FR2748858A1 - Batteries de vehicules automobiles a chauffage et refroidissement perfectionnes - Google Patents
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Abstract
L'invention a trait à une batterie de véhicule automobile partiellement ou entièrement enveloppée dans une couche d'un matériau à haute capacité thermique choisi parmi les matériaux à changement de phase.
Description
Batteries de véhicules automobiles à chauffage et refroidissement perfectionnés.
L'invention a trait aux batteries de véhicules automobiles (batteries de démarrage et/ou de traction).
Par grand froid et en été lorsqu'il fait chaud, la batterie de démarrage d'un véhicule automobile perd de ses performances électriques. A ce jour, peu de véhicules automobiles possèdent un système de chauffage ou de refroidissement par batteries. Comme le besoin électrique augmente au fur et à mesure du développement de l'utilisation des techniques et des composants électroniques sur un véhicule, on commence à chercher des solutions de- chauffage et de refroidissement de la batterie pour maintenir sa capacité optimale.
On a envisagé le chauffage par ruban chauffant au moyen d'une résistance électrique. Un tel système de chauffage nécessite une puissance électrique importante et un temps de chauffage relativement long pour qu'il soit véritablement efficace. En effet, la paroi des batteries étant nécessairement un isolant électrique est également un bon isolant thermique.
La demande de brevet EP 0634565 expose un système de chauffage d'une batterie de véhicule automobile utilisant le fluide du circuit de refroidissement du moteur dudit véhicule comme fluide caloporteur de l'énergie thermique. I1 présente l'inconvénient de nécessiter une modification du circuit de refroidissement du moteur par rajout de durites, de vannes et d'une pompe. La pompe est, quant à elle, une source de consommation d'énergie nécessitant l'utilisation de la batterie.
Ces systèmes de chauffage de batteries ne résolvent pas les problèmes de refroidissement desdites batteries lorsqu'il fait chaud.
En matière de refroidissement, plusieurs méthodes ont été envisagées telles que le refroidissement à air, par conduction ... Le refroidissemnt à air, en ramenant l'air frais de l'entrée d'air d'un véhicule à la batterie, est une technique efficace. Elle présente néanmoins l'inconvénient d'être encombrante et de poser des difficultés d'architecture. En outre, elle consomme de l'énergie si utilise un ventilateur.
Une autre technique de refroidissement à air consiste à utiliser la carrosserie du véhicule comme des ailettes. Ceci résout l'aspect refroidissement de la batterie du véhicule mais ne résout pas le problème du chauffage par temps froid et constitue alors un puits de chaleur.
L'invention vise à apporter une solution à ces problèmes.
L'invention a pour but de proposer une batterie équipée d'un système de chauffage et de refroidissement permettant, par temps froid ou sous la chaleur, de maintenir la température de la batterie dans un domaine raisonnable pour une capacité de fonctionnement optimale.
L'invention a pour objet une batterie de véhicule automobile enveloppée au moins partiellement dans une couche de matériau à forte capacité thermique.
Selon un premier mode de réalisation, la batterie peut être partiellement enveloppée dans le matériau à forte capacité thermique, de manière à maintenir la partie supérieure de la batterie découverte.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la batterie est entièrement enveloppée dans la couche de matériau à forte capacité thermique, laquelle couche peut comporter des ouvertures au niveau de la partie supérieure de la batterie de manière à pouvoir atteindre ladite batterie lorsque son entretien est nécessaire.
Le matériau à forte capacité thermique utilisable dans le cadre de l'invention est un matériau à changement de phase stockant et restituant l'énergie thermique par chaleur latente.
Ces matériaux à changement de phase selon la présente invention peuvent appartenir à deux catégories différentes de composés.
La première catégorie est constituée par des sels hydratés fondus dont le principe est basé sur l'absorption et la désorption de chaleur latente lors de leur changement de phase. Ces sels peuvent être des sels à surfusion.
