FR3100608A1 - Thermal management system for electrical component - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système de gestion thermique (1) pour composant électrique (101) susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement; notamment pour un module de stockage d’énergie électrique, comprenant : - au moins un logement (2) destiné à recevoir au moins un composant électrique, ledit logement (2) étant délimité par, au moins une face latérale (4) et une face de fond (5); - au moins une plaque d’échange thermique (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8) s’étendant sur au moins une partie de la surface d’une face latérale (4), ladite au moins une plaque comprenant une pluralité de canaux de fluide caloporteur positionnés parallèles entre eux et agencés de sorte que le sens de la circulation du fluide caloporteur est alterné selon une direction verticale entre une entrée de fluide (22) et une sortie de fluide (23) de ladite plaque (10); - un conduit d’arrivée (30) configuré pour alimenter en parallèle ladite au moins une plaque en fluide caloporteur et un conduit d’évacuation (31) configuré pour collecter le fluide à la sortie de ladite au moins une plaque, l’entrée principale (32) et la sortie principale (33) desdits conduits étant positionnées par rapport aux entrées (22) et sorties (23) de fluide des plaques de sorte que la longueur parcourue par le fluide caloporteur depuis l’entrée principale (32) jusqu’à la sortie principale (33) est identique pour chacune des plaques (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8). Fig. 1The present invention relates to a thermal management system (1) for an electrical component (101) capable of releasing heat during its operation; in particular for an electrical energy storage module, comprising: - at least one housing (2) intended to receive at least one electrical component, said housing (2) being delimited by at least one side face (4) and one face bottom (5); - at least one heat exchange plate (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8) extending over at least part of the surface of a side face (4), said at least one plate comprising a plurality of coolant fluid channels positioned parallel to each other and arranged so that the direction of circulation of the coolant fluid is alternated in a vertical direction between a fluid inlet (22) and a fluid outlet (23) of said plate (10); - an inlet duct (30) configured to supply in parallel said at least one plate with heat transfer fluid and an evacuation duct (31) configured to collect the fluid at the outlet of said at least one plate, the main inlet (32) and the main outlet (33) of said conduits being positioned relative to the fluid inlets (22) and outlets (23) of the plates so that the length traveled by the heat transfer fluid from the main inlet (32) to at the main outlet (33) is identical for each of the plates (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8). Fig. 1
Description
La présente invention concerne un système de gestion thermique pour composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement. Le système de gestion thermique de la présente invention est particulièrement adapté pour refroidir ou chauffer un dispositif de stockage d’énergie électrique, notamment une batterie électrique destinée à équiper un véhicule automobile.The present invention relates to a thermal management system for an electrical component capable of releasing heat during its operation. The thermal management system of the present invention is particularly suitable for cooling or heating an electrical energy storage device, in particular an electric battery intended to equip a motor vehicle.
Les éléments électroniques, que ce soient des cellules de stockage d’énergie électrique, circuits intégrés, serveurs, centres de données, etc nécessitent une régulation thermique afin de les maintenir dans leur plage de température de fonctionnement.Electronic elements, whether electrical energy storage cells, integrated circuits, servers, data centers, etc. require thermal regulation in order to maintain them within their operating temperature range.
Les centres de données à travers le monde représentent actuellement 10% de la consommation mondial en électricité. L’avènement des technologies “chaînes de blocs” (Blockchain) et 5G, font que ce pourcentage pourrait augmenter drastiquement dans les prochaines années. La moitié au moins de cette consommation provient des systèmes de refroidissement de ces centres de données. Actuellement la majorité des centres de données sont refroidies par air en refroidissant l’air ambiant des salles de stockage par des dispositifs de climatisation. La température de fonctionnement optimale pour les data center est comprise entre 5°C et 40°C, plus particulièrement autour de 27°C. Prenant en considération que l’air présente une conductivité très faible, afin de refroidir suffisamment les éléments électroniques, ceux-ci pouvant atteindre des températures dépassant les 60°C, la différence de température entre l’air et les éléments électroniques à refroidir doit être importante et par conséquent ce genre de dispositif est très énergivore.Data centers around the world currently represent 10% of global electricity consumption. The advent of “blockchain” and 5G technologies means that this percentage could increase drastically in the coming years. At least half of this consumption comes from the cooling systems of these data centers. Currently the majority of data centers are air-cooled by cooling the ambient air of the storage rooms by air conditioning devices. The optimal operating temperature for data centers is between 5°C and 40°C, more particularly around 27°C. Taking into consideration that air has a very low conductivity, in order to sufficiently cool the electronic elements, which can reach temperatures exceeding 60°C, the temperature difference between the air and the electronic elements to be cooled must be important and therefore this type of device is very energy-intensive.
Dans le domaine automobile par exemple, il est connu de mettre en œuvre des batteries électriques sous forme de modules électroniques susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement Chaque module peut comporter une pluralité de cellules électronique susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement reçues dans un boîtier. Les cellules de stockage d’énergie à haute densité telles que les batteries Li-ion ou Li-polymère ont idéalement besoin de fonctionner dans une plage de température entre 20°C et 40°C, et une température trop basse impacte leur autonomie alors qu’une température trop haute impacte leur durée de vie. Il est donc nécessaire de pouvoir les réguler thermiquement que ce soit pour les refroidir ou les réchauffer.In the automotive field for example, it is known to implement electric batteries in the form of electronic modules capable of releasing heat in operation. Each module may comprise a plurality of electronic cells capable of releasing heat in operation received in a housing. High density energy storage cells such as Li-ion or Li-polymer batteries ideally need to operate in a temperature range between 20°C and 40°C, and too low a temperature impacts their autonomy while too high a temperature affects their lifespan. It is therefore necessary to be able to regulate them thermally, whether to cool or heat them.
On entend par cellules unitaires, un élément électrochimique individuel muni d’une borne positive et d’une borne négative.By unit cells is meant an individual electrochemical element provided with a positive terminal and a negative terminal.
On entend par module de batterie, un ensemble comprenant plusieurs cellules unitaires contenues dans un boîtier, les cellules étant électriquement raccordées entre elles.The term “battery module” is understood to mean an assembly comprising several unit cells contained in a casing, the cells being electrically connected to each other.
Pendant la phase de charge, le module ou cellules de batterie s’échauffent selon les conditions d’utilisation et il est connu de réguler la température au moyen d’échangeurs thermiques à plaques en contact avec les modules et dans lesquels sont réalisés des canaux de circulation d’un liquide de refroidissement.During the charging phase, the battery module or cells heat up depending on the conditions of use and it is known to regulate the temperature by means of plate heat exchangers in contact with the modules and in which are made circulation of a coolant.
Une solution connue pour réguler la température de la batterie consiste à placer une plaque traversée par un fluide caloporteur sous les modules, en contact avec une seule face des modules. Cette solution de refroidissement n’est pas optimale en termes de surface d’échange thermique et n’est pas très adaptée dans l’utilisation actuelle des batteries où les constructeurs de véhicule automobile ont tendance à augmenter la puissance de charge des véhicules électriques afin de réduire autant que possible la durée de la charge. Cette charge rapide implique une augmentation de pertes thermiques du module, nécessitant un échange thermique plus important.A known solution for regulating the temperature of the battery consists of placing a plate through which a heat transfer fluid passes under the modules, in contact with only one face of the modules. This cooling solution is not optimal in terms of heat exchange surface and is not very suitable in the current use of batteries where motor vehicle manufacturers tend to increase the charging power of electric vehicles in order to reduce the charging time as much as possible. This rapid charge involves an increase in thermal losses of the module, requiring a greater thermal exchange.
