WO2018127640A1 - Dispositif d'échange thermique, notamment pour la régulation thermique d'une batterie d'un véhicule automobile - Google Patents

Dispositif d'échange thermique, notamment pour la régulation thermique d'une batterie d'un véhicule automobile Download PDF

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WO2018127640A1
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heat
heat exchanger
exchange device
heat exchange
transfer fluid
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PCT/FR2017/053654
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Patrick Boisselle
Ambroise SERVANTIE
Samuel BRY
Issiaka Traore
Julien Tissot
Kamel Azzouz
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Valeo Systemes Thermiques
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Definitions

  • Heat exchange device in particular for the thermal regulation of a battery of a motor vehicle
  • the invention relates to the field of thermal regulation of devices whose operating characteristics are sensitive to temperature variations.
  • the invention applies particularly, but not exclusively, to the thermal regulation of batteries fitted to a motor vehicle whose propulsion is provided in whole or in part by an electric motor.
  • the invention applies more particularly to batteries consisting of several juxtaposed electric cells.
  • the temperature of the battery must be regulated, at a temperature around 20 ° C, to ensure the reliability, autonomy, and performance of the vehicle, while optimizing the life of the battery.
  • the battery In electric or hybrid vehicles, the battery is generally made by electric energy storage cells which are juxtaposed parallel to each other in a protective housing and which form a battery pack.
  • thermo regulation device In order to regulate the temperature of the battery, it is known to use a thermal regulation device providing the heating and cooling functions of the battery.
  • a first solution is to implement, inside the battery pack, a thermal control device, in the form of one or more heat exchangers, on one or more faces of the battery.
  • the thermal control device may be implemented on the outer surface of the battery pack. This first solution, however, has poor performance in terms of thermal regulation.
  • Another known solution consists in implementing a thermal regulation device comprising a plurality of heat exchangers interposed between each electric cell of the battery.
  • This solution implements a main inlet duct and a main heat-transfer fluid outlet duct to which are brazed each of the heat exchangers in which is intended to circulate said fluid.
  • This second solution has better thermal performance, that is to say it allows better thermal regulation of the batteries.
  • Another disadvantage of this second solution lies in the fact that it is not easy to adapt the thermal control device to the number of electric cells forming the battery of the vehicle.
  • Yet another disadvantage of this second solution lies in the inability of the device to maintain optimal contact between the heat exchangers and the electric cells when they deform under the influence of temperature changes.
  • heat transfer fluids which are, for example, pulsed air, a mixture of water and glycol or refrigerants.
  • a disadvantage of these known solutions lies in their low capacity to effectively absorb the heat peaks encountered during the charging and / or discharging of the electric cells. Indeed, during the use and charging of the electric cells, there are significant heat peaks that involve sudden changes in temperature.
  • the invention proposes a heat exchange device comprising at least one heat exchanger having a heat transfer fluid inlet duct and a heat transfer fluid outlet duct.
  • the heat transfer fluid inlet duct and the heat transfer fluid outlet duct of said at least one heat exchanger are configured to cooperate in a reversible manner respectively with the heat transfer fluid inlet and outlet ducts. minus another heat exchanger of the heat exchange device.
  • the invention therefore proposes a modular heat exchange device for the thermal regulation of electrical devices, electronic modules or speakers traversed by a fluid, for example.
  • the invention is particularly adapted to the thermal regulation of the battery of a motor vehicle having one or more electric cells between which are intercalated the heat exchangers of the heat exchange device.
  • the heat exchangers of the device each have inlet and outlet ducts which are configured to be connected reversibly or removably to the same ducts of one or two adjacent heat exchangers.
  • each inlet and outlet duct of a heat exchanger has a male part and a female part, the male part of the inlet duct being intended to cooperate reversibly with the female part. the inlet duct of at least one other adjacent heat exchanger, and the male portion of the outlet duct being intended to cooperate reversibly with the female portion of the outlet duct of at least one other adjacent heat exchanger.
  • the male part and the female part of a conduit each have a circular section.
  • the outer diameter of the male part is substantially equal to the internal diameter of the female part.
  • the "male" portions of the fluid inlet and outlet conduits of a heat exchanger may be force joined with the "female" portions of the fluid inlet and outlet conduits of another adjacent heat exchanger.
  • the heat exchange device of the invention has a small footprint and its mounting is greatly facilitated.
  • connection of the heat exchangers between them is fast and reversible, and does not require specific tools for assembly and disassembly.
  • the junction between the male part and the female part of the inlet and outlet ducts forms a stop.
  • the junction between the male part and the female part of the inlet and outlet ducts comprises at least one seal.
  • the seal of such an assembly is further improved by the implementation of this seal.
  • the female part of a duct is adapted to receive a closure cap.
  • the inlet duct and the heat transfer fluid outlet duct of the at least one heat exchanger are arranged diagonally opposite on the heat exchanger.
  • At least one of the heat exchangers comprises at least one tube comprising a plurality of channels each of whose ends is connected to a collector, at least part of the channels being intended for the circulation of a coolant.
  • another part of the channels is intended for storing a phase change material.
  • the invention proposes, in a particular embodiment, the use in the heat exchangers of the heat exchange device of a phase-change material, in addition to a heat transfer fluid.
  • phase change material combined with that of a heat transfer fluid allows absorption, or a return, of fast and efficient heat energy so as to clipping the temperature peaks of the electric cells, and consequently to optimize performance and battery life.
  • the heat exchange device comprises - at least one heat exchanger, part of which is intended for the circulation of a heat transfer fluid, and another part of the channels is intended for the storage of a heat exchange fluid.
  • phase change material and - at least one heat exchanger all of the channels for the circulation of a coolant.
  • the inlet duct and the outlet duct extend perpendicularly to said collectors.
  • the invention also relates to a power supply assembly comprising a heat exchange device as described above and to the least one electric energy storage cell disposed between two heat exchangers of the device.
  • the invention therefore proposes a power supply assembly of a hybrid or electric vehicle, for example, having one or more electric cells between which heat exchangers are intercalated, the latter being able to be connected to each other in an easy manner, so that the assembly can be easily adapted to the numbers of electric cells constituting the battery.
  • it comprises means for compressing / clamping the heat exchangers against the at least one electric energy storage cell.
  • the invention proposes the implementation of clamping means of the assembly formed by the alternating stack of electric cells and heat exchangers so as to maintain optimum contact between the heat exchangers and the electric cells when these The last ones are deformed under the influence of the changes of temperature.
  • the compression / clamping means comprise two clamping plates between which are arranged the at least two heat exchangers and the at least one electric energy storage cell.
  • the compression / clamping means comprise at least one clamping spacer connecting the two clamping plates.
  • each clamping plate carries at least one deformable strip on its face oriented towards one of the heat exchangers, said adjacent heat exchanger.
  • said at least one deformable bar is formed of several portions hinged together.
  • each portion carries a spring intended to press the deformable bar against the adjacent heat exchanger.
  • said at least one deformable bar is made of plastic.
  • Figure 1 is a perspective view of a modular thermal regulation device according to the invention.
  • Figure 2 is a perspective view of a first type of heat exchanger implemented in the device of Figure 1;
  • FIG 3 is a perspective view of a second type of heat exchanger implemented in the device of Figure 1;
  • FIGS 4A and 4B are detail views of the heat exchanger of Figure 3;
  • Figure 5 is a schematic sectional view of a multichannel tube implemented in the heat exchanger of Figure 2;
  • Figure 6 is a schematic sectional view of a multichannel tube implemented in the heat exchanger of Figure 3.
  • FIG. 7 is a detailed view of a deformable strip implemented in the device of FIG. 1.
  • the identical elements bear the same reference numbers and have the same technical characteristics and operating modes.
  • FIG. 1 illustrates a power supply unit E of an electric or hybrid vehicle implementing a heat exchange device 2 according to the invention and a battery 1 made up of cells for storing electrical energy, hereinafter so-called electrical cells, which are spaced apart and arranged parallel to one another.
  • heat exchange device may be intended to thermally regulate other electrical devices, such as electronic modules, speakers traversed by a fluid, or any other device whose operating characteristics. are sensitive to changes in temperature, for example.
  • Each electric cell 10 is capable of producing electric current and has a rigid envelope in this example of FIG.
  • the heat exchange device 2 comprises a plurality of heat exchangers 21 which are each interposed between two consecutive electrical cells 10 and brought into contact with the latter so as to regulate the temperature of these electric cells 10, and more generally of the battery 1.
  • each of the heat exchangers 21 will be described in detail hereinafter with reference to FIGS. 2 and 5.
  • the electrical power supply unit E comprises clamping means 5 which, after juxtaposition of the electric cells 10 of the battery 1 and the heat exchangers 21 of the heat exchange device 2 in parallel to each other, to compress this stack so as to provide an optimal contact between the electric cells 10 and the heat exchangers 21.
  • the clamping means 5 comprise two clamping plates 51, four clamping struts 52 and several deformable bars 53.
  • clamping struts 52 are in the form of a rigid cylindrical rod.
  • Each of the ends of the spacer 52 comprises a threaded hole (not visible in the figures) which extends inside the spacer 52 along the longitudinal axis of the latter.
  • the two clamping plates 51 are intended to be placed on either side of the stack of electric cells 10 and heat exchangers 21.
