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Gestion thermique dans les véhicules hybrides

Vous trouverez ici des connaissances de base utiles et de précieux conseils pratiques sur le thème de la gestion thermique des véhicules hybrides.

Alternative intermédiaire au véhicule électrique, de plus en plus de modèles à la technologie hybride arrivent sur le marché. Ces derniers requièrent de nouvelles solutions pour la climatisation de l'habitacle et la gestion thermique. Cette page vous donne une bonne vue d'ensemble sur le thème des véhicules hybrides ; des connaissances de base et propriétés du système aux solutions pour la gestion thermique, en passant par les particularités de maintenance et de réparation.

Consigne de sécurité importante
Les informations techniques et les conseils pratiques compilés ci-après ont été rédigés par HELLA afin de fournir une aide professionnelle aux ateliers de la réparation automobile dans le cadre de leurs activités. Toutes les informations mises à disposition sur ce site sont destinées à être exploitées uniquement par des professionnels qualifiés.

 

VUE D'ENSEMBLE DES TECHNOLOGIES HYBRIDES: COMPARAISON

Le terme « Hybride » signifie croisement ou combinaison. Dans la technologie automobile, ceci indique que la technique d'entraînement classique d'un moteur thermique a été combinée avec les éléments d'un véhicule électrique.

 

La technologie hybride devient toujours plus exigeante techniquement, en trois étapes : véhicules à système Micro-hybrid, Mild-hybrid et Full-hybrid. Malgré des différences techniques, toutes les technologies ont en commun que la batterie utilisée est rechargée par récupération de l'énergie de freinage.

MICRO-HYBRID

Ces systèmes sont en règle générale équipés d'un moteur thermique avec système Stop&Start ainsi qu'une récupération de l'énergie de freinage.

 

MILD-HYBRID

Ces systèmes sont équipés en complément d'un petit moteur électrique et d'une batterie plus puissante. L'entraînement électrique auxiliaire est exclusivement utilisé pour une assistance au démarrage et pour un développement de puissance supérieure lors des dépassements, ce qu'on appelle l'effet « boost ».

 

FULL-HYBRID

Ces systèmes peuvent non seulement appliquer l'effet « boost » mais également rouler en mode tout électrique. Ils sont équipées dans cette perspective d'une chaîne cinématique complètement électrique. Cela requiert toutefois une batterie bien plus puissante qu'un système Mild-hybrid.

Une option de Full-hybrid est l'hybride rechargeable appelée « Plug-in hybrid ». Elle permet de recharger les batteries pendant la nuit. L'effet secondaire positif de ce type de véhicule est qu'il peut amener simultanément l'habitacle à la température désirée. Le véhicule est ainsi prêt à être utilisé dès le matin suivant.

 

Des représentants typiques de la catégorie des véhicules Full-hybrid sont la Toyota Prius, la BMW ActiveHybrid X6 (E72) ou le VW Touareg Hybrid. La BMW ActiveHybrid 7 et la Mercedes S400 (F04) sont en revanche des exemples de Mild-hybrid.

  Micro-hybrid Mild-hybrid Full-hybrid
Puissance du moteur électrique / générateur 2 – 3 kW
(Récupération de l'énergie cinétique au freinage par le générateur)
10 – 15 kW > 15 kW
Plage de tension 12 V 42 – 150 V > 100 V
Économie de carburant réalisable comparé au véhicule à entraînement conventionnel < 10 % < 20 % > 20 %
Fonctions qui contribuent à économiser le carburant – Fonction Stop&Start
– Récupération
– Fonction Stop&Start
– Fonction Boost
– Récupération
– Fonction Stop&Start
– Fonction Boost
– Récupération
– Conduite électrique

 

Comme il en ressort de la vue d'ensemble, chacune des technologies dispose de diverses fonctions qui contribuent à économiser le carburant. Ces quatre fonctions sont représentées brièvement ci-après.

