FR2987499A1 - Air-conditioning system for lead-acid battery connected to onboard network, to supply power to heat engine of car, has ventilator aspiring fresh air to generate air flow to cool battery, and resistor generating air flow for heating battery - Google Patents
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Abstract
Description
SYSTEME DE CLIMATISATION POUR UNE BATTERIE DE SERVITUDE D'UN VEHICULE AUTOMOBILE La présente invention concerne un système de climatisation pour une 5 batterie de servitude d'un véhicule automobile, ainsi qu'un véhicule automobile équipé d'un tel système de climatisation. Les véhicules automobiles comportent généralement des batteries au plomb reliées au réseau de bord, appelées aussi batteries de servitude, pour alimenter les équipements de ces véhicules, notamment le démarreur du 10 moteur thermique. Ces batteries au plomb comprenant généralement une tension de 12V, sont couramment utilisées car elles comportent un coût réduit. Les réseaux de bord peuvent comporter une seule batterie, ou plusieurs batteries associées, qui seront appelées par la suite d'une manière générale « batterie ». 15 Toutefois les batteries au plomb pesant environ 20 à 25kg, sont relativement lourdes par rapport à la quantité d'énergie électrique stockée. De plus elles font pour l'instant l'objet d'une dérogation par rapport à la législation de la commission européenne qui interdit le plomb. Cette dérogation pourrait être supprimée un jour, interdisant la vente de ces 20 batteries, ce qui oblige les constructeurs à prévoir des solutions de remplacement. Les batteries au lithium-ion « Li-ion », notamment la technologie Fer-Phosphate comportant un niveau de tension proche de celui actuel en associant quatre cellules en série, pourraient remplacer les batteries au 25 plomb. Cependant, ce type de batteries pose des problèmes liés à la température de fonctionnement. En effet, les batteries au lithium-ion ont des performances limitées avec des températures négatives, et les températures élevées les dégradent rapidement. 30 Pour améliorer leur fonctionnement à froid, on peut modifier les matériaux des électrodes, ou l'électrolyte, mais ces solutions peuvent dégrader certaines performances des batteries, notamment à chaud, ce qui réduit leur durée de vie. On peut aussi prévoir un nombre plus important de cellules en parallèle. Ces différentes solutions augmentent notablement les coûts des batteries. The present invention relates to an air-conditioning system for a service battery of a motor vehicle, as well as to a motor vehicle equipped with such an air-conditioning system. BACKGROUND OF THE INVENTION Motor vehicles generally comprise lead acid batteries connected to the on-board network, also called service batteries, to power the equipment of these vehicles, in particular the starter of the engine. These lead batteries generally comprising a voltage of 12V, are commonly used because they have a reduced cost. The vehicle networks may comprise a single battery, or several associated batteries, which will be called thereafter generally "battery". However, lead batteries weighing about 20-25kg are relatively heavy compared to the amount of stored electrical energy. In addition, they are currently subject to a derogation from the European Commission's legislation which prohibits lead. This derogation could be removed one day, prohibiting the sale of these 20 batteries, forcing manufacturers to provide alternatives. Lithium-ion "Li-ion" batteries, including the iron-phosphate technology with a voltage level close to the current one by combining four cells in series, could replace the lead-acid batteries. However, this type of battery poses problems related to the operating temperature. Indeed, lithium-ion batteries have limited performance with negative temperatures, and high temperatures degrade them quickly. To improve their cold operation, it is possible to modify the materials of the electrodes, or the electrolyte, but these solutions can degrade certain performances of the batteries, in particular when they are hot, which reduces their service life. It is also possible to provide a larger number of cells in parallel. These different solutions significantly increase battery costs.
