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  • Modlisation dune climatisation automobile multi-

    vaporateurs

    Thomas GILLET123*, Romuald RULLIERE1, Philippe HABERSCHILL1, Vincent

    LEMORT2, Emmanuelle ANDRES3, Amin EL-BAKKALI3, Grard OLIVIER3

    1 CETHIL UMR5008, Universit de Lyon, CNRS, INSA-Lyon, Univ. Lyon 1,

    F-69621, Villeurbanne, France 2 Laboratoire de Thermodynamique et Energtique de lUniversit de Lige

    17, alle de la Dcouverte, 4000 Lige, Belgique 3 Renault SAS

    1, avenue du Golf, 78288 Guyancourt, France *(auteur correspondant : thomas.gillet@doct.ulg.ac.be)

    Rsum - La modlisation dune climatisation automobile multi-vaporateurs, composes de deux

    vaporateurs et dun refroidisseur de fluide secondaire, a t ralise laide du logiciel LMS Imagine.Lab

    Amesim 1D. Dans le but dtudier le comportement de la boucle, des perturbations sous la forme

    dchelon ont t simules sur un point de fonctionnement moyenne et haute charge. Limpact de ces

    perturbations sur la stabilit de la temprature dair souffl est analys pour deux types de dtendeur. Les

    premiers rsultats montrent que les dtendeurs thermostatiques peuvent engendrer des instabilits.

    1. Bibliographie, contexte et enjeux

    Sur la dernire dcennie, llectrification des vhicules sest intensifie pour rpondre aux

    exigences de rduction de la consommation de carburant et de rduction des missions de gaz

    effet de serre. Avec lavnement des vhicules plug-in hybrides (PHEV) et larrive des

    vhicules lectriques (EV) trs grande autonomie, le refroidissement des batteries de traction au

    cours du roulage devient une ncessit pour garantir leur durabilit et leur aptitude la charge ultra

    rapide. Le refroidissement eau des batteries seffectuent via un chiller , vaporateur de type

    changeur eau glycole / fluide frigorigne, situ sur la boucle de climatisation.

    Des boucles de climatisation un vaporateur et un chiller sont dj prsentes sur des vhicules

    en srie tels que la Tesla Model S ou encore, plus rcemment, la Volkswagen Golf GTE. Elles

    posent la question du choix astucieux des dtendeurs pour obtenir un bon quilibrage de la boucle

    avec des puissances en prsence qui peuvent tre trs diffrentes entre les deux vaporateurs. Alors

    que le premier modle est un vhicule lectrique de grande autonomie, le second est un plug-in

    hybride dont la batterie a une capacit bien infrieure. Les besoins en refroidissement ne sont donc

    pas identiques et expliquent la prsence dun chiller de plus grande capacit dans le premier cas.

    Par ailleurs, alors que le chiller saccompagne dun dtendeur thermostatique (TXV) pour ce

    vhicule purement lectrique, un orifice calibr assure la dtente dans le second. Aucune stratgie

    connue par les auteurs nest prsente dans la littrature concernant le choix de lorgane de dtente.

    Limpact du refroidissement de la batterie au moyen dun chiller sur la boucle de climatisation

    automobile a t dmontr par simulation dans lenvironnement Dymola [1]. Les rsultats de la

    simulation pour diffrents cycles de roulage, climats ou fluides frigorignes soulignent linconfort

    ressenti dans lhabitacle et engendr par lutilisation de la boucle chiller . Cependant, aucune

    stratgie globale de rgulation na t tablie notre connaissance.

  • Sur des vhicules avec un volume dhabitacle important (transport de personnes) ou haut de

    gamme avec un ou plusieurs rangs de passagers, la prsence de deux vaporateurs savre

    ncessaire pour assurer le confort thermique jusquaux places situes larrire. Lhybridation de

    ce type de vhicule est galement dactualit. Rcemment, une premire tude de modlisation

    dun systme de climatisation trois vaporateurs a t ralise [2]. Aprs avoir valid leurs

    modles de composants, un test de dchambrage durant les premiers instants de mise en route de

    la climatisation a t ralis afin de tester les performances de leur systme dair conditionn. Dun

    point de vue contrle, une simple rgulation de type PI sur la temprature de lair souffl

    lvaporateur de rang 1 a t utilise pour rguler la vitesse du compresseur.

    Par ailleurs, un futur cycle dhomologation ddi la climatisation sera bientt mis en place

    alors que la rglementation en termes dmissions de CO2 et de polluants devient de plus en plus

    contraignante. Ces nouvelles contraintes poussent donc davantage les constructeurs innover afin

    de rendre le systme de climatisation le plus performant possible. De nouvelles technologies telles

    que des vannes et des dtendeurs lectroniques (EXV) permettent dadopter ou denvisager de

    nouvelles stratgies de contrle. Des rcentes tudes dmontrent les avantages de rgulations

    robustes sur les performances et la stabilit de la boucle. Une optimisation de la stratgie de

    rgulation a t tudie pour diffrents points de fonctionnement [3] et montre la difficult dun

    contrle d la non-linarit du systme. Dans le secteur du btiment [4], les avantages de

    lutilisation dun contrleur superviseur pour la rgulation de la climatisation multi-vaporateurs

    ont dj t avancs. Bien que ce type de modle dcentralis semble robuste et applicable

    lautomobile, il ncessite lutilisation de capteurs et de composants actuellement trop coteux et

    limits un environnement moins contraignant que dans le domaine automobile.

