FR3134481A1

FR3134481A1 - Unité de batterie pour véhicule automobile hybride ou électrique.

Info

Publication number: FR3134481A1
Application number: FR2203209A
Authority: FR
Inventors: Ludovic SERRURIER; Patrick COUTIER; Pierrick PORTIER; Jerome PLATRET; Pascal Guerry
Original assignee: Akwel SA
Current assignee: Akwel SA
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2023-10-13

Abstract

L’unité de batterie (10) comprend essentiellement, d’une part, une pluralité d’éléments de batterie (12), le cas échéant regroupés physiquement et/ou électriquement en plusieurs blocs ou modules (14), d’autre part, un boîtier (16) délimitant une enceinte (18) logeant et entourant lesdits éléments (12). En particulier, l’enceinte (18) du boîtier (16) étant adiabatique, l’unité de batterie (10) comprend un organe de transfert thermique passif (30), intégré dans une paroi (20) du boîtier (16), qui est isolant thermiquement en-dessous d’un seuil prédéfini de température de telle sorte que les éléments de batterie (12) sont maintenus isolés thermiquement de l’extérieur du boîtier (16) dans l’enceinte adiabatique (18) et qui est conducteur thermiquement au-dessus du seuil de température prédéfini de telle sorte qu’un transfert thermique entre les éléments de batterie (12) et l’environnement extérieur du boîtier (16) se produit par la paroi (20) du boîtier (16) portant l’organe passif (30) permettant leur refroidissement.. FIGURE ABREGE : FIGURE 2.

Description

Unité de batterie pour véhicule automobile hybride ou électrique.

Domaine technique.

La présente invention concerne une unité de batterie et un véhicule automobile hybride ou électrique comportant au moins une telle unité. Elle s’applique plus particulièrement mais non spécifiquement à un véhicule automobile électrique comprenant un moteur électrique alimenté par une telle unité de batterie.

La lutte contre la pollution atmosphérique a conduit les constructeurs automobiles à développer des véhicules à plus faible consommation de carburant, voire des véhicules dépourvus de moteurs à combustion interne. Ainsi, un nombre croissant de véhicules de série comportent un moteur électrique, soit comme unique moyen d'entraînement pour équiper des véhicules électriques, soit en association avec un moteur à combustion interne pour équiper des véhicules hybrides.

De tels véhicules nécessitent une batterie comprenant des accumulateurs électrochimiques, désignés également par cellules ou éléments de batterie, pour réaliser le stockage d'une importante quantité d'énergie électrique en vue d'alimenter leur moteur électrique. Généralement, dans le cadre des applications embarquées sur véhicules, ces éléments ou cellules de batteries sont contenues à l’intérieur d’un boîtier formant ensemble une unité de batterie, cette unité de batterie étant elle-même assemblée avec une pluralité d’autres unités de batterie pour former un ensemble désigné couramment par l’expression « pack batterie ». Ce pack batterie est alors soit intégré directement à une pièce structurelle du véhicule automobile soit implantée de façon flexible et autonome facilitant son remplacement et/ou sa maintenance.

Il est connu que les éléments de batterie mis en œuvre pour les applications automobiles ont une plage optimale restreinte de fonctionnement en température, généralement une plage de températures comprises entre 10°C et 30°C. En particulier, une température trop basse impacte l’autonomie des éléments de batterie et une température trop élevée impacte leur durée de vie. Une température trop élevée peut même amener à détériorer les accumulateurs électrochimiques ou induire leur destruction par emballement thermique.

Les véhicules automobiles étant supposés fonctionner de façon satisfaisante dans une plage de température allant de -30°C à + 45°C, il est nécessaire de garantir que les éléments de batterie puissent être maintenus dans leur plage optimale de fonctionnement même lorsque les températures environnantes sont extrêmes.

Il est donc souhaitable de réguler thermiquement les éléments de batterie afin d’optimiser la durée de vie de ces accumulateurs électrochimiques et également maintenir une autonomie de fonctionnement satisfaisante, particulièrement par temps froid.

Technique antérieure.

À cet effet, dans l’art antérieur, diverses solutions de régulation thermique des éléments de batterie ont été apportées.

Par exemple, pour le refroidissement des éléments de batterie, les véhicules sont actuellement équipés d’un circuit fermé de circulation d’un liquide caloporteur, tel que de l’eau, comprenant un ventilateur amenant l’air extérieur du véhicule dans un premier échangeur (air/eau) localisé par exemple à l’avant du véhicule. L’eau de refroidissement est acheminée par des tuyaux en matière isolante jusqu’à un deuxième échangeur (eau/air) localisé à proximité de la batterie. Dans ce circuit de régulation, l’eau se chauffe au contact du deuxième échangeur de la batterie et se refroidit au contact du premier échangeur en contact avec l’air extérieur plus froid. La circulation de l’eau est par ailleurs réalisée par une pompe électrique. Par temps très chaud, par exemple autour de 45°C, il est généralement prévu un couplage d’un circuit de climatisation du véhicule avec le circuit de circulation du liquide caloporteur couplé à l’unité de batterie.

En outre, pour réchauffer les éléments de batterie lorsque le véhicule est froid, il est connu de prévoir dans les éléments de batterie un circuit électrique présentant une résistance électrique afin de permettre son échauffement par effet joule.

Or, au cours de cette phase de réchauffage, une partie de l’énergie est consommée pour chauffer également les éléments du deuxième échangeur localisé à proximité de la batterie. Ce deuxième échangeur est formé par exemple par une pluralité de plaques métalliques qu’il est nécessaire également de réchauffer afin de permettre aux éléments de batterie d’atteindre une température comprise dans la plage optimale de fonctionnement.

