FR3134655A1 - Dispositif d’échange thermique allégé pour une batterie d’un système - Google Patents
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Abstract
Un dispositif d’échange thermique (DE) équipe une batterie (BA) et comprend au moins un conduit (CF) comportant une entrée propre à être alimentée en fluide caloporteur et une sortie propre à évacuer ce fluide caloporteur après qu’il ait circulé dans une sous-partie (SP) ayant des première (F1) et seconde (F2) faces opposées et situées respectivement dans des premier et second plans parallèles, et noyées dans une mousse d’aluminium (MA) hormis sur leurs première (F1) et seconde (F2) faces qui sont libres. Figure 1
Description
L’invention concerne les batteries qui comprennent des cellules de stockage d’énergie électrique et font l’objet d’une régulation thermique.
Dans certains domaines techniques, comme par exemple celui des véhicules, éventuellement de type automobile, on utilise des batteries comprenant un boîtier contenant des cellules de stockage d’énergie électrique, éventuellement regroupées au sein de modules. Ces cellules de stockage d’énergie électrique peuvent, par exemple, être électrochimiques. C’est notamment le cas de celles de type lithium-ion (ou Li-ion) ou Ni-Mh ou Ni-Cd ou encore plomb.
Ces cellules ont besoin de faire l’objet d’un contrôle quasi permanent pour que leur durée de vie puisse être optimisée. Ce contrôle porte notamment sur leur température qui doit demeurer dans une plage prédéfinie. Afin de permettre un tel contrôle, les cellules sont installées à l’intérieur d’un boîtier qui fait l’objet d’une régulation thermique par échange de calories grâce à des dispositifs d’échange thermique dans lesquels circule un fluide caloporteur issu d’un circuit d’échange généralement situé à l’extérieur du boîtier. On comprendra que ce fluide caloporteur sert soit à capturer des calories produites par les cellules lorsqu’elles doivent être refroidies, soit à céder des calories aux cellules lorsqu’elles doivent être réchauffées.
Lorsque l’on cherche à limiter l’encombrement, on utilise généralement des dispositifs d’échange thermique à plaques placés sous les cellules, comme décrit dans le document brevet EP 2016/0087319, soit intercalés entre des cellules (ou modules) voisins, comme décrit dans les documents brevet EP 1990849, US 2015/0303537 et EP 2337143. Dans tous les cas, chaque dispositif d’échange thermique est logé à l’intérieur du boîtier, et non pas à l’extérieur de ce dernier.
Afin de réduire le poids des dispositifs d’échange thermique à plaques, il a été proposé de les réaliser en aluminium. Pour ce faire, on doit réaliser un usinage dans la masse afin de définir un conduit interne de circulation pour le fluide caloporteur. Mais, un tel usinage s’avère complexe, induit des pertes de matière, ne peut se faire que dans de l’aluminium primaire (non recyclé), et doit être suivi d’une étape supplémentaire destinée à assurer l’étanchéité. En outre, ce type de dispositif d’échange thermique peut malgré tout poser des problèmes d’encombrement et de poids lorsque l’on en utilise un nombre important dans un boîtier de batterie.
L’invention a notamment pour but d’améliorer la situation.
Elle propose notamment à cet effet un dispositif d’échange thermique propre à équiper une batterie et comprenant au moins un conduit comportant une entrée propre à être alimentée en fluide caloporteur et une sortie propre à évacuer le fluide caloporteur après qu’il ait circulé dans une sous-partie ayant des première et seconde faces opposées et situées respectivement dans des premier et second plans parallèles.
Ce dispositif d’échange thermique se caractérise par le fait que la sous-partie de son conduit est noyée dans une mousse d’aluminium hormis sur ses première et seconde faces qui sont libres.
