both open: the three exit channels of the radiator (14) BT offered BT fluid are then open:
  • a BT fluid cooled to a certain temperature level (single passage (148) cooling through the radiator BT (14)) is directed to the thermostat (21) and the members (17, 18, 19) of the chain electric traction, that is joined to the BT fluid from the degassing box (16), while is directed to the traction battery (10) BT liquid cooled to a lower temperature level than the previous one (double pass ( 148, 149) necessary to ensure adequate cooling of the traction battery (10).
  • the system still provides the members (17, 18, 19) electric traction and traction battery (1 0) of the LV fluid with levels of different temperature adapted to the associated cooling needs. Furthermore, if the temperature of the fluid BT from the radiator BT (14) by the simple passage (148) cooling, due to the heat exchange with the outside air at the level of the radiator BT (14), to decrease enough to cause the thermostat (21) to close again, then the system would resume the configuration shown in FIG.
  • the radiator BT (14) must also evacuate to the outside air the calories dissipated in the fluid BT by the members (17, 18, 19) of the electric power train and certain situations, without their being exceptional, require the system to devote the entire surface of the radiator BT (14). That is why an overcooling of the fluid BT (to produce a fluid TBT - very low temperature) before its entry into the traction battery (10) is necessary to greatly reduce the temperature of the fluid to substantially increase the difference between temperature between the fluid and the cells of the battery (10) to absorb the required thermal power.
  • the device takes the configurations described in FIGS. 1 1 (Case 7) and
  • a TBT fluid circuit limiting its circulation between the traction battery (10) and the chiller (1 1).
  • the on / off valve (103) disposed on the branch (158) of the circuit between the battery (10) and the chiller (1 1) is here in the open position and the on / off valve (101) disposed at the output of the battery (10) on the branch towards the radiator (14) BT upstream of the thermostat (21) is closed in order to force the fluid leaving the battery ( 10) pull the path to the chiller (1 1).
  • the on / off valve (104) disposed at the output of the radiator (14) BT towards the chiller (1 1) is here also in the closed position to devote the entire surface of the radiator (14) BT to cooling of the members of the electric traction chain (17, 18, 19) when the thermostat (21) is open (Case 8, Figure 12) and not to interfere with the supercooling of the TBT fluid by letting in this BT circuit a warmer fluid.
  • the activation (ON position) of the electric water pump (102) positioned on the battery branch (156) makes it possible to produce a restricted flow of fluid TBT between the traction battery (10) and the chiller (1 1).
  • thermostat (21) is closed (Case 7, Fig. 1 1) or open (Case 8, fig.12).
  • the flow of fluid BT in the radiator (14) is then entirely dedicated to evacuate to the outside air the calories absorbed by the fluid BT through the members (17, 18, 19) of the electric power train.
  • the production of the fluid TBT at the appropriate temperature required by the battery (10) of traction requires an expenditure far less than that required for example by the architecture shown in fig.1, because the temperature of the fluid TBT input the chiller (1 1) is much lower because the TBT circuit then comprises only the traction battery (10) and the chiller (1 1) and is completely separate from the LV circuit, without mixing possible fluids BT and TBT.
  • the device described by the present description then greatly reduces the stresses on the refrigerant circuit and the LV circuit.
  • the operation requires the implementation of the chiller (1 1) and therefore the opening of the valve (121) on / off (ON position) and possibly the adaptation of the control of the air conditioning compressor, or even the GMV, the blower of the air conditioning unit and the on / off valve on the refrigerant circuit upstream of the cabin evaporator and its regulator, to achieve the need for additional refrigeration.
  • the transition between the two possibilities is as soon as the internal temperature of the cells of the traction battery (or their mean or their maximum value or inter- or intra-cell thermal gradient) reaches and exceeds a 1st battery temperature threshold and / or when the fluid temperature BT at the input of the battery reaches and exceeds a temperature threshold 1 as recognized that the cooling of the battery is then insufficient, and / or by anticipation of one of these two events (for example by integration of the current supplied or received by the battery or by a thermal balance of the battery).
  • the output of this operating mode is effected if the internal temperature of the cells of the traction battery (or their mean or their maximum value or their thermal gradient inter or intra-cell) drops back to a 2 nd threshold of battery temperature ( less than 1 st ).
  • the configuration taken by the system can then be:
  • the system transiently retains this configuration (described where appropriate by cases 7 and 8) and the secondary loop (containing the chiller (1 1)) of the refrigerant circuit is deactivated (because it there is then no need to over-cool the BT fluid before it enters the traction battery (10): the on / off valve (121) on the refrigerant circuit upstream of the chiller (1 1) and its regulator (131) is therefore in the OFF position) and the electric water pump (102) positioned on the battery branch is activated at an intermediate control level to ensure a minimum circulation of fluid BT internally of the traction battery ( 10) to homogenize the temperature distribution internally of the cells of the battery and / or its internal exchanger.
  • FIG. 13 illustrates the management of the system while the vehicle is in transit, to thermally manage only the battery (10), in the rolling phase, as a function of the thermal state of the traction battery and the temperature of the outside air upstream of the cooling exchangers (condenser and LV radiator).
  • By-pass mode circulation of water in a short loop internally of the battery without heat exchange (by-pass cooling for purposes such as temperature homogenization), according to cases 7 and 8 with chiller (1 1) inactive and associated on / off valve (121) off;
  • cooling BT cooling of the battery (10) thanks to the radiator BT (14), according to cases 5 and 6;
  • Figure 13 is based on the following more or less basic considerations: ⁇ The traction battery is considered to present (see fig.14):
  • TBF temperature threshold
  • the electric power available at the battery is greatly reduced and therefore the reheating of the battery is necessary to increase the available performance. If, once this temperature threshold has been reached and exceeded, the temperature of the battery was brought down below this threshold, a hysteresis is implemented to stabilize the control of the system.
  • TBF belongs to the range [0 ° C; 15 ° C] and the hysteresis takes a fixed value of 3 ° C.
  • TBD temperature threshold
  • TBD belongs to the range [45 ° C; 55 ° C].
  • TBI temperature threshold
  • TBI> TBD corresponding to the end of the derating, temperature for which the internal computer of the battery opens the contactors for protection and battery backup purposes.
  • TBI takes for example the value of 60 ° C.
  • TBM temperature threshold
  • TBM ⁇ TBD A temperature threshold
  • TBM ⁇ TBD a temperature threshold not to exceed not to reduce the life of the battery.
  • TBM belongs to the range [35 ° C; 50 ° C].
  • Two thresholds TB1 and TB2 such as TBF ⁇ TB1 ⁇ TB2 ⁇ TBM and no thermal management of the traction battery is useful when the temperature of the traction battery is between TBF and TB1.
  • the thermal management system must be optimized to maintain the traction battery while minimizing the energy expended to do so.
  • the heating of the battery is, as soon as justified by the battery temperature, preferably implemented as soon as possible (depending on the BT fluid temperature in the LV circuit and the ⁇ between the LV fluid temperature and the battery temperature) thanks to the heat losses dissipated in the fluid BT by the components of the electric traction system.
  • the solicitation of the battery charging and discharging during this rolling time also makes it rise in temperature by Joule effect.
  • a ⁇ mini is necessary between the battery temperature and the ambient temperature to just keep the battery temperature constant on a given stress (eg during driving) and therefore dissipate the thermal power released by the battery to the outside air.
  • This ⁇ depends on the ambient conditions and the stress of the vehicle: it is therefore highly variable.
  • any value of ⁇ lower than this value of ⁇ mini but positive is still beneficial for the system: the increase of the temperature of the battery is slowed down by evacuation of a part (and not of the totality, since then ⁇ ⁇ min) of its thermal power released.
  • the activation of the GMV (20) also depends on its other uses (cooling of the thermal engine if present, of the organs of the electric traction chain, condensation for the air conditioning, thermal environment under hood ”) and the vehicle speed (eg: a high vehicle speed generates sufficient air velocities on the exchangers without the use of the GMV being justified, said exchangers can then be saturated on the air side, on the other hand, an insufficient vehicle speed justifies the additional air power supply generated by the GMV to obtain sufficient air velocities on the exchangers).
  • the vehicle speed eg: a high vehicle speed generates sufficient air velocities on the exchangers without the use of the GMV being justified, said exchangers can then be saturated on the air side, on the other hand, an insufficient vehicle speed justifies the additional air power supply generated by the GMV to obtain sufficient air velocities on the exchangers.
  • the "BT cooling" mode is the most efficient (prorata thermal power evacuated / electrical power consumed to be done) and the most energy efficient as long as a significant ⁇ exists between the battery temperature and the ambient temperature. By a high ⁇ , for example by sufficiently low ambient temperature, this mode alone may be sufficient to cool the traction battery without using the "TBT cooling” mode: it may even be relevant to optimize the electric power consumed by the device. electric pump by reducing the flow of water to maintain thermal iso-power dissipated.
  • the most efficient and the most energy efficient is to increase the flow of water supplied by the electric pump: in fact, an increase in the flow rate of water significantly increases the thermal power dissipated with a reduced impact on the electrical power consumed.
  • the "BT cooling" mode is activated by gradually increasing the water flow as the battery temperature increases while monitoring the water temperature entering the battery.
  • the transitions between the "BT cooling", "by-pass” and “TBT cooling” modes are more conditioned by the driving mode and the behavior of the driver than by a cold ambient temperature. (where the high ⁇ is sufficient to absorb significant thermal powers) or high (where operates the mode "cooling TBT").
  • this mode is always active, and can be used for lower battery temperatures, depending in particular on the battery temperature value and the ambient temperature.
  • the system adopts one of the “bypass” or “BT cooling” modes depending on the value of the water temperature at the battery inlet, the ambient temperature and the difference between these two values.
  • the "bypass” mode is a transition mode, in some cases competing with the "stand-by” mode, between the "cooling TBT” and “cooling BT” modes or when one of these modes until then active becomes unnecessary.
  • the "bypass” mode helps to homogenize the internal temperatures of the cells of the battery.
  • ambient temperature ambient temperature
  • a 1st domain A such as battery temperature> TBI: the battery is then out of service, so it can no longer supply high voltage energy to ensure the mobility of the vehicle or ensure cooling of the traction battery.
  • a 2 nd B domain such as battery temperature ⁇ TBF and battery temperature ⁇ room temperature: this is an impossible area due to the operation of the system. Indeed, the lowest temperature encountered by the battery is necessarily the minimum between TBF (if the battery has been thermally preconditioned, see below) and the ambient temperature (if the battery has not been thermally preconditioned).
  • TBM ⁇ battery temperature ⁇ TBI • A 5 th field E as TBM ⁇ battery temperature ⁇ TBI: throughout this area, the "cooling TBT” mode.
  • This zone by sizing of the system, is not accessible for cold room temperature (ambient temperature ⁇ TAF) or temperate (TAF ⁇ room temperature ⁇ TAE) since, as explained above, the mode "LV cooling” is, by sizing the system, sufficient (by varying the BT fluid flow) without having to resort to the "TBT cooling” mode. It is nevertheless possible to use it for cold or temperate ambient temperatures for safety reasons.
  • a 7 th field G such that TB1 ⁇ battery temperature ⁇ TB2 and room temperature ⁇ TAF: throughout this area, by dimensioning of the system, the "cooling BT" mode is sufficient, even without implementing the maximum flow rate of BT fluid internal battery, without having to resort to the mode "cooling TBT".
  • the 9th remaining area I is defined into several sub-areas:
  • o 12 this field illustrates the area of recourse necessary for the "TBT cooling” mode and in particular the associated refrigeration of the LV fluid before it enters the battery, the ambient temperature then being too high to ensure the cooling of the battery by the "BT cooling” mode.
  • o 13 this is the remaining domain, where to persevere in the "BT cooling” mode requires that the BT fluid flow is then raised to its maximum value.
  • the solicitation of the battery always causes it to generate thermal losses by joule effect and the temperature of the battery therefore continues to increase since it is then in the area D in which no cooling of the traction battery is then implemented. , the system is then in "stand-by" mode.
  • the ambient temperature is between TAF and TAE (at a higher value than in example 3) and the battery is initially thermally preconditioned to TBF: the solicitation of the battery makes it generate thermal losses by Joule effect and the temperature of the battery increases without any cooling since being then in the range D.
  • the temperature of the battery then reaches TB1 and enters the subdomain 13 where the mode "BT cooling" is implemented with a BT fluid flow then forced to its maximum value, the small temperature difference between the battery and the ambient the applicant to evacuate through the thermal power dissipated by the battery.
  • Example No. 5 the ambient temperature is slightly lower than TAE and the battery is here also initially thermally preconditioned to TBF.
  • the thermal losses generated by the Joule effect increase, in the absence of any cooling (since in the domain D), the temperature of the battery up to TB1.
  • the battery temperature then enters this subdomain at ambient temperature> battery temperature.
  • Even if here also the mode "BT cooling" is implemented with a fluid flow BT then forced to its maximum value, so this mode is in a 1 inefficient time and ongoing battery temperature to rise sufficiently for then exceed the ambient temperature.
  • the temperature difference between the battery and the ambient that is established is then sufficient to evacuate through the thermal power dissipated by the battery.
  • the battery temperature could then be maintained (in example no. 5 but also in example no. 4) in thermal equilibrium at a lower temperature value, closer to TB1 but at the cost of higher energy cost than in the previous example since necessarily using refrigeration (additional cost to relativize since refrigeration will most likely, given the ambient temperature, already active to refrigerate the passenger compartment, and all the more in Example No. 5.
  • the "TBT cooling" is in this example 5 'then implemented from the outset of the vehicle, while initial battery temperature is still equal to ambient temperature close to TAE: the associated implementation refrigeration could then bring the thermal equilibrium temperature of the battery to a value lower than the initial battery temperature close to TB1, but as previously at the cost of a higher energy expenditure, as in Example No. 5 to be upgraded in a compromise approach between battery durability, autonomy, efficiency and performance.
  • the ambient temperature here is greater than TAE and the battery is here initially thermally preconditioned to TBF.
  • the thermal losses generated by Joule effect increase, in the absence of any cooling (since in the domain D), the battery temperature up to TB1, value for which the battery temperature enters the F domain.
  • cooling TBT " which refrigeration of the BT fluid at the input of the battery, is then implemented, thus achieving a thermal equilibrium more or less close to TB1 according to the design and control of refrigeration BT fluid input drums.
  • the thermal management of the traction chain as described here is also operational and active in other situations of life of the vehicle.
  • the criterion sizing for the life of the battery is primarily its average temperature.
  • o the battery may need to be thermo-managed before, during but also after recharging, cooling and reheating; o the charger by its activity needs to be cooled.
  • the “Idle” situation is the "out-of-use” status of the vehicle in the absence of any other request, whether the charging cord is plugged in or not, and as long as there is no power-up request. the vehicle and the power train.
  • the output of the "Rest” situation is made at the onset of a power-up request or at the onset of a request for recharging, aftercooling or preconditioning.
  • the battery computer monitors the cell temperatures for safety purposes (thermal runaway, etc.) and for estimating the aging of the battery. This monitoring takes place for all phases except for the use of the battery: recharging, thermal preconditioning, aftercooling, rest, and in particular while the vehicle is connected to the domestic or public or specific electrical network. Periodicity and duration Such monitoring is adapted to the electrochemistry implemented within the cells of the battery.
  • the thermal management system of the power train of the present invention takes in situation "rest", the configuration described for case 3, Figure 7 with the main water pump (23) of the electrical circuit BT inactive (OFF position). There is therefore no circulation of coolant, either within the traction battery (1 0) or the components of the electric power train (1 7, 1 8, 1 9). During this phase, it may be required of the thermal management system that it cools the battery (1 0) if its temperature reaches a certain safety threshold and until the temperature of the battery falls below this reduced threshold of some hysteresis.
  • the mode "cooling TBT” is then unavailable. Nevertheless, the 1 2V network is then available (service battery) so the mode "BT cooling” also.
  • This cooling mode is more effective than the temperature difference ⁇ between the outside air and the battery is important.
  • battery temperature> TBI then according to the storage conditions of the vehicle, a ⁇ of at least 20 to 30 ° C exists between the outside air and battery temperatures, able to evacuate the power thermal dissipated by the battery according to the amplitude of its thermal runaway.
  • the thermal management system of the power train then takes the configuration described for case 5, FIG. 9:
  • the electric water pump (1 02) situated upstream of the battery (10) is activated to provide the maximum BT fluid flow
  • the system adopts the configuration described for Case 7, Figure 1 1 where the main electric water pump of the LV circuit is still inactive (OFF position) and where a BT fluid circulation is established in a short loop in internal battery (1 0) without heat exchange, with chiller (1 1) inactive and on / off valve (1 21) associated off position, with a non-maximum BT fluid flow, reduced to a value necessary and sufficient for homogenize the internal temperatures of the cells of the battery (1 0) and if necessary, provide a last level of cooling to the battery.
  • This configuration is maintained until the battery temperature has returned to an acceptable temperature range or the SOC of the service battery reaches a 2 nd threshold or after a preset time has elapsed after the changeover of the battery.
  • the 'cooling TBT' mode is then available (the 'BT cooling' mode as well) and is given priority to keep the battery temperature out of a potentially dangerous range.
  • the aim here is to stem the thermal runaway, the deterioration of the battery and the associated consequences and is no longer to optimize the energy of the operation, especially since the vehicle is not used. then adopts the configuration described for the case 7, 1 1, wherein the pump main electric water (23) of BT circuit is inactive (OFF position).
  • the refrigerant circuit therefore the chiller (1 1) are kept inactive and the on / off valve (1 21) associated off position, with circulation of fluid at its maximum flow in a short loop internally of the battery (1 0), so without exchange thermal with the chiller (1 1).
  • This 1 st step lasting from seconds to tens of seconds, is to homogenize internal temperatures of the cells of the battery and provide a first level of cooling to the battery.
  • the refrigerant circuit including the GMV (20) and the electric compressor (22), adequately controlled, in particular according to the perceived noise level outside the vehicle) so the chiller (1 1) are activated and the associated on / off valve (121) in position on (the on / off valve (122) associated with the passenger compartment evaporator (12) is then forced off), and the internal fluid circulation of the battery (10) is maintained at its maximum rate.
  • This configuration is maintained until the battery temperature has returned to an acceptable temperature range or, if the vehicle is not connected, until the SOC of the service battery and traction (10) reaches a threshold 1, the first of these is the sooner.
  • the SOC of the service battery and traction battery (10) could have evolved during the operation just described, it can be proceeded to a recharge of these batteries (in any order but preferentially first that of servitude up to a certain level of SOC, then that of traction if not damaged, then finally the recharge of the battery of servitude is finally completed until its maximum allowable SOC) .
  • a post-cooling of the components of the electric power train may be necessary if the water temperature in the LV circuit and / or if the temperature of these organs are too high high. This post-cooling serves to cover the thermal risks associated with stopping the stress on the components of the electric traction system:
  • the activation order of the actuators for the post-cooling of the components of the electric power train is the use of the main electric water pump in the first place to evacuate the residual heat stored in the organs, then the use of the GMV to cool the water temperature if necessary.
  • the electric water pump will be activated at a calibrated threshold for a certain calibrated time, if the temperature of the fluid BT in the cooling circuit of the components of the electric power train reaches or exceeds a 1 st calibrated temperature threshold or if the internal temperature of at least one of the members reaches or exceeds a first other calibratable temperature threshold.
  • this BT fluid temperature reaches or exceeds a 2nd threshold of calibratable temperature (these 1st and 2nd thresholds of temperature of the fluid BT will be chosen such as 2nd temperature threshold> 1st threshold of temperature), it is required of the GMV its activation with at least a minimum calibratable speed, either fixed or variable in consistency with the evolution of the BT fluid temperature, and in both cases to achieve the required ventilation by limiting the noise perceived outside the vehicle.
  • a calibrated time delay is started to limit the use of the post-activation of the GMV regardless of the temperature value of the fluid BT, long enough for the BT fluid temperature can reach the deactivation threshold.
  • controllable flaps their opening is required if the speed of the GMV is higher than another calibratable threshold.
  • these controllable flaps are kept closed regardless of the speed of rotation of the GMV.
  • the GMV is stopped either after a calibrated time, or if the temperature of the BT fluid drops below the second calibratable temperature threshold minus a hysteresis.
  • the speed of the GMV falls below a calibrated threshold, the closing of the air inlet flaps on the front of the vehicle (if equipped and if they have been previously opened) is authorized.
  • the electric water pump is stopped either at the end of a calibrated time, or if the temperature of the fluid BT drops below the first calibrated temperature threshold or if the internal temperature of the components of the electric traction chain drops below the first other calibratable temperature threshold, these thresholds being reduced by a hysteresis.
  • a post-cooling is operated until the temperature of the battery falls below a threshold TEMP_BTRAC_ POSTREFR_LOW set at for example 30 ° C.
  • this post-cooling is relevant for lowering the temperature of the traction battery.
  • the performance of the battery is reduced, in the absence of any device allowing to heat the battery other than its self-heating in use or to save the electric power dedicated to its heating or if the calories present in the circuit BT are notoriously insufficient to do. It may then be relevant not to post-cool the battery under these conditions so that the still hot battery is stored in a cold thermal environment, to keep inside the battery pack the useful heat for the next departure of the vehicle with a battery still in temperature, as much as possible to provide its nominal performance.
  • a condition on the outside temperature such that the post-cooling is inhibited if the outside temperature is lower than a threshold TEMP_EXT_POSTREFR (for example 10 ° C).
  • the vehicle In the post-cooling phase, the vehicle is not connected to the domestic or public electrical sector or specific (for fast charging) (unlike the thermal preconditioning commented below).
  • the energy thus devoted to post-cooling the battery (durability, availability and autonomy of the electric mode) can no longer be dedicated to the mobility of the vehicle.
  • a low temperature threshold activating the post-cooling is certainly favorable to the durability of the battery but this post-cooling is done by consuming electrical energy stored in the battery.
  • the input condition in this "post-cooling" mode is supplemented by a condition on a minimum SOC level to be respected before switching to this mode and the battery temperature output condition ⁇ TEMP_BTRAC_POSTREFR_LOW can be completed, at the first terminated terms, a condition of maximum post-cooling time TIMER_POSTREFR (set at a value for example between 5 and 10 minutes) and a condition on the minimum SOC level of the traction battery.
  • each of these two modes is followed, before the exit of the post-cooling situation, from a phase, lasting from ten seconds to one minute, where the "by-mode” pass "is activated in order to homogenize the temperatures internally of the cells of the traction battery before going into the idle mode.
