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FR3152650A1 - Echangeur thermique pour cellules de batteries électriques - Google Patents

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FR3152650A1
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Mickaël LECHARTIER
Jérôme DEMANGEOT
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Novares France SAS
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Abstract

Un échangeur thermique (1) pour cellules (4) de batteries électriques, caractérisé en ce qu’il comprend :- un carter (2), s’étendant selon une direction longitudinale entre une paroi avant du carter (2d) et une paroi arrière du carter (2e), et selon une direction transversale entre une paroi droite du carter (2b) et une paroi gauche du carter (2c), - une entrée de fluide caloporteur (8),- une sortie de fluide caloporteur (9),- un support de cellules permettant de recevoir des cellules (4) à l’intérieur du carter (2), le support de cellules (3) comprenant des séries longitudinales (S1, S2, S3, S4, S5) de logements de cellules,- une zone de répartition de fluide (7), reliée à l’entrée de fluide (8) et à la sortie de fluide (9), et- une zone d’échange thermique principale, alimentée en fluide via la zone de répartition de fluide (7), et dans laquelle est réalisé, pour chaque série (S1, S2, S3, S4, S5) de logements et sur au moins une partie de la hauteur des cellules (4), un échange thermique entre le fluide caloporteur et les cellules (4) disposées dans les logements de la série, les logements de chaque série (S1, S2, S3, S4, S5) étant bordés latéralement par d’un côté une zone de circulation longitudinale de fluide dans une direction aller vers la paroi arrière (2e) du carter (2), dite zone principale de circulation aller, et par de l’autre côté une zone de circulation longitudinale de fluide dans une direction retour vers la paroi avant (2d) du carter (2), dite zone principale de circulation retour Figure 3

Description

Echangeur thermique pour cellules de batteries électriques
L’invention a pour objet un échangeur thermique pour cellules de batterie, en particulier pour des cellules cylindriques de batterie. L’invention s’applique tout particulièrement à des cellules cylindriques de batterie pour véhicule électrique.
Avec le développement continu de la mobilité électrique, l’industrie des véhicules électriques et, par conséquent, des batteries de véhicules électriques, est en plein essor.
Une batterie de véhicule électrique est généralement composée de cellules lithium-ion rechargeables connectées entre elles. Les cellules lithium-ion sont les plus populaires en raison de leur rentabilité, offrant le meilleur compromis entre la capacité de stockage d’énergie et le prix.
Les batteries peuvent se présenter sous de nombreuses formes, et avec des tailles différentes.
Il existe trois types de base de cellules de batterie utilisées dans les véhicules électriques : les cellules cylindriques, les cellules prismatiques et les cellules dites « pouch » en langue anglaise.
Les cellules cylindriques, qui sont les plus utilisées, sont, comme leur nom l'indique, en forme de cylindre. Elles sont autonomes dans un boîtier cylindrique qui leur confère une résistance aux chocs mécaniques.
En raison de la durée d'utilisation de ce format, les cellules cylindriques sont les plus rentables et les plus faciles à fabriquer. Les cellules cylindriques peuvent toutefois être limitées dans leur puissance de sortie, c'est pourquoi les véhicules électriques avec des batteries plus petites utilisent souvent des cellules prismatiques ou des cellules "pouch".
Une cellule prismatique est une cellule dont la chimie est enfermée dans une enveloppe rigide. Sa forme rectangulaire permet d’empiler efficacement plusieurs unités dans un module de batterie.
Les cellules de type « pouch » doivent leur nom à leur forme, qui fait penser à des poches. Elles sont enfermées dans un boîtier en plastique souple, ce qui les rend très efficaces en termes d'utilisation de l'espace. Leur boîtier fragile implique qu’une protection supplémentaire soit généralement nécessaire pour éviter d'endommager mécaniquement les cellules.
Le rendement d’une batterie de véhicule électrique est affecté par le froid et la chaleur. Ainsi, on peut considérer que le rendement d’une batterie est optimal entre 20°C et 40°C.
Pour réguler la température des cellules de la batterie, il est connu d’utiliser des dispositifs d’échange thermique mettant en œuvre un fluide caloporteur.
Il est ainsi connu du document US 10,020,550 B2 un dispositif de stockage d’énergie comprenant un collecteur d’admission de liquide de refroidissement, un collecteur de sortie de liquide de refroidissement, ainsi que des tubes d’échange thermique s’étendant entre le collecteur d’admission de liquide de refroidissement et le collecteur de sortie de liquide de refroidissement, de manière à échanger de la chaleur entre le liquide de refroidissement traversant les tubes d’échange thermique et des cellules cylindriques de batterie adjacentes aux tubes d’échange thermique.
Le document CN 211578831 U décrit quant à lui un dispositif de refroidissement comprenant un liquide de refroidissement qui s’écoule entre une extrémité avant et une extrémité arrière du dispositif, dans des canaux communiquant entre eux et entourant des cellules cylindriques de batterie.
Ces dispositifs ne permettent toutefois pas un refroidissement suffisamment efficace et homogène des cellules de batterie.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.
L’invention concerne ainsi un échangeur thermique pour cellules de batteries électriques.
