WO2018206894A1 - Dispositif de régulation thermique de cellules de stockage d'énergie électrique de type cylindrique - Google Patents

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tubes
heat exchanger
thermal regulation
cells
electric
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Thibaut PERRIN
Mohamed Ibrahimi
Fethy DJALLAL
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Valeo Systemes Thermiques
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Definitions

  • the invention relates to the field of thermal regulation of batteries.
  • the invention relates to the field of thermal regulation devices for batteries consisting of several electrical energy storage cells interconnected.
  • the invention is particularly applicable to cylindrical type electrical energy storage cells.
  • a battery (battery-pack) is - particularly in the case of electric or hybrid vehicles - generally composed of electric energy storage cells, hereinafter called electrical cells, generally cylindrical, which are juxtaposed and connected between they in a protective case.
  • 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.
  • Such a thermal regulation device comprises in particular a heat exchanger delimiting a circulation circuit of a heat transfer fluid, placed in contact or positioned near the battery cells.
  • the heat exchanger forms a flat surface called "seat plate” on which are positioned the electric cells.
  • the disadvantage of this solution lies in the fact that the electric cells are cooled only via their contact surface with the plate.
  • This first solution therefore has poor performance in terms of thermal regulation.
  • the heat exchanger comprises a base plate and conductive elements extending perpendicular to the plate and connected to each other (for example by screwing, gluing, brazing, etc.).
  • a third solution uses corrugated tubes, inside which circulates a coolant, and whose corrugations closely follow the cylindrical outer shape of electric cells when the tube is brought into contact with a series of cylindrical electric cells. juxtaposed.
  • This type of heat exchanger thus provides an increased contact surface with the cylindrical electric cells of the battery.
  • corrugated tubes are conventionally manufactured by extrusion, and the height of the heat exchange tubes that can be obtained by this manufacturing process is limited. This type of heat exchanger is therefore not suitable for large electric cells that would require, for optimum efficiency, the heat exchange tubes cover the entire height of the cells. There is therefore a need to provide a corrugated tube heat exchanger which is perfectly adapted to the current shapes and dimensions of cylindrical battery electric cells, so as to ensure an optimized contact surface and heat exchange with each of the cells of the battery. drums.
  • the invention proposes a thermal regulation device for cylindrical type electrical energy storage cells, the device comprising a heat exchanger delimiting a heat transfer fluid circulation circuit, said heat exchanger comprising a plurality of circulation tubes. of heat transfer fluid having corrugations.
  • said heat exchanger comprises several stages of tubes intended to be arranged along the height of said cylindrical type electrical energy storage cells.
  • said tubes are connected to heat transfer fluid inlet and outlet manifolds.
  • the collectors make it possible to distribute the heat transfer fluid inside the tubes and to optimize its circulation within the heat exchanger.
  • the height of said tubes is at most 80 mm, preferably at most 60 mm.
  • the width of said tubes is at least
  • the thickness of said tubes is between 2 mm and 4 mm.
  • the radius of curvature of the corrugations of said tubes is between 0.5 mm and 500 mm.
  • the radius of curvature of the corrugations is chosen as a function of the external radius of the electric cells to be thermally regulated, so that each tube of the heat exchanger closely matches the shape of the cells, in order to optimize the heat exchange. .
  • the spacing between the tubes is at least 2 mm.
  • the spacing is preferably minimal so as to thermally regulate the electric cells homogeneously over their entire height.
  • said coolant circulation circuit delimited by said heat exchanger forms a U.
  • said coolant circulation circuit delimited by said heat exchanger forms an external U communicating with an internal U nested inside the outer U.
  • the thermal regulation device comprises a thermal interface material, preferably an electrical insulator, between said tubes and said electric cells.
  • this thermal interface material makes it possible on the one hand to absorb the geometric dispersions of the electric cells, linked for example to their external shape (outer radius), to the swelling of the electric cells during their life phase, and / or a defect in positioning), and secondly to absorb dispersions geometrical heat exchanger, for example related to the shape and in particular to the radius of the corrugations, or even defects flatness or straightness of the coolant circulation tubes.
  • the invention also relates to a battery module comprising at least one row of cylindrical type electric cells and a thermal regulation device as described above, the tube stages of said thermal regulation device being arranged along the height of said electric cells. each of said electric cells being in contact with a corresponding undulation of said tubes on a contact angle whose apex is the center of said electric cell.
  • FIGS. 1 to 7 show a thermal regulation device according to the invention in which the device comprises two stages of tubes:
  • Figure 1 is a perspective view of a thermal control device according to a first embodiment, when it is brought into contact with electrical cells;
  • Figure 2 is a sectional view of a tube of the device, according to section A-A of Figure 1;
  • Figure 3 is a top view of the thermal control device of Figure 1, when it is brought into contact with electrical cells;
  • FIG. 6 a second one-pass heat transfer fluid circulation circuit forming an "I" in the device, the inlet and the outlet of the heat transfer fluid being located in an upper part of the collectors;
  • Figure 7 a third two-pass heat transfer fluid circulation circuit, forming a "U", in the device.
