FR3056342A1 - Gestion de temperature de batterie - Google Patents
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Abstract
La description se rapporte notamment à un dispositif de gestion de température d'une batterie électrique, la batterie électrique comprenant une première cellule (CEL1) et une deuxième cellule (CEL2). Le dispositif comprend un drain thermique (HS) réalisé en matériau conducteur thermique, le drain thermique contenant un matériau à changement de phase, le drain thermique étant agencé pour être placé entre la première cellule et la deuxième cellule et pour être en contact thermique avec la première cellule et avec la deuxième cellule. Le dispositif comprend un circuit de refroidissement comprenant des tubes de refroidissement (CP), au moins un desdits tubes de refroidissement étant connecté au drain thermique, qu'il traverse, et étant agencé pour être rempli d'un fluide de refroidissement.
Description
® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 056 342 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction)
©) N° d’enregistrement national : 16 58842
COURBEVOIE
©) Int Cl8 : H 01 M 10/659 (2017.01), H 01 M 10/625
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
| ©) Date de dépôt : 21.09.16. | © Demandeur(s) : VALEO SYSTEMES THERMIQUES |
| ©) Priorité : | Société par actions simplifiée — FR. |
| ©) Inventeur(s) : AZZOUZ KAMEL, TRAORE ISSIAKA, | |
| BLANDIN JEREMY, TISSOT JULIEN et BOISSELLE | |
| (43) Date de mise à la disposition du public de la | PATRICK. |
| demande : 23.03.18 Bulletin 18/12. | |
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GESTION DE TEMPERATURE DE BATTERIE.
FR 3 056 342 - A1 (6/) La description se rapporte notamment à un dispositif de gestion de température d'une batterie électrique, la batterie électrique comprenant une première cellule (CEL1) et une deuxième cellule (CEL2). Le dispositif comprend un drain thermique (HS) réalisé en matériau conducteur thermique, le drain thermique contenant un matériau à changement de phase, le drain thermique étant agencé pour être placé entre la première cellule et la deuxième cellule et pour être en contact thermique avec la première cellule et avec la deuxième cellule. Le dispositif comprend un circuit de refroidissement comprenant des tubes de refroidissement (CP), au moins un desdits tubes de refroidissement étant connecté au drain thermique, qu'il traverse, et étant agencé pour être rempli d'un fluide de refroidissement.
OUT SPR1
GESTION DE TEMPERATURE DE BATTERIE
La description a notamment pour objet un dispositif gestion de température de batterie, en particulier de batterie pour véhicule automobile hybride ou tout électrique.
Les véhicules électriques et hybrides sont en effet munis de batteries électriques dont la température doit, pour une utilisation optimale en charge et en décharge, rester dans une plage assurant un compromis satisfaisant entre durée de vie de la batterie et rendement de la batterie. En effet, si la io température au sein de la batterie est trop élevée, cela détériore sa durée de vie et si la température y est trop basse, cela diminue son rendement. Pour conserver un bon rendement et prévenir une détérioration anticipée, les batteries électriques sont généralement associées à un système de refroidissement, qui peut être actif ou passif, afin d’évacuer la chaleur produite par les batteries. Un exemple de système actif, nécessitant de l'énergie mécanique, est un système de refroidissement indirect. Un système de refroidissement indirect est un système ayant vocation à être intégré non pas dans un circuit frigorifique servant au conditionnement d’air mais dans une boucle de refroidissement additionnelle (dans laquelle circule un fluide de refroidissement). L’évacuation des calories apportées par les cellules électriques de la batterie est ainsi réalisée par l’intermédiaire du système de refroidissement indirect, vers un circuit frigorifique servant au conditionnement d’air. Mais un tel système de refroidissement indirect, qui met typiquement en œuvre un refroidissement permanent, est coûteux en énergie et diminue d’autant l’autonomie du véhicule alimenté par la batterie. En effet, une énergie électrique est nécessaire pour la circulation du fluide de refroidissement, ainsi que pour l’alimentation d'un compresseur permettant la circulation du fluide frigorigène dans le circuit frigorifique servant au conditionnement d’air (également appelé chiller en anglais).
La circulation du fluide de refroidissement dans le système de refroidissement indirect conduit de surcroît à une inhomogénéité de la température du fluide de refroidissement et donc à une inhomogénéité du refroidissement de la batterie électrique. Au fur et à mesure que le fluide de refroidissement progresse dans le système de refroidissement indirect, il absorbe l’énergie dégagée par la batterie électrique et s’échauffe. La différence de température entre l’entrée et la sortie peut alors dans certains cas atteindre plusieurs degrés.
PCM est un acronyme issu de l'expression anglaise Phase Change Material signifiant matériau à changement de phase. Un matériau à changement de phase est un matériau qui absorbe de la chaleur dans une io gamme de températures restreinte. Lorsque la température du PCM devient supérieure à la température maximale de cette gamme de températures, et lorsque le changement de phase du PCM est achevé (les deux conditions étant cumulatives), le matériau à changement de phase n'a plus qu'une faible chaleur sensible, et son aptitude à absorber de la chaleur devient négligeable. Il ne représente alors plus qu’une résistance thermique supplémentaire gênant l’évacuation de la chaleur de son environnement. Il est connu d'incorporer dans une batterie des plaques de PCM entre les cellules de cette batterie.