On peut également utiliser un mélange de ces sels et d'un agent nucléant si l'on désire éviter la surfusion.
Si le matériau à changement de phase est un sel à surfusion pour lequel la surfusion est utilisée, on pourra déclencher la solidification du sel par un actionneur mécanique ou par un actionneur électrique composé d'électrodes activées fonctionnant sous faible tension et très faible courant disponible sur une batterie de véhicule. On préfèrera néanmoins l'actionneur mécanique ne nécessitant pas l'utilisation de la batterie du véhicule.
Une deuxième catégorie de matériaux à changement de phase est constituée par des alliages moléculaires répondant à la formule Axa Zxz que nous allons décrire ci-dessous.
L'invention a également pour objet l'utilisation de ces alliages moléculaires pour le chauffage et le refroidissement de batteries de véhicules automobiles.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée des modes de mise en oeuvre et de réalisation de l'invention, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels
la figure 1 illustre une batterie de véhicule automobile partiellement enveloppée dans un matériau à haute capacité thermique, la partie supérieure de la batterie étant découverte. Cet aspect constitue le premier mode de réalisation de l'invention;
la figure 2 illustre une batterie de véhicule automobile entièrement enveloppée dans une couche de matériau à haute capacité thermique. Cet aspect constitue le deuxième mode de réalisation de l'invention.
la figure 1 illustre une batterie de véhicule automobile partiellement enveloppée dans un matériau à haute capacité thermique, la partie supérieure de la batterie étant découverte. Cet aspect constitue le premier mode de réalisation de l'invention;
la figure 2 illustre une batterie de véhicule automobile entièrement enveloppée dans une couche de matériau à haute capacité thermique. Cet aspect constitue le deuxième mode de réalisation de l'invention.
L'invention consiste en une batterie de véhicule automobile au moins partiellement enveloppée dans une couche de matériau à haute capacité thermique.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, illustré par la figure 1, une batterie 1 est partiellement enveloppée dans une couche 2 d'un matériau à haute capacité thermique. La partie supérieure de la batterie 1 est découverte laissant libre accès à la batterie 1 pour son entretien, par exemple.
La figure 2 illustre le deuxième mode de réalisation de l'invention, qui constitue également le mode préférentiel de réalisation de l'invention puisqu'il permet d'obtenir une meilleure performance thermique. La batterie 1 est entièrement enveloppée dans une couche 2 d'un matériau à haute capacité thermique.
Lorsque l'entretien de batterie est nécessaire, il est possible de ménager des ouvertures dans la couche 2 de matériau à haute capacité thermique.
Le matériau constituant la couche 2 enveloppant la batterie 1 permet de ralentir la montée en température de la batterie 1 lorsqu'elle chauffe et de la maintenir au chaud lors du démarrage à froid après un arrêt du véhicule. Ce matériau présente donc l'avantage de jouer à la fois le rôle d'un puits de chaleur et d'une source de chaleur. I1 est statique et ne nécessite pas d'énergie de mise en mouvement.
Ce matériau à haute capacité thermique est notamment un matériau à changement de phase, ou MCP, susceptible d'emmagasiner et de restituer de l'énergie thermique par le biais du changement d'état des composés, le plus souvent de solide à liquide, mais aussi de solide à solide.
Parmi ces matériaux à changement de phase, plusieurs catégories sont appropriées pour la mise en oeuvre de l'invention.
Ainsi, une première catégorie de MCP est constituée par des sels hydratés fondus. Ces sels hydratés passent de l'état liquide à l'état solide et inversement lorsque la température extérieure atteint leur température de transition de phase en libérant ou en stockant respectivement de l'énergie thermique. Ces changements de phase peuvent utiliser ou ne pas utiliser la surfusion de ces sels hydratés.