  • the clamping plates 51 here have a substantially T-shaped shape.
  • Two first projections 511a and 511b extend in the vicinity of the upper edge of the clamping plate 51.
  • the first two projections 511a and 511b each comprise a shoulder 513 which extends perpendicularly to the plane of the clamping plate 51.
  • the shoulder 513 comprises a housing (not visible in the figures) capable of receiving one end of a clamping spacer 52.
  • a through hole extends through the projection 511a, 511b to receive a securing screw 514 for securing the clamping plate 51 and the two upper clamps 52.
  • the clamping plates 51 furthermore have, in the vicinity of the lower edge of the clamping plate 51, two other shoulders (not visible in FIG. 1) which extend perpendicularly to the plane of the clamping plate 51.
  • These shoulders have a housing adapted to receive an end of a clamping spacer 52.
  • Two other holes extending coaxially with the housings, are formed in the clamping plates 51 and are configured to receive a fixing screw 514 for securing the clamping plate 51 and the two lower clamping struts 52.
  • the clamping plates 51 comprise two legs 516, which project vertically downwards from the lower edge of the plate 51.
  • clamping plates 51 comprise orifices 517 intended to cooperate with deformable bars 53.
  • each clamping plate 51 comprises a plurality of rows of orifices 517, each row comprising three orifices in the illustrated example.
  • the deformable bars 53 are preferably made of a synthetic material, insulating and flexible.
  • the deformable bars 53 are made of plastic material.
  • the deformable bars 53 consist, in this example, of three parallelepipedal portions 531.
  • the three portions 531 are connected by means of a hinge 532 in the form of a thin wall, which thus allows the deformation of the bar 53.
  • Each of the portions 531 has an attachment rod 533 which extends perpendicularly with respect to the rear face of the deformable bar 53.
  • Each fixing rod 533 carries an elastic element 534 intended to be inserted between the rear face of the bar 53 and the clamping plate 51.
  • the elastic element 534 is in the form of a helical spring fitted on a fixing rod 533.
  • the use of these springs 534 makes it possible to exert a force intended to bring the heat exchangers 21 closer together and to compress against the electric cells 10 of the battery 1.
  • the springs 534 of each of the deformable bars 53 can push the latter against the electric cell 10 or the heat exchanger 21 which is adjacent to the clamping plate 51 on which these deformable bars 53 are mounted.
  • clamping bars 53 are intended to optimize the contact between the multichannel tubes 22 of the heat exchangers 21 and the electric cells 10.
  • each deformable strip 53 ensures that the tubes 22 of the heat exchangers 21 are in permanent contact with the electrical cells 10 despite any deformation of the latter.
  • each clamping plate 51 implements five deformable bars 53 arranged one above the other so as to transmit a compressive force over the entire surface of the multichannel tubes 22 of the exchangers 21. .
  • the power supply assembly E shown in FIG. 1 comprises a battery 1 having twelve electric cells 10 and a heat exchange device 2 having thirteen heat exchangers 21, 24.
  • the power supply unit E is obtained by the juxtaposition of an alternation of electric cells 10 and heat exchangers 21, and the attachment of this stack using the clamping means 5 described above.
  • a first heat exchanger 21 (left in the figure) is disposed against the deformable bars 53 of a clamping plate 51 on which they have previously been placed.
  • An electric cell 10 is disposed against this first heat exchanger 21, then a second heat exchanger is disposed against this electric cell, on the opposite side to the first heat exchanger, and secured to the first heat exchanger.
  • Each heat exchanger 21 is traversed by a coolant circulating for example by means of a pump.
  • the coolant enters the heat exchanger 21 through an inlet conduit 42E, circulates in the tubes and exits through an outlet conduit 42S.
  • the joining of the first and second heat exchangers 21 is effected by simply interlocking the inlet ducts 42E and the heat transfer fluid outlet 42S of the first heat exchanger with the inlet ducts 42E and the heat transfer fluid outlet ducts 42S of the second heat exchanger .
  • each heat exchanger 21 has a heat transfer fluid inlet duct 42E comprising a female portion 421E and a male portion 422E.
  • This same heat exchanger 21 has a heat transfer fluid outlet conduit 42S comprising a female portion 421S and a male portion 422S.
  • the female portion 421E of the inlet duct 42E of a heat exchanger 21 is adapted to cooperate reversibly with the male portion 422E of the inlet duct 42E of an adjacent heat exchanger 21.
  • the configuration of the inlet ducts 42E and 42S outlet allows the joining of two adjacent heat exchangers 21 by reversibly cooperating the inlet ducts 42E and 42S corresponding output of each of the two heat exchangers 21.
  • a single Heat exchanger 21 may be assembled to an upstream heat exchanger and a downstream heat exchanger.
  • a plug 423 is disposed on the inlet ducts 42E and heat transfer fluid outlet 42S of the heat exchanger 21 located at a first end (on the right in FIG. 1) of the stack of cells 10 and exchangers 21.
  • connection element 424 is disposed on the inlet ducts 42E and outlet pipes 42S of the heat transfer fluid of the heat exchanger 21 located at a second end (on the left in FIG. 1) of the stack.
  • This connection element 424 is intended to connect the heat exchange device 2 to the coolant circulation circuit of the vehicle (not shown).
  • This second clamping plate 51 also carries a series of deformable bars 53 previously arranged which abut against the heat exchanger 21 located on the right.
  • each electric cell 10 is interposed between two heat exchangers 21 able to regulate its temperature.
  • the contact between the multichannel tubes 22 and the electric cells 10 is provided on the one hand by the compression provided by the clamping plates 51 and the clamping struts 52, and on the other hand by the implementation of the deformable bars 53 which allow to absorb the deformations of the electric cells 10.
  • the length of the clamping struts 52 is chosen with respect to the dimensions of the battery 1, that is to say the number of electric cells 10 forming the battery 1.
  • the power supply assembly E When the power supply assembly E is assembled, it ensures optimum regulation of the temperature of the electric cells 10 of the battery 1.
  • the battery 1 may consist of an electric cell 10, in which case this electric cell 10 will be disposed between two heat exchangers 21, or several electrical cells 10.
  • FIG. 2 shows a heat exchanger 21 of a first type when it is brought into contact with a single electric cell 10. However, it is understood that another electric cell 10 can be arranged on the other side of the heat exchanger 21.
  • the heat exchanger 21 comprises a plurality of multichannel tubes 22, each end of which is connected to a collector 23.
  • the heat exchanger 21 has five multichannel tubes 22 and allows a circulation of the heat transfer fluid in a circuit called "I".
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a tube 22 of the heat exchanger 21 of FIG.
  • the tube 22 is preferably made of aluminum and has a high thermal conductance so as to be able to cool, or heat, the electric cells 10 of the battery 1 with which it is in direct contact.
  • an interlayer (not shown) which is made of a material having a high thermal conductance.
  • the tube 22 is in the form of a flat tube, of oblong section, comprising a plurality of internal walls 221 delimiting a plurality of internal channels 220 extending parallel and longitudinally on the assembly of the tube 22.
  • the tube 22 is preferably obtained by extrusion, which facilitates the manufacture of the internal channels 220.
  • the channels 220 of the tube 22 are configured to allow the circulation of a heat transfer fluid 6 between the different channels 220 of the tube 22 and the collectors 23 of the heat exchanger 21 which extend on either side of the latter.
  • each end of the tube 22 opens into a collector
  • each manifold 23 is sealed by a plate, or wall, 238.
  • each manifold 23 opens into a connecting element 4 which constitutes a heat transfer fluid inlet conduit 42E for a first manifold 23 (located on the left in FIG. 2) and a heat transfer fluid outlet conduit 42S for a second collector 23 (located on the right in Figure 2).
  • Each 42E and 42S output duct is open at both ends.
  • the heat transfer fluid is able to pass from the inlet duct 42E to the first manifold 23, then the second manifold 23 to the outlet duct 42S.
  • the connecting element 4 further makes it possible to connect the heat exchanger 21 with one or two adjacent heat exchangers, as illustrated in FIG.
  • the inlet ducts 42E and 422S of heat transfer fluid comprise a female portion 421E, 421S and a male portion 422E, 422S respectively.
  • the female portions 421E, 421S and male 422E, 422S of the inlet ducts 42E and outlet 42S heat transfer fluid are each in the form of a cylinder and are therefore circular in section.
  • the diameter of the cylinder of the male part 422E, 422S is smaller than the diameter of the female part 421E, 421S so as to allow insertion or fitting of the male part 422E, 422S of a first heat exchanger 21 in the female part 421E, 421S of a second adjacent heat exchanger 21.
  • the diameters of the male and female parts are chosen so as to seal the connections of two heat exchangers 21 adjacent.
  • the outer diameter of the male part is substantially equal to the inner diameter of the female part.
  • At least one seal may be provided at the joint
  • This junction 425 here constituted by a shoulder, forms a stop when the male part of an inlet or outlet duct of a first exchanger is inserted into the female part of an inlet or outlet duct. a second exchanger.
  • a plug 423 is provided to close respectively the end orifice of the female part of the inlet duct 42E and the outlet duct. 42S of fluid
  • FIGS. 3, 4A and 4B illustrate a second type of heat exchanger 24 which can be implemented in a thermal regulation device 2 according to the invention.