    Un modle dune climatisation multi-vaporateurs compose de deux vaporateurs et dun

    chiller a donc t ralis afin dvaluer limpact de diffrentes perturbations telles que louverture

    dune vanne ou le changement de la consigne de temprature. Lavantage dun dtendeur

    lectronique par rapport un dtendeur thermostatique sera tudi.

    2. Concept choisi pour ltude

    Ltude a pour but de modliser le systme de refroidissement et de climatisation dun vhicule

    plug-in hybride. La dmarche a t de partir dun vhicule existant possdant dj deux

    vaporateurs afin de servir de base pour la ralisation de ltude. Les diffrents changeurs (le

    condenseur et les deux vaporateurs) sont donc dj connus et modliss. Il a ensuite t question

    dlectrifier la boucle de climatisation en lquipant dun compresseur lectrique dimensionn

    pour tre capacitaire de lensemble des puissances de refroidissement. Un chiller est galement

    utilis afin de soutirer la puissance thermique dissipe par la batterie de traction. Il a t modlis

    en fonction des donnes dun autre projet et sera donc dimensionn lavenir. Enfin, une pompe

    assure un dbit deau glycole travers le chiller.

    Le schma de principe de la boucle de climatisation multi-vaporateurs est reprsent sur la

    Figure 1. Les caractristiques des composants de la boucle sont indiques dans le Tableau 1.

    Comme certains composants nont pas encore t caractriss avec le nouveau fluide frigorigne

    en vigueur, le R1234yf, la boucle de climatisation a t modlise dans cette premire phase avec

    le fluide R134a.

  • Figure 1 - Schma de principe de la boucle de

    climatisation multi-vaporateurs

    3. Modlisation numrique

    Ltude est ralise laide du logiciel LMS Imagine.Lab Amesim 1D qui repose sur le

    formalisme du bond-graph [5]. Selon ce principe de causalit, deux composants physiques

    changent de lnergie sous la forme dun flux et dun effort dont le produit reprsente la puissance

    change. Ce principe peut sappliquer lensemble des composants et leur reprsentation permet

    une construction simple, intuitive et efficace dun modle contrairement la reprsentation sous

    forme de blocs signal.

    Le modle complet dune climatisation automobile multi-vaporateurs est prsent sur la Figure

    2 pour une configuration utilisant 3 TXV. Le dbit dair au condenseur peut tre rgul en fonction

    de la vitesse du vhicule et du pulseur. Le compresseur est aliment par une tension nominale et

    rgul par une optimisation de la temprature dair souffl aux vaporateurs de rang 1 et 2 dans le

    cas prsent. Sur la Figure 2, les trois boucles dvaporateurs sont encadres afin de mieux les

    distinguer. Des dtendeurs thermostatiques rgulent le dbit des vaporateurs. La boucle de

    refroidissement compose notamment dune pompe dissipe la puissance thermique injecte leau

    glycole via le chiller.

    Figure 2 - Modlisation dune boucle de climatisation automobile multi-vaporateurs

    Capacit

    nominale

    Cylindre compresseur (cc) 34

    Puissance condenseur (kW) 18

    Puissance vaporateur 1 (kW) 7

    Puissance vaporateur 2 (kW) 3

    Puissance Chiller (kW) 5

    Capacit TXV 1 (ton) 2

    Capacit TXV 2 (ton) 1

    Capacit TXV 3 (ton) 1

    Tableau 1 - Caractristiques des

    composants de la boucle de climatisation

  • 3.1. Modle dchangeurs

    La modlisation des changeurs de chaleur est capable de reprsenter les phnomnes

    transitoires [6]. Ils sont modliss en considrant des tubes gnriques qui sont dfinis par leur

    longueur, diamtre hydraulique et section tant du ct fluide frigorigne que du ct air.

    Lefficacit des ailettes est dfinie par leurs gomtries ainsi que le ratio entre la surface des ailettes

    et la surface totale. Le modle utilise la mthode des volumes finis o la conduite est sous-divise

    en lments de fluide capacitifs pour lesquels les proprits thermodynamiques sont supposes

    uniformes. Ces lments sont relis les uns aux autres par des lments rsistifs virtuels. Les

    lments capacitifs permettent de calculer les changes avec lair au travers de la paroi alors que

    les pertes de charge et la densit du fluide frigorigne sont calcules par les lments rsistifs.

    3.2. Modle de com