WO2019069020A1 - Boîtier de protection d'un pack batterie intégrant des canaux de circulation d'un fluide caloporteur - Google Patents

Boîtier de protection d'un pack batterie intégrant des canaux de circulation d'un fluide caloporteur Download PDF

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WO2019069020A1
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wall
housing
thermal
thermal regulation
protective housing
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PCT/FR2018/052436
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Thibaut PERRIN
Mohamed Ibrahimi
François Busson
Alcina Tanghe
Eric Droulez
Emmanuel Henon
Jean-Nicolas Guyomard
Sergio Da Costa Pito
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Valeo Systemes Thermiques
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Definitions

  • the invention relates to the field of thermal regulation of battery modules, in particular for a motor vehicle whose propulsion is provided in whole or in part by an electric motor, located in a protective case forming, with the battery modules, a battery pack.
  • the invention relates to the structure of such a protective housing.
  • the electric energy storage cells are interconnected in order to create an electrical generator of desired voltage and capacity, and positioned in a battery module (called “module” in which follows).
  • casing in English, made of metal, which protects the modules of the external environment.
  • the protective case and the modules form a set generally called battery pack.
  • the battery pack generally disposed at the floor of the vehicle, covers a more and more consistent surface of the vehicle floor and sometimes even the bottom of the body it.
  • the battery modules may be subject to temperature variations that may in some cases cause their damage or even their destruction. Therefore, the thermal regulation of the modules is essential in order, on the one hand, to maintain them in good condition and, on the other hand, to ensure the reliability, autonomy, and performance of the vehicle.
  • Devices for regulating the temperature of the modules are therefore implemented to optimize the operation of the modules.
  • Such a thermal regulation device is traversed by a heat transfer fluid and performs the functions of heating and / or cooling of the modules.
  • the heat transfer fluid can thus absorb the heat emitted by each module to cool or as needed, it can bring him heat if the temperature of the module is insufficient for its proper operation.
  • the thermal regulation device is formed of a plurality of tubes each having channels in which circulates a heat-transfer fluid so as to form zones of heat exchange, or
  • thermo regulation device is formed of two stamped plates delimiting, when they are assembled, channels for circulating a heat transfer fluid so as to form heat exchange zones.
  • thermal regulation devices are generally arranged on one of the sides (lateral, upper or lower) of the modules and extend over surfaces equivalent to the dimensions of the battery pack.
  • a thermal regulation device is conventionally positioned directly in contact with the modules (that is to say inside the battery pack), or indirectly in contact with the modules (that is to say outside the pack drums).
  • the thermal regulation device When the thermal regulation device is disposed inside the battery pack, it is generally in contact with the electrical modules and there is therefore a risk of destruction of the modules in case of leakage of the heat transfer fluid into the inner chamber of the battery pack .
  • Another disadvantage of this technique lies in the fact that the space allocated to the reception of the battery modules within the battery pack is reduced because of the presence of the thermal control device and the number of fluid connections.
  • the protective housings are generally made of metal or aluminum, for example.
  • the present invention aims to solve these problems of the state of the art and proposes a protective housing of at least one electric battery module comprising at least one thermal control element of said at least one module made of a material thermally conductive.
  • the protective housing is made of a composite material, at least one wall of said protective housing carrying on its inner surface said at least one thermal regulating element.
  • said at least one thermal regulation element delimits alone, or in combination with said inner surface of said at least one wall, at least one circulation channel of a heat transfer fluid.
  • the invention thus proposes a protection casing for battery modules of a hybrid or electric vehicle, which provides two functions, namely a conventional structural function making it possible to protect the modules against shocks, and a new regulating function.
  • thermal battery modules disposed in the inner enclosure of the housing.
  • the protective case which is made of composite material, has sufficient rigidity and mechanical strength to protect the battery modules housed therein, its weight being optimized compared to the housings of the prior art metal.
  • thermal control elements made of a thermally conductive material, are located inside the protective housing, against one or more walls (bottom wall, side walls, ...) of the protective housing. These thermal control elements comprise or form with the wall or walls of the protective housing, channels for circulating a heat transfer fluid for regulating the temperature of the battery modules, the latter being in thermal contact with the thermal control elements.
  • the housing incorporates, in one or more of these walls, heat exchange zones that can regulate the temperature of the electric battery modules.
  • the internal space of the protective case is thus totally allocated to the reception of battery modules, which makes it possible, for a protective case of dimensions equal to the prior art, to receive a larger number of battery modules and therefore to maximize the range and the electric power of the vehicle.
  • said at least one wall of said protective housing has at least one groove, said at least one groove being closed by said at least one thermal regulation element to delimit said at least one circulation channel.
  • At least one wall of the protective housing is preformed so as to provide therein one or more parallel grooves intended to be closed by the temperature control element or elements in order to define the circulation channels of the heat transfer fluid.
  • the heat transfer fluid circulation channels are therefore integrated into the protective housing.
  • said at least one thermal regulation element is in the form of a plate covering and closing said at least one groove.
  • the channels are delimited by the implementation of a simple wall or plate that closes the grooves formed on the inner surface of the wall of the protective housing.
  • the grooves all have the same depth (or height) so that the thermal control element, which is a flat sheet, comes into contact with the tops separating two adjacent grooves and on the flat surfaces of the wall located on the outside. and other grooves.
