FR3120992A1 - Procédé de régulation de la température d’une batterie d’un véhicule automobile - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un procédé de régulation de la température d’une batterie d’un véhicule automobile électrique ou hybride, au moyen d’un système comprenant un circuit de compression de vapeur dans lequel circule une première composition de transfert de chaleur comprenant du 2,3,3,3-tétrafluoropropène et un circuit secondaire dans lequel circule une deuxième composition de transfert de chaleur comprenant du 1-chloro-3,3,3-trifluoropropène ayant un rapport de la forme Z sur la forme E inférieur ou égal à 9, le procédé comprenant : l’échange de chaleur entre la batterie et la deuxième composition de transfert de chaleur ;l’échange de chaleur entre la deuxième composition de transfert de chaleur et la première composition de transfert de chaleur. L’invention concerne aussi une installation adaptée à la mise en œuvre de ce procédé.

Description

Procédé de régulation de la température d’une batterie d’un véhicule automobile
Domaine de l’invention
La présente invention concerne un procédé de régulation de la température d’une batterie d’un véhicule automobile, ainsi qu’une installation adaptée à la mise en œuvre de ce procédé.
Arrière-Plan technique
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. Un rendement maximal signifie une puissance instantanée disponible élevée, une capacité totale disponible élevée, ainsi qu’une augmentation de la durée de vie de la batterie. Ainsi, le rendement maximal d’une batterie permet non seulement une meilleure performance et autonomie des véhicules mais aussi une moindre consommation énergétique des véhicules par km.
De plus, lors du fonctionnement du véhicule électrique ou hybride, la température de la batterie augmente et doit toujours être maintenue à une température inférieure à 60°C, de préférence à une température inférieure à 40°C pour éviter un vieillissement prématuré, voire la destruction de la batterie. À des températures inférieures à 15°C, la charge de la batterie diminue en raison de l'augmentation de la résistance interne. Par conséquent, pendant le fonctionnement d'un véhicule, la température de la batterie doit être maintenue entre environ 15 et 40°C. Le fonctionnement de l'unité de batterie en dessous de 0°C endommage les cellules de la batterie et entraîne par conséquent une réduction significative de la durée de vie de l'unité de batterie, de sorte qu'une telle condition doit être évitée.
Dans les véhicules automobiles, le moteur thermique comporte un circuit de circulation d’un fluide caloporteur qui est utilisé pour le refroidissement du moteur et également pour le chauffage de l’habitacle. A cet effet, le circuit comprend notamment une pompe et un aérotherme dans lequel circule un flux d’air qui récupère la chaleur emmagasinée par le fluide caloporteur afin de chauffer l’habitacle.
Par ailleurs, un système de refroidissement comprend un évaporateur, un compresseur, un condenseur, un détendeur et un fluide susceptible de changer d’état (liquide/gaz) communément désigné fluide frigorigène ou fluide de transfert de chaleur. Le compresseur, directement entraîné par le moteur du véhicule à l’aide d’une courroie et d’une poulie, comprime le fluide frigorigène, le refoulant sous haute pression et à haute température vers le condenseur. Le condenseur, grâce à une ventilation forcée, provoque la condensation du gaz qui arrive à l’état gazeux à haute pression et haute température. Le condenseur liquéfie le gaz grâce à l’abaissement de température de l’air qui le traverse. L’évaporateur est un échangeur thermique qui prélève des calories à l’air qui sera soufflé dans l’habitacle ou de la batterie du véhicule. Le détendeur permet de réguler le débit d’entrée du gaz dans la boucle via une modification de section de passage dépendant de la température et de la pression au niveau de l’évaporateur. Ainsi, l’air chaud venant de l’extérieur ou la batterie du véhicule se refroidit en contact avec l’évaporateur.
Le fluide frigorigène traditionnellement utilisé dans la climatisation automobile est le 1,1,1,2-tétrafluoroéthane (HFC-134a).
Cependant, un grand nombre de fluides HFC, dont le HFC-134a, peuvent contribuer de manière néfaste à l’effet de serre. Cette contribution est quantifiée par un paramètre numérique, le GWP (Global Warming Potential ou potentiel de réchauffement climatique).
