FR3013515A1 - Dispositif de refroidissement pour batterie automobile - Google Patents

Abstract

Dispositif de refroidissement et/ou de réchauffement d'au moins un module de batterie composé d'un assemblage de cellules élémentaires de stockage d'énergie électrique reliées électriquement les unes aux autres, ledit dispositif comportant un volume intérieur dans lequel circule un fluide caloporteur et une surface d'échange (6) destinée à entrer en contact avec une surface correspondante d'au moins une desdites cellules élémentaires et échanger des calories avec elle, caractérisé en ce que ladite surface d'échange est une surface déformable.

Description

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT POUR BATTERIE AUTOMOBILE Le domaine de la présente invention est celui de l'industrie automobile et plus particulièrement celui du refroidissement des batteries pour les véhicules à propulsion ou à assistance électrique. La tendance actuelle chez les constructeurs automobiles est d'intégrer de plus en plus l'énergie électrique dans leurs véhicules, que ce soit pour mouvoir des véhicules à propulsion entièrement électrique, des véhicules hybrides ou bien pour fournir une simple assistance au moyen de propulsion principale dans le but d'améliorer l'autonomie du véhicule. La puissance mise en jeu dans ces véhicules nécessite des quantités importantes d'énergie électrique, qui sont stockées dans des batteries de grande capacité conçues spécialement à cet effet. Elles sont formées de cellules élémentaires qui sont placées les unes à côté des autres et reliées électriquement entre elles pour, d'une part, fournir la tension désirée et, d'autre part, générer la capacité de stockage recherchée. Ces cellules élémentaires ont principalement la forme d'une plaque parallélépipédique qui est équipée de contacts, sur une de ses faces, pour recevoir une alimentation en courant continu ou pour restituer l'énergie stockée. A l'intérieur la plaque est classiquement constituée par une succession de cathodes et d'anodes qui sont placées en alternance et qui sont séparées les unes des autres par des feuilles isolantes. Les cellules élémentaires sont ainsi placées côte à côte, dans une structure formant support, de façon à former un module de batterie autonome qui délivre la tension recherchée et qui a pour capacité la somme des capacités de ses diverses cellules élémentaires. Un des problèmes majeurs avec les batteries électriques à forte capacité est la gestion de leur température, car leur comportement électrique varie très fortement avec elle. Si la température du module est trop basse sa capacité diminue, et si elle est trop haute la durée de vie de la batterie est réduite, avec en plus le risque de courts-circuits et de dégradations irréversibles dans les cellules élémentaires. Il convient donc de maintenir la température de la batterie dans une plage optimale de températures, qui se situe approximativement entre 20 et 40°C. Pour cela les batteries sont associées à un circuit de chauffage ou de refroidissement, qui est couplé au système de conditionnement du véhicule, pour fournir les calories ou frigories nécessaires. Dans chaque module est ainsi installé un élément, dénommé plaque de refroidissement, qui est raccordé au circuit de refroidissement général de la batterie. Il est mis au contact des cellules élémentaires de ce module et il les refroidit, ou les réchauffe, grâce à du liquide qu'il reçoit du système de conditionnement et qu'il fait circuler dans un circuit interne.

Dans l'art antérieur la plaque de refroidissement est généralement réalisée en un matériau métallique, typiquement de l'aluminium, pour bénéficier d'une bonne conductivité thermique ; elle est posée sur la portion de bord périphérique des cellules élémentaires. Cette plaque comprend une face plane qui est recouverte d'un tapis isolant électriquement mais thermiquement conducteur, et elle est configurée de façon à générer des canalisations de circulation du fluide de refroidissement. Le contact entre la plaque de refroidissement et la portion de bord périphérique des cellules élémentaires est en général forcé par l'installation de ressorts, afin d'améliorer le coefficient d'échange entre les cellules élémentaires et cette plaque de refroidissement.

Il est toutefois nécessaire d'améliorer les dispositifs existants pour encore améliorer le contact entre la plaque de refroidissement et les cellules élémentaires d'un module de batterie, pour apporter de la flexibilité dans la conception de ces plaques, et/ou enfin pour en réduire le poids et le coût.

