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FR3056290A1 - Dispositif de regulation thermique - Google Patents

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FR3056290A1
FR3056290A1 FR1658844A FR1658844A FR3056290A1 FR 3056290 A1 FR3056290 A1 FR 3056290A1 FR 1658844 A FR1658844 A FR 1658844A FR 1658844 A FR1658844 A FR 1658844A FR 3056290 A1 FR3056290 A1 FR 3056290A1
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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Abstract

L'invention concerne un dispositif de régulation thermique (1) configuré pour réguler la température d'une batterie électrique (2) d'un véhicule automobile, le dispositif (1) comportant au moins un tube de régulation thermique (3) comprenant au moins un élément pourvu d'un matériau à changement de phase encapsulé, ledit au moins un tube de régulation thermique (3) comprenant un passage de circulation d'un fluide de régulation thermique (R) à travers ledit au moins un tube de régulation thermique (3).

Description

(54) DISPOSITIF DE REGULATION THERMIQUE.
FR 3 056 290 - A1 (57) L'invention concerne un dispositif de régulation thermique (1 ) configuré pour réguler la température d'une batterie électrique (2) d'un véhicule automobile, le dispositif (1) comportant au moins un tube de régulation thermique (3) comprenant au moins un élément pourvu d'un matériau à changement de phase encapsulé, ledit au moins un tube de régulation thermique (3) comprenant un passage de circulation d'un fluide de régulation thermique (R) à travers ledit au moins un tube de régulation thermique (3).
Figure FR3056290A1_D0001
Figure FR3056290A1_D0002
Figure FR3056290A1_D0003
DISPOSITIF DE REGULATION THERMIQUE
L'invention concerne la régulation thermique de batteries électriques, notamment dans le domaine automobile.
Dans un véhicule automobile en particulier électrique et/ou hybride, une batterie électrique permet de stocker et de fournir une énergie pour faire fonctionner le véhicule automobile.
La température de la batterie influence à la fois sa performance de io stockage et sa durée de vie. Une température trop basse de la batterie diminue sa capacité de stockage. Une température trop élevée, due par exemple à une surchauffe de la batterie, réduit sa durée de vie, voire est susceptible d’entraîner une destruction irréversible de la batterie.
II est donc nécessaire de maintenir la batterie à une température 15 adéquate, par exemple autour de 20 degrés Celsius, afin de maintenir une capacité de stockage et une durée de vie maximale.
A cet effet, il est connu d’ajouter un dispositif afin de réguler la température de la batterie. Un tel dispositif de régulation thermique utilise généralement un fluide de régulation thermique circulant dans un circuit, le circuit passant à proximité ou au contact de la batterie. Le fluide de régulation thermique généralement utilisé est l’air ambiant ou un liquide, comme par exemple de l’eau ou un liquide réfrigérant.
Le fluide de régulation thermique peut ainsi absorber la chaleur émise par la batterie afin de la refroidir et évacuer par la suite la chaleur au niveau d’un ou plusieurs échangeurs thermiques, tel qu’un radiateur ou un circuit réfrigérant.
Toutefois, le fluide du dispositif de régulation thermique s’échauffe au fur et à mesure qu’il circule dans le circuit en absorbant la chaleur dégagée par la batterie. II en résulte un différentiel de température entre l’entrée et la sortie du dispositif qui peut être significatif, de l’ordre de plusieurs degrés. Cette différence de température au sein du fluide peut gêner la gestion de la température de la batterie et son maintien à une température de fonctionnement optimal.
En outre, des pics de charge de la batterie lors de son utilisation peuvent entraîner une augmentation brutale de température. Un dispositif de régulation classique ne permet pas de limiter l’apparition de tels pics de température et de refroidir suffisamment rapidement la batterie.
Le but de l’invention est de remédier au moins partiellement à ces inconvénients.
L’invention vise plus précisément un dispositif de régulation thermique permettant de maintenir la batterie dans une plage de température satisfaisante ainsi que d’améliorer l’homogénéité de la température de la io batterie.
