Stratégie avancée de pompe à chaleur pour véhicules électriques
L’industrie automobile se trouve à un carrefour critique, où la transition vers la mobilité électrique s’accompagne de défis techniques majeurs, notamment en matière de confort et d’autonomie par temps froid. Alors que les consommateurs des régions nordiques exigent des véhicules capables de fonctionner efficacement même dans des conditions hivernales extrêmes, les constructeurs sont poussés à repousser les limites des systèmes de gestion thermique. Une étude récente publiée dans la revue Chinese Journal of Automotive Engineering marque une avancée significative dans ce domaine. Dirigée par Dong Zheming et une équipe d’ingénieurs du Centre technique du groupe Dongfeng Motor Corporation, cette recherche présente une stratégie de contrôle innovante pour les systèmes de pompe à chaleur, permettant d’améliorer considérablement la performance des véhicules électriques à batterie (VEB) dans des environnements glacials.
Le cœur de l’innovation réside dans une approche hybride qui combine deux sources de chaleur : l’air ambiant et la chaleur résiduelle générée par les composants électriques du véhicule. Les pompes à chaleur, bien que largement adoptées pour leur efficacité énergétique supérieure aux résistances PTC (Coefficient de Température Positif), souffrent traditionnellement d’une baisse de performance en dessous de -10 °C. À ces températures, le coefficient de performance (COP) chute en raison d’un échange de chaleur inefficace entre l’air extérieur et le fluide frigorigène, et d’un effort accru du compresseur. Dans les climats les plus rigoureux, certains systèmes deviennent même inopérants, forçant le recours à des chauffages d’appoint PTC, qui consomment directement de l’énergie de la batterie et réduisent drastiquement l’autonomie.
Dong Zheming et son équipe ont résolu ce problème en redéfinissant l’architecture thermique du véhicule. Au lieu de dépendre uniquement de l’air extérieur, leur système exploite la chaleur résiduelle des composants à haute tension : la batterie, le moteur électrique et son contrôleur. Ces éléments, en particulier lors de phases de conduite prolongée, dégagent une quantité substantielle de chaleur qui est normalement dissipée. En la captant et en la réinjectant dans le système de chauffage, les chercheurs ont créé une source de chaleur secondaire, stable et indépendante des conditions météorologiques. Cette source, qualifiée de « pompe à chaleur à récupération de chaleur résiduelle », fonctionne en complément de la pompe à chaleur à air classique.
Le véritable génie de cette solution réside dans la stratégie de contrôle intelligente qui orchestre le basculement entre ces deux modes. Le système évalue en temps réel une multitude de paramètres — température ambiante, vitesse du véhicule, état de charge de la batterie, demande de chauffage de l’habitacle — pour déterminer la combinaison optimale de sources de chaleur. Cette logique dynamique permet non seulement de maximiser l’efficacité énergétique, mais aussi de garantir un confort thermique constant pour les occupants.
Un des résultats les plus impressionnants de cette étude est l’extension de la plage de fonctionnement de la pompe à chaleur. Traditionnellement limitée à environ -15 °C, la solution développée par l’équipe de Dong Zheming a permis de faire fonctionner le système de manière efficace jusqu’à -20 °C. Cette extension de cinq degrés Celsius, bien que modeste en apparence, a des conséquences pratiques majeures. Elle permet aux véhicules de maintenir une autonomie acceptable dans des régions comme le nord-est de la Chine, où les températures hivernales peuvent rester longtemps en dessous de ce seuil. Ce progrès représente une percée dans la faisabilité des véhicules électriques dans les zones au climat continental rigoureux.
Le fonctionnement du mode de récupération de chaleur est particulièrement ingénieux. Lors d’un démarrage à froid, le système peut initialement utiliser une courte impulsion d’un chauffage PTC pour élever la température du liquide de refroidissement à un niveau où la pompe à chaleur peut fonctionner efficacement. Dès que le moteur et la batterie commencent à générer de la chaleur résiduelle, le système bascule vers le mode de récupération. Dans ce mode, le liquide de refroidissement préchauffé provenant des circuits de refroidissement du moteur et de la batterie est utilisé comme source de chaleur primaire pour la pompe à chaleur. Cela réduit considérablement la dépendance au serpentin extérieur, qui est le point faible des systèmes classiques en conditions froides et humides.
L’un des principaux avantages de cette approche est la réduction significative des problèmes de givrage. Lorsque l’air froid et humide entre en contact avec le serpentin extérieur, de la glace peut se former, isolant le serpentin et empêchant l’absorption de chaleur. Pour y remédier, les systèmes traditionnels doivent effectuer des cycles de dégivrage périodiques, qui inversent temporairement le cycle de la pompe à chaleur, transformant le serpentin extérieur en condenseur pour faire fondre la glace. Ce processus consomme de l’énergie, interrompt le chauffage de l’habitacle, provoque des fluctuations de température et augmente la consommation globale. En minimisant l’utilisation du serpentin extérieur, la stratégie de Dong Zheming réduit intrinsèquement la fréquence et la durée des cycles de dégivrage, ce qui se traduit par une régulation thermique plus fluide et une efficacité énergétique accrue.
La réussite de cette innovation est le fruit d’un processus de développement rigoureux et multidisciplinaire. L’équipe de Dongfeng a mis en œuvre une méthodologie en plusieurs étapes, combinant des simulations, des tests sur banc et des validations sur véhicule réel. Les simulations unidimensionnelles ont été utilisées en amont pour modéliser le comportement du système sous différentes conditions, permettant de prédire que, à -7 °C lors d’un cycle CLTC (China Light-duty Vehicle Test Cycle), le mode de récupération de chaleur pure pouvait atteindre un COP de 2,95. Ce chiffre est bien supérieur au COP de 2,00 obtenu en mode pompe à chaleur à air seul. Ces prédictions ont directement guidé la conception de la stratégie de contrôle, en priorisant l’utilisation de la chaleur résiduelle dès qu’elle est disponible.