  • FIGS. 8 to 10 show another thermal regulation device according to the invention in which the device comprises four stages of tubes: FIG. 8 represents a first four-pass alternating fluid circulation circuit in the device; each pass operating in a tube and then in the tube directly higher;
  • FIG. 9 shows a second, two-pass, U-shaped fluid circulation circuit in the device, each pass operating in two tubes simultaneously;
  • FIG. 10 shows a third four-pass fluid circulation circuit in the device, the first two passes forming an outer U, and the two following an inner U located inside the outer U.
  • FIGS. 11 and 12 illustrate a thermal regulation device according to the invention in which a thermal interface material is interposed between the outer surface of the tubes of the device and the electric cells:
  • Figure 11 is a perspective view of the device when in contact with the electric cells
  • Figure 12 is a top view of Figure 11.
  • Figure 13 is a schematic detail view showing several electric cells which are positioned on either side of a corrugation of a tube of the heat exchanger.
  • the invention therefore proposes to optimize the architecture of thermal control devices of cylindrical electric cells which have for example a circular section (it is then an electric cell in the form of a right circular cylinder) or a oval section.
  • the thermal control device of the invention comprises a heat exchanger which comprises a plurality of corrugated tubes, in which circulates a coolant, the tubes being distributed in several stages intended to be arranged along the height of the cells cylindrical type electric.
  • corrugated tubes are placed one above the other, or stacked, so as to come into contact with all (or almost all) of the height of the electric cells.
  • Heat exchanges between each of the electric cells and the heat transfer fluid circulating in the heat exchanger can thus take place over the entire height of the cells, thus optimizing the thermal regulation, and in particular the cooling, of the electric cells of the battery.
  • FIG. 1 illustrates a first embodiment of the thermal regulation device of the invention.
  • the tubes 11, 12 are multi-channel tubes.
  • the length X is chosen to be adapted to the length of the row of cells 20.
  • the height L of the tubes may be between 10 mm and 80 mm depending on the heat dissipation requirements, and is preferably between 20 mm and 60 mm.
  • the height Y of the thermal regulation device 10 corresponds substantially to the height Z of the electric cells 20.
  • the radius of each corrugation 16 can thus vary from 0.5 to 500 mm depending on various parameters, such as the type of electric cell used, the outer radius of the electric cell, the need for heat dissipation and the technical feasibility.
  • the geometric characteristics of the tubes can be adapted to the geometry of the electric cells 20 - and in particular their height, their diameter and their general shape - as well as among these electric cells and their arrangement.
  • the thermal control device of the invention has a modular character, so that it can be easily adapted to the different needs of car manufacturers.
  • this architecture makes it possible to reduce the total weight of the thermal regulation device compared to currently existing solutions.
  • the collector elements 13, 14, connecting the ends of the tubes 11, 12, have the function of collecting and distributing the heat transfer fluid in the tubes.
  • the inlet E and the outlet S of the coolant can, depending on the space available, be located on the same collector element 13, 14, as illustrated in FIG. Figure 7, or on opposite collector elements placed at the ends of the tubes, as illustrated in Figures 5 and 6.
  • the collectors can be equipped with partitions (not shown).
  • These partitions may, for example, to direct the heat transfer fluid to the heat exchanger areas in which a greater heat exchange with the electric cells is necessary, and optimize the circulation of heat transfer fluid.
  • FIGS. 5 to 7 thus represent different refrigerant circulation configurations.
  • the circulation is "I", that is to say that the heat transfer fluid enters through a first collector element 13, passes simultaneously through the two tubes 11, 12 over their entire length, and emerges by a second collector element 14.
  • the heat transfer fluid does not undergo a major directional variation, passing through the tubes in a single pass.
  • the circulation is also "in I", but the inlet E and the outlet S of the coolant are made from the top of the collectors and no longer at their center, as is the case in the configuration illustrated in Figure 5.
  • This configuration is, for example, adapted to higher electric cells, and requiring significant heat dissipation.
  • the inlet E and the outlet S of the fluid in the heat exchanger takes place within the same manifold 116.
  • the heat-transfer fluid thus enters a first collector 116 and passes through its length a first tube 114 situated on an outer edge of the heat exchanger (in the drawings, the fluid passes through the tube intended to to come into contact with the base of the electric cells, but could as well pass through the tube located at the top of the electric cells).
  • the collector 115 serves as a return, and allows the heat transfer fluid to make a half-turn in the tube 113 above the tube 114, which it passes through in turn.
  • the coolant is returned by the manifold 116 into the tube 112 above the tube 113, then, after having passed through, is returned to the tube 111 located above the tube 112 so as to join the collector 116 from where he can go out.
  • the heat transfer fluid passes through the heat exchanger in four successive passes, the heat transfer fluid changing direction of flow in each tube 111, 112, 113, 114.