A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de régulation thermique, le dispositif comportant au moins un tube de régulation thermique comprenant au moins un élément pourvu d’un matériau à changement de phase encapsulé, ledit au moins un tube de régulation thermique comprenant un passage de circulation d’un fluide de régulation thermique à travers ledit au moins un tube de régulation thermique.
Le matériau à changement de phase permet d’augmenter l’inertie et d’améliorer l’homogénéité thermique du dispositif.
Le matériau à changement de phase permet une absorption ou une 20 restitution de chaleur, permettant de limiter les effets des pics de température.
Du fait que le même tube comprend le fluide et le matériau à changement de phase, la paroi du tube constitue une surface d’échange thermique significative entre le fluide et le matériau à changement de phase, de sorte que le matériau à changement de phase peut rapidement se régénérer et retrouver son état initial en étant refroidi par le fluide après une montée de température de la batterie.
Selon une autre caractéristique de l’invention, ledit au moins un élément pourvu d’un matériau à changement de phase encapsulé présente une forme tubulaire s’étendant sensiblement parallèlement à un axe longitudinal du tube de du tube de régulation thermique.
Selon une autre caractéristique de l’invention, ledit au moins un élément pourvu d’un matériau à changement de phase encapsulé étant disposé à l’intérieur du tube de régulation thermique, ledit au moins un élément et le tube de régulation thermique délimitent le passage de circulation, ledit passage de circulation étant localisé entre ledit au moins un élément et le tube de régulation thermique.
L’invention a également pour objet un ensemble de régulation thermique comprenant un dispositif de régulation thermique tel que décrit précédemment et une batterie électrique munie d’au moins une cellule électrique.
io Selon une autre caractéristique de l’invention, l’ensemble comprend au moins un drain thermique en contact de ladite au moins une cellule électrique, ledit au moins un drain thermique étant perforé d’au moins un trou de passage dudit au moins un tube de régulation thermique.
Selon une autre caractéristique de l’invention, ladite au moins une cellule électrique comprend une pluralité de faces, deux faces opposées, dites grandes faces, présentant une aire plus élevée qu’une aire de l’une quelconque des autres faces, ledit au moins un drain thermique comprenant une paroi au contact de l’une desdites grandes faces en dépassant ladite grande face d’une zone dite zone périphérique, le drain thermique étant perforé d’une pluralité de trous de passage de tubes de régulation thermique dans la zone périphérique.
Selon une autre caractéristique de l’invention, l’ensemble comprend un empilement d’une succession de drains thermiques et de cellules électriques, chaque drain thermique étant perforé d’une pluralité de trous de passage de tubes de régulation thermique.
Selon une autre caractéristique de l’invention, l’ensemble comprend au moins un collecteur de stockage de fluide de régulation thermique, chaque tube de régulation thermique comprenant une extrémité en relation fluidique avec ledit au moins un collecteur, l’ensemble comprenant un ressort autour d’une extrémité d’au moins l’un des tubes de régulation thermique.
L’invention a également pour objet une boucle de refroidissement d’un moteur de véhicule automobile, comprenant un dispositif de régulation thermique tel que décrit précédemment.
Selon une autre caractéristique de l’invention, la boucle de refroidissement comprend une pompe de mise en circulation du fluide de régulation thermique, ladite pompe comprenant une durite d’entrée du fluide de régulation thermique et une durite de sortie du fluide de régulation thermique, l’une au moins des durites d’entrée et de sortie de la pompe étant munie du dispositif de régulation thermique tel que décrit précédemment.
Selon une autre caractéristique de l’invention, la boucle comprend au io moins un échangeur de chaleur muni du dispositif de régulation thermique tel que décrit précédemment.
L’invention sera mieux comprise, et d’autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, de plusieurs modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente une vue en perspective d’un dispositif de régulation thermique selon un premier mode de réalisation de la présente invention ;
- la figure 2 représente une vue en perspective d’un dispositif de régulation thermique selon un deuxième mode de réalisation de la présente invention ;
- la figure 3 représente une vue en perspective éclatée d’un ensemble de régulation thermique selon la présente invention comprenant le dispositif de la figure 1 et/ou le dispositif de la figure 2 ;
- la figure 4 représente une vue de détail de l’ensemble de la figure 3 assemblé ; et
- la figure 5 représente une boucle de refroidissement selon la présente invention comprenant le dispositif de la figure 1 et/ou le dispositif de la figure 2.
