FR3112245A1 - Module électrique pour former une interface électrique d'un système de stockage d'énergie d'un véhicule automobile - Google Patents

Module électrique pour former une interface électrique d'un système de stockage d'énergie d'un véhicule automobile Download PDF

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Abstract

Module électrique pour former une interface électrique d'un système de stockage d'énergie d'un véhicule automobile Module d'interface électrique (5) pour un système de stockage d'énergie (3) électrique d'un véhicule (1) automobile, caractérisé en ce qu’il comprend un boîtier (7), un ensemble de composants électriques (6) de puissance à l'intérieur du boîtier, et un fluide diélectrique en contact direct avec au moins une partie des composants électriques, le boîtier comprenant une ouverture d'entrée (9) et une ouverture de sortie (10) agencées pour permettre une circulation du fluide diélectrique à l'intérieur du boîtier. Figure pour l’abrégé : figure 4

Description

Module électrique pour former une interface électrique d'un système de stockage d'énergie d'un véhicule automobile
Domaine Technique de l'invention
L’invention concerne le domaine des modules d'interface électrique des systèmes de stockage d'énergie de véhicules automobiles, les modules d'interface électrique comprenant un ensemble de composants électriques de puissance. L’invention porte aussi sur un système de stockage d'énergie pour un véhicule automobile comprenant un tel module d'interface électrique. L’invention porte encore sur un véhicule automobile, notamment un véhicule électrique, comprenant un tel système de stockage d'énergie et/ou un tel module d'interface électrique.
Etat de la technique antérieure
Les véhicules automobiles électriques sont équipés de batteries qui doivent être rechargées régulièrement avec un courant électrique. Afin de réduire la durée de recharge de ces batteries, les constructeurs automobiles cherchent à augmenter la puissance électrique des courants électrique de recharge. Pour une charge dite "ultra rapide", couramment désignée par l'acronyme UFC (signifiant Ultra Fast Charger), un courant électrique d'une puissance variant de 250kW à 350kW est envisagé. Cette forte puissance de charge implique des courants électriques élevés transitant à la fois au niveau de cellules électrochimiques de la batterie et au niveau de composants électriques de puissance par lesquels transite le courant de charge. Les pertes thermiques associées sont proportionnelles au carré du courant de charge et sont donc également très importantes. Par exemple, pour une puissance de charge de 250kW, la puissance dissipée au niveau des composants électriques de puissance peut atteindre environ 12kW. Par ailleurs, les composants électriques de puissance sont généralement regroupés et confinés dans un boîtier. La puissance dissipée au niveau des composants électriques de puissance provoque une élévation de température très importante.
Pour dissiper la chaleur produite par la circulation du courant électrique de charge, on connaît l'utilisation de boîtiers ajourés pour contenir les composants électriques de puissance. De l'air peut circuler par convection ce qui permet d'évacuer une part de la chaleur générée. On connaît également un dispositif de refroidissement à fluide caloporteur comme dans US9362040B2 : un échangeur thermique est alors accolé aux composants dans le boîtier. Une autre part de la chaleur produite peut ainsi être évacuée. Mais cette solution pose des problèmes de surpoids et d’encombrement dans le boitier.
Les figures 1, 2 et 3 illustrent un système de stockage d'énergie 1' comprenant un module d'interface électrique 2' selon l'état de la technique. Le système de stockage d'énergie 1' comprend en outre un ensemble de cellules électrochimiques 3' aptes à stocker de l'énergie électrique. Le module d'interface électrique 1' forme une interface d'entrée/sortie par laquelle transite le courant électrique permettant de recharger en énergie électrique les cellules électrochimiques 3'. Le module d'interface électrique 1' comprend des composants électriques de puissance 4' et un boîtier 5' à l'intérieur duquel sont logés les composants 4'. Le boîtier 5' est ajouré par des ouvertures 6'. Les ouvertures 6' s'étendent parallèlement les unes aux autres sur une face supérieure du boîtier 5'. Sur une face inférieure du boîtier 5', un échangeur thermique dans lequel circule de l'eau peut être accolé.