On comprend dès lors que le réchauffage d’une partie du circuit de régulation thermique servant au refroidissement des éléments de batterie constitue une perte d’énergie inutile qui représente un des principaux inconvénients de la solution de régulation thermique proposée par l’art antérieur.

Le but de l’invention est de remédier à cet inconvénient en proposant une solution de régulation thermique des éléments de batterie qui soit la plus efficace possible en limitant les pertes d’énergies inutiles notamment pour le réchauffage des éléments de batterie.

A cet effet, l’invention a pour objet une unité de batterie, notamment pour véhicule automobile hybride et/ou électrique, comprenant essentiellement, d’une part, une pluralité d’éléments de batterie, le cas échéant regroupés physiquement et/ou électriquement en plusieurs blocs ou modules, d’autre part, un boîtier délimitant une enceinte logeant et entourant lesdits éléments, caractérisé en ce que l’enceinte du boîtier étant adiabatique, l’unité de batterie comprend un organe de transfert thermique passif, intégré dans une paroi du boîtier, qui est isolant thermiquement en-dessous d’un seuil prédéfini de température de telle sorte que les éléments de batterie sont maintenus isolés thermiquement de l’extérieur du boîtier dans l’enceinte adiabatique et qui est conducteur thermiquement au-dessus du seuil de température prédéfini de telle sorte qu’un transfert thermique entre les éléments de batterie et l’environnement extérieur du boîtier se produit par la paroi du boîtier portant l’organe passif permettant leur refroidissement.

Grâce à l’organe de transfert thermique passif de l’invention, l’unité de batterie permet de garantir un refroidissement optimal des éléments de batterie en permettant un transfert de chaleur de l’enceinte adiabatique vers l’environnement extérieur dès lors que la température des éléments de batterie dépasse le seuil de température prédéfini de l’organe.

Cet organe de transfert thermique fonctionne de manière autonome et passive, c’est-à-dire sans approvisionnement extérieur en énergie et ne comporte de préférence aucune pièce mobile, ce qui lui confère une grande simplicité et une excellente fiabilité. De façon avantageuse, le corps de l’organe de transfert thermique possède également une fonction intrinsèque de diode thermique, étant donné que toute évacuation de calories vers l’extérieur est automatiquement stoppée dès que la température des éléments de batterie est inférieure au seuil de température prédéfini de l’organe.

La présente invention propose ainsi une solution de refroidissement des éléments de batterie qui remédie aux inconvénients des dispositifs antérieurement connus. Elle en simplifie la réalisation et en accroît sensiblement le rendement thermique, en particulier puisqu’elle évite toute consommation d’énergie inutile par temps froid.

Une unité de batterie selon l’invention peut en outre comprendre l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes.

Dans un autre mode de réalisation préféré de l’invention, l’organe de transfert thermique passif comprend un corps creux fermé de transfert thermique rempli d’un fluide de travail à changement de phase qui est configuré pour passer d’une phase liquide à une phase vapeur lorsque la température des éléments de batterie est supérieure au seuil de température prédéfini.

Dans un autre mode de réalisation préféré de l’invention, le corps de l’organe de transfert thermique passif comprend une première partie, dite partie d’évaporation qui est en contact thermique direct avec les éléments de batterie et comprend une deuxième partie, dite partie de condensation, qui est couplée à un dispositif de refroidissement externe de sorte que le fluide de travail passe de la phase vapeur à la phase liquide au contact de la partie de condensation.

Dans un autre mode de réalisation préféré de l’invention, la partie d’évaporation est réalisée dans un matériau métallique capillo-poreux, tel que de l’aluminium.

Dans un autre mode de réalisation préféré de l’invention, dans une configuration d’utilisation de l’unité de batterie, la partie d’évaporation est disposée en-dessous de la partie de condensation de sorte que le retour du fluide de travail en phase liquide de la partie de condensation vers la partie d’évaporation se fait sous l’effet de la gravité.

Dans un autre mode de réalisation préféré de l’invention, la partie de condensation est formée par une section d’un circuit de circulation d’un fluide caloporteur traversant le corps de l’organe de transfert thermique passif ou est formée par une paroi du corps de l’organe de transfert thermique qui est couplée avec un radiateur de refroidissement formé par une pluralité d’ailettes s’étendant perpendiculairement à ladite paroi.

Dans un autre mode de réalisation préféré de l’invention, le corps fermé de l’organe de transfert thermique passif se présente sous la forme d’un panneau creux comprenant une paroi inférieure interne, formant évaporateur, en contact thermique avec les éléments de batterie et une paroi supérieure externe en regard et à distance de la paroi inférieure interne et comprend une structure interne compartimentée comprenant une pluralité de cloisons perpendiculaires aux parois externe et interne qui relient les parois entre elles pour délimiter une pluralité de compartiments.

Dans un autre mode de réalisation préféré de l’invention, l’une des parois comprend des nervures venues de matière faisant saillie à partir de l’une des faces de cette paroi jusqu’à atteindre avec leurs extrémités libres l’une des faces de l’autre des parois afin de former les cloisons de séparation de la structure interne compartimentée.

Dans un autre mode de réalisation préféré de l’invention, les nervures se croisent entre elles pour délimiter des compartiments pour former une structure interne compartimentée de forme générale alvéolaire.

Dans un autre mode de réalisation préféré de l’invention, la structure compartimentée est venue de matière avec la paroi externe, par exemple par moulage en une pièce d’une matière thermoplastique.

