FR3056829A1 - Dispositif de regulation thermique de batterie - Google Patents

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Issiaka Traore
Jeremy Blandin
Julien Tissot
Patrick Boisselle
Kamel Azzouz
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Abstract

L'invention concerne un dispositif de régulation thermique (1) configuré pour réguler la température d'une batterie (2), le dispositif (1) comprenant au moins un tube (7), le tube (7) comprenant une pluralité de canaux, au moins une partie des canaux du tube (7) comprenant un matériau à changement de phase.

Description

(54) DISPOSITIF DE REGULATION THERMIQUE DE BATTERIE.
©) L'invention concerne un dispositif de régulation thermique (1 ) configuré pour réguler la température d'une batterie (2), le dispositif (1) comprenant au moins un tube (7), le tube (7) comprenant une pluralité de canaux, au moins une partie des canaux du tube (7) comprenant un matériau à changement de phase.
FR 3 056 829 - A1
DISPOSITIF DE REGULATION THERMIQUE DE BATTERIE
L'invention concerne la régulation thermique de batteries, notamment dans le domaine automobile.
Dans un véhicule automobile en particulier électrique et/ou hybride, une batterie électrique permet de stocker et de fournir une énergie pour faire fonctionner le véhicule automobile.
io La température de la batterie influence à la fois sa performance de stockage et sa durée de vie. Une température trop basse de la batterie diminue sa capacité de stockage. Une température trop élevée, due par exemple à une surchauffe de la batterie, réduit sa durée de vie, voire est susceptible d’entraîner une destruction irréversible de la batterie.
Il est donc nécessaire de maintenir la batterie à une température adéquate, par exemple autour de 20 degrés Celsius, afin de maintenir une capacité de stockage et une durée de vie maximale.
A cet effet, il est connu d’ajouter un dispositif afin de réguler la température de la batterie. Un tel dispositif de régulation thermique utilise généralement un fluide caloporteur circulant dans un circuit, le circuit passant à proximité ou au contact de la batterie. Le fluide caloporteur généralement utilisé est l’air ambiant ou un liquide, comme par exemple de l’eau ou un liquide réfrigérant.
Le fluide caloporteur peut ainsi absorber la chaleur émise par la batterie afin de la refroidir et évacuer par la suite la chaleur au niveau d’un ou plusieurs échangeurs thermiques, tel qu’un radiateur ou un circuit réfrigérant.
Toutefois, le fluide du dispositif de régulation thermique s’échauffe au fur et à mesure qu’il circule dans le circuit en absorbant la chaleur dégagée par la batterie. II en résulte un différentiel de température entre l’entrée et la sortie du dispositif qui peut être significatif, de l’ordre de plusieurs degrés. Cette différence de température au sein du fluide peut gêner la gestion de la température de la batterie et son maintien à une température de fonctionnement optimal.
En outre, des pics de charge de la batterie lors de son utilisation peuvent entraîner une augmentation brutale de température. Un dispositif de io régulation classique ne permet pas de limiter l’apparition de tels pics de température et de refroidir suffisamment rapidement la batterie.
Le but de l’invention est de remédier au moins partiellement à ces inconvénients.
L’invention vise plus précisément un dispositif de régulation thermique permettant de maintenir la batterie dans une plage de température satisfaisante ainsi que d’améliorer l’homogénéité de la température de la batterie.
A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de régulation thermique configuré pour réguler la température d’une batterie, le dispositif comprenant au moins un tube, le tube comprenant une pluralité de canaux, au moins une partie des canaux du tube comprenant un matériau à changement de phase.
Le matériau à changement de phase permet d’augmenter l’inertie et d’améliorer l’homogénéité thermique du dispositif.
Le matériau à changement de phase permet une absorption ou une restitution de chaleur, permettant de limiter les effets des pics de température.
En outre, en étant disposé directement dans certains canaux de tubes du dispositif de régulation thermique, le matériau à changement de phase n’est pas interposé entre le fluide et la batterie, de sorte qu’il ne représente pas une résistance à la régulation thermique de la batterie par le fluide.