A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de refroidissement et/ou de réchauffement d'au moins un module de batterie composé d'un assemblage de cellules élémentaires de stockage d'énergie électrique reliées électriquement les unes aux autres, ledit dispositif comportant un volume intérieur dans lequel circule un fluide caloporteur et une surface d'échange destinée à entrer en contact avec une surface correspondante d'au moins une desdites cellules élémentaires, caractérisé en ce que ladite surface d'échange est une surface deformable.

Le caractère deformable permet de mieux mettre en contact la surface du dispositif qui entre en contact avec les cellules élémentaires de stockage d'énergie et donc améliore le coefficient d'échange. Dans un mode particulier de réalisation ladite surface d'échange est formée par une face d'une poche souple, notamment réalisée en matériau polymère. De façon préférentielle la poche souple est réalisée par soudage sur leur pourtour de deux feuilles, notamment en matériau polymère. Avantageusement des canalisations de circulation d'un fluide de refroidissement sont réalisées par soudage des deux feuilles le long de lignes définissant entre elles un circuit de refroidissement. Préférentiellement les canalisations du circuit de refroidissement sont alignées et positionnées parallèlement les unes aux autres. Dans un mode particulier de réalisation le circuit de refroidissement parcourt linéairement la surface de la poche et débouche à ses extrémités sur un conduit d'entrée et sur un conduit de sortie. Avantageusement ledit circuit de refroidissement est configuré pour autoriser une circulation en parallèle dudit fluide de refroidissement entre le conduit d'entrée et le conduit de sortie De façon préférentielle le dispositif comprend une structure rigide et la poche souple est fixée sur ladite structure rigide, notamment prévue en matériau polymère. Cette structure rigide permet l'application d'une pression, par exemple par un ressort, sur le dispositif de refroidissement ou de réchauffement pour le plaquer contre les cellules élémentaires à refroidir. Dans un mode particulier de réalisation la structure rigide comprend une première plaque présentant des découpes au niveau des canalisations de ladite poche souple, voire une seconde plaque rigide recouvrant la totalité de la surface de ladite poche souple du côté opposé à ladite première plaque. De façon encore préférentielle la structure rigide comprend une première plaque présentant des découpes au niveau des canalisations de ladite poche souple et une plaque rigide réalisée par l'une des feuilles de la poche souple.

Préférentiellement ladite structure rigide, en particulier la première plaque, comprend des raidisseurs s'étendant entre les canalisations. Avantageusement l'écartement des raidisseurs est tel qu'il limite l'aplatissement des canalisations lorsqu'elles sont soumises à une pression d'écrasement contre ladite seconde plaque. Cette disposition permet de conserver un volume suffisant de fluide dans les canalisations pour assurer les échanges thermiques, même si ces canalisations sont écrasées par le poids ou la pression appliquée par le module de batterie à refroidir. Dans un mode particulier de réalisation le dispositif a une forme de plaque plane.