Dans l’optique d’augmenter la surface d’échange thermique, le document US2017176108 décrit un échangeur de chaleur pour une batterie qui comprend des premier et deuxième panneaux de transport de fluide, définissant des premier et deuxième canaux d'écoulement, les premier et deuxième panneaux de transport de fluide étant agencés en définissant un angle entre eux. L'échangeur de chaleur peut également comprendre un troisième panneau de transport de fluide définissant un troisième canal d'écoulement et étant agencé en définissant un angle par rapport au deuxième panneau de transport de fluide. L'échangeur de chaleur comprend des première et seconde plaques reliées de manière étanche ensemble le long de leurs périphéries et définissant un passage d'écoulement de fluide entre leurs zones d'écoulement de fluide centrales.With a view to increasing the heat exchange surface, the document US2017176108 describes a heat exchanger for a battery which comprises first and second fluid transport panels, defining first and second flow channels, the first and second fluid transport panels being arranged defining an angle therebetween. The heat exchanger may also include a third fluid transport panel defining a third flow channel and being arranged at an angle to the second fluid transport panel. The heat exchanger includes first and second plates sealed together along their peripheries and defining a fluid flow passage between their central fluid flow areas.
Problème techniqueTechnical problem
La solution proposée dans le document US2017176108 n’est pas optimale en termes d’agencement structurel. En effet, l’échangeur de chaleur se présente sous la forme d’une enceinte à trois panneaux dans lequel sont reçues les cellules. Il est difficile de l’adapter à d’autres formes de batteries, notamment dans le cas où les cellules sont agencées pur former plusieurs rangées de modules. En outre, la solution telle que proposée ne permet pas par exemple de venir refroidir les cellules qui sont situées au centre de la batterie électrique.The solution proposed in document US2017176108 is not optimal in terms of structural arrangement. Indeed, the heat exchanger is in the form of a three-panel enclosure in which the cells are received. It is difficult to adapt it to other forms of batteries, especially in the case where the cells are arranged to form several rows of modules. In addition, the solution as proposed does not allow for example to cool the cells which are located in the center of the electric battery.
Un autre problème rencontré dans ce type de solution de refroidissement est dû au fait que la circulation du fluide n’est pas optimisée, entraînant un refroidissement inhomogène des cellules, créant ainsi un gradient thermique entre cellules, qui pourrait à terme entraîner un disfonctionnement de la batterie lié à des pertes d’intégrité de certaines cellules.Another problem encountered in this type of cooling solution is due to the fact that the circulation of the fluid is not optimized, leading to inhomogeneous cooling of the cells, thus creating a thermal gradient between cells, which could ultimately lead to malfunction of the battery linked to loss of integrity of certain cells.
Il serait donc intéressant de disposer d’un système de gestion thermique qui soit simple dans sa conception et dans son mode opératoire, adapté à refroidir une batterie quel que soit l’arrangement de cellules, avec une circulation optimisée du fluide afin de proposer une répartition en température la plus homogène possible pour chaque cellule, tout en augmentant la surface d’échange thermique et tout en garantissant une compacité de la batterie.It would therefore be interesting to have a thermal management system that is simple in its design and in its operating mode, suitable for cooling a battery regardless of the arrangement of cells, with optimized circulation of the fluid in order to propose a distribution in the most homogeneous temperature possible for each cell, while increasing the heat exchange surface and while guaranteeing the compactness of the battery.
Il est proposé un système de gestion thermique pour composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement; notamment pour un module de stockage d’énergie électrique, comprenant :
- au moins un logement destiné à recevoir au moins un composant électrique, ledit logement étant délimité par, au moins une face latérale et une face de fond;
- au moins une plaque d’échange thermique s’étendant sur au moins une partie de la surface de la face latérale, ladite au moins une plaque comprenant une pluralité de canaux de fluide caloporteur positionnés parallèles entre eux et agencés de sorte que le sens de la circulation du fluide caloporteur est alterné selon une direction verticale entre une entrée de fluide et une sortie de fluide de ladite plaque;
- un conduit d’arrivée configuré pour alimenter en parallèle ladite au moins une plaque en fluide caloporteur et un conduit d’évacuation configuré pour collecter le fluide à la sortie de ladite au moins une plaque, lesdits conduits d’arrivée et d’évacuation comprenant respectivement une entrée principale d’arrivée et une sortie principale d’évacuation, l’entrée principale et la sortie principale étant positionnées par rapport aux entrées et sorties de fluide des plaques de sorte que la longueur parcourue par le fluide caloporteur depuis l’entrée principale jusqu’à la sortie principale est identique pour chacune des plaques.There is proposed a thermal management system for an electrical component capable of releasing heat during its operation; in particular for an electrical energy storage module, comprising:
- At least one housing intended to receive at least one electrical component, said housing being delimited by at least one side face and one bottom face;
- at least one heat exchange plate extending over at least part of the surface of the lateral face, said at least one plate comprising a plurality of coolant fluid channels positioned parallel to each other and arranged so that the direction of the circulation of the heat transfer fluid is alternated in a vertical direction between a fluid inlet and a fluid outlet of said plate;
- an inlet duct configured to supply said at least one plate in parallel with heat transfer fluid and an evacuation duct configured to collect the fluid at the outlet of said at least one plate, said inlet and evacuation ducts comprising respectively a main arrival inlet and a main evacuation outlet, the main inlet and the main outlet being positioned with respect to the fluid inlets and outlets of the plates so that the length traveled by the heat transfer fluid from the main inlet to the main output is identical for each of the plates.
Grâce à l’agencement spécifique des canaux dans la plaque, le sens de la circulation du fluide caloporteur est alterné dans le sens de la hauteur de la plaque. Plus précisément, la circulation alterne entre un canal froid et un canal chaud dans le sens de la hauteur de la plaque. Le module est formé d’une pluralité de cellules positionnées verticalement. Chaque cellule voit, en termes thermiques, le canal froid et le canal chaud du fluide caloporteur. Ainsi, la température moyenne de l’ensemble des cellules est uniforme.Thanks to the specific arrangement of the channels in the plate, the direction of circulation of the heat transfer fluid is alternated in the direction of the height of the plate. More precisely, the circulation alternates between a cold channel and a hot channel in the direction of the height of the plate. The module is made up of a plurality of cells positioned vertically. Each cell sees, in thermal terms, the cold channel and the hot channel of the coolant. Thus, the average temperature of all the cells is uniform.
Grâce à l’agencement spécifique des conduits d’alimentation et d’évacuation qui permet d’obtenir un chemin fluidique identique pour chacune des plaques, le débit du fluide caloporteur est sensiblement identique pour chacune des plaques afin de refroidir de manière homogène tous les composants électriques, et notamment tous les modules de stockage d’énergie électrique.Thanks to the specific arrangement of the supply and evacuation ducts which makes it possible to obtain an identical fluidic path for each of the plates, the flow rate of the heat transfer fluid is substantially identical for each of the plates in order to cool all the components in a homogeneous manner. electricity, and in particular all electrical energy storage modules.
Selon un mode de réalisation de l’invention, ladite au moins une plaque forme une surface de contact verticale avec une surface d’échange thermique verticale du composant électrique à refroidir, lorsque celui-ci est placé dans le logement.According to one embodiment of the invention, said at least one plate forms a vertical contact surface with a vertical heat exchange surface of the electrical component to be cooled, when the latter is placed in the housing.
Selon un mode de réalisation de l’invention dans lequel le système de gestion thermique comprend au moins une plaque positionnée entre deux plaques d’extrémité, l’entrée principale du conduit d’arrivée est positionnée sur l’entrée de fluide de l’une des plaques d’extrémité de la rangée et la sortie principales est positionnée sur la sortie de l’autre plaque d’extrémité de la rangée.According to an embodiment of the invention in which the thermal management system comprises at least one plate positioned between two end plates, the main inlet of the inlet conduit is positioned on the fluid inlet of one end plates of the row and the main output is positioned on the output of the other end plate of the row.
Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- lesdits conduits d’arrivée et d’évacuation sont parallèles entre eux et s’étendent transversalement par rapport aux canaux sur au moins une partie d’une face latérale transversale,
- ladite au moins une plaque comprend une première série de canaux de fluide s’étendant dans un premier plan et une seconde série de canaux de fluide s’étendant dans un second plan distinct du premier plan, chacun des canaux de la première série étant en communication avec un canal voisin de la seconde série pour former une pluralité de chemins de fluide en forme de U,
- ladite au moins une plaque comprend une bordure située en dehors d’une surface de contact de ladite plaque avec une surface d’échange thermique verticale du composant électrique à refroidir, ladite bordure comprenant une zone d’alimentation et une zone d’évacuation, lesdites zones d’alimentation et d’évacuation présentant une forme sensiblement allongée qui s’étend transversalement par rapport aux canaux,
- ladite entrée de fluide et la sortie de fluide de ladite au moins une plaque sont disposées sur la bordure de la plaque.The characteristics exposed in the following paragraphs can, optionally, be implemented. They can be implemented independently of each other or in combination with each other:
- said inlet and outlet ducts are parallel to each other and extend transversely relative to the channels over at least part of a transverse side face,
- said at least one plate comprises a first series of fluid channels extending in a first plane and a second series of fluid channels extending in a second plane distinct from the first plane, each of the channels of the first series being communication with a neighboring channel of the second series to form a plurality of U-shaped fluid paths,
- said at least one plate comprises an edge located outside a contact surface of said plate with a vertical heat exchange surface of the electrical component to be cooled, said edge comprising a supply zone and an evacuation zone, said supply and evacuation zones having a substantially elongated shape which extends transversely with respect to the channels,
- Said fluid inlet and the fluid outlet of said at least one plate are arranged on the edge of the plate.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la bordure de la plaque présente une forme de profil sensiblement en C afin de définir un passage pour un conduit de liaison, ledit conduit de liaison étant destiné à être connecté à la sortie principale du conduit d’évacuation ou à l’entrée principale du conduit d’arrivée de manière à placer l’entrée principale et la sortie principale d’un même côté pour être connecté à un circuit de fluide externe.According to one embodiment of the invention, the edge of the plate has a substantially C-shaped profile in order to define a passage for a connecting duct, said connecting duct being intended to be connected to the main outlet of the connecting duct. evacuation or at the main inlet of the inlet duct so as to place the main inlet and the main outlet on the same side to be connected to an external fluid circuit.
Grâce à la présence du passage, il est ainsi possible de ramener les connectiques du système de gestion thermique d’un même côté afin de s’adapter aux contraintes connectiques imposées par le circuit de fluide externe et également aux contraintes packaging afin de limiter le volume d’occupation du pack batterie dans le véhicule.Thanks to the presence of the passage, it is thus possible to bring the connectors of the thermal management system to the same side in order to adapt to the connector constraints imposed by the external fluid circuit and also to the packaging constraints in order to limit the volume. occupancy of the battery pack in the vehicle.
Selon un mode de réalisation de l’invention, ladite au moins une plaque comprend une feuille centrale interposée entre deux feuilles latérales, la feuille centrale étant pourvues de sillons sur chacune des deux faces, les trois feuilles étant assemblées ensemble pour former alternativement les canaux de la première série et les canaux de la seconde série.According to one embodiment of the invention, said at least one plate comprises a central sheet interposed between two side sheets, the central sheet being provided with grooves on each of the two faces, the three sheets being assembled together to alternately form the channels of the first set and the channels of the second set.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l’invention dans lequel le système comprend au moins une plaque positionnée entre deux plaques d’extrémité, lesdites plaques d’extrémité étant munies chacune d’une connexion traversante et d’une connexion non traversante, ladite connexion non traversante présentant une section de passage ajustée pour réduire le débit du fluide caloporteur dans lesdites plaques d’extrémité.According to a particularly advantageous embodiment of the invention in which the system comprises at least one plate positioned between two end plates, said end plates each being provided with a through connection and a non-through connection, said non-through connection having a passage section adjusted to reduce the flow of heat transfer fluid in said end plates.
Une connexion traversante est une connexion qui comprend deux embouts de raccordement s’étendant de part et d’autre de la plaque au niveau de l’entrée de fluide ou de la sortie de fluide de manière à réaliser un passage fluidique au travers de la plaque et connecté à un réservoir d’alimentation de la plaque ou à un réservoir d’évacuation de la plaque.A pass-through connection is a connection which comprises two connecting pieces extending on either side of the plate at the level of the fluid inlet or the fluid outlet so as to produce a fluid passage through the plate and connected to a plate supply tank or a plate discharge tank.
Une connexion non traversante est une connexion qui comprend un unique embout de raccordement qui s’étend à partir d’une face de la plaque pour réaliser un passage fluidique entre le réservoir d’alimentation de la plaque et un conduit d’alimentation, ou le réservoir d’évacuation de la plaque et un conduit d’évacuation.A non-through connection is a connection that includes a single connection end piece that extends from one face of the plate to provide a fluid passage between the plate's supply reservoir and a supply conduit, or the plate drain tank and drain duct.
Ainsi, il est possible d’augmenter les pertes de charge au niveau des plaques d’extrémités pour adapter le débit du fluide caloporteur à la puissance thermique dissipée au niveau de ces plaques d’extrémité. En effet, les plaques d’extrémité de la rangée sont en contact avec un composant électrique à refroidir d’un seul côté. Ainsi les plaques d’extrémité vont échanger deux fois moins de puissance thermique que les plaques positionnées au centre du pack. En réduisant le débit du fluide caloporteur dans ces plaques d’extrémité, il est donc possible de conserver la température la plus homogène possible pour tous les composants électriques.Thus, it is possible to increase the pressure drops at the level of the end plates to adapt the flow rate of the heat transfer fluid to the thermal power dissipated at the level of these end plates. Indeed, the end plates of the row are in contact with an electrical component to be cooled on one side only. Thus the end plates will exchange half as much thermal power as the plates positioned in the center of the pack. By reducing the flow of heat transfer fluid in these end plates, it is therefore possible to keep the temperature as homogeneous as possible for all the electrical components.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la connexion non traversante comprend un embout de raccordement fluidique s’étendant à partir d’une face de ladite plaque d’extrémité et rapporté à ladite plaque d’extrémité au niveau de l’entrée de fluide ou de la sortie de fluide, ledit embout de raccordement fluidique présentant un diamètre interne rétréci par rapport à un embout de raccordement d’une connexion traversante de manière à réduire le débit du fluide caloporteur dans ladite plaque d’extrémité.According to one embodiment of the invention, the non-through connection comprises a fluidic connection piece extending from one face of said end plate and attached to said end plate at the level of the inlet of fluid or the fluid outlet, said fluid connection endpiece having a narrowed internal diameter compared to a connection endpiece of a through connection so as to reduce the flow rate of heat transfer fluid in said end plate.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention, la connexion non traversante comprend une déformation sur une des faces de la plaque d’extrémité opposée à la face à partir de laquelle s’étend un embout de raccordement formant l’entrée de fluide ou la sortie de fluide de la connexion non traversante, ledit enfoncement étant configuré de manière à réduire le débit du fluide caloporteur dans ladite plaque d’extrémité. Ledit enfoncement peut être une déformation seulement de la feuille latérale ne portant pas l’embout de raccordement de la connexion non traversante ou encore de cette même feuille latérale ainsi que la feuille intermédiaire. Ledit enfoncement peut être formé par exemple par emboutissage.According to another embodiment of the invention, the non-through connection comprises a deformation on one of the faces of the end plate opposite the face from which extends a connecting piece forming the fluid inlet or the fluid outlet of the non-through connection, said recess being configured to reduce the flow of heat transfer fluid in said end plate. Said depression can be a deformation only of the side sheet not carrying the connection end piece of the non-through connection or even of this same side sheet as well as the intermediate sheet. Said depression can be formed for example by stamping.