En appliquant du PCM sur toute la surface d'une cellule, on est précisément confronté au problème lié au fait que le PCM absorbe la chaleur jusqu'à un certain seuil, mais qu'une fois ce seuil franchi, il devient thermiquement résistant (il perd donc son utilité), ce qui est contraire à l'effet recherché.
L’invention vise à améliorer la situation.
L'invention se rapporte notamment à un dispositif de gestion de température d'une batterie électrique, la batterie électrique comprenant une première cellule et une deuxième cellule, le dispositif comprenant:
- un drain thermique réalisé en matériau conducteur thermique, le drain thermique contenant un matériau à changement de phase, le drain thermique étant agencé pour être placé entre la première cellule et la deuxième cellule et pour être en contact thermique avec la première cellule et avec la deuxième cellule,
- un circuit de refroidissement comprenant des tubes de refroidissement, au moins un desdits tubes de refroidissement étant connecté au drain thermique, qu'il traverse, et étant agencé pour être rempli d'un fluide de refroidissement.
Un tel dispositif est avantageux notamment en ce qu'il permet de io conserver la batterie électrique dans sa gamme optimale de température (par exemple 20°C - 30°C) ainsi que d’améliorer l’homogénéité de la température au niveau du circuit de refroidissement, qui est par exemple un système de refroidissement indirect, et donc au niveau de la batterie électrique.
Lorsque la sollicitation du véhicule augmente fortement sur des périodes suffisamment longues, la puissance thermique à évacuer au niveau des cellules est plus importante. L’inertie du système de refroidissement indirect est améliorée par rapport à l'état de l'art et permet de s’adapter suffisamment rapidement à ces pics de puissance pour éviter une montée en température des cellules. En plus de la gestion de cette contrainte inertielle, le coût énergétique de l’accroissement soudain de production de froid est réduit par rapport à l'art antérieur.
Le dispositif selon l’invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison.
L'invention se rapporte notamment à un dispositif de gestion de température dans lequel le matériau à changement de phase du drain thermique contient un matériau conducteur thermique ajouté.
L'invention se rapporte notamment à un dispositif de gestion de température dans lequel le drain thermique contient une structure réalisée en matériau conducteur thermique.
L'invention se rapporte notamment à un dispositif de gestion de température dans lequel le circuit de refroidissement comprend un premier et un deuxième collecteurs de fluide de refroidissement, l'un parmi le premier collecteur de fluide de refroidissement et le deuxième collecteur de fluide de refroidissement comprenant une entrée de fluide de refroidissement et l'un parmi le premier collecteur de fluide de refroidissement et le deuxième collecteur de fluide de refroidissement comprenant une sortie de fluide de refroidissement, les tubes de refroidissement reliant les deux collecteurs, au moins un des tubes de io refroidissement étant agencé pour amener du fluide de refroidissement du premier collecteur vers le deuxième collecteur, au moins un des tubes de refroidissement étant agencé pour amener du fluide de refroidissement du deuxième collecteur vers le premier collecteur.
Selon un mode de réalisation l'entrée de fluide de refroidissement et la sortie de fluide de refroidissement appartiennent au premier collecteur de fluide de refroidissement.
Selon un mode de réalisation l'entrée de fluide de refroidissement appartient au premier collecteur de fluide de refroidissement et la sortie de fluide de refroidissement appartient au deuxième collecteur de fluide de refroidissement.
Selon un mode de réalisation l'entrée de fluide de refroidissement appartient au deuxième collecteur de fluide de refroidissement et la sortie de fluide de refroidissement appartient au premier collecteur de fluide de refroidissement.
Selon un mode de réalisation l'entrée de fluide de refroidissement et la sortie de fluide de refroidissement appartiennent au deuxième collecteur de fluide de refroidissement.
L'invention se rapporte notamment à un dispositif de gestion de température comprenant des moyens de compensation pour absorber la dilatation éventuelle d'au moins une cellule du dispositif.
L'invention se rapporte notamment à un dispositif de gestion de température comprenant au moins un ressort de compression, le ressort de compression étant un ressort à spires, enfilé sur un des tubes de refroidissement et placé en butée contre le premier ou le deuxième collecteur de fluide de refroidissement. Le ressort à spires est par exemple de forme cylindrique.
L'invention se rapporte notamment à un dispositif de gestion de température comprenant au moins un ressort à lame, le ressort à lame étant fixé sur le premier ou le deuxième collecteur de fluide de refroidissement.
L'invention se rapporte notamment à un dispositif de gestion de io température comprenant au moins un coussinet, le coussinet étant fixé sur le premier ou le deuxième collecteur de fluide de refroidissement.
L'invention se rapporte notamment à un dispositif de gestion de température dans lequel le drain thermique est formé par deux plaques métalliques fixées l'une à l'autre, entre lesquelles le matériau à changement de phase est enfermé.
selon un mode de réalisation, une des deux plaques métalliques comprend des rebords et une région concave.
Selon un mode de réalisation, les deux plaques métalliques comprennent une cavité.
Selon un mode de réalisation, les deux plaques métalliques sont sensiblement planes et reliées par des murs.
L'invention se rapporte notamment à un dispositif de gestion de température dans lequel le drain thermique est, au cours de sa fabrication, agencé pour recevoir un matériau à changement de phase sous forme liquide, puis pour être mécaniquement fermé de façon étanche afin de retenir le matériau à changement de phase.