L’échangeur thermique selon l’invention comprend :
- un carter, s’étendant selon une direction principale longitudinale entre une première paroi dite paroi avant du carter et une deuxième paroi dite paroi arrière du carter, et selon une direction transversale entre une troisième paroi, dite paroi droite du carter et une quatrième paroi, dite paroi gauche du carter,
- une entrée de fluide caloporteur acheminant un fluide caloporteur dans le carter,
- une sortie de fluide caloporteur évacuant le fluide caloporteur hors du carter,
- un support de cellules permettant de recevoir des cellules à l’intérieur du carter, le support de cellules comprenant des séries longitudinales de logements de cellules,
- une zone de répartition de fluide disposée à l’intérieur du carter, reliée à l’entrée de fluide et à la sortie de fluide, et
- une zone d’échange thermique principale, alimentée en fluide via la zone de répartition de fluide, et dans laquelle est réalisé, pour chaque série de logements et sur au moins une partie de la hauteur des cellules, un échange thermique entre le fluide caloporteur et les cellules disposées dans les logements de la série, les logements de ladite chaque série étant bordés latéralement par d’un côté une zone de circulation longitudinale de fluide dans une direction aller vers la paroi arrière du carter, dite zone principale de circulation aller, et par de l’autre côté une zone de circulation longitudinale de fluide dans une direction retour vers la paroi avant du carter, dite zone principale de circulation retour.
Ainsi, la circulation aller-retour du fluide caloporteur de part et d’autre de chaque série de logements de cellules fait que les cellules voient passer globalement le fluide caloporteur à la même température, ce qui assure un refroidissement homogène et efficace des cellules.
L’entrée de fluide et la sortie de fluide peuvent être situées au niveau de la paroi avant du carter.
La zone d’échange thermique principale peut comprendre des compartiments principaux comprenant chacun une zone principale de circulation aller suivie d’une zone principale de circulation retour, la zone d’échange thermique principale étant délimitée à l’avant par une paroi avant de la zone d’échange thermique principale et à l’arrière par la paroi arrière du carter.
Chaque compartiment principal peut être muni d’une ouverture d’entrée de fluide et d’une ouverture de sortie de fluide, l’ouverture d’entrée de fluide et l’ouverture de sortie de fluide permettant à chaque compartiment principal de communiquer avec la zone de répartition de fluide, et chaque compartiment principal peut comprendre une zone principale de circulation aller, depuis une ouverture d’entrée de fluide et jusqu’à la paroi arrière du carter, et une zone principale de circulation retour, depuis la paroi arrière du carter et jusqu’à une ouverture de sortie de fluide, ladite zone principale de circulation aller et ladite zone principale de circulation retour étant bordées latéralement par deux séries de logements adjacentes ou par une seule série de logements et la paroi droite ou gauche du carter.
La zone de répartition de fluide peut comprendre une paroi transversale intermédiaire, délimitant une partie inférieure de la zone de répartition de fluide, dans laquelle est acheminé le fluide en provenance de l’entrée de fluide, et une partie supérieure de la zone de répartition de fluide, par laquelle le fluide est évacué vers la sortie de fluide.
L’ouverture d’entrée de fluide de chaque compartiment principal peut être située au niveau de la partie inférieure de la zone de répartition de fluide, et l’ouverture de sortie de fluide de chaque compartiment principal peut être située au niveau de la partie supérieure de la zone de répartition de fluide.
Les logements de cellules sont avantageusement disposés en quinconce.
Des logements de cellules peuvent comprendre au moins une nervure transversale de guidage de fluide disposée du côté droit et/ou du côté gauche du logement.
Au moins certaines nervures peuvent comprendre un orifice débouchant d’évacuation d’air.
La paroi droite du carter et la paroi gauche du carter sont avantageusement munies de nervures transversales de guidage de fluide.
L’échangeur thermique peut comprendre en outre une zone d’échange thermique inférieure, située sous la zone d’échange thermique principale, la zone d’échange thermique inférieure permettant d’assurer un échange thermique entre le fluide caloporteur et une partie inférieure des cellules.
La zone d’échange thermique inférieure peut comprendre des compartiments inférieurs communiquant chacun avec un compartiment principal qui lui est associé et qui est situé au-dessus dudit compartiment inférieur, chaque compartiment inférieur comprenant une zone de circulation longitudinale de fluide dans une direction aller vers la paroi arrière du carter, dite zone inférieure de circulation aller, suivie d’une zone de circulation longitudinale de fluide dans une direction retour vers la paroi avant du carter, dite zone inférieure de circulation retour, une ouverture d’entrée de fluide pratiquée dans une paroi de fond de la zone d’échange thermique principale permettant à la zone inférieure de circulation aller de chaque compartiment inférieur de communiquer avec la zone principale de circulation aller du compartiment principal qui lui est associé, et une ouverture de sortie de fluide pratiquée dans la paroi de fond de la zone d’échange thermique principale permettant à la zone inférieure de circulation retour de chaque compartiment inférieur de communiquer avec la zone principale de circulation retour du compartiment principal qui lui est associé.
De préférence, le carter est réalisé en un matériau rigide et le support de cellules est réalisé en un matériau souple.
Le matériau du carter peut comprendre du polypropylène ou du polyamide, et le matériau du support de cellules électriques peut comprendre un élastomère thermoplastique (TPE) ou du silicone.
Le fluide caloporteur peut être de l’huile, de l’eau et/ou du glycol.