  • FIG. 4 illustrates such a heat exchanger 24 when it is brought into contact with an electric cell 10 of the battery 1. However, it is understood that another electric cell 10 can be disposed on the other face of the heat exchanger 24 .
  • the heat exchanger 24 comprises a plurality of multichannel tubes 25, each end of which is connected to a collector 26.
  • the tubes 25 and the collectors 26 of the heat exchanger 24 are configured so as to allow, in addition to the circulation of the coolant, the storage of a phase-change material within the heat exchanger 24. To do this, the tubes 25 are configured to optionally dispense a phase change material (PCM) or a coolant.
  • PCM phase change material
  • the heat exchanger 24 comprises a static circuit 251 for storing the phase-change material, implementing a first set of channels 252.
  • the heat exchanger 24 further comprises a dynamic circuit 253, implementing a second set of channels 254, and configured to allow the circulation of the coolant.
  • phase change material contained in the static circuit 251 is not intended to flow in the channels 252 and the collectors 26, although the phase change material may have a slight displacement within these channels. elements.
  • the coolant is intended to circulate between the various channels 254 of the dynamic circuit 253 and the collectors 26 of the heat exchanger 24.
  • each tube 25 has alternating channels 252 for storing the phase change material and channels 254 for circulating the coolant.
  • each tube 25 comprises an alternation of channels belonging either to the static circuit 251 or to the dynamic circuit 253, so as to allow a heat exchange between the heat transfer fluid and the phase change material.
  • the phase change material ensures a large heat storage capacity.
  • the determined quantity of heat, stored inside the channels 252 by means of the static component (phase change material), is available to be used, in a delayed manner, to heat the heat transfer fluid moving within the channels 254.
  • the static component phase change material
  • the phase-change material is able to restore or transfer the thermal energy stored via the coolant so as to maintain the temperature of the electric cells 10 at an optimum value.
  • the phase change material acts as a thermal energy reservoir.
  • the heat transfer fluid conductively controls the phase changes of the material stored in adjacent channels.
  • phase change material Initially, in the solid state, it stores, without changing state, the thermal energy. When the temperature of the phase change material reaches the melting temperature, the phase change material changes to the liquid state and the heat is then stored in latent form.
  • the phase change material changes from the liquid state to the solid state.
  • the distribution between the number of channels 252 of the static circuit 251 and the number of channels 254 of the dynamic circuit 253 can be modified.
  • FIGS. 4A and 4B show sectional views taken at a manifold 26 of the heat exchanger of FIG. 3.
  • the collector 26 of the heat exchanger 24 of the second type comprises a pipe 270 disposed partly in a U-channel 260 against the walls. internal of the latter, so that the tubing 270 and the chute 260 are superimposed, the tubing 270 forming the outer edges of the collector 26.
  • the chute 260 and the tubing 270 are joined by brazing to ensure the attachment and sealing between these two elements.
  • This reservoir 261 is part of the static circuit 251.
  • the space formed in the tubing 270 forms a reservoir 271 for receiving the coolant.
  • This reservoir 271 is part of the dynamic circuit 253.
  • the bottom of the chute 260 has a plurality of longitudinal slots 262 which are arranged at regular intervals along the longitudinal axis of the chute 260.
  • the chute 260 has a number of slots 262 equal to the number of tubes 25 used in the heat exchanger 24.
  • These slots 262 are configured to allow each passage of an end of a tube 25.
  • the width of the slot 262 is substantially equal to the thickness of the tube 25.
  • the ends of the tube 25 do not extend in a single plane, but are castellated.
  • the channels 252 of the static circuit 251 have a length L1 less than the length L2 of the channels 254 of the dynamic circuit 253.
  • This particular slot-shaped shape of the ends of the tube 25 is obtained, in this example, by notching the ends of the channels 252 for storing the phase-change material 7.
  • this slot form by machining, for example.
  • This difference in length between the channels 252 and 254 allows the channels 252 of the static circuit 251 to open into the first reservoir 261 and to the channels 254 of the dynamic circuit 253 to open into the second reservoir 271 of the collector 26.
  • the tubing 270 has, at its bottom, a plurality of openings 272 configured to allow the passage of the end of the channels 254 for circulating the coolant 6.
  • the assembly of the tubes 25 and channels 252 in the slots 262 and the openings 272 respectively is performed so as to ensure the seal between the first reservoir 261 and the second reservoir 271 of the manifold 26.
  • a first end of each of the collectors 26 of the heat exchanger 24 is sealed by a plate, or wall, 28.
  • This wall 28 has a first portion 281 comprising a shoulder
  • the wall 28 has a second portion 283 comprising a shoulder 284, of a shape corresponding to the inner section of the reservoir 261, and an opening 285.
  • the opening 285 is intended to allow the filling of the reservoir 261 and the tubes 25 of the static circuit 251 in phase change material.
  • a plug 286 is provided to close the opening 285 after filling the reservoir 261.
  • one end of the collector 26 of the heat exchanger 24 of the second type has a connecting element 4.
  • the connecting element 4 of the heat exchanger 24 does not, however, communicate with the tank 261 of phase change material, but only with the heat transfer fluid reservoir 271.
  • the coolant circulating in the dynamic circuit 253 acts as a vector of calories, or frigories, to the phase change material contained in the static circuit 251 of the heat exchanger 24.
  • the implementation in the same conduit 25, of a phase change material 7 and a heat transfer fluid 6, allows the heat exchanger 24 to have a further improved thermal reactivity.
  • the high thermal reactivity of the heat exchanger 24 thus makes it possible to better manage / absorb the temperature variations of the electric cells 10 of the battery 1, which makes it possible to maintain the latter at an optimum temperature.
  • the temperature peaks of the electric cells are clipped and the performance of the battery is optimized.
  • heat exchange device 2 is able to implement, according to the desired thermal performance:
  • heat exchangers 21 of the first type that is to say comprising only a circulation circuit of a heat transfer fluid
  • heat exchangers 24 of the second type that is to say comprising a circulation circuit of a heat transfer fluid and a storage circuit of a phase change material;
  • the heat exchange device 2 allows a balanced distribution of the coolant between the heat exchangers 21, 24, which optimally regulates the temperature of all the electric cells constituting the battery 1.
  • the clamping spacer 52 has adjustment means making it possible to adjust the length / size of the latter.
  • the clamping struts 52 are electrically insulated, for example by anodizing, when they are aluminum.
  • clamping struts 52 are preferably sufficiently remote from the electrical cells 10 to avoid any electrical contact therewith.
  • the heat exchangers 21, 24 comprise five multichannel tubes 22, 25 so as to provide a circulation of the heat transfer fluid 6 in a circuit called "I".
  • each heat exchanger 21, 24 is preferably anodized in order to ensure the electrical insulation of the exchanger with respect to the electric cells 10 of the battery 1.
  • an interlayer (not shown) may be disposed between the multichannel tubes 22, 25 of the exchangers 21, 24 and the electric cells 10.
  • This interlayer which is for example of the "pad” silicone type and having a thickness of between 1 and 3 mm, improves the thermal contact and the electrical insulation between the heat exchanger tubes and the electric cells 10.
  • This spacer also makes it possible to ensure optimum contact between the tubes of the exchangers and the electric cells 10 since it makes it possible to partially absorb the possible deformations of the electric cells 10.
  • the clamping means 5 are able to provide a compressive force on the stack of electrical cells 10 and heat exchangers 21, 24 of the order of 0.5 to 2 bars.
  • the heat transfer fluid used in the invention may be a refrigerant, that is to say a mixture of water and gas, or a cooling liquid, that is to say a mixture of water and glycol.
  • the phase change material has, for example, a melting temperature in the range of 20 ° C to 25 ° C, preferably in a temperature difference range of 5 ° C to 7 ° C.
  • phase change material is selected from paraffins, hydrated salts and eutectic compounds.
  • the electrical cells 10 forming the battery 1 may be cylindrical, prismatic or pocket type ("pouch cell" in English), for example.

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Abstract

L'invention propose un dispositif d'échange thermique comprenant au moins un échangeur thermique (21) présentant un conduit d'entrée (42E) de fluide caloporteur et un conduit de sortie (42S) de fluide caloporteur. Selon l'invention, ledit conduit d'entrée (42E) de fluide caloporteur et ledit conduit de sortie (42S) de fluide caloporteur dudit au moins un échangeur thermique (21) sont configurés pour coopérer de façon réversible respectivement avec les conduits d'entrée (42E) et de sortie (42S) de fluide caloporteur d'au moins un autre échangeur thermique (21) dudit dispositif d'échange thermique.

Description

Dispositif d'échange thermique, notamment pour la régulation thermique d'une batterie d'un véhicule automobile
L'invention se rapporte au domaine de la régulation thermique de dispositifs dont les caractéristiques de fonctionnement sont sensibles aux variations de température.
L'invention s'applique notamment, mais non exclusivement, à la régulation thermique des batteries équipant un véhicule automobile dont la propulsion est fournie en tout ou partie par une motorisation électrique.
L'invention s'applique plus particulièrement aux batteries constituées de plusieurs cellules électriques juxtaposées.
La régulation thermique de la batterie, notamment dans le domaine des véhicules électriques et hybrides, est un point important.
