FR3067171A1 - Dispositif de regulation thermique de cellules de stockage d’energie electrique d'un pack-batterie de grande surface - Google Patents

Dispositif de regulation thermique de cellules de stockage d’energie electrique d'un pack-batterie de grande surface Download PDF

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Valeo Systemes Thermiques SAS
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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de régulation thermique (1), notamment de refroidissement, d'au moins un élément de stockage d'énergie électrique. Selon l'invention, le dispositif de régulation thermique (1) comprend une plaque de base (10) sur laquelle sont solidarisées au moins deux plaques embouties (11) juxtaposées, ladite plaque de base (10) et lesdites au moins deux plaques embouties (11) délimitant un circuit de circulation d'un fluide caloporteur au sein du dispositif de régulation thermique (1), ladite plaque de base (10) ou lesdites plaques embouties (11) étant destinées à venir en contact thermique avec ledit au moins un élément de stockage d'énergie électrique.

Description

Dispositif de régulation thermique de cellules de stockage d'énergie électrique d'un pack-batterie de grande surface
1. Domaine de l'invention
L'invention se rapporte au domaine de la régulation thermique des batteries, et plus particulièrement des batteries équipant un véhicule automobile dont la propulsion est fournie en tout ou partie par une motorisation électrique.
Plus précisément, l'invention se rapporte au domaine des dispositifs de régulation thermique pour batteries comprenant plusieurs cellules de stockage d'énergie électrique reliées entre elles de façon à créer un générateur électrique de tension et de capacité désirée.
2. Art antérieur
Dans le domaine des véhicules électriques et hybrides, les cellules de stockage d'énergie électrique (appelées « cellules électriques » dans ce qui suit) sont positionnées dans un boîtier de protection formant ce que l'on appelle un pack-batterie (« batterypack » en anglais).
Lors du fonctionnement du véhicule, les cellules électriques - généralement disposées au niveau du plancher du véhicule - peuvent être soumises à des variations de température pouvant provoquer dans certains cas leur endommagement, voire leur destruction.
Par conséquent, la régulation thermique des cellules électriques est essentielle afin, d'une part, de les maintenir en bon état et, d'autre part, d'assurer la fiabilité, l'autonomie, et la performance du véhicule.
Les constructeurs automobiles cherchent, par ailleurs, aujourd'hui à fournir des véhicules électriques ou hybrides plus puissants et dont l'autonomie électrique est augmentée.
Pour cela, un nombre de plus en plus important de cellules électriques est embarqué dans les véhicules.
Ainsi, le pack-batterie couvre une surface de plus en plus conséquente du plancher du véhicule et il forme même parfois le fond de caisse du véhicule.
A titre d'exemple, les pack-batteries peuvent présenter des dimensions allant jusqu'à 2,5m de long sur 1,5m de large.
Les dispositifs destinés à réguler la température de ces cellules électriques doivent donc s'étendre sur des surfaces équivalentes pour optimiser le fonctionnement des cellules électriques.
Un dispositif de régulation thermique est classiquement positionné directement au contact des cellules électriques au fond du boîtier de protection, ou indirectement au contact des cellules électriques dans le cas d'un échangeur placé à l'extérieur du pack batterie, et est parcouru par un fluide caloporteur.
Un tel dispositif de régulation thermique assure les fonctions de chauffage et/ou de refroidissement des cellules électriques.
Le fluide caloporteur peut ainsi absorber la chaleur émise par chaque cellule électrique afin de la refroidir ou selon les besoins, il peut lui apporter de la chaleur si la température de la cellule électrique est insuffisante pour son bon fonctionnement.
Deux technologies de dispositifs de régulation thermique des cellules électriques d'une batterie d'un véhicule sont connues, à savoir la technologie à tubes, et la technologie à plaques.
Dans la première technologie, le dispositif de régulation thermique est constitué d'une pluralité de tubes comprenant des canaux de circulation du fluide dont les extrémités sont reliées par des collecteurs de sorte à former un circuit de circulation d'un fluide caloporteur.
Cette technologie de dispositif de régulation à tubes est simple à réaliser mais présente un inconvénient majeur en ce qu'elle ne permet pas de créer des circuits de circulation du fluide complexes adaptés aux nouvelles contraintes de dimension des pack-batteries.
Dans la seconde technologie, le dispositif de régulation thermique est constitué d'une plaque plane (appelée classiquement « base plate » en anglais) sur laquelle est sertie ou rivetée une plaque qui a été emboutie (appelée classiquement « channel plate » en anglais) afin de former une empreinte en creux avec une entrée et une sortie de fluide.
Une fois les plaques assemblées l'une sur l'autre, l'empreinte en creux forme un conduit ou circuit dans lequel peut circuler un fluide caloporteur depuis une entrée de fluide vers une sortie de fluide.
Dans une variante, la plaque plane est remplacée par une plaque emboutie.
Cette deuxième technologie permet de créer, par la mise en œuvre de plaques embouties, des circuits de circulation du fluide caloporteur complexes.
Néanmoins, un inconvénient de cette technologie à plaques réside dans le fait que la fabrication de plaques embouties de grandes dimensions est complexe et coûteuse du fait qu'elle nécessite l'utilisation de presses de grande taille.