Du fait que les canaux d’un même tube comprennent le fluide et le matériau à changement de phase, la paroi du tube constitue une surface d’échange thermique significative entre le fluide et le matériau à io changement de phase, de sorte que le matériau à changement de phase peut rapidement se régénérer et retrouver son état initial en étant refroidi par le fluide après une montée de température de la batterie.
Selon une réalisation, le tube comprend une première partie de canaux 15 permettant la circulation d’un fluide dans le dispositif et une seconde partie de canaux comprenant le matériau à changement de phase.
Selon une autre réalisation, le dispositif comprend un premier collecteur et un second collecteur, le tube s’étendant de façon rectiligne ou avec une forme en U entre le premier collecteur et le second collecteur.
Selon une autre réalisation, le tube est réalisé en un matériau thermiquement conducteur, notamment en aluminium.
Selon une autre réalisation, le dispositif comprend une pluralité de tubes constituant au moins un faisceau de tubes.
Selon une autre réalisation, le dispositif comprend un collecteur intermédiaire d’entrée et un collecteur intermédiaire de sortie, le faisceau de tubes débouchant dans les collecteurs intermédiaire d’entrée et de sortie.
Selon une autre réalisation, le matériau à changement de phase a une température de changement de phase comprise entre 20 et 30 degrés Celsius.
L’invention concerne également un ensemble comprenant un dispositif de régulation thermique selon l’invention et une batterie, le tube étant disposé au contact de la batterie.
Selon une réalisation, la batterie comprend une pluralité de cellules io adjacentes les unes des autres, le tube étant disposé entre deux cellules de la batterie.
Selon une autre réalisation, le dispositif comprend une pluralité de faisceaux de tubes, chaque faisceau de tubes étant disposé autour d’une cellule de la batterie.
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, de plusieurs modes de réalisation de l’invention donnés à titre d’exemples purement illustratifs et non limitatifs, en référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente une vue en perspective d’une batterie et d’un dispositif de régulation thermique selon l’invention ;
- la figure 2 représente une vue en coupe d’un tube du dispositif de régulation de la figure 1 selon le plan de coupe ll-ll ;
- la figure 3 représente une vue éclatée du dispositif de régulation et d’une cellule de la batterie de la figure 1 ;
- la figure 4 est une vue en coupe des collecteurs du dispositif de régulation thermique de la figure 1 selon le plan de coupe IV-IV passant par les premiers et second collecteurs ;
- les figures 5A-5C représentent des vues partielles de côté d’agencement de tubes autour d’une cellule de batterie selon différentes réalisations ;
- les figures 6A-6B représentent des vues de côté respectivement des agencements de tubes des figures 5A-5B. La figure 6C représente une vue de dessus de l’agencement de tubes de la figure 5C ;
- les figures 7A et 7B représentent des vues schématiques de dispositifs de régulation thermique selon d’autres modes de réalisation de l’invention ;
- les figures 8A-8D représentent schématiquement une vue en coupe io d’un tube selon plusieurs géométries différentes ;
- les figures 9A-9E représentent schématiquement une vue en coupe d’un tube dont les canaux sont remplis selon plusieurs réalisations de remplissage différentes ; et
- la figure 10 représente la température d’une cellule de la batterie en fonction du temps lorsque celle-ci dégage un pic de puissance thermique égal à 23 watt selon différentes réalisations du dispositif de régulation thermique.
Dispositif de régulation thermique
Comme illustrée sur la figure 1, l’invention concerne un dispositif de régulation thermique 1. Le dispositif de régulation thermique 1 est en métal, par exemple en aluminium ou en alliage d’aluminium.
Le dispositif de régulation thermique 1 est disposé à proximité ou au contact d’une batterie électrique 2.
La batterie 2 peut être constituée d’une pluralité de cellules 4.