L'invention se rapporte notamment à une batterie électrique comprenant au moins une première cellule et une deuxième cellule, la batterie comprenant un dispositif de gestion de température selon un mode de réalisation de l'invention.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- les figures 1A et 1B sont des vues en éclaté de dispositifs selon des modes de réalisation de l'invention, intégrés dans une batterie;
- les figures 2A, 2B et 2C représentent trois modes de réalisation différents de drains thermiques de dispositifs selon des modes de réalisation de l'invention;
- la figure 3 représente une vue en perspective d'un drain thermique d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention;
- les figures 4A et 4B représentent deux modes de réalisation différents d'un drain thermique d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention;
- les figures 5A, 5B et 5C représentent trois modes de réalisation différents d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, comprenant différents moyens de compensation de la dilatation éventuelle des cellules d'une batterie selon un mode de réalisation de l'invention.
En qualifiant un élément de supérieur, inférieur, au dessus de, au dessous de, vertical, horizontal, haut ou bas, on se réfère sauf précision contraire à la disposition de cet élément à l’état monté dans un véhicule automobile, dans un référentiel du véhicule.
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque élément mentionné dans le cadre d'un mode de réalisation ne concerne que ce même mode de réalisation, ou que des caractéristiques de ce mode de réalisation s'appliquent seulement à ce mode de réalisation.
La figure 1A est une vue en éclaté d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, intégré dans une batterie. Le dispositif comprend un premier collecteur (en anglais, manifold) MAN1 et un deuxième collecteur MAN2. Le premier collecteur MAN1 comprend une entrée IN et une sortie OUT, permettant respectivement de faire pénétrer un fluide de io refroidissement dans le premier collecteur et de l'en faire sortir. Le premier et le deuxième collecteurs sont reliés par un ensemble de tubes de refroidissement CP (en anglais, cooling pipe), qui sont placés tout autour des cellules pour bien les refroidir et assurer une bonne homogénéité de la température. Des cellules de batterie (en l'occurrence des cellules prismatiques) sont placées entre les deux collecteurs. Trois cellules sont représentées, mais bien sûr la batterie peut comprendre plus ou moins de trois cellules. Les cellules comprennent chacune une borne positive PT (en anglais positive terminal) et négative NT. Chaque cellule est séparée de la cellule suivante par un drain thermique HS (en anglais heat sink), qui comprend un matériau à changement de phase PCM. Des ressorts SPR1 (en anglais spring) sont enfilés sur les tubes de refroidissement afin d'amortir l'éventuelle dilatation des cellules de la batterie. Une vue agrandie de l'un de ces ressorts SPR1 est incluse à titre d'illustration (il ne s'agit pas d'un élément supplémentaire du dispositif).
La figure 1B est une vue en éclaté d'un dispositif selon une variante du mode de réalisation illustré sur la figure 1A, dans laquelle, afin de positionner les cellules électriques dans ledit dispositif (une fois ce dernier assemblé), la partie supérieure (côté bornes électriques PT et NT) est laissée libre, c'est-à-dire sans tubes de refroidissement (les trois tubes supérieurs de la figure 1A ne sont pas montés dans le dispositif selon la variante de la figure 1 B). Ainsi, les cellules peuvent être incorporées dans le dispositif par le dessus, puis le cas échéant retirées, sans démonter le dispositif. En contrepartie, il n'y a pas de refroidissement par le haut.
Les figures 2A, 2B et 2C représentent trois modes de réalisation différents d'un drain thermique HS d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, en coupe verticale. Les trois drains thermiques sont chacun formés à partir de deux feuillards d'aluminium correspondants (en anglais mating aluminum foils), respectivement AF1 et AF2, AF1' et AF2', ainsi que AF1 et AF2. Selon une variante, les feuillards sont formés d'un autre métal voire de tout matériau thermiquement conducteur tel qu'un plastique chargé de métal. Selon une mise en œuvre possible, au moins l'un des feuillards comprend une région concave.
Selon une première mise en œuvre possible (figure 2A), un premier feuillard d'aluminium AF1 est déformé à sa périphérie, sa périphérie déformée étant mise en contact avec la périphérie correspondante, non déformée, du deuxième feuillard d'aluminium AF2. Les deux feuillards sont alors brasés au niveau de leurs périphéries afin de former une enceinte étanche (grâce à la périphérie déformée, dont la déformation a pour but de créer une cavité entre les deux feuillards) pouvant contenir un matériau à changement de phase PCM. Au lieu d'être brasés, ils peuvent également être soudés, collés, etc.
Selon une deuxième mise en œuvre possible (figure 2B), un premier feuillard d'aluminium AF1' est déformé à sa périphérie, sa périphérie déformée étant mise en contact avec la périphérie correspondante, elle aussi déformée, du deuxième feuillard d'aluminium AF2'. Les deux feuillards sont brasés au niveau de leurs périphéries afin de former une enceinte étanche (grâce aux périphéries déformées, dont les déformations ont pour but de créer une cavité entre les deux feuillards) pouvant contenir un matériau à changement de phase PCM. Au lieu d'être brasés, ils peuvent également être soudés, collés, etc.
