WO2016188666A1 - Systeme de gestion thermique de vehicule electrique - Google Patents

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WO2016188666A1
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dedicated
electric vehicle
management system
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Daniel Neveu
Stefan Karl
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Valeo Systemes Thermiques
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to the field of thermal management within an electric vehicle. More specifically, the present invention relates to a thermal management system of different elements of a fuel cell electric vehicle.
  • the thermal management of an electric fuel cell vehicle includes in particular the thermal management of organs whose heat load to be evacuated and the associated temperature level are variable.
  • the air compressor supplying the fuel cell and the electric motor of the vehicle can accept a cooling fluid with a temperature of up to 70 ° C
  • the management electronics can have a fluid of cooling with a temperature of up to 60 ° C
  • the batteries can have a coolant temperature of up to about 40 ° C.
  • An organ such as the fuel cell itself may have a temperature between 60 and 95 ° C.
  • the cooling fluid of the compressed air towards the fuel cell can itself be subjected to a maximum temperature of between 80 and 200 ° C., depending on the compression ratio of the air and the ambient temperature.
  • thermal management system comprising two thermal management loops grouping different organs of the electric vehicle.
  • a first so-called low temperature loop combining the thermal management of the air compressor, the power electronics, the electric motor and the batteries.
  • a second so-called high temperature loop comprising the thermal management of the fuel cell and the compressed air supply thereof.
  • a third loop dedicated to the air conditioning of the electric vehicle can also be added.
  • radiators are arranged on the front face of the motor vehicle, both in a frontal front-end module, ie located at the level of the radiator grille of the vehicle, or even at level of front side additional modules, for example located at the wheel arches, to increase the exchange surface.
  • the air flow through the various radiators may not be sufficient to ensure sufficient heat exchange and heat transport capacity, particularly with the so-called high temperature loop which has the highest thermal load to evacuate.
  • the cooling of the compressed fuel supply of the fuel cell is therefore less well, decreasing both the maximum available power and the efficiency of said fuel cell.
  • ⁇ at least one first radiator dedicated disposed at the front of the electric vehicle
  • ⁇ at least one second dedicated radiator disposed at the front of the electric vehicle, 0 a third thermal control loop said very high temperature in which circulates a third heat transfer fluid and comprising:
  • a third dedicated radiator disposed at the front of the electric vehicle.
  • the first thermal regulation loop comprises a heat exchange device with the power electronics of the electric vehicle.
  • At least one first dedicated radiator is disposed within at least one additional lateral module of the front face of the electric vehicle.
  • At least one first dedicated radiator is disposed within a front end module of the electric vehicle.
  • the first so-called low temperature thermal control loop comprises at least two first dedicated radiators connected in series or in parallel, at least one first dedicated radiator being disposed within at least one additional lateral module front side of the electric vehicle and at least one another first dedicated radiator being disposed within a front end module of the electric vehicle.
  • At least one second dedicated radiator is disposed within a front end module of the electric vehicle.
  • the second so-called high temperature thermal control loop comprises at least two second dedicated radiators connected in series or in parallel, at least one second dedicated radiator being disposed within at least one additional lateral module front side of the electric vehicle and at least one other dedicated second radiator being disposed within a frontal module of the front of the electric vehicle.
  • the third dedicated radiator is disposed within a front end module of the electric vehicle.
  • the first dedicated radiator is placed upstream of the second or third dedicated radiator, in the direction of flow of the air flow. crossing them.
  • the first dedicated radiator is placed upstream of the second or third dedicated radiator, in the direction of circulation of the air flow the crossing.
  • the second high temperature loop further comprises a first additional heat exchanger connected parallel to the heat exchange device with the battery the fuel, said first additional heat exchanger being disposed in the flow of compressed air supply at the outlet of the supply air compressor, downstream of the exchange device thermal with compressed air supply of the third loop very high temperature.
  • This first additional heat exchanger makes it possible to bring the compressed supply air to a temperature close to that of the fuel cell and thus makes it possible to accelerate the temperature setting of the fuel cell after it has been started and to ensure homogeneous temperature within the cell to improve its performance and life.
  • the heat exchange device with the compressed feed air of the third very high temperature loop and the first additional heat exchanger of the second high temperature loop are contiguous to each other. other.
  • the heat exchange device with the compressed feed air of the third very high temperature loop and the first additional heat exchanger of the second high temperature loop are grouped together within the same heat exchanger comprising a first internal circulation circuit of the third heat transfer fluid and a second internal circulation circuit of the second heat transfer fluid.
  • the second high temperature loop further comprises a second additional heat exchanger connected between the heat exchange device with the fuel cell and the second or second dedicated radiators, said second additional heat exchanger being disposed in the fuel stream arriving at the fuel cell. This second additional heat exchanger makes it possible to bring the flow of fuel arriving at the fuel cell to a temperature close to that of the fuel cell and thus improves its efficiency and its service life.
  • the management system further comprises a fourth air conditioning loop in which a refrigerant circulates, said fourth air conditioning loop comprising:
  • the condenser is disposed within a frontal module of the front face of the motor vehicle upstream of the second dedicated radiator of the second high temperature loop, in the direction of circulation of the air flow the crossing.
  • the condenser is disposed within a front end module of the electric vehicle between the second dedicated radiator of the second high temperature loop and the first dedicated radiator of the first low temperature loop.
  • the first low temperature loop and the fourth air conditioning loop comprise a first bi-fluid heat exchanger between the first heat transfer fluid and the refrigerant fluid, said first bi-fluid heat exchanger being disposed at within the fourth air conditioning loop upstream of the condenser.
  • This first bi-fluid heat exchanger allows additional cooling of the cooling fluid of the fourth air conditioning loop.
  • said first bi-fluid heat exchanger is disposed within the first low temperature loop upstream of the first dedicated radiator.
  • said first bi-fluid heat exchanger is disposed within the first low temperature loop downstream of the first dedicated radiator.