Selon un mode de réalisation de l’invention et pour augmenter les surfaces d’échanges thermiques avec les composants électrique, le système de gestion thermique comprend en outre une plaque comprenant une pluralité de canaux de fluide caloporteur s’étendant sur au moins une partie de la surface de la face de fond pour former une surface de contact avec une surface d’échange thermique horizontale du composant électrique à refroidir, lorsque celui-ci est placé dans le logement.According to one embodiment of the invention and to increase the heat exchange surfaces with the electrical components, the thermal management system further comprises a plate comprising a plurality of coolant fluid channels extending over at least a part of the surface of the bottom face to form a contact surface with a horizontal heat exchange surface of the electrical component to be cooled, when the latter is placed in the housing.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le conduit d’arrivée et le conduit d’évacuation sont formés d’une pluralité de tubulures, les extrémités de chacune des tubulures étant munies d’un embout de raccordement fluidique configuré pour être connecté à un embout de raccordement fluidique d’une connexion traversante ou non traversante d’une plaque au niveau de l’entrée de fluide et de la sortie de fluide.According to one embodiment of the invention, the inlet conduit and the evacuation conduit are formed of a plurality of pipes, the ends of each of the pipes being provided with a fluid connection end piece configured to be connected to a fluid connection tip of a through or non-through connection of a plate at the level of the fluid inlet and the fluid outlet.
Selon un aspect de l’invention, l’invention concerne un pack batterie équipé d’un système de gestion thermique tel que défini ci-dessus, ledit pack comprenant au moins un module de stockage d’énergie électrique reçu dans le logement.According to one aspect of the invention, the invention relates to a battery pack equipped with a thermal management system as defined above, said pack comprising at least one electrical energy storage module received in the housing.
D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :Other characteristics, details and advantages of the invention will appear on reading the detailed description below, and on analyzing the appended drawings, in which:
Fig. 1Fig. 1
Fig. 2Fig. 2
Fig. 3Fig. 3
Fig. 4Fig. 4
Fig. 5Fig. 5
Fig. 6Fig. 6
Fig.7Fig.7
Fig.8Fig.8
Fig. 9Fig. 9
Fig. 10Fig. 10
Fig. 11Fig. 11
Fig. 12AFig. 12A
Fig. 12BFig. 12B
Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.The drawings and the description below contain, for the most part, certain elements. They may therefore not only be used to better understand the present invention, but also contribute to its definition, if necessary.
Un premier mode de réalisation d’un système de gestion thermique pour un composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement est illustré sur les figures 1 et 2.A first embodiment of a thermal management system for an electrical component likely to release heat during its operation is illustrated in Figures 1 and 2.
Un composant électrique 101 est par exemple un dispositif de stockage d’énergie électrique rechargeable tel qu’une batterie électrique ou un module de batterie ou une cellule électrique unitaire.An electrical component 101 is for example a rechargeable electrical energy storage device such as an electric battery or a battery module or a unitary electric cell.
La figure 1 illustre un exemple de module électrique qui a une forme sensiblement parallélépipédique comprenant une base et des parois latérales.Figure 1 illustrates an example of an electrical module which has a substantially parallelepipedic shape comprising a base and side walls.
Sur la figure 1, les modules 101 sont répartis sous forme de lignes de modules, notamment ligne de 2 modules pour former un pack batterie 100. Chaque module comprend une pluralité de cellules unitaires. Chaque cellule est contenue dans une enveloppe qui est réalisée dans un matériau thermiquement conducteur tel que de l’aluminium. Ainsi, chaque module 101 comprend une surface d’échange thermique horizontale et des surfaces d’échange thermique latérales. Lors du fonctionnement de la batterie, les cellules s’échauffent, il est donc nécessaire de venir refroidir ces cellules ou le module de manière à maintenir les cellules à une température de fonctionnement optimale. En outre, il convient de refroidir de manière homogène toutes les cellulesIn FIG. 1, the modules 101 are distributed in the form of lines of modules, in particular a line of 2 modules to form a battery pack 100. Each module comprises a plurality of unit cells. Each cell is contained in an envelope which is made of a thermally conductive material such as aluminum. Thus, each module 101 comprises a horizontal heat exchange surface and lateral heat exchange surfaces. During battery operation, the cells heat up, it is therefore necessary to cool these cells or the module in order to maintain the cells at an optimal operating temperature. In addition, all cells should be cooled evenly
Selon l’exemple illustré sur la figure 1, le système de gestion thermique comprend une pluralité de logements 2 délimités par une face de fond 5, deux faces latérales longitudinales 3 et une pluralité de faces latérales transversales 4. Chaque logement est configuré pour recevoir un ou plusieurs modules électriques 101, ici disposés en une ligne de deux modules.According to the example illustrated in Figure 1, the thermal management system comprises a plurality of housings 2 delimited by a bottom face 5, two longitudinal side faces 3 and a plurality of transverse side faces 4. Each housing is configured to receive a or several electrical modules 101, here arranged in a line of two modules.
Chaque module présente un grand côté et un petit côté. Ainsi, dans chaque ligne, les grands côtés des modules alignés forment deux surfaces latérales transversales d’échange thermique.Each module has a long side and a short side. Thus, in each line, the long sides of the aligned modules form two transverse side surfaces for heat exchange.
Le système de gestion thermique comprend une pluralité de plaques 10 d’échange thermique, chacune des plaques s’étendant sur au moins une partie de la surface latérale transversale pour former une surface de contact verticale avec la surface d’échange thermique verticale formée par les grands côté d’une ligne de modules. La plaque comprend des canaux dans lesquels circule un fluide caloporteur pour venir refroidir la ligne de modules par échange thermique.The thermal management system includes a plurality of heat exchange plates, each of the plates extending over at least a portion of the transverse side surface to form a vertical contact surface with the vertical heat exchange surface formed by the large side of a line of modules. The plate comprises channels in which a heat transfer fluid circulates in order to cool the line of modules by heat exchange.
Le fluide caloporteur utilisé est préférentiellement de l’eau glycolée, sans limitation du titre de glycol (0% à 100%). Alternativement, le fluide caloporteur peut être choisi parmi les fluides réfrigérants d’appellation.The heat transfer fluid used is preferably glycol water, without limitation of the glycol content (0% to 100%). Alternatively, the heat transfer fluid can be chosen from the designated refrigerant fluids.
Sur la figure 1, les faces latérales transversales 4, le fond 5 et les faces latérales longitudinales 3 forment sept logements, chaque logement étant configuré pour recevoir une ligne de deux modules. Le système de gestion thermique comprend huit plaques d’échange thermiques 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8 disposées parallèlement les unes aux autres pour former une rangée de plaques. Ainsi, chaque face latérale transversale de chaque ligne de modules est refroidie par une plaque. Comme on peut le voir sur la figure 1, les plaques d’extrémité de la rangée ou les plaques périphériques 10.1, 10.8 sont en contact avec une face latérale transversale de la ligne de modules.In Figure 1, the transverse side faces 4, the bottom 5 and the longitudinal side faces 3 form seven housings, each housing being configured to receive a line of two modules. The thermal management system comprises eight heat exchange plates 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8 arranged parallel to each other to form a row of plates. Thus, each transverse side face of each line of modules is cooled by a plate. As can be seen in Figure 1, the end plates of the row or the peripheral plates 10.1, 10.8 are in contact with a transverse side face of the row of modules.
De préférence, la plaque d’échange thermique 10 s’étend entièrement sur la face latérale transversale de la ligne de module.Preferably, the heat exchange plate 10 extends entirely over the transverse side face of the module line.
Comme on peut le voir sur la figure 3, la plaque comprend une pluralité de canaux de fluide caloporteur 14 destinés à venir refroidir les modules. Les canaux de fluide caloporteur sont parallèles entre eux et s’étendent sensiblement sur toute la longueur de la plaque.As can be seen in Figure 3, the plate comprises a plurality of coolant channels 14 intended to cool the modules. The coolant channels are parallel to each other and extend substantially over the entire length of the plate.