Selon une troisième mise en œuvre possible (figure 2C), un premier feuillard d'aluminium AF1 non déformé est mis en contact avec un deuxième feuillard d'aluminium AF2 non déformé à l'aide de parois W (en anglais wall). Les parois et feuillards sont brasés afin de former une enceinte étanche pouvant contenir un matériau à changement de phase PCM. Au lieu d'être brasés, ils peuvent également être soudés, collés, etc.
Les trois mises en œuvre précitées comprennent en l'espèce un intercalaire INT, qui permet d'assurer une conduction thermique du drain thermique même lorsque la température du matériau à changement de phase a excédé un seuil à partir duquel sa conduction thermique devient très faible. L'intercalaire INT permet également de renforcer io structurellement le drain thermique. Selon des mises en œuvre non représentées, aucun intercalaire n'est prévu.
Les trois mises en œuvre précitées comprennent un passage de tube de refroidissement CP, dans une zone exempte de matériau à changement de phase PCM du drain thermique (ce qui permet d'éviter des fuites de PCM).
II s'agit par exemple de la zone dans laquelle les feuillards d'aluminium sont brasés (figures 2A et 2B), ou encore de la zone du drain thermique située du côté de la paroi W duquel il n'y a pas de matériau à changement de phase (figure 2C). Les passages de tubes sont situés à la périphérie des feuillards d'aluminium.
La figure 3 représente une vue en perspective d'un drain thermique d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, tel que représenté sur la figure 2A. Cette vue en perspective est simplifiée et ne comprend pas notamment le système de remplissage du drain thermique (permettant d'introduire le matériau à changement de phase).
Les figures 4A et 4B représentent deux modes de réalisation différents d'un drain thermique d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, illustrant la technique de remplissage utilisée pour introduire le matériau à changement de phase dans le drain thermique.
Sur la figure 4A, on constate la présence d'un tube serti C (crimped en anglais). Ce tube sert initialement à verser le matériau à changement de phase, sous forme liquide, dans le drain thermique. Une fois le matériau à changement de phase introduit, le tube est serti, par exemple en écrasant son extrémité avec une pince. Ceci permet de fermer le drain thermique et d'empêcher ainsi le matériau à changement de phase de s'en échapper.
Sur la figure 4B, on constate la présence d'un tube riveté R (riveted en anglais). Ce tube sert initialement à verser le matériau à changement de phase, sous forme liquide, dans le drain thermique. Une fois le matériau à io changement de phase introduit, le tube est riveté, en introduisant dans son extrémité un rivet aveugle étanche et en le rivetant par exemple à l'aide d'une pince à riveter. Un rivet aveugle est constitué d'un corps creux (typiquement un tube avec une collerette) en alliage déformable, et d'une tige (qu'on dénomme clou) dont une extrémité est renflée. La pince à riveter permet de tirer sur la tige dont l'extrémité renflée et de la faire ainsi pénétrer dans le corps du rivet pour réaliser le rivetage. Ceci permet de fermer le drain thermique et d'empêcher ainsi le matériau à changement de phase de s'en échapper. Alternativement, le rivet est remplacé par un bouchon mécanique de tout type approprié.
Les figures 5A, 5B et 5C représentent trois modes de réalisation différents d'un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, comprenant différents moyens de compensation de la dilatation éventuelle des cellules d'une batterie selon un mode de réalisation de l'invention.
Sur la figure 5A, des ressorts SPR1 sont enfilés sur des tubes de refroidissement, qui permettent de positionner ces ressorts et de les maintenir en position. Lorsqu'au moins une cellule de batterie se dilate, elle compresse le ou les ressorts SPR1, qui permet de contenir la dilatation tout en empêchant une destruction de la batterie par dilatation de ses cellules (en absorbant ces dilatations).
Sur la figure 5B, un coussinet PAD est fixé sur le premier collecteur
MANU Lorsqu'au moins une cellule de batterie se dilate, elle compresse le coussinet, ce qui permet de contenir la dilatation tout en empêchant une destruction de la batterie par dilatation de ses cellules (en absorbant ces dilatations).
Sur la figure 5C, des ressorts à plaque SPR2 sont fixés sur le premier collecteur MAN1. Lorsqu'au moins une cellule de batterie se dilate, elle compresse les ressorts SPR2, ce qui permet de contenir la dilatation tout en empêchant une destruction de la batterie par dilatation de ses cellules (en absorbant ces dilatations).
Un premier mode de réalisation concerne un dispositif de gestion de température d'une batterie électrique. La batterie électrique (par exemple batterie de véhicule automobile hybride voire de véhicule automobile tout électrique) comprend une première cellule CEL1 et une deuxième cellule
CEL2. Bien sûr elle comprend généralement de nombreuses autres cellules, non représentées. Ces cellules sont par exemple des cellules formées par une pochette plastique contenant un électrolyte, qui sont dénommées pouch cell en anglais (cellule pochette si l'on traduit littéralement, mais l'homme du métier utilise l'expression anglaise). D'autres types de cellules sont possibles (par exemple des cellules prismatiques).
Le dispositif de gestion de température comprend un drain thermique HS réalisé en matériau conducteur thermique (tel qu'un métal). Le matériau utilisé est par exemple de l'aluminium ou du cuivre, l'aluminium étant avantageux car moins cher.
Le drain thermique contient un matériau à changement de phase (dit
PCM). Il s'agit par exemple d'un PCM composite. Selon une mise en œuvre possible, le PCM est associé à un polymère, la capacité de stockage du PCM est alors généralement réduite proportionnellement au taux de polymère présent dans le PCM.
