FR2968843A1 - Systeme de batterie de vehicule automobile avec au moins une cellule electrochimique et un accumulateur de chaleur latente - Google Patents

Abstract

Système de batterie (10) de véhicule automobile comportant une cellule électrochimique (20) et un accumulateur de chaleur latente (30) comportant un milieu accumulateur constitué par un matériau à changement de phase. Un dispositif d'initialisation de cristallisation déclenche une transition de phase exothermique des matériaux à changement de phase. Le déclenchement du dispositif d'initialisation de cristallisation est fait par un dispositif de commande (11).

Description

i Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un système de batte-rie de véhicule automobile comportant au moins une cellule électrochimique et au moins un accumulateur de chaleur latente comportant un milieu accumulateur constitué par un matériau à changement de phase. Etat de la technique Le document DE 10 2007 050 812 Al décrit un tel système de batterie comportant plusieurs accumulateurs ions-lithium comme cellules électrochimiques entourées par un matériau thermoconducteur. Ce matériau thermo-conducteur est entouré par un accumulateur de chaleur latente et contient comme accumulateur de chaleur, un matériau à changement de phase tel que par exemple une pâte de Al2O3 ou MgO. Cela permet un échange de chaleur entre les cellules électrochimiques et l'accumulateur de chaleur latente. De plus, cet accumulateur de chaleur latente peut être entouré par un autre accumulateur de chaleur latente pour augmenter le volume du matériau à changement de phase. Pour fournir ou évacuer de manière commandée de la chaleur de ce système connu de batterie à partir du matériau à changement de phase, le système de batterie comporte un accumulateur de chaleur latente avec une installation de mise en température composée de tubes traversés par un agent de mise en température. Pour per-mettre à l'agent de mise en température d'échanger la chaleur avec l'environnement, les tubes sont reliés au radiateur du véhicule automobile constituant l'échangeur de chaleur. Ce radiateur est traversé par l'air ambiant pulsé par un ventilateur. Ce document DE 10 2007 050 812 Al décrit également des variantes de réalisation du système de batterie ci-dessus. C'est ainsi que par exemple, le matériau thermo-conducteur entourant les cellules électrochimiques peut être logé dans plusieurs accumulateurs de chaleur latente de manière à permettre une commande ciblée des différents accumulateurs de chaleur latente par une installation de mise en température décrite ci-dessus permettant de recevoir ou de fournir des quantités de chaleur déterminées. De plus, dans ce mode de réalisation,

2 chaque cellule électrochimique est entourée par un accumulateur de chaleur latente, lui-même entouré par un matériau thermo-conducteur. Pour permettre l'échange de chaleur entre les accumulateurs de chaleur latente et le matériau thermo-conducteur, des installations de mise en température appropriées du type défini ci-dessus sont intégrées dans le matériau thermo-conducteur. Exposé et avantages de l'invention La présente invention a pour objet un système de batterie du type défini ci-dessus caractérisé par un dispositif d'initialisation de cristallisation pour déclencher une transition de phase exothermique des matériaux à changement de phase, le déclenchement du dispositif d'initialisation de cristallisation étant fait par un dispositif de commande. Ce système de batterie selon l'invention a l'avantage de permettre un changement rapide de phase, notamment une cristallisation à l'état liquide du matériau à changement de phase à un instant souhaité, et qui se produira rapidement. Un tel système de batterie de véhicule automobile ayant au moins une cellule électrochimique et au moins un accumulateur de chaleur latente, cet accumulateur comportant comme matériau accumulateur un matériau à changement de phase, selon l'invention, comporte un dispositif d'initialisation de cristallisation pour déclencher une transition de phase exothermique du matériau à changement de phase, la commande du dispositif d'initialisation de cristallisation étant assu- rée par un dispositif de commande. Ce système de batterie selon l'invention se caractérise par une cristallisation ciblée du matériau à changement de phase de l'accumulateur de chaleur latente par apport d'énergie par le dispositif d'initialisation de cristallisation qui est effectué de manière contrôlée par le dispositif de commande. De manière préférentielle, on a un dispositif d'initialisation de cristallisation avec un élément Peltier générant un sous-refroidissement local du matériau à changement de phase. Cet élément à effet Peltier est traversé par un courant fourni par le dispositif de commande et ayant une intensité donnée.