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, d’un exemple de mise en œuvre non limitatif, faite en référence aux figures annexées dans lesquelles :
FIG. 1est une première vue en perspective d’un échangeur thermique selon l’invention,
FIG. 2est une deuxième vue en perspective d’un échangeur thermique selon l’invention,
FIG. 3est une vue en coupe selon le plan X,Y de l’échangeur thermique,
FIG. 4est une vue schématique de l’échangeur de laFIG. 3indiquant le sens de circulation du fluide caloporteur,
FIG. 5est une vue de détail en perspective de l’intérieur de l’échangeur thermique, au niveau d’une partie inférieure d’une zone de répartition de fluide de l’échangeur,
FIG. 6est une vue de détail en perspective de l’intérieur de l’échangeur thermique, au niveau d’une partie supérieure d’une zone de répartition de fluide de l’échangeur,
FIG. 7est une vue de dessus de l’intérieur de l’échangeur thermique,
FIG. 8est une vue partielle en perspective de l’échangeur thermique illustrant une zone d’échange thermique inférieure de l’échangeur,
FIG. 9est une vue en coupe selon le plan X,Y de l’échangeur thermique, au niveau d’une zone d’échange thermique principale de l’échangeur,
FIG. 10est une première vue en coupe selon le plan X,Y de l’échangeur thermique, au niveau de la zone d’échange thermique inférieure de l’échangeur, et
FIG. 11illustre une variante de réalisation de l’échangeur thermique selon l’invention.
Tel qu’illustré aux figures 1 à 4, un échangeur thermique 1 selon l’invention comprend un carter 2 ainsi qu’un support 3 de cellules 4 de batterie électrique permettant de recevoir et de maintenir les cellules 4 à l’intérieur du carter 2. Les cellules 4 sont typiquement des cellules cylindriques.
Le carter 2 a globalement la forme d’un parallélépipède rectangle. Il s’étend selon un axe X (longitudinal), un axe Y (transversal) et un axe Z (vertical).
Le carter 2 comprend une paroi de fond horizontale 2a et quatre parois verticales, dont deux parois longitudinales, dont une première paroi 2b, dite paroi droite, et une deuxième paroi 2c, dite paroi gauche, et deux parois transversales, dont une troisième paroi dite paroi avant 2d et une quatrième paroi dite paroi arrière 2e. Le couvercle de l’échangeur 1 est formé par une paroi horizontale supérieure 3a du support 3.
Le support 3 comprend une pluralité de séries longitudinales S1, S2, S3, S4, S5 de logements de cellules 5 (figures 3, 5 et 8). Les logements 5 sont ouverts à leur extrémité supérieure et sont fermés, au moins partiellement, à leur extrémité inférieure par une butée inférieure qui permet de supporter les cellules 4. L’extrémité supérieure des logements 5 est en contact avec la paroi supérieure 3a du support 3.
Les logements 5 sont typiquement cylindriques, de manière à recevoir des cellules cylindriques. On peut toutefois envisager d’autres formes de logements, permettant de recevoir d’autres types de cellules de batterie, comme des cellules prismatiques ou des cellules de type « pouch ».
Les logements 5 sont de préférence plus petits que les cellules, ce qui permet d’insérer en force les cellules 4 et d’accentuer le contact entre les cellules 4 et la matière souple du logement 5.
Les cellules 4 sont insérées en force dans les logements 5, de manière à assurer un contact permanent entre les cellules 4 et la surface d’échange thermique. La maintenance et la recyclabilité de la batterie sont facilitées car on a directement accès aux cellules 4 par la face supérieure de l’échangeur 1. Les cellules 4 peuvent ainsi être extraites individuellement et remplacées.
Chaque série S1, S2, S3, S4, S5 s’étend longitudinalement entre un côté dit avant et un côté dit arrière de l’échangeur 1. Chaque série S1, S2, S3, S4, S5 comprend une pluralité de logements 5 qui sont reliés entre eux par des jonctions longitudinales 6 (FIG. 6). Chaque série S1, S2, S3, S4, S5 se termine à son extrémité avant et à son extrémité arrière par une jonction d’extrémité formée par une nervure longitudinale verticale, dont une jonction d’extrémité avant 6a et une jonction d’extrémité arrière 6b (FIG. 3).
L’échangeur thermique 1 comprend une zone de répartition de fluide caloporteur 7 et une zone d’échange thermique principale, qui est une zone d’échange thermique supérieure, à l’intérieur de laquelle s’effectue un échange thermique entre le fluide caloporteur et les cellules 4 de batterie sur au moins une partie de la hauteur des cellules 4.
La zone de répartition de fluide 7 permet d’acheminer le fluide caloporteur depuis une entrée de fluide 8 vers les différentes séries situées dans la zone d’échange thermique principale, puis de récupérer le fluide caloporteur issu de la zone d’échange thermique principale et de l’acheminer vers une sortie de fluide 9.
La zone de répartition de fluide 7 est délimitée à l’avant par la paroi transversale avant 2d du carter 2, à l’arrière par une paroi transversale avant 10 de la zone d’échange thermique principale, et latéralement par la paroi longitudinale droite 2b du carter 2 et par la paroi longitudinale gauche 2c du carter 2. La zone d’échange thermique principale est quant à elle délimitée à l’avant par la paroi transversale avant 10, à l’arrière par la paroi arrière 2e du carter 2, et latéralement par la paroi longitudinale droite 2b du carter 2 située à proximité de la première série S1 de logements de cellules 5 et par la paroi longitudinale gauche 2c du carter 2, située à proximité de la dernière série S5 de logements de cellules 5.