  • case 6 (or case 5 for the same reasons as above for case 3) in the event of a post-cooling of the traction battery according to the "BT cooling" mode and at the same time after-cooling of the the electric power train;
  • TBT cooling and at the same time aftercooling of the components of the electric power train
  • the reason for the "thermal preconditioning of the battery” phase is to take advantage of the connection of the vehicle to the external power supply to warm or lower the temperature of the battery if necessary and judicious: • As soon as it is connected to the external electricity grid, at the earliest, for the purpose of battery life, thus lowering its temperature by a reduced energy expenditure since the energy required is drawn from the electricity grid, whether there is had or had not pre-cooled the battery;
  • a thermal preconditioning in reheating of the battery is relevant, in order to satisfy an availability of pure electric mode by cold external temperatures.
  • a thermal preconditioning of the battery (in cooling) may be necessary in order to reduce the internal temperature of the traction battery in several ways:
  • the approach may differ from that of a purely electric vehicle where the electric power train is the only source of mobility of the vehicle (and therefore the traction battery is its sole source of energy) .
  • the electric power train is the only source of mobility of the vehicle (and therefore the traction battery is its sole source of energy)
  • the thermal battery does not allow a departure in pure electric mode
  • the engine is started to ensure the mobility of the vehicle.
  • the cooling or reheating of the battery will then be activated, in compromise with the refrigeration of the passenger compartment or with the electric power available according to the battery temperature, in order to allow the earliest possible availability according to its temperature and the residual energy.
  • This thermal preconditioning function is only accessible if the vehicle is connected via the charger to the domestic or public or specific electrical network. This in order to reduce the associated energy expenditure and not to amputate the mobility in hybrid or electric mode offered by the electrical energy stored in the battery, the interest being, in addition to the availability of pure electric mode and battery durability already mentioned, to offer increased autonomy, since the refrigeration or the heating of the battery will not be active during the time that the battery will raise the temperature and the associated electrical power thus saved while the battery is the only source of electrical energy.
  • a request for thermal preconditioning of the battery is generated as soon as the charging cord is connected and:
  • the output of the thermal preconditioning condition when the battery is reheated is on a battery temperature threshold> TEMP_BTRAC _PRECOND_HIGH (value between 0 and 25 ° C) so that this value is: ⁇ high enough for the battery to be in its optimal temperature range with respect to the deliverable electrical power
  • thermal management system of the power train On the side of the components of the electric power train, those then operational in the thermal preconditioning phase of the passenger compartment and the GMP, in particular the charger and the power electronics, may therefore require the thermal management system of the power train.
  • a certain level of cooling to ensure their functions of converting the electrical energy received from the external network and providing high and low voltage components necessary for the thermal preconditioning of the traction battery.
  • This cooling must be dimensioned in this situation so that the respect of the internal temperature criteria of these components and of the inlet water temperature of these components guarantees their optimal operation at their nominal performance (excluding derating) without compromising their integrity (reliability and reliability). lifetime).
  • a minimum flow rate may be introduced within the low-temperature heat transport circuit (by default no more than one if a minimum non-zero constant flow rate is required for the operation of the organs or to sensitize the water temperature probe); ⁇
  • the preconditioning phases if the internal temperature of the components of the electric traction system involved in the preconditioning process or if the temperature of the low temperature heat transport circuit, reaches or exceeds the associated temperature criterion, the first of the terms the electrical water pump is activated at a higher flow rate (for example its maximum flow rate), until the triggering temperature (internal temperature or water temperature of the LV circuit) drops below the associated threshold minus one hysteresis adjusted accordingly, depending on the nature of the triggering criterion.
  • the GMV does not require an aeraulic power supply on the LV radiator, but as a non-preferential alternative, the GMV can be activated and deactivated (including hysteresis) at a calibrated speed threshold based on calibrated temperature thresholds. Low temperature water and / or internal temperature of the organs involved.
  • the main low temperature water pump is activated at a calibrated setpoint:
  • the required minimum flow rate of BT fluid can be delivered continuously or periodically (as a function of time); in any case variable depending on the water temperature in the LV circuit and the temperature of the components associated with the preconditioning process (in particular charger and power electronics) to the first of the terms expired.
  • the air intake flaps on the front panel may be in the open position if the water temperature of the LV circuit reaches or exceeds another calibrated temperature threshold or if the internal temperature of at least one of the components concerned reaches or exceeds a another calibrated temperature threshold, to promote heat dissipation through the LV radiator even if the GMV does not rotate or if the rotation speed of the GMV reaches and exceeds a calibrated value.
  • the GMV is controlled at a calibrated speed (with constantly zero reference, therefore GMV deactivated) from calibrated thresholds on the LV circuit water temperature and on the temperatures of the components involved in the preconditioning process and considering noise criteria perceived outside the vehicle.
  • the thermal management system of the power train presented here can take several possible configurations:
  • Rechargeable vehicles whether hybrid or a fortiori electric, have the possibility of charging the traction battery on the sector (domestic or public outlet or specific (for a fast recharge)).
  • Several types of refill can be distinguished:
  • charging can be slow (recharging under 3 to 5kW max) or fast (charging under 40 to 50kW): the thermal behavior of the traction battery will not be the same for both types charging;
  • the recharge can be immediate (from the connection of the charging cord to the domestic or public electrical sector or specific (for a fast recharge) if this recharging is allowed) or deferred by programming the start time of charging or using the desired vehicle.
  • the battery needs to be thermally managed.
  • cooled to absorb the calories generated within the battery both by the Joule effect and by the thermochemistry of the reactions occurring therein
  • reheated to absorb the calories generated within the battery both by the Joule effect and by the thermochemistry of the reactions occurring therein
  • recharging can be adapted by limiting the power at the beginning of recharging to heat the battery and then recharge it with the nominal power level, potentially increasing the overall recharge time;
  • battery cooling may be required, either continuously (in fast charge for high power input levels) or occasionally / intermittently in slow charge or fast charging for low levels of electrical power injected, to promote recharging by absorbing the calories released by the Joule effect and the exothermic chemical reactions taking place there.
  • the cooling of the battery can be implemented according to the operation that has just been explained (thresholds for activation and deactivation of cooling, possibly adapted to reduce the number of activations and deactivations of the cooling system and limit the impact on the duration of recharging); more preferably, the cooling of the battery is implemented continuously in order to maintain the temperature of the battery at an approximately constant value or within a given range of temperature, without over-charging the cooling members required by intermittent interlocking and disengaging.
  • the thermal management of the battery can also be justified at the end of the recharge, to ensure the availability of the battery for pure electric driving immediately after recharging if the temperature of the battery is too much or too little high at the end of the recharge, as well as the durability of the battery (influence on its average temperature).
  • the post-cooling phase (with the difference that the battery and the vehicle are not connected to an external energy source while this is the case here), by low ambient ambient temperatures such as that the performance of the battery chambered at these temperatures are reduced compared to their level at higher battery temperatures, the lack of cooling of the battery after recharging can be justified so, the battery then being stored in a thermal environment more cold and taking into account its thermal inertia and the thermal exchanges carried out by conduction and natural convection with the ambient environment, to keep inside the battery pack the useful heat for the next departure of the vehicle with a battery still in temperature , as much as possible to provide its nominal performance.
  • This strategy also aims to save the implementation of a reheat a posteriori to compensate for the cooling that would have been operated, and the electrical energy associated with these two operations.
  • a condition on the ambient temperature such as cooling after the recharge is inhibited at room temperature ⁇ TEMP_EXT_RECH (eg 10 ° C).
  • the opportunity to have to thermally manage the battery at the beginning of programmed recharging is possible, especially if the vehicle is parked in a cold environment and if recharging takes place several hours after the end of the taxiing, and allowed: the processes described above are then rolled out if necessary.
  • the different temperature thresholds will be chosen so as not to as far as possible (apart from the case of fast charging with high power levels injected), to manage the battery again during charging (taking into account the rise in the temperature of the battery during recharge).
  • the target temperature of the battery given as a target to be achieved to the thermal management system is then set to TE M P_BT R AC_R EC H_LO W_B E FO RE (for cooling: calibrated value for example between 0 and 20 ° C) and TEMP_BTRAC_RECH_HIGH _BEFORE (for heating the battery: calibrated value for example between -40 and 25 ° C).
  • the thermal management of the traction battery (respectively cooling or reheating, if necessary) will be deactivated as soon as the temperature of the battery reaches a threshold, TEMP_BTRAC_RECH_IMM, included between TEMP_BTRAC_RECH_BEFORE and TEM P_BT R AC_R E CH_LOW_B E FO RE (respectively TEMP_BTRAC_RECH_HIGH_BEFORE; calibrated value, for example 25 ° C).
  • This threshold thus makes it possible to lower (respectively increase) significantly the temperature of the battery without waiting to reach the threshold of TEM P_BT R AC_R EC H_LOW_B E FO RE (TEMP_BTRAC_RECH_HIGH_BEFORE respectively) and will be chosen so as not to have to manage thermally again the battery during charging (given the rise in battery temperature during charging) so as not to increase the total time allocated for recharging.
  • the thermal management system of the power train may therefore require the thermal management system of the power train certain level of cooling, to ensure their functions associated with the actual charging and the supply in high, low and / or very low voltages of the organs necessary for the thermal management of the power train.
  • This cooling must be dimensioned in this situation so that compliance with the internal temperature criteria of these components and input water temperature of these components ensures their optimal operation (in particular to maximize the availability of charging the battery at full power ) their nominal performance (excluding derating) without compromising their integrity (reliability and service life).
  • a minimum flow rate may be introduced within the low-temperature heat transport circuit (by default no, or more if a minimum constant non-zero flow rate is required for the functioning of the organs or to sensitize the water temperature probe), continuously or periodically as a function of time;
  • the pump with electric water is activated at a higher flow rate (for example its maximum flow), until the triggering temperature (internal organ temperature or water temperature of the LV circuit) drops below the associated threshold minus a hysteresis adjusted accordingly, depending on the nature of the triggering criterion.
  • This maximum flow rate value in the LV circuit will be imposed, even without a need for cooling of the components of the electric power train, if there is a need to warm up the traction battery in order to transfer the calories dissipated by it.
  • these organs in the absence of other device capable of heating independently (burner, electric heater, electrical contact resistors, heat pump, ).
  • the opening of the air inlet flaps on the front face of the vehicle may be required (if not already open elsewhere, for example if it is necessary at the same time to cool the battery itself and that this cooling requires the opening of the shutters) so as to favor the transfer to the outside air of the calories released in the circuit BT by the members of the chain of electric traction.
  • the GMV is not activated as a result of the cooling of these members (excluding the traction battery).
  • it can be activated / deactivated at a calibrated speed threshold from calibrated thresholds of low temperature water temperature and / or internal temperature of the organs involved, and taking into account noise criteria perceived outside the vehicle.
  • the air inlet flaps on the front panel may be in the open position if the temperature of the LV circuit reaches or exceeds another calibrated temperature threshold or if the internal temperature of at least one of the components concerned reaches or exceeds a another calibrated temperature threshold, to promote heat dissipation through the LV radiator even if the GMV does not turn.
  • the GMV is controlled at a calibrated speed (constantly zero reference, so GMV disabled) based on criteria of perceived noise outside the vehicle and calibrated thresholds on the BT fluid temperature and the temperatures of the components involved in the process. the charging process.
  • Case 1 to recover and communicate to the traction battery (10) the calories still present by thermal inertia in the LV circuit and / or dissipated by the components of the electric traction system then operational in this phase, including the charger ( 19) and the power electronics (18);
  • the main electric water pump (23) of the LV circuit is deactivated as soon as the need to cool the members (18, 19) of the electric traction system disappear and their operation without internal circulation of fluid BT is allowed. If this is not the case, in order to reduce the power consumption, the electric water pump (23) will be implemented periodically or so as to provide the minimum flow required by the organs to be cooled (battery of traction (10), power electronics (18), charger (19)).
  • the cases 3 and 4 such as the BT internal fluid flow of the battery (10) is interrupted as soon as the need to heat or cool it n is more proven, do not are preferably not part of the configurations that can be adopted by the thermal management system of the power train in the phase "plug-in battery recharge". Indeed, in this case, the "bypass" mode is preferred in order to guarantee homogenization of the internal temperatures of the cells of the traction battery, the latter still being in the charging phase.
  • This strategy aims to modulate the operating conditions of the battery impacting its aging (levels of required services, range of use, thermal management) to optimize the performance of the vehicle (consumption, range, interior thermal comfort %) in compromise with the durability of the battery.
  • the conditions of use of the customer are considered as imposed input data of the optimization process, characterized in particular by the ambient temperature (marketing zone, climate, season, storage conditions of the vehicle, etc.), the number of daily recharges, mode (pure electric, hybrid), type (quiet, sporty %) and places (city, road, highway ...) driving ...
  • a damage factor is defined, evaluated in real time taking into account the operating conditions of the battery, and compared to a maximum target.
  • This damage factor aims to ensure as much as possible, for each customer, the durability of the battery over the life of the vehicle.
  • the main parameters taken into account are the amount of energy absorbed and supplied by the battery per SOC range, the time spent in each battery temperature range (both in use and in storage) and current, aging. and the mileage ...
  • This factor of damage influences in particular the depth of discharge DOD (for Depth of Discharge according to the English terminology), the SOE and its modulation, the adjustment of the electric power available and provided (in particular in function of the SOC and the temperature of the battery), and also the thermal management of the battery (through the modulation of its regulation temperature in rolling, thermal preconditioning, post-cooling ).
  • the strategy allows, for example, a widening of the range of useful SOE or a moderate battery cooling to improve the vehicle benefits such as consumption, autonomy in pure electric mode ...
  • the strategy can make evolve the operating point of the battery, for example by reducing the DOD, in lowering if possible, the regulation temperature of the battery, by decreasing the level of available electric power, so as to improve the durability of the battery by a compromise and an optimization of the performance of the vehicle.
  • the expected benefits are, of course, the durability of the battery, but also an improvement of the consumption in use, the autonomy in pure electric mode, the robustness and the repetitiveness of the performances (consumption, autonomy in mode pure electric, electric power available ).
  • the active heating of the traction battery is possible without using any external and additional energy of fossil or electric origin (unlike the system illustrated in FIG. 1), and achieved by recovering in a simple way the heat losses of the electric drivetrain. This is particularly relevant energetically since these losses thermal are in the state of the prior art evacuated to the outside air and therefore not used and since they thus make it possible to dispense with evoked heaters and energy costs (direct or indirect fuel consumption, power consumption, autonomy) and monetary (costs for the manufacturer, the customer and the APV network) associated.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de gestion thermique d'une chaîne de traction d'un véhicule, formée par au moins une batterie de traction (10) et des organes électriques de traction (17, 18, 19), comprenant un radiateur (14), un évaporateur réfrigérant/eau (11), et un premier circuit de refroidissement de la batterie (10), dans lequel circule un fluide de refroidissement. Le dispositif se caractérise par le fait que le radiateur (14) comporte au moins deux sorties, une première sortie du radiateur (14) permettant un seul passage dans le radiateur (14) du fluide de refroidissement vers les organes électriques (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, et une deuxième sortie du radiateur permettant au moins deux passages dans le radiateur du fluide refroidissement vers la batterie (10), le radiateur (14) permettant de définir un deuxième circuit de refroidissement pour les organes électriques (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, indépendant du premier circuit de refroidissement pour la batterie de traction (10).

Description

DISPOSITIF DE GESTION THERMIQUE D'UNE CHAINE DE TRACTION D'UN VEHICULE HYBRIDE OU ELECTRIQUE
La présente invention concerne le domaine de la gestion thermique d'une chaîne de traction d'un véhicule hybride ou électrique, et plus particulièrement la gestion thermique d'une chaîne de traction d'un véhicule hybride ou électrique par liquide de refroidissement basse température ou très basse température.
La pression économique, notamment sur le prix des carburants, réglementaire et environnementale (réglementation des émissions polluantes et des gaz à effet de serre, épuisement des réserves de pétrole), guide la tendance actuelle vers le développement de véhicules à chaînes de traction purement électrique ou hybride électrique (le moteur thermique à combustion interne et au moins un moteur électrique), dites :
^ soit série : le moteur thermique ne sert qu'à entraîner une génératrice qui produit de l'énergie électrique pour faire, via le moteur électrique, se mouvoir le véhicule et/ou recharger la batterie,
^ soit parallèle : les moteurs électrique et thermique peuvent, chacun individuellement ou les deux ensemble, propulser le véhicule ; le moteur thermique pouvant additionnellement recharger la batterie.
De tels véhicules comprennent au moins un circuit avec liquide de refroidissement, appelé basse température (BT) et ayant généralement des températures maximum d'au plus 60 à 90 °C, dédié au refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique (machines électriques, électronique de puissance, onduleurs, convertisseurs, chargeur de batterie ...). Les véhicules hybrides comprennent également un circuit de refroidissement liquide dit haute température (HT) dédié au refroidissement du moteur à combustion, voire aussi de la boîte de vitesses et ayant des températures pouvant atteindre et temporairement dépasser 120°C en fonctionnement, et 140°C en coup de chaud, avec localement jusqu'à 160 à 180°C, par exemple dans un carter de turbine du turbocompresseur.
De par les niveaux de température rencontrés les deux circuits BT et HT sont, dans le cas d'un véhicule hybride, indépendants.
Le circuit BT d'un véhicule électrique ou hybride comprend de façon traditionnelle, en plus des organes à refroidir de la chaîne de traction électrique :
^ une pompe à eau, très généralement électrique, pour faire se mouvoir le liquide de refroidissement, ^ des conduits, afin d'acheminer le liquide de refroidissement d'un point à l'autre de ce circuit BT,
^ un échangeur air extérieur / eau, appelé radiateur BT, pour évacuer les calories véhiculées par le liquide de refroidissement,
^ éventuellement un groupe moto-ventilateur (GMV), dédié ou partagé avec le refroidissement du radiateur principal du circuit HT (dans le cas d'un véhicule hybride thermique) et du condenseur si le véhicule est de surcroît climatisé.
Ainsi, dans tous les modes de propulsion ou de traction du véhicule, qu'il soit hybride thermique ou électrique, les calories dissipées par les organes de la chaîne de traction électrique dans le circuit BT sont évacuées à l'air extérieur.
De tels véhicules électriques et hybrides comprennent de plus, en tant que stockeurs d'énergie électrique, une batterie haute tension de traction, nécessaire pour fournir de l'énergie électrique faisant se mouvoir le véhicule. Grâce à leurs différentes propriétés les stockeurs au lithium-ion (Li-ion) sont particulièrement propices à remplir tous les challenges associés à ces véhicules et sont utilisés pour les véhicules électriques et hybrides futurs. Mais ces batteries au Li-ion requièrent une grande attention quant à leur gestion thermique, due à la grande sensibilité de leur électrochimie à la température.
D'après la loi d'Arrhenius, la vitesse d'une réaction chimique croît de façon exponentielle avec la température. Par conséquent, plus sa température est élevée et davantage de puissance électrique instantanée est extraite de la batterie, plus les électrons sont mobiles, plus l'impédance des cellules la composant est réduite et plus leur capacité augmente. Ainsi, la batterie s'échauffe en fonctionnement, essentiellement par effet Joule (flux de courant électrique à travers la résistance interne de chaque cellule formant la batterie) et par les réactions chimiques (enthalpie et entropie) s'y déroulant. Néanmoins, une température des cellules trop élevée peut initier des processus chimiques irréversibles, résultant en une réduction irréversible de leur capacité et de leur durée de vie, un emballement thermique, un gonflement et des déformations mécaniques créant des court-circuits ou des circuits ouverts, ou encore le dégagement de produits toxiques ou inflammables. Une batterie au Li-ion ne peut durablement supporter, pour sa durée de vie et sa sûreté de fonctionnement, une température au-delà de 40 °C à 50 °C.
A l'inverse, toujours selon cette loi d'Arrhenius, à basse température la vitesse des réactions chimiques est réduite et l'électrolyte peut geler, avec pour conséquences une détérioration des performances de la batterie, une perte parfois irréversible de capacité et une réduction de sa durée de vie. Par conséquent, une gestion fine de la thermique de la batterie au Li-ion est requise pour maintenir sa température dans une plage précise et réduite afin d'optimiser performance et durabilité. En particulier, en plus du conventionnel refroidissement de ce type de batterie, un réchauffement actif par ambiance froide peut donc s'avérer pertinent et crucial pour assurer et garantir la mobilité du véhicule, d'autant plus s'il est purement électrique.
Une telle batterie haute tension de traction est refroidie, le plus souvent :
^ par de l'air frais, par exemple prélevé dans l'habitacle ou dans le coffre ou à l'extérieur, par convection naturelle ou forcée à l'aide d'un pulseur d'air ;
^ par eau, sur le circuit de refroidissement basse température (BT) déjà existant pour le refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique. De par le niveau de T° pouvant régner dans le circuit BT et celui requis par la batterie, cette eau requiert, préalablement à son entrée dans la batterie, d'être refroidie, par la mise en œuvre (indirecte) du circuit de réfrigération du véhicule ;
^ par la mise en œuvre directe de la réfrigération du véhicule, via une dérivation du circuit de climatisation du véhicule.
Le refroidissement par air frais a pour inconvénients :
- sa dépendance à la situation dans l'habitacle : air de l'habitacle pollué par la fumée de cigarette ou la poussière, vitres ouvertes, réglages du groupe de climatisation par l'utilisateur du véhicule pas toujours favorables à la thermique de la batterie, ... ;
- sa nécessaire communication avec l'habitacle, sous les angles sûreté de fonctionnement et sécurité ;
- les nuisances acoustiques, particulièrement sensibles dans un véhicule électrique ou full hybride en roulage purement électrique ;
- son intrusion dans l'habitacle : conduits d'air de grosse section et pulseur d'air ou échangeur thermique supplémentaire à implanter.
La réfrigération, mise en œuvre directement ou indirectement, permet des performances de refroidissement élevées de la batterie de traction, avec un bilan énergétique favorable grâce à un coefficient de performance prenant en général des valeurs bien supérieures à 1 pour la réfrigération usuelle par 25 à 40 °C de T° extérieure, et qui prendre des valeurs encore plus élevées par une T° ambiante clémente (5 à 20 °C) pour des situations de vie usuelle où la batterie de traction nécessite d'être refroidie. Nous nous trouvons alors dans une situation où des calories, dissipées dans le circuit de liquide de refroidissement BT par les organes de la chaîne de traction électrique, sont gâchées puisqu'évacuées à l'air extérieur, alors qu'en même temps de l'énergie (électrique ou fossile - carburant) est gaspillée (car non utilisée pour faire avancer le véhicule) pour générer par ailleurs des calories pour réchauffer la batterie de traction.
Or, le but de tout système de gestion thermique est de maintenir les organes dans leurs plages optimales de fonctionnement tout en minimisant l'énergie dépensée, puisque cette énergie n'est alors plus disponible pour la traction ou propulsion du véhicule et se traduit donc par une réduction sensible de l'autonomie du véhicule.
