FR2987940A1 - Dispositif de regulation thermique d'un systeme de stockage d'energie - Google Patents

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Frederic Pailhoux
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Abstract

L'invention concerne un dispositif de régulation thermique d'un système de stockage d'énergie (10) comportant un réseau de cellules cylindriques, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un caloduc (11) comportant: une partie libre (33) disposée dans une zone présentant une absence de contact avec les cellules du système de stockage d'énergie (10) et une partie engagée (34) disposée en contact latéral d'au moins trois cellules du système de stockage d'énergie (10), le caloduc (11) comportant une longueur (L) supérieure à une hauteur (La) des cellules cylindriques et une section adaptée à un espace inter-cellules (30) du système de stockage d'énergie (10), le caloduc (11) transportant par capillarité sur sa périphérie un fluide caloporteur sous pression entre la partie libre (33) et la partie engagée (34).

Description

DISPOSITIF DE REGULATION THERMIQUE D'UN SYSTEME DE STOCKAGE D'ENERGIE [1] DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [2] L'invention concerne un dispositif de régulation thermique d'un système de stockage d'énergie, par exemple une batterie d'un véhicule. [3] L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non restrictive, pour les véhicules automobiles dont le système de stockage d'énergie permet d'assurer l'alimentation de l'ensemble des consommateurs électriques du véhicule et de la machine électrique de traction dans le cadre d'un véhicule hybride ou électrique. [4] ETAT DE LA TECHNIQUE [5] L'énergie électrique prend une place de plus en plus importante dans les véhicules pour un grand nombre d'applications dans les domaines des véhicules légers (véhicules hybrides et électriques) et ceux de transport urbain. Pour assurer la disponibilité de cette énergie électrique, on fait intervenir des systèmes de stockage d'énergie comportant plusieurs cellules. Les cellules existent sous plusieurs géométries différentes : cylindrique, prismatique ou sachet souple. [6] Le développement des véhicules électriques et hybrides et l'absence de standard (à ce jour) impose d'envisager toutes les technologies et tous les types de géométrie de cellules (cylindrique, prismatique, sachet souple), afin de choisir la plus avantageuse en terme de performances (énergie et puissance disponible) et de durée de vie principalement, sans se soucier de sa géométrie. [07] L'inconvénient principal des cellules cylindriques c'est qu'elles sont encombrantes pour une intégration dans un véhicule, à cause de l'espace inter-cellules créé par la courbure des cellules. [08] En outre, les systèmes de stockage d'énergie comportant des cellules cylindriques présentent un gradient de température très important entre les cellules. Pour les technologies de système de stockage d'énergie telles que Lithium-ion qui sont très instables thermiquement, la température est le facteur primordial du vieillissement. De plus, le niveau de vieillissement d'un système de stockage d'énergie est majoré par le niveau de vieillissement de la cellule la moins refroidie. Il est donc important d'avoir un système de refroidissement avec une grande capacité d'évacuation de chaleur et permettant de refroidir de manière homogène le système de stockage d'énergie. [9] OBJET DE L'INVENTION [10] L'invention consiste en un dispositif de régulation thermique permettant, en fonction du besoin, de refroidir ou de réchauffer des cellules d'un système de stockage d'énergie de forme cylindrique. Ce système utilise au moins un caloduc pour extraire/apporter de la chaleur à partir/vers des cellules. Afin d'optimiser les échanges thermiques entre les cellules et le caloduc, ce dernier comporte une section similaire avec la forme de l'espace inter-cellules. Grace à l'utilisation du caloduc, le dispositif de l'invention permet de refroidir/réchauffer les cellules de manière rapide et homogène au sein du système de stockage d'énergie. [11] Selon un premier aspect, l'invention concerne un dispositif de régulation thermique d'un système de stockage d'énergie comportant un réseau de cellules cylindriques, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un caloduc comportant : une partie libre disposée dans une zone présentant une absence de contact avec les cellules du système de stockage d'énergie et une partie engagée disposée en contact latéral d'au moins trois cellules du système de stockage d'énergie, le caloduc comportant une longueur supérieure à une hauteur des cellules cylindriques et une section adaptée à un espace inter-cellules du système de stockage d'énergie, le caloduc transportant par capillarité sur sa périphérie un fluide caloporteur sous pression entre la partie libre et la partie engagée. [12] Selon une réalisation, les cellules cylindriques du système de stockage d'énergie étant disposées en rangées parallèles, le caloduc comporte une section formant une étoile avec quatre branches. [13] Selon une réalisation, les cellules cylindriques du système de stockage d'énergie étant disposées en rangées juxtaposées, le caloduc comporte une section formant une étoile avec trois branches. [14] Selon une réalisation, le caloduc contient un fluide caloporteur dont la température d'évaporation est incluse dans une plage de fonctionnement du système de stockage d'énergie. [15] Préférentiellement, la plage