Thermo-management

dans les véhicules hybrides

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Le thème "Entraînement hybride" revêt une signifi cation toujours plus importante dans le domaine auto-

mobile. Cette technique dans le véhicule a toutefois des eff ets directs sur le thermo-management, autre-

ment dit sur la climatisation du véhicule et le refroidissement du moteur.

Avec cette brochure, nous souhaitons aborder plus précisément le thème "Thermo-management dans les

véhicules hybrides". Nous off rons un aperçu des modifi cations qui peuvent ressortir de cette technologie

dans le domaine du thermo-management dans le véhicule et pour la réparation.

Explication du terme

Le terme "Hybride" en lui-même signifi e croisement ou combinaison. Dans la technique automobile, il

signifi e qu'un moteur a combustion avec la technique d'entraînement classique a été combiné dans un

véhicule avec les éléments d'un véhicule électrique.

La technologie hybride devient toujours plus exigeante techniquement : de la technologie de micro-hy-

bridation à l'hybridation légère et à l'hybridation complète. En dépit des diff érences techniques, toutes

les technologies ont en commun que la batterie utilisée est rechargée par récupération de l'énergie de

freinage.

Les micro-hybrides sont en règle générale équipés d'un moteur à combustion avec système Start-

Stopp ainsi qu'une récupération de l'énergie de freinage.

Les hybrides légères en revanche sont en plus équipés d'un petit moteur électrique et d'une batterie

plus puissante. L'entraînement auxiliaire électrique est exclusivement utilisé pour une assistance au dé-

marrage et pour un développement de force supérieur lors du dépassement, ce qu'on appelle "Booster".

Les hybrides complètes ne peuvent pas seulement "booster" mais également rouler en mode tout

électrique. Elles sont équipées à cette fi n d'une chaîne cinématique complètement électrique. Celle-ci

requiert toutefois une batterie bien plus puissante qu'une hybride légère.

Une option de l'hybride complète est l'hybride "Plug-in". Celle-ci off re la possibilité de recharger les batte-

ries pendant la nuit. L'eff et secondaire positif de ce type de véhicule est qu'il peut amener simultanément

la cellule d'habitacle à une température désirée. Le véhicule est ainsi prêt à être utilisé le matin suivant.

Des représentants typiques de la catégorie des véhicules hybrides complets sont la Toyota Prius, la BMW

ActiveHybrid X6 (E72) ou le VW Touareg Hybrid. La BMW ActiveHybrid 7 la Mercedes S400 (F04) sont en

revanche des exemples d'hybride léger.

Micro-hybride Hybride léger Hybride complet

Puissance du

moteur électrique /

du générateur

2 - 3 KW

(récupération de la

force de freinage par

le générateur)

10 – 15 KW > 15 KW

Plage de tension 12 V de 42 à 150 V > 100 V

Economie de car-

burant possible en

comparaison au

véhicule à

entraînement

conventionnel

< 10 % < 20 % > 20 %

Fonctions qui

contribuent à

économiser le

carburant

! Fonction

start-stopp

! Récupération

! Fonction

start-stopp

! Fonction Boost

! Récupération

! Fonction

start-stopp

! Fonction Boost

! Récupération

! Conduite

électrique

Comme il ressort de la vue d'ensemble, chacune des technologies dispose de diverses fonctions qui

contribuent à économiser le carburant. Ces quatre fonctions sont représentées succinctement dans ce

qui suit.

Fonction start-stopp

Si le véhicule s'arrête, par exemple à un feu ou dans un bouchon, le moteur à combustion est coupé. Si

l'embrayage est actionné pour démarrer et que la première vitesse est enclenchée, la moteur à combus-

tion démarre automatiquement. Il est ainsi directement disponible pour poursuivre son trajet.

