FR3097626A1 - Système de thermorégulation d’une source rechargeable d’électricité - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un système de thermorégulation d’une source rechargeable d’électricité présentant une plage de température de fonctionnement nominale [Tcible_min  ; Tcible_max], comportant : un échangeur thermique principal pour la captation de la chaleur de ladite source rechargeable d’électricité, présentant au moins un port d’entrée (403, 405), au moins un port de sortie (404, 406) et un micro-évaporateur (300, 400) présentant une épaisseur inférieure à 2 millimètres, ledit micro-évaporateur présentant une chambre de section transversale d’une valeur moyenne constante sur toute sa longueur, et comportant un agencement de colonnes définissant des canaux entrecroisés un fluide caloporteur présentant un équilibre liquide-vapeur sur au moins une partie de la plage de températures nominales [Tcible_min  ; Tcible_max] une pompe de circulation dudit fluide caloporteur en phase liquide un échangeur thermique secondaire pour l’évacuation de la chaleur, disposé entre la sortie dudit échangeur thermique principal et l’entrée de ladite pompe. Figure de l’abrégé : figure 5

Description

Système de thermorégulation d’une source rechargeable d’électricité
Domaine de l’invention
La présente invention concerne le domaine de la thermorégulation d’une source rechargeable d’électricité, notamment des batteries électriques et des piles à combustibles.
Les batteries électriques sont généralement formées d’une juxtaposition de cellules contenant deux électrodes et un électrolyte, disposées dans un boîtier de protection afin de former ce que l'on appelle un pack-batteries.
Les cellules des batteries de véhicules se présentent généralement sous 3 aspects : une forme prismatique rigide, une forme prismatique souple et une forme cylindrique rigide. Dans le cas de cellules prismatiques rigides, les feuilles de l’anode, du séparateur et de la cathode sont soit simplement empilées ensemble, soit enroulées puis écrasées. Le tout est inséré dans un contenant rigide de forme parallélépipédique. Ces cellules s'échauffent durant leur fonctionnement et risquent ainsi de s'endommager. La régulation thermique de la batterie est, par conséquent, un point important. Dans le cas des batteries lithium-ion, la charge et la décharge s’accompagnent de pertes thermiques qui font augmenter la température de la batterie. Plus les courants de décharge demandés par le véhicule sont importants et fréquents, plus les pertes thermiques sont intenses.
La maitrise de l’évacuation des pertes thermiques générées par la batterie est critique pour des raisons de sécurité : les batteries lithium-ion peuvent présenter des risques d’emballement thermique. Lorsque la température de la cellule augmente, la vitesse des réactions électrochimiques est augmentée de manière exponentielle (selon une loi d’Arrhenius). La puissance générée par la cellule augmente également. Si l’évacuation des pertes ne suit pas cette évolution de la génération de puissance, on risquera un emballement thermique qui entrainera la destruction de la cellule avec des risques d’inflammation et d’explosion.
Pour ces raisons, la température en tout point de la batterie doit rester comprise entre 0°C et 50°C et de préférence entre 15°C et 35°C, afin d'assurer la fiabilité, l'autonomie, et la performance du véhicule, tout en optimisant la durée de vie de la batterie. Ainsi deux indicateurs de performance d’un système de refroidissement peuvent être définis : la température moyenne et la variabilité spatiale autour de celle-ci.
Un dispositif de régulation de température est généralement incorporé à l'intérieur du boîtier du pack-batterie et utilise un fluide caloporteur ou un fluide réfrigérant.
Ces derniers circulent dans un ou plusieurs éléments d'échange thermique du type tubes, qui sont placés à l'intérieur du boîtier du pack-batterie, en contact thermique avec les cellules électriques, de manière à réguler leur température par conduction thermique.
Les piles à combustible peuvent être considérées comme des batteries utilisant au moins un gaz. Les défis sont donc assez similaires. Une pile à combustible à membrane échangeuse de protons possède un rendement autour de 50% et donc elles génèrent beaucoup de chaleur à dissiper. Le système de refroidissement est similaire à celui d’une batterie à l’exception que la plage de température de fonctionnement est toujours située au-dessus de la température ambiante, selon les piles, autour de 80°C ou entre 120 et 200°C.
État de la technique
On connait dans l’état de la technique le brevet européen EP2599154B1 qui décrit un système comprenant au moins une couche électriquement isolante et thermiquement conductrice qui relie thermiquement les cellules d’un pack-batterie avec une même surface de dissipation thermique placée dans le boîtier dudit pack-batterie afin d'assurer une évacuation uniforme de l'énergie thermique générée par chacune des cellules vers ladite surface, et des moyens de refroidissement destinés à venir refroidir ladite surface.
Ce système de l’art antérieur utilise l'une des parois de l'enveloppe des cellules unitaires comme conducteur de chaleur afin de faire évacuer la chaleur vers un point unique qui est constitué par une même surface de dissipation thermique placée dans le boîtier au moyen d'une couche thermiquement conductrice et électriquement isolante. Ceci permet de refroidir de manière uniforme l'ensemble des cellules. En outre il permet de réduire l'encombrement de la batterie. En effet il n'est plus nécessaire de laisser un espacement suffisant pour faire circuler le fluide de refroidissement.
La chaleur provenant des cellules est évacuée de manière uniforme vers cette surface du boîtier de la batterie. Cette surface qui est constituée généralement d'une plaque peut donc être facilement refroidie par des moyens de refroidissement, tels une plaque froide dans laquelle circule un fluide depuis un point d’entrée vers un point de sortie. Le boîtier de la batterie et l'enveloppe des cellules sont réalisés dans un matériau thermiquement conducteur tel que de l'aluminium.
La demande de brevet US20130143093A1 décrit un autre exemple de plaque froide, positionnée entre les cellules, pour le refroidissement de batterie comprenant des canaux de refroidissement disposées dans différentes régions thermiques, et un deuxième canal de refroidissement disposé en forme de serpentin.
Une solution pour le refroidissement d’une pile à combustible est décrite dans le brevet EP1171926B1.