C'est ce que propose le premier exemple de l'état de l'art représenté sur la figure 1 , équivalent au document US 7 975 757. La batterie de traction (1 0) est associée au circuit de refroidissement basse température des organes de la chaîne de traction électrique (1 7, 1 8), comme représenté, préférentiellement sur une branche en parallèle à celle où sont refroidis ces organes. Le but est de minimiser l'impact de la perte de charge hydraulique de l'échangeur thermique interne de la batterie de traction (1 0) sur le dimensionnement de la pompe à eau (23) du circuit de refroidissement BT et de fournir, lorsque cela est requis, l'eau la plus froide possible en entrée de la batterie (1 0) tout en minimisant le recours à la réfrigération mise en œuvre de façon indirecte (sur-refroidissement du liquide de refroidissement avant son entrée dans la batterie, au travers d'un évaporateur réfrigérant/eau (1 1 ) (également appelé chiller) associé sur le circuit réfrigérant en parallèle de l'évaporateur implanté dans le groupe de climatisation du véhicule). Les inconvénients d'une telle architecture sont multiples :
• il n'y a pas de possibilité de réchauffage actif de la batterie de traction,
• le dimensionnement du circuit BT (radiateur, pompe à eau, GMV et occurrences d'enclenchement de ces organes) doit prendre en compte les calories supplémentaires dissipées dans ce circuit par la batterie de traction, et cette architecture sollicite davantage le circuit réfrigérant dans les situations où l'eau BT est trop chaude pour la batterie : une partie des calories dissipées dans l'eau BT par les organes de la chaîne de traction électrique est absorbée par le chiller et donc surcharge le circuit réfrigérant et pénalise la réfrigération de l'habitacle si elle n'est pas compensée par une adaptation du dimensionnement du circuit réfrigérant (condenseur (1 5), compresseur (22), GMV (20)).
Il est également connu une autre architecture, illustrée sur la figure 2, où là aussi, la batterie de traction (1 0) est associée au circuit BT de refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique, sur une branche en parallèle à celle où sont refroidis ces organes et, en aval d'un chiller associé sur le circuit réfrigérant en parallèle de l'évaporateur pour climatiser l'habitacle. Cette architecture se distingue de la précédente par la mise en œuvre :
· d'un réchauffeur (1 75), de type brûleur à combustible ou électrique, du liquide en amont de la batterie
• et d'une vanne de commutation (1 70), permettant de dissocier la batterie du circuit de refroidissement BT pour créer un second circuit dissocié du premier et réaliser ainsi un réchauffage (via ce réchauffeur) et un refroidissement (via le chiller) actifs de la batterie, sans impacter le circuit de refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique ni surcharger, comme reproché à l'architecture présentée en figure 1 , le circuit réfrigérant.
Cette architecture présente l'inconvénient du recours à une énergie externe (électrique ou fossile) pour réchauffer la batterie, impactant en particulier l'autonomie du véhicule, sa masse, son prix de revient et de vente.
Une troisième architecture, illustrée sur la figure 3, connue met en œuvre 4 circuits de refroidissement (sans compter le circuit de fluide réfrigérant pour la climatisation de l'habitacle du véhicule) avec chacun un ou plusieurs échangeurs thermiques, générant les impacts inhérents en termes de coûts, de masse, de porte- à-faux avant, de dimensionnement et d'implantation :
• celui de la batterie de traction, par liquide de refroidissement avec un échangeur air/eau dédié en façade avant, un chiller (1 1 ) pour dans certaines situations sur-refroidir l'eau avant son entrée dans la batterie (1 0) et son propre vase d'expansion (1 61 ) ;
· l'électronique de puissance (1 9) (comprenant les onduleurs des machines électriques) et le chargeur (1 7) de la batterie sont refroidis par un autre circuit de liquide de refroidissement qui met en œuvre son propre radiateur (1 71 ) et son propre vase d'expansion (1 74) ;
• l'huile de lubrification des machines électriques est refroidie en face avant du véhicule par un échangeur air/huile (230, 1 73) dédié ;
• celui du moteur thermique, qui met en œuvre son propre radiateur (1 72) et son propre vase d'expansion.
En ce qui concerne la batterie de traction, sa gestion thermique est assurée par une vanne distributrice et son réchauffage par un réchauffeur électrique haute tension sur l'eau en amont de la batterie, avec les impacts associés en coûts et masse, implantation, sûreté de fonctionnement, autonomie du véhicule par ambiantes froides.
La présente invention a donc pour objet de pallier un ou plusieurs des inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif permettant le réchauffage de la batterie sans aucune autre énergie extérieure supplémentaire.
Pour cela la présente invention propose un dispositif de gestion thermique d'une chaîne de traction d'un véhicule, formée par au moins une batterie de traction et des organes électriques de traction, comprenant un radiateur, un circuit de réfrigération avec un évaporateur réfrigérant/eau, et un premier circuit de refroidissement de la batterie dans lequel circule un fluide de refroidissement, le radiateur comportant au moins deux sorties, une première sortie du radiateur assurant un seul passage dans le radiateur du fluide de refroidissement vers les organes électriques de la chaîne de traction électrique, et une deuxième sortie du radiateur assurant au moins deux passages dans le radiateur du fluide refroidissement vers la batterie, les deux sorties du radiateur permettant de définir un deuxième circuit de refroidissement pour les organes électriques de la chaîne de traction électrique, indépendant du premier circuit de refroidissement pour la batterie de traction.
Ce premier circuit de refroidissement permet ainsi, en refroidissant les organes électriques de la chaîne de traction, de récupérer les calories dissipées par les organes électriques de la chaîne de traction pour dans une de ses configurations réchauffer la batterie de traction.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte un thermostat double effet en aval ou en amont du radiateur permettant, lorsqu'il est fermé, de conserver dans le circuit de refroidissement les calories dissipées par les organes de la chaîne de traction électrique. Les calories sont alors maintenues dans le circuit de refroidissement, et non pas dissipées à l'air extérieur au travers du radiateur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif permet plusieurs modes de refroidissement de la batterie.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte des moyens permettant de stopper la circulation de fluide de refroidissement vers la batterie tout en continuant à refroidir les autres organes électriques.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte des moyens permettant d'inverser le sens de circulation du fluide de refroidissement pour permettre le réchauffage de la batterie en utilisant les calories dissipées par les organes électriques de la chaîne de traction.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte des moyens permettant le refroidissement simultané de la batterie et des autres organes électriques, en connectant en un même circuit de refroidissement les premier et second circuits de refroidissement.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte des moyens permettant le refroidissement à très basse température de la batterie.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant aux figures annexées et données à titre d'exemple:
- la figure 1 est une représentation schématique du mode de fonctionnement d'un premier dispositif selon l'art antérieur,
- la figure 2 est une représentation schématique du mode de fonctionnement d'un second dispositif selon l'art antérieur,
- la figure 3 est une représentation schématique du mode de fonctionnement d'un troisième dispositif selon l'art antérieur,
- la figure 4 est une représentation du mode de fonctionnement d'une partie du dispositif selon l'invention,
- la figure 5 est une représentation schématique du mode de fonctionnement du dispositif (cas 1 ) selon l'invention,
- la figure 6 est une représentation du mode de fonctionnement du dispositif (cas 2) selon l'invention,
- la figure 7 est une représentation schématique du mode de fonctionnement du dispositif (cas 3) selon l'invention,
- la figure 8 est une représentation schématique du mode de fonctionnement du dispositif (cas 4) selon l'invention,
- la figure 9 est une représentation schématique du mode de fonctionnement du dispositif (cas 5) selon l'invention,
- la figure 10 est une représentation schématique du mode de fonctionnement du dispositif (cas 6) selon l'invention, - la figure 1 1 est une représentation schématique du mode de fonctionnement du dispositif (cas 7) selon l'invention,
- la figure 12 est une représentation schématique du mode de fonctionnement du dispositif (cas 8) selon l'invention,
- la figure 13 est une représentation schématique est une représentation schématique de la gestion thermique du véhicule en roulage selon l'invention,
- la figure 14 est une représentation schématique des plages de températures de la batterie selon l'invention.
La gestion thermique de la chaîne de traction d'un véhicule est nécessaire lors des situations « utilisation » en roulage mais également dans les autres situations de vie du véhicule. En particulier, le critère dimensionnant pour la durée de vie de la batterie est en premier lieu sa température moyenne. Une attention particulière doit également être apportée à la température batterie dans l'état « hors utilisation » du véhicule : parking, garage, stationnement, etc., cette situation pouvant représenter jusqu'à 80 à 85% de la durée de vie du véhicule.
L'état « hors utilisation » du véhicule se décompose des situations suivantes :
• la recharge de la batterie de traction sur le réseau électrique domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide), qu'elle soit lente ou rapide et immédiate ou programmée. Les besoins thermiques de la chaîne de traction à satisfaire sont les suivants :
o la batterie peut nécessiter d'être gérée thermiquement avant, pendant mais aussi après la recharge, en refroidissement comme en réchauffage ;
o le chargeur par son activité nécessite d'être refroidi.
• le post-refroidissement du véhicule et en particulier celui de la batterie, du moteur à combustion interne ou celui des organes de la chaîne de traction électrique.
• le préconditionnement thermique du véhicule et en particulier celui de la batterie, du moteur à combustion interne ou de l'habitacle du véhicule.
· lors du repos du véhicule, où là encore une attention particulière sera portée à la thermique de la batterie. Les figures 5 à 12 détaillent les différents modes de fonctionnement du dispositif selon l'invention dans les différentes situations « utilisation » et « hors utilisation » du véhicule.
Pour l'ensemble des figures, les mêmes éléments sont référencés avec les mêmes références. Notamment, pour les figures 1 , 2 et 3 dont les éléments communs avec l'invention portent la même référence.
Ce dispositif comprend un évaporateur réfrigérant/eau (chiller) (1 1 ) disposé dans le circuit réfrigérant sur une branche (151 ) parallèle à celle (152) alimentant en fluide réfrigérant l'évaporateur (12) implanté dans le groupe de climatisation du véhicule. Ces deux branches présentent un détendeur (131 , 132) associé à chaque évaporateur (1 1 , 12). Au moins la branche comportant l'évaporateur réfrigérant/eau (1 1 ) est équipée d'une vanne on/off (121 ), préférentiellement les deux branches sont équipées d'une vanne on/off (121 , 122) en amont de chaque évaporateur (1 1 , 12), condamnant ou autorisant la circulation de fluide réfrigérant dans chacune des branches du fluide réfrigérant. La vanne on/off (121 ) disposée sur la branche comportant l'évaporateur réfrigérant/eau (1 1 ) est préférentiellement naturellement fermée tandis que la vanne on/off (122) disposée sur la branche comportant l'évaporateur (1 1 ) habitacle est préférentiellement naturellement ouverte.
Dans un premier mode de fonctionnement du dispositif, la boucle secondaire (151 ) (contenant le chiller) du circuit réfrigérant est désactivée (vanne on/off (121 ) en position OFF) car il n'y a alors pas besoin de sur-refroidir le fluide BT avant qu'il n'entre dans la batterie de traction.
Dans un second mode de fonctionnement du dispositif, la mise en œuvre de l'évaporateur réfrigérant/eau (1 1 ) est nécessaire et donc, notamment, l'ouverture de la vanne on/off (121 ) (position ON).
Le circuit de refroidissement basse température (BT) est équipé d'un certain nombre d'actionneurs dont le fonctionnement va être expliqué ci-après dans le cadre de la description de chaque configuration.
Ce dispositif comporte également une vanne (24) trois voies et un thermostat (21 ) de type double effet dont les positions et les rôles vont être expliqués plus loin.
Ce système s'applique aussi bien pour les véhicules purement électriques que pour les véhicules hybrides. Dans ce dernier cas, le circuit de refroidissement du moteur à combustion interne (et de la boîte de vitesses le cas échéant) n'est pas représenté ici car il s'envisage de façon indépendante du système de la présente invention. De même, ne sont pas représentés ici tous les capteurs (capteurs de température interne des organes électriques, dont en particulier en interne des cellules de la batterie, rotor et stator des machines électriques, carte-mère de l'électrique de puissance, onduleurs et convertisseurs de tension, capteurs de température de fluide en entrée et/ou en sortie de la batterie, capteurs de température de fluide en entrée des organes électriques, capteur de température ambiante, capteur de température du fluide réfrigérant en entrée ou en sortie du chiller, capteur de pression du fluide réfrigérant en entrée ou en sortie du chiller et en sortie du compresseur ou du condenseur, etc ...), ni le calculateur (dédié ou partagé avec d'autres fonctions du véhicule) qui acquiert l'ensemble de ces informations, qui les traite en prenant en compte d'autres informations (vitesse du véhicule, paramètres propres à la batterie tels que par exemple son SOC - State Of Charge selon la terminologie anglo-saxonne -, état de la chaîne de traction, ...) et qui pilote en conséquence l'ensemble des actionneurs (sauf ceux qui sont passifs), dont en particulier les différentes vannes on/off, vanne 3 voies, GMV, pompes électriques. Ces deux dernières familles d'actionneurs (GMV et pompes électriques) présentent un pilotage préférentiellement continûment variable (entre 0 et 100% de commande) plutôt que par états discrets (ex : pompe active uniquement à 100% de son potentiel hydraulique ou GMV commandé en mono-, bi- ou tri-vitesses), ceci afin notamment d'optimiser leur consommation électrique, leur durée de vie et leur bruit de fonctionnement. Par la suite, il est fait état d'un état ON et d'un état OFF des pompes à eau électriques : par abus de langage, l'état ON des pompes à eau électriques correspond à un état de commande compris dans la plage ]mini% ; maxi%[ de leur commande (défalcation faite des plages ]0 ; mini%] et [maxi% ; 100%] éventuellement nécessaires pour réaliser leurs diagnostics électriques). Cet abus de langage n'existe pas pour les vannes on/off qui ne peuvent prendre que deux états d'équilibre.
Par ailleurs, ce système autorise une circulation permanente du fluide BT dans le chargeur (19), qui n'est actif pourtant qu'en phase de recharge de la batterie de traction sur le réseau électrique extérieur : afin de s'affranchir de la perte de charge hydraulique associée et afin de ne pas altérer la durabilité et la disponibilité du chargeur par une T° moyenne de ses composants internes plus élevée que sans circulation (puisqu'alors le chargeur est réchauffé par le fluide BT qui le traverse), le chargeur pourrait être plus judicieusement associé au circuit BT selon l'une des architectures proposées dans la demande de brevet n °FR1 155974 sans changer le propos du présent mémoire.
Enfin, le regroupement de tout ou partie des électrovannes en un même actionneur multivoies est envisageable sans sortir du cadre de la présente invention. Ainsi, la description qui va suivre des fig.5 à 12 montre que, la vanne on/off (101 ), disposée sur la branche vers le radiateur BT (14) en amont du thermostat (21 ) de type double effet, occupant une position en opposition de phase de la vanne on/off (103) disposée sur la branche (158) du circuit de refroidissement entre la batterie (10) et le chiller (1 1 ), leur regroupement en un même actionneur est possible.
La figure 4 présente l'architecture préférentielle du radiateur (14) de refroidissement du liquide BT selon l'invention. Ce radiateur est préférentiellement un échangeur de type liquide de refroidissement / air extérieur à tubes et à ailettes, comprenant une boîte à eau (146, 147) et une première boîte à eau de sortie (150) ainsi qu'un faisceau constitué par l'assemblage des tubes et des ailettes. Préférentiellement, la boîte à eau de sortie (150) comprend un seul embout (145) de sortie, première sortie, du liquide BT, positionné en partie basse, tandis que le design de la boîte à eau (146, 147) est plus complexe. Celle-ci comprend :
• une paroi interne (141 ) la séparant en deux parties : une boîte à eau d'entrée (146) et une boîte à eau de sortie (147) pour une partie du liquide de refroidissement BT qui a donc parcouru deux fois (148, 149) le faisceau. A cette sortie (144) est donc disponible un liquide BT plus froid que celui en sortie de la boîte à eau de sortie (150);
• un seul embout d'entrée (142) du liquide BT, en partie haute ;
· un premier embout de sortie (143) du liquide BT, en partie haute, de diamètre interne plus faible que celui de l'embout d'entrée (142) du liquide BT et positionné sur la boîte à eau d'entrée (146) à une altitude supérieure à l'embout d'entrée (142) du liquide BT. Cet embout a vocation de dégazage du circuit caloporteur. Le fluide BT empruntant cette sortie n'a pas traversé le faisceau et n'a donc pas échangé de calories avec l'air extérieur ;
• un second embout de sortie (144), deuxième sortie, du liquide BT, situé en partie basse de la boîte à eau de sortie (147) et de l'autre côté de la paroi interne (141 ) par rapport à l'embout d'entrée (142) et au premier embout de sortie (143) du liquide BT.
Aux sorties du radiateur BT sont donc disponibles des liquide BT de températures différentes :
• embout de dégazage (143) : liquide BT à la même température qu'en entrée mais dégazé ;
• embout de sortie (145) sur la boîte à eau de sortie (150) : liquide BT refroidi à un certain niveau de température, par un seul passage (148) à travers le radiateur (14). Un seul passage de refroidissement est suffisant pour refroidir les organes de la chaîne de traction électrique ;
• embout de sortie (144) sur la boîte à eau de sortie (147) : liquide BT refroidi à un niveau de température plus bas que le précédent, par un double passage (148, 149) à travers le radiateur (14). Un double passage de refroidissement est nécessaire pour assurer un refroidissement moyen de la batterie de traction (10).
Le nombre de passages pour le refroidissement de la batterie sera toujours strictement supérieur à celui pour le refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique afin d'y obtenir un liquide BT plus froid. Dans tous les cas, l'inconvénient d'augmenter la résistivité hydraulique de la branche contenant l'échangeur eau/batterie à mesure que le nombre de passages augmente, sera contré par le dimensionnement adéquat du nombre de tubes d'eau dans chaque passage, de la pompe à eau et de l'échangeur eau/batterie.
Situation « utilisation »
Plusieurs modes de fonctionnement sont possibles lors de la situation « utilisation ».
La configuration de la vanne (24) trois voies et du thermostat (21 ) de type double effet permet deux modes de fonctionnement (Cas 1 illustré sur la figure 5 et Cas 2 illustré sur la figure 6).
Un premier mode de fonctionnement (Cas 1 , illustré sur la figure 5) consiste à réchauffer la batterie de traction (10). Dans cette configuration, la pompe à eau (23) électrique principale du circuit BT est inactive (position OFF) et la pompe à eau (102) électrique positionnée sur la branche batterie est active (position ON). La position prise par la vanne (24) trois voies permet alors, par le fonctionnement de cette pompe (23), d'aspirer le liquide de refroidissement BT ayant au préalable traversé les organes de la chaîne de traction électrique (machines électriques (17), électronique de puissance, onduleurs, convertisseurs (18) chargeur de batterie (19)) en traversant cette vanne (24), et de refouler ce liquide de refroidissement BT dans la batterie (10). Le liquide BT ne peut sortir de la batterie (10) que par une vanne on/off (101 ) en position ouverte disposée en sortie de la batterie (10) vers le radiateur (14) BT en amont du thermostat (21 ) de type double effet. La vanne on/off (103) disposée sur la branche (158) du circuit entre la batterie (10) et le chiller (1 1 ) étant ici en position fermée. Le liquide BT sortant de la batterie (10) emprunte la branche traverse la vanne on/off (101 ) ouverte qui la commande et parvient à une intersection : • Le liquide BT ne peut pas se diriger vers le radiateur BT car :
- la vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur BT (14) vers le chiller (1 1 ) est fermée, condamnant ainsi la sortie du radiateur BT (14) par le double passage (148, 149) ;
- le thermostat (21 ) étant fermé, la sortie du radiateur BT (14) par le simple passage (148) est condamnée ;
- de par l'inactivation (position OFF) de la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT et de par la position prise par la vanne (24), aucune circulation n'est permise dans la branche allant de la sortie du radiateur BT (14) par la voie de dégazage et passant par la boîte (16) de dégazage
(sans que çà ne porte conséquence au bon fonctionnement du circuit par exemple par déficit de pressurisation : les niveaux de température et de débit régnant alors dans le circuit BT ne lui font pas requérir un niveau important de pressurisation, que la pressurisation naturelle du circuit satisfait entièrement). Le fluide BT ne traversant pas la boîte de dégazage
(16), il n'y subit donc pas de dissipation thermique supplémentaire pouvant légèrement dégrader le réchauffage de la batterie (10).
• Le liquide BT ne peut emprunter le conduit (154) vers le thermostat double effet (21 ) qui, en position fermée, libère cette voie au fluide BT, d'une part car la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT est inactive (position OFF) et d'autre part car la vanne (24) lui bloque, dans cette position, cette issue.
Le liquide BT sortant de la batterie (10) traverse à nouveau les organes de la chaîne de traction électrique (machines électriques, électronique de puissance, onduleurs, convertisseurs, chargeur ...), y prélève des calories et les transfère aux cellules de la batterie.
Cette configuration du dispositif selon l'invention permet ainsi de réchauffer la batterie de traction (10) par les calories dissipées dans leur circuit de refroidissement par les autres organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, sans mise en œuvre d'aucune énergie extérieure.
L'intérêt du thermostat (21 ) double effet (ici en aval du radiateur (14) BT, mais il peut indifféremment être implanté en amont de celui-ci) est de permettre de conserver dans le circuit BT les calories dissipées au liquide BT par les organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique qui, en l'absence de thermostat, seraient évacuées à l'air extérieur à travers le radiateur BT (14). Ces calories sont doublement utiles : dans le but ici recherché, pour réchauffer la batterie (10), mais aussi, afin de faire fonctionner ces organes à leur température optimale de fonctionnement.
Dans cette configuration, le sens de circulation du liquide BT à travers les organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique est inversé par rapport au sens traditionnel, représenté figure 1 ou dans les figures qui vont suivre. Cette inversion de sens de circulation du liquide BT à travers ces organes est permise car d'une part ces organes et le circuit BT ont les mêmes comportements hydraulique (notamment vis-à-vis de la position des embouts d'eau sur ces organes) et thermique (transferts thermiques) dans les deux sens possibles de circulation dans la plage de température ici considérée (telle que le refroidissement prodigué par la dissipation de leurs calories au sein de la batterie de traction (10), qui agit ici comme un « radiateur », est suffisant) et d'autre part car les niveaux de température alors rencontrés par ces organes (tant en interne que côté fluide BT) en restent compatibles (car pas très voire peu élevés). Toutefois, une vanne supplémentaire peut être associée au circuit BT pour rétablir, dans cette configuration le sens de circulation traditionnel du liquide BT à travers les organes de la chaîne de traction électrique.
