EP4454046A1 - Procédé de régulation d'une pression d'un liquide diélectrique circulant au sein d'un système de refroidissement - Google Patents

Procédé de régulation d'une pression d'un liquide diélectrique circulant au sein d'un système de refroidissement

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EP4454046A1
EP4454046A1 EP22835367.8A EP22835367A EP4454046A1 EP 4454046 A1 EP4454046 A1 EP 4454046A1 EP 22835367 A EP22835367 A EP 22835367A EP 4454046 A1 EP4454046 A1 EP 4454046A1
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EP
European Patent Office
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pressure
dielectric liquid
circuit
during
cooling system
Prior art date
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Application number
EP22835367.8A
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Stephane Ruby
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Ampere SAS
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Ampere SAS
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Publication date
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • TITLE METHOD FOR REGULATING A PRESSURE OF A DIELECTRIC LIQUID CIRCULATING WITHIN A COOLING SYSTEM
  • the present invention relates to the field of cooling a battery module for a hybrid or all-electric vehicle.
  • the invention relates more particularly to a method of regulating a pressure configured to maintain the cooling system in appropriate operating conditions.
  • the prior art includes specific cooling systems configured to manage the pressure and temperature applied to battery cells.
  • such systems are not operated in the best conditions, which affects the lifespan and performance of the batteries of electric-powered vehicles.
  • the charging and discharging stages are not anticipated and the pressure within these systems is not properly managed to achieve maximum battery life and performance.
  • patent application DE102018215477 describes the use in a battery module of a piston system, a pump and a pressure sensor, in order to adjust the pressure of a cooling fluid in which electrochemical cells are partially immersed.
  • the fluid circuit includes an expansion vessel and is therefore substantially at atmospheric pressure.
  • the pressurization of the fluid is therefore carried out by the pump, the piston being present only to compensate for the variations in volume of the cells.
  • the pump must constantly generate a very high pressure, equal to the pressure to which it is desired to compress the cells, increased by the loss of hydraulic pressure in the circuit, ie a total pressure of the order of 3 bars, for example.
  • Such a pump is heavy, bulky and expensive, even assuming that such a pump exists.
  • the present invention proposes a method for regulating the pressure making it possible to adapt the pressure within the cooling circuit according to the mode of operation to come, in particular a charging or discharging phase. Such a process makes it possible to better take into account the different stages of the life cycle of the electrochemical cells used to propel a vehicle.
  • the main objective of the present invention is thus a method for regulating the pressure of a dielectric liquid circulating within a system for cooling at least one battery cell of a vehicle at least partly electrically powered, the cooling system comprising a circuit completely filled with dielectric liquid and in which this dielectric liquid circulates, the battery cell being immersed in the dielectric liquid, the cooling system comprising means for pressurizing the dielectric liquid within the circuit and a device for detecting the pressure of the dielectric liquid within the circuit, the regulation method comprising at least the following steps: a first step of preparation for charging the battery cell during which the means for pressurizing the dielectric liquid brings, for example increases or decreases, the pressure within the circuit to a first pressure, a second step of charging the battery cell during which the pressurizing means maintains the first pressure within the circuit, a third stage of preparation for discharging the battery cell during which the means for pressurizing the dielectric liquid brings, for example decreases or increases, the pressure within the circuit to a second pressure, a fourth stage discharge of the battery cell during which the
  • the cooling system comprises a circuit in which the dielectric liquid circulates, the battery cell being immersed in the dielectric liquid.
  • the dielectric liquid is a liquid suitable for coming into contact with various electrical components, without generating a short circuit.
  • the cooling system comprises means for pressurizing the dielectric liquid within the circuit, the pressurizing means possibly being an electrically driven piston.
  • the pressurizing means possibly being an electrically driven piston.
  • Such a system makes it possible to generate a pressure, for example equal to 4 bar, which makes it possible to operate the cells under optimal conditions of performance, durability and safety when they are subjected to a charge and discharge cycle. .
  • the pressure implemented in the first stage of preparation establishes the necessary pressure in the circuit to reduce cell charge time and maximize cell life.
  • the pressurizing means maintains the first pressure in the circuit by adapting its position thanks to an electric actuator which acts on the piston of the pressurizing means.
  • the means for pressurizing the dielectric liquid brings, for example decreases, the pressure of this liquid within the circuit to a second pressure which corresponds to the necessary pressure in the circuit to optimize cell discharge and maximize the life of that battery cell.
  • the pressurizing means maintains the second pressure within the circuit, in particular by adapting its position thanks to the electric actuator mentioned above.
  • the pressure regulation method makes use of at least two pressure thresholds, a first pressure threshold being adapted to the load while a second pressure threshold is adapted to the discharge.
  • a first pressure threshold being adapted to the load while a second pressure threshold is adapted to the discharge.
  • the cooling system comprises at least one means for circulating said dielectric liquid within the circuit.
  • the circulation means in particular when it takes the form of a pump, and the means for pressurizing the dielectric liquid, in particular when it takes the form of a jack, all work together two to establish the pressure within the circuit, for example the first pressure or the second pressure.
  • the first stage, the second stage, the third stage and the fourth stage form a cycle which is repeated several times.
  • the pressurizing means comprises at least one piston in contact with the dielectric liquid and the movement of which is operated by an electric actuator, the maintenance of the first pressure during the second stage or the second pressure during the fourth stage being achieved by moving the piston.
  • the displacement performed by the piston can be an axial translation, in order to maintain the pressure by advancing or retracting the piston along this same axis.
  • the movement performed by the piston can be a rotation, the shape of the piston and the chamber filled with the dielectric liquid being configured to compress and decompress the dielectric liquid within the cooling system.
  • the maintenance of the first pressure during the second stage is achieved by moving the piston back, ie by releasing the force generated by the piston on the dielectric liquid. Maintaining the first pressure during the second stage is achieved by the piston which decompresses the dielectric liquid as the cell becomes charged and increases in volume.