  • said at least one thermal regulation element is secured to said at least one wall of the housing by welding or gluing.
  • the sealing between two adjacent traffic channels and between the traffic channels and the inside of the protective housing are also optimal.
  • said at least one thermal regulation element is secured to said at least one wall of the protective casing by migration of material from said at least one wall towards said at least one thermal regulation element.
  • the mechanical strength of the thermal control element on the inner wall of the protective housing is optimal.
  • At least one connecting element is overmolded at the ends of said at least one thermal regulation element, said at least one connecting element being secured to said at least one wall of said protective casing by welding or gluing.
  • This joining technique of the thermal regulation elements on the inner surface or surfaces of the housing wall implements connecting elements which are overmolded on the thermal control elements and then secured, by gluing, to the wall of the protective housing.
  • a thermal regulation element is implemented opposite each groove to close the latter.
  • Each longitudinal edge of a thermal regulation element comprises a connecting element which makes it possible to secure the thermal regulation element between two edges of a groove.
  • said at least one thermal regulation element comprises a plate carrying at least one tube delimiting a circulation channel.
  • Such a thermal regulation element delimits alone the heat transfer fluid circulation channels.
  • the thermal control element is manufactured by extrusion.
  • At least one wall of said protective housing has a shape corresponding to that of said at least one thermal regulation element which is obtained by forming against said at least one thermal regulation element.
  • cavities are provided between the outer surface of said at least one thermal regulation element and the inner surface of said at least one wall of the housing, the fastening of said at least one thermal regulation element. with said at least one wall of the housing being made by filling said cavities with a resin.
  • the filling of cavities formed between the temperature regulating element (s) and the inner surface of the grooves of the wall makes it possible, after solidification of the resin, to ensure an excellent mechanical strength and therefore an optimal joining of the thermal regulation element (s) with the wall or walls of the protective case.
  • the filling of the cavities is carried out by flow or injection of resin.
  • the protective housing and in particular its walls, is made of a plastic composite.
  • It may be a polymer reinforced with carbon fibers or glass fibers.
  • the invention further proposes a battery pack for a hybrid or electric vehicle comprising a protection box as described above, in which at least one electric battery module is housed. 4.
  • FIG. 1 is a partial sectional view of a protective case of a battery pack according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is a partial sectional view of a protective case of a battery pack according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 3 is a partial sectional view of a protective case of a battery pack according to a third embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a detail view of the protective housing of Figure 3;
  • Figure 5 is a partial sectional view of a protective case of a battery pack according to a fourth embodiment of the invention;
  • FIGS. 6A to 6D detail the steps for obtaining the protective case of FIG. 5.
  • the electrical battery module protection casing of the invention is made of composite material and carries, on one or more of these inner walls, thermal control elements, or heat exchange elements, made of thermally conductive material.
  • thermal regulation elements delimit, alone or in combination with the walls of the housing, channels for circulating a heat transfer fluid allowing heat exchanges with the battery modules arranged in the enclosure of the housing to regulate their temperature.
  • a protective case provides a conventional structural function to protect the battery modules from the external environment to the housing, and an additional thermal control function, including cooling modules housed in the housing.
  • Figure 1 is a partial sectional view of a protective housing B according to a first embodiment of the invention.
  • Battery modules M are housed in the protection box B and thermally regulated by the latter.
  • the protective housing B has at least one double wall 1 (FIG. 1 only illustrates the double bottom wall of the housing) consisting of a first wall, or outer wall, and a second wall. , or inner wall 11.
  • the outer wall 10 is made of composite and is preformed (by molding, for example) so as to have a half-hexagonal slotted section (visible in Figure 1).
  • the outer wall 10 has a plurality of grooves 101 (two, in the example shown) which extend parallel to each other and whose opening is oriented towards the inside of the housing B.
  • the inner wall 11, plane, is also made of composite and is intended to be fixed on the outer wall 10.
  • the inner wall 11 extends facing the outer wall 10, except at the grooves 101.
  • the inner 11 and outer 10 walls are joined together by welding.
  • thermal regulation elements 12 are secured to the inner wall 11 so that they extend opposite the grooves 101.
  • the thermal control elements 12 are made of a thermally conductive material, preferably of metal.
  • the thermal control elements 12 are made of aluminum.
  • a thermal regulation element 12 is disposed opposite each of the two grooves 101 and is in the form of a stamped plate.
  • thermal regulation elements 12 are intended to close the grooves 101 of the outer wall 10 so as to define channels 13 for circulating a heat transfer fluid in the double wall 1 of the protective housing B.
  • the battery modules M housed in the protection box B are positioned on the thermal regulation elements 12, in thermal contact with the latter, so as to ensure the heat exchange between the coolant flowing in the channels 13 and the modules M of battery, and to regulate the temperature of the modules M.
  • thermal regulation elements 12 are secured to the inner wall 11 of the housing B by connecting elements 14 of plastic.
  • a first connecting element 14 is overmolded on a longitudinal edge of the inner wall 11 and on a longitudinal edge of a first thermal regulation element 12.
  • a second connecting element 14 is overmolded on the other longitudinal edge of the first thermal regulation element 12 and on a longitudinal edge of a second thermal regulation element 12.