En effet, la température de la batterie doit être régulée, à une température avoisinant les 20°C, afin d'assurer la fiabilité, l'autonomie, et la performance du véhicule, tout en optimisant la durée de vie de la batterie.
Dans les véhicules électriques ou hybrides, la batterie est généralement réalisée par des cellules de stockage d'énergie électrique qui sont juxtaposées parallèlement les unes aux autres dans un boîtier de protection et qui forment un pack-batterie.
Afin de réguler la température de la batterie, il est connu d'utiliser un dispositif de régulation thermique assurant les fonctions de chauffage et de refroidissement de la batterie.
On connaît de nombreuses solutions qui permettent de réguler la température des cellules de batteries électriques.
Une première solution consiste à mettre en œuvre, à l'intérieur du pack- batterie, un dispositif de régulation thermique, se présentant sous la forme d'un ou plusieurs échangeurs thermiques, sur une ou plusieurs faces de la batterie.
Dans une variante, le dispositif de régulation thermique peut être mis en œuvre sur la surface extérieure du pack-batterie. Cette première solution présente toutefois de faibles performances en termes de régulation thermique.
En effet, une telle solution ne permet pas de refroidir de manière optimale l'ensemble des cellules électriques formant la batterie puisque le centre ou cœur des cellules n'est pas en contact avec le dispositif de régulation thermique.
Une autre solution connue consiste à mettre en œuvre un dispositif de régulation thermique comprenant une pluralité d'échangeurs thermiques intercalés entre chaque cellule électrique de la batterie.
Cette solution met en œuvre un conduit principal d'entrée et un conduit principal de sortie de fluide caloporteur sur lesquels sont raccordés par brasage chacun des échangeurs thermiques dans lesquels est destiné à circuler ledit fluide.
Cette deuxième solution présente de meilleures performances thermiques, c'est-à-dire qu'elle permet une meilleure régulation thermique des batteries.
Néanmoins, un inconvénient de cette solution réside dans le fait que le montage d'un tel dispositif est complexe et que ce dernier, une fois assemblé, est encombrant.
Un autre inconvénient de cette deuxième solution réside dans le fait qu'il n'est pas aisé d'adapter le dispositif de régulation thermique au nombre de cellules électriques formant la batterie du véhicule.
Encore un autre inconvénient de cette deuxième solution réside dans l'incapacité du dispositif à maintenir un contact optimal entre les échangeurs thermiques et les cellules électriques lorsque ces dernières se déforment sous l'influence des changements de température.
De ce fait, le refroidissement des batteries n'est pas optimal.
Par ailleurs, ces solutions de l'art antérieur font appel à des fluides caloporteurs qui sont, par exemple, de l'air puisé, un mélange d'eau et de glycol ou des réfrigérants.
Un inconvénient de ces solutions connues réside dans leur faible capacité à absorber efficacement les pics de chaleur rencontrés lors du chargement et/ou déchargement des cellules électriques. En effet, lors de l'utilisation et du chargement des cellules électriques, on observe des pics de chaleur importants qui impliquent des variations brutales de température.
Les solutions de l'art antérieur ne permettent pas d'absorber efficacement ces variations de chaleur.
Il existe donc un besoin de fournir une nouvelle solution de régulation thermique des cellules électriques de la batterie qui, dans au moins un mode de réalisation, remédie aux inconvénients précités. A cet effet, l'invention propose un dispositif d'échange thermique comprenant au moins un échangeur thermique présentant un conduit d'entrée de fluide caloporteur et un conduit de sortie de fluide caloporteur.
Selon l'invention, le conduit d'entrée de fluide caloporteur et le conduit de sortie de fluide caloporteur dudit au moins un échangeur thermique sont configurés pour coopérer de façon réversible respectivement avec les conduits d'entrée et de sortie de fluide caloporteur d'au moins un autre échangeur thermique du dispositif d'échange thermique.
L'invention propose donc un dispositif modulaire d'échange thermique pour la régulation thermique de dispositifs électriques, de modules électroniques ou d'enceintes traversées par un fluide, par exemple.
L'invention est particulièrement adaptée à la régulation thermique de la batterie d'un véhicule automobile présentant une ou plusieurs cellules électriques entre lesquelles sont intercalés les échangeurs thermiques du dispositif d'échange thermique.
Les échangeurs thermiques du dispositif présentent chacun des conduits d'entrée et de sortie qui sont configurés pour être raccordés de manière réversible ou amovible aux mêmes conduits d'un ou de deux échangeurs thermiques adjacents.
Ainsi, le raccordement des échangeurs thermiques entre eux est aisé, le montage/démontage du dispositif d'échange thermique étant facilité et aisément adaptable aux nombres de cellules électriques constituant la batterie. Selon un aspect particulier de l'invention, chaque conduit d'entrée et de sortie d'un échangeur thermique présente une partie mâle et une partie femelle, la partie mâle du conduit d'entrée étant destinée à coopérer de façon réversible avec la partie femelle du conduit d'entrée d'au moins un autre échangeur thermique adjacent, et la partie mâle du conduit de sortie étant destinée à coopérer de façon réversible avec la partie femelle du conduit de sortie d'au moins un autre échangeur thermique adjacent.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, la partie mâle et la partie femelle d'un conduit présentent chacun une section circulaire.
Selon encore un autre aspect particulier de l'invention, le diamètre extérieur de la partie mâle est sensiblement égal au diamètre intérieur de la partie femelle.
Ainsi, les parties "mâle" des conduits d'entrée et de sortie de fluide d'un échangeur thermique peuvent être assemblées à force avec les parties "femelle" des conduits d'entrée et de sortie de fluide d'un autre échangeur thermique adjacent.
L'assemblage mécanique réversible des échangeurs thermiques entre eux permet de former un unique circuit de circulation du fluide caloporteur dans le dispositif de régulation thermique. Il n'est donc plus nécessaire de braser les conduits des échangeurs à des tubulures d'amenée et d'évacuation de fluide caloporteur, puisque ces tubulures sont, grâce à l'invention, constituées par l'assemblage des conduits d'entrée et de sortie des échangeurs thermiques reliés entre eux.
Il en découle donc que le dispositif d'échange thermique de l'invention présente un faible encombrement et que son montage est grandement facilité.
De plus, le raccordement des échangeurs thermiques entre eux est rapide et réversible, et ne nécessite pas d'outillage spécifique pour le montage et le démontage.
Selon un aspect particulier de l'invention, la jonction entre la partie mâle et la partie femelle des conduits d'entrée et de sortie forme une butée.
Ceci permet de s'assurer que l'assemblage de la partie femelle avec la partie mâle d'un conduit est correct.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, la jonction entre la partie mâle et la partie femelle des conduits d'entrée et de sortie comporte au moins un joint d'étanchéité. Ainsi, l'étanchéité d'un tel assemblage est encore améliorée par la mise en œuvre de ce joint d'étanchéité.
Selon encore un autre aspect particulier de l'invention, la partie femelle d'un conduit est adaptée pour recevoir un bouchon de fermeture.
Selon un aspect particulier de l'invention, le conduit d'entrée et le conduit de sortie de fluide caloporteur du au moins un échangeur thermique sont disposés de manière diagonalement opposée sur l'échangeur thermique.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, au moins un des échangeurs thermiques comporte au moins un tube comprenant une pluralité de canaux dont chacune des extrémités est reliée à un collecteur, au moins une partie des canaux étant destinée à la circulation d'un fluide caloporteur.
Selon un aspect particulier de l'invention, une autre partie des canaux est destinée au stockage d'un matériau à changement de phase.
Ainsi, afin de mieux absorber les pics de température des cellules électriques, l'invention propose, dans un mode de réalisation particulier, l'utilisation dans les échangeurs thermiques du dispositif d'échange thermique d'un matériau à changement de phase, en complément d'un fluide caloporteur.
L'utilisation d'un matériau à changement de phase combinée à celle d'un fluide caloporteur permet une absorption, ou une restitution, d'énergie calorifique rapide et efficace de sorte à écrêter les pics de température des cellules électriques, et par conséquent à optimiser les performances et la durée de vie de la batterie.
Selon un aspect particulier de l'invention, le dispositif d'échange thermique comprend - au moins un échangeur thermique dont une partie des canaux est destinée à la circulation d'un fluide caloporteur et une autre partie des canaux est destinée au stockage d'un matériau à changement de phase, et - au moins un échangeur thermique dont la totalité des canaux est destinée à la circulation d'un fluide caloporteur.
Selon un aspect particulier de l'invention, le conduit d'entrée et le conduit de sortie s'étendent perpendiculairement auxdits collecteurs.
L'invention concerne également un ensemble d'alimentation électrique comprenant un dispositif d'échange thermique telle que décrit précédemment et au moins une cellule de stockage d'énergie électrique disposée entre deux échangeurs thermiques du dispositif.
L'invention propose donc un ensemble d'alimentation électrique d'un véhicule hybride ou électrique, par exemple, présentant une ou plusieurs cellules électriques entre lesquelles sont intercalés des échangeurs thermiques, ces derniers pouvant être raccordés entre eux de façon aisée, de sorte que l'ensemble peut être aisément adapté aux nombres de cellules électriques constituant la batterie.
Selon un aspect particulier de l'invention, il comprend des moyens de compression/serrage des échangeurs thermiques contre la au moins une cellule de stockage d'énergie électrique.