Le véhicule s'arrête - Le moteur est automatiquement coupé. Actionner l'embrayage, passer la vitesse - Le moteur démarre auto-

matiquement

Embrayage Vitesse Régime

moteur

Embrayage Vitesse Régime

moteur

Aperçu des technologies hybrides

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Véhicule freinant - charge de la batterie avec une puissance augmentée

Fonction Boost

Pendant la phase d'accélération, les couples disponibles du moteur à combustion et du moteur élec-

trique se cumulent. Ainsi, un véhicule hybride peut accélérer plus rapidement qu'un véhicule comparable

à entraînement conventionnel. La fonction Boost est destinée à assister au démarrage et à fournir un

développement de force supérieur lors du dépassement. Cette force est générée par un entraînement

électrique auxiliaire qui est mis à disposition exclusivement pour ces deux utilisations.

A titre d'exemple : sur le VW Touareg, cela signifi e un supplément de puissance de 34 kW.

Fonction Boost - le moteur à combustion et le moteur électrique entraînent le véhicule.

Récupération

La récupération est la technique avec laquelle une partie de l'énergie de freinage est recouvrée. Cette

énergie est normalement perdue lors du freinage sous forme d'énergie calorifi que. Lors de la récupération

en revanche, le générateur du moteur est directement utilisé comme frein moteur, en supplément au frein

moteur normal. L'énergie produite par le générateur lors du ralentissement est alimentée dans l'accumu-

lateur de courant (batterie). Ce processus augmente de manière ciblée le couple d'inertie du moteur et

ralentit ainsi le véhicule.

Batterie Moteur/générateur

Moteur

Boîte de vitesses

Batterie

Moteur/générateur

Conduite électrique

Si une puissance d'entraînement réduite est nécessaire, comme par exemple pour la circulation urbaine,

seul le moteur électrique assure l'entraînement. Le moteur à combustion est coupé. Il ressort de ce type

d'entraînement : pas de consommation d'essence et pas d'émissions.

Sécurité

Des composants haute tension sont obligatoirement montés dans les véhicules hybrides. Ils sont identi-

fi és par des plaquettes d'avertissement uniformes. Toutes les conduites haute tension sont en plus exé-

cutées dans un orange lumineux, 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 une remise sous tension

3. S'assurer de l'état hors tension

Respecter les préconisations du constructeur du véhicule!

0 V 12 V 24 V 60 V 120 V 230 V Hybride complet

Plages de tension

Moteur

Moteur

Zéro émission Pas de consommation d'essence

Conduite électrique - entraînement par le moteur électrique uniquement

Avec ces technologies dans le véhicule, certaines conditions sont changées qui doivent être prises en

compte dans le travail quotidien.

Tensions électriques dans le réseau de bord

Les exigences et les prestations auxquelles l'entraînement électrique d'un véhicule hybride doit satis-

faire et apporter ne peuvent pas être couverte avec des plages de tension de 12 ou 24 Volt. Des plages

de tensions signifi cativement supérieures sont nécessaires. Il faut ce faisant prendre impérativement

en compte que la plage haute tension commence aux tensions alternatives supérieures à 25 V et aux

tensions continues supérieures à 60 V. Selon la norme ISO, cette plage de tension est considérée comme

dangereuse pour les hommes.

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Evaporateur à accumulation

La technologie hybride implique également des changements sensibles pour le thermo-management,

aussi bien pour le circuit de liquide de refroidissement que dans le circuit de réfrigérant. Nous décrivons

dans ce qui suit les zones et les composants du Thermo-management qui sont concernées, comment

les modes de fonctionnement changent et ce que cela signifi e pour votre travail.

Climatisation d'habitacle

Pour les concepts d'entraînement courants avec moteur à combustion, la climatisation d'habitacle dé-

pend directement du fonctionnement du moteur en raison du compresseur à entraînement mécanique.

Les compresseurs mis en oeuvre dans les véhicules désignés comme micro-hybrides dans les cercles

spécialisés et qui possèdent uniquement une fonction start-stopp sont aussi du type à entraînement par

courroie. Il en ressort la problématique qu'en cas d'arrêt du véhicule et avec le moteur hors service, la

température à la sortie de l'évaporateur de la climatisation monte au bout de 2 secondes déjà. L'aug-

mentation lente de la température de souffl age de la ventilation qui en ressort ainsi que l'augmentation de

l'humidité de l'air sont ressenties comme gênantes par les occupants du véhicule.