de fonctionnement du système de stockage d'énergie est comprise entre 20 et 50 degrés Celsius. [16] Encore plus préférentiellement, la plage de fonctionnement du lo système de stockage d'énergie est comprise entre 20 et 35 degrés Celsius. [17] Selon une réalisation, le fluide caloporteur est de l'eau, de l'ammoniac, du méthanol, de l'acétone ou de l'éthanol. [18] Le dispositif de l'invention permet de maintenir le système de stockage d'énergie au niveau de température que l'on choisit via le choix du 15 fluide caloporteur utilisé dans le caloduc. Plus précisément, dans un système conventionnel on régule la température du module via un régulateur de débit. On ne peut difficilement cibler la température de la paroi de la cellule vers une température précise. La cible de l'opération est plutôt de rester dans une gamme de température autorisée. Avec le dispositif de l'invention, l'utilisation 20 du caloduc permet d'être certain que la température de la paroi de la cellule est très proche de la température d'évaporation du fluide caloporteur que l'on choisit pour le caloduc. [19] Selon une réalisation, pour améliorer le contact entre la paroi de la cellule et la conduite du fluide de refroidissement, on utilise de la mousse 25 conductrice. [20] Selon une réalisation, la partie libre du caloduc comporte au moins une ailette adaptée autour du caloduc. [21] Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un véhicule automobile comportant un système de stockage d'énergie muni d'un 30 dispositif de régulation thermique selon l'invention. [022] BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [23] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. Elles montrent : [24] Figure 1 : une représentation schématique en coupe d'un mode de réalisation de l'invention ; [25] Figure 2 : une représentation d'une projection d'une section du dispositif de régulation thermique de l'invention ; [026] Figure 3 : une représentation en perspective et en coupe d'un système de stockage d'énergie comportant des cellules en rangées parallèles muni de l'invention ; et [27] Figure 4 : une représentation en perspective et en coupe d'un système de stockage d'énergie comportant des cellules en rangées juxtaposées muni de l'invention. [28] Les éléments identiques, similaires ou analogues, conservent les mêmes références d'une figure à l'autre. [29] DESCRIPTION D'EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION [030] Les Figures 1 à 4 montrent un dispositif de régulation thermique d'un système de stockage d'énergie 11 comportant un réseau de cellules cylindriques de hauteur La et de rayon Ra. En variante, certaines cellules peuvent être de dimensions différentes, la hauteur La et le rayon Ra correspondant alors aux dimensions maximales des cellules. [031] Les cellules du système de stockage d'énergie 11 peuvent être disposées selon deux configurations classiques représentées sur les Figures 3 et 4. Pour la première configuration (cas des Figures 1 à 3), les cellules sont disposées en rangées parallèles créant un espace inter-cellules 30 en forme d'étoile à quatre branches. Pour la deuxième configuration (cas de la Figure 4), les cellules sont disposées en rangées juxtaposées créant un espace inter-cellules 30 en forme d'étoile à trois branches. [32] Le dispositif de régulation thermique comporte au moins un caloduc 11 de forme tubulaire ayant une longueur L supérieure à la hauteur La des cellules cylindrique. Le caloduc 11 comporte une partie engagée 34 en contact latérale avec au moins trois cellules présente une section de forme similaire à celle de l'espace inter-cellules 30 (étoile à 3 ou à 4 branches). Le caloduc 11 comporte également une partie libre 33 disposée dans une zone présentant une absence de contact avec les cellules du système de stockage 10. Dans le cas de la Figure 3, le caloduc 11 comporte quatre faces planes 41-44 reliées par quatre faces incurvées 46-49 ayant un rayon de courbure correspondant à la courbure du cylindre des cellules du système de stockage d'énergie 10. Dans le cas de la Figure 4, le caloduc 11 comporte trois faces planes 51-53 reliées par trois faces incurvées 55-57 ayant un rayon de courbure correspondant à la courbure du cylindre des cellules du système de stockage d'énergie 10. Préférentiellement, le dispositif de régulation thermique comporte plusieurs caloducs 11. [33] Chaque caloduc 11 est ainsi constitué d'un fluide caloporteur dont la température d'évaporation est incluse dans la plage de température de fonctionnement du système de stockage d'énergie 10, par exemple entre 20 et 50°C. Idéalement, la température d'évaporation doit tomber dans la zone de température optimale, par exemple entre 20 et 35°C. Les fluides disponibles pour cette application sont : de l'eau, de l'ammoniac, du méthanol, de l'acétone ou encore de l'éthanol. [034] Le caloduc 11 est muni d'une enceinte hermétiquement close. Lors de la fabrication, tout l'air présent dans cette enceinte est évacué et on introduit une quantité de fluide caloporteur pure ou un mélange binaire assurant une mouillabilité optimale avec un réseau capillaire du caloduc 11, de sorte qu'il y ait l'établissement d'un équilibre entre la phase liquide et la phase vapeur. Le tube doit être résistant mécaniquement à la pression interne du caloduc 11. Il doit également être inerte vis-à-vis du fluide caloporteur afin d'éviter toute apparition de corrosion et de gaz incondensable susceptibles de dégrader les performances du caloduc 11.