  • the maintenance of the second pressure during the fourth stage is achieved by advancing the piston, that is to say by increasing the force generated by the piston on the dielectric liquid. Maintaining the second pressure during the fourth stage is achieved by the piston which compresses the dielectric liquid as the cell discharges and its volume decreases.
  • first pressure is greater than the second pressure, in this example.
  • the displacement of the pressurizing means being placed under the dependence of the pressure detected by the detection member.
  • the pressure detection device can be likened to a pressure sensor, the pressure information in the circuit being sent to a computer which controls the change in position of the piston in order to regulate the pressure, in response to the load or at the discharge of the cell.
  • a step of evacuation of the circuit is implemented.
  • Evacuation is carried out in order to reduce as much as possible the presence of gas in the circuit.
  • the circuit is entirely filled with dielectric liquid.
  • the pressurizing means prior to the first step, brings the dielectric liquid from atmospheric pressure to a pressure corresponding to a state of charge of the battery cell, for example the first pressure, the second press or any other press.
  • the circuit is filled with dielectric liquid and is hermetically sealed, at atmospheric pressure.
  • a first displacement of the pressurizing means brings the dielectric liquid to the pressure which is suitable for the charge level of the battery.
  • the cooling system comprises at least one heat exchanger configured to discharge the calories present in the dielectric liquid to an external environment.
  • the circulation means can be likened to a pump allowing the circulation of the dielectric fluid within the circuit, by carrying out this circulation the pump thus overcomes the hydraulic pressure drops of the cooling system and helps to maintain the system. at constant pressure.
  • the hydraulic head losses of the system are approximately 0.5 bar.
  • the pump can therefore be reduced in size and weight, and also reduce its consumption compared to a system of the prior art, and consequently improve the electric range of the electric vehicle.
  • the heat exchanger is part of the circuit and it makes it possible to evacuate to an external environment the calories accumulated in the dielectric liquid, the latter coming from the heating of the battery cells.
  • the invention also relates to a system for cooling at least one battery cell of a vehicle at least partly electrically powered, the cooling system comprising a circuit completely filled with dielectric liquid and in which this dielectric liquid circulates, the battery cell being immersed in the dielectric liquid, the cooling system comprising at least one means for pressurizing the dielectric liquid within the circuit, a means for circulating said dielectric liquid within the circuit, a the pressure of the dielectric liquid within the circuit as well as a heat exchanger configured to discharge the calories present in the dielectric liquid towards an external environment, characterized in that the circulating means ensures the circulation of the dielectric liquid in the circuit while the pressurizing means maintains the dielectric liquid above atmospheric pressure.
  • cell is used both to designate a single cell and a set of cells forming a battery, several batteries assembled close to each other then being called either a battery pack or a battery module.
  • FIG. 1 schematically illustrates a battery pack cooling system
  • FIG. 2 illustrates a pressure regulation method according to the invention, applied to a cooling system of Figure 1.
  • variants of the invention may be associated with each other, in various combinations, insofar as they are not incompatible or exclusive with respect to each other.
  • variants of the invention may be imagined comprising only a selection of characteristics described below in isolation from the other characteristics described, if this selection of characteristics is sufficient to confer a technical advantage and/or to differentiate the invention. compared to the prior art.
  • Figure 1 shows a cooling system 1 of a battery pack 2.
  • a battery 4 is an electrical storage element intended to supply electrical energy to at least one propulsion motor of a vehicle equipped with the cooling system.
  • the cooling system 1 visible in FIG. 1 therefore comprises a plurality of batteries 4 inside which a dielectric fluid circulates.
  • the cooling system also includes a circuit 6 whose role is to channel the dielectric liquid between each component of the cooling system 1.
  • the cooling system 1 further comprises a heat exchanger 8 and a means 10 for circulating the dielectric liquid, the circuit, the heat exchanger 8, the means for circulating 10 and the batteries 4 forming a closed loop at inside which circulates the dielectric liquid.
  • the cooling system 1 further comprises a means 12 for pressurizing the dielectric liquid within the circuit, as well as a device 14 for detecting the pressure of the dielectric liquid within the circuit 6.
  • the cooling system illustrated in FIG. 1 comprises, by way of example, six batteries 4 which each house several cells 16.
  • the battery 4 comprises an enclosure 17 which delimits a volume 18 filled with dielectric liquid and inside which the cells 16 are completely immersed, that is to say completely immersed in the dielectric liquid. There is therefore no air in circuit 6.
  • the circuit 6 of dielectric liquid joins each of these six batteries 4 and comprises a pipe 20 illustrated in dotted lines, this pipe 20 forming an inlet of cooled dielectric liquid for each of the batteries 4.
  • the dielectric liquid circulating within the batteries 4 and along of the cells 16 recovers the calories dissipated by each of the cells 16 and this heated dielectric liquid is sent to the heat exchanger 8 through a pipe 22 illustrated in FIG. 1 in solid lines.
  • the circuit 6 thus consists of a supply portion 20 which begins at the output of the heat exchanger 8 and which ends at the input of at least one of the batteries 4, and of a recovery portion 22 which begins at the outlet of at least one of the batteries 4 and which ends at the inlet of the heat exchanger 8.
  • the heat exchanger 8 is a component intended to discharge the calories present in the dielectric liquid into an external environment, which can for example be a flow of air passing through the heat exchanger 8 or another heat transfer liquid.
  • the heat exchanger 8 is placed directly downstream of the batteries 4, according to the direction of circulation of the dielectric liquid within the circuit 6, so as to be able to quickly discharge the calories collected at the level of the cells 16.
  • the circulating means 10 is arranged on the circuit 6 immediately downstream of the heat exchanger 8.
  • the circulating means 10 is a pump activated by an electric motor. The role of this pump is to circulate the dielectric liquid within the circuit 6, within the batteries 4 and within the exchanger 8, forming the closed circuit.
  • the pressurizing means 12 is connected to the circuit by a branch 24 external to the circuit 6, the latter being connected to the circuit 6, for example, between an outlet of the circulation means 10 and an inlet of at least one of the batteries 4, any other connection position to the circuit falling within the scope of the invention.
