Une percée pour les compresseurs des véhicules électriques
L’essor des véhicules électriques (VE) a transformé la gestion thermique de l’habitacle d’un simple confort en un enjeu stratégique de première importance. Contrairement aux véhicules à moteur thermique qui peuvent s’appuyer sur la chaleur résiduelle de leur bloc moteur, les VE doivent produire toute leur chaleur de chauffage à partir de l’énergie stockée dans leur batterie. Ce processus, assuré par une pompe à chaleur, représente une charge significative sur l’autonomie, surtout dans les conditions hivernales extrêmes où la demande de chauffage peut réduire la distance parcourable de manière substantielle. Pour surmonter ce défi, l’industrie a adopté la technologie dite de « compresseur à injection de vapeur » (ou « vapor injection »). Cette solution sophistiquée permet d’injecter du réfrigérant à une pression et une température intermédiaires directement dans la chambre de compression, augmentant ainsi le débit massique de fluide frigorigène et, par conséquent, la puissance calorifique de la pompe à chaleur, tout en contribuant à réduire la température de sortie du compresseur, un paramètre critique pour sa durabilité.
Cependant, le développement et l’optimisation de ces compresseurs scroll (en spirale) restent un défi d’ingénierie majeur. Pendant des années, les ingénieurs ont dû s’appuyer sur des modèles de simulation thermodynamique simplifiés, notamment le modèle isentropique, qui suppose un processus de compression idéal, sans frottement, sans échange de chaleur avec l’extérieur et sans fuite. Bien que ces modèles soient rapides à calculer, ils s’écartent considérablement de la réalité opérationnelle. Ils ignorent deux phénomènes physiques inévitables : les fuites internes entre les spires du compresseur et les échanges thermiques entre le réfrigérant et les parois métalliques. Cette simplification conduit à des prédictions erronées, souvent trop optimistes, sur la puissance de chauffage et le coefficient de performance (COP), tout en sous-estimant dangereusement la température de refoulement. Ces écarts entre la théorie et la pratique entraînent des cycles de développement coûteux et des prototypes qui ne répondent pas aux attentes.
Dans une étude révolutionnaire publiée dans la revue scientifique Fluid Machinery, une équipe de recherche de l’Université des sciences et technologies de Shanghai, en collaboration avec des experts de l’Institut de recherche et de conception de Shanghai et de l’Institut de recherche sur l’incendie de Shanghai, a franchi une étape décisive. Sous la direction de Hu Jiayun, Miao Yanming, Tan Mingfei, Zhang Bin, Li Chao, He Qize, Wang Jiayun et Li Kang, les chercheurs ont mis au point un nouveau modèle de simulation unidimensionnel qui intègre pour la première fois de manière exhaustive et réaliste les effets des fuites internes et des transferts de chaleur. Ce modèle, validé par des essais expérimentaux rigoureux, promet de révolutionner la manière dont les ingénieurs conçoivent et optimisent les systèmes de climatisation des véhicules électriques.
Le cœur de l’innovation réside dans l’approche fondamentalement différente du cycle de compression. Plutôt que de le traiter comme un processus idéal, le modèle le décompose en une série d’incrémentations angulaires très fines, suivant la rotation de l’arbre principal du compresseur. Pour chaque incrément, le logiciel effectue un bilan de masse et un bilan d’énergie précis sur chaque chambre de travail. Le bilan de masse est particulièrement raffiné : il ne se contente pas de comptabiliser le réfrigérant entrant par l’aspiration et celui injecté par la ligne de « vapor injection », il calcule également la masse perdue à cause des fuites internes à travers les micro-fentes inévitables entre la spirale fixe et la spirale orbitante. Le calcul de ces fuites est basé sur des principes d’écoulement à travers un orifice, capable de distinguer entre un écoulement bloqué (sonique) et un écoulement subcritique, en fonction du rapport de pression entre les chambres adjacentes. Cette capacité à modéliser dynamiquement les fuites, qui varient en fonction de la vitesse du compresseur, de la pression et de la position angulaire, est un progrès majeur par rapport aux modèles précédents qui les ignoraient ou les estimaient de manière statique.
