Modélisation du système de gestion thermique d’un véhicule hybride rechargeable

Texte intégral

(1)❯!✁✂✄☎✆✁✝E´ DE SHERBROOKE Faculté de génie Département de génie mécanique. ´ LISATION DU SYSTE ` ME DE MODE ´ HICULE GESTION THERMIQUE D’UN VE HYBRIDE RECHARGEABLE. Mémoire de maˆıtrise Spécialité : génie mécanique. Alexandre LANDRY-BLAIS. Jury : Stéphane MOREAU Alain DESROCHERS Hachimi FELLOUAH Patrick QUIRION. Sherbrooke (Québec) Canada. Aout 2012.

(2)

(3) ´ ´ E ❘ESUM Le développement des véhicules électriques est actuellement en plein essor. Par contre, l’utilisation de ces véhicules est encore limitée en grande partie dˆ u aux problèmes associés a` la batterie : coˆ ut élevé, faible autonomie, long temps de recharge et durée de vie incertaine. L’influence de la température d’opération sur ces aspects de la batterie est grande et doit être considérée dès les phases initiales de conception de ce type de véhicule. Ce projet présente donc un modèle transitoire du système de gestion thermique d’un véhicule récréatif rechargeable. L’objectif de ce modèle est d’évaluer différentes options et configurations du système de refroidissement afin de minimiser l’impact de la température sur les performances du véhicule. Mots-cl´ es : Véhicules électriques, systèmes de refroidissement, batteries lithium-ion, modélisation thermique, gestion thermique.. i.

(4)

(5) ❘✞✟✞❘✠✡✞✟✞☛☞✌ Je tiens d’abord à remercier l’ensemble de l’équipe du projet PAC avec qui ce fut un plaisir de travailler durant ces deux dernières années. Je tiens également a` remercier M. Patrick Quirion et M. Roger Rioux de m’avoir offert cette opportunité de maˆıtrise au Centre des Technologies Avancées, ainsi que mon directeur M. Stéphane Moreau et mon co-directeur M. Alain Desrochers pour leur patience et leur soutien. Je remercie tous les membres de l’équipe électrique du projet, surtout Karol Angarita, Jasmin Rouleau et Ghislain Robert pour m’avoir éclairé de nombreuses fois sur les aspects électriques du véhicule. Leur diligence a` répondre à mes questions a été très appréciée. J’aimerais également remercier Sylvain Blanchard, Michel Lapointe et Richard Latulippe pour leur soutien lors des phases expérimentales du projet. Leur aide et conseils ont été très utiles et grandement appréciés. Finalement, un GROS merci a` mes amis et famille pour leurs encouragements, et un merci spécial à Hélène pour sa patience et son soutien durant ces deux années (et quelques mois...) !. iii.

(6)

(7) ` ☞❚✍✎✞ ✏✞✌ ✟❚☞✡ERES 1 INTRODUCTION 1.1 Mise en contexte et problématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Définition du projet de recherche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 2 ETAT DE L’ART 2.1 Véhicules électriques et hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Historique du développement des véhicules électriques . . . . . 2.1.2 Configurations des véhicules hybrides . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Composantes des véhicules électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Moteur électrique et onduleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Systèmes de refroidissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Refroidissement a` l’air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Refroidissement au liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Matériaux à changement de phase . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Approches de modélisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Modélisation ponctuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Mécanique des fluides numérique . . . . . . . . . . . . . . . . ´ 2.5 Etudes réalisées sur la gestion thermique . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Modélisation thermique 1-D de véhicules hybrides . . . . . . . 2.5.2 Couplage entre un modèle 1-D et CFD . . . . . . . . . . . . . 2.5.3 Gestion thermique d’un véhicule électrique en climat nordique 2.5.4 Utilisation de modules a` effet Peltier . . . . . . . . . . . . . . 2.5.5 Utilisation de matériau a` changement de phase . . . . . . . . ´ 3 MODELISATION THERMIQUE 3.1 Description du modèle 1-D . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Hypothèses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Propriétés des matériaux . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Modélisation des composantes . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Moteur électrique et onduleur . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Module de refroidissement . . . . . . . . . . . . . . 3.2.4 Modélisation de l’écoulement d’air dans le radiateur 3.2.5 Modélisation du débit de liquide . . . . . . . . . . . 3.2.6 Mise en oeuvre du modèle sur Matlab/Simulink . . 3.3 Modélisation CFD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Distribution de température dans la batterie . . . . 3.3.2 Emballement thermique . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.3 Validation du radiateur . . . . . . . . . . . . . . . . v. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . .. 1 1 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 7 7 7 9 10 11 14 16 17 18 19 20 21 23 24 24 25 26 27 28. . . . . . . . . . . . . . .. 31 31 34 35 36 37 44 49 53 56 57 58 58 59 60.

(8) ✈✑. ` ✒✓✔✕✖ ✗✖✘ ✙✓✒✚ERES. ´ 4 VALIDATION EXPERIMENTALE 4.1 Description et méthodologie . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Analyse des résultats obtenus . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Génération de chaleur . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Température des composantes . . . . . . . . . 4.2.3 Quantité de chaleur rejetée par les radiateurs 4.3 Corrections apportées au modèle . . . . . . . . . . . 4.3.1 Convection naturelle et radiation . . . . . . . 4.3.2 Performance des radiateurs . . . . . . . . . . 4.3.3 Résultats après corrections . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. 63 63 64 65 65 68 69 69 70 71. ´ ` 5 ANALYSE DES RESULTATS DU MODELE 5.1 Influences des paramètres . . . . . . . . . . . 5.1.1 Configuration de la batterie . . . . . . 5.1.2 Dimensions de l’échangeur . . . . . . . 5.1.3 Débit de liquide de refroidissement . . 5.1.4 Température ambiante . . . . . . . . . 5.1.5 Mode d’utilisation du véhicule . . . . . 5.2 Autres méthodes de refroidissement . . . . . . 5.2.1 Refroidissement a` l’air . . . . . . . . . 5.2.2 Matériau à changement de phase . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. 75 75 75 76 77 78 79 80 81 86. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. 6 CONCLUSION. 89. A Caract´ erisation thermique des cellules A.1 Propriétés thermiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2 Mesure des pertes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91 91 94. B Banc d’essai a´ eraulique. 97. C Sp´ ecifications techniques du moteur UQM. 99. D Sp´ ecifications techniques des cellules ANR26650. 105. E Sp´ ecifications techniques du radiateur. 107. F Sp´ ecifications techniques du ventilateur. 109. G Sp´ ecifications techniques de la pompe. 111. ´ ERENCES ´ LISTE DES REF. 113.