Un système chimique, constitué d'un corps pur ou d'un mélange de composés, est dit dans un état de surfusion s'il se trouve encore dans sa phase liquide sous des conditions de température et de pression dans lesquelles il devrait se trouver dans sa phase solide d'après les lois thermodynamiques usuelles. I1 suffit généralement d'un choc thermique ou mécanique, de l'introduction d'un cristal ou d'une impureté dans la solution pour faire basculer le système dans sa phase solide. L'état de surfusion est un état métastable.
A titre de sels à surfusion utilisables dans le cadre de l'invention, on peut notamment noter Ba(OH)2.8H2O pur, le thiosulfate de sodium hydraté, le triméthylol éthane hydraté, l'acétate de sodium trihydraté (CH3CO2 Na.3H2O), ..., ce dernier étant préféré.
Comme mentionné plus haut, l'utilisation de la surfusion des sels nécessite un déclenchement du changement de phase des matériaux, soit par choc mécanique ou thermique, soit par introduction d'impuretés ou de cristaux de nucléation dans le matériau à changement de phase à l'état liquide.
Divers systèmes de déclenchement sont connus de l'homme du métier. Il s'agit par exemple d'actionneurs mécaniques tels que décrits dans le brevet US 4 860 729 ou d'actionneurs électriques composés d'électrodes activées fonctionnant sous faible tension et très faible courant disponible sur une batterie de véhicule tel que décrit par exemple dans les brevets japonais nOs 57.174693, 57.174102, 58.75872, 58.78047, 58.115297, 58.168892 et dans le brevet US 4 529 488.
L'initiation électrique de la cristallisation se fait à l'aide d'électrodes baignant dans le matériau à changement de phase à l'état fondu. On applique, par exemple, une tension constante à l'électrode de travail couplée à une électrode standard au calomel, et on observe la nucléation aux deux électrodes, anode et cathode, après un temps relativement court (quelques secondes). L'initiation électrique de la cristallisation nécessite l'utilisation de la batterie du véhicule.
Dans le cadre de l'invention, on préfère les systèmes de déclenchement du changement de phase des sels hydratés qui ne nécessitent pas l'utilisation de la batterie du véhicule.
Un exemple d'actionneur mécanique est celui décrit dans le brevet US 4860729 qui fonctionne sur le principe d'introduction d'un cristal dans une solution de matériau à changement de phase à l'état fondu à une température inférieure à la température de transition dudit matériau. Le dispositif en question peut être un dispositif bistable bimétallique de la forme d'une capsule, par exemple, qui se déforme en fonction de la température. Ainsi, dans une première configuration à une température ambiante supérieure à sa température de déformation, le dispositif renferme des cristaux de nucléation du matériau à changement de phase. Les matériaux constituant le dispositif sont choisis de telle manière que la température de déformation du dispositif soit inférieure à la température de transition du matériau à changement de phase. Le dispositif est placé au sein du matériau à changement de phase.
Lorsque la température extérieure est telle que la température au sein de la solution saline atteint la température de déformation du dispositif, celui-ci se déforme en libérant les cristaux du matériau à changement de phase qui déclenchent une cristallisation en chaîne dudit matériau à changement de phase. Le passage de l'état liquide à l'état solide du matériau à changement de phase libère la chaleur latente de transition qui réchauffe la batterie du véhicule.
Lorsque par réchauffement la température atteint la température de déformation du dispositif, celui-ci se déforme de façon à enfermer en son sein des cristaux du matériau à changement de phase. Si la température augmente davantage jusqu'à atteindre la température de transition du matériau à changement de phase, seul le matériau à l'extérieur du dispositif fond en absorbant de l'énergie thermique créant un refroidissement de la batterie.
A titre de MCP à base de sels hydratés, on peut également utiliser des mélanges de sels et d'agents nucléants.