Enfin, il doit avoir une bonne conductivité thermique afin d'augmenter la conductivité thermique globale du système. On suggère d'utiliser du cuivre ou de l'aluminium. [35] Le caloduc 11 comporte ainsi un réseau capillaire 32 permettant d'assurer le déplacement axial de la phase liquide du fluide et le transfert thermique radial de la paroi externe 31 vers l'interface liquide-vapeur où se produit le changement de phase (évaporation, condensation). Les différents types de réseau capillaire envisageables sont les mèches tissées, les rainures axiales et les poudres de métal frité. En variante, les poudres de métal frité peuvent comporter une artère liquide intégrée et les rainures axiales peuvent comporter une toile écran. [36] Les caloducs 11 sont insérés dans les espaces inter-cellules 30 vides entre les différentes cellules cylindriques. La paroi externe 31 de chaque caloduc 11 est donc en contact avec les parois des cellules avoisinantes sur une longueur La. Pour améliorer le contact thermique sur cette longueur La, on peut placer des mousses thermiquement conductrices 20 entre les caloducs 11 et les cellules du système de stockage d'énergie 10. La partie engagée 34 présente une longueur égale à la longueur La du caloduc 11. La longueur de la partie libre 33 correspond à la longueur L - La qui dépasse la hauteur La de la cellule. Sur cette partie libre 33, on peut placer, si besoin, des ailettes 22. Il n'est pas nécessaire que la partie libre 33 dépassant la hauteur des cellules du système de stockage d'énergie soit longue par rapport à la hauteur La de la cellule. A titre exemple, si la hauteur La de la cellule est de 150mm, une longueur de la partie libre 33 de 30mm est suffisante. [37] Le caloduc 11 fonctionne en cycle fermé selon le principe évaporation-condensation avec retour de liquide par capillarité. Sous l'effet d'une source chaude le liquide se vaporise en induisant une légère surpression qui provoque le mouvement de la vapeur vers l'autre extrémité où la vapeur se condense et repasse en phase liquide. Le fluide condensé circule dans le réseau capillaire 32 et revient sous l'effet des forces capillaires. Ce cycle peut se poursuivre indéfiniment, de manière autonome et sans maintenance. [038] Lors de la phase d'évaporation, le fluide absorbe de l'énergie qu'il restitue lors de la phase de condensation. La température est uniforme dans la partie engagée 34 du caloduc 11 et est égale à la température d'évaporation du fluide caloporteur. Sur la partie libre 33, la température est également uniforme et légèrement en dessous de la température d'évaporation du fluide caloporteur. Si l'on compare un caloduc 11 à un tube en cuivre de même longueur et de même diamètre, pour un même écart de température entre les deux extrémités, le tube caloduc 11 transporte environ 1000 fois plus de puissance que le tube en cuivre. [039] Le dispositif sera mieux compris avec la description de son fonctionnement. Le dispositif de régulation thermique comporte deux modes de fonctionnement : un mode de refroidissement et un mode de réchauffage du système de stockage d'énergie 10. [40] Dans le mode de refroidissement, au repos, le système de stockage d'énergie 10 a une température égale à la température ambiante. Lorsqu'on charge ou décharge le système de stockage d'énergie 10, les cellules émettent des pertes thermiques qui font augmenter la température de la cellule. Or la paroi des cellules est en contact avec les caloducs 11 sur toute sa hauteur La, une partie des pertes thermiques émises par la cellule est transmise vers les caloducs 11 et fait également augmenter la température de ces derniers. Comme chaque caloduc 11 a une section qui complète l'espace inter-cellules 30 et que l'on renforce le contact thermique entre les cellules et les caloducs 11 avec de la mousse thermo-conductrice 20, le transfert thermique entre les cellules et les tubes caloducs 11 est optimisé et il y a un très faible écart de température entre la paroi de la cellule et celle de l'enveloppe sur la partie engagée 34 du caloduc 11. [41] Lorsque la température de l'enveloppe sur la partie engagée 34 du caloduc 11 atteint la température d'évaporation du fluide caloporteur du caloduc 11, le caloduc 11 est alors déclenché. Le liquide dans le réseau capillaire 32 de la partie engagée 34 s'évapore, en absorbant une quantité