La récupération de chaleur améliore le chauffage des VE
Dans l’industrie automobile en pleine transformation, la gestion thermique des véhicules électriques (VE) constitue un enjeu majeur pour optimiser leur autonomie et leur confort. En hiver, le chauffage de l’habitacle, essentiel pour le bien-être des passagers, devient l’un des principaux consommateurs d’énergie, souvent au détriment de la distance parcourue. Ce dilemme, connu sous le nom d' »anxiété hivernale de l’autonomie », pèse sur l’adoption généralisée des véhicules 100 % électriques. Face à ce défi, une étude de pointe menée par des chercheurs de l’Université Jiaotong de Pékin propose une solution innovante et prometteuse : exploiter la chaleur résiduelle générée par le système de propulsion électrique pour rehausser l’efficacité du système de gestion thermique.
La recherche, pilotée par He Jiawen, Zhang Xin, Li Xinlin et Feng Shuo du Collège d’ingénierie mécanique, électronique et de commande de l’Université Jiaotong de Pékin, explore en profondeur comment la récupération de la chaleur perdue par le moteur électrique et son contrôleur peut révolutionner les performances des systèmes de chauffage à pompe à chaleur. Dans un véhicule électrique conventionnel, cette énergie thermique, produite en continu pendant le fonctionnement du groupe motopropulseur, est considérée comme un déchet et dissipée dans l’environnement par les systèmes de refroidissement. Le travail de cette équipe démontre que, en intégrant stratégiquement cette chaleur résiduelle dans le système de climatisation, il est possible d’augmenter considérablement la puissance de chauffage de l’habitacle sans compromettre de manière significative l’efficacité énergétique globale du véhicule.
Le cœur de cette étude repose sur un modèle de simulation sophistiqué développé à l’aide du logiciel AMESim, une plateforme de référence pour la modélisation de systèmes d’ingénierie complexes. Ce modèle intègre de manière cohérente le sous-système de climatisation à pompe à chaleur et le sous-système de gestion thermique du moteur électrique. Cette intégration permet aux chercheurs de simuler avec une grande précision le comportement du système sous diverses conditions de conduite, en analysant l’impact de multiples variables telles que la vitesse du véhicule, la température ambiante et les paramètres de contrôle du fluide frigorigène. La validité du modèle a été rigoureusement vérifiée par comparaison avec des données d’essais sur banc, à la fois au niveau des composants et du système complet, avec une marge d’erreur inférieure à 7 %. Cette précision confère une grande fiabilité aux conclusions tirées.
L’un des constats les plus frappants de l’étude est la quantification de la chaleur générée par le moteur et son contrôleur. À une vitesse de croisière de 60 km/h, le moteur électrique produit jusqu’à 1 402 watts de chaleur, tandis que le contrôleur ajoute 427 watts supplémentaires. Ces chiffres mettent en lumière le potentiel énorme de cette source d’énergie secondaire, en particulier lors de la conduite à des vitesses moyennes et élevées, où la génération de chaleur atteint son maximum. Plutôt que d’être un problème de gestion thermique, cette énergie peut devenir un atout précieux pour le confort de l’habitacle.
L’étude se concentre sur deux aspects fondamentaux pour maximiser le bénéfice de cette récupération thermique : la distribution du débit de fluide frigorigène et l’architecture globale du système de gestion thermique. En ce qui concerne la distribution du fluide frigorigène, les chercheurs ont découvert que la proportion de fluide frigorigène dirigée vers l’échangeur de chaleur du moteur par rapport à l’échangeur d’air extérieur a un impact direct et significatif sur les performances du système. En ajustant dynamiquement cette distribution, il est possible d’optimiser la quantité totale de chaleur absorbée par le système.
Dans des conditions de conduite urbaine à basse vitesse, comme 20 km/h, l’analyse montre que la distribution idéale pour maximiser la puissance de chauffage consiste à diriger environ 80 % du débit de fluide frigorigène vers le côté moteur. Dans ce scénario, le système absorbe 58,69 % de chaleur totale en plus, provenant à la fois de l’environnement et du groupe motopropulseur, et la puissance de chauffage de l’habitacle augmente de 71,36 % par rapport à un système sans récupération de chaleur du moteur. Bien que le coefficient de performance (COP) diminue légèrement, le gain en puissance de chauffage est si substantiel qu’il compense largement la petite perte d’efficacité. Ce résultat est crucial pour les environnements métropolitains, où les véhicules passent beaucoup de temps au ralenti ou à basse vitesse.