(9) ✎✡✌☞✞ ✏✞✌ ▲✡✛✜❘✞✌ 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7. Historique du prix moyen de l’essence payé à Production de CO2 par domaine économique ´ aux Etats-Unis . . . . . . . . . . . . . . . . Le Spyder hybride développé par BRP . . .. ´ la pompe aux Etats-Unis . . et type de carburant en 2008 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. « La Jamais Contente », construite par le Belge Camille Jenatzy . . . . . . Quelques voitures électriques des dernières années . . . . . . . . . . . . . . Configuration hybride série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Configuration hybride parallèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tension en fonction de la capacité a` différentes températures pour la cellule ANR26650 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capacité de rétention de charge en fonction du nombre de cycles de décharge complète à différentes températures pour la batterie ANR26650 . . . . . . Différence entre le moteur asynchrone et le moteur synchrone à aimants permanents [Rolland, 2011] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma du fonctionnement d’un onduleur de courant . . . . . . . . . . . . Système de refroidissement de la batterie de la Toyota Prius . . . . . . . . Schéma d’un système de refroidissement liquide utilisant le système de climatisation du véhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Système de refroidissement utilisant un matériau à changement de phase . Modélisation d’un flux de chaleur convectif par schéma-bloc dans Simulink : un retour de la température est nécessaire pour le calcul du flux . . . . . . ´ Echange d’information lors de la modélisation d’un flux de chaleur convectif par graphe de liaison dans AMESim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Distribution de la température sous-capot obtenue a` l’aide d’un modèle CFD [Exa Corporation, 2012] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schéma d’un système de gestion thermique pour véhicule électrique adapté aux climats nordiques [Sansregret, 2001] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Limitation de l’augmentation de température d’une batterie lors de la défaillance d’une cellule avec un matériau a` changement de phase [Selman et al., 2009] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volume de contrôle général des éléments solides . . . . . . . . . . . . . . . Volume de contrôle général des éléments fluides . . . . . . . . . . . . . . . Modélisation de la conduction dans un corps par la méthode des différences finies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Propriétés du mélange eau-éthylène glycol utilisé . . . . . . . . . . . . . . . Un module de la batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Résistance a` la décharge pour la cellule A123 à un courant de 10A . . . . . Modélisation de la conduction linéaire dans la cellule, la chaleur étant évacuée par les plaques de refroidissement sur la surface du noeud 3 . . . . . . vii. 1 2 3 8 9 10 11 13 14 15 16 18 19 20 22 23 24 27. 29 33 33 34 36 37 40 40.

(10) ✈✑✑✑. ✕✚✘✒✖ ✗✖✘ ✢✚✣✤✥✖✘ 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16. Couche laminaire hydraulique (δh ) et thermique (δt ) . . . . . . . . . . . . . Le moteur électrique et l’onduleur utilisés sur le véhicule prototype . . . . Pertes en commutation et en conduction d’un onduleur [Cao et al., 2007] . Carte d’efficacité du groupe moteur-onduleur utilisé . . . . . . . . . . . . . Dissipation spécifique du radiateur en fonction de la vitesse de l’air et du débit de liquide (kW/◦ C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vitesse de l’air dans le radiateur en fonction de la vitesse frontale du véhicule Courbes pression-débit pour la pompe et les circuits de refroidissement . . Distribution de la température dans un module de la batterie . . . . . . . . ´ Evolution de la température lors du court-circuit d’une cellule . . . . . . .. 4.1 4.2 4.3. La vitesse lors des trois essais réalisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pertes thermiques de la batterie en fonction de la vitesse . . . . . . . . . . Pertes thermiques du moteur électrique en fonction du couple et de la vitesse de rotation pour l’ensemble des trajets (en W) . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Pertes thermiques de l’onduleur en fonction du couple et de la vitesse de rotation pour l’ensemble des trajets (en W) . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Température de la batterie en fonction du temps pour chacun des cycles réalisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Température du moteur électrique en fonction du temps pour chacun des cycles réalisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Température de l’onduleur en fonction du temps pour chacun des cycles réalisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 Dissipation spécifique des radiateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9 Température de la batterie en fonction du temps pour chacun des trajets réalisés après corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.10 Température du moteur électrique en fonction du temps pour chacun des trajets réalisés après corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.11 Erreur sur la température de la batterie pour chaque trajet . . . . . . . . . 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8. Température et état de charge de la batterie selon la configuration de celle-ci pour le cycle WMTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Efficacité de la batterie selon différentes configurations lors du cycle WMTC Température de la batterie pour différentes surfaces de radiateur lors du cycle WMTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Température de la batterie pour différentes débits d’air dans le radiateur actuel lors du cycle WMTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Température de la batterie pour différents débits de liquide de refroidissement dans un cycle WMTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ Etat de charge et tension de la batterie pour différentes températures initiales lors du cycle WMTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Augmentation de la température de la batterie pour différentes températures initiales pour un cycle WMTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Augmentation de la température de la batterie en conduite hybride lors d’un cycle WMTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 42 44 46 46 53 56 57 59 61 65 66 67 67 68 69 70 71 72 73 74 76 77 78 79 80 81 82 83.

(11) ✕✚✘✒✖ ✗✖✘ ✢✚✣✤✥✖✘ 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 6.1. Variation de l’état de charge et des pertes thermiques en conduite hybride lors d’un cycle WMTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ´ Ecoulement au-travers des rangées de tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . Modélisation de la conduction radiale dans la cellule . . . . . . . . . . . . . Augmentation de la température de la batterie pour un refroidissement à l’air et au liquide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Augmentation de la température de la batterie pour un refroidissement à l’air, au liquide et avec matériau à changement de phase . . . . . . . . . .. ✑✦ 84 85 85 86 88. Répartition du poids de la batterie utilisée sur le prototype P0 . . . . . . .. 89. A.1 Température d’une cellule obtenue par caméra thermique pour une décharge a` 10 A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2 Montage utilisé pour mesurer les propriétés thermiques des cellules . . . . A.3 Température interne et externe de la cellule lors de l’essai . . . . . . . . . . A.4 Résistance interne de la cellule lors de la charge a` 10A . . . . . . . . . . . A.5 Résistance interne de la cellule lors de la décharge à 10A . . . . . . . . . .. 91 92 93 95 95. B.1 Banc de test pour la caractérisation des ventilateurs et radiateurs . . . . . B.2 Résultats de la caractérisation du ventilateur . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97 98.

(12) ✦. ✕✚✘✒✖ ✗✖✘ ✢✚✣✤✥✖✘.

(13) ✎✡✌☞✞ ✏✞✌ ☞❚✍✎✞❚✜✧ 2.1 2.2. Propriétés de différentes chimies de cellules . . . . . . . . . . . . . . . . . . Efforts et flux pour différents domaines physiques des graphes de liaison . .. 12 22. 3.1 3.2 3.3 3.4. Propriétés des matériaux pour les composantes modélisées . . . . Erreur entre le modèle du radiateur et les données du fournisseur Propriétés des domaines de l’analyse . . . . . . . . . . . . . . . . Conditions frontières imposées sur les domaines de l’analyse . . .. . . . .. 35 54 58 59. 4.1. Liste des mesures effectuées sur le véhicule . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 63. 5.1. Propriétés du composite paraffine/graphite . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88. A.1 Propriétés thermiques des cellules A123 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93. xi. . . . .. . . . .. . . . .. . . . ..

(14) ✦✑✑. ✕✚✘✒✖ ✗✖✘ ✒✓✔✕✖✓✤①.

(15) ✎✡✌☞✞ ✏✞✌ ✌★✟✍✩✎✞✌ Symboles A Bi c C D e˙ E E˙ f g G h H I k L m m ˙ NTU Nu p Pr Q˙ R Ra Re SD SOC t T U v V ˙ W x, y, z. Description Surface Nombre de Biot Capacité thermique ´ Energie d’écoulement Diamètre Puissance générée par unité de volume ´ Energie Puissance générée Coefficient de friction Constante gravitationnelle Conductance thermique Enthalpie spécifique, coefficient de convection Enthalpie Courant Conductivité thermique Longueur Masse Débit massique Nombre d’unités de transfert de chaleur Nombre de Nusselt Pression Nombre de Prandtl Transfert de chaleur Résistance électrique, résistance thermique Nombre de Rayleigh Nombre de Reynolds Dissipation spécifique d’un échangeur ´ Etat de charge Temps Température, couple ´ Energie interne, Tension a` l’équilibre Vitesse Volume, Tension Puissance mécanique Coordonnées cartésiennes. xiii. Unit´ e 2 m J/kg.◦ C J/◦ C s m W/m3 J W 9.81 m/s2 W/m2◦ C J/kg, W/m2◦ C J A W/m.◦ C m kg kg/s W/◦ C Pa W ◦ Ω, C/W W/◦ C s ◦ C, N.m J, V m/s m3 , V W m.