En effet, comme on l'a vu précédemment, la surfusion d'un système chimique est un état métastable en-dehors de l'équilibre thermodynamique. La stabilité relative d'une solution surfondue est relativement délicate à contrôler, si bien que l'on peut préférer des dispositifs de stockage de chaleur n'utilisant pas la surfusion. Les matériaux à changement de phase alors utilisés sont des sels hydratés classiques pour lesquels on peut observer des phénomènes de surfusion. On ajoute à la solution de sels surfondus au moins un agent nucléant. La cristallisation peut ainsi être commandée thermodynamiquement. On notera, par exemple, l'utilisation d'un mélange de Ba(OH)2.8H2O et d'un agent nucléant.
Une autre catégorie de matériau à changement de phase appropriée pour le chauffage et le refroidissement de batteries de véhicules automobiles est constituée par des alliages moléculaires tels que notamment décrits dans la demande de brevet français 2 678 942. Ces alliages moléculaires permettent de choisir la température de fusion et la plage de fusion. Ces alliages moléculaires sont définis comme répondant à la formule (I)
Axa Zxz (I) dans laquelle
- A est un composé organique acyclique ou cyclique, saturé ou insaturé, à chaîne droite ou ramifiée, le cas échéant substitué, les composés organiques acycliques ayant de 2 à 120 atomes de carbone, et plus pour les polymères, et les composés organiques cycliques étant formés d'un ou plusieurs cycles de 5 à 30 atomes de carbone, substitués ou non, à l'exception des benzènes,
- Z représente un ou plusieurs composés organiques différents de A, mais choisi(s) parmi les significations données pour A,
lesdits alliages moléculaires étant
- tels que caractérisés par rayons X,
- capables de stocker ou de restituer l'énergie thermique à un niveau de température T, sur un intervalle de température 6, correspondant à ceux requis pour une application donnée comme matériau à changement de phase,
- appartenant à un diagramme de phase avec, si l'alliage est binaire, un fuseau, dans le cas d'une miscibilité totale, ou d'une partie de fuseau, dans le cas d'une miscibilité partielle, ou si l'alliage est ternaire ou plus, un domaine de transition, ce fuseau ou ce domaine étant situés dans un intervalle de température incluant celles requises pour une application donnée et dont le lieu géométrique EGC (Equal G curve) est peu incurvé et proche de l'horizontalité pour assurer un 8 n'excédant pas la largeur souhaitée,
- ayant une tenue satisfaisante au cyclage thermique,
ces alliages étant obtenus à partir de composés organiques A et Z,
présentant la chaleur latente requise de manière classique pour être des matériaux à changement de phase,
ayant un degré d'homéomorphisme moléculaire ex supérieur à 0,8 et, de préférence supérieur à 0,9 pour les alliages binaires, ou ayant cette propriété pour les divers constituants pris deux à deux s'il s'agit d'alliages à multicomposants,
dont les interactions intermoléculaires sont relativement comparables pour les édifices des différents constituants.
Axa Zxz (I) dans laquelle
- A est un composé organique acyclique ou cyclique, saturé ou insaturé, à chaîne droite ou ramifiée, le cas échéant substitué, les composés organiques acycliques ayant de 2 à 120 atomes de carbone, et plus pour les polymères, et les composés organiques cycliques étant formés d'un ou plusieurs cycles de 5 à 30 atomes de carbone, substitués ou non, à l'exception des benzènes,
- Z représente un ou plusieurs composés organiques différents de A, mais choisi(s) parmi les significations données pour A,
lesdits alliages moléculaires étant
- tels que caractérisés par rayons X,
- capables de stocker ou de restituer l'énergie thermique à un niveau de température T, sur un intervalle de température 6, correspondant à ceux requis pour une application donnée comme matériau à changement de phase,
- appartenant à un diagramme de phase avec, si l'alliage est binaire, un fuseau, dans le cas d'une miscibilité totale, ou d'une partie de fuseau, dans le cas d'une miscibilité partielle, ou si l'alliage est ternaire ou plus, un domaine de transition, ce fuseau ou ce domaine étant situés dans un intervalle de température incluant celles requises pour une application donnée et dont le lieu géométrique EGC (Equal G curve) est peu incurvé et proche de l'horizontalité pour assurer un 8 n'excédant pas la largeur souhaitée,
- ayant une tenue satisfaisante au cyclage thermique,
ces alliages étant obtenus à partir de composés organiques A et Z,
présentant la chaleur latente requise de manière classique pour être des matériaux à changement de phase,
ayant un degré d'homéomorphisme moléculaire ex supérieur à 0,8 et, de préférence supérieur à 0,9 pour les alliages binaires, ou ayant cette propriété pour les divers constituants pris deux à deux s'il s'agit d'alliages à multicomposants,
dont les interactions intermoléculaires sont relativement comparables pour les édifices des différents constituants.