Dans une alternative (non illustrée), afin de satisfaire le besoin de réchauffer la batterie de traction dans des conditions ambiantes particulièrement froides lorsque que la température du fluide BT en sortie des organes de la chaîne de traction électrique est insuffisante pour cet usage, il pourra être admis qu'en option un réchauffeur (préférentiellement de type à éthanol pour ne pas alors impacter l'autonomie du véhicule, et préférentiellement le même que celui mis en œuvre pour réchauffer l'habitacle, par adaptation des circuits caloporteurs associés) soit présent immédiatement en amont de la batterie pour accélérer sa montée en température, sans toutefois remettre en question la récupération des pertes thermiques des organes de la chaîne de traction électrique afin de réchauffer la batterie. Au contraire, à mesure que la température du fluide BT en sortie des organes de la chaîne de traction électrique augmente, le fonctionnement de ce réchauffeur sera progressivement réduit puis stoppé afin de laisser la priorité du réchauffage de la batterie de traction par récupération des pertes thermiques des organes de la chaîne de traction électrique.
Le deuxième mode de fonctionnement (Cas 2) permis par la configuration du thermostat (21 ) et de la vanne (24) représentés sur la figure 6 est identique au précédent, la seule différence étant que la vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur (14) BT vers le chiller (1 1 ) est ouverte, autorisant ainsi la circulation du fluide BT à travers le radiateur BT (14) en deux passages. Le liquide BT sortant de la batterie (10) suit alors deux voies : celle traversant les organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19) et celle traversant le radiateur (14) BT en en sortant par la boîte à eau de sortie (147) après un double passage (148, 149). La pompe à eau électrique (102) positionnée sur la branche batterie (active car en position ON) aspire donc le liquide BT venant de ces deux voies (153, 155) et refoule en entrée de la batterie de traction (10) un liquide BT issu du mélange des liquides BT provenant de ces deux voies, d'une température intermédiaire, comprise entre celle du liquide BT ayant traversé les organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique et y ayant collecté les calories dissipées par ces organes en fonctionnement, et celle du fluide BT ayant évacué des calories à l'air extérieur par sa traversée du radiateur (14) BT. Par l'emploi de la vanne on/off (104) la température du fluide en sortie de la pompe électrique (102) est la moyenne des températures des fluides BT en entrée, pondérée par les débits dans ces deux branches. Sous cet aspect de gestion de la température de ce mélange, le remplacement de la vanne on/off (104) par un thermostat (éventuellement piloté électriquement) pourrait sembler plus judicieux : cette option ne permet cependant pas de concilier tous les modes de fonctionnement du système. Cependant cette option reste possible dans le cadre du présent mémoire.
Ce mode de fonctionnement permet ainsi au système de continuer à fournir un réchauffage adapté de la batterie de traction, même quand les calories dissipées par les organes de la chaîne de traction électrique sont excédentaires. Cette configuration permet ainsi de fournir aux organes de la chaîne de traction électrique, un refroidissement à la fois grâce aux calories absorbées par les cellules de la batterie et grâce aux calories évacuées à l'air extérieur par le radiateur BT. La fonctionnalité de réchauffage de la batterie, est ainsi prolongée sans affecter la tenue thermique des différents organes.
Lorsqu'aucune action sur la thermique de la batterie n'est nécessaire le système se trouve dans les configurations décrites par les figures 7 et 8.
La figure 7 décrit la configuration (Cas 3) prise par le système lorsqu'aucune circulation de fluide BT n'est requise en interne de la batterie de traction et tant que le refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique par le radiateur BT n'est pas nécessaire, avec cependant circulation de fluide BT malgré tout nécessaire à travers le noyau d'eau des organes de la chaîne de traction électrique. Tout accès de fluide BT à la batterie de traction est condamné :
· La pompe à eau électrique (102) est inactive (position OFF) ;
• La vanne on/off (103) disposée sur la branche (158) du circuit de refroidissement entre la batterie (10) et le chiller (1 1 ) est en position fermée ; • La vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur BT (14) vers le chiller (1 1 ) est fermée, condamnant ainsi la sortie du radiateur BT (14) par le double passage (148, 149) ;
• La vanne on/off (101 ) disposée en sortie de la batterie (10) sur la branche vers le radiateur BT (14) en amont du thermostat double effet (21 ) est ici préférentiellement en position fermée ;
• Enfin, la vanne (24) adopte une position telle que l'accès du fluide BT à la batterie de traction (10), en traversant la pompe à eau électrique (102) inactive, est condamné.
Ici, la circulation de fluide BT est nécessaire à travers le noyau d'eau des organes de la chaîne de traction électrique. La pompe à eau électrique (23) principale du circuit BT est active (position ON) et le liquide BT qu'elle aspire en amont est refoulé en aval vers la vanne (24) trois voies. De par sa position, celle-ci condamne l'accès du fluide BT à la batterie (10) de traction. Le liquide BT est donc dirigé vers les organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19) qu'il traverse dans le sens conventionnel. A leur sortie, le liquide BT parvient à une première intersection. La quasi-totalité du fluide BT est dirigée par le conduit de by-pass vers le thermostat (21 ) double effet et une infime partie de ce débit est dirigé vers le radiateur (14) BT. La partie du fluide BT qui accède à la boîte à eau d'entrée (146) du radiateur BT (14) sort par l'embout de dégazage (143) sans traverser le faisceau du radiateur BT (14) de par la position fermée du thermostat (21 ) qui condamne la voie en un simple passage (148) à travers le faisceau du radiateur BT (14) selon la figure 2 et de par la position fermée de la vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur BT (14) vers le chiller (1 1 ) qui condamne la voie en un double passage (148, 149) à travers le faisceau du radiateur BT (14) selon la figure 2. Ce liquide BT traverse alors la boîte (16) de dégazage pour y achever son processus de dégazage et contribuer à pressuriser le circuit de refroidissement, puis est aspiré par la pompe à eau électrique (23) principale du circuit BT jusqu'à une dernière intersection en amont de la pompe, où il rejoint le fluide BT qui a traversé le thermostat double effet (21 ) en en sensibilisant au passage l'élément thermosensible. La température du fluide BT est alors insuffisamment élevée pour provoquer l'ouverture du thermostat (21 ), qui reste donc fermé. Le liquide BT issu de ces deux voies (conduit (154) de by- pass du radiateur BT (14) et boîte de dégazage(16)) est alors aspiré par la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT et refoulé en aval vers la vanne (24).
Par leur fonctionnement, les organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique dissipent des calories dans le fluide BT qui les traverse. Lorsque la température du fluide BT qui sensibilise l'élément thermosensible lors de la traversée du thermostat double effet (21 ) atteint une valeur suffisamment élevée, le thermostat débute son mouvement de translation à l'intérieur de son corps.
La figure 8 illustre la configuration (Cas 4) prise par le système lorsqu'un refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19) par le radiateur (14) BT est nécessaire alors qu'aucune circulation de fluide BT n'est requise au sein de la batterie de traction (10) ni permise par les positions prises par les actionneurs (101 , 102, 103, 104). Ici, le thermostat (21 ) double effet est en pleine ouverture, ce qui signifie que la voie allant de l'embout de sortie (145) pratiqué sur la boîte à eau de sortie (150) du radiateur (14) BT jusqu'à la pompe à eau (23) électrique principale du circuit BT est pleinement ouverte, autorisant au liquide BT la traversée du radiateur (14) BT en un seul passage (148) tandis qu'a contrario, de par le double effet, le conduit de by-pass (154) du radiateur BT (14) est pleinement fermé. Les positions intermédiaires du thermostat (21 ) entre sa pleine fermeture (telle qu'illustrée en figure 7) et sa pleine ouverture (telle qu'illustrée en figure 8), vues par le système lorsque la température du fluide BT qui sensibilise l'élément thermosensible du thermostat double effet (21 ) est à une valeur comprise entre ses températures de début d'ouverture et de pleine ouverture, ne sont pas représentées ici. Ces positions intermédiaires n'apportent rien à la description ici faite du système et n'en altèrent pas le fonctionnement quand, dans l'une quelconque de ces positions intermédiaires, le fluide BT circule à la fois dans le conduit de by-pass (154) et dans le radiateur BT (14) en un simple passage (148).
La description de la circulation du liquide BT dans le circuit est alors identique à celle faite pour expliciter la fig.7. La pompe à eau électrique (23) principale du circuit BT est active (position ON) et refoule vers la vanne (24) trois voies le liquide BT qu'elle aspire en amont. Le fluide BT traverse la vanne (24) trois voies sans pouvoir accéder à la batterie (10) de traction et est dirigé vers les organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19), qu'il traverse dans le sens conventionnel. A leur sortie, le liquide BT est dirigé vers le radiateur (14) BT, grâce à la pleine ouverture du thermostat (21 ) double effet qui condamne en même temps le conduit de by-pass (154). Le fluide BT se dirigeant vers le radiateur (14) BT accède à sa boîte à eau d'entrée (146). Comme la vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur BT (14) vers le chiller (1 1 ) est ici fermée, le double passage à travers le faisceau du radiateur BT (14) est condamné, et comme le thermostat (21 ) est ouvert , une partie très majoritaire du fluide BT sort du radiateur BT (14) circule par l'embout de sortie (145) de la boîte à eau de sortie (150), en traversant le radiateur BT (14) en un simple passage, et l'autre partie très minoritaire du fluide BT sort du radiateur BT (14) par l'embout de dégazage (143). Ainsi, en amont de la pompe à eau (23), se rejoignent les fluides BT ayant, pour une très large partie traversé en un simple passage le radiateur (14) BT puis traversé le thermostat (21 ) double effet toujours en en sensibilisant au passage l'élément thermosensible et, pour une faible partie, traversé alors la boîte de dégazage (16) à partir de l'embout de dégazage (143) pratiqué en partie supérieure de la boîte à eau d'entrée (146) du radiateur BT (14). Le liquide BT issu de ces deux voies est alors aspiré par la pompe à eau (23) électrique principale du circuit BT et refoulé en aval vers la vanne (24) trois voies.
Si la température du fluide BT diminue du fait de l'échange thermique avec l'air extérieur au niveau du radiateur BT (14), suffisamment pour provoquer la refermeture du thermostat (21 ), alors le système reprend la configuration illustrée par la fig.7.
La figure 7 représente le cas où une circulation de fluide BT est malgré tout nécessaire à travers le noyau d'eau des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique. Cette circulation de fluide BT peut avoir à être coupée, par exemple afin d'accélérer la montée en température de ces organes ou afin de réduire la consommation électrique de la pompe électrique (23), si leur température interne permet de couper de façon intermittente (par ex : pendant n secondes toutes les m secondes avec n < m) ou continue (par ex : autorisation de la coupure de la circulation de fluide BT les toutes premières minutes de fonctionnement ou jusqu'à ce que soit atteint un seuil de température des composants internes des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique), alors le système adopte la même configuration que celle décrite en figure 7 à la seule différence qu'alors la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT est inactive (position OFF) ou active (position ON) par intermittence.
Cependant, toute interruption suffisamment prolongée de la circulation de fluide à travers le circuit BT est de nature à perdre l'information de la température du fluide BT lue par les différents capteurs de température associés puisque ceux-ci ne sont alors plus irrigués par le fluide BT. Néanmoins, les différents capteurs de température matière en interne des composants des organes électriques (cellules de la batterie, rotor et stator des machines électriques, carte-mère de l'électrique de puissance, onduleurs et convertisseurs de tension) sont à même d'indiquer l'état thermique du système au calculateur (dédié ou partagé) qui, par exécution de son programme interne, pilote en conséquence (et peut donc à nouveau activer ceux qui étaient inactifs) l'ensemble des actionneurs (sauf ceux qui sont passifs) : vannes on/off (101 , 103, 104), vanne (24), GMV (20), pompes électriques (23, 102).
Concernant la figure 8, une interruption de la circulation de fluide BT à travers le noyau d'eau des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique n'est pas pertinente, puisque ici le besoin de refroidissement actif de ces organes est avéré de par la position du thermostat (21 ) double effet.
En alternative aux figures 7 et 8, le système peut adopter les configurations des figures 1 1 et 12 décrites plus loin mais, dans le contexte ici recherché, avec le chiller (1 1 ) du circuit réfrigérant alors désactivé (vanne on/off (121 ) du circuit réfrigérant en position OFF) afin de ne prodiguer aucun refroidissement du fluide BT traversant le chiller (1 1 ). Cette alternative aux figures 7 et 8, telle qu'offerte par la variante ici décrite, est pertinente dans le cas où aucune action sur la thermique de la batterie (10) n'est nécessaire (la batterie de traction (10) n'exprime toujours aucun besoin de réchauffage ni de refroidissement) mais que par contre une circulation de fluide BT est malgré tout requise en interne de la batterie de traction (10) pour homogénéiser la distribution des températures en interne des cellules de la batterie et/ou de son échangeur interne. Il n'est alors pas forcément nécessaire que la pompe à eau électrique (102) positionnée sur la branche batterie soit activée à son niveau de commande maximal : une commande intermédiaire peut être suffisante pour satisfaire le besoin.
En cas d'un faible besoin de refroidissement de la batterie de traction la configuration du thermostat (21 ) et de la vanne (24) trois voies reste la même que celles des figures 9 et 10, avec des variantes de fonctionnement.
Une première variante avec configuration de la figure 9 (Cas 5), met en œuvre, au sein du même circuit BT, deux circulations de fluide BT, avec des niveaux de températures différents.
Le besoin de circulation de fluide BT et donc de refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19) est identique à ce qui est décrit en fig.7. Le thermostat (21 ) double effet est ici en position fermée car la température du fluide BT, ayant au préalable absorbé les calories dissipées par les organes en fonctionnement de la chaîne de traction électrique, y est alors insuffisamment élevée pour en provoquer l'ouverture. La pompe à eau électrique (23) principale du circuit BT est active (position ON) et le liquide BT qu'elle aspire en amont est refoulé en aval vers la vanne (24) trois voies qui, par sa position, condamne l'accès du fluide BT à la batterie de traction (10). Le liquide BT est dirigé vers les organes de la chaîne de traction électrique qu'il traverse dans le sens conventionnel. A leur sortie, le liquide BT est dirigé par le conduit de by-pass (154) vers le thermostat (21 ) double effet puis, celui-ci étant en position fermée, vers l'aspiration de la pompe à eau principale (23).
Par sa sollicitation en charge et en décharge, la batterie (10) a ici un besoin de refroidissement limité. Dans ce cas, le système adopte la configuration telle que : • la pompe à eau électrique (102) positionnée sur la branche batterie est activée (position ON) ;
• la vanne on/off (101 ) disposée en sortie de la batterie (10) sur la branche vers le radiateur (14) BT en amont du thermostat (21 ) est ici en position ouverte ; « la vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur (14) BT sur la voie (153) vers le chiller (1 1 ) est ici aussi en position ouverte;
• la vanne on/off (103) disposée sur la branche (158) du circuit entre la batterie (10) et le chiller (1 1 ) est ici en position fermée.
Par conséquent, la pompe à eau (102) électrique positionnée sur la branche batterie, activée, refoule le fluide BT de ce circuit (153) à l'intérieur de la batterie (10). La vanne on/off (103) disposée sur la branche (158) du circuit entre la batterie (10) et le chiller (1 1 ) étant en position fermée, le fluide BT ne peut sortir de la batterie de traction (10) qu'en traversant la vanne on/off (101 ) disposée en sortie de la batterie (10) et parvient à une intersection, hydrauliquement conçue soit préférentiellement passivement (implantation et orientation des tuyaux d'eau, mise en place d'un clapet à ressort de rappel, équilibre pressostatique ...) ou activement (avec une vanne additionnelle) pour que ce fluide BT en sortie de la batterie de traction (10) soit alors en totalité ou en très grande majorité dirigé vers le radiateur BT (14). Le thermostat (21 ) étant fermé, la voie en un simple passage (148) à travers le faisceau du radiateur BT (14) est condamnée. Une grande majorité du fluide BT est dirigée vers le radiateur BT (14). Le fluide BT peut sortir du radiateur BT (14) soit par :
• la voie en double passage (148, 149) à travers le faisceau du radiateur BT (14) selon la fig.13. Ce débit de fluide BT traversant le radiateur BT (14) assure donc un certain niveau de refroidissement de la batterie de traction (10) ;
• par l'embout de dégazage (143) pratiqué en partie supérieure de la boîte à eau (146) d'entrée du radiateur BT (14).
Cette configuration permet ainsi de façonner deux boucles de refroidissement de fluide BT découplées l'une de l'autre et d'instaurer ainsi, au sein du même circuit BT, deux circulations distinctes de fluide BT, avec des niveaux de température différents : l'une à travers les organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19) sans échanger de calories et l'autre à travers la batterie de traction (10) dont les calories sont dissipées à l'air extérieur à travers le radiateur BT (14). Un certain niveau de refroidissement de la batterie de traction (10) est ainsi assuré, en mettant à profit le radiateur BT (14) alors non utilisé pour refroidir les organes de la chaîne de traction électrique. Le point de rencontre entre le fluide BT issu des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction en sortie du thermostat (21 ) vers la pompe à eau principale (23), et le fluide BT issu de la batterie de traction (10) en sortie de la boîte de dégazage (16), est sans conséquence pour le fonctionnement du système car l'enjeu n'y est que de quelques L/h et car il n'y a pas de transfert thermique entre le fluide BT issu de la batterie (10) et le fluide BT issu des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique.
Comme précédemment illustré sur les figures 7 et 9, dans le cas où une circulation de fluide BT est malgré tout nécessaire à travers le noyau d'eau des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, cette circulation peut néanmoins avoir à être coupée de façon continue ou intermittence. Le système adopte alors la même configuration que celle décrite ci-avant à la différence qu'alors la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT est inactive (position OFF). Comme explicité précédemment, le risque de perte de l'information de la température du fluide BT lue par les différents capteurs associés est levé par les informations transmises par les différents capteurs de température matière en interne des composants des organes électriques qui permettent au calculateur d'estimer l'état thermique du système et de commander en conséquence les actionneurs utiles.
Une deuxième variante avec configuration de la figure 10 (Cas 6) permet également d'assurer un faible besoin de refroidissement de la batterie de traction (10) tout en assurant le besoin de refroidissement actif des organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19). On retrouve la même configuration que celle décrite en fig.8. Comme explicité précédemment, le thermostat (21 ) double effet est alors en pleine ouverture et ouvre en grand la voie (157) allant de l'embout (145) de sortie pratiqué sur la boîte à eau de sortie (150) du radiateur BT (14) jusqu'à la pompe à eau électrique (23) principale du circuit BT et condamne le conduit de by-pass (154) .
Les positions intermédiaires du thermostat double effet (21 ), entre sa pleine fermeture (illustrée en fig.9) et sa pleine ouverture (illustrée en fig.10), correspondant aux valeurs de température du fluide BT intermédiaires entre les températures de début d'ouverture et de pleine ouverture, ne sont pas représentées ici. Ces positions intermédiaires n'apportent rien à la description ici faite du système et n'en altère pas le fonctionnement : à noter simplement que dans l'une quelconque de ces positions intermédiaires, le fluide BT circule à la fois dans le conduit de by-pass (154) et dans le radiateur BT (14) en une simple passe (148). La description de la circulation du liquide BT dans le circuit est en figure 10 alors identique (modulo ce qui concerne le radiateur BT et le conduit by-pass) à celle faite pour expliciter la figure 9.
La pompe à eau électrique (23) principale du circuit BT est active (position ON) et refoule vers la vanne (24) trois voies le liquide BT qu'elle aspire en amont. Le fluide BT traverse la vanne (24) trois voies sans pouvoir accéder à la batterie de traction (10) et est dirigé vers les organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19), qu'il traverse dans le sens conventionnel. A leur sortie, le liquide BT est dirigé, grâce à la pleine ouverture du thermostat (21 ) double effet qui condamne en même temps le conduit de by-pass (154), en direction du radiateur (14) BT. Concernant le refroidissement de la batterie (10) de traction, le système adopte la même configuration que celle prise en figure 9 et le fonctionnement de cette partie du circuit BT est identique : le fluide BT parvient de même à la même intersection. A cette intersection, le thermostat double effet (21 ) condamnant le conduit de by-pass (154), les fluides BT issus de la batterie de traction (10) et des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique se rejoignent, se mélangent et sont dirigés vers le radiateur BT (14) en accédant à sa boîte à eau d'entrée (146). Le thermostat (21 ) double effet et la vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur (14) BT vers le chiller (1 1 ) sont tous deux ouverts : les trois voies d'issue du radiateur (14) BT offertes au fluide BT sont alors ouvertes :
• par l'embout de dégazage (143)
• par l'embout de sortie (145) de la boîte à eau de sortie (150) du radiateur BT (14), en le traversant en un simple passage (148)
• par l'embout de sortie (144) sur la boîte à eau (147), par un double passage (148, 149) à travers le radiateur BT (14).
Ainsi, un fluide BT refroidi à un certain niveau de température (simple passage (148) de refroidissement à travers le radiateur BT (14)) est dirigé vers le thermostat (21 ) et les organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, que rejoint le fluide BT issu de la boîte de dégazage (16), tandis qu'est dirigé vers la batterie de traction (10) un liquide BT refroidi à un niveau de température plus bas que le précédent (double passage (148, 149) de refroidissement à travers le radiateur BT (14)), nécessaire pour assurer le refroidissement adéquat de la batterie de traction (10).
Ainsi, même si la configuration prise ici par le système ne forme pas, au sein du même circuit BT, deux boucles de refroidissement de fluide BT découplées et distinctes, le système fournit néanmoins aux organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique et à la batterie de traction (1 0) du fluide BT avec des niveaux de température différents adaptés aux besoins de refroidissement associés. Par ailleurs, si la température du fluide BT issu du radiateur BT (14) par le simple passage (148) de refroidissement venait, du fait de l'échange thermique avec l'air extérieur au niveau du radiateur BT (14), à diminuer suffisamment pour provoquer la refermeture du thermostat (21 ), alors le système reprendrait la configuration illustrée par la figure 4.
