FR2988824A3

FR2988824A3 - Caloduc offrant un mode de refroidissement estival et un mode de refroidissement hivernal

Info

Publication number: FR2988824A3
Application number: FR1252721A
Authority: FR
Inventors: Robert Yu
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2013-10-04

Abstract

La présente invention concerne un caloduc offrant un mode de refroidissement estival et un mode de refroidissement hivernal. Le caloduc comporte une section évaporatrice et une section condensatrice. Un élément pour dissiper la chaleur est agencé au contact de sa partie condensatrice. Cet élément pour dissiper la chaleur comporte des moyens de dissipation vers un premier fluide dans lequel baigne ledit élément, notamment l'air ambiant, ces moyens pouvant être utilisés préférablement en hiver, ainsi que des moyens de dissipation de la chaleur vers un second fluide circulant dans un circuit fermé, notamment le fluide réfrigérant d'un système de climatisation, ces moyens pouvant être utilisés préférablement en été. La présente invention concerne également une batterie refroidie par un tel caloduc ainsi qu'un véhicule électrique ou hybride dont la batterie de traction est refroidie par un tel caloduc. Application : automobile

Description

Caloduc offrant un mode de refroidissement estival et un mode de refroidissement hivernal La présente invention concerne un caloduc offrant un mode de refroidissement estival et un mode de refroidissement hivernal. Elle s'applique notamment, mais pas exclusivement, dans le domaine de l'automobile. Elle s'applique par exemple aux batteries de traction des véhicules électriques (VE) et des véhicules électriques hybrides (VEH).

La batterie d'un VE ou d'un VEH subit régulièrement des phases de charge et de décharge, entraînant un échauffement qui peut être important. Il est donc nécessaire de la refroidir efficacement afin, d'une part, de maintenir son niveau de performance, et d'autre part de limiter son vieillissement. Sur un VEH notamment, dont la batterie est moins performante que celle d'un VE, le véhicule peut exceptionnellement rouler de manière continue en mode électrique, ce qui sollicite fortement la batterie, qui n'est pas vraiment dimensionnée pour cela, et entraîne un dégagement thermique important, tant au niveau de la batterie et que du moteur électrique. De même, lorsque le véhicule roule en mode thermique, la batterie est aussi sollicitée. En effet, elle a alors pour rôle d'apporter ponctuellement la puissance supplémentaire au moteur thermique lors des phases d'appel de puissance en accélération, et d'autre part, elle doit récupérer l'énergie lors des phases de freinage. Le refroidissement direct par air de la batterie est une solution courante déjà mise en oeuvre sur des véhicules de série. Un premier inconvénient de cette solution est qu'elle nécessite non seulement d'aménager des passages étroits pour l'air entre les cellules, mais aussi d'aménager des veines de plus grandes sections afin d'alimenter, de la façon la plus homogène possible, les différents passages d'air entres les cellules ou entre les modules dans le pack batterie. Les cellules sont les éléments électrochimiques de base permettant de stocker l'énergie à proprement parler. Il peut s'agir par exemple de cellules lithium-ion (Li-ion) couramment utilisées aujourd'hui pour équiper les VE et les VEH. Celles-ci sont capables de stocker ou de délivrer de l'énergie électrique à partir d'une migration exothermique d'éléments de lithium entre deux électrodes à travers un électrolyte. Cette migration exothermique est responsable du dégagement de chaleur à l'extérieur des cellules. Les modules sont des assemblages d'une pluralité de cellules interconnectées en paralelle, ou en série, ou une combinaison en série/paralelle, permettant d'atteindre une tension totale inférieure à une tension de sécurité 60 Volts entre une borne positive et une borne négative. Le pack batterie, qui pourra être plus simplement appelé « batterie » par la suite, est un assemblage d'une pluralité de modules interconnectés en paralelle, ou en série, ou une combinaison en série/paralelle, permettant d'atteindre entre une borne positive et une borne négative une haute tension de traction suffisante pour un véhicule électrique. L'ensemble des passages et veines d'air augmente significativement le volume du pack batterie, ceci pour la même quantité de batterie embarquée, augmentant de façon notable la difficulté de l'intégration du pack dans un véhicule. Cette solution de refroidissement direct par air présente d'autres inconvénients dans le cas des cellules Li-ion, qui contiennent un électrolyte organique. En effet, ces cellules peuvent, en cas de défaillance majeure suite à un crash du véhicule par exemple, dégager des émanations gazeuses toxiques. Ainsi, un inconvénient majeur de cette solution de refroidissement direct par air est que, dans le cas d'un refroidissement par de l'air venant de l'habitacle, les émanations toxiques peuvent rentrer dans l'habitacle. Ceci est particulièrement dommage quand on sait que l'habitacle est aujourd'hui très souvent climatisé et pourrait donc fournir de l'air à moins de 30°C en permanence, ce qui serait très efficace pour refroidir les cellules. Alors que dans le cas d'un refroidissement par de l'air venant de l'extérieur du véhicule, le refroidissement devient insuffisant dès lors que la température extérieure atteint 45°C, car il devient alors difficile voire impossible de maintenir les cellules à une température inférieure à 50°C, qui est la température maximale de fonctionnement des cellules Li-ion.