  • the third very high temperature loop and the fourth air conditioning loop comprise a second bi-fluid heat exchanger between the third heat transfer fluid and the refrigerant fluid, said second bi-fluid heat exchanger being disposed within the fourth air conditioning loop upstream of the condenser.
  • This second bi-fluid heat exchanger also allows additional cooling of the cooling fluid of the fourth air conditioning loop.
  • said second bi-fluid heat exchanger is disposed within the third very high temperature loop upstream of the third dedicated radiator.
  • said second bi-fluid heat exchanger is disposed within the third very high temperature loop downstream of the third dedicated radiator.
  • the second high temperature loop further comprises:
  • a complementary heat exchanger disposed within an air supply device for the passenger compartment of the motor vehicle
  • said three-way valve can redirect the second heat transfer fluid from the heat exchange device with the fuel cell either directly to the second dedicated radiator or to the complementary heat exchanger, the second refrigerant then joining said second dedicated radiator .
  • this three-way valve By the management of this three-way valve, it is thus possible to use the heat emitted by the fuel cell and also a portion of the heat of the compressed supply air to heat a flow of air going in the direction of the passenger compartment of the motor vehicle.
  • the second high temperature loop further comprises an electric heating device of the second heat transfer fluid disposed between the three-way valve and the complementary heat exchanger.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a thermal management system architecture according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a thermal management system architecture according to a second embodiment
  • FIG. 3a shows a schematic representation of a thermal management system architecture according to a third embodiment
  • FIG. 3b shows a schematic representation of a thermal management system architecture according to a fourth embodiment.
  • the identical elements bear the same reference numbers.
  • placed upstream means that one element is placed before another relative to the direction of flow of a fluid.
  • downstream means that one element is placed after another relative to the direction of fluid flow.
  • ⁇ at least a first dedicated heater 105 disposed at the front face 10 of the electric motor vehicle
  • the average temperature of the first heat transfer fluid before entering the first or dedicated radiators 105 is at most of the order of 70 ° C.
  • Power electronics means the electronic management of the electric vehicle and these various bodies, including the converter, as well as the electric motor, and where appropriate the batteries.
  • the thermal management system 1 of electric fuel cell vehicle comprises: 0 a second loop 200 of said high temperature thermal control in which circulates a second coolant and fluid comprising:
  • a second pump 205 generally disposed downstream of the second radiator 203 dedicated.
  • the average temperature of the second heat transfer fluid before entering the second or dedicated radiators 203 is of the order of 60 to 90 ° C.
  • the second high temperature loop 200 may also comprise a deionizer 207, for example connected parallel to the second pump 205.
  • the thermal management system 1 of electric fuel cell vehicle comprises:
  • the temperature of the third heat transfer fluid before entering the third dedicated radiator is greater than the temperature of the second heat transfer fluid at the outlet of the heat exchange device 201 with the fuel cell, either an average temperature above 90 ° C.
  • a first dedicated radiator 105 and a second dedicated radiator 203 may be arranged within a front-end front module. of a motor vehicle, ie at the level of the grille of the electric vehicle.
  • the third dedicated radiator 303 is for its part preferably disposed within at least one additional lateral module of the front face of the electric vehicle, that is to say on the sides of the front face, at the wheel arches. It is nevertheless possible to imagine that the third dedicated radiator 303 can be disposed within the frontal module of the front face of a motor vehicle.
  • the third dedicated radiator 303 is disposed as downstream as possible relative to a first 105 or a second 203 dedicated radiator in the direction of the air flow 11.
  • the temperature of the third heat transfer fluid at the inlet of the third dedicated radiator 303 is the highest between those of the first and second heat transfer fluid respectively at the inputs of the first 105 and second 203 dedicated radiators.
  • a first dedicated radiator 105 is disposed, like the third dedicated radiator 303, within at least one additional lateral module of the front face of the electric vehicle.
  • the first low temperature loop 100 may comprise at least two first dedicated radiators 105 connected in series or in parallel. At least one first dedicated radiator 105 is then disposed within at least one additional front side module of the electric vehicle and at least one other first dedicated radiator 105 is disposed within a front end module of the electric vehicle. .
  • the second high temperature loop 200 may comprise at least two second dedicated radiators 203 connected in series or in parallel. At least one second dedicated radiator 203 is then disposed within at least one additional front side module of the electric vehicle and at least one other second dedicated radiator 203 is disposed within a front end module of the electric vehicle. .
  • the first dedicated radiator 105 is disposed as far upstream as possible relative to a second 203 or a third 303 dedicated radiator in the direction of the air flow 11.
  • the temperature of the first heat transfer fluid at the inlet of the first dedicated radiator 105 is the lowest between those of the second and third heat transfer fluid respectively at the entrances of the second 203 and third 303 dedicated radiators.
  • the first dedicated radiator 105 is placed upstream of the second 203 or third 303 dedicated radiator, in the flow direction of the air flow 11 passing through them.
  • the second high temperature loop 200 may also comprise a first additional heat exchanger 209 connected in parallel with the heat exchange device 201 with the fuel cell.
  • parallel connected means, as connections in the electrical field, that the third heat transfer fluid inlet of the heat exchange device 201 with the fuel cell and the first additional heat exchanger 209, are both connected to the output of the second pump and that their outputs are both connected to the second dedicated radiator 203.
  • Said first additional heat exchanger 209 is disposed in the flow of compressed air 21 for supplying the output of the supply air compressor , downstream of the heat exchange device 301 with the compressed air supply of the third loop 300 at a very high temperature.
  • This first additional heat exchanger 209 makes it possible to bring the compressed supply air to a temperature close to that of the fuel cell and thus makes it possible to accelerate the temperature setting of the fuel cell after it has been started and to ensure a homogeneous temperature within the cell to improve its performance and its lifetime.
  • the heat exchange device 301 with the compressed feed air of the third very high temperature loop 300 and the first additional heat exchanger 209 of the second high temperature loop 200 can be contiguous to each other.