Parallèlement, le modèle intègre un traitement sophistiqué du transfert de chaleur, un autre facteur clé négligé par les approches traditionnelles. Pendant la compression, le gaz réfrigérant s’échauffe considérablement. Une partie de cette chaleur est transférée aux parois métalliques du compresseur, qui sont plus froides. Ce processus de refroidissement du gaz en cours de compression modifie sa trajectoire thermodynamique et a un impact direct sur la température finale de refoulement. Le modèle utilise un coefficient de transfert de chaleur convectif, dérivé de corrélations empiriques établies pour les échangeurs de chaleur, pour quantifier précisément ce transfert d’énergie. Cette perte de chaleur est ensuite intégrée au bilan énergétique de chaque incrément, influençant directement la température et l’enthalpie du gaz. En combinant ainsi la conservation de la masse et de l’énergie de manière dynamique et continue, le modèle simule le processus de compression avec un degré de fidélité jamais atteint auparavant.
Pour valider la précision et la robustesse de leur modèle théorique, les chercheurs ont mené une campagne expérimentale d’une grande rigueur. Ils ont construit un banc d’essai hautement spécialisé basé sur la méthode du calorimètre à réfrigérant secondaire, considérée comme la référence absolue pour la mesure des performances des compresseurs. L’objet de l’étude était un compresseur scroll à profil court, spécifiquement conçu pour les applications automobiles, avec une cylindrée de 38 cm³ par tour. Ce compresseur était équipé de deux paires d’orifices d’injection circulaires, positionnés symétriquement sur la plaque de couverture de la spirale fixe, avec un déphasage de 180 degrés.
Les essais ont été réalisés dans des conditions de chauffage nominal en hiver, conformément à la norme GB/T 22068—2018, simulant un scénario de grand froid avec une température d’évaporation de -15 °C et une température de condensation de 35 °C. Ces conditions représentent un défi extrême pour toute pompe à chaleur. Les mesures ont été effectuées à deux vitesses du compresseur : 5 000 et 6 000 tr/min, et pour cinq pressions d’injection différentes, y compris une condition sans injection. Le réfrigérant utilisé était le R134a, courant dans l’industrie automobile, lubrifié avec de l’huile FVC68D.
Les résultats de la simulation ont été comparés point par point avec les données expérimentales recueillies sur le banc d’essai. La concordance était impressionnante. Pour tous les paramètres clés — débit massique total de réfrigérant, puissance absorbée par le compresseur, coefficient de performance de chauffage (COP), puissance calorifique et température de refoulement — l’erreur maximale entre le modèle proposé et les données expérimentales est restée inférieure à 8 %. À 5 000 tr/min, l’erreur sur la puissance calorifique était de seulement 4,3 % et sur la température de refoulement, un remarquable 2,1 %. Même à la vitesse plus élevée de 6 000 tr/min, où les effets dynamiques sont plus prononcés, les erreurs n’ont pas dépassé 6,1 % pour la puissance calorifique et 2,8 % pour la température de refoulement.
Cette précision exceptionnelle contraste fortement avec les performances du modèle isentropique traditionnel. Lorsque les mêmes conditions d’essai ont été simulées avec le modèle isentropique, les erreurs ont atteint jusqu’à 20 %. Ce modèle, en ignorant les fuites et le transfert de chaleur, prédit un débit massique de réfrigérant excessivement élevé. Cela conduit à une surestimation de la puissance calorifique et du COP, et à une sous-estimation dangereuse de la température de refoulement. Cette divergence n’est pas anodine ; elle peut conduire à de graves erreurs d’ingénierie, comme le dimensionnement insuffisant du système de refroidissement du compresseur, avec un risque élevé de surchauffe et de panne prématurée en conditions réelles d’utilisation.
