État de l’Art modélisation et commande des systèmes à compression de Vapeur

LE PROBLÈME PERSISTANT DE L’AUTONOMIE DE LA BATTERIE

   Dans les véhicules électriques (utilisant une batterie comme source énergétique), le rendement d’énergie utilisée par rapport à l’énergie consommée est largement supérieur à celui d’un moteur thermique. En dépit de cela, la capacité de stockage d’énergie dans cette classe des voitures électriques est très inférieure à ses concurrents thermiques. Cela explique que l’autonomie de la batterie reste l’une des problématiques principales de ces véhicules. En effet, l’autonomie de la batterie semble être depuis longtemps l’une des principales barrières pour les acheteurs potentiels de ces véhicules, ainsi que les temps de recharge (Chéron & Zins, 1997). Ces deux facteurs pris ensembles rendent ces véhicules peu efficaces pour de longs trajets, par exemple, dans un parcours entre deux villes distantes. Pour résoudre le problème de la recharge, des stratégies incluant l’utilisation de bornes spéciales « haute puissance », ainsi que le remplacement de batteries vides pour des batteries pleines (« quick drop ») sont développées. Parallèlement, le problème de l’autonomie est abordé avec deux types de stratégies : celles visant à stocker plus d’énergie dans la batterie et celles visant à réduire la consommation énergétique des différents organes (particulièrement ceux non liés au groupe motopropulseur).

LE CONFORT DES PASSAGERS

   La notion du confort d’un individu est plus complexe qu’elle n‘y paraît. En effet, elle dépend de plusieurs variables internes et externes à l’individu. Par exemple, dans (McDowall, 2006), nous retrouvons un modèle de confort avec six variables externes : les conditions thermiques, la qualité de l’air, l’acoustique, l’illumination, les aspects physiques de l’espace entourant l’individu, ainsi que son environnement psychosocial. Parmi elles, seules les conditions thermiques et la qualité de l’air peuvent être manipulées de façon constante dans l’habitacle des voitures (il est éventuellement possible d’agir sur l’illumination et l’acoustique). Régler la qualité de l’air consiste à éviter que les gaz nocifs dépassent certains seuils de sécurité, à l’aide de la régulation d’air neuf/recyclé. Cependant, assurer le confort thermique de tous les passagers n’est pas une tâche simple car la perception du confort peut dépendre de chaque individu. Ainsi, l’ASHRAE donne la définition suivante pour le confort thermique : « l’état d’esprit d’un individu qui exprime satisfaction avec l’environnement thermique, et est évalué de façon subjective ». Ainsi, l’échelle la plus utilisée pour définir le confort thermique contient sept ensembles flous, avec des valeurs comprises entre -3 (très froid) et 3 (très chaud). Avec l’introduction de cette échelle, (Fanger, 1970) a également donné une équation permettant d’obtenir un « vote moyen prévisible » (PMV) en fonction de six variables physiologiques : niveau d’activité de l’individu (métabolisme), isolation des vêtements, température de l’air, température due au rayonnement du soleil, humidité et débit de l’air. Donc, pour réussir un niveau de confort optimal dans l’habitacle, les conditions de température et d’humidité doivent être réglées pour produire un PMV égal à 0. Néanmoins beaucoup d’autres facteurs peuvent avoir une influence sur le confort thermique d’un individu. Par exemple, la disposition et le nombre de récepteurs nerveux sensibles au froid et au chaud dans l’être humain sont responsables d’une sensibilité plus ou moins importante à percevoir le froid. De ce fait même, le ressenti des températures diffère d’une zone du corps à l’autre et peut varier avec l’âge de l’individu (Guergova & Dufour, 2010). De plus, des variables dynamiques affectent également le confort thermique : le temps d’adaptation (temps que met l’individu à entrer en équilibre avec l’environnement du fait de sa propre inertie thermique), la nature des transitions de température et du débit d’air (c’est-à-dire si le sujet est exposé à des changements brusques de température ou du débit d’air, ou à des variations plus douces), et même les attentes thermiques liées à l’environnement (McDowall, 2006). Ainsi, pour pouvoir gérer le confort de l’habitacle, nous retrouvons des composantes passives et actives. Les premières se réfèrent surtout aux matériaux utilisés pour maintenir l’habitacle bien isolé par rapport à l’extérieur du véhicule. En revanche, les composantes actives permettent de faire évoluer les conditions thermiques à l’aide de divers actionneurs. Il est important de noter cependant que les véhicules à moteur électrique et à moteur thermique partagent certains de leurs actionneurs thermiques mais pas la totalité.

SYSTÈMES THERMIQUES UTILISÉS DANS LES VÉHICULES À MOTEUR THERMIQUE

   Comme la plupart des innovations dans l’automobile, plusieurs technologies en relation avec le confort thermique ont été développées dans ce type de véhicules. Cela a permis d’exploiter certaines caractéristiques de ces véhicules qui ne sont pas réutilisables dans le cas des véhicules électriques. Par exemple, l’avantage principal dans ces véhicules est que la chaleur dissipée par leur moteur thermique peut être récupérée pour chauffer l’habitacle, ce qui permet de rendre cette prestation assez facilement réalisable. Un autre avantage vient du fait que l’utilisation d’actionneurs demandant de l’énergie électrique pénalise peu l’autonomie de ces véhicules. Dans le cas des véhicules thermiques, on peut distinguer trois types de systèmes fréquemment utilisés : la boucle froide (pour gérer la climatisation), l’HVAC ou soufflerie d’air et les résistances chauffantes.