Le bénéfice devient encore plus marquant à des vitesses plus élevées. À 60 km/h, lorsque tout le fluide frigorigène disponible est destiné à la récupération de la chaleur résiduelle du moteur (une distribution de 100 %), le système absorbe 100,57 % de chaleur totale en plus. Cela se traduit par une augmentation de 100,37 % de la puissance de chauffage de l’habitacle. Bien que le COP diminue de 5,26 %, l’augmentation massive de l’énergie de chauffage fournie aux occupants constitue une avancée transformatrice pour le confort dans les climats froids, où un chauffage rapide de l’habitacle est essentiel.
Ces résultats soulignent la nécessité de stratégies de contrôle adaptatif. Un système de gestion thermique intelligent du futur ne devrait pas avoir une distribution fixe du fluide frigorigène, mais devrait employer des algorithmes capables d’ajuster dynamiquement le débit en temps réel, en fonction de la vitesse, de la température extérieure, de la demande de chauffage et de l’état du groupe motopropulseur. Un tel système pourrait fonctionner de manière optimale sur tout le spectre des conditions d’utilisation, maximisant à la fois le confort et l’efficacité énergétique.
Au-delà de la gestion du fluide frigorigène, l’étude compare deux architectures de système distinctes : une configuration en parallèle et une configuration en série. Dans la configuration en parallèle, le fluide frigorigène se divise en deux flux séparés après la vanne de détente : un flux passe par l’échangeur d’air extérieur pour absorber la chaleur de l’environnement, et l’autre flux circule à travers l’échangeur à plaques pour récupérer la chaleur du moteur et du contrôleur. Dans la configuration en série, le fluide frigorigène passe d’abord par l’échangeur d’air extérieur, puis par l’échangeur du moteur.
Les résultats sont concluants en faveur de l’architecture en parallèle. À 20 km/h, le système en parallèle fournit 23,42 % de puissance de chauffage en plus à l’habitacle par rapport au système en série. À 60 km/h, cet avantage augmente à 27,23 %. La raison réside dans la thermodynamique du processus. Dans la configuration en série, le fluide frigorigène se réchauffe en passant par l’échangeur d’air extérieur. Cette augmentation de température réduit sa capacité à absorber davantage de chaleur du moteur, car l’efficacité du transfert de chaleur dépend directement de la différence de température entre le fluide frigorigène et la source de chaleur. Un fluide frigorigène plus chaud est donc moins efficace.
Le problème s’aggrave à haute vitesse. Lorsque le système récupère de grandes quantités de chaleur du moteur, la température du fluide frigorigène peut dépasser celle de l’air ambiant. Dans ce cas, si le fluide frigorigène passe par l’échangeur d’air extérieur, au lieu d’absorber de la chaleur, il en cède à l’environnement, entraînant une perte d’énergie contre-productive. L’architecture en parallèle évite ce piège en permettant au flux de fluide frigorigène de contourner complètement l’échangeur d’air extérieur lorsque cela est nécessaire. Cela maintient des températures d’aspiration plus élevées au niveau du compresseur, améliorant ainsi ses performances et augmentant la capacité de chauffage totale du système.
Bien que l’architecture en parallèle consomme plus d’énergie au niveau du compresseur en raison de débits massiques de fluide frigorigène plus élevés, l’augmentation de la puissance de chauffage est proportionnellement plus grande. En conséquence, le coefficient de performance (COP) reste compétitif. À 20 km/h, le COP du système en parallèle est de 1,97 contre 2,07 pour le système en série : un compromis modeste pour un gain de 23,42 % en puissance de chauffage. À 60 km/h, la différence de COP est minime (2,29 contre 2,27), mais le système en parallèle fournit toujours près de 27 % de chaleur en plus. Cela indique que, dans les applications du monde réel, en particulier dans les climats froids, la capacité de chauffage améliorée est un attribut plus précieux que de petites améliorations marginales en efficacité énergétique.
Les implications de cette recherche vont bien au-delà de l’intérêt académique. Pour les constructeurs automobiles qui cherchent à respecter des normes d’efficacité énergétique de plus en plus strictes et à satisfaire les attentes des consommateurs en matière de confort toute l’année, l’intégration de systèmes de gestion thermique avancés deviendra un facteur différenciant crucial. La capacité de récupérer et d’utiliser la chaleur résiduelle améliore non seulement les performances de chauffage de l’habitacle, mais contribue également à une autonomie plus longue, un facteur qui reste l’une des principales préoccupations des acheteurs de véhicules électriques.