Un tel matériau à changement de phase est par exemple solide à température inférieure à 20°C, mais peut devenir liquide par exemple à 25°.
Selon une mise en œuvre possible le drain thermique comprend entre 10g et 50g (par exemple 20g) de matériau à changement de phase.
Selon une mise en œuvre possible, le PCM est choisi de façon à ce que sa température de changement de phase soit légèrement supérieure à la température optimale d'utilisation de la batterie, ce qui permet d'absorber plus facilement les pics de chaleur.
Le drain thermique est agencé pour être placé entre la première cellule et la deuxième cellule et pour être en contact thermique (par opposition à une isolation thermique) avec la première cellule et avec la deuxième cellule. io Selon une mise en œuvre, ce contact thermique avec chaque cellule (la première et la deuxième) est direct (le drain thermique touche directement la cellule concernée). Ainsi, le drain thermique est apte à recevoir de la chaleur de chaque cellule et à la transférer vers le matériau à changement de phase qu'il contient. Par contact thermique, on entend un contact présentant une conductivité au moins égale à celle du matériau à changement de phase lorsqu'il est dans une phase la plus conductrice, et quantitativement suffisant pour assurer un transfert thermique rapide. Selon une mise en œuvre possible, un transfert thermique rapide est un transfert thermique qui dure moins de 15 secondes, au sens ou lorsque la température d'une cellule s'élève, la température du drain thermique (lorsque le matériau à mémoire de phase n'a pas dépassé sa température de seuil le rendant résistant) rejoint la température de la cellule à 2% près en moins de 15 secondes.
Cette mise en contact du drain thermique avec la cellule est particulièrement avantageuse pour les cellules de type pouch cell, dont l'enveloppe plastique est peu conductrice thermique et qui peuvent donc présenter une température inhomogène en l'absence d'un tel contact avec un drain thermique sur l'essentiel de leur surface. Les cellules ont généralement une forme sensiblement parallélépipédique et aplatie. Le drain thermique est de préférence en contact avec la majeure partie (plus de 90%), voire la totalité, de la face la plus grande (en terme de surface) de la cellule considérée, ce qui permet un bon échange thermique. Ceci est avantageux par rapport à des solutions qui consisteraient à mettre du PCM entre une cellule et un refroidisseur (lorsque le PCM dépasse sa température de changement de phase, il devient un isolant thermique). Les parois du drain thermique jouent un rôle d’ailette en prolongeant la surface d’échange avec le fluide de refroidissement décrit ci-dessous. Le PCM peut ainsi rapidement absorber la chaleur dégagée par les cellules et il peut également se régénérer rapidement via le fluide de refroidissement. Cela assure un bon lissage des pics de chaleur.
Le dispositif de gestion de température comprend un circuit de io refroidissement. Le circuit de refroidissement comprend des tubes de refroidissement CP, au moins un desdits tubes de refroidissement étant connecté au drain thermique, qu'il traverse, et étant agencé pour être rempli d'un fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement est par exemple un liquide de refroidissement (par exemple de l’eau glycolée). La connexion du tube de refroidissement au drain thermique s'entend comme une connexion thermique, qui peut s'effectuer par exemple par simple contact. Selon une mise en œuvre possible, un trou d'un diamètre identique à celui du tube de refroidissement est ménagé dans le drain thermique et permet un contact entre le tube et le drain thermique. Le cas échéant, le trou est de diamètre très légèrement supérieur à celui du tube de refroidissement, dans un tel cas (ainsi que dans le cas précédent) une olive peut être passée dans les tubes afin de les dilater et de les plaquer aux drains thermiques. Selon une mise en œuvre possible, l'interstice entre le tube de refroidissement et le trou est comblé par une pâte thermique. La connexion entre le tube de refroidissement et le drain thermique permet ainsi à la chaleur dégagée par le drain thermique (issue d'au moins une cellule de la batterie) d'être communiquée au tube de refroidissement qui l'évacue grâce au fluide de refroidissement qu'il contient.
Selon une mise en œuvre possible, une cellule électrique initialement à
22°C (qui est sa température optimale d'utilisation) est susceptible de dégager pendant un pic de 10 secondes une puissance thermique de 23W. Le PCM est choisi avec une température de changement de phase de 23°C. Grâce au PCM, on constate que la température stagne à l'approche de 23°C. Plus la quantité de PCM augmente, plus le pic de température est faible du fait de l’inertie plus importante du PCM. Une fois le pic passé on constate que sans PCM la température commencerait à redescendre alors qu’avec le PCM selon l'invention, la température stagne du fait de la régénération du PCM. Avec du PCM, la température met plus longtemps pour redescendre à 22°C. Le PCM lisse ainsi les montés et descentes en température. Le PCM est utile en particulier en cas d'augmentation de température importante des cellules.
De façon plus générale, la température de changement de phase est io sélectionnée légèrement au-dessus de la température optimale d’utilisation des cellules électriques afin d’absorber les pics de chaleurs. La température optimale d’utilisation des cellules électriques est généralement comprise entre environ 10°C et environ 40°C, selon le type de batterie.