3 Selon un développement avantageux de l'invention, le matériau à changement de phase de l'accumulateur de chaleur latente entoure directement au moins une cellule électrochimique caractérisée par un échange de chaleur effectif entre la cellule électrochimique et l'accumulateur de chaleur latente sans échange de chaleur supplémentaire. On arrive ainsi à une construction extrêmement compacte du système de batterie selon l'invention. Ce système de batterie convient tout particulièrement si, d'une part, les températures de fonctionnement de la cellule électrochimique dépassent la température de régénération du matériau à changement de phase de l'accumulateur de chaleur latente, c'est-à-dire si ces températures sont supérieures à la température de fusion de ce matériau, et si, d'autre part, cette température de régénération ne dépasse pas la température de fonctionnement maximale auto-risée de la cellule électrochimique.

Selon un autre développement de l'invention, dans le système de batterie, au moins une cellule électrochimique avec au moins un accumulateur de chaleur latente est couplée par un circuit d'agent de refroidissement par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleur et au moins la cellule électrochimique, l'accumulateur de chaleur latente, le circuit d'agent de refroidissement et l'échangeur de chaleur, étant logés dans un boîtier du système de batterie. Cela permet de réaliser un système de batterie efficace car ses composants sont optimisés fonctionnellement. Selon un autre développement de l'invention, un boîtier reçoit au moins une cellule électrochimique et un échangeur de chaleur couplé par un premier circuit d'agent de refroidissement à un échangeur de chaleur de l'accumulateur de chaleur latente. Dans ce mode de réalisation de l'invention, l'accumulateur de chaleur latente est à l'extérieur du boîtier recevant la cellule électrochimique et dans ce cas, il est particulièrement avantageux que la température de régénération, c'est-à-dire la température de fusion du matériau à changement de phase de l'accumulateur de chaleur latente, dépasse la température maximale de fonctionnement de la cellule électrochimique. Dans ce mode de réalisation du système de batterie selon 35 l'invention, l'accumulateur de chaleur latente est couplé par un second

4 circuit d'agent de refroidissement à au moins un composant du véhicule dégageant de la chaleur par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleur. Ainsi, pour régénérer l'accumulateur de chaleur latente, on utilise non seulement la chaleur dégagée par le fonctionnement de la cellule élec- trochimique mais également la chaleur des composants du véhicule dé-gageant de la chaleur tels que par exemple les circuits électroniques de puissance dont la chaleur dégagée serait dans d'autres conditions évacuée inutilement à l'environnement. Enfin, selon un développement, l'invention propose un système de batterie avec au moins deux accumulateurs de chaleur la-tente, un premier accumulateur de chaleur latente constituant une uni-té avec une cellule électrochimique et un second accumulateur de chaleur latente extérieur à cette unité et couplé par un premier circuit d'agent de refroidissement par des échangeurs de chaleur au moins à une cellule électrochimique. Un tel système de batterie a l'avantage d'un volume particulièrement grand pour le matériau à changement de phase et une optimisation est possible pour l'encombrement nécessaire car le second accumulateur de chaleur latente peut être installé dans des volumes libres du véhicule.