Dans un autre mode particulier le dispositif a la forme d'un bandeau conformé pour entourer au moins partiellement des faces latérales du module de batterie. En particulier ledit bandeau est conformé pour entourer les quatre faces du module de batterie, prévu de forme parallélépipédique. Cette configuration augmente la surface de contact et améliore le contact correspondant par un effet de serrage du bandeau contre le module de batterie. L'invention porte également sur un module de batterie pour automobile comprenant un dispositif de refroidissement tel que décrit ci-dessus. Elle porte enfin sur un véhicule automobile comprenant une batterie réalisée à l'aide d'au moins un tel module.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés. Sur ces dessins : - la figure 1 est une vue en perspective d'une cellule d'un module de batterie ; - la figure 2 est une vue schématique d'un module de batterie pour un véhicule automobile, et des cellules élémentaires qui le composent ; - la figure 3 est une vue en perspective d'une poche souple pour le refroidissement du module de la figure 2, selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue en perspective d'une structure de support de la poche de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue d'une plaque de refroidissement constituée par une poche selon la figure 3 et d'un support selon la figure 4 ; - la figure 6 est une vue en perspective d'un module de batterie, équipé d'une variante de la plaque de refroidissement selon la figure 5 ; - la figure 7 est une vue en perspective d'un second type de poche souple de refroidissement pour un module de batterie ; - la figure 8 est une vue schématique de côté d'une plaque de refroidissement dans un état sous pression selon l'invention, et - la figure 9 est une vue schématique de côté de la même plaque de refroidissement, appliquée contre un module de batterie. En se référant à la figure 1, on voit une cellule 1 pour batterie de véhicule automobile. Elle a une forme parallélépipédique avec une feuille isolante 2 qui enveloppe des anodes et des cathodes de façon à former un dispositif élémentaire de stockage d'énergie. Cette cellule comporte classiquement à sa partie supérieure deux plots 3 formants contacts électriques pour la liaison avec le circuit d'alimentation en courant continu lors de la charge ou pour la fourniture d'énergie lors de sa décharge. Ces contacts sont reliés aux contacts des cellules élémentaires avoisinantes pour atteindre une tension nominale qui dépend de la caractéristique de chaque cellule et du nombre de cellules élémentaires reliées électriquement entre elles. La figure 2 montre une association de cellules 1 élémentaires positionnées côte à côte avant leur implantation dans la structure 5 d'un module de batterie 4 et la mise en relation, en série ou en parallèle, de leurs plots 3. Elle montre également un module 4 équipé des cellules élémentaires précédentes. La figure 3 montre une poche souple 6, objet de l'invention, réalisée en un matériau polymère deformable tel que du polypropylène ou un produit similaire. Le choix de ce matériau permet, par sa déformation, un contact maximal avec la portion de bord périphérique des cellules 1 élémentaires du module 4 et/ou avec leurs plots 3. Cette poche, par exemple, est formée par deux feuilles de polypropylène soudées entre elles sur leur pourtour de façon à former une poche étanche, dans laquelle pourra circuler le liquide de refroidissement. Elle est en outre soudée le long de bandes 7 qui s'étendent selon la longueur de la poche 6 et qui délimitent entre elles des canaux de circulation 8 pour le liquide de refroidissement. Ces canalisations sont mis en contact les uns avec les autres à leur extrémité longitudinale et sont reliés à des tubulures d'entrée 11 et de sortie 12 qui sont soudées et/ou collées sur la poche en question pour former avec les canalisations 8, un ou plusieurs circuits de circulation du fluide. Lesdites canalisations 8 pourront s'étendre sur toute la longueur de la poche. La poche souple 6 est, ici, percée sur toute la longueur de ses deux côtés les plus longs par une succession de trous pour laisser le passage à des vis de fixation de la plaque de refroidissement comprenant ladite poche, sur la structure 5 d'un module de batterie 4. Ces trous sont bien évidemment pratiqués dans une zone où les deux feuilles constitutives de la poche sont soudées l'une contre l'autre pour conserver l'étanchéité de la poche. L'une, première, des deux feuilles de la poche souple pourra être gaufrée tandis que l'autre est plane. Les parties gaufrées de ladite première feuille définissent alors lesdites canalisations 8. Selon une variante de réalisation, les canalisations 8 ont approximativement pour largeur celle d'une cellule 1 ; elles sont en outre espacées l'une de l'autre de la distance prévue entre deux cellules élémentaires adjacentes d'un module 4, ce qui permet d'associer la portion de bord périphérique d'une cellule à une longueur de canalisation 8. On obtient ainsi de manière avantageuse une optimisation de la surface de contact entre une cellule 1 élémentaire et la canalisation 8 qui la refroidit. La figure 4 montre une première pièce structurale de maintien 9 d'une poche souple 6, destinée à être placée du côté de sa partie gaufrée. Comme illustré sur la figure 4, la première pièce structurale 9 a la forme d'une plaque recouvrant la poche souple 6, dont le centre est évidé pour y laisser passer les parties gaufrées de la poche. Elle comporte par ailleurs, sur sa périphérie, des côtés rigides, dans lesquels sont percés des trous pour le passage de vis de fixation de la plaque de refroidissement. La première pièce structurale 9 comporte en outre des raidisseurs 10 qui s'étendent longitudinalement à partir d'une de ses extrémités, et des trous 16 dans ses parties rigides d'extrémité longitudinale pour laisser passer les tubulures d'entrée 11 et de sortie 12 de la poche souple 6.La seconde pièce structurale est similaire à la première, en ce qu'elle recouvre la plaque, mais elle ne comporte pas d'évidement en son centre, gardant la forme d'un plaque plane rectangulaire. Selon une variante de réalisation, une seconde pièce structurale (non visible sur la figure 4) est plane et positionnée du côté opposé à la partie gaufrée de la première pièce structurale 9 pour donner la rigidité nécessaire à la plaque de refroidissement et compenser l'absence de tenue mécanique de la poche souple. Cette seconde pièce permet en particulier de plaquer la poche souple 6 contre les portions de bords périphériques des cellules élémentaires pour améliorer le coefficient d'échange entre la plaque de refroidissement et les cellules élémentaires du module de batterie 4. Alors que la première pièce structurale est réalisée dans un matériau à grande conductivité thermique, la seconde est réalisée en une matière plastique rigide à faible conductivité thermique mais à forte résistance électrique. De manière alternative, chaque pièce structurale peut être reliée mécaniquement à la poche souple 6, de préférence par l'intermédiaire d'une opération de soudage de leurs parties qui sont en appui surfacique. Selon un autre mode de réalisation, non représenté, la poche souple 6 comprend une partie gaufrée superposée et assemblée à une partie plane de rigidité élevée.

