FR2998657A1

FR2998657A1 - Caloduc reversible plat

Info

Publication number: FR2998657A1
Application number: FR1261327A
Authority: FR
Inventors: Robert Yu; Nicolas Chauris; Yves Bertin; Vincent Ayel; Damien Eysseric
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2014-05-30
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: FR2998657B1

Abstract

La présente invention concerne un caloduc réversible plat, comportant au moins un canal permettant la circulation d'un fluide caloporteur dans une direction horizontale. Le canal est formé par une paroi renfermant une partie centrale permettant la circulation du fluide dans un sens à l'état gazeux, la surface interne de la paroi permettant l'écoulement du fluide dans l'autre sens à l'état liquide. La surface interne de la paroi comporte quatre rainures ayant chacune sensiblement une section en forme de goutte en larme dont la traînée communique avec la partie centrale, les axes de symétrie des quatre rainures en forme de goutte en larme étant horizontaux. Application : refroidissement ou réchaufage de batteries de traction

Description

Caloduc réversible plat La présente invention concerne un caloduc réversible plat. Elle s'applique notamment, mais pas exclusivement, dans le domaine du refroidissement et du réchauffage des batteries de traction des véhicules électriques ou hybrides, désignés respectivement par les acronymes « VE » ou « VEH » dans la suite de la présente demande. 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. Il s'agit là d'un problème que la présente invention se propose de résoudre.