  • the heat exchange device 301 with the compressed feed air and the first additional heat exchanger 209 are grouped together in the same heat exchanger comprising a first internal circulation circuit of the third fluid. coolant and a second internal circulation circuit of the second heat transfer fluid.
  • the second high temperature loop 200 may also comprise a second additional heat exchanger 214 connected between the heat exchange device 201 with the fuel cell and the second dedicated radiator 203. This second additional heat exchanger 214 is disposed in the incoming fuel flow. to the fuel cell to bring it to a temperature close to that of the fuel cell and thus improve its performance and life. As illustrated in FIG. 2, the second high temperature loop 200 may further comprise:
  • a complementary heat exchanger 211 disposed within a device for supplying air to the passenger compartment of the motor vehicle.
  • the three-way valve 210 makes it possible to redirect the second heat transfer fluid from the heat exchange device 201 with the fuel cell either directly to the second dedicated radiator 203 or else to the complementary heat exchanger 211, the second refrigerant fluid. then joining said second dedicated radiator 203.
  • This three-way valve 209 it is thus possible to use the heat emitted by the fuel cell and also a portion of the heat of the compressed air supply for heating an air flow 31 towards the passenger compartment of the motor vehicle.
  • the second high temperature loop 200 may also include an electric heating device 213 of the second heat transfer fluid disposed between the three-way valve. channels 209 and the complementary heat exchanger 211.
  • FIG. 2 also shows that the thermal management system 1 may also comprise a fourth air-conditioning loop 400, in which circulates a refrigerant fluid and dedicated to the thermal management of the airflow 31 going towards the passenger compartment of the motor vehicle .
  • a fourth air-conditioning loop 400 in which circulates a refrigerant fluid and dedicated to the thermal management of the airflow 31 going towards the passenger compartment of the motor vehicle .
  • the fourth air conditioning loop 400 comprises in particular:
  • condenser 403 disposed at the front face 10 of the electric motor vehicle, downstream of the compressor 401, 0 an expansion device 405 downstream of condenser 403, and
  • an evaporator 407 disposed within a feeder air from the interior of the motor vehicle, between the expansion device 405 and compressor 401.
  • the condenser 403 is preferably disposed within a front end module of the motor vehicle upstream of the second dedicated radiator 203 of the second high temperature loop 200, in the flow direction of the air flow 11 therethrough.
  • the condenser 403 is positioned between the second dedicated radiator 203 of the second high loop 200 temperature and the first dedicated radiator 105 of the first loop 100 low temperature.
  • the first low temperature loop 100 and the fourth air conditioning loop 400 may comprise a first bi-fluid heat exchanger 501 between the first heat transfer fluid and the refrigerant fluid.
  • This first bi-fluid heat exchanger 501 is disposed within the fourth air conditioning loop 400 upstream of the condenser 403.
  • the first bi-fluid heat exchanger 501 can equally well be placed upstream or downstream of the first dedicated radiator 105.
  • the third very high temperature loop 300 and the fourth air conditioning loop 400 may also comprise a second bi-fluid heat exchanger 503 between the third heat transfer fluid and the refrigerant fluid.
  • This second bi-fluid heat exchanger 503 is disposed within the fourth air conditioning loop 400 upstream of the condenser 403.
  • the second bi-fluid heat exchanger 503 can equally well be placed upstream or downstream of the third dedicated radiator 303.
  • the refrigerant is for example C0 2 , it can reach maximum temperatures of the order of 150 ° C which is much higher than the temperatures of the first refrigerant fluid of the first loop 100 low temperature and even the third refrigerant fluid of the third loop 300 very high temperature.
  • These first and second bi-fluid heat exchangers 501 and 503 thus make it possible, for cooling the equivalent refrigerant, to have a condenser 403 of smaller size.
  • the thermal management system 1 allows for the presence of a third loop 300 very high temperature, dedicated to the thermal management of compressed air supply, better thermal management of the electric vehicle .

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Abstract

La présente invention concerne un système de gestion thermique (1) d'un véhicule automobile électrique comportant une pile à combustible, ledit système comportant : - une première boucle (100) de régulation thermique dite basse température comprenant : ⋅ un dispositif d'échange thermique (101) avec un compresseur d'air d'alimentation en air de la pile à combustible, ⋅ au moins un premier radiateur dédié (105) disposé au niveau de la face avant (10), - une deuxième boucle (200) de régulation thermique dite haute température comprenant : ⋅ un dispositif d'échange thermique (201) avec la pile la combustible, et ⋅ au moins un deuxième radiateur (203) dédié disposé au niveau de la face avant (10), - une troisième boucle (300) de régulation thermique dite très haute température comprenant : ⋅ un dispositif d'échange thermique (301) avec l'air comprimé d'alimentation en provenance du compresseur d'air d'alimentation, et ⋅ un troisième radiateur (303) dédié disposé au niveau de la face avant (10).

Description

SYSTEME DE GESTION THERMIQUE DE VEHICULE ELECTRIQUE
La présente invention concerne le domaine de la gestion thermique au sein d'un véhicule électrique. Plus précisément, la présente invention traite d'un système de gestion thermique de différents éléments d'un véhicule électrique à pile à combustible.
La gestion thermique d'un véhicule électrique à pile à combustible comporte notamment la gestion thermique d'organes dont la charge thermique à évacuer et le niveau de température associé sont variables. Par exemple, le compresseur d'air alimentant la pile à combustible et le moteur électrique du véhicule peuvent accepter un fluide de refroidissement avec une température pouvant aller jusqu'à 70°C, l'électronique de gestion peut quant à elle avoir un fluide de refroidissement avec une température pouvant aller jusqu'à 60°C et les batteries peuvent avoir une température du fluide de refroidissement pouvant aller jusqu'à 40°C environ.
Un organe tel que la pile à combustible en elle même, peut avoir une température comprise entre 60 et 95°C. Le fluide de refroidissement de l'air comprimé en direction de la pile à combustible peut quant à lui être soumis à une température maximale comprise entre 80 et 200°C, selon le taux de compression de l'air et la température ambiante.