Grâce à l’invention, le dispositif d’échange thermique est beaucoup plus léger et possiblement moins épais qu’un dispositif d’échange thermique à plaque en aluminium usinée de l’art antérieur, ce qui permet de réduire le poids et possiblement l’encombrement de la batterie tout en offrant une capacité de support de charges lourdes et d’absorption des vibrations et d’une partie des chocs subis.
Le dispositif d’échange thermique selon l’invention peut comporter d’autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment :
- il peut comprendre des première et seconde plaques en aluminium et installées respectivement contre les première et seconde faces de la sous-partie ;
- son conduit peut avoir une section ayant une forme choisie parmi un cercle, une ellipse et un rectangle ;
- l’une au moins des entrée et sortie de son conduit peut être contenue entre les premier et second plans parallèles ;
- en variante, l’une au moins des entrée et sortie de son conduit peut être sensiblement perpendiculaire aux premier et second plans parallèles.
L’invention propose également une batterie comprenant un boîtier logeant au moins une cellule de stockage d’énergie électrique et au moins un dispositif d’échange thermique du type de celui présenté ci-avant.
Par exemple, dans cette batterie un dispositif d’échange thermique peut être installé placé contre une face latérale d’une cellule.
En variante ou en complément, cette batterie peut comprendre au moins deux cellules installées l’une à côté de l’autre en ayant des faces latérales parallèles et entre lesquelles est intercalé un dispositif d’échange thermique, ce dernier étant contre ces faces latérales parallèles.
Egalement en variante ou en complément, cette batterie peut comprendre au moins un dispositif d’échange thermique installé contre une face interne d’une paroi du boîtier qui est située à l’interface avec l’extérieur.
L’invention propose également un véhicule, éventuellement de type automobile, et comprenant un circuit externe dans lequel circule un fluide caloporteur, et une batterie du type de celle présentée ci-avant et dont chaque dispositif d’échange thermique est couplé à ce circuit externe.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels :
L’invention a notamment pour but de proposer un dispositif d’échange thermique DE destiné à équiper une batterie BA à cellule(s) CS de stockage d’énergie électrique, qui est elle-même destinée à équiper un système.
Dans ce qui suit, on considère à titre d’exemple non limitatif, que la batterie BA est destinée à équiper un système constituant un véhicule de type automobile, comme par exemple une voiture. Mais l’invention n’est pas limitée à ce type de système. Elle concerne en effet tout système comprenant au moins une batterie à cellule(s) de stockage d’énergie électrique, et notamment les véhicules (terrestres, maritimes (ou fluviaux), et aériens), les appareils (éventuellement électroménagers), les installations (éventuellement de type industriel), et les bâtiments.
Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d’exemple non limitatif, que le véhicule comprend un groupe motopropulseur (ou GMP) de type tout électrique, c’est-à-dire comprenant une machine motrice électrique couplée à la batterie BA (laquelle est alors dite principale (ou de traction)). Mais le GMP pourrait être de type hybride, c’est-à-dire comprenant un moteur thermique et une machine motrice électrique couplée à la batterie BA.
Enfin, on considère dans ce qui suit, à titre d’exemple non limitatif, que chaque cellule CS est de type électrochimique. Mais l’invention n’est pas limitée à ce type de cellule de stockage d’énergie électrique. Elle concerne en effet tout type de cellule de stockage d’énergie électrique devant faire l’objet d’une régulation thermique.
Par exemple, les cellules électrochimiques CS de la batterie BA sont de type lithium-ion (ou Li-ion). Mais ces cellules électrochimiques CS pourraient également, être de type Ni-Mh ou Ni-Cd ou encore plomb, par exemple.
On a schématiquement illustré sur les figures 1 et 3, deux exemples de batterie BA comportant respectivement des premiers et seconds exemples de réalisation de dispositifs d’échange thermique DE selon l’invention.
Comme illustré, chaque batterie BA comprend un boîtier BT et au moins une cellule CS. On notera que dans les deux exemples illustrés la batterie BA comprend plusieurs cellules CS qui peuvent être regroupées au sein de module(s). On entend ici par « module » un ensemble d’au moins une cellule (de stockage d’énergie électrique) CS.