  • the pressurizing means 12 comprises an electric actuator 26 composed of an electric motor 27 and a mechanical system 28 making it possible to transform the rotation of the electric motor 27 into a translation. This translation allows the displacement of an axis 30 of a piston 32 and therefore the displacement of the piston 32 in a body 34.
  • the piston 32 is in contact with the dielectric liquid. Body 34, piston 32 and shaft 30 form a jack 31.
  • This pressurizing means 12 The role of this pressurizing means 12 is to maintain the entire circuit 6 under homogeneous and continuous pressure conditions, depending on the charging or discharging phase of the cycle.
  • the dielectric liquid being very little compressible, the movement of the piston 32 is therefore reduced to reach the pressures necessary for the proper functioning of the circuit 6.
  • the pressurizing means 12 is responsible for the static pressure within the circuit 6, while the circulation means 10 is responsible for the dynamic pressure necessary to circulate the dielectric liquid within the circuit. .
  • Such a design is advantageous in that it makes it possible to use a simpler and less expensive means of circulation and reduces consumption. electric of the invention, thus making it possible to increase the electric range of the vehicle.
  • Figure 2 illustrates the method of regulating the pressure of the cooling system.
  • the regulation process makes it possible to adapt the pressure within the circuit 6 for a better lifespan and better performance of the battery pack 2.
  • the pressure regulation process illustrated in FIG. 2 is represented on three graphs 36, 38, 40, the chronological evolution of each of these graphs being simultaneous.
  • a first graph 36 represents on the ordinate the position of the piston 32 in the body 34 of the jack 31 and on the abscissa the time.
  • a second graph 38 represents the level of charge of a cell as a percentage on the ordinate, and the time on the abscissa.
  • FIG. 2 comprises a final graph 40, representing the pressure in bars in the ordinate in the circuit 6 and the time on the abscissa.
  • the three graphs 36, 38, 40 present in figure 2 are chronologically linked to each other in the sense that they have time as their abscissa on the same scale and start at the same instant.
  • the pressure regulation method comprises between F and G a stage of preparation for the discharge of the battery pack 2.
  • This preparation is characterized by a displacement of the piston 32, which makes it possible to decompress the circuit 6 and reach the second pressure, corresponding to a pressure established prior to a step of discharging the cell.
  • the third graph 40 shows that, according to this embodiment, the second pressure, otherwise called the discharge pressure 42 of the battery pack 2, is lower than the first pressure, otherwise called the charging pressure 44.
  • the battery pack 2 discharges, in particular due to the fact that it delivers its electrical energy to a propulsion motor of the vehicle. It is understood here that the electric vehicle is in the rolling phase.
  • the cells 16 lose volume. This loss of volume results in a reduction in the pressure of the dielectric liquid in the circuit 6. This pressure reduction is then sensed by the pressure detection member 14 which gives instructions, via a control module which implements the regulation system, by means of pressurizing to move to maintain the second constant pressure in the circuit 6.
  • the piston 32 advances and maintains its force on the dielectric liquid, continuously and proportional to the discharge which takes place in the battery cell. This guarantees a constant pressure on the cell throughout its discharge phase.
  • the pressure regulation method comprises between points I and J a step of preparing cell 16 of battery pack 2 for charging. This preparation is characterized by a movement of the piston 32 by increasing its force on the dielectric liquid, which makes it possible to compress the circuit 6 and reach the charge pressure 44.
  • the third graph 40 shows that the charge pressure 44 of the battery pack 2 is greater than the discharge pressure 42, according to this embodiment.
  • the preparation steps named first step and third step are phases which aim on the one hand, to place the dielectric fluid in a pressure corresponding to the step which immediately follows the preparation step concerned, and on the other hand to anticipate the charging or discharging phase, which immediately follows the preparation stage. Between points J and K, the cell of battery pack 2 is placed under charge. It is understood here that the electric vehicle is for example in a stationary state, connected to a charging terminal.
  • the cells 16 of battery 4 have a volume which increases. This gain in volume increases the pressure in the circuit 6 and this increase in pressure is sensed by the pressure detection member 14.
  • the pressurizing means moves to keep the first pressure constant in the circuit 6. This is how the piston 32 moves back, thus reducing its load on the dielectric liquid, in order to keep a constant pressure in the circuit 6 during this charging stage.
  • the steps FG, GH, IJ and JK form a cycle and they are repeated throughout the lifetime of the battery pack 2.
  • This cycle comprises two pressure thresholds within the circuit 6, a first pressure threshold corresponding to a charging pressure 44 and a second threshold corresponding to a discharging pressure 42 of the cell, of the battery or of the battery pack.
  • the batteries 4 are filled with dielectric liquid and the latter is at atmospheric pressure.
  • Circuit 6 is previously evacuated so as to avoid the presence of air in the circuit.
  • the third graph 40 of FIG. 2 shows that the circuit 6 is brought to the first pressure during the passage from point B to point C.
  • the circuit 6 is brought to the load pressure 44 since, in this particular case illustrated here, the battery pack 2 is at 30% charge.
  • the next phase will therefore be a stage of charging the battery pack 2.
  • the passage from atmospheric pressure to the first pressure, corresponding to the passage from point B to point C, is carried out by the pressurizing means which increases its force on the dielectric liquid.
  • the battery pack 2 can be charged and the circuit 6 will first be brought to the second pressure, i.e. the discharge pressure 42. Steps AB and BC are carried out during the first commissioning of the cooling system according to the invention and/or during a maintenance operation on the battery pack 2.
  • the phases between points C and D, between points E and F and between points H and I are waiting phases before a charging stage or a discharging stage.
  • the invention achieves the goal it had set itself, and makes it possible to propose a system for cooling a battery pack in which the pressure of the dielectric liquid is kept constant. during the two essential phases of a battery, i.e. charging and discharging. According to the invention, this pressure management is anticipated by the pressurizing means.
