{"id":73737,"date":"2022-11-11T12:27:47","date_gmt":"2022-11-11T17:27:47","guid":{"rendered":"https:\/\/mayahtt.com\/?p=73737"},"modified":"2023-01-03T11:19:56","modified_gmt":"2023-01-03T16:19:56","slug":"refroidissement-dune-voiture-de-course-electrique","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.mayahtt.com\/fr\/blog\/refroidissement-dune-voiture-de-course-electrique\/","title":{"rendered":"Refroidissement d\u2019une voiture de course \u00e9lectrique"},"content":{"rendered":"

Lisez le prochain article<\/a><\/em><\/p>\n

Chaque ann\u00e9e, l\u2019\u00e9quipe Formule \u00e9lectrique de McGill (MFE) con\u00e7oit et produit une voiture \u00e9lectrique de course. Des comp\u00e9titions interuniversit\u00e9 ont lieu dans plus de 12\u00a0endroits dans le monde. Chacune de ces comp\u00e9titions comprend des \u00e9preuves statiques et dynamiques permettant d\u2019attribuer des points en fonction de la conception et des performances des voitures.Les \u00e9preuves statiques sont jug\u00e9es par des ing\u00e9nieurs issus du sport automobile ou de l\u2019industrie automobile, et les \u00e9preuves dynamiques permettent quant \u00e0 elles de comparer les r\u00e9elles performances sur la piste.<\/p>\n

La course d\u2019endurance est la cl\u00e9 pour remporter le concours g\u00e9n\u00e9ral, car elle compte pour 275\u00a0points sur les 1\u00a0000\u00a0points au total. Les v\u00e9hicules doivent effectuer un certain nombre de tours sur un circuit pr\u00e9\u00e9tabli le plus rapidement possible. Cette course d\u2019endurance est le test r\u00e9el de la fiabilit\u00e9 des v\u00e9hicules; un syst\u00e8me de refroidissement efficace fait partie int\u00e9grante d\u2019un design fiable. En effet, toutes composantes \u00e9lectriques ou \u00e9lectroniques doivent \u00eatre maintenues dans une certaine plage de temp\u00e9rature pour un rendement optimal. La conception de cette ann\u00e9e utilise un syst\u00e8me de refroidissement \u00e0 eau pour les moteurs et leur onduleur respectif, et un syst\u00e8me de refroidissement \u00e0 air pour le bloc-batterie.<\/p>\n

\"McGill\"Electric\"Electric<\/p>\n

Figure 1\u00a0: Rendu CAO de la voiture\u00a0de la MFE, de son syst\u00e8me de refroidissement et de son bloc-batterie<\/em><\/p>\n

La rapide \u00e9volution vers l\u2019\u00e9lectrification des transports am\u00e8ne son lot de d\u00e9fis et les probl\u00e8mes rencontr\u00e9s par la MFE sont communs \u00e0 ceux auxquels les entreprises du secteur du transport sont confront\u00e9es \u00e0 travers le monde si elles veulent relever le d\u00e9fi de l\u2019\u00e9lectricit\u00e9.<\/p>\n

Dans cette s\u00e9rie d\u2019articles, nous d\u00e9montrerons comment utiliser des logiciels de simulation avanc\u00e9s (Simcenter Amesim et Star CCM+) pour valider et d\u00e9velopper la conception d\u2019un syst\u00e8me de refroidissement d\u2019un v\u00e9hicule \u00e9lectrique.<\/p>\n

Ce premier article explique comment Simcenter Amesim peut \u00eatre utilis\u00e9 rapidement dans le processus de design pour \u00e9valuer la performance du syst\u00e8me de refroidissement et la capacit\u00e9 du bloc-batterie.<\/p>\n

Objectif\u00a0: Valider le transfert de chaleur et les temp\u00e9ratures avec Amesim<\/h2>\n

La simulation Simcenter Amesim a \u00e9t\u00e9 cr\u00e9\u00e9e pour\u00a0:<\/p>\n

    \n
  1. Valider l\u2019atteinte des exigences de refroidissement par la conception actuelle.<\/li>\n
  2. \u00c9valuer le transfert et la g\u00e9n\u00e9ration de chaleur transitoire en situation de course.<\/li>\n<\/ol>\n

    Les exigences de refroidissement sont \u00e9tablies par les fabricants de moteurs, d\u2019onduleurs et de batteries, et sont list\u00e9es dans le tableau ci-dessous.<\/p>\n