Le boîtier BT délimite un espace interne EI qui contient chaque cellule CS. Par exemple, et comme illustré non limitativement sur les figures 1 et 3, le boîtier BT peut comprendre des sous-parties inférieure et supérieure couplées entre elles, par exemple par vissage. Egalement par exemple, la sous-partie inférieure du boîtier BT peut être éventuellement installée sur, et solidarisée à, un châssis (ici propre à être solidarisé au véhicule, par exemple à la face inférieure de son plancher).
Comme illustré au moins partiellement sur les figures 1 à 3, un dispositif d’échange thermique DE, selon l’invention, comprend au moins un conduit CF comportant une entrée E1, une sortie S1 et une sous-partie SP participant au couplage entre l’entrée E1 et la sortie S1.
L’entrée E1 est propre à être alimentée en fluide caloporteur, et la sortie S1 est propre à évacuer ce fluide caloporteur après qu’il ait circulé dans la sous-partie SP du conduit CF. Ces entrée E1 et sortie S1 sont destinées à être connectées (directement ou indirectement) à un circuit externe d’échange en deux endroits, éventuellement distants. On notera que ce circuit externe d’échange est situé à l’extérieur de l’espace interne EI. On notera également que l’entrée E1 et/ou la sortie S1 peu(ven)t être partiellement située(s) à l’extérieur de la batterie BA.
Dans le cas d’un véhicule, le circuit externe d’échange peut, par exemple, être une partie du circuit de régulation thermique (chauffage/refroidissement) d’un moteur thermique ou d’une façade de refroidissement.
Le fluide caloporteur est, par exemple, un liquide. Ainsi, il peut s’agir d’eau, éventuellement mélangée à un additif, ou d’une huile, ou encore de sodium liquide.
La sous-partie SP du conduit CF a des première F1 et seconde F2 faces opposées l’une à l’autre et situées respectivement dans des premier et second plans parallèles. De plus, la sous-partie SP est noyée (ou intégré) dans une mousse d’aluminium MA hormis sur ses première F1 et seconde F2 faces qui sont libres. Ce noyage (ou cette intégration) partiel(le) est obtenue dans une phase d’expansion de la mousse d’aluminium MA.
Grâce au remplacement de l’aluminium primaire usiné par une mousse d’aluminium MA comportant une importante quantité de pores et noyant presque intégralement le conduit CF, chaque dispositif d’échange thermique DE est beaucoup plus léger qu’un dispositif d’échange thermique à plaque en aluminium usinée de l’art antérieur. Cela permet de réduire d’autant plus le poids de la batterie BA (et donc aussi ici la consommation d’énergie du véhicule) que le nombre de dispositifs d’échange thermique DE de cette batterie BA est important. En outre, cela permet aussi de réduire l’épaisseur de chaque dispositif d’échange thermique DE (au moins lorsqu’il est du type de ceux illustrés sur les figures 1 et 2), et donc l’encombrement de la batterie BA (et cela d’autant plus que le nombre de dispositifs d’échange thermique DE de cette batterie BA est important). Par ailleurs, la structure de la mousse d’aluminium MA permet de supporter des charges lourdes et d’absorber des vibrations habituelles et même une partie des chocs subis (ici) par le véhicule. De plus, la mousse d’aluminium MA peut être réalisée à partir d’aluminium recyclé et est 100% recyclable. Enfin, comme il n’y a plus d’usinage, il n’y a plus de perte de matière.
La réduction de l’encombrement d’un dispositif d’échange thermique DE peut éventuellement permettre d’installer un plus grand nombre de dispositifs d’échange thermique DE qu’auparavant dans une batterie BA, et ainsi d’améliorer les performances en termes de régulation thermique, ce qui est de nature, notamment, à augmenter la durée de vie des cellules CS.
