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HAL Id: tel-03081279 https://pastel.archives-ouvertes.fr/tel-03081279 Submitted on 18 Dec 2020 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Etude et amélioration d’une pompe à chaleur pour véhicule électrique en conditions de givrage Florent Breque To cite this version: Florent Breque. Etude et amélioration d’une pompe à chaleur pour véhicule électrique en condi- tions de givrage. Energie électrique. Université Paris sciences et lettres, 2017. Français. NNT : 2017PSLEM083. tel-03081279 THÈSE DE DOCTORAT de l’Université de recherche Paris Sciences et Lettres PSL Research University Préparée à MINES ParisTech Étude et Amélioration d’une Pompe à Chaleur pour Véhicule Électrique en Conditions de Givrage COMPOSITION DU JURY : Mme. Laurence FOURNAISON IRSTEA, Présidente du jury M. Vincent LEMORT Université de Liège, Rapporteur M. Rémi REVELLIN INSA LYON, Rapporteur M. Jugurtha BENOUALI VALEO, Examinateur M. Assaad ZOUGHAIB Mines ParisTech, Examinateur M. Maroun NEMER Mines ParisTech, Examinateur Soutenue par FLORENT BREQUE Le 24 octobre 2017 h Ecole doctorale n°432 SCIENCES DES MÉTIERS DE L’INGÉNIEUR Spécialité ÉNERGÉTIQUE ET PROCÉDÉS Dirigée par Assaad ZOUGHAIB Encadrée par Maroun NEMER Thèse confidentielle jusqu’au 24 octobre 2020 Rsfsdf Page i Remerciements Bien plus qu’un simple travail technique, une thèse est une expérience de vie à tous les niveaux. Loin d’être un travail solitaire mené dans un coin au fond d’un laboratoire, une thèse est rendue possible par l’implication de nombreuses personnes. Je souhaite exprimer ma gratitude à Maroun Nemer, directeur du Centre d’Efficacité énergétique des Systèmes (CES), pour m’avoir offert l’opportunité de mener ma thèse de doctorat dans son équipe ainsi que pour son soutien et ses précieux conseils en tant qu’encadrant. Je remercie aussi sincèrement Assaad Zoughaib, mon directeur de thèse, pour toutes nos discussions techniques enrichissantes et ses réponses toujours instructives. Je tiens à remercier Daniel Neveu, pour la collaboration avec Valéo et tous les échanges que nous avons eus dans le cadre de cette thèse. Par ailleurs, je remercie sincèrement Vincent Lemort et Rémi Revellin de m’avoir fait l’honneur d’être les rapporteurs de mes travaux de thèse ainsi que Laurence Fournaison et Jugurtha Benouali qui ont accepté d’examiner ces derniers. Cette thèse n’aurait pas été possible sans l’équipe de la Plateforme Technologique, du service administratif et sans les collègues devenus bien plus que cela. Ainsi, je tiens à remercier: ‐ Franck Fayolle pour m’avoir guidé et appris beaucoup relativement aux dispositifs expérimentaux, Olivier Calmels pour son énorme travail sur les deux bancs d’essai ainsi que sa bonne humeur, Serge Galibourg pour son expertise et son travail impressionnant, Erwan Prima sans qui le montage de la CTA aurait pris beaucoup plus de temps et Rachid Did qui a aussi participé à la réalisation du banc ; ‐ Rocio Valdez Carranza, Marie‐Astrid Krames, Philomène Angelosanto et Joëlle Andrianarijaona, qui ont toujours répondu avec gentillesse et efficacité à mes demandes, ainsi qu’un spécial clin d’œil à Isabelle Focquenoey pour sa longue et ardue relecture du manuscrit ; ‐ Et finalement, les meilleurs, Afif Tajouri, Egoï Ortego, Elias Zgheib, Jérémie Fricker, Karim Besbes, Luca Di Cairano, Rami Abou Eid, Sahar Salame et Zoheir Hadid, pour ne citer qu’eux, pour tous nos débats scientifiques et nos débats de société enflammés. Enfin, il me reste un dernier remerciement des plus chaleureux à adresser à ma famille: ‐ Ma mère qui m’a beaucoup aidé à plusieurs niveaux tout au long de cette période ardue, notamment grâce à sa relecture complète, ainsi que mon frère (de la relecture aussi !), mon père, ma sœur, ma belle‐mère et mon beau‐père (ah le givre en anglais…) qui m’ont toujours soutenu ; ‐ Mes filles, Alice tout d’abord, 4 ans, pour m’avoir indirectement poussé à me lancer dans ce projet et Jeanne, 6 mois, qui m’a tenu éveillé des nuits durant me permettant de rédiger une partie du manuscrit… ; ‐ Et surtout, ma blonde, mon amour, Emilie, pour ses heures de relecture de mon excellent anglais, mais surtout pour ses encouragements ainsi que son soutien inestimable (et sa patience, j’imagine…), autant dans les bons que les mauvais moments. Page ii Page iii Résumé ETUDE ET AMELIORATION D’UNE PAC POUR VE EN CONDITIONS DE GIVRAGE 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 : [texte confidentiel]. Deux prototypes ont été fabriqués, à partir de l’évapo‐condenseur de la Renault Zoé, puis testés. Le meilleur des deux échangeurs, celui à [texte confidentiel], 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 [texte confidentiel], cette perte d’autonomie est de 3% seulement. Mots clés : croissance de givre, givrage d’évaporateur de pompe à chaleur, autonomie des véhicules électriques, impact du système CVC, besoins thermiques des cabines, échangeur de chaleur à microcanaux. Abstract STUDY AND IMPROVEMENT OF A HP FOR EV UNDER FROSTING CONDITIONS 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: [confidential text]. 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 [confidential text], 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 [confidential text]. Keywords : frost growth, evaporator frosting, heat pump frosting, electric vehicle range, HVAC impact, cabin thermal needs, microchannel heat exchanger. Thèse – Florent Brèque – 2017 Page iv Heating of Electric Car Cabins: the Heat Pump Solution and the Frosting Issue For uploads/Geographie/climatisation-voture.pdf