Pour résoudre ce problème, il a été proposé d'associer un dispositif de régulation thermique à plaques à chaque cellule électrique de la batterie.
Un inconvénient de cette solution réside dans le fait que les multiples dispositifs de régulation thermique doivent être reliés entre eux pour permettre la distribution du fluide caloporteur, ce qui complexifie l'assemblage et augmente les risques de fuite du fluide caloporteur.
Cette solution ne donne donc pas non plus entièrement satisfaction.
3. Résumé de l'invention
La présente invention a pour objet de résoudre ces problèmes de l'état de l'art et propose un dispositif de régulation thermique, notamment de refroidissement, d'au moins un élément de stockage d'énergie électrique (appelé cellule électrique dans la description détaillée qui suit) qui, selon l'invention, comprend une plaque de base sur laquelle sont solidarisées au moins deux plaques embouties juxtaposées, ladite plaque de base et lesdites au moins deux plaques embouties délimitant un circuit de circulation d'un fluide caloporteur au sein du dispositif de régulation thermique, ladite plaque de base ou lesdites plaques embouties étant destinées à venir en contact thermique avec ledit au moins un élément de stockage d'énergie électrique.
L'invention propose un dispositif de régulation thermique des cellules électriques du pack-batterie d'un véhicule hybride ou électrique, qui met en œuvre une unique plaque de base sur laquelle sont solidarisées une pluralité de plaques embouties juxtaposées.
Chaque plaque emboutie est conformée de sorte à former une empreinte en creux avec au moins une entrée et au moins une sortie de fluide.
Une fois les plaques embouties assemblées sur la plaque de base, l'ensemble forme un conduit ou circuit dans lequel peut circuler un fluide caloporteur depuis une entrée de fluide vers une sortie de fluide.
Cette solution permet de fabriquer aisément et à un coût relativement faible des dispositifs de régulation thermique de grande taille et de forme complexe adaptés aux pack-batteries présentant des grandes surfaces.
La plaque de base, qui est une tôle métallique découpée, peut présenter des dimensions égales à celles du pack-batterie tandis que chaque plaque métallique emboutie du dispositif peut présenter des dimensions égales à celles d'une cellule ou d'un groupement de cellules électriques (il peut ainsi être prévu une plaque emboutie par cellule ou groupement de cellules électriques à réguler thermiquement).
La solution de l'invention ne nécessite donc pas de presse de grande taille pour emboutir les plaques, ce qui réduit les coûts de fabrication du dispositif de l'invention.
Du fait qu'il soit réalisé par assemblage d'une pluralité de plaques embouties sur une plaque de base, le dispositif de régulation thermique de l'invention est modulable et peut être adapté à la taille et la dimension des cellules électriques du pack-batterie à refroidir.
Selon un aspect particulier de l'invention, les surfaces de la plaque de base sont planes.
Ainsi, la plaque de base est une simple tôle, par exemple en aluminium, qui est uniquement découpée à la forme et aux dimensions souhaitées (elle n'est donc pas emboutie).
Le coût de fabrication d'une telle plaque de base est donc relativement faible.
Préférentiellement, c'est la plaque de base du dispositif de régulation thermique qui est en contact (direct ou indirect) avec les éléments de stockage d'énergie électrique, et qui constitue la plaque d'échange thermique.
En effet, il est plus simple et moins coûteux d'assurer la planéité de la plaque de base que celle des plaques embouties.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, la plaque de base et lesdites au moins deux plaques embouties sont solidarisées par brasage.
Les plaques embouties sont brasées entre elles et brasées sur la plaque de base.
Cette technique de solidarisation peu coûteuse permet d'assurer au dispositif de l'invention une forte résistance mécanique.
Selon encore un autre aspect particulier de l'invention, lesdites au moins deux plaques embouties se chevauchent partiellement.
Cet aspect permet d'une part de faciliter le brasage de l'ensemble des plaques entre elles et d'autre part d'assurer l'étanchéité du circuit de circulation du fluide caloporteur dans le dispositif.
Cela permet en outre de s'affranchir de l'utilisation de conduits de raccordement des plaques embouties entre elles.
Ainsi, l'assemblage est simplifié et les risques de fuite du fluide caloporteur sont diminués.
Selon un aspect particulier de l'invention, le dispositif comprend une première rangée de plaques embouties assurant l'alimentation et la distribution du fluide dans le dispositif et une deuxième rangée de plaques embouties assurant la collecte et l'évacuation du fluide hors du dispositif, et optionnellement au moins une rangée intermédiaire de plaques embouties.
Le dispositif de régulation thermique se présente donc sous la forme d'une matrice constituée de plaques embouties juxtaposées et agencées selon des rangées et des colonnes.
Cette structure modulaire permet de simplifier l'assemblage du dispositif tout en adaptant sa forme à celle du pack-batterie et ses dimensions au nombre de cellules électriques constituant le pack-batterie.