    Tableau\u00a01\u00a0: Exigences de refroidissement<\/p>\n\n\n\n\n\n\n
    Plaque froide de l\u2019onduleur<\/td>\nMoteur \u00e9lectrique<\/td>\nCellules de la batterie<\/td>\n<\/tr>\n
    Temp\u00e9rature de surface de la plaque froide < 40\u00a0\u2070C<\/td>\n\u0394 T de la chemise d\u2019eau < 5\u00a0\u2070C<\/td>\nTemp\u00e9rature de charge < 45\u00a0\u2070C<\/td>\n<\/tr>\n
    D\u00e9bit du liquide \u2248 10\u00a0L\/min<\/td>\nD\u00e9bit du liquide > 2\u00a0L\/min<\/td>\nTemp\u00e9rature de d\u00e9charge < 60\u00a0\u2070C<\/td>\n<\/tr>\n
    Temp\u00e9rature \u00e0 l\u2019entr\u00e9e < 30\u00a0\u2070C<\/td>\nTemp\u00e9rature \u00e0 l\u2019entr\u00e9e < 40\u00a0\u2070C<\/td>\n<\/td>\n<\/tr>\n<\/tbody>\n<\/table>\n

     <\/p>\n

    La simulation se veut simple et le but est d\u2019avoir une base solide pour pouvoir l\u2019am\u00e9liorer dans le futur.<\/p>\n

    Ce premier mod\u00e8le repose enti\u00e8rement sur la conversion de param\u00e8tres g\u00e9om\u00e9triques en donn\u00e9es macro.Le mod\u00e8le est le r\u00e9sultat d\u2019un effort collaboratif entre les membres de l\u2019\u00e9quipe de dynamique du v\u00e9hicule, celle de la batterie et d\u2019un membre de l\u2019\u00e9quipe d\u2019a\u00e9rodynamique et de refroidissement (stagiaire de Maya HTT).<\/p>\n

    Vue d\u2019ensemble du mod\u00e8le\u00a0: Simulation de course, circuit de refroidissement liquide, mod\u00e8le de bloc-batterie<\/h2>\n

    Le mod\u00e8le peut \u00eatre s\u00e9par\u00e9 en trois parties\u00a0:<\/p>\n

      \n
    1. Traitement des donn\u00e9es de la simulation de course<\/li>\n
    2. Circuit de refroidissement liquide<\/li>\n
    3. Mod\u00e8le de la batterie<\/li>\n<\/ol>\n

      Le v\u00e9hicule a deux syst\u00e8mes de refroidissement identiques, mais seul l\u2019un d\u2019eux est simul\u00e9 ici.<\/p>\n

      \"Electric<\/p>\n

      Figure\u00a02\u00a0: Mod\u00e8le Simcenter Amesim avec ses trois parties<\/em><\/p>\n

      Traitement des donn\u00e9es de la simulation de course<\/h3>\n

      L\u2019encadr\u00e9 sup\u00e9rieur d\u00e9finit les conditions de fonctionnement du syst\u00e8me. Les donn\u00e9es de simulation d\u2019un circuit type de course d\u2019endurance sont trait\u00e9es en se basant sur le diagramme de performance pour calculer les transferts de chaleur des onduleurs et des moteurs. La consommation d\u2019\u00e9nergie du bloc-batterie n\u00e9cessaire pour obtenir la puissance souhait\u00e9e pour les moteurs est aussi calcul\u00e9e ici. Le syst\u00e8me est construit de telle mani\u00e8re que les donn\u00e9es de simulation de tour puissent \u00eatre modifi\u00e9es en quelques secondes afin de tester diff\u00e9rents circuits.<\/p>\n

      Mod\u00e8le de la batterie<\/h3>\n

      L\u2019encadr\u00e9 en bas en gauche simule le d\u00e9chargement de la batterie durant la course. Une source d\u2019\u00e9nergie est utilis\u00e9e pour calculer le courant et le potentiel de la batterie. Une masse thermique est utilis\u00e9e avec un bloc de transfert thermique pour obtenir la temp\u00e9rature moyenne de la batterie.<\/p>\n

      \"Electric<\/p>\n

      Figure\u00a03\u00a0: Mod\u00e8le de bloc-batterie<\/em><\/p>\n

      Le mod\u00e8le de bloc-batterie a \u00e9t\u00e9 cr\u00e9\u00e9 avec l\u2019outil d\u2019importation de la fiche technique de la batterie et l\u2019architecture du bloc. L\u2019outil d\u2019importation de la fiche technique de la batterie est une fonction int\u00e9gr\u00e9e de Simcenter Amesim permettant d\u2019importer directement les courbes de performance des cellules de la batterie \u00e0 partir d\u2019un PDF ou d\u2019une image.<\/p>\n