  • the cooling system is particularly attractive in that it allows the use of a simple, cheap and energy-saving means of circulation, since the pump only overcomes the hydraulic pressure drops of the circuit, and not the pressure drops added to the setpoint pressure which forms the static pressure of the circuit. Variants not described here could be implemented without departing from the context of the invention, provided that, in accordance with the invention, they implement a regulation method in accordance with the invention.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé de régulation d'une pression d'un liquide diélectrique circulant au sein d'un système de refroidissement d'au moins une cellule de batterie d'un véhicule au moins en partie à propulsion électrique, le système de refroidissement comprenant un circuit dans lequel circule le liquide diélectrique, la cellule de batterie étant immergée dans le liquide diélectrique, le système de refroidissement comprenant un moyen de mise en pression du liquide diélectrique au sein du circuit.

Description

TITRE : PROCEDE DE REGULATION D’UNE PRESSION D’UN LIQUIDE DIELECTRIQUE CIRCULANT AU SEIN D’UN SYSTEME DE REFROIDISSEMENT
La présente invention se rapporte au domaine du refroidissement d’un module de batterie pour véhicule hybride ou tout électrique. L’invention concerne plus particulièrement un procédé de régulation d’une pression configuré pour maintenir le système de refroidissement en des conditions de fonctionnement appropriées.
Les constructeurs automobiles cherchent à améliorer les performances et l’autonomie des batteries des véhicules à propulsion électrique. Ces constructeurs cherchent également à réduire la durée de charge des batteries de tels véhicules. Ces améliorations peuvent engendrer de nouvelles contraintes sur les batteries, telles que : le besoin d’un refroidissement important pour permettre une charge plus rapide de la batterie ; le besoin d’appliquer une pression importante en permanence sur les cellules de batteries pour améliorer leur durée du vie et leurs performances, ainsi que la sécurité des utilisateurs ; le besoin de gérer les variations de volume des cellules de batteries lors des charges et décharges successives et/ ou en vieillissement.
L’art antérieur comprend des systèmes de refroidissement spécifiques configurés pour gérer la pression et la température appliquées aux cellules de batteries. De tels systèmes ne sont cependant pas exploités dans les meilleures conditions, ce qui affecte la durée de vie et les performances des batteries des véhicules à propulsion électrique. Les étapes de charge et de décharge ne sont pas anticipées et la pression au sein de ces systèmes n’est pas correctement gérée pour obtenir la durée de vie et les performances maximales d’une batterie.
En particulier, la demande de brevet DE102018215477 décrit l'utilisation dans un module de batteries d'un système de piston, d’une pompe et d’un capteur de pression, afin d’ajuster la pression d’un fluide de refroidissement dans lequel baigne partiellement des cellules électrochimiques. Le circuit de fluide comprend un vase d’expansion et se trouve donc sensiblement à la pression atmosphérique. La mise en pression du fluide est donc réalisée par la pompe, le piston n’étant présent que pour compenser les variations de volume des cellules. La pompe doit générer en permanence une pression très importante, égale à la pression à laquelle on veut comprimer les cellules, augmentée de la perte de charge hydraulique du circuit, soit une pression totale de l’ordre de 3 bars, par exemple. Une telle pompe est lourde, encombrante et chère, à supposer même qu’une telle pompe existe.
La présente invention propose un procédé de régulation de la pression permettant d’adapter la pression au sein du circuit de refroidissement en fonction du mode de fonctionnement à venir, notamment une phase de charge ou de décharge. Un tel procédé permet de mieux prendre en compte les différentes étapes du cycle de vie des cellules électrochimiques qui servent à la propulsion d’un véhicule.
La présente invention a ainsi pour principal objectif un procédé de régulation d’une pression d’un liquide diélectrique circulant au sein d’un système de refroidissement d’au moins une cellule de batterie d’un véhicule au moins en partie à propulsion électrique, le système de refroidissement comprenant un circuit entièrement rempli du liquide diélectrique et dans lequel ce liquide diélectrique circule, la cellule de batterie étant immergée dans le liquide diélectrique, le système de refroidissement comprenant un moyen de mise en pression du liquide diélectrique au sein du circuit et un organe de détection de la pression du liquide diélectrique au sein du circuit, le procédé de régulation comprenant au moins les étapes suivantes : une première étape de préparation à la charge de la cellule de batterie au cours de laquelle le moyen de mise en pression du liquide diélectrique amène, par exemple augmente ou diminue, la pression au sein du circuit jusqu’à une première pression, une deuxième étape de charge de la cellule de batterie au cours de laquelle le moyen de mise en pression maintient la première pression au sein du circuit, une troisième étape de préparation à la décharge de la cellule de batterie au cours de laquelle le moyen de mise en pression du liquide diélectrique amène, par exemple diminue ou augmente, la pression au sein du circuit jusqu’à une deuxième pression, une quatrième étape de décharge de la cellule de batterie au cours de laquelle le moyen de mise en pression maintient la deuxième pression au sein du circuit.
Le système de refroidissement comprend un circuit dans lequel circule le liquide diélectrique, la cellule de batterie étant immergée dans le liquide diélectrique.
Le liquide diélectrique est un liquide adapté pour entrer en contact avec divers organes électriques, sans générer de court-circuit.
Le système de refroidissement comprend un moyen de mise en pression du liquide diélectrique au sein du circuit, le moyen de mise en pression pouvant être un piston électriquement piloté. Un tel système permet de générer une pression, par exemple égale à 4 bars, ce qui permet de faire fonctionner les cellules dans des conditions optimales de performances, de durabilité et de sécurité-lorsqu’ elles sont soumises à un cycle de charge et de décharge.
La pression mise en œuvre lors de la première étape de préparation établit la pression nécessaire dans le circuit pour réduire le temps de charge de la cellule et maximiser la durée de vie de la cellule.
Selon la deuxième étape, le moyen de mise en pression maintient la première pression dans le circuit en adaptant sa position grâce à un actionneur électrique qui agit sur le piston du moyen de mise en pression.