Il peut être prévu qu'un ou plusieurs emplacements d'une rangée ou d'une colonne de la matrice soient traversant pour recevoir des équipements électroniques dont la température doit être régulée par le dispositif de l'invention. Pour ces emplacements, la plaque de base présente une ouverture et aucune plaque emboutie n'est nécessaire.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, chacune des première et deuxième rangées comprend au moins deux types de plaques embouties, à savoir :
au moins une plaque de distribution communiquant fluidiquement d'une part avec une ou deux plaques embouties adjacentes de ladite rangée et d'autre part avec une plaque de distribution de la deuxième rangée ou une plaque intermédiaire d'une rangée intermédiaire ;
une plaque d'extrémité communiquant fluidiquement, d'une part, avec une plaque emboutie adjacente de ladite rangée et, d'autre part, avec une plaque de distribution ou d'extrémité de l'autre rangée parmi les première et deuxième rangées ou bien une plaque intermédiaire d'une rangée intermédiaire.
Ainsi, le dispositif de régulation thermique de l'invention est constitué de trois types de plaques embouties (les plaques de distribution, les plaques d'extrémité et les plaques intermédiaires) qui sont standardisées lors de leur fabrication et qui permettent, par assemblage, de fabriquer un dispositif de régulation thermique de forme complexe et de grande dimension.
A partir de ces trois types de plaques embouties, il est donc possible de répondre à une majorité des besoins des constructeurs.
Selon un aspect particulier de l'invention, la plaque intermédiaire est configurée pour permettre le passage du fluide entre deux rangées de plaques embouties.
De telles plaques sont mises en œuvre lorsque le dispositif de régulation thermique comprend plus de deux rangées de plaques embouties.
Selon un aspect de l'invention, au moins une rangée de plaques embouties du dispositif comprend au moins une plaque de retournement destinée à former une circulation du fluide en U au sein de ladite au moins une rangée.
De telles plaques de retournement sont mises en œuvre lorsque le dispositif présente une ouverture permettant de recevoir des équipements électroniques dont la température doit être régulée par le dispositif.
Selon un autre aspect de l'invention, les plaques embouties présentent des plots de répartition du fluide caloporteur.
Ces plots permettent de répartir et de distribuer le fluide caloporteur au sein et entre les plaques embouties du dispositif.
En outre, les plots permettent de rigidifier le dispositif de sorte qu'il puisse résister aux contraintes mécaniques subies lors du brasage et aux contraintes de pression du fluide lors du fonctionnement du dispositif.
Selon un aspect de l'invention, chaque plaque emboutie est destinée à réguler la température d'une cellule ou d'un groupement de cellules électriques.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, les plaques embouties comprennent un canal principal d'alimentation en fluide caloporteur et un canal dit de refroidissement d'une ou plusieurs cellules électriques.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, des circuits de circulation du fluide caloporteur différents peuvent être configurés dans chaque plaque emboutie.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, la plaque de base présente une forme correspondante à la forme du pack-batterie contenant les éléments de stockage d'énergie électrique.
Selon encore un autre aspect de l'invention, la plaque de base constitue le fond de caisse du véhicule dans lequel le dispositif de régulation thermique est mis en œuvre.
4. Figures
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée suivante de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titres de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés, parmi lesquels :
la figure 1 est une vue éclatée d'un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention ;
les figures 2a à 2d sont des vues de face de différents types de plaque emboutie destinées à être mises en œuvre dans le dispositif de régulation de la figure 1 ;
la figure 3 est une vue de détail de la connexion entre deux plaques embouties d'un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention ;
la figure 4 illustre de façon schématique le sens de circulation du fluide caloporteur au sein du dispositif de régulation thermique de la figure 1 ;
la figure 5 détaille la température du fluide caloporteur au sein du dispositif de régulation thermique, lorsque le fluide circule dans le sens de circulation illustré sur la figure 4 ;
les figures 6 à 11 illustrent schématiquement différents exemples de circuits de circulation du fluide caloporteur pouvant être mis en œuvre dans un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention.
5. Description détaillée de modes de réalisation
Sur les différentes figures, sauf indication contraire, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence et présentent les mêmes caractéristiques techniques et modes de fonctionnement.
La figure 1 est une vue éclatée d'un dispositif de régulation thermique, selon un premier mode de réalisation de l'invention, des cellules électriques du pack-batterie (non illustrés) d'un véhicule hybride ou électrique.
Le dispositif 1 de régulation thermique comprend une plaque de base 10 sur laquelle une pluralité de plaques embouties 11 sont solidarisées.
La plaque de base 10 est une tôle plane découpée au laser, par exemple, dont la forme et les dimensions correspondent à celles du pack batterie devant être régulé thermiquement.
Dans cet exemple, la plaque de base 10 est rectangulaire et présente une lumière 101 parallélépipédique en son centre.
Cette lumière 101 permet, par exemple, de recevoir un boîtier contenant des équipements électroniques dont la température doit également être régulée par le dispositif 1.
La plaque de base 10 comprend un bord supérieur 102, un bord inférieur 103, et deux bord latéraux 104a, 104b.
La plaque de base 10 est préférentiellement fabriquée en aluminium de façon à permettre le brasage des plaques embouties 11 sur cette dernière.
Les plaques embouties 11, de préférence en aluminium et cladées, sont donc destinées à être solidarisées par brasage sur la plaque de base 10.
Elles sont embouties de sorte à former des plots 117, et dans certains cas des parois internes, pour définir des circuits de circulation d'un fluide caloporteur au sein du dispositif 1, lorsqu'elles sont montées sur la plaque de base 10.