Il concerne une batterie de piles à combustible à membrane polymère alimentée avec des réactifs gazeux, où ladite membrane sépare un compartiment anodique d'un compartiment cathodique comprenant des plaques bipolaires, des joints d'étanchéité optionnellement équipés de canaux pour alimenter et décharger des fluides, des électrodes poreuses, des couches catalytiques interposées entre les membranes et les électrodes, des collecteurs pour alimenter l'écoulement des réactifs, des collecteurs pour la décharge des parties non converties des réactifs, des inertes et de l'eau produite, et au moins un point d'injection reliant un circuit hydraulique pour injecter un écoulement d'eau dans au moins un compartiment des piles, ledit écoulement d'eau réalise simultanément l'humidification des membranes et l'extraction de la chaleur produite, caractérisée en ce qu'au moins un compartiment des piles alimenté avec les réactifs et avec de l'eau venant du point d'injection comprend un élément réticulé conducteur électriquement et thermiquement interposé entre les électrodes et les plaques bipolaires, qui distribue ledit écoulement d'eau dans le volume entier occupé par les réactifs gazeux.
La demande de brevet américain US2004170878 décrit un autre exemple de cellule électrochimique comportant un ensemble séparateur comprenant un moyen de distribution de fluide comprenant un matériau absorbant par mèche sur le côté cathode d'un ensemble électrode à membrane. Le matériau absorbant transporte les liquides à l'intérieur de la pile à combustible et favorise l'humidification de la membrane. Il fournit un système de refroidissement autorégulant pour la pile à combustible. Le matériau à effet de mèche forme en outre des canaux d'écoulement de gaz pour introduire des gaz vers et depuis l’ensemble électrode à membrane.
Le brevet français FR2884058A1 décrit un autre exemple de dispositif de maintien à une température de consigne d'une batterie d'un véhicule à motorisation électrique. Ce dispositif met en œuvre une boucle de climatisation véhiculant un fluide réfrigérant, et un circuit de refroidissement véhiculant un fluide caloporteur vers la batterie. Un échangeur thermique intermédiaire est interposé entre la boucle et le circuit. Le circuit de refroidissement est contrôlé par des moyens de régulation de la température du fluide caloporteur, dont la mise en œuvre est placée sous la dépendance de moyens de commande associés à des capteurs de température placés respectivement en entrée et en sortie de la batterie.
Inconvénients de l’art antérieur
Les solutions de l’art antérieur ne sont pas totalement satisfaisantes. Les solutions habituelles conduisent à une inhomogénéité du refroidissement, soit due à un gradient de température entre le port d’entrée et le port de sortie de la plaque froide d’une part, soit due à une mauvaise distribution du fluide à l’intérieur d’une plaque froide ou même entre les différentes plaques froides.
Par ailleurs, afin de permettre une bonne intégration dans la structure d’une batterie, il est avantageux de réduire au maximum l’épaisseur des plaques froides, ce qui, avec les débits requis, conduit à des pertes de charges importantes et donc une consommation énergétique élevée qui réduit l’autonomie du véhicule.
Solution apportée par l’invention
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un système de thermorégulation d’une source rechargeable d’électricité présentant une plage de température de fonctionnement nominale [Tcible_min ;Tcible_max], comportant :
  • Un échangeur thermique principal pour la captation de la chaleur de ladite batterie, présentant au moins un port d’entrée, au moins un port de sortie et un micro-évaporateur présentant une épaisseur inférieure à 2 millimètres, ledit micro-évaporateur présentant une chambre de section transversale d’une valeur moyenne constante sur toute sa longueur, et contenant un agencement régulier de colonnes définissant des canaux entrecroisés
  • Un fluide caloporteur présentant un équilibre liquide-vapeur sur au moins une partie de la plage de températures nominales [Tcible_min ;Tcible_max]
  • une pompe de circulation dudit fluide caloporteur en phase liquide
  • un échangeur thermique secondaire pour l’évacuation de la chaleur, disposé entre la sortie dudit échangeur thermique principal et l’entrée de ladite pompe
caractérisé en ce que, ledit système forme une boucle diphasique pompée telle que la différence entre la température dudit fluide au niveau dudit échangeur principal et la température dudit fluide au niveau dudit échangeur secondaire est inférieure à 10°C, et en ce que ledit fluide présente une masse volumique de vapeur saturée ρv, et une chaleur latente Lv telles que le produit ρv x Lv soit supérieur à 5000 kilojoules par mètre-cube à une température comprise dans l’intervalle [Tcible_min ;Tcible_max].
Selon des variantes de réalisation, l’invention concerne un tel système complété par une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises isolément ou en toute combinaison techniquement faisable :
  • la source d’électricité rechargeable est une batterie électrique à une température nominale Tcible, Tcibleétant compris entre 15°C et 35°C, comportant :
  • Un échangeur thermique principal pour la captation de la chaleur de ladite batterie, présentant au moins un port d’entrée, au moins un port de sortie et un micro-évaporateur présentant une épaisseur inférieure à 2 millimètres, ledit micro-évaporateur présentant une chambre de section transversale d’une valeur moyenne constante sur toute sa longueur, et contenant un agencement régulier de colonnes définissant des canaux entrecroisés
  • Un fluide caloporteur présentant un équilibre liquide-vapeur sur au moins une partie de la plage de températures nominales Tcible
  • une pompe de circulation dudit fluide caloporteur en phase liquide
  • un échangeur thermique secondaire pour l’évacuation de la chaleur, disposé entre la sortie dudit échangeur thermique principal et l’entrée de ladite pompe
caractérisé en ce que, ledit système forme une boucle diphasique pompée telle que la différence entre la température dudit fluide au niveau dudit échangeur principal et la température dudit fluide au niveau dudit échangeur secondaire est inférieure à 10°C, et en ce que ledit fluide présente une masse volumique de vapeur saturée ρv, et une chaleur latente Lv telles que le produit ρv x Lv soit supérieur à 5000 kilojoules par mètre-cube à 25°C.