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 parallèle, ou en série, ou une combinaison en série/parallèle, 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 paralèlle, ou en série, ou une combinaison en série/paralèlle, permettant d'atteindre entre une borne positive et une borne négative une haute tension de traction suffisante pour un véhicule électrique. Dans le cas d'un refroidissement par air, l'ensemble des passages et veines d'air augmente significativement le volume d'encombrement 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. Il s'agit là encore d'un problème que la présente invention se propose de résoudre. 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. Il s'agit là encore d'un problème que la présente invention se propose de résoudre. Dans le but de remédier aux inconvénients du refroidissement par air cités précédemment, la demande de brevet allemand DE19724020 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 premier inconvénient de cette solution est qu'elle n'est pas réversible : elle ne permet pas le réchauffement de la batterie, ce qui peut être très utile en hiver au démarrage et en début de phase de roulage, notamment dans certaines régions aux climats extrêmes. Un autre inconvénient de cette solution est que, comme les solutions de refroidissement par air, elle augmente significativement le volume d'encombrement du pack batterie : elle augmente dans des proportions non négligeables les dimensions du pack dans deux directions. Dans le but de diminuer un peu l'encombrement, comme illustré par la figure 3 de cette demande allemande, il est proposé d'utiliser des caloducs plats tels que le rapport b/a, où 'a' désigne la longueur du grand axe horizontal et où cb' désigne la longueur du petit axe vertical, soit compris entre 0,5 et 0,3. Il est bien précisé dans la demande qu'il est difficile de descendre en-deça de 0,3 car la résistance du fluide devient trop importante, cette résistance s'opposant à la circulation du fluide dans le caloduc et nuisant à l'efficacité même du caloduc. Il s'agit là encore d'un problème que la présente invention se propose de résoudre. L'invention a notamment pour but de résoudre les inconvénients 5 précités, notamment d'améliorer la compacité sans nuire aux performances. A cet effet, l'invention a pour objet un caloduc comportant au moins un canal permettant la circulation d'un fluide caloporteur dans une direction horizontale. Le canal est formé par une paroi renfermant une partie centrale permettant la circulation du fluide dans un sens à l'état gazeux. La surface 10 interne de la paroi permet l'écoulement du fluide dans l'autre sens à l'état liquide. La surface interne de la paroi comporte quatre rainures ayant chacune sensiblement une section en forme de goutte en larme dont la traînée communique avec la partie centrale, les axes de symétrie des quatre rainures en forme de goutte en larme étant horizontaux. 15 Dans un mode de réalisation préférentiel, les axes de symétrie des quatre rainures en forme de goutte en larme peuvent également être alignés deux à deux. Dans ce mode de réalisation préférentiel, la paroi peut comporter quatre faces dont une face supérieure et une face inférieure incurvées vers 20 l'extérieur du canal, de manière à faciliter le passage du fluide à l'état gazeux dans la partie centrale. Dans un autre mode de réalisation, la paroi peut comporter quatre faces dont une face droite et une face gauche parallèles et inclinées, de manière à améliorer la compacité du caloduc. 25 La présente invention a également pour objet une plaque de refroidissement ou de réchauffage d'une batterie de traction d'un véhicule électrique ou hybride comportant au moins un caloduc selon la présente invention. 30 Dans un mode de réalisation préférentiel, la plaque peut comporter au moins un élément disposé au contact thermique du caloduc, un autre fluide caloporteur circulant dans ledit élément, la température dudit autre fluide relativement à la température de la batterie déterminant le fonctionnement de la plaque dans un mode de réchauffage ou dans un mode 35 de refroidissement. 2 99865 7 La présente invention a également pour objet un véhicule électrique ou hybride comportant une plaque de refroidissement ou de réchauffage selon la présente invention. 5 La présente invention a encore pour principal avantage d'être réversible.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : - la figure 1, par une vue schématique en perspective, un exemple de réalisation d'une plaque de refroidissement ou de réchauffage selon l'invention; - les figures 2a et 2b, par des vues en coupe, des exemples de réalisation de caloducs selon l'invention. La figure 1 illustre par une vue générale schématique en perspective un exemple de réalisation d'une plaque 1 selon la présente invention, permettant par exemple de refroidir ou de réchauffer une batterie de traction d'un VE ou d'un VEH. Pour des raisons de clarté, la batterie n'est pas représentée sur la figure. Elle comporte quatre éléments métalliques 13a, 13b, 13c et 13d sensiblement plats et disposés côte à côte dans un plan sensiblement horizontal (X,Z). Dans le présent exemple de réalisation, chacun des éléments 13a, 13b, 13c et 13d incorpore en son sein six cavités formant des canaux fermés à leurs deux extrémités. Par exemple, l'élément 13a incorpore six canaux 13a1, 13a2, 13a3, 13a4, 13a5 et 13a6. Pour des raisons liées à une résolution graphique insuffisante qui ne permet pas de représenter fidèlement tous les détails sur la figure 1, celle-ci n'étant qu'une vue générale schématique, les canaux semblent présenter une section rectangulaire sur la figure 1. En réalité, comme illustré en détail par les figures 2a et 2b qui suivent, les canaux présentent une forme bien plus élaborée. Tout d'abord, chacun de ces canaux constitue un caloduc élémentaire permettant la circulation d'un fluide caloporteur selon une direction horizontale X, c'est pourquoi ils seront désignés comme tels dans la suite de la présente demande. Ensuite, les éléments 13a, 13b, 13c et 13d, grâce notamment aux caloducs élémentaires qu'ils incorporent, constituent eux-mêmes des caloducs complexes selon la présente invention, c'est pourquoi ils seront désignés comme tels dans la suite de la présente demande. La plaque 1 comporte également deux barres métalliques creuses 11 et 12 de section rectangulaire disposées en regard l'une de l'autre de part et d'autre de l'ensemble formé par les quatre caloducs 13a, 13b, 13c et 13d. Les barres 11 et 12 sont chacune au contact thermique de chacun des caloducs 13a, 13b, 13c et 13d. Les barres 11 et 12 sont creuses de manière à former chacune un canal de circulation pour un fluide caloporteur selon une direction horizontale Z. Lorsqu'il s'agit de refroidir la batterie, le fluide caloporteur circulant dans les barres 11 et 12 est froid et les parties des caloducs situées du côté desdites plaques 11 et 12 jouent le rôle de condenseur. A contrario, lorsqu'il s'agit de réchauffer la batterie, le fluide caloporteur circulant dans les barres 11 et 12 est chaud et les parties des caloducs situées du côté desdites plaques 11 et 12 jouent le rôle d'évaporateur. Enfin, la batterie est disposée au contact thermique des caloducs 13a, 13b, 13c et 13d, elle peut l'être au-dessus ou en dessous de manière indifférente. Les figures 2a et 2b illustrent par des vues en coupe des exemples de réalisation de l'un quelconque des caloducs complexes illustrés 25 par la figure 1, par exemple le caloduc complexe 13a. Dans le premier exemple de réalisation du caloduc complexe 13a selon l'invention illustré par la figure 2a, des caloducs élémentaires symétriques 13ais, 13a2s, 13a3s, 13a4s, 13a5s et 13a6s selon l'invention sont représentés. Globalement, chaque caloduc élémentaire symétrique a une 30 section qui s'inscrit dans un rectangle. Plus précisément, chaque caloduc élémentaire symétrique peut être vu comme présentant en section la forme générale d'un chapeau de toréador ou « montera », ou encore la forme générale d'un « H » couché dont la barre centrale serait nettement plus épaisse que les deux barres supérieure et inférieure, étant entendu que la 35 barre centrale du « H » couché est verticale alors que ses barres supérieure et inférieure sont horizontales. D'une part, si l'on considère le caloduc élémentaire 13ais par exemple, la barre centrale verticale épaisse forme un large creux C pour le passage du fluide caloporteur à l'état de vapeur de la partie évaporatrice vers la partie condensatrice dans un sens, les barres supérieure et inférieure du « H » couché étant incurvées vers l'extérieur dans leur parties centrales, afin d'augmenter encore la section de passage du fluide à l'état de vapeur. D'autre part, les extrémités plus fines des deux barres supérieure et inférieure du « H » couché se terminent en forme de gouttes en larme G1, G2, G3 et G4, c'est-à-dire des gouttes comportant une traînée, ces gouttes formant des rainures facilitant l'écoulement du fluide caloporteur à l'état liquide de la partie condensatrice vers la partie évaporatrice dans l'autre sens. Les axes de symétrie de deux gouttes en larme situées aux extrémités d'une même barre supérieure ou inférieure du « H » couché sont alignés, de manière à offrir le meilleur compromis entre épaisseur et résistance à l'écoulement du fluide, la pluralité de rainures permettant par ailleurs de cumuler les sections de passage pour le fluide caloporteur à l'état liquide.