Ainsi, il est possible de configurer le circuit de circulation du fluide caloporteur de chaque plaque emboutie 11 par le biais des plots 117 et de parois internes.
Les liaisons entre les plaques embouties 11 et la plaque de base 10 sont étanches, de même que la liaison des plaques embouties 11 entre elles.
Les plaques embouties 11 juxtaposées forment une première demi-coque et la plaque de base 10 une deuxième demi-coque, les demi-coques assemblées formant le dispositif 1 de régulation thermique.
Le dispositif 1 présente, dans cet exemple, quatre types distincts de plaques embouties 11 définissant trois rangées de plaques embouties 11, à savoir :
des plaques de distribution lia du fluide caloporteur qui sont disposées le long du bord supérieur 102 et du bord inférieur 103 de la plaque de base 10 ;
des plaques d'extrémités 11b qui sont situées dans les deux coins opposés aux connecteurs d'entrée 21 et de sortie 22 du fluide caloporteur dans le dispositif 1 ;
des plaques intermédiaires 11c qui sont situées entre les plaques de distribution lia ou les plaques d'extrémités 11b disposées le long du bord supérieur 102 et les plaques de distribution lia ou les plaques d'extrémités 11b disposées le long du bord inférieur 103 de la plaque de base 10 ; et des plaques de retournement lld qui sont disposées entre les bords supérieur 102 et inférieur 103 de la plaque de base 10 et la lumière centrale 101.
Ces quatre types de plaques embouties 11 permettent d'obtenir un dispositif 1 de régulation thermique qui peut présenter une forme complexe et des dimensions relativement importantes.
En effet, la mise en œuvre de plaques embouties 11 de différents types, sur une unique plaque de base 10 plane, permet une grande modularité du dispositif 1 de sorte que ce dernier puisse être aisément adapté à de multiples configurations, plus ou moins complexes, d'un pack batterie.
Ainsi, pour ce mode de réalisation, seulement quatre matrices pour presse à emboutir sont nécessaires pour fabriquer le dispositif 1 de régulation thermique.
On comprend bien évidemment que d'autres types de plaques embouties, présentant des formes et/ou des circuits de circulation de fluide différents, peuvent être mis en œuvre selon la configuration du pack-batterie embarqué dans le véhicule automobile.
Dans tous les cas, l'invention permet de se libérer des contraintes relatives à la taille des presses fabricant les plaques embouties de grande taille puisque le dispositif de l'invention ne met plus en œuvre une unique plaque emboutie de grande dimension mais une pluralité de plaques embouties dont les dimensions sont réduites et sensiblement identiques à celles d'une cellule électrique ou d'un groupe de cellules électriques.
L'invention permet donc de réduire les coûts de fabrication des dispositifs de régulation thermique des cellules électriques, ou éléments de stockage d'énergie électrique.
Il permet, en outre, de fournir un dispositif de régulation thermique modulaire, aisément adaptable à toutes formes et dimensions de pack-batterie.
La figure 2a illustre un premier type de plaque emboutie 11, prenant la forme d'une plaque de distribution lia de forme rectangulaire.
Cette plaque de distribution lia emboutie est disposée dans la rangée supérieure, dite première rangée, 300 ou dans la rangée inférieure, dite deuxième rangée, 400 placées en regard des bords supérieur 102 et inférieur 103 de la plaque de base 10 dans le dispositif 1 de la figure 1.
Il est à noter que la structure générale de chacune des plaques de distribution lia du dispositif 1 est identique. Toutefois, les plaques de distribution lia de la deuxième rangée 400 sont inversées par rapport à celles de la première rangée 300.
Ainsi, chaque plaque de distribution lia comprend un canal principal 110 et un canal de refroidissement 113. Ces derniers présentent plusieurs plots (appelées « dimples » en anglais) 117 définissant plusieurs passages de circulation du fluide caloporteur.
Le canal principal 110, situé sur un bord de la plaque de distribution lia, est destiné à l'alimentation et à la distribution du fluide caloporteur dans la plaque de distribution lia selon le sens de la flèche Fl.
Le canal principal 110 présente une ouverture d'entrée 111 de fluide caloporteur et une ouverture de sortie 112 de fluide caloporteur qui sont coaxiales.
L'ouverture d'entrée 111 forme ou est en communication fluidique avec le connecteur d'entrée 21 d'alimentation en fluide caloporteur du dispositif 1 dans le cas de la plaque emboutie 11 du circuit située en haut à gauche de la figure 4, sur la première rangée.
Pour les autres plaques embouties, l'ouverture d'entrée 111 communique avec l'ouverture de sortie 112 de la plaque emboutie 11 adjacente.
L'ouverture de sortie 112 du canal principal 110 est reliée fluidiquement (ou est en communication fluidique) soit à l'ouverture d'entrée 111 de la plaque emboutie 11 adjacente, soit au connecteur de sortie 22 du fluide caloporteur du dispositif 1 pour la plaque emboutie 11 du circuit située en bas à gauche de la figure 4, en l'occurrence.