Un autre fluide frigorigène désormais utilisé dans les applications de transfert de chaleur est le 2,3,3,3-tétrafluoropropène (HFO-1234yf). Cependant, même si le HFO-1234yf est un fluide à bas GWP, il est considéré comme un fluide inflammable.
Le document EP 3499634 concerne un système de gestion thermique de batterie d’un véhicule avec au moins une unité de batterie.
Le document WO 2017/143018 concerne des systèmes de réfrigérant pour le conditionnement d'air et/ou d'articles situés dans une habitation occupée par des humains ou d'autres animaux.
Le document DE 202014010264 concerne un véhicule comportant au moins un premier dispositif de réfrigération à compression conçu pour refroidir un espace interne du véhicule et comprenant un réfrigérant en circulation, caractérisé en ce que le réfrigérant est une substance de la famille des fluorocétones et/ou (hydro)fluorooléfines et/ou (hydro)fluorochloroléfines.
Il existe un besoin de fournir des procédés de régulation de la température d’une batterie d’un véhicule automobile efficaces et sécurisés, tout en limitant ou en réduisant la quantité de produits inflammables dans le véhicule ou la proximité de ceux-ci avec les parties les plus chaudes du véhicule.
L’invention concerne en premier lieu un procédé de régulation de la température d’une batterie d’un véhicule automobile électrique ou hybride, au moyen d’un système comprenant un circuit de compression de vapeur dans lequel circule une première composition de transfert de chaleur comprenant du 2,3,3,3-tétrafluoropropène et un circuit secondaire dans lequel circule une deuxième composition de transfert de chaleur comprenant du 1-chloro-3,3,3-trifluoropropène ayant un rapport de la forme Z sur la forme E inférieur ou égal à 9, le procédé comprenant :
  • l’échange de chaleur entre la batterie et la deuxième composition de transfert de chaleur ;
  • l’échange de chaleur entre la deuxième composition de transfert de chaleur et la première composition de transfert de chaleur.
Dans des modes de réalisation, le rapport de la forme Z sur la forme E de 1-chloro-3,3,3-trifluoropropène est inférieur ou égal à 5, de préférence inférieur à ou égal 1, de préférence inférieur ou égal à 0,5 et encore de préférence inférieur ou égal à 0,1.
Dans des modes de réalisation, la première composition de transfert de chaleur comprend un ou plusieurs composés de transfert de chaleur autre que le 2,3,3,3-tétrafluoropropène, ces composés étant de préférence choisis parmi le difluorométhane, le pentafluoroéthane, le 1,1,2,2-tétrafluoroéthane, le 1,1,1,2-tétrafluoroéthane, le 1,1-difluoroéthane, le fluoroéthane, le 1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropane, le 1,1,1-trifluoropropane et leurs mélanges, et de préférence encore ce composé étant le difluorométhane.
Dans des modes de réalisation, le 2,3,3,3-tétrafluoropropène est présent à une teneur d’environ 78,5 % en poids dans la première composition et le difluorométhane est présent à une teneur d’environ 21,5 % en poids dans la première composition.
Dans des modes de réalisation, la deuxième composition de transfert de chaleur consiste en du 1-chloro-3,3,3-trifluoropropène.
Dans des modes de réalisation, la deuxième composition de transfert de chaleur est à une pression essentiellement uniforme dans le circuit secondaire, ladite pression étant de préférence égale à la pression de saturation de la deuxième composition.
Dans des modes de réalisation, la batterie est maintenue à une température comprise entre une température minimale t1et une température maximale t2.
Dans des modes de réalisation, la température minimale t1est supérieure ou égale à 0°C et la température maximale t2est inférieure ou égale à 60°C, de préférence encore la température minimale t1est supérieure ou égale à 15°C et la température maximale t2est inférieure ou égale à 40°C, et de préférence encore la température minimale t1est supérieure ou égale à 16°C et la température maximale t2est inférieure ou égale à 28°C.
Dans des modes de réalisation, le procédé est mis 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.
Dans des modes de réalisation, la deuxième composition de transfert de chaleur est en contact direct avec la batterie du véhicule.
