Composite innovant réduit la température du tableau de bord VE, boostant l'efficacité

L'électromobilité gagne du terrain en Allemagne. Comme rapporté par l'Institut Fraunhofer pour la Durabilité Structurelle et la Fiabilité des Systèmes (Fraunhofer LBF, Darmstadt, Allemagne) en juillet, le nombre de véhicules électriques (VE) a presque doublé en 2017 à 93 000. « Pour augmenter davantage les ventes de VE, il n'est pas seulement nécessaire d'optimiser la performance, comme l'autonomie, mais aussi d'augmenter le confort des occupants. Entre autres, cela inclut une gestion thermique sensée et orientée client dans l'habitacle », dit Paul Becker, qui dirige le projet de recherche Optimised Energy Management and Use (OPTEMUS) au Fraunhofer LBF.

Un sous-objectif d'OPTEMUS était de développer de nouveaux matériaux pour le tableau de bord VE pour dissiper la chaleur causée par le rayonnement solaire depuis la surface du tableau de bord. Fraunhofer LBF a résolu cela en développant un matériau composite polyéthylène (PE) chargé graphite intégré au système de refroidissement du VE. L'équipe a atteint une réduction de température de 46 % et réduit l'énergie nécessaire pour faire fonctionner le système de climatisation, ce qui bénéficie à l'autonomie du véhicule.

OPTEMUS

Projet financé par l'UE soutenu par une grande équipe d'entreprises, OPTEMUS vise à surmonter l'un des plus grands obstacles à l'adoption généralisée des VE : limitation d'autonomie due à la capacité de stockage limitée des batteries électriques. Démarré en juin 2015 et se terminant en février prochain, OPTEMUS entend développer un certain nombre de technologies cœur innovantes et technologies complémentaires combinées avec contrôles intelligents.

Le démonstrateur est un VE segment A (Fiat 500e). Ce prototype réel combiné avec prototypage virtuel des technologies listées ci-dessous démontrera les objectifs suivants :

• Réduction minimum 32 % de la consommation d'énergie pour refroidissement composants et 60 % pour confort passager
• Réduction additionnelle 15 % d'énergie disponible pour la traction
• Réduction d'énergie permettant une autonomie accrue en conditions météo extrêmes > 44 km (38 %) en chaud et 63 km (70 %) en froid

Composites comme Matériaux à Changement de Phase

Les Matériaux à Changement de Phase (PCM) sont développés depuis plus d'une décennie pour utilisation dans bâtiments, électronique et maintenant voitures. Les PCM sont des matériaux qui fondent et se solidifient à certaines températures avec la capacité de stocker ou libérer de grandes quantités d'énergie pendant ce changement de phase. Notez que PCM solide-gaz et liquide-gaz ont aussi été étudiés. Les PCM peuvent être composés organiques ou inorganiques, mais incluent typiquement une charge conductrice, où le graphite entre en jeu. D'autres PCM utilisent des nanotubes de carbone (CNT).

Les chercheurs de Fraunhofer LBF ont expérimenté avec différents matériaux porteurs et charges comme le nitrure de bore et le graphite. Ils ont abouti à un substrat en polyéthylène, polymère déjà couramment utilisé dans les intérieurs automobiles, et graphite comme charge. Le graphite donne au composite une très bonne conductivité thermique et dissipation rapide de chaleur ainsi qu'un excellent stockage d'énergie.

Les principes de fonctionnement pour le composite PCM graphite/PE ont été complétés dans la partie « Smart Cover Panel » d'OPTEMUS. Pour démontrer les avantages du nouveau matériau, les chercheurs l'ont incorporé dans le tableau de bord du prototype Fiat 500e et l'ont fait passer par des cycles de chauffage et refroidissement. Le refroidissement était fourni par éléments Peltier, transducteurs électrothermiques, refroidis à leur tour par ventilateurs externes. L'énergie pour les éléments Peltier et radiateur VE vient d'une batterie 12 volts additionnelle alimentée par cellules photovoltaïques.

Les chercheurs LBF ont utilisé l'énergie libérée pendant la transition de phase entre chauffage et refroidissement pour activer les éléments Peltier seulement pour une certaine période. Ainsi, les ventilateurs ne tournent pas constamment à puissance max. Le système de refroidissement est couplé à la température dans le matériau par régulation appropriée. Fraunhofer croit que cela prolongera l'espérance de vie des composants électroniques. Le Smart Cover Panel est en fait contrôlé par la lumière du soleil elle-même, ce qui signifie que le refroidissement ne démarre que les jours d'été chauds, tandis que la chaleur reste dans le tableau de bord pendant l'hiver.

Le nouveau composite PCM de Fraunhofer LBF a été comparé expérimentalement à un composé polypropylène-talc utilisé dans les tableaux de bord conventionnels. Après 1000 secondes d'exposition à 1200 W/m² de puissance radiante, la différence de température sur la surface des éprouvettes était d'environ 41 °C, ce qui correspond à une réduction de 46 % de la température.