Florent BREQUE - Soutenance de thèse MINES ParisTech

Florent BREQUE

Etude et amélioration d’une pompe à chaleur pour véhicule électrique en conditions de givrage

Titre anglais : Study and improvement of a heat pump for electric vehicles Under frosting conditions
Date de soutenance : 24/10/17
Directeur de thèse : Assaad ZOUGHAIB

Mots clés en français : croissance de givre,givrage d’évaporateur,autonomie des véhicules,impact du système CVC,besoins thermiques des cabines,échangeur de chaleur à microcanaux,
Mots clés en anglais : frost growth,evaporator frosting,electric vehicle range,HVAC impact,cabin thermal needs,microchannel heat exchanger,

Résumé de la thèse en français
Dans le cadre du développement des voitures électriques (VE), la solution de chauffage de l’habitacle par pompe à chaleur (PAC) s’impose graduellement en raison des plus grandes efficacités de ces dernières par rapport aux résistances électriques classiques. Cependant, dans certaines conditions, du givre se forme sur l’évapo-condenseur entraînant une dégradation marquée des performances du système. L’enjeu général de ce travail est donc de développer une PAC pour VE efficace en conditions de givrage afin d’améliorer l'autonomie en hiver. Pour ce faire, un évapo-condenseur résistant au givrage est nécessaire. Afin d’améliorer le design de l’échangeur, un modèle dynamique et pseudo 3D d’échangeur à microcanaux, typique de l’automobile, en conditions de givrage a été développé. Un sous-modèle de croissance de givre à la fois simple et précis a été établi en étudiant les différentes hypothèses de modélisation trouvées dans la littérature. Ensuite, au niveau échangeur de chaleur, la clé réside dans la bonne prédiction des pertes de charge aérauliques. Ainsi, une nouvelle approche a été de considérer les épaisseurs maximales locales de givre et une corrélation intégrant l’impact du givre afin de bien prédire les pertes de charge, la chute du débit d’air, et donc la chute de la puissance thermique de l’échangeur. Le modèle complet d’échangeur de chaleur couplé à un ventilateur a été validé expérimentalement. À partir d’une étude numérique basée sur le modèle, deux concepts innovants ont été établis : l’un avec ailettes ondulées débordantes et l’autre avec passes de réfrigérant croisées. Deux prototypes ont été fabriqués, à partir de l’évapo-condenseur de la Renault Zoé, puis testés. Le meilleur des deux échangeurs, celui à ailettes débordantes, a été monté sur véhicule et comparé à l’échangeur de la Zoé. Le prototype a permis d’allonger d’environ 2.5 fois la période de fonctionnement du système. Finalement, un modèle de PAC avec givrage a été réalisé et intégré dans un modèle complet de VE. Pour un VE avec une autonomie d’environ 140 km sans chauffage, il s’avère que le givrage de la PAC dégrade l’autonomie d’environ 15% pour un trajet à 0°C et 90% d'humidité. Grâce à l’utilisation du prototype à ailettes ondulées débordantes, cette perte d’autonomie est de 3% seulement.

Résumé de la thèse en anglais
In the electric vehicle (EV) development context, the choice of heat pumps (HP) for cabin heating is becoming more popular due to their high efficiency compared to electric heaters. However, under some operating conditions, frost forms on the HP evapo-condenser causing a dramatic drop in the system performances until the system cannot operate. Hence, this work aims at developing a HP for EV which remains efficient under frosting conditions ultimately, to improve the EV range in the winter. This requires the design of a frost-resistant heat exchanger (HX). First, to improve the HX design, a dynamic and pseudo-3D model under frosting conditions of a typical HX for cars has been developed. A simple and accurate frost growth sub-model has been established by studying the various modeling assumptions found in the literature. Then, at the HX level, the key point has been to predict the air pressure losses, via the consideration of the maximum local frost thicknesses and the development of a correlation considering frost, in order to predict the drop of airflow and therefore the drop of the HX cooling capacity. Then, the model of the HX coupled with the fan has been validated experimentally. Using the model, a numerical study has been conducted and two innovative concepts have been established: one with wavy upstream extending fins and the other with crossed passes of refrigerant. Two prototypes were fabricated, using a reference HX taken from the Renault Zoé, and then tested. The best of the two HX, the one with upstream extending fins, was mounted on a VE and compared to the reference case. The prototype allowed extending the system operation by 2.5 times approximately. Finally, a HP model under frosting conditions was built and integrated into a EV model. It appeared that, for an EV with a range of approximately 140 km without heating, the HP frosting degrades the autonomy by about 15% at 0°C and 90% humidity, which was reduced to 3% via the use of the innovative HX prototype with wavy upstream extending fins.

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