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Article

1 - ÉVOLUTION DES MOTORISATIONS AUTOMOBILES

2 - ÉVOLUTION DE LA CLIMATISATION AUTOMOBILE

3 - CONFORT HABITACLE

4 - THERMAL MANAGEMENT

5 - CONCLUSION

6 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : BE9785 v1

Évolution des motorisations automobiles
Climatisation automobile

Auteur(s) : Jean-Luc THUEZ

Date de publication : 10 déc. 2017

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RÉSUMÉ

La climatisation automobile est liée à l’évolution ou  à la mutation des motorisations. Ce changement s’effectue sous des contraintes de réglementation (consommation / pollution) et sociétale (mode de déplacement).  Un véhicule dit « propre » réduit ou supprime totalement les émissions d’un moteur. Un moteur thermique traditionnel entraîne mécaniquement des auxiliaires (alternateur, pompe à eau et compresseur de climatisation) et ce sont ses pertes thermiques qui assurent le chauffage pour le confort des passagers. Limiter ou supprimer le fonctionnement de ce type de moteur, c’est modifier la climatisation « mécanique » qui lui est associée. Le véhicule s’électrifie  partiellement (micro-hybride, hybride) jusqu’à devenir totalement» électrique et il nécessite des composants nouveaux (batterie, moteur électrique, électronique de puissance) qui demandent une gestion thermique pour fonctionner. La gestion des flux thermiques produits par les composants de la chaîne de traction et son couplage aux besoins du confort habitacle se nomme « thermal management ». La climatisation, considérée il y a quelques années comme ‘gratuite’, devient quantifiable en termes d’énergie dépensée pour l’autonomie du véhicule en mode électrique ou pour la consommation en mode thermique. Pour un véhicule électrique en hiver par température basse,  le chauffage pour le confort des passagers réduit l’autonomie de plus de 30%.

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ABSTRACT

Automotive air conditionning

Automotive air conditioning is linked to the evolution or mutation of engines. This change is made under the constraints of regulation (consumption / pollution) and society (means of transport). A "clean" vehicle reduces or completely eliminates emissions from an thermal engine. A standard heat engine mechanically drives auxiliaries (alternator, water pump and air conditioning compressor) ;  thermal losses that provide heating for the comfort of passengers. Limiting or suppressing  the operation of this type of engine involves modifying the "mechanical" air conditioning associated with it. The vehicle is partially electrified (micro-hybrid, hybrid) to become totally electric and needs new components (battery, electric motor, power electronics) that require thermal management to operate. Thermal management is the management  of the thermal flows produced by the components of the power train and its coupling to the needs of the cabin comfort. Air conditioning, considered a few years ago as 'free', can now be quantified  in terms of the energy expended for the autonomy of the vehicle in electric mode or for consumption in thermal mode. For an electric vehicle in winter at low temperatures, the  heating of passenger comfort reduces autonomy by more than 30%.

Auteur(s)

  • Jean-Luc THUEZ : Ancien Ingénieur R&D chez VALEO Thermique Habitacle

INTRODUCTION

L’histoire de l’automobile a conduit à une standardisation des « plate-formes » et à une production de masse pour baisser les coûts de fabrication. Cette standardisation est remise en cause par l’évolution des normes de pollution automobiles et l’apparition de nouvelles propulsions. Certains constructeurs ont fait le choix de proposer à leurs clients une plate-forme dédiée sans les traditionnelles motorisations essence ou diesel, Toyota a débuté avec sa Prius hybrid, Hyundia avec sa Ioniq propose une version hybride, plug-hybride (batterie rechargeable sur secteur) et électrique.

Les constructeurs automobiles pour obtenir des voitures propres c’est-à-dire sans rejets de polluants dans l’atmosphère, travaillent sur deux axes :

  • baisser la consommation de leur moteur thermique et par conséquence des polluants ;

  • arrêter ou supprimer le fonctionnement du moteur thermique et donc le dégagement des polluants.

Ces deux axes affectent directement la climatisation automobile car :

  • optimiser un moteur thermique, c’est minimiser ses pertes ou rejets thermiques et la fonction chauffage habitacle en est dégradée ;

  • supprimer le fonctionnement du moteur thermique, c’est supprimer l’entraînement par poulie/courroie, des auxiliaires moteur : compresseur mécanique de climatisation, pompe à eau du circuit de refroidissement moteur et supprimer totalement le chauffage et le refroidissement de l’habitacle.

L’objectif en Europe pour 2021 en termes d’émission de gaz à effet de serre lié à la consommation de carburant fossile est de 95 g de CO2 par kilomètre parcouru, soit une consommation de 4,1 L/100 km d’essence ou 3,6 L/100 km de diesel sur un cycle normalisé. Cette consommation peut être obtenue par différents types de véhicules de petites cylindrées (3 cylindres.)... hybrides et électriques, mais l’affaire du « Diesel Gate » a posé le problème de l’obtention de ces consommations normalisées et du décalage constaté avec les consommations réelles des véhicules. Pour donner un ordre d’idée, la surconsommation de la climatisation en été à 30 °C est de l’ordre de 20 à 25 g de CO2 par km et dans le cas de l’utilisation d’un véhicule électrique, l’autonomie en hiver est diminuée de 30 à 50 % par l’utilisation du chauffage. Cette consommation de la climatisation n’est pas quantifiée actuellement dans les cycles d’homologation des véhicules.

