Gestion Énergétique et Thermique d’un véhicule électrique. Le projet VEGETO André Bontemps 1, Hervé Leuck 4, Laurent Royon 2, Julien Tissot 3, Kamel Azzouz 3 1 Laboratoire Interdisciplinaire des Energies de Demain (LIED) Université Denis Diderot. Paris 7. 2 Laboratoire Matière Systèmes Complexes (MSC). Université Denis Diderot. Paris 7. 3 Valeo Thermal Systems, Centre de recherche. 4 MCI Technologies 1

Les laboratoires Le projet Projet VEGETO: FUI et partenaires Contexte Etudes de gestion thermique Gestion thermique de la batterie électrique Gestion thermique de l’habitacle Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Sommaire 2

- Sciences fondamentales et énergies décarbonées - Recherche et Ingénierie en efficacité énergétique - Prospective, socio-économie et politiques publiques des énergies - Energies et méthodologies interdisciplinaires Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Les laboratoires Laboratoire Interdisciplinaire des Energies de Demain (LIED) 3

Laboratoire Matière et Systèmes Complexes - Biofluidique - Matériaux et matière molle - Polymères - Théorie des systèmes complexes - Fluides complexes - Microfabrication Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Les laboratoires Laboratoire Matière et Systèmes Complexes (MSC) 4

une DSC METTLER TOLEDO un rhéomètre à contrainte imposée (Anton Paar) un rhéomètre à cisaillement imposé Rhéomètre ARES-G2 (TA instrument) un conductimètre Hot Disk (Thermoconcept) une chambre climatique -40°C à 300°C un micro-rhéomètre basé sur la diffusion par brownien (home made) Dispositifs et matériels de mesures. Banc d’essais banc d‘essais d’échangeurs 2 caméras rapides 2 cameras infra rouge FLIR Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Les laboratoires 5

Véhicule Electrique: Gestion Energétique et Thermique Optimisée Projet FUI: Fonds Unique Interministériel - Projet labellisé par les pôles de compétitivité - Au moins deux entreprises et un organisme de recherche ou formation - Piloté par une entreprise L’implication de PME et ETI est un plus Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Le projet 6

Projet VEGETO. Les partenaires Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Le projet Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France 7

Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Contexte 8

Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Contexte 9

Pour accroître l’autonomie de la batterie, il paraît utile de limiter fortement les besoins électriques qui ne participent pas au fonctionnement du moteur électrique. Le chauffage de l’habitacle par exemple demeure, notamment en période hivernale, une source importante de la diminution de l’énergie électrique. Une solution possible est l’incorporation d’une batterie thermique dissociée de la batterie électrique, qui constituerait le réservoir d’énergie thermique dédié au chauffage de l’habitacle en période hivernale. L’énergie thermique serait chargée dans ce réservoir en même temps que l’on effectue le chargement de la batterie électrique. Ce système de batterie thermique permet ainsi, en période hivernale, de conserver les propriétés optimales du véhicule. Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Contexte 10

Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Contexte D’où deux axes principaux: - Gestion thermique de la batterie électrique - Gestion thermique de l’habitacle (Batterie thermique) Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France 11

Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de la batterie électrique 12

13 Couplage MCP / Batteries Li-ion Méthodes de gestion thermique de la batterie électrique Air chaud ou froid MCP Liquide chaud ou froid Système diphasi- que Combinaison Liquid Thermal Management système actif, complexe et coûteux Air Thermal Management : système actif, complexe et coûteux MCP : système passif, mais conductivité thermique faible Combinaison Refroidissement par boucle diphasique : système actif ou passif Critères importants Chaleur latente Conductivité thermique Température de fusion /cristallisation Avantages Système passif Moins complexe Moins coûteux Limitations Conductivité souvent faible Difficultés à cycler le matériau Contraintes Masse ajoutée MCP vert Stable Non toxique Non inflammable Non corrosif Surfusion à éviter Couplage MCP/batterie pour que la température de la batterie reste comprise entre 20 et 25°C Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de la batterie électrique