Il est ainsi connu d'élaborer un système de gestion thermique comportant deux boucles de gestion thermique regroupant différents organes du véhicule électrique. Une première boucle dite basse température, regroupant la gestion thermique du compresseur d'air, de l'électronique de puissance, du moteur électrique et des batteries. Une deuxième boucle dite haute température regroupant la gestion thermique de la pile à combustible et de l'air comprimé d'alimentation de cette dernière. Une troisième boucle dédiée à la climatisation du véhicule électrique peut également être ajoutée.
Afin d'évacuer la charge thermique de ces différentes boucles, des radiateurs sont disposés en face avant du véhicule automobile, aussi bien dans un module de face avant frontal, c'est à dire situé au niveau de la calandre du véhicule, ou bien même au niveau de modules additionnels latéraux de face avant, par exemple situés au niveau des passages de roues, afin d'augmenter la surface d'échange.
Cependant, à faible vitesse et lorsqu'une forte puissance est demandée à la pile à combustible, le flux d'air traversant les différents radiateurs peut ne pas être suffisant pour assurer un échange thermique et une capacité de transport de la chaleur suffisants, notamment avec la boucle dite haute température qui a la charge thermique à évacuer la plus élevée. Le refroidissement de l'air comprimé d'alimentation de la pile à combustible se fait donc moins bien, diminuant à la fois la puissance maximale disponible et le rendement de ladite pile à combustible.
Un des buts de l'invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer un système de gestion thermique pour véhicule électrique à pile à combustible amélioré. La présente invention concerne donc un système de gestion thermique d'un véhicule automobile électrique comportant une pile à combustible, ledit système comportant :
0 une première boucle de régulation thermique dite basse température dans laquelle circule un premier fluide caloporteur et comprenant :
■ un dispositif d'échange thermique avec un compresseur d'air alimentant en air la pile à combustible,
■ au moins un premier radiateur dédié, disposé au niveau de la face avant du véhicule électrique,
0 une deuxième boucle de régulation thermique dite haute température dans laquelle circule un deuxième fluide caloporteur et comprenant :
■ un dispositif d'échange thermique avec la pile à combustible, et
■ au moins un deuxième radiateur dédié, disposé au niveau de la face avant du véhicule électrique, 0 une troisième boucle de régulation thermique dite très haute température dans laquelle circule un troisième fluide caloporteur et comprenant :
■ un dispositif d'échange thermique avec l'air comprimé d'alimentation en provenance du compresseur d'air d'alimentation, et
■ un troisième radiateur dédié, disposé au niveau de la face avant du véhicule électrique.
Le fait d'avoir trois boucles de gestion thermique distinctes au sein du système de gestion thermique et notamment d'avoir une troisième boucle spécifique à l'air comprimé alimentant la pile à combustible, permet de faire travailler les radiateurs dédiés placés en face avant du véhicule automobile électrique à la température maximum des différentes boucles, évitant ainsi une dilution des températures des fluides caloporteur. Chaque organe est donc refroidi à la température maximale autorisée selon ses besoins. Ainsi, l'air comprimé d'alimentation et la pile à combustible sont gérés indépendamment, ce qui permet d'optimiser la densité de puissance et le rendement de la pile à combustible.
Selon un aspect de l'invention, la première boucle de régulation thermique comprend un dispositif d'échange thermique avec l'électronique de puissance du véhicule électrique.
Selon un aspect de l'invention, au moins un premier radiateur dédié est disposé au sein d'au moins un module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique.
Selon un autre aspect de l'invention, au moins un premier radiateur dédié est disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule électrique.
Selon un autre aspect de l'invention, la première boucle de régulation thermique dite basse température comporte au moins deux premiers radiateurs dédiés reliés en série ou en parallèle, au moins un premier radiateur dédié étant disposé au sein d'au moins un module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique et au moins un autre premier radiateur dédié étant disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule électrique.
Selon un autre aspect de l'invention, au moins un deuxième radiateur dédié est disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule électrique.
Selon un autre aspect de l'invention, la deuxième boucle de régulation thermique dite haute température comporte au moins deux deuxièmes radiateurs dédiés reliés en série ou en parallèle, au moins un deuxième radiateur dédié étant disposé au sein d'au moins un module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique et au moins un autre deuxième radiateur dédié étant disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule électrique.
Selon un autre aspect de l'invention, le troisième radiateur dédié est disposé au sein d'au moins un module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique.
Selon un autre aspect de l'invention, le troisième radiateur dédié est disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule électrique. Selon un autre aspect de l'invention, au sein d'un même module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique, le premier radiateur dédié est placé en amont du deuxième ou troisième radiateur dédié, dans le sens de circulation du flux d'air les traversant. Selon un autre aspect de l'invention, au sein d'un même module frontal de face avant du véhicule électrique, le premier radiateur dédié est placé en amont du deuxième ou troisième radiateur dédié, dans le sens de circulation du flux d'air les traversant.
Selon un autre aspect de l'invention, la seconde boucle haute température comporte en outre un premier échangeur thermique supplémentaire connecté parallèlement au dispositif d'échange thermique avec la pile la combustible, ledit premier échangeur thermique supplémentaire étant disposé, dans le flux d'air comprimé d'alimentation, en sortie du compresseur d'air d'alimentation, en aval du dispositif d'échange thermique avec l'air d'alimentation comprimé de la troisième boucle très haute température.
Ce premier échangeur thermique supplémentaire permet d'amener l'air comprimé d'alimentation à une température proche de celle de la pile à combustible et ainsi permet d'accélérer la mise en température de la pile à combustible après son démarrage et d'assurer une température homogène au sein de la pile pour améliorer son rendement et sa durée de vie.
Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif d'échange thermique avec l'air d'alimentation comprimé de la troisième boucle très haute température et le premier échangeur thermique supplémentaire de la seconde boucle haute température sont accolés l'un à l'autre.
Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif d'échange thermique avec l'air d'alimentation comprimé de la troisième boucle très haute température et le premier échangeur thermique supplémentaire de la seconde boucle haute température sont regroupés au sein d'un même échangeur de chaleur comportant un premier circuit interne de circulation du troisième fluide caloporteur et un deuxième circuit interne de circulation du deuxième fluide caloporteur. Selon un autre aspect de l'invention, la seconde boucle haute température comporte en outre un second échangeur thermique supplémentaire connecté entre le dispositif d'échange thermique avec la pile à combustible et le ou les deuxièmes radiateurs dédiés, ledit second échangeur thermique supplémentaire étant disposé dans le flux de combustible arrivant à la pile à combustible. Ce second échangeur thermique supplémentaire permet d'amener le flux de combustible arrivant à la pile à combustible à une température proche de celle de la pile à combustible et ainsi améliore son rendement et sa durée de vie.
Selon un autre aspect de l'invention, le système de gestion comporte en outre une quatrième boucle de climatisation dans laquelle circule un fluide réfrigérant, ladite quatrième boucle de climatisation comportant :
0 un compresseur,
0 un condenseur disposé au niveau de la face avant du véhicule automobile électrique,
0 un dispositif de détente, et
0 un évaporateur disposé au sein d'un dispositif d'alimentation en air de l'habitacle du véhicule automobile.
Selon un autre aspect de l'invention, le condenseur est disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule automobile en amont du deuxième radiateur dédié de la deuxième boucle haute température, dans le sens de circulation du flux d'air les traversant.
Selon un autre aspect de l'invention, le condenseur est disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule électrique entre le deuxième radiateur dédié de la deuxième boucle haute température et le premier radiateur dédié de la première boucle basse température.
Selon un autre aspect de l'invention, la première boucle basse température et la quatrième boucle de climatisation comportent un premier échangeur de chaleur bi-fluide entre le premier fluide caloporteur et le fluide réfrigérant, ledit premier échangeur de chaleur bi-fluide étant disposé au sein de la quatrième boucle de climatisation en amont du condenseur. Ce premier échangeur de chaleur bi-fluide permet un refroidissement supplémentaire du fluide réfrigérant de la quatrième boucle de climatisation. Selon un autre aspect de l'invention, ledit premier échangeur de chaleur bi-fluide est disposé au sein de la première boucle basse température en amont du premier radiateur dédié.
Selon un autre aspect de l'invention, ledit premier échangeur de chaleur bi-fluide est disposé au sein de la première boucle basse température en aval du premier radiateur dédié.
Selon un autre aspect de l'invention, la troisième boucle très haute température et la quatrième boucle de climatisation comportent un deuxième échangeur de chaleur bi- fluide entre le troisième fluide caloporteur et le fluide réfrigérant, ledit deuxième échangeur de chaleur bi-fluide étant disposé au sein de la quatrième boucle de climatisation en amont du condenseur.
Ce deuxième échangeur de chaleur bi-fluide permet également un refroidissement supplémentaire du fluide réfrigérant de la quatrième boucle de climatisation.
Selon un autre aspect de l'invention, ledit deuxième échangeur de chaleur bi- fluide est disposé au sein de la troisième boucle très haute température en amont du troisième radiateur dédié.
Selon un autre aspect de l'invention, ledit deuxième échangeur de chaleur bi- fluide est disposé au sein de la troisième boucle très haute température en aval du troisième radiateur dédié. Selon un autre aspect de l'invention, la deuxième boucle haute température comporte en outre :
0 une vanne trois-voies disposée en aval du dispositif d'échange thermique avec la pile la combustible, et
0 un échangeur de chaleur complémentaire disposé au sein d'un dispositif d'alimentation en air de l'habitacle du véhicule automobile,
ladite vanne trois-voies pouvant rediriger le deuxième fluide caloporteur en provenance du dispositif d'échange thermique avec la pile la combustible soit directement vers le deuxième radiateur dédié ou vers l'échangeur de chaleur complémentaire, le deuxième fluide réfrigérant rejoignant ensuite ledit deuxième radiateur dédié.
Par la gestion de cette vanne trois-voies, il est ainsi possible d'utiliser la chaleur émise par la pile à combustible et également une partie de la chaleur de l'air comprimé d'alimentation pour chauffer un flux d'air allant en direction de l'habitacle du véhicule automobile.
Selon un autre aspect de l'invention, la deuxième boucle haute température comporte en outre un dispositif de chauffage électrique du deuxième fluide caloporteur disposé entre la vanne trois-voies et l'échangeur de chaleur complémentaire.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels :
la figure 1 montre une représentation schématique d'une architecture de système de gestion thermique selon un premier mode de réalisation, la figure 2 montre une représentation schématique d'une architecture de système de gestion thermique selon un deuxième mode de réalisation, la figure 3a montre une représentation schématique d'une architecture de système de gestion thermique selon un troisième mode de réalisation, la figure 3b montre une représentation schématique d'une architecture de système de gestion thermique selon un quatrième mode de réalisation, Sur les différentes figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence.
Dans la présente description, on entend par « placé en amont » qu'un élément est placé avant un autre par rapport au sens de circulation d'un fluide. A contrario, on entend par « placé en aval » qu'un élément est placé après un autre par rapport au sens de circulation du fluide.
Comme le montre la figure 1, le système de gestion thermique 1 de véhicule électrique à pile à combustible selon l'invention comporte :
0 une première boucle 100 de régulation thermique dite basse température dans laquelle circule un premier fluide caloporteur et comprenant :
■ un dispositif d'échange thermique 101 avec un compresseur d'air alimentant en air la pile à combustible,
■ un dispositif d'échange thermique 103 avec l'électronique de puissance du véhicule automobile électrique,
■ au moins un premier radiateur dédié 105 disposé au niveau de la face avant 10 du véhicule automobile électrique, et
■ une première pompe 107 généralement disposée en aval du premier radiateur dédié 105.