(16) ✦✑✈. ✕✚✘✒✖ ✗✖✘ ✘✪✙✔✫✕✖✘. Symboles grecs α ∆P ǫ η λ µ ρ ω. Description Diffusivité thermique Différence Efficacité d’un échangeur Efficacité ´ Energie latente de changement de phase Viscosité Densité Vitesse de rotation. Unit´ e 2 m /s J/kg Pa.s kg/m3 rad/s.

(17) ✕✚✘✒✖ ✗✖✘ ✘✪✙✔✫✕✖✘. Indices ∞ air avg bat bm c cel comb cond conv cyl elec f gen h i, j, k, ... in int liq mat max mec min mot nat net ond out pcm pla r rad s sta t v. ✦✈. Description Valeur ambiante Air Valeur moyenne Batterie Boˆıtier du moteur électrique Caractéristique Cellules Convection et radiation combinées Conduction Convection Cylindre ´ Electrique Ailettes d’un échangeur Générée Hydraulique Indice d’élément Entrant dans le volume de contrôle Interface Liquide Matrice conductrice Maximum Mécanique Minimum Moteur électrique Convection naturelle Valeur nette Onduleur Sortant du volume de contrôle Matériau à changement de phase Plaques de refroidissement Radiateur Radiation Surface Stator du moteur électrique Thermique Ventilateur.

(18) ✦✈✑. ✕✚✘✒✖ ✗✖✘ ✘✪✙✔✫✕✖✘.

(19) ✠❈❚✬✡☞❘✞ ✭ INTRODUCTION 1.1. Mise en contexte et probl´ ematique. La dépendance au pétrole de l’industrie automobile est, a` l’heure actuelle, un enjeu économique et environnemental très inquiétant. On n’a qu’à compter le nombre de fois que l’on parle de la hausse du prix de l’essence ou du réchauffement climatique dans les médias pour constater a` quel point la situation est préoccupante. Si l’on regarde l’un des plus grands ´ consommateurs d’énergie au monde, les Etats-Unis, près 75% de leur consommation de pétrole en 2009 était liée au domaine des transports, dont plus de la moitié uniquement pour les véhicules légers [Hockstad, 2011]. En regardant à quel point les fluctuations du prix de l’essence peuvent être importantes, tel qu’illustré a` la figure 1.1, cette dépendance ne peut être que nuisible pour les consommateurs.. ❋✮✯✰✱✲ ✳✴✳ ✵✮✶✷✸✱✮✹✰✲ ✺✰ ✻✱✮✼ ✽✸✾✲✿ ✺✲ ❀❁✲✶✶✲✿❂✲ ✻❃✾❄✲ ❃❅ ❀❃ ✻✸✽✻✲ ❃✰✼. ´ Etats-Unis. En plus de l’aspect économique, il y a également l’aspect environnemental à considérer. En effet, si l’on regarde le dioxyde de carbone (CO2 ), un des principaux gaz a` effet de ´ serre, l’industrie du transport compte pour plus de 25% de sa production aux Etats-Unis en 2008, tel qu’illustré à la figure 1.2 [Hockstad, 2011]. Seule la production d’électricité génère plus de dioxyde de carbone, celle-ci étant encore produite majoritairement a` partir 1.

(20) ❆. ❇❉✓❊✚✒✥✖ ●❍ ✚■✒✥✫✗✤❇✒✚✫■. de charbon. En fait, les voitures sont maintenant devenues la plus importante source de pollution de l’air au monde [Fenger, 2009].. ❋✮✯✰✱✲ ✳✴❏ ❑✱✸✺✰❂✷✮✸✿ ✺✲ CO2 par domaine économique et type de carburant en ´ 2008 aux Etats-Unis. C’est ce contexte économique et environnemental qui a incité les constructeurs automobiles a` développer de nouvelles technologies afin d’améliorer l’efficacité des automobiles. Une technologie prometteuse pour l’avenir est la voiture électrique. En effet, en supposant que l’électricité soit produite a` partir de ressources renouvelables, celle-ci permettrait de réduire dramatiquement la dépendance actuelle des voitures aux combustibles fossiles, réduisant du même coup la pollution qui leur est associée. Cependant, ces véhicules ne sont pas encore prêts a` être acceptés par le grand public, et ce, à cause des problèmes associés aux batteries : faible densité énergétique, coˆ ut élevé, longue durée de recharge, faible autonomie et durée de vie incertaine. De plus, seulement une faible partie de l’électricité mondiale est produite à partir de ressources renouvelables. Malgré tout, certains constructeurs automobiles tentent de rendre ces véhicules accessibles au grand public, tel Nissan avec la Leaf, lancée en 2011. Si l’on regarde spécifiquement cette voiture, on réalise les lacunes dˆ ues a` la batterie : l’autonomie du véhicule est fixée par l’EPA (Environmental Protection Agency) a` 117 km, sa durée de recharge sur une borne de 240 Volts est d’environ 8 heures (plus si la borne est de 120 Volts) et son prix est d’environ 40 000$, soit environ 25 000$ de plus de la Versa, un modèle équivalent a` motorisation thermique. Actuellement, une alternative intéressante a` la voiture électrique est la voiture hybride, et plus récemment la voiture hybride rechargeable. Cette dernière est essentiellement une.

(21) ´ ●❍●❍ ✙✚✘✖ ✖■ ❇✫■✒✖①✒✖ ✖✒ ❊✥✫✔✕EMATIQUE. 3. hybride dont les batteries ont une plus grande capacité énergétique et le moteur électrique est plus puissant, combinant ainsi les avantages du véhicule électrique et du véhicule a` motorisation thermique. En effet, avec ce type de véhicule, il est possible de recharger les batteries a` partir du réseau de distribution d’électricité et ainsi rouler sur une certaine distance uniquement a` partir d’énergie électrique. Une fois les batteries déchargées, la voiture se comporte comme un véhicule hybride en utilisant a` la fois le moteur électrique et le moteur à combustion interne pour se propulser. Les trajets quotidiens peuvent donc être effectués en mode électrique, et les trajets plus longs sont quand même possibles, et ce sans avoir l’inconvénient d’un volume important de batteries ainsi que le coˆ ut élevé associé a` celles-ci. Des simulations ont permis de démontrer que ces véhicules peuvent permettre de réaliser des réductions de plus de 50% sur la consommation d’essence et les émissions polluantes par rapport a` une voiture a` motorisation thermique [Bradley et Frank, 2009]. L’électrification des véhicules est présentement en plein essor. On n’a qu’à constater la popularité croissante des voitures hybrides pour s’en convaincre : en 1999, les véhicules hybrides ne représentaient que 0.0001% du nombre total de véhicules vendus alors qu’en 2009 on parlait plutôt de 2.79% [U.S. Department of Energy, 2012]. C’est donc dans ce contexte que Bombardier Produits Récréatifs (BRP) désire développer une version hybride rechargeable de son véhicule routier, le Spyder, un véhicule récréatif a` trois roues (figure 1.3). Celui-ci devra offrir des performances dignes d’un véhicule sportif, tout en ayant une réduction significative de sa consommation d’essence et de ses émissions polluantes.. ❋✮✯✰✱✲ ✳✴▼ ◆✲ ❖✻✾✺✲✱ =✾◗✱✮✺✲ ✺❄✲❙✲❀✸✻✻❄✲ ✻❃✱ ❱❲❑. Un des défis associé aux véhicules hybrides et électriques est la gestion thermique des composantes électriques. Ce défi est encore plus grand dans le cas d’un véhicule récréatif compact, léger et sportif tel que le Spyder. En effet, tel qu’il sera décrit plus en détails.