On préfèrera les alliages moléculaires capables de restituer et de stocker l'énergie thermique sur un intervalle de température 6 n'excédant pas environ 8"C.
Parmi les significations de A et Z, les composés organiques acycliques sont de préférence des alcanes, des alcènes ou des alcynes. Les composés organiques cycliques sont choisis parmi les cycles aromatiques comme le naphtalène, l'anthracène. Ils peuvent être formés d'un ou plusieurs hétérocycles choisis parmi les hétérocycles azotés comme les imidazoles, la pyridine, la pyrimidine, la pyridazine, des hétérocycles oxygénés comme les oxazoles, les hétérocycles oxygénés et azotés comme les oxadiazoles ou encore les hétérocycles soufrés comme le thiazole.
Selon une autre variante, les composés organiques cycliques comprennent un ou plusieurs cycles carbonés et un ou plusieurs hétérocycles.
Les composés organiques représentés par A et Z comportent, le cas échéant, un ou plusieurs substituants choisis parmi les halogènes, les groupes hydroxy ou OR1, les groupes alcoyle, alcoylène saturés ou insaturés, et alcyne, ces différents groupes ayant de préférence 1 à 8 atomes de carbone, plus particulièrement de 1 à 4 atomes de carbone, les groupes -COOH, -COOR1, - COR1, - CH2OH,-CH(Rl)-OH, - C(Rl,R2)OH, ou leurs éthers, -CHO, - ou - 2' et R2,
CONH2, -NH2, -NH(Rl), ou -N (Rl,R2), -SH, -NO2, R1 et identiques ou différents l'un de l'autre, étant un groupe alkyle de 1 à 8 atomes de carbone, de préférence de 1 à 4 atomes de carbone, des groupes fonctionnels tels que amine, cétone, sufhydryle, amide, pouvant constituer un ou plusieurs maillons de la chaîne. Les substituants des composés organiques acycliques comprennent également les cycles et hétérocycles énumérés plus haut. Ces substituants occupent une position quelconque sur la chaîne carbonée ou sur le cycle les comportant.
CONH2, -NH2, -NH(Rl), ou -N (Rl,R2), -SH, -NO2, R1 et identiques ou différents l'un de l'autre, étant un groupe alkyle de 1 à 8 atomes de carbone, de préférence de 1 à 4 atomes de carbone, des groupes fonctionnels tels que amine, cétone, sufhydryle, amide, pouvant constituer un ou plusieurs maillons de la chaîne. Les substituants des composés organiques acycliques comprennent également les cycles et hétérocycles énumérés plus haut. Ces substituants occupent une position quelconque sur la chaîne carbonée ou sur le cycle les comportant.
Une famille particulière d'alliages moléculaires utilisables pour le chauffage et le refroidissement des batteries de véhicules automobiles, est également telle que A et Z appartiennent à la même classe de composés.