Comme illustré plus particulièrement sur la figure 3, chaque cellule 4 a une forme généralement rectangulaire, et comprend par exemple deux grandes faces 13a, 13b parallèles l’une à l’autre. Chaque cellule 4 comprend une borne négative 4a et une borne positive 4b.
Les cellules 4 sont reliées entre elles de sorte à fournir ensemble un 5 courant électrique.
Selon le mode de réalisation de la figure 1, la batterie 2 comprend plus particulièrement onze cellules 4 adjacentes les unes aux autres.
io Alternativement, la batterie 2 peut être une batterie simple de grande dimension.
Le dispositif de régulation thermique 1 permet une circulation d’un fluide, en particulier d’un fluide caloporteur, au contact ou à proximité de la batterie
2.
A cet effet, le dispositif de régulation thermique 1 comprend un premier collecteur 3a et un second collecteur 3b.
Les collecteurs 3a, 3b sont de section sensiblement rectangulaire, cylindrique ou encore de toute autre forme.
Comme illustrés sur les figures 1,7A et 7B, le premier collecteur 3a et le second collecteur 3b sont parallèles et s’étendent selon une direction de circulation E du fluide dans le collecteur 3a, 3b.
Selon les réalisations illustrées par les figures 1 et 7A, les premiers et second collecteurs 3a, 3b peuvent être disposés du même côté des cellules 4 de la batterie 2.
Selon une autre réalisation illustrée par la figure 7B, les premiers et second collecteurs 3a, 3b peuvent être disposés de part et d’autre des cellules 4 de la batterie 2.
Le dispositif de régulation thermique 1 comprend une entrée 5 et une sortie du fluide 6, représentées selon les réalisations des figures 1,7A et 7B respectivement sur le premier collecteur 3a et le second collecteur 3b.
Le dispositif de régulation thermique 1 comprend en outre au moins un io tube 7. Le tube 7 permet un échange de chaleur entre le fluide circulant dans le dispositif de régulation thermique 1 et la batterie 2. Le tube 7 est avantageusement réalisé en un matériau thermiquement conducteur, par exemple en un métal tel que l’aluminium.
Le tube 7 est avantageusement réalisé en un matériau ayant une conductivité thermique supérieure à 150 W.m“1.K“1.
Selon la réalisation de la figure 1, le dispositif de régulation thermique 1 comprend une pluralité de tubes 7.
En particulier, le dispositif de régulation thermique 1 peut comprendre une pluralité de faisceaux de tubes 8. Sur la figure 1, chaque faisceau de tubes 8 comprend cinq tubes 7.
Les tubes 7 peuvent par exemple être de type plat, à section circulaire ou de toute autre forme, permettant la circulation du fluide.
Les tubes 7 d’un faisceau de tubes 8 sont avantageusement identiques.
Toutefois, l’invention n’est pas limitée à une telle configuration et un faisceau de tubes 8 peut comprendre un nombre différent de tubes 7 et/ou des tubes 7 de formes variables.
Les tubes 7 sont connectés fluidiquement au premier collecteur 3a et au second collecteur 3b.
Comme illustré sur la figure 4, pour assurer la circulation du fluide dans plusieurs tubes 7 d’un faisceau de tubes 8, le dispositif de régulation thermique 1 peut comprendre un ou plusieurs collecteurs intermédiaires d’entrée 9.
Un faisceau de tubes 8 débouche dans chaque collecteur intermédiaire io d’entrée 9.
Toutefois, cette configuration n’est pas limitative, et il pourrait être envisagé de faire déboucher les tubes 7 directement dans le premier collecteur 3a.
Comme illustrée sur la figure 4, chaque collecteur intermédiaire d’entrée comprend une cloison intérieure 9a située au niveau du second collecteur 3b. La cloison 9a obture localement le collecteur intermédiaire d’entrée 9 de sorte à forcer la circulation de la totalité du fluide venant du premier collecteur 3a vers le faisceau de tubes 8.
