Systèmes CVC à pompe à chaleur pour véhicules électriques

Dans les véhicules électriques, le même moteur électrique est généralement utilisé pour le système de chauffage, de ventilation et de conditionnement d’air (CVC) et pour propulser le véhicule. Les installations de chauffage électrique et les compresseurs pour le conditionnement d’air consomment énormément d’énergie. Par conséquent, l’autonomie du véhicule est considérablement réduite, généralement jusqu’à 40 %. [1] 

 

Des études expérimentales suggèrent que les systèmes de pompe à chaleur avec frigorigène offrent une efficacité énergétique nettement accrue, permettant ainsi d’augmenter l’autonomie des véhicules électriques et de réduire les émissions de CO₂. Il a également été signalé que plusieurs fabricants de l’industrie automobile adoptent des systèmes de pompe à chaleur pour leurs véhicules électriques. En outre, divers frigorigènes à faible PRP ont été étudiés dans la littérature en vue d’optimiser les systèmes de pompe à chaleur dans les véhicules électriques. [2] 

 

Système de pompe à chaleur au CO₂ (R744) avec compresseur de refroidissement intermédiaire ^[3] 

 

Diverses études expérimentales semblent soutenir le développement de systèmes de pompe à chaleur à base de CO₂ (R744) pour les véhicules électriques. Toutefois, la recherche montre que l’utilisation d’un échangeur de chaleur interne entraîne une température de refoulement élevée. Une température de refoulement élevée est particulièrement problématique dans les systèmes de pompes à chaleur pour les véhicules électriques, principalement en raison de leur large plage de température de fonctionnement. Ces systèmes doivent fonctionner dans des climats extrêmement chauds ou froids, où la température de refoulement peut généralement atteindre 130 °C, voire 150 °C.  Il convient donc de trouver des solutions pour surmonter le problème de température de refoulement élevée et d’améliorer les performances dans des conditions climatiques extrêmement difficiles. 

 

Une étude récente a proposé un système au CO₂ pour les véhicules électriques qui introduit le concept de refroidissement intermédiaire et utilise un compresseur avec deux ports supplémentaires réservés au refroidissement intermédiaire. Selon les chercheurs, cette technologie contribue à une augmentation de 19,8 % de la capacité maximale de refroidissement et à une amélioration de 12,5 % du COP optimal par rapport au système au CO₂ de base dans des conditions ambiantes extrêmement chaudes (45 °C). En ce qui concerne le mode chauffage, en comparant la pompe à chaleur au CO₂ proposée avec un compresseur de refroidissement intermédiaire (CRI) et une pompe à chaleur au CO₂ sans CRI, les auteurs ont constaté que le système avec CRI offrait de meilleures performances de chauffage. Ils ont constaté une augmentation de 50 à 132 % de la capacité de chauffage et une amélioration de 18,9 à 61,9 % du COP à mesure que la température ambiante diminue de 0 °C à −20 °C. 

 

Ils ont également constaté que le COP du système de pompe à chaleur au CO₂ avec CRI était d’environ 1,70 à une plage de températures allant de −20 °C à 20 °C, alors que la température de refoulement était maintenue bien en deçà de 100 °C.  De plus, la charge optimale de frigorigène semblait augmenter avec la température ambiante en mode chauffage. Dans cette étude, la charge de frigorigène idéale pour le système expérimental était d’environ 0,75 kg pour s’adapter à une température ambiante de −20 °C à 0 °C. 

 

Un système innovant pour le désembuage en mode chauffage [1] 

 

Les systèmes de pompe à chaleur ne sont généralement pas conçus pour réduire l’humidité à l’intérieur de l’habitacle d’un véhicule électrique. Par conséquent, la surface intérieure du pare-brise s’embue lorsque la température du verre descend sous le point de rosée de l’air de l’habitacle. Cela nuit gravement à la visibilité du conducteur, ce qui représente un risque majeur pour la sécurité routière. Il faut donc trouver des solutions efficaces pour chauffer et déshumidifier simultanément l’air de l’habitacle. 

 

Une récente étude taïwanaise a proposé un nouveau système de CVC qui offre une fonction supplémentaire de déshumidification à haut rendement en plus des fonctionnalités habituelles de chauffage et de conditionnement d’air pour les véhicules électriques. L’équipement expérimental comprenait principalement un compresseur rotatif, deux échangeurs de chaleur intérieurs, un échangeur de chaleur extérieur, deux chauffe-air électriques, deux détendeurs, deux vannes à trois voies, une vanne à quatre voies et quatre clapets de non retour. 

 

Les principales conclusions de cette étude sont les suivantes :  

1. En mode conditionnement d’air, un COP de 3,18 a été atteint. La température à l’intérieur de l’habitacle modélisé est descendue sous les 25 °C en cinq minutes et est descendue à environ 15 °C dans des conditions de régime permanent.   

2. En mode chauffage, un COP de 3,3 a été atteint. La température de la cabine est passée à 30 °C en 10 min et a atteint environ 40 °C en régime permanent.  

3. En mode désembuage, la performance de déshumidification obtenue était égale à 1,47 L/kWh, ce qui répond à l’exigence minimale de la norme CNS 12492 à Taïwan. L’air aspiré de la chambre d’essai à 27 °C a été déshumidifié et réduit à une température d’environ 17 °C par un évaporateur, puis est passé à travers un condenseur, où il a été chauffé à une température d’environ 40 °C.

 

Sources 

[1] Chang, T.-B.; Sheu, J.-J.; Huang, J.-W. High-Efficiency HVAC System with Defog/Dehumidification Function for Electric Vehicles. Energies 2021, 14, 46. https://doi.org/10.3390/en14010046 

[2] Wu, J., Zhou, G., & Wang, M. (2020). A comprehensive assessment of refrigerants for cabin heating and cooling on electric vehicles. Applied Thermal Engineering, 115258. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115258 

[3] Chen, Y., Zou, H., Dong, J., Wu, J., Xu, H., & Tian, C. (2021). Experimental investigation on the heating performance of a CO₂ heat pump system with intermediate cooling for electric vehicles. Applied Thermal Engineering, 182, 116039. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.116039