Stockage d'énergie et climatisation automobile en roulage urbain et mode stop-start

21/10/2017
Publication REE REE 2005-1
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-1:20579
DOI :

Résumé

Stockage d'énergie et climatisation automobile en roulage urbain et mode stop-start

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. RePères) LES VÉHICULES PROPRES m Stockage d'énergie et climatisation automobile en roulage urbain et mode stop-start Par Gwenaël GUYONVARCH,Régine HALLER,Loïc LEPETIT Valeo Thermique Habitacle, La llerrière Mots clés Climatisation, Stop-start, Stockage, Matériauà changement dephase, Compresseur deconditionnement d'air Introduction Les objectifs européens d'émissions moyennes de C02 de 140 g/km par véhicule en 2008, puis de 120 g/km en 2012 constituent des incitations fortes à l'adoption de solutions innovantes dans le domaine des chaînes de traction. La dieselisation croissante du parc automobile associée aux progrès importants de ce type de motorisation a permis de tendre vers ces niveaux. La réduction des cylindrées, tant en essence qu'en diesel, doit également y contribuer. En outre, la contribution de la fonction stop- start doit être décisive pour le succès final. Elle permet de faire baisser les consommations de 5 à 10 % supplémentaires. Cependant, le fait de couper le moteur lorsqu'un véhi- cule s'immobilise pose un problème de maintien des fonctions de confort, au premier rang desquelles le chauf- fage et la climatisation. La question du chauffage se résout aisément du fait de la quantité de chaleur stockée dans le moteur [1]. Il suffit alors d'ajouter une pompe électrique assurant la circula- tion du fluide de refroidissement dans l'aérotherme pour continuer à chauffer l'habitacle. Il en va tout autrement de la climatisation. Tout comme la pompe à eau, le compresseur est entraîné par le moteur et s'arrête donc avec lui. La différence est qu'il n'y a pas de stockage de froid à bord. La solution n'est donc pas aussi simple. Dans certains véhicules, le mode stop-start est inhibé quand la climatisation est demandée. On peut s'interroger sur l'acceptabilité de cette stratégie, supprimant tout bénéfice du stop-start plusieurs mois de l'année dans les régions à climat chaud. Elle est particu- lièrement contestable lors d'un pic de pollution. Cet article a pour but de présenter deux solutions de climatisation à l'arrêt prometteuses [2] reposant sur des stockages d'énergie différents : électrique et thermique. Au préalable, les données essentielles aidant à spécifier ces solutions sont décrites. 1. Caractérisation du mode stop-start Le mode stop-start consiste à arrêter le moteur 1 lorsque le véhicule s'immobilise, à un feu ou dans les encombrements urbains par exemple. Cette fonction n'est normalement autorisée qu'à partir du moment où le moteur et sesauxiliaires ont atteint un niveau de température suffisant. Afin de la rendre confortable et bénéfique, le L'ESSENTIEL L Le mode stop-start qui doit contribuerà réduire laconsommation des véhicules pose un problème de maintien de la climatisation lorsdes phasesd'arrêt moteur.Laduréedes arrêtsresteen géné- rai inférieure à 30 s, et la température ambiante est rarement supérieureà 35'C. La spécificationdu dispositif de climatisation adaptéest baséesur ces niveaux.Dansle cas de véhiculessuffi- samment électrifiés, la climatisationélectriquepermet de couvrir le besoin. Dans ce cas, la batterie doit être dimensionnée en conséquence.Si le contexte électrique ne convient pas, le stoc- kagede froid s'avère une bonne solution. YNOPSIS The stop-start function strongly contributes to lower the fuel consumption of petrol vehicles. Its drawback is air conditioning disruption, since this is mechanicallydriven by the engine. An analysisof requirementsrevealsthat the system specification shouldtarget maintainingof thermalcomfort for 30 secondsat an ambient temperature of 35° C, which covers more than 90% of real conditions. Different solutions have been explored, including electrical air conditioning.This has provento be adaptableto highly