(22) ❳. ❇❉✓❊✚✒✥✖ ●❍ ✚■✒✥✫✗✤❇✒✚✫■. dans l’état de l’art, la température influence grandement les performances et la durée de vie des différentes composantes électriques : - la batterie ; - le moteur électrique ; - l’onduleur de courant. De plus, le prix associé a` ces composantes fait en sorte qu’une défaillance ou un remplacement prématuré de l’une de celles-ci serait très coˆ uteuse pour le consommateur. En effet, l’hybridation d’un véhicule augmente généralement son prix entre 2500$ et 10000$, selon le niveau d’hybridation désiré [Graham, 2001]. Le système de gestion thermique a donc pour but de minimiser les risques de défaillance et d’usure prématurée qui sont liés à la température d’opération des composantes hybrides.. 1.2. D´ efinition du projet de recherche. Ce projet de recherche se veut un projet exploratoire cherchant a` comparer différents concepts et différentes configurations du système de refroidissement du véhicule spécifiquement pour les composantes électriques. Plusieurs options sont possibles, et il n’y a pas de solution évidente à ce problème. Le projet de recherche sera donc de modéliser le système de refroidissement du véhicule et de déterminer l’impact des différents paramètres de conception sur la température atteinte par les composantes, tout cela dans le but de faire un choix éclairé selon les performances désirées et les compromis a` faire. La question de recherche à laquelle ce projet tentera de répondre est donc : « Comment gérer et contrôler efficacement la chaleur générée par les composantes électriques du Spyder hybride et ainsi maximiser leurs performances et leurs durées de vie ? » De manière plus détaillée, les objectifs du projet sont de : - modéliser thermodynamiquement les différents types de systèmes de refroidissement envisagés ; - comparer et analyser les performances des systèmes modélisés ; - valider expérimentalement le système de refroidissement du prototype ; - proposer un concept optimal pour le véhicule..

(23) ´ DU PROJET DE RECHERCHE ●❍❆❍ ✗EFINITION. 5. Ce mémoire présentera les résultats obtenus au cours de ce projet. Tout d’abord, le chapitre 2 présentera un bref état de l’art sur les véhicules électriques et hybrides, leurs systèmes de gestion thermique ainsi que les différentes approches possibles pour les modéliser. Par la suite, le chapitre 3 présentera la modélisation du système retenu pour le premier prototype du véhicule. Le chapitre 4 portera quant a` lui sur la validation expérimentale du modèle. Finalement, une analyse et des recommandations seront faites aux chapitres 5 et 6..

(24) ❨. ❇❉✓❊✚✒✥✖ ●❍ ✚■✒✥✫✗✤❇✒✚✫■.

(25) ✠❈❚✬✡☞❘✞ ❩ ´ ETAT DE L’ART Comme ce fut mentionné précédemment, ce projet de recherche consiste essentiellement en la modélisation thermodynamique du système de refroidissement d’un véhicule hybride rechargeable. Avant d’entrer dans le vif du sujet, un état de l’art sera fait sur les principaux aspects de ce projet, soit les véhicules électriques et hybrides, les systèmes de refroidissement et les approches de modélisation possibles.. 2.1 2.1.1. V´ ehicules ´ electriques et hybrides Historique du d´ eveloppement des v´ ehicules ´ electriques. L’arrivée récente de voitures électriques, telles la Nissan Leaf ou encore la Tesla Roadster, est une bonne indication de la tendance que va suivre le marché automobile durant les prochaines années. Cependant, le véhicule électrique n’est pas une innovation aussi récente qu’on pourrait le croire. u les véhicules motorisés commen¸caient a` rivaliser Vers la fin du 19esiècle, à l’époque o` avec les calèches, les véhicules électriques étaient autant sinon plus populaires que les véhicules à motorisation thermique. En effet, des 4200 voitures vendues en 1900, 38% étaient électriques comparativement a` 22% qui étaient à l’essence, le reste étant a` vapeur [Ehsani et al., 2010; Hussain, 2011]. Cette popularité peut s’expliquer de plusieurs fa¸cons. Tout d’abord, les routes n’étant pas très développées à l’époque, le transport en voiture se limitait a` l’intérieur même des villes. Les gens pouvaient donc se satisfaire de la faible autonomie des voitures électriques. Celles-ci étaient également beaucoup plus agréables à conduire : elles étaient plus silencieuses, n’émettaient aucune odeur désagréable, vibraient moins, ne nécessitaient aucun changement de vitesse et étaient faciles a` démarrer. Leurs performances étaient également tout à fait respectables : mentionnons notamment « La Jamais Contente », un véhicule électrique ayant une autonomie d’environ 100 km et qui avait établi un record de vitesse au sol de 105.98 km/h, et ce en 1899 (voir figure 2.1). Malgré tous ces avantages, la voiture électrique a pratiquement complètement disparue a` partir des années 1920. En effet, le développement du système routier a créé la nécessité 7.

(26) ❬. ´ DE L’ART ❇❉✓❊✚✒✥✖ ❆❍ ETAT. ❋✮✯✰✱✲ ❏✴✳ « La Jamais Contente », construite par le Belge Camille Jenatzy. d’avoir des véhicules ayant une grande autonomie, ce qui était impensable a` l’époque pour la voiture électrique. L’invention du démarreur électrique a également joué un rôle important, augmentant l’agrément de conduite des véhicules à essence en facilitant leur ´ démarrage. Finalement, la découverte d’importantes ressources pétrolières aux Etats-Unis et la fabrication en série de moteurs à combustion interne par Henry Ford ont réussi à abaisser significativement le prix des véhicules à essence, les rendant donc beaucoup plus accessibles que les véhicules électriques. Ce n’est que durant les années 1960 et 1970 que la voiture électrique fit un retour. La constatation des problèmes environnementaux liés aux moteurs a` combustion interne et la hausse du prix de l’essence durant la crise pétrolière de cette époque ont en effet incités les constructeurs automobiles a` renouveler leur intérêt envers cette technologie. Depuis, plusieurs voitures électriques ont été produites, mais aucune n’a vraiment été en mesure de rivaliser avec les véhicules à essence aux points de vue du coˆ ut, de la performance et de l’autonomie. Ce sont justement ces lacunes du véhicule électrique qui ont poussé les constructeurs vers la technologie hybride, et plus récemment la technologie hybride rechargeable. Bien que les premiers véhicules hybrides aient été présentés au salon de l’auto de Paris en 1899, la technologie hybride a réellement fait son entrée sur le marché avec la Honda Insight en 1999, et la Toyota Prius en 2000. Depuis, pratiquement tous les grands manufacturiers automobiles offrent des véhicules hybrides. Plus récemment, Chevrolet a` lancé la Volt, la première voiture électrique a` autonomie prolongée, dite hybride série rechargeable. Les récents développements dans les technologies de batteries et de moteur électrique ont tout de même permis de développer des voitures entièrement électriques offrant des performances très intéressantes, notamment la Tesla Roadster qui offre une autonomie de.

(27) ´ ´ ELECTRIQUES ET HYBRIDES ❆❍●❍ ❭EHICULES. 9. près de 400 km et un temps de recharge de moins de 4 heures, ainsi que la Nissan Leaf qui est la première voiture électrique disponible a` grande échelle et a` un coˆ ut relativement faible de moins de 40 000$ (voir figure 2.2).. ❪❫❴ ❵❫ ❵❛❫❜ ❝❛ ❞❡❢❢❫❣. ❪❤❴ ❵❫ ✐❥❫❝❢❦❛❧ ❝❛ ♠❛❢♥❫ ♦❥❦❥❧❢. Figure 2.2 Quelques voitures électriques des dernières années. 2.1.2. Configurations des v´ ehicules hybrides. Les véhicules hybrides utilisent deux sources d’énergie pour se propulser : du carburant et de l’électricité. L’avantage d’utiliser l’électricité est qu’il est possible de récupérer de l’énergie qui serait autrement perdue dans l’environnement et de l’emmagasiner. On augmente ainsi l’efficacité globale du véhicule de fa¸con significative en utilisant différentes stratégies d’utilisation des deux sources d’énergies : - arrêter le moteur a` combustion interne lorsque le véhicule est a` l’arrêt ; - récupérer l’énergie de freinage en utilisant le moteur électrique en mode régénératif ; - augmenter ou diminuer le couple a` fournir par le moteur a` combustion interne, grâce au moteur électrique, afin qu’il soit plus efficace ; - propulser le véhicule uniquement à partir d’énergie électrique ; - réduire la cylindrée du moteur a` combustion interne. L’objectif visé en décrivant les différentes configurations hybrides est de démontrer que le refroidissement des composantes électriques doit se faire indépendamment du refroidissement du moteur a` combustion interne. En effet, il est possible d’utiliser les deux sources de puissance de manière indépendante, signifiant qu’elles auront leurs propres exigences en termes de refroidissement..