  • la source d’électricité rechargeable est une pile à combustible à une température nominale Tcible, Tcibleétant compris entre 80°C et 200°C, comportant :
  • Un échangeur thermique principal pour la captation de la chaleur de ladite batterie, présentant au moins un port d’entrée, au moins un port de sortie et un micro-évaporateur présentant une épaisseur inférieure à 2 millimètres, ledit micro-évaporateur présentant une chambre de section transversale d’une valeur moyenne constante sur toute sa longueur, et contenant un agencement régulier de colonnes définissant des canaux entrecroisés
  • Un fluide caloporteur présentant un équilibre liquide-vapeur sur au moins une partie de la plage de températures nominales Tcible
  • une pompe de circulation dudit fluide caloporteur en phase liquide
  • un échangeur thermique secondaire pour l’évacuation de la chaleur, disposé entre la sortie dudit échangeur thermique principal et l’entrée de ladite pompe
caractérisé en ce que, ledit système forme une boucle diphasique pompée telle que la différence entre la température dudit fluide au niveau dudit échangeur principal et la température dudit fluide au niveau dudit échangeur secondaire est inférieure à 10°C, et en ce que ledit fluide présente une masse volumique de vapeur saturée ρv, et une chaleur latente Lv telles que le produit ρv x Lv soit supérieur à 5000 kilojoules par mètre-cube à 95°C.
- ledit fluide caloporteur est un fluide diélectrique.
- ledit fluide caloporteur présente une température d’ébullition inférieure à -25°C à la pression atmosphérique.
- ledit fluide caloporteur contient du 2,3,3,3-tétrafluoropropène appelé HFO-1234yf.
- ledit fluide caloporteur contient du dioxyde de carbone.
- ledit fluide caloporteur contient du (Z) ou (E) -1,1,1,4,4,4-Hexafluorobut-2-ène appelé HFO-1336mzz.
- ledit fluide caloporteur contient du du (Z) ou (E) - 1-chloro-3,3,3-trifluoroprop-1-ène appelé HFO-1233zd.
- ledit agencement régulier de colonnes définissant des canaux entrecroisés est constitué par une matrice de colonnes disposées en quinconce.
- lesdites colonnes présentent une section en forme de losange dont l’axe formé par la grande diagonale dudit losange est parallèle au flux dudit fluide.
- les colonnes constituent un motif argyle.
- ledit micro-évaporateur est réalisé par l’assemblage de tôles embouties pour former le motif de colonnes et de canaux entrecroisés.
- la ou lesdites tôles présentent une épaisseur de 0,15 mm ± 0,1mm.
- la largeur des canaux est comprise entre 0,1 mm et 1,5 mm, et de préférence entre 0,5 et 1 mm.
- la hauteur des canaux est comprise entre 0,1 mm et 1,5 mm, et de préférence entre 0,5 et 1 mm.
L’invention concerne aussi un bloc de batterie thermorégulé à une température nominale Tcible, Tcibleétant compris entre 15°C et 35°C, comportant une pluralité de cellules de batteries électriques caractérisé en ce que le système de refroidissement de thermorégulation comporte :
  • une pluralité d’échangeurs thermiques principaux pour la captation de la chaleur desdites cellules de batteries, présentant au moins un port d’entrée, au moins un port de sortie et un micro-évaporateur présentant une épaisseur inférieure à 2 millimètres, ledit micro-évaporateur présentant une section transversale d’une valeur moyenne constante sur toute sa longueur, et contenant un agencement régulier de colonnes définissant des canaux entrecroisés
  • Un fluide caloporteur présentant un équilibre liquide-vapeur sur au moins une partie de la plage de températures nominales Tcible
  • une pompe de circulation dudit fluide caloporteur en phase liquide
  • au moins un échangeur thermique secondaire pour l’évacuation de la chaleur, disposé entre la sortie dudit échangeur thermique principal et l’entrée de ladite pompe
  • ledit système formant en outre une boucle diphasique pompée telle que la différence entre la température dudit fluide au niveau dudit échangeur principal et la température dudit fluide au niveau dudit échangeur secondaire est inférieure à 10°C, et en ce que ledit fluide présente une masse volumique de vapeur saturée ρv, et une chaleur latente Lv telles que le produit ρv x Lv soit supérieur à 5000 kilojoules par mètre-cube à 25°C lesdits échangeurs thermiques principaux étant intercalés entre lesdites cellules de batterie.
Elle concerne aussi une source rechargeable d’électricité, comportant un système de thermorégulation susvisé caractérisé en ce que le système de thermorégulation comporte :
  • une pluralité d’échangeurs thermiques principaux pour la captation de la chaleur desdites cellules de batteries, présentant au moins un port d’entrée, au moins un port de sortie et un micro-évaporateur présentant une épaisseur inférieure à 2 millimètres, ledit micro-évaporateur présentant une section transversale d’une valeur moyenne constante sur toute sa longueur, et contenant un agencement régulier de colonnes définissant des canaux entrecroisés
  • un fluide caloporteur présentant un équilibre liquide-vapeur sur au moins une partie de la plage de températures nominales Tcible
  • une pompe de circulation dudit fluide caloporteur en phase liquide
  • au moins un échangeur thermique secondaire pour l’évacuation de la chaleur, disposé entre la sortie dudit échangeur thermique principal et l’entrée de ladite pompe
  • ledit système formant en outre une boucle diphasique pompée telle que la différence entre la température dudit fluide au niveau dudit échangeur principal et la température dudit fluide au niveau dudit échangeur secondaire est inférieure à 10°C, et en ce que ledit fluide présente une masse volumique de vapeur saturée ρv, et une chaleur latente Lv telles que le produit ρv x Lv soit supérieur à 5000 kilojoules par mètre-cube à 25°C, lesdits échangeurs thermiques principaux étant appliqués contre au moins deux parois latérales de la source d’électricité.
Elle concerne aussi un bloc de batteries thermorégulé à une température nominale Tcible, Tcibleétant compris entre 15°C et 35°C, comportant une pluralité de cellules de batteries associées à un système de thermorégulation susvisé caractérisé en ce que le système de thermorégulation comporte :
  • une pluralité d’échangeurs thermiques principaux pour la captation de la chaleur desdites cellules de batteries, présentant au moins un port d’entrée, au moins un port de sortie et un micro-évaporateur présentant une épaisseur inférieure à 2 millimètres, ledit micro-évaporateur présentant une section transversale d’une valeur moyenne constante sur toute sa longueur, et contenant un agencement régulier de colonnes définissant des canaux entrecroisés
  • un fluide caloporteur présentant un équilibre liquide-vapeur sur au moins une partie de la plage de températures nominales Tcible
  • une pompe de circulation dudit fluide caloporteur en phase liquide
  • au moins un échangeur thermique secondaire pour l’évacuation de la chaleur, disposé entre la sortie dudit échangeur thermique principal et l’entrée de ladite pompe
  • ledit système formant en outre une boucle diphasique pompée telle que la différence entre la température dudit fluide au niveau dudit échangeur principal et la température dudit fluide au niveau dudit échangeur secondaire est inférieure à 10°C, et en ce que ledit fluide présente une masse volumique de vapeur saturée ρv, et une chaleur latente Lv telles que le produit ρv x Lv soit supérieur à 5000 kilojoules par mètre-cube à 25°C,lesdits échangeurs thermiques principaux étant intercalés entre lesdites cellules de batterie.