Au sein de cette première boucle 100 basse température, la température moyenne du premier fluide caloporteur avant son entrée dans le ou les premiers radiateurs dédiés 105 est au maximum de l'ordre de 70° C.
Par électronique de puissance, on entend l'électronique de gestion du véhicule électrique et de ces différents organes, notamment le convertisseur, ainsi que le moteur électrique, et le cas échéant les batteries.
Le système de gestion thermique 1 de véhicule électrique à pile à combustible selon l'invention comporte : 0 une deuxième boucle 200 de régulation thermique dite haute température dans laquelle circule un deuxième fluide caloporteur et comprenant :
■ un dispositif d'échange thermique 201 avec la pile la combustible,
■ au moins un deuxième radiateur 203 dédié disposé au niveau de la face avant 10 du véhicule automobile électrique, et
■ une deuxième pompe 205 généralement disposée en aval du deuxième radiateur dédié 203.
Au sein de cette deuxième boucle 200 haute température, la température moyenne du deuxième fluide caloporteur avant son entrée dans le ou les deuxièmes radiateurs dédiés 203 est de l'ordre de 60 à 90°C.
La deuxième boucle 200 haute température peut également comporter un déioniseur 207, par exemple connecté parallèlement à la deuxième pompe 205.
Le système de gestion thermique 1 de véhicule électrique à pile à combustible selon l'invention comporte :
0 une troisième boucle 300 de régulation thermique dite très haute température dans laquelle circule un troisième fluide caloporteur et comprenant :
■ un dispositif d'échange thermique 301 avec l'air comprimé d'alimentation en provenance du compresseur d'air d'alimentation,
■ un troisième radiateur 303 dédié disposé au niveau de la face avant 10 du véhicule automobile électrique, et
■ une troisième pompe 305 généralement disposée en aval du troisième radiateur dédié 303.
Au sein de cette troisième boucle 300 très haute température, la température du troisième fluide caloporteur avant son entrée dans le troisièmes radiateur dédié est supérieure à la température du deuxième fluide caloporteur en sortie du dispositif d'échange thermique 201 avec la pile la combustible, soit une température en moyenne supérieure à 90°C. Le fait d'avoir trois boucles de gestion thermique distinctes au sein du système de gestion thermique 1 et notamment d'avoir une troisième boucle 300 spécifique à l'air comprimé d'alimentation de la pile à combustible, permet de faire travailler les radiateurs dédiés 105, 203 et 303 placés en face avant 10 du véhicule automobile électrique à la température maximum des différentes boucles, évitant ainsi une dilution des températures des fluides caloporteur. Chaque organe est donc refroidi à la température maximale autorisée selon ses besoins. Ainsi, l'air comprimé d'alimentation et la pile à combustible sont gérés indépendamment, ce qui permet d'optimiser la densité de puissance et le rendement de la pile à combustible.
Afin d'avoir une évacuation de la chaleur optimale, et selon un premier mode de réalisation illustré à la figure 1, un premier radiateur dédié 105 ainsi qu'un deuxième radiateur dédié 203 peuvent être disposés au sein d'un module frontal de face avant de véhicule automobile, c'est à dire au niveau de la calandre du véhicule électrique.
Le troisième radiateur dédié 303 est quant à lui de préférence disposé au sein d'au moins un module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique, c'est à dire sur les côtés de la face avant, au niveau des passages de roues. Il est néanmoins possible d'imaginer que le troisième radiateur dédié 303 puisse être disposé au sein du module frontal de face avant de véhicule automobile.
Que ce soit au sein du module frontal de face avant de véhicule automobile ou au sein d'au moins un module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique, le troisième radiateur dédié 303 est disposé le plus en aval possible par rapport à un premier 105 ou un deuxième 203 radiateur dédié dans le sens du flux d'air 11. En effet, la température du troisième fluide caloporteur en entrée du troisième radiateur dédié 303 est la plus élevée entre celles du premier et du deuxième fluide caloporteur respectivement aux entrées des premier 105 et deuxième 203 radiateurs dédiés. Selon un second mode de réalisation illustré à la figure 2, un premier radiateur dédié 105 est disposé, à l'instar du troisième radiateur dédié 303, au sein d'au moins un module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique. Selon un autre mode de réalisation non représenté, la première boucle 100 basse température peut comporter au moins deux premiers radiateurs dédiés 105 reliés en série ou en parallèle. Au moins un premier radiateur dédié 105 est alors disposé au sein d'au moins un module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique et au moins un autre premier radiateur dédié 105 est disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule électrique.
De même, la deuxième boucle 200 haute température peut comporter au moins deux deuxièmes radiateurs dédiés 203 reliés en série ou en parallèle. Au moins un deuxième radiateur dédié 203 est alors disposé au sein d'au moins un module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique et au moins un autre deuxième radiateur dédié 203 est disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule électrique.
Que ce soit au sein du module frontal de face avant de véhicule automobile ou au sein d'au moins un module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique, le premier radiateur dédié 105 est disposé le plus en amont possible par rapport à un deuxième 203 ou un troisième 303 radiateur dédié dans le sens du flux d'air 11. En effet, la température du premier fluide caloporteur en entrée du premier radiateur dédié 105 est la plus faible entre celles du deuxième et du troisième fluide caloporteur respectivement aux entrées des deuxième 203 et troisième 303 radiateurs dédiés.