(28) ´ DE L’ART ❇❉✓❊✚✒✥✖ ❆❍ ETAT. ●♣. Configuration s´ erie Différentes configurations sont possibles, mais les deux principales sont la configuration en parallèle et la configuration en série. La propulsion dans une configuration en série est entièrement assurée par le moteur électrique, tel qu’illustré a` la figure 2.3 [Guzzella et Sciarretta, 2007]. Dans ce cas-ci, le moteur a` combustion interne sert uniquement de génératrice afin de recharger les batteries, ou même de fournir directement le courant au moteur électrique. Il est a` noter que très peu de voitures hybrides utilisent cette configuration, en partie dˆ u au fait qu’elle est plus complexe et requiert plus de composantes. Un véhicule qui utilise cette configuration est la Chevrolet Volt, une voiture hybride rechargeable [Wikipedia, 2012a].. ❋✮✯✰✱✲ ❏✴▼ 5✸✿8✯✰✱❃✷✮✸✿ ;✾◗✱✮✺✲ ✶❄✲✱✮✲. Configuration parall` ele Dans une configuration parallèle, la propulsion du véhicule est assurée à la fois par le moteur a` combustion interne et le moteur électrique, qui peut également fonctionner en mode régénératif, tel qu’illustré a` la figure 2.4 [Guzzella et Sciarretta, 2007]. La majorité des véhicules hybrides utilisent cette configuration, notamment ceux produits par Honda. Différentes variantes sont aussi possibles, un peu comme ce qu’on retrouve sur la Toyota Prius. Ces variantes consistent a` utiliser un répartiteur de puissance, généralement d’un fonctionnement assez complexe, afin de contrôler le découplage du moteur électrique et du moteur a` combustion interne [Wikipedia, 2012b].. 2.2. Composantes des v´ ehicules ´ electriques. La présente section explique les différentes technologies disponibles pour les composantes électriques d’un véhicule électrique, ainsi que l’impact que la température a sur celles-ci..

(29) ´ ´ ELECTRIQUES ❆❍❆❍ ❇✫✙❊✫✘✓■✒✖✘ ✗✖✘ ❭EHICULES. 11. ❋✮✯✰✱✲ ❏✴5 6✸✿9✯✰✱❃✷✮✸✿ <✾◗✱✮✺✲ ✻❃✱❃❀❀❅✲❀✲. 2.2.1. Batterie. Tel que ce fut mentionné précédemment, les batteries sont le coeur des véhicules électriques et hybrides. Non seulement elles représentent la composante électrique la plus coˆ uteuse de ces véhicules, c’est également celles-ci qui dictent leur performance et autonomie. La batterie d’un véhicule électrique ou hybride est un assemblage de cellules en séries et en parallèles afin d’obtenir la tension et la capacité désirées. Cet assemblage est souvent modulaire afin d’augmenter la facilité d’assemblage et de désassemblage de la batterie. Par exemple, la batterie de la Tesla Roadster consiste en un assemblage en série de 11 modules. Chaque module est constitué de 9 briques également branchées en série, et chacune de ces briques est composée de 69 cellules en parallèle (configuration 69P-99S), pour un total de 6831 cellules [Wikipedia, 2012c]. Le nombre de cellules en série dictera la tension d’opération de la batterie, tandis que le nombre de cellules en parallèle donnera la capacité de charge de la batterie. Du point de vue thermique, augmenter le nombre de cellules en parallèle permet également de diminuer les pertes thermiques par cellule. En effet, le réchauffement par effet Joule est proportionnel a` l’intensité du courant au carré : augmenter le nombre de cellules en parallèle permet de réduire le courant par cellule, et donc de réduire les pertes thermiques. ´ Etat actuel des batteries Différents types de cellules électrochimiques ont été développées au cours des dernières années, chacune avec ses avantages et inconvénients. La tableau 2.1 présente un résumé des différentes spécifications des principales cellules utilisables pour des applications auto` l’heure actuelle, la majorité des véhicules hybrides utilisent des mobiles [Hussain, 2011]. A cellules nickel-hydrure métallique, mais la technologie la plus prometteuse est la cellule a`.

(30) ´ DE L’ART ❇❉✓❊✚✒✥✖ ❆❍ ETAT. ●❆. base de lithium grâce a` sa puissance et son énergie spécifique plus élevées, sa meilleure efficacité et sa plus grande durée de vie. C’est notamment ce type de cellules qui est utilisé dans la presque totalité des véhicules électriques récents, et qui commence même à faire son entrée dans les véhicules hybrides. Tableau 2.1 Propriétés de différentes chimies de cellules. Type de batterie Plomb-acide Nickel-cadmium Nickel-hydrure métallique Aluminium-air Zinc-air Sodium-souffre Sodium-nickel-chlore Lithium-polymère Lithium-ion. ´ Energie spécifique (Wh/kg) 35-50 30-50 60-80 200-300 100-220 150-240 90-120 150-200 90-160. Puissance spécifique (W/kg) 150-400 100-150 200-400 100 30-80 230 130-160 350 200-350. Efficacité Durée de (%) vie (cycles) 80 75 70 <50 60 85 80 n/d >90. 500-1000 1000-2000 1000 n/d 500 1000 1000 1000 >1000. Parmi les deux types de batteries au lithium, on retrouve les lithium-ion. Celles-ci sont constituées d’une anode habituellement composée de lithium et de carbone (LiC6 ), tandis que la cathode est constituée d’un oxyde métallique (par exemple : LiCoO2 , LiMn2 O4 , LiFePO4 et plusieurs autres). Les différents matériaux de cathode offrent différentes performances, mais celle qui est la plus prometteuse à l’heure actuelle est la cathode en phosphate ferreux, LiFePO4 . Celle-ci est beaucoup plus stable thermiquement et chimiquement, en plus d’être moins coˆ uteuse, caractéristiques essentielles pour le domaine automobile. On retrouve également les cellules lithium-polymère, qui sont essentiellement des cellules lithium-ion dont l’électrolyte est un polymère au lieu d’être un solvant organique, ce qui permet plus de liberté sur la forme de la cellule, ainsi qu’une réduction d’environ 20% du poids. En effet, puisque l’électrolyte est solide, la réduction du poids vient du fait qu’il est possible de contenir les matériaux de la cellule dans une enveloppe flexible au lieu d’une enveloppe solide. Par contre, un grand désavantage de ce type de cellule est leur instabilité mécanique et thermique lorsqu’elles sont surchargées ou perforées. Certaines recherches sont également en progression sur différents matériaux pour l’anode, notamment un composé de lithium et de titane (Li4 Ti5 O1 2). Ce matériel permettrait d’avoir des courants de décharge plus élevés, une plus grande durée de vie et un temps de recharge plus court, mais il est encore dans ses phases initiales de développement [Christensen et al., 2006]..