La partie gaufrée et deformable de la poche souple 6 est destinée à venir en contact contre les cellules 1 élémentaires. La partie gaufrée a une rigidité différente de celle de la partie plane de la poche souple 6. La partie plane de la poche souple 6 garantit ainsi la rigidité nécessaire à la plaque de refroidissement et compense l'absence de tenue mécanique de la partie gaufrée de la poche souple 6. A cet effet, les matériaux utilisés dans la fabrication de la poche souple 6 peuvent être différents, notamment quant à leurs propriétés mécaniques, entre la partie gaufrée et la partie plane. L'épaisseur de la partie gaufrée peut être différente de celle de la partie plane de sorte que la partie gaufrée est deformable, tandis que la partie plane est rigide.

La figure 5 montre une plaque de refroidissement 13 réalisée à partir de la poche souple 6 et des deux pièces structurales qui lui sont associées. La poche souple est positionnée en sandwich entre la première pièce structurale 9 qui laisse de l'espace pour le passage des canalisations 8 et la seconde pièce structurale 15 qui lui sert de plate-forme de support. Les raidisseurs 10 sont positionnés sur la première pièce structurale 9 de façon qu'ils se retrouvent après montage au-dessus des bandes de soudage 7, entre deux canalisations 8 adjacentes. De la sorte des portions de bords périphériques de cellules 1 élémentaires peuvent venir s'appuyer contre les canalisations 8 sans que ces dernières puissent s'écraser sous la force du ressort de placage des cellules élémentaires, et ne viennent interférer avec une canalisation adjacente. Les raidisseurs 10 servent ainsi de butées à l'expansion latérale des canalisations 8 quand celles-ci sont mises en pression contre la de bord périphérique d'une cellule 1 élémentaire.

