FR3115289A1 - Régulation thermique d’une batterie par immersion dans une composition liquide - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne l’utilisation d’une composition de transfert de chaleur comprenant de plus de 0 % à 40 % en poids d’un fluide frigorigène comprenant un composé choisi parmi les hydrocarbures halogénés, les composés perhalogénés, les cétones fluorées, les éthers fluorés ainsi que leurs combinaisons, et de 60 % à moins de 100 % en poids d’un fluide diélectrique, pour réguler la température d’une batterie, la batterie comprenant des cellules de stockage d’énergie immergées dans la composition de transfert de chaleur à l’état liquide, et la composition de transfert de chaleur ne subissant essentiellement pas de changement d’état. Figure 1

Description

Régulation thermique d’une batterie par immersion dans une composition liquide
Domaine de l’invention
La présente invention concerne l’utilisation d’une composition de transfert de chaleur comprenant au moins un fluide frigorigène et au moins un fluide diélectrique, pour réguler la température d’une batterie. L’invention s’applique en particulier aux batteries de véhicules électriques ou hybrides.
Arrière-plan technique
Le besoin de dissiper de forts flux thermiques est primordial dans plusieurs applications, notamment le refroidissement des batteries.
En particulier, les batteries des véhicules électriques ou hybrides donnent un rendement maximal dans des conditions d’utilisation spécifiques et surtout dans une plage de température bien spécifique. Ainsi, dans les climats froids, l’autonomie des véhicules électriques ou hybrides pose problème, d’autant plus que les besoins importants de chauffage consomment une grande partie de l’énergie électrique stockée. En outre, à basse température, la puissance disponible de la batterie est faible, ce qui pose un problème de conduite. D’ailleurs, le coût de la batterie contribue fortement au coût du véhicule électrique ou hybride.
Inversement, le refroidissement de la batterie représente un enjeu de sécurité prépondérant. Différentes huiles diélectriques peuvent être utilisées pour refroidir la batterie d’un véhicule électrique ou hybride. Cependant, lorsque la charge rapide de la batterie est exigée, l’utilisation des huiles diélectriques seules ne suffit pas pour refroidir efficacement la batterie. Dans ce cas, des fluides plus volatils et moins visqueux doivent être utilisés. Cependant, ces fluides présentent d’habitude des tensions de vapeur supérieures à celles observées dans le cas des huiles diélectriques, ce qui peut nécessiter un renforcement du boitier de la batterie (et donc une augmentation de son poids) afin de résister à la pression. Ces fluides présentent d’ailleurs un coût supérieur à celui des huiles diélectriques.
De plus, il est important d’utiliser, à proximité de la batterie, des compositions peu ou non inflammables afin d’éliminer tout risque lié à la sécurité de l’utilisation de ces compositions.
Le document FR 2973809 concerne l’utilisation d’un adsorbant zéolithique pour améliorer la stabilité thermique d’une huile soumise à des variations de température dans des compositions de fluides réfrigérants.
Le document FR 2962442 concerne une composition stable comprenant du 2,3,3,3-tetrafluoropropène, pour utilisation en réfrigération et climatisation.
Le document US 2014/057826 concerne une composition de transfert de chaleur comprenant au moins une hydrochlorofluorooléfine utilisée pour des applications de climatisation, de réfrigération et de pompe à chaleur ou utilisée pour le nettoyage des produits, composants, substrats ou autres articles contenant la substance à nettoyer.
Le document WO 2019/242977 concerne un appareillage de commutation isolé par un fluide qui comprend un compartiment de fluide rempli avec un fluide électriquement isolant et un conducteur électrique placé dans le compartiment de fluide et électriquement isolé par le fluide électriquement isolant.
Le document WO 2019/162598 concerne l'utilisation d'un fluide frigorigène comprenant du 2,3,3,3-tétrafluoropropène pour le maintien de la température d'une batterie d'un véhicule électrique ou hybride dans une gamme de température.