En outre, de manière avantageuse, dans un tel système de batterie à deux accumulateurs de chaleur latente, le second accumulateur est couplé par un second circuit d'agent de refroidissement à au moins un composant du véhicule dégageant de la chaleur par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleur. Dans cette réalisation de l'invention, pour régénérer les deux accumulateurs de chaleur latente, on utilise non seulement la chaleur dégagée par le fonctionnement des cellules électrochimiques mais également les composants du véhicule qui dégagent de la chaleur tels que par exemple les circuits électroniques de puissance dont la chaleur serait dans d'autres conditions évacuée directement et de manière inutile à l'environnement. Dans un tel système de batterie selon l'invention à deux accumulateurs de chaleur latente, un premier accumulateur de chaleur latente est logé dans le boîtier commun avec au moins une cellule électrochimique et l'échangeur de chaleur associé à cet accumulateur de chaleur latente, alors qu'un autre boîtier reçoit l'autre accumulateur de chaleur latente et l'échangeur de chaleur associé. Dans les modes de réalisation du système de batterie selon l'invention, les circuits d'agent de refroidissement sont utilisés pour 5 assurer le transfert du fluide caloporteur avec chaque fois une pompe dont la commande est assurée par le dispositif de commande. Dans le cas de plusieurs circuits d'agent de refroidissement, on peut prévoir une unique pompe et les circuits d'agent de refroidissement sont commandés par des vannes et/ou des clapets à partir du dispositif de corn-mande. De manière avantageuse, les cellules électrochimiques sont des cellules ions-lithium. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière 15 plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation de systèmes de batterie de véhicule représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est un schéma par blocs d'un exemple de réalisation du système de batterie selon l'invention, - la figure 2 est un schéma par blocs d'un autre exemple de réalisa- 20 tion d'un système de batterie selon l'invention, - la figure 3 est une représentation schématique de la construction d'un système de batterie selon l'invention tel que celui de la figure 1, - la figure 4 est une vue schématique de la construction d'un sys- 25 tème de batterie de l'invention correspondant aux figures 2 ou 5, - la figure 5 est un schéma par blocs d'un autre exemple de réalisa- tion d'un système de batterie selon l'invention, et - la figure 6 est un schéma par blocs d'un autre exemple de réalisation du système de batterie selon l'invention avec deux accumula- 30 teurs de chaleur latente. Description de modes de réalisation de l'invention Selon la figure 1, un système de batterie 10 comporte plusieurs cellules 20 telles que par exemple des cellules ions-lithium ainsi qu'un accumulateur de chaleur latente 30. Un dispositif de corn- 35 mande 11 réalisé comme appareil de commande sert à activer

6 l'accumulateur de chaleur latente 30 par un dispositif d'initialisation de cristallisation 33 réalisé ici par exemple sous la forme d'un élément à effet Peltier pour générer un sous-refroidissement local dans l'accumulateur de chaleur latente 30 déclenchant ainsi le processus de cristallisation dans l'accumulateur de chaleur latente 30 avec en même temps la décharge, c'est-à-dire l'évacuation de chaleur vers les cellules de batterie 20. Le flux thermique entre l'accumulateur de chaleur la-tente 30 et les cellules de batterie 20 se fait ainsi dans les deux sens. La figure 3 montre la structure mécanique. Dans cette structure, sur une plaque de base 24 à bonne conductivité thermique, on a installé plusieurs cellules de batterie 20 juxtaposées en surface avec interposition chaque fois d'une plaque d'isolation 22 assurant l'isolation électrique. Ce montage en sandwich composé chaque fois d'une cellule de batterie 20 et de deux plaques d'isolation 22 est séparé par une plaque intermédiaire 23 à très forte conductivité thermique. Les branches électriques des cellules de batterie 20 ne sont que suggérées à la figure 3 ; en outre, la structure de liaison électrique associée n'a pas été représentée dans un souci de simplification. La cellule de batterie 20 représentée à la figure 3 est complétée par un boîtier (non représenté à la figure) en forme par exemple de coiffe pour que le volume ainsi libéré entre un tel boîtier et les composants 20, 22, 23 installés sur la plaque de base 24 puisse être rempli par un matériau à changement de phase. L'appareil de commande 11 peut en outre être intégré dans le boîtier ou être installé à l'extérieur du boîtier. Ce système de batterie 10 selon les figures 1 et 3 représente une structure compacte et convient tout particulièrement si dans le système de batterie 10, on atteint une température de fonctionne-ment dépassant la température de régénération du matériau à change- ment de phase de l'accumulateur de chaleur latente 30, c'est-à-dire sa température de charge, mais si cette température de charge à laquelle on stocke la chaleur fournie par l'accumulateur de chaleur latente 30 ne dépasse pas la température maximale autorisée de fonctionnement du système de batterie 10.