Comme indiqué sur les figures 5 et 6, la zone de répartition de fluide 7 comprend en outre une paroi intermédiaire horizontale 11 délimitant une partie inférieure 7a de la zone de répartition de fluide 7 et une partie supérieure 7b de la zone de répartition de fluide 7.
Il va maintenant être décrit un chemin de circulation de fluide caloporteur depuis l’entrée de fluide 8 jusqu’à la sortie de fluide 9, dans le cas d’un refroidissement des cellules 4 (figures 4 à 7).
L’entrée de fluide 8 est constituée par un tuyau horizontal en saillie du carter 2. Le fluide entre à l’intérieur du carter 2, au niveau de la partie inférieure 7a de la zone de répartition de fluide 7. Le fluide entre ensuite dans la zone d’échange thermique principale de l’échangeur 1 via des ouvertures d’entrée 12 pratiquées dans la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique, au niveau de la partie inférieure 7a de la zone de répartition de fluide 7. Chaque ouverture d’entrée 12 permet au fluide caloporteur présent dans la zone de répartition de fluide de circuler dans un compartiment d’échange thermique C1, C2, C3.
Dans une variante, non représentée, on peut concevoir que l’ouverture d’entrée de fluide de chaque compartiment principal soit située au niveau de la partie supérieure de la zone de répartition de fluide, et que l’ouverture de sortie de fluide de chaque compartiment principal soit située au niveau de la partie inférieure de la zone de répartition de fluide.
Le fluide circule ainsi dans un premier compartiment C1, dit premier compartiment principal, en direction de la paroi arrière 2e du carter 2, dans un sens longitudinal aller, entre la paroi droite 2b du carter 2 et la série S1 de logements de cellules 5. Une fois parvenu au niveau de la paroi arrière 2e du carter 2, le fluide revient en direction de la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique principale, dans un sens retour, en circulant entre la série S1 et la série S2 de logements de cellules 5. La circulation du fluide dans le sens aller est représentée par la flèche F1, tandis que la circulation du fluide dans le sens retour est représentée par la flèche F2.
Le fluide sort ensuite du compartiment C1 de la zone d’échange thermique principale par une première ouverture de sortie 13 de la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique principale, la première ouverture de sortie 13 étant située au niveau de la partie supérieure 7b de la zone de répartition de fluide 7. Ainsi, le fluide retourne dans la zone de répartition de fluide 7 puis ressort de l’échangeur 1 par la sortie de fluide 9.
La zone d’échange thermique principale est ainsi divisée en compartiments principaux C1, C2, C3. Dans chaque compartiment, le fluide caloporteur effectue un aller-retour, c’est-à-dire une circulation de l’avant vers l’arrière de la zone d’échange thermique, suivie d’une circulation de l’arrière vers l’avant de la zone d’échange thermique. Le passage et la délimitation entre la circulation aller et la circulation retour sont rendus possibles par un espacement entre la jonction d’extrémité arrière 6b des séries impaires S1, S3, S5 et la paroi arrière 2e du carter 2, la jonction d’extrémité avant 6a étant reliée à la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique principale. Pour les séries paires S2, S4, la jonction d’extrémité avant 6a est reliée à la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique principale et la jonction d’extrémité arrière 6b est reliée à la paroi arrière 2e du carter 2.
Chaque compartiment principal C1, C2, C3 comprend ainsi une zone principale de circulation aller et une zone principale de circulation retour, un côté de chaque logement 5 étant bordé latéralement par une zone principale de circulation aller et de l’autre côté par une zone principale de circulation retour. Ainsi, chaque cellule 4 disposée dans son logement 5 est en contact thermique avec d’un côté le fluide de la zone principale de circulation aller et de l’autre côté avec le fluide de la zone principale de circulation retour.
Dans un deuxième compartiment d’échange thermique C2, dit deuxième compartiment principal, adjacent au premier compartiment principal C1, et de la même manière, l’entrée du fluide s’effectue dans la zone d’échange thermique de l’échangeur 1 via une deuxième ouverture d’entrée 12 pratiquée dans la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique, la deuxième ouverture d’entrée 12 étant située au niveau de la partie inférieure 7a de la zone de répartition de fluide 7.
Le fluide circule ensuite dans le deuxième compartiment principal C2, en direction de la paroi transversale arrière 2e du carter, dans un sens aller, entre la série S2 et la série S3 de logements de cellules 5. Une fois parvenu au niveau de la paroi arrière 2e du carter 2, le fluide revient en direction de la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique, dans un sens retour, en circulant entre la série S3 et la série S4 de logements de cellules 5.
Le fluide sort ensuite du compartiment C2 de la zone d’échange thermique principale par une deuxième ouverture de sortie 13 de la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique principale, la deuxième ouverture de sortie 13 étant située au niveau de la partie supérieure 7b de la zone de répartition de fluide 7. Ainsi, le fluide retourne dans la zone de répartition de fluide puis ressort de l’échangeur 1 par la sortie de fluide 9.
Enfin, dans un troisième et dernier compartiment d’échange thermique C3, dit troisième compartiment principal, adjacent au deuxième compartiment principal C2, l’entrée du fluide s’effectue dans la zone d’échange thermique principale de l’échangeur 1 via une troisième ouverture d’entrée 12 pratiquée dans la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique principale, la troisième ouverture d’entrée 12 étant située au niveau de la partie inférieure 7a de la zone de répartition de fluide 7.