L’invention concerne aussi une pile à combustible thermorégulée à une température nominale Tcible, Tcibleétant compris entre 80°C et 200°C, comportant une pluralité d’assemblages membrane-électrodes constitués de membranes échangeuses de proton et de plaques bipolaires associées à un système de thermorégulation susvisé caractérisé en ce que le système de refroidissement de thermorégulation comporte :
  • une pluralité d’échangeurs thermiques principaux pour la captation de la chaleur desdits assemblages membrane-électrodes, présentant au moins un port d’entrée, au moins un port de sortie et un micro-évaporateur présentant une épaisseur inférieure à 2 millimètres, ledit micro-évaporateur présentant une section transversale d’une valeur moyenne constante sur toute sa longueur, et contenant un agencement régulier de colonnes définissant des canaux entrecroisés
  • Un fluide caloporteur présentant un équilibre liquide-vapeur sur au moins une partie de la plage de températures nominales Tcible
  • une pompe de circulation dudit fluide caloporteur en phase liquide
  • au moins un échangeur thermique secondaire pour l’évacuation de la chaleur, disposé entre la sortie dudit échangeur thermique principal et l’entrée de ladite pompe
  • ledit système formant en outre une boucle diphasique pompée telle que la différence entre la température dudit fluide au niveau dudit échangeur principal et la température dudit fluide au niveau dudit échangeur secondaire est inférieure à 10°C, et en ce que ledit fluide présente une masse volumique de vapeur saturée ρv, et une chaleur latente Lv telles que le produit ρv x Lv soit supérieur à 5000 kilojoules par mètre-cube à 95°C, lesdits échangeurs thermiques principaux étant une partie desdites plaques bipolaires.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où :
la figure 1 représente une vue schématique d’un système de refroidissement avec une boucle intermédiaire à circulation de liquide selon l’état de la technique
la figure 2 représente une vue schématique d’un système de refroidissement sans boucle intermédiaire selon l’état de la technique
la figure 3 représente une vue schématique d’un système de refroidissement par plaque froide sous les cellules selon l’état de la technique
la figure 4 représente une vue schématique d’un système de refroidissement avec des plaques froides entre les cellules selon l’état de la technique
la figure 5 représente une vue schématique en coupe de la plaque froide micro-évaporateur selon l’invention
la figure 6 représente un tableau de caractéristiques de fluides caloporteurs
la figure 7 représente deux cycles pression-enthalpie en HFO-1234yf : un cycle à compression de vapeur et une boucle diphasique
la figure 8 représente le cycle pression-enthalpie avec une plaque froide en boucle diphasique pompée en HFO-1234yf
la figure 9 représente une vue schématique de dessus de la face d’alimentation de la plaque froide micro-évaporateur selon l’invention
la figure 10 représente une vue schématique en perspective d’une tôle emboutie pour la réalisation d’une plaque froide micro-évaporateur selon l’invention
les figures 11, 12 et 13 représentent des vues schématiques en coupe de divers modes de réalisation d’une plaque froide micro-évaporateur selon l’invention
la figure 14 représente une vue d’une plaque bipolaire de pile à combustible selon l’invention, avant assemblage des tôles.
Contexte de l’invention
La gestion thermique des batteries de véhicule électriques est un élément clé pour notamment permettre la recharge rapide de celles-ci. L’objectif est de recharger 80% d’une batterie de plusieurs dizaines de kilowatts heures, typiquement entre 40 et 80 % en moins de 10 minutes, soit un ratio puissance sur énergie de l’ordre de 7. Au cours de cette charge, le système de refroidissement doit évacuer entre 10 et 15 kW de pertes thermiques sans pour autant bénéficier d’un débit d’air, le véhicule étant à l’arrêt.
En plus de cet objectif de refroidissement général de la batterie pour maintenir une température moyenne sous 50°C et de préférence entre 15 et 35°C, le système de refroidissement doit également maintenir un écart maximum entre le point le plus froid du pack-batterie et le point le plus chaud de 5°C au plus.
Dans le cas d’un véhicule à pile à combustible, la batterie de celui-ci doit également être refroidie car elle est fortement sollicitée en charge (freinage régénératif) et décharge (appels de puissance) au regard de sa relative petite taille car elle compense le manque de réactivité de la pile à combustible. Quant à la pile elle-même, son rendement autour de 50% conduit à une forte génération de chaleur, certes à plus forte température que la batterie, mais tout aussi contraint en volume.
Rappel du fonctionnement de l’art antérieur
Les figures 1 et 2 illustrent les circuits de refroidissement que l’on retrouve sur la plupart des véhicules électriques (à l’exception de ceux, peu performants, refroidis par air).
La figure 1 détaille un système dans lequel la batterie (100) est refroidie par une boucle de fluide (114) pompé par une pompe (101). Le fluide échauffé après le passage dans la batterie (100) peut être distribué selon différents chemins selon qu’il faille réchauffer, refroidir au-dessus de la température ambiante ou refroidir en dessous de la température ambiante.
Le premier chemin est une recirculation facultativement équipée d’un dispositif (102) pour réchauffer le fluide, tel une résistance électrique ou un échangeur de chaleur d’une autre boucle de refroidissement du véhicule (moteur électrique, électronique de puissance, …).
Le second chemin passe par un échangeur (103) en face avant du véhicule facultativement équipé d’un ventilateur.