La plaque de refroidissement 13 est percée sur toute la longueur de ses côtés par des trous 14 au travers desquels passent les vis de fixation de la plaque de refroidissement sur la structure 5 d'un module de batterie 4. Ces trous résultent de l'alignement des trous indiqués précédemment, qui sont pratiqués sur les côtés de la poche souple 6 et sur les deux parties structurales 9, 15. Ils servent à la fixation de la plaque de refroidissement 13 sur le module 4 et à assurer en toutes circonstances un bon contact entre la poche souple 6 et les cellules 1 élémentaires du module considéré. Les figures 6 et 7 montrent deux types de plaques de refroidissement 13, pour des utilisations sur un module de batterie 4 de forme parallélépipédique. Dans le premier type, illustré par la figure 6, la plaque de refroidissement 13 est plane et analogue à la plaque de refroidissement qui a été décrite en relation avec les figures précédentes. Elle est conformée pour se positionner contre une portion du bord périphérique de chacune des cellules 1 élémentaires implantées dans un module 4. Sa forme plane permet en outre de la positionner entre deux modules 4 de batterie consécutifs. Dans le second type, qui est illustré sur la figure 7, la poche souple 6 prend la forme extérieure d'un bandeau entourant quatre faces d'un module de batterie 4 de forme parallélépipédique. Ce second type illustre ainsi la flexibilité qu'apporte la présence d'une poche souple 6 pour réaliser une plaque de refroidissement, ce qui était particulièrement difficile à réaliser avec une plaque rigide en aluminium de l'art antérieur. La souplesse de la poche permet en effet un serrage en tension du bandeau contre le module, ce que ne permettait pas une plaque de refroidissement en matériau métallique de l'art antérieur. La dispositif de refroidissement 13 de la figure 7 présente, par ailleurs, dans cette configuration, une bien meilleure capacité de refroidissement du fait de la grande surface de contact qu'il offre avec le module 4 qui est inséré en son centre.

La figure 8 montre de façon schématique, en vue de côté, une plaque de refroidissement 13 avec sa poche souple 6 dont les canalisations 8 dépassent de la première pièce structurale 9, et un conduit de sortie 12 qui a vocation à être raccordé au circuit général de refroidissement du véhicule.