Dans le deuxième exemple de réalisation du caloduc complexe 13a illustré par la figure 2b, des caloducs élémentaires asymétriques 13a1A, 13a2A, 13a3A, 13a4A, 13a5A et 13a6A selon l'invention sont représentés. Chaque caloduc élémentaire asymétrique peut là aussi être vu comme présentant la forme générale d'un « H » couché dont la barre centrale serait nettement plus épaisse que les barres supérieure et inférieure, mais également dont la barre centrale serait légèrement inclinée, décalant d'autant les barres supérieure et inférieure l'une par rapport à l'autre et générant ainsi une asymétrie. Outre cette différence tenant à l'inclinaison de la barre centrale formant un large creux pour le passage du fluide caloporteur à l'état de vapeur, ces caloducs élémentaires asymétriques présentent les même caractéristiques et les mêmes avantages que les caloducs élémentaires symétriques illustrés par la figure 2a, à ceci près qu'ils améliorent encore la compacité sans réduire les performances.

L'invention décrité précédemment permet d'atteindre un objectif global d'optimisation : la structure capillaire des caloducs selon l'invention assure des performances optimales en fonctionnement capillaire sur une plage de fonctionnement étendue, qu'il s'agisse de refroidir ou de réchauffer la batterie, ceci pour une masse et surtout pour un encombrement minimal. Outre la compacité et notamment la forme générale plate d'un dispositif selon la présente invention, celle-ci a encore pour principal avantage d'être réversible.10

Claims

REVENDICATIONS1. Caloduc (13a) comportant au moins un canal (13a1) permettant la circulation d'un fluide caloporteur dans une direction horizontale (X), le canal étant formé par une paroi renfermant une partie centrale (C), la partie centrale permettant la circulation du fluide dans un sens à l'état gazeux, la surface interne de la paroi permettant l'écoulement du fluide dans l'autre sens à l'état liquide, le caloduc étant caractérisé en ce que la surface interne de la paroi comporte quatre rainures ayant chacune sensiblement une section en forme de goutte en larme (G1, G2, G3, G4) dont la traînée communique avec la partie centrale, les axes de symétrie des quatre rainures en forme de goutte en larme étant horizontaux.
2. Caloduc selon la revendication 1, caractérisé en ce que les axes de symétrie des quatre rainures en forme de goutte en larme (G1, G2, G3, G4) sont alignés deux à deux.
3. Caloduc selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi comporte quatre faces dont une face supérieure et une face inférieure, la face supérieure et la face inférieure étant incurvées vers l'extérieur du canal de manière à faciliter le passage du fluide à l'état gazeux dans la partie centrale.
4. Caloduc selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi comporte quatre faces dont une face droite et une face gauche, la face droite et la face gauche étant parallèles et inclinées.
5. Plaque de refroidissement ou de réchauffage (1) d'une batterie de traction d'un véhicule électrique ou hybride, caractérisé en ce qu'elle comporte au moins un caloduc (13a) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
6. Plaque (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'elle comporte au moins un élément (11,12) disposé au contact thermique du caloduc (13a), un autre fluide caloporteur circulant dans ledit élément, la température dudit autre fluide relativement à la température de la batterie déterminant 30le fonctionnement de la plaque dans un mode de réchauffage ou dans un mode de refroidissement.
7. Véhicule électrique ou hybride, caractérisé en ce qu'il comporte une plaque selon la revendication 5.