Le fluide circule ensuite dans le troisième compartiment principal C3, en direction de la paroi transversale arrière 2e du carter, dans un sens aller, entre la série S4 et la série S5 de logements de cellules 5. Une fois parvenu au niveau de la paroi arrière 2e du carter 2, le fluide revient en direction de la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique, dans un sens retour, en circulant entre la série S5 et la paroi gauche 2c du carter 2.
Le fluide sort ensuite du compartiment C3 de la zone d’échange thermique principale par une troisième ouverture de sortie 13 de la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique principale, la troisième ouverture de sortie 13 étant située au niveau de la partie supérieure 7b de la zone de répartition de fluide 7. Ainsi, le fluide retourne dans la zone de répartition de fluide 7 puis ressort de l’échangeur 1 par la sortie de fluide 9.
Dans chaque compartiment principal C1, C2, C3, le fluide se réchauffe progressivement au fur et à mesure qu’il entre en contact thermique avec les différentes cellules 4. Le fluide est froid lorsqu’il entre dans le compartiment via l’ouverture d’entrée 12, puis il se réchauffe progressivement lors du sens aller pour devenir tiède au niveau de la paroi arrière 2e du carter 2, puis lors du sens retour il devient chaud lorsqu’il ressort du compartiment par l’ouverture de sortie 13.
Le refroidissement est uniforme car chaque cellule 4 est en contact thermique avec un fluide plutôt froid du côté du sens aller et plutôt chaud du côté du sens retour. Toutes les cellules 4 vont ainsi voir passer globalement le fluide à la même température, et donc avec le même pouvoir de refroidissement.
De manière à augmenter la surface d’échange thermique entre le fluide caloporteur et les cellules 4, les logements de cellules 5 sont avantageusement disposés en quinconce. Par disposition en quinconce, on entend une disposition répétitive des logements, ligne à ligne, où chaque ligne (i.e. chaque série longitudinale de logements) est décalée de la moitié d'un logement par rapport à la ligne qui la précède et à celle qui la suit, ces deux dernières étant alignées entre elles sans décalage.
Pour favoriser la turbulence et encore optimiser l’échange thermique entre le fluide caloporteur et les cellules 4, chaque logement 5 d’une série donnée du support 3 comprend avantageusement au moins une nervure transversale 5a de guidage de fluide, dirigée vers une jonction 6 d’une série adjacente (FIG. 7).
Les nervures 5a permettent de guider le fluide sur le pourtour des logements 5 et de créer des turbulences qui améliorent l’échange thermique entre le fluide et les cellules 4.
Ainsi, pour chacune des séries intermédiaires S2 à S4, les logements 5 comprennent avantageusement chacun deux nervures transversales 5a, à savoir une nervure dirigée du côté gauche vers une jonction 6 d’une série adjacente et une nervure dirigée du côté droit vers une jonction 6 de l’autre série adjacente.
Pour la série d’extrémité S1, chaque logement 5 de cette série comprend une unique nervure transversale 5a dirigée vers une jonction de la série S2, la paroi droite 2b du carter 2 étant munie de nervures transversales 2f de guidage de fluide dirigées chacune vers une jonction 6 de la série S1 (FIG. 3). De la même façon, chaque logement de la série d’extrémité S5 comprend une unique nervure transversale 5a dirigée vers une jonction de la série S4, la paroi gauche étant munie de nervures transversales 2f de guidage de fluide dirigées chacune vers une jonction 6 de la série S5.
De manière à éviter la présence de lames d’air entre la cellule 4 et son logement 5, et à faciliter l’insertion des cellules 4 dans les logements 5, certaines nervures 5a peuvent comprendre un orifice débouchant 5a1 (une lumière) sur toute la hauteur du logement 5 (FIG. 7). Les lumières 5a1 permettent ainsi l’évacuation de l’air lors de l’insertion des cellules dans les logements 5. Elles augmentent également la souplesse du logement 5, ce qui permet de gérer le gonflement des cellules sous l’effet de la température.
Pour augmenter encore davantage la surface d’échange thermique entre le fluide caloporteur et les cellules 4, une deuxième zone d’échange thermique, dite zone d’échange thermique inférieure, peut être mise en œuvre sous la zone d’échange thermique principale, de manière à assurer un échange thermique entre le fluide caloporteur et le dessous des cellules 4 (figures 8 à 10).
La zone d’échange thermique inférieure est disposée entre la paroi de fond 2a du carter 2 et une paroi de fond 14 de la zone d’échange thermique principale située à distance de la paroi de fond 2a du carter 2.
De manière similaire à la zone d’échange thermique principale, la zone d’échange thermique inférieure est munie de compartiments inférieurs C’1, C’2, C’3, disposés sous les compartiments principaux C1, C2, C3, et dans lesquels le fluide caloporteur effectue un aller-retour, c’est-à-dire une circulation de l’avant vers l’arrière de la zone d’échange thermique, suivie d’une circulation de l’arrière vers l’avant de la zone d’échange thermique.
La circulation dans la zone d’échange thermique inférieure s’effectue de la façon suivante.
Le fluide caloporteur entre dans la zone d’échange thermique principale de l’échangeur 1 via une première ouverture d’entrée 12 pratiquée dans la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique supérieure. Le fluide circule ensuite notamment dans le premier compartiment principal C1 puis une partie du fluide descend et entre dans un premier compartiment inférieur C’1 disposé sous le premier compartiment principal C1 via une ouverture d’entrée 15 pratiquée dans une paroi de fond 14 de la zone d’échange thermique principale (voirFIG. 9).