  • a third connecting element 14 is overmolded on the other longitudinal edge of the second thermal regulation element 12 and on a longitudinal edge of the inner wall 11
  • the connecting elements 14 are then secured by gluing, or welding, to the inner surface 100 of the outer wall 10.
  • the connecting elements 14 enable, on the one hand, to secure the thermal regulation elements 12 to each other and to the inner wall 11, and on the other hand to secure the thermal regulation elements 12 to the outer wall 10, in particular at the edges 103 of the grooves 101, as illustrated in FIG.
  • FIG. 2 is a partial sectional view of a battery module protection box B according to a second embodiment of the invention.
  • the wall 1 of the protective housing B is formed by an outer wall 10 of composite.
  • This outer wall 10 is preformed so that it has a section of undulating shape defining a plurality of parallel grooves 101 (in this case two in this example).
  • the thermal regulation element 12 is in the form of a plate made of a thermo-conductive material such as aluminum, for example.
  • the thermal regulation element 12 is disposed and secured on the inner surface 100 of the outer wall 10, on the inside of the housing B, to close the grooves 101 to define channels 13 for circulating the coolant.
  • the grooves 101 have the same depth / height and the thermal regulating element 12 is in the form of a flat sheet.
  • the thermal regulation element 12 is easily secured to the inner surface 100 of the outer wall 10, at its flat portions 102 located on either side of the grooves 101 and at the level of the vertices 103 separating two grooves 101 consecutive.
  • the thermal regulation element 12 is secured to the inner surface 100 of the outer wall 10 by gluing.
  • FIG. 3 is a partial sectional view of a battery module protection box B according to a third embodiment of the invention.
  • the wall 1 of the protective housing B is formed by a preformed composite outer wall 10 having a half-hexagonal shaped crenel section defining a plurality of parallel grooves 101 (two in this case in this view).
  • the thermal control element 12 is in the form of a plate made of a heat-conducting material such as aluminum, for example.
  • the thermal regulation element 12 is arranged and fixed on the inner surface 100 of the outer wall 10 so as to close the grooves 101 to define the channels 13 for circulating the coolant.
  • the thermal regulation element 12 is secured to the inner surface 100 of the outer wall 10 at its flat portions 102 located on either side of the grooves 101 and at the level of the vertices 103 separating two consecutive grooves 101.
  • FIG. 4 is a detailed view of FIG. 3 illustrating the technique of joining the thermal regulation element 12 to the inner surface 100 of the outer wall 10.
  • the heat regulation element 12 made of aluminum has deformations 121, such as asperities or microgrooves, which are obtained by the application of a surface treatment on the face of the thermal regulation element. 12 intended to come into contact with the inner surface 100 of the outer wall 10.
  • deformations 121 are intended to be filled with material from the outer wall 10 of composite.
  • the outer wall 10 is heated and then pressed against the thermal control element 12 so that the material of the outer wall 10 migrates and enters the deformations 121 to allow the adhesion of the two walls together.
  • material of the outer wall 10 mixes with material of the wall of the thermal regulating member 12 so as to securely bond these walls together.
  • This joining technique is implemented on the flat portions 102 of the inner surface 100 situated on either side of the grooves 101, as well as on the surface of the crown 103 situated between two grooves 101.
  • the three embodiments described above, in relation with FIGS. 1 to 4, describe elements of the thermal regulation element 12 delimiting, in combination with the wall 1 of the protection box B, channels 13 for circulating the coolant.
  • FIG. 5 is a partial sectional view of a battery module protection module B according to a fourth embodiment of the invention, comprising a wall 1, formed by an outer composite wall 10, and an element thermal control unit 12 made of aluminum obtained by extrusion.
  • the thermal control element 12 comprises a plate 122, extending horizontally in FIG. 5, which carries two tubes 123 of rectangular section extending parallel to each other on one face of the plate 122.
  • the tubes 123 define channels 13 for circulating a heat transfer fluid of rectangular section.
  • the two lower corners of the tubes 123 each have a flange 124 which extends parallel to the plate 122.
  • FIGS. 6A to 6D illustrate the main manufacturing steps of the protective case B of FIG. 5.
  • a planar composite outer wall and a thermal control element 12 obtained by extrusion of a thermally conductive material, such as aluminum, and having a shape as described above in connection with Figure 5.
  • the outer wall 10 is heated and then deformed according to a conventional forming process.
  • the outer wall 10 is formed against the thermal regulating element 12 by the application of two opposing forces applied in the direction of arrows F1 and F2 (visible in FIG. 6A) until it matches the external forms of the tubes 123 and the plate 122 of the thermal regulation element 12. It should be noted that the plate 122 of the thermal regulation element 12 is in contact with the outer wall 10 after forming, as shown on the 6B.
  • FIG. 6B also shows that the implementation of the flanges 124 on the tubes 123, after forming the outer wall 10 against the thermal regulation element 12, contains cavities 125 between the outer wall 10 and the thermal regulation element 12.
  • the cavities 125 are filled by injection or flow of a resin 126 through the latter, as can be seen in FIG. 6C.
  • This resin 126 after solidification, provides a good quality connection between the wall 10 and the thermal regulation element 12.
  • This fourth embodiment in which is implemented a thermal regulation element 12 obtained by extrusion of a metallic material on which a composite wall of the protective casing B is then formed, also makes it possible to increase the rigidity of protection box B.