En outre, l’adoption de ces technologies s’aligne sur des objectifs de durabilité plus larges. En réduisant la nécessité de chauffages électriques auxiliaires, tels que les éléments PTC (coefficient de température positif), qui convertissent l’électricité directement en chaleur avec une efficacité inférieure à un, les véhicules peuvent fonctionner de manière plus efficace et avec une empreinte carbone plus faible. Les pompes à chaleur, surtout lorsqu’elles sont renforcées par la récupération de chaleur résiduelle, offrent un coefficient de performance beaucoup plus élevé, souvent supérieur à trois, ce qui signifie qu’elles fournissent trois unités de chaleur pour chaque unité d’électricité consommée.
L’étude met également en lumière l’importance d’une approche systémique dans la conception des véhicules électriques. Traditionnellement, des composants comme le moteur, l’électronique de puissance et le système de climatisation ont été conçus de manière indépendante. Cette recherche démontre qu’une intégration synergique peut générer des gains de performance substantiels. En considérant le véhicule entier comme un réseau énergétique interconnecté, les ingénieurs peuvent identifier des opportunités de réutiliser des flux d’énergie auparavant considérés comme des déchets.
À l’avenir, la prochaine génération de véhicules électriques pourrait intégrer des stratégies d’intégration thermique encore plus sophistiquées. Par exemple, combiner la récupération de chaleur du moteur avec la gestion thermique de la batterie pourrait permettre le préchauffage simultané de l’habitacle et de la batterie, une fonctionnalité particulièrement utile pour la recharge rapide dans des conditions de froid. De plus, l’utilisation de fluides frigorigènes alternatifs offrant de meilleures performances à basse température, comme le CO₂ (R744), pourrait encore améliorer l’efficacité des systèmes de pompe à chaleur dans des climats extrêmes.
Le travail de He Jiawen et de ses collègues fournit une base solide pour ces progrès. Leur processus rigoureux de modélisation et de validation, qui inclut des comparaisons avec des données d’essais sur banc, garantit que les conclusions ne sont pas seulement théoriquement solides, mais aussi pertinentes dans la pratique. Le fait que les résultats de la simulation correspondent étroitement aux mesures expérimentales (avec des erreurs inférieures à 7 %) ajoute de la crédibilité à leurs recommandations et augmente la probabilité de leur mise en œuvre dans le monde réel.
Alors que l’industrie automobile mondiale accélère sa transition vers l’électrification, les défis liés à l’efficacité énergétique et à la gestion thermique resteront d’une importance capitale. Cette étude offre un exemple clair de la manière dont une ingénierie innovante peut transformer une limitation — la chaleur résiduelle — en une ressource. En repensant la façon dont l’énergie circule à travers un véhicule, les concepteurs peuvent créer des systèmes non seulement plus efficaces, mais aussi plus confortables et durables.
En conclusion, l’intégration de la récupération de la chaleur résiduelle du moteur dans les systèmes de gestion thermique des véhicules électriques représente une étape significative pour surmonter l’une des principales barrières à l’adoption généralisée des véhicules électriques : l’anxiété hivernale de l’autonomie. Grâce à une optimisation minutieuse de la distribution du fluide frigorigène et de l’architecture du système, il est possible d’améliorer considérablement les performances de chauffage de l’habitacle sans sacrifier l’efficacité énergétique. L’architecture en parallèle, en particulier, émerge comme un choix de conception supérieur, offrant une puissance de chauffage plus élevée dans une large gamme de conditions de conduite.
Cette recherche ne fait pas que faire progresser l’état de l’art des systèmes thermiques automobiles ; elle illustre également le type de pensée interdisciplinaire et orientée vers les systèmes nécessaire pour résoudre des problèmes d’ingénierie complexes. Alors que l’électrification des véhicules s’accélère, des études comme celle-ci joueront un rôle crucial dans la conception de la prochaine génération de véhicules électriques à hautes performances et à haute efficacité énergétique.
La récupération de chaleur améliore le chauffage des VE
He Jiawen, Zhang Xin, Li Xinlin, Feng Shuo, Collège d’ingénierie mécanique, électronique et de commande, Université Jiaotong de Pékin
Chinese Journal of Automotive Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.2095‒1469.2024.05.11