L’étude a également révélé des insights opérationnels d’une grande valeur. L’un des plus fascinants est l’observation que l’augmentation de la pression d’injection ne réduit pas toujours la température de refoulement. Dans certains cas, lorsque la pression (et donc la température) du réfrigérant injecté est supérieure à la température du gaz partiellement comprimé dans la chambre au moment de l’injection, le réfrigérant injecté ne refroidit pas le gaz, mais le réchauffe. Ce phénomène de « rechauffage » explique pourquoi la température de refoulement peut augmenter à nouveau à des pressions d’injection très élevées. Cette découverte est cruciale pour le développement d’algorithmes de contrôle intelligents qui doivent ajuster dynamiquement la pression d’injection pour maintenir un équilibre optimal entre puissance calorifique maximale et température de refoulement minimale.
Le modèle a également démontré sa capacité à capturer l’influence de la vitesse du compresseur. À des vitesses plus élevées, le temps de séjour du gaz dans chaque chambre diminue, réduisant ainsi la durée disponible pour l’échange de chaleur avec les parois. Cela rend le processus plus adiabatique, ce qui a tendance à augmenter la température de refoulement. Cependant, des vitesses plus élevées génèrent également des gradients de pression plus importants, ce qui augmente les taux de fuite. Ce dernier effet tend à réduire le débit massique effectif et, par conséquent, la puissance calorifique. Le modèle unidimensionnel proposé équilibre avec succès ces effets opposés, fournissant une prédiction cohérente et réaliste sur une large gamme de conditions de fonctionnement.
Les implications de ce travail pour l’industrie automobile sont profondes. Un modèle de simulation aussi précis agit comme un puissant accélérateur pour le développement de nouveaux produits. Les ingénieurs en systèmes thermiques peuvent désormais explorer virtuellement une vaste gamme de conceptions de compresseurs, de positions d’orifices d’injection, de profils de spirales et de stratégies de contrôle, le tout sans avoir à construire de multiples prototypes physiques. Cela réduit drastiquement les délais de développement et les coûts associés, permettant une optimisation plus poussée du système. Par exemple, le modèle peut être utilisé pour déterminer le moment optimal d’ouverture de la vanne d’injection ou pour concevoir des géométries d’orifices qui minimisent les pertes de charge.
La capacité à prédire avec précision la température de refoulement est essentielle pour garantir la sécurité et la durabilité. Des températures excessives peuvent dégrader l’huile de lubrification, provoquer la décomposition du réfrigérant et causer des dommages mécaniques par dilatation thermique. Grâce à ce modèle, les fabricants peuvent simuler des scénarios de pire cas et concevoir des systèmes de gestion thermique passive et active plus robustes, en s’assurant que le compresseur fonctionne toujours dans ses limites de température sécuritaires, quelles que soient les conditions.
En fin de compte, cette recherche contribue directement à l’objectif ultime des véhicules électriques : maximiser l’autonomie et le confort de l’utilisateur. Une pompe à chaleur plus efficace consomme moins d’énergie de la batterie pour chauffer l’habitacle. Cela se traduit directement par plus de kilomètres d’autonomie, particulièrement dans les climats froids, réduisant ainsi l’anxiété liée à l’autonomie et améliorant considérablement l’expérience du conducteur. Le travail de Hu Jiayun et de ses collègues n’est pas seulement une avancée technique ; c’est une étape concrète vers des véhicules électriques qui sont véritablement viables et performants dans tous les types d’environnements climatiques.
Hu Jiayun, Miao Yanming, Tan Mingfei, Zhang Bin, Li Chao, He Qize, Wang Jiayun, Li Kang. Thermodynamic study of vapor injection scroll compressors for electric vehicles considering internal leakage and heat transfer. Fluid Machinery, 2024, 52(11): 97-104. doi:10.3969/j.issn.1005-0329.2024.11.013