Les tests sur banc ont ensuite permis de valider les performances des composants clés — compresseur, condenseur, évaporateur — et de s’assurer que le logiciel de contrôle pouvait gérer avec précision les vannes, les pompes et le compresseur pour maintenir des températures stables. Cette phase a été cruciale pour confirmer que les choix d’ingénierie initiaux étaient solides.
La phase la plus décisive a été la validation sur véhicule réel, à travers plusieurs itérations de prototypes. Les premiers prototypes ont été utilisés pour la calibrage dans des chambres climatiques, où les ingénieurs ont affiné les paramètres de contrôle PID pour des tâches critiques comme le maintien de la pression côté haute pression. Les prototypes ultérieurs ont été soumis à des tests en conditions réelles, y compris sur des terrains accidentés comme la boue, le sable ou les rochers, afin d’évaluer la robustesse du système dans des scénarios imprévisibles.
Les résultats de ces tests ont été révélateurs. Lors d’un test CLTC à -7 °C, un véhicule utilisant uniquement la pompe à chaleur à air a montré une baisse notable de performance à haute vitesse, en raison de la formation de givre sur le serpentin extérieur. Sans une grille de calandre active (AGS) pour réguler le flux d’air, le système a eu du mal à maintenir une production de chaleur constante, entraînant des cycles de dégivrage longs et un confort réduit. En revanche, avec la stratégie de contrôle optimisée, qui privilégie la récupération de chaleur, le véhicule a maintenu une température intérieure stable avec une dépendance minimale au chauffage PTC, ce qui s’est traduit par une réduction mesurable de la consommation d’énergie.
Au fil des itérations, le système a subi un raffinement constant. Les données ont montré une diminution progressive de la puissance moyenne du compresseur lors du cycle CLTC à -7 °C, passant de plus de 1,4 kW dans les versions initiales à seulement 0,9 kW dans la configuration finale calibrée. Cette réduction de 35,7 % de la consommation du compresseur illustre l’impact cumulé de l’optimisation, de la sélection des composants au réglage du logiciel.
Le critère ultime de succès a été la préservation de l’autonomie. La configuration finale a atteint un taux d’atténuation de l’autonomie de 31,2 % dans des conditions CLTC à -7 °C. Bien que tous les VEB subissent une perte d’autonomie par temps froid — en raison d’une résistance au roulement accrue, d’une régénération réduite et de la charge des systèmes auxiliaires — un taux de 31,2 % place ce modèle parmi les meilleurs de sa catégorie. Pour comparaison, de nombreux véhicules électriques grand public voient leur autonomie chuter de plus de 40 % dans des conditions similaires, ce qui rend ce résultat particulièrement remarquable.
Cette recherche a des implications bien au-delà de ce modèle spécifique. Elle démontre que les stratégies de contrôle intelligentes peuvent libérer un potentiel caché dans les composants existants du véhicule, transformant la chaleur résiduelle, souvent considérée comme un déchet, en une ressource précieuse. Elle souligne également l’importance d’une conception holistique du système, où le chauffage de l’habitacle, la gestion thermique de la batterie et le refroidissement du moteur ne sont pas des fonctions isolées, mais des éléments d’un écosystème thermique intégré. Cette approche permet une distribution d’énergie optimisée, par exemple en utilisant la chaleur excédentaire de la batterie pour chauffer l’habitacle au démarrage à froid, ou en dirigeant la chaleur du moteur pour maintenir la batterie à une température idéale pendant une charge rapide.
Les conclusions de cette étude sont pertinentes pour les marchés mondiaux. Alors que l’adoption des véhicules électriques s’accélère dans des régions au climat froid comme l’Europe du Nord, le Canada ou le nord des États-Unis, des solutions qui améliorent l’utilisabilité en hiver seront essentielles pour l’acceptation généralisée. Bien que certains véhicules haut de gamme soient déjà équipés de pompes à chaleur avancées, ce travail montre que des gains similaires peuvent être obtenus par une ingénierie soigneuse et une optimisation logicielle, ouvrant la voie à une diffusion plus large de ces technologies.
En conclusion, le travail de Dong Zheming, Qiang Jianwei, Shi Rui, Wang Xiaobi, Wang Weimin, Fu Jing, Tang Yu, Fu Xiaojia et He Qifu représente une avancée majeure dans la gestion thermique des véhicules électriques. En étendant la limite de fonctionnement des pompes à chaleur à -20 °C et en atteignant un taux de préservation de l’autonomie de 31,2 % à -7 °C, ils ont relevé deux des défis les plus pressants pour les propriétaires de VEB. L’intégration de la récupération de chaleur avec une logique de contrôle intelligente améliore non seulement l’efficacité énergétique, mais aussi le confort et la fiabilité. Alors que l’industrie automobile poursuit sa transition vers l’électrification, des recherches de ce calibre joueront un rôle fondamental dans la conception de la prochaine génération de véhicules électriques performants, durables et capables de braver les hivers les plus rudes.
Dong Zheming, Qiang Jianwei, Shi Rui, Wang Xiaobi, Wang Weimin, Fu Jing, Tang Yu, Fu Xiaojia, He Qifu, Technology Center of Dongfeng Motor Group Corporation, Chinese Journal of Automotive Engineering, DOI: 10.3969/j.issn.2095‒1469.2024.01.08