Lors de la troisième étape correspondant à une préparation à la décharge de la cellule de batterie, le moyen de mise en pression du liquide diélectrique amène, par exemple diminue, la pression de ce liquide au sein du circuit jusqu’à une deuxième pression qui correspond à la pression nécessaire dans le circuit pour optimiser la décharge de la cellule et maximiser la durée de vie de cette cellule de batterie. Selon la quatrième étape qui correspond à une décharge de la cellule de batterie, le moyen de mise en pression maintient la deuxième pression au sein du circuit, notamment en adaptant sa position grâce à l’actionneur électrique évoqué plus haut.
Avantageusement, le procédé de régulation de pression fait l’usage d’au moins deux seuils de pression, un premier seuil de pression étant adapté à la charge tandis qu’un second seuil de pression est adapté pour la décharge. Une telle configuration du procédé de régulation permet de ralentir le vieillissement des cellules de batteries, d’optimiser leurs performances et/ ou de limiter leurs déperditions thermiques.
Selon une caractéristique, le système de refroidissement comprend au moins un moyen de mise en circulation dudit liquide diélectrique au sein du circuit. Selon l’invention, le moyen de mise en circulation, notamment lorsqu'il prend la forme d’une pompe, et le moyen de mise en pression du liquide diélectrique, notamment lorsqu’il prend la forme d’un vérin, collaborent tous les deux pour établir la pression au sein du circuit, par exemple la première pression ou la deuxième pression.
Selon une autre caractéristique de l’invention, la première étape, la deuxième étape, la troisième étape et la quatrième étape forment un cycle qui est répété à plusieurs reprises.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le moyen de mise en pression comprend au moins un piston au contact du liquide diélectrique et dont le déplacement est opéré par un actionneur électrique, le maintien de la première pression au cours de la deuxième étape ou de la deuxième pression au cours de la quatrième étape étant réalisé en déplaçant le piston.
Dans un premier cas de figure, le déplacement réalisé par le piston peut être une translation axiale, afin de maintenir la pression en avançant ou en reculant le piston selon ce même axe.
Dans un second cas de figure, le déplacement réalisé par le piston peut être une rotation, la forme du piston et la chambre remplie du liquide diélectrique étant configurées pour comprimer et décomprimer le liquide diélectrique au sein du système de refroidissement. Selon une autre caractéristique de l’invention, le maintien de la première pression au cours de la deuxième étape est réalisé en reculant le piston, c'est à dire en relâchant l’effort généré par le piston sur le liquide diélectrique. Le maintien de la première pression au cours de la deuxième étape est réalisé par le piston qui décomprime le liquide diélectrique au fur et à mesure que la cellule se charge et augmente de volume.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le maintien de la deuxième pression au cours de la quatrième étape est réalisé en avançant le piston, c'est à dire en augmentant l’effort généré par le piston sur le liquide diélectrique. Le maintien de la deuxième pression au cours de la quatrième étape est réalisé par le piston qui comprime le liquide diélectrique au fur et à mesure que la cellule se décharge et que son volume diminue.
On note que la première pression est supérieure à la deuxième pression, dans cet exemple.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le déplacement du moyen de mise en pression étant placé sous la dépendance de la pression détectée par l’organe de détection.
L’organe de détection de la pression peut être assimilé à un capteur de pression, l’information de pression dans le circuit étant envoyée à un calculateur qui pilote la modification de position du piston afin de réguler la pression, en réponse à la charge ou à la décharge de la cellule.
Selon une autre caractéristique de l’invention, préalablement à l’une quelconque de la première à la quatrième étape, on met en œuvre une étape de tirage au vide du circuit.
Le tirage à vide est réalisé afin de réduire un maximum la présence de gaz dans le circuit.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le circuit est entièrement rempli de liquide diélectrique. On comprend ici, qu’en fonctionnement normal, il n’y a pas de portion du circuit en contact avec d’autres fluides que le liquide diélectrique.
Selon une autre caractéristique de l’invention, préalablement à la première étape, le moyen de mise en pression amène le liquide diélectrique de la pression atmosphérique à une pression correspondant à un état de charge de la cellule de batterie, par exemple la première pression, la deuxième pression ou tout autre pression. Lors de la première mise en service ou lors d’une intervention sur le système de refroidissement, le circuit est rempli de liquide diélectrique et est fermé hermétiquement, à pression atmosphérique. Par la suite, un premier déplacement du moyen de mise en pression amène le liquide diélectrique à la pression qui convient au niveau de charge de la batterie.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le système de refroidissement comprend au moins un échangeur de chaleur configuré pour décharger les calories présentes dans le liquide diélectrique vers un environnement extérieur.
Le moyen de mise en circulation peut être assimilé à une pompe permettant la mise en circulation du fluide diélectrique au sein du circuit, en réalisant cette mise en circulation la pompe vainc ainsi les pertes de charges hydrauliques du système de refroidissement et aide à maintenir le système à pression constante. Les pertes de charges hydrauliques du système sont d’environ 0.5 bar. C’est le moyen de mise en pression qui élève la pression statique dans le circuit à une valeur approximativement égale à 3.5 bars. Ces valeurs de pression sont données à titre d’exemple mais elles sont révélatrices des proportions. La pompe peut donc être réduite en taille et en poids, et également réduire sa consommation comparativement à un système de l’art antérieur, et par conséquent améliorer l’autonomie électrique du véhicule électrique.
L’échangeur de chaleur fait partie du circuit et il permet d’évacuer vers un environnement extérieur les calories accumulées dans le liquide diélectrique, ces dernières provenant de réchauffement des cellules de batterie.