Par ailleurs, l'invention propose la mise en œuvre de moyens de serrage de l'ensemble formé par l'empilement alterné de cellules électriques et d'échangeurs thermique de sorte à maintenir un contact optimal entre les échangeurs thermiques et les cellules électriques lorsque ces dernières se déforment sous l'influence des changements de température.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, les moyens de compression/serrage comprennent deux plaques de serrage entre lesquelles sont disposés les au moins deux échangeurs thermiques et la au moins une cellule de stockage d'énergie électrique.
Selon encore un autre aspect particulier de l'invention, les moyens de compression/serrage comprennent au moins une entretoise de serrage reliant les deux plaques de serrage.
Selon encore un autre aspect particulier de l'invention, chaque plaque de serrage porte au moins une barrette déformable sur sa face orientée vers un des échangeurs thermiques, dit échangeur thermique adjacent.
Ces barrettes déformables participent au rapprochement de l'empilement des cellules électriques et des échangeurs thermiques.
Le contact entre les échangeurs thermiques et les cellules électriques reste donc optimal, même lorsque les cellules électriques subissent d'éventuelles déformations dues aux variations de température qu'elles subissent. Selon un autre aspect particulier de l'invention, ladite au moins une barrette déformable est formée de plusieurs portions articulées entre elles.
Selon encore un autre aspect particulier de l'invention, chaque portion porte un ressort destiné à plaquer la barrette déformable contre l'échangeur thermique adjacent.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, ladite au moins une barrette déformable est en plastique.
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée suivante, donnée à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels :
la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif modulaire de régulation thermique conforme à l'invention ;
la figure 2 est une vue en perspective d'un premier type d'échangeur thermique mis en œuvre dans le dispositif de la figure 1 ;
la figure 3 est une vue en perspective d'un deuxième type d'échangeur thermique mis en œuvre dans le dispositif de la figure 1 ;
les figures 4A et 4B sont des vues de détail de l'échangeur thermique de la figure 3 ;
la figure 5 est une vue schématique, en coupe, d'un tube multicanaux mis en œuvre dans l'échangeur thermique de la figure 2 ;
la figure 6 est une vue schématique, en coupe, d'un tube multicanaux mis en œuvre dans l'échangeur thermique de la figure 3 ; et
la figure 7 est une vue détaillée d'une barrette déformable mise en œuvre dans le dispositif de la figure 1. Sur les différentes figures, sauf indication contraire, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence et présentent les mêmes caractéristiques techniques et modes de fonctionnement.
La figure 1 illustre un ensemble d'alimentation électrique E d'un véhicule électrique ou hybride mettant en œuvre un dispositif d'échange thermique 2 conforme à l'invention et une batterie 1 constituée de cellules de stockage d'énergie électrique, ci- après nommées cellules électriques, 10 qui sont espacées et disposées parallèlement les unes aux autres.
Il est bien entendu que le dispositif d'échange thermique conforme à l'invention peut être destiné à réguler thermiquement d'autres dispositifs électriques, tels que des modules électroniques, des enceintes traversées par un fluide, ou tout autre dispositif dont les caractéristiques de fonctionnement sont sensibles aux variations de température, par exemple.
Chaque cellule électrique 10 est capable de produire du courant électrique et présente une enveloppe rigide dans cet exemple de la figure 1.
Le dispositif d'échange thermique 2 comprend une pluralité d'échangeurs thermiques 21 qui sont chacun intercalés entre deux cellules électriques 10 consécutives et mis en contact avec ces dernières de manière à réguler la température de ces cellules électriques 10, et plus généralement de la batterie 1.
La structure de chacun des échangeurs thermiques 21 sera décrite en détail ci- après en relation avec les figures 2 et 5.
D'autres types d'échangeurs thermiques, et notamment celui décrit en détail ci- après en relation avec les figures 3, 4A, 4B et 6, peuvent être mis en œuvre dans un tel dispositif modulaire d'échange thermique 2.
Comme illustré sur les figures 1 et 2, l'ensemble d'alimentation électrique E comprend des moyens de serrage 5 qui permettent, après juxtaposition des cellules électriques 10 de la batterie 1 et des échangeurs de thermiques 21 du dispositif d'échange thermique 2 parallèlement les uns aux autres, de compresser cet empilement de façon à fournir un contact optimal entre les cellules électriques 10 et les échangeurs thermiques 21. Dans l'exemple illustré sur la figure 1, les moyens de serrage 5 comprennent deux plaques de serrage 51, quatre entretoises de serrage 52 et plusieurs barrettes déformables 53.
Plus précisément, les entretoises de serrage 52 se présentent sous la forme d'une tige cylindrique rigide.
Chacune des extrémités de l'entretoise 52 comprend un trou taraudé (non visible sur les figures) qui s'étend à l'intérieur de l'entretoise 52 selon l'axe longitudinal de cette dernière.
Les deux plaques de serrage 51 sont destinées à être placées de part et d'autre de l'empilement des cellules électriques 10 et des échangeurs thermiques 21.
Les plaques de serrage 51 présentent ici une forme sensiblement en T.
Deux premières saillies 511a et 511b, de forme sensiblement semi-circulaire, s'étendent au voisinage du bord supérieur de la plaque de serrage 51.
Les deux premières saillies 511a et 511b comprennent chacune un épaulement 513 qui s'étend perpendiculairement au plan de la plaque de serrage 51.
L'épaulement 513 comporte un logement (non visible sur les figures) apte à recevoir une extrémité d'une entretoise de serrage 52.
Un trou traversant s'étend à travers la saillie 511a, 511b de manière à recevoir une vis de fixation 514 permettant de fixer la plaque de serrage 51 et les deux entretoises de serrage 52 supérieures.
Les plaques de serrage 51 présentent, en outre, au voisinage du bord inférieur de la plaque de serrage 51, deux autres épaulements (non visibles sur la figure 1) qui s'étendent perpendiculairement au plan de la plaque de serrage 51.
Ces épaulements présentent un logement apte à recevoir une extrémité d'une entretoise de serrage 52.
Deux autres trous, s'étendant coaxialement aux logements, sont ménagés dans les plaques de serrage 51 et sont configurés pour recevoir une vis de fixation 514 permettant de solidariser la plaque de serrage 51 et les deux entretoises de serrage 52 inférieures. Comme illustré sur la figure 1, les plaques de serrage 51 comprennent deux pieds 516, qui font saillie verticalement vers le bas à partir du bord inférieur de la plaque 51.
Après assemblage de l'ensemble d'alimentation électrique E, ce dernier repose sur les pieds 516 des plaques de serrage 51 ce qui permet de ne pas endommager les cellules électriques 10 et les échangeurs thermiques 21.
Enfin, les plaques de serrage 51 comportent des orifices 517 destinés à coopérer avec des barrettes déformables 53.
Plus précisément, chaque plaque de serrage 51 comprend une pluralité de rangées d'orifices 517, chaque rangée comprenant trois orifices dans l'exemple illustré.
Les barrettes déformables 53 sont, de préférences, fabriquées dans un matériau synthétique, isolant et flexible.
Dans cet exemple, les barrettes déformables 53 sont fabriquées en matériau plastique.
Comme illustré sur la figure 8, les barrettes déformables 53 sont constituées, dans cet exemple, de trois portions 531 parallélépipédiques.
Les trois portions 531 sont reliées par le biais d'une articulation 532 se présentant sous la forme d'une paroi fine, ce qui permet ainsi la déformation de la barrette 53.
En d'autres termes, la mise en œuvre de trois portions 531 et des articulations
532 permet à la barrette déformable 53 de se déformer en accord avec les déformations des cellules électriques 10.
Chacune des portions 531 présente une tige de fixation 533 qui s'étend perpendiculairement par rapport à la face arrière de la barrette déformable 53.
Ces tiges de fixation 533 sont destinées à être insérées dans les orifices 517 des plaques de serrage 51
Chaque tige de fixation 533 porte un élément élastique 534 destiné à être intercalé entre la face arrière de la barrette 53 et la plaque de serrage 51.
Dans cet exemple, l'élément élastique 534 se présente sous la forme d'un ressort hélicoïdal emmanché sur une tige de fixation 533. La mise en œuvre de ces ressorts 534 permet d'exercer une force destinée à rapprocher et comprimer les échangeurs thermiques 21 contre les cellules électriques 10 de la batterie 1.
En d'autres termes, les ressorts 534 de chacune des barrettes déformables 53 permettent de pousser ces dernières contre la cellule électrique 10 ou l'échangeur thermique 21 qui est adjacent à la plaque de serrage 51 sur laquelle ces barrettes déformables 53 sont montées.
Ainsi, ces barrettes de serrage 53 sont destinées à optimiser le contact entre les tubes multicanaux 22 des échangeurs thermiques 21 et les cellules électriques 10.
En effet, la mise en œuvre des ressorts 534 et des trois portions 531 articulées sur chaque barrette déformable 53 permet d'assurer que les tubes 22 des échangeurs thermiques 21 sont en contact permanent avec les cellules électriques 10 malgré les éventuelles déformations de ces dernières.
Dans l'exemple illustré sur la figure 1, chaque plaque de serrage 51 met en œuvre cinq barrettes déformables 53 disposées les unes au dessus des autres de sorte à transmettre une force de compression sur la totalité de la surface des tubes 22 multicanaux des échangeurs 21.