De la même façon que pour le premier compartiment principal C1, le fluide circule ensuite dans le premier compartiment inférieur C’1, en direction de la paroi transversale arrière du carter 2e, dans un sens aller, entre la paroi droite 2b du carter 2 et une première paroi longitudinale 17, dans une zone inférieure de circulation aller. Une fois parvenu au niveau de la paroi arrière 2e du carter 2, le fluide revient en direction de la paroi avant 2d, dans un sens retour, en circulant entre la première paroi longitudinale 17 et une deuxième paroi longitudinale 18, dans une zone inférieure de circulation retour. La délimitation entre la circulation aller et la circulation retour est ainsi assurée à l’aide de la première paroi longitudinale 17 qui part d’une paroi avant 10’ de la zone d’échange thermique inférieure, ladite paroi 10’ étant située dans le prolongement de la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique principale. La première paroi longitudinale 17 s’étend ainsi depuis la paroi avant 10’ de la zone d’échange thermique inférieure et se termine à distance de la paroi arrière 2e du carter 2, de manière à laisser un passage pour le fluide pour sa circulation retour.
Après avoir parcouru la zone inférieure de circulation retour, le fluide sort de la zone d’échange thermique inférieure par une ouverture de sortie 16 pratiquée dans la paroi de fond 14 de la zone d’échange thermique principale. Le fluide rejoint ainsi le premier compartiment principal C1 dans sa zone principale de circulation retour puis va se diriger vers la première ouverture de sortie 13 de la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique supérieure. Comme décrit ci-dessus, le fluide retourne ensuite dans la zone de répartition de fluide 7 puis ressort de l’échangeur 1 par la sortie de fluide 9.
De la même façon, le fluide caloporteur qui entre dans le deuxième compartiment principal C2 via une deuxième ouverture d’entrée 12 pratiquée dans la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique principale, circule ensuite dans le deuxième compartiment principal C2 puis une partie du fluide descend et entre dans un deuxième compartiment inférieur C’2 disposé sous le premier compartiment principal C1 via une ouverture d’entrée 15 pratiquée dans la paroi de fond 14 de la zone d’échange thermique principale (voirFIG. 9).
Comme pour le deuxième compartiment principal C2, le fluide circule ensuite dans le deuxième compartiment inférieur C’2, en direction de la paroi transversale arrière 2e du carter 2, dans un sens aller, entre la deuxième paroi longitudinale 18 et une troisième paroi longitudinale 17 qui est identique à la première paroi longitudinale, dans une zone inférieure de circulation aller. Une fois parvenu au niveau de la paroi arrière 2e du carter 2, le fluide revient en direction de la paroi avant 10’, dans un sens retour, en circulant entre la troisième paroi longitudinale 17 et une quatrième paroi longitudinale 18 qui est identique à la deuxième paroi longitudinale, dans une zone inférieure de circulation retour. La délimitation entre la circulation aller et la circulation retour est ainsi assurée à l’aide de la troisième paroi longitudinale 17 qui part de la paroi avant 10’ de la zone d’échange thermique inférieure. La troisième paroi longitudinale 17 s’étend ainsi depuis la paroi avant 10’ de la zone d’échange thermique inférieure et se termine à distance de la paroi arrière 2e du carter 2, de manière à laisser un passage pour le fluide pour sa circulation retour.
Le fluide sort ensuite de la zone d’échange thermique inférieure par une ouverture de sortie 16 pratiquée dans la paroi de fond 14 de la zone d’échange thermique principale. Le fluide rejoint ainsi le deuxième compartiment principal C2 dans sa zone principale de circulation retour puis va se diriger vers la deuxième ouverture de sortie 13 de la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique principale. Comme décrit ci-dessus, le fluide retourne ensuite dans la zone de répartition de fluide 7 puis ressort de l’échangeur 1 par la sortie de fluide 9.
Enfin, le fluide caloporteur qui entre dans le troisième compartiment principal C3 via une troisième ouverture d’entrée 12 pratiquée dans la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique principale, circule ensuite dans le troisième compartiment principal C3 puis une partie du fluide descend et entre dans un troisième compartiment inférieur C’3 via une ouverture d’entrée 15 pratiquée dans la paroi de fond 14 de la zone d’échange thermique principale (voirFIG. 9).
Comme pour le troisième compartiment principal C3, le fluide circule ensuite dans le troisième compartiment inférieur C’3, en direction de la paroi transversale arrière 2e du carter 2, dans un sens aller, entre la quatrième paroi longitudinale 18 et une cinquième paroi longitudinale 17 qui est identique à la deuxième paroi longitudinale, dans une zone inférieure de circulation aller. Une fois parvenu au niveau de la paroi arrière 2e du carter 2, le fluide revient en direction de la paroi avant 10’, dans un sens retour, en circulant entre la cinquième paroi longitudinale 17 et la paroi gauche 2c du carter 2, dans une zone inférieure de circulation retour. La délimitation entre la circulation aller et la circulation retour est ainsi assurée à l’aide de la cinquième paroi longitudinale 17 qui part de la paroi avant 10’ de la zone d’échange thermique inférieure. La cinquième paroi longitudinale 17 s’étend ainsi depuis la paroi avant de la zone d’échange thermique inférieure et se termine à distance de la paroi arrière 2e du carter 2, de manière à laisser un passage pour le fluide pour sa circulation retour.