electrified cars, namely from 6 kW under42 V, A comparison between all reviewed concepts has shown that thermal storage is the right solution in the initial 14 V stop-start context. REE N " ! Janvier 2005 Stockage d'énergie et climatisation automobile en roulage urbain et mode stop-start 10 J CI French Artemis cycle from INRETS i i El EuÉ opean cycle MVEG EJapanese cycle 10-15 C1 ..c c U US cycle New York 7 C a. (@US SFTP SC03 Q I o 3 .... CI) i -, 0.5s 5-tOs 10-20s 20-30s 30AOs J0.50s 50-60s C,0.70s -70s Stop duration Fi,gt (i-e 1. Noi7ibi- (, de stol-) s eii foiictioii de leiii-s diii-ées, pol (i- ci.tiq c,,eles dfféreiits. 35 - 30 -- -0 25 -- o a) 20 -- C) ca c 15 -- o o'Il, 1 » 10 -- 0 CL 5 -- 0 - i 1 1 r---i 1 - 1 1215 1715 22 ? 5 275 32,5 3715 4215 Températures (OC) Figure 2. Répartition des températures à Malaga. démarreur conventionnel est supprimé et remplacé par la réversibilité d'un alternateur délivrant un couple important. Ceci permet le rédémarrage en quelques dixièmes de secondes. La consommation en roulage urbain diminue alors de 5 à 10 % selon les véhicules. Afin de dimensionner une solution de maintien de la climatisation, il est tout d'abord nécessaire de savoir quel- le est la durée des arrêts. La figure 1 ci-dessous présente la distribution des arrêts en fonction de leur durée pour le cycle Artémis de l'INRETS [3], basé sur des utilisations réelles, ainsi que pour quatre cycles normatifs. La conclusion est que la très grande majorité des arrêts n'excède pas 30 s, et que les arrêts de plus de une minute sont rarissimes. On pourra donc installer un dispositif permettant le maintien de la climatisation pendant trente secondes maximum. Les cas exceptionnels dépassant ce seuil seront traités par le re-démarrage du moteur. L'examen des climats montre ensuite que les tempéra- tures supérieures à 35° C sont rares. La figure 2 ci-dessous le montre dans le sud de l'Espagne Si le système est dimensionné pour un maintien de la climatisation pendant trente secondes à 35° C, le maintien à 40 ne sera assuré que pendant 15 secondes environ. Compte tenu de la rareté de ce cas, on voit que l'im- mense majorité des situations sera couverte par cette spécification. Si l'on considère que le niveau de confort obtenu à l'arrêt doit équivaloir celui constaté en ralenti moteur, on peut estimer la puissance frigorifique nécessaire à 2500 W environ pour un véhicule de taille moyenne. REE NQ1 Janvier 2005 . RePères) LES VÉHICULES PROPRES EfficientInternaiCombustion Engine 0.15 0.95 2 0.29 Bett Driven Compressor (BASELINE', ICE'Belt'COP'Total 42VIntegratedStarterGenerator + 0.35 0.8 0.9 0.9 0.9 2 0.41 Electrically Driven Compressor ICE ISG Battery Battery EDC COP Total charge discharge inverter " " \\ TaUleau1. Chaînes de reiideiiient de la cliiiiatisatioii à l'arrêt véhictile, eii idle et eii coiifiattratioii élec,t-iqtie. Finalement, le dispositif de climatisation à l'arrêt devra fournir jusqu'à 75 kJ de froid. Dans la suite, nous allons décrire deux solutions possibles, l'électrification de la climatisation et le stockage thermique. 2. L'électrification de la climatisation 2.1. Intérêt de la climatisation électrique L'apparition du mode stop-start s'accompagne d'une électrification croissante des véhicules. On a vu que le maintien du chauffage s'appuyait déjà sur l'électrification de la mise en circulation de l'eau de refroidissement. Pourquoi ne pas faire de même pour la climatisation ? Tout d'abord, il faut souligner que les puissances mises en jeu (à partir de 3 kW) exigent le passage à 42 V mini- mum. A cette condition, la climatisation électrique apporte de nombreux avantages [4] : consommation moyenne réduite en dehors des climats très chauds, forte réduction des fuites de réfrigérant, plus grande liberté d'implantation du compresseur, et ce qui nous intéresse ici, possibilité de fonctionnement lorsque le moteur est à l'arrêt. 