Le troisième chemin passe par l’évaporateur (110) d’un chiller, composé d’une vanne d’expansion (111), d’un condenseur (112) en face avant et d’un compresseur (113). Le fluide présent dans la boucle (114) peut être un mélange d’eau et de glycol, une huile (minérale, PAO, esther, …) ou un fluide réfrigérant (HFO, HCFO, HFE, PFPE, …).
Dans ce système, en fonctionnement monophasique, l’élévation de température du fluide de la boucle (114) dans la batterie (100) rend difficile le maintien de l’homogénéité de température de la batterie et impose de forts débits de circulation. Par ailleurs, les coefficients d’échanges thermiques attendus entre le fluide et la paroi d’échange dans la batterie sont de l’ordre de 200 W/m²/K.
La figure 2 montre un circuit simplifié dans lequel la batterie (100) est directement en contact avec l’évaporateur du refroidisseur. Le fluide qui est donc utilisé est un fluide réfrigérant. Ce dernier système permet une réduction de coût, de poids et de complexité. Cependant, il demande une conception et une mise au point lourde car il est difficile contrôler une circulation homogène du fluide réfrigérant diphasique à travers la totalité de la batterie. Ainsi l’homogénéité de la température de la batterie n’est pas parfaitement contrôlée bien que la température moyenne soit plus basse qu’avec un système présentant une boucle intermédiaire (114). De fait, il est donc réservé aux batteries simples et petites. Par ailleurs, les coefficients d’échanges thermiques attendus entre le fluide réfrigérant et la paroi d’échange dans la batterie sont élevés de l’ordre de 500 W/m²/K.
Les figures 3 et 4 illustrent deux modes de réalisation d’une batterie refroidie (100) par plaque froide. Un assemblage de cellules de batteries (200) est refroidi par au moins une plaque froide (201) en contact thermique avec des ailettes de refroidissement (204) situées entre les cellules (200). Cette au moins une plaque froide (201) peut être située sous les cellules (200), ou sur un des côtés, ou les deux. Les cellules (200) et les ailettes (204) peuvent être collées sur la plaque froide (201). En figure 4, les plaques froides (205) sont placées entre chaque cellule (200), ou toutes les deux cellules (200), et elles sont alimentées en liquide froid par un collecteur d’admission (202) et ledit liquide s’échappe par un collecteur d’échappement (203). Cette figure 4 correspond aussi au mode de refroidissement d’une pile à combustible dans laquelle les plaques bipolaires sont creuses et refroidies par de l’eau glycolée.
Circuit diphasique selon l’invention
Réalisation de la plaque froide
La figure 5 illustre une plaque froide (300) vue en coupe. Cette plaque froide (300) peut être utilisée comme plaque froide dans les exemples des figures 3 (201) et 4 (205). Cette plaque froide (300) est un micro-évaporateur car son épaisseur est typiquement de 1 mm et elle est refroidie par l’évaporation du fluide circulant. Elle est composée d’un ensemble de colonnes (301) destinées à éviter une évaporation explosive et la formation de trains de liquides tels que décrit dans le brevet US8475626 (B2). Le fluide rentre dans la plaque froide avec un sous-refroidissement aussi faible que possible, typiquement 3°C. Il commence par s’échauffer jusqu’à atteindre sa température de saturation puis il s’évapore. Le débit est ajusté afin de ne jamais atteindre une évaporation complète mais plutôt de sortir de la plaque froide avec une fraction de vapeur entre 10 et 50%, idéalement autour de 30%.
Caractéristiques du fluide caloporteur
Le tableau 6 donne quelques propriétés d’une sélection de fluides réfrigérants classiques. Pour l’application de refroidissement de batterie visée, le fluide de refroidissement doit être un fluide présentant un potentiel de déplétion ozonique de zéro ainsi qu’un potentiel de réchauffement global (PRG) faible impérativement inférieur à 150 et de préférence inférieur à 10. De plus, ce fluide doit être faiblement toxique : des mélanges à base d’ammoniac sont peu concevables. Par ailleurs, il doit être peu inflammable : le propane n’est par exemple pas acceptable et le HFO-1234yf, pourtant difficilement inflammable, utilisé actuellement en climatisation automobile, a été difficilement autorisé en remplacement du R134a interdit car ce dernier présentait un PRG supérieur à 150. Enfin, ce fluide doit être de préférence diélectrique afin d’éviter un court-circuit dans la batterie en cas de fuite.
Le calcul des performances de refroidissement dans le micro-évaporateur (300) montrent, qu’autour de 25°C, température de refroidissement visée pour cette application, l’évaporation partielle du réfrigérant permet, après avoir atteint sa température d’évaporation, d’obtenir des coefficients de transfert de chaleur très élevés, de l’ordre de 500 à 1000 W/m²/K, et une température sensiblement constante. En effet, la température d’évaporation ne dépend que de la pression qui diminue à cause de pertes de charges au fur et à mesure que le fluide circule dans la plaque froide. Afin de garantir une bonne homogénéité de température de la batterie, il est critique de garantir une température homogène de la plaque froide et ainsi il faut limiter la perte de charge dans la plaque froide. Cependant, pour des raisons de compacité, il est souhaitable de réduire l’épaisseur de la plaque froide (300) autant que possible. Réduire l’épaisseur du passage du fluide en évaporation sans provoquer des trains de liquide est possible grâce au réseau de colonnes (301) tel qu’illustré sur la figure 5. Enfin, la formation de vapeur au long de la plaque froide réduit la densité du fluide et peut provoquer des pertes de charges importantes qui feront varier la température d’évaporation et empêcheront de garder l’homogénéité en température de la batterie. Le fluide utilisé doit donc présenter une vapeur suffisamment dense énergétiquement sur une plage de température autour de 25°C.
La densité d’énergie de la vapeur saturée du fluide correspond au produit de sa densité de vapeur saturée à la température donnée par sa chaleur latente à la même température.
Ainsi, à 25°C, le HFO-1234yf possède une densité énergétique de vapeur saturée de 5500 kJ/m3, le CO2 quant à lui est à 29 000 kJ/m3 et un mélange eau et éthylène glycol à 50% présente 1 kJ/m3. A 0°C, le HFO-1234yf est à 2 880 kJ/m3. Les fluides tels le R1336mzz(Z) ou R1233zd(E) répondent pourtant aux précédents critères, mais leurs vapeurs sont trop peu denses énergétiquement, respectivement de 860 et 1380 kJ/m3. Le HFO-1234yf et le CO2 permettent d’obtenir l’effet technique souhaité. Le faible débit volumique requis par ces 2 fluides engendre peu de pertes de charge dans le micro-évaporateur et la température d’évaporation y est donc quasiment constante.