Ainsi, au sein d'un même module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique ou d'un même module frontal de face avant du véhicule électrique, le premier radiateur dédié 105 est placé en amont du deuxième 203 ou troisième 303 radiateur dédié, dans le sens de circulation du flux d'air 11 les traversant. Comme montré sur les figures 1 et 2, la seconde boucle 200 haute température peut également comporter un premier échangeur thermique supplémentaire 209 connecté parallèlement au dispositif d'échange thermique 201 avec la pile à combustible. Par connecté parallèlement, on entend, à l'instar des branchements dans le domaine électrique, que les entrées de troisième fluide caloporteur du dispositif d'échange thermique 201 avec la pile à combustible et du premier échangeur thermique supplémentaire 209, sont toutes deux connectées à la sortie de la deuxième pompe et que leurs sorties sont toutes deux connectées au deuxième radiateur dédié 203. Ledit premier échangeur thermique supplémentaire 209 est disposé, dans le flux d'air comprimé 21 d'alimentation en sortie du compresseur d'air d'alimentation, en aval du dispositif d'échange thermique 301 avec l'air comprimé d'alimentation de la troisième boucle 300 très haute température. Ce premier échangeur thermique supplémentaire 209 permet d'amener l'air comprimé d'alimentation à une température proche de celle de la pile à combustible et ainsi permet d'accélérer la mise en température de la pile à combustible après son démarrage et d'assurer une température homogène au sein de la pile pour améliorer son rendement et sa durée de vie.
Le dispositif d'échange thermique 301 avec l'air d'alimentation comprimé de la troisième boucle 300 très haute température et le premier échangeur thermique supplémentaire 209 de la seconde boucle 200 haute température peuvent être accolés l'un à l'autre. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif d'échange thermique 301 avec l'air d'alimentation comprimé et le premier échangeur thermique supplémentaire 209 sont regroupés au sein d'un même échangeur de chaleur comportant un premier circuit interne de circulation du troisième fluide caloporteur et un deuxième circuit interne de circulation du deuxième fluide caloporteur.
La seconde boucle 200 haute température peut également comporter un second échangeur thermique supplémentaire 214 connecté entre le dispositif d'échange thermique 201 avec la pile la combustible et le deuxième radiateur dédié 203. Ce second échangeur thermique supplémentaire 214 est disposé dans le flux de combustible arrivant à la pile à combustible afin d'amener ce dernier à une température proche de celle de la pile à combustible et ainsi d'améliorer son rendement et sa durée de vie. Comme illustré à la figure 2, la seconde boucle 200 haute température peut en outre comporter :
0 une vanne trois-voies 210 disposée en aval du dispositif d'échange thermique 201 avec la pile la combustible, et
0 un échangeur de chaleur complémentaire 211 disposé au sein d'un dispositif d'alimentation en air de l'habitacle du véhicule automobile.
La vanne trois-voies 210 permet de rediriger le deuxième fluide caloporteur en provenance du dispositif d'échange thermique 201 avec la pile la combustible soit directement vers le deuxième radiateur dédié 203 ou alors vers l'échangeur de chaleur complémentaire 211, le deuxième fluide réfrigérant rejoignant ensuite ledit deuxième radiateur dédié 203. Par la gestion de cette vanne trois-voies 209, il est ainsi possible d'utiliser la chaleur émise par la pile à combustible et également une partie de la chaleur de l'air comprimé d'alimentation pour chauffer un flux d'air 31 allant en direction de l'habitacle du véhicule automobile.
Afin d'améliorer cet aspect de chauffage du flux d'air 31 allant en direction de l'habitacle du véhicule automobile, la deuxième boucle 200 haute température peut également comporter un dispositif de chauffage électrique 213 du deuxième fluide caloporteur disposé entre la vanne trois-voies 209 et l'échangeur de chaleur complémentaire 211.
La figure 2 montre également que le système de gestion thermique 1 peut également comporter une quatrième boucle de climatisation 400, dans laquelle circule un fluide réfrigérant et dédiée à la gestion thermique du flux d'air 31 allant en direction de l'habitacle du véhicule automobile.
La quatrième boucle 400 de climatisation comporte notamment :
0 un compresseur 401 ,
0 un condenseur 403 disposé au niveau de la face avant 10 du véhicule automobile électrique, en aval du compresseur 401, 0 un dispositif de détente 405 en aval du condenseur 403, et
0 un évaporateur 407 disposé au sein d'un dispositif d'alimentation en air de l'habitacle du véhicule automobile, entre le dispositif de détente 405 et le compresseur 401.
Le condenseur 403 est de préférence disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule automobile en amont du deuxième radiateur dédié 203 de la deuxième boucle 200 haute température, dans le sens de circulation du flux d'air 11 les traversant.
Dans le cas où le premier radiateur dédié 105 de la premier boucle 100 basse température est également disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule automobile, le condenseur 403 est positionné entre le deuxième radiateur dédié 203 de la deuxième boucle 200 haute température et le premier radiateur dédié 105 de la première boucle 100 basse température.
Sur les figures 3a et 3b, seules les boucles en interconnections sont représentées dans leur intégralité afin d'améliorer la compréhension.
Comme illustré à la figure 3a, la première boucle 100 basse température et la quatrième boucle 400 de climatisation peuvent comporter un premier échangeur de chaleur bi-fluide 501 entre le premier fluide caloporteur et le fluide réfrigérant. Ce premier échangeur de chaleur bi-fluide 501 est disposé au sein de la quatrième boucle 400 de climatisation en amont du condenseur 403. Au sein de la première boucle 100 basse température, le premier échangeur de chaleur bi-fluide 501 peut tout aussi bien être placé en amont ou en aval du premier radiateur dédié 105.
Comme illustré sur la figure 3b, la troisième boucle 300 très haute température et la quatrième boucle 400 de climatisation peuvent également comporter un deuxième échangeur de chaleur bi-fluide 503 entre le troisième fluide caloporteur et le fluide réfrigérant. Ce deuxième échangeur de chaleur bi-fluide 503 est disposé au sein de la quatrième boucle 400 de climatisation en amont du condenseur 403. Au sein de la troisième boucle 300 très haute température, le deuxième échangeur de chaleur bi-fluide 503 peut tout aussi bien être placé en amont ou en aval du troisième radiateur dédié 303. Ces premier et deuxième échangeur de chaleur bi-fluide 501 et 503 permettent un refroidissement supplémentaire du fluide réfrigérant de la quatrième boucle 400 de climatisation. En effet, si le fluide réfrigérant est par exemple du C02, il peut atteindre des températures maximum de l'ordre de 150°C ce qui est bien supérieur aux températures du premier fluide réfrigérant de la premier boucle 100 basse température et même du troisième fluide réfrigérant de la troisième boucle 300 très haute température. Ces premier et deuxième échangeurs de chaleur bi-fluide 501 et 503 permettent donc, à refroidissement du fluide réfrigérant équivalent, d'avoir un condenseur 403 de plus petite taille.