Dans un autre mode de réalisation préféré de l’invention, l’unité de batterie comprend au moins une section d’un circuit de circulation d’un fluide caloporteur comportant une pluralité de conduits tubulaires, intégrée structurellement à l’organe de transfert thermique passif et traversant le corps de l’organe de transfert thermique passif.

Dans un autre mode de réalisation préféré de l’invention, le boîtier comprend au moins une barrette d’extension tubulaire qui est conformée pour être fixée transversalement de façon étanche sur l’une des première et deuxième extrémités du corps de l’organe de transfert thermique passif et qui délimite intérieurement un canal transversal à l’intérieur duquel débouchent les conduits tubulaires du circuit de façon à former une ligne de distribution/collecte de fluide caloporteur, la barrette étant pourvue d’un embout externe de raccordement audit circuit de fluide caloporteur.

Dans un autre mode de réalisation préféré de l’invention, le corps de l’organe passif comprend une structure interne compartimentée délimitant une pluralité de canaux longitudinaux à l’intérieur desquels s’étendent les conduits tubulaires et au moins des première et deuxième cloisons transversales d’extrémités fermant le corps de l’organe passif en des première et deuxième extrémités selon la direction longitudinale du corps et au travers desquelles les conduits viennent s’emmancher de façon étanche.

Dans un autre mode de réalisation préféré de l’invention, la structure compartimentée comprend une pluralité de cloisons intermédiaires transversales s’étendant au travers des canaux et comprenant des orifices de passage des conduits dudit circuit au travers des cloisons intermédiaires afin de former une pluralité de compartiments de transfert thermique entourant des portions de conduits de ladite section du circuit.

Dans un autre mode de réalisation préféré de l’invention, l’enceinte adiabatique a une résistivité thermique supérieure à 0.1 m².K/W et de préférence supérieure à 0.2 m².K/W.

Dans un autre mode de réalisation préféré de l’invention, le boîtier comprenant une paroi de fond, une paroi périphérique et une paroi de couvercle, l’organe passif est intégré dans la paroi de couvercle du boîtier.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lumière de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexes dans lesquels :

Fig.1

représente une vue en perspective d’une unité de batterie selon l’invention ;

Fig.2

représente une vue en perspective éclatée de l’unité de batterie de la ;

Fig.3

représente une vue en perspective de dessous d’une paroi d’un boîtier de l’unité de batterie intégrant un organe de transfert thermique passif ;

Fig.4

représente une vue en perspective de dessus de la paroi illustrée sur la ;

Fig.5

représente une vue en perspective éclatée de dessous de la paroi illustrée sur la ;

Fig.6

représente une vue en perspective éclatée de dessus de la paroi illustrée sur la ;

Fig.7

représente une vue en coupe transversale de l’unité de batterie selon la ligne de coupe VII-VII de la ;

Fig.8

représente une vue en coupe transversale de l’unité de batterie selon l’axe X de la ;

Fig.9

représente un diagramme de phase vapeur/liquide/solide de l’eau représentant les différentes phases de l’eau en fonction de la pression P exprimée en bar sur l’axe des ordonnées et en fonction de la température exprimée T en Kelvin avec « S » pour l’état solide, « L » pour l’état liquide, « V » pour l’état vapeur.

On a représenté sur la une unité de batterie selon l’invention, notamment pour véhicule automobile hybride et/ou électrique. Dans la suite de la description, cette unité de batterie est désignée par la référence générale 10.

Comme cela est représentée sur la vue éclatée de la , cette unité de batterie 10 comprend une pluralité d’éléments de batterie 12 (désignées également cellules de batterie ou cellules électrochimiques 12), le cas échéant regroupés physiquement et/ou électriquement en plusieurs blocs ou modules 14. En outre, d’autre part, l’unité de batterie 10 comprend un boîtier 16 logeant et entourant lesdits éléments 12, comme cela est visible sur les figures 1 et 2.

L’unité de batterie 10 est généralement elle-même assemblée avec une pluralité d’unités de batterie (non représentées) qui forment un ensemble qui est désigné couramment par « pack batterie ». Ce « pack batterie » est par exemple destiné à être fixé sous un plancher d’un véhicule automobile, à l’intérieur d’un logement prévu à cet effet. Cet agencement du pack batterie sous le plancher du véhicule automobile n’est qu’un exemple qui ne présente aucun caractère limitatif.

Conformément à l’invention, le boîtier 16 de l’unité de batterie 10 délimite une enceinte adiabatique 18 logeant et entourant lesdits éléments ou cellules électrochimiques 12. Par exemple, on pourra considérer que l’enceinte est adiabatique 18 si elle présente une résistivité thermique supérieure à 0.1 m².K/W. L’enceinte 18 présentera de préférence une résistivité thermique supérieure à 0.2 m².K/W. L’enceinte 18 permet ainsi de réduire quasiment à néant les échanges thermiques avec l’environnement extérieur de l’unité de batterie 10. On pourra former cette enceinte adiabatique 18 par tous moyens appropriés connus en soi. On pourra également revêtir l’intérieur de l’enceinte d’une surface réfléchissante afin de réduire les échanges énergétiques avec l’extérieur par rayonnement.

Comme cela est illustré sur la , le boîtier 16 a une forme générale sensiblement parallélépipédique s’étendant selon une direction longitudinale X représentée sur la , formé en deux parties supérieure 20 et inférieure 22, dont chacune comporte un rebord de jonction 28 périphérique venant en vis-à-vis l’un de l’autre. L’un des rebords 28 de jonction est muni de préférence d’une gorge de réception d’un joint d’étanchéité 29, par exemple de forme générale rectangulaire et configurée pour suivre le contour périphérique des rebords de jonction 28. La partie inférieure 22 du boîtier 16 comprend de préférence une paroi de fond 24 et une paroi périphérique 26 et la paroi supérieure 20 du boîtier 16 forme un couvercle permettant d’obturer de façon étanche le boîtier 16.