Pour faire face à ce problème, il sera possible à l'avenir d'utiliser ce qu'on appelle des évaporateurs à

accumulation qui viennent d'être mis au point.

Exemples : plaquettes d'avertissement sur les modules et les composants.

Ne pas travailler sur des composants haute tension sous tension !

Toujours observer les plaquettes d'avertissement sur les composants et les éléments !

Représentation schématique - évaporateur à accumulateur

Dans la phase d'arrêt, le moteur est arrêté et le compresseur n'est de ce fait pas entraîné. L'air chaud

passant sur l'évaporateur est refroidi et un échange de chaleur a lieu. Cette échange dure jusqu'à ce que

le fl uide latent ait totalement fondu. Après reprise du déplacement, le processus reprend depuis le début,

si bien qu'après une minute, l'évaporateur à accumulateur peut de nouveau refroidir l'air.

Pour les véhicules sans évaporateur à accumulateur, il est nécessaire de redémarrer le moteur après une

période d'arrêt très courte lorsqu'il fait chaud. C'est l'unique manière de maintenir le refroidissement de

l'habitacle.

La climatisation de l'habitacle du véhicule inclut également le chauff age de la cellule passagers si né-

cessaire. Pour les véhicules hybrides complets, le moteur à combustion est coupé pendant la phase de

circulation purement électrique. La chaleur résiduelle dans le circuit de refroidissement ne suffi t pour le

chauff age de l'habitacle que pendant une durée très courte. Des éléments chauff ants PTC électriques qui

se chargent de la fonction de chauff age sont alors ajoutés en assistance. Le mode de travail est compa-

rable à celui d'un sèche-cheveux : l'air aspiré par le ventilateur d'habitacle est chauff é en traversant les

résistances de chauff age et s'écoule ensuite dans l'habitacle.

1 Bloc évaporateur : 40 mm d'épaisseur

2 Bloc accumulateur de 15 mm

3 Réfrigérant

4 Fluide latent

5 Rivet borgne

53

4

1

2

L'évaporateur à accumulation est composé de deux blocs : un bloc évaporateur et un bloc accumulateur.

Les deux blocs sont traversés par un fl ux de liquide réfrigérant dans la phase de démarrage ou avec le

moteur qui tourne. Un fl uide latent se trouvant dans l'évaporateur est refroidi pendant ce temps jusqu'à

geler. Cela devient ainsi un accumulateur de froid.

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Le compresseur haute tension

Dans les véhicules avec technologie hybride complète, les compresseurs utilisés sont des modèles à

haute tension qui ne dépendent pas du fonctionnement du moteur à combustion. Grâce à ce nouveau

type d'entraînement, des fonctions qui entraînent une nouvelle augmentation du confort en ce qui a trait à

la climatisation du véhicule deviennent possibles :

il existe la possibilité de refroidir au préalable l'habitacle chaud à la température souhaitée avant de com-

mencer à conduire. Une télécommande permet de procéder à l'activation.

Ce refroidissement à l'arrêt ne peut avoir lieu qu'en fonction de la capacité disponible des batteries. Le

compresseur est ce faisant activé en prenant en compte les exigences nécessaires à la climatisation avec

la puissance la plus basse possible.

Avec les compresseurs haute tension utilisés actuellement, la régulation de la puissance est eff ectuée

par une adaptation en conséquence du régime moteur par tranches de 50 tr/min. C'est pourquoi il est

possible de renoncer à une régulation interne de la puissance.

A l'opposé du principe des plateaux oscillants qui sont mis en oeuvre le plus souvent dans le domaine

des compresseurs à entraînement par courroie, c'est le principe Scroll qui intervient pour la compression

du réfrigérant sur les compresseurs haute tension. Les avantages en sont une économie de poids d'env.

20% et un réduction de la cylindrée d'une même proportion avec une puissance identique.

Pour générer le fort couple correspondant pour l'entraînement du compresseur électrique, une tension

continue de plus de 200 Volt est ici appliquée, soit une tension très élevée dans cette catégorie de véhi-

cules. Le convertisseur intégré dans l'unité électromotorisée convertit cette tension continue en tension

alternative triphasée requise par le moteur électrique sans balais de charbon. La dissipation de chaleur

nécessaire du convertisseur et des bobines du moteur est rendue possible par la traversée du retour du

réfrigérant vers le côté dépression.