Dans le but de remédier aux inconvénients du refroidissement par air cités précédemment, la demande de brevet allemand DE19724020 publiée en 1998 propose, quand à elle, d'utiliser des caloducs pour refroidir une batterie. Ainsi, son abrégé divulgue un module comportant une pluralité de cellules disposées verticalement sur une plaque conductrice disposée horizontalement, la plaque renfermant les sections d'évaporation de caloducs, les sections de condensation des caloducs étant disposées verticalement en regard d'une paroi du module et des sections à ailettes, une circulation d'air entre lesdites ailettes permettant une dispersion efficace de la chaleur. Un inconvénient majeur de cette solution est que, dès lors que l'air circulant entre les ailettes atteint une température de l'ordre de 45°C, il devient très difficile de maintenir les cellules Li-ion à une température inférieure à 50°C. Or, il est tout à fait habituel dans certaines régions de voir la température ambiante atteindre et même dépasser 45°C. Une solution évidente serait de faire circuler entre les ailettes non plus l'air ambiant, mais de l'air circulant dans une boucle fermée et étant lui-même refroidi par un système de climatisation, par exemple le même système de climatisation que celui pour refroidir l'air dans l'habitacle. Un inconvénient serait le volume supplémentaire pour la boucle fermée qui serait difficile à intégrer dans un véhicule, la consommation additionnelle d'énergie pour refroidir l'air circulant dans la boucle fermée et bien-sûr le surcoût lié à la boucle fermée elle-même ainsi qu'au ventilateur nécessaire à la mise en circulation de l'air dans la boucle. L'invention a notamment pour but de remédier aux inconvénients précités, notamment en autorisant l'utilisation de cellules Li-ion même en conditions de température extérieure extrême de l'ordre de 45°C. A cet effet, la présente invention a pour objet un caloduc comportant une section évaporatrice et une section condensatrice. Un élément pour dissiper la chaleur est agencé au contact de sa partie condensatrice. Cet élément pour dissiper la chaleur comporte des moyens de dissipation vers un premier fluide baignant ledit élément, notamment l'air ambiant, ces moyens pouvant être utilisés préférablement en hiver. Cet élément comporte également des moyens de dissipation de la chaleur vers un second fluide circulant dans un circuit fermé, notamment le fluide réfrigérant d'un système de climatisation, ces moyens pouvant être utilisés préférablement en été. Dans un mode de réalisation préférentiel, les moyens de dissipation 5 vers le premier fluide peuvent inclure des ailettes constituées au moins partiellement d'un matériau conducteur de la chaleur. Dans un mode de réalisation préférentiel, le second fluide peut être le fluide réfrigérant d'un système de climatisation, le circuit de fluide réfrigérant dudit système pouvant avantageusement passer dans l'élément de dissipation 10 de la chaleur. La présente invention a également pour objet une batterie comportant au moins un caloduc selon l'invention, les moyens de dissipation vers le premier fluide pouvant inclure des ailettes constituées au moins 15 partiellement d'un matériau conducteur de la chaleur, le second fluide pouvant être le fluide réfrigérant d'un système de climatisation, le circuit de fluide réfrigérant dudit système pouvant passer dans l'élément de dissipation de la chaleur. 20 La présente invention a également pour objet un véhicule électrique ou hybride comportant une batterie de traction selon l'invention, le système de climatisation pouvant en outre refroidir l'air dans l'habitacle dudit véhicule. Dans un mode de réalisation particulier, le véhicule peut comporter un conduit pour conduire l'air extérieur au contact des ailettes, ce conduit 25 pouvant être apte à être fermé par une vanne, ainsi qu'un un volet pour amener l'air de l'habitacle au contact des ailettes, ce volet pouvant être apte à être fermé. La présente invention a encore pour principal avantage que, ne 30 nécessitant pas de boucle d'air supplémentaire, elle est facile à intégrer dans le véhicule, implique une consommation d'énergie limitée et préserve les coûts.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard des figures 1 à 5 annexées qui illustrent des exemples de réalisation de l'invention.