En outre, comme cela est visible sur la , de façon optionnelle, l’unité de batterie 10 comprend encore deux panneaux latéraux 27 de rigidification comprenant par exemple une structure alvéolaire en nid d’abeille et étant montés chacun sur une face latérale externe du boîtier 16.

Plus particulièrement, l’unité de batterie 10 comprend encore un organe de transfert thermique passif 30, intégré dans une paroi du boîtier 16. De préférence, l’organe de transfert thermique 30 est intégré dans la paroi de couvercle 20 du corps de boîtier 16.

Selon l’invention, cet organe de transfert thermique 30 est isolant thermiquement en-dessous d’un seuil prédéfini de température de telle sorte que les éléments de batterie 12 sont maintenus isolés thermiquement de l’extérieur du boîtier 16 dans l’enceinte adiabatique 18.

En outre, cet organe de transfert thermique 30 est conducteur thermiquement au-dessus du seuil de température prédéfini de telle sorte qu’un transfert thermique entre les éléments de batterie 12 et l’environnement extérieur du boîtier 16 se produit par la paroi 20 du boîtier 16 portant l’organe passif 30 permettant ainsi leur refroidissement.

L’organe 30 joue ainsi le rôle d'une diode thermique dont le fonctionnement est le suivant. Lorsque, du fait de l’échauffement des éléments de batterie 12, la température de ces éléments de batterie 12 dépasse le seuil de température prédéfini de l’organe 30, un transfert de chaleur se produit des éléments de batterie 12 vers l’extérieur par l’intermédiaire de l’organe de transfert thermique 30 permettant le refroidissement des éléments de batterie 12. Dans l'hypothèse inverse, c'est-à-dire lorsque les éléments de batterie 12 ont une température inférieure au seuil de température prédéfini, tout transfert de chaleur est bloqué de sorte que les éléments de batterie 12 sont maintenus à une température optimale à l’intérieur de l’enceinte adiabatique 18 empêchant leur refroidissement, en particulier par temps froid.

Dans le mode de réalisation préféré de l’invention, comme cela est illustré les figures 3 à 5, l’organe de transfert thermique passif 30 comprend un corps creux fermé de transfert thermique rempli d’un fluide de travail à changement de phase qui est configuré pour passer d’une phase liquide à une phase vapeur lorsque la température des éléments de batterie 12 est supérieure au seuil de température prédéfini. De préférence, le corps creux de l’organe de transfert thermique 30 est rempli d’une quantité prédéfinie de fluide de travail. Par exemple, l’organe de transfert thermique 30 comprend un corps scellé à ses deux extrémités et renferme une petite quantité du fluide de travail sous une forme liquide en présence de sa propre vapeur.

Dans cet exemple, le seuil de température correspond à la température d’évaporation du fluide de travail. L’organe de transfert 30 est ainsi rempli d'un fluide de travail dont le point d'évaporation est compatible avec la température de fonctionnement de l’unité de batterie 10 dans sa plage de température optimale. Par exemple, on choisira un seuil de température prédéfini de 35°C. Bien entendu, le seuil de température peut prendre toute valeur de température adaptée au fonctionnement optimal des éléments de batterie et en particulier en fonction de leur composition électrochimique et/ou de leurs caractéristiques techniques et structurelles autres. Cette valeur n’est citée qu’à titre d’exemple et n’est donc en rien limitative et devra être adaptée au contexte et à l’environnement technologique et technique du véhicule automobile.

Dans le mode de réalisation préféré de l’invention, le fluide de travail est de l’eau. De préférence, afin d’obtenir un point d’ébullition autour de 35°C de l’eau, le fluide de travail est mis en dépression par rapport à la pression atmosphérique terrestre conformément au diagramme de phase/liquide/vapeur de l’eau illustré en .

Ce diagramme représente le changement de phase de l’eau en fonction de la pression exprimée en bar sur l’axe des ordonnées et la température exprimée en Kelvin sur l’axe des abscisses. Les phases de l’eau sont la phase liquide « L », la phase solide « S » et la phase gazeuse « V ». Le trait continu « E » représente la pression atmosphérique d’une valeur de un bar à la surface de la terre et le point M a pour coordonnées (P1, T1) et correspond au point de changement d’une phase liquide à une phase vapeur de l’eau pour une température de 35°C (environ 308 Kelvins). On observe sur ce diagramme que la pression P1 du point de changement de phase M (P1, 308K) est inférieure à la pression atmosphérique terrestre de sorte que le fluide à changement de phase est en dépression. Le fait de mettre en dépression l’eau formant le fluide de travail permet ainsi, à la lecture de ce diagramme, d’abaisser la température d’ébullition de l’eau de 373 Kelvins à 308 Kelvins.

Comme illustré sur les figures, le corps de l’organe de transfert thermique passif 30 comprend une première partie 32 qui est en contact thermique direct avec les éléments de batterie 12 et qui forme un évaporateur. De préférence, la première partie 32, désignée ci-après par partie d’évaporation ou évaporateur 32 est réalisée dans un matériau métallique tel que de l’aluminium. Cette partie d’évaporation 32 présente une forme générale de paroi montée sur la partie inférieure 22 du boîtier 16 de telle sorte qu’elle vient par exemple obturer l’enceinte adiabatique 18 du boîtier 16 et se trouve par conséquent en bon contact thermique avec les éléments de batterie 12.