Dans des modes de réalisation, la batterie comprend au moins une cellule électrochimique comportant une électrode négative, une électrode positive et un électrolyte, l’électrode positive comprenant au moins un oxyde de formule LiNixMnyCozO2avec x+y+z=1, x>y et x>z, ou LiNix’Coy’Alz’avec x’+y’+z’=1, x’>y’ et x’>z’, en tant que matériau électrochimiquement actif.
L’invention concerne également une installation pour la régulation de la température d’une batterie d’un véhicule automobile électrique ou hybride, comprenant :
  • un circuit de compression de vapeur dans lequel circule une première composition de transfert de chaleur comprenant du 2,3,3,3-tétrafluoropropène ; et
  • un circuit secondaire dans lequel circule une deuxième composition de transfert de chaleur comprenant du 1-chloro-3,3,3-trifluoropropène ayant un rapport de la forme Z sur la forme E inférieur ou égal à 9 ;
le circuit de compression de vapeur étant couplé avec le circuit secondaire par un échangeur de chaleur intermédiaire, de sorte à permettre l’échange de chaleur entre la première composition de transfert de chaleur et la deuxième composition de transfert de chaleur ; et l’installation comprenant un échangeur de chaleur additionnel configuré pour échanger de la chaleur entre la batterie et la deuxième composition de transfert de chaleur.
Dans des modes de réalisation, le circuit secondaire ne comprend pas de compresseur.
Dans des modes de réalisation, la circulation de la deuxième composition de transfert de chaleur dans le circuit secondaire est effectuée au moyen d’une pompe, ou par pesanteur, ou par capillarité.
Dans des modes de réalisation, l’installation est adaptée en outre pour la climatisation de l’habitacle du véhicule, et/ou le chauffage de l’habitacle du véhicule, et/ou le refroidissement de composés électroniques du véhicule, et/ou le chauffage de composés électroniques du véhicule.
Dans des modes de réalisation, la première composition de transfert de chaleur comprend un ou plusieurs composés de transfert de chaleur autre que le 2,3,3,3-tétrafluoropropène, ces composés étant de préférence choisis parmi le difluorométhane, le pentafluoroéthane, le 1,1,2,2-tétrafluoroéthane, le 1,1,1,2-tétrafluoroéthane, le 1,1-difluoroéthane, le fluoroéthane, le 1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropane, le 1,1,1-trifluoropropane et leurs mélanges, et de préférence encore ce composé étant le difluorométhane.
Dans des modes de réalisation, le 2,3,3,3-tétrafluoropropène est présent à une teneur d’environ 78,5 % en poids dans la première composition et le difluorométhane est présent à une teneur d’environ 21,5 % en poids dans la première composition.
La présente invention permet de répondre au besoin exprimé ci-dessus. Elle fournit plus particulièrement un procédé de régulation de la température d’une batterie d’un véhicule automobile efficace et sécurisé. Elle permet le cas échéant de limiter ou de réduire la quantité de produits inflammables dans le véhicule ou la proximité de ceux-ci avec les parties les plus chaudes du véhicule.
Cela est accompli grâce à l’utilisation couplée de deux compositions de transfert de chaleur, l’une comprenant du HFO-1234yf et circulant dans un circuit de compression de vapeur, et l’autre comprenant du HCFO-1233zd ayant un rapport de la forme Z sur la forme E inférieur ou égal à 9 et circulant dans un circuit secondaire, la composition de transfert de chaleur dans le circuit secondaire effectuant les transferts de chaleur requis avec la batterie du véhicule. De préférence, la composition de transfert de chaleur dans le circuit secondaire ne contient pas de composé de transfert de chaleur inflammable ; ou cette composition est non-inflammable. Plus particulièrement, étant donné que le HFO-1234yf est utilisé comme fluide de transfert de chaleur dans le circuit de compression de vapeur, l’utilisation du circuit secondaire permet de limiter l’étendue du circuit de compression de vapeur et de diminuer la quantité de HFO-1234yf utilisée et/ou d’éviter une proximité du HFO-1234yf avec les éléments du véhicule les plus chauds, notamment la batterie du véhicule, en diminuant ainsi les risques de fuite et d’incendie. De plus, l’utilisation d’un circuit secondaire facilite la gestion thermique du véhicule. Plus particulièrement, et si on prend comme exemple les voitures électriques, de nombreuses sources de chaleur (batterie, circuit électrique et électronique, moteur) ainsi que de nombreux besoins de chauffage et/ou de refroidissement (batterie, habitacle) existent sur différents niveaux de températures. L’utilisation d’un circuit secondaire comprenant un fluide de transfert de chaleur facilite la gestion thermique de ces équipements par rapport à d’autres technologies.