Fonction Stop&Start

Si le véhicule s'arrête à un feu ou dans un bouchon, le moteur thermique est coupé. Lorsque l'embrayage est actionné pour démarrer et que la première vitesse est enclenchée, le moteur thermique démarre automatiquement. Il est prêt pour la poursuite de la conduite.

Récupération

La récupération est la technique avec laquelle une partie de l'énergie de freinage est récupérée. Cette énergie est normalement perdue lors du freinage sous forme d'énergie thermique. Lors de la récupération en revanche, le générateur du véhicule est utilisé comme frein moteur, en plus du frein moteur normal.

 

L'énergie produite par le générateur lors du ralentissement est envoyée dans l'accumulateur de courant (batterie). Ce processus augmente le couple d'inertie du moteur de manière ciblée et ralentit ainsi le véhicule.

Fonction Boost

Pendant la phase d'accélération, les couples disponibles du moteur thermique et du moteur électrique se cumulent. Ainsi, un véhicule hybride peut accélérer plus rapidement qu'un véhicule à entraînement conventionnel.

 

La fonction Boost est destinée à assister au démarrage et à fournir un développement de puissance supérieure lors des dépassements. Cette puissance est générée par un entraînement électrique auxiliaire mis à disposition exclusivement pour ces deux utilisations. À titre d'exemple, sur le VW Touareg, cela signifie un supplément de puissance de 34 kW.

Conduite électrique

Lorsqu'une puissance d'entraînement réduite est nécessaire, comme pour la circulation urbaine, seul le moteur électrique assure l'entraînement. Le moteur thermique est coupé. Avantages de ce type d'entraînement : pas de consommation d'essence et pas d'émissions.

 

Ces technologies dans le véhicule entraînent des changements de conditions qui doivent être prises en compte dans le travail quotidien.

Tension électrique du réseau de bord

Les exigences à satisfaire et les puissances à apporter par l'entraînement électrique d'un véhicule hybride ne peuvent pas être couvertes avec des plages de tension de 12 ou 24 V. Des plages de tension bien supérieures sont nécessaires.

 

Il faut donc bien noter que la plage haute tension commence à des tensions alternatives supérieures à 25 V et des tensions de courant continu supérieures à 60 V. Selon la norme ISO, cette plage de tension est considérée comme dangereuse pour les personnes.

RÈGLE DE BASE POUR LES TRAVAUX SUR LES VÉHICULES HYBRIDES: CONSEILS PRATIQUES

Dans les véhicules hybrides, des composants haute tension sont inévitablement installés. Ils sont identifiés par des plaques d'avertissement uniformes. Toutes les conduites haute tension sont orange vif, quel que soit le constructeur.

 

La procédure suivante s'applique comme règle de base pour les travaux sur les véhicules hybrides :

  1. Mettre hors tension
  2. Sécuriser contre toute remise en marche intempestive
  3. S'assurer de l'absence de tension

 

Respectez les préconisations du constructeur !

CLIMATISATION DE L'HABITACLE: PRINCIPES

Pour les types d'entraînement classiques avec moteur à combustion, la climatisation d'habitacle dépend directement du fonctionnement du moteur en raison du compresseur à entraînement mécanique. Les véhicules appelés Micro-hybrid dans les milieux professionnels et possédant uniquement un système Stop&Start, sont également équipés de compresseurs avec une transmission par courroie. En cas d'arrêt du véhicule et du moteur, il se pose le problème de l'augmentation de la température à la sortie de l'évaporateur de la climatisation après seulement 2 secondes. L'augmentation lente de la température de soufflage de la ventilation ainsi que l'augmentation de l'humidité de l'air sont gênantes pour les passagers.

 

Pour faire face à ce problème, il sera possible à l'avenir d'utiliser des nouveaux accumulateurs de froids, appelés évaporateurs accumulateurs.