L'ensemble d'alimentation électrique E représenté sur la figure 1 comprend une batterie 1 présentant douze cellules électriques 10 et un dispositif d'échange thermique 2 présentant treize échangeurs thermiques 21, 24.
L'ensemble d'alimentation électrique E est obtenu par la juxtaposition d'une alternance de cellules électriques 10 et d'échangeurs thermiques 21, et la solidarisation de cet empilement à l'aide des moyens de serrage 5 décrits précédemment.
Ainsi, un premier échangeur thermique 21 (à gauche sur la figure) est disposé contre les barrettes déformables 53 d'une plaque de serrage 51 sur laquelle elles ont préalablement été placées.
Une cellule électrique 10 est disposée contre ce premier échangeur thermique 21, puis un deuxième échangeur thermique est disposé contre cette cellule électrique, du côté opposé au premier échangeur thermique, et solidarisé au premier échangeur thermique. Chaque échangeur thermique 21 est parcouru par un fluide caloporteur circulant par exemple au moyen d'une pompe. Le fluide caloporteur entre dans l'échangeur thermique 21 par un conduit d'entrée 42E, circule dans les tubes et ressort par un conduit de sortie 42S.
La solidarisation des premier et deuxième échangeurs thermiques 21 s'effectue par simple emboîtement des conduits d'entrée 42E et de sortie 42S de fluide caloporteur du premier échangeur thermique avec les conduits d'entrée 42E et de sortie 42S de fluide caloporteur du deuxième échangeur thermique.
Pour ce faire, chaque échangeur thermique 21 présente un conduit d'entrée 42E de fluide caloporteur comprenant une partie femelle 421E et une partie mâle 422E.
Ce même échangeur thermique 21 présente un conduit de sortie 42S de fluide caloporteur comprenant une partie femelle 421S et une partie mâle 422S.
La partie femelle 421E du conduit d'entrée 42E d'un échangeur thermique 21 est apte à coopérer de façon réversible avec la partie mâle 422E du conduit d'entrée 42E d'un échangeur thermique 21 adjacent.
Il en est de même pour les conduits de sortie 42S de deux échangeurs thermiques 21 adjacents.
La configuration des conduits d'entrée 42E et de sortie 42S permet la solidarisation de deux échangeurs thermiques 21 adjacents en faisant coopérer, de façon réversible, les conduits d'entrée 42E et de sortie 42S correspondants de chacun des deux échangeurs thermiques 21. Un même échangeur thermique 21 peut être assemblé à un échangeur thermique amont et un échangeur thermique aval.
La structure de ces conduits d'entrée 42E et de sortie 42S de fluide caloporteur permet ainsi un assemblage aisé et étanche des échangeurs thermiques entre eux.
L'opération d'assemblage de deux échangeurs thermiques 21 adjacents est répétée autant de fois que de cellules électriques 10 doivent être ajoutées.
On note ainsi que, lorsqu'une pluralité d'échangeurs thermiques 21 sont assemblés, l'ensemble des conduits d'entrée 42E forme un conduit global d'entrée d'un fluide caloporteur, et que l'ensemble des conduits de sortie 42S forme un conduit global de sortie d'un fluide caloporteur. Le dispositif d'échange thermique 2 de l'invention présente donc un encombrement réduit par rapport aux solutions de l'art antérieur qui nécessitent de raccorder par brasage chaque conduit d'entrée et de sortie de fluide des échangeurs thermiques à un conduit principal d'entrée et un conduit principal de sortie de fluide du dispositif d'échange thermique.
On note qu'un bouchon 423 est disposé sur les conduits d'entrée 42E et de sortie 42S de fluide caloporteur de l'échangeur thermique 21 situé à une première extrémité (à droite sur la figure 1) de l'empilement de cellules 10 et d'échangeurs 21.
Un élément de connexion 424 est disposé sur les conduits d'entrée 42E et de sortie 42S du fluide caloporteur de l'échangeur thermique 21 situé à une deuxième extrémité (à gauche sur la figure 1) de l'empilement.
Cet élément de connexion 424 est destiné à raccorder le dispositif d'échange thermique 2 au circuit de circulation de fluide caloporteur du véhicule (non représenté).
Lorsque l'empilement de cellules électriques 10 et d'échangeurs thermiques 21 est achevé, il est nécessaire de positionner la deuxième plaque de serrage 51 à la deuxième extrémité (à droite) de l'ensemble E.
Cette deuxième plaque de serrage 51 porte également une série de barrettes déformables 53 préalablement disposées qui viennent en appui contre l'échangeur thermique 21 situé le plus à droite.
Une fois ces étapes effectuées, les extrémités des entretoises 52 sont placées dans les épaulements 513 des plaques de serrage 51, puis fixées à ces dernières par le biais des vis de fixation 514.
Ainsi, dans l'ensemble d'alimentation électrique E, chaque cellule électrique 10 est intercalée entre deux échangeurs thermiques 21 aptes à réguler sa température.
Le contact entre les tubes multicanaux 22 et les cellules électriques 10 est assuré d'une part par la compression fournie par les plaques de serrage 51 et les entretoises de serrage 52, et d'autre part par la mise en œuvre des barrettes déformables 53 qui permettent d'absorber les déformations des cellules électriques 10. La longueur des entretoises de serrage 52 est choisie par rapport aux dimensions de la batterie 1, c'est-à-dire au nombre de cellules électriques 10 formant la batterie 1.
Lorsque l'ensemble d'alimentation électrique E est assemblé, il assure une régulation optimale de la température des cellules électriques 10 de la batterie 1.
La batterie 1 peut être constituée d'une cellule électrique 10, dans quel cas cette cellule électrique 10 sera disposée entre deux échangeurs thermiques 21, ou bien de plusieurs cellules électriques 10.
On décrit par la suite deux types d'échangeurs thermiques pouvant être mis en œuvre dans le dispositif d'échange thermique 2 décrit précédemment.
La figure 2 montre un échangeur thermique 21 d'un premier type lorsqu'il est mis en contact avec une unique cellule électrique 10. On comprend toutefois qu'une autre cellule électrique 10 peut être disposée sur l'autre face de l'échangeur thermique 21.
L'échangeur thermique 21 comprend une pluralité de tubes 22 multicanaux, dont chacune des extrémités est reliée à un collecteur 23.
Dans cet exemple, l'échangeur thermique 21 présente cinq tubes 22 multicanaux et permet une circulation du fluide caloporteur selon un circuit dit en « I ».
La figure 5 est une vue en coupe transversale d'un tube 22 de l'échangeur thermique 21 de la figure 2.
Le tube 22 est, de préférence, en aluminium et présente une conductance thermique élevée de façon à pouvoir refroidir, ou chauffer, les cellules électriques 10 de la batterie 1 avec lesquelles il est en contact direct.
Eventuellement, il peut être prévu de disposer, entre les tubes 22 d'un échangeur thermique 21 et les cellules électriques 10 adjacentes, un intercalaire (non représenté) qui est fabriqué dans un matériau présentant une forte conductance thermique.
Le tube 22 se présente sous la forme d'un tube plat, de section oblongue, comprenant une pluralité de parois internes 221 délimitant une pluralité de canaux 220 internes s'étendant parallèlement et longitudinalement sur l'ensemble du tube 22. Le tube 22 est, de préférence, obtenu par extrusion, ce qui facilite la fabrication des canaux internes 220.
Les canaux 220 du tube 22 sont configurés pour permettre la circulation d'un fluide caloporteur 6 entre les différents canaux 220 du tube 22 et les collecteurs 23 de l'échangeur thermique 21 qui s'étendent de part et d'autre de ce dernier.
Pour ce faire, chacune des extrémités du tube 22 débouche dans un collecteur
23.
Comme illustré sur la figure 2, une première extrémité de chaque collecteur 23 est fermée de façon étanche par une plaque, ou paroi, 238.
La deuxième extrémité de chaque collecteur 23 débouche dans un élément de raccordement 4 qui constitue un conduit d'entrée 42E de fluide caloporteur pour un premier collecteur 23 (situé à gauche sur la figure 2) et un conduit de sortie 42S de fluide caloporteur pour un deuxième collecteur 23 (situé à droite sur la figure 2). Chaque conduit d'entrée 42E et de sortie 42S est ouvert à ses deux extrémités.
Ainsi, le fluide caloporteur est apte à passer du conduit d'entrée 42E vers le premier collecteur 23, puis du deuxième collecteur 23 vers le conduit de sortie 42S.
L'élément de raccordement 4 permet en outre de raccorder l'échangeur thermique 21 avec un ou deux échangeurs thermiques adjacents, comme illustré sur la figure 1.
Pour ce faire, les conduits d'entrée 42E et de sortie 42S de fluide caloporteur comprennent une partie femelle 421E, 421S et une partie mâle 422E, 422S respectivement.
Il est ainsi possible de raccorder aisément et de façon réversible (ou amovible) plusieurs échangeurs thermiques 21 du premier type (illustré sur la figure 2), entre lesquels sont placées des cellules électriques 10.
Ainsi, les parties femelle 421E, 421S et mâle 422E, 422S des conduits d'entrée 42E et de sortie 42S de fluide caloporteur se présentent chacune sous la forme d'un cylindre et sont donc de section circulaire.