L’invention vise également un système de refroidissement d’au moins une cellule de batterie d’un véhicule au moins en partie à propulsion électrique, le système de refroidissement comprenant un circuit entièrement rempli du liquide diélectrique et dans lequel ce liquide diélectrique circule, la cellule de batterie étant immergée dans le liquide diélectrique, le système de refroidissement comprenant au moins un moyen de mise en pression du liquide diélectrique au sein du circuit, un moyen de mise en circulation dudit liquide diélectrique au sein du circuit, un organe de détection de la pression du liquide diélectrique au sein du circuit ainsi qu’un échangeur de chaleur configuré pour décharger les calories présentes dans le liquide diélectrique vers un environnement extérieur, caractérisé en ce que le moyen de mise en circulation assure la circulation du liquide diélectrique dans le circuit tandis que le moyen de mise en pression maintient le liquide diélectrique au-dessus de la pression atmosphérique.
Dans le présent document, le terme « cellule » est utilisé autant pour désigner une cellule unique qu’un ensemble de cellules formant une batterie, plusieurs batteries assemblées proches les unes des autres étant alors appelées indifféremment pack de batteries ou module de batteries.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit d’une part, et d’exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins annexés d’autre part, sur lesquels :
[Fig. 1] illustre, schématiquement, un système de refroidissement d’un pack de batteries ;
[Fig. 2] illustre un procédé de régulation de la pression selon l’invention, appliqué à un système de refroidissement de la figure 1.
Les caractéristiques, variantes et les différentes formes de réalisation de l’invention peuvent être associées les unes avec les autres, selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes par rapport aux autres. On pourra notamment imaginer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite de manière isolée des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique et/ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur.
La figure 1 illustre un système de refroidissement 1 d’un pack de batteries 2.
Une batterie 4 est un élément de stockage électrique destiné à fournir une énergie électrique au moins à un moteur de propulsion d’un véhicule équipé du système de refroidissement. Le système de refroidissement 1 visible à la figure 1 comprend donc une pluralités de batteries 4 à l’intérieur desquelles circule un fluide diélectrique. Le système de refroidissement comprend également un circuit 6 dont le rôle est de canaliser le liquide diélectrique entre chaque composant du système de refroidissement 1.
Le système de refroidissement 1 comprend encore un échangeur de chaleur 8 et un moyen de mise en circulation 10 du liquide diélectrique, le circuit, l’échangeur de chaleur 8, le moyen de mise en circulation 10 et les batteries 4 formant une boucle fermée à l’intérieur de laquelle circule le liquide diélectrique.
Le système de refroidissement 1 comprend encore un moyen de mise en pression 12 du liquide diélectrique au sein du circuit, ainsi qu’un organe de détection 14 de la pression du liquide diélectrique au sein du circuit 6.
Le système de refroidissement illustré sur la figure 1 comprend, à titre d’exemple, six batteries 4 qui logent chacune plusieurs cellules 16. La batterie 4 comprend une enceinte 17 qui délimite un volume 18 rempli de liquide diélectrique et à l’intérieur duquel les cellules 16 sont intégralement plongées, c’est-à-dire totalement immergées dans le liquide diélectrique. Il n’existe ainsi pas d’air dans le circuit 6.
Le circuit 6 de liquide diélectrique joint chacune de ces six batteries 4 et comprend une canalisation 20 illustré en pointillés, cette canalisation 20 formant une arrivée de liquide diélectrique refroidi pour chacune des batteries 4. Le liquide diélectrique circulant au sein des batteries 4 et le long des cellules 16 récupère les calories dissipées par chacune des cellules 16 et ce liquide diélectrique chauffé est envoyé vers l’échangeur de chaleur 8 par une conduite 22 illustré sur la figure 1 en trait plein.
Le circuit 6 est ainsi constitué d’une portion d’alimentation 20 qui débute en sortie de l’échangeur de chaleur 8 et qui se termine en entrée d’au moins une des batteries 4, et d’une portion de récupération 22 qui débute en sortie d’au moins une des batteries 4 et qui se termine en entrée de l’échangeur de chaleur 8.
L’échangeur de chaleur 8 est un composant destiné à décharger les calories présentes dans le liquide diélectrique dans un environnement extérieur, qui peut par exemple être un flux d’air qui traverse l’échangeur de chaleur 8 ou encore un autre liquide caloporteur. L’échangeur de chaleur 8 est directement placé en aval des batteries 4, selon le sens de circulation du liquide diélectrique au sein du circuit 6, de sorte à pouvoir rapidement décharger les calories collectées au niveau des cellules 16.
Le moyen de mise en circulation 10 est disposé sur le circuit 6 immédiatement en aval de l’échangeur de chaleur 8. Selon un exemple de réalisation, le moyen de mise en circulation 10 est une pompe activée par un moteur électrique. Le rôle de cette pompe est de faire circuler le liquide diélectrique au sein du circuit 6, au sein des batteries 4 et au sein de l’échangeur 8, en formant le circuit fermé.
Le moyen de mise en pression 12 est raccordé au circuit par une branche 24 externe au circuit 6, cette dernière étant raccordée au circuit 6, par exemple, entre une sortie du moyen de mise en circulation 10 et une entrée d’au moins une des batteries 4, toute autre position de raccordement au circuit entrant dans le champ de l’invention.
Le moyen de mise en pression 12 comprend un actionneur électrique 26 composé d’un moteur électrique 27 et d’un système mécanique 28 permettant de transformer la rotation du moteur électrique 27 en une translation. Cette translation permet le déplacement d’un axe 30 d’un piston 32 et donc le déplacement du piston 32 dans un corps 34. Le piston 32 est en contact avec le liquide diélectrique. Corps 34, piston 32 et axe 30 forment un vérin 31.
Le rôle de ce moyen de mise en pression 12 est de maintenir l’intégralité du circuit 6 dans des conditions de pression homogène et continue, en fonction de la phase de charge ou de décharge du cycle. Le liquide diélectrique étant très peu compressible, le mouvement du piston 32 est donc réduit pour atteindre les pressions nécessaires au bon fonctionnement du circuit 6.
Selon l’invention, le moyen de mise en pression 12 est responsable de la pression statique au sein du circuit 6, tandis que le moyen de mise en circulation 10 est responsable de la pression dynamique nécessaire pour faire circuler le liquide diélectrique au sein du circuit. Une telle conception est avantageuse en ce qu’elle permet d’utiliser un moyen de mise en circulation plus simple et moins onéreux et réduit la consommation électrique de l’invention, permettant ainsi d’augmenter l’autonomie électrique du véhicule.