L'évaporateur accumulateur est composé de deux blocs : un bloc évaporateur et un bloc accumulateur. Le réfrigérant circule dans les deux blocs pendant la phase de démarrage ou avec le moteur en marche. Pendant ce temps, un fluide latent se trouvant dans l'évaporateur est refroidi jusqu'à geler. Il a ainsi la fonction d'un accumulateur de froid.

 

Pendant la phase d'arrêt, le moteur est coupé et le compresseur n'est donc pas entraîné. L'air chaud passant sur l'évaporateur est refroidi et un échange thermique a lieu. Cet échange dure jusqu'à ce que le fluide latent ait totalement fondu. Le processus recommence lors de la reprise de la conduite, si bien que l'évaporateur accumulateur peut à nouveau refroidir l'air après une minute.

 

Pour les véhicules sans évaporateur accumulateur, il est nécessaire de redémarrer le moteur après une courte période d'arrêt lorsqu'il fait très chaud. C'est la seule manière de maintenir le refroidissement de l'habitacle.

La climatisation de l'habitacle du véhicule inclut également le chauffage de l'habitacle en cas de besoin. Sur les véhicules Full-hybrid, le moteur à combustion est coupé pendant la phase de conduite électrique. La chaleur résiduelle disponible dans le circuit d'eau ne permet de chauffer l'habitacle que pendant une courte période. Les éléments de chauffage électriques CTP sont alors connectés et prennent en charge la fonction de chauffage. Le fonctionnement est identique à celui d'un sèche-cheveux : l'air aspiré par le ventilateur de l'habitacle est réchauffé au contact des éléments de chauffage, puis il est diffusé dans l'habitacle.

COMPRESSEUR HAUTE TENSION: FONCTIONNEMENT

Fonctionnement du compresseur haute tension

Dans les véhicules Full-hybrid, des compresseurs électriques à haute tension indépendants du fonctionnement du moteur à combustion sont utilisés. Grâce à ce nouveau type d'entraînement, des fonctions de climatisation du véhicule permettant d'accroître encore plus le confort deviennent possibles.

Il est possible de refroidir l'habitacle chaud à la température souhaitée avant le début du trajet. Une télécommande permet de procéder à l'activation.

 

Ce refroidissement à l'arrêt n'est possible qu'en fonction de la capacité disponible de la batterie. Le compresseur est alors activé en tenant compte des besoins nécessaires de la climatisation et avec la puissance la plus faible possible.

 

Avec les compresseurs haute tension actuels, la régulation de la puissance est effectuée en ajustant le régime par paliers de 50 tr/min. Il est donc possible de se passer d'une régulation interne de la puissance.

 

Contrairement au principe des plateaux oscillants, le plus souvent mis en oeuvre dans le domaine des compresseurs à entraînement par courroie, le principe Scroll est utilisé pour la compression du réfrigérant sur les compresseurs haute tension. Les avantages sont un gain de poids et une réduction de la cylindrée d'env. 20 % à puissance identique.

 

Pour générer le couple important nécessaire à l'entraînement du compresseur électrique, une tension continue de plus de 200 V est appliquée, une tension très élevée pour un véhicule. Le convertisseur intégré dans l'unité électromotorisée convertit cette tension continue en tension alternative triphasée requise par le moteur électrique sans balais. La dissipation de chaleur nécessaire du convertisseur et des bobines moteur est rendue possible par le reflux du réfrigérant vers le côté aspiration.

GESTION DE LA TEMPÉRATURE DE LA BATTERIE: COMPARAISON

La batterie est essentielle pour le bon fonctionnement d'un véhicule hybride. Celle-ci doit mettre à disposition rapidement et de manière fiable d'importantes quantités d'énergies nécessaires à l'entraînement. Généralement, ces batteries sont des batteries haute tension nickel-métal-hybride, cependant, les batteries haute tension lithium-ion sont de plus en plus répandues. Cela permet de réduire encore plus la taille et le poids des batteries de véhicules hybrides.