(31) ´ ´ ELECTRIQUES ❆❍❆❍ ❇✫✙❊✫✘✓■✒✖✘ ✗✖✘ ❭EHICULES. 13. Impact de la temp´ erature La température d’opération peut avoir un effet considérable sur les performances des batteries lithium-ion. De manière générale, bien que la plage d’opération puisse aller de 0 a` 65◦ C [Al-Hallaj et Selman, 2002], la température optimale d’opération se situe entre 25◦ C et 40◦ C, soit près de la température ambiante [Pesaran, 2002]. En-dessous de ces températures, l’efficacité de la batterie diminue drastiquement, réduisant ainsi son autonomie et sa charge utile. Cette diminution de performances est principalement due a` l’augmentation de la résistance au transfert de charge entre les électrodes, ce qui a pour effet qu’une plus grande partie de l’énergie de la cellule sera dissipée en chaleur par effet Joule. Par exemple, une batterie opérée a` -40◦ C n’aura que 5% de l’énergie utile disponible lorsqu’elle est opérée a` 20◦ C [Zhang et al., 2002]. Non seulement sa capacité diminue, mais également sa tension nominale, tel qu’illustré a` la figure 2.5. Les courbes sont celles de la batterie utilisée sur le prototype du Spyder hybride, soit la cellule ANR26650 de la compagnie A123 [A123 Systems, 2012]. Une baisse de la tension signifie une diminution de l’efficacité du reste de la chaˆıne de motorisation électrique, notamment le moteur électrique, et même l’impossibilité de fournir le courant nécessaire au fonctionnement du véhicule.. ❋✮✯✰✱✲ ❏✴5 ✉✲✿✶✮✸✿ ✲✿ ✇✸✿❂✷✮✸✿ ✺✲ ❀❃ ❂❃✻❃❂✮✷❄✲ ❃❅ ✺✮②❄✲✱✲✿✷✲✶ ✷✲✽✻❄✲✱❃✷✰✱✲✶ ✻✸✰✱ ❀❃ cellule ANR26650. Dans le cas du Spyder, un véhicule utilisé principalement en période estivale, le froid n’est pas une contrainte majeure. C’est plutôt une opération à température élevée qui risque d’être problématique. Dans ce cas, c’est l’inverse qui se produit, c’est-à-dire que la.

(32) ´ DE L’ART ❇❉✓❊✚✒✥✖ ❆❍ ETAT. ●❳. résistance au transfert de charge va diminuer. Ce phénomène peut s’expliquer par le fait que la vitesse des réactions chimiques associées au transfert de charge entre la cathode et l’anode de la batterie augmentent exponentiellement en fonction de la température. La batterie est donc plus efficace lorsque sa température d’opération est au-dessus de la température ambiante. Cependant, les différentes réactions chimiques parasites présentes dans la cellule vont également voir leur vitesse augmenter, ce qui mène a` une détérioration rapide et prématurée de celle-ci. En effet, une batterie opérée à une température trop élevée verra sa capacité de rétention de charge diminuer rapidement avec le temps, tel qu’illustré a` la figure 2.6.. ❋✮✯✰✱✲ ❏✴③ 5❃✻❃❂✮✷❄✲ ✺✲ ✱❄✲✷✲✿✷✮✸✿ ✺✲ ❂>❃✱✯✲ ✲✿ ✇✸✿❂✷✮✸✿ ✺✰ ✿✸✽◗✱✲ ✺✲ ❂✾❂❀✲✶ ✺✲ ✺❄✲④ charge complète ` a différentes températures pour la batterie ANR26650. Les gradients de température existant à l’intérieur même d’une cellule et d’une cellule a` l’autre entraˆıneront également des conséquences néfastes. Connaissant l’influence de la température sur l’efficacité des cellules, une différence de température trop grande signifiera un écart entre le niveau de charge des cellules. En effet, pour éviter de trop décharger les cellules, le niveau de décharge de la batterie sera limité en fonction de la plus faible cellule. Le même problème survient lors de la charge. Une différence de température signifie également un vieillissement différent d’une cellule a` l’autre, donc potentiellement le remplacement de cellules qui sont encore bonnes. En général, une différence de température de 5◦ C est la limite maximale acceptée entre les cellules.. 2.2.2. Moteur ´ electrique et onduleur. ` l’instar des moteurs à combustion interne, plusieurs types de moteurs électriques sont A disponibles pour une utilisation sur un véhicule électrique ou hybride, selon le coˆ ut et les performances désirés. Parmi tous les types de moteurs électriques disponibles, deux retiennent particulièrement l’attention, soit :.

(33) ´ ´ ELECTRIQUES ❆❍❆❍ ❇✫✙❊✫✘✓■✒✖✘ ✗✖✘ ❭EHICULES. 15. - le moteur asynchrone (ASM) ; - le moteur synchrone a` aimants permanents (PMSM). Le fonctionnement de ces deux moteurs est essentiellement le même : un champ magnétique est généré par le stator en faisant circuler un courant a` travers le bobinage de celui-ci, et c’est ce champ magnétique qui entraˆıne la rotation du rotor. La différence entre ces deux types de moteurs réside dans ce dernier.. ❋✮✯✰✱✲ ❏✴⑤ ⑥✮②❄✲✱✲✿❂✲ ✲✿✷✱✲ ❀✲ ✽✸✷✲✰✱ ❃✶✾✿❂B✱✸✿✲ ✲✷ ❀✲ ✽✸✷✲✰✱ ✶✾✿❂B✱✸✿✲ ❃❅ ❃✮✽❃✿✷✶ permanents [Rolland, 2011]. Le moteur asynchrone utilise comme rotor une cage d’écureuil, habituellement faite de tiges d’aluminium ou de cuivre. Le champ magnétique créé par le stator induit un courant dans les tiges du rotor. Ce courant générera une force électromécanique perpendiculaire au sens du courant, créant donc un couple qui entraˆınera alors la rotation du rotor. Ce moteur est dit asynchrone car afin de produire un couple, la vitesse de rotation doit glisser par rapport à la fréquence d’excitation. En effet, pour qu’un couple soit produit, il doit exister une différence de vitesse entre le champ magnétique induit par le stator et les tiges du rotor. Parmi ses avantages, on retrouve le fait qu’il est moins cher a` produire et qu’il tolère mieux la chaleur. Cependant, le courant induit dans le rotor causera le réchauffement de celui-ci, ce qui rend son refroidissement quelque peu compliqué. Ce type de moteur est notamment utilisé sur la Tesla Roadster [Wikipedia, 2012c]. Pour ce qui est du moteur synchrone a` aimants permanents, comme son nom le dit, le champ magnétique du rotor est généré par des aimants permanents. Cela permet, dans le cas o` u les aimants utilisés sont de qualité, d’avoir un moteur ayant une meilleure densité de puissance et une meilleure efficacité, ainsi qu’un système de refroidissement plus simple. En effet, les pertes associées au courant induit dans le rotor pour le moteur synchrone sont inexistantes, la seule partie à refroidir étant donc le stator..