Une autre solution consiste à réguler la température de ces batteries. Un système de régulation connu, présenté notamment par le document US-B1-6407533, comporte des ventilateurs qui font circuler de l'air venant de l'extérieur pour refroidir les batteries, ou qui récupèrent des calories sur les circuits électroniques de commande de ces batteries pour les réchauffer, en faisant circuler l'air sur ces circuits. Un problème qui se pose avec ce système de régulation, est que les circuits électroniques n'étant pas conçus pour s'échauffer fortement, ils comportent une faible puissance de chauffage. Les possibilités de pré-conditionnement pour chauffer les batteries avant le démarrage du véhicule, sont très limitées. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces inconvénients de la technique antérieure. Elle propose à cet effet un système de climatisation pour une batterie du réseau de bord d'un véhicule automobile, comprenant un réceptacle fermé prévu pour recevoir la batterie, et un ventilateur qui aspire de l'air frais de l'extérieur du réceptacle, pour générer un premier flux d'air dans ce réceptacle afin de refroidir la batterie, caractérisé en ce qu'il comporte de plus une résistance électrique se trouvant en amont d'un deuxième flux d'air pulsé par le ventilateur dans ce réceptacle, permettant de réchauffer la batterie. Un avantage de ce système de climatisation est qu'avec un même ventilateur, on peut réaliser suivant les besoins, le refroidissement de la batterie, ou son chauffage qui peut être rapide et efficace grâce à la résistance. Another solution is to regulate the temperature of these batteries. A known control system, presented in particular by US-B1-6407533, includes fans that circulate air from outside to cool the batteries, or that recover calories on the electronic control circuits of these batteries to warm them up, by circulating the air on these circuits. A problem with this control system is that the electronic circuits are not designed to heat up strongly, they have a low heating power. The possibilities of pre-conditioning to heat the batteries before starting the vehicle, are very limited. The present invention is intended to avoid these disadvantages of the prior art. It proposes for this purpose an air conditioning system for a battery of the on-board network of a motor vehicle, comprising a closed receptacle designed to receive the battery, and a fan that sucks fresh air from the outside of the receptacle, for generating a first air flow in this receptacle to cool the battery, characterized in that it further comprises an electrical resistance located upstream of a second air flow pulsed by the fan in this receptacle, allowing warm up the battery. An advantage of this air conditioning system is that with the same fan, it can realize as necessary, the cooling of the battery, or its heating that can be fast and effective through the resistance.
Le système de climatisation selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Selon un mode de réalisation, la résistance se trouve dans le réceptacle. En particulier, la résistance peut se trouver devant le ventilateur. Avantageusement, le réceptacle comporte sur un côté un boîtier interne comprenant une ouverture donnant sur l'extérieur, le ventilateur placé dans ce boîtier étant prévu pour aspirer l'air par cette ouverture, et le pulser dans le réceptacle par un passage du boîtier. Avantageusement, deux ouvertures formant une entrée et une sortie d'air du réceptacle, se trouvent sur deux côtés opposés de ce réceptacle. Avantageusement, une électronique de contrôle et de commande du système de climatisation, est intégrée dans le réceptacle. The air conditioning system according to the invention may further comprise one or more of the following features, which may be combined with each other. According to one embodiment, the resistor is in the receptacle. In particular, the resistance may be in front of the fan. Advantageously, the receptacle comprises on one side an inner housing comprising an opening on the outside, the fan placed in this housing being designed to suck the air through this opening, and the pulsing in the receptacle by a passage of the housing. Advantageously, two openings forming an inlet and an air outlet of the receptacle, are on two opposite sides of this receptacle. Advantageously, an electronic control and control of the air conditioning system is integrated in the receptacle.
En particulier, la résistance électrique peut être utilisée pour d'autres fonctions de chauffage sur le véhicule. L'invention a aussi pour objet un procédé de fonctionnement d'un système de climatisation comportant l'une quelconque des caractéristiques précédentes, qui dans un mode de refroidissement de la batterie, commande la rotation du ventilateur dans un sens sans alimenter la résistance électrique, et dans un mode de réchauffage de cette batterie, commande la rotation du ventilateur dans l'autre sens en alimentant la résistance électrique. L'invention a de plus pour objet un véhicule automobile comprenant un système de climatisation d'une batterie qui alimente le réseau de bord basse tension de ce véhicule, comportant l'une quelconque des caractéristiques précédentes. En particulier, la batterie peut comporter des cellules utilisant la technologie lithium-ion. In particular, the electrical resistance can be used for other heating functions on the vehicle. The invention also relates to a method of operating an air conditioning system comprising any of the preceding characteristics, which in a cooling mode of the battery, controls the rotation of the fan in one direction without supplying the electrical resistance, and in a reheating mode of this battery, controls the rotation of the fan in the other direction by supplying the electrical resistance. The invention further relates to a motor vehicle comprising an air conditioning system of a battery which supplies the low voltage onboard network of this vehicle, having any of the preceding characteristics. In particular, the battery may include cells using lithium-ion technology.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple et de manière non limitative, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue d'un système de climatisation contenant une batterie, présentant un flux d'air de refroidissement de cette batterie ; et - la figure 2 est une vue de ce système de climatisation, présentant un flux d'air de chauffage de la batterie. La figure 1 présente un système de climatisation 1 comprenant un réceptacle fermé 2 recevant une batterie au Lithium-ion 4 qui possède une forme allongée globalement parallélépipédique. Le réceptacle 2 entoure la batterie 4 avec un volume restant libre sur les différents côtés de cette batterie. D'une manière générale, la batterie contenue dans le réceptacle 2 du système de climatisation, pourrait être un ensemble composé de plusieurs batteries élémentaires qui sont associées ensemble. The invention will be better understood and other features and advantages will appear more clearly on reading the following description given by way of example and in a nonlimiting manner, with reference to the appended drawings, in which: FIG. a view of an air conditioning system containing a battery, having a cooling air flow of this battery; and - Figure 2 is a view of this air conditioning system, having a heating air flow of the battery. Figure 1 shows an air conditioning system 1 comprising a closed receptacle 2 receiving a lithium-ion battery 4 which has an elongated overall parallelepiped shape. The receptacle 2 surrounds the battery 4 with a remaining free volume on the different sides of this battery. In general, the battery contained in the receptacle 2 of the air conditioning system, could be a set composed of several elementary batteries that are associated together.