  • the invention thus proposes to integrate the channels 13 for circulating the coolant in one or more horizontal (s) and / or vertical (s) of the protective housing B in which are housed modules M electric battery.
  • the casing B makes it possible on the one hand to protect the battery modules M from shocks and, on the other hand, to regulate the temperature of the battery modules M housed in the casing B through the implementation of circulation channels 13. a heat transfer fluid integrated in one or more of these walls.
  • the figures illustrate only one wall of the housing B provided with channels 13 of circulation, in this case the bottom wall of the housing B protection.
  • circulation channels 13 can be implemented on one or more of the walls of the housing B.
  • the channels 13 may be formed in the side walls and / or the cover of the protective housing B.
  • the battery modules M are in direct thermal contact with the thermal regulation elements 12 in order to optimize the heat exchange between the coolant circulating in the channels 13 and the battery modules M.
  • a thermal interface material may be implemented between the modules M and each of the thermal regulation elements 12.
  • temperature control elements 12 may be in the form of tubes, plates, or any other form offering sufficient flatness to ensure optimum contact with the battery modules M electric.
  • the supply of heat transfer fluid circulation channels 13 can be done through tubings internal or external to the housing B, or by means of supply channels formed directly in the walls of the protective housing B.
  • the walls of the protective housing B are made of a composite material, such as a plastic composite, this material having good strength / mechanical strength for an optimal weight.
  • enclosure B composite protection walls provide good protection of the battery modules M housed in the latter against shocks ("crash").
  • the composite used to make the walls of the protective case may be a polymer with a reinforcement of carbon fibers or glass fibers, for example.
  • the thermal regulation elements 12 are made of a thermo-conductive material so as to optimize the heat exchange between the battery modules M and the coolant circulating in the channels 13 integrated in the housing B.
  • the thermal control elements 12 are made of metal, and more particularly of aluminum, for reasons of weight, heat conduction and ease of assembly.
  • the shape of the grooves 101 is not limited to a crenellated or wave form.
  • grooves 101 may be implemented.

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Abstract

L'invention concerne un boîtier de protection d'au moins un module de batterie électrique comprenant au moins un élément de régulation thermique dudit au moins un module fabriqué dans un matériau thermiquement conducteur. Selon l'invention, le boîtier de protection est fabriqué dans un matériau composite, au moins une paroi dudit boîtier de protection portant sur sa surface intérieure ledit au moins un élément de régulation thermique, ledit au moins un élément de régulation thermique délimitant seul, ou en combinaison avec ladite surface intérieure de ladite au moins une paroi, au moins un canal de circulation d'un fluide caloporteur.

Description

Boîtier de protection d'un pack batterie intégrant des canaux de circulation d'un fluide caloporteur
1. Domaine de l'invention
L'invention se rapporte au domaine de la régulation thermique de modules de batterie, notamment pour un véhicule automobile dont la propulsion est fournie en tout ou partie par une motorisation électrique, situés dans un boîtier de protection formant, avec les modules de batterie, un pack batterie.
Plus précisément, l'invention concerne la structure d'un tel boîtier de protection.
2. Art antérieur
Dans le domaine des véhicules électriques et hybrides, les cellules de stockage d'énergie électrique sont reliées entre elles de façon à créer un générateur électrique de tension et de capacité désirée, et positionnées dans un module de batterie (appelé "module" dans ce qui suit).
Plusieurs modules reliés entre eux forment la batterie du véhicule.
Généralement, ces modules sont enfermés dans un boîtier de protection rigide et étanche (appelée « casing » en anglais), fabriqué en métal, qui protège les modules de l'environnement extérieur.
Le boîtier de protection et les modules forment un ensemble généralement appelé pack batterie.
Les constructeurs automobiles cherchent aujourd'hui à fournir des véhicules électriques ou hybrides plus puissants et dont l'autonomie électrique est augmentée.
Pour cela, un nombre de plus en plus important de modules est embarqué dans les véhicules.
Ainsi, le pack batterie, généralement disposé au niveau du plancher du véhicule, couvre une surface de plus en plus conséquente du plancher du véhicule et forme même parfois le fond de caisse ce dernier.
Par ailleurs, lors du fonctionnement du véhicule, les modules de batterie peuvent être soumis à des variations de température pouvant provoquer dans certains cas leur endommagement, voire leur destruction. Par conséquent, la régulation thermique des modules est essentielle afin, d'une part, de les maintenir en bon état et, d'autre part, d'assurer la fiabilité, l'autonomie, et la performance du véhicule.
Des dispositifs destinés à réguler la température des modules sont donc mis en œuvre pour optimiser le fonctionnement des modules.
Un tel dispositif de régulation thermique est parcouru par un fluide caloporteur et assure les fonctions de chauffage et/ou de refroidissement des modules.
Le fluide caloporteur peut ainsi absorber la chaleur émise par chaque module afin de le refroidir ou selon les besoins, il peut lui apporter de la chaleur si la température du module est insuffisante pour son bon fonctionnement.