  • the heat transfer fluid passes through the exchanger in two passes, simultaneously flowing in the two upper tubes 114, 115 in a first direction, then in the two lower tubes 111, 112 in a second direction opposite to the first sense.
  • the fluid thus passes through the exchanger in four successive passes by first forming an external "U” circuit during the first two passes, then an internal "U” circuit located inside the outer U, during the next two passes.
  • the invention is in no way limited to the exemplary circulation configurations illustrated in the figures.
  • the circulation could also, according to this second embodiment of the invention, be "I", that is to say in a single pass, the inlet E and the outlet S of the fluid s' operating respectively on one of the two collectors located at the opposite ends of the corrugated tubes.
  • the collectors 13, 14 can be made from metal, plastic, rubber or a composite material.
  • the assembly between the collectors 13, 14 and the tubes 11, 12 can be made by brazing, welding, bonding in particular.
  • the invention provides for a thermal interface material 30 is interposed between the electrical cells 20 and the tubes 11, 12 of the heat exchanger.
  • This material is preferably made of a single layer which may optionally have thermal insulation or thermal conduction properties, depending on the needs.
  • This layer may consist of paint, grease, a "pad” heat, gel, rubber, plastic or foam.
  • FIG. 13 is a diagrammatic view of detail showing several electric cells 20 which are positioned on either side of a corrugation 16 of a tube of the heat exchanger, and in thermal (and possibly mechanical) contact with the corrugation 16).
  • a contact angle "a" is defined between each of the electric cells 20 and a corrugation 16 of the tube whose apex is the center of the electric cell (the upper electric cell in Figure 13), and the sides are the straight lines passing through the center of the electric cell 20 and the two extreme contact points between the outer surface of the electric cell 20 and the surface of the corrugation 16.
  • This contact angle "a” is between 0 ° and 180 °, and preferably between 0 ° and 60 °.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif (10) de régulation thermique de cellules de stockage d'énergie électrique (20) de type cylindrique, le dispositif (10) comprenant un échangeur thermique délimitant un circuit de circulation de fluide caloporteur, ledit échangeur thermique comprenant une pluralité de tubes (11, 12, 111, 12, 113, 114) de circulation de fluide caloporteur présentant des ondulations (16). Selon l'invention, ledit échangeur thermique comprend plusieurs étages de tubes (11, 12, 111, 112, 113, 114) destinés à être agencés le long de la hauteur (Z) desdites cellules de stockage d'énergie électrique (20) de type cylindrique.

Description

Dispositif de régulation thermique de cellules de stockage d'énergie électrique de type cylindrique
1. Domaine de l'invention
L'invention se rapporte au domaine de la régulation thermique des batteries.
Plus précisément, l'invention se rapporte au domaine des dispositifs de régulation thermique pour les batteries constituées de plusieurs cellules de stockage d'énergie électrique reliées entre elles.
L'invention s'applique tout particulièrement aux cellules de stockage d'énergie électrique de type cylindrique.
L'invention peut s'appliquer, par exemple, aux batteries équipant un véhicule automobile dont la propulsion est fournie en tout ou partie par une motorisation électrique, ou bien un bâtiment d'habitation, du secteur tertiaire ou industriel.
2. Art antérieur
Une batterie (« battery-pack » en anglais) est - notamment dans le cas des véhicules électriques ou hybrides - généralement composée de cellules de stockage d'énergie électrique, ci-après appelées cellules électriques, généralement cylindriques, qui sont juxtaposées et reliées entre elles dans un boîtier de protection.
La régulation thermique de ces cellules électriques 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.
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.
Un tel dispositif de régulation thermique comprend notamment un échangeur thermique délimitant un circuit de circulation d'un fluide caloporteur, mis en contact ou positionné à proximité des cellules électriques de la batterie.
Selon une première solution, l'échangeur de thermique forme une surface plane dite « plaque d'assise » sur laquelle sont positionnées les cellules électriques. L'inconvénient de cette solution réside dans le fait que les cellules électriques ne sont refroidies que par l'intermédiaire de leur surface de contact avec la plaque.
Cette première solution présente par conséquent de faibles performances en termes de régulation thermique.
Selon une seconde solution, l'échangeur thermique comprend une plaque d'assise et des éléments conducteurs s'étendant perpendiculairement à la plaque et connectés entre eux (par exemple par vissage, collage, brasage, etc.).
Les cellules électriques sont positionnées sur la plaque et sont entourées par les éléments conducteurs.
Ainsi, les cellules électriques sont régulées thermiquement par le fluide caloporteur circulant dans la plaque d'assise et, par conduction, par les éléments conducteurs.
Une telle solution ne permet pas de refroidir de manière optimale l'ensemble des cellules électriques formant la batterie puisque les cellules situées au centre de l'empilement ne sont pas en contact avec les éléments conducteurs entourant les cellules électriques.
La structure d'un tel échangeur thermique est, par ailleurs, relativement complexe.