7 Pour des températures de batterie inférieures à la température optimale de fonctionnement des cellules de batterie 20, pour déclencher la cristallisation du matériau à changement de phase de l'accumulateur de chaleur latente 30, on commande le dispositif d'ini- tialisation de cristallisation 33 par l'appareil de commande 11, c'est-à-dire que l'on alimente l'élément à effet Peltier 33 avec du courant d'intensité déterminée. En variante à ce montage direct d'un accumulateur de chaleur latente 30 avec un dispositif d'initialisation de cristallisation 33 dans l'espace intermédiaire entre la structure en sandwich formée par les cellules de batterie 20 et un boîtier, on peut également réaliser un tel accumulateur de chaleur latente 30 comme enveloppe entourant une structure en sandwich et en introduisant dans le volume intermédiaire ainsi obtenu, un matériau solide thermo-conducteur. En variante, on peut également prévoir un circuit de refroidissement 40 comme cela est indiqué schématiquement à la figure 2. Ce circuit de refroidissement 40 peut être couplé directement aux cellules 20 de la batterie ou par un échangeur de chaleur 21. Le couplage thermique entre ce circuit de refroidissement 40 et l'accumulateur de chaleur latente 30 peut égale- ment se faire directement par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 31. Le cas échéant, une pompe 41 transfère du milieu caloporteur en étant commandée par l'appareil de commande 11. L'échange de chaleur entre l'accumulateur de chaleur latente 30 et les cellules de batterie 20 se fait également dans les deux sens. Pour le reste, le fonctionnement de l'appareil de commande 11 correspond à celui décrit en relation avec les figures 1 et 3 ; cela s'applique également aux avantages présentés à cette occasion. Une autre variante de réalisation du système de batterie 10 selon l'invention sera décrite à l'aide de la figure 5 dans laquelle l'accumulateur de chaleur latente 30 n'est pas logé dans le boîtier du système de batterie 10 recevant les cellules de batterie 20 mais à l'extérieur de ce boîtier, dans un boîtier indépendant (non représenté), le cas échéant avec les échangeurs de chaleur 31 et 32. Le couplage thermique, c'est-à-dire l'échange de chaleur 35 dans les deux sens entre les cellules de batterie 20 et un accumulateur 8 de chaleur latente 30 externe, se fait par l'intermédiaire d'un circuit de refroidissement 40 entraîné par une pompe 41 et couplé par un échangeur de chaleur 21 aux cellules de batterie 20 et par un échangeur de chaleur 31 à l'accumulateur de chaleur latente 30. Dans ce cas égale- s ment, le lancement de la cristallisation du matériau à changement de phase de l'accumulateur de chaleur latente 30 est assuré par l'appareil de commande 11 qui alimente un dispositif d'initialisation de cristallisation 33 constitué ici, par exemple, par un élément à effet Peltier. La pompe 41 est également commandée par l'appareil de commande 11. 10 La figure 4 montre schématiquement la structure mécanique correspondante du système de batterie 10. Cette structure se distingue de celle de la figure 3 uniquement en ce que la plaque de base 24, les cellules de batterie 20, les plaques d'isolation 22 et les plaques intermédiaires 23 sont reliées par leur surface et ainsi par conduction 15 thermique comme composants, à une plaque d'échange de chaleur 21 d'un échangeur de chaleur. La plaque d'échange de chaleur 21 est traversée par un système de conduite d'un fluide caloporteur dont les branchements 25 sont représentés à la figure 4. Ces branchements 25 permettent la liaison avec le circuit de refroidissement 40. 20 Le circuit de refroidissement 40 utilise un fluide caloporteur qui ne gèle ni se vaporise et qui reste liquide dans une plage de température étendue ; ce fluide caloporteur est transféré par la pompe 41 entre l'échangeur de chaleur 21 et l'échangeur de chaleur 31. La commande de la pompe 41 par l'appareil de commande 11 se fait à la 25 demande pour l'échange de chaleur. Le mécanisme de démarrage pour dégager la chaleur du matériau à changement de phase de l'accumulateur de chaleur latente 30 vers le fluide caloporteur est effectué par le dispositif d'initialisation de cristallisation 33 qui commande l'appareil de commande 11, réalisé 30 par exemple sous la forme d'un élément à effet Peltier pour sous-refroidir localement le milieu à changement de phase. En plus, avec une vitesse de rotation de pompe variable, on peut commander ou réguler de manière variable l'échange de chaleur. Pour augmenter la capacité de régénération de 35 l'accumulateur de chaleur latente 30, celui-ci est relié par un autre cir-