Selon un deuxième mode de réalisation, le matériau à changement de phase d'un drain thermique d'un dispositif de gestion de température selon le premier mode de réalisation contient un matériau conducteur thermique ajouté. Par conducteur thermique, on entend que le matériau ajouté conduit au moins aussi bien la chaleur que le matériau à changement de phase lorsque ce dernier se trouve dans une phase où il est le plus conducteur thermique. Le matériau conducteur thermique ajouté est par exemple une mousse métallique, une poudre (par exemple métallique), un ensemble de particules métalliques et/ou de particules de carbone et/ou du graphène. Ainsi, même lorsque le matériau à changement de phase est devenu intrinsèquement isolant, le fait qu'il contient le matériau ajouté rend l'ensemble (matériau à changement de phase plus matériau ajouté) beaucoup plus conducteur thermique que ne le serait le matériau à changement de phase seul, ce qui permet de continuer à refroidir les cellules en absorbant la chaleur et en offrant une masse plus importante pour dissiper cette chaleur. De plus, l'ajout d'un matériau sous forme de particules ou de poudre permet de conserver une certaine souplesse pour le drain thermique, ce qui lui permet de supporter plus aisément les dilatations éventuelles des cellules.
Selon un troisième mode de réalisation, le drain thermique d'un dispositif de gestion de température selon le premier ou deuxième mode de réalisation contient une structure INT réalisée en matériau conducteur thermique. Par conducteur thermique, on entend que la structure conduit au moins aussi bien la chaleur que le matériau à changement de phase lorsque ce dernier se trouve dans une phase où il est le plus conducteur thermique.
io La structure est par exemple une structure de type turbulateur. Cette structure, seule ou en combinaison avec le matériau ajouté du deuxième mode de réalisation, permet, elle aussi, d'accroître substantiellement la conductivité thermique du drain thermique. De plus, la structure confère une plus grande rigidité au drain thermique, ce qui peut lui permettre de s'opposer à une déformation des cellules voisines, ou alors de coulisser dans les tubes de refroidissement au lieu d'être déformé (dans l'hypothèse où il n'est pas solidaire de ces tubes de refroidissement).
La structure est par exemple métallique (par exemple en aluminium voire en cuivre, mais l'aluminium est avantageux pour son coût plus faible). La structure peut être un intercalaire. La structure peut également être constituée d'un ensemble d'ailettes (par exemple métalliques).
Selon une mise en œuvre possible, cette structure est noyée dans le matériau de changement de phase, afin de lui conférer une certaine conductivité thermique. Par exemple, la conductivité thermique du matériau à changement de phase est décuplée par la présence de la structure. La structure peut-être celle d'un turbulateur, ce qui permet alors de réutiliser des structures disponibles, mais ne vise pas à générer la moindre turbulence sur un flux d'air, puisque aucun air ne traverse en principe ce turbulateur qui est en l'espèce noyé dans le matériau à changement de phase.
Selon une alternative, la structure améliore la conductivité thermique de l'ensemble du dispositif, grâce à sa propre conductivité thermique élevée, mais n'est pas noyée dans le matériau de changement de phase. Par exemple, le drain thermique comprend deux sous-modules séparés par un turbulateur qui établit un contact thermique entre les deux sous-modules.
Lorsque la structure est un intercalaire, elle est par exemple obtenue à partir de deux plaques planes en métal conducteur thermique (par exemple deux feuillards en aluminium ou en cuivre), chacune des plaques planes étant munie d'une pluralité de persiennes inclinées réalisées par découpe et formage.
Selon un quatrième mode de réalisation, le circuit de refroidissement d'un dispositif de gestion de température selon l'un des premier au troisième
| modes de réalisation | comprend un premier collecteur de fluide de | ||||
| refroidissement | MAN1 | et un deuxième collecteur de | fluide | de | |
| 15 | refroidissement | MAN2. | L'un parmi le premier collecteur de | fluide | de |
| refroidissement | MAN1 | et le deuxième collecteur de | fluide | de | |
| refroidissement | MAN2 | comprend une entrée IN de | fluide | de | |
| refroidissement. | L'un | parmi le premier collecteur de | fluide | de | |
| refroidissement | MAN1 | et le deuxième collecteur de | fluide | de | |
| 20 | refroidissement | MAN2 | comprend une sortie OUT de | fluide | de |
refroidissement. Cette entrée IN et cette sortie OUT sont par exemple connectées à une pompe permettant de faire circuler le fluide de refroidissement dans le circuit de refroidissement (la pompe est agencée pour aspirer le fluide de refroidissement par la sortie OUT et pour injecter corrélativement le fluide de refroidissement par l'entrée IN). Selon une mise en œuvre possible, le circuit de refroidissement est un circuit fermé. Par exemple, la pompe est placée en série (entre l'entrée IN et la sortie OUT) avec un tuyau en contact thermique avec un circuit frigorifique servant au conditionnement d’air (dans lequel circule par exemple un fluide frigorigène tel que le R134a). La connexion thermique du tuyau peut s'effectuer par exemple par simple contact. Le circuit frigorifique et le circuit de refroidissement, étanches l'un par rapport à l'autre (leurs fluides ne se mélangeant pas), se communiquent alors leur chaleur. Plus précisément, le circuit de refroidissement évacue sa chaleur via le circuit frigorifique. Le circuit frigorifique permet ainsi de refroidir le fluide de refroidissement issu du circuit de refroidissement et par conséquent les cellules de la batterie.