Deux techniques classiques permettent de fabriquer/obtenir un dispositif de régulation thermique, à savoir :
une première technique selon laquelle le dispositif de régulation thermique est formé d'une pluralité de tubes présentant chacun des canaux dans lesquels circule un fluide caloporteur de sorte à former des zones d'échanges thermiques, ou
une seconde technique selon laquelle le dispositif de régulation thermique est formé de deux plaques embouties délimitant, lorsqu'elles sont assemblées, des canaux de circulation d'un fluide caloporteur de sorte à former des zones d'échanges thermiques.
Ces dispositifs de régulation thermique sont généralement disposés sur un des côtés (latéral, supérieur ou inférieur) des modules et s'étendent sur des surfaces équivalentes aux dimensions du pack batterie.
Un dispositif de régulation thermique est classiquement positionné directement au contact des modules (c'est-à-dire à l'intérieur du pack batterie), ou indirectement au contact des modules (c'est-à-dire à l'extérieur du pack batterie).
Lorsque le dispositif de régulation thermique est disposé à l'intérieur du pack batterie, il est généralement en contact avec les modules électrique et il existe donc un risque de destruction des modules en cas de fuites du fluide caloporteur dans l'enceinte intérieure du pack batterie.
Un autre inconvénient de cette technique réside dans le fait que l'espace alloué à la réception des modules de batterie au sein du pack batterie est réduit du fait de la présence du dispositif de régulation thermique et du nombre de connexions fluidiques.
Ainsi, la puissance et l'autonomie électrique du véhicule ne sont pas maximisées.
Par ailleurs, les boîtiers de protection sont généralement fabriqués en métal ou en aluminium, par exemple.
Bien que ce type de matériau assure une bonne tenue mécanique du boîtier, il présente un poids relativement important qui s'avère pénalisant dans l'optimisation des performances de la batterie d'un véhicule hybride ou électrique. 3. Résumé de l'invention
La présente invention a pour objet de résoudre ces problèmes de l'état de l'art et propose un boîtier de protection d'au moins un module de batterie électrique comprenant au moins un élément de régulation thermique dudit au moins un module fabriqué dans un matériau thermiquement conducteur.
Selon l'invention, le boîtier de protection est fabriqué dans un matériau composite, au moins une paroi dudit boîtier de protection portant sur sa surface intérieure ledit au moins un élément de régulation thermique.
En outre, ledit au moins un élément de régulation thermique délimite seul, ou en combinaison avec ladite surface intérieure de ladite au moins une paroi, au moins un canal de circulation d'un fluide caloporteur.
L'invention propose ainsi un boîtier de protection pour modules de batterie d'un véhicule hybride ou électrique, qui assure deux fonctions, à savoir une fonction structurelle classique permettant d'assurer la protection des modules contre les chocs, et une fonction nouvelle de régulation thermique des modules de batterie disposés dans l'enceinte intérieure du boîtier.
Le boîtier de protection, qui est fabriqué en matériau composite, présente une rigidité et une tenue mécanique suffisantes pour protéger les modules de batterie logés en son sein, son poids étant optimisé par rapport aux boîtiers de l'art antérieur en métal.
Un ou plusieurs éléments de régulation thermique, fabriqués dans un matériau thermiquement conducteur, sont situés à l'intérieur du boîtier de protection, contre une ou plusieurs parois (paroi de fond, parois latérales,...) du boîtier de protection. Ces éléments de régulation thermique comprennent ou forment avec la ou les parois du boîtier de protection, des canaux de circulation d'un fluide caloporteur permettant de réguler la température des modules de batterie, ces derniers étant en contact thermique avec les éléments de régulation thermique.
Ainsi, le boîtier intègre, dans une ou plusieurs de ces parois, des zones d'échanges thermiques qui permettent de réguler la température des modules de batterie électrique.
Il n'est donc plus nécessaire d'ajouter un dispositif de régulation thermique à l'intérieur ou à l'extérieur du boîtier de protection puisqu'il est d'ores et déjà intégré à une ou plusieurs parois du boîtier, du côté intérieur de ce dernier.
L'espace interne du boîtier de protection est ainsi totalement alloué à la réception de modules de batterie, ce qui permet, pour un boîtier de protection de dimensions égales à l'art antérieur, de recevoir un plus grand nombre de modules de batterie et donc de maximiser l'autonomie et la puissance électrique du véhicule.
En outre, les connexions fluidiques et les risques de fuite de fluide caloporteur sont minimisés.
Selon un aspect particulier de l'invention, ladite au moins une paroi dudit boîtier de protection présente au moins une rainure, ladite au moins une rainure étant fermée par ledit au moins un élément de régulation thermique pour délimiter ledit au moins un canal de circulation.
Ainsi, au moins une paroi du boîtier de protection est préformée de sorte à y ménager une ou plusieurs rainures parallèles destinées à être fermées par le ou les éléments de régulation thermique afin de délimiter les canaux de circulation du fluide caloporteur.
Les canaux de circulation du fluide caloporteur sont donc intégrés au boîtier de protection.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, ledit au moins un élément de régulation thermique se présente sous la forme d'une plaque recouvrant et fermant ladite au moins une rainure.
Ainsi, les canaux sont délimités par la mise en œuvre d'une simple paroi ou plaque qui vient fermer les rainures ménagées sur la surface intérieure de la paroi du boîtier de protection. Préférentiellement, les rainures présentent toutes la même profondeur (ou hauteur) de sorte que l'élément de régulation thermique, qui est une tôle plane, vienne en contact avec les sommets séparant deux rainures adjacentes et sur les surface planes de la paroi situées de part et d'autre des rainures.