2.2. Estimation des efficacités et de la masse des batteries Dans cette optique, il faut cependant bénéficier d'une source électrique autonome. En attendant l'arri- vée de générateurs auxiliaires, il faut puiser dans un moyen de stockage électrique. Le tableau 1 suivant permet de comparer de manière simplifiée le rende- ment de la climatisation électrique à l'arrêt avec celui de la climatisation au ralenti. Il faut souligner que la différence d'efficacité du moteur est essentielle. Au ralenti, le moteur ne sert qu'à la climatisation, avec un rendement assez pauvre. En revanche, le rendement marginal en roulage est beaucoup plus favorable. Les coefficients de performance thermodynamiques ont été considérés égaux. Au total, on voit que la solution électrique est potentiellement plus efficace (0,41 contre 0,29). La chaîne de rendement permet de remonter à la quantité d'électricité à stocker dans la batterie. Pour ce faire, il faut tenir compte des cellules grisées. On calcule ainsi qu'il faudra stocker 46 kJ, ou 13 Wh. Si l'on consi- dère par exemple le cas favorable d'une batterie NiMH ayant une énergie massique de 75 Wh/kg, et dont la profondeur de décharge tolérée est de 20 %, il faudra ajouter 850 g de batterie. Cependant, si l'on a affaire à une batterie de puissance massique deux fois moindre, si l'on vise un confort accru en climat chaud nécessitant trois fois plus d'énergie, et si la profondeur de décharge maximale autorisée est de 5 % pour couvrir 500 000 occunences (cas extrême de stop-start urbains), la masse additionnelle de batterie atteint 20 kg ! On voit donc que le dimensionnement des batteries doit résulter d'une approche complète tenant compte du climat, du type de roulage et du niveau de confort visé. Il faut aussi tenir compte de la sommation des besoins entre climatisation et autres fonctions comme l'assistance à l'accélération, selon les situations de fonctionnement. 2.3. Exemple : la climatisation électrique dans le véhicule i-MoGen Valeo et Ricardo ont construit un véhicule hybride " moyen " 42 V appelé " i-MoGen " (" integrated motor generator ") [5]. Il est doté d'un moteur diesel à cylindrée réduite (1,2 1) et injection directe à rampe commune. Le déficit de couple est couvert par une machine électrique réversible de 6 kW intégrée au volant d'inertie. L'électrification des auxiliaires a permis de supprimer la courroie d'accessoires. La photographie suivante montre l'implantation du compresseur électrique. REE No 1 Janvier 2005 M Stockage d'énergie et climatisation automobile en roulage urbain et mode stop-start N EfficientInternalCombustion Engine + 0.15 BeltDrivenCompressor (BASELINE) ICE Belt Driven Compressor+ Latent ThermalStorage 0.35 ICE 0.95 2 Belt COP 0.95 0.9 0.9 0.9 Belt Battery Cold Cold charge storing release 0.29 Total 0.54 Total Tableau 2. Coiiparaisoii des (-Iiciîiies d'efficacité de la cliiiiatisatioti à l'ai-rêt iticltiaizi le stockage theriiiicliie. i 'a&Euro;. 4 i Y compressor r Figitre 3. Lo (,cilistitioii du coiiiljresselir électriqite dans le uéhicule i-MoGen. Une batterie NiMH de 17 kg a été installée à la place c de la roue de secours (figure 4). Elle est ventilée pour limiter sa température et améliorer sa durée de vie. .. ..." -.r 1 /,,-. control s r. battery ', :59 Figure 4. Locnli.sation de la batterie NiMH ventilée dans le coffre du véhicule i-MoGen. Compte tenu des caractéristiques du véhicule et de cette batterie, la climatisation peut être maintenue à l'arrêt du moteur pendant environ une minute à forte charge c thermique. 3. Le stockage thermique 3.1. Intérêt du stockage thermique Dans un contexte d'hybridation moins forte, en pré- sence d'une machine électrique de puissance réduite, sans exigence de suppression de courroie, sous 14 V ou encore avec des contraintes de coût très sévères, la solu- tion électrique est moins pertinente. Un dispositif de stoc- kage de froid peut être envisagé. Zn Dans ce cas, le compresseur mécanique entraîné par courroie est conservé. Il s'agit alors d'implanter dans c l'appareil de climatisation une certaine quantité de maté- riau capable de stocker du froid. Cette voie présente aussi l'intérêt d'être moins contrainte en terme de cyclage. CI 3.2. Estimation des efficacités et de la masse du stockage thermique Le tableau ci-dessus montre que le stockage ther- mique peut atteindre un bon niveau d'efficacité (0,54 contre 0,29 au ralenti). Si l'on opte pour un matériau à changement de phase dont l'enthalpie est de 150 kJ/kg, un calcul analogue au précédent montre que la masse nécessaire sera de 550 2. 