Le diamètre du cylindre de la partie mâle 422E, 422S est inférieur au diamètre de la partie femelle 421E, 421S de manière à permettre l'insertion ou l'emmanchement de la partie mâle 422E, 422S d'un premier échangeur thermique 21 dans la partie femelle 421E, 421S d'un deuxième échangeur thermique 21 adjacent.
Les diamètres des parties mâle et femelle sont choisis de sorte à assurer l'étanchéité des raccordements de deux échangeurs thermiques 21 adjacents. Le diamètre extérieur de la partie mâle est sensiblement égal au diamètre intérieur de la partie femelle.
Au moins un joint d'étanchéité (non représenté) peut être prévu à la jonction
425 entre les parties mâle et femelle d'un même conduit 42E, 42S pour renforcer et/ou assurer l'étanchéité du raccordement.
Cette jonction 425, constituée ici d'un épaulement, forme une butée lorsque la partie mâle d'un conduit d'entrée ou de sortie d'un premier échangeur est insérée dans la partie femelle d'un conduit d'entrée ou de sortie d'un deuxième échangeur.
Dans une variante, on peut prévoir un conduit d'entrée 42E ou de sortie 42S de fluide caloporteur présentant une section de forme différente, sans diverger du principe général décrit précédemment.
Si l'échangeur thermique 21 n'est raccordé qu'à un seul échangeur thermique adjacent, un bouchon 423 est prévu afin d'obturer respectivement l'orifice d'extrémité de la partie femelle du conduit d'entrée 42E et du conduit de sortie 42S de fluide
(comme illustré sur la figure 2).
Les figures 3, 4A, et 4B illustrent un deuxième type d'échangeur thermique 24 qui peut être mis en œuvre dans un dispositif de régulation thermique 2 conforme à l'invention.
La figure 4 illustre un tel échangeur thermique 24 lorsqu'il est mis en contact avec une cellule électrique 10 de la batterie 1. On comprend toutefois qu'une autre cellule électrique 10 peut être disposée sur l'autre face de l'échangeur thermique 24.
Comme illustré sur la figure 3, l'échangeur thermique 24 comprend une pluralité de tubes 25 multicanaux, dont chacune des extrémités est reliée à un collecteur 26.
Les tubes 25 et les collecteurs 26 de l'échangeur thermique 24 sont configurés de sorte à permettre, en complément de la circulation du fluide caloporteur, le stockage d'un matériau à changement de phase au sein de l'échangeur thermique 24. Pour ce faire, les tubes 25 sont configurés pour distribuer, au choix, un matériau à changement de phase (MCP) ou un fluide caloporteur.
Comme illustré sur la figure 6, l'échangeur thermique 24 comprend un circuit statique 251 de stockage du matériau à changement de phase, mettant en œuvre un premier jeu de canaux 252.
L'échangeur thermique 24 comprend, en outre, un circuit dynamique 253, mettant en œuvre un deuxième jeu de canaux 254, et configuré pour permettre la circulation du fluide caloporteur.
Il convient de noter que le matériau à changement de phase contenu dans le circuit statique 251 n'est pas destiné à circuler dans les canaux 252 et les collecteurs 26, bien que le matériau à changement de phase puisse présenter un léger déplacement au sein de ces éléments.
Au contraire, le fluide caloporteur est destiné à circuler entre les différents canaux 254 du circuit dynamique 253 et les collecteurs 26 de l'échangeur thermique 24.
Dans cet exemple, chaque tube 25 présente une alternance de canaux 252 destinés à stocker le matériau à changement de phase et de canaux 254 de circulation du fluide caloporteur.
En d'autres termes, chaque tube 25 comprend une alternance de canaux appartenant soit au circuit statique 251, soit au circuit dynamique 253, de sorte à permettre un échange de chaleur entre le fluide caloporteur et le matériau à changement de phase.
Le matériau à changement de phase permet de garantir une importante capacité de stockage de chaleur.
Il est ainsi apte à retirer une quantité déterminée de chaleur du fluide caloporteur 6 en mouvement à l'intérieur des canaux 254 et de refroidir ainsi ce dernier.
La quantité déterminée de chaleur, stockée à l'intérieur des canaux 252 au moyen du composant statique (matériau à changement de phase ), est disponible pour être utilisée, de façon différée, afin de chauffer le fluide caloporteur se déplaçant à l'intérieur des canaux 254. Ainsi, lorsque la température des cellules électriques 10 de la batterie 1 augmente brusquement, la température du fluide caloporteur augmente également et le matériau à changement de phase est apte à emmagasiner/absorber cette augmentation de température.
En cas de baisse brusque de la température des cellules électriques 10, le matériau à changement de phase est apte à restituer ou céder l'énergie thermique emmagasinée via le fluide caloporteur de sorte à maintenir la température des cellules électriques 10 à une valeur optimale.
Le matériau à changement de phase agit comme un réservoir d'énergie thermique. Le fluide caloporteur pilote par conduction les changements de phase du matériau stocké dans des canaux adjacents.
Initialement, à l'état solide, il emmagasine, sans changer d'état, l'énergie thermique. Lorsque la température du matériau à changement de phase atteint la température de fusion, le matériau à changement de phase passe à l'état liquide et la chaleur est alors stockée sous forme latente.
Lorsque la température du matériau à changement diminue jusqu'à la température de fusion, le matériau à changement de phase passe de l'état liquide à l'état solide.
La répartition entre le nombre de canaux 252 du circuit statique 251 et le nombre de canaux 254 du circuit dynamique 253 peut être modifiée.
En effet, selon la performance thermique globale souhaitée, il est possible de prévoir deux canaux 252 du circuit statique 251 entre deux canaux 254 du circuit dynamique 253, ou inversement.
Toute autre variante de répartition des canaux peut bien évidemment être envisagée sans diverger du principe général de l'invention.
Les figures 4A et 4B représentent des vues en coupe réalisées au niveau d'un collecteur 26 de l'échangeur thermique de la figure 3.
Le collecteur 26 de l'échangeur thermique 24 du deuxième type, comprend une tubulure 270 disposée en partie dans une goulotte en U 260 contres les parois intérieures de cette dernière, de sorte que la tubulure 270 et la goulotte 260 soient superposées, la tubulure 270 formant les bords extérieurs du collecteur 26.
La goulotte 260 et la tubulure 270 sont solidarisées par brasage afin d'assurer la fixation et l'étanchéité entre ces deux éléments.
L'espace ménagé entre le fond de la goulotte 260 et la tubulure 270 forme un réservoir 261 de stockage/réception du matériau à changement de phase.
Ce réservoir 261 fait partie du circuit statique 251.
L'espace ménagé au sein de la tubulure 270 forme un réservoir 271 de réception du fluide caloporteur.
Ce réservoir 271 fait partie du circuit dynamique 253.
Le fond de la goulotte 260 présente une pluralité de fentes 262 longitudinales qui sont disposées à intervalles réguliers le long de l'axe longitudinal de la goulotte 260.
La goulotte 260 présente un nombre de fentes 262 égale au nombre de tubes 25 mis en œuvre dans l'échangeur de chaleur 24.
Ces fentes 262 sont configurées pour permettre chacune le passage d'une extrémité d'un tube 25.
En d'autres termes, la largeur de la fente 262 est sensiblement égale à l'épaisseur du tube 25.
Comme cela est visible sur les figures 4A et 4B, les extrémités du tube 25 ne s'étendent pas dans un plan unique, mais sont crénelées.
Ainsi, les canaux 252 du circuit statique 251 présentent une longueur Ll inférieure à la longueur L2 des canaux 254 du circuit dynamique 253.
Cette forme particulière en créneau des extrémités du tube 25 est obtenue, dans cet exemple, par grugeage des extrémités des canaux 252 de stockage du matériau à changement de phase 7.
II est envisageable d'obtenir cette forme en créneau par usinage, par exemple. Cette différence de longueur entre les canaux 252 et 254 permet aux canaux 252 du circuit statique 251 de déboucher dans le premier réservoir 261 et aux canaux 254 du circuit dynamique 253 de déboucher dans le deuxième réservoir 271 du collecteur 26. Pour ce faire, la tubulure 270 présente, en son fond, une pluralité d'ouverture 272 configurées pour permettre le passage de l'extrémité des canaux 254 de circulation du fluide caloporteur 6.
L'assemblage des tubes 25 et canaux 252 dans les fentes 262 et les ouvertures 272 respectivement est effectué de sorte à assurer l'étanchéité entre le premier réservoir 261 et le deuxième réservoir 271 du collecteur 26.
Comme illustré sur les figures 3 et 4B, une première extrémité de chacun des collecteurs 26 de l'échangeur thermique 24 est fermée de façon étanche par une plaque, ou paroi, 28.
Cette paroi 28 présente une première portion 281 comprenant un épaulement
282, de forme correspondante à la section intérieure de la tubulure 270 de façon à obturer cette dernière.
La paroi 28 présente une deuxième portion 283 comprenant un épaulement 284, de forme correspondante à la section intérieure du réservoir 261, et une ouverture 285.
L'ouverture 285 est destinée à permettre le remplissage du réservoir 261 et des tubes 25 du circuit statique 251 en matériau à changement de phase.