Avec un tel module d'interface électrique 2', lorsqu'on recharge les cellules électrochimiques 4 avec un courant de charge de 350A, ce qui correspond à une puissance de charge de 130kW, une température du module d'interface électrique 2' peut atteindre 93.4°C. Si le courant de charge était augmenté à 500A, ce qui correspondrait à une puissance de charge de 200kW, la température du module d'interface électrique 5 atteindrait 180.3°C. Cette température conduirait à un endommagement irréversible du module d'interface électrique 2', notamment d'un connecteur de traction du module d'interface électrique.
Les solutions existantes telles que celles représentées sur les figures 1 à 3 sont donc insuffisantes pour envisager une augmentation significative des courants de charge et donc une réduction du temps de charge de la batterie. Il existe donc un besoin d'améliorer les solutions de refroidissement des composants électriques de puissance sollicités lors de la charge d'une batterie.
Présentation de l'invention
Le but de l’invention est de fournir un module d'interface électrique pour former une interface électrique d'un système de stockage d'énergie électrique remédiant aux inconvénients ci-dessus et améliorant les modules d'interface électrique connus de l’art antérieur.
Plus précisément, un premier objet de l’invention est un module d'interface électrique permettant une meilleure évacuation de la chaleur générée par les courants de charge importants transitant par les composants électriques de puissance.
Un second objet de l’invention est un module d'interface électrique peu encombrant.
L'invention se rapporte à un module d'interface électrique pour un système de stockage d'énergie électrique d'un véhicule automobile comprenant un boîtier, un ensemble de composants électriques de puissance à l'intérieur du boîtier, et un fluide diélectrique en contact direct avec au moins une partie des composants électriques, le boîtier comprenant une ouverture d'entrée et une ouverture de sortie agencées pour permettre une circulation du fluide diélectrique à l'intérieur du boîtier.
Les composants électriques peuvent comprendre au moins un fusible et/ou au moins un relais électrique et/ou au moins une résistance de charge et/ou au moins une barre conductrice.
Le fluide diélectrique peut comprendre un hydrocarbure et/ou un fluorocarbure.
Le fluide diélectrique peut être un fluide diphasique.
L'invention se rapporte à également à un système de stockage d'énergie pour un véhicule automobile comprenant un ensemble de cellules électrochimiques aptes à stocker de l'énergie électrique et un module d'interface électrique tel que défini précédemment.
Le système de stockage d'énergie peut comprendre un moyen de mise en circulation, notamment une pompe, pour faire circuler le fluide diélectrique à l'intérieur du boîtier.
Le système de stockage d'énergie peut comprendre un échangeur thermique apte à refroidir le fluide diélectrique.
Le système de stockage d'énergie peut comprendre en outre un circuit de fluide diélectrique agencé pour refroidir les cellules électrochimiques.
L'invention se rapporte à également à un véhicule automobile comprenant un module d'interface électrique tel que défini précédemment et/ou un système de stockage d'énergie tel que défini précédemment.
Le véhicule automobile peut comprendre un dispositif de gestion thermique configuré pour récupérer de la chaleur véhiculée par le fluide diélectrique.
Présentation des figures
Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d’un mode de réalisation particulier fait à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
La figure 1 est une vue isométrique en perspective d'un système de stockage d'énergie selon l'état de la technique.
La figure 2 est une vue isométrique en perspective d'un module d'interface électrique selon l'état de la technique.
La figure 3 est une vue en coupe du module d'interface électrique de la figure 2.
La figure 4 est une vue schématique d'un véhicule automobile équipé d'un système de stockage d'énergie selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 5 est une vue coupe d'un module d'interface électrique selon un mode de réalisation de l'invention.
Description détaillée
La figure 4 illustre schématiquement un véhicule 1 automobile selon un mode de réalisation de l'invention. Le véhicule 1 peut être de toute nature. Notamment, il peut être par exemple un véhicule particulier, un véhicule utilitaire, un camion ou un bus. Le véhicule 1 peut être un véhicule électrique ou un véhicule hybride. Il comprend donc un moteur électrique 2 et un système de stockage d'énergie 3 selon un mode de réalisation de l'invention. Le système de stockage d'énergie 3 est apte à fournir de l'énergie électrique au moteur électrique 2 pour faire avancer le véhicule 1.