Dispositif de régulation thermique
Comme illustrée sur les figures 1 et 2, l’invention concerne un dispositif de régulation thermique, référencé 1.
Le dispositif de régulation thermique 1 est disposé au contact d’une batterie électrique 2, comme il va être détaillé ultérieurement.
Le dispositif de régulation 1 comprend au moins un tube de régulation thermique 3.
Sur les figures 1 et 2, un unique tube de régulation thermique 3 est illustré.
Le tube de régulation thermique 3 comprend une gaine tubulaire 4 io délimitant un espace intérieur 5.
Le tube de régulation thermique 3 comprend dans l’espace intérieur 5 au moins un élément 6 pourvu d’un matériau à changement de phase encapsulé.
De manière connue, un matériau à changement de phase, de préférence 15 solide-liquide, permet de stocker de l’énergie en bénéficiant de la chaleur latente du changement d’état.
De préférence, la gaine 4 est constituée à base d’un matériau métallique, notamment dans son application à la réalisation d’une batterie thermique, en particulier en aluminium.
En alternative, la gaine 4 est constituée à base d’un matériau synthétique, par exemple plastique, notamment plastique chargé métal (conducteur thermique).
Dans le cadre de la figure 5 (décrite ultérieurement), il n’est pas obligatoire que la gaine soit en matériau conducteur.
Avantageusement, la gaine 4 est en matériau élastique.
L'élément 6 est avantageusement en matériau métallique.
En variante, l'élément 6 est en matériau synthétique, par exemple en matériau plastique.
Avantageusement, le matériau à changement de phase est un composé comprenant des composés inorganiques tels qu’un alliage de sels organiques et d'eau.
En variante, le matériau à changement de phase est un composé comprenant des composés organiques tels que les paraffines et les acides gras ou un composé comprenant des composés d’origine végétale.
Sur le mode de réalisation illustré à la figure 1, le tube 3 comprend un 5 unique élément 6.
Sur le mode de réalisation illustré à la figure 2, le tube 3 comprend une pluralité d’éléments 6.
L’élément 6 (pour le mode de réalisation de la figure 1) et les éléments 6 (pour le mode de réalisation de la figure 2) occupent partiellement io seulement l’espace intérieur 5.
Ainsi, un passage 7 de circulation d’un fluide de régulation thermique est défini dans l’espace 8 libre d’élément(s) 6.
Dans la suite de la description, le fluide de régulation thermique est appelé liquide de refroidissement, du fait qu’il est souvent nécessaire de diminuer la température de la batterie électrique 2.
Néanmoins, bien entendu, l’invention n’est pas limitée à ce cas de figure et le fluide de régulation thermique peut également être un fluide de chauffage.
Le liquide de refroidissement, R, circule autour de chaque élément 6.
De préférence, l’ajout des éléments 6 se fait à iso volume, chaque ajout d’élément 6 contribuant à réduire le volume total de liquide de refroidissement et à augmenter l’inertie thermique d’un ensemble et d’une boucle équipés des tubes 3, et qui seront décrits ultérieurement.
Comme visible sur les figures 1 et 2, chaque élément 6 présente une 25 forme tubulaire du tube 3 qui le contient et s’étend sensiblement parallèlement à un axe longitudinal L de la gaine 4.
Avantageusement, chaque élément 6 présente une longueur comprise entre 2 mm et 8 mm.
De préférence, chaque élément 6 présente un diamètre de l’ordre de 4 30 mm.
Avantageusement, chaque élément 6 présente la même longueur que celle de la gaine 4.
Ensemble de régulation thermique
L’invention a également pour objet un ensemble de régulation thermique, qui va être décrit en relation avec les figures 3 et 4.