3.3 Exemple de résultat expérimental La figure 5 montre les résultats obtenus à l'aide d'un dispositif de ce genre en cycle MVEG (représenté en par- tie haute). Dans ces conditions de 35° C d'air ambiant, on constate que l'objectif de température moyenne d'air soufflé matérialisé par la ligne en pointillé peut être atteint (courbe intermédiaire). La courbe la plus perturbée montre l'évolution de la température d'air soufflé en absence de climatisation à l'arrêt, la plus constante présente celle qui résulte d'un fonctionnement conventionnel avec ralenti moteur. REE NU 1 Janvier 2005 M Repêres LES VÉHICULES PROPRES Stop-Start in European drive cycle (Evapo. : 350kglhl- 27OCl- 50% Cond. 35'C) Car 5 peed (km/h) 30 T downstream evaporator for T cabin 27'C (Text=35'C 800VV/m ?) 25 f , :' 15 : Standard system ; 'Standard system (AIC off dudag en ' __qine stoi » z II - System with Thermal Storage l'\ ara si ".. " ". ",,'i) !.... j j (t J Standard system ' ! i ut !) î i System with Therma) Storage .'./'\ y " n Il g) \, (with e-ngiine idling) 0 00 :00 10 :00 20 : tl 00 Iso 0 10 :00 TIME (mm : ss) 20 :00 Figure 5. Tenpérnture d'nir eu sortie évnporateur snvs stockage nvec coupure de climntisntion, aiec stockage clefi-oid, et sciiis stockage iii cotiptire. Conclusion Le maintien de la climatisation en mode stop-start contribue à renforcer la crédibilité de cette solution de réduction de consommation en roulage urbain. En fonction du degré d'électrification (ou d'hybridation) du véhicule, le système de climatisation pourra être électrifié ou non. Le cas échéant, la machine électrique doit être adaptée en tension et en puissance, et la batterie en capacité. Au début de la pénétration du stop-start sur le marché, les conditions requises ne seront généralement pas réunies. Une solution de stockage de froid pourra couvrir la majeure partie des occurrences. Références Il G. Guyonvarch, C. Petitjean - " Un état de l'art des sys- tèmes de chauffage et de climatisation de l'habitacle auto- mobile adaptés aux nouvelles motorisations " - SFT 2002 t2j G. Guyonvarch, R. Haller, L. Lepett - " The Specific Issues of Climate Control in Stop&Go Vehicles " - SAE/ATTC 2002-01-2225 [31 M. André - " Driviig cycles derived from real-world in- vehicle measurements for passengers cars and light duty vehicies. principles, database and main results, Particular case of the ARTEMIS driving cycles ", LTE (Laboratoire Transports et Environnement) - INRETS, April 19, 2001 [4] G. Guyonvarch et al - " 42V electric air conditioning sys- tems (E-A/CSl for low emissions, architecture, comfort and safety of next generation vehicles " - SAE 2001-01-2500 [51 R. Gordon - " A system approach to the mild hybrid power train - Ricardo conference ", Brighton, June 2001 e s a u e u r s Gwenaël Guyonvarch, responsable du domaine « gestion de l'énergie » - Valeo Thermique Habitacle, a obtenu son diplôme d'ingénieur en thermique en 1991 et son doctorat en thermique en 1995, à l'université de Nantes. Il a obtenu un diplôme de l'IAE-université de Paris 1 (Institut d'administration des entre- prises de Paris) en 1999. Gwenaël Guyonvarch travaille pour Valeo Thermique Habitacle depuis 1996. Régine Haller, chef de projet innovation - Valeo Thermique Habitacle, a été diplômée de l'Institut national polytechnique de Toulouse en 1979 et a obtenu un doctorat en mécanique des fluides en 1982, travaille pour Valeo Thermique Habitacle depuis 2001. Entre 1982 et 2001, elle a travaillé pour Bertin sur des pro- jets dans le domaine de l'énergétique, de la thermique et de la mécanique des fluides Loïc Lepetit, ingénieur " boucle de climatisation " - Valeo Thermique Habitacle, a obtenu son diplôme du CNAM Paris en 2002, Il travaille pour Valeo Thermique Habitac e depuis 1998. REE No 1 Janvier2005