TYPES DE DÉTENDEUR

Parmi les détendeurs, trois types peuvent être mis en évidence :
– le détendeur thermostatique, qui permet de diminuer la surchauffe par un système mécanique : un capteur de température en sortie de l’évaporateur permet de créer une différence de pression dans un diaphragme (pour les gaz, la pression est proportionnelle à la température) ; le diaphragme exerce une force sur une tige couplée à un ressort pour augmenter ou diminuer la surface de passage du fluide réfrigérant (figure 2.11) ; Le diaphragme permet de réguler la surface dans laquelle le réfrigérant s’écoule.
– l’orifice tube ou détendeur capillaire, utilisé dans une partie importante des systèmes à compression de vapeur dans l’industrie automobile en raison de son faible coût, permet de fixer manuellement le diamètre de passage (figure 2.12). Ce système est donc réglé pour donner une surchauffe nulle en sortie de l’évaporateur (en régime statique) ;
– le détendeur électronique, qui permet le réglage du diamètre du détendeur à l’aide de signaux électriques (figure 2.13). Sa commande permet d’avoir un effet fin (légère variation) sur la pression, ainsi que de l’utiliser comme vanne complètement fermée pour permettre d’inverser le sens de fonctionnement du système (Pompes à chaleur réversibles). Cela peut se faire à l’aide de moteurs pas à pas ou bien de solénoïdes commandés en tout rien (avec hystérésis).

TYPES D’ÉCHANGEURS DE CHALEUR PAR RAPPORT À LEUR POSITIONNEMENT

   Le positionnement d’un échangeur de chaleur (par rapport à l’habitacle) permet de définir son objectif. De ce fait, nous retrouvons qu’un organe utilisé pour absorber la chaleur d’une pompe à chaleur réversible en mode climatisation peut permettre de libérer la chaleur si le débit du réfrigérant est inversé par rapport à ce mode. Cela permet la classification suivante :
– condenseur : l’un des quatre organes principaux des systèmes à compression de vapeur, il permet de changer la phase du réfrigérant (de gaz vers liquide) pour libérer de la chaleur à température constante ;
– évaporateur : l’autre échangeur de chaleur nécessaire pour le cycle, il permet de changer la phase du réfrigérant (de liquide vers gaz) pour absorber de la chaleur à température constante ;
– aérotherme / radiateur : lorsque le système à compression de vapeur est couplé à une boucle à eau externe, nous avons besoin d’un organe additionnel pour échanger la chaleur entre l’eau et l’air. Alors qu’il s’agit du même organe, dans l’automobile le terme aérotherme est utilisé pour se référer à l’échangeur localisé près de l’habitacle tandis que le terme radiateur est utilisé pour l’échangeur de chaleur localisé dans la boucle thermique permettant de refroidir le moteur. Dans ces organes, il n’y a pas de changement de phase du mélange eau-glycol ;
– échangeur de chaleur interne : C’est un échangeur de chaleur additionnel pour les cycles transcritiques. Comme son nom le suggère, cet organe ne réalise pas d’échanges avec des fluides externes (des deux côtés il y a un fluide réfrigérant qui s’écoule). Ainsi, d’un côté nous retrouvons le réfrigérant à haute pression/température et de l’autre à basse pression/température. Ces organes permettent d’augmenter l’efficacité de ces systèmes.

ACCUMULATEUR/RÉSERVOIR

   Les accumulateurs et réservoirs sont des bouteilles localisées en sortie des échangeurs de chaleur. Ils ont différents objectifs :
– Les accumulateurs sont localisés en entrée du compresseur et leur fonction est d’éviter que le réfrigérant entre dans le compresseur en phase liquide ; cela se réalise grâce au fait que le débit est fortement diminué et, s’il y a entrée d’un mélange liquide-vapeur dans cet organe, le liquide se dépose dans la partie basse de la bouteille par gravité alors que la vapeur continue son parcours vers le compresseur.
– Nous retrouvons les réservoirs en sortie du condenseur pour stocker l’excès de réfrigérant et, en même temps, assurer qu’il entre en phase liquide dans le détendeur.Dans le cas des systèmes dont le sens du réfrigérant est inversé, il peut être important d’avoir les deux organes (s’ils permettent d’avoir un fonctionnement réversible). Cela pour assurer que, dans les deux modes de fonctionnement, le réfrigérant n’entrera pas en phase liquide et endommage le compresseur.