Le réceptacle 2 comporte au dessus de la batterie 4, une électronique de contrôle et de commande 8 du système de climatisation 1, qui forme un ensemble plat placé au dessus de cette batterie. La batterie 4 comporte sur le dessus deux cosses de connexion 6 qui sortent au dessus du réceptacle 2, pour réaliser le raccordement de cette batterie au réseau de bord du véhicule automobile, et permettre un courant de décharge ou de recharge de la batterie. La tension délivrée par la batterie 4 peut être de 12V ou de 24V, suivant ce qui est couramment utilisé pour les réseaux de bord. Avantageusement, les cosses de connexion 6 sont identiques à celles généralement utilisées pour les batteries au plomb, de manière à garder une standardisation des connecteurs pour les différentes technologies de batteries. Le réceptacle 2 comporte sur un de ses petits côtés, un conduit 10 dépassant vers l'extérieur, qui met en communication le volume intérieur de ce réceptacle avec l'air extérieur. The receptacle 2 comprises above the battery 4, a control and control electronics 8 of the air conditioning system 1, which forms a flat assembly placed above the battery. The battery 4 has on the top two terminal lugs 6 which come out above the receptacle 2, to make the connection of this battery to the onboard network of the motor vehicle, and allow a discharge current or recharge the battery. The voltage delivered by the battery 4 may be 12V or 24V, according to what is commonly used for the on-board networks. Advantageously, the connection terminals 6 are identical to those generally used for lead-acid batteries, so as to maintain standardization of the connectors for the different battery technologies. The receptacle 2 has on one of its short sides, a conduit 10 protruding outwardly, which communicates the interior volume of the receptacle with the outside air.
Le réceptacle 2 comporte sur le petit côté opposé au conduit 10, un boîtier interne 12 comportant successivement une ouverture 20 donnant sur l'air extérieur, un ventilateur 14 disposé devant cette ouverture, une résistance électrique 16 disposée en face de ce ventilateur, et un passage interne 22 débouchant dans le réceptacle 2. Le ventilateur 14 et la résistance électrique 16 sont reliés par un faisceau de fils électriques 18 passant dans le réceptacle 2, à l'électronique de contrôle et de commande 8 qui pilote ces éléments. Le ventilateur 14 peut comme présenté figure 1 aspirer l'air extérieur par le conduit 10, cet air contournant la batterie 4 comme indiqué par les flèches, puis entrant dans le boîtier 12 par son passage interne 22, et enfin traversant la résistance 16 pour être éjecté dehors par l'ouverture 20. Le ventilateur 14 peut aussi comme présenté figure 2, en le faisant tourner dans l'autre sens, prélever l'air extérieur par l'ouverture 20, le pulser au travers de la résistance 16 et du passage interne 22, dans le réceptacle 2 où il contourne la batterie 4 comme indiqué par les flèches, et enfin sort par le conduit 10. On obtient ainsi deux sens de flux d'air, avec une possibilité de réglage de l'intensité de ces flux par une variation de la vitesse du ventilateur 14, qui 20 est gérée par l'électronique de contrôle et de commande 8. La batterie 4 et l'électronique de contrôle et de commande 8 comporte des moyens de mesure de paramètres physiques de fonctionnement de cette batterie, comme la température de ses cellules internes, ou le courant délivré par ces cellules. 25 L'électronique de contrôle et de commande 8 reçoit de plus des informations du réseau de bord, de manière à piloter le ventilateur 14 et la résistance 16 en fonction des besoins de chauffage ou de refroidissement des cellules de la batterie 4, pour assurer par exemple la délivrance d'une puissance électrique demandée, la sécurité de fonctionnement ou la durée 30 de vie de cette batterie. 2 9874 99 6 Pour un refroidissement de la batterie 4, comme présenté figure 1, avantageusement le ventilateur 14 prélève de l'air extérieur frais par le conduit 10, qui contourne la batterie 4 puis sort par l'ouverture 20, la résistance électrique 16 n'étant pas alimentée. 