Etude dynamique d'un système de stockage par chaleur latente liquide-solide : application au véhicule électrique

Dynamic study of a liquid-solid latent heat storage unit : application to electric vehicle

• Auteur / Autrice : Remy Osipian
• Direction : Laurent Royon, Kamel Azzouz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Energie thermique
• Date : Soutenance le 29/06/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière & Systèmes Complexes (Paris ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Goupil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Royon, Kamel Azzouz, Najib Laraqi, Laurence Fournaison, Michel Pons
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Najib Laraqi, Laurence Fournaison

Mots clés

Mots clés contrôlés

Automobiles -- Climatisation

Moteurs -- Innovations

Transfert de chaleur

Batteries

Véhicules électriques

Matériaux à changement de phase

Chaleur -- Stockage

Mots clés libres

Stockage thermique

Batterie thermique

Matériau à changement de phase (MCP)

Lit fixe

Chaleur latente

Échangeur-stockeur

Transfert de chaleur

Véhicule électrique

Thermal energy storage

Thermal battery

Phase change material (PCM)

Packed bed

Latent heat

Heat exchanger

Heat transfer

Electric vehicle

Résumé

Ce travail porte sur le développement d’un système de stockage de chaleur en vue d’assurer le confort thermique de l’habitacle d’un véhicule électrique. Ce dispositif, appelé batterie thermique, se présente comme un réservoir composé d’un lit fixe de matériaux à changement de phase (MCP). Ce type de matériau a la propriété d’emmagasiner de fortes quantités de chaleur (latente) sous de faibles volumes, permettant d’envisager un système très compact. A l’échelle du matériau, une investigation sur la cinétique des transferts thermiques au sein de plusieurs MCPs a été évaluée. Une expression phénoménologique décrivant l’évolution temporelle de la température d’un MCP en phase de solidification a été proposée. Elle permet d’estimer la durée de solidification du matériau en fonction de ses caractéristiques géométriques et thermiques. A l’échelle du système, un prototype de batterie thermique a été réalisé et la dynamique des transferts en phase de stockage et déstockage a été étudiée. Les durées de stockage et déstockage suivent des lois de puissance avec le débit imposé ; les pertes de charges s’avèrent insignifiantes. En parallèle, un modèle numérique simulant le comportement dynamique et thermique d’un lit fixe de particules de MCP a été développé et validé sur les données expérimentales. Il pourra être utilisé pour le dimensionnement du futur prototype et servira également d’outil pour optimiser les performances de la batterie en ajustant les paramètres de contrôle

This study focuses on the development of a heat storage system used to ensure passenger compartment thermal comfort in an electric vehicle. This device, called a thermal battery, is a packed bed latent heat tank filled with phase change materials (PCM). This type of material has the property of storing large amounts of latent heat in small volumes, allowing a very compact system. At the material scale, an investigation on heat transfer dynamics within several PCM was studied. A phenomenological expression which depicts the temporal evolution of the PCM temperature for a solidification phase was suggested. This allows the estimation of the material solidification duration in terms of geometric and thermal characteristics. At the system scale, a thermal battery prototype was set up and the thermal transfer dynamics during the charging and discharging phases were studied. The charging and discharging durations are fitted by power laws in terms of the flow rate; the pressure drops are insignificant. Simultaneously, a numerical model which simulates the dynamic and thermal behavior of a PCM particle fixed bed was developed and validated with the experimental data. It can be used for future prototype sizing and will also serve as a tool to optimize the performance of the battery by setting the control parameters