Le chauffage et le refroidissement par utilisation de matériaux à forte capacité thermique tels que les matériaux à changement de phase, peuvent être appliqués à tous types de batteries de véhicules automobiles. Ainsi, ces systèmes peuvent être utilisés pour les batteries de démarrage des véhicules thermiques, ainsi que pour les batteries de traction des véhicules électriques permettant, d'une part, d'autoriser la recharge de la batterie à chaud sans délais d'attente de refroidissement tout en évitant la dégradation de la batterie à chaud et, d'autre part, d'augmenter l'autonomie du véhicule par grand froid.
Claims (12)
1. Batterie de véhicule automobile (1), caractérisée en ce qu'elle est enveloppée au moins partiellement dans une couche (2) d'un matériau à haute capacité thermique.
2. Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est partiellement enveloppée dans une couche (2) d'un matériau à haute capacité thermique, la partie supérieure de la batterie (1) étant découverte.
3. Batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle est entièrement enveloppée dans une couche (2) d'un matériau à haute capacité thermique, laquelle couche (2) comporte des ouvertures au niveau de la partie supérieure de la batterie (1).
4. Batterie selon la revendication 3, caractérisée en ce que la couche (2) comporte des ouvertures au niveau de la partie supérieure de la batterie (1).
5. Batterie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le matériau à haute capacité thermique est un matériau à changement de phase.
6. Batterie selon la revendication 5, caractérisée en ce que le matériau à changement de phase est choisi parmi les sels hydratés à surfu sion.
7. Batterie selon la revendication 6, caractérisée en ce que le sel hydraté est l'acétate de sodium trihydraté.
8. Batterie selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que le changement de phase est déclenché par un actionneur mécanique.
9. Batterie selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que le changement de phase est déclenché par un actionneur électrique.
10. Batterie selon la revendication 6, caractérisée en ce que le sel hydraté est associé à au moins un agent nucléant.
11. Batterie selon la revendication 10, caractérisée en ce que le sel hydraté est Ba(OH)2.8H2O.
12. Batterie selon la revendication 5, caractérisée en ce que le matériau à changement de phase est un alliage moléculaire répondant à la formule (I)
Axa Zxz (I) dans laquelle
- A est un composé organique acyclique ou cyclique, saturé ou insaturé, à chaîne droite ou ramifiée, le cas échéant substitué, les composés organiques acycliques ayant de 2 à 120 atomes de carbone, et plus pour les polymères, et les composés organiques cycliques étant formés d'un ou plusieurs cycles de 5 à 30 atomes de carbone, substitués ou non, à l'exception des benzènes,
- Z représente un ou plusieurs composés organiques différents de A, mais choisi(s) parmi les significations données pour A,
lesdits alliages moléculaires étant
- tels que caractérisés par rayons X,
- capables de stocker ou de restituer l'énergie thermique à un niveau de température T, sur un intervalle de température 6, correspondant à ceux requis pour une application donnée comme matériau à changement de phase,
- appartenant à un diagramme de phase avec, si l'alliage est binaire, un fuseau, dans le cas d'une miscibilité totale, ou une partie de fuseau, dans le cas d'une miscibilité partielle, ou si l'alliage est ternaire ou plus, un domaine de transition, ce fuseau ou ce domaine étant situés dans un intervalle de température incluant celles requises pour une application donnée et dont le lieu géométrique EGC (Equal G curve) est peu incurvé et proche de l'horizontalité pour assurer un 6 n'excédant pas la largeur souhaitée,
- ayant une tenue satisfaisante au cyclage thermique,
ces alliages étant obtenus à partir de composés organiques A et
Z,
présentant la chaleur latente requise de manière classique pour être des matériaux à changement de phase,
ayant un degré d'homéomorphisme moléculaire k supérieur à 0,8 et, de préférence, supérieur à 0,9 pour les alliages binaires, ou ayant cette propriété pour les divers constituants pris deux à deux s'il s'agit d'alliages à multicomposants,
dont les interactions intermoléculaires sont relativement comparables pour les édifices des différents constituants.
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|---|---|
| FR2748858A1 true FR2748858A1 (fr) | 1997-11-21 |
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