De plus, ces propulsions hybride et électrique mettent en œuvre des nouveaux composants : batterie, moteur électrique, électronique de puissance qui ont des besoins de refroidissement ou de chauffage pour des raisons de fiabilité et de fonctionnement optimal. L’optimisation énergétique durant les différentes phases de vie du véhicule (saisons, parcours routier) impose l’imbrication des différents circuits fluidiques et leur gestion thermique (thermal management). C’est la face avant du véhicule qui canalise toutes les attentions : design de la marque, aérodynamisme, taille et agencement des échangeurs évacuant les rejets thermiques des différents composants.

Le côté condensation de la climatisation, présent en face avant par un condenseur en contact direct avec l’air, évolue en proposant différentes solutions comme la condensation indirecte par l’intermédiaire d’un circuit d’eau mutualisée avec d’autres organes du véhicule ou la réversibilité du condenseur en évaporateur en mode pompe à chaleur pour les véhicules électrifiés. Le côté évaporation de la climatisation évolue aussi en incluant le refroidissement des batteries ou en couplant l’évaporateur à un matériau à changement de phase ou encore en intégrant la valorisation des rejets thermiques en mode pompe à chaleur. Pour finir, le compresseur mécanique devient électrique à vitesse variable et depuis le 1er janvier 2017 tous les véhicules fabriqués en Europe utilisent un réfrigérant ayant un potentiel global de réchauffement GWP inférieur à 150 [BE 9 720].

Ces évolutions poussent la climatisation à participer au thermal management des nouvelles propulsions afin de fournir un confort habitacle aux moindres coûts énergétiques et en même temps assurer le conditionnement thermique de nouveaux composants comme les batteries.

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KEYWORDS

thermal management   |   battery cooling

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be9785


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1. Évolution des motorisations automobiles

1880-1930

En 1867, Nikolaus Otto réalise le premier véritable moteur à quatre temps et à la même époque trois hommes donnent les cartes nécessaires pour la traction électrique : Gaston Planté offre pour la première fois en 1859 l’accumulateur au plomb, Zénobe Gramme en 1869 le premier générateur électrique appelé dynamo et Hyppolyte Fontaine en 1873 le moteur électrique issu de la dynamo.

La confrontation de la traction thermique et électrique a eu lieu en 1895 au cours du raid Paris-Bordeaux-Paris, défi lancé à tous les fabricants automobiles soucieux de prouver la fiabilité de leurs véhicules sur une distance de 1 178 km. Parmi les pilotes des trente-neuf engins, on peut citer, pour la traction thermique, Emile Levassor, les frères Michelin, Jules Albert Denion et, pour la traction électrique, Charles Jeantaud avec un prototype de 1 200 kg et des accumulateurs que l’on devait changer tous les 40 km (problème mécanique qui le pénalisa et le contraignit à l’abandon sur les bords de la Gironde).

Malgré les 600 km parcourus, la propulsion électrique n’a pas concurrencé la propulsion thermique sur les routes mais dans les villes. En 1898, Jeantaud gagne le « concours des fiacres », le deuxième est Jenatzy qui une année plus tard passe le mur des 100 km/h à bord de la « Jamais Contente ». De nombreuses villes (Londres, Chicago, Boston, New-York, Philadelphie, Washington) sont séduites par des taxis électriques. Mais en 1914, ce ne sont pas des taxis électriques que l’armée française réquisitionne pour la bataille de la Marne et sauver Paris. De plus en 1908, l’ère de la grande série et de la standardisation débute aux États-Unis par la fabrication de la Ford-T. En 1914, 93 min étaient nécessaires pour la fabriquer mais sa production (plus de 15 millions d’exemplaires) s’est arrêtée en 1927.

À la fin de la première guerre mondiale, la complexité de la recharge des batteries et la disponibilité du pétrole en tout lieu firent que la propulsion thermique s’imposa naturellement.

1930-1990

Cette période comprend l’essor de l’industrialisation (moyens de production), les trente glorieuses, le regroupement de constructeurs, la standardisation et la création de la « plate-forme » (cf. glossaire, § ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BROTHIER (J.-P.) -   La climatisation automobile.  -  Éditions Techniques pour l’Automobile et l’Industrie (ETAI), EAN13 : 9782726883747.

  • (2) - HALDERMAN (J.D.), BIRCH (T.) -   Automotive heating and air conditioning.  -  ISBN-10 : 0133514994.

  • (3) -   Thermal management in automotive applications.  -  SAE International, ISBN of 978-0-7680-8174-9.

  • (4) - ADEME -   Histoire du développement en France du véhicule électrique  -  http://actions-incitatives.ifsttar.fr/fileadmin/uploads/recherches/geri/PFI_VE/pdf/Ademe_histoire_du_VE_pageapage.pdf

  • (5) - ESQUEDA MERINO (D.M.) -   Contrôle/commande avancé pour l’optimisation du confort thermique d’un véhicule électrifié.  -  Thèse de doctorat Supelec, n° d’ordre : 2013-18-TH.

1 Sites Internet

Le nouveau gaz de climatisation réellement dangereux ? – CNET – 17/01/2012 http://www.cnetfrance.fr/cartech/gaz-climatisation-1234yf-danger-inflammable-39767582.htm

Le gaz réfrigérant qui enflamme le secteur Automobile – L’Usine Nouvelle – 27 aout 2013 http://www.usinenouvelle.com/article/le-gaz-refrigerant-qui-enflamme-le-secteur-automobile.N203362

Dossier – Fonctionnement de la climatisation – Guillaume Darding – 02 janv. 2014 https://www.guillaumedarding.fr/dossier-fonctionnement-de-la-climatisation-4415037.html

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