Les canaux principaux 110 de chaque plaque de distribution lia définissent un conduit de distribution/alimentation du fluide caloporteur pour la rangée supérieure 300 du dispositif 1, et un conduit de collecte du fluide caloporteur pour la rangée inférieure 400 du dispositif 1.
Le canal de refroidissement 113 permet la circulation du fluide caloporteur sur toute sa largeur, et entre les plots 117, de sorte à favoriser les échanges thermiques avec la ou les cellules électriques situées en vis-à-vis du dispositif 1.
Plus précisément, une première extrémité du canal de refroidissement 113 est en communication fluidique avec le canal principal 110 tandis que la seconde extrémité du canal de refroidissement 113 présente une ouverture de distribution 114 qui permet de distribuer le fluide caloporteur (selon la flèche F2) vers une plaque emboutie 11 adjacente (une plaque de distribution lia ou une plaque d'extrémité 11b ou une plaque intermédiaire 11c dans le dispositif de la figure 4 décrit ci-après).
On comprend bien évidemment que le sens de circulation F2 du fluide caloporteur dans les plaques de distribution lia de la rangée inférieure 400 sont inversées par rapport à celles de la rangée supérieure 300.
La figure 2b illustre un second type de plaque emboutie 11, prenant la forme d'une plaque d'extrémité 11b de forme rectangulaire.
Dans le dispositif de la figure 4, deux plaques d'extrémité 11b embouties sont situées dans les angles opposés aux connecteurs d'entrée 21 et de sortie 22 du fluide caloporteur dans le dispositif 1.
La plaque d'extrémité 11b comprend un canal principal 110 et un canal de refroidissement 113.
La plaque d'extrémité 11b se différencie de la plaque de distribution lia en ce qu'elle ne présente pas d'ouverture de sortie puisqu'elle est disposée dans un angle de la plaque de base 10.
En effet, le fluide caloporteur circule (selon la direction de la flèche F3) uniquement depuis l'ouverture d'entrée 111 à travers le canal de refroidissement 113 pour ressortir par l'ouverture de distribution 114 située au niveau de l'extrémité opposée à celle de l'ouverture d'entrée 111.
On comprend bien évidemment que le fluide circule dans le sens opposé à F3 pour la plaque d'extrémité 11b du dispositif située dans la rangée inférieure 400 du dispositif 1 de la figure 4.
La figure 2c illustre un troisième type de plaque emboutie 11, prenant la forme d'une plaque intermédiaire 11c.
De telles plaques intermédiaires 11c embouties sont situées dans la rangée intermédiaire 500 qui s'étend entre la rangée supérieure 300 et la rangée inférieure 400 du dispositif 1 de la figure 4.
Contrairement aux plaques de distribution lia et d'extrémité 11b, les plaques intermédiaires 11c ne comprennent pas de canal principal 110.
En effet, les plaques intermédiaires 11c comprennent uniquement un canal de refroidissement 113 dont chacune des extrémités présente une ouverture de distribution 118 pour le passage du fluide caloporteur.
Ces ouvertures de distribution 118 sont reliées à une ouverture de distribution 114 ou 118 soit d'une autre plaque intermédiaire 11c, soit d'une plaque de distribution lia, soit d'une plaque d'extrémité 11b.
Le fluide caloporteur traverse donc la plaque intermédiaire 11c d'une ouverture de distribution 118 à l'autre (selon la direction de la flèche F4).
La figure 2d illustre un quatrième type de plaque emboutie 11, prenant la forme d'une plaque de retournement lld.
De telles plaques de retournement lld embouties sont situées entre la lumière
101 centrale de la plaque de base 10 et chacun des bords supérieur 102 et inférieur 103 de la plaque de base 10 dans le dispositif 1 de la figure 4.
Ces plaques sont dites de retournement dans la mesure où elles définissent un circuit de circulation en U en leur sein, le fluide caloporteur ne pouvant pas traverser le dispositif 1 de la rangée supérieure 300 jusqu'à la rangée inférieure 400 du fait d ela présence de la lumière 101 centrale ménagée dans la plaque de base 10.
Pour ce faire, la plaque de retournement lld présente une paroi interne 119 qui définit le circuit de circulation en U.
Les plaques de retournements lld présentent un canal de refroidissement 113 comprenant une ouverture d'entrée 111 et une ouverture de sortie 112 .
Ainsi, le fluide caloporteur entre par l'ouverture d'entrée 111 puis parcourt le canal de refroidissement 113 en contournant la paroi interne 119 pour ressortir par l'ouverture de sortie 112 (selon le circuit illustré par la flèche F5).
Comme indiqué précédemment, les plaques embouties 11 du dispositif 1, quelles que soient leurs types, sont brasées sur la plaque de base 10.
Afin de garantir l'étanchéité du circuit de circulation du fluide caloporteur dans le dispositif 1 après brasage, les plaques embouties 11 adjacentes peuvent se chevaucher partiellement.
La figure 3 illustre un tel chevauchement entre deux plaques embouties 11 adjacentes.
Pour ce faire, l'ouverture d'entrée 111 de chaque plaque emboutie 11 présente un élément mâle 115 de connexion à une plaque emboutie 11 adjacente.
