Performances de chauffage et optimisation structurelle des radiateurs PTC haute tension-pour véhicules électriques

Les réglementations mondiales sur les émissions de carbone et l'épuisement des combustibles fossiles ont poussé l'industrie automobile à se tourner vers les véhicules électriques (VE), qui offrent une efficacité énergétique élevée et des émissions de gaz à effet de serre proches de-nul.

Contrairement aux véhicules à moteur à combustion interne (ICE), les véhicules électriques génèrent une chaleur résiduelle négligeable, ce qui rend les systèmes de chauffage dédiés indispensables.-radiateurs à haute tension-à coefficient de température positif (HT-PTC)sont apparus comme la principale solution en raison de leur capacité de chauffage élevée, de leur réponse rapide et de leur fiabilité.

Les radiateurs PTC basse tension-conventionnels (inférieurs ou égaux à 1 kW) servaient uniquement de chauffage d'appoint pour les véhicules ICE, mais les véhicules électriques nécessitent des radiateurs PTC HT-d'une capacité de chauffage de 5 kW ou plus, associés à des spécifications de tension de batterie supérieures à 330 V.

Cette étude se concentre sur les performances de chauffage des radiateurs HT-PTC dans des conditions-de fonctionnement réelles et sur l'optimisation structurelle afin d'améliorer leur densité de production et leur efficacité, un facteur essentiel pour étendre l'autonomie des véhicules électriques.

Deux prototypes de chauffage HV-PTC (Chauffage A : modèle de base ; Chauffage B : modèle amélioré) ont été conçus pour être intégrés dans les systèmes CVC EV, avec quatre noyaux thermiques modulaires (chacun avec trois tiges chauffantes et des ailettes de rayonnement) comme structure centrale. La principale différence de conception réside dans l’ailette de rayonnement, le facteur dominant pour la résistance thermique côté piste. Le radiateur A a adopté unaileron en plaque(pas de 2,0 mm, épaisseur de 0,4 mm, zone de transfert de chaleur de 501,1 mm², poids de 1,8 kg), tandis que le radiateur B comportait unaileron en relief(Pas de 1,6 mm, épaisseur de 0,3 mm, surface de transfert thermique de 507,6 mm², poids de 1,6 kg). La conception des ailettes en relief induit des turbulences du flux d'air pour augmenter le transfert de chaleur, et l'épaisseur réduite des ailettes réduit le poids d'environ 13 % tout en augmentant la zone de transfert de chaleur. Les deux prototypes partagent les mêmes dimensions globales (200 × 210 × 28 mm³) et la même tension d'entrée nominale (330 V), garantissant la compatibilité avec les configurations EV CVC standard.

Un système de test-en boucle fermée conforme aux normes ASHRAE (37, 41.2, 51) a été construit pour évaluer les performances du chauffage PTC HT-, composé d'un canal d'air, d'une chambre environnementale, d'une alimentation CC 500 V/30 A et d'un système d'acquisition de données (DAQ) à 60 canaux.

Les principaux composants de détection comprenaient des thermocouples de type K- (précision de ± 0,1 %) pour la mesure de la température d'entrée/sortie, un capteur de pression différentielle (± 0,14 % de la pleine échelle) pour les tests de chute de pression et un tube de Pitot pour le calcul du débit d'air.

Les conditions de test standard ont été définies comme un débit d'air de 300 kg/h, une température ambiante de 0 degré et une tension d'entrée de 330 V ; des tests supplémentaires ont été effectués sur un débit d'air variable (100 à 500 kg/h), une température d'entrée (0 à 20 degrés) et une tension d'entrée (240 à 330 V). Le fonctionnement en état d'équilibre-a été confirmé lorsque la variation de courant était de ±0,05 A et la variation de température de ±0,1 degré, avec des données collectées à intervalles de 1 s pendant 10+ minutes pour faire la moyenne.

Les performances du chauffage HV-PTC ont été évaluées en fonction de la capacité de chauffage, de l'efficacité, de la chute de pression et de la densité de puissance gravimétrique, avec trois résultats clés issus de tests de conditions variables :

• Débit d'air: À 0 degré/330 V, la capacité de chauffage est passée de ~3 kW à 5,2 kW lorsque le débit d'air a augmenté de 100 à 500 kg/h (avec un taux de croissance décroissant), tandis que l'efficacité s'est améliorée de 83,8 % à 96,6 % ; la chute de pression augmente linéairement avec le débit d'air en raison d'une résistance côté air plus élevée.
• Température d'entrée: À 300 kg/h/330 V, la capacité de chauffage a diminué de 0,35 kW (0 à 20 degrés) en raison de la réduction du transfert de chaleur par convection, mais l'efficacité a augmenté à mesure que la résistance thermique globale du radiateur diminuait.
• Tension d'entrée: À 0 degré/300 kg/h, la capacité de chauffage a légèrement augmenté avec la tension (240-330 V), l'efficacité est restée stable à 95-96 % et le courant d'entrée a considérablement diminué-équilibrant la consommation d'énergie et les performances de chauffage.

Quatre modèles physiques ont été analysés via Ansys Fluent (modèle réalisable κ-ε) pour optimiser la géométrie des ailerons : cas 1 (aileron de la plaque de base), cas 2 (pas d'aileron réduit), cas 3 (épaisseur d'aileron réduite), cas 4 (aileron en relief).

L'analyse du flux thermique a montré que le cas 2 augmentait la capacité de chauffage de 7,1 %, le cas 3 la réduisait de 5,1 % et le cas 4 l'améliorait de 4,8 % (avec une chute de pression dans les limites du système CVC).

Le radiateur B (le prototype optimisé des ailettes en relief) a été testé et comparé au radiateur A : il a atteint une capacité de chauffage de 5,52 kW (+10 % par rapport à A), une efficacité de 98 % (+2.3 % par rapport à A) et une densité de puissance gravimétrique de 3,45 kW/kg (+24 % par rapport à A).

Bien que sa chute de pression (48,2 Pa) soit supérieure à celle du chauffage A (40,4 Pa), la valeur se situait dans la plage autorisée pour les ventilateurs EV CVC, sans impact mesurable sur le fonctionnement du système.

Cette étude vérifie que l'optimisation structurelle des ailettes de rayonnement-en particulier la forme en relief, le pas réduit et la conception plus fine-améliore considérablement les performances de chauffage et la densité de puissance gravimétrique des radiateurs PTC HT-pour véhicules électriques.

Le prototype amélioré (Heater B) offre une capacité de chauffage de 5,52 kW, un rendement de 98 % et une densité de puissance de 3,45 kW/kg, répondant à la demande principale de chauffage à haute efficacité-tout en réduisant le poids pour étendre l'autonomie des véhicules électriques.

La conception des ailettes en relief s'est avérée être une stratégie d'optimisation pratique, car elle augmente le transfert de chaleur via les turbulences du flux d'air sans compromettre la compatibilité du système CVC.

Les recherches futures se concentreront sur l'optimisation de composants de chauffage supplémentaires (par exemple, les tiges chauffantes, les isolants) et sur le développement d'une formule de corrélation entre le transfert de chaleur, la chute de pression et les paramètres de conception sans dimension.

D'autres expériences dans des conditions de température-extrêmement basses (-20 degrés à 0 degrés) seront également menées pour valider les performances du chauffage HV-PTC dans les climats froids, un élément clé pour le déploiement mondial des véhicules électriques.