Compresseur haute tension

Compresseur Scroll Moteur haute tension

Gestion de la température de la batterie

La batterie est essentielle pour le fonctionnement d'un véhicule hybride. Celle-ci doit mettre à

disposition les importantes quantités d'énergies nécessaires à l'entraînement rapidement et avec

fi abilité. Généralement ces batteries sont des batteries haute tension Nickel-métal-hybride, mais les

batteries haute tension lithium-ions sont de plus en plus répandues. Cela permet de continuer à

réduire la taille et le poids des batteries de véhicules hybrides.

Il est absolument nécessaire que les batteries utilisés soient exploitées dans une plage de tempéra-

ture déterminée. A partir d'une température de service de +40 °C, la durée de vue diminue ; à une

température inférieure à -10 °C, le degré d'effi cacité réduit et la puissance diminue. La diff érence de

température entre les cellules individuelles ne doit en outre pas être supérieure à 5 - 10 °C.

Des charges pic de courte durée en liaison avec des fl ux élevés comme la récupération et le Boost

causent un échauff ement non négligeable des cellules. Lorsque les températures extérieures sont

élevées dans les mois d'été, la température atteint rapidement la valeur critique de 40 °C.

La conséquence d'un dépassement de la température est un vieillissement plus rapide et la dé-

faillance précoce de la batterie. Les fabricants du véhicule visent une durée de vie théorique des

batteries d'une vie de véhicule (env. 8 à 10 ans). C'est pourquoi le processus de vieillissement ne

peut être contré que par une gestion en conséquence de la température.

Jusqu'à présent, trois versions diff érentes de la gestion de température sont utilisés.

Compresseur électrique

Détendeur

PTC haute tension

Evaporateur hautes

performances

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Possibilité 1

L'air est aspiré de l'habitacle du véhicule climatisé et utilisé pour le refroidissement de la batterie. L'air

froid aspiré de l'habitacle du véhicule a une température inférieure à 40 °C. Cet air est utilisé pour traver-

ser les surfaces librement accessibles du pack de batteries. Les inconvénients de cette possibilité sont :

! L'effi cacité de refroidissement réduite.

! L'air aspiré depuis l'habitacle ne peut pas être utilisé pour une réduction uniforme de la température.

! Le travail important pour le guidage de l'air.

! Les éventuels bruits gênants dans l'habitacle par le ventilateur.

! Il existe une liaison directe de l'habitacle avec la batterie par le biais des canaux d'air. Cela doit être

considéré comme problématique pour des raisons de sécurité (par ex. dégazage de la batterie).

! Il ne faut pas sous-estimer le danger de la pénétration de salissures dans le pack de batteries car l'air

de l'habitacle contient également des poussières. La poussière se dépose entre les cellules et forme

en liaison avec l'humidité condensée de l'air une couche conductrice. Cette couche favorise la géné-

ration de courants de fuite dans la batterie.

Pour contourner ce risque, l'air aspiré est fi ltré. En alternative, le refroidissement de l'air peut également

avoir lieu au moyen d'un climatiseur séparé, de manière comparable aux climatisations arrières séparées

dans les véhicules haut de gamme.

Possibilité 2

Une plaque d'évaporateur spéciale, enfermée dans la cellule de batterie est raccordée à la climatisation

se trouvant dans le véhicule. Cela est eff ectué au cours de ce qu'on appelle un processus de splitting

du côté haute pression et du côté basse pression via des conduites et un détendeur. Ainsi, l'évaporateur

d'habitacle et la plaque d'évaporateur de la batterie qui fonctionne comme un évaporateur courant sont

raccordés à un unique circuit.

Grâce aux diverses tâches des deux évaporateurs, il ressort des exigences variées de débit de réfrigérant.

Alors que la climatisation d'habitacle doit répondre aux exigences de confort des passagers, la batterie

haute tension requiert un refroidissement plus ou moins fort, en fonction de la situation de conduite et de

la température ambiante.