De la même façon, le dispositif de régulation thermique 1 peut comprendre également un ou plusieurs collecteurs intermédiaires de sortie dans lesquels débouchent les faisceaux de tubes 8.
Toutefois, cette configuration n’est pas limitative, et il pourrait être envisagé de faire déboucher les tubes 7 directement dans le second collecteur 3b.
Comme illustré sur la figure 4, chaque collecteur intermédiaire de sortie comprend également une cloison intérieure 10a située au niveau du premier collecteur 3a. La cloison 10a obture localement le collecteur intermédiaire de sortie 10 de sorte à forcer la circulation de la totalité du fluide venant du faisceau de tubes 8 vers le second collecteur 3b.
Comme illustré sur la figure 4, les collecteurs intermédiaires d’entrée 9 et 5 de sortie 10 peuvent s’étendre entre le premier collecteur 3a et le second collecteur 3b selon une direction, dite direction d’agencement C, orthogonale à la direction de circulation E.
Le dispositif de régulation thermique 1 est ainsi configuré pour établir une io circulation en série du fluide en passant tout d’abord dans le premier collecteur 3a, débouchant dans les collecteurs intermédiaires d’entrée 9, en passant ensuite dans les faisceaux de tubes 8, en passant dans les collecteurs intermédiaires de sortie 10, puis enfin dans le second collecteur
3b.
Les tubes 7 sont avantageusement disposés au contact d’une ou plusieurs cellules 4 de la batterie 2. Les tubes 7 peuvent en particulier s’étendre au moins partiellement au contact d’une grande face 13a, 13b d’une cellule 4 de la batterie 2.
Selon un mode de réalisation illustré sur les figures 5A, 5B, 6A et 6B qui montrent des vues partielles des tubes 7, les tubes 7 peuvent s’étendre au contact d’une cellule 4 selon une direction, dite direction d’élongation D, perpendiculaire à la direction de circulation E.
La direction D est de préférence parallèle à une direction d’une largeur des grandes faces 13a, 13b des cellules 4 de la batterie 2.
On note que la direction C est de préférence parallèle à une direction 30 d’une longueur des grandes faces 13a, 13b des cellules 4 de la batterie 2.
En particulier, les figures 5A et 6A illustrent une réalisation dans laquelle deux tronçons de tubes 7 sont disposés de part et d’autre d’une cellule 4.
Les figures 5B et 6B illustrent une réalisation dans laquelle trois tronçons de tubes 7 sont disposés respectivement de part et d’autre d’une cellule 4.
Selon un autre mode de réalisation illustré sur les figures 5C et 6C, les tubes 7 peuvent s’étendre au contact d’une cellule 4 selon la direction d’agencement C perpendiculaire à la direction d’élongation D et à la io direction de circulation E.
En particulier, les figures 5C et 6C illustrent une réalisation dans laquelle quatre tronçons de tubes 7 sont disposés respectivement de part et d’autre d’une cellule 4.
Bien entendu, ces modes de réalisation ne sont pas limitatifs et d’autres dimensions et/ou orientations des tubes 7 sont possibles.
Les tubes 7 ou faisceaux de tubes 8 sont disposés respectivement autour 20 d’une ou plusieurs cellules 4 de la batterie 2.
Les tubes 7 sont plus particulièrement disposés entre deux cellules 4 de la batterie 2. Sur le mode de réalisation de la figure 1, un faisceau de tubes 8 est disposé autour d’une cellule 4 sur deux de la batterie 2.
Selon une réalisation illustrée sur la figure 7A, chaque tube 7 ou faisceau de tubes 8 a une forme de U et s’étend autour d’une cellule 4 de la batterie 2.
Selon une autre réalisation illustrée sur la figure 7B, chaque tube 7 ou faisceau de tubes 8 a une forme rectiligne et s’étend sur le côté d’une cellule 4 de la batterie 2.
Bien entendu, ces deux réalisations ne sont pas limitatives, et d’autres configurations pourraient être envisagées tout en permettant au fluide compris dans le tube de réguler la température de la batterie 2.