Le système de stockage d'énergie 3 comprend un ensemble de cellules électrochimiques 4 aptes à stocker de l'énergie électrique et un module d'interface électrique 5. L'ensemble de cellules électrochimiques 4, que l'on peut également dénommer pack batterie ou plus simplement batterie peut être par exemple basé sur la technologie lithium-ion. Les cellules électrochimiques peuvent accumuler de l'énergie sous forme chimique et la restituer sous forme électrique.
Le module d'interface électrique 5 forme une interface d'entrée/sortie par laquelle transite le courant électrique permettant de recharger en énergie électrique les cellules électrochimiques 4 et permettant d'alimenter le moteur électrique 2. Le module d'interface électrique 5, comprend des composants électriques 6 de puissance et un boîtier 7 à l'intérieur duquel sont logés les composants électriques 6.
Les composants électriques 6 sont notamment bien visibles sur la figure 5. Ils peuvent comprendre un ou plusieurs fusibles et/ou un ou plusieurs relais électriques et/ou une ou plusieurs résistances de charge ou de pré-charge et/ou une ou plusieurs barres conductrices. Une barre conductrice, couramment dénommée selon l'anglicisme "busbar" est un conducteur rigide, par exemple en cuivre, dont la section est suffisamment importante pour faire circuler des courants électriques de grande intensité. Des barres conductrices sont notamment identifiées par la référence 6A sur figure 5. Ces différents composants électriques 6 peuvent être reliés entre eux via une carte de circuit imprimé. D'une manière générale un composant électrique de puissance est un composant apte à supporter le passage d'un courant de charge pour recharger les cellules électrochimiques 4.
Le boîtier 7 est une enveloppe protégeant les composants électriques 6. Il peut être par exemple de forme sensiblement parallélépipédique. Il peut être fabriqué par exemple en matière plastique ou en métal. Il peut être positionné, notamment accolé, le long d'un bord de l'ensemble de cellules électrochimiques 4.
Le module d'interface électrique 5 peut en outre comprendre au moins un connecteur électrique 8A pour brancher un faisceau électrique 8B reliant directement ou indirectement le module d'interface électrique 5 au moteur électrique 2 et/ou à une prise électrique servant à recharger les cellules électrochimiques 4.
Le module d'interface électrique 5 comprend également une entrée 9 et une sortie 10 agencées pour permettre la circulation d'un fluide diélectrique à l'intérieur du boîtier 7. L'entrée 9 et la sortie 10 peuvent être par exemple positionnées respectivement à deux extrémité opposées du boîtier. Deux ouvertures pratiquées dans le boîtier 7 forment respectivement l'entrée 9 et la sortie 10.
Le système de stockage d'énergie 3 comprend en outre un ensemble de conduites hydraulique 11, un échangeur thermique 12 et un moyen de mise en circulation 13 pour faire circuler le fluide diélectrique à l'intérieur du boîtier 7. Les conduites hydrauliques 11 relient une sortie du moyen de mise en circulation 13 à l'entrée 9 du module d'interface électrique 5, la sortie 10 du module d'interface électrique 5 à une entrée de l'échangeur thermique 12, et enfin une sortie de l'échangeur thermique 12 une entrée du moyen de mise en circulation 13. Des connecteurs hydrauliques peuvent être prévus pour garantir une connexion étanche avec le boîtier 7, avec l'échangeur thermique 12 et avec le moyen de mise en circulation 13. Le boîtier 7, les conduites hydrauliques 11, l'échangeur thermique 12 et le moyen de mise en circulation 13 forment donc un circuit de refroidissement à l'intérieur duquel peut circuler le fluide diélectrique.
Le boîtier 7 est donc étanche afin de prévenir toute fuite de fluide diélectrique hors du circuit de refroidissement. Pour obtenir des connexions électriques étanches, notamment au niveau du connecteur 8A, on pourra utiliser des connecteurs de type jonction surmoulée.
Un fluide diélectrique peut ainsi circuler au travers du boîtier 7 en contact direct avec au moins une partie des composants électriques 6, de préférence en contact direct avec l'ensemble des composants électriques 6. En particulier, le fluide diélectrique peut circuler entre les composants électriques et ainsi emmagasiner une partie de la chaleur qu'ils génèrent. La circulation du fluide diélectrique à l'intérieur du boîtier est représentée par une flèche 13 sur les figures 4 et 5. En variante, tout autre sens de circulation du fluide diélectrique pourrait être envisagé.