Cependant, un dernier critère rentre en jeu pour sélectionner le bon fluide pour cette application. La gamme de pression de saturation vue par le système, en particulier lorsque celui-ci est à l’arrêt et subit une température ambiante variable entre -30°C et 55°C. Le HFO-1234yf voit sa pression de saturation varier entre 1 barA et 15 barA respectivement, tandis que le CO2 démarre à 14 barA et atteint sa pression critique de 74barA dès 31°C. Cette plage de pressions très élevées pour le CO2 est un inconvénient important pour ce fluide dans une application où l’on cherche la légèreté et pour laquelle le poids des matériaux reflète le coût de production des pièces en grande série. Par ailleurs, le fait de rester au-dessus de 1barA jusqu’à -30°C est un avantage clair du HFO-1234yf car cela évite la pénétration d’air dans le système ce qui pourrait déclencher un vieillissement prématuré du fluide par oxydation ou par dissolution d’eau. Ainsi, de manière surprenante, le HFO-1234yf semble être le fluide le plus adapté à cette application. Ainsi afin d’améliorer les performances de système de refroidissement décrit en figure 1, l’utilisation du HFO-1234yf dans la boucle (114) avec une plaque froide de type micro-évaporateur (300) permet de contrôler la température moyenne du pack de batterie et de garantir une meilleure homogénéité en température de celui-ci.
La figure 7 décrit le fonctionnement de deux cycles sur le diagramme pression-enthalpie du fluide HFO-1234yf. Le cycle à compression de vapeur, formé par les points 500, 501, 502 et 503, est utilisé dans les climatisations ou les refroidisseurs tels que celui des figures 1 et 2. Ce cycle permet de refroidir en dessous de la température ambiante, il est donc nécessaire pour garder la batterie entre 15 et 35°C en climat chaud. Le cycle formé par les points 600, 601, 602 et 603 décrit une boucle diphasique pompée, selon l’invention. Il s’agit du cycle décrit par la boucle (114) lors de l’utilisation du HFO-1234yf et du micro-évaporateur (300) pour refroidir la batterie. La figure 8 zoome sur ce dernier cycle. La pompe (101) permet de faire passer le fluide de l’état 600 à 601. Les pertes de charge à l’admission du micro-évaporateur (300) puis l’échauffement, suivi de l’évaporation du fluide dans le micro-évaporateur portent le fluide à l’état 602. L’échappement du fluide suivi de la circulation dans diverses canalisations et vannes apportent une perte de charge sensiblement isenthalpique amenant le fluide à l’état 603. Enfin, le passage dans l’échangeur de chaleur 103 (ou 110 selon la température ambiante) permet de ramener le fluide à l’état initial 600.
Réalisation du micro-évaporateur
La figure 9 illustre la plaque froide (300) qui comporte une entrée (302) et une sortie (303). Les dimensions typiques d’une telle plaque froide sont liées à la taille des cellules de batterie. Par exemple, une cellule prismatique rigide ou souple utilisée pour l’automobile présente les dimensions suivantes : 70 à 150mm de hauteur, 150 à 300 mm de largeur et 20 à 25mm d’épaisseur. Un module de batterie contient par exemple 12 à 24 cellules. En conséquence, les plaques froides pour cette application sont de taille variable, depuis 70mm de hauteur par 150mm de longueur jusqu’ à plus de 300mm de large par 600mm de long, voire 600mm par 900mm. De plus, l’épaisseur de cette plaque froide est constituée par des feuilles d’aluminium d’une épaisseur typique de 0.1 mm et par un passage réservé au fluide qui est optimisé selon l’application avec une hauteur généralement comprise entre 0.5mm et 1.5mm. Ainsi l’épaisseur de la plaque froide (300) est souvent comprise entre 1mm et 2mm.
La figure 10 montre une coupe de la plaque froide (300). Celle-ci présente une tôle (307) présentant un réseau de colonnes (301) formées dans une ou deux plaques, typiquement en aluminium, jointes ensemble par les sommets (304) desdites colonnes. Les colonnes peuvent être formées par emboutissage et l’assemblage peut être réalisé par brasage qui garantit l’étanchéité de la chambre d’évaporation ainsi formée. Afin de présenter une surface plane, cet assemblage de tôles métalliques est surmoulé par du plastique (305). Celui-ci peut notamment être chargé en particules conductrices thermiques (graphite, alumine, …) pour dissiper le flux de chaleur plus efficacement.
Alternativement, figure 11, une tôle métallique (306) peut être brasée ou collée pour remplacer ou recouvrir le surmoulage (305) en présentant une surface plane avec de meilleurs coefficients de conduction. Alternativement, figure 12, une seule des deux tôles (307) peut être formée de colonnes et assemblée sur une tôle plane (308). Alternativement, figure 13, la tôle formée de colonnes (307) peut être enfermée dans une chambre délimitée par deux tôles planes (310 et 311) assemblées de manière étanche entre elles.
Application sur une pile à combustible
La figure 14 présente une alternative de la plaque froide (300) formée pour servir de plaque bipolaire (400) dans une pile à combustible. Les faces de la plaque bipolaire (400) sont travaillées pour permettre la circulation de gaz et de liquide, d’un côté de l’air humide et de l’autre un réactif tel de l’hydrogène, du méthane, du méthanol… Le cheminement de ces fluides doit permettre de balayer toute la surface de la plaque (400) avec le moins de pertes de charge possible. La figure 14 propose un exemple de réalisation dans laquelle un ensemble de serpentins (407) relient un port d’entrée (403 et 405) à un port de sortie (404 et 406) de part et d’autre de la plaque (400). La plaque bipolaire (400) possède en sus un dispositif de refroidissement formé par la chambre d’évaporation étanche composée par un port d’entrée (401), le micro-évaporateur disposant un réseau régulier de colonnes (301) et d’un port de sortie (402). Le cheminement (407) est formé lors de l’emboutissage des colonnes. Il est moins profond de sorte à ne pas boucher la chambre d’évaporation. Sa profondeur est typiquement inférieure à la moitié de l’épaisseur de la chambre d’évaporation afin de ménager un cheminement de part et d’autre de la plaque (400) sans obstruer la chambre d’évaporation. Le cheminement (407) peut notamment relier les creux formés par l’envers des colonnes afin réduire les pertes de charges tout en distribuant les fluides au mieux sur toute la surface.