Comme visible sur les figures 3 et 4, l’ensemble, 10, comprend le dispositif de régulation thermique 1 et la batterie électrique 2.
Le dispositif de régulation 1 comprend une pluralité de tubes de régulation thermique 3.
La batterie 2 comprend avantageusement une pluralité de cellules io électriques 11.
Comme illustré plus particulièrement sur les figures 3 et 4, chaque cellule 11 a une forme généralement parallélépipédique. Chaque cellule 11 comprend une borne négative 13 et une borne positive 13.
Les cellules 11 sont reliées entre elles de sorte à fournir ensemble un 15 courant électrique.
Le dispositif de régulation thermique 1 permet une circulation du fluide de refroidissement R, au contact ou à proximité de la batterie 2.
L’ensemble 10 comprend également au moins un drain thermique 14.
Sur le mode de réalisation illustré aux figures 3 et 4, l’ensemble 10 20 comprend une pluralité de drain thermique 14.
Chaque drain thermique 14 présente une forme parallélépipédique délimitée notamment par deux grandes parois opposées 15.
Par grande paroi, on entend paroi de plus grande aire du drain thermique
14.
Chacune des grandes parois 15 est délimitée par quatre bords 16.
Chaque drain thermique 14 est en contact avec au moins une cellule électrique 11.
Chaque drain thermique 14 est constitué à base d’un matériau conducteur thermique, tel que de l’aluminium par exemple, afin d’évacuer la chaleur des cellules 11, comme il va être détaillé.
Chaque drain thermique 14 est perforé d’au moins un trou 17 configuré pour le passage de tube de régulation thermique 3.
Sur le mode de réalisation illustré aux figures 3 et 4, chaque drain thermique 14 est perforé d’une pluralité de trous 16.
Les trous 17 traversent les grandes parois 15 de chaque drain thermique
14.
Les trous 17 sont avantageusement disposés à proximité des bords 16, voire contre les bords 16.
Sur le mode de réalisation illustré aux figures 3 et 4, l’ensemble 10 comprend un empilement d’une succession de drains thermiques 14 et de cellules électriques 11.
io Chaque cellule électrique 11 est disposée en contact de deux drains thermiques 14.
De préférence, chaque cellule 11 est de type prismatique et est délimitée notamment par deux grandes faces opposées 18.
Par grande face, on entend que l’aire de chacune des faces 18 est 15 supérieure aux aires des autres faces de la cellule 11.
Comme visible sur les figures 3 et 4, les drains thermiques 14 et les cellules électriques 11 sont en contact les uns aux autres respectivement par leurs grandes parois 15 et leurs grandes faces 18, ce qui assure une surface d’échange maximale entre les cellules 11 et les drains thermiques
14.
Comme il ressort également des figures 3 et 4, les cellules 11 présentent une largeur et longueur inférieures respectivement à une largeur et une longueur des drains thermiques 14.
Ainsi, les drains thermiques 14 dépassent relativement aux cellules 25 électriques 11 d’une zone périphérique 19 située à proximité de chacun des bords 16.
Les trous 17 des drains thermiques 14 sont disposés dans la zone périphérique 19.
Comme visible sur les figures 3 et 4, l’empilement est centré, les centres des drains thermiques 14 et des cellules électriques 11 étant alignés le long d’un axe noté X.
L’ensemble 10 comprend également au moins un collecteur de stockage du liquide de refroidissement R.
Sur le mode de réalisation illustré aux figures 3 et 4, l’ensemble 10 comporte un premier collecteur 20 et un deuxième collecteur 21, disposés de part et d’autre de l’empilement des drains thermiques 14 et des cellules électriques 11.
Chaque tube 3 comprend une extrémité 22, 23 en relation fluidique avec chaque collecteur 20, 21.
Comme visible sur les figures 3 et 4, les tubes 3 du dispositif 1 s’étendent io parallèlement à l’axe X.
Chaque tube 3 s’étend depuis le premier collecteur 20 à travers les trous 17 des drains thermiques 14 jusqu’au deuxième collecteur 21.