L'ouverture de sortie 112 de chaque plaque emboutie 11 présente, de façon correspondante, un élément femelle 116 de connexion apte à coopérer avec l'élément mâle 115 de connexion d'une plaque emboutie 11 adjacente.
On comprend bien évidemment que les ouvertures de distributions 114, 118 des différentes plaques embouties 11 présentent des éléments 115, 116 de connexion équivalents permettant de raccorder les plaques embouties 11 entre elles par chevauchement.
Ce chevauchement des plaques embouties 11 permet, lors du brasage, de garantir l'étanchéité du circuit de circulation du fluide caloporteur au sein du dispositif
1.
Cette technique permet de s'affranchir de la mise en œuvre de conduits de raccordement additionnels et de joints d'étanchéité entre les plaques embouties, qui, de façon connue, augmentent les risques de fuite du fluide caloporteur.
Cette technique selon laquelle les plaques embouties 11 sont brasées entre elles et sur la plaque de base 10 permet de supprimer, ou tout le moins de limiter, le risque de fuite du fluide caloporteur hors du dispositif 1.
Comme illustré sur les figures 2a à 4, les plaques embouties 11 présentent des plots, ou alvéoles, 117 en saillie (appelées « dimples » en anglais) qui s'étendent vers la plaque de base 10 et sont en contact avec cette dernière après assemblage du dispositif
1.
Ces plots 117 visent, d'une part, à améliorer la résistance mécanique du dispositif 1 à la pression du fluide caloporteur et, d'autre part, à favoriser la répartition du fluide caloporteur dans le circuit de circulation au sein du dispositif 1 (mais également au sein de chaque plaque emboutie 11, quelle que soit son type).
Le débit de fluide dans chaque plaque emboutie 11 est fonction du nombre (ou densité) et des dimensions des plots 117 mis en œuvre.
Les plots 117 situés dans le canal de refroidissement 113 des plaques embouties permettent de répartir le fluide dans la totalité de ce dernier de sorte à optimiser la surface d'échange thermique du dispositif 1 avec les cellules électriques.
La figure 4 illustre un exemple de circuit de circulation global d'un dispositif 1 de régulation thermique selon l'invention.
Dans cet exemple, le circuit de circulation global du fluide caloporteur est un circuit en U, les connecteurs d'entrée 21 et de sortie 22 du fluide étant disposés sur un même bord latéral du dispositif 1.
La plaque de base 10 présente, comme sur la figure 1, une lumière centrale 101 pouvant recevoir un ou plusieurs équipements électroniques à refroidir.
Le dispositif 1 comprend :
- douze plaques de distribution lia réparties sur deux rangées supérieure et inférieure 300, 400 s'étendant respectivement le long des bords supérieur et inférieur de la plaque de base ;
- deux plaques d'extrémités 11b situées dans les angles opposés aux connecteurs d'entrée 21 et de sortie 22 du fluide caloporteur du dispositif 1 ;
- quatre plaques de retournement lld situées entre la lumière centrale 101 de la plaque de base 10 et les bords supérieur et inférieur du dispositif 1 et ;
- sept plaques intermédiaires 11c s'étendant dans la rangée intermédiaire 500 située entre la rangée supérieure 300 et la rangée inférieure 400 du dispositif 1.
Ainsi, le fluide caloporteur entrant par le connecteur d'entrée 21 dans le dispositif 1 est distribué sur l'ensemble de la longueur du dispositif 1 (selon la flèche Fil) par le biais des canaux principaux 110 des plaques de distribution lia et d'extrémité 11b de la rangée supérieure 300.
Le fluide circule ensuite dans les canaux de refroidissement 113 de l'ensemble des plaques embouties 11 du dispositif 1 vers la rangée inférieure 400, via la rangée intermédiaire 500 (selon les flèches F12).
Il est ensuite dirigé vers le connecteur de sortie 22 par le biais des canaux principaux 110 des plaques de distribution lia et d'extrémité lld de la rangée inférieure 400 (selon la flèche F13).
Les plaques de retournement lld ont un fonctionnement particulier puisqu'elles présentent un circuit interne en U qui permet de faire circuler le fluide caloporteur (selon la flèche F5) depuis l'ouverture d'entrée 111 vers l'ouverture de sortie 112 via le canal de refroidissement 113 (comme illustré sur la figure 2d).
Cette circulation particulière au sein des plaques de retournement lld est imposée par la configuration du dispositif 1 dont la plaque de base 10 présente une lumière centrale 101.
Un exemple de dispositif 1 ne présentant pas une telle lumière centrale 101 est décrit plus en détail dans la suite de la description (cf. figure 9, par exemple).
La figure 5 détaille la température moyenne du fluide caloporteur circulant au sein du dispositif 1 selon le circuit de circulation du fluide caloporteur décrit sur la figure 4, dans chacune des zones définies par les plaques embouties 11.
La différence de température entre la température minimale (ici en entrée du dispositif 1) qui est de 25°C et la température maximale (ici dans la plaque de retournement située dans la rangée inférieure) qui de 28,9°C est donc relativement faible.
Ceci démontre que le dispositif 1 de régulation thermique conforme à l'invention est performant en ce sens qu'il permet une régulation thermique quasihomogène des cellules électriques de la batterie.