La figure 2 illustre le procédé de régulation de la pression du système de refroidissement. Le procédé de régulation permet d’adapter la pression au sein du circuit 6 pour une meilleure durée de vie et de meilleures performances du pack de batteries 2.
Le procédé de régulation de la pression illustré sur la figure 2 est représenté sur trois graphiques 36, 38, 40, l’évolution chronologique de chacun de ces graphiques étant simultanée.
Un premier graphique 36 représente en ordonnée la position du piston 32 dans le corps 34 du vérin 31 et en abscisse le temps. Un second graphique 38 représente en ordonnée le niveau de charge d’une cellule en pourcentage, et en abscisse le temps. La figure 2 comprend un dernier graphique 40, représentant en ordonnée la pression en bar dans le circuit 6 et en abscisse le temps.
Les trois graphiques 36, 38, 40 présents sur la figure 2 sont chronologiquement liés les uns aux autres en ce sens qu’ils ont pour abscisse le temps selon la même échelle et débutent au même instant.
Les courbes de ces trois graphiques 36, 38, 40 évoluent ensemble dans le temps, la position du piston 32 ainsi que la pression dans le circuit 6 dépendant de la charge ou de la décharge de la batterie 2. Les traits en pointillés qui s’étendent entre ces trois graphiques 36, 38, 40 illustrent un changement de pression, de cycle ou de niveau de charge ou un changement de position du moyen de mise en pression 12, ou encore une étape intermédiaire d’attente entre deux étapes actives (par exemple entre E et F).
Le procédé de régulation de la pression comprend entre F et G une étape de préparation à la décharge du pack de batteries 2. Cette préparation se caractérise par un déplacement du piston 32, ce qui permet de décomprimer le circuit 6 et atteindre la deuxième pression, correspondant à une pression établie préalablement à une étape de décharge de la cellule. Le troisième graphique 40 permet de constater que, selon cet exemple de réalisation, la deuxième pression, autrement appelée pression de décharge 42 du pack de batteries 2, est inférieure à la première pression, autrement appelée pression de charge 44.
Entre les points G et H, le pack de batteries 2 se décharge, notamment en raison du fait qu’il délivre son énergie électrique à un moteur de propulsion du véhicule. On comprend ici que le véhicule électrique est en phase de roulage.
Durant cette étape ou phase de décharge, les cellules 16 perdent du volume. Cette perte de volume se traduit par une réduction de la pression du liquide diélectrique dans le circuit 6. Cette réduction de pression est alors captée par l’organe de détection 14 de pression qui donne instruction, via un module de contrôle qui met en œuvre le système de régulation, au moyen de mise en pression de se déplacer pour maintenir la deuxième pression constante dans le circuit 6. Selon un exemple, le piston 32 avance et maintient son effort sur le liquide diélectrique, de manière continue et proportionnelle à la décharge qui s’opère dans la cellule de batterie. On garantit ainsi une pression constante sur la cellule tout au long de sa phase de décharge.
Le procédé de régulation de la pression comprend entre les points I et J une étape de préparation à la charge de la cellule 16 du pack de batteries 2. Cette préparation se caractérise par un déplacement du piston 32 en augmentant son effort sur le liquide diélectrique, ce qui permet de comprimer le circuit 6 et atteindre la pression de charge 44.
Le troisième graphique 40 permet de constater que la pression de charge 44 du pack de batteries 2 est supérieure à la pression de décharge 42, selon cet exemple de réalisation.
Les étapes de préparation nommées première étape et troisième étape sont des phases qui vise à d’une part, placer le fluide diélectrique dans une pression correspondant à l’étape qui suit immédiatement l’étape de préparation concernée, et d’autre part à anticiper la phase de charge ou de décharge, qui suit immédiatement l’étape de préparation. Entre les points J et K, la cellule du pack de batteries 2 est en placée en charge. On comprend ici que le véhicule électrique est par exemple en un état stationnaire, branché sur une borne de chargement.
Durant cette charge, les cellules 16 de batterie 4 ont un volume qui augmente. Ce gain de volume augmente la pression dans le circuit 6 et cette augmentation de pression est capté par l’organe de détection 14 de pression. Le moyen de mise en pression se déplace pour maintenir la première pression constante dans le circuit 6. C’est ainsi que le piston 32 recule, réduisant ainsi sa charge sur le liquide diélectrique, afin de maintenir une pression constante dans le circuit 6 pendant cette étape de charge.
Les étapes FG, GH, IJ et JK forment un cycle et elles sont répétées tout au long de la durée de vie du pack de batteries 2. Ce cycle comprend deux seuils de pression au sein du circuit 6, un premier seuil de pression correspondant à une pression de charge 44 et un second seuil correspondant à une pression de décharge 42 de la cellule, de la batterie ou du pack de batteries.
Entre les points A et B, les batteries 4 sont remplies de liquide diélectrique et celui-ci est à pression atmosphérique. Le circuit 6 est préalablement tiré au vide de sorte à éviter la présence d’air dans le circuit.
Le troisième graphique 40 de la figure 2 montre que le circuit 6 est amené à la première pression lors du passage du point B au point C. Le circuit 6 est mis à la pression de charge 44 puisque, dans ce cas particulier illustré ici, le pack de batteries 2 est à 30% de charge. La prochaine phase sera donc une étape de charge du pack de batteries 2. Le passage de la pression atmosphérique à la première pression, correspondant au passage du point B au point C, est réalisé par le moyen de mise en pression qui augmente son effort sur le liquide diélectrique.
Dans un autre cas d’utilisation, le pack de batteries 2 peut être chargé et le circuit 6 sera d’abord amené à la deuxième pression, c’est-à-dire la pression de décharge 42. Les étapes AB et BC sont réalisées lors de la première mise en service du système de refroidissement selon l’invention et/ou lors d’une opération de maintenance sur le pack de batteries 2.