de chaleur équivalente à la chaleur latente du fluide caloporteur. La vapeur produite se déplace vers la partie libre 33 du caloduc 11. Dans cette partie libre 33, le caloduc 11 n'est plus en contact avec les cellules du système de stockage d'énergie 10. La température de l'enveloppe du caloduc y est inférieure à la température d'évaporation du fluide caloporteur du caloduc 11. La vapeur se condense en restituant la même quantité de chaleur vers l'extérieur. Le liquide formé est pompé vers la partie engagée 34 du caloduc 11 et pour un nouveau cycle de fonctionnement. [42] Ainsi, chaque caloduc 11 permet d'absorber, au niveau de la partie engagée 34 une quantité de chaleur au travers du contact thermique avec les cellules du système de stockage d'énergie 10. Cette quantité de chaleur est transmise vers la partie libre 33 par conduction le long de l'enveloppe, du réseau capillaire 32 et surtout grâce au mouvement de la vapeur allant de la partie engagée 34 vers la partie libre 33. Le flux thermique est restitué vers l'extérieur au travers de l'enveloppe de la partie libre 33. [43] L'échange thermique entre la partie libre 33 et l'extérieur peut être amélioré en y intégrant des ailettes 22 métalliques. Les cellules et la partie engagée 34 du caloduc 11 sont enfermées dans l'enveloppe du module. On peut envisager de créer une conduite autour de la partie libre 33 du caloduc 11 et des ailettes 22 et y faire circuler un fluide de refroidissement (air, eau ou réfrigérant) afin de faciliter l'évacuation du flux thermique de la partie libre 33 du caloduc 11. Dans cette situation, la partie engagée 34 du caloduc 11 joue le rôle d'un évaporateur et la partie libre 33 joue le rôle d'un condenseur. Ces rôles peuvent être inversés dans d'autre situation, notamment lorsqu'il faut réchauffer le système de stockage d'énergie. [44] Dans le mode de réchauffage, dans le cas d'un démarrage à froid, lorsque la température d'ambiante est trop faible, un réchauffement de la cellule est nécessaire afin d'améliorer le rendement du système de stockage d'énergie 10. En faisant passer dans la conduite qui entoure la partie libre 33 un fluide à une température supérieure à la température d'évaporation du fluide caloporteur à l'intérieur du caloduc 11, on peut déclencher le fonctionnement du caloduc 11 sur cette partie libre 33. La partie libre 33 joue donc le rôle d'un évaporateur et la partie engagée 34 joue le rôle d'un condenseur. Grace à cette opération, la température des cellules peut être ramenée jusqu'à la température d'évaporation. Pour envisager l'utilisation du caloduc 11 dans les deux sens, il faut faire attention à les disposer horizontalement. [45] Le refroidissement par caloduc 11 est réellement une voie prometteuse pour les applications de refroidissement du système de stockage d'énergie 10 d'un véhicule hybride et électrique. [46] Cette invention permet de maintenir au système de stockage d'énergie 10 à un niveau de température optimal de manière beaucoup plus dynamique qu'un système conventionnel et en plus, d'assurer une meilleure homogénéité de la température. Cette amélioration s'avère être très bénéfique car lorsque l'on travaille sur les applications purement électriques (ou hybrides à dominant électrique), on est fréquemment amenés à exploiter le système de stockage d'énergie 10 jusqu'au maximum de ses capacités. Les pertes thermiques sont ainsi très intenses. Trouver un moyen d'extraire ces pertes le plus rapidement possible est donc important afin de maintenir la température du système de stockage d'énergie 10 à un niveau optimal. L'invention permet d'éviter ainsi de tomber dans les zones d'indisponibilité du système de stockage d'énergie 10. [47] De plus, pour les technologies du système de stockage d'énergie 10 telles que le système de stockage d'énergie Lithium-ion qui sont très instables thermiquement, la température est le facteur primordial pour le vieillissement. Comme le niveau de vieillissement d'un système de stockage d'énergie est majoré par le niveau de vieillissement de la cellule la moins refroidie, il est important de maintenir une bonne homogénéité de la température au sein du système de stockage d'énergie 10 afin d'allonger au maximum sa durée de vie. [48] L'invention permet ainsi de concevoir des systèmes de stockage d'énergie 10 plus autonomes et qui durent plus