Un bouchon 286 est prévu de manière à venir obturer l'ouverture 285 après remplissage du réservoir 261.
De façon similaire à l'échangeur thermique 21 du premier type, une extrémité du collecteur 26 de l'échangeur thermique 24 du deuxième type présente un élément de raccordement 4.
L'élément de raccordement 4 de l'échangeur 24 ne communique pas toutefois avec le réservoir 261 de matériau à changement de phase, mais uniquement avec le réservoir 271 de fluide caloporteur.
Le fluide caloporteur qui circule dans le circuit dynamique 253 agit tel un vecteur de calories, ou frigories, vers le matériau à changement de phase contenu dans le circuit statique 251 de l'échangeur thermique 24. Ainsi, la mise en œuvre, au sein d'un même conduit 25, d'un matériau à changement de phase 7 et d'un fluide caloporteur 6, permet à l'échangeur thermique 24 de présenter une réactivité thermique encore améliorée.
La forte réactivité thermique de l'échangeur 24 permet ainsi de mieux gérer/absorber les variations de températures des cellules électriques 10 de la batterie 1, ce qui permet de maintenir ces dernières à une température optimale.
Ainsi, les pics de températures des cellules électriques sont écrêtés et les performances de la batterie sont donc optimisées.
On note que le dispositif d'échange thermique 2 conforme à l'invention est apte à mettre en œuvre, selon les performances thermiques souhaitées :
uniquement des échangeurs thermiques 21 du premier type, c'est-à-dire ne comprenant qu'un circuit de circulation d'un fluide caloporteur ;
uniquement des échangeurs thermiques 24 du deuxième type, c'est-à- dire comprenant un circuit de circulation d'un fluide caloporteur et un circuit de stockage d'un matériau à changement de phase ;
une combinaison d'échangeurs thermiques 21 et 24 du premier et du deuxième type.
Le dispositif d'échange thermique 2 permet une répartition équilibrée du fluide caloporteur entre les échangeurs thermiques 21, 24, ce qui permet de réguler de façon optimale la température de toutes les cellules électriques constituant la batterie 1.
Par ailleurs, il peut être aisément adapté aux nombres de cellules électriques constituant la batterie.
En effet, il suffit simplement de changer l'entretoise de serrage 52 pour ajuster le dispositif d'échange thermique 2 au nombre de cellules électriques 10 de la batterie 1.
Selon une variante particulière, l'entretoise de serrage 52 présente des moyens de réglage permettant d'ajuster la longueur/taille de cette dernière.
Par exemple, il peut être prévu de mettre en œuvre une entretoise télescopique. Les entretoises de serrage 52 sont isolées électriquement, par exemple par anodisation, lorsqu'elles sont en aluminium.
En outre, les entretoises de serrage 52 sont, de préférence, suffisamment éloignées des cellules électriques 10 afin d'éviter tout contact électrique avec ces dernières.
Dans les modes de réalisation décrits, les échangeurs thermiques 21, 24 comprennent cinq tubes multicanaux 22, 25 de manière à proposer une circulation du fluide caloporteur 6 selon un circuit dit en « I ».
Dans une variante, il est possible de mettre en œuvre un nombre de tubes multicanaux 22, 25 permettant une circulation du fluide caloporteur 6 selon un circuit dit en « U ».
D'autres variantes de circuit de circulation de fluide caloporteur peuvent être proposées sans diverger du principe général de l'invention.
Par ailleurs, chaque échangeur thermique 21, 24 est, de préférence, anodisé afin d'assurer l'isolation électrique de l'échangeur par rapport aux cellules électriques 10 de la batterie 1.
Dans une variante, un intercalaire (non représenté) peut être disposé entre les tubes multicanaux 22, 25 des échangeurs 21, 24 et les cellules électriques 10.
Cet intercalaire, qui est par exemple du type "pad" en silicone et présentant une épaisseur comprise entre 1 et 3mm, permet d'améliorer le contact thermique et l'isolation électrique entre les tubes des échangeurs et les cellules électriques 10.
Cet intercalaire permet également d'assurer un contact optimal entre les tubes des échangeurs et les cellules électriques 10 puisqu'il permet d'absorber en partie les éventuelles déformations des cellules électriques 10.
Les moyens de serrage 5 sont aptes à fournir une force de compression sur l'empilement des cellules électriques 10 et des échangeurs thermiques 21, 24 de l'ordre de 0,5 à 2 bars.
Le fluide caloporteur mis en œuvre dans l'invention peut être un réfrigérant, c'est-à-dire un mélange d'eau et de gaz, ou bien un liquide de refroidissement, c'est-à- dire un mélange d'eau et de glycol. Le matériau à changement de phase présente, par exemple, une température de fusion comprise entre 20°C et 25°C, de préférence sur une plage de différence de température entre 5°C et 7°C.
Plus précisément, le matériau à changement de phase est choisi parmi des paraffines, des sels hydratés et des composés eutectiques.
Par ailleurs, les cellules électriques 10 formant la batterie 1 peuvent être du type cylindrique, prismatique ou en poche ("pouch cell" en anglais), par exemple.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'échange thermique (2) comprenant au moins un échangeur thermique (21, 24) présentant un conduit d'entrée (42E) de fluide caloporteur et un conduit de sortie (42S) de fluide caloporteur,
caractérisé en ce que ledit conduit d'entrée (42E) de fluide caloporteur et ledit conduit de sortie (42S) de fluide caloporteur dudit au moins un échangeur thermique (21, 24) sont configurés pour coopérer de façon réversible respectivement avec les conduits d'entrée (42E) et de sortie (42S) de fluide caloporteur d'au moins un autre échangeur thermique (21, 24) dudit dispositif d'échange thermique (2).
2. Dispositif d'échange thermique (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque conduit d'entrée (42E) et de sortie (42S) d'un échangeur thermique (21, 24) présente une partie mâle (422E, 422S) et une partie femelle (421E, 421S), ladite partie mâle (422E) dudit conduit d'entrée (42E) étant destinée à coopérer de façon réversible avec la partie femelle (421E) du conduit d'entrée (42E) d'au moins un autre échangeur thermique (21, 24) adjacent, et ladite partie mâle (422S) dudit conduit de sortie (42S) étant destinée à coopérer de façon réversible avec la partie femelle (421S) du conduit de sortie (42S) d'au moins un autre échangeur thermique (21, 24) adjacent.
3. Dispositif d'échange thermique (2) selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie mâle (422E, 422S) et la partie femelle (421E, 421S) d'un conduit (42E, 42S) présentent chacun une section circulaire.
4. Dispositif d'échange thermique (2) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le diamètre extérieur de la partie mâle (422E, 422S) est sensiblement égal au diamètre intérieur de ladite partie femelle (421E, 421S).
5. Dispositif d'échange thermique (2) selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la jonction entre la partie mâle (422E, 422S) et la partie femelle (421E, 421S) des conduits d'entrée (42e) et de sortie (42S) forme une butée.
6. Dispositif d'échange thermique (2) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le conduit d'entrée (42E) et le conduit de sortie (42S) de fluide caloporteur dudit au moins un échangeur thermique (21, 24) sont disposés de manière diagonalement opposée sur ledit échangeur thermique (21, 24).
7. Dispositif d'échange thermique (2) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'au moins un desdits échangeurs thermiques (21, 24) comporte au moins un tube (22, 25) comprenant une pluralité de canaux dont chacune des extrémités est reliée à un collecteur (23, 26), au moins une partie desdits canaux (220, 254) étant destinée à la circulation d'un fluide caloporteur (6).
8. Dispositif d'échange thermique (2) selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une autre partie desdits canaux (252) est destinée au stockage d'un matériau à changement de phase (7).
9. Dispositif d'échange thermique (2) selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que le conduit d'entrée (42E) et le conduit de sortie (42S) s'étendent perpendiculairement auxdits collecteurs (23, 26).
10. Ensemble d'alimentation électrique (E) comprenant un dispositif d'échange thermique (2) selon l'une des revendications 1 à 9 et au moins une cellule de stockage d'énergie électrique (10) disposée entre deux échangeurs thermiques (21, 24) dudit dispositif (2).
11. Ensemble d'alimentation électrique (E) selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de compression/serrage (5) desdits échangeurs thermiques (21, 24) contre ladite au moins une cellule de stockage d'énergie électrique (10).
12. Ensemble d'alimentation électrique (E) selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de compression/serrage (5) comprennent deux plaques de serrage (51) entre lesquelles sont disposés lesdits au moins deux échangeurs thermiques (21, 24) et ladite au moins une cellule de stockage d'énergie électrique (10)
13. Ensemble d'alimentation électrique (E) selon la revendication 12, caractérisé en ce que chaque plaque de serrage (51) porte au moins une barrette déformable (53) sur sa face orientée vers un desdits échangeurs thermiques (21, 24), dit échangeur thermique (21, 24) adjacent.
14. Ensemble d'alimentation électrique (E) selon la revendication 13, caractérisé en ce que ladite au moins une barrette déformable (53) est formée de plusieurs portions (531) articulées entre elles.
15. Ensemble d'alimentation électrique (E) selon la revendication 14, caractérisé en ce que chaque portion (531) porte un ressort (534) destiné à plaquer ladite barrette déformable (53) contre l'échangeur thermique (21, 24) adjacent.
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