Les tubes de refroidissement CP sont par exemple des tubes rigides rectilignes. Selon une mise en œuvre possible, ils sont tous identiques les uns aux autres. Les tubes de refroidissement CP relient les deux collecteurs. Au moins un des tubes de refroidissement est agencé pour amener du fluide de refroidissement du premier collecteur vers le deuxième io collecteur. Au moins un des tubes de refroidissement est agencé pour amener du fluide de refroidissement du deuxième collecteur vers le premier collecteur. Une boucle de circulation de fluide de refroidissement est ainsi créée.
Selon un mode de réalisation l'entrée IN de fluide de refroidissement et la sortie OUT de fluide de refroidissement appartiennent au premier collecteur MAN1 de fluide de refroidissement.
Selon un mode de réalisation l'entrée IN de fluide de refroidissement appartient au premier collecteur MAN1 de fluide de refroidissement et la sortie OUT de fluide de refroidissement appartient au deuxième collecteur
MAN2 de fluide de refroidissement.
Selon un mode de réalisation l'entrée IN de fluide de refroidissement appartient au deuxième collecteur MAN2 de fluide de refroidissement et la sortie OUT de fluide de refroidissement appartient au premier collecteur MAN1 de fluide de refroidissement.
Selon un mode de réalisation l'entrée IN de fluide de refroidissement et la sortie OUT de fluide de refroidissement appartiennent au deuxième collecteur MAN2 de fluide de refroidissement.
Selon un cinquième mode de réalisation, un dispositif de gestion de température selon le quatrième mode de réalisation comprend des moyens de compensation pour absorber la dilatation éventuelle d'au moins une cellule (par exemple l'une au moins parmi les cellules CEL1, CEL2) du dispositif.
Selon un sixième mode de réalisation, un dispositif de gestion de température selon le quatrième ou le cinquième mode de réalisation comprend au moins un ressort de compression SPR1. Selon une mise en œuvre possible, un tel ressort constitue un moyen de compensation selon le cinquième mode de réalisation. Le ressort de compression est un ressort à io spires, qui est par exemple de forme cylindrique, enfilé sur un des tubes de refroidissement CP, et placé en butée contre le premier collecteur de fluide de refroidissement MAN1 ou contre le deuxième collecteur de fluide de refroidissement MAN2. Bien entendu, il peut y avoir plusieurs ressorts de compression SPR1. Ces ressorts de compression SPR1 peuvent être tous placés en butée contre le même collecteur, ou peuvent pour certains être placés en butée contre le premier collecteur et pour d'autres être placés en butée contre le deuxième collecteur. Un ressort SPR1 permet d'assurer un bon contact thermique entre les drains thermiques et les cellules, et permet également d'absorber la dilatation d'une cellule et d'éviter qu'elle ne conduise à une rupture de la cellule et donc à une fuite d'électrolyte.
Selon un septième mode de réalisation, un dispositif de gestion de température selon l'un des quatrième au sixième modes de réalisation comprend au moins un ressort à lame SPR2. Selon une mise en œuvre possible, un tel ressort constitue un moyen de compensation selon le cinquième mode de réalisation. Le ressort à lame est fixé sur le premier collecteur de fluide de refroidissement MAN1 ou sur le deuxième collecteur de fluide de refroidissement MAN2. Bien entendu, il peut y avoir plusieurs ressorts à lame SPR2. Ces ressorts à lame SPR2 peuvent être tous fixés sur le même collecteur, ou peuvent pour certains être fixés sur le premier collecteur et pour d'autres être fixés sur le deuxième collecteur. Il est possible d'utiliser le ressort à lame SPR2 seul ou en combinaison avec le ou les ressort(s) de compression SPR1. Un ressort SPR2 permet d'assurer un bon contact thermique entre les drains thermiques et les cellules, et permet également d'absorber la dilatation d'une cellule et d'éviter qu'elle ne conduise à une rupture de la cellule et donc à une fuite d'électrolyte.
Selon un huitième mode de réalisation, un dispositif de gestion de température selon l'un des quatrième au septième modes de réalisation comprend au moins un coussinet PAD. Selon une mise en œuvre possible, un tel coussinet constitue un moyen de compensation selon le cinquième io mode de réalisation. Le coussinet est fixé sur le premier collecteur de fluide de refroidissement MAN1 ou sur le deuxième collecteur de fluide de refroidissement MAN2. Bien entendu, il peut y avoir plusieurs coussinets PAD. Ces coussinets PAD peuvent être tous fixés sur le même collecteur, ou peuvent pour certains être fixés sur le premier collecteur et pour d'autres être fixés sur le deuxième collecteur. Il est possible d'utiliser le coussinet PAD seul ou en combinaison avec le ou les ressort(s) de compression SPR1 et/ou en combinaison avec le ou les ressort(s) à lame SPR2. Un coussinet PAD permet d'assurer un bon contact thermique entre les drains thermiques et les cellules, et permet également d'absorber la dilatation d'une cellule et d'éviter qu'elle ne conduise à une rupture de la cellule et donc à une fuite d'électrolyte.
Selon un neuvième mode de réalisation, le drain thermique HS d'un dispositif de gestion de température selon l'un des premier au huitième modes de réalisation est formé par deux plaques métalliques fixées l'une à l'autre, entre lesquelles le matériau à changement de phase est enfermé. Un tel drain thermique peut prendre différentes formes, notamment celles représentées sur les figures 2A à 2C.