Toutefois, ces différentes variantes (figures 9 et 10) ne peuvent pas permettre un refroidissement important de la batterie de traction (10), nécessaire dans certaines situations telles que les écarts de température entre d'une part l'air extérieur et le fluide BT et d'autre part ce fluide BT et les cellules de la batterie (10) ne peuvent pas permettre la dissipation d'une puissance thermique élevée (plusieurs centaines de W, voire jusqu'à 1 à 2 kW). La température du fluide BT est alors soit impossible à obtenir, soit nécessite un radiateur BT (14) de dimensions incompatibles avec l'intégration d'un tel échangeur dans le véhicule, avec de surcroît de lourds impacts sur certaines autres prestations (climatisation, refroidissement du moteur thermique en cas de véhicule hybride, ...). Par ailleurs, le radiateur BT (14) doit également évacuer à l'air extérieur les calories dissipées dans le fluide BT par les organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique et certaines situations, sans qu'elles ne soient exceptionnelles, requièrent du système d'y consacrer la totalité de la surface du radiateur BT (14). C'est pourquoi un sur-refroidissement du fluide BT (pour produire un fluide TBT - très basse température) avant son entrée dans la batterie de traction (10) est nécessaire afin de diminuer fortement la température du fluide pour accroître sensiblement l'écart de température entre le fluide et les cellules de la batterie (10) pour absorber la puissance thermique requise.
Pour cela le dispositif prend les configurations décrites figures 1 1 (Cas 7) et
12 (Cas 8) prises par le système, en mettant alors en œuvre la réfrigération (le circuit réfrigérant) à travers le chiller (1 1 ), pour sur-refroidir le fluide TBT avant qu'il n'entre au sein de la batterie de traction (10).
Deux circulations de liquide de refroidissement indépendantes au sein du même circuit BT se font:
• un circuit de fluide BT qui traverse le noyau d'eau des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique ;
• un circuit de fluide TBT limitant sa circulation entre la batterie de traction (10) et le chiller (1 1 ).
Pour réaliser le circuit TBT des figures 1 1 et 12, la vanne on/off (103) disposée sur la branche (158) du circuit entre la batterie (10) et le chiller (1 1 ) est ici en position ouverte et la vanne on/off (101 ) disposée en sortie de la batterie (10) sur la branche vers le radiateur (14) BT en amont du thermostat (21 ) est fermée afin de forcer le fluide sortant de la batterie (10) de traction à emprunter la voie vers le chiller (1 1 ). Dans le même temps, la vanne on/off (104) disposée en sortie du radiateur (14) BT vers le chiller (1 1 ) est ici aussi en position fermée pour consacrer l'intégralité de la surface du radiateur (14) BT au refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique (17, 18, 19) quand le thermostat (21 ) est ouvert (Cas 8, figure 12) et pour ne pas parasiter le sur-refroidissement du fluide TBT en laissant s'infiltrer dans ce circuit BT un fluide plus chaud. Ainsi, l'activation (position ON) de la pompe à eau électrique (102) positionnée sur la branche (156) batterie permet de réaliser une circulation de fluide TBT restreinte entre la batterie (10) de traction et le chiller (1 1 ), et totalement indépendante et découplée de la circulation de fluide BT à travers le noyau d'eau des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, que le thermostat (21 ) soit fermé (Cas 7, fig. 1 1 ) ou ouvert (Cas 8, fig.12). La circulation de fluide BT dans le radiateur (14) est alors entièrement dédiée à évacuer à l'air extérieur les calories absorbées par le fluide BT à la traversée des organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique. De plus, la production du fluide TBT à la température adéquate requise par la batterie (10) de traction nécessite une dépense de loin inférieure à celle requise par exemple par l'architecture présentée en fig.1 , car la température du fluide TBT en entrée du chiller (1 1 ) est bien plus faible car le circuit TBT ne comprend alors que la batterie de traction (10) et le chiller (1 1 ) et est totalement séparé du circuit BT, sans mélange possible des fluides BT et TBT. Le dispositif décrit par la présente description permet alors de réduire fortement les sollicitations sur le circuit réfrigérant et le circuit BT.
Pour réaliser le sur-refroidissement du fluide BT (pour produire un fluide TBT - très basse température) avant son entrée dans la batterie de traction (10), le fonctionnement requiert la mise en œuvre du chiller (1 1 ) et donc l'ouverture de la vanne (121 ) on/off (position ON) et éventuellement l'adaptation du pilotage du compresseur de climatisation, voire du GMV, du pulseur du groupe de climatisation et de la vanne on/off sur le circuit réfrigérant en amont de l'évaporateur habitacle et de son détendeur, pour réaliser le besoin de réfrigération supplémentaire.
La transition entre les deux possibilités, c'est-à-dire entre la figure 9 et 1 1 et la figure 10 et 12, se fait dès que la température interne des cellules de la batterie de traction (ou leur moyenne ou leur valeur maximale ou leur gradient thermique inter- ou intra-cellule) atteint et dépasse un 1 er seuil de température batterie et/ou dès que la température du fluide BT en entrée de la batterie atteint et dépasse un 1 er seuil de température tel qu'il est reconnu que le refroidissement de la batterie est alors insuffisant, et/ou par anticipation de l'un de ces deux événements (par exemple par intégration du courant fourni ou reçu par la batterie ou par un bilan thermique de la batterie). La sortie de ce mode de fonctionnement s'effectue si la température interne des cellules de la batterie de traction (ou leur moyenne ou leur valeur maximale ou leur gradient thermique inter- ou intra-cellule) redescend sous un 2nd seuil de température batterie (inférieur au 1 er). La configuration prise par le système peut alors être :
• soit celle décrite par les cas 5 et 6 (selon la position du thermostat (21 )) pour maintenir néanmoins un léger refroidissement de la batterie (10) par le radiateur BT (14) s'il est pertinent et possible de le faire (au regard de la température du fluide BT atteignable en entrée de la batterie (10), compte- tenu des conditions extérieures et des conditions de fonctionnement de la chaîne de traction électrique) ;
• soit celle décrite par les cas 3 et 4 (selon la position du thermostat) si aucune circulation de fluide BT n'est requise en interne de la batterie ;
· soit, comme explicité plus haut, le système conserve de façon transitoire cette configuration (décrite le cas échéant par les cas 7 et 8) et la boucle secondaire (contenant le chiller (1 1 )) du circuit réfrigérant est désactivée (car il n'y a alors plus besoin de sur-refroidir le fluide BT avant qu'il n'entre dans la batterie de traction (10) : la vanne on/off (121 ) sur le circuit réfrigérant en amont du chiller (1 1 ) et de son détendeur (131 ) est donc en position OFF) et la pompe à eau électrique (102) positionnée sur la branche batterie est activée à un niveau de commande intermédiaire pour assurer une circulation de fluide BT minimale en interne de la batterie de traction (10) pour homogénéiser la distribution des températures en interne des cellules de la batterie et/ou de son échangeur interne.
La figure 13 illustre la gestion du système alors que le véhicule est en roulage, pour gérer thermiquement uniquement la batterie (10), en phase de roulage, en fonction de l'état thermique de la batterie de traction et de la température de l'air extérieur en amont des échangeurs de refroidissement (condenseur et radiateur BT).
Dans le cadre particulier de la fig.13, des hypothèses simplificatrices ont été prises afin de faciliter la compréhension du fonctionnement nominal du système : la seule source d'énergie haute tension est la batterie de traction, les pertes thermiques sont supposées constantes et le système est censé être bien dimensionné.
D'autres informations, fournies par les différents capteurs du système non représentés entrent également en considération pour gérer thermiquement efficacement la batterie de traction (10) selon les différents modes de fonctionnement offerts par le système décrit par la présente invention : • mode « chauffage » = réchauffage de la batterie, selon les cas 1 et 2 ;
• mode « stand-by » = pas de circulation d'eau en interne de la batterie, selon les cas 3 et 4 ;
• mode « by-pass » = circulation d'eau en une boucle courte en interne de la batterie sans échange thermique (by-pass du refroidissement à des fins par exemple d'homogénéisation des températures), selon les cas 7 et 8 avec chiller (1 1 ) inactif et vanne on/off (121 ) associée en position off ;
• mode « refroidissement BT » : refroidissement de la batterie (10) grâce au radiateur BT (14), selon les cas 5 et 6 ;
· mode « refroidissement TBT » : refroidissement de la batterie (10) en une boucle courte grâce au fonctionnement du chiller (1 1 ) et du circuit réfrigérant qui produit du fluide TBT en entrée de la batterie (10), selon cas 7 et 8.
Ces modes n'ont pas des plages d'activation et de transition de l'un vers l'autre, fixes uniquement en fonction de l'état thermique de la batterie de traction (10) et de la T° de l'air extérieur : le mode de conduite, le comportement du conducteur, les conditions ambiantes, la puissance disponible ... sont autant de paramètres de variation secondaires possibles en plus de la température de la batterie (10) et la température ambiante, qui restent toutefois les paramètres de 1 er ordre.
La figure 13 repose sur les considérations plus ou moins basiques suivantes : · La batterie de traction est considérée présenter (voir fig.14) :
o un seuil de température (TBF) en deçà duquel la puissance électrique disponible au niveau de la batterie est fortement réduite et donc le réchauffage de la batterie est nécessaire pour en augmenter les performances disponibles. Si, une fois ce seuil de température atteint et dépassé, la température de la batterie était amenée à redescendre sous ce seuil, une hystérésis est mise en œuvre pour stabiliser le pilotage du système. Par exemple, TBF appartient à la plage [0°C ; 15°C] et l'hystérésis prend une valeur fixe de 3°C.
o un seuil de température (TBD) à partir duquel débute la réduction de performances volontaire de la batterie à des fins de protection thermique.
La plage d'utilisation telle que la température de la batterie est supérieure ou égale à TBD est à proscrire. Par exemple, TBD appartient à la plage [45 °C ; 55 °C].
o Un seuil de température (TBI), tel que TBI > TBD, correspondant à la fin du derating, température pour laquelle le calculateur interne de la batterie ouvre les contacteurs à des fins de protection et de sauvegarde de la batterie. Par exemple, TBI prend par exemple la valeur de 60 °C.
o Un seuil de température (TBM), tel que TBM < TBD et tel qu'au-delà le vieillissement de la batterie s'accélère. Il s'agit donc bien d'un seuil de température maximal à ne pas dépasser pour ne pas réduire la durée de vie de la batterie. Par exemple, TBM appartient à la plage [35 °C ; 50 °C]. o Deux seuils TB1 et TB2 tels que TBF < TB1 < TB2 < TBM et qu'aucune gestion thermique de la batterie de traction n'est utile lorsque la température de la batterie de traction est comprise entre TBF et TB1 .
Sur toute la plage de température batterie mais plus particulièrement au sein de la plage [TBF ; TBM], le système de gestion thermique doit être optimisé afin d'y maintenir la batterie de traction tout en minimisant l'énergie dépensée pour se faire.
• Concernant le mode « chauffage », le réchauffage de la batterie est, dès que justifié par la température batterie, préférentiellement mis en œuvre dès que possible (selon la température du fluide BT dans le circuit BT et le ΔΤ entre la température du fluide BT et la température batterie) grâce aux pertes thermiques dissipées dans le fluide BT par les organes de la chaîne de traction électrique. D'autre part, la sollicitation de la batterie en charge et en décharge pendant ce temps de roulage la fait également monter en température par effet Joule.
• Concernant le mode « refroidissement BT » :
o Un ΔΤ mini est nécessaire entre la température batterie et la température ambiante pour juste maintenir la température de la batterie constante sur une sollicitation (par ex en roulage) donnée et donc dissiper à l'air extérieur exactement la puissance thermique dégagée par la batterie. Ce ΔΤ dépend des conditions ambiantes et de sollicitation du véhicule : il est donc fortement variable. Néanmoins, toute valeur de ΔΤ inférieure à cette valeur de ΔΤ mini mais positive est quand même bénéfique pour le système : l'augmentation de la température de la batterie est ralentie par évacuation d'une partie (et non de la totalité, puisqu'alors ΔΤ < ΔΤ mini) de sa puissance thermique dégagée.
o La performance de ce mode dépend donc des conditions ambiantes mais elle peut aussi être optimisée en pilotant judicieusement les débits d'eau et d'air au prorata du gain de puissance thermique supplémentaire évacuée par rapport à la puissance électrique consommée pour se faire par les actionneurs associés (pompe à eau électrique positionnée sur la branche batterie et GMV (20)). Par contre, l'activation du GMV (20) dépend également de ses autres utilisations (refroidissement du moteur thermique si présent, des organes de la chaîne de traction électrique, condensation pour la climatisation, environnement thermique sous capot ...) et de la vitesse du véhicule (ex : une vitesse véhicule élevée génère des vitesses d'air sur les échangeurs suffisantes sans que la mise en œuvre du GMV ne se justifie, lesdits échangeurs pouvant alors être saturés côté air ; a contrario, une vitesse véhicule insuffisante justifie l'apport de puissance aéraulique supplémentaire généré par le GMV pour obtenir des vitesses d'air suffisantes sur les échangeurs). Dans une optique de simplification, il sera supposé par la suite et pour une meilleure compréhension de la fig.6, que la vitesse minimale d'air extérieur requise sur le radiateur BT (14) est satisfaite.
Le mode « refroidissement BT » est le plus efficace (prorata puissance thermique évacuée / puissance électrique consommée pour se faire) et le plus rentable énergétiquement tant qu'un ΔΤ important existe entre la température batterie et la température ambiante. Par un ΔΤ élevé, par exemple par température ambiante suffisamment basse, ce mode peut s'avérer seul suffisant pour refroidir la batterie de traction sans recourir au mode « refroidissement TBT » : il peut même être pertinent d'optimiser la puissance électrique consommée par la pompe électrique en réduisant le débit d'eau pour se maintenir à iso-puissance thermique dissipée. Quand ce ΔΤ diminue, par exemple à mesure de la température batterie augmente à température ambiante constante, le plus efficace et le plus rentable énergétiquement est d'augmenter le débit d'eau fourni par la pompe électrique : en effet, une augmentation du débit d'eau augmente significativement la puissance thermique évacuée avec un impact réduit sur la puissance électrique consommée. Par une température ambiante intermédiaire (tempérée), le mode « refroidissement BT » est activé en augmentant progressivement le débit d'eau à mesure que la température batterie augmente tout en surveillant la température eau en entrée de la batterie.
Par contre, par une température ambiante intermédiaire, les transitions entre les modes « refroidissement BT », « by-pass » et « refroidissement TBT » sont davantage conditionnées par le mode de conduite et le comportement du conducteur que pour une température ambiante froide (où le ΔΤ élevé est suffisant pour absorber des puissances thermiques importantes) ou élevée (où officie le mode « refroidissement TBT »).
Concernant le mode « refroidissement TBT » :
o Pour température batterie > TBM, ce mode est systématiquement actif, et peut l'être pour des température batterie plus basses, selon notamment la valeur de température batterie et la température ambiante.
o Basculer dans ce mode permet d'abaisser rapidement la température batterie.
o Par une température ambiante élevée (trop élevée pour tirer parti du mode « refroidissement BT »), à mesure que la température batterie augmente, on pourra être amené à passer directement du mode « by-pass » au mode « refroidissement TBT » sans passer par le mode « refroidissement BT » et vice-versa si la température batterie décroît.
o Lors de l'activation du « refroidissement TBT », le débit de fluide TBT en interne de la batterie est porté à sa valeur maxi pour augmenter ainsi la puissance thermique de la batterie absorbée par le système., Compte-tenu du faible surcoût en puissance électrique du pilotage associé de la pompe à eau électrique au regard :
- d'une part de la puissance électrique consommée au titre du « refroidissement TBT » (impacts sur le pilotage du compresseur (22) et du GMV (20) notamment)
- et d'autre part de la sensibilité du débit d'eau sur la puissance thermique absorbée à la batterie,
la motivation ici est d'activer ce mode de sorte à abaisser rapidement la température batterie et à un niveau de température suffisamment bas pour :
- minimiser le temps passé dans ce mode et maximiser le temps passé dans des modes moins énergivores (ex : « by-pass » ou « refroidissement BT » ou « stand-by »)
- et réduire l'occurrence d'avoir à activer de nouveau le mode « refroidissement TBT »
o Lors de la désactivation du « refroidissement TBT », le système adopte l'un des modes « by-pass » ou « refroidissement BT » selon la valeur de la température eau en entrée de la batterie, de la température ambiante et de la différence entre ces deux valeurs. • Le mode « by-pass » est un mode de transition, concurrencé dans certains cas par le mode « stand-by », entre les modes « refroidissement TBT » et « refroidissement BT » ou quand l'un de ces modes jusqu'alors actif devient non nécessaire. Par la circulation de fluide BT associée, le mode « by-pass » contribue à homogénéiser les températures internes des cellules de la batterie.
En référence à la figure 6, dans le champ (température batterie, température ambiante) sont définis, dans un 1 er temps, trois plages de température ambiante délimitées par deux frontières TAF (de l'ordre de 1 0 à 20 °C et par exemple supérieure à TBF) et TAE (de l'ordre de 30 °C et supérieure à TB1 ) et ensuite :
· Un 1 er domaine A tel que température batterie > TBI : la batterie est alors hors service, donc ne peut plus fournir de l'énergie haute tension pour assurer la mobilité du véhicule ni assurer le refroidissement de la batterie de traction.
• Un 2nd domaine B tel que température batterie < TBF et température batterie < température ambiante : il s'agit d'un domaine impossible de par le fonctionnement du système. En effet, la température la plus basse rencontrée par la batterie est nécessairement le minimum entre TBF (si la batterie a été thermiquement préconditionnée, voir ci-après) et la température ambiante (si la batterie n'a pas été thermiquement préconditionnée).
• Un 3eme domaine C tel que température batterie < TBF et température batterie > température ambiante : un réchauffage de la batterie est nécessaire et mis en œuvre par le système, si les calories présentes dans le circuit BT le permettent : le système se met en mode « chauffage » selon les cas 1 et 2. Dès que température batterie atteint TBF, ce mode est désactivé et, comme explicité plus haut, le système adopte pendant un temps prédéfini le mode « by-pass » (chiller (1 1 ) désactivé) afin d'homogénéiser la température des cellules, temps à l'issue duquel le système adopte le mode « stand-by » (pas de circulation de fluide BT en interne de la batterie).
• Un 4eme domaine D tel que TBF < température batterie < TB1 : aucune gestion thermique (ni refroidissement ni réchauffage) de la batterie de traction n'est alors utile et le système adopte le mode « stand-by » : aucune circulation de fluide BT n'est mise en œuvre en interne de la batterie.
• Un 5eme domaine E tel que TBM < température batterie < TBI : dans toute cette zone, le mode « refroidissement TBT » est activé. Cette zone, par dimensionnement du système, n'est pas accessible pour des température ambiante froide (température ambiante < TAF) ou tempérée (TAF < température ambiante < TAE) puisqu'alors, comme explicité ci-avant, le mode « refroidissement BT » est, par dimensionnement du système, suffisant (en faisant varier le débit de fluide BT) sans avoir à recourir au mode « refroidissement TBT ». Il est néanmoins possible d'y recourir pour des températures ambiantes froides ou tempérées par mesure de sécurité.
Un 6eme domaine F tel que température batterie > TB1 et température ambiante > TAE : par définition de ce domaine, un refroidissement de la batterie est nécessaire mais ne peut être assuré par le mode « refroidissement BT » car la température ambiante est alors trop élevée : il est alors prévu d'activer le mode « refroidissement TBT » sans passer par le mode « refroidissement BT » et, comme explicité ci-avant, avec la valeur maxi du débit de fluide BT afin de réduire l'occurrence d'avoir à réactiver de nouveau ce mode.
Un 7eme domaine G tel que TB1 < température batterie < TB2 et température ambiante < TAF : dans toute cette zone, par dimensionnement du système, le mode « refroidissement BT » est suffisant, même sans mettre en œuvre le débit maximal de fluide BT en interne de la batterie, sans donc avoir à recourir au mode « refroidissement TBT ».
Un 8eme domaine H tel que TB2 < température batterie < TBM et température ambiante < TAF : dans toute cette zone, par dimensionnement du système, le mode « refroidissement BT » est suffisant, à condition de mettre en œuvre le débit maximal de fluide BT en interne de la batterie, sans donc non plus avoir à recourir au mode « refroidissement TBT ».
Le 9eme domaine I restant est défini en plusieurs sous-domaines :
o 11 : ce domaine étend l'utilisation possible du mode « refroidissement BT » avec un débit de fluide BT nominal (non forcé à sa valeur maximale) depuis la frontière avec le domaine G (température ambiante = TAF et TB1 < température batterie < TB2) jusqu'à température batterie = TB1 et température ambiante = température batterie- Atempérature (avec Atempérature à la valeur requise pour garantir la stricte évacuation des calories générées par effet Joule dans la batterie par le mode « refroidissement BT »).
o 12 : ce domaine illustre la zone de recours nécessaire au mode « refroidissement TBT » et en particulier la réfrigération associée du fluide BT avant qu'il n'entre dans la batterie, la température ambiante étant alors trop élevée pour assurer le refroidissement de la batterie par le mode « refroidissement BT ». o 13 : il s'agit donc du domaine restant, où y persévérer dans le mode « refroidissement BT » requiert que le débit de fluide BT soit alors porté à sa valeur maximale. Sa frontière pour température ambiante = TAE se trouve à température batterie = TB2 + Atempérature + 1 à 3°C afin de garantir l'optimisation énergétique dans ce domaine 13 en repoussant le recours au mode « refroidissement TBT » tout en garantissant la non- atteinte de TBM par le domaine 12.
Pour terminer l'analyse de la figure 13, considérons les sept exemples ci- après, avec les mêmes hypothèses simplificatrices énoncées précédemment : la batterie de traction comme seule source d'énergie haute tension, pertes thermiques moyennes constantes et système de gestion thermique suffisamment dimensionné, au plus juste. Pour chacun de ces cas, la température ambiante y est constante.
• L'exemple n °1 se caractérise par une batterie de traction en conditions initiales chambrée à la température ambiante (donc non préconditionnée thermiquement - voir ci-après - à la valeur de TBF, donc température batterie = température ambiante) et telle que température batterie < TBF : un réchauffage de la batterie est donc mis en œuvre par le système et la température de la batterie augmente donc jusqu'à atteindre et dépasser TBF suite à quoi le réchauffage de la batterie de traction est arrêtée. La sollicitation de la batterie lui fait toujours générer des pertes thermiques par effet joule et la température de la batterie continue donc d'augmenter puisque se situant alors dans le domaine D dans lequel aucun refroidissement de la batterie de traction n'est alors mis en œuvre, le système étant alors en mode « stand-by ». La température de la batterie atteint alors TB1 et entre dans le domaine G : le mode « refroidissement BT » est mis en œuvre, mais l'écart de température entre la batterie et l'ambiante (température batterie = TB1 et température ambiante < TBF) est alors tel que l'équilibre thermique s'établit à une température batterie très proche de TB1 , donc sans atteindre les domaines H ni E.