Co

nd

enseur

Evap

ora

teur

Cab

ine

Batterie

Circuit de liquide

de climatisation

Compresseur

Evap

ora

teur

de b

att

erie

Il ressort de ces exigences une régulation coûteuse de la quantité de réfrigérant évaporé. La construc-

tion particulière de la plaque d'évaporateur et l'intégration rendue ainsi possible dans la batterie off re une

grande surface de contact pour l'échange de chaleur. Il est ainsi assuré que la température supérieure

maximale critique ne dépasse pas la température maximale de 40 °C.

Avec des températures extérieures très basses, une augmentation de la température à la température

idéale de la batterie de min. 15 °C est nécessaire. Cependant, la plaque d'évaporateur peut aider dans

cette situation.

Une batterie froide est moins performante qu'une batterie tempérée et ne peut quasiment plus être char-

gée à des températures sensiblement inférieures à zéro. Cela est tolérable dans les hybrides légers : dans

des cas extrêmes, la disponibilité de la fonction hybride est limitée. Il est toutefois possible de conduire

avec le moteur à combustion. Dans le véhicule électrique en revanche, il faudra prévoir un chauff age de

batterie pour pouvoir démarrer et conduire dans chaque situation.

Remarque

Ces plaques d'évaporateur qui sont directement intégrées dans la batterie ne peuvent pas être rempla-

cées individuellement. C'est pourquoi il faut remplacer toute la batterie si nécessaire.

Possibilité 3

Pour les batteries de haute capacité, tempérer correctement est vital. C'est pourquoi avec des tempé-

ratures très basses, un chauff age supplémentaire de la batterie est nécessaire pour l'amener à la plage

de température idéale. Ce n'est que dans cette plaque d'une autonomie satisfaisant est atteinte dans le

mode "Conduite électrique".

Pour procéder à ce chauff age supplémentaire, la batterie est intégrée dans un circuit secondaire. Ce

circuit assure que la température de service idéale de 15 °C à 30 °C est maintenue durablement.

Co

nd

enseur

Evap

ora

teur

Batterie

Circuit climatisation

Compresseur

Pla

que

d'é

vap

ora

teur

Cond

enseur

Refr

oid

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batt

erie

Evap

ora

teur

Batterie

Chauff ageCircuit climatisation

Circuit du réfri-

gérantCompresseur

Echangeur de

chaleur spécial

Pla

que

refr

oid

issem

ent

Plaque d'évaporateur

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Si le refroidissement par le refroidisseur de batterie ne suffi t pas lorsque les températures extérieures sont

élevées, le réfrigérant traverse un échangeur de chaleur spécial. Dans celui-ci, le liquide de refroidisse-

ment de la climatisation du véhicule est évaporé. La chaleur peut en outre être transmise très compacte

et avec une haute densité de puissance du circuit secondaire sur le réfrigérant évaporé. Un refroidisse-

ment supplémentaire en retour du réfrigérant a lieu. L'utilisation de l'échangeur de chaleur spécial permet

d'exploiter la batterie dans la plage de température à degré d'action optimale.

Echangeur de chaleur spécial

Dans le bloc de batteries, une plaque de refroidissement intégrée est traversée par du liquide réfrigérant

qui est composée d'eau et de glycol (circuit vert). A basses températures, le liquide réfrigérant peut être

chauff é rapidement avec un chauff age pour atteindre la température idéale. S'il se produit une augmenta-

tion de la température dans la batterie pendant l'utilisation des fonctions hybrides, le chauff age est coupé.

Le liquide réfrigérant peut alors être refroidi par le refroidisseur de batterie se trouvant à l'avant du véhicule

au moyen du vent de déplacement.

Moteurs du ventilateur

Cadre du ventilateur

Radiateur de réfrigérant

Refroidisseur électronique performant

Cadre module

Condenseur

Composants de refroidissement

Refroidisseur de batterie

Formation continue nécessaire pour la réparation des véhicules hybrides

Pour pouvoir entretenir et réparer les systèmes de thermo-management complexes dans les véhicules hy-

brides, il est indispensable de suivre une formation continue permanente. Les collaborateurs qui intervien-

nent sur de tels systèmes haute tension requièrent par exemple en Allemagne une formation supplémen-

taire de 2 jours comme "Electricien pour les systèmes haute tension".