On notera, comme illustré non limitativement sur la , qu’un dispositif d’échange thermique DE peut éventuellement comprendre des première P1 et seconde P2 plaques (ou feuilles) en aluminium et installées respectivement contre les première F1 et seconde F2 faces de la sous-partie SP. Dans cette variante de réalisation le conduit CF est en contact direct avec les première P1 et seconde P2 plaques par les première F1 et seconde F2 faces de sa sous-partie SP, ce qui favorise le transfert de calories.
Comme illustré non limitativement sur les figures 1 et 2, un dispositif d’échange thermique DE peut être installé contre une face latérale d’une cellule CS. Dans ce cas, en présence du premier exemple de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, le conduit CF est en contact direct avec la face latérale de la cellule CS par la première face F1 ou la seconde face F2 de sa sous-partie SP, ce qui favorise le transfert de calories. En présence du second exemple de réalisation illustré sur la , c’est la première plaque P1 ou la seconde plaque P2 du dispositif d’échange thermique DE qui est en contact direct avec la face latérale de la cellule CS voisine, ce qui favorise la répartition des calories.
On notera, comme illustré non limitativement sur les figures 1 et 3, que, lorsque la batterie BA comprend au moins deux cellules CS installées l’une à côté de l’autre en ayant des faces latérales parallèles, on peut intercaler un dispositif d’échange thermique DE entre ces faces latérales parallèles, en le plaçant contre ces dernières. Le dispositif d’échange thermique DE assure alors aussi une fonction d’espaceur. Dans ce cas, en présence du premier exemple de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, le conduit CF du dispositif d’échange thermique DE intercalé est en contact direct avec les faces latérales des deux cellules CS voisines respectivement par les première F1 et seconde F2 faces de sa sous-partie SP, ce qui favorise le double transfert de calories. En présence du second exemple de réalisation illustré sur la , ce sont les première P1 et seconde P2 plaques du dispositif d’échange thermique DE intercalé qui sont en contact direct respectivement avec les faces latérales des deux cellules CS voisines, ce qui favorise la double répartition des calories.
On notera également, comme illustré non limitativement sur la , que la batterie BA peut comprendre au moins un dispositif d’échange thermique DE installé contre une face interne d’une paroi PB du boîtier BT qui est située à l’interface avec l’extérieur, ce qui permet un échange de calories avec l’extérieur via cette paroi PB. Dans l’exemple illustré, un dispositif d’échange thermique DE est installé contre la face interne de la paroi PB du boîtier BT qui est située la plus à gauche de la . C’est donc ici la première plaque P1 qui est en contact direct avec la face interne de la paroi gauche PB. Mais, lorsque le dispositif d’échange thermique DE ne comprend pas de première P1 et seconde P2 plaques (figures 1 et 2), c’est la première face F1 ou la seconde face F2 de la sous-partie SP du conduit CF qui est en contact direct avec la face interne de la paroi PB concernée.
On notera également qu’un dispositif d’échange thermique DE peut présenter n’importe quelle orientation au sein de sa batterie, dès lors qu’il est placé contre une face interne d’une paroi PB de boîtier BT ou une face latérale d’une cellule CS. Ainsi, dans le premier exemple illustré sur la , la batterie BA comprend deux dispositifs d’échange thermique DE installés « verticalement » et un dispositif d’échange thermique DE installé « horizontalement ». Dans le second exemple illustré sur la , la batterie BA comprend trois dispositifs d’échange thermique DE installés « verticalement » et un dispositif d’échange thermique DE installé « horizontalement ». Par conséquent, la paroi PB concernée du boîtier BT peut être une face latérale sensiblement verticale ou une face sensiblement horizontale (supérieure ou inférieure), et la face latérale concernée d’une cellule CS peut être verticale ou horizontale (supérieure ou inférieure). Le mot « sensiblement » signifie ici à plus ou moins 10°.