(34) ´ DE L’ART ❇❉✓❊✚✒✥✖ ❆❍ ETAT. ●❨. Cependant, le coˆ ut de ces moteurs est généralement plus élevé car les aimants utilisés sont assez dispendieux. De plus, bien qu’il soit plus facile a` refroidir dˆ u à l’absence de pertes dans le rotor, une température trop élevée peut causer la démagnétisation des aimants [Fan, 2010]. Ce type de moteur est néanmoins utilisé sur la presque totalité des véhicules hybrides disponibles sur le marché actuellement. C’est également ce type de moteur qui sera utilisé sur le prototype du Spyder hybride et sur lequel portera ce mémoire. Ces deux types de moteurs utilisent habituellement un courant triphasé afin de créer un champ magnétique tournant grâce au bobinage du stator, séparé en trois phases décalées de 120◦ . Ils doivent donc être alimentés en courant alternatif, et c’est la fréquence de ce courant, appelé vitesse de synchronisme, qui déterminera la vitesse de rotation du moteur. Puisque toute batterie ne peut fournir qu’un courant continu, la conversion se fait par un onduleur électrique. C’est cette composante qui contrôle la vitesse et le couple fourni par le moteur. Sans entrer dans les détails, l’onduleur consiste en un certain nombre de relais, habituellement six, qui modulent le courant continu afin de le convertir en courant alternatif. Un schéma de son fonctionnement est illustré à la figure 2.8. Ce processus générera une quantité importante de chaleur, et vu la sensibilité à la chaleur du matériau semi-conducteur utilisé pour fabriquer les relais, le silicium, le refroidissement de cette composante est également critique.. ❋✮✯✰✱✲ ❏✴⑦ ❖❂7❄✲✽❃ ✺✰ ✇✸✿❂✷✮✸✿✿✲✽✲✿✷ ✺❁✰✿ ✸✿✺✰❀✲✰✱ ✺✲ ❂✸✰✱❃✿✷. 2.3. Syst` emes de refroidissement. Tel que ce fut mentionné dans les sections précédentes, la température d’opération aura un grand impact sur les performances et la durée de vie des composantes électriques, d’o` u l’importance d’assurer un contrôle adéquat de la température. La présente section détaillera les différentes possibilités en ce qui a trait au système de refroidissement. En général, ceux-ci peuvent se séparer en deux grandes catégories, soit à l’air, soit au liquide. Toutefois, le principe de base de tout système de refroidissement est de rejeter la chaleur.

(35) ` DE REFROIDISSEMENT ❆❍⑧❍ ✘✪✘✒EMES. 17. générée par les composantes a` l’air ambiant par convection ; ce ne sont que les chemins pris par la chaleur qui diffèrent d’un système à l’autre.. 2.3.1. Refroidissement ` a l’air. Le refroidissement a` l’air est l’approche la plus simple, mais elle n’offre pas d’aussi bonnes performances qu’un refroidissement au liquide. De plus, pour une même puissance mécanique (ventilateur ou pompe), un refroidissement a` l’air évacuera significativement moins de chaleur qu’un au liquide [Cengel, 2006]. Cependant, la simplicité, le faible coˆ ut et les performances de refroidissement adéquates pour de faibles puissances thermiques ont fait en sorte que ce système puisse être utilisé pour refroidir les différentes composantes des véhicules hybrides et électriques. Dans le cas du refroidissement a` l’air des batteries, comme leur température d’opération est relativement basse et doit être maintenue avec assez de rigueur, c’est bien souvent l’air de la cabine du véhicule qui est utilisée. Cela permet d’avoir une source d’air propre et a` température constante dˆ u a` la climatisation de l’habitacle. En effet, le système d’air climatisé d’un véhicule permet d’abaisser significativement la température de l’air, en plus d’extraire l’humidité présente dans celle-ci. Par exemple, la Toyota Prius (voir figure 2.9) et la Honda Insight utilisent ce concept pour refroidir leurs batteries, celles-ci étant du type NiMH [Kelly et al., 2002]. La Nissan Leaf utilise également un système de refroidissement a` l’air, ce qui a été véhément critiqué. En effet, la durée de vie promise de 10 ans peut être compromise si la batterie atteint des températures trop élevées, ce qui est plus plausible sur un véhicule électrique o` u la batterie est utilisée constamment. Par contre, tel que ce fut mentionné précédemment, le fait d’avoir une batterie d’une grande capacité réduit ses pertes thermiques, d’o` u la possibilité d’utiliser un refroidissement a` l’air. L’air est également la méthode de refroidissement privilégiée pour la plupart des moteurs électriques auxiliaires. Cependant, pour ce qui est des moteurs électriques de propulsion et de leur onduleur, leur densité de puissance nécessite souvent un refroidissement au liquide puisque la quantité de chaleur à évacuer par rapport a` la surface d’échange est trop élevée pour un refroidissement a` l’air. Certains constructeurs refroidissent néanmoins leurs moteurs de propulsion a` l’air, notamment la Tesla Roadster..

(36) ´ DE L’ART ❇❉✓❊✚✒✥✖ ❆❍ ETAT. ●❬. ❋✮✯✰✱✲ ❏✴⑨ ❖✾✶✷❅✲✽✲ ✺✲ ✱✲✇✱✸✮✺✮✶✶✲✽✲✿✷ ✺✲ ❀❃ ◗❃✷✷✲✱✮✲ ✺✲ ❀❃ ✉✸✾✸✷❃ ❑✱✮✰✶. 2.3.2. Refroidissement au liquide. Avec l’augmentation de la densité de puissance des composantes électriques, le refroidissement au liquide est devenu nécessaire. En effet, les récents développements, autant au niveau des batteries que des moteurs électriques et des onduleurs, ont fait en sorte que leur puissance spécifique a significativement augmenté, augmentant du même coup la quantité de chaleur a` extraire pour une même surface d’échange, d’o` u l’intérêt du refroidissement au liquide. La différence principale entre le refroidissement a` l’air et au liquide est qu’un intermédiaire, le liquide de refroidissement, est utilisé pour transporter la chaleur des composantes vers l’environnement. Avec un liquide, il est possible d’avoir des coefficients de convection de plusieurs ordres de grandeur supérieurs a` ceux obtenus avec de l’air, permettant donc d’extraire beaucoup plus de chaleur pour une même surface d’échange. Cette chaleur est habituellement rejetée à l’air ambiant par l’intermédiaire d’un radiateur. La surface augmentée du côté air du radiateur serait impossible à obtenir directement sur la composante a` refroidir, et les coefficients d’échange sont également plus élevés dˆ u aux formes particulières des ailettes. De plus, la masse du liquide rajoute une certaine inertie thermique au système, ce qui permet de mieux amortir les pics soudains de chaleur. C’est ce type de refroidissement qui est souvent utilisé dans le cas des moteurs électriques de propulsion et leurs onduleurs, puisque leur température d’opération est un peu plus haute que la température ambiante, mais plus basse que celle du moteur a` combustion interne. Cependant, dans le cas des batteries, comme leur température d’opération avoisine la température ambiante, un système plus complexe est parfois utilisé afin de contrôler adéquatement leur température. Tout comme pour le refroidissement a` l’air, c’est bien.

(37) ` DE REFROIDISSEMENT ❆❍⑧❍ ✘✪✘✒EMES. 19. souvent le système de climatisation qui est utilisé comme dissipateur thermique. Dans ce cas-ci, plusieurs configurations sont possibles. Une solution populaire est d’utiliser un refroidisseur entre le réfrigérant et le liquide de refroidissement, tel que schématisé a` la figure 2.10. . . .

(38) . .

(39)

(40) .

(41)

(42)

(43)

(44) . ❋✮✯✰✱✲ ❏✴✳⑩ ❖❂2❄✲✽❃ ✺❁✰✿ ✶✾✶✷❅✲✽✲ ✺✲ ✱✲✇✱✸✮✺✮✶✶✲✽✲✿✷ ❀✮✹✰✮✺✲ ✰✷✮❀✮✶❃✿✷ ❀✲ ✶✾✶✷❅✲✽✲ ✺✲ climatisation du véhicule. Cette solution permet de minimiser le nombre d’échangeurs et de pièces, tout en permettant d’avoir un contrôle précis de la température. Cependant, il y a un coˆ ut énergétique assez élevé a` faire fonctionner un système de climatisation, surtout si celui-ci est utilisé uniquement pour refroidir la batterie. Un compromis doit généralement être fait entre le niveau de refroidissement désiré en fonction de la puissance requise pour le refroidissement, et ce afin d’éviter de consommer trop d’énergie ou d’avoir une température trop élevée.. 2.3.3. Mat´ eriaux ` a changement de phase. Un concept intéressant qui fut développé durant les dernières années est d’utiliser le principe d’énergie latente de changement de phase afin d’emmagasiner la chaleur des composantes. Ce principe est identique au cycle de réfrigération discuté précédemment a` l’exception qu’aucun travail n’est effectué : une fois que le matériel a complètement changé de phase, le système a atteint sa limite de refroidissement, contrairement au cycle de réfrigération o` u le compresseur et le condenseur permettent au réfrigérant de redevenir liquide. Pour l’instant, ce concept à principalement été utilisé afin de réguler la température des batteries sur des scooters et des vélos électriques, et n’est peu, voire pas du tout utilisé dans l’industrie automobile..