Le premier collecteur 20 comprend une entrée de liquide de refroidissement 24 et une sortie de liquide de refroidissement 25.
Avantageusement, l’ensemble 10 comprenant un ressort 26 autour d’une extrémité 22, 23 d’au moins l’un des tubes de régulation thermique 3.
Sur le mode de réalisation illustré aux figures 3 et 4, plusieurs tubes 3 sont munis de ressort 26.
Chaque ressort 26 permet d’absorber les déformations des cellules 11 et 20 éviter une montée en pression entre les collecteurs 20 et 21.
La configuration de l’ensemble 10 assure que les éléments 6 comprenant le matériau à changement de phase ne représentent pas une résistance thermique sur la totalité de la surface des cellules.
En effet, les tubes 3 étant directement en contact avec le liquide de 25 refroidissement, le matériau à changement de phase permet d’augmenter l’inertie du liquide afin d’absorber toute charge thermique en dessus d’une charge dite normale.
De plus, le contact direct avec le liquide de refroidissement permet au matériau à changement de phase de se régénérer très rapidement dès lors que la charge thermique baisse. Cela permet ainsi un très bon lissage des pics de chaleur.
La température de changement de phase du matériau à changement de phase est de préférence sélectionnée légèrement au-dessus de la température optimale d’utilisation des cellules électriques afin d’absorber les pics de chaleurs.
Elle est généralement comprise entre 10 et 40°C selon le type de batterie.
L’ensemble 10 assure également une régulation thermique optimisée de la batterie 2 puisqu’elle assure une évacuation efficace de la chaleur par les drains thermiques et le dispositif 1.
io Boucle de refroidissement
L’invention va maintenant être décrite en relation avec la figure 5.
Comme déjà indiqué, l’invention a également pour objet une boucle de refroidissement 40 pour véhicule automobile, comprenant au moins un dispositif de régulation thermique 1 décrit en relation avec les figures 1 ou 2.
Comme visible sur la figure 5, la boucle de refroidissement 40 comprend une pompe de mise en circulation de fluide 41, et deux échangeurs de chaleur 42, 43.
Sur la figure 5, la boucle de refroidissement 40 est la boucle de refroidissement basse température du moteur du véhicule automobile.
Le premier échangeur de chaleur 42 est un radiateur basse température et le deuxième échangeur de chaleur 43 est un échangeur refroidisseur d’air de suralimentation par de l’eau (ou WCAC en anglais pour Water cooled Charge Air Cooler).
La boucle de refroidissement peut également être la boucle haute température.
Comme visible sur la figure 5, la pompe 41 et les échangeurs de chaleur 42, 43 sont reliés fluidiquement les uns aux autres par des durites 44.
La boucle 40 est avantageusement équipée d’un dispositif 1 :
- dans le ou les collecteurs du radiateur 42, et/ou
- dans le ou les collecteurs de l’échangeur 43, et/ou
- dans une ou plusieurs durites 44, et/
- en entrée et/ou en sortie de la pompe 41.
Sur la figure 5, la boucle 40 comprend un dispositif :
- dans les collecteurs du radiateur 42, et
- dans les collecteurs de l’échangeur 43, et
- en sortie de la pompe 41, et
- dans une durite 44 entre les deux échangeurs 42, 43.
Avantageusement, chaque élément 6 présente une longueur égale à celle du composant (collecteur, durite) que le dispositif 1 occupe.
Quand le dispositif 1 occupe une durite 44, chaque élément 6 présente une longueur comprise entre 100 mm et 600 mm. io La température varie tout au long de la boucle de refroidissement 40 et la température de changement de phase du matériau de stockage doit donc être adaptée.
La température de changement de phase du matériau à changement de phase est située dans la plage de fonctionnement de la boucle de refroidissement 40, ce qui permet une linéarisation de température.
Avantageusement, la température de changement de phase se situe dans la plage de fonctionnement la plus fréquente de la boucle 40 afin de maximiser les effets d’inertie du matériau de stockage.
Le dispositif de régulation 1 permet de réduire l’amplitude des montées 20 et descentes en température de la boucle de refroidissement 40.