En outre, de préférence, le corps de l’organe de transfert thermique passif 30 intègre une deuxième partie 34, formant condenseur 34, qui est couplée à un dispositif de refroidissement externe de sorte que le fluide de travail peut repasser de la phase vapeur à la phase liquide lorsqu’il se refroidit au contact de cette partie 34, désignée ci-après, partie de condensation 34 ou condenseur.

Dans le mode de réalisation de l’invention, la partie de condensation 34 est formée par une section 62 d’un circuit de circulation d’un fluide caloporteur 60 traversant le corps de l’organe de transfert thermique passif 30.

De préférence, dans une configuration d’utilisation de l’unité de batterie 10, représentée par exemple sur la , la partie d’évaporation 32 est disposée en-dessous de la partie de condensation 34 de sorte que le retour du fluide de travail en phase liquide de la partie de condensation 34 vers la partie d’évaporation 32 se fait sous l’effet de la gravité.

Le fonctionnement de l’organe de transfert thermique 30 est le suivant : lorsque la température des éléments de batterie 12 est supérieure au seuil de température prédéfini qui correspond à la température d’évaporation du fluide de travail, ici 35°C, le fluide de travail se transforme en vapeur au niveau de l’évaporateur 32 en contact thermique avec les éléments de batterie 12 et se dirige vers le condenseur 34 formé par la partie de condensation 34 intégrée au corps de l’organe de transfert thermique 30. Après condensation, le fluide de travail est ramené du condenseur 34 vers l’évaporateur 32 par l’effet des forces gravitationnelles.

Ainsi, l’organe de transfert thermique 30 est configuré pour évacuer la chaleur dégagée par les éléments de batterie 12 afin d'éviter une surchauffe de ces éléments 12 en transférant la chaleur depuis l'intérieur de l’enceinte adiabatique 18 à laquelle l’organe 30 est couplé thermiquement par la paroi 42, qui est dans cet exemple réalisée en aluminium, vers l’extérieur par l’intermédiaire de la partie de condensation 34. Le principe de cet organe de transfert de chaleur 30 est ainsi fondé sur l'utilisation d'un fluide de travail circulant entre une zone chaude, c'est-à-dire la zone où la puissance thermique est dissipée, ici la paroi d’évaporation 32, et une zone froide, c'est-à-dire la zone où cette puissance thermique absorbée par le fluide est transférée vers le milieu extérieur, ici la partie de condensation 34.

Le principe de fonctionnement de l’organe de transfert thermique 30 repose donc sur les propriétés d'évaporation/condensation du fluide de travail et forme ainsi un système à changement de phase fermé dans lequel la vapeur créée au niveau de la zone chaude (dite zone d'évaporation) est aspirée vers la zone froide (où la pression est moins élevée) et s'y condense en libérant la chaleur latente absorbée au niveau de la zone chaude.

Au fur et à mesure que la température augmente dans l’enceinte adiabatique 18, le fluide de travail se transforme en une vapeur qui absorbe la chaleur latente de vaporisation au niveau de la zone chaude. La vapeur chaude s’écoule alors vers la partie de condensation 34 du corps de l’organe 30 où elle se condense et libère la chaleur latente au niveau de la zone froide. Le fluide condensé reflue vers la zone chaude et permet alors la répétition du phénomène de changement de phase.

Dans l’exemple illustré sur les figures, le corps fermé de l’organe passif 30 se présente sous la forme d’un panneau ou d’une plaque creuse 40 comprenant la paroi interne d’évaporation 42 du fluide de travail formant la partie d’évaporation 32 et une paroi externe 44 formant la partie de condensation 34 disposée au-dessus et en regard de la paroi interne 42, dans une configuration d’utilisation de l’unité de batterie 10.

Dans l’exemple illustré, la paroi externe 44 se présente sous la forme générale d’un capot pourvu d’une surface sensiblement plane rectangulaire 44A qui se prolonge en deux flancs longitudinaux/rebords 44A sur deux de ses côtés opposés les plus longs. Par exemple, les deux arêtes longitudinales de la paroi supérieure 44 sont arrondies pour former un arrondi entre les flancs 44A et la surface rectangulaire 44B.

De préférence, le corps de l’organe passif 30 est fermé transversalement par deux cloisons d’extrémités 44C s’étendant aux deux extrémités longitudinales 30A, 30B du corps de l’organe passif 30.

Par ailleurs, de préférence, le corps de l’organe de transfert thermique 30 comprend une structure interne compartimentée 46 comprenant une pluralité de cloisons perpendiculaires 50 aux parois externe 44 et interne 42 qui relient les faces inférieure et supérieure respectivement des parois 42 et 44 entre elles pour délimiter une pluralité de compartiments 48.

Par exemple, l’une des parois, ici la paroi supérieure 44, comprend des nervures faisant saillie à partir de l’une des faces de cette paroi supérieure 44 jusqu’à atteindre avec leurs extrémités libres l’une des faces de l’autre paroi 42 afin de former les cloisons de séparation 50 des compartiments 48.

De préférence, les nervures 50 se croisent entre elles pour délimiter des compartiments 48 en forme alvéolaire, par exemple de forme générale rectangulaire. De façon optionnelle, la structure compartimentée 46 est venue de matière avec la paroi externe 44, par exemple par moulage en une pièce d’une matière thermoplastique.

De préférence, la paroi inférieure d’évaporation 42 comprend une structure surfacique capillo-poreuse afin de permettre une rétention du fluide de travail par capillarité entre deux compartiments 48 de sorte qu’une inclinaison temporaire de l’unité de batterie 10 ne nuise pas au fonctionnement thermique de l’unité de batterie 10 par écoulement du fluide de travail d’un compartiment à l’autre du fait de la gravité.