Les figures 6 à 11 illustrent schématiquement différents exemples de circuits de circulation du fluide caloporteur pouvant être mis en œuvre dans un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention
La figure 6 montre un exemple d'un dispositif 1 de régulation thermique présentant un circuit de circulation en U dans lequel le fluide caloporteur parcourt deux rangées supérieure et inférieure 300, 400 de cinq plaques embouties 11.
Plus précisément, chaque rangée comprend quatre plaques de distribution lia et une plaque d'extrémité 11b.
Les connecteurs d'entrée 21 et de sortie 22 du fluide caloporteur dans le dispositif 1 se font sur un même bord latéral.
De façon similaire au dispositif 1 de la figure 4, le fluide caloporteur entre par le connecteur d'entrée 21 dans le dispositif 1 et est distribué sur l'ensemble de la longueur du dispositif 1 (selon la flèche Fil) par le biais des canaux principaux 110 des plaques de distribution lia et d'extrémité 11b de la rangée supérieure 300.
Le fluide circule ensuite dans les canaux de refroidissement 113 de l'ensemble des plaques embouties 11 du dispositif 1 vers la rangée inférieure 400 (selon les flèches F12), puis est dirigé vers le connecteur de sortie 22 par le biais des canaux principaux 110 des plaques de distribution lia et d'extrémité lld de la rangée inférieure 400 (selon la flèche F13).
La figure 7 illustre un exemple d'un dispositif 1 de régulation thermique présentant un circuit de circulation en I dans lequel le fluide caloporteur parcourt deux rangées de cinq plaques embouties 11.
Plus précisément, chaque rangée comprend quatre plaques de distribution lia et une plaque d'extrémité 11b.
Le fonctionnement de ce dispositif 1 est sensiblement identique à ceux précédemment décrits si ce n'est que le connecteur de sortie 22 du fluide caloporteur est située sur un bord latéral opposé au connecteur d'entrée 21.
La figure 8 illustre un exemple d'un dispositif 1 de régulation thermique présentant un circuit de circulation en U dans lequel le fluide caloporteur parcourt deux rangées de dix plaques embouties 11.
La circulation du fluide caloporteur au sein de ce dispositif est identique à celle du dispositif de la figure 6, le nombre de plaques emboutis 11 par rangée étant ici doublé.
La figure 9 illustre un exemple d'un dispositif 1 de régulation thermique présentant un circuit de circulation en U dans lequel le fluide caloporteur parcourt trois rangées de dix plaques embouties 11.
La circulation du fluide caloporteur au sein de ce dispositif est identique à celle du dispositif de la figure 8. On constate toutefois qu'une rangée 500 de plaques intermédiaires 11c est intercalée entre les rangées de plaques embouties 11 supérieure 300 et inférieure 400.
Le fonctionnement de ce dispositif 1 se rapproche de celui décrit en relation avec la figure 4 si ce n'est que ce dispositif 1 ne présente pas de lumière centrale destinée à recevoir des équipements électroniques à réguler thermiquement.
La figure 10 illustre une variante du dispositif de régulation thermique de la figure 4 dans laquelle le circuit de circulation global est un circuit en U et les paires de plaques numérotées 7, 9 et 8, 10 sont configurées de sorte à définir une circulation en U en parallèle des conduits de distribution et de collecte du dispositif 1.
Ce type de plaque n'a pas été décrit en détail auparavant mais on comprendra aisément sa structure.
La figure 11 illustre schématiquement le circuit de circulation du fluide caloporteur au sein du dispositif 1 de régulation thermique précédemment décrit en relation avec la figure 4.
Ces différentes variantes sont données à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs.
On comprend aisément que le nombre de plaques embouties, leur type et leur disposition (nombre de rangées et de colonnes) peut varier sans s'écarter du principe général de l'invention.
Le dispositif 1 de régulation thermique de l'invention consiste ainsi en un assemblage de plaques embouties 11 de différents types sur une unique plaque de base dont les surfaces sont planes et dont la forme et les dimensions sont adaptées à celles du pack-batterie.
La plaque de base 10 est obtenue par une seule opération de découpe.
La plaque de base 10 présente une épaisseur adaptée pour supporter les efforts mécaniques subis lors de son brasage avec les plaques embouties 11 et lors du fonctionnement du dispositif 1 de régulation thermique.
Notamment, la plaque de base 10 doit présenter une épaisseur permettant de maintenir la planéité des surfaces de la plaque de base 10 sous la pression du fluide caloporteur circulant dans le dispositif de régulation thermique lors de son fonctionnement.
Préférentiellement, c'est la plaque de base qui est en contact avec les cellules électriques (contact direct) ou le fond du pack-batterie (contact indirect) de sorte à diminuer les contraintes de planéité des plaques embouties.
En effet, il est plus simple et moins coûteux de fabriquer une plaque de base plane avec une planéité optimale que des plaques embouties avec une planéité équivalente.
Afin de faciliter les opérations de brasage, la plaque de base 10 est non cladée tandis qu'une face des plaques embouties est cladée.
Dans une variante, c'est la plaque de base 10 qui est cladée tandis que les plaques embouties 11 ne le sont pas. Dans ce cas de figure, la solidarisation des plaques embouties entre elles et sur la plaque de base est réalisée par un apport de matière extérieur, au moyen d'un feuillard de clade, par exemple.