Avantages
Comme déjà indiqué, le matériau à changement de phase permet une absorption ou une restitution de chaleur, permettant de limiter les effets des pics de température de la batterie afin de mieux réguler celle-ci.
En étant disposé directement dans les tubes du dispositif de régulation thermique, il ne représente pas une résistance thermique au refroidissement de la batterie par le fluide.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif de régulation thermique (1), le dispositif (1) comportant au moins un tube de régulation thermique (3) comprenant au moins un élément (6) pourvu d’un matériau à changement de phase encapsulé, ledit au moins un tube de régulation thermique (3) comprenant un passage (7) de circulation d’un fluide de régulation thermique (R) à travers ledit au moins un tube de régulation thermique (3).
  2. 2. Dispositif de régulation thermique selon la revendication précédente, dans lequel ledit au moins un élément (6) pourvu d’un matériau à changement de phase encapsulé présente une forme tubulaire s’étendant sensiblement parallèlement à un axe longitudinal (L) du tube de régulation thermique (3).
  3. 3. Dispositif de régulation thermique selon l’une des revendication 1 ou 2, dans lequel, ledit au moins un élément (6) pourvu d’un matériau à changement de phase encapsulé étant disposé à l’intérieur du tube de régulation thermique (3), ledit au moins un élément (6) et le tube de régulation thermique (3) délimitent le passage de circulation (7), ledit passage de circulation (7) étant localisé entre ledit au moins un élément (6) et le tube de régulation thermique (3).
  4. 4. Ensemble de régulation thermique comprenant un dispositif de régulation thermique (1) selon l’une des revendications 1 à 3 et une batterie électrique (2) munie d’au moins une cellule électrique (11).
  5. 5. Ensemble de régulation thermique selon la revendication précédente, comprenant au moins un drain thermique (14) en contact de ladite au moins une cellule électrique (11), ledit au moins un drain thermique (14) étant perforé d’au moins un trou de passage (17) dudit au moins un tube de régulation thermique (R).
  6. 6. Ensemble de régulation thermique selon la revendication précédente, dans lequel ladite au moins une cellule électrique (11) comprend une pluralité de faces, deux faces opposées, dites grandes faces (18), présentant une aire plus élevée qu’une aire de l’une quelconque des autres faces, ledit au moins un drain thermique (14) comprenant une paroi au contact de l’une desdites grandes faces en dépassant ladite grande face d’une zone dite zone périphérique (19), le drain thermique (14) étant perforé d’une pluralité de trous de passage (17) de tubes de régulation thermique (3) dans la zone périphérique.
  7. 7. Ensemble de régulation thermique selon la revendication précédente, comprenant un empilement d’une succession de drains thermiques (14) et de cellules électriques (11), chaque drain thermique (14) étant perforé d’une pluralité de trous de passage (17) de tubes de régulation thermique (3).
  8. 8. Ensemble de régulation thermique selon la revendication précédente, comprenant au moins un collecteur (20, 21) de stockage de fluide de régulation thermique, chaque tube de régulation thermique (3) comprenant une extrémité en relation fluidique avec ledit au moins un collecteur, l’ensemble comprenant un ressort (26) autour d’une extrémité d’au moins l’un des tubes de régulation thermique (3).
  9. 9. Boucle de refroidissement d’un moteur de véhicule automobile, comprenant un dispositif de régulation thermique selon l’une des revendications 1 à 3.
  10. 10. Boucle de refroidissement selon la revendication précédente, comprenant une pompe (41) de mise en circulation du fluide de régulation thermique, ladite pompe (41) comprenant une durite d’entrée du fluide de régulation thermique et une durite de sortie du fluide de régulation thermique, l’une au moins des durites d’entrée et de sortie de la pompe étant munie d’un dispositif de régulation thermique selon l’une des revendications 1 à 3.
    5
  11. 11. Boucle de refroidissement selon l’une des revendications 9 ou
    10, comprenant au moins un échangeur de chaleur (42, 43) muni d’un dispositif de régulation thermique selon l’une des revendications 1 à 3.
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