Une troisième solution met en œuvre des tubes ondulés, à l'intérieur desquels circule un fluide caloporteur, et dont les ondulations épousent au plus près la forme extérieure cylindrique de cellules électriques lorsque le tube est mis au contact d'une série de cellules électriques cylindriques juxtaposées.
Ce type d'échangeur thermique offre ainsi une surface de contact augmentée avec les cellules électriques cylindriques de la batterie.
Toutefois, les tubes ondulés sont classiquement fabriqués par extrusion, et la hauteur des tubes d'échange thermique pouvant être obtenue par ce procédé de fabrication est limitée. Ce type d'échangeur thermique n'est donc pas adapté à des cellules électriques de grande taille qui nécessiteraient, pour une efficacité optimale, que les tubes d'échange thermique couvrent la totalité de la hauteur des cellules. Il existe donc un besoin de proposer un échangeur de chaleur à tubes ondulés qui soit parfaitement adapté aux formes et dimensions actuelles des cellules électriques cylindriques de batteries, de façon à garantir une surface de contact et un échange de chaleur optimisés avec chacune des cellules de la batterie.
3. Résumé de l'invention
A cet effet, l'invention propose un dispositif de régulation thermique de cellules de stockage d'énergie électrique de type cylindrique, le dispositif comprenant un échangeur thermique délimitant un circuit de circulation de fluide caloporteur, ledit échangeur thermique comprenant une pluralité de tubes de circulation de fluide caloporteur présentant des ondulations.
Selon l'invention, ledit échangeur thermique comprend plusieurs étages de tubes destinés à être agencés le long de la hauteur desdites cellules de stockage d'énergie électrique de type cylindrique.
Ainsi, les tubes ondulés de l'échangeur thermique sont répartis sur la hauteur des cellules électriques et serpentent entre ces dernières, les ondulations des tubes étant adaptées à la forme des cellules électriques et le nombre d'étages de tubes étant fonction de la hauteur des cellules électriques.
Les échanges thermiques entre le fluide caloporteur circulant dans les tubes et les cellules électriques peuvent prendre place sur la totalité (ou quasi-totalité) de la hauteur des cellules électriques, ce qui permet une optimisation de la surface d'échange et une régulation thermique (et notamment de refroidir) les cellules électriques plus efficace.
L'invention permet une modularité des architectures selon la dimension, le nombre et l'agencement des cellules électriques cylindriques constituant la batterie.
Le dispositif de régulation thermique conforme à l'invention assure les fonctions de chauffage et de refroidissement des cellules électriques de la batterie.
Selon un aspect particulier de l'invention, lesdits tubes sont reliés à des collecteurs d'entrée et de sortie de fluide caloporteur. Les collecteurs permettent de répartir le fluide caloporteur à l'intérieur des tubes et d'optimiser sa circulation au sein de l'échangeur thermique.
Selon un aspect particulier de l'invention, la hauteur desdits tubes est d'au plus 80 mm, de préférence au plus 60 mm.
Selon un aspect particulier de l'invention, la largeur desdits tubes est d'au moins
10 mm, de préférence au moins 20 mm.
Selon un aspect particulier de l'invention, l'épaisseur desdits tubes est comprise entre 2 mm et 4 mm.
Selon un aspect particulier de l'invention, le rayon de courbure des ondulations desdits tubes est compris entre 0,5 mm et 500 mm.
Le rayon de courbure des ondulations est choisi en fonction du rayon externe des cellules électriques à réguler thermiquement, de façon à ce que chaque tube de l'échangeur thermique épouse au mieux la forme des cellules, dans le but d'optimiser l'échange thermique.
Selon un aspect particulier de l'invention, l'espacement entre les tubes est d'au moins 2 mm.
L'espacement est de préférence minime de sorte à réguler thermiquement les cellules électriques de façon homogène sur toute leur hauteur.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit circuit de circulation de fluide caloporteur délimité par ledit échangeur thermique forme un U.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit circuit de circulation de fluide caloporteur délimité par ledit échangeur thermique forme un U externe communiquant avec un U interne imbriqué à l'intérieur du U externe.
Selon un aspect particulier de l'invention, le dispositif de régulation thermique comprend un matériau d'interface thermique, de préférence un isolant électrique, entre lesdits tubes et lesdites cellules électriques.
L'utilisation de ce matériau d'interface thermique permet d'une part d'absorber les dispersions géométriques des cellules électriques, liées par exemple à leur forme extérieure (rayon externe), au gonflement des cellules électriques durant leur phase de vie, et/ou à un défaut de positionnement), et d'autre part d'absorber les dispersions géométriques de l'échangeur thermique, liées par exemple à la forme et en particulier au rayon des ondulations, ou encore à des défauts de planéité ou de rectitude des tubes de circulation de fluide caloporteur.