Ensuite, la pile à combustible est constituée par l’assemblage de cette plaque bipolaire (400) avec une membrane et la répétition de cet assemblage. Les 3 fluides : air, réactif et fluide caloporteur, circulent dans 3 réseaux distincts dont l’étanchéité vis-à-vis d’eux-mêmes et vis-à-vis de l’extérieur est réalisée par des joints appliqués sur les plaques bipolaires ou par le brasage des plaques entre elles. La température idéale des piles à combustibles à échange de protons est variable notamment en fonction de la membrane utilisée. Certaines piles sont dites à basse température fonctionnant typiquement entre 0 et 80°C. D’autres sont dites à haute température et fonctionnent entre 120 et 200°C.Le fluide idéal pour ces piles est donc potentiellement différent de celui choisi pour les batteries. Cependant exactement les mêmes critères s’appliquent, seule la température cible est plus haute typiquement autour de 80 à 200°C selon la pile considérée. De ce fait, de nouveaux fluides peuvent être pertinents tels les HFO-1233zd et HFO-1336mzz qui possèdent tous deux une densité énergétique de vapeur saturée supérieure à 5000 kJ/m3 à 95°C.

Claims (19)

  1. Système de thermorégulation d’une source rechargeable d’électricité présentant une plage de température de fonctionnement nominale [Tcible _min ;Tcible_max], comportant :
    • un échangeur thermique principal pour la captation de la chaleur de ladite source rechargeable d’électricité, présentant au moins un port d’entrée (403, 405), au moins un port de sortie (404, 406) et un micro-évaporateur (300, 400) présentant une épaisseur inférieure à 2 millimètres, ledit micro-évaporateur présentant une chambre de section transversale d’une valeur moyenne constante sur toute sa longueur, et comportant un agencement de colonnes définissant des canaux entrecroisés
    • un fluide caloporteur présentant un équilibre liquide-vapeur sur au moins une partie de la plage de températures nominales [Tcible_min ;Tcible_max]
    • une pompe de circulation dudit fluide caloporteur en phase liquide
    • un échangeur thermique secondaire pour l’évacuation de la chaleur, disposé entre la sortie dudit échangeur thermique principal et l’entrée de ladite pompe
    caractérisé en ce que, ledit système forme une boucle diphasique pompée telle que la différence entre la température dudit fluide au niveau dudit échangeur principal et la température dudit fluide au niveau dudit échangeur secondaire est inférieure à 10°C, et en ce que ledit fluide présente une masse volumique de vapeur saturée ρv, et une chaleur latente Lv telles que le produit ρv x Lv soit supérieur à 5000 kilojoules par mètre-cube à une température comprise dans l’intervalle [Tcible_min ;Tcible_max].
  2. Système de thermorégulation d’une cellule de batterie électrique à une température nominale Tcible, Tcibleétant compris entre 15°C et 35°C, selon la revendication 1, comportant :
    • un échangeur thermique principal pour la captation de la chaleur de ladite batterie, présentant au moins un port d’entrée, au moins un port de sortie et un micro-évaporateur présentant une épaisseur inférieure à 2 millimètres, ledit micro-évaporateur présentant une chambre de section transversale d’une valeur moyenne constante sur toute sa longueur, et contenant un agencement régulier de colonnes définissant des canaux entrecroisés
    • un fluide caloporteur présentant un équilibre liquide-vapeur sur au moins une partie de la plage de températures nominales Tcible
    • une pompe de circulation dudit fluide caloporteur en phase liquide
    • un échangeur thermique secondaire pour l’évacuation de la chaleur, disposé entre la sortie dudit échangeur thermique principal et l’entrée de ladite pompe
    caractérisé en ce que, ledit système forme une boucle diphasique pompée telle que la différence entre la température dudit fluide au niveau dudit échangeur principal et la température dudit fluide au niveau dudit échangeur secondaire est inférieure à 10°C, et en ce que ledit fluide présente une masse volumique de vapeur saturée ρv, et une chaleur latente Lv telles que le produit ρv x Lv soit supérieur à 5000 kilojoules par mètre-cube à 25°C.
  3. Système de thermorégulation d’une pile à combustible à une température nominale Tcible, Tcibleétant compris entre 80°C et 200°C, selon la revendication 1, comportant :
    • un échangeur thermique principal pour la captation de la chaleur de ladite batterie, présentant au moins un port d’entrée, au moins un port de sortie et un micro-évaporateur présentant une épaisseur inférieure à 2 millimètres, ledit micro-évaporateur présentant une chambre de section transversale d’une valeur moyenne constante sur toute sa longueur, et contenant un agencement régulier de colonnes définissant des canaux entrecroisés
    • un fluide caloporteur présentant un équilibre liquide-vapeur sur au moins une partie de la plage de températures nominales Tcible
    • une pompe de circulation dudit fluide caloporteur en phase liquide
    • un échangeur thermique secondaire pour l’évacuation de la chaleur, disposé entre la sortie dudit échangeur thermique principal et l’entrée de ladite pompe
    caractérisé en ce que, ledit système forme une boucle diphasique pompée telle que la différence entre la température dudit fluide au niveau dudit échangeur principal et la température dudit fluide au niveau dudit échangeur secondaire est inférieure à 10°C, et en ce que ledit fluide présente une masse volumique de vapeur saturée ρv, et une chaleur latente Lv telles que le produit ρv x Lv soit supérieur à 5000 kilojoules par mètre-cube à 95°C.
  4. Système de thermorégulation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur est un fluide diélectrique.
  5. Système de thermorégulation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur présente une température d’ébullition inférieure à -25°C à la pression atmosphérique.
  6. Système de thermorégulation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur contient du 2,3,3,3-tétrafluoropropène appelé HFO-1234yf.