Un bordure de chaque plaque comprend une entrée de fluide 22 et une sortie de fluide 23.A border of each plate includes a fluid inlet 22 and a fluid outlet 23.
De préférence, lorsque toutes les plaques sont alignées pour former une rangée de plaques, toutes les entrées et toutes les sorties sont alignées suivant un axe X’X comme l’illustre la figure 2.Preferably, when all the plates are aligned to form a row of plates, all the inputs and all the outputs are aligned along an X'X axis as shown in Figure 2.
Afin d’assurer un refroidissement homogène pour l’ensemble des modules ou cellules dans un but de réduire l’écart de température entre les cellules, les canaux de fluide caloporteur sont agencés de sorte que le sens de la circulation de fluide est alterné selon une direction verticale entre une entrée de fluide 22 et une sortie de fluide 23 de la plaque.In order to ensure uniform cooling for all the modules or cells with the aim of reducing the temperature difference between the cells, the heat transfer fluid channels are arranged so that the direction of fluid circulation is alternated according to a vertical direction between a fluid inlet 22 and a fluid outlet 23 of the plate.
Le système de gestion thermique comprend un conduit d’arrivée 30 configuré pour alimenter en parallèle chacune des plaques en fluide et un conduit d’évacuation 31 configuré pour collecter conjointement le fluide à la sortie de chacune de plaques.The thermal management system comprises an inlet conduit 30 configured to supply each of the plates with fluid in parallel and an evacuation conduit 31 configured to jointly collect the fluid at the outlet of each of the plates.
Le conduit d’arrivé 30 est connecté aux entrées des plaques pour alimenter en parallèle les plaques et le conduit d’évacuation est connecté aux sorties des plaques pour collecter en parallèle le fluide provenant des plaques. En outre, le conduit d’arrivée 30 et le conduit d’évacuation 31 comprennent respectivement une entrée principale 32 et une sortie principale 33 destinées à être connectée à un circuit de fluide externe au dispositif de refroidissement.The inlet duct 30 is connected to the inlets of the plates to supply the plates in parallel and the evacuation duct is connected to the outlets of the plates to collect the fluid coming from the plates in parallel. In addition, the inlet conduit 30 and the evacuation conduit 31 respectively comprise a main inlet 32 and a main outlet 33 intended to be connected to a fluid circuit external to the cooling device.
Afin de maintenir un débit du fluide caloporteur identique dans les toutes plaques, l’entrée principale 32 et la sortie principale 33 sont positionnées par rapport aux entrées 22 et sorties 23 de fluides de chacune des plaques de sorte que la longueur parcourue par le fluide caloporteur depuis l’entrée principale 32 jusqu’à la sortie principale 33 est identique pour chacune des plaques 10.In order to maintain an identical heat transfer fluid flow rate in all the plates, the main inlet 32 and the main outlet 33 are positioned with respect to the fluid inlets 22 and outlets 23 of each of the plates so that the length traveled by the heat transfer fluid from the main entrance 32 to the main exit 33 is identical for each of the plates 10.
Selon un mode de réalisation de l’invention et comme l’illustre la figure 1, l’entrée principale 32 est située sur un côté du pack batterie 100 et la sortie principale 33 sur le côté opposé du pack batterie 100.According to one embodiment of the invention and as illustrated in Figure 1, the main input 32 is located on one side of the battery pack 100 and the main output 33 on the opposite side of the battery pack 100.
Sur l’exemple illustré sur la figure 1, l’entrée principale 32 est située sur l’entrée de la plaque périphérique 10.1 et la sortie 33 sur la sortie de la plaque périphérique 10.8. La longueur parcourue par le fluide pour chacune des huit plaques est identique.In the example shown in Figure 1, the main input 32 is located on the input of the peripheral plate 10.1 and the output 33 on the output of the peripheral plate 10.8. The length traveled by the fluid for each of the eight plates is identical.
De préférence, les conduits d’arrivée 30 et d’évacuation 31 sont parallèles entre eux et à l’axe X’X. Ils s’étendent transversalement par rapport aux canaux sur une face latérale transversale 3.Preferably, the inlet 30 and outlet 31 ducts are parallel to each other and to the axis X'X. They extend transversely to the channels on a transverse side face 3.
Ainsi, les conduits d’arrivée et de sortie et les plaques d’extrémité forment au moins partiellement le pourtour du pack batterie.Thus, the inlet and outlet ducts and the end plates at least partially form the perimeter of the battery pack.
La plaque d’échange thermique est maintenant détaillée en référence aux figures 3 à 8.The heat exchange plate is now detailed with reference to figures 3 to 8.
La plaque comprend une première série de canaux 14A et une seconde série de canaux 14B. Les canaux 14A de la première série s’étendent dans un premier plan et les canaux 14B de la seconde série dans un second plan. Les deux plans sont distincts et sont parallèles à la face latérale transversale 4.The plate includes a first series of channels 14A and a second series of channels 14B. The 14A channels of the first series extend in a first plane and the 14B channels of the second series in a second plane. The two planes are distinct and are parallel to the transverse side face 4.
Tous les canaux sont parallèles entre eux et s’étendent sur toute la longueur de la plaque. Une extrémité de chacun des canaux 14A de la première série est en communication avec l’extrémité d’un canal voisin de la seconde série pour former une pluralité de chemins de fluide en forme de U.All the channels are parallel to each other and extend over the entire length of the plate. One end of each of the channels 14A of the first series is in communication with the end of a neighboring channel of the second series to form a plurality of U-shaped fluid paths.
De préférence, toutes les zones de communication 14E entre les canaux sont situées d’un côté 17 de la paque. Les deux autres extrémités 14C, 14D du chemin de fluide en forme de U sont situées du côté opposé 18 de la plaque. Les deux extrémités 14C et 14D forment respectivement un orifice d’entrée pour le canal d’arrivé de fluide 14A et un orifice de sortie pour le canal de sortie 14B.Preferably, all the communication areas 14E between the channels are located on one side 17 of the deck. The two other ends 14C, 14D of the U-shaped fluid path are located on the opposite side 18 of the plate. The two ends 14C and 14D respectively form an inlet orifice for the fluid inlet channel 14A and an outlet orifice for the outlet channel 14B.
L’extrémité 14C du chemin de fluide en forme de U est en communication avec une zone d’alimentation 15 et l’extrémité 14D est en communication avec une zone d’évacuation 16. Les zones d’alimentation 15 et d’évacuation 16 présentent une forme sensiblement allongée et s’étendent transversalement par rapport aux canaux 14A, 14B. Les zones d’alimentation et d’évacuation sont connectées respectivement à l’entrée 22 et à la sortie 23 de fluide.The end 14C of the U-shaped fluid path is in communication with a supply zone 15 and the end 14D is in communication with a discharge zone 16. The supply 15 and discharge 16 zones have a substantially elongated shape and extend transversely relative to the channels 14A, 14B. The supply and evacuation zones are respectively connected to the inlet 22 and to the outlet 23 of the fluid.
Ainsi et comme on peut le voir sur la figure 3, le sens de la circulation du fluide dans la plaque est alterné selon une direction verticale dans la plaque, dans le sens de la hauteur de la plaque. En effet, lorsque le fluide caloporteur circule dans les canaux de la première série 14A, il se réchauffe en contact avec la surface d’échange thermique des modules. Ainsi le fluide qui circule dans les canaux de la seconde série 14B est plus chaud que le fluide qui circule dans les canaux de la première série 14A. En d’autres termes, la circulation alterne entre un canal froid et un canal chaud dans le sens de la hauteur de la plaque. Le module étant formé d’une pluralité de cellules positionnées verticalement, chaque cellule voit, en termes thermiques, le canal froid et le canal chaud du fluide caloporteur. Ainsi, la température moyenne du fluide vue par chaque cellule est la même.Thus and as can be seen in Figure 3, the direction of fluid circulation in the plate is alternated in a vertical direction in the plate, in the direction of the height of the plate. Indeed, when the heat transfer fluid circulates in the channels of the first series 14A, it heats up in contact with the heat exchange surface of the modules. Thus the fluid which circulates in the channels of the second series 14B is hotter than the fluid which circulates in the channels of the first series 14A. In other words, the circulation alternates between a cold channel and a hot channel in the direction of the height of the plate. Since the module is made up of a plurality of cells positioned vertically, each cell sees, in thermal terms, the cold channel and the hot channel of the coolant. Thus, the average fluid temperature seen by each cell is the same.