L'invention concerne également un module de batterie comprenant au moins une rangée de cellules électriques de type cylindrique et un dispositif de régulation thermique tel que décrit précédemment, les étages de tubes dudit dispositif de régulation thermique étant agencés le long de la hauteur desdites cellules électriques, chacune desdites cellules électriques étant en contact avec une ondulation correspondante desdits tubes sur un angle de contact dont le sommet est le centre de ladite cellule électrique.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit angle de contact est compris entre 0° et 180°, et de préférence entre 0° et 60°.
4. Figures
D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée suivante de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés, parmi lesquels :
Les figures 1 à 7 représentent un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention dans lequel le dispositif comprend deux étages de tubes :
la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif de régulation thermique selon un premier mode de réalisation, lorsqu'il est mis en contact avec des cellules électriques ;
la figure 2 est une vue en coupe d'un tube du dispositif, selon la coupe A-A de la figure 1 ;
la figure 3 est une vue de dessus du dispositif de régulation thermique de la figure 1, lorsqu'il est mis en contact avec des cellules électriques ;
la figure 4 est une vue de dessus, partielle, du dispositif de régulation thermique de la figure 1, seul ; la figure 5 représente un premier circuit de circulation de fluide caloporteur à une passe, formant un « I », dans le dispositif, l'entrée et la sortie du fluide caloporteur étant localisées dans une partie centrale des collecteurs ;
la figure 6 un second circuit de circulation de fluide caloporteur à une passe, formant un « I », dans le dispositif, l'entrée et la sortie du fluide caloporteur étant localisées dans une partie haute des collecteurs;
la figure 7 un troisième circuit de circulation de fluide caloporteur à deux passes, formant un « U », dans le dispositif.
Les figures 8 à 10 représentent un autre dispositif de régulation thermique conforme à l'invention dans lequel le dispositif comprend quatre étages de tubes : la figure 8 représente un premier circuit de circulation de fluide, à quatre passes à sens alterné, dans le dispositif, chaque passe opérant dans un tube puis dans le tube directement supérieur ;
la figure 9 représente un second circuit de circulation de fluide, à deux passes, en U, dans le dispositif, chaque passe opérant dans deux tubes simultanément ;
la figure 10 représente un troisième circuit de circulation de fluide, à quatre passes, dans le dispositif, les deux premières passes formant un U externe et les deux suivantes un U interne situé à l'intérieur du U externe.
Les figures 11 et 12 illustrent un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention dans lequel un matériau d'interface thermique est intercalé entre la surface externe des tubes du dispositif et les cellules électriques :
la figure 11 est une vue en perspective du dispositif lorsqu'il est en contact des cellules électriques ;
la figure 12 est une vue de dessus de la figure 11.
La figure 13 est une vue schématique de détail montrant plusieurs cellules électriques qui sont positionnées de part et d'autre d'une ondulation d'un tube de l'échangeur thermique.
5. Description détaillée
5.1 Principe général de l'invention L'invention propose donc d'optimiser l'architecture des dispositifs de régulation thermique de cellules électriques cylindriques qui présentent par exemple une section circulaire (il s'agit alors d'une cellule électrique prenant la forme d'un cylindre circulaire droit) ou une section ovale.
Pour ce faire, le dispositif de régulation thermique de l'invention comprend un échangeur thermique qui comporte une pluralité de tubes ondulés, dans lesquels circule un fluide caloporteur, les tubes étant répartis en plusieurs étages destinés à être agencés le long de la hauteur des cellules électriques de type cylindrique.
Autrement dit, plusieurs tubes ondulés sont placés les uns au dessus des autres, ou empilés, de manière à entrer en contact avec la totalité (ou la quasi-totalité) de la hauteur des cellules électriques.
Les échanges thermiques entre chacune des cellules électriques et le fluide caloporteur circulant dans l'échangeur thermique peut ainsi avoir lieu sur toute la hauteur des cellules, optimisant ainsi la régulation thermique, et notamment le refroidissement, des cellules électriques de la batterie.
5.2 Description de plusieurs modes de réalisation de l'invention
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 premier mode de réalisation du dispositif de régulation thermique de l'invention.
Le dispositif 10 de régulation thermique comprend un échangeur thermique formé de deux tubes ondulés 11, 12, disposés l'un au dessus de l'autre et dont les extrémités sont reliées entre elles par des éléments collecteurs 13, 14.
Le dispositif 10 est représenté en position d'utilisation, c'est-à-dire les tubes 11, 12 étant mis au contact de la surface externe de cellules électriques 20 cylindriques.
Plus précisément, les tubes 11, 12 ondulent ou serpentent entre deux séries de cellules électriques 20 disposées en parallèle et en quinconce, de façon que chacune des faces des tubes soit au contact d'une série de cellules électriques 20. Bien que le dispositif 10 de régulation thermique soit représenté avec deux tubes 11, 12, le nombre de tubes pourra être adapté le cas échéant en fonction de la hauteur des cellules électriques 20.
Par exemple, quatre tubes pourront être nécessaires comme illustré sur les figures 8 à 10.