Le fluide diélectrique est un fluide isolant électriquement. En particulier, le fluide diélectrique peut être un fluide qui ne contient pas de charges électriques susceptibles de se déplacer de façon macroscopique. Il peut notamment comprendre un hydrocarbure et/ou un fluorocarbure. Il peut par exemple se trouver sous la forme d'une huile. Il peut également être un fluide diphasique, c’est-à-dire un fluide dont une partie est à l'état liquide et une autre partie à l'état gazeux dans ses conditions d'utilisation.
Le moyen de mise en circulation 13 permet de faire circuler le fluide diélectrique au travers du boîtier 7, le long du circuit de refroidissement. Il peut comprendre par exemple une pompe.
L'échangeur thermique 12 permet de refroidir le fluide diélectrique. Il forme un point froid du circuit de refroidissement. Selon une variante de réalisation, le système de stockage d'énergie 3 pourrait ne pas comprendre de pompe, la circulation du fluide diélectrique se faisant naturellement par convection. Dans ce cas, le fluide diélectrique réchauffé au contact des composants électriques 6 se déplace naturellement vers le point froid du circuit de refroidissement. Le fluide diélectrique refroidi se déplace naturellement vers le point chaud du circuit de refroidissement qu'est le module d'interface électrique 5. Dans cette hypothèse, l'échangeur thermique 12 joue le rôle de moyen de mise en circulation du fluide diélectrique. L'échangeur thermique et le moyen de mise en circulation peuvent donc être un seul et même composant du système de stockage d'énergie 3.
Selon un autre aspect de l'invention, le système de stockage d'énergie peut également comprendre un circuit 15 de fluide diélectrique agencé pour refroidir les cellules électrochimiques 4. Le circuit 15 peut être par exemple raccordé aux conduites hydrauliques 11, ou en variante directement au boîtier 7.
Lorsque les cellules électrochimiques 4 sont rechargées, du courant électrique de forte puissance circule dans les composants électriques 6. La chaleur produite par ces composants est transférée au moins en partie au fluide diélectrique plus froid qui est en contact direct avec ces composants. Le caractère diélectrique du fluide prévient l'apparition de tout court-circuit entre les composants électriques 6. La chaleur produite est ainsi évacuée hors du boîtier via le fluide diélectrique. La température moyenne du module d'interface électrique 5 est ainsi maintenue à un niveau relativement bas. Le fluide diélectrique est refroidi au moins lors de son passage à l'intérieur de l'échangeur thermique avant d'être réintroduit de nouveau à l'intérieur du boîtier 7. Lorsque le système de stockage d'énergie 3 est doté du circuit 15, on parvient à refroidir simplement et par la même occasion les cellules électrochimiques 4.
En baignant le module d'interface électrique 5 dans un fluide diélectrique en circulation, des coefficients de convection locaux d’environ 100 W/m²/K peuvent être atteints. En prenant en compte un tel échange thermique et une température du fluide diélectrique de 20°C, on obtient une température de 120.4 °C au cours d'une charge avec un courant électrique de 500A. Un telle température est supportable et ne conduit pas à l'endommagement du module d'interface électrique 5.
Par ailleurs, la chaleur évacuée par le fluide diélectrique peut être valorisée dans un dispositif de gestion thermique 16 du véhicule. Par exemple, le dispositif de gestion thermique 16 peut coopérer avec l'échangeur thermique 12 et transférer la chaleur véhiculée par le fluide diélectrique vers un habitacle du véhicule pour le chauffer.
L’invention permet d’augmenter significativement les performances de refroidissement des composants électriques 6 de puissance et donc d’augmenter les puissances de charge admissibles par le système de stockage d'énergie 3. L'invention permet également d’envisager un redimensionnement des barres conductrice vers une section de passage de courant plus faible, ce qui permet de réduire leur masse et leur volume. Les barres conductrices chaufferont certes davantage, mais le refroidissement obtenu par la circulation du fluide diélectrique pourra évacuer la chaleur générée. Le module d'interface électrique obtenu peut être particulièrement peu encombrant car on peut s'affranchir de l'échangeur thermique généralement accolé au boîtier renfermant les composants électriques 6, dans lequel de l'eau ou un fluide frigorifique peut circuler. De plus, le boîtier ne présentant plus d'ouvertures d'aération pour le passage de l'air, il est inutile de prévoir un volume libre important autour du boîtier pour la circulation de l'air. On obtient ainsi un module d'interface électrique 5 plus compact.