De préférence, la plaque inférieure 42 est réalisée par un procédé de fabrication de frittage d’une poudre d’aluminium. Par exemple, dans un tel procédé de fabrication, la poudre d’aluminium est chauffée et comprimée dans un moule délimitant la forme extérieure de la plaque. La poudre d’aluminium est menée jusqu’à la fusion uniquement en surface par contact avec le moule ce qui permet d’obtenir une plaque avec des surfaces externes sensiblement lisses et un cœur granuleux formé d’une masse cohérente comprimée de grains de poudre qui se touchent. Afin d’obtenir une structure capillo-poreuse en surface, le procédé comprend encore une étape d’abrasion d’une région d’une des surfaces lisses de la plaque à l’endroit dans lequel on souhaite obtenir cette propriété de capillarité. Bien entendu, ce procédé de fabrication est un exemple non limitatif et d’autres procédés de fabrication peuvent convenir sans sortir pour autant du cadre de l’invention.

De façon optionnelle, les extrémités libres des nervures 50 peuvent comprendre une surface rugueuse de contact avec la face de la paroi opposée afin de permettre une rétention du fluide de travail par capillarité entre deux compartiments 48.

Dans le mode de réalisation préféré de l’invention, l’organe de transfert thermique 30 intègre au moins la section 62 d’un circuit de circulation d’un fluide caloporteur 60 comportant une pluralité de conduits tubulaires 64 traversant le corps de l’organe de transfert thermique 30.

Comme cela est illustré, la structure interne compartimentée 46 délimite une pluralité de canaux longitudinaux à l’intérieur desquels s’étendent les conduits tubulaires 64 et les conduits 64 viennent s’emmancher de façon étanche à l’intérieur des première et deuxième cloisons transversales d’extrémité 44C fermant le corps de l’organe passif 30 aux première 30A et deuxième 30B extrémités selon la direction longitudinale.

A cet effet, dans le cas de l’exemple illustré, la structure compartimentée 46 comprend une pluralité de cloisons intermédiaires longitudinales 51 délimitant des canaux longitudinaux formant dans cet exemple des berceaux de réception des conduits. En outre, la structure compartimentée 46 comprend également une pluralité de cloisons intermédiaires transversales 52 qui s’étendent au travers des canaux et ces cloisons 52 comprennent des orifices 54 de passage des conduits 64 dudit circuit 60 au travers des cloisons transversales intermédiaires 52. Ces cloisons 51 et 52 forment, comme cela est visible sur la , une pluralité de compartiments 48 de transfert thermique entourant des portions de conduits 64 de la section 62 dudit circuit 60.

De préférence, comme cela est illustré sur la , l’organe de transfert thermique 30 comprend encore une pluralité de garnitures de joint d’étanchéité 56 permettant de rendre étanche l’organe de transfert thermique 30 traversé par la section 62 du circuit de fluide caloporteur 60.

En outre, comme cela est illustré sur les figures, de préférence, le boîtier 16 comprend au moins une barrette 70 d’extension tubulaire qui est conformée pour être fixée transversalement de façon étanche sur l’une desdites première 30A et deuxième 30B extrémités longitudinales du corps de l’organe de transfert thermique 30. De préférence, le boîtier 16 comprend deux barrettes 70 montées à chacune des extrémités 30A, 30B de l’organe de transfert thermique 30.

Chaque barrette 70 se présente par exemple sous la forme générale d’une demi-coque 74 et délimite intérieurement un canal transversal à l’intérieur duquel débouchent les conduits tubulaires 64 du circuit 60 qui s’étendent au travers des cloisons d’extrémités 44C. De préférence, cette barrette 70 est scellée à un bord d’extrémité 30A et 30B de la plaque ou du panneau 40 formant le corps de l’organe de transfert thermique 30, par exemple par soudure.

Avantageusement, lorsque la barrette 70 est montée sur l’une des extrémités du corps de l’organe de transfert thermique 30, la barrette 70 forme une ligne de distribution/collecte de fluide caloporteur de la section 62 du circuit de circulation d’un fluide caloporteur 60.

Par ailleurs, comme cela est illustré sur la figure, cette barrette 70 est pourvue d’un embout externe 72 de raccordement audit circuit 60 de fluide caloporteur, l’embout 72 débouchant à l’intérieur de la demi-coque dans le canal traversant. Dans le mode de réalisation préféré de l’invention, l’unité de batterie 10 comprend deux barrettes 70 d’extension montées chacune aux extrémités longitudinales du corps de l’organe de transfert thermique 30.

Dans une variante non illustrée sur les figures, la paroi externe peut être ondulée avec une direction générale principale d’ondulation comprenant une pluralité de jambes formant des nervures qui sont reliées entre elles par un sommet curviligne arqué d’ondulation de façon à délimiter la pluralité de canaux longitudinaux.

Dans une autre variante non illustrée sur les figures, la partie de condensation 34 peut être formée par une paroi du corps de l’organe de transfert thermique 30, par exemple la paroi externe 44 qui est couplée avec un radiateur de refroidissement formé par exemple par une pluralité d’ailettes s’étendant sensiblement perpendiculairement à ladite paroi 44. Dans ce cas, la paroi externe 44 du corps couplée avec le radiateur ainsi que le radiateur sont réalisés dans un matériau métallique, tel que de l’aluminium permettant une conductivité thermique optimale. La pluralité d'ailettes a pour but d'accroître la surface d'échange thermique de la partie de condensation 34 de l’organe de transfert thermique 30 pour former une partie de refroidissement efficace agissant comme condenseur.