Dans une autre variante, aucune des plaques n'est cladée. La solidarisation est alors réalisée par un procédé de collage.
Le procédé de collage n'est pas limité au type de colle (époxy, silicone, polyuréthane, mono/bi composants), ni à un procédé de durcissement (appelé curing en anglais) à température ambiante ou à une température prédéterminée.
Les connecteurs d'entrée 21 et de sortie 22 du fluide caloporteur dans le dispositif 1 sont, de préférence non cladés afin de garantir un état de surface optimal au niveau de la connectique.
Dans une variante, ces connecteurs sont cladés et une reprise en usinage peut être effectuée afin de garantir un état de surface optimal.
L'emplacement des connecteurs d'entrée 21 et de sortie 22 du fluide caloporteur dans le dispositif 1 n'est pas limité aux exemples décrits précédemment.
Les connecteurs 21, 22 peuvent, sans limitation, se trouver :
dans le plan de joint entre la plaque de base et les plaques embouties ; perpendiculairement aux plaques embouties ;
perpendiculairement à la plaque de base ;
selon un angle quelconque à la plaque de base ou aux plaques embouties.
Les dimensions des plaques embouties sont de préférence équivalentes aux dimensions des cellules électriques de sorte que la température de chaque cellule électrique est régulée par une seule plaque emboutie. A titre d'exemple, les cellules électriques présentent généralement une taille de 350mm de long sur 150mm de large.
Dans une variante, les dimensions des plaques embouties sont égales aux dimensions d'un groupement de cellules électriques.
Les plaques embouties sont, en outre, adaptées :
aux contraintes de régulation thermique des cellules électriques (densité de plots, dimensions des conduits de circulation du fluide caloporteur,....) ;
aux contraintes mécaniques (épaisseur de matière, densités de conduits internes et de plots pour répondre aux spécifications d'éclatement et de pression cyclée).
Afin de distribuer de manière optimale le fluide caloporteur dans l'ensemble des plaques embouties du dispositif de régulation thermique de l'invention, il est possible, en compléments des plots 117, d'adapter les sections des ouvertures d'entrée et de sortie du fluide caloporteur des plaques embouties.
Le dispositif de régulation thermique de l'invention permet de refroidir et, le cas échéant, de réchauffer les cellules électriques.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif de régulation thermique (1), notamment de refroidissement, d'au moins un élément de stockage d'énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comprend une plaque de base (10) sur laquelle sont solidarisées au moins deux plaques embouties (11) juxtaposées, ladite plaque de base (10) et lesdites au moins deux plaques embouties (11) délimitant un circuit de circulation d'un fluide caloporteur au sein du dispositif de régulation thermique (1), ladite plaque de base (10) ou lesdites plaques embouties (11) étant destinées à venir en contact thermique avec ledit au moins un élément de stockage d'énergie électrique.
  2. 2. Dispositif de régulation thermique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de la plaque de base (10) sont planes.
  3. 3. Dispositif de régulation thermique (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite plaque de base (10) et lesdites au moins deux plaques embouties (11) sont solidarisées par brasage.
  4. 4. Dispositif de régulation thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites au moins deux plaques embouties (11) se chevauchent partiellement.
  5. 5. Dispositif de régulation thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une première rangée (300) de plaques embouties (11) assurant l'alimentation et la distribution du fluide dans le dispositif (1) et une deuxième rangée (400) de plaques embouties (11) assurant la collecte et l'évacuation du fluide hors du dispositif (1), et optionnellement au moins une rangée intermédiaire (500) de plaques embouties (11).
  6. 6. Dispositif de régulation thermique (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que chacune des première (300) et deuxième (400) rangées comprend au moins deux types de plaques embouties (11), à savoir :
    au moins une plaque de distribution (lia) communiquant fluidiquement d'une part avec une ou deux plaques embouties (11) adjacentes de ladite première rangée (300) et d'autre part avec une plaque de distribution (lia) de la deuxième rangée (400) ou une plaque intermédiaire (11c) d'une rangée intermédiaire (500) ;
    une plaque d'extrémité (11b) communiquant fluidiquement d'une part avec une plaque emboutie (11) adjacente de ladite rangée (300, 400) et d'autre part avec une plaque de distribution (lia) ou d'extrémité (11b) de l'autre rangée parmi les première et deuxième rangées (300, 400) ou une plaque intermédiaire (11c) d'une rangée intermédiaire (500).
  7. 7. Dispositif de régulation thermique (1) selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite plaque intermédiaire (11c) est configurée pour permettre le passage du fluide entre deux rangées de plaques embouties (11).
  8. 8. Dispositif de régulation thermique (1) selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'au moins une desdites rangées (300, 400, 500) comprend au moins une plaque de retournement (lld) destinée à former une circulation du fluide en U au sein de ladite au moins une rangée (300, 400, 500).
  9. 9. Dispositif de régulation thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que lesdites plaques embouties (11) présentent des plots (117) de répartition du fluide caloporteur.
  10. 10. Dispositif de régulation thermique (1) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre de plaques embouties (11) égal au nombre d'éléments de stockage d'énergie électrique à réguler thermiquement.
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