• L'exemple n °2 est défini par les conditions initiales suivantes : la batterie de traction a été préconditionnée à TBF et TBF < température ambiante < TAF. Au début de la sollicitation, température batterie = TBF et donc aucune gestion thermique de la batterie de traction n'est alors mise en œuvre jusqu'à ce que sa température atteigne et dépasse TB1 : température batterie entre alors dans le domaine G où est mis en œuvre le mode « refroidissement BT ». Là encore, l'écart de température entre la batterie et l'ambiante (température batterie = TB1 et température ambiante proche de TBF tout en en étant inférieure) est alors tel que l'équilibre thermique s'établit à une température batterie proche de TB1 , à une température légèrement plus élevée que celle de l'équilibre thermique réalisé dans l'exemple n °1 puisque la température ambiante est ici plus élevée, mais en tous cas sans non plus atteindre, par dimensionnement du système, les domaines H ni E.
L'exemple n °3 se caractérise, comme dans le cas n °1 , par une batterie de traction en conditions initiales chambrée à la température ambiante (donc non préconditionnée, donc température batterie = température ambiante) et telle que température ambiante > TBF tout en en étant proche. Par conséquent la température batterie initiale appartient au domaine D où aucune gestion thermique n'est mise en œuvre, jusqu'à ce que la température de la batterie atteigne et dépasse, par les pertes thermiques générées par effet joule, la valeur de TB1 et entre dans le domaine 11 . Le mode « refroidissement BT » est alors mis en œuvre et l'écart de température entre la batterie et l'ambiante est encore suffisant pour que l'équilibre thermique s'établisse à l'intérieur du domaine 11 , certes à une valeur de température batterie plus élevée que celles atteintes dans les exemples 1 et 2 mais sans atteindre les domaines 13, 12 ni E.
Dans l'exemple n °4, la température ambiante se trouve entre TAF et TAE (à une valeur plus élevée que dans l'exemple n °3) et la batterie se trouve initialement préconditionnée thermiquement à TBF : la sollicitation de la batterie lui fait générer des pertes thermiques par effet joule et la température de la batterie augmente sans aucun refroidissement puisque se situant alors dans le domaine D. La température de la batterie atteint alors TB1 et entre dans le sous-domaine 13 où le mode « refroidissement BT » est mis en œuvre avec un débit de fluide BT alors forcé à sa valeur maximale, le faible écart de température entre la batterie et l'ambiante le requérant pour évacuer par ce biais la puissance thermique dissipée par la batterie. Alors même si l'équilibre thermique s'établit à une température batterie relativement élevée, elle est maintenue au sein du sous- domaine 13, sans atteindre TBM, uniquement au prix de la puissance électrique consommée par la pompe à eau électrique donc sans requérir l'activation de la réfrigération et du mode « refroidissement TBT », plus énergétivore.
Dans l'exemple n °5, la température ambiante est légèrement inférieure à TAE et la batterie se trouve ici aussi initialement préconditionnée thermiquement à TBF. Les pertes thermiques générées par effet joule font augmenter, en l'absence de tout refroidissement (puisque dans le domaine D), la température de la batterie jusqu'à TB1 . Par définition du sous-domaine 13, la température batterie entre alors dans ce sous-domaine du côté des température ambiantes > température batterie. Même si ici également le mode « refroidissement BT » est mis en œuvre avec un débit de fluide BT alors forcé à sa valeur maximale, ce mode est donc dans un 1 er temps inefficace et la température batterie continue à augmenter pour suffisamment dépasser alors la température ambiante. L'écart de température entre la batterie et l'ambiante qui s'instaure suffit alors à évacuer par ce biais la puissance thermique dissipée par la batterie. Ici encore, même si l'équilibre thermique s'établit à une température batterie élevée proche de TBM, elle est maintenue au sein du sous-domaine 13, sans atteindre TBM par le dimensionnement du système de gestion thermique, uniquement au prix de la puissance électrique consommée par la pompe à eau électrique donc sans requérir l'activation de la réfrigération et du mode « refroidissement TBT », plus énergétivores.
En alternative, la réfrigération du fluide BT en entrée de la batterie (donc le mode « refroidissement TBT ») pourrait être mis en œuvre dans la partie du sous- domaine 13 tel que température batterie < température air , partie pouvant être étendue jusqu'à la droite en trait mixte (telle que température batterie= température air + Atempérature ). Par ce biais, la température batterie pourrait alors être maintenue (dans l'exemple n °5 mais aussi dans l'exemple n °4) en équilibre thermique à une valeur de température plus faible, plus proche de TB1 mais au prix d'un coût énergétique plus élevé que dans l'exemple précédent puisque recourant nécessairement à la réfrigération (surcoût à toutefois relativiser puisque la réfrigération sera très probablement, compte tenu de la température ambiante, déjà active pour réfrigérer l'habitacle, et ce d'autant plus dans l'exemple n °5. Dans l'exemple n °4, l'activation de la réfrigération se fait toutefois avec un coefficient de performance du circuit réfrigérant favorable compte-tenu de la température ambiante régnant alors). Cette alternative est donc à considérer, en particulier dans une approche de compromis entre durabilité batterie (où sa température moyenne sur sa durée de vie joue un rôle de 1 er plan), autonomie, efficacité et performances de la chaîne de traction, qui sera abordée en toute fin de ce mémoire.
Dans l'exemple n °5', la température ambiante est au même niveau que dans l'exemple n °5 (légèrement inférieure à TAE) et la batterie se trouve ici à une température initiale chambrée à l'ambiante (donc température batterie initiale = température ambiante proche de TAE) : la température batterie se trouve déjà dans le domaine 13, donc alors en référence le refroidissement BT est mis en œuvre avec le débit de fluide BT forcé à sa valeur maximale. De par la faiblesse de l'écart de température entre la batterie et l'ambiante, insuffisant pour évacuer par ce biais toute la puissance thermique dissipée par la batterie, la température batterie continue d'augmenter et pourrait alors être amenée à entrer dans le domaine 12 où le « refroidissement TBT » est mis en œuvre : la TBM n'est alors pas atteinte.
Selon l'alternative explicitée ci-avant, le « refroidissement TBT » est dans cet exemple 5' mis alors en œuvre dès le départ du véhicule, alors que température batterie initiale est encore égale à température ambiante proche de TAE : la mise en œuvre associée de la réfrigération pourrait alors ramener la température d'équilibre thermique de la batterie à une valeur inférieure à la température batterie initiale proche de TB1 , mais comme précédemment au prix d'une dépense énergétique supérieure, comme dans l'exemple n °5 à interclasser dans une approche de compromis entre durabilité batterie, autonomie, efficacité et performances.
• Enfin, dans l'exemple n °6, la température ambiante est ici supérieure à TAE et la batterie se trouve ici initialement préconditionnée thermiquement à TBF. Les pertes thermiques générées par effet joule font augmenter, en l'absence de tout refroidissement (puisque dans le domaine D), la température de la batterie jusqu'à TB1 , valeur pour laquelle la température batterie entre dans le domaine F. Le mode « refroidissement TBT », dont la réfrigération du fluide BT en entrée de la batterie, est alors mis en œuvre, permettant ainsi de parvenir à un équilibre thermique plus ou moins proche de TB1 selon le dimensionnement et le pilotage de la réfrigération du fluide BT en entrée de la batterie.
En plus de la situation de vie utilisation du véhicule en roulage qui a été jusqu'ici largement détaillée, la gestion thermique de la chaîne de traction telle que décrite ici est également opérationnelle et active dans les autres situations de vie du véhicule. En particulier, le critère dimensionnant pour la durée de vie de la batterie est en premier lieu sa température moyenne. On a vu comment la température de la batterie est managée en phase d'utilisation, afin de la maintenir dans sa plage optimale de fonctionnement. Mais une attention particulière doit également être apportée à la température de la batterie dans l'état « hors utilisation » du véhicule : parking, garage, stationnement, etc., cette situation de vie pouvant représenter jusqu'à 80 à 85% de la durée de vie du véhicule. En conséquence et à titre d'exemple non limitatif et non exclusif, de petits dépassements de température en situation de vie utilisation peuvent être tolérés si par ailleurs la température de la batterie en situation de vie hors utilisation est maintenue plus basse.
L'état « hors utilisation » du véhicule se décompose des situations de vie suivantes :
• la recharge de la batterie de traction sur le réseau électrique domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide), qu'elle soit lente ou rapide et immédiate ou programmée. Les besoins thermiques de la chaîne de traction à satisfaire sont les suivants :
o la batterie peut nécessiter d'être thermo-managée avant, pendant mais aussi après la recharge, en refroidissement comme en réchauffage ; o le chargeur par son activité nécessite d'être refroidi.
• le post-refroidissement du véhicule et en particulier celui de la batterie ou celui des organes de la chaîne de traction électrique.
• le préconditionnement thermique du véhicule et en particulier celui de la batterie, du moteur à combustion interne ou de l'habitacle du véhicule.
· lors du repos du véhicule, où là encore une attention particulière sera portée à la thermique de la batterie.
Pour chacune de ces quatre situations de vie, sauf s'il faut refroidir la batterie en mode « refroidissement TBT », le recours au GMV sera préférentiellement annihilé, pour réduire la consommation électrique et l'émission de bruit associées, afin de ne pas susciter d'inquiétude et ne pas laisser penser à un comportement anormal du véhicule, sauf si la mise en œuvre du GMV s'avère indispensable (par exemple en modes « refroidissement TBT » ou « refroidissement TBT » ; dans ces cas, en limitant le pwm de commande à des valeurs telles que l'acoustique n'est pas critiquable et en en limitant le temps de fonctionnement) : cela sera alors détaillé dans chaque cas.
Situation « Repos » :
La situation « Repos » correspond à l'état « hors utilisation » du véhicule en l'absence de toute autre demande, que le cordon de charge soit branché ou non et tant qu'il n'y a pas de demande de mise sous tension du véhicule et de la chaîne de traction. La sortie de la situation « Repos » se fait dès l'apparition d'une demande de mise sous tension ou dès l'apparition d'une demande de recharge, de postrefroidissement ou de préconditionnement.
Dans la situation « repos », le calculateur de la batterie surveille les températures des cellules à des fins de sécurité (emballement thermique, ...) et d'estimation du vieillissement de la batterie. Cette surveillance a lieu pour toutes les phases hors utilisation de la batterie : recharge, préconditionnement thermique, postrefroidissement, repos, et en particulier pendant que le véhicule est branché au réseau électrique domestique ou public ou spécifique. La périodicité et la durée d'une telle surveillance sont adaptées à l'électrochimie mise en œuvre au sein des cellules de la batterie.
Par défaut et en référence, le système de gestion thermique de la chaîne de traction de la présente invention, prend en situation « Repos », la configuration décrite pour le cas 3, figure 7 avec la pompe à eau (23) électrique principale du circuit BT inactive (position OFF). Il n'y a donc aucune circulation du liquide de refroidissement, que ce soit au sein de la batterie (1 0) de traction ou des organes de la chaîne de traction électrique (1 7, 1 8, 1 9). Durant cette phase, il peut être requis du système de gestion thermique qu'il refroidisse la batterie (1 0) si sa température atteint un certain seuil de sécurité et jusqu'à ce que la température de la batterie redescende sous ce seuil diminué d'une certaine hystérésis.
Lorsque le véhicule n'est pas branché au secteur électrique externe domestique ou public ou spécifique, la seule source de puissance électrique pour alimenter le compresseur afin de refroidir la batterie, est la batterie elle-même, qui peut ne plus être disponible (détériorée ou autre) : le mode « refroidissement TBT » est alors indisponible. Néanmoins, le réseau 1 2V est alors disponible (batterie de servitude) donc le mode « refroidissement BT » également. Ce mode de refroidissement est d'autant plus efficace que l'écart ΔΤ de température entre l'air extérieur et la batterie est important. Dans les présentes conditions, si température batterie> TBI, alors selon les conditions de stockage du véhicule, un ΔΤ d'au moins 20 à 30 °C existe entre les températures de l'air extérieur et de la batterie, apte à évacuer la puissance thermique dissipée par la batterie selon l'amplitude de son emballement thermique. Le système de gestion thermique de la chaîne de traction prend alors la configuration décrite pour le cas 5, figure 9 :
· la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT est inactive (position OFF),
• la pompe à eau électrique (1 02) située en amont de la batterie (10) est activée pour fournir le débit de fluide BT maximal,
• et le GMV (20) est activé (pour fournir sur le radiateur BT (14) une vitesse d'air nécessaire à l'évacuation à l'air extérieur des calories dégagées par la batterie (1 0) de traction) à un niveau de commande dépendant de la valeur de la température du fluide en sortie de la batterie (1 0) et de la température de l'air extérieur.
Il n'y a donc circulation de liquide de refroidissement qu'au sein de la batterie de traction mais pas dans les organes de la chaîne de traction électrique. Cette configuration est maintenue jusqu'à ce que la température de la batterie soit revenue dans une plage de température acceptable ou que le SOC de la batterie de servitude (qui fournit dans ce cas l'énergie électrique du réseau 1 2V) atteigne un 1 er seuil, au premier de ces termes échu. Par la suite, le système adopte la configuration décrite pour le cas 7, figure 1 1 où la pompe à eau électrique principale du circuit BT est toujours inactive (position OFF) et où s'instaure une circulation de fluide BT en une boucle courte en interne de la batterie (1 0) sans échange thermique, avec chiller (1 1 ) inactif et vanne on/off (1 21 ) associée en position off, avec un débit de fluide BT non maximal, ramené à une valeur nécessaire et suffisante pour homogénéiser les températures internes des cellules de la batterie (1 0) et le cas échéant, prodiguer un dernier niveau de refroidissement à la batterie. Cette configuration est maintenue jusqu'à ce que la température de la batterie soit revenue dans une plage de température acceptable ou que le SOC de la batterie de servitude atteigne un 2nd seuil ou après qu'un temps prédéfini se soit écoulé après le basculement du système dans la configuration décrite pour le cas 7, figure 1 1 au premier de ces termes échu. Une fois ce terme atteint, le système adopte la configuration de « Repos » telle que décrite pour le cas 3 avec la pompe à eau électrique principale du circuit BT inactive (position OFF) sans aucune circulation de liquide de refroidissement au sein de la batterie de traction (1 0) ni au sein des organes (1 7, 1 8, 1 9) de la chaîne de traction électrique. Ces conditions sur le SOC de la batterie de servitude visent à garantir la disponibilité (accès au véhicule, condamnation électrique, réseau de bord ...) et la démarrabilité du véhicule lors de son utilisation suivante : le véhicule étant non branché au secteur électrique externe domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide), aucune recharge de la batterie de servitude n'est alors possible.
Sinon ((véhicule non branché au secteur électrique externe domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide) et batterie non détériorée donc disponible) ou (véhicule branché au secteur électrique externe domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide) quelque soit l'état de la batterie), le mode « refroidissement TBT » est alors disponible (le mode « refroidissement BT » également). La priorité lui est donnée pour de maintenir la température de la batterie hors d'une plage potentiellement dangereuse. En effet, le but est ici d'endiguer l'emballement thermique, la détérioration de la batterie et les conséquences associées et n'est plus à l'optimisation énergétique de l'opération, d'autant que le véhicule n'est pas utilisé. Le système adopte alors la configuration décrite pour le cas 7, figure 1 1 où la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT est inactive (position OFF). Dans un 1 er temps, le circuit réfrigérant donc le chiller (1 1 ) sont maintenus inactifs et la vanne on/off (1 21 ) associée en position off, avec circulation de fluide à son débit maximal en une boucle courte en interne de la batterie (1 0), donc sans échange thermique avec le chiller (1 1 ). Cette 1 ere étape, d'une durée de quelques secondes à quelques dizaines de secondes, vise à homogénéiser les températures internes des cellules de la batterie et à prodiguer un premier niveau de refroidissement à la batterie. Très vite, le circuit réfrigérant (y compris le GMV (20) et le compresseur électrique (22), commandés de façon adéquate, notamment en fonction du niveau de bruit perçu à l'extérieur du véhicule) donc le chiller (1 1 ) sont activés et la vanne on/off (121 ) associée en position on (la vanne on/off (122) associée à l'évaporateur habitacle (12) est alors forcée en position off), et la circulation de fluide en interne de la batterie (10) est maintenue à son débit maximal. Cette configuration est maintenue jusqu'à ce que la température de la batterie soit revenue dans une plage de température acceptable ou, si le véhicule n'est pas branché, jusqu'à ce que les SOC de la batterie de servitude et de la batterie de traction (10) atteignent un 1 er seuil, au premier de ces termes échus. Par la suite, toujours en conservant la configuration décrite pour le cas 7, figure 1 1 et en maintenant la circulation de fluide en interne de la batterie (10) à son débit maximal, le circuit réfrigérant est désactivé (GMV (20) et compresseur électrique (22) stoppés, chiller (1 1 ) inactif et vanne on/off (121 ) associée en position off, vanne on/off (122) associée à l'évaporateur habitacle (12) en position de repos donc en position on). Cette configuration vise à homogénéiser les températures internes des cellules de la batterie (10) et le cas échéant, à lui prodiguer un dernier niveau de refroidissement. Elle est maintenue jusqu'à ce qu'un temps prédéfini se soit écoulé après la désactivation du circuit réfrigérant ou, si le véhicule n'est pas branché, jusqu'à ce que les SOC de la batterie de servitude et de la batterie de traction atteignent un 2nd seuil, au premier de ces termes échu, et tant que la température de la batterie de traction soit revenue dans une plage de température acceptable. Ces conditions sur le SOC de la batterie de servitude ont le même but que précédemment si le véhicule n'est pas branché et donc aucune recharge de la batterie de servitude n'est alors possible : disponibilité et démarrabilité du véhicule lors de son utilisation suivante. Une fois ce terme atteint, le système adopte la configuration de « Repos » que décrit pour le cas 3 avec la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT inactive (position OFF). Si le véhicule est toujours branché, les SOC de la batterie de servitude et de la batterie de traction (10) ayant pu évoluer lors de l'opération qui vient d'être décrite, il pourra être procédé à une recharge de ces batteries (dans n'importe quel ordre mais préférentiellement d'abord celle de servitude jusqu'à un certain niveau de SOC, puis celle de traction si non endommagée, puis enfin la recharge de la batterie de servitude est enfin achevée jusqu'à son SOC maximal admissible).
Dans chaque cas, si les entrées d'air en face avant du véhicule sont munies de volets pilotables, leur gestion est adaptée afin d'assurer le flux d'air nécessaire sur les échangeurs en face avant (radiateur BT et condenseur) afin de garantir le refroidissement de la batterie selon les modes « refroidissement BT » et « refroidissement TBT » le cas échéant.
Dans le cas d'une batterie non détériorée et véhicule non branché au secteur électrique externe domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide), une alternative non préférentielle à la stratégie explicitée précédemment consiste à recourir uniquement au mode « refroidissement BT » sans solliciter le mode « refroidissement TBT ».
Situation « Post-refroidissement » :
A l'issue immédiate ou à l'issue d'une temporisation d'une à deux minutes, pour s'affranchir d'activations intempestives lors d'arrêts très courts, d'un roulage sollicitant thermiquement, alors que le véhicule n'est pas branché au secteur, un post-refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique, en simultané avec celui de la batterie de traction, peut être nécessaire si la température eau dans le circuit BT et/ou si la température de ces organes sont trop élevées. Ce postrefroidissement sert à couvrir les risques thermiques liés à l'arrêt de la sollicitation des organes de la chaîne de traction électrique :
• point chaud à la coupure du véhicule ;
• risque d'obtenir, lors des phases de redémarrage de la chaîne de traction électrique, une température eau dans le circuit BT et/ou une température interne des organes supérieures à leur seuil respectif, et d'entrer en dérating des machines ;
• éviter que l'eau stagnant dans les organes de la chaîne de traction électrique ne dépasse le seuil d'ébullition.
L'ordre d'activation des actionneurs pour le post-refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique est l'utilisation de la pompe à eau électrique principale en premier lieu pour évacuer la chaleur résiduelle emmagasinée dans les organes, puis l'utilisation du GMV pour refroidir la température d'eau si cela s'avère nécessaire.
Ainsi, dans un 1 er temps, la pompe à eau électrique sera activée à un seuil calibrable pendant un certain temps calibrable, si la température du fluide BT dans le circuit de refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique atteint ou dépasse un 1 er seuil de température calibrable ou si la température interne d'au moins un des organes atteint ou dépasse un 1 er autre seuil de température calibrable. Ensuite, si cette température de fluide BT atteint ou dépasse un 2nd seuil de température calibrable (ces 1 er et 2nd seuils de température du fluide BT seront choisis tels que 2nd seuil de température > 1 er seuil de température), il est requis du GMV son activation à au moins une vitesse minimale calibrable, soit fixe, soit variable en cohérence avec l'évolution de la température du fluide BT, et dans ces deux cas afin de réaliser la ventilation requise en limitant le bruit perçu à l'extérieur du véhicule. Ici également, une temporisation calibrable est lancée pour borner l'utilisation de la post-activation du GMV quelque soit la valeur de température du fluide BT, suffisamment longue pour que la température du fluide BT puisse atteindre le seuil de désactivation. Au cas où les entrées d'air en face avant du véhicule sont munies de volets pilotables, leur ouverture est requise si la vitesse du GMV est supérieure à un autre seuil calibrable. Préférentiellement, ces volets pilotables sont maintenus fermés quelle que soit la vitesse de rotation du GMV.
A l'inverse, le GMV est arrêté soit au bout d'un temps calibrable, soit si la température du fluide BT descend sous le 2nd seuil de température calibrable diminué d'une hystérésis. Lorsque la vitesse du GMV devient inférieure à un seuil calibrable, la fermeture des volets d'entrées d'air en face avant du véhicule (s'il en est équipé et s'ils ont été préalablement ouverts) est autorisée. De même, la pompe à eau électrique est arrêtée soit au bout d'un temps calibrable, soit si la température du fluide BT descend sous le 1 er seuil de température calibrable ou si la température interne des organes de la chaîne de traction électrique descend sous le 1 er autre seuil de température calibrable, ces seuils étant diminués d'une hystérésis.
Du côté de la batterie de traction, à l'issue immédiate d'un roulage sollicitant thermiquement pour elle ou à l'issue d'une temporisation d'une à deux minutes pour s'affranchir des enclenchements intempestifs lors d'arrêts très courts, si son SOC est supérieur à une certaine valeur fixée et si sa température atteint ou dépasse un seuil (TEMP_BTRAC_POSTREFR_HIGH) fixé à une valeur :
- suffisamment élevé pour ne pas interférer avec les stratégies explicitées ci- avant
- mais suffisamment bas pour ne pas altérer la durée de vie de la batterie, un post-refroidissement est opéré jusqu'à ce que la température de la batterie redescende sous un seuil TEMP_BTRAC_ POSTREFR_LOW fixé à par exemple 30 °C.