Les figures 1, 2, 3 et 4 illustrent un exemple de mise en oeuvre de l'invention dans un VE ou VEH. Un pack batterie 1 d'un VE ou VEH comporte une pluralité de modules comportant eux-mêmes une pluralité de cellules Li-ion, ces modules et cellules n'étant pas représentés sur la figure pour des raisons de simplification. Les modules sont disposés sur une plaque 5 horizontale de conduction de la chaleur, représentée sur la figure 2 uniquement pour des raisons de simplification, cette plaque 5 incorporant les sections évaporatrices 21 de caloducs courbés 2. Ainsi, la chaleur dégagée par les cellules est transportée par le corps de la plaque 5 conductrice, qui est constituée d'un matériau apte à bien conduire la chaleur comme de l'aluminium par exemple, vers les sections évaporatrices 21 où ladite chaleur provoque l'évaporation du fluide caloporteur à l'intérieur des caloducs 2. La vapeur circule dans les caloducs 2 pour quitter la plaque 5 conductrice en direction de sections condensatrices 22 des caloducs 2 disposées à l'extérieur du pack 1 verticalement en regard d'une paroi du pack. Autour ou au moins au contact de ces sections condensatrices 22 est disposé un élément 3 de dissipation de la chaleur vers l'air ambiant. Cet élément 3 peut être un bloc ou une plaque constitué d'un matériau apte à bien conduire la chaleur, comme de l'aluminium par exemple. Eventuellement, l'élément 3 de dissipation de la chaleur peut être pourvu d'ailettes 7 comme illustré par l'exemple de la figure 4. Il comporte en outre un circuit 6 pour le passage d'un fluide réfrigérant d'un système de climatisation 4, qui peut être le système de climatisation de l'air de l'habitacle d'un véhicule. Ainsi, lorsque l'air ambiant est à basse température bien en deçà de 45°C, le système de climatisation n'est pas en fonctionnement et c'est donc l'air frais ambiant qui absorbe la chaleur à travers le corps de l'élément 3 et permet ainsi la condensation de la vapeur dans la section 22. On peut considérer qu'il s'agit là du mode de refroidissement hivernal de l'invention. Et lorsque l'air ambiant est à une température plus élevée se rapprochant de 45°C, le système de climatisation est en fonctionnement et c'est son fluide réfrigérant qui absorbe la chaleur à travers le corps de l'élément 3 et permet ainsi la condensation de la vapeur dans la section 22. On peut considérer qu'il s'agit là du mode de refroidissement estival de l'invention.

La figure 5 illustre un mode de réalisation particulier de l'invention offrant non pas deux mais trois modes de refroidissement incluant un mode mixte. Dans ce mode de réalisation, l'air extérieur est capté par l'intermédiaire d'un conduit 8 muni d'une vanne 9 qui, en position fermée, empêche la circulation de l'air extérieur dans le conduit 8. Le conduit 8 peut également capter directement de l'air dans l'habitacle par l'intermédiaire d'un volet 10 qui, en position fermée, empêche l'entrée de l'air de l'habitacle dans le conduit 8. Ainsi, en mode de refroidissement hivernal tel que défini précédemment, la vanne 9 est ouverte mais on peut également envisager, en ouvrant simultanément le volet 10, de faire aussi entrer dans le conduit 8 de l'air de l'habitacle, notamment dans le cas où le système de climatisation 4 refroidirait l'air de l'habitacle. De même, en mode de refroidissement estival tel que défini précédemment, le fluide réfrigéré circule dans le conduit 6, mais on peut également envisager, en ouvrant la vanne 9, d'améliorer le refroidissement avec le l'air extérieur si celui-ci est à une température inférieure à un certain seuil. L'invention décrite précédemment a encore pour principal avantage que, en s'étendant plutôt dans l'une des deux directions horizontales et pas dans la direction verticale, elle facilite l'intégration du pack batterie à plat sous ou derrière la banquette arrière, cet emplacement étant l'emplacement préféré pour diverses raisons d'architectures.

Claims

REVENDICATIONS1. Caloduc (2) comportant une section évaporatrice (21) et une section condensatrice (22), le caloduc étant caractérisé en ce qu'un élément (3) pour dissiper la chaleur est agencé au contact de sa partie condensatrice (22), cet élément pour dissiper la chaleur comportant des moyens (7) de dissipation vers un premier fluide dans lequel baigne ledit élément (3) et des moyens de dissipation de la chaleur vers un second fluide circulant dans un circuit fermé (6).
2. Caloduc (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier fluide est l'air ambiant.
3. Caloduc (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second fluide est un fluide apte à être réfrigéré.
4. Caloduc (2) selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de dissipation vers le premier fluide incluent des ailettes (7) constituées au moins partiellement d'un matériau conducteur de la chaleur.
5. Caloduc (2) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second fluide est le fluide réfrigérant d'un système de climatisation (4), le circuit de fluide réfrigérant dudit système passant dans l'élément (3) de dissipation de la chaleur.
6. Batterie (1) refroidie par au moins un caloduc selon les revendications 4 et 5.
7. Véhicule électrique ou hybride comportant une batterie (1) de traction selon 30 la revendication 6, le système de climatisation (4) refroidissant en outre l'air dans l'habitacle dudit véhicule. 25
8. Véhicule selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un conduit (8) pour conduire l'air extérieur au contact des ailettes (7), ce conduit étant apte à être fermé par une vanne (9), et un volet (10) pour amener l'air de l'habitacle au contact des ailettes, ce volet étant apte à être fermé.