Une telle technique est simple à mettre en œuvre et peu coûteuse.
Selon encore un autre aspect particulier de l'invention, ledit au moins un élément de régulation thermique est solidarisé à ladite au moins une paroi du boîtier par soudage ou par collage.
Ces techniques de solidarisation du ou des éléments de régulation thermique sur la ou les parois du boîtier sont simples à mettre en œuvre et permettent d'assurer une bonne tenue mécanique de l'ensemble.
En outre, l'étanchéité entre deux canaux de circulation adjacents ainsi qu'entre les canaux de circulation et l'intérieur du boîtier de protection sont également optimales.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit au moins un élément de régulation thermique est solidarisé à ladite au moins une paroi du boîtier de protection par migration de matière de ladite au moins une paroi vers ledit au moins un élément de régulation thermique.
Une telle technique de solidarisation permet d'assurer une très forte adhésion entre les éléments de régulation thermique et la ou les parois du boîtier de protection.
Ainsi, la tenue mécanique de l'élément de régulation thermique sur la paroi intérieure du boîtier de protection est optimale.
Selon un aspect particulier de l'invention, au moins un élément de liaison est surmoulé au niveau des extrémités dudit au moins un élément de régulation thermique, ledit au moins un élément de liaison étant solidarisé à ladite au moins une paroi dudit boîtier de protection par soudage ou par collage.
Cette technique de solidarisation des éléments de régulation thermique sur la ou les surfaces intérieures de la paroi du boîtier met en œuvre des éléments de liaison qui sont surmoulés sur les éléments de régulation thermique puis solidarisés, par collage, à la paroi du boîtier de protection.
Plus précisément, un élément de régulation thermique est mis en œuvre face à chaque rainure pour fermer cette dernière. Chaque bord longitudinal d'un élément de régulation thermique comprend un élément de liaison qui permet de solidariser l'élément de régulation thermique entre deux bords d'une rainure.
Selon un aspect particulier de l'invention, ledit au moins un élément de régulation thermique comprend une plaque portant au moins un tube délimitant un canal de circulation.
Un tel élément de régulation thermique délimite à lui seul les canaux de circulation du fluide caloporteur.
De préférence, l'élément de régulation thermique est fabriqué par extrusion.
Selon un autre aspect particulier de l'invention, au moins une paroi dudit boîtier de protection présente une forme correspondante à celle dudit au moins un élément de régulation thermique qui est obtenue par formage contre ledit au moins un élément de régulation thermique.
Selon encore un autre aspect particulier de l'invention, des cavités sont ménagées entre la surface extérieure dudit au moins un élément de régulation thermique et la surface intérieure de ladite au moins une paroi du boîtier, la solidarisation dudit au moins un élément de régulation thermique avec ladite au moins une paroi du boîtier étant réalisée par remplissage desdites cavités par une résine.
Le remplissage de cavités ménagées entre le ou les éléments de régulation thermique et la surface intérieure des rainures de la paroi permet, après solidification de la résine, d'assurer une excellente tenue mécanique et donc une solidarisation optimale du ou des éléments de régulation thermique avec la ou les parois du boîtier de protection.
De préférence, le remplissage des cavités est réalisé par écoulement ou injection de résine.
Selon un aspect particulier de l'invention, le boîtier de protection, et notamment ses parois, est fabriquée en composite plastique.
Il peut s'agir d'un polymère renforcé de fibres de carbone ou bien de fibres de verre.
Un tel composite plastique assure une bonne tenue mécanique du boîtier de protection pour un faible coût. L'invention propose en outre un pack batterie pour véhicule hybride ou électrique comprenant un boîtier de protection tel que décrit précédemment, dans lequel est logé au moins un module de batterie électrique. 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 titres de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés, parmi lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe partielle d'un boîtier de protection d'un pack batterie selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
la figure 2 est une vue en coupe partielle d'un boîtier de protection d'un pack batterie selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
la figure 3 est une vue en coupe partielle d'un boîtier de protection d'un pack batterie selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
la figure 4 est une vue de détail du boîtier de protection de la figure 3 ; la figure 5 est une vue en coupe partielle d'un boîtier de protection d'un pack batterie selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ;
les figures 6A à 6D détaillent les étapes d'obtention du boîtier de protection de la figure 5.
5. Description détaillée de modes de réalisation
Les éléments identiques sur les différentes figures, portent les mêmes références.
Le boîtier de protection de modules de batterie électrique de l'invention est fabriqué en matériau composite et porte, sur une ou plusieurs de ces parois intérieures, des éléments de régulation thermique, ou éléments d'échange thermique, fabriqués en matériau thermiquement conducteur.
Ces éléments de régulation thermique délimitent, seul ou en combinaison avec les parois du boîtier, des canaux de circulation d'un fluide caloporteur permettant des échanges thermiques avec les modules de batterie disposés dans l'enceinte du boîtier pour réguler leur température. Selon l'invention, un tel boîtier de protection assure une fonction structurelle classique permettant de protéger les modules de batterie de l'environnement extérieur au boîtier, et une fonction additionnelle de régulation thermique, notamment de refroidissement, des modules logés dans le boîtier.