On va maintenant décrire les principaux aspects de fonctionnement d’une unité de batterie selon le mode de réalisation préféré de l’invention.

Initialement, on considère que les éléments de batterie 12 sont à une température optimale de fonctionnement, par exemple comprise dans une plage de températures allant de 15°C à 30°C. Par exemple, l’unité de batterie 10 est branchée par ces deux embouts 72 au circuit 60 de circulation d’un fluide caloporteur du véhicule automobile et installée dans un ensemble d’unités de batterie formant un pack batterie du véhicule automobile.

Au cours du cycle de charge ou décharge de l’unité de batterie 10, les éléments de batterie 12 peuvent chauffer de sorte que la température de la paroi interne 42 en contact thermique avec les éléments de batterie 10 augmente.

Tant que la température des éléments de batterie 12 reste inférieure au seuil de température prédéfini de fonctionnement de l’organe de transfert thermique 30, le fluide de travail est en phase liquide sur la paroi interne d’évaporation 42. Dans cette situation, seul reste possible un transfert de chaleur par conduction. Cependant, comme on le sait, l'importance d'un tel transfert de chaleur reste très limitée de sorte que l’on peut considérer que les éléments de batterie 12 sont dans un environnement isolé thermiquement à l’intérieur de l’enceinte adiabatique 18 du boîtier 16.

On comprendra donc bien que tant que cette température d’évaporation correspondant au seuil de température prédéfini n’est pas atteinte, le boîtier 16 délimite une enceinte adiabatique 18 de sorte qu’aucun transfert de chaleur ne se produit entre les éléments de batterie 12 et l’environnement extérieur. Ceci est particulièrement avantageux par temps froid car les éléments de batterie 12 sont maintenus de façon quasi-adiabatique dans leur plage optimale de fonctionnement. Par ailleurs, de préférence, en cas de temps extrêmement froid, le fluide de travail peut atteindre sa température de solidification en formant une couche de gel sur la paroi interne d’évaporation 42 qui forme de façon avantageuse une couche isolante permettant encore de protéger l’enceinte adiabatique 18 de tout perte de chaleur.

Lorsque les éléments de batterie 12 s’échauffent suffisamment, le fluide de travail atteint sa température d’évaporation au niveau de la paroi interne 42 du panneau 40. Dès que le fluide de travail commence à s'évaporer, cela provoque un refroidissement important des éléments de batterie 12 de l’enceinte 18 du boîtier 16 par absorption de la chaleur latente de vaporisation au niveau de la paroi interne d’évaporation 42 de l’organe de transfert thermique 30.

En effet, pendant toute la phase de montée en température des éléments de batterie 12, l'écart de température entre la paroi d’évaporation 42 et la partie froide 62, dans le cas présent la section 62 du circuit de fluide caloporteur 60 augmente progressivement. Par conséquent, une certaine quantité de fluide caloporteur se vaporise à l'intérieur du panneau 40 de l’organe 30. La vapeur ainsi formée se déplace jusque vers la partie de condensation 34 plus froide, qui joue le rôle de condenseur.

En effet, la vapeur qui monte à l'intérieur du panneau 40 de l’organe de transfert thermique 30 se condense au contact de la partie froide 62 formée par les conduits métalliques 64 du circuit de circulation d’un fluide caloporteur 60 : la chaleur des éléments de batterie 12 est alors cédée au liquide caloporteur à travers les conduits de refroidissement 64 du circuit 60, intégrés au corps de l’organe 30. Puis, le fluide de travail condensé retombe en gouttelettes au fond du corps de l’organe de transfert thermique 30 par l’effet de la gravité.

Par ailleurs, dans le mode de réalisation préféré de l’invention, de préférence, même si le véhicule automobile est légèrement incliné, le fluide de travail est toutefois retenu dans chacun des compartiments 48 de la structure interne compartimentée 46 du panneau 40 grâce à la rétention du fluide de travail par les forces de capillarité de la structure surfacique capillo-poreuse de la paroi interne 42 du panneau 40.

Grâce à l’invention, les éléments de batterie 12 de l’unité de batterie 10 sont maintenus dans une enceinte isolée thermiquement de l’environnement extérieur pour éviter toute déperdition calorifique, en particulier par temps froid. En revanche, dès lors que les éléments de batterie 12 s’échauffent au-delà de leur température maximale de fonctionnement optimale, l’organe 30 permet d’évacuer ce surplus de chaleur.

Bien entendu, l’invention ne se limite pas aux modes de réalisation précédemment décrits. D’autres modes de réalisation à la portée de l’homme du métier peuvent aussi être envisagés sans sortir du cadre de l’invention définie par les revendications ci-après.