Selon un dixième mode de réalisation, le drain thermique HS d'un dispositif de gestion de température selon l'un des premier au neuvième modes de réalisation est, au cours de sa fabrication, agencé pour recevoir un matériau à changement de phase sous forme liquide, puis pour être mécaniquement fermé de façon étanche afin de retenir le matériau à changement de phase. Un tel drain thermique est par exemple muni d'un tuyau d'injection de matériau à changement de phase préalablement chauffé pour se trouver en phase liquide. Une fois le matériau à changement de phase injecté, le tuyau est serti (comme représenté sur la figure 4A) ou riveté (comme représenté sur la figure 4B), ce qui permet de le fermer de manière étanche. Une telle fermeture, mécanique, évite de io chauffer le drain thermique (ce qui serait nécessaire notamment en cas de soudage ou brasage), ce qui est avantageux car un chauffage du drain thermique pourrait détériorer le matériau à changement de phase, qui n'est pas nécessairement apte à supporter la température atteinte par le drain thermique.
Selon un onzième mode de réalisation, une batterie électrique comprend au moins une première cellule CEL1 et une deuxième cellule CEL2, ainsi qu'un dispositif selon l'un des premier au dixième modes de réalisation. La batterie est par exemple une batterie de véhicule automobile électrique ou hybride. Selon une mise en œuvre possible, la batterie comprend N cellules et N-1 drains thermiques situés entre ces cellules (N étant un entier strictement supérieur à 1). Selon une mise en œuvre possible, la batterie comprend N cellules et N+1 drains thermiques situés entre ces cellules, avant la première cellule et après la dernière cellule (N étant un entier strictement positif).
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Dispositif de gestion de température d'une batterie électrique, la batterie électrique comprenant une première cellule (CEL1) et une5 deuxième cellule (CEL
- 2), le dispositif comprenant:- un drain thermique (HS) réalisé en matériau conducteur thermique, le drain thermique contenant un matériau à changement de phase (PCM), le drain thermique étant agencé pour être placé entre la première cellule et la deuxième cellule et pour être en contact thermique avec la première cellule io et avec la deuxième cellule,- un circuit de refroidissement comprenant des tubes de refroidissement (CP), au moins un desdits tubes de refroidissement étant connecté au drain thermique, qu'il traverse, et étant agencé pour être rempli d'un fluide de refroidissement.15 2. Dispositif de gestion de température selon la revendication 1, dans lequel le matériau à changement de phase du drain thermique contient un matériau conducteur thermique ajouté.
- 3. Dispositif de gestion de température selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le drain thermique contient une structure (INT) réalisée en20 matériau conducteur thermique.
- 4. Dispositif de gestion de température selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le circuit de refroidissement comprend un premier (MAN1) et un deuxième (MAN2) collecteurs de fluide de refroidissement, l'un parmi le premier collecteur de fluide de refroidissement et le deuxième25 collecteur de fluide de refroidissement comprenant une entrée (IN) de fluide de refroidissement et l'un parmi le premier collecteur de fluide de refroidissement et le deuxième collecteur de fluide de refroidissement comprenant une sortie (OUT) de fluide de refroidissement, les tubes de refroidissement (CP) reliant les deux collecteurs, au moins un des tubes de30 refroidissement étant agencé pour amener du fluide de refroidissement du premier collecteur vers le deuxième collecteur, au moins un des tubes de refroidissement étant agencé pour amener du fluide de refroidissement du deuxième collecteur vers le premier collecteur.
- 5. Dispositif de gestion de température selon la revendication 4,5 comprenant des moyens de compensation pour absorber la dilatation éventuelle d'au moins une cellule (CEL1, CEL2) du dispositif.
- 6. Dispositif de gestion de température selon la revendication 4 ou 5, comprenant au moins un ressort de compression (SPR1), le ressort de compression étant un ressort à spires, enfilé sur un des tubes de io refroidissement (CP), et placé en butée contre le premier (MAN1) ou le deuxième (MAN2) collecteur de fluide de refroidissement.
- 7. Dispositif de gestion de température selon l'une des revendications 4 à6, comprenant au moins un ressort à lame (SPR2), le ressort à lame étant fixé sur le premier (MAN1) ou le deuxième (MAN2) collecteur de fluide de15 refroidissement.
- 8. Dispositif de gestion de température selon l'une des revendications 4 à 7, comprenant au moins un coussinet (PAD), le coussinet étant fixé sur le premier (MAN1) ou le deuxième (MAN2) collecteur de fluide de refroidissement.20
- 9. Dispositif de gestion de température selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le drain thermique (HS) est formé par deux plaques métalliques (AF1, AF2) fixées l'une à l'autre, entre lesquelles le matériau à changement de phase est enfermé.
- 10. Dispositif de gestion de température selon l'une des revendications25 précédentes, dans lequel le drain thermique (HS) est, au cours de sa fabrication, agencé pour recevoir un matériau à changement de phase sous forme liquide, puis pour être mécaniquement fermé (R, C) de façon étanche afin de retenir le matériau à changement de phase.
- 11. Batterie électrique comprenant au moins une première cellule (CEL1)30 et une deuxième cellule (CEL2), la batterie comprenant un dispositif de gestion de température selon l'une des revendications précédentes.1/5MAN2
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