Le fluide sort ensuite de la zone d’échange thermique inférieure par une ouverture de sortie 16 pratiquée dans la paroi de fond 14 de la zone d’échange thermique principale. Le fluide rejoint ainsi le troisième compartiment principal C3 dans sa zone principale de circulation retour puis va se diriger vers la troisième ouverture de sortie 13 de la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique principale. Comme décrit ci-dessus, le fluide retourne ensuite dans la zone de répartition de fluide 7 puis ressort de l’échangeur 1 par la sortie de fluide 9.
La première paroi longitudinale 17, la deuxième paroi longitudinale 18, la troisième paroi longitudinale 17, la quatrième paroi longitudinale 18 et la cinquième paroi longitudinale 17 servent de butée inférieure pour les cellules 5 des séries S1, S2, S3, S4 et S5 respectivement.
Tel que décrit ci-dessus, le carter 2 peut avoir globalement la forme d’un parallélépipède rectangle. En variante, tel qu’illustré à laFIG. 11, le carter peut avoir une forme différente, avec par exemple des suppressions de zones, de manière à présenter une géométrie adaptée à l’environnement de la batterie.
Le carter 2 est avantageusement réalisé en un matériau rigide, tout comme la paroi avant 10 de la zone d’échange thermique principale, la paroi avant 10’ de la zone d’échange thermique inférieure, la paroi transversale intermédiaire 11 et la paroi de fond 14 de la zone d’échange thermique principale. Le support 3 est quant à lui avantageusement réalisé en un matériau souple.
Le carter 2 et le support 3 peuvent être solidarisés par soudure, ou par collage.
Le carter peut ainsi être en polypropylène, notamment chargé en fibres de verre. Le carter peut également être en polyamide, notamment chargé en fibres de verre.
Le support peut être en TPE (Thermoplastique élastomère), notamment en caoutchouc EPDM (pour éthylène-propylène-diène monomère). Le support peut également être en silicone.
Le support est en matière souple, ce qui permet de gérer le gonflement des cellules sous l’effet de la température ou du vieillissement des cellules. Le support est avantageusement un bon conducteur thermique. Il peut comprendre à cet effet des charges conductrices de carbone et/ou de graphite. Le support présente de préférence une épaisseur la plus faible possible, de manière à favoriser l’échange thermique avec le fluide caloporteur. Par exemple, la conductivité thermique devrait avantageusement se situer entre 2 W.m- 1.K-1et 20 W.m-1.K-1.
Le fluide caloporteur peut être un fluide froid ou un fluide chaud, selon qu’il s’agit de refroidir ou de réchauffer les cellules de la batterie. On peut utiliser comme source froide ou chaude un autre élément du véhicule. Ainsi, si le moteur est froid, on peut par exemple utiliser une pompe à chaleur ou une résistance électrique. Le fluide caloporteur peut notamment provenir du circuit hydraulique du véhicule.
L’échangeur thermique peut par exemple être mis en œuvre lors d’un démarrage à froid du véhicule ou lors de recharges des batteries, lorsqu’on a besoin de réchauffer ou de refroidir les batteries.
On pourra avantageusement associer à l’échangeur thermique différents éléments connus en soi, tels qu’un capteur de température associé à un calculateur permettant d’évaluer si les cellules doivent être refroidies ou réchauffées, ou encore une pompe permettant d’actionner le fluide caloporteur selon un débit prédéterminé qui est fonction par exemple de la température détectée par le capteur.
Le nombre de cellules, de compartiments, de passages associés de fluide et de nervures peut varier en fonction de la configuration du module de batterie associé.

Claims (15)

  1. Echangeur thermique (1) pour cellules (4) de batteries électriques, caractérisé en ce qu’il comprend :
    - un carter (2), s’étendant selon une direction principale longitudinale entre une première paroi dite paroi avant du carter (2d) et une deuxième paroi dite paroi arrière du carter (2e), et selon une direction transversale entre une troisième paroi, dite paroi droite du carter (2b) et une quatrième paroi, dite paroi gauche du carter (2c),
    - une entrée de fluide caloporteur (8) acheminant un fluide caloporteur dans le carter (2),
    - une sortie de fluide caloporteur (9) évacuant le fluide caloporteur hors du carter (2),
    - un support de cellules (3) permettant de recevoir des cellules (4) à l’intérieur du carter (2), le support de cellules (3) comprenant des séries longitudinales (S1, S2, S3, S4, S5) de logements de cellules (5),
    - une zone de répartition de fluide (7) disposée à l’intérieur du carter (2), reliée à l’entrée de fluide (8) et à la sortie de fluide (9), et
    - une zone d’échange thermique principale, alimentée en fluide via la zone de répartition de fluide (7), et dans laquelle est réalisé, pour chaque série (S1, S2, S3, S4, S5) de logements (5) et sur au moins une partie de la hauteur des cellules (4), un échange thermique entre le fluide caloporteur et les cellules (4) disposées dans les logements (5) de la série, les logements (5) de chaque série (S1, S2, S3, S4, S5) étant bordés latéralement par d’un côté une zone de circulation longitudinale de fluide dans une direction aller vers la paroi arrière (2e) du carter (2), dite zone principale de circulation aller, et par de l’autre côté une zone de circulation longitudinale de fluide dans une direction retour vers la paroi avant (2d) du carter (2), dite zone principale de circulation retour.