  7. Système de thermorégulation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur contient du dioxyde de carbone.
  8. Système de thermorégulation selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur contient du (Z) ou (E) -1,1,1,4,4,4-Hexafluorobut-2-ène appelé HFO-1336mzz.
  9. Système de thermorégulation selon la revendication 3 caractérisé en ce que ledit fluide caloporteur contient du du (Z) ou (E) -1-chloro-3,3,3-trifluoroprop-1-ène appelé HFO-1233zd.
  10. Système de thermorégulation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit agencement régulier de colonnes définissant des canaux entrecroisés est constitué par une matrice de colonnes disposées en quinconce.
  11. Système de thermorégulation selon la revendication précédente caractérisé en ce que lesdites colonnes présentent une section en forme de losange dont l’axe formé par la grande diagonale dudit losange est parallèle au flux dudit fluide.
  12. Système de thermorégulation selon la revendication précédente caractérisé en ce que les colonnes constituent un motif argyle.
  13. Système de thermorégulation selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit micro-évaporateur est réalisé par l’assemblage de tôles embouties pour former le motif de colonnes et de canaux entrecroisés.
  14. Système de thermorégulation selon la revendication précédente caractérisé en ce que la ou lesdites tôles présentent une épaisseur de 0,15 mm ± 0,1mm.
  15. Système de thermorégulation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la largeur des canaux est comprise entre 0,1 mm et 1,5 mm, et de préférence entre 0,5 et 1 mm.
  16. Système de thermorégulation selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que la hauteur des canaux est comprise entre 0,1 mm et 1,5 mm, et de préférence entre 0,5 et 1 mm.
  17. Source rechargeable d’électricité, comportant un système de thermorégulation conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que le système de thermorégulation comporte :
    • une pluralité d’échangeurs thermiques principaux pour la captation de la chaleur desdites cellules de batteries, présentant au moins un port d’entrée, au moins un port de sortie et un micro-évaporateur présentant une épaisseur inférieure à 2 millimètres, ledit micro-évaporateur présentant une section transversale d’une valeur moyenne constante sur toute sa longueur, et contenant un agencement régulier de colonnes définissant des canaux entrecroisés
    • un fluide caloporteur présentant un équilibre liquide-vapeur sur au moins une partie de la plage de températures nominales Tcible
    • une pompe de circulation dudit fluide caloporteur en phase liquide
    • au moins un échangeur thermique secondaire pour l’évacuation de la chaleur, disposé entre la sortie dudit échangeur thermique principal et l’entrée de ladite pompe
    • ledit système formant en outre une boucle diphasique pompée telle que la différence entre la température dudit fluide au niveau dudit échangeur principal et la température dudit fluide au niveau dudit échangeur secondaire est inférieure à 10°C, et en ce que ledit fluide présente une masse volumique de vapeur saturée ρv, et une chaleur latente Lv telles que le produit ρv x Lv soit supérieur à 5000 kilojoules par mètre-cube à 25°C, lesdits échangeurs thermiques principaux étant appliqués contre au moins deux parois latérales de la source d’électricité.
  18. Bloc de batterie thermorégulé à une température nominale Tcible, Tcibleétant compris entre 15°C et 35°C, comportant une pluralité de cellules de batteries associées à un système de thermorégulation conforme à la revendication 2 caractérisé en ce que le système de thermorégulation comporte :
    • une pluralité d’échangeurs thermiques principaux pour la captation de la chaleur desdites cellules de batteries, présentant au moins un port d’entrée, au moins un port de sortie et un micro-évaporateur présentant une épaisseur inférieure à 2 millimètres, ledit micro-évaporateur présentant une section transversale d’une valeur moyenne constante sur toute sa longueur, et contenant un agencement régulier de colonnes définissant des canaux entrecroisés
    • un fluide caloporteur présentant un équilibre liquide-vapeur sur au moins une partie de la plage de températures nominales Tcible
    • une pompe de circulation dudit fluide caloporteur en phase liquide
    • au moins un échangeur thermique secondaire pour l’évacuation de la chaleur, disposé entre la sortie dudit échangeur thermique principal et l’entrée de ladite pompe
    • ledit système formant en outre une boucle diphasique pompée telle que la différence entre la température dudit fluide au niveau dudit échangeur principal et la température dudit fluide au niveau dudit échangeur secondaire est inférieure à 10°C, et en ce que ledit fluide présente une masse volumique de vapeur saturée ρv, et une chaleur latente Lv telles que le produit ρv x Lv soit supérieur à 5000 kilojoules par mètre-cube à 25°C,lesdits échangeurs thermiques principaux étant intercalés entre lesdites cellules de batterie.
  19. Pile à combustible thermorégulée à une température nominale Tcible, Tcibleétant compris entre 80°C et 200°C, comportant une pluralité d’assemblages membrane-électrodes constitués de membranes échangeuses de proton et de plaques bipolaires associées à un système de thermorégulation conformes à la revendication 3 caractérisé en ce que le système de refroidissement de thermorégulation comporte :
    • une pluralité d’échangeurs thermiques principaux pour la captation de la chaleur desdits assemblages membrane-électrodes, présentant au moins un port d’entrée, au moins un port de sortie et un micro-évaporateur présentant une épaisseur inférieure à 2 millimètres, ledit micro-évaporateur présentant une section transversale d’une valeur moyenne constante sur toute sa longueur, et contenant un agencement régulier de colonnes définissant des canaux entrecroisés
    • Un fluide caloporteur présentant un équilibre liquide-vapeur sur au moins une partie de la plage de températures nominales Tcible
    • une pompe de circulation dudit fluide caloporteur en phase liquide
    • au moins un échangeur thermique secondaire pour l’évacuation de la chaleur, disposé entre la sortie dudit échangeur thermique principal et l’entrée de ladite pompe
    • ledit système formant en outre une boucle diphasique pompée telle que la différence entre la température dudit fluide au niveau dudit échangeur principal et la température dudit fluide au niveau dudit échangeur secondaire est inférieure à 10°C, et en ce que ledit fluide présente une masse volumique de vapeur saturée ρv, et une chaleur latente Lv telles que le produit ρv x Lv soit supérieur à 5000 kilojoules par mètre-cube à 95°C, lesdits échangeurs thermiques principaux étant une partie desdites plaques bipolaires.
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