En référence à la figure 4, la plaque 10 est formée à partir d’une feuille centrale 12 interposée entre deux autres feuilles latérales 11, 13. Les feuilles sont réalisées d’un seul tenant. Elles peuvent être métalliques, notamment en aluminium ou acier.Referring to Figure 4, the plate 10 is formed from a central sheet 12 interposed between two other side sheets 11, 13. The sheets are made in one piece. They may be metallic, in particular aluminum or steel.
En référence aux figures 5 et 6, la feuille centrale 12 comporte une première série de sillons 26 sur une face 12A pour former les canaux 14A de la première série et une seconde série de sillons 27 sur l’autre face 12B pour former les canaux de la seconde série 14B.Referring to Figures 5 and 6, the central sheet 12 includes a first series of grooves 26 on one face 12A to form the channels 14A of the first series and a second series of grooves 27 on the other face 12B to form the channels of the second series 14B.
La feuille centrale comprend des ouvertures 20 positionnées aux extrémités des sillons 26, 27 pour réaliser la zone de communication 14E entre les canaux 14A, 14a, permettant la circulation du fluide caloporteur d’un canal de la première série vers le cana de la seconde série. Le sens de la circulation est représenté par les flèches sur les figures 5 et 6.The central sheet comprises openings 20 positioned at the ends of the grooves 26, 27 to create the communication zone 14E between the channels 14A, 14a, allowing the circulation of the heat transfer fluid from a channel of the first series to the channel of the second series. . The direction of traffic is represented by the arrows in Figures 5 and 6.
En référence aux figures 7 et 8, la feuille centrale 12 comporte sur la face 12A une zone d’alimentation 15 en communication d’une part avec les orifices d’entrée des canaux 14A et d’autre part avec l’entrée de fluide 22. Sur l’autre face 12B, la feuille centrale 12 comporte une zone d’évacuation 16 en communication d’une part avec les orifices de sortie des canaux 14B et d’autre part avec la sortie de fluide 23. La zone d’alimentation et la zone d’évacuation sont situées sur un même côté 18 de la feuille centrale 12.Referring to Figures 7 and 8, the central sheet 12 has on the face 12A a supply zone 15 in communication on the one hand with the inlet orifices of the channels 14A and on the other hand with the fluid inlet 22 On the other face 12B, the central sheet 12 comprises an evacuation zone 16 in communication on the one hand with the outlet orifices of the channels 14B and on the other hand with the fluid outlet 23. The supply zone and the evacuation zone are located on the same side 18 of the central sheet 12.
De préférence, la feuille centrale est obtenue d’un seul tenant par emboutissage.
- Les trois faces planes 11, 12 et 13 ont sensiblement les mêmes dimensions et formes. Les faces latérales 11, 13 viennent se positionner de part et d’autre de la feuille centrale 12 et viennent fermer les sillons 26, 27 pour former les canaux. Les deux faces peuvent être soudées, collées ou assemblées par brasage sur la feuille centrale.
- The three flat faces 11, 12 and 13 have substantially the same dimensions and shapes. The side faces 11, 13 are positioned on either side of the central sheet 12 and close the grooves 26, 27 to form the channels. The two faces can be welded, glued or assembled by brazing on the central sheet.
En référence aux figures 9 et 10, le raccordement de la zone d’alimentation 15 et de la zone d’évacuation 16 d’une plaque 10 au conduit d’arrivée 30 et au conduit d’évacuation 31 va maintenant être décrit.With reference to Figures 9 and 10, the connection of the supply zone 15 and the evacuation zone 16 of a plate 10 to the inlet duct 30 and to the evacuation duct 31 will now be described.
Le conduit d’arrivée 30 et le conduit d’évacuation 31 sont formés à partir de l’assemblage d’une pluralité de tubulures 35, 36. Les extrémités de chaque tubulure 35, 36 sont munies d’un embout tubulaire de raccordement 37. Comme l’illustre la figure 1 et la figure 10, chacune des tubulures est positionnée entre deux plaques. Les embouts tubulaires de raccordement 37 sont connectés aux entrées 22 et aux sorties 23 des deux plaques.The inlet pipe 30 and the evacuation pipe 31 are formed from the assembly of a plurality of pipes 35, 36. The ends of each pipe 35, 36 are provided with a tubular connection end piece 37. As illustrated in Figure 1 and Figure 10, each of the pipes is positioned between two plates. The tubular connection ends 37 are connected to the inputs 22 and to the outputs 23 of the two plates.
La figure 9 illustre une plaque destinée à être positionnée entre deux lignes de modules telle que les plaques référencées de 10.2 à 10.7 sur la figure 1. La plaque comporte une connexion traversante au niveau de l’entrée de fluide 22 et une connexion traversante au niveau de la sortie de fluide 23.FIG. 9 illustrates a plate intended to be positioned between two rows of modules such as the plates referenced from 10.2 to 10.7 in FIG. 1. The plate comprises a through connection at the level of the fluid inlet 22 and a through connection at the level fluid outlet 23.
Au niveau de l’entrée de fluide 22, la connexion traversante comprend trois orifices réalisés respectivement dans la feuille centrale (voir figures 7 et 8) et dans les feuilles latérales au niveau de la bordure 18 et agencés en regard, chacun des orifices des feuilles latérales recevant un embout tubulaire de raccordement 24.1, 24.2 qui s’étend à partir d’une face de la plaque. Une extrémité des embouts tubulaire de raccordement est connectée aux embouts de raccordement d’une tubulure 35 formant le conduit d’alimentation. Les deux embouts 24.1, 24.2 forment ainsi un passage fluidique entre deux tubulures 35 du conduit d’alimentation positionnées de part et d’autre de la plaque et également un passage fluidique avec le réservoir d’alimentation 15 de la plaque.At the level of the fluid inlet 22, the through connection comprises three orifices made respectively in the central sheet (see FIGS. 7 and 8) and in the side sheets at the level of the edge 18 and arranged opposite, each of the orifices of the sheets side receiving a tubular connecting piece 24.1, 24.2 which extends from one face of the plate. One end of the tubular connection endpieces is connected to the connection endpieces of a pipe 35 forming the supply conduit. The two ends 24.1, 24.2 thus form a fluid passage between two pipes 35 of the supply duct positioned on either side of the plate and also a fluid passage with the supply reservoir 15 of the plate.
De manière analogue, au niveau de la sortie de fluide 23, la connexion traversante comprend trois orifices réalisés respectivement dans la feuille centrale (voir figure 7 et 8) et dans les feuilles latérales au niveau de la bordure 18 et agencés en regard, chacun des orifices recevant un embout tubulaire de raccordement 24.3, 24.4 qui s’étend à partir d’une face de la plaque. Une extrémité des embouts est connectée aux embouts de raccordement d’une tubulure 36 formant le conduit d’évacuation 31 comme l’illustre la figure 10. Les deux embouts forment ainsi un passage fluidique entre deux tubulures 36 du conduit d’évacuation positionnées de part et d’autre de la plaque et également un passage fluidique avec le réservoir d’évacuation 16 de la plaque.Similarly, at the level of the fluid outlet 23, the through connection comprises three orifices made respectively in the central sheet (see FIGS. 7 and 8) and in the side sheets at the level of the border 18 and arranged opposite, each of the orifices receiving a tubular connecting piece 24.3, 24.4 which extends from one face of the plate. One end of the endpieces is connected to the connection endpieces of a pipe 36 forming the evacuation conduit 31 as shown in FIG. 10. The two endpieces thus form a fluid passage between two pipes 36 of the evacuation conduit positioned on either and on the other side of the plate and also a fluid passage with the evacuation reservoir 16 of the plate.