Le document WO 2019/162599 concerne l’utilisation d'un fluide frigorigène comprenant du 2,3,3,3-tétrafluoropropène pour le préchauffage d'une batterie d'un véhicule électrique ou hybride à partir du démarrage du véhicule.
Le document WO 2019/197783 concerne un procédé de refroidissement et/ou de chauffage d'un corps ou d'un fluide dans un véhicule automobile, au moyen d'un système comprenant un circuit de compression de vapeur dans lequel circule une première composition de transfert de chaleur et un circuit secondaire dans lequel circule une deuxième composition de transfert de chaleur.
Les documents WO 2020/011888, WO 2020/100152, WO 2020/007954, US 9,865,907, US 10,784,545, FR 3037727, FR 3075471, FR 3085542, FR 3085545, FR 3085547, FR 3085556 et EP 3499634 décrivent des systèmes de régulation thermique de batteries par contact direct avec un fluide.
Il existe un besoin d’assurer un fonctionnement optimal des batteries, notamment de véhicules électriques ou hybrides, de sorte à fournir des batteries performantes ayant une durée de vie élevée et sécurisées sans augmenter les coûts.
L’invention concerne en premier lieu l’utilisation d’une composition de transfert de chaleur comprenant de plus de 0 % à 40 % en poids d’un fluide frigorigène comprenant un composé choisi parmi les hydrocarbures halogénés, les composés perhalogénés, les cétones fluorées, les éthers fluorés ainsi que leurs combinaisons, et de 60 % à moins de 100 % en poids d’un fluide diélectrique, pour réguler la température d’une batterie, la batterie comprenant des cellules de stockage d’énergie immergées dans la composition de transfert de chaleur à l’état liquide, et la composition de transfert de chaleur ne subissant essentiellement pas de changement d’état.
Dans des modes de réalisation, la composition de transfert de chaleur circule dans un circuit de transfert de chaleur.
Dans des modes de réalisation, la batterie comprend un ou plusieurs modules comportant chacun une enceinte dans laquelle sont disposées des cellules de stockage d’énergie, la ou les enceintes faisant partie du circuit de transfert de chaleur.
Dans des modes de réalisation, le circuit de transfert de chaleur est thermiquement couplé à un circuit secondaire contenant une composition de transfert additionnelle.
Dans des modes de réalisation, le circuit secondaire est le circuit de climatisation d’un véhicule ; et/ou est un circuit de pompe à chaleur réversible.
Dans des modes de réalisation, le fluide frigorigène comprend ou est du 1 chloro 3,3,3 trifluoropropène, de préférence sous forme E, ou est un mélange binaire, de préférence azéotropique, de 1 chloro 3,3,3 trifluoropropène sous forme Z et de 1,1,1,2,3-pentafluoropropane, ou de 1,1,1,4,4,4-hexafluorobut-2-ène sous forme Z et de 1,2-dichloroéthylene sous forme E.
Dans des modes de réalisation, le fluide diélectrique est choisi parmi les huiles diélectriques minérales, les huiles diélectriques synthétiques, et les huiles diélectriques végétales, et de préférence parmi les hydrocarbures aromatiques choisis parmi les alkylbenzènes, les alkyldiphényléthanes, les alkylnaphtalènes, les méthylpolyarylméthanes ainsi que leurs combinaisons, les poly (alpha)oléfines et les esters de polyol.
Dans des modes de réalisation, l’utilisation est pour le refroidissement de la batterie.
Dans des modes de réalisation, la batterie est la batterie d’un véhicule électrique ou hybride, de préférence d’une automobile électrique ou hybride.
Dans des modes de réalisation, l’utilisation est mise en œuvre lors de la charge de la batterie du véhicule, la batterie du véhicule étant de préférence totalement chargée dans une durée inférieure ou égale à 30 min, et de préférence inférieure ou égale à 15 min à partir de sa décharge totale.