Comme illustré sur la figure 2, chaque tube 7 est avantageusement un tube multicanaux.
Chaque tube 7 comprend au moins un canal 11 configuré pour permettre une circulation du fluide dans le dispositif de régulation thermique 1, et au io moins un canal 12 comprenant un matériau à changement de phase (représenté en pointillé sur les figures).
Plus précisément, chaque tube 7 comprend une première partie de canaux 11 comprenant le fluide. Chaque tube 7 comprend également une seconde partie de canaux 12 comprenant le matériau à changement de phase. Les première et seconde parties de canaux 11,12 peuvent chacune comprendre un ou plusieurs canaux. Les première et seconde parties de canaux 11,12 sont étanches l’une par rapport à l’autre.
Le matériau à changement de phase est avantageusement sous une forme liquide ou visqueuse, dans au moins un de ses états de matière. Le matériau à changement de phase est configuré pour stocker ou céder de l'énergie par changement d'état.
Le matériau à changement de phase peut être choisi parmi les matériaux à changement de phase organique, inorganique ou encore d’origine végétale. Le matériau à changement de phase a une température de changement de phase avantageusement comprise entre 20 et 30 degrés Celsius.
Plus particulièrement, la température de changement de phase du matériau à changement de phase est avantageusement légèrement supérieure à la température optimale d’utilisation de la batterie, c’est à dire la température à laquelle la batterie conserve une durée de vie et un rendement électrique optimaux.
Les canaux remplis de matériau à changement de phase sont étanches par rapport aux canaux et collecteurs où circule le liquide de refroidissement.
Le matériau à changement de phase est conservé dans les canaux soit io par scellement mécanique de chaque tube ou par scellement du tube permettant le remplissage du circuit du matériau à changement de phase.
et ne peut pas circuler dans les tubes 7 du dispositif de régulation thermique 1.
Chaque canal 11,12 peut avoir une section parallépipédique, notamment rectangulaire.
Comme illustré sur les figures 8A à 8D, chaque canal 11, 12 peut également avoir toute autre géométrie de section, par exemple aplatie, en triangle, en étoile, ou autre.
Les canaux 11,12 d’un même tube 7 ont avantageusement une forme identique les uns des autres, sauf les extrémités qui peuvent avoir une forme différente.
Les tubes 7 peuvent comprendre un nombre plus ou moins élevé de canaux 11 comprenant le fluide ou de canaux 12 comprenant le matériau à changement de phase.
Par ailleurs, les tubes 7 peuvent comprendre des configurations différentes des première et seconde parties de canaux 11,12.
Sur les figures 9A-9E, on a représenté une section de tube 7 comprenant vingt canaux 11, 12.
Les figures 9A-9D illustrent des configurations selon l’invention dans lesquelles le tube 7 comprend un nombre et une disposition variable des première et seconde parties de canaux 11, 12. Sur la réalisation illustrée par la figure 9E, le tube 7 ne comprend aucun canal 11 comprenant le fluide mais comprend exclusivement des canaux 12 comprenant le matériau à changement de phase.
Le rapport entre le nombre de canaux 11 comprenant le fluide et le nombre de canaux 12 comprenant le matériau à changement de phase est plus particulièrement adapté en fonction des besoins en termes de chaleur à transporter avec le fluide ou à absorber par le matériau à changement de phase.
Avantages
Comme déjà indiqué, le matériau à changement de phase permet une 20 absorption ou une restitution de chaleur, permettant de limiter les effets des pics de température de la batterie afin de mieux réguler celle-ci.
En étant disposé directement dans certains canaux des tubes du dispositif de régulation thermique, le matériau à changement de phase n’est pas interposé entre le fluide et la batterie, de sorte qu’il ne représente pas une résistance thermique au refroidissement de la batterie par le fluide.
En outre, étant donné que les canaux d’un même tube comprennent le fluide et le matériau à changement de phase, la paroi du tube constitue une surface d’échange satisfaisante entre le fluide et le matériau à changement de phase, de sorte que le matériau à changement de phase peut rapidement se régénérer en étant refroidi après une montée en température de la batterie.