La figure 10 illustre une plaque positionnée à l’extrémité de d’une rangée de plaques, à savoir la plaque 10.1 sur la figure 1 et une plaque voisine 10.2. Cette plaque d’extrémité comporte une connexion traversante 24 et une connexion non traversante 25. Sur l’exemple illustré de la figure 10, la connexion traversante 24 forme l’entrée de fluide 22 de la plaque d’extrémité 10.1 et la connexion non traversante 25 forme la sortie de fluide 23 de la plaque d’extrémité 10.1.Figure 10 illustrates a plate positioned at the end of a row of plates, namely plate 10.1 in Figure 1 and an adjacent plate 10.2. This end plate comprises a through connection 24 and a non-through connection 25. In the example illustrated in FIG. 10, the through connection 24 forms the fluid inlet 22 of the end plate 10.1 and the non-through connection 25 forms the fluid outlet 23 of the end plate 10.1.
De manière similaire, la plaque d’extrémité 10.8 sur la figure 1 comporte également une connexion traversante 24 et une connexion non traversante 25, la connexion traversante 24 formant la sortie de fluide 23 de la plaque d’extrémité 10.8 et la connexion non traversante 25 formant l’entrée de fluide 22 de la plaque d’extrémité 10.8.Similarly, the end plate 10.8 in Figure 1 also has a through connection 24 and a non-through connection 25, the through connection 24 forming the fluid outlet 23 of the end plate 10.8 and the non-through connection 25 forming the fluid inlet 22 of the end plate 10.8.
Dans l’exemple illustré sur la la figure 10, la connexion traversante 24 de la plaque d’extrémité 10.1 comprend trois orifices réalisés respectivement dans la feuille centrale (voir figures 7 et 8) et dans les feuilles latérales au niveau de la bordure 18 et agencés en regard, chacun des orifices des feuilles latérales recevant un embout tubulaire de raccordement 24.1, 24. qui s’étend à partir de chaque face de la plaque d’extrémité. Un des embouts de raccordement 24.1 forme l’entrée principale du système de gestion thermique et est connecté à un circuit de fluide externe (non illustré). L’autre embout de raccordement est connecté à un embout de raccordement 37 d’une tubulure 35 formant le conduit d’alimentation qui est connecté à l’entrée de fluide de la plaque suivante, ici sur la figure 10, c’est la plaque référencée 10.2. Les deux embouts de raccordement 24.1, 24.2 forment ainsi un passage fluidique connecté au réservoir d’alimentation 15 de la plaque d’extrémité 10.1.In the example illustrated in Figure 10, the through connection 24 of the end plate 10.1 comprises three holes made respectively in the central sheet (see Figures 7 and 8) and in the side sheets at the level of the border 18 and arranged opposite, each of the orifices of the side sheets receiving a tubular connection piece 24.1, 24 which extends from each face of the end plate. One of the end fittings 24.1 forms the main inlet of the thermal management system and is connected to an external fluid circuit (not shown). The other connection end piece is connected to a connection end piece 37 of a pipe 35 forming the supply conduit which is connected to the fluid inlet of the next plate, here in FIG. 10, this is the plate referenced 10.2. The two connection ends 24.1, 24.2 thus form a fluid passage connected to the supply reservoir 15 of the end plate 10.1.
Les plaques positionnées au centre du pack batterie sont en contact avec les modules positionnés de part et d’autre de ces plaques. Les plaques d’extrémités sont en contact uniquement avec les modules positionnés d’un côté de ces plaques. Ainsi les plaques d’extrémité vont échanger deux fois moins de puissance thermique que les autres plaques. Afin d’assurer une température la plus homogène possible entre les cellules, il convient de ne pas trop refroidir les modules en contact avec les plaques d’extrémité. Pour cela, il est nécessaire d’augmenter les pertes de charge du fluide au niveau de ces plaques d’extrémité et donc réduire le débit du fluide caloporteur. Plus précisément, il faut diviser par deux le débit du fluide caloporteur dans ces plaques d’extrémité 10.1, 10.8.The plates positioned in the center of the battery pack are in contact with the modules positioned on either side of these plates. The end plates are in contact only with the modules positioned on one side of these plates. Thus the end plates will exchange half as much thermal power as the other plates. In order to ensure the most homogeneous temperature possible between the cells, the modules in contact with the end plates should not be cooled too much. To do this, it is necessary to increase the pressure drops of the fluid at the level of these end plates and therefore reduce the flow rate of the heat transfer fluid. More precisely, it is necessary to divide by two the flow rate of the heat transfer fluid in these end plates 10.1, 10.8.
Pour cela, la présente invention propose d’ajuster la section de passage au niveau de la connexion non traversante 25 de la plaque d’extrémité pour réduire le débit du fluide caloporteur. Cette connexion non traversante 25 est située sur la sortie de fluide 23 de la plaque d’extrémité 10.1 ou sur l’entrée de fluide de la plaque d’extrémité 10.8.For this, the present invention proposes to adjust the passage section at the level of the non-through connection 25 of the end plate to reduce the flow rate of the heat transfer fluid. This non-through connection 25 is located on the fluid outlet 23 of the end plate 10.1 or on the fluid inlet of the end plate 10.8.
Selon un mode de réalisation de l’invention et comme l’illustre la figure 11, la connexion non traversante 25 comprend trois orifices réalisés respectivement dans la feuille centrale (voir figures 7 et 8) et dans les feuilles latérales au niveau de la bordure 18 et agencés en regard, un embout de raccordement fluidique 29 s’étendant depuis une face de la plaque d’extrémité au niveau des orifices. Cet embout de raccordement présente un diamètre interne rétréci de manière à réduire le débit du fluide caloporteur par rapport aux embout de raccordement des connexion traversante 24.According to one embodiment of the invention and as shown in Figure 11, the non-through connection 25 comprises three holes made respectively in the central sheet (see Figures 7 and 8) and in the side sheets at the edge 18 and arranged opposite, a fluid connection piece 29 extending from one face of the end plate at the level of the orifices. This connection end piece has a narrowed internal diameter so as to reduce the flow rate of the heat transfer fluid compared to the connection end pieces of the through connections 24.
Dans la configuration où la connexion non traversante forme la sortie de fluide de la plaque d’extrémité comme dans l’exemple illustré sur la figure 10, une extrémité de l’embout de raccordement tubulaire 29 est connectée par exemple à un embout de raccordement d’une tubulure 36 formant le conduit d’évacuation. Selon un exemple de réalisation, le rétrécissement du diamètre de l’embout de raccordement est formé par un étranglement 40 présent sur la paroi interne de l’embout de raccordement pour réduire la section de passage fluidique.In the configuration where the non-through connection forms the fluid outlet of the end plate as in the example illustrated in FIG. a pipe 36 forming the exhaust duct. According to an exemplary embodiment, the narrowing of the diameter of the connection end piece is formed by a constriction 40 present on the internal wall of the connection end piece to reduce the fluid passage section.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention illustré sur les figures 12A et 12B, la connexion non traversante 25 comprend trois orifices réalisés respectivement dans la feuille centrale (voir figures 7 et 8) et dans les feuilles latérales au niveau de la bordure 18 et agencés en regard, un embout de raccordement fluidique 29 s’étendant à partir d’une face de la plaque d’extrémité au niveau des orifices et un enfoncement 41 réalisé sur la face opposée à la face à partir de laquelle s’étend le raccordement fluidique 29. L’enfoncement est configuré pour réduire la section de passage du fluide caloporteur dans la plaque d’extrémité. Ce deuxième mode de réalisation permet de faciliter le montage du système de gestion thermique car les plaques d’extrémité sont facilement identifiables grâce à la présence des enfoncements obtenus par emboutissage directement dans la plaque. Cela permet également de réduire les risques d’erreur d’assemblage.According to another embodiment of the invention illustrated in FIGS. 12A and 12B, the non-through connection 25 comprises three orifices made respectively in the central sheet (see FIGS. 7 and 8) and in the side sheets at the level of the edge 18 and arranged opposite, a fluid connection endpiece 29 extending from one face of the end plate at the level of the orifices and a recess 41 made on the face opposite to the face from which the fluidic connection 29. The recess is configured to reduce the passage section of the heat transfer fluid in the end plate. This second embodiment facilitates the assembly of the thermal management system because the end plates are easily identifiable thanks to the presence of the depressions obtained by stamping directly in the plate. This also reduces the risk of assembly error.