L’invention concerne également un ensemble de batterie, notamment pour véhicule électrique ou hybride, comprenant un ou plusieurs modules comportant chacun une enceinte dans laquelle sont disposées des cellules de stockage d’énergie immergées dans une composition de transfert de chaleur à l’état liquide, la composition de transfert de chaleur comprenant de plus de 0 % à 40 % en poids d’un fluide frigorigène comprenant un composé choisi parmi les hydrocarbures halogénés, les composés perhalogénés, les cétones fluorées, les éthers fluorés ainsi que leurs combinaisons, et de 60 % à moins de 100 % en poids d’un fluide diélectrique, et l’ensemble de batterie étant configuré de telle sorte que la composition de transfert de chaleur ne subit essentiellement pas de changement d’état pour réguler la température de la batterie.
Dans des modes de réalisation, l’ensemble comprend un circuit de transfert de chaleur dans lequel circule la composition de transfert de chaleur, la ou les enceintes du ou des modules étant intégrées à ce circuit de transfert de chaleur.
Dans des modes de réalisation, le circuit de transfert de chaleur comprend une pompe ; et/ou le circuit de transfert de chaleur comprend un échangeur de chaleur pour permettre un échange de chaleur de la composition de transfert de chaleur soit avec l’air ambiant, soit avec une composition de transfert de chaleur dans un circuit secondaire.
Dans des modes de réalisation, le fluide frigorigène comprend ou est du 1 chloro 3,3,3 trifluoropropène, de préférence sous forme E, ou est un mélange binaire, de préférence azéotropique, de 1 chloro 3,3,3 trifluoropropène sous forme Z et de 1,1,1,2,3-pentafluoropropane, ou de 1,1,1,4,4,4-hexafluorobut-2-ène sous forme Z et de 1,2-dichloroéthylene sous forme E.
Dans des modes de réalisation, le fluide diélectrique est choisi parmi les huiles diélectriques minérales, les huiles diélectriques synthétiques, et les huiles diélectriques végétales, et de préférence parmi les hydrocarbures aromatiques choisis parmi les alkylbenzènes, les alkyldiphényléthanes, les alkylnaphtalènes, les méthylpolyarylméthanes ainsi que leurs combinaisons, les poly (alpha)oléfines et les esters de polyol.
L’invention concerne également un procédé de régulation de la température de la batterie de l’ensemble de batterie ci-dessus, comprenant le chauffage des cellules de stockage d’énergie par la composition de transfert de chaleur et/ou le refroidissement des cellules de stockage d’énergie par la composition de transfert de chaleur, essentiellement sans changement d’état de la composition de transfert de chaleur.
La présente invention permet de répondre au besoin exprimé ci-dessus. Elle permet en effet d’assurer un fonctionnement optimal de l’équipement, en particulier une batterie de véhicule électrique ou hybride (en particulier la batterie de traction du véhicule), de sorte à fournir des batteries performantes, ayant des durées de vie élevées, sécurisées sans augmenter les coûts.
Cela est accompli grâce à l’utilisation d’une composition de transfert de chaleur comprenant de plus de 0 % à 40 % en poids d’un fluide frigorigène choisi parmi les hydrocarbures halogénés, les composés perhalogénés, les cétones fluorées, les éthers fluorés ainsi que leurs combinaisons, et de 60 % à moins de 100 % d’un fluide diélectrique, les cellules de stockage d’énergie de la batterie étant immergées dans la composition de transfert de chaleur à l’état liquide et la composition de transfert de chaleur ne subissant essentiellement pas de changement d’état.
Par «ne subissant essentiellement pas de changement d’état», on entend que la composition ne subit pas de changement d’état, si ce n’est en raison de la variation possible de sa tension de vapeur en fonction de la variation de la température. En particulier, un éventuel changement d’état dû à la variation de la tension de vapeur concerne de préférence moins de 1 % en poids de la composition, de préférence encore moins de 0,5 % en poids.
De préférence, le fluide frigorigène a un point d’ébullition inférieur à 50°C, de préférence encore inférieur à 30°C, et notamment inférieur à 25°C ou à 20°C (à 1 bar).