5 En variante, l'air extérieur frais peut être délivré par un système de climatisation de l'habitacle du véhicule, afin de bénéficier d'une température plus basse. Pour un réchauffage de la batterie 4, comme présenté figure 2, le ventilateur 14 prélève de l'air extérieur par l'ouverture 20, et le pulse au 10 travers de la résistance électrique 16 alimentée en courant qui le réchauffe, pour contourner ensuite la batterie 4, et ressortir par le conduit 10. En complément, l'air admis dans le réceptacle 2 est aussi réchauffé en contournant le faisceau de fils 18 et l'électronique 8 se trouvant dans ce réceptacle, qui comportent un échauffement interne dû au passage du 15 courant notamment pour l'alimentation du ventilateur 14 et de la résistance 16, ce qui augmente la puissance de chauffage. On notera que la batterie 4 comporte aussi un chauffage interne, par sa propre réaction chimique due à la production de courant destiné à alimenter le ventilateur 14 et la résistance 16, et à l'effet Joule causé par la résistance interne de cette batterie, qui s'ajoute aux autres moyens de chauffage. En particulier, le système de climatisation peut comporter un superviseur externe qui envoie à l'électronique de contrôle et de commande 8 des indications sur les besoins de chauffage ou de refroidissement de la batterie 4. Par exemple, on peut préparer un chauffage de la batterie 4 par temps froid dès que le conducteur commande l'ouverture de la porte du véhicule, de manière à anticiper le début de ce chauffage. On peut obtenir ainsi par exemple, par ce procédé de chauffage, la possibilité de préchauffer en 20 secondes une batterie se trouvant dans un milieu ambiant à -20°C, avec un courant dans la résistance électrique 16 qui est de l'ordre de 150 à 200A. The receptacle 2 comprises on the small side opposite the conduit 10, an inner housing 12 successively having an opening 20 to the outside air, a fan 14 disposed in front of this opening, an electrical resistance 16 disposed opposite this fan, and a internal passage 22 opening into the receptacle 2. The fan 14 and the electrical resistor 16 are connected by a bundle of electrical son 18 passing through the receptacle 2, to the control and control electronics 8 which controls these elements. The fan 14 can as shown in Figure 1 draw the outside air through the conduit 10, the air bypassing the battery 4 as indicated by the arrows, then entering the housing 12 through its internal passage 22, and finally through the resistor 16 to be ejected outside the opening 20. The fan 14 can also as shown in Figure 2, by rotating in the other direction, take the outside air through the opening 20, the pulse through the resistor 16 and the passage internal 22, in the receptacle 2 where it bypasses the battery 4 as indicated by the arrows, and finally out through the conduit 10. This provides two directions of air flow, with a possibility of adjusting the intensity of these flows by a variation of the speed of the fan 14, which is controlled by the control and control electronics 8. The battery 4 and the control and control electronics 8 comprise means for measuring the physical parameters of operation of the this battery, like the temperature of its internal cells, or the current delivered by these cells. The control and control electronics 8 additionally receive information from the on-board network, so as to drive the fan 14 and the resistor 16 according to the heating or cooling requirements of the cells of the battery 4, to ensure by example, the delivery of a requested electrical power, the operational safety or the life span of this battery. 2 9874 99 6 For a cooling of the battery 4, as shown in Figure 1, advantageously the fan 14 draws fresh air outside the conduit 10, which bypasses the battery 4 and out through the opening 20, the electrical resistance 16 not being powered. Alternatively, the fresh outside air can be delivered by an air conditioning system of the passenger compartment of the vehicle, in order to benefit from a lower temperature. For a heating of the battery 4, as shown in FIG. 2, the fan 14 draws outside air through the opening 20, and pulses it through the current-fed electrical resistor 16 which then heats it, to then bypass the battery 4, and out through the conduit 10. In addition, the air admitted into the receptacle 2 is also heated by bypassing the bundle of son 18 and the electronics 8 in this receptacle, which include an internal heating due to the passage the current in particular for the supply of the fan 14 and the resistor 16, which increases the heating power. It will be noted that the battery 4 also comprises an internal heating, by its own chemical reaction due to the production of current intended to supply the fan 14 and the resistor 16, and to the Joule effect caused by the internal resistance of this battery, which is added to the other heating means. In particular, the air conditioning system may include an external supervisor which sends to the control and control electronics 8 information on the heating or cooling requirements of the battery 4. For example, it is possible to prepare a heating of the battery 4 in cold weather as soon as the driver controls the opening of the vehicle door, so as to anticipate the start of this heating. For example, by this heating method, it is possible to obtain the possibility of preheating a battery in an ambient medium at -20.degree. C. for 20 seconds, with a current in the electrical resistance 16 which is of the order of 150.degree. at 200A.
