Gestion thermique d'une voiture électrique et de sa batterie

VOITURE éLECTRIQUE  

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REFROIDISSEMENT  

Si il est coutume de dire qu'une voiture électrique n'a pas besoin de calandre ouverte en raison de l'absence de moteur thermique à refroidir, dans la réalité c'est un peu une fausse idée. En effet, et même si il ne faut pas refroidir un moteur à combustion interne (qui nécessite beaucoup d'apport en air frais côté échangeurs/radiateurs), les besoins en air sont toutefois assez conséquents et il est donc nécessaire. On aura même ici et parfois plusieurs circuits de refroidissement, car il y a finalement beaucoup de chose qu'il faut maitriser d'un point de vue thermique. Et vous allez voir qu'au delà de refroidir, le circuit peut aussi chauffer ...

A lire aussi :

• Fonctionnement du préconditionnement d'une voiture électrique
• Pourquoi la batterie doit être préconditionnée ?

Qu'y a-t-il à refroidir dans une voiture électrique ?

Une voiture électrique contient beaucoup d'éléments qu'il faut refroidir, et on pourra citer les suivants :

• Onduleurs / redresseurs divers et variés qui convertissent l'électricité en courants AC/DC ou encore abaissent et montent le voltage. Les pertes électriques se traduisent par de la chaleur (effet Joule). Plus généralement l'électronique de puissance (calculateur et convertisseurs qui chauffent beaucoup. Certains ont toutefois un refroidissement par air avec un petit ventilateur intégré, comme c'est le cas avec les ordinateurs).
• Moteur(s) électrique(s) qui bien évidemment chauffent, toujours cet effet Joule qui induit de la chaleur avec l'accumulation d'électrons qui "frottent" les uns contre les autres (donnant lieu une résistance accrue sur le faisceau concerné)
• Batterie de traction qui chauffe en cas de sollicitation, et qu'il faut aussi refroidir vigoureusement (avec notamment une pompe à chaleur) pour ne pas l'endommager (trop de chaleur abime définitivement la chimie interne)

Circuit de refroidissement

Il existe tout un tas de manières de concevoir un circuit de refroidissement de voiture électrique, et nous allons ici nous baser sur une architecture assez courante et avancée qui comprend un système actif de refroidissement de la batterie, qui permet donc aussi le préconditionnement (chauffage de la batterie).

Circuit de refroidissement


D'autres architectures existent mais cette dernière s'avère être une bonne réprésentante de ce qui se fait couramment


Ici une Model 3 pour que vous voyiez un cas réel en terme de disposition des organes (A2MAC1)

On a donc deux circuits d'eau qui sont bien séparés l'un de l'autre. Il faut en effet ne pas gérer sur un même circuit les éléments qu'il faudra systématiquement refroidir (moteur, onduleurs, chargeur ..) de ceux qu'il faudra parfois chauffer ou refroidir selon le contexte (et qu'il faut donc gérer de manière séparée), à savoir la batterie de traction (il faut la réchauffer à froid et la refroidir à chaud).

On a donc deux circuits d'eau distincts auquel s'ajoute un circuit de climatisation doté d'un fluide frigorigène qui est compressé (production de chaud) et détendu (production de froid), qui permettra donc à la fois d'aider à refroidir ou à réchauffer. Notez que ce dispositif sert aussi bien évidemment aussi pour l'habitacle, et la pompe à  chaleur permet alors à la fois de gérer la température de la batterie mais aussi celle des passagers. Elle pourra donc faiblir quand la batterie aura besoin d'un refroidissement actif vigoureux, et en plein été elle aura beaucoup de travail à accomplir.

Circuit de refroidissement 1 : moteur et convertisseurs

Voyons en premier le circuit périphérique, à savoir le plus grand qui entoure le schéma.
Ce dernier est très classique car il ne vise qu'à faire circuler de l'eau en la faisant passer par un radiateur frontal qui va servir de refroidisseur (échangeur air/eau).. Cela s'apparente donc à un banal circuit de refroidissement que l'on retrouve sur une voiture thermique. Le ventilateur se déclenche quand le calculateur détecte via une sonde de température que l'eau est trop chaude.

Circuit de refroidissement (+préconditionnement) 2 : batterie

Ce deuxième circuit est bien plus sophistiqué et il se distingue donc bien d'une voiture thermique. En effet, si cela reste un banal circuit de refroidissement d'eau quand la vanne 2 (parmi les deux petites numérotées en gris sur le schéma) à trois voies s'ouvre vers le radiateur (vers le haut), il reste deux chemins possibles qui vont permettre de refroidir plus activement l'eau ou encore la réchauffer.
Le but ici est donc de gérer thermiquement la batterie, qui peut être trop froide ou trop chaude, il faut donc deux dispositifs qui permettent de réchauffer ou refroidir l'eau.
Le refroidissement peut se faire de deux manières, à savoir très classiquement en utilisant le radiateur frontal (température de batterie modérée), ou plus intensément en utilisant le froid de la climatisation (pour cela il faut que la vanne 2 envoie vers la gauche et la vanne 1 vers le haut) grâce à un échangeur qui transmet le frais de la pompe à chaleur (après détendeur) au circuit d'eau.

Le préconditionnement consiste à l'inverse à chauffer l'eau afin qu'elle réchauffe à son tour la batterie de traction. Il faut pour cela que la vanne 2 s'ouvre vers la gauche et la 1 vers la gauche elle aussi, ce qui fera passer la boucle au niveau d'une résistance thermique qui va réchauffer l'eau. Sur d'autres circuit ça peut être le circuit de la pompe à chaleur qui peut servir à la place de la résistance, mais cette fois côté compresseur (en aval) afin de récolter la chaleur.

A lire : pourquoi la batterie charge lentement quand elle est froide ?

Circuit de climatisation 3

Ce circuit est bien à mettre à part, car il ne contient pas d'eau. Il intègre en effet un fluide frigorigène qui sera malmené, à savoir compressé et détendu afin d'obtenir respectivement du chaud ou du froid.
Il sert donc à la fois à climatiser et chauffer l'habitacle mais aussi gérer thermiquement le circuit d'eau de la batterie, comme je l'ai déjà dit précédemment.

D'autres schémas ?

Voici d'autres schémas avec notamment celui d'une voiture hybride (très proche, voire similaire).

Model 3


HYBRIDE

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