Ainsi, on voit bien que le système de gestion thermique 1 selon l'invention permet de part la présence d'une troisième boucle 300 très haute température, dédiée à la gestion thermique de l'air comprimé alimentation, une meilleure gestion thermique du véhicule électrique.

Claims

REVENDICATIONS
Système de gestion thermique (1) d'un véhicule automobile électrique comportant une pile à combustible, caractérisé en ce que ledit système comporte :
0 une première boucle (100) de régulation thermique dite basse température dans laquelle circule un premier fluide caloporteur et comprenant :
■ un dispositif d'échange thermique (101) avec un compresseur d'air alimentant en air la pile à combustible,
■ au moins un premier radiateur dédié (105), disposé au niveau de la face avant (10) du véhicule électrique,
0 une deuxième boucle (200) de régulation thermique dite haute température dans laquelle circule un deuxième fluide caloporteur et comprenant :
■ un dispositif d'échange thermique (201) avec la pile à combustible, et
■ au moins un deuxième radiateur (203) dédié, disposé au niveau de la face avant (10) du véhicule électrique,
0 une troisième boucle (300) de régulation thermique dite très haute température dans laquelle circule un troisième fluide caloporteur et comprenant :
■ un dispositif d'échange thermique (301) avec l'air comprimé d'alimentation en provenance du compresseur d'air d'alimentation, et
■ un troisième radiateur (303) dédié, disposé au niveau de la face avant (10) du véhicule électrique.
Système de gestion (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première boucle de régulation thermique comprend un dispositif d'échange thermique (103) avec l'électronique de puissance du véhicule électrique. Système de gestion (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins un premier radiateur dédié (105) est disposé au sein d'au moins un module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique.
Système de gestion (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un premier radiateur dédié (105) est disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule électrique.
Système de gestion (1) selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la première boucle (100) de régulation thermique dite basse température comporte au moins deux premiers radiateurs dédiés (105) reliés en série ou en parallèle, au moins un premier radiateur dédié (105) étant disposé au sein d'au moins un module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique et au moins un autre premier radiateur dédié (105) étant disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule électrique.
Système de gestion (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un deuxième radiateur dédié (203) est disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule électrique.
Système de gestion (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la deuxième boucle de régulation thermique (200) dite haute température comporte au moins deux deuxièmes radiateurs dédiés (203) reliés en série ou en parallèle, au moins un deuxième radiateur dédié (203) étant disposé au sein d'au moins un module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique et au moins un autre deuxième radiateur dédié (203) étant disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule électrique.
8. Système de gestion (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le troisième radiateur dédié (303) est disposé au sein d'au moins un module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique.
9. Système de gestion (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le troisième radiateur dédié (203) est disposé au sein d'un module frontal de face avant du véhicule électrique.
10. Système de gestion (1) selon la revendication 3 ou 5 prise en combinaison avec les revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'au sein d'un même module additionnel latéral de face avant du véhicule électrique, le premier radiateur dédié (105) est placé en amont du deuxième (203) ou troisième (303) radiateur dédié, dans le sens de circulation du flux d'air (11) les traversant.
11. Système de gestion (1) selon la revendication 4 ou 5 prise en combinaison avec les revendications 6 ou 9, caractérisé en ce qu'au sein d'un même module frontal de face avant du véhicule électrique, le premier radiateur dédié (105) est placé en amont du deuxième (203) ou troisième (303) radiateur dédié , dans le sens de circulation du flux d'air (11) les traversant.
12. Système de gestion (1) selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde boucle (200) haute température comporte en outre un premier échangeur thermique supplémentaire (209) connecté parallèlement au dispositif d'échange thermique (201) avec la pile la combustible, ledit premier échangeur thermique supplémentaire (209) étant disposé, dans le flux d'air comprimé (21) d'alimentation, en sortie du compresseur d'air d'alimentation, en aval du dispositif d'échange thermique (301) avec l'air d'alimentation comprimé de la troisième boucle (300) très haute température.
13. Système de gestion (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif d'échange thermique (301) avec l'air d'alimentation comprimé de la troisième boucle (300) très haute température et le premier échangeur thermique supplémentaire (209) de la seconde boucle (200) haute température sont accolés l'un à l'autre.
14. Système de gestion (1) selon la revendication 12, caractérisé en ce que le dispositif d'échange thermique (301) avec l'air d'alimentation comprimé de la troisième boucle (300) très haute température et le premier échangeur thermique supplémentaire (209) de la seconde boucle (200) haute température sont regroupés au sein d'un même échangeur de chaleur comportant un premier circuit interne de circulation du troisième fluide caloporteur et un deuxième circuit interne de circulation du deuxième fluide caloporteur. 15. Système de gestion (1) selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que la seconde boucle (200) haute température comporte en outre un second échangeur thermique supplémentaire (214) connecté entre le dispositif d'échange thermique (201) avec la pile à combustible et le ou les deuxièmes radiateurs dédiés (203), ledit second échangeur thermique supplémentaire (214) étant disposé dans le flux de combustible arrivant à la pile à combustible.
16. Système de gestion (1) selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une quatrième boucle (400) de climatisation dans laquelle circule un fluide réfrigérant, ladite quatrième boucle
(400) de climatisation comportant :
0 un compresseur (401),
0 un condenseur (403) disposé au niveau de la face avant (10) du véhicule automobile électrique,
0 un dispositif de détente (405), et un évaporateur (407) disposé au sein d'un dispositif d'alimentation en air de l'habitacle du véhicule automobile.
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