Le superviseur externe peut servir aussi à d'autres fonctions, pour mutualiser ce système. On notera que la résistance 16 n'étant pas intégrée dans la batterie 4, si cette résistance fonctionne seule, elle ne peut pas chauffer fortement cette batterie. En cas de défaillance d'un élément du système de climatisation entraînant un chauffage de la résistance sans circulation d'air, la batterie 4 ne risque alors pas d'être chauffée exagérément. De plus, il est avantageux d'utiliser deux commandes distinctes pour le ventilateur 14 et pour la résistance 16, afin d'éviter une défaillance d'une 10 commande unique qui causerait un chauffage de la batterie non demandé, par déclenchement simultané de cette résistance et de ce ventilateur. En variante, la résistance peut être déportée, et se trouver à l'extérieur du réceptacle 2, dans le flux d'air aspiré par le ventilateur 14. On peut en particulier utiliser une résistance déportée qui sert à d'autres usages, comme 15 par exemple le chauffage de l'habitacle du véhicule. On peut aussi faire débiter le courant de la batterie 4 dans d'autres types de résistances ou de systèmes électriques consommant une quantité importante de courant, servant à différents usages dans le véhicule, afin de bénéficier de l'effet Joule dissipant une puissance thermique dans cette 20 batterie, pour la réchauffer. Par ailleurs la résistance électrique 16 peut remplir d'autres fonctions, comme par exemple la consommation d'un courant électrique prélevé sur une ou plusieurs des cellules de la batterie 4, afin de réaliser un équilibrage des niveaux de charge de ces cellules. 25 L'électronique de contrôle et de commande 8, peut aussi être commune pour d'autres fonctions du véhicule. Le système de climatisation peut être utilisé avantageusement avec des cellules de batteries au lithium-ion, comportant notamment la technologie Fer-Phosphate, mais aussi avec tous types de batteries électrochimiques 30 nécessitant une climatisation. On peut en particulier utiliser une même batterie pour répondre aux différents besoins à froid comme à chaud. The external supervisor can also serve other functions, to pool this system. Note that the resistor 16 is not integrated in the battery 4, if this resistance works alone, it can not heat up the battery. In case of failure of an element of the air conditioning system heating the resistance without air circulation, the battery 4 is not likely to be overheated. In addition, it is advantageous to use two separate controls for the fan 14 and the resistor 16 to avoid a failure of a single control that would cause a heating of the battery not requested, by simultaneous triggering of this resistance. and this fan. Alternatively, the resistor may be offset, and be outside the receptacle 2, in the air flow sucked by the fan 14. In particular, a remote resistor may be used for other purposes, such as for example the heating of the passenger compartment of the vehicle. It is also possible to charge the current of the battery 4 in other types of resistors or electrical systems consuming a large amount of current, used for different uses in the vehicle, in order to benefit from the Joule effect dissipating a thermal power in this battery, to warm it up. Furthermore, the electrical resistance 16 can perform other functions, such as the consumption of an electric current taken from one or more of the cells of the battery 4, in order to achieve a balancing of the charge levels of these cells. The control and control electronics 8 may also be common for other functions of the vehicle. The air conditioning system can be used advantageously with lithium-ion battery cells, including in particular the iron-phosphate technology, but also with all types of electrochemical batteries 30 requiring air conditioning. One can in particular use the same battery to meet different needs cold and hot.
Le système de climatisation est économique et compacte, réalisant à la fois les fonctions de chauffage et de refroidissement avec un nombre réduit de composants. The air conditioning system is economical and compact, performing both heating and cooling functions with a reduced number of components.
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