Claims (10)

  1. Module d'interface électrique (5) pour un système de stockage d'énergie (3) électrique d'un véhicule (1) automobile, caractérisé en ce qu’il comprend un boîtier (7), un ensemble de composants électriques (6) de puissance à l'intérieur du boîtier, et un fluide diélectrique en contact direct avec au moins une partie des composants électriques, le boîtier comprenant une ouverture d'entrée (9) et une ouverture de sortie (10) agencées pour permettre une circulation du fluide diélectrique à l'intérieur du boîtier.
  2. Module d'interface électrique (5) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les composants électriques (6) comprennent au moins un fusible et/ou au moins un relais électrique et/ou au moins une résistance de charge et/ou au moins une barre conductrice (6A).
  3. Module d'interface électrique (5) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide diélectrique comprend un hydrocarbure et/ou un fluorocarbure.
  4. Module d'interface électrique (5) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide diélectrique est un fluide diphasique.
  5. Système de stockage d'énergie (3) pour un véhicule (1) automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble de cellules électrochimiques (4) aptes à stocker de l'énergie électrique et un module d'interface électrique (5) selon l'une des revendications précédentes.
  6. Système de stockage d'énergie (3) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend un moyen de mise en circulation (13), notamment une pompe, pour faire circuler le fluide diélectrique à l'intérieur du boîtier.
  7. Système de stockage d'énergie (3) selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur thermique (12) apte à refroidir le fluide diélectrique.
  8. Système de stockage d'énergie (3) selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend en outre un circuit (15) de fluide diélectrique agencé pour refroidir les cellules électrochimiques (4).
  9. Véhicule (1) automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un module d'interface électrique (5) selon l'une des revendications 1 à 4 et/ou un système de stockage d'énergie (3) selon l'une des revendications 5 à 8.
  10. Véhicule (1) automobile, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de gestion thermique (16) configuré pour récupérer de la chaleur véhiculée par le fluide diélectrique.

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US9362040B2 (en) 2014-05-15 2016-06-07 Lear Corporation Coldplate with integrated electrical components for cooling thereof
FR3078455A1 (fr) * 2018-02-27 2019-08-30 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Module d’alimentation pour moteur de vehicule electrique, avec transfert thermique
FR3085545A1 (fr) * 2018-09-04 2020-03-06 Exoes Module electrique comprenant une pluralite de cellules de batteries immergees dans un fluide dielectrique

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