Par ailleurs, il est également possible de superposer des tubes de dimensions différentes.
Plusieurs rangées de ces étages de tubes pourront également être prévues pour réguler thermiquement un ensemble de cellules électriques 20.
Les principales dimensions du dispositif et de ses éléments admises dans le cadre de l'invention sont présentées à suivre.
L'échangeur thermique présente une longueur X et une hauteur totale Y (ne prenant pas en compte les embouchures des collecteurs 13, 14) (figure 1), tandis que les tubes 11, 12 - pris individuellement - présentent une longueur X, une hauteur L et une épaisseur H (figure 2).
Comme cela est visible sur la figure 2, les tubes 11, 12 sont des tubes multi- canaux.
La longueur X est choisie de façon à être adaptée à la longueur de la rangée de cellules 20.
La hauteur L des tubes peut être comprise entre 10 mm et 80 mm selon les besoins de dissipation thermique, et est de préférence comprise entre 20 mm et 60 mm.
L'épaisseur H des tubes peut être comprise entre 2 mm et 4 mm, cette valeur étant choisie en fonction de plusieurs paramètres comme le type de fluide caloporteur mis en circulation à l'intérieur du tube, les pressions de fonctionnement et la perte de charge souhaitée.
Lorsqu'ils sont superposés, les deux tubes 11, 12 sont espacés d'un intervalle W qui est, pour des raisons de faisabilité et de robustesse de l'échangeur, supérieur à 2 mm. La hauteur totale Y du dispositif 10 de régulation thermique correspond alors sensiblement à la somme de la hauteur L des tubes et à l'intervalle W, et est donc fonction du nombre de tubes utilisés.
Lorsque l'échangeur thermique est mis en contact avec les cellules électriques 20, la hauteur Y du dispositif 10 de régulation thermique correspond sensiblement à la hauteur Z des cellules électriques 20.
Comme illustré plus précisément sur la figure 4, les tubes 11, 12 présentent des ondulations 16 qui sont formées de manière à épouser au maximum la forme extérieure des cellules électriques 20 cylindriques.
Le rayon de chaque ondulation 16 peut ainsi varier de 0,5 à 500 mm en fonction de divers paramètres, comme le type de cellule électrique utilisé, le rayon externe de la cellule électrique, le besoin de dissipation thermique et la faisabilité technique.
Comme visible sur les figures 1 et 3, les deux faces des tubes 11, 12 présentent des ondulations 16, et sont ainsi utilisées pour entrer en contact avec les cellules électriques 20 et les réguler thermiquement (notamment les refroidir).
Les caractéristiques géométriques des tubes (hauteur L, longueur X, épaisseur H, rayon et fréquence d'ondulation, etc.) pourront être adaptées à la géométrie des cellules électriques 20 - et notamment leur hauteur, leur diamètre et leur forme générale - ainsi qu'au nombre de ces cellules électriques et à leur agencement.
Ainsi, le dispositif de régulation thermique de l'invention présente un caractère modulaire, de sorte qu'il peut être aisément adapté aux différents besoins des constructeurs automobiles.
Outre les avantages déjà mentionnés, cette architecture permet de réduire le poids total du dispositif de régulation thermique par rapport aux solutions actuellement existantes.
Les éléments collecteurs 13, 14, reliant les extrémités des tubes 11, 12, ont pour fonction de collecter et de répartir le fluide caloporteur dans les tubes.
L'entrée E et la sortie S du fluide caloporteur pourront, selon l'encombrement disponible, être localisées sur un même élément collecteur 13, 14, comme illustré sur la figure 7, ou sur des éléments collecteurs opposés placés aux extrémités des tubes, comme illustré sur les figures 5 et 6.
Les collecteurs peuvent être équipés de cloisons (non représentées).
Ces cloisons pourront, par exemple, permettre de diriger le fluide caloporteur vers les zones de l'échangeur thermique dans lesquelles un échange thermique plus important avec les cellules électriques est nécessaire, et d'optimiser par conséquent la circulation du fluide caloporteur.
Les figures 5 à 7 représentent ainsi différentes configurations de circulation du fluide réfrigérant.
Selon une première configuration (figure 5), la circulation se fait « en I », c'est-à- dire que le fluide caloporteur entre par un premier élément collecteur 13, traverse simultanément les deux tubes 11, 12 sur toute leur longueur, et ressort par un deuxième élément collecteur 14.
Le fluide caloporteur ne subit pas de variation de direction majeure, traversant les tubes en une seule passe.
Selon une seconde configuration (figure 6), la circulation est également « en I », mais l'entrée E et la sortie S du fluide caloporteur se font par le haut des collecteurs et non plus en leur centre, comme c'est le cas dans la configuration illustrée sur la figure 5.
Enfin, selon une troisième configuration (figure 7), la circulation se fait « en U », c'est-à-dire que le fluide entre par le haut du premier élément collecteur 13, traverse un premier tube 11 sur toute sa longueur, est renvoyé par le deuxième collecteur 14 vers le second tube 12 qu'il traverse également sur toute sa longueur, et ressort par le bas du premier élément collecteur 13.
Dans ce cas, le second collecteur 14 de retournement permet au fluide caloporteur de faire demi-tour, de façon que celui-ci circule selon des directions opposées dans les premier et second tubes 11, 12 respectivement.
Ainsi, le fluide caloporteur traverse l'échangeur thermique en deux passes successives, de sens opposé. Les figures 8 à 10 illustrent un second mode de réalisation dans lequel l'échangeur thermique comprend quatre étages de tubes ondulés, c'est-à-dire quatre tubes 111, 112, 113, 114 positionnés les uns au dessus des autres.
Cette configuration est, par exemple, adaptée à des cellules électriques plus hautes, et nécessitant une dissipation thermique importante.
Les quatre tubes 111, 112, 113, 114 sont reliés à leurs extrémités respectives par des collecteurs 115, 116 assurant la répartition du fluide caloporteur au sein des tubes.
Dans les trois configurations de circulation illustrées, l'entrée E et la sortie S du fluide dans l'échangeur thermique a lieu au sein du même collecteur 116.
Selon une première configuration (figure 8), le fluide caloporteur entre ainsi par un premier collecteur 116 et traverse dans sa longueur un premier tube 114 situé sur un bord extérieur de l'échangeur thermique (sur les dessins, le fluide passe par le tube destiné à entrer en contact avec la base des cellules électriques, mais pourrait aussi bien passer par le tube situé tout en haut des cellules électriques).
Le collecteur 115 sert de renvoi, et permet au fluide caloporteur d'effectuer un demi-tour dans le tube 113 situé au-dessus du tube 114, qu'il traverse à son tour.
Puis, le fluide caloporteur est renvoyé par le collecteur 116 dans le tube 112 situé au-dessus du tube 113, puis, après l'avoir traversé, est renvoyé dans le tube 111 situé au-dessus du tube 112 de façon à rejoindre le collecteur 116 d'où il peut sortir.
Ainsi, le fluide caloporteur traverse l'échangeur thermique en quatre passes successives, le fluide caloporteur changeant de sens de circulation dans chaque tube 111, 112, 113, 114.
Selon une deuxième configuration (figure 9), le fluide caloporteur traverse l'échangeur en deux passes, circulant simultanément dans les deux tubes 114, 115 supérieurs dans un premier sens, puis dans les deux tubes 111, 112 inférieurs dans un second sens opposé au premier sens.
Enfin, selon une troisième configuration (figure 10), le fluide caloporteur entre par le premier collecteur 116 et traverse dans sa longueur le premier tube 114 situé sur un bord extérieur de l'échangeur thermique, en bas, puis est renvoyé dans le tube 111 opposé, situé sur l'autre bord extérieur de l'échangeur, en haut, par le biais d'une tubulure dite de "by-pass".
Après l'avoir traversé, il est renvoyé via le collecteur 116 dans le tube 112 immédiatement inférieur au tube 111, puis via le collecteur 115 dans le tube 113 immédiatement inférieur au tube 112.
Dans cette configuration, le fluide traverse ainsi l'échangeur en quatre passes successives en formant d'abord un circuit « en U » externe lors des deux premières passes, puis un circuit « en U » interne situé à l'intérieur du U externe, lors des deux passes suivantes.
Ici aussi, le fluide change de sens de circulation au passage de chaque tube 111, 112, 113, 114.
L'invention n'est nullement limitée aux exemples de configurations de circulation illustrés sur les figures.
Par exemple, la circulation pourrait également, selon ce second mode de réalisation de l'invention, se faire « en I », c'est-à-dire en une seule passe, l'entrée E et la sortie S du fluide s'opérant respectivement sur un des deux collecteurs situés aux extrémités opposées des tubes ondulés.
Dans les deux modes de réalisation présentés, les collecteurs 13, 14 peuvent être fabriqués à partir de métal, de plastique, de caoutchouc ou encore d'un matériau composite.
Les tubes 11, 12 sont quant à eux réalisés à partir d'un métal présentant de bonnes propriétés de conduction thermique.
Leur forme générale est obtenue par extrusion, pliage, injection, usinage, fonderie, et les ondulations réalisées par emboutissage ou formage.
L'assemblage entre les collecteurs 13, 14 et les tubes 11, 12 peut être réalisé par brasage, soudure, collage notamment.
Le fluide caloporteur, ou fluide réfrigérant, circulant dans l'échangeur thermique est de préférence un liquide (par exemple de l'éthylène glycol), un gaz ou encore un fluide diphasique. Il a été décrit un dispositif de régulation thermique dans lequel les tubes ondulés sont en contact direct (ou « sec ») avec les cellules électriques.
Cependant, selon une variante, illustrée sur les figures 11 et 12, l'invention prévoit qu'un matériau d'interface thermique 30 soit intercalé entre les cellules électriques 20 et les tubes 11, 12 de l'échangeur thermique.
Ce matériau est de préférence constitué d'une seule couche qui pourra éventuellement présenter des propriétés d'isolation thermique ou de conduction thermique, en fonction des besoins.
Cette couche peut être constituée de peinture, de graisse, d'un "pad" thermique, de gel, de caoutchouc, de plastique ou encore de la mousse.
Comme visible sur la figure 12, deux couches de matériau 30 recouvrent respectivement la surface extérieure des deux faces des tubes 11, 12, de façon à entrer en contact avec les deux séries de cellules électriques 20 qui sont positionnées de part et d'autre de l'échangeur thermique.
L'utilisation de ce matériau 30 permet :
- d'une part d'absorber les dispersions géométriques des cellules électriques, liées par exemple à leur forme extérieure (rayon externe), au gonflement des cellules électriques durant leur phase de vie, à un défaut de positionnement,
- d'autre part d'absorber les dispersions géométriques de l'échangeur thermique, liées par exemple à la forme et en particulier au rayon des ondulations, ou encore à des défauts de planéité ou de rectitude des tubes.
L'objectif est d'augmenter encore davantage la surface de contact entre l'échangeur thermique et les cellules électriques, dans un souci d'optimisation de l'efficacité de l'échange thermique résultant.
La figure 13 est une vue schématique de détail montrant plusieurs cellules électriques 20 qui sont positionnées de part et d'autre d'une ondulation 16 d'un tube de l'échangeur thermique, et en contact thermique (et éventuellement mécanique avec l'ondulation 16).
On définit un angle de contact "a" entre chacune des cellules électriques 20 et une ondulation 16 du tube dont le sommet est le centre de la cellule électrique (la cellule électrique supérieure sur la figure 13), et les côtés sont les droites passant par le centre de la cellule électrique 20 et les deux points de contact extrêmes entre la surface extérieure de la cellule électrique 20 et la surface de l'ondulation 16.
Cet angle de contact "a" est compris entre 0° et 180°, et de préférence entre 0° et 60°.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (10) de régulation thermique de cellules de stockage d'énergie électrique (20) de type cylindrique, le dispositif (10) comprenant un échangeur thermique délimitant un circuit de circulation de fluide caloporteur, ledit échangeur thermique comprenant une pluralité de tubes (11, 12, 111, 112, 113, 114) de circulation de fluide caloporteur présentant des ondulations (16),
caractérisé en ce que ledit échangeur thermique comprend plusieurs étages de tubes (11, 12, 111, 112, 113, 114) destinés à être agencés le long de la hauteur (Z) desdites cellules de stockage d'énergie électrique (20) de type cylindrique.
2. Dispositif (10) de régulation thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits tubes (11, 12, 111, 112, 113, 114) sont reliés à des collecteurs (13, 14, 115, 116) d'entrée et de sortie de fluide caloporteur.
3. Dispositif (10) de régulation thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la hauteur (L) desdits tubes (11, 12, 111, 112, 113, 114) est d'au plus 80 mm, de préférence au plus 60 mm.
4. Dispositif (10) de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la largeur (L) desdits tubes (11, 12, 111, 112, 113, 114) est d'au moins 10 mm, de préférence au moins 20 mm.
5. Dispositif (10) de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'épaisseur (H) desdits tubes (11, 12, 111,
112, 113, 114) est comprise entre 2 mm et 4 mm.
6. Dispositif (10) de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le rayon de courbure des ondulations (16) desdits tubes (11, 12, 111, 112, 113, 114) est compris entre 0,5 mm et 500 mm.
7. Dispositif (10) de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'espacement (W) entre les tubes (11, 12, 111, 112, 113, 114) est d'au moins 2 mm.
8. Dispositif (10) de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit circuit de circulation de fluide délimité par ledit échangeur thermique forme un U.
9. Dispositif (10) de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit circuit de circulation de fluide délimité par ledit échangeur thermique forme un U externe communiquant avec un U interne imbriqué à l'intérieur du U externe.
10. Dispositif (10) de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un matériau d'interface thermique (30), de préférence un isolant électrique, entre lesdits tubes (11, 12, 111, 112, 113, 114) et lesdites cellules électriques (20).
11. Module de batterie comprenant au moins une rangée de cellules électriques (20) de type cylindrique et un dispositif (10) de régulation thermique selon l'une des revendications 1 à 10, les étages de tubes (11, 12, 111, 112, 113, 114) dudit dispositif (10) de régulation thermique étant agencés le long de la hauteur (Z) desdites cellules électriques (20), chacune desdites cellules électriques (20) étant en contact avec une ondulation correspondante desdits tubes (11, 12, 111, 112, 113, 114) sur un angle de contact (a) dont le sommet est le centre de ladite cellule électrique (20).
12. Module de batterie selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit angle de contact (a) est compris entre 0° et 180°, et de préférence entre 0° et 60°.
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