Les connaissances qui y sont acquises permettent d'un côté d'évaluer la mise en danger pour les travaux

nécessaires sur le système, d'un autre côté de réaliser la mise hors tension pour la durée des travaux.

Sans une formation correspondante, il est interdit de procéder à des travaux sur les systèmes haute

tension.

Entretien des véhicules hybrides

Il se produit également une situation particulière pour les travaux de réparation et d'inspection généraux

(comme par exemple sur les systèmes d'échappement, les pneus, les amortisseurs, la vidange d'huile, le

remplacement des pneus etc.).

Seuls des collaborateurs qui ont été formés et informés des dangers de ces systèmes haute tension par

un "électricien pour les systèmes haute tension" sont autorisés à réaliser ces travaux.

Il est de plus impératif de mettre en oeuvre des outils qui répondent aux spécifi cations des constructeurs

de véhicule hybride !

Lors du contrôle et du service de climatisation, il faut veiller que les compresseurs de climatisation élec-

triques ne soient pas lubrifi és avec les huiles PAG courantes. Celles-ci ne présentent pas les propriétés

d'isolation nécessaires. Il est de ce fait en règle générale utilisé une huile POE qui possède ces propriétés.

Il en ressort qu'il est recommandé pour le contrôle et le service de la climatisation de véhicules utilitaires

d'utiliser des appareils d'entretien de climatisation avec une fonction de rinçage interne et un réservoir

d'huile propre séparé. De cette manière, des mélanges d'huiles propres de types diff érents peuvent être

évités.

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Perspectives d'Avenir

On peut partir du postulat que la mobilité au moyen du moteur électrique va augmenter à l'avenir. Cela a

également des conséquences directes sur le marché automobile dans son ensemble.

L'arrivée de cette évolution est visible chez des producteurs d'électricité renommés qui poussent la mo-

bilité électrique dans la direction du marché de masse et qui établissent en outre rapidement les infras-

tructures nécessaires correspondantes pour les stations de charge. Ainsi, les véhicules hybrides gagnent

en importance aussi bien pour les personnes privées que dans le domaine de la location de voiture : par

exemple, le loueur SIXT va lancer, en commun avec RWE, des voitures de location électriques dans les

grandes villes.

Mais ce n'est pas seulement dans le domaine des voitures privées que ce développement progresse : le

groupe Peugeot par exemple développe en commun avec Mitsubishi d'autres véhicules électrique pour le

domaine des véhicules utilitaires.

Il est prévu jusqu'en 2020 une forte augmentation des immatriculations de véhicules avec entraînement

hybride ou électrique. Ces véhicules sont pour la plupart alimentés par le marché IAM avec des pièces de

rechange et réparés par des ateliers indépendants.

Behr Hella Service a, en sa qualité de fournisseur parmi les leaders de pièces de rechange de Thermo

Management, intégré pour cette raison les premières pièces de rechange pour véhicules hybrides dans

son portefeuille de produits.

Un critère important pour la mise en oeuvre et l'utilisation de véhicules hybrides et électriques est l'auto-

nomie. Celle-ci peut être sensiblement augmentée par l'utilisation d'un Range Extender. Ce composant

permet de générer le courant électrique requis à bord pour l'entraînement au moyen d'un petit moteur à

combustion.

Mais il n'y a pas que les composants qui peuvent aff ecter l'effi cacité et l'autonomie d'un véhicule de

manière décisive. Les performances de la batterie et l'effi cacité de tous les consommateurs électriques,

et donc du système de climatisation, jouent également un rôle. L'effi cacité du système de climatisation

sera de ce fait encore optimisée à l'avenir, de sorte que l'autonomie du véhicule soit progressivement

augmentée.

Seul un jeu parfait de tous les composants au sein d'un véhicule qui se fondent sur un entraînement élec-

trique peut permettre d'atteindre une demande durable pour ce type de mobilité.

Notes

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