Chauffer l’habitacle et gérer la température des batteries avec une pompe à chaleur préserve l’autonomie des moteurs électriques.
Assurer une température confortable à l’intérieur de l’habitacle, même par temps froid, n’est plus un problème depuis longtemps. Les moteurs à combustion qui équipent les voitures, en raison de leur faible rendement (25-40 %) dans la conversion de l’énergie, perdent environ 60 % de leur énergie sous forme de chaleur résiduelle qui se perd dans l’environnement. En hiver, une partie de cette chaleur peut être utilisée par le système HVAC (Heating, Ventilation & Air Conditioning) pour assurer une température adéquate dans l’habitacle. En détail, la chaleur retirée du moteur à combustion par le liquide de refroidissement est libérée dans l’habitacle par l’intermédiaire du radiateur eau/air du système HVAC.
Ce n’est pas le cas des véhicules électriques qui, par nature, sont beaucoup plus efficaces que les voitures à combustion (le rendement d’un moteur électrique est d’environ 80-90 %) et génèrent donc beaucoup moins de chaleur. Une solution pour obtenir une température confortable consiste à utiliser un chauffage à CTP (coefficient de température positif), qui convertit l’énergie électrique en chaleur par l’intermédiaire d’une résistance. Toutefois, par temps très froid, ce dispositif peut absorber une quantité importante d’énergie, qui est puisée dans la batterie de traction de la voiture, ce qui a une incidence négative sur son autonomie.
On croit souvent que la réduction de l’autonomie à basse température est due à une diminution des performances de la batterie. Bien que les batteries lithium-ion ne fonctionnent pas de manière optimale à des températures extrêmes, cela a beaucoup moins d’impact sur l’autonomie que la charge des services auxiliaires, tels que le chauffage PTC. En outre, les constructeurs automobiles ont conçu des systèmes de gestion thermique pour les batteries afin de les maintenir dans une plage de température optimale, ce qui limite encore la réduction des performances.
Pourcentage entre l’autonomie réelle d’un véhicule électrique et l’autonomie nominale en fonction de la température, sur la base de la méthodologie de mesure de l’EPA
Source Geotab (www.geotab.com)
En général, l’autonomie d’un véhicule électrique diminue lorsque la température extérieure s’éloigne de 20-23° C et baisse considérablement lorsqu’elle descend en dessous de 0° C.
Un aspect important de l’impact des conditions climatiques froides sur la diminution de l’autonomie est le type d’utilisation du véhicule (continue ou avec arrêts), qui peut nécessiter une plus grande quantité d’énergie utilisée par le chauffage PTC pour chauffer l’habitacle, avec des réductions pouvant aller jusqu’à 50 % par rapport à l’autonomie homologuée.
Vous trouverez ci-dessous les résultats de la réduction de l’autonomie à 0° C à partir de données recueillies sur un échantillon de 10 000 véhicules électriques aux États-Unis. L’étude a été menée par Recurrent Auto, une plateforme américaine spécialisée dans la fourniture aux concessionnaires et aux consommateurs d’informations et d’analyses sur les batteries des véhicules électriques.
La pompe à chaleur
Le système de gestion thermique par pompe à chaleur est une solution de plus en plus répandue pour réduire l’énergie nécessaire au chauffage de l’habitacle par rapport aux chauffages CTP. Ce dispositif est de plus en plus répandu pour des raisons environnementales dans les systèmes de chauffage domestique, mais il est également important dans le domaine automobile.
Il s’agit d’un système qui, à l’aide d’un cycle de réfrigération à l’inverse du refroidissement (obtenu avec les climatiseurs), prélève la chaleur d’une source chaude et la transfère à l’endroit où elle est nécessaire. Dans une voiture électrique, outre l’utilisation de l’énergie thermique présente dans l’environnement extérieur, même à basse température, la chaleur se développe dans des composants tels que le moteur électrique, la transmission, l’onduleur, la batterie et le chargeur.