      \"Amesim<\/p>\n

      \"Amesim<\/p>\n

      \"Amesim<\/p>\n

      Figure\u00a04\u00a0: Importation des donn\u00e9es des cellules de la batterie et ses trois volets\u00a0: acquisition d\u2019image, calibration du mod\u00e8le et statistiques<\/em><\/p>\n

       <\/p>\n

      Le bloc-batterie de la voiture de course compos\u00e9 de deux ensembles parall\u00e8les de 144\u00a0cellules de 6\u00a0Ah mont\u00e9es en s\u00e9rie. Le voltage \u00e0 plein rendement est d\u2019environ 600\u00a0V. Cette partie du mod\u00e8le permet donc d\u2019obtenir une estimation du transfert et de la g\u00e9n\u00e9ration de chaleur par la batterie, et fournit une validation pr\u00e9cise par rapport \u00e0 la capacit\u00e9 du bloc-batterie et aux limites de consommation d\u2019\u00e9nergie impos\u00e9es.<\/p>\n

      Circuit de refroidissement liquide<\/h3>\n

      La partie principale de la simulation porte sur le syst\u00e8me de refroidissement liquide. Il comporte une plaque froide refroidissant deux onduleurs, deux chemises d\u2019eau de moteur, un radiateur, une chambre hydraulique et une pompe.<\/p>\n

      \"Electric<\/p>\n

      Figure\u00a05\u00a0: Syst\u00e8me de refroidissement liquide <\/em><\/p>\n

      Le mod\u00e8le se base sur l\u2019hypoth\u00e8se que toute la chaleur est rejet\u00e9e directement dans la masse thermique des composants et des dispositifs \u00e9lectriques, pour \u00eatre ensuite absorb\u00e9e par le liquide de refroidissement. Ce transfert de chaleur est simul\u00e9 \u00e0 l\u2019int\u00e9rieur de l\u2019encadr\u00e9 rouge. Le premier bloc convertit le signal en chaleur, le second est un bloc de masse thermique et le troisi\u00e8me bloc simule le transfert de chaleur vers le liquide. Le bloc de masse thermique permet d\u2019introduire un d\u00e9lai entre le signal et l\u2019absorption de la chaleur par le liquide. Il permet \u00e9galement de mesurer la temp\u00e9rature moyenne des composants au fur et \u00e0 mesure de la course. Les blocs repr\u00e9sent\u00e9s par un tuyau utilisent les dimensions et autres caract\u00e9ristiques g\u00e9om\u00e9triques des composants de refroidissement pour calculer le taux de transfert de chaleur.<\/p>\n

      \"Electric<\/p>\n

      Figure 6\u00a0: Plaque froide de l\u2019onduleur et chemise d\u2019eau du moteur<\/em><\/p>\n

      La diminution de la pression de l\u2019entr\u00e9e \u00e0 la sortie des composantes est \u00e9galement calcul\u00e9e \u00e0 partir des dimensions. Le d\u00e9bit du liquide refroidissant est ensuite calcul\u00e9 par le logiciel en fonction de la perte de charge totale et de la courbe de performance de la pompe donn\u00e9e.<\/p>\n

      Finalement, le mod\u00e8le de radiateur a \u00e9t\u00e9 repr\u00e9sent\u00e9 par un demi-\u00e9changeur de chaleur avec un transfert de chaleur contr\u00f4l\u00e9 pour maintenir la temp\u00e9rature \u00e0 la sortie \u00e0 30\u00a0\u2070C. Ceci correspond \u00e0 la temp\u00e9rature \u00e0 l\u2019entr\u00e9e de la plaque froide exig\u00e9e par le fabricant et a \u00e9t\u00e9 fait dans un but de simplification du mod\u00e8le. La mod\u00e9lisation d\u2019\u00e9changeur de chaleur peut s\u2019av\u00e9rer complexe et une des fa\u00e7ons d\u2019y arriver dans Amesim est d\u2019utiliser deux demi-\u00e9changeurs de chaleur avec un calculateur de transfert de chaleur bas\u00e9 sur l\u2019efficacit\u00e9 NTU.<\/p>\n

      \"electric<\/p>\n

      Figures\u00a06 et 7\u00a0: G\u00e9om\u00e9trie du radiateur et son \u00e9quivalent Simcenter Amesim<\/p>\n

      R\u00e9sultats\u00a0: Validation de la conception et am\u00e9liorations possibles<\/h2>\n