Table des matières

Introduction
1 Contexte des Véhicules Electriques
1.1 Gamme Zéro Emission
1.2 Le problème persistant de l’autonomie de la batterie
2 Motivation
2.1 Le confort thermique
2.1.1 Le confort des passagers
2.1.2 Systèmes thermiques utilisés dans les véhicules à moteur thermique
2.1.3 Systèmes thermiques utilisés dans les véhicules à moteur électrique
3 Structure de la thèse
Systèmes à Compression de Vapeur
1 Introduction
2 Fonctionnement
3 Classification des Systèmes
4 Principaux Organes
4.1 Compresseur
4.1.1 Généralités
4.1.2 Types de compresseur
4.2 Détendeur
4.2.1 Généralités
4.2.2 Types de détendeur
4.3 Échangeurs de chaleur
4.3.1 Généralités
4.3.2 Types d’échangeurs de chaleur par rapport à leur positionnement
4.3.3 Types d’échangeurs de chaleur par rapport à leur architecture / technologie
4.4 Réfrigérant 
4.4.1 Généralités
4.4.2 Types de réfrigérant
4.5 Éléments additionnels 
4.5.1 Vannes et Tuyaux
4.5.2 Accumulateur/Réservoir
4.5.3 Pompes et ventilateurs
4.5.4 Boucles thermiques externes (à eau)
5 État de l’Art : Modélisation et Commande des Systèmes à Compression de Vapeur 
5.1 Modélisation thermique
5.1.1 Les fluides
5.1.2 Le compresseur et le détendeur
5.1.3 Les échangeurs de chaleur
5.2 Techniques pour la modélisation orientée commande et la commande
5.2.1 Modèles du premier ordre / non-physiques
5.2.2 Modèles du premier ordre / physiques
5.2.3 Modèles « boîte noire »
5.2.4 Modèles physiques à paramètres localisés
5.2.5 Modèles physiques à frontière mobile
5.2.6 Modèles à volume fini discrétisés
6 Description du système
7 Conclusion du chapitre
Modélisation des Systèmes Thermiques
1 Introduction
2 Démarche générale pour la Modélisation
2.1 Pompe à Chaleur
2.1.1 Besoins et démarche
2.1.2 Hypothèses
2.1.3 Approche Semi-Physique
2.2 CTP
2.3 Habitacle
2.3.1 Besoins et démarche
2.3.2 Hypothèses
2.3.3 Approche Physique
2.4 HVAC
2.4.1 Généralités
2.4.2 Architecture
2.4.3 Modélisation
3 Identification et validation des paramètres
3.1 Essais disponibles
3.2 Stratégie d’identification et validation
3.2.1 Analyse des résultats
3.2.2 Définition d’un plan d’essais pour d’autres systèmes similaires
4 Conclusion du chapitre
Commande d’une Pompe à Chaleur
1 Introduction
2 Modélisation pour la commande
2.1 Définition des scénarios pour la commande
2.2 Linéarisation du modèle complèt de la PAC
3 Synthèse de la loi de commande : Cahier de charges
4 Commande en Régime du Compresseur
4.1 Réglage d’un régulateur PI
4.2 Structure pour la prise en compte de contraintes
4.2.1 Régulateur PI modifié
4.2.2 Régulateur ܪஶ
4.2.3 Sensibilité de l’approche entre l’erreur sur la température de l’air et le dépassement des contraintes
4.2.4 Discrétisation des correcteurs
4.3 Résultats en simulation MIL
5 Pilotage du groupe motoventilateur (GMV)
5.1 Régulation de la vitesse du GMV de façon proportionnelle au régime compresseur
5.2 Régulation de la vitesse du GMV D’un point de vue débit minimum 
5.3 Validation des algorithmes
6 Conclusion du chapitre
Supervision / Optimisation Energétique
1 Introduction
2 Définition du problème
2.1 Objectif de la supervision
2.2 Problématique hybride
3 Optimisation hors–ligne
3.1 Domaine de recherche : contraintes de la commande et de l’état du système 
3.2 Hypothèses de modélisation
3.3 Modélisation simplifiée
3.3.1 Modélisation en temps continu
3.3.2 Modélisation en temps discret
3.4 Définition du problème
3.5 Sensibilité des paramètres
3.5.1 Coefficient de Pondération
3.5.2 Horizon / pas d’échantillonnage
3.5.3 Taille du système
3.6 Résultats de la simulation MIL
3.7 Autres Problématiques
3.7.1 Positionnement des CTP
3.7.2 Air recyclé
4 Optimisation en–ligne
4.1 Propositions pour une solution temps réel
4.1.1 Adaptation des Résultats hors-ligne
4.1.2 Algorithme en-ligne
4.2 Résultats de la simulation MIL
5 Conclusions du chapitre
Conclusions et Perspectives
1 Conclusion Générale
2 Perspectives
Annexes et Bibliographie
Annexe A : Méthodes pour l’estimation de la Puissance Thermique Echangée dans les Echangeurs de Chaleur
Méthode DTLM
Méthode d’efficacité-NUT
Annexe B : Modèle linéaire pour la Commande
État 1 : Régime du compresseur
État 2 : Pression du réfrigérant sortant du compresseur
État 3 : Température du réfrigérant sortant du compresseur
État 4 : Température de l’eau entrant à l’aérotherme
État 5 : Pression du réfrigérant sortant du détendeur
Bibliographie

Télécharger le rapport complet