La pompe à chaleur récupère cette énergie et l’utilise pour chauffer l’habitacle ou d’autres composants (tels que la batterie), en consommant beaucoup moins d’énergie pour son fonctionnement que des dispositifs tels que les chauffages PTC. L’autonomie de la batterie de la voiture s’en trouve améliorée, puisqu’elle augmente de 10 à 25 %.
Dans l’étude Recurrent Auto présentée ici, les températures sont exprimées en degrés Fahrenheit (32° F égalent 0° C, 14° F égalent -10° C), la distance en miles (un mile routier égale 1,6 km).
Une unité de gestion thermique intégrée avec une pompe à chaleur se compose de plusieurs éléments. En fait, il s’agit de deux échangeurs de chaleur, appelés refroidisseurs et condenseurs, d’un compresseur et d’une vanne pour le liquide de refroidissement, dont la tâche est de diriger les flux (chaud et froid) vers les consommateurs du véhicule qu’ils desservent, en fonction des besoins.
Dans le refroidisseur, qui est un « évaporateur » doté d’un détendeur, un échange de chaleur a lieu entre deux fluides : il a pour tâche d’éliminer la chaleur du liquide de refroidissement (composé d’eau et de glycol) lors du changement de phase du fluide frigorigène, qui passe de l’état liquide à l’état gazeux. Dans le compresseur, le réfrigérant, sous forme gazeuse, est comprimé et sa température augmente. Le réfrigérant est ensuite envoyé dans le condenseur refroidi par liquide, où il retourne à l’état liquide en cédant de la chaleur au liquide de refroidissement. L’énergie thermique ainsi obtenue est utilisée pour chauffer l’air prélevé à l’extérieur de la voiture et acheminé dans l’habitacle. Le liquide de refroidissement retourne ensuite dans le refroidisseur, répétant le cycle.
Système intégré de gestion thermique (ITMS)
Deux exemples d’unités de gestion thermique UFI Filters intégrées à la pompe à chaleur
Températures contrôlées
Cependant, la tâche de la pompe à chaleur ne se limite pas à fournir de l’air chaud à l’habitacle. Son rôle est également crucial pour maintenir la température de fonctionnement optimale de la batterie, qui, pour les batteries lithium-ion actuelles à électrolyte liquide, se situe entre 15 et 30° C. Le liquide de refroidissement géré par la pompe à chaleur est utilisé pour chauffer ou refroidir la batterie, selon les besoins.
Il est important de souligner que le rôle de la pompe à chaleur restera essentiel à l’avenir, lorsque d’autres types de batteries que les batteries actuelles s’imposeront, comme les batteries à l’état solide qui offrent une plus grande autonomie et des temps de charge plus rapides. Dans ce type de batterie, qui est aujourd’hui utilisé dans quelques applications automobiles, l’électrolyte entre l’anode et la cathode est solide et non liquide ; leur température optimale de fonctionnement se situe entre 50 et 110° C en fonction de la chimie. La pompe à chaleur a donc pour mission de chauffer le fluide pour garantir cette valeur, mais aussi de le refroidir pour éviter qu’il ne dépasse 150° C.
Une large gamme de composants
Dans ce secteur, qui devrait connaître un développement important avec la popularité croissante des véhicules à batterie, UFI Filters est déjà en mesure de fournir aux fabricants d’équipements d’origine des composants individuels, tels que le refroidisseur et le condenseur refroidi par liquide, ainsi que des modules complets.
Les refroidisseurs et les condenseurs refroidis par liquide sont produits par UFI Filters en utilisant la technique particulière du brasage sous vide, un procédé qui permet de fabriquer des produits entièrement en aluminium en superposant les plaques dans un four sous vide qui évite le risque d’oxygénation et rend inutile l’ajout d’autres matériaux. UFI Filters développe également un sécheur/accumulateur, sorte de filtre sécheur utilisé dans le circuit frigorifique, et le système de canalisation.