9 cuit de refroidissement 50 à un composant 60 du véhicule, dégageant de la chaleur, par exemple à un circuit électronique de puissance comme ceux équipant les véhicules hybrides, par un couplage thermique de façon à permettre un échange de chaleur dans les deux sens.

Le couplage thermique se fait sur le côté de l'accumulateur de chaleur latente 30 par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 32 et du côté des composants 60 du véhicule dégageant de la chaleur, par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur 61. Le circuit de refroidisse-ment 50 est équipé d'une pompe 51 commandée par l'appareil de corn-mande 11. Cela permet de situer la température de l'accumulateur de chaleur latente 30 pendant un cycle du véhicule, suffisamment long-temps au-dessus de la température de régénération de l'accumulateur de chaleur latente 30, c'est-à-dire pour sa charge. Un tel dispositif selon la figure 5 est particulièrement 15 avantageux si la température de régénération de l'accumulateur de chaleur latente 30 dépasse la température maximale de fonctionnement des cellules de batterie 20. Pour une température de fonctionnement des cellules de batterie 20 inférieure à la température optimale de fonctionnement, on déclenche la cristallisation du matériau à changement de 20 phase de l'accumulateur de chaleur latente 30 par le dispositif d'initialisation de cristallisation 33. Le transfert de chaleur, à la fois dans le circuit de refroidissement 40 et aussi dans le circuit de refroidissement 50, est commandé ou régulé par les pompes associées 41, 51 par l'intermédiaire du dispositif de commande 11. 25 L'exemple de réalisation de la figure 6 montre un dispositif comparable à celui de la figure 5 à la différence toutefois qu'il ne comporte pas un accumulateur de chaleur latente 70 externe mais que l'accumulateur de chaleur latente 30 supplémentaire dans le système de batterie 10 comporte un dispositif d'initialisation de cristallisation 30 33. Dans ce cas également, on a un échange de chaleur dans les deux sens entre cet accumulateur de chaleur latente 30 supplémentaire et les cellules de batterie 20. L'appareil de commande 11 assure non seulement la commande du dispositif d'initialisation de cristallisation 73 de l'accumulateur externe de chaleur latente 70 en plus également la fonc-

10 tion de commande du dispositif d'initialisation de cristallisation 33 de l'accumulateur de chaleur latente 30 supplémentaire. Dans ce montage selon la figure 6, la structure mécanique du système de batterie 10 correspond à la structure de la figure 4, avec toutefois l'accumulateur supplémentaire de chaleur latente 30 installé directement dans l'espace intermédiaire entre le système de batterie 10 et les cellules de batterie 20 ou encore dans l'enveloppe entourant les cellules de batterie 20, néanmoins couplée par un matériau solide thermo-conducteur, directement ou par l'intermédiaire d'un cir- lo cuit de refroidissement et des échangeurs de chaleur correspondant aux cellules de batterie 20 par un couplage thermique. Pour que l'appareil de commande 11 décrit dans les exemples de réalisation puisse assurer les fonctions de commande et de régulation, les données de mesure fournies par les capteurs de tempéra- 15 ture et non représentées aux figures dans un souci de simplification, soient fournies à l'appareil de commande 11. Les capteurs de température mesurent par exemple la température des cellules de batterie 20, la température de fonctionnement de l'accumulateur de chaleur latente 30 ou 70 ainsi que la température des fluides caloporteurs traversant les 20 circuits de refroidissement 40, 50, et sont ainsi prévus à des endroits appropriés. Les valeurs de température ainsi saisies peuvent être exploitées par l'appareil de commande 11 et servir à déterminer l'instant du déclenchement d'une transition de phase exothermique du matériau à changement de phase. 25 Dans les exemples de réalisation selon les figures 5 et 6, on utilise deux pompes 41 et 51. Mais il est également possible de n'utiliser qu'une seule pompe associée à plusieurs circuits de refroidissement en commandant les différents circuits de refroidissement par des vannes et/ou des clapets. 30 Comme cellules de batterie, on envisage non seulement les cellules ions-lithium mais également toutes les techniques de batte-rie appropriées. 35 NOMENCLATURE