longtemps. L'utilisation des caloducs 11 offre une bonne homogénéité au niveau de la température au sein du module du système de stockage d'énergie. En effet, la paroi de la partie engagée 34 de chaque caloduc 11 du dispositif de régulation thermique est maintenue sensiblement à la température d'évaporation du fluide caloporteur. Ainsi, partout dans le module, la température de la paroi des cellules est maintenue à une température très proche de cette température d'évaporation. Pour un système correctement dimensionné, on peut s'attendre à un gradient de température inter-cellule de l'ordre de 1 ou 2°C, alors que pour un système thermique conventionnel, on se donne comme objectif de maintenir un gradient de température intercellulaire de 5 °C. [049] Le caloduc 11 exploite la chaleur latente Lv du fluide caloporteur pour refroidir/réchauffer le système de stockage d'énergie 10, ce qui permet une capacité calorifique plus importante que dans les systèmes conventionnels qui exploitent la chaleur spécifique Cp du fluide de refroidissement. A titre d'exemple : la chaleur spécifique de l'eau liquide à pression atmosphérique est de Cp = 4,18 KJ/Kg.K alors que la chaleur latente de la vapeur d'eau dans la gamme de pression de 0.1 à 10 bars est supérieure à 2000 KJ/Kg.K. Ainsi, le système utilisant le caloduc 11 permet d'extraire ou d'apporter de la chaleur de manière très rapide. Ce qui est très utile, surtout lorsque le véhicule roule en mode électrique où les cellules génèrent de fortes pertes thermiques. Le caloduc 11 est plus difficile à fabriquer que les systèmes conventionnels mais le dispositif de régulation thermique est très stable dans le temps, ne demande pas d'entretien et permet beaucoup de flexibilité au niveau de l'emballement.20

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de régulation thermique d'un système de stockage d'énergie (10) comportant un réseau de cellules cylindriques, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un caloduc (11) comportant : - une partie libre (33) disposée dans une zone présentant une absence de contact avec les cellules du système de stockage d'énergie (10) et - une partie engagée (34) disposée en contact latéral d'au moins trois cellules du système de stockage d'énergie (10), le caloduc (11) comportant une longueur (L) supérieure à une hauteur (La) des cellules cylindriques et une section adaptée à un espace inter-cellules (30) du système de stockage d'énergie (10), le caloduc (11) transportant par capillarité sur sa périphérie un fluide caloporteur sous pression entre la partie libre (33) et la partie engagée (34).
  2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, les cellules cylindriques du système de stockage d'énergie (10) étant disposées en rangées parallèles, le caloduc (11) comporte une section formant une étoile avec quatre branches.
  3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, les cellules cylindriques du système de stockage d'énergie (10) étant disposées en rangées juxtaposées, le caloduc (11) comporte une section formant une étoile avec trois branches.
  4. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le caloduc (11) contient un fluide caloporteur dont la température 30 d'évaporation est incluse dans une plage de fonctionnement du système de stockage d'énergie (10).
  5. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la plage de fonctionnement du système de stockage d'énergie (10) est comprise entre 20 35 et 50 degrés Celsius.
  6. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la plage de fonctionnement du système de stockage d'énergie (10) est comprise entre 20 et 35 degrés Celsius.
  7. 7. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est de l'eau, de l'ammoniac, du méthanol, de l'acétone ou de l'éthanol.
  8. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le contact latéral entre le caloduc (11) et le système de stockage d'énergie (10) est réalisé par une mousse thermiquement conductrice (20).
  9. 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la partie libre (33) du caloduc (11) comporte au moins une ailette (22) adaptée autour du caloduc (11).
  10. 10. Véhicule automobile comportant un système de stockage d'énergie (10) muni d'un dispositif de régulation thermique selon l'une des revendications 1 à 9.
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