Claims

Unité de batterie (10), notamment pour véhicule automobile hybride et/ou électrique, comprenant essentiellement, d’une part, une pluralité d’éléments de batterie (12), le cas échéant regroupés physiquement et/ou électriquement en plusieurs blocs ou modules (14), d’autre part, un boîtier (16) délimitant une enceinte (18) logeant et entourant lesdits éléments (12), caractérisé en ce que l’enceinte (18) du boîtier (16) étant adiabatique, l’unité de batterie (10) comprend un organe de transfert thermique passif (30), intégré dans une paroi (20) du boîtier (16), qui est isolant thermiquement en-dessous d’un seuil prédéfini de température de telle sorte que les éléments de batterie (12) sont maintenus isolés thermiquement de l’extérieur du boîtier (16) dans l’enceinte adiabatique (18) et qui est conducteur thermiquement au-dessus du seuil de température prédéfini de telle sorte qu’un transfert thermique entre les éléments de batterie (12) et l’environnement extérieur du boîtier (16) se produit par la paroi (20) du boîtier (16) portant l’organe passif (30) permettant leur refroidissement.
Unité de batterie (10) selon la revendication précédente, dans laquelle l’organe de transfert thermique passif (30) comprend un corps creux fermé de transfert thermique (30) rempli d’un fluide de travail à changement de phase qui est configuré pour passer d’une phase liquide à une phase vapeur lorsque la température des éléments de batterie (12) est supérieure au seuil de température prédéfini.
Unité de batterie (10) selon la revendication précédente, dans laquelle le corps de l’organe de transfert thermique passif (30) comprend une première partie, dite partie d’évaporation (32, 42) qui est en contact thermique direct avec les éléments de batterie (12) et comprend une deuxième partie, dite partie de condensation (34, 62), qui est couplée à un dispositif de refroidissement externe de sorte que le fluide de travail passe de la phase vapeur à la phase liquide au contact de la partie de condensation (34, 62).
Unité de batterie (10) selon la revendication précédente, dans laquelle la partie d’évaporation (32, 42) est réalisée dans un matériau métallique capillo-poreux, tel que de l’aluminium.
Unité de batterie (10) selon la revendication 3 ou 4, dans laquelle, dans une configuration d’utilisation de l’unité de batterie (10), la partie d’évaporation (32, 42) est disposée en-dessous de la partie de condensation (34, 62) de sorte que le retour du fluide de travail en phase liquide de la partie de condensation (34, 62) vers la partie d’évaporation (32, 42) se fait sous l’effet de la gravité.
Unité de batterie (10) selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, dans laquelle la partie de condensation (34, 62) est formée par une section (62) d’un circuit de circulation d’un fluide caloporteur (60) traversant le corps de l’organe de transfert thermique passif (30) ou est formée par une paroi (44) du corps de l’organe de transfert thermique (30) qui est couplée avec un radiateur de refroidissement formé par une pluralité d’ailettes s’étendant perpendiculairement à ladite paroi.
Unité de batterie (10) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans laquelle le corps fermé de l’organe de transfert thermique passif (30) se présente sous la forme d’un panneau creux (40) comprenant une paroi inférieure interne (42), formant évaporateur, en contact thermique avec les éléments de batterie (12) et une paroi supérieure externe (44) en regard et à distance de la paroi inférieure interne (42) et comprend une structure interne compartimentée (46) comprenant une pluralité de cloisons perpendiculaires (50, 51, 52) aux parois externe (44) et interne (42) qui relient les parois (42 ; 44) entre elles pour délimiter une pluralité de compartiments (48).
Unité de batterie (10) selon la revendication précédente, dans laquelle l’une des parois (44) comprend des nervures (50, 51, 52) venues de matière faisant saillie à partir de l’une des faces de cette paroi (44) jusqu’à atteindre avec leurs extrémités libres l’une des faces de l’autre des parois (42) afin de former les cloisons de séparation (50, 51, 52) de la structure interne compartimentée (46).
Unité de batterie (10) selon la revendication précédente, dans laquelle les nervures (50, 51, 52) se croisent entre elles pour délimiter des compartiments (48) pour former une structure interne compartimentée (46) de forme générale alvéolaire.
Unité de batterie (10) selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans laquelle la structure compartimentée (46) est venue de matière avec la paroi externe (44), par exemple par moulage en une pièce d’une matière thermoplastique.
Unité de batterie (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant au moins une section (62) d’un circuit (60) de circulation d’un fluide caloporteur comportant une pluralité de conduits tubulaires (64), intégrée structurellement à l’organe de transfert thermique passif (30) et traversant le corps de l’organe de transfert thermique passif (30).
Unité de batterie (10) selon la revendication précédente, dans laquelle le boîtier (16) comprend au moins une barrette d’extension tubulaire (70) qui est conformée pour être fixée transversalement de façon étanche sur l’une des première (30A) et deuxième (30B) extrémités du corps de l’organe de transfert thermique passif (30) et qui délimite intérieurement un canal transversal à l’intérieur duquel débouchent les conduits tubulaires (64) du circuit (60) de façon à former une ligne de distribution/collecte de fluide caloporteur, la barrette (70) étant pourvue d’un embout externe (72) de raccordement audit circuit de fluide caloporteur (60).
Unité de batterie (10) selon la revendication précédente, dans laquelle le corps de l’organe passif (30) comprend une structure interne compartimentée (46) délimitant une pluralité de canaux longitudinaux à l’intérieur desquels s’étendent les conduits tubulaires (64) et au moins des première (44C) et deuxième (44C) cloisons transversales d’extrémités fermant le corps de l’organe passif (30) en des première (30A) et deuxième (30B) extrémités selon la direction longitudinale du corps et au travers desquelles les conduits (64 ) viennent s’emmancher de façon étanche.
Unité de batterie (10) selon la revendication précédente, dans laquelle la structure compartimentée (46) comprend une pluralité de cloisons intermédiaires transversales (52) s’étendant au travers des canaux et comprenant des orifices (54) de passage des conduits (64) dudit circuit (60) au travers des cloisons intermédiaires (52) afin de former une pluralité de compartiments (48) de transfert thermique entourant des portions de conduits (64) de ladite section (62) du circuit (60).
Unité de batterie (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’enceinte adiabatique (18) a une résistivité thermique supérieure à 0.1 m².K/W et de préférence supérieure à 0.2 m².K/W.
Unité de batterie (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle, le boîtier (16) comprenant une paroi de fond (24), une paroi périphérique (26) et une paroi de couvercle (20), l’organe passif (30) est intégré dans la paroi (20) de couvercle du boîtier (16).