Lorsque le niveau de charge du pack batterie 2 atteint 100%, la charge est arrêtée, il n’y a donc plus de mouvement du piston 32 et la pression dans le circuit 6 reste constante.
Les phases entre les points C et D, entre les points E et F et entre les points H et I sont des phases d’attente avant une étape de charge ou une étape de décharge.
L’invention, telle qu’elle vient d’être décrite, atteint bien le but qu’elle s’était fixée, et permet de proposer un système de refroidissement d’un pack de batteries dans lequel la pression du liquide diélectrique est maintenue constante lors des deux phases essentielles d’une batteries, c’est-à-dire sa charge et sa décharge. Selon l’invention, cette gestion de la pression est anticipé par le moyen de mise en pression. Le système de refroidissement est particulièrement attractif en ce qu’il permet l’utilisation d’un moyen de mise en circulation simple, bon marché et économe en énergie, puisque la pompe ne vainc que les pertes de charge hydraulique du circuit, et non les pertes de charge additionnées de la pression de consigne qui forme la pression statique du circuit. Des variantes non décrites ici pourraient être mises en œuvre sans sortir du contexte de l’invention, dès lors que, conformément à l’invention, elles mettent en œuvre un procédé de régulation conforme à l’invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de régulation d’une pression d’un liquide diélectrique circulant au sein d’un système de refroidissement (1) d’au moins une cellule (16) de batterie (4) d’un véhicule au moins en partie à propulsion électrique, le système de refroidissement (1) comprenant un circuit (6) entièrement rempli du liquide diélectrique et dans lequel ce liquide diélectrique circule, la cellule (16) de batterie (4) étant immergée dans le liquide diélectrique, le système de refroidissement (1) comprenant un moyen de mise en pression (12) du liquide diélectrique au sein du circuit (6) et un organe de détection (14) de la pression du liquide diélectrique au sein du circuit (6), le procédé de régulation comprenant au moins les étapes suivantes : une première étape de préparation à la charge de la cellule (16) de batterie (4) au cours de laquelle le moyen de mise en pression (12) du liquide diélectrique amène la pression au sein du circuit (6) jusqu’à une première pression (44), une deuxième étape de charge de la cellule (16) de batterie (4) au cours de laquelle le moyen de mise en pression (12) maintient la première pression (44) au sein du circuit (6), une troisième étape de préparation à la décharge de la cellule (16) de batterie (4) au cours de laquelle le moyen de mise en pression (12) du liquide diélectrique amène la pression au sein du circuit (6) jusqu’à une deuxième pression (42), la première pression (44) étant supérieure à la deuxième pression (42), une quatrième étape de décharge de la cellule (16) de batterie (4) au cours de laquelle le moyen de mise en pression (12) maintient la deuxième pression (42) au sein du circuit (6).
2. Procédé de régulation selon la revendication précédente, le système de refroidissement comprenant au moins un moyen de mise en circulation (10) dudit liquide diélectrique au sein du circuit (6).
3. Procédé de régulation selon l’une quelconque des revendications précédentes, au cours duquel la première étape, la deuxième étape, la troisième étape et la quatrième étape forment un cycle qui est répété à plusieurs reprises.
4. Procédé de régulation selon l’une quelconque des revendications précédentes, le moyen de mise en pression (12) comprenant au moins un piston (32) au contact du liquide diélectrique et dont le déplacement est opéré par un actionneur électrique (26), le maintien de la première pression (44) au cours de la deuxième étape ou de la deuxième pression (42) au cours de la quatrième étape est réalisé en déplaçant le piston (32).
5. Procédé de régulation selon la revendication précédente, le maintien de la première pression (44) au cours de la deuxième étape étant réalisé en reculant le piston (32).
6. Procédé de régulation selon la revendication 4, le maintien de la deuxième pression (42) au cours de la quatrième étape étant réalisé en avançant le piston (32).
7. Procédé de régulation selon l’une quelconque des revendications précédentes, au cours duquel le déplacement du moyen de mise en pression (12) étant placé sous la dépendance de la pression détectée par l’organe de détection (14).
8. Procédé de régulation selon l’une quelconque des revendications précédentes, au cours duquel, préalablement à l’une quelconque de la première à la quatrième étape, on met en œuvre une étape de tirage au vide du circuit (6).
9. Procédé de régulation selon la revendication 7 ou 8, au cours duquel, préalablement à la première étape, le moyen de mise en pression (12) amène le liquide diélectrique de la pression atmosphérique à une pression correspondant à un état de charge de la cellule (16) de batterie (4).
10. Procédé de régulation selon l’une quelconque des revendications précédentes, le système de refroidissement comprenant au moins un échangeur de chaleur (8) configuré pour décharger les calories présentes dans le liquide diélectrique vers un environnement extérieur. 16
11. Système de refroidissement (1) d’au moins une cellule (16) de batterie (4) d’un véhicule au moins en partie à propulsion électrique, le système de refroidissement (1) comprenant un circuit (6) entièrement rempli du liquide diélectrique et dans lequel ce liquide diélectrique circule, la cellule (16) de batterie (4) étant immergée dans le liquide diélectrique, le système de refroidissement (1) comprenant au moins un moyen de mise en pression (12) du liquide diélectrique au sein du circuit (6), un moyen de mise en circulation (10) dudit liquide diélectrique au sein du circuit (6), un organe de détection (14) de la pression du liquide diélectrique au sein du circuit (6) ainsi qu’un échangeur de chaleur (8) configuré pour décharger les calories présentes dans le liquide diélectrique vers un environnement extérieur, le moyen de mise en circulation (10) assurant la circulation du liquide diélectrique dans le circuit (6) tandis que le moyen de mise en pression (12) maintient le liquide diélectrique au-dessus de la pression atmosphérique, caractérisé en ce que le moyen de mise en pression (12) comprend un actionneur électrique (26) composé d’un moteur électrique (27) et d’un système mécanique (28) permettant de transformer la rotation du moteur électrique (27) en une translation.
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