Par des températures extérieures élevées ou même tempérées, ce postrefroidissement est pertinent pour abaisser la température de la batterie de traction. Par contre, par des températures extérieures plus faibles, il est connu que les performances de la batterie sont réduites, en l'absence de tout dispositif permettant de réchauffer la batterie autre que son auto-échauffement en utilisation ou afin d'économiser la puissance électrique consacrée à son réchauffement ou encore si les calories présentes dans le circuit BT sont notoirement insuffisantes pour se faire. Il peut alors être pertinent de ne pas post-refroidir la batterie dans ces conditions afin, la batterie encore chaude étant stockée dans une ambiante thermique froide, de conserver à l'intérieur du pack batterie la chaleur utile pour le départ suivant du véhicule avec une batterie encore en température, la plus possible à même de fournir ses performances nominales. Ainsi, à la condition énoncée ci-dessus sur la température de la batterie, s'ajoute comme condition d'entrée dans la phase de post- refroidissement de la batterie, une condition sur la température extérieure, telle que le post-refroidissement soit inhibé si la température extérieure est inférieure à un seuil TEMP_EXT_POSTREFR (par exemple 10°C).
En phase de post-refroidissement, le véhicule n'est pas branché au secteur électrique domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide) (contrairement au préconditionnement thermique commenté ci-après). L'énergie ainsi consacrée à post-refroidir la batterie (durabilité, disponibilité et autonomie du mode électrique) ne peut plus être dédiée à la mobilité du véhicule. Un seuil de température trop bas activant le post-refroidissement est donc certes favorable à la durabilité de la batterie mais ce post-refroidissement se fait en consommant de l'énergie électrique stockée dans la batterie. Ainsi, la condition d'entrée dans ce mode « post-refroidissement » se complète d'une condition sur un niveau de SOC minimal à respecter avant de basculer dans ce mode et la condition de sortie température batterie < TEMP_BTRAC_POSTREFR_LOW peut se compléter, au premier des termes échus, d'une condition de durée maximale de post- refroidissement TIMER_POSTREFR (fixée à une valeur par exemple comprise entre 5 et 10 minutes) et d'une condition sur le niveau de SOC minimal de la batterie de traction.
Enfin, à ces conditions s'ajoute, avant d'entrer dans la phase de postrefroidissement, une temporisation d'une à deux minutes activée afin de s'affranchir de cette opération alors inutile s'il s'agit d'un arrêt très temporaire avant de repartir.
Parmi les cinq modes présentés ci-dessus : « chauffage », « stand-by », « by- pass », « refroidissement BT » et « refroidissement TBT », seuls l'un ou l'autre des deux derniers seront mis en œuvre pour réaliser ce post-refroidissement. En plus de température de la batterie, le choix s'effectuera en fonction de la température du fluide BT en entrée de la batterie et de la température de l'air extérieur. Ainsi, si les écarts de température entre l'air extérieur et le fluide BT d'une part et entre le fluide BT et la batterie de l'autre, sont suffisants pour que le mode « refroidissement BT » puisse réaliser ce post-refroidissement, alors ce mode est privilégié, sinon on a recours au mode « refroidissement TBT ». Toutefois dans les deux cas, chacun de ces deux modes est suivi, avant la sortie de la situation de post-refroidissement, d'une phase, d'une durée d'une dizaine de secondes à une minute, où le mode « by- pass » est activé afin d'homogénéiser les températures en interne des cellules de la batterie de traction avant de passer dans le mode repos.
Ainsi, les différentes configurations pouvant être prises par le système sont:
• cas 4 (voire cas 3 si le thermostat se referme mais la circulation de fluide BT peut être maintenue au sein des organes de la chaîne de traction électrique si leurs températures le justifient) si nécessité de post-refroidir ces organes sans besoin d'un post-refroidissement de la batterie ;
• cas 6 (voire cas 5 pour les mêmes raisons que ci-avant pour le cas 3) en cas d'un post-refroidissement de la batterie de traction selon le mode « refroidissement BT » et en même temps post-refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique ;
• cas 6 et 5 avec désactivation de la pompe à eau électrique principale, si nécessité de post-refroidir la batterie de traction sans besoin de post-refroidir les organes de la chaîne de traction électrique ;
• cas 8 (voire cas 7 pour les mêmes raisons que ci-avant pour les cas 3 et 5) en cas d'un post-refroidissement de la batterie de traction selon le mode
« refroidissement TBT » et en même temps post-refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique ;
• cas 8 et 7 avec désactivation de la pompe à eau électrique principale, si nécessité de post-refroidir la batterie de traction sans besoin de post-refroidir les organes de la chaîne de traction électrique ;
• cas 8 et 7 encore avec désactivation du circuit réfrigérant pour réaliser le mode « by-pass » pour la batterie de traction, et désactivation ou non de la pompe à eau électrique principale selon la nécessité de post-refroidir en même temps les organes de la chaîne de traction électrique.
Situation « préconditionnement thermique » :
La raison d'être de la phase « préconditionnement thermique de la batterie » est de profiter du raccordement du véhicule au secteur électrique extérieur pour réchauffer ou abaisser si nécessaire et judicieux la température de la batterie : • Dès le raccordement au réseau électrique externe, au plus tôt, à des fins de durée de vie batterie en abaissant ainsi sa température par une dépense énergétique réduite puisque l'énergie requise est puisée sur le réseau électrique, qu'il n'y ait eu ou non de post-refroidissement préalable de la batterie ;
« En dehors d'une recharge (le véhicule étant toutefois toujours branché au réseau électrique extérieur), si la thermique batterie et l'ambiante thermique extérieure le justifient ;
• Avant le départ du client (si l'heure de départ a été programmée) en refroidissant ou réchauffant la batterie afin qu'elle soit dans sa plage optimale de température de fonctionnement pour garantir une disponibilité accrue du mode électrique pur, selon la valeur alors prise par la température de la batterie.
• Après le roulage, en l'absence de post-refroidissement de la batterie, afin de participer à la durabilité batterie (contribuer à abaisser la température moyenne de la batterie sur sa durée de vie) et de permettre une disponibilité accrue du mode électrique pur, selon la thermique batterie et la température extérieure.
Un préconditionnement thermique en réchauffage de la batterie est pertinent, afin de satisfaire une disponibilité du mode électrique pur par des températures extérieures froides. Un préconditionnement thermique de la batterie (en refroidissement) peut s'avérer nécessaire afin de réduire la température interne de la batterie de traction à plusieurs titres :
- sa durée de vie (impacte la température moyenne de la batterie),
- la disponibilité du mode électrique pur ou de la traction électrique (limitations si la température de la batterie est trop élevée),
- le bilan énergétique (compte-tenu de la grande inertie thermique de la batterie, sa première requête de refroidissement interviendra plus tard lors du roulage suivant)
- et la prestation confort thermique habitacle (la première requête de refroidissement de la batterie, intervenant plus tard lors du roulage suivant, laisse la priorité dans les premiers moments du roulage à la convergence et au maintien de la consigne de régulation de la réfrigération de l'habitacle)
Dans le cas d'un véhicule hybride, l'approche peut différer de celle d'un véhicule purement électrique où la chaîne de traction électrique est la seule source de mobilité du véhicule (et donc la batterie de traction sa seule source d'énergie). Pour des températures extérieures plus élevées ou plus basses ou s'il est choisi de privilégier la mobilité du véhicule en ne consacrant pas l'énergie résiduelle stockée dans la batterie à sa gestion thermique, il peut être admis que lors de sa prochaine utilisation, si la thermique de la batterie ne permet pas un départ en mode électrique pur, le moteur thermique soit démarré afin d'assurer la mobilité du véhicule. Pendant ce temps, le refroidissement ou le réchauffage de la batterie sera alors activé, en compromis soit avec la réfrigération de l'habitacle soit avec la puissance électrique disponible en fonction de la température batterie, afin d'en permettre le plus tôt possible la disponibilité selon sa température et l'énergie résiduelle.
Cette fonction de préconditionnement thermique n'est accessible que si le véhicule est branché via le chargeur au réseau électrique domestique ou public ou spécifique. Cela afin de réduire la dépense énergétique associée et de ne pas amputer la mobilité en mode hybride ou électrique offerte par l'énergie électrique stockée dans la batterie, l'intérêt étant, en plus de la disponibilité du mode électrique pur et de la durabilité batterie déjà évoquées, d'offrir une autonomie accrue, puisque la réfrigération ou le réchauffage de la batterie ne seront alors pas actifs pendant le temps que la batterie mettra à monter en température et la puissance électrique associée ainsi économisée alors que la batterie est la seule source d'énergie électrique.
Une demande de préconditionnement thermique de la batterie est générée dès que le cordon de charge est branché et :
• en refroidissement, sur des conditions de température batterie> TEMP_BTRAC_PRECOND_HOT et de température ext > TEMP_EXT_PRECOND (par exemple 10°C) ;
• en réchauffage, sur une condition de température batterie< TEMP_BTRAC _PRECOND_COLD (valeur comprise entre 0 et 20°C), ce seuil n'étant pas forcément identique au seuil TBF évoqué plus haut (situation différente).
Les conditions ci-dessous exhaustivent l'entrée dans le mode de préconditionnement thermique de la batterie :
- état GMP : non actif
- ET frein de parking serré
- ET état boîte de vitesses : BVMP ou BVA au neutre ou en parking
- ET source d'énergie électrique disponible et dans les critères d'acceptabilité spécifiés
- ET pas de recharge de la batterie en cours, uniquement dans le cas d'une recharge depuis le réseau domestique, compte-tenu du faible niveau de puissance électrique alors disponible (quelques kW) ; condition non forcément pertinente en recharge rapide où quelques dizaines de kW sont alors disponibles
- ET aucun organe nécessaire au préconditionnement thermique n'est défaillant La sortie de l'état de préconditionnement thermique en refroidissement de la batterie se fait sur un seuil de température batterie< TEMP_BTRAC
_PRECOND_LOW (par exemple 10°C à 20^0) de sorte que cette valeur soit :
• suffisamment basse pour maximiser la disponibilité d'un roulage en mode électrique pur, pour qu'un refroidissement de la batterie pendant le roulage suivant ait lieu le plus tard possible afin de maximiser l'autonomie en mode électrique et privilégier le confort thermique habitacle, et pour maximiser son effet bénéfique sur la valeur moyenne et la distribution temporelle de la température de la batterie, vis-à-vis de sa durabilité et son vieillissement
• mais quand même suffisamment élevée pour que la batterie soit dans sa plage de température optimale vis-à-vis de la puissance électrique délivrable (seuil à calibrer en cohérence avec TBF).
La sortie de l'état de préconditionnement thermique en réchauffage de la batterie se fait sur un seuil de température batterie> TEMP_BTRAC _PRECOND_HIGH (valeur comprise entre 0 et 25 °C) de sorte que cette valeur soit : · suffisamment élevée pour que la batterie soit dans sa plage de température optimale vis-à-vis de la puissance électrique délivrable
• mais pas trop pour ne pas devoir refroidir trop tôt la batterie afin de maximiser l'autonomie en mode électrique.
Du côté des organes de la chaîne de traction électrique, ceux alors opérationnels en phase de préconditionnement thermique de l'habitacle et du GMP, notamment le chargeur et l'électronique de puissance, peuvent donc requérir du système de gestion thermique de la chaîne de traction un certain niveau de refroidissement pour assurer leurs fonctions de conversion de l'énergie électrique reçue du réseau extérieur et de fourniture en haute et basse tensions des organes nécessaires au préconditionnement thermique de la batterie de traction. Ce refroidissement doit être dimensionné dans cette situation de sorte que le respect des critères de température interne à ces composants et de température eau en entrée de ces composants garantit leur fonctionnement optimal à leur performance nominale (hors derating) sans atteinte à leur intégrité (fiabilité et durée de vie).
Le refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique doit être assuré : • dès le lancement d'une de ces phases de préconditionnement, un débit minimal pourra être instauré au sein du circuit caloporteur basse température (par défaut nul, ou davantage s'il est requis un débit minimal constant non nul pour le fonctionnement des organes ou pour sensibiliser la sonde de température eau) ; · durant les phases de préconditionnement, si la température interne des organes de la chaîne de traction électrique impliqués dans le processus de préconditionnement ou si la température eau du circuit caloporteur basse température, atteint ou dépasse le critère de température associé, au 1 er des termes échu, alors la pompe à eau électrique est activée à un débit supérieur (par exemple son débit maximal), jusqu'à ce que la température déclencheuse (température interne organe ou température eau du circuit BT) redescende sous le seuil associé diminué d'une hystérésis ajustée en conséquence, selon la nature du critère déclencheur.
Lors du refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique en phase de préconditionnement, en référence les volets d'entrée d'air en face avant du véhicule sont maintenus fermés mais leur ouverture peut être requise (si pas déjà ouvert par ailleurs) afin de favoriser le transfert à l'air extérieur des calories dégagées dans le circuit BT par les organes de la chaîne de traction électrique. En référence, il n'est pas requis du GMV un apport de puissance aéraulique sur le radiateur BT mais en alternative non préférentielle, le GMV pourra être activé et désactivé (hystérésis inclus) à un seuil de vitesse calibrable à partir de seuils calibrables de température eau basse température et/ou de température interne des organes impliqués.
Ainsi, dès l'entrée dans la situation « préconditionnement thermique » :
· La pompe à eau basse température principale est activée à une consigne calibrable :
o nulle s'il est permis que les organes associés au processus de préconditionnement puissent fonctionner, pendant tout le processus, sans débit de liquide de refroidissement ;
o ou non nulle s'il est requis un débit minimal pour le fonctionnement et le refroidissement de ces organes ou pour sensibiliser la sonde de température du fluide BT. Dans ce cas, le débit minimal de fluide BT requis peut être délivré de façon continue ou périodique (en fonction du temps) ; dans tous les cas variable en fonction de la température eau dans le circuit BT et des température des organes associés au processus de préconditionnement (notamment chargeur et électronique de puissance) au 1 er des termes échu.
• Les volets d'entrée d'air en façade avant pourront être en position ouverte si la température eau du circuit BT atteint ou dépasse un autre seuil de température calibrable ou si la température interne d'au moins un des organes concernés atteint ou dépasse un autre seuil de température calibrable, pour favoriser la dissipation thermique à travers le radiateur BT même si le GMV ne tourne pas ou si la vitesse de rotation du GMV atteint et dépasse une valeur calibrable.
· Le GMV est commandé à une vitesse calibrable (en référence constamment nulle, donc GMV désactivé) à partir de seuils calibrables sur la température eau du circuit BT et sur les températures des composants impliqués dans le processus de préconditionnement et en considérant des critères de bruit perçu à l'extérieur du véhicule.
Pour assurer le préconditionnement thermique de la batterie, le système de gestion thermique de la chaîne de traction ici présenté peut prendre selon les cas plusieurs configurations possibles:
• Cas 1 , pour récupérer et communiquer à la batterie de traction (10) les calories encore présentes par inertie thermique dans le circuit BT et/ou dissipées par les organes de la chaîne de traction électrique alors opérationnels dans cette phase de vie, notamment le chargeur (1 9) et l'électronique de puissance (1 8) ;
• Cas 2, pour les mêmes raisons explicitées lors de sa description plus haut ;
• Cas 3 et 4, quand le besoin de réchauffer ou de refroidir la batterie (1 0) n'est plus avéré mais que les autres organes (1 8, 19) de la chaîne de traction électrique requièrent une circulation interne de fluide BT avec un besoin de refroidissement respectivement limité (thermostat fermé) ou plus important (thermostat ouvert) ;
• Cas 5 et 6, quand il s'agit de préconditionner en refroidissement la batterie (1 0) et que le mode « refroidissement BT » seul peut y suffire, avec en même temps une nécessaire circulation de fluide BT en interne des organes (1 8, 1 9) de la chaîne de traction électrique, avec un besoin de refroidissement associé respectivement limité (thermostat (21 ) fermé) ou plus important (thermostat (21 ) ouvert) ;
• Cas 7 et 8, quand il s'agit de préconditionner en refroidissement la batterie (1 0) et que le mode « refroidissement TBT » est alors requis (donc circuit réfrigérant actif, chiller (1 1 ) opérationnel et vanne on/off associée (1 21 ) en position on et vanne on/off (1 22) associée à l'évaporateur habitacle (1 2) en position off), avec en même temps une nécessaire circulation de fluide BT en interne des organes (18, 19) de la chaîne de traction électrique, avec un besoin de refroidissement associé respectivement limité (thermostat fermé) ou plus important (thermostat ouvert) ;
• Cas 7 et 8 à nouveau, mais cette fois-ci en mode « by-pass » avec uniquement active la pompe à eau électrique (102) associée à la batterie (10) (circuit réfrigérant inactif, donc chiller (1 1 ) inopérationnel et vanne on/off (121 ) associée en position off et vanne on/off (122) associée à l'évaporateur habitacle (12) en position de repos, préférentiellement on), avec en même temps une nécessaire circulation de fluide BT en interne des organes (18, 19) de la chaîne de traction électrique, avec un besoin de refroidissement associé respectivement limité (thermostat (21 ) fermé) ou plus important (thermostat (21 ) ouvert) ;
• dans chaque cas ci-avant (à l'exception des configurations prises par le système telles qu'explicitées par les cas 1 et 2), la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT est désactivée dès que le besoin de refroidir les organes (18, 19) de la chaîne de traction électrique disparaît et que leur fonctionnement sans circulation interne de fluide BT est permis.
Situation « recharge batterie » :
Il s'agit de la recharge depuis le réseau électrique domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide), et non de la recharge procurée par le fonctionnement d'au moins une machine électrique en mode générateur de courant en phase de roulage du véhicule.
Les véhicules rechargeable, qu'ils soient hybrides ou a fortiori électriques, présentent la possibilité de recharger la batterie de traction sur le secteur (prise domestique ou publique ou spécifique (pour une recharge rapide)). On peut distinguer plusieurs types de recharge :
• d'une part, la recharge peut être lente (recharge sous 3 à 5kW maxi) ou rapide (recharge sous jusqu'à 40 à 50kW) : le comportement thermique de la batterie de traction ne sera pas le même lors de ces deux types de recharge ;
· d'autre part, la recharge peut être immédiate (dès le branchement du cordon de charge au secteur électrique domestique ou public ou spécifique (pour une recharge rapide) si cette recharge est autorisée) ou différée par programmation de l'horaire de début de recharge ou d'utilisation du véhicule souhaité. Lors de cette situation également, la batterie nécessite d'être gérée thermiquement. Selon les cas, refroidie (pour absorber les calories générées au sein de la batterie à la fois par effet Joule et par la thermochimie des réactions s'y déroulant) ou réchauffée, et à la fois :
· avant la recharge, en refroidissement ou en chauffage, afin de mettre la batterie thermiquement en condition pour en autoriser la recharge, par exemple si la recharge de la batterie requiert que sa température appartienne à une certaine plage et si une recharge à une puissance trop élevée et à une température batterie trop faible (ex : de -20 °C à 0 °C) ou à une température trop élevée (ex : > 40 °C) serait endommageante pour la batterie ;
• pendant la recharge, y compris pendant la phase d'équilibrage des cellules ou pour favoriser cette phase, afin non seulement de ne pas dépasser les limites supérieures de température batterie vis-à-vis de sa fiabilité et de sa durée de vie, mais aussi d'optimiser la durée de la recharge. En effet :
- pour une température batterie trop élevée, la batterie interdit ou suspend sa recharge pour se protéger ;
- pour une température batterie trop faible, la recharge pourra être adaptée en limitant la puissance en début de recharge pour réchauffer la batterie puis la recharger avec le niveau de puissance nominal, d'où potentiellement un allongement du temps de recharge global ;
• mais aussi après la recharge, en refroidissement comme en réchauffage, afin de garantir la disponibilité de la batterie pour un roulage en mode électrique pur immédiatement à la suite de sa recharge si sa température interne avait d'aventure trop ou pas suffisamment augmenté à la fin de la recharge.
Ainsi avant sa recharge, si une gestion thermique de la batterie est nécessaire pour amener sa température dans une certaine plage et :
• si température batterie> T E M P_BT R AC_R EC H_B E FO R E_H OT (par exemple 35 à 40 °C), alors un refroidissement est opéré jusqu'à ce que température batterie< T E M P_BT R A C_R E C H_ST A RT_H OT (par exemple 20 à 30 °C), fixée à une valeur compatible de la plage de température batterie évoquée plus haut et telle qu'un refroidissement de la batterie pendant sa recharge ne soit, dans la mesure du possible, plus nécessaire en recharge lente (ou en recharge rapide sur les faibles niveaux de puissance électrique injectée), afin d'optimiser le temps de recharge.
• si température batterie< TEMP_BTRAC_RECH_BEFORE_COLD (dans une plage de -40 °C à par exemple 0 °C ou même au-delà si judicieux), alors un réchauffage des cellules de la batterie est nécessaire jusqu'à ce que température batterie> T E M P_BT R AC_R E C H_STA RT_CO L D (par exemple 0 à 20 °C), fixée à une valeur compatible de la plage de température batterie évoquée plus haut et telle qu'un refroidissement ni un réchauffage de la batterie pendant sa recharge ne soient, dans la mesure du possible, plus nécessaires en recharge lente (ou en recharge rapide pour de faibles niveaux de puissance électrique injectée), afin d'optimiser le temps de recharge.
Pendant la recharge et y compris pendant la phase d'équilibrage des cellules, le refroidissement de la batterie peut s'avérer nécessaire, de façon continue (en recharge rapide pour des niveaux de puissance injectée élevés) ou occasionnelle / intermittente en recharge lente ou en recharge rapide pour de faibles niveaux de puissance électrique injectée, afin de favoriser la recharge en en absorbant les calories dégagées par effet Joule et par les réactions chimiques exothermiques s'y déroulant. Si tel est le cas, s'il est pertinent de refroidir de façon occasionnelle ou intermittente la batterie de traction et si alors température batterie > TEMP_BTRAC_RECH_DURING (par exemple 40°C), alors un refroidissement est opéré jusqu'à ce que température batterie< T E M P_BT R AC_R E C H_LOW_D U R I N G (par exemple au plus 35 °C), valeurs fixées de sorte qu'une seconde phase de refroidissement de la batterie pendant sa recharge ne soit, dans la mesure du possible, plus nécessaire en recharge lente (ou en recharge rapide pour de faibles niveaux de puissance électrique injectée), et afin d'optimiser le temps de recharge. Dans le cas d'une recharge rapide avec des niveaux de puissance injectée élevés, le refroidissement de la batterie peut être mis en œuvre selon le fonctionnement qui vient d'être explicité (seuils d'activation et de désactivation du refroidissement, éventuellement adaptés pour réduire le nombre d'activations et de désactivations du système de refroidissement et limiter l'impact sur la durée de la recharge) ; plus préférentiellement, le refroidissement de la batterie est mis en œuvre de façon continue afin de maintenir la température de la batterie à une valeur approximativement constante ou alors au sein d'une plage donnée de température, sans sur-solliciter les organes de refroidissement nécessaires par des enclenchements et désenclenchements intermittents.