 

Il est absolument nécessaire que les batteries utilisées soient exploitées dans une plage de température déterminée. Une température de service supérieure à +40 °C réduit la durée de vie, et une température de service inférieure à -10 °C réduit le rendement et la puissance. La différence de température entre les cellules individuelles ne doit en outre pas être supérieure à 5 - 10 °K.

 

Des charges de pointe temporaires liées à des flux élevés de récupération et de boost par exemple causent un échauffement non négligeable des cellules. De plus, les températures extérieures élevées durant les mois d'été contribuent à augmenter rapidement la température au seuil critique de 40 °C.

 

Le vieillissement plus rapide et la défaillance prématurée de la batterie sont les conséquences d'une température trop élevée. Les constructeurs se basent sur la durée de vie d'une voiture pour calculer celle de la batterie (env. 8 à 10 ans). Une modification de la gestion de la température peut ainsi influer sur le processus de vieillissement.

 

Jusqu'à présent, trois modes distincts de gestion de la température peuvent être utilisés.

Possibilité 1

L'air de l'habitacle climatisé est aspiré et utilisé pour le refroidissement de la batterie. L'air froid de l'habitacle aspiré présente une température inférieure à 40 °C. Cet air est utilisé pour traverser les surfaces accessibles du pack de batteries.

 

Inconvénients de cette possibilité :

  • Faible efficacité de refroidissement.
  • L'air aspiré depuis l'habitacle ne peut pas être utilisé pour réduire uniformément la température.
  • Effort considérable de canalisation de l'air.
  • D'éventuels bruits gênants dans l'habitacle générés par le ventilateur.
  • Les conduits d'air créent une liaison directe entre l'habitacle et la batterie. Ce point doit être considéré comme problématique pour des raisons de sécurité (p. ex. dégazage de la batterie).
  • Il ne faut pas sous-estimer le risque de pénétration d'impuretés dans le pack de batteries, car l'air de l'habitacle contient également de la poussière. La poussière se dépose entre les cellules et forme une couche conductrice en liaison avec l'humidité condensée de l'air. Cette couche favorise la génération de courants de fuite dans la batterie.

 

Pour éviter ce risque, l'air aspiré est filtré. L'air peut également être refroidi grâce à un climatiseur séparé, comme dans le cas des climatisations arrière pour les véhicules haut de gamme.

Possibilité 2

Une plaque d'évaporateur spéciale, incluse dans la cellule de batterie, est raccordée à la climatisation dans le véhicule. Ce processus, appelé splitting, est réalisé des côtés haute et basse pression par l'intermédiaire de conduites et d'un détendeur. L'évaporateur d'habitacle et la plaque d'évaporateur de batterie, fonctionnant comme un évaporateur classique, sont ainsi raccordés à un seul et même circuit.

 

Les différentes fonctions des deux évaporateurs engendrent des besoins correspondants variés de débit de réfrigérant. Pendant que l'habitacle est climatisé selon les exigences de confort des passagers, la batterie haute tension doit être refroidie plus ou moins fortement, en fonction de la situation de conduite et de la température ambiante.

 

Tous ces besoins entraînent une régulation complexe de la quantité de réfrigérant évaporé. La forme particulière de la plaque d'évaporateur et son intégration possible dans la batterie fournissent une surface de contact importante pour l'échange thermique. Ainsi, le seuil critique de température maximale de 40 °C n'est pas excédé.

 

Si la température extérieure est très basse, une augmentation d'au moins 15 °C serait nécessaire pour atteindre la température idéale de la batterie. Cependant, la plaque d'évaporateur ne pourrait alors fournir aucune contribution. Une batterie froide est moins performante qu'une batterie tempérée et ne peut presque plus être chargée à des températures inférieures au point de congélation. Cela est tolérable pour les véhicules Mild-hybrid : dans le pire des cas, la fonction hybride n'est que partiellement disponible. La conduite avec le moteur à combustion est toujours possible. En revanche pour un véhicule tout électrique, un chauffage de batterie doit être prévu pour pouvoir démarrer et conduire dans tous les cas.