(45) ´ DE L’ART ❇❉✓❊✚✒✥✖ ❆❍ ETAT. ❆♣. L’idée consiste à assembler la batterie de manière à ce que les cellules soient enrobées d’une matrice conductrice imbibée du matériel à changement de phase. Le matériel en question est habituellement de la paraffine puisque sa plage de température de fusion correspond bien à la température d’opération désirée des cellules Lithium-ion (entre 40 et 50◦ C selon la composition chimique). De plus, cette température peut être modifiée selon l’application désirée en changeant la composition de la paraffine. Sachant, par exemple, que le véhicule sera utilisée principalement dans une région o` u il fait très chaud, le choix pourrait être fait d’utiliser une paraffine ayant un point de fusion plus élevé afin de s’accommoder de cette température plus élevée. L’inverse est également vrai dans le cas o` u il fait plus froid.. ❋✮✯✰✱✲ ❏✴✳✳ ❖✾✶✷❅✲✽✲ ✺✲ ✱✲✇✱✸✮✺✮✶✶✲✽✲✿✷ ✰✷✮❀✮✶❃✿✷ ✰✿ ✽❃✷❄✲✱✮❃✰ ❃❅ ❂B❃✿✯✲✽✲✿✷ ✺✲ ✻B❃✶✲. ´ Evidemment, la chaleur emmagasinée doit être évacuée a` l’environnement. Puisque la capacité de rétention de chaleur du matériel a` changement de phase est plus grande que la quantité de chaleur totale pouvant être dissipée par la batterie, la vitesse a` laquelle la chaleur est évacuée peu être relativement lente, et bien souvent il ne s’agit que d’un refroidissement a` l’air sans ventilateur.. 2.4. Approches de mod´ elisation. La modélisation du système de refroidissement consistera en la partie principale de ce mémoire. Cette modélisation est utile lors des phases préliminaires de conception afin de déterminer quelle méthode de refroidissement choisir ainsi que le dimensionnement du système correspondant. Les deux approches de modélisation habituellement utilisées sont la modélisation 1D transitoire et la modélisation 3D en régime permanent. Chacune de ces approches sera discutée ici..

(46) ´ ❆❍❳❍ ✓❊❊✥✫❇❉✖✘ ✗✖ ✙✫✗ELISATION. 2.4.1. 21. Mod´ elisation ponctuelle. La modélisation ponctuelle consiste a` représenter par équations d’états les différentes composantes du système de refroidissement. Le système d’équations qui en résulte est par la suite résolu afin de déterminer l’évolution dans le temps des différents états modélisés. Par exemple, pour la modélisation thermique d’un solide, la variable d’état est la température et l’équation d’état est trouvée simplement en faisant un bilan d’énergie simplifié sur celui-ci :. mc. dT = Q˙ in − Q˙ out dt. (2.1). Ici m représente la masse, Cp la capacité thermique, Q˙ in l’énergie thermique apportée à la masse et Q˙ out l’énergie thermique rejetée par la masse. Bien entendu, plusieurs hypothèses doivent être faites lors d’une analyse par masse ponctuelle. Les détails des modèles, des équations d’états ainsi que des hypothèses qui doivent être posées seront décrits dans le chapitre 3. ´ Evidemment, plus le nombre de composantes a` modéliser augmente, plus le nombre d’états a` modéliser augmente également, ce qui peut mener à des systèmes d’équations difficilement modélisables. De plus, certains éléments nécessitent plusieurs équations d’états afin d’être correctement modélisées thermodynamiquement, par exemple la température et la pression pour un fluide, ce qui mène a` des systèmes d’équations couplées et « raides », c’est-à-dire des équations dont la résolution nécessite des solveurs complexes. Certains logiciels facilitent la mise en place de tels modèles par une interface graphique intuitive et des solveurs spécialement adaptés à ce type de modélisation. Les deux logiciels présentés ici sont ceux qui ont été utilisés dans le cadre de ce projet de recherche, soit Matlab/Simulink et AMESim. Ces logiciels ont chacun leur propre approche de modélisation, soit le schémabloc dans le cas de Matlab/Simulink et le graphe de liaison dans le cas de AMESim. Sch´ ema-bloc Dans un modèle par schéma-bloc, l’information est transmise de fa¸con unidirectionnelle entre les blocs. Lorsqu’un système produit des contre-efforts, comme c’est le cas pour la quasi totalité de systèmes dynamiques, une rétroaction est donc nécessaire (par exemple : la température doit être connue afin de pouvoir calculer un flux de chaleur tel qu’illustré a` la figure 2.12)..

(47) ´ DE L’ART ❇❉✓❊✚✒✥✖ ❆❍ ETAT. ❆❆. ❋✮✯✰✱✲ ❏✴✳❏ ❶✸✺❄✲❀✮✶❃✷✮✸✿ ✺❁✰✿ ❷✰✼ ✺✲ ❂@❃❀✲✰✱ ❂✸✿❙✲❂✷✮✇ ✻❃✱ ✶❂@❄✲✽❃④◗❀✸❂ ✺❃✿✶ Simulink : un retour de la température est nécessaire pour le calcul du flux. Le phénomène modélisé ici est relativement simple : on peut voir que le schéma-bloc peut rapidement devenir très complexe et lourd si le nombre de phénomènes à modéliser augmente. Ce type de modèle est surtout utilisé pour établir des lois de contrôle et d’automatisation. Cependant, bien qu’il existe de meilleures options pour la simulation 1-D de systèmes thermofluidiques, c’est l’approche par schéma-bloc avec le logiciel Simulink qui a été utilisée dans le cadre de ce projet de recherche, la raison principale étant l’expertise acquise par le CTA dans ce domaine et la disponibilité de logiciels. Graphe de liaison La modélisation par graphe de liaison permet une représentation plus intuitive des phénomènes physiques modélisés. En effet, l’échange d’information dans un graphe de liaison est bidirectionnel entre les blocs et consiste en un flux et un effort, le produit entre les deux étant la puissance échangée entre les blocs. Cette approche permet donc de modéliser des systèmes multiphysiques très facilement, par exemple le refroidissement d’un moteur électrique. Le tableau 2.2 présente les flux et les efforts pour différents domaines physiques. Tableau 2.2 Efforts et flux pour différents domaines physiques des graphes de liaison. Domaine Effort Flux ´ Electrique Tension (V) Courant (A) Mécanique (linéire) Force (N) Vitesse (m/s) Mécanique (rotation) Couple (N.m) Vitesse angulaire (rad/s) Hydraulique Pression (Pa) Débit volumique (m3 /s) Thermique Température (K) Flux thermique (W/K). Le graphe de liaison est un outil très puissant et versatile de simulation, permettant de rapidement représenter et simuler un système multiphysique. Cette approche de modélisation est surtout utile en ingénierie, o` u l’utilisateur se soucie moins des détails mathématiques de la résolution que les phénomènes physiques a modéliser. Pour reprendre l’exemple précédent d’un échange par convection, le même système peut être représenté tel qu’à la figure 2.13..