Par ailleurs, il a été constaté que la combinaison d’une première composition de transfert de chaleur comprenant du HFO-1234yf avec une deuxième composition de transfert de chaleur comprenant du HCFO-1233zd (rapport Z/E<9) permet une régulation particulièrement efficace et sûr de la température de la batterie du véhicule.
L’efficacité du refroidissement ou du chauffage peut être caractérisée par la capacité et le coefficient de performance. Les températures et pressions observées dans les circuits (notamment la température en sortie de compresseur, la pression au condenseur, voire la pression à l’évaporateur) sont également des éléments à prendre en compte pour l’évaluation de l’efficacité et de la sûreté.
Les propriétés diélectriques du HCFO-1233zd (gaz et liquide) sont particulièrement avantageuses pour une utilisation à proximité, voire au contact, de la batterie.
Dans certains modes de réalisation, l’utilisation du circuit secondaire permet également une diminution de la consommation énergétique grâce à une faible puissance de pompage, par rapport à l’utilisation d’un fluide caloporteur monophasique.
Dans certains modes de réalisation, l’utilisation du circuit secondaire comprenant la deuxième composition de transfert de chaleur permet un allégement du véhicule, en évitant l’utilisation de matériaux à changement de phase solides pour effectuer les échanges de chaleur.
Dans certains modes de réalisation, la deuxième composition de transfert de chaleur ne contenant pas des composés de transfert de chaleur inflammables, ou étant à tout le moins non-inflammable, peut également servir comme agent d’extinction en cas de surchauffe de la batterie du véhicule.
Dans certains modes de réalisation, le pack batterie est immergée dans la deuxième composition de transfert et la deuxième composition de transfert est diélectrique.
Brève description des figures
La représente de manière schématique un mode de réalisation d’une installation selon l’invention.

Claims (7)

  1. Procédé de régulation de la température d’une batterie d’un véhicule automobile électrique ou hybride, au moyen d’un système comprenant un circuit de compression de vapeur dans lequel circule une première composition de transfert de chaleur comprenant du 2,3,3,3-tétrafluoropropène et un circuit secondaire dans lequel circule une deuxième composition de transfert de chaleur comprenant un ou plusieurs composés de transfert de chaleur ayant une température d’ébullition de 0 à 40°C, le procédé comprenant :
    • l’échange de chaleur entre la batterie et la deuxième composition de transfert de chaleur ;
    • l’échange de chaleur entre la deuxième composition de transfert de chaleur et la première composition de transfert de chaleur
    • et la batterie est maintenue à une température comprise entre une température minimale t1 et une température maximale t2.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la deuxième composition de transfert de chaleur comprend du 1-chloro-3,3,3-trifluoropropène ayant un rapport de la forme Z sur la forme E inférieur ou égal à 9.
  3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la deuxième composition de transfert de chaleur comprend du 1-chloro-2,3,3,3-tétrafluoropropène.
  4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la deuxième composition de transfert de chaleur comprend du 1,1,1,4,4,4-hexafluorobut-2-ène.
  5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel la première composition de transfert de chaleur comprend un ou plusieurs composés de transfert de chaleur autre que le 2,3,3,3-tétrafluoropropène, ces composés étant de préférence choisis parmi le difluorométhane, le pentafluoroéthane, le 1,1,2,2-tétrafluoroéthane, le 1,1,1,2-tétrafluoroéthane, le 1,1-difluoroéthane, le fluoroéthane, le 1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropane, le 1,1,1-trifluoropropane et leurs mélanges, et de préférence encore ce composé étant le difluorométhane.
  6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel le 2,3,3,3-tétrafluoropropène est présent à une teneur d’environ 78,5 % en poids dans la première composition et le difluorométhane est présent à une teneur d’environ 21,5 % en poids dans la première composition.
  7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel la deuxième composition de transfert de chaleur est en contact direct avec la batterie du véhicule.
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