La figure 1 est une vue en coupe partielle d'un boîtier B de protection selon un premier mode de réalisation de l'invention.
Des modules M de batterie sont logés dans le boîtier B de protection et régulés thermiquement par ce dernier.
Pour ce faire, le boîtier B de protection présente au moins une paroi 1 double (la figure 1 n'illustre que la paroi double de fond du boîtier) constituée d'une première paroi, ou paroi extérieure, 10 et d'une deuxième paroi, ou paroi intérieure 11.
Dans cet exemple, la paroi extérieure 10 est fabriqué en composite et est préformée (par moulage, par exemple) de sorte à présenter une section en créneaux de forme semi-hexagonale (visible sur la figure 1).
Ainsi, la paroi extérieure 10 présente une pluralité de rainures 101 (deux, dans l'exemple illustré) qui s'étendent parallèlement les unes par rapport aux autres et dont l'ouverture est orientée vers l'intérieur du boîtier B.
La paroi intérieure 11, plane, est également fabriquée en composite et est destinée à être fixée sur la paroi extérieure 10.
La paroi intérieure 11 s'étend en regard de la paroi extérieure 10, sauf au niveau des rainures 101.
Les parois intérieure 11 et extérieure 10 sont solidarisées entre elles par soudage.
D'autres techniques de solidarisation peuvent être envisagées comme le collage, par exemple.
Selon l'invention, des éléments de régulation thermique 12 sont solidarisés à la paroi intérieure 11 de sorte à ce qu'ils s'étendent en vis-à-vis des rainures 101.
Les éléments de régulation thermique 12 sont fabriqués dans un matériau thermo-conducteur, de préférence en métal.
De préférence encore, les éléments de régulation thermique 12 sont fabriqués en aluminium. Dans cet exemple, un élément de régulation thermique 12 est disposé en vis-à- vis de chacune des deux rainures 101 et se présente sous la forme d'une plaque emboutie.
Ces éléments de régulation thermique 12 sont destinés à fermer les rainures 101 de la paroi extérieure 10 de sorte à délimiter des canaux 13 de circulation d'un fluide caloporteur dans de la double paroi 1 du boîtier de protection B.
Les modules M de batterie logés dans le boîtier B de protection sont positionnés sur les éléments de régulation thermique 12, en contact thermique avec ces derniers, de sorte à assurer les échanges thermiques entre le fluide caloporteur circulant dans les canaux 13 et les modules M de batterie, et à réguler la température des modules M.
Dans cet exemple, les éléments de régulation thermique 12 sont solidarisés à la paroi intérieure 11 du boîtier B par des éléments de liaison 14 en plastique.
Pour ce faire, un premier élément de liaison 14 est surmoulé sur un bord longitudinal de la paroi intérieure 11 et sur un bord longitudinal d'un premier élément de régulation thermique 12.
Un deuxième élément de liaison 14 est surmoulé sur l'autre bord longitudinal du premier élément de régulation thermique 12 et sur un bord longitudinal d'un deuxième élément de régulation thermique 12.
Enfin, un troisième élément de liaison 14 est surmoulé sur l'autre bord longitudinal du deuxième élément de régulation thermique 12 et sur un bord longitudinal de la paroi intérieure 11
Les éléments de liaison 14 sont ensuite solidarisés par collage, ou soudage, sur la surface intérieure 100 de la paroi extérieure 10.
Ainsi, les éléments de liaison 14 permettent d'une part, de solidariser les éléments de régulation thermique 12 entre eux et à la paroi intérieure 11, et d'autre part de solidariser les éléments de régulation thermique 12 à la paroi extérieure 10, notamment sur les bords 103 des rainures 101, comme illustré sur la figure 1.
Après solidarisation de l'élément de liaison 14 sur la surface intérieure 100 de la paroi extérieure 10 du boîtier B, l'étanchéité entre deux canaux 13 de circulation, et entre les canaux 13 de circulation et l'intérieur du boîtier B de protection, est assurée de façon optimale. Dès lors, les modules M de batterie sont protégés des risques de fuite du fluide caloporteur hors des canaux 13 de circulation.
La figure 2 est une vue en coupe partielle d'un boîtier B de protection de modules M de batterie, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La paroi 1 du boîtier B de protection est formée par une paroi extérieure 10 en composite.
Cette paroi extérieure 10 est préformée de sorte à ce qu'elle présente une section de forme ondulée délimitant plusieurs rainures 101 parallèles (en l'occurrence deux dans cet exemple).
Dans ce deuxième mode de réalisation, l'élément de régulation thermique 12 se présente sous la forme d'une plaque fabriquée dans un matériau thermo-conducteur comme l'aluminium, par exemple.
L'élément de régulation thermique 12 est disposé et solidarisé sur la surface intérieure 100 de la paroi extérieure 10, du côté intérieur du boîtier B, afin de fermer les rainures 101 pour délimiter des canaux 13 de circulation du fluide caloporteur.
De préférence, les rainures 101 présentent la même profondeur/hauteur et l'élément de régulation thermique 12 se présente sous la forme d'une tôle plane.
L'élément de régulation thermique 12 est solidarisé aisément sur la surface intérieure 100 de la paroi extérieure 10, au niveau de ses portions planes 102 situées de part et d'autres des rainures 101 ainsi qu'au niveau des sommets 103 séparant deux rainures 101 consécutives.