      La simulation est d\u2019une dur\u00e9e de 15\u00a0tours ou jusqu\u2019au moment o\u00f9 la charge de la batterie descend en dessous de 10\u00a0%.<\/p>\n

      Simcenter Amesim permet de visualiser et analyser une panoplie de variables pour chaque bloc de la simulation. Pour cette simulation, les transferts de chaleur, la temp\u00e9rature du liquide refroidissant, la charge du bloc-batterie et la temp\u00e9rature moyenne des composantes ont \u00e9t\u00e9 repr\u00e9sent\u00e9s sur des graphiques.<\/p>\n

      Les r\u00e9sultats pr\u00e9sent\u00e9s dans un premier temps sont ceux de la simulation avec l\u2019\u00e9changeur de chaleur contr\u00f4l\u00e9. Les r\u00e9sultats de la simulation avec la repr\u00e9sentation r\u00e9aliste du radiateur se trouvent \u00e0 la fin de la section.<\/p>\n

      Bloc-batterie<\/h3>\n

      La simulation de course a \u00e9t\u00e9 r\u00e9alis\u00e9e avec un maximum de 40\u00a0kW selon la puissance que les moteurs peuvent obtenir du bloc-batterie. Il a rapidement \u00e9t\u00e9 d\u00e9termin\u00e9 que la capacit\u00e9 de la batterie \u00e9tait suffisante pour terminer la course d\u2019endurance. Le refroidissement de la batterie permet de maintenir la temp\u00e9rature moyenne sous les 36\u00a0\u2070C avec des pertes associ\u00e9s \u00e0 la r\u00e9sistance ohmique entre 0 et 400\u00a0W, pertes qui augmentent drastiquement quand le bloc-batterie approche 10\u00a0% de charge.<\/p>\n

      \"Electric<\/p>\n

      Figures\u00a08 et 9\u00a0: Transfert de chaleur et temp\u00e9rature (gauche) et capacit\u00e9 et voltage (droite)<\/em><\/p>\n

      Le niveau de recharge et le voltage de la batterie ont \u00e9galement \u00e9t\u00e9 enregistr\u00e9s. La conception actuelle indique que le bloc-batterie est en mesure de r\u00e9pondre aux demandes de la course d\u2019endurance.<\/p>\n

      Circuit de refroidissement liquide<\/h3>\n

      La premi\u00e8re exigence \u00e0 valider pour le circuit de refroidissement est que la pompe peut atteindre le d\u00e9bit massique cible de 10\u00a0L\/min. Ceci est rapidement fait et la prochaine \u00e9tape est de v\u00e9rifier la temp\u00e9rature du liquide de refroidissement.<\/p>\n

      \"\"<\/p>\n

      Figure\u00a010\u00a0:\u00a0 Temp\u00e9rature du liquide de refroidissement \u00e0 diff\u00e9rents points<\/em><\/p>\n

      L\u2019augmentation de la temp\u00e9rature du liquide \u00e0 travers chaque composant de refroidissement est en de\u00e7\u00e0 de la limite du fabricant. Ceci est \u00e9galement valid\u00e9 avec un rapide calcul \u00e0 la main. Un graphique similaire a \u00e9t\u00e9 produit pour obtenir la temp\u00e9rature moyenne de la plaque froide de l\u2019onduleur et les moteurs.<\/p>\n

      \"Figure<\/p>\n

      Figure 11 : Temp\u00e9rature des composants refroidis<\/em><\/p>\n

      L\u2019exigence d\u2019une temp\u00e9rature maximale de la plaque froide de 40\u00a0\u2070C ne peut pas \u00eatre valid\u00e9e selon la discr\u00e9tisation actuelle du domaine, mais avec une temp\u00e9rature moyenne de 31\u00a0\u2070C, le syst\u00e8me fonctionne dans la bonne plage de temp\u00e9rature.<\/p>\n

      Finalement, il est int\u00e9ressant de quantifier le transfert de chaleur moyen de chaque composant de refroidissement du d\u00e9part jusqu\u2019\u00e0 ce qu\u2019un \u00e9tat d\u2019\u00e9quilibre soit atteint. Par la suite, le contr\u00f4le du transfert de chaleur que le radiateur doit atteindre pour maintenir la temp\u00e9rature de sortie \u00e0 30\u2070C peut donner une bonne estimation de la capacit\u00e9 du radiateur et du type de performance qu\u2019il doit atteindre.<\/p>\n

      \"Figure<\/p>\n

      Figure 12 : Transferts de chaleur des diff\u00e9rents composants du syst\u00e8me de refroidissement<\/em><\/p>\n