Des essais ont été réalisés avec un dispositif de régulation thermique et une batterie tels que décrit par la figure 1 et sont représentés sur la figure
10. Selon ces essais, la température à la surface d’une cellule de batterie a été mesurée en faisant varier le nombre de canaux rempli de fluide ou matériau à changement de phase.
Une cellule de batterie électrique initialement à 22 degrés Celsius a été io utilisée pour dégager un pic de puissance thermique de 23 watt sur une période de 10 secondes, comme représenté sur la figure 10 par la courbe
14. Le matériau à changement de phase utilisé a une température de changement de phase égale à 23 degrés Celsius.
La courbe 15a représente la température de la batterie dans laquelle aucun tube n’est rempli de matériau de changement de phase, les tubes comprenant uniquement du fluide. Les courbes 15b-15f représentent des situations dans lesquelles les tubes sont remplis de fluide et de matériau à changement de phase respectivement selon les configurations de remplissage des figures 9A-9E
On constate que, pour les configurations où davantage de canaux sont remplis de matériau à changement de phase, la montée en température de la batterie est plus lente et stagne à une température d’environ 23 degrés
Celsius. Plus le nombre de canaux remplis de matériau à changement de phase est important, plus la température de la batterie reste limitée du fait de l’inertie plus importante du matériau de changement de phase et du stockage de la chaleur dégagée par chaleur latente de changement de phase.
Une fois le pic de température passé, le fluide circulant dans le dispositif de régulation thermique permet de refroidir le matériau à changement de phase afin que celui-ci retrouve son état initial plus rapidement.
Ainsi, le matériau à changement de phase permet de réguler les montées en température de la batterie.
Bien évidemment, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d’exemple. Elle englobe io diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l’homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association.

Claims (3)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif de régulation thermique (1) configuré pour réguler la
    5 température d’une batterie (2), le dispositif (1) comprenant au moins un tube (7), le tube (7) comprenant une pluralité de canaux (11,12), caractérisé en ce qu’au moins une partie des canaux (12) du tube (7) comprend un matériau à changement de phase.
    io 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel le tube (7) comprend une première partie de canaux (11) permettant la circulation d’un fluide dans le dispositif (1) et une seconde partie de canaux (12) comprenant le matériau à changement de phase.
    15 3. Dispositif (1) selon la revendication 1 ou 2, comprenant un premier collecteur (3a) et un second collecteur (3b), le tube (7) s’étendant de façon rectiligne ou avec une forme en U entre le premier collecteur (3a) et le second collecteur (3b).
    20 4. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le tube (7) est réalisé en un matériau thermiquement conducteur, notamment en aluminium.
    5. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications
    25 précédentes, comprenant une pluralité de tubes (7) constituant au moins un faisceau de tubes (8).
    6. Dispositif (1) selon la revendication 5, comprenant un collecteur intermédiaire d’entrée (9) et un collecteur intermédiaire de sortie
    30 (10), le faisceau de tubes (8) débouchant dans les collecteurs intermédiaires d’entrée et de sortie (9, 10).
    7. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le matériau à changement de phase a une température de changement de phase comprise entre 20 et 30 degrés Celsius.
    8. Ensemble comprenant un dispositif de régulation thermique (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes et une batterie (2), le tube (7) étant disposé au contact de la batterie (2).
    io 9. Ensemble selon la revendication 8, dans lequel la batterie (2) comprend une pluralité de cellules (4) adjacentes les unes des autres, le tube (7) étant disposé entre deux cellules (4) de la batterie (2).
    10. Ensemble selon la revendication 9, dans lequel le dispositif (1)
    15 comprend une pluralité de faisceaux de tubes (8), chaque faisceau de tubes (8) étant disposé autour d’une cellule (4) de la batterie (2).
    036
    0S6
  2. 2.Π
  3. 3/7
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