 

Remarque
Les plaques d'évaporateur, directement intégrées dans la batterie, ne peuvent pas être remplacées individuellement. C'est pourquoi il faut toujours remplacer la batterie complète en cas de dommages.

Possibilité 3

Pour les batteries de haute capacité, une régulation correcte de la température est fondamentale. C'est pourquoi, à très faibles températures, un chauffage supplémentaire de la batterie est nécessaire, afin de l'amener dans la plage de température idéale. Une autonomie satisfaisante en mode « conduite électrique » peut alors être atteinte dans cette plage.

 

Pour activer ce chauffage supplémentaire, la batterie est reliée à un circuit secondaire. Ce circuit garantit une stabilité dans la plage de température de service idéale, comprise entre 15 et 30 °C.

 

Dans le bloc de batteries, une plaque de refroidissement intégrée est traversée par du liquide de refroidissement, composé d'eau et de glycol (circuit vert). À basses températures, le liquide de refroidissement peut être chauffé rapidement avec un chauffage pour atteindre la température idéale. S'il se produit une augmentation de température dans la batterie pendant l'utilisation des fonctions hybrides, le chauffage est coupé. Le liquide de refroidissement peut alors être refroidi par le radiateur de batterie se trouvant à l'avant du véhicule, grâce au courant d'air.

Échangeur de chaleur spécial

Si le refroidissement par le radiateur de batterie est insuffisant du fait de températures extérieures élevées, le liquide de refroidissement traverse un échangeur de chaleur spécial. Le réfrigérant de la climatisation du véhicule est évaporé dans cet échangeur. En outre, la chaleur peut être transmise du circuit secondaire au réfrigérant évaporé de manière très compacte et à haute densité de puissance. Un refroidissement supplémentaire du liquide de refroidissement a lieu. L'utilisation de l'échangeur de chaleur spécial permet d'utiliser la batterie dans une plage de température optimale au rendement.

FORMATION CONTINUE NÉCESSAIRE POUR LA RÉPARATION DES VÉHICULES HYBRIDES: BON À SAVOIR

Afin de pouvoir entretenir et réparer les systèmes de gestion thermique complexes dans les véhicules hybrides, il est indispensable de suivre une formation continue permanente. Les collaborateurs intervenant sur de tels systèmes à haute tension ont par exemple besoin d'une formation supplémentaire de 2 jours en Allemagne comme « électricien qualifié pour les systèmes haute tension ».

 

Les connaissances alors acquises permettent d'évaluer le danger des interventions nécessaires sur le système d'une part, et de réaliser la mise hors tension pour toute la durée des travaux d'autre part. Sans la formation correspondante, il est interdit d'effectuer des interventions sur les systèmes haute tension.

ENTRETIEN DES VÉHICULES HYBRIDES: CONSEILS POUR L'ATELIER

Les travaux généraux de révision et de réparation (comme sur les systèmes d'échappement, les pneus, les amortisseurs, la vidange, le changement de pneus, etc.) engendrent également des situations particulières.

 

Seules les personnes formées et informées des dangers de ces systèmes par un « électricien qualifié pour les systèmes haute tension » sont autorisées à réaliser ces travaux.

 

En outre, il faut impérativement utiliser des outils qui répondent aux spécifications des constructeurs de véhicules hybrides.

 

Lors du bilan climatisation et de l'entretien, bien observer que les compresseurs de climatisation électriques ne soient pas lubrifiés avec les huiles PAG habituelles. Celles-ci ne présentent pas les propriétés d'isolation nécessaires. C'est pourquoi on utilise généralement une huile POE possédant ces propriétés.

 

Par conséquent, il est recommandé d'utiliser des appareils d'entretien de climatisation avec une fonction de rinçage interne et un réservoir séparé d'huile fraîche pour le bilan et l'entretien de la climatisation des véhicules hybrides. Cela permet d'éviter les mélanges d'huiles propres de différents types.