Gestion thermique de la batterie électrique Régulation par airRégulation par liquide de refroidissement Régulation par fluide frigorigèneRégulation par un système passif contenant un MCP (faible puissance) Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de la batterie électrique 14

Modèle : –Cellule de batterie : élément chauffant (puissance dissipée par effet Joule) –MCP : épaisseur de 0,002 m –Canalisations d’air : 1 mm d’épaisseur Air MCP Cellule + MCP + Circulation d’air Fonctionnement : –Le MCP absorbe l’énergie produite en trop par la cellule –Le débit d’air commence après la sollicitation pour régénérer le MCP Etude sur différents MCP et différents systèmes pour optimiser le couplage Exemple de système Cellule de batterie Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de la batterie électrique 15

Chauffage et stockage de chaleur Gestion thermique de l’habitacle Echangeur liquide – air « Heater core » Habitacle Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de l’habitacle Batterie thermique 16

Gestion thermique de l’habitacle Solutions déjà étudiées Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de l’habitacle 17

Echangeur liquide – air « Heater core » Chauffage et stockage de chaleur Habitacle Gestion thermique de l’habitacle Solution retenue: lit de particules polymère - MCP Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de l’habitacle 18

1- INCORPORATION DE MATERIAUX A CHANGEMENT DE PHASE DANS UNE MATRICE THERMOPLASTIQUE. 19 Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de l’habitacle Fabrication des particules de polymère-MCP Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France

1.1 Objectifs Le projet Vegeto nécessite la fabrication de granulés thermoplastiques à haute capacité thermique (de préférence verts): Ces granulés doivent impérativement répondre aux caractéristiques suivantes: – Résistance au glycol à 100°C en étuve ventilée pendant 2 mois. – Puissance thermique importante (au moins 130 J/g). 20 Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de l’habitacle Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France

1.2 Problématique -Les granulés ne doivent pas subir de dilatation (ou très peu) lors du changement de phase. Les dilatations provoquent une agglomération des granulés entre eux et empêchent la circulation du liquide caloporteur (eau glycolée). -Il ne doit pas y avoir de résurgence de corps gras lors des refroidissements. Ceux-ci provoquent également une agglomération des granulés à froid et donc un ralentissement de la circulation du liquide caloporteur. 21 Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de l’habitacle Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France

1.3 Axe de recherche. Choix du polymère thermoplastique Très peu de polymères thermoplastiques offrent une bonne résistance à l’eau glycolée. Nous travaillons sur du PEHD (poly-ethylène haute densité) et du PMMA (poly-méthacrylate de méthyle). Choix du type de matériau à changement de phase à extruder -Extrusion de mcp encapsulés -Extrusion de mcp non-encapsulés 22 Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de l’habitacle Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France

1.4 Résultats 23 Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de l’habitacle Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France

1.4 Résultats 24 Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de l’habitacle Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France

1.4 Analyse Nos premiers résultats montrent qu’en choisissant soigneusement le couple (polymère/eau glycolée) il est possible d’extruder des granulés thermo-sensibles résistants au liquide caloporteur d’une batterie thermique. Nous essayons de conforter ces résultats sur des granulés possédant une chaleur latente supérieure à 130 J/g. 25 Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de l’habitacle Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France

Gestion thermique de l’habitacle Solution retenue: lit de particules polymère - MCP Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de l’habitacle Deux actions Expérience: Boucle d’essais Modélisation Evolution des températures Pertes de charge En cours de montage 26

Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de l’habitacle Evolution des températuresPertes de charge ε: Porosité Exemple de résultat de modélisation 27

Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Etudes de gestion thermique: Gestion thermique de l’habitacle Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Exemple de résultat de modélisation 28

Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Conclusion (provisoire) Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France Description d’un projet collaboratif Université – Industrie A mi-parcours, résultats en accord avec les prévisions initiales 29 Conclusion

Gestion thermique d’un véhicule électrique: le projet VEGETO Remerciements Colloque Thermique Recherche Internationale Industrie TR2I. 23 – 24 Mai 2016 – Saint Malo - France MERCI DE VOTRE ATTENTION 30