      La plaque froide dissipe en moyenne 200\u00a0W et les chemises d\u2019eau du moteur 800\u00a0W chacune au stade initial. Le radiateur doit donc rejeter environ 1800\u00a0W \u00e0 l\u2019\u00e9tat d\u2019\u00e9quilibre. La s\u00e9lection d\u2019un radiateur et d\u2019un ventilateur peut donc \u00eatre effectu\u00e9e en se basant sur ces donn\u00e9es cibles et la diff\u00e9rence entre la temp\u00e9rature du liquide \u00e0 l\u2019entr\u00e9e du radiateur et celle de l\u2019air ambiant.<\/p>\n

      Une recherche rapide a montr\u00e9 que les radiateurs ne semblaient pas suffisamment performants. L\u2019exigence de maintenir la temp\u00e9rature \u00e0 l\u2019entr\u00e9e de la plaque froide \u00e0 30\u00a0\u2070C est probl\u00e9matique et pourrait s\u2019av\u00e9rer impossible \u00e0 atteindre dans des conditions chaudes. Le tout a \u00e9t\u00e9 test\u00e9 avec le bloc d\u2019\u00e9changeur de chaleur complet pr\u00e9sent\u00e9 \u00e0 la figure\u00a07.<\/p>\n

      Les r\u00e9sultats indiquent que les radiateurs actuels ont besoin d\u2019un gradient de temp\u00e9rature \u00e9lev\u00e9 entre l\u2019air et le liquide de refroidissement avant d\u2019atteindre un \u00e9tat stable. Les temp\u00e9ratures se stabilisent donc \u00e0 de plus grandes valeurs.<\/p>\n

      \"Figure<\/p>\n

      Figure 13 : Transferts de chaleur et temp\u00e9ratures \u00e0 l\u2019entr\u00e9e et sortie du radiateur<\/p>\n

      Quoique ces r\u00e9sultats ne soient pas ceux souhait\u00e9s, trouver ce genre de probl\u00e8me est le but exact de cette simulation. La simulation permet maintenant de tester diff\u00e9rentes solutions\u00a0: augmenter le d\u00e9bit massique de refroidissement et de l\u2019air, changer le radiateur ou s\u00e9parer les onduleurs et moteurs sur deux circuits de refroidissement distincts.<\/p>\n

      Prochaines \u00e9tapes<\/h2>\n

      Le but de ce mod\u00e8le \u00e9tait de v\u00e9rifier que le syst\u00e8me actuel fonctionnait correctement. L\u2019exactitude \u00e9tait une consid\u00e9ration, mais elle pourrait \u00eatre am\u00e9lior\u00e9e.<\/p>\n

      Le prochain article de cette s\u00e9rie portera donc sur l\u2019utilisation de la dynamique num\u00e9rique des fluides (CFD) avec STAR-CCM+ pour coupler les donn\u00e9es de CFD avec celles du mod\u00e8le Simcenter Amesim et am\u00e9liorer l\u2019exactitude du mod\u00e8le.<\/p>\n

      Conclusion<\/h2>\n

      La simulation a permis de pleinement caract\u00e9riser la performance du syst\u00e8me de refroidissement de la MFE. Il a \u00e9galement permis de valider la capacit\u00e9 du bloc-batterie et le choix des cellules dans le contexte de la course d\u2019endurance.<\/p>\n

      L\u2019utilisation de Simcenter Amesim<\/a> a rendu la t\u00e2che efficace et rapide \u2013 une am\u00e9lioration consid\u00e9rable par rapport aux grilles Excel et au mod\u00e8le Simulink beaucoup moins intuitif. La simulation est maintenant facile \u00e0 modifier pour \u00e9valuer d\u2019autres conceptions.<\/p>\n

      Contactez un expert de chez Maya HTT aujourd\u2019hui<\/a> pour b\u00e9n\u00e9ficier d\u2019une expertise de renomm\u00e9e mondiale pour cr\u00e9er des simulations telles que celle-ci.<\/p>\n

      Fr\u00e9d\u00e9ric Vall\u00e9e, stagiaire en ing\u00e9nierie, ing\u00e9nierie m\u00e9canique, Universit\u00e9 McGill<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

      Lisez le prochain article Chaque ann\u00e9e, l\u2019\u00e9quipe Formule \u00e9lectrique de McGill (MFE) con\u00e7oit et produit une voiture \u00e9lectrique de course. Des comp\u00e9titions interuniversit\u00e9 ont lieu dans plus de 12\u00a0endroits dans le monde. 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