On notera également que le conduit CF peut, par exemple et comme illustré non limitativement sur les figures 1 et 3, avoir une section ayant une forme de cercle. Mais toute autre forme de section est envisageable, et notamment une section en forme d’ellipse ou de rectangle.
On notera également que l’une au moins des entrée E1 et sortie S1 du conduit CF peut être contenue entre les premier et second plans parallèles (contenant respectivement les première F1 et seconde F2 faces). Ainsi, dans l’exemple de réalisation illustré non limitativement sur la les entrée E1 et sortie S1 du conduit CF sont contenues entre les premier et second plans parallèles. Mais seule l’entrée E1 (ou la sortie S1) du conduit CF pourrait être contenue entre les premier et second plans parallèles, et dans ce cas la sortie S1 (ou l’entrée E1) peut, par exemple, être perpendiculaire aux premier et second plans parallèles.
Dans une variante de réalisation non illustrée, l’une au moins des entrée E1 et sortie S1 du conduit CF peut être sensiblement perpendiculaire aux premier et second plans parallèles (contenant respectivement les première F1 et seconde F2 faces). Le mot « sensiblement » signifie ici à plus ou moins 10°.
On comprendra que les orientations respectives des entrée E1 et sortie S1 du conduit CF d’un dispositif d’échange thermique DE, par rapport aux premier et second plans parallèles (contenant respectivement les première F1 et seconde F2 faces), dépendront de l’architecture interne de la batterie BA et du lieu d’implantation de ce dispositif d’échange thermique DE.
Claims (10)
- Dispositif d’échange thermique (DE) propre à équiper une batterie (BA) et comprenant au moins un conduit (CF) comportant une entrée (E1) propre à être alimentée en fluide caloporteur et une sortie (S1) propre à évacuer ledit fluide caloporteur après qu’il ait circulé dans une sous-partie (SP) ayant des première (F1) et seconde (F2) faces opposées et situées respectivement dans des premier et second plans parallèles, caractérisé en ce que ladite sous-partie (SP) est noyée dans une mousse d’aluminium (MA) hormis sur ses première (F1) et seconde (F2) faces qui sont libres.
- Dispositif d’échange thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend des première (P1) et seconde (P2) plaques en aluminium et installées respectivement contre lesdites première (F1) et seconde (F2) faces de ladite sous-partie (SP).
- Dispositif d’échange thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit conduit (CF) a une section ayant une forme choisie parmi un cercle, une ellipse et un rectangle.
- Dispositif d’échange thermique selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’une au moins desdites entrée (E1) et sortie (S1) est contenue entre lesdits premier et second plans parallèles.
- Dispositif d’échange thermique selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’une au moins desdites entrée (E1) et sortie (S1) est sensiblement perpendiculaire auxdits premier et second plans parallèles.
- Batterie (BA) comprenant un boîtier (BT) logeant au moins une cellule (CS) de stockage d’énergie électrique, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre au moins un dispositif d’échange thermique (DE) selon l’une des revendications précédentes.
- Batterie selon la revendication 6, caractérisée en ce que ledit dispositif d’échange thermique (DE) est installé contre une face latérale de ladite cellule (CS).
- Batterie selon la revendication 6, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins deux cellules (CS) installées l’une à côté de l’autre en ayant des faces latérales parallèles et entre lesquelles est intercalé un dispositif d’échange thermique (DE), ce dernier (DE) étant placé contre ces faces latérales parallèles.
- Batterie selon la revendication 6, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un dispositif d’échange thermique (DE) installé contre une face interne d’une paroi (PB) dudit boîtier (BT) située à l’interface avec l’extérieur.
- Véhicule comprenant un circuit externe dans lequel circule un fluide caloporteur, caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins une batterie (BA) selon l’une des revendications 6 à 9, dont chaque dispositif d’échange thermique (DE) est couplé audit circuit externe.
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