De préférence, la bordure de la plaque comprenant l’entrée de fluide et la sortie de fluide présente une forme de profil en C afin de définir un passage pour un conduit de liaison 34 comme l’illustrent les figures 1 et 2. Ce conduit de liaison est destiné à être connecté à la sortie principale du conduit d’évacuation 31 ou à l’entrée principale du conduit d’arrivée 30 de manière à placer l’entrée principale 32 et la sortie principale 33 d’un même côté pour être connectés à un circuit de fluide externe non illustré sur les figures. Cette forme de réalisation permet de simplifier la connexion du système de gestion thermique au circuit de fluide externe. Le conduit de liaison 31 s’étend parallèlement au conduit d’arrivé 30 et au conduit d’évacuation 31.Preferably, the edge of the plate comprising the fluid inlet and the fluid outlet has a C-shaped profile in order to define a passage for a connecting conduit 34 as illustrated in FIGS. 1 and 2. This conduit of connection is intended to be connected to the main outlet of the exhaust duct 31 or to the main inlet of the inlet duct 30 so as to place the main inlet 32 and the main outlet 33 on the same side to be connected to an external fluid circuit not shown in the figures. This embodiment makes it possible to simplify the connection of the thermal management system to the external fluid circuit. The connecting duct 31 extends parallel to the inlet duct 30 and to the exhaust duct 31.
Selon un autre mode de réalisation de l’invention et en référence à la figure 1, le système de gestion thermique comprend en outre une plaque de fond 10.9 qui s’étend entièrement sur une surface de la face de fond 5 pour former une surface de contact avec une surface d’échange thermique horizontale des modules à refroidir, lorsque ceux-ci sont placés dans les logements 2.According to another embodiment of the invention and with reference to Figure 1, the thermal management system further comprises a bottom plate 10.9 which extends entirely over a surface of the bottom face 5 to form a surface of contact with a horizontal heat exchange surface of the modules to be cooled, when the latter are placed in the housings 2.
La plaque de fond peut être une plaque d’échange thermique conventionnelle ou une plaque de canaux de fluide avec une structure similaire à celle des plaques latérales. Le système comprend une autre paire de conduit d’arrivée et d’évacuation de fluide dédiée à la plaque d’échange thermique de fond.The bottom plate can be a conventional heat exchange plate or a fluid channel plate with a similar structure to the side plates. The system includes another pair of fluid inlet and outlet ducts dedicated to the bottom heat exchange plate.
Grâce à la présence des plaques d’échange thermique verticaux et de la plaque d’échange thermique de fond, il est donc possible de réduire de manière significative l’écart de température entre le fluide caloporteur et le point chaud de la cellule et de garantir une meilleure gestion thermique.Thanks to the presence of the vertical heat exchange plates and the bottom heat exchange plate, it is therefore possible to significantly reduce the temperature difference between the heat transfer fluid and the hot spot of the cell and to guarantee better thermal management.
Grâce aux caractéristiques techniques décrites ci-dessus, le système de gestion thermique est particulièrement adapté pour refroidir les batteries électriques avec une puissance de charge importante destinées à équiper des véhicules électriques ou hybrides. Contrairement aux solutions proposées dans l’art antérieur, le système de gestion thermique permet une augmentation significative des surfaces d’échanges thermique entre le fluide caloporteur et les cellules avec les trois faces de refroidissement. En outre, en optimisant la circulation du fluide caloporteur et en optimisant le débit du fluide dans le système d’alimentation, le système de gestion thermique permet un refroidissement homogène pour toutes les cellules. Enfin, grâce à l’architecture spécifique du circuit d’alimentation et du circuit d’évacuation du fluide, le système de gestion thermique permet d’assurer un équilibrage des débits dans chacune des plaques de refroidissement pour obtenir un refroidissement homogène des cellules tout étant compact et simple à intégrer dans le circuit d’alimentation du fluide du véhicule.Thanks to the technical characteristics described above, the thermal management system is particularly suitable for cooling electric batteries with a high load power intended to equip electric or hybrid vehicles. Unlike the solutions proposed in the prior art, the thermal management system allows a significant increase in the heat exchange surfaces between the heat transfer fluid and the cells with the three cooling faces. In addition, by optimizing coolant circulation and maximizing fluid flow through the fuel system, the thermal management system provides consistent cooling for all cells. Finally, thanks to the specific architecture of the supply circuit and the fluid evacuation circuit, the thermal management system makes it possible to balance the flow rates in each of the cooling plates to obtain uniform cooling of the cells while being compact and easy to integrate into the vehicle's fluid supply circuit.
Claims (10)
- au moins un logement (2) destiné à recevoir au moins un composant électrique, ledit logement (2) étant délimité par, au moins une face latérale (4) et une face de fond (5);
- au moins une plaque d’échange thermique (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8) s’étendant sur au moins une partie de la surface de la face latérale (4), ladite au moins une plaque comprenant une pluralité de canaux de fluide caloporteur positionnés parallèles entre eux et agencés de sorte que le sens de la circulation du fluide caloporteur est alterné selon une direction verticale entre une entrée de fluide (22) et une sortie de fluide (23) de ladite plaque (10);
- un conduit d’arrivée (30) configuré pour alimenter en parallèle ladite au moins une plaque en fluide caloporteur et un conduit d’évacuation (31) configuré pour collecter le fluide à la sortie de ladite au moins une plaque, lesdits conduits d’arrivée (30) et d’évacuation (31) comprenant respectivement une entrée principale d’arrivée (32) et une sortie principale d’évacuation (33), l’entrée principale (32) et la sortie principale (33) étant positionnées par rapport aux entrées (22) et sorties (23) de fluide des plaques de sorte que la longueur parcourue par le fluide caloporteur depuis l’entrée principale (32) jusqu’à la sortie principale (33) est identique pour chacune des plaques (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8).Thermal management system (1) for electrical component (101) capable of releasing heat during its operation; in particular for an electrical energy storage module, comprising:
- at least one housing (2) intended to receive at least one electrical component, said housing (2) being delimited by at least one side face (4) and a bottom face (5);
- at least one heat exchange plate (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8) extending over at least part of the surface of the side face (4), said at least one plate comprising a plurality of heat transfer fluid channels positioned parallel to one another and arranged so that the direction of circulation of the heat transfer fluid is alternated in a vertical direction between a fluid inlet (22) and a fluid outlet (23) of said plate (10);
- an inlet duct (30) configured to supply the said at least one plate in parallel with heat transfer fluid and an evacuation duct (31) configured to collect the fluid at the outlet of the said at least one plate, the said inlet (30) and evacuation (31) respectively comprising a main inlet (32) and a main evacuation outlet (33), the main inlet (32) and the main outlet (33) being positioned by relative to the fluid inlets (22) and outlets (23) of the plates so that the length traveled by the heat transfer fluid from the main inlet (32) to the main outlet (33) is identical for each of the plates (10.1 , 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8).
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