Etude et développement d'une pompe à chaleur inversable à haute efficacité pour véhicule électrique

par Florent Breque

Projet de thèse en Energétique et Procédés

Sous la direction de Assaad Zoughaib.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris) , en partenariat avec Energétique et Procédés (laboratoire) , CES - Centre Efficacité énergétique des Systèmes (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2014 .


  • Résumé

    Contexte et enjeux Dans le contexte de l'électrification des transports, de nouvelles problématiques sont soulevées. En ce qui concerne les véhicules électriques, la gestion d'ambiance thermique devient un aspect critique de l'amélioration des autonomies. En effet, en hiver, le chauffage de l'habitacle par la méthode habituelle employant des résistances électriques peut diminuer jusqu'à 50% l'autonomie des véhicules électriques. Dans ce contexte, une partie de la solution réside dans le développement de systèmes thermodynamiques inversables à haute efficacité (pompes à chaleur en hiver et climatisation en été). De tels systèmes doivent pouvoir réduire par 3 la consommation électrique du système de gestion d'ambiance en saison de chauffage. Le développement de ces systèmes fait faces à deux principaux verrous scientifiques et technologiques. Le premier aspect est de pouvoir développer un système efficace énergétiquement pouvant fonctionner sur une grande plage de température (-20°C à +45°C) avec un fluide frigorigène à faible GWP (« Global Warming Potential » ; potentiel de réchauffement global). Le second verrou, le principal, relève du phénomène de givrage de l'évaporateur. Ce dernier, qui permet de capter les calories de l'air extérieur avant de les injecter dans l'habitacle, est aussi le lieu d'un transfert de masse de la vapeur d'eau qui peut créer une couche de givre sur l'évaporateur. Ce givre aura pour conséquence de dégrader les performances du système jusqu'au moment où ce dernier ne pourra tout simplement plus fonctionner. Il faudra alors réaliser une opération de dégivrage qui diminue elle aussi les performances du système. Objectifs scientifiques Les verrous scientifiques et technologiques cités doivent être levés. Les objectifs de cette thèse seront donc de : - Evaluer différents fluides frigorigènes dont le GWP est inférieur à 150 et en choisir un qui présente de bonnes performances énergétiques en chauffage pour une température extérieure de -20 °C mais aussi en rafraîchissement pour une température extérieure de + 45 °C ; - Développer des échangeurs de chaleur à micro-canaux brasés aluminium optimisés pour une meilleure gestion des cycles de givrage dégivrage ; - Développer de nouvelles stratégies de dégivrage, et donc de nouvelles architectures du système, efficaces énergétiquement, qui n'impactent pas le confort dans l'habitacle et qui, plus généralement, sont compatibles avec les requis de l'industrie automobile ; - Développer des stratégies de contrôle optimal ; - Proposer et étudier d'autres stratégies de gestion d'ambiance, notamment les méthodes de pré-conditionnement et de stockage d'énergie thermique embarquée. Présentation détaillée du sujet de thèse en français (suite) Approche - Méthodes La première étape consistera à choisir le fluide frigorigène. Puis, il faudra étudier les mécanismes de développement du givre. Ceci permettra en particulier de s'attaquer à la modélisation et à la conception au niveau échangeur de chaleur. Ensuite, le travail portera sur le comportement dynamique du système thermodynamique complet en givrage et dégivrage. Les stratégies efficaces de dégivrage seront donc choisies et évaluées. Une quatrième étape permettra de développer une commande optimale. Enfin, le système développé sera étudié au niveau véhicule. Un modèle complet du véhicule électrique permettra d'évaluer les pertes d'autonomie réelle pour des trajets et des conditions climatiques réelles due aux besoins de chauffage, et ce, suivant les différentes méthodes de conditionnement d'ambiance. Ceci devra en particulier permettre d'évaluer les réelles pertes dues au givrage et d'évaluer le gain du système développé par rapport à l'approche standard. Ceci devra aussi permettre d'évaluer d'autres approches comme les stratégies de pré-conditionnement et de stockage d'énergie thermique embarquée. Le travail de fond sera mené sur deux fronts complémentaires : des modèles numériques seront développés sous Dymola et des tests expérimentaux seront menés sur banc d'essais. Des allers-retours constants entre expérimental et modélisation permettront de développer les modèles, de les valider et de mener les différentes études. Résultats attendus Le travail présenté ci-dessus permettra d'aboutir à la conception innovante d'un système complet à haute efficacité fonctionnant de -20°C à +45°C. Les innovations porteront sur les 3 niveaux d'études, à savoir : le niveau « composant » avec l'échangeur de chaleur subissant le givrage, le niveau « système » avec son architecture adaptée à l'automobile et permettant un dégivrage optimal, et enfin, le niveau contrôle-commande. Les performances de ce système innovant seront validées sur un démonstrateur final.

  • Titre traduit

    Study and development of a highly efficient reversible heat pump applied to electric vehicles


  • Résumé

    Context and challenges Scientific objectives Methodology Expected results