La figure 9 représente, quant à elle, la même plaque de refroidissement en utilisation contre un module de batterie 4. Dans la configuration représentée le module de batterie repose par son poids sur la plaque de refroidissement 13, alors que dans d'autres configurations la plaque est posée sur le module et pressée au contact des cellules 1 élémentaires par un ressort. Du fait du poids du module 4 ou de la pression du ressort, les cellules 1 élémentaires du module écrasent les canalisations 8 qui, du fait de leur souplesse, se déforment et épousent la forme de la portion de bord périphérique des cellules élémentaires. Elles se logent ainsi dans l'épaisseur de la première pièce structurale 9 en s'évasant latéralement. La déformation est toutefois limitée par les raidisseurs 10 qui empêchent la canalisation de s'aplatir complètement et qui maintiennent ainsi du liquide dans la partie de canalisation 8 qui est au contact de la cellule 1. On obtient donc un contact de très bonne qualité entre les cellules 1 élémentaires à refroidir et la plaque de refroidissement 13 et donc un très bon coefficient d'échange pour l'évacuation, ou la fourniture, des calories des cellules élémentaires de la batterie. L'apport de l'invention se caractérise donc, entre autres, par le fait que la plaque de refroidissement 13 comporte une partie deformable, en l'occurrence la poche souple 6, qui est positionnée au contact des cellules 1 élémentaires d'un module 4 de batterie pour une automobile. La souplesse de cet élément deformable est telle qu'il peut prendre la forme de la partie de la cellule 1 avec laquelle il est en contact et donc augmenter sa surface de contact avec elle. L'invention améliore ainsi le coefficient d'échange de la plaque de refroidissement 13 avec le module de batterie 4. L'avantage d'une telle poche souple 6 provient en partie de la variation de son volume entre un état à pression ambiante, dit également « à vide » compte tenu de l'absence de fluide caloporteur, et un état sous pression. En l'état à pression ambiante de la poche souple 6, la plaque de refroidissement 13 peut aisément être disposée entre des modules 4 de batterie. En l'état sous pression, résultant de la liaison de la plaque de refroidissement à un circuit de refroidissement, le fluide sous pression qui circule dans les canalisations de la poche souple 6 tend à augmenter le volume de la plaque de refroidissement, provoquant ainsi un contact thermique optimisé entre la canalisation de la plaque de refroidissement et les cellules élémentaires d'un module 4 de batterie. Les plaques de refroidissement sont alors mises sous contraintes entre les modules 4. Les avantages apportés par ce nouveau type de plaque de refroidissement portent sur : une plus grande flexibilité pour la définition du circuit de refroidissement à l'intérieur de la poche, qui ne nécessite pour sa réalisation que des soudages le long de bandes 7, la possibilité de faire varier la section des canalisations 8, et donc de pouvoir adapter en tout endroit le volume de liquide qui se trouve en contact avec la cellule à refroidir, l'amélioration sensible des échanges thermiques par l'effet coussin de la poche souple 6 sur les portions de bord périphérique des cellules 1 élémentaires, une grande flexibilité pour le choix de l'emplacement des conduits d'entrée et de sortie du fluide, une bonne résistance à la perforation de la poche par le choix d'un matériau du type polypropylène par exemple, un faible poids et un faible coût, un faible encombrement de la poche souple 6 dans son étant « à vide », ce qui en facilite le transport avant montage, et enfin la possibilité de recycler aisément les matériaux en fin de vie.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de refroidissement et/ou de réchauffement d'au moins un module de batterie (4) composé d'un assemblage de cellules élémentaires (1) de stockage d'énergie électrique reliées électriquement les unes aux autres, ledit dispositif comportant un volume intérieur dans lequel circule un fluide caloporteur et une surface d'échange (6) destinée à entrer en contact avec une surface correspondante d'au moins une desdites cellules élémentaires et échanger des calories avec elle, caractérisé en ce que ladite surface d'échange est une surface deformable.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel ladite surface d'échange est formée par une face d'une poche souple (6).
3. 3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel la poche souple (6) est réalisée par soudage sur leur pourtour de deux feuilles en matériau polymère.
4. 4. Dispositif selon la revendication 3 dans lequel des canalisations (8) de circulation d'un fluide de refroidissement sont réalisées par soudage des deux feuilles le long de lignes (7) définissant entre elles un circuit de refroidissement.
5. 5. Dispositif selon la revendication 4 dans lequel les canalisations (8) du circuit de refroidissement sont alignées et positionnées parallèlement les unes aux 20 autres.
6. 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5 dans lequel le circuit de refroidissement parcourt linéairement la surface de la poche (6) et débouche à ses extrémités sur un conduit d'entrée (11) et sur un conduit de sortie (12).
7. 7. Dispositif selon la revendication 6 dans lequel ledit circuit de 25 refroidissement est configuré pour autoriser une circulation en parallèle dudit fluide de refroidissement entre le conduit d'entrée et le conduit de sortie.
8. 8. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7 comprenant une structure rigide et dans lequel la poche souple (6) est fixée sur ladite structure rigide (9, 15).
9. 9. Dispositif selon la revendication 8 dans lequel la structure rigide 30 comprend une première plaque (9) présentant des découpes au niveau des canalisations (8) de ladite poche souple et une seconde plaque rigide (15) recouvrant la totalité de la surface de ladite poche souple du côté opposé à ladite première plaque.
10. 10. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7 comprenant une structure rigide comprenant une première plaque (9) présentant des découpes au niveau des canalisations (8) de ladite poche souple et une plaque rigide réalisée par l'une des feuilles de la poche souple (6).
11. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10 dans lequel la structure rigide comprend des raidisseurs (10) s'étendant entre les canalisations (8).
12. 12. Dispositif selon la revendication 11 dans lequel l'écartement des raidisseurs est tel qu'il limite l'aplatissement des canalisations (8) lorsqu'elles sont soumises à une pression d'écrasement contre ladite seconde plaque (15).
13. 13. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 12 ayant une forme de plaque plane.
14. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 ayant la forme d'un bandeau conformé pour entourer au moins partiellement des faces latérales du module (4) de batterie.
15. 15. Module de batterie pour automobile comprenant un dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes.