WO2019007941A1 - Dispositif de régulation thermique d'au moins un élément de stockage d'énergie électrique - Google Patents

Dispositif de régulation thermique d'au moins un élément de stockage d'énergie électrique Download PDF

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WO2019007941A1
WO2019007941A1 PCT/EP2018/067916 EP2018067916W WO2019007941A1 WO 2019007941 A1 WO2019007941 A1 WO 2019007941A1 EP 2018067916 W EP2018067916 W EP 2018067916W WO 2019007941 A1 WO2019007941 A1 WO 2019007941A1
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transfer fluid
inlet
outlet
heat exchanger
control device
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PCT/EP2018/067916
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Jean Damien MULLER
Bruno Payen
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the field of the invention is that of the thermal regulation of batteries, and more particularly the batteries equipping a motor vehicle whose propulsion is provided in whole or in part by an electric motor.
  • the invention is in the field of heat exchangers, for example battery coolers, in particular the batteries of a vehicle with electric and / or hybrid motorization.
  • the temperature of the battery must remain between 20 ° C and 40 ° 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 generally comprises a plurality of battery modules each comprising several electrical energy storage cells (hereinafter referred to as “electrical cells”) connected to each other so as to create an electrical generator for voltage and energy. desired capacity.
  • electrical cells electrical energy storage cells
  • thermo regulation device In order to regulate the temperature of the battery, it is known to use a thermal regulation device.
  • the thermal regulation device comprises a heat exchanger positioned directly or indirectly in contact with the battery and traversed by a heat transfer fluid.
  • the coolant can thus absorb the heat emitted by each module of battery to cool them or, as needed, it can bring them heat if the temperature of the battery is insufficient for its proper functioning.
  • the heat transfer fluids generally used are liquids such as, for example, brine.
  • such a heat exchanger comprises a bundle of tubes 11 interconnecting at least two collecting boxes 21, 22 in which are connected, in a fixed and sealed manner, corresponding ends of the tubes 11.
  • a heat transfer fluid can then flow through the tubes 11 and the manifolds 21, 22, according to, for example, a circuit called "I" ( Figure 1) to heat exchange with the battery modules 3.
  • each branch of the heat exchanger consists of adjacent tubes 11 intended to thermally regulate two battery modules 3 arranged along the longitudinal axis of the pair of tubes 11.
  • Improper fluid balancing between the different branches of the heat exchanger can result in high temperature differences between the battery modules.
  • the present invention aims to provide an improved device for thermal regulation of battery modules, to solve the aforementioned drawbacks, while being less expensive than current solutions.
  • the invention proposes for this purpose a device for thermal regulation of at least one electrical energy storage element, in particular for a motor vehicle, said device comprising at least one heat exchanger delimiting a coolant circulation circuit, said exchanger thermal circuit comprising heat transfer fluid circulation conduits and, arranged at a first end of these conduits, inlet distributor means for ensuring the distribution of the heat transfer fluid in inlet ducts in a first direction of circulation and collecting means of outlet for collecting heat transfer fluid circulating in outlet ducts in a second direction of circulation, inverted with respect to the first direction.
  • said heat exchanger comprises at a second end of said ducts several coolant reversal chambers between at least one inlet duct and at least one outlet duct, at least a portion of the flush chambers comprising restriction means the passage of the heat transfer fluid so as to balance the flows of heat transfer fluid in the conduits of said heat exchanger.
  • the invention thus proposes a device for thermal regulation of at least one electrical energy storage element, or battery module, which implements a tube heat exchanger delimiting a circulation circuit of the coolant.
  • This circuit is configured to homogenize the flow and temperature of the battery modules, without playing on the passage sections of the manifolds and / or tubes and / or pipes supplying the various circuits in parallel, and in a relatively inexpensive way .
  • the exchanger uses a plurality of U-shaped parallel circuits or branches each comprising at least one heat-transfer fluid inlet duct or tube and at least one heat-transfer fluid outlet duct connected at one end by a flaring chamber. , the latter comprising means for restricting the passage of the heat transfer fluid so as to balance the coolant flow rates in the heat exchanger ducts.
  • means for restricting the passage of the heat transfer fluid makes it possible to obtain the desired distribution of heat transfer fluid in the various branches of the heat exchanger.
  • a good fluidic balancing between the different branches of the heat exchanger makes it possible to reduce the high temperature differences between the battery modules.
  • the inlet distributor means and the heat-transfer fluid outlet collector means are collector boxes.
  • the turning chambers are defined in a single collector box in which the second end of said conduits opens.
  • said collector box for reversing comprises one or more sealed internal partitions delimiting several turning chambers in each of which open the second end of at least one inlet duct and the second end of at least one outlet duct.
  • each of said turning chambers comprises means for restricting the passage of the heat transfer fluid in the form of at least one partition pierced with a heat transfer fluid passage lumen or at least one narrowing of the section of said collecting box. reversal.
  • the turning chambers are defined in separate turning boxes and in each of which open the second end of at least one inlet duct and the second end of at least one an outlet duct.
  • the separate reversing collector boxes each comprise means for restricting the passage of the heat transfer fluid in the form of at least one partition pierced with a heat transfer fluid passage lumen or at least one narrowing of the section. of the collector box.
  • all or part of the lights of the restriction partitions of the passage of the heat transfer fluid located in the turning chambers have different sections.
  • the manifolds forming the inlet distributor means, the outlet collecting means and the turning chambers are tubular and of different diameters.
  • said conduits comprise a plurality of channels.
  • the invention also relates to a heat exchanger implemented in such a thermal control device.
  • thermo regulation refers both to the cooling and heating of a battery module and / or a set of battery modules, designated by the term “storage element”. electric energy ".
  • FIG. 1 is a schematic view of a heat exchanger
  • Cooler (Also called "cooler") implemented in a thermal regulation device of a battery, according to the prior art
  • FIGS. 2A and 2B are schematic views of a heat exchanger implemented in a device for thermal regulation of a battery, according to one embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a detail view, in transparency, of the heat exchanger of FIGS. 2A and 2B, at a collector box for turning over;
  • FIGS. 4 to 6 are partial schematic views of other types of heat exchangers implemented in temperature control devices of a battery according to the invention.
  • the various elements illustrated by the figures are not necessarily represented on a real scale, the emphasis being more on the representation of the general operation of the invention.
  • FIG. 2A is a schematic view of an embodiment of a heat exchanger (also called “cooler”) implemented in a thermal control device according to the invention.
  • the latter is intended to equip a hybrid or electric motor vehicle to thermally regulate one or more batteries forming a source of energy for driving the motor vehicle.
  • the battery is composed of several battery modules 3, each module 3 being composed of several electric cells (not visible) which are interconnected.
  • the heat exchanger 1 is positioned here under the modules 3 and allows both the cooling and heating of these modules 3 according to the conditions of use.
  • the heat exchanger 1 comprises a bundle of tubes, or conduits, 11 for circulating a heat transfer fluid
  • These tubes 11 are straight and of the same length.
  • a coolant such as brine
  • the tubes 11 are intended to be in mechanical contact or not with several parallelepiped-shaped modules 3 of a battery of the vehicle, and are advantageously made of a thermally conductive material, such as a metallic material, for example aluminum or aluminum alloy. 'aluminum.
  • the heat exchanger 1 is thus positioned directly or indirectly in contact with the modules 3 and traversed by a heat transfer fluid.
  • This heat transfer fluid may be of the refrigerant type, or a cooling liquid, for example a mixture of water and glycol.
  • the coolant can thus absorb the heat emitted by the modules 3 to cool or as needed, it can bring them heat if the temperature of the modules 3 is insufficient for their proper operation.
  • This heat exchanger 1 makes it possible to limit the sudden elevations of temperature within the battery and to compensate for the formation of hot spots.
  • the tubes 11 have a substantially oblong cross section.
  • These tubes 11 are here extruded aluminum and have a plurality of channels juxtaposed liquid circulation (it is therefore in this example multichannel tubes).
  • the bundle of tubes 11 comprises a first end and a second end.
  • the first end of a portion of the tubes 11 of the beam opens into a first manifold 21 of fluid inlet.
  • These tubes will be called thereafter input tubes and referenced 11A.
  • the first end of the other part of the tubes 11 of the beam opens into a second manifold 22 of fluid outlet.
  • These tubes will be called thereafter output tubes and referenced 11B.
  • manifolds 21, 22 of fluid inlet and outlet extend parallel to the level of the first end of the tubes 11, perpendicular to the longitudinal axis of the latter.
  • the bundle of tubes 11 alternately comprises, from right to left, an inlet tube 11A and an outlet tube 11B.
  • Each pair consisting of an inlet tube 11A and an outlet tube 11B forms a branch.
  • the second ends of an inlet tube 11A and an outlet tube 11B of a branch open into a third manifold 31 for fluid reversal.
  • manifold boxes 31 extend in an aligned manner at the second end of the tube branches 11, perpendicularly to the longitudinal axis of the latter and parallel to the manifolds 21, 22 of the inlet and outlet of the tubes. fluid.
  • the heat transfer fluid is introduced into the first manifold 21 input by the fluid inlet 210, then is distributed in a portion of the tubes 11, in this case the inlet tubes 11A, each branch of the beam from the first inlet tube 11A located on the right to the last inlet tube on the left in FIG. 2B.
  • the fluid flows in the inlet tubes 11A and passes through the latter in a first direction, then passes into the collector boxes 31 of flipping and flows in the other direction in the other part of the tubes 11, in this case the tubes output, each branch of the beam to return to the level of the outlet manifold 22 and be discharged through the fluid outlet 220.
  • the collector boxes 31, called “turning boxes”, are configured to distribute the heat transfer fluid of the inlet tubes 11A to the outlet tubes 11B
  • each branch (here consisting of two adjacent multichannel tubes) defines a fluid circulation circuit in "U" and is associated with a collector box 31 of overturning.
  • the collector boxes 31 for reversing allow the equalization of the fluidic flows between the branches of the heat exchanger 1.
  • FIG. 3 is a detailed view, in transparency, of the heat exchanger 1 of FIG. 2A at the level of a collector box 31 in which an inlet tube 11A and an outlet tube 11B open.
  • the collector box 31 of reversal is here tubular and its lateral ends are closed by watertight walls 311.
  • a turning chamber 313 delimits a turning chamber 313 and has an internal partition 312 pierced by a circular lumen 3121 which constitutes a local restriction of the fluid passage from the inlet tube 11A to the outlet tube 11B, which generates a pressure drop.
  • This internal partition 312 called “throttle” in angais, is inserted into a slot in the wall of the header box 31 of rotation, or it is inserted through one end of the header box 31 of turning.
  • this local restriction of the heat transfer fluid passage can be obtained by a local narrowing of the section of the collector box 31 of overturning, that is to say by deformation of the wall of the collector box 31 of overturning.
  • manifold boxes 31 each comprise at least one pierced partition wall 312 having a calibrated orifice whose diameter varies as a function of the distance of the corresponding branch from the heat transfer fluid inlet E.
  • the diameter of the orifice of the partitions 312 of the manifolds 31 increases from the right to the left of the heat exchanger 1 of Figure 2B.
  • the diameter of the orifice of the partition 312 of the turning chamber (to the left of the heat exchanger) furthest from the fluid inlet 210 is greater than that of the turning chamber ( to the right of the heat exchanger) closest to the heat transfer fluid inlet E.
  • all or part of the lights 3121 of the partitions 312 have different diameters.
  • the number of partitions 312 having lights of different diameters is minimized in order to limit the manufacturing cost of the heat exchanger thermal, while ensuring optimum fluidic balancing between the different branches of the heat exchanger.
  • the heat exchanger has a single collector box 31 for reversing comprising a plurality of chambers or reversal compartments delimited by internally sealed partitions fluidly isolating the different branches.
  • Each flipping chamber is associated with a branch of the heat exchanger (i.e., an inlet tube and an outlet tube fluidly communicating via the flipping compartment).
  • each of the turning chambers is disposed a pierced internal partition.
  • each of the turning chambers comprises a local narrowing of the section of the collector box 31 of overturning.
  • Figure 4 is a schematic detail view of another heat exchanger configuration of a thermal control device according to the invention, at a collector box reversal.
  • each branch comprises four multichannel tubes 11 with two adjacent inlet tubes 11A juxtaposed with two adjacent outlet tubes 11B.
  • the fluid circulates in the inlet tubes 11A and passes through the latter in a first direction, then passes into the collector box 31 of overturning, through a local restriction of the fluid passage formed by a partition 312 pierced with a light and flows in the other direction into the outlet tubes 11B.
  • FIG. 5 is a schematic detail view of another heat exchanger configuration of a thermal control device according to the invention, at a collector box reversal.
  • each branch comprises four multichannel tubes 11 with two adjacent inlet tubes 11A arranged in the center of the branch, and two outlet tubes 11B arranged on either side of two inlet tubes 11A.
  • FIG. 6 is a schematic detail view of another heat exchanger configuration of a thermal control device according to the invention, at a collector box reversal.
  • each branch comprises three multichannel tubes 11 with a single inlet tube 11A disposed at the center of the branch, and two outlet tubes 11B disposed on either side of the inlet tube 11A.
  • the fluid circulates in the inlet tube 11A and passes through the latter in a first direction, then passes into the collector box 31 of turning, through two local restrictions of the fluid passage each formed by a partition 312 pierced by a light and flows in the opposite direction in the two outlet tubes 11B.
  • the central inlet tube 11A may be larger in that the flow of heat transfer fluid circulating inside the latter is twice the flow rate of each of the outlet tubes 11B.
  • the heat exchanger of the thermal regulation device comprises at least two branches each comprising at least one inlet tube and a heat transfer fluid outlet tube.
  • Each branch of the heat exchanger cools at least one battery module.
  • the collector boxes 21, 22, 31 forming the inlet distributor means, the outlet collecting means and the turning chambers 313 may have different diameters.
  • the diameter of the collector box or collectors may be smaller than that of the inlet and outlet manifolds, because the flow rate in the collector box or collectors is smaller than that in the manifolds and Release.
  • only a portion of the turning chambers comprises means for restricting the passage of the coolant.
  • At least one of the manifolds of the heat exchanger is made according to a manufacturing technology different from the other manifolds, namely:
  • the heat exchanger can be assembled by soldering, bonding or mechanical bonding.
  • the heat transfer fluid inlet and outlet are located on opposite sides of the heat exchanger.
  • branches of the heat exchanger may comprise an even or odd number of tubes.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de régulation thermique d'au moins un élément de stockage d'énergie électrique (3), ledit dispositif comprenant un échangeur thermique (1) délimitant un circuit de circulation de fluide caloporteur, ledit échangeur thermique (1) comprenant des conduits (11A, 11B) de circulation du fluide caloporteur et, disposés à une première extrémité de ces conduits (11), des moyens distributeurs d'entrée (21) pour assurer la distribution du fluide caloporteur dans des conduits d'entrée (11A) selon un premier sens de circulation et des moyens collecteurs de sortie (22) pour assurer la collecte du fluide caloporteur circulant dans des conduits de sortie (11B) selon un deuxième sens de circulation, inversé par rapport au premier sens. Selon l'invention, ledit échangeur thermique (1) comprend à une deuxième extrémité desdits conduits (11) plusieurs chambres de retournement (313) du fluide caloporteur entre au moins conduit d'entrée (11A) et au moins un conduit de sortie (11B), au moins une partie des chambres de retournement (313) comprenant des moyens de restriction du passage du fluide caloporteur de sorte à équilibrer les débits de fluide caloporteur dans les conduits (11A, 11B) dudit échangeur thermique (1).

Description

Dispositif de régulation thermique d'au moins un élément de stockage d'énergie électrique
1. Domaine
Le domaine de l'invention est celui de la régulation thermique des batteries, et plus particulièrement des batteries équipant un véhicule automobile dont la propulsion est fournie en tout ou partie par une motorisation électrique.
Plus précisément, l'invention est du domaine des échangeurs thermiques, par exemple des refroidisseurs de batteries, en particulier les batteries d'un véhicule à motorisation électrique et/ou hybride.
2. Art antérieur
La régulation thermique de la batterie, notamment dans le domaine automobile et encore plus particulièrement dans le domaine des véhicules électriques et hybrides, est une problématique d'importance.
La température de la batterie doit rester comprise entre 20°C et 40°C afin d'assurer la fiabilité, l'autonomie, et la performance du véhicule, tout en optimisant la durée de vie de la batterie.
En effet, lorsque la batterie est soumise à des températures trop froides, son autonomie décroît fortement. Inversement, lorsqu'elle est soumise à des températures trop importantes, il y a un risque d'emballement thermique pouvant aller jusqu'à la destruction de la batterie.
Dans les véhicules électriques ou hybrides, la batterie comprend généralement plusieurs modules de batterie comprenant chacun plusieurs cellules de stockage d'énergie électrique (appelées « cellules électriques » dans ce qui suit) reliées entre elles de façon à créer un générateur électrique de tension et de capacité désirée.
Afin de réguler la température de la batterie, il est connu d'utiliser un dispositif de régulation thermique.
Le dispositif de régulation thermique comprend un échangeur thermique positionné directement ou indirectement au contact de la batterie et parcouru par un fluide caloporteur.
Le fluide caloporteur peut ainsi absorber la chaleur émise par chaque module de batterie afin de les refroidir ou, selon les besoins, il peut leur apporter de la chaleur si la température de la batterie est insuffisante pour son bon fonctionnement.
Les fluides caloporteurs généralement utilisés sont des liquides comme, par exemple, l'eau glycolée.
Comme illustré sur la figure 1, un tel échangeur thermique comprend un faisceau de tubes 11 reliant entre elles au moins deux boîtes collectrices 21, 22 dans lesquels sont raccordées, de façon fixe et étanche, des extrémités correspondantes des tubes 11.
Un fluide caloporteur peut alors circuler à travers les tubes 11 et les boîtes collectrices 21, 22, selon, par exemple, un circuit dit en "I" (figure 1) afin d'échanger thermiquement avec les modules 3 de batteries.
On note que chaque branche de l'échangeur thermique est constituée de tubes 11 adjacents destinés à réguler thermiquement deux modules 3 de batterie disposés selon l'axe longitudinal de la paire de tubes 11.
L'état de l'art discute des différents circuits de circulation de fluide caloporteur qui peuvent être mis en œuvre dans ces échangeurs thermiques.
L'état de l'art traitant de la façon d'équilibrer le débit de fluide dans les différentes branches de l'échangeur thermique est toutefois peu fourni.
Les quelques solutions existantes proposent de modifier les sections de passage des boîtes collectrices et/ou des tubes et/ou des tubulures alimentant les différents circuits en parallèle, et s'avèrent coûteuses.
Or, ce point est fondamental puisqu'un même débit dans chacune des branches de l'échangeur thermique permet d'assurer une régulation thermique et une température homogènes des modules de batterie.
Un mauvais équilibrage fluidique entre les différentes branches de l'échangeur thermique peut engendrer des différences de températures élevées entre les modules de batterie.
Le risque principal, résultant d'une régulation non homogène des températures des modules de batterie, est que l'une d'entre eux cède, du fait que sa température soit excessive par exemple, entraînant l'arrêt du véhicule et la nécessité de remplacer l'ensemble du pack-batterie. Dans ce contexte, la présente invention vise à fournir un dispositif amélioré de régulation thermique de modules de batterie, permettant de résoudre les inconvénients précédemment mentionnés, tout en étant moins onéreux que les solutions actuelles.
3. Résumé
L'invention propose à cet effet un dispositif de régulation thermique d'au moins un élément de stockage d'énergie électrique, notamment pour un véhicule automobile, ledit dispositif comprenant au moins un échangeur thermique délimitant un circuit de circulation de fluide caloporteur, ledit échangeur thermique comprenant des conduits de circulation du fluide caloporteur et, disposés à une première extrémité de ces conduits, des moyens distributeurs d'entrée pour assurer la distribution du fluide caloporteur dans des conduits d'entrée selon une premier sens de circulation et des moyens collecteurs de sortie pour assurer la collecte du fluide caloporteur circulant dans des conduits de sortie selon un deuxième sens de circulation, inversé par rapport au premier sens.
Selon l'invention, ledit échangeur thermique comprend à une deuxième extrémité desdits conduits plusieurs chambres de retournement du fluide caloporteur entre au moins conduit d'entrée et au moins un conduit de sortie, au moins une partie des chambres de retournement comprenant des moyens de restriction du passage du fluide caloporteur de sorte à équilibrer les débits de fluide caloporteur dans les conduits dudit échangeur thermique.
L'invention propose ainsi un dispositif de régulation thermique d'au moins un élément de stockage d'énergie électrique, ou module de batterie, qui met en œuvre un échangeur thermique à tubes délimitant un circuit de circulation du fluide caloporteur.
Ce circuit est configuré pour homogénéiser le débit et la température des modules de batterie, sans jouer sur les sections de passage des boîtes collectrices et/ou des tubes et/ou des tubulures alimentant les différents circuits en parallèle, et ce de façon relativement peu coûteuse.
Pour ce faire, l'échangeur met en œuvre plusieurs circuits ou branches parallèles en U comprenant chacun au moins un conduit ou tube d'entrée de fluide caloporteur et au moins un conduit de sortie de fluide caloporteur reliés à une extrémité par une chambre de retournement, cette dernière comprenant des moyens de restriction du passage du fluide caloporteur de sorte à équilibrer les débits de fluide caloporteur dans les conduits de l'échangeur thermique.
La mise en œuvre de moyens de restriction du passage du fluide caloporteur permet d'obtenir la distribution souhaitée de fluide caloporteur dans les différentes branches de l'échangeur thermique.
Un bon équilibrage fluidique entre les différentes branches de l'échangeur thermique permet de réduire les différences de températures élevées entre les modules de batterie.
Une telle approche est économique et permet notamment la mise en œuvre de boîtes collectrices présentant des diamètres de dimension raisonnable.
Selon un aspect particulier de l'invention, les moyens distributeurs d'entrée et les moyens collecteurs de sortie du fluide caloporteur sont des boîtes collectrices.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les chambres de retournement sont définies dans une unique boîte collectrice de retournement dans laquelle débouche la deuxième extrémité desdits conduits.
De façon avantageuse, ladite boîte collectrice de retournement comprend une ou plusieurs cloisons internes étanches délimitant plusieurs chambres de retournement dans chacune desquelles débouchent la deuxième extrémité d'au moins un conduit d'entrée et la deuxième extrémité d'au moins un conduit de sortie.
Avantageusement, chacune desdites chambres de retournement comprend des moyens de restriction du passage du fluide caloporteur prenant la forme d'au moins une cloison percée d'une lumière de passage du fluide caloporteur ou d'au moins un rétrécissement de la section de ladite boîte collectrice de retournement.
Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, les chambres de retournement sont définies dans des boîtes collectrices de retournement distinctes et dans chacune desquelles débouchent la deuxième extrémité d'au moins un conduit d'entrée et la deuxième extrémité d'au moins un conduit de sortie.
De façon avantageuse, les boîtes collectrices de retournement distinctes comprennent chacune des moyens de restriction du passage du fluide caloporteur prenant la forme d'au moins une cloison percée d'une lumière de passage du fluide caloporteur ou d'au moins un rétrécissement de la section de la boîte collectrice de retournement. Selon un aspect particulier de l'invention, tout ou partie des lumières des cloisons de restriction du passage du fluide caloporteur situées dans les chambres de retournement présentent des sections différentes.
Selon un aspect particulier de l'invention, les boîtes collectrices formant les moyens distributeurs d'entrée, les moyens collecteurs de sortie et les chambres de retournement sont tubulaires et de diamètres différents.
Selon un aspect particulier de l'invention, lesdits conduits comprennent une pluralité de canaux.
L'invention concerne également un échangeur thermique mis en œuvre dans un tel dispositif de régulation thermique.
Dans la suite de la description, la notion de « régulation thermique » se réfère tant au refroidissement qu'au réchauffement d'un module de batterie et/ou un ensemble de modules de batterie, désigné par l'expression « élément de stockage d'énergie électrique ».
4. Figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des figures annexées, à savoir :
- la figure 1 est une vue schématique d'un échangeur thermique
(également appelé "refroidisseur") mis en œuvre dans un dispositif de régulation thermique d'une batterie, selon l'art antérieur ;
les figures 2A et 2B sont des vues schématiques d'un échangeur thermique mis en œuvre dans un dispositif de régulation thermique d'une batterie, selon un mode de réalisation de l'invention ;
la figure 3 est une vue de détail, en transparence, de l'échangeur thermique des figures 2A et 2B, au niveau d'une boîte collectrice de retournement ;
les figures 4 à 6 sont des vues schématiques partielles d'autres types d'échangeurs thermiques mis en œuvre dans des dispositifs de régulation thermique d'une batterie conformes à l'invention. Les différents éléments illustrés par les figures ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle réelle, l'accent étant davantage porté sur la représentation du fonctionnement général de l'invention.
5. Description détaillée de modes de réalisation particuliers de l'invention
Plusieurs modes de réalisation particuliers de l'invention sont présentés dans la suite de la description.
Il est bien entendu que la présente invention n'est nullement limitée par ces modes de réalisation particuliers et que d'autres modes de réalisation peuvent parfaitement être mis en œuvre.
La figure 2A est une vue schématique d'un mode de réalisation d'un échangeur thermique (également appelé "refroidisseur") mis en œuvre dans un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention.
Ce dernier est destiné à équiper un véhicule automobile de type hybride ou électrique pour réguler thermiquement une ou plusieurs batteries formant une source d'énergie pour l'entraînement du véhicule automobile.
De façon classique, la batterie est composée de plusieurs modules 3 de batterie, chaque module 3 étant composé de plusieurs cellules électriques (non visibles) qui sont reliés entre elles.
L'échangeur thermique 1 est positionné ici sous les modules 3 et permet à la fois le refroidissement et le réchauffage de ces modules 3 selon les conditions d'utilisation.
L'échangeur thermique 1 comprend un faisceau de tubes, ou conduits, 11 de circulation d'un fluide caloporteur
Ces tubes 11 sont rectilignes et de même longueur.
Ils sont placés parallèlement les uns aux autres et alignés de façon à former une rangée unique dans lesquels un liquide de refroidissement, tel que de l'eau glycolée, est destiné à circuler.
Les tubes 11 sont destinés à être en contact mécanique ou non avec plusieurs modules 3 de forme parallélépipédique d'une batterie du véhicule, et sont avantageusement réalisés dans un matériau conducteur thermique, tel qu'un matériau métallique, par exemple en aluminium ou alliage d'aluminium. L'échangeur thermique 1 est ainsi positionné directement ou indirectement au contact des modules 3 et parcouru par un fluide caloporteur.
Ce fluide caloporteur peut être du type réfrigérant, ou bien un liquide de refroidissement, par exemple un mélange d'eau et de glycol.
Le fluide caloporteur peut ainsi absorber la chaleur émise par les modules 3 afin de les refroidir ou selon les besoins, il peut leur apporter de la chaleur si la température des modules 3 est insuffisante pour leur bon fonctionnement.
Cet échangeur thermique 1 permet de limiter les élévations soudaines de température au sein de la batterie et de pallier la formation de points chauds.
Dans ce mode de réalisation, les tubes 11 présentent une section droite de forme sensiblement oblongue.
Ces tubes 11 sont ici en aluminium extrudé et présentent une pluralité de canaux juxtaposés de circulation du liquide (il s'agit donc dans cet exemple de tubes multicanaux).
Le faisceau de tubes 11 comprend une première extrémité et une deuxième extrémité.
Comme montré sur les figures 2A et 2B, la première extrémité d'une partie des tubes 11 du faisceau débouche dans une première boîte collectrice 21 d'entrée de fluide. Ces tubes seront appelés par la suite tubes d'entrée et référencés 11A.
La première extrémité de l'autre partie des tubes 11 du faisceau débouche dans une deuxième boîte collectrice 22 de sortie de fluide. Ces tubes seront appelés par la suite tubes de sortie et référencés 11B.
Les boîtes collectrices 21, 22 d'entrée et de sortie de fluide (appelées "manifolds" en anglais) s'étendent parallèlement au niveau de la première extrémité des tubes 11, perpendiculairement à l'axe longitudinal de ces derniers.
Ces boîtes collectrices 21, 22 adjacentes sont reliées à une entrée E et à une sortie S de fluide caloporteur respectivement qui sont situées du même côté de l'échangeur thermique.
Dans l'exemple des figures 2A et 2B, le faisceau de tubes 11 comprend de façon alternée, de droite à gauche, un tube d'entrée 11A et un tube de sortie 11B.
Chaque paire constituée d'un tube d'entrée 11A et d'un tube de sortie 11B forme une branche. Les deuxièmes extrémités d'un tube d'entrée 11A et d'un tube de sortie 11B d'une branche débouchent dans une troisième boîte collectrice 31 de retournement de fluide.
Ainsi, plusieurs boîtes collectrices 31 de retournement s'étendent de façon alignée au niveau de la deuxième extrémité des branches de tubes 11, perpendiculairement à l'axe longitudinal de ces derniers et parallèlement aux boîtes collectrices 21, 22 d'entrée et de sortie de fluide.
Ainsi, le fluide caloporteur est introduit dans la première boîte collectrice 21 d'entrée par l'entrée de fluide 210, puis est distribué dans une partie des tubes 11, en l'occurrence les tubes d'entrée 11A, de chaque branche du faisceau, du premier tube d'entrée 11A situé à droite au dernier tube d'entrée situé à gauche sur la figure 2B.
Le fluide circule dans les tubes 11A d'entrée et traverse ces derniers dans un premier sens, passe ensuite dans les boîtes collectrices 31 de retournement et circule dans l'autre sens dans l'autre partie des tubes 11, en l'occurrence les tubes de sortie, de chaque branche du faisceau pour revenir au niveau de la boîte collectrice 22 de sortie et être évacué par la sortie de fluide 220.
Les boîtes collectrices 31, dites « boîtes de retournement », sont configurées pour distribuer le fluide caloporteur des tubes 11A d'entrée vers les tubes 11B de sortie
Ainsi, chaque branche (constituée ici de deux tubes multicanaux adjacents) définit un circuit de circulation du fluide en "U" et est associée à une boîte collectrice 31 de retournement.
Comme décrit plus en détail par la suite, les boîtes collectrices 31 de retournement permettent l'équilibrage des débits fluidique entre les branches de l'échangeur thermique 1.
En d'autres termes, on a sensiblement les mêmes débits de fluide caloporteur dans l'ensemble des branches, les boîtes collectrices 31 de retournement et les boîtes collectrices 21, 22 d'entrée et de sortie de fluide présentant des diamètres sensiblement identiques.
La figure 3 est une vue de détail, en transparence, de l'échangeur thermique 1 de la figure 2A au niveau d'une boîte collectrice 31 de retournement dans laquelle débouchent un tube d'entrée 11A et un tube de sortie 11B.
La boîte collectrice 31 de retournement est ici tubulaire et ses extrémités latérales sont obturées par des parois 311 étanches.
Elle délimité une chambre de retournement 313 et présente une cloison 312 interne percée d'une lumière 3121 circulaire qui constitue une restriction locale du passage de fluide du tube d'entrée 11A vers le tube de sortie 11B, ce qui engendre une perte de charge.
Cette cloison 312 interne, appelée "throttle" en angais, est insérée dans une fente ménagée dans la paroi de la boîte collectrice 31 de retournement, ou bien elle est insérée par une extrémité de la boîte collectrice 31 de retournement.
Il s'agit d'une cloison 312 percée présentant un orifice calibré qui constitue une restriction locale du passage de fluide caloporteur.
Dans une variante, cette restriction locale du passage de fluide caloporteur peut être obtenue par un rétrécissement local de la section de la boîte collectrice 31 de retournement, c'est-à-dire par déformation de la paroi de la boîte collectrice 31 de retournement.
On comprend que les boîtes collectrices 31 de retournement comprennent chacune au moins une cloison 312 percée présentant un orifice calibré dont le diamètre varie en fonction de l'éloignement de la branche correspondante par rapport à l'entrée E de fluide caloporteur.
En l'espèce, le diamètre de l'orifice des cloisons 312 des boîtes collectrices 31 augmente de la droite vers la gauche de l'échangeur thermique 1 de la figure 2B. En d'autres termes, le diamètre de l'orifice de la cloison 312 de la chambre de retournement (à gauche de l'échangeur thermique) la plus éloignée de l'entrée de fluide 210 est supérieur à celui de la chambre de retournement (à droite de l'échangeur thermique) la plus proche de l'entrée E de fluide caloporteur.
Le but de ces cloisons 312 percées est de créer une perte de charge locale dans chaque branche de l'échangeur thermique 1, la perte de charge devant être différente selon la position de la branche par rapport à l'entrée E de fluide caloporteur de l'échangeur thermique 1.
Selon une approche particulière, tout ou partie des lumières 3121 des cloisons 312 présentent des diamètres différents.
De façon préférentielle, on minimise le nombre de cloisons 312 présentant des lumières de diamètres différents afin de limiter le coût de fabrication de l'échangeur thermique, tout en garantissant un équilibrage fluidique optimal entre les différentes branches de l'échangeur thermique.
Dans un autre mode de réalisation, l'échangeur thermique présente une unique boîte collectrice 31 de retournement comprenant plusieurs chambres ou compartiments de retournement délimité(e)s par des cloisons internes étanches isolant fluidiquement les différentes branches.
Chaque chambre de retournement est associée à une branche de l'échangeur thermique (c'est-à-dire un tube d'entrée et un tube de sortie communiquant fluidiquement via le compartiment de retournement).
Dans chacune des chambres de retournement est disposée une cloison interne percée.
Dans une variante, chacune des chambres de retournement comprend un rétrécissement local de la section de la boîte collectrice 31 de retournement.
La figure 4 est une vue schématique de détail d'une autre configuration d'échangeur thermique d'un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention, au niveau d'une boîte collectrice de retournement.
Dans cet exemple, chaque branche comprend quatre tubes 11 multicanaux avec deux tubes d'entrée 11A adjacents juxtaposés à deux tubes de sortie 11B adjacents.
Le fluide circule dans les tubes 11A d'entrée et traverse ces derniers dans un premier sens, passe ensuite dans la boîte collectrice 31 de retournement, au travers d'une restriction locale du passage de fluide formée par une cloison 312 percée d'une lumière, et circule dans l'autre sens dans les tubes de sortie 11B.
La figure 5 est une vue schématique de détail d'une autre configuration d'échangeur thermique d'un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention, au niveau d'une boîte collectrice de retournement.
Dans cet exemple, chaque branche comprend quatre tubes 11 multicanaux avec deux tubes d'entrée 11A adjacents disposés au centre de la branche, et deux tubes de sortie 11B disposés de part et d'autres deux tubes d'entrée 11A.
Le fluide circule dans les tubes 11A d'entrée et traverse ces derniers dans un premier sens, passe ensuite dans la boîte collectrice 31 de retournement, au travers de deux restrictions locales du passage de fluide formées chacune par une cloison 312 percée d'une lumière, et circule dans l'autre sens dans les deux tubes de sortie 11B. La figure 6 est une vue schématique de détail d'une autre configuration d'échangeur thermique d'un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention, au niveau d'une boîte collectrice de retournement.
Dans cet exemple, chaque branche comprend trois tubes 11 multicanaux avec un unique tube d'entrée 11A disposé au centre de la branche, et deux tubes de sortie 11B disposés de part et d'autres du tube d'entrée 11A.
Le fluide circule dans le tube 11A d'entrée et traverse ce dernier dans un premier sens, passe ensuite dans la boîte collectrice 31 de retournement, au travers de deux restrictions locales du passage de fluide formées chacune par une cloison 312 percée d'une lumière, et circule dans l'autre sens dans les deux tubes de sortie 11B.
Le tube d'entrée 11A central peut être de plus grande dimension dans la mesure où le débit de fluide caloporteur circulant à l'intérieur de ce dernier est deux fois supérieur au débit de chacun des tubes de sortie 11B.
Autres aspects et variantes
L'échangeur thermique du dispositif de régulation thermique conforme à l'invention comprend au moins deux branches comprenant chacune au moins un tube d'entrée et un tube de sortie du fluide caloporteur.
Chaque branche de l'échangeur thermique refroidit au moins un module de batterie.
Les boîtes collectrices 21, 22, 31 tubulaires formant les moyens distributeurs d'entrée, les moyens collecteurs de sortie et les chambres de retournement 313 peuvent présenter des diamètres différents.
Le diamètre de la ou des boîtes collectrices de retournement peut être inférieur à celui des boîtes collectrices d'entrée et de sortie, du fait que le débit dans la ou les boîtes collectrices de retournement est inférieur à celui dans les boîtes collectrices d'entrée et de sortie.
Dans un mode de réalisation particulier, seule une partie des chambres de retournement comprend des moyens de restriction du passage du fluide caloporteur.
Dans un mode de réalisation particulier, au moins une des boîtes collectrices de l'échangeur thermique est réalisée selon une technologie de fabrication différente des autres boîtes collectrices, à savoir :
- à partir d'un tube électrosoudé pour les boîtes collectrices d'entrée et de sortie ; - par emboutissage et brasage pour la ou les boîtes collectrices de retournement ;
- à partir de matière plastique.
L'échangeur thermique peut être assemblé par brasage, par collage ou par le biais de liaisons mécaniques.
Dans un mode de réalisation particulier, l'entrée et la sortie de fluide caloporteur sont situées sur des côtés opposés de l'échangeur thermique.
Par ailleurs, les branches de l'échangeur thermique peuvent comprendre un nombre pair ou impair de tubes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de régulation thermique d'au moins un élément de stockage d'énergie électrique (3), ledit dispositif comprenant au moins un échangeur thermique (1) délimitant un circuit de circulation de fluide caloporteur, ledit échangeur thermique (1) comprenant des conduits (11A, 11B) de circulation du fluide caloporteur et, disposés à une première extrémité de ces conduits (11), des moyens distributeurs d'entrée (21) pour assurer la distribution du fluide caloporteur dans des conduits d'entrée (11A) selon une premier sens de circulation et des moyens collecteurs de sortie (22) pour assurer la collecte du fluide caloporteur circulant dans des conduits de sortie (11B) selon un deuxième sens de circulation, inversé par rapport au premier sens,
caractérisé en ce qu'il comprend à une deuxième extrémité desdits conduits (11) plusieurs chambres de retournement (313) du fluide caloporteur entre au moins conduit d'entrée (11A) et au moins un conduit de sortie (11B), au moins une partie des chambres de retournement (313) comprenant des moyens de restriction du passage du fluide caloporteur de sorte à équilibrer les débits de fluide caloporteur dans les conduits (11A, 11B) dudit échangeur thermique (1).
2. Dispositif de régulation thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens distributeurs d'entrée (21) et les moyens collecteurs de sortie (22) du fluide caloporteur sont des boîtes collectrices.
3. Dispositif de régulation thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les chambres de retournement (313) sont définies dans une unique boîte collectrice de retournement (31) dans laquelle débouche la deuxième extrémité desdits conduits (11A, 11B).
4. Dispositif de régulation thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite boîte collectrice de retournement (31) comprend une ou plusieurs cloisons internes étanches délimitant plusieurs chambres de retournement (313) dans chacune desquelles débouchent la deuxième extrémité d'au moins un conduit d'entrée et la deuxième extrémité d'au moins un conduit de sortie.
5. Dispositif de régulation thermique selon la revendication 4, caractérisé en ce que chacune desdites chambres de retournement (313) comprend des moyens de restriction du passage du fluide caloporteur prenant la forme d'au moins une cloison (312) percée d'une lumière (3121) de passage du fluide caloporteur ou d'au moins un rétrécissement de la section de ladite boîte collectrice de retournement (31).
6. Dispositif de régulation thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les chambres de retournement (313) sont définies dans des boîtes collectrices de retournement (31) distinctes et dans chacune desquelles débouchent la deuxième extrémité d'au moins un conduit d'entrée (11A) et la deuxième extrémité d'au moins un conduit de sortie (11B).
7. Dispositif de régulation thermique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les boîtes collectrices de retournement (31) distinctes comprennent chacune des moyens de restriction du passage du fluide caloporteur prenant la forme d'au moins une cloison (312) percée d'une lumière (3121) de passage du fluide caloporteur ou d'au moins un rétrécissement de la section de la boîte collectrice de retournement (31).
8. Dispositif de régulation thermique selon la revendication 5 ou 7, caractérisé en ce que tout ou partie des lumières (3121) des cloisons (312) de restriction du passage du fluide caloporteur situées dans les chambres de retournement (313) présentent des sections différentes.
9. Dispositif de régulation thermique selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que les boîtes collectrices (21, 22, 31) formant les moyens distributeurs d'entrée, les moyens collecteurs de sortie et les chambres de retournement (313) sont tubulaires et de diamètres différents.
10. Dispositif de régulation thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que lesdits conduits (11A, 11B) comprennent une pluralité de canaux.
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