La gestion thermique de la batterie peut se justifier également à l'issue de la recharge, pour garantir la disponibilité de la batterie pour un roulage en mode électrique pur immédiatement à la suite de sa recharge si la température de la batterie est trop ou pas assez élevée à la fin de la recharge, ainsi qu'au titre de la durabilité de la batterie (influence sur sa température moyenne). Si tel est le cas et si température batterie> TEMP_BTRAC_RECH_AFTER_HOT (par exemple 35 °C) ou si température batterie< TEMP_BTRAC_RECH_ AFTER _COLD (dans une plage de -40 °C à 10°C), à l'issue immédiate de la recharge, alors respectivement un refroidissement ou un réchauffage est opéré jusqu'à ce que température batterie atteigne TEMP_BTRAC_RECH_AFTER (dans une plage de 10 à 20 °C), fixée de sorte que cette valeur soit suffisamment basse pour maximiser la disponibilité d'un roulage en mode électrique pur et pour qu'un refroidissement de la batterie pendant le roulage suivant ait lieu le plus tard possible afin de maximiser l'autonomie en mode électrique, mais quand même suffisamment élevée pour que la batterie soit dans sa plage de température optimale vis-à-vis de la puissance électrique disponible. De même qu'en phase de post-refroidissement (à la différence qu'alors la batterie et le véhicule ne sont pas raccordés à une source d'énergie externe tandis que c'est le cas ici), par des températures ambiantes extérieures faibles telles que les performances de la batterie chambrée à ces températures sont réduites par rapport à leur niveau à des températures batterie plus élevées, l'absence de refroidissement de la batterie après la recharge peut se justifier afin, la batterie étant alors stockée dans une ambiante thermique plus froide et compte-tenu de son inertie thermique et des échanges thermiques en œuvre par conduction et convection naturelle avec l'environnement ambiant, de conserver à l'intérieur du pack batterie la chaleur utile pour le départ suivant du véhicule avec une batterie encore en température, la plus possible à même à fournir ses performances nominales. Cette stratégie vise aussi à économiser la mise en œuvre d'un réchauffage a posteriori pour compenser le refroidissement qui aurait été opéré, et l'énergie électrique associée à ces deux opérations. Ainsi, à la condition énoncée ci-dessus sur la température batterie s'ajoute, comme condition d'entrée dans la phase de refroidissement de la batterie après sa recharge, une condition sur la température ambiante, telle que le refroidissement à l'issue de la recharge soit inhibé si température ambiante < TEMP_EXT_RECH (par exemple 10°C).
En cas d'une recharge lente programmée, on dispose alors dans la très grande majorité des cas, par anticipation de l'instant de début de la recharge, du temps nécessaire pour effectuer la gestion thermique de la batterie avant, pendant et après cette recharge, ainsi que la recharge proprement dite. De plus, on suppose que la phase de préconditionnement thermique de la batterie, décrite ci-avant, aura pu avoir lieu dès le raccordement du véhicule au secteur électrique extérieur : l'occurrence d'une batterie présentant en début de recharge programmée une température en dehors de sa plage optimale est plutôt faible. Néanmoins, l'opportunité d'avoir à gérer thermiquement la batterie en début de recharge programmée est possible, notamment si le véhicule est stationné dans une ambiante froide et si la recharge intervient plusieurs heures après la fin du roulage, et permise : les processus décrits ci-avant sont alors déroulés si nécessaire. On notera toutefois que les différents seuils de température seront choisis de sorte à ne pas avoir, dans la mesure du possible (en dehors du cas de la recharge rapide avec des niveaux de puissance injectée élevés), à gérer thermiquement à nouveau la batterie pendant la recharge (compte-tenu de l'élévation de la température de la batterie pendant la recharge).
En cas d'une recharge lente immédiate, on commence par refroidir
(respectivement réchauffer) la batterie si sa température est supérieure au seuil TEMP_BTRAC_RECH_BEFORE_HOT (respectivement inférieure au seuil TEMP_BTRAC_ RECH_BEFORE_COLD) défini ci-dessus. Dans ce cas, la consigne de température de la batterie donnée comme cible à atteindre au système de gestion thermique est alors fixée à TE M P_BT R AC_R EC H_LO W_B E FO R E (pour le refroidissement : valeur calibrable comprise par exemple entre 0 et 20 °C) et à TEMP_BTRAC_RECH_HIGH _BEFORE (pour le réchauffage de la batterie : valeur calibrable comprise par exemple entre -40 et 25 °C). Afin de privilégier la recharge batterie, la gestion thermique de la batterie de traction (respectivement refroidissement ou réchauffage, le cas échéant) sera désactivée dès que la température de la batterie atteint un seuil, TEMP_BTRAC_RECH_IMM, compris entre TEMP_BTRAC_RECH_BEFORE et T E M P_BT R AC_R E CH_LOW_B E FO R E (respectivement TEMP_BTRAC_RECH_HIGH_BEFORE ; valeur calibrable, par exemple 25 °C). Ce seuil permet ainsi d'abaisser (respectivement augmenter) significativement la température de la batterie sans attendre d'atteindre le seuil de T E M P_BT R AC_R EC H_LOW_B E FO R E (TEMP_BTRAC_RECH_HIGH_BEFORE respectivement) et sera choisi de sorte à ne pas avoir à gérer thermiquement à nouveau la batterie pendant la recharge (compte-tenu de l'élévation de la température de la batterie pendant la recharge) afin de ne pas allonger le temps total alloué à la recharge. Cette stratégie consistant à appliquer une consigne de refroidissement de la batterie et de stopper sa gestion thermique prématurément, permet de garantir une convergence rapide de la température de la batterie vers la plage désirée. Par ailleurs, s'agissant d'une recharge « immédiate » lente, une contrainte temporelle sur la gestion de la température de la batterie permet de ne pas trop retarder la recharge effective de la batterie si son refroidissement ou réchauffage jusqu'à TEMP_BTRAC_RECH_IMM venait à prendre trop de temps. Ainsi, cette condition se complète, au premier des termes échu, d'une condition de durée maximale (par exemple 10 à 15 minutes).
Dans le cas d'une recharge rapide avec des niveaux de puissance injectée élevés, qu'elle soit immédiate ou programmée, le refroidissement de la batterie est nécessaire au moins pendant la recharge (alors que dans le cas d'une recharge lente, les stratégies explicitées ci-avant visent à s'affranchir de la gestion thermique de la batterie pendant la recharge). On déroule alors les processus tels que décrits ci-dessus.
Concernant les organes de la chaîne de traction électrique, ceux alors opérationnels en phase de recharge plug-in de la batterie de traction, notamment le chargeur et l'électronique de puissance, peuvent donc requérir du système de gestion thermique de la chaîne de traction un certain niveau de refroidissement, pour assurer leurs fonctions associées à la recharge proprement dite et à la fourniture en haute, basse et/ou très basse tensions des organes nécessaires à la gestion thermique de la chaîne de traction. Ce refroidissement doit être dimensionné dans cette situation de sorte que le respect des critères de température interne à ces composants et de température eau en entrée de ces composants garantit leur fonctionnement optimal (afin notamment de maximiser la disponibilité de la recharge de la batterie à pleine puissance) à leur performance nominale (hors derating) sans atteinte à leur intégrité (fiabilité et durée de vie).
Le refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique doit être assuré :
• dès le lancement de la phase de recharge, un débit minimal pourra être instauré au sein du circuit caloporteur basse température (par défaut nul, ou davantage s'il est requis un débit minimal constant non nul pour le fonctionnement des organes ou pour sensibiliser la sonde de température eau), de façon continue ou périodique en fonction du temps ;
• durant la phase de recharge, si la température interne des organes de la chaîne de traction électrique associés ou si la température eau du circuit caloporteur basse température , atteint ou dépasse le critère de température associé, au 1 er des termes échu, alors la pompe à eau électrique est activée à un débit supérieur (par exemple son débit maximal), jusqu'à ce que la température déclencheuse (température interne organe ou température eau du circuit BT) redescende sous le seuil associé diminué d'une hystérésis ajustée en conséquence, selon la nature du critère déclencheur.
Cette valeur de débit maximal dans le circuit BT sera par contre imposée, même sans besoin avéré au titre du refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique, en cas de besoin avéré de réchauffer la batterie de traction afin de lui transférer les calories dissipées par ces organes, en l'absence d'autre artifice apte à la réchauffer indépendamment (brûleur, réchauffeur électrique, résistances électriques de contact, pompe à chaleur, ...). Lors du refroidissement des organes de la chaîne de traction électrique en phase de recharge de la batterie de traction, l'ouverture des volets d'entrée d'air en face avant du véhicule peut être requis (si pas déjà ouvert par ailleurs, par exemple s'il faut en même temps refroidir la batterie elle-même et que ce refroidissement requiert l'ouverture des volets) afin de si nécessaire favoriser le transfert à l'air extérieur des calories dégagées dans le circuit BT par les organes de la chaîne de traction électrique. En référence, le GMV n'est pas activé au titre du refroidissement de ces organes (hors batterie de traction). En alternative non préférentielle, il pourra être activé / désactivé à un seuil de vitesse calibrable à partir de seuils calibrables de température eau basse température et/ou de température interne des organes impliqués, et tenant compte de critères de bruit perçu à l'extérieur du véhicule.
Ainsi, dès l'entrée dans la situation « recharge plug-in de la batterie de traction
» ;
• La pompe à eau basse température principale est activée à une consigne calibrable :
o nulle s'il est permis que les organes associés au processus de recharge puissent fonctionner, pendant tout le processus, sans débit de liquide de refroidissement ;
o ou non nulle s'il est requis un débit minimal pour le fonctionnement et le refroidissement de ces organes ou pour sensibiliser la sonde de température eau
dans tous les cas variable en fonction de la température eau dans le circuit BT et des température des organes associés au processus de recharge (notamment chargeur et électronique de puissance) au 1 er des termes échu.
· Les volets d'entrée d'air en façade avant pourront être en position ouverte si la température eau du circuit BT atteint ou dépasse un autre seuil de température calibrable ou si la température interne d'au moins un des organes concernés atteint ou dépasse un autre seuil de température calibrable, pour favoriser la dissipation thermique à travers le radiateur BT même si le GMV ne tourne pas. · Le GMV est commandé à une vitesse calibrable (en référence constamment nulle, donc GMV désactivé) à partir de critères de bruit perçu à l'extérieur du véhicule et de seuils calibrables sur la température du fluide BT et sur les températures des composants impliqués dans le processus de recharge.
Ainsi, pour assurer la gestion thermique de la chaîne de traction en phase de recharge de la batterie, le système ici présenté peut prendre selon les cas plusieurs configurations possibles: • Cas 1 , pour récupérer et communiquer à la batterie de traction (10) les calories encore présentes par inertie thermique dans le circuit BT et/ou dissipées par les organes de la chaîne de traction électrique alors opérationnels dans cette phase, notamment le chargeur (19) et l'électronique de puissance (18) ;
· Cas 2, pour les mêmes raisons explicitées lors de sa description plus haut ;
• Cas 5 et 6, quand il s'agit de refroidir la batterie (10) et que le mode « refroidissement BT » seul peut y suffire, avec en même temps une nécessaire circulation de fluide BT en interne des organes (18, 19) de la chaîne de traction électrique, avec un besoin de refroidissement associé respectivement limité (thermostat fermé) ou plus important (thermostat ouvert) ;
• Cas 7 et 8, quand il s'agit de refroidir la batterie (10) et que le mode « refroidissement TBT » est alors requis (donc circuit réfrigérant actif, chiller (1 1 ) opérationnel et vanne on/off (121 ) associée en position on et vanne on/off (122) associée à l'évaporateur habitacle (12) en position off), avec en même temps une nécessaire circulation de fluide BT en interne des organes (18, 19) de la chaîne de traction électrique, avec un besoin de refroidissement associé respectivement limité (thermostat (21 ) fermé) ou plus important (thermostat (21 ) ouvert) ;
• Cas 7 et 8 à nouveau, mais cette fois-ci en mode « by-pass » avec uniquement active la pompe à eau électrique (102) associée à la batterie (circuit réfrigérant inactif, donc chiller (1 1 ) inopérationnel et vanne on/off associée (121 ) en position off et vanne on/off (122) associée à l'évaporateur habitacle (12) en position de repos, préférentiellement on), avec en même temps une nécessaire circulation de fluide BT en interne des organes (18, 19) de la chaîne de traction électrique, avec un besoin de refroidissement associé respectivement limité (thermostat fermé) ou plus important (thermostat ouvert) ;
• dans chaque cas ci-avant (à l'exception des configurations prises par le système telles qu'explicitées par les cas 1 et 2), la pompe à eau électrique principale (23) du circuit BT est désactivée dès que le besoin de refroidir les organes (18, 19) de la chaîne de traction électrique disparaît et que leur fonctionnement sans circulation interne de fluide BT est permis. Si ce n'est pas le cas, afin d'en réduire la consommation électrique, la pompe à eau électrique (23) sera mise en œuvre de façon périodique ou de sorte à fournir le débit minimal requis par les organes à refroidir (batterie de traction (10), électronique de puissance (18), chargeur (19)).
On aura noté, a contrario de la phase « préconditionnement thermique », que les cas 3 et 4, tels que la circulation de fluide BT en interne de la batterie (10) est interrompue dès que le besoin de la réchauffer ou de la refroidir n'est plus avéré, ne font préférentiellement pas partie des configurations pouvant être adoptées par le système de gestion thermique de la chaîne de traction dans la phase « recharge plug-in batterie ». En effet, dans ce cas, le mode « by-pass » est privilégié afin de garantir l'homogénéisation des températures internes des cellules de la batterie de traction, celle-ci étant toujours en phase de recharge. Si néanmoins la technologie des cellules de la batterie permet de se passer de cette phase continue d'homogénéisation des températures internes des cellules, de couper toute circulation de fluide BT en interne de la batterie et donc de recourir aux configurations illustrées par les cas 3 et 4, alors ces configurations feront partie du panel de configurations pouvant être prises par le système dans la phase « recharge batterie ».
Optimisation du compromis entre les prestations véhicule et la durabilité batterie :
Cette stratégie vise à moduler les conditions d'exploitation de la batterie impactant son vieillissement (niveaux de prestations requis, plage d'utilisation, gestion thermique) pour optimiser les performances du véhicule (consommation, autonomie, confort thermique habitacle ...) en compromis avec la durabilité de la batterie. Les conditions d'utilisation du client sont considérées comme des données d'entrée imposées du processus d'optimisation, caractérisées notamment par la température ambiante (zone de commercialisation, climat, saison, conditions de stockage du véhicule ...), le nombre de recharges quotidiennes, le mode (électrique pur, hybride), le type (calme, sportive ...) et les lieux (ville, route, autoroute ...) de conduite ...
Les axes d'optimisation sont :
• Libérer les conditions d'exploitation de la batterie d'un client dit « peu sévère » pour améliorer significativement les prestations qui lui sont offertes, au prix d'une durabilité batterie équivalente à celle d'un client plus sévère, toutefois en adéquation avec la durée de vie du véhicule ;
· Optimiser les conditions d'exploitation de la batterie d'un client donné pour améliorer ses prestations, à iso-durabilité (exemple : sur-refroidissement de la batterie pour élargir la plage de SOE (pour State of Energy selon la terminologie anglo-saxonne) utile.
Pour se faire, un facteur d'endommagement est défini, évalué en temps réel en prenant en compte les conditions d'exploitation de la batterie, et comparé à une cible maximale. Ce facteur d'endommagement vise à garantir autant que possible, pour chaque client, la durabilité de la batterie sur toute la durée de vie du véhicule. Les principaux paramètres pris en compte sont la quantité d'énergie absorbée et fournie par la batterie par plage de SOC, le temps passé dans chaque plage de température de la batterie (à la fois en usage et en stockage) et de courant, le vieillissement et le kilométrage ... Ce facteur d'endommagement influence notamment la profondeur de décharge DOD (pour Depth of Discharge selon la terminologie anglo-saxonne), le SOE et sa modulation, l'ajustement de la puissance électrique disponible et fournie (notamment en fonction du SOC et de la température de la batterie), et aussi la gestion thermique de la batterie (à travers la modulation de sa température de régulation en roulage, préconditionnement thermique, postrefroidissement ...).
Dans le cas d'un client dit « peu sévère », caractérisé par un faible niveau de sollicitations (SOE utile faible, température ambiante nominale, refroidissement batterie suffisant, pas ou peu de roulage en mode électrique pur, conduite sage ...), la stratégie autorise, par exemple, un élargissement de la plage de SOE utile ou un refroidissement batterie modéré pour améliorer les prestations véhicule telles que la consommation, l'autonomie en mode électrique pur ... Dans le cas d'un client dit « sévère », caractérisé par un niveau de sollicitations exigeant (conduite sportive, température ambiante élevée, roulages en mode électrique pur fréquents, plusieurs recharges plug-in quotidiennes ...), résultant en un faible niveau de SOE utile et un refroidissement batterie important, même si encore insuffisant, pour la préserver du vieillissement, la stratégie peut faire évoluer le point de fonctionnement de la batterie, par exemple en réduisant le DOD, en abaissant si possible la température de régulation de la batterie, en diminuant le niveau de puissance électrique disponible, de sorte à améliorer la durabilité de la batterie par un compromis et une optimisation des performances du véhicule.
Les bénéfices attendus sont, bien-sûr la durabilité de la batterie, mais aussi une amélioration de la consommation à l'usage, de l'autonomie en mode électrique pur, de la robustesse et de la répétitivité des performances (consommation, autonomie en mode électrique pur, puissance électrique disponible ...).
Les avantages de l'installation selon l'invention sont nombreux et notamment :
Le réchauffage actif de la batterie de traction est possible sans mettre en œuvre aucune énergie externe et supplémentaire d'origine fossile ou électrique (contrairement au système illustré par la fig.1 ), et réalisé en récupérant de façon simple les pertes thermiques des organes de la chaîne de traction électrique. Ceci est particulièrement pertinent énergétiquement puisque ces pertes thermiques sont dans l'état de l'art antérieur évacuées à l'air extérieur donc non mises à profit et puisqu'elles permettent ainsi de s'affranchir ici des dispositifs de chauffage évoqués et des coûts énergétique (consommation de carburant directe ou indirecte, consommation électrique, autonomie) et monétaire (coûts pour le constructeur, le client et le réseau APV) associés.
• Le dimensionnement du module de façade aérothermique (échangeurs de refroidissement, GMV) n'est pas contraint par l'adaptation de la chaîne de traction hybride ou électrique et ne génère pas :
o comme pour l'architecture présentée en figure 1 , une surcharge drastique du circuit réfrigérant en risquant de pénaliser la réfrigération de l'habitacle ou de redimensionner la fonction condensation (condenseur, compresseur, GMV), et/ou d'augmenter les performances et le dimensionnement du circuit BT (radiateur, pompe à eau, GMV et occurrences d'enclenchement de ces organes) pour dissiper les calories supplémentaires présentes dans le fluide BT sans avoir à recourir trop fréquemment à la boucle réfrigérant secondaire (chiller) o la nécessité d'implanter dans le module de façade aérothermique, une multitude d'échangeurs thermiques comme l'illustre la troisième architecture connue.
· Gain en autonomie de carburant (réchauffage batterie d'origine non fossile + mode électrique pur davantage disponible) dans le cas d'un véhicule hybride.
• Gain en autonomie en mode électrique pur par réduction de la facture énergétique (récupération des pertes thermiques, réduction drastique de la consommation électrique), que ce soit pour un véhicule hybride ou électrique · Gain en durabilité batterie, amélioration de la consommation à l'usage, de la robustesse et de la répétitivité des performances (consommation, autonomie en mode électrique pur, puissance électrique disponible ...).
• Gain en disponibilité du mode électrique pur (seule la machine électrique assure alors la traction ou la propulsion du véhicule) grâce au réchauffage de la batterie ; · Gain en implantation, en coûts, en masse et en sûreté de fonctionnement : le réchauffeur de la batterie et son adaptation (réservoir spécifique, faisceau électrique, ...) n'est plus nécessaire ;
• Bilan énergétique de la gestion thermique batterie plus favorable (en terme de puissance électrique consommée) ; • Surcoût moindre de la gestion thermique batterie par eau, puisque l'essentiel du circuit de gestion thermique est mutualisé avec la gestion thermique des organes électriques de la chaîne de traction ;
• Pas de surcoût sur le module façade aérothermique.
Il doit être évident pour l'homme du métier que la présente invention ne doit pas être limitée aux détails donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes spécifiques sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif de gestion thermique d'une chaîne de traction d'un véhicule, formée par au moins une batterie de traction et des organes électriques de traction, comprenant un radiateur (14), un circuit de réfrigération avec un évaporateur réfrigérant/eau (1 1 ), et un premier circuit de refroidissement de la batterie dans lequel circule un fluide de refroidissement,
caractérisé en ce que le radiateur (14) comporte au moins deux sorties, une première sortie du radiateur (14) assurant un seul passage dans le radiateur (14) du fluide de refroidissement vers les organes électriques (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, et une deuxième sortie du radiateur (14) assurant au moins deux passages dans le radiateur du fluide refroidissement vers la batterie (10), les deux sorties du radiateur (14) permettant de définir un deuxième circuit de refroidissement pour les organes électriques (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique, indépendant du premier circuit de refroidissement pour la batterie de traction (10).
2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un thermostat (21 ) double effet en aval ou en amont du radiateur (14) permettant, lorsqu'il est fermé, de conserver dans le circuit de refroidissement les calories dissipées par les organes (17, 18, 19) de la chaîne de traction électrique.
3. Dispositif selon une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce qu'il permet plusieurs modes de refroidissement de la batterie.
4. Dispositif selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant de stopper la circulation de fluide de refroidissement vers la batterie tout en continuant à refroidir les autres organes électriques.
5. Dispositif selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant d'inverser le sens de circulation du fluide de refroidissement pour permettre le réchauffage de la batterie en utilisant les calories dissipées par les organes électriques de la chaîne de traction, en connectant en un même circuit de refroidissement les premier et second circuits de refroidissement.
6. Dispositif selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant le refroidissement simultané de la batterie et des autres organes électriques.
7. Dispositif selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant le refroidissement à très basse température de la batterie.
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