En effet, la combinaison d’un fluide diélectrique avec un fluide frigorigène permet de fournir une composition peu visqueuse (notamment en comparaison avec une composition consistant en un fluide diélectrique), ce qui permet par exemple de réduire la consommation énergétique du système. De préférence, le transfert de chaleur est ainsi plus efficace qu’avec un fluide diélectrique seul.
D’autre part, la présence d’un composé de température d’ébullition basse, peut aider à ralentir la propagation en cas d’emballement thermique de la batterie.
Par rapport à l’utilisation d’un fluide frigorigène seul, l’invention permet de réduire le coût et le poids sans dégradation notable des performances de la batterie, de la durée de vie, ou de la sécurité.
De plus, la tension de vapeur de la composition est généralement inférieure à celle du fluide frigorigène seul, ce qui permet de diminuer les contraintes de renforcement de l’installation.
Ainsi, l’invention permet de manière générale d’augmenter l’efficacité, la durée de vie et la sécurité des batteries, notamment lors d’une charge rapide, sans augmenter les coûts.
De préférence, la composition présente une résistivité volumique supérieure ou égale à 106Ω.cm à 25°C. De préférence, la composition présente une tension de claquage supérieure ou égale à 20 kV à 20°C. Cela assure que les propriétés diélectriques de la composition sont compatibles, du point de vue de la sécurité, avec une utilisation en contact direct avec les cellules.
Avantageusement, la combinaison de fluide frigorigène avec le fluide diélectrique permet également d’obtenir des compositions qui sont peu ou non inflammables.
Brève description des figures
La est un schéma qui illustre un mode de réalisation d’un ensemble de batterie selon l’invention.
La est un schéma qui illustre un mode de réalisation d’un ensemble de batterie selon l’invention.
La est un schéma qui illustre un mode de réalisation d’un ensemble de batterie selon l’invention.
La est un schéma qui illustre un mode de réalisation d’un ensemble de batterie selon l’invention.
La est un diagramme qui illustre la variation de la température de saturation liquide de la composition de transfert de chaleur à une pression de 1 bar, en fonction de la teneur en fluide frigorigène (voir la partie exemples ci-dessous). La température est représentée en ordonnée (°C) et la teneur en fluide diélectrique est représentée en abscisse (% en poids).
La est un diagramme qui montre l’évolution de la température dans une enceinte contenant des cellules baignant dans un fluide, l’une des cellules étant soumise à un emballement thermique. La température est représentée en ordonnée (°C) et le temps en abscisse (s).

Claims (16)

  1. Utilisation d’une composition de transfert de chaleur comprenant de plus de 0 % à 40 % en poids d’un fluide frigorigène comprenant un composé choisi parmi les hydrocarbures halogénés, les composés perhalogénés, les cétones fluorées, les éthers fluorés ainsi que leurs combinaisons, et de 60 % à moins de 100 % en poids d’un fluide diélectrique, pour réguler la température d’une batterie, la batterie comprenant des cellules de stockage d’énergie immergées dans la composition de transfert de chaleur à l’état liquide, et la composition de transfert de chaleur ne subissant essentiellement pas de changement d’état.
  2. Utilisation selon la revendication 1, dans laquelle la composition de transfert de chaleur circule dans un circuit de transfert de chaleur.
  3. Utilisation selon la revendication 2, dans laquelle la batterie comprend un ou plusieurs modules comportant chacun une enceinte dans laquelle sont disposées des cellules de stockage d’énergie, la ou les enceintes faisant partie du circuit de transfert de chaleur.
  4. Utilisation selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle le circuit de transfert de chaleur est thermiquement couplé à un circuit secondaire contenant une composition de transfert additionnelle.
  5. Utilisation selon la revendication 4, dans laquelle le circuit secondaire est le circuit de climatisation d’un véhicule ; et/ou est un circuit de pompe à chaleur réversible.