  2. Echangeur thermique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’entrée de fluide (8) et la sortie de fluide (9) sont situées au niveau de la paroi avant (2d) du carter (2).
  3. Echangeur thermique (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la zone d’échange thermique principale comprend des compartiments principaux (C1, C2, C3) comprenant chacun une zone principale de circulation aller suivie d’une zone principale de circulation retour, la zone d’échange thermique principale étant délimitée à l’avant par une paroi avant (10) de la zone d’échange thermique principale et à l’arrière par la paroi arrière du carter (2e).
  4. Echangeur thermique (1) selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque compartiment principal (C1, C2, C3) est muni d’une ouverture d’entrée de fluide (12) et d’une ouverture de sortie de fluide (13), l’ouverture d’entrée de fluide (12) et l’ouverture de sortie de fluide (13) permettant à chaque compartiment principal (C1, C2, C3) de communiquer avec la zone de répartition de fluide (7), et en ce que chaque compartiment principal (C1, C2, C3) comprend une zone principale de circulation aller, depuis une ouverture d’entrée de fluide (12) et jusqu’à la paroi arrière (2e) du carter (2), et une zone principale de circulation retour, depuis la paroi arrière (2e) du carter (2) et jusqu’à une ouverture de sortie de fluide (13), ladite zone principale de circulation aller et ladite zone principale de circulation retour étant bordées chacune latéralement par deux séries de logements adjacentes (S1, S2 ; S2, S3 ; S3, S4 ; S4, S5) ou par une série de logements (S1, S5) et la paroi droite ou gauche (2b, 2c) du carter (2).
  5. Echangeur thermique (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que la zone de répartition de fluide comprend (7) une paroi transversale intermédiaire (11), délimitant une partie inférieure (7a) de la zone de répartition de fluide (7), dans laquelle est acheminé le fluide en provenance de l’entrée de fluide (8), et une partie supérieure (7b) de la zone de répartition de fluide (7), par laquelle le fluide est évacué vers la sortie de fluide (9).
  6. Echangeur thermique (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l’ouverture d’entrée de fluide (12) de chaque compartiment principal (C1, C2, C3) est située au niveau de la partie inférieure (7a) de la zone de répartition de fluide (7), et en ce que l’ouverture de sortie de fluide (13) de chaque compartiment principal (C1, C2, C3) est située au niveau de la partie supérieure (7b) de la zone de répartition de fluide (7).
  7. Echangeur thermique (1) selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les logements de cellules (5) sont disposés en quinconce.
  8. Echangeur thermique (1) selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que des logements de cellules (5) comprennent au moins une nervure transversale (5a) de guidage de fluide disposée du côté droit et/ou du côté gauche du logement (5).
  9. Echangeur thermique (1) selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’au moins certaines nervures (5a) comprennent un orifice débouchant (5a1) d’évacuation d’air.
  10. Echangeur thermique (1) selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la paroi droite (2b) du carter (2) et la paroi gauche (2c) du carter (2) sont munies de nervures transversales (2f) de guidage de fluide.
  11. Echangeur thermique (1) selon l’une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une zone d’échange thermique inférieure, située sous la zone d’échange thermique principale, la zone d’échange thermique inférieure permettant d’assurer un échange thermique entre le fluide caloporteur et une partie inférieure des cellules (4).
  12. Echangeur thermique (1) selon la revendication 11, caractérisé en ce que la zone d’échange thermique inférieure comprend des compartiments inférieurs (C’1, C’2, C’3) communiquant chacun avec un compartiment principal (C1, C2, C3) qui lui est associé et qui est situé au-dessus dudit compartiment inférieur (C’1, C’2, C’3), chaque compartiment inférieur (C’1, C’2, C’3) comprenant une zone de circulation longitudinale de fluide dans une direction aller vers la paroi arrière (2e) du carter (2), dite zone inférieure de circulation aller, suivie d’une zone de circulation longitudinale de fluide dans une direction retour vers la paroi avant (2d) du carter (2), dite zone inférieure de circulation retour, une ouverture d’entrée de fluide (15) pratiquée dans une paroi de fond (14) de la zone d’échange thermique principale permettant à la zone inférieure de circulation aller de chaque compartiment inférieur (C’1, C’2, C’3) de communiquer avec la zone principale de circulation aller du compartiment principal (C1, C2, C3) qui lui est associé, et une ouverture de sortie de fluide (16) pratiquée dans la paroi de fond (14) de la zone d’échange thermique principale permettant à la zone inférieure de circulation retour de chaque compartiment inférieur (C’1, C’2, C’3) de communiquer avec la zone principale de circulation retour du compartiment principal (C1, C2, C3) qui lui est associé.
  13. Echangeur thermique (1) selon l’une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le carter (2) est réalisé en un matériau rigide et en ce que le support de cellules (3) est réalisé en un matériau souple.
  14. Echangeur thermique selon la revendication 13, caractérisé en ce que le matériau du carter (2) comprend du polypropylène ou du polyamide, et en ce que le matériau du support de cellules (3) comprend un élastomère thermoplastique (TPE) ou du silicone.
  15. Echangeur thermique (1) selon l’une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est de l’huile, de l’eau et/ou du glycol.
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