10 Système de batterie 11 Dispositif de commande 20 Cellule de batterie 21 Echangeur de chaleur 22 Plaque d'isolation 23 Plaque intermédiaire 24 Plaque de base 25 Branchement 30 Accumulateur de chaleur latente 31 Echangeur de chaleur 32 Echangeur de chaleur 33 Dispositif d'initialisation de cristallisation 40 Circuit de refroidissement 41 Pompe 50 Circuit de refroidissement 60 Composant du véhicule dégageant de la chaleur 61 Echangeur de chaleur 70 Accumulateur de chaleur latente 73 Dispositif d'initialisation de cristallisation25

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1 °) Système de batterie (10) de véhicule automobile comportant au moins une cellule électrochimique (20) et au moins un accumulateur de chaleur latente (30, 70) comportant un milieu accumulateur constitué par un matériau à changement de phase, système caractérisé par un dispositif d'initialisation de cristallisation (33, 73) pour déclencher une transition de phase exothermique des matériaux à changement de phase, * le déclenchement du dispositif d'initialisation de cristallisation (33, 73) étant fait par un dispositif de commande (11). 2°) Système de batterie (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'initialisation de cristallisation (33, 73) est un élément à effet Peltier générant un sous-refroidissement local du matériau à changement de phase. 3°) Système de batterie (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase de l'accumulateur de chaleur la-tente (30) entoure directement au moins une cellule électrochimique (20). 4°) Système de batterie (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' au moins une cellule électrochimique (20) est couplée à au moins un accumulateur de chaleur latente (30) par un circuit d'agent de refroidissement (40) par des échangeurs de chaleur (21, 31) et au moins un ac- cumulateur de chaleur latente (30), le circuit d'agent de refroidissement (40) et l'échangeur de chaleur (21, 31) dans un boîtier du système de batterie (10) sont associés à cette cellule électrochimique (20). 5°) Système de batterie (10) selon la revendication 1, caractérisé par 13 un boîtier pour recevoir au moins une cellule électrochimique (20) et un échangeur de chaleur (21) couplé par un premier circuit d'agent de refroidissement (40) à un échangeur de chaleur (31) de l'accumulateur de chaleur latente (30). 6°) Système de batterie (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'accumulateur de chaleur latente (30) est couplé par un second circuit d'agent de refroidissement (50) à au moins un composant (60) du véhi- cule dégageant de la chaleur, par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleur (32, 61). 7°) Système de batterie (10) selon la revendication 1, caractérisé par un autre échangeur de chaleur latente (70) couplé à au moins une cellule électrochimique (20) par un premier circuit d'agent de refroidisse-ment (40) par des échangeurs de chaleur (21, 71). 8°) Système de batterie (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que cet autre accumulateur de chaleur latente (70) est couplé par un second circuit d'agent de refroidissement (50) à au moins un composant (60) du véhicule dégageant de la chaleur par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleur (72, 61). 9°) Système de batterie (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce qu' au moins une cellule électrochimique (20), au moins un accumulateur de chaleur latente (30) et au moins l'échangeur de chaleur (21) associé à cet accumulateur de chaleur latente (30) sont logés dans un boîtier du système de batterie (10) et un autre boîtier reçoit l'autre échangeur de chaleur latente (70) et les échangeurs de chaleur (71, 72) associés. 10°) Système de batterie (10) selon la revendication 4, 35 caractérisé parune pompe (41, 51) pour transférer le fluide caloporteur du circuit d'agent de refroidissement (40, 70) et/ou des vannes et/ou des clapets dont la commande est faite par le dispositif de commande (11).5