  6. Utilisation selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le fluide frigorigène comprend ou est du 1-chloro-3,3,3-trifluoropropène, de préférence sous forme E, ou est un mélange binaire, de préférence azéotropique, de 1-chloro-3,3,3-trifluoropropène sous forme Z et de 1,1,1,2,3-pentafluoropropane, ou de 1,1,1,4,4,4-hexafluorobut-2-ène sous forme Z et de 1,2-dichloroéthylene sous forme E.
  7. Utilisation selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle le fluide diélectrique est choisi parmi les huiles diélectriques minérales, les huiles diélectriques synthétiques, et les huiles diélectriques végétales, et de préférence parmi les hydrocarbures aromatiques choisis parmi les alkylbenzènes, les alkyldiphényléthanes, les alkylnaphtalènes, les méthylpolyarylméthanes ainsi que leurs combinaisons, les poly (alpha)oléfines et les esters de polyol.
  8. Utilisation selon l’une des revendications précédentes, pour le refroidissement de la batterie.
  9. Utilisation selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la batterie est la batterie d’un véhicule électrique ou hybride, de préférence d’une automobile électrique ou hybride.
  10. Utilisation selon la revendication précédente, mise en œuvre lors de la charge de la batterie du véhicule, la batterie du véhicule étant de préférence totalement chargée dans une durée inférieure ou égale à 30 min, et de préférence inférieure ou égale à 15 min à partir de sa décharge totale.
  11. Ensemble de batterie, notamment pour véhicule électrique ou hybride, comprenant un ou plusieurs modules comportant chacun une enceinte dans laquelle sont disposées des cellules de stockage d’énergie immergées dans une composition de transfert de chaleur à l’état liquide, la composition de transfert de chaleur comprenant de plus de 0 % à 40 % en poids d’un fluide frigorigène comprenant un composé choisi parmi les hydrocarbures halogénés, les composés perhalogénés, les cétones fluorées, les éthers fluorés ainsi que leurs combinaisons, et de 60 % à moins de 100 % en poids d’un fluide diélectrique, et l’ensemble de batterie étant configuré de telle sorte que la composition de transfert de chaleur ne subit essentiellement pas de changement d’état pour réguler la température de la batterie.
  12. Ensemble de batterie selon la revendication 11, comprenant un circuit de transfert de chaleur dans lequel circule la composition de transfert de chaleur, la ou les enceintes du ou des modules étant intégrées à ce circuit de transfert de chaleur.
  13. Ensemble de batterie selon la revendication 12, dans lequel le circuit de transfert de chaleur comprend une pompe ; et/ou dans lequel le circuit de transfert de chaleur comprend un échangeur de chaleur pour permettre un échange de chaleur de la composition de transfert de chaleur soit avec l’air ambiant, soit avec une composition de transfert de chaleur dans un circuit secondaire.
  14. Ensemble de batterie selon l’une des revendications 11 à 13, dans laquelle le fluide frigorigène comprend ou est du 1-chloro-3,3,3-trifluoropropène, de préférence sous forme E, ou est un mélange binaire, de préférence azéotropique, de 1-chloro-3,3,3-trifluoropropène sous forme Z et de 1,1,1,2,3-pentafluoropropane, ou de 1,1,1,4,4,4-hexafluorobut-2-ène sous forme Z et de 1,2-dichloroéthylene sous forme E.
  15. Ensemble de batterie selon l’une des revendications 11 à 14 dans laquelle le fluide diélectrique est choisi parmi les huiles diélectriques minérales, les huiles diélectriques synthétiques, et les huiles diélectriques végétales, et de préférence parmi les hydrocarbures aromatiques choisis parmi les alkylbenzènes, les alkyldiphényléthanes, les alkylnaphtalènes, les méthylpolyarylméthanes ainsi que leurs combinaisons, les poly (alpha)oléfines et les esters de polyol.
  16. Procédé de régulation de la température de la batterie de l’ensemble de batterie selon l’une des revendications 11 à 15, comprenant le chauffage des cellules de stockage d’énergie par la composition de transfert de chaleur et/ou le refroidissement des cellules de stockage d’énergie par la composition de transfert de chaleur, essentiellement sans changement d’état de la composition de transfert de chaleur.
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