Dans cet exemple, l'élément de régulation thermique 12 est solidarisé à la surface intérieure 100 de la paroi extérieure 10 par collage.
La figure 3 est une vue en coupe partielle d'un boîtier B de protection de modules M de batterie, selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
La paroi 1 du boîtier B de protection est formée par une paroi extérieure 10 en composite préformée présentant une section en créneaux de forme semi-hexagonale délimitant plusieurs rainures 101 parallèles (deux en l'occurrence sur cette vue). De façon similaire au deuxième mode de réalisation, l'élément de régulation thermique 12 se présente sous la forme d'une plaque fabriquée dans un matériau thermo-conducteur comme l'aluminium, par exemple.
L'élément de régulation thermique 12 est disposé et fixé sur la surface intérieure 100 de la paroi extérieure 10 de sorte à fermer les rainures 101 pour délimiter des canaux 13 de circulation du fluide caloporteur.
Pour ce faire, l'élément de régulation thermique 12 est solidarisé sur la surface intérieure 100 de la paroi extérieure 10 au niveau de ses portions planes 102 situées de part et d'autres des rainures 101 ainsi qu'au niveau des sommets 103 séparant deux rainures 101 consécutives.
La figure 4 est une vue de détail de la figure 3 illustrant la technique de solidarisation de l'élément de régulation thermique 12 sur la surface intérieure 100 de la paroi extérieure 10.
Comme cela est visible, l'élément de régulation thermique 12 en aluminium présente des déformations 121, telles que des aspérités ou des microsillons, qui sont obtenues par l'application d'un traitement de surface sur la face de l'élément de régulation thermique 12 destinée à venir en contact avec la surface intérieure 100 de la paroi extérieure 10.
Ces déformations 121 sont destinées à être comblées par de la matière issue de la paroi extérieure 10 en composite.
Pour ce faire, la paroi extérieure 10 est chauffée puis pressée contre l'élément de régulation thermique 12 de façon à ce que de la matière de la paroi extérieure 10 migre et pénètre dans les déformations 121 pour permettre l'adhésion des deux parois entre elles.
En d'autres termes, de la matière de la paroi extérieure 10 se mélange avec de la matière de la paroi de l'élément de régulation thermique 12 de sorte à solidement lier ces parois entre elles.
Cette technique de solidarisation est mise en œuvre sur les portions planes 102 de la surface intérieure 100 situées de part et d'autres des rainures 101, ainsi qu'au niveau de la surface du sommet 103 située entre deux rainures 101. Les trois modes de réalisation décrits précédemment, en relation avec les figures 1 à 4, décrivent des éléments l'élément de régulation thermique 12 délimitant, en combinaison avec la paroi 1 du boîtier B de protection, des canaux 13 de circulation du fluide caloporteur.
La figure 5 est une vue en coupe partielle d'un boîtier B de protection de modules M de batterie, selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, comprenant une paroi 1, formée par une paroi extérieure 10 en composite, et un élément de régulation thermique 12 en aluminium obtenu par extrusion.
L'élément de régulation thermique 12 comprend une plaque 122, s'étendant horizontalement sur la figure 5 qui porte deux tubes 123 de section rectangulaire s'étendant parallèlement l'un à l'autre sur une face de la plaque 122.
Les tubes 123 délimitent des canaux 13 de circulation d'un fluide caloporteur de section rectangulaire.
Ainsi, dans ce quatrième mode de réalisation, l'élément de régulation thermique
12 délimite à lui seul les canaux 13 de circulation du fluide caloporteur.
On note que les deux coins inférieurs des tubes 123 présentent chacun un rebord 124 qui s'étend parallèlement à la plaque 122.
Les figures 6A à 6D illustrent les étapes principales de fabrication du boîtier de protection B de la figure 5.
Tout d'abord, on fournit une paroi extérieure 10 plane en composite et un élément de régulation thermique 12 obtenu par extrusion d'un matériau thermoconducteur, tel que de l'aluminium, et présentant une forme telle que décrite ci-dessus en relation avec la figure 5.
Ensuite, on chauffe la paroi extérieure 10, puis on la déforme, selon un procédé de formage classique.
Plus précisément, la paroi extérieure 10 est formée contre l'élément de régulation thermique 12 par l'application de deux forces opposées appliquées dans la direction des flèches Fl et F2 (visibles sur la figure 6A) jusqu'à ce qu'elle épouse les formes extérieures des tubes 123 et de la plaque 122 de l'élément de régulation thermique 12. Il est à noter que la plaque 122 de l'élément de régulation thermique 12 se retrouve en contact avec la paroi extérieure 10 après formage, comme illustré sur la 6B.
La figure 6B montre également que la mise en œuvre des rebords 124 sur les tubes 123 ménage, après formage de la paroi extérieure 10 contre l'élément de régulation thermique 12, des cavités 125 entre la paroi extérieure 10 et l'élément de régulation thermique 12.
Afin de solidariser l'élément de régulation thermique 12 et la paroi extérieure 10, les cavités 125 sont remplies par injection ou écoulement d'une résine 126 à travers ces dernières, comme visible sur la figure 6C.
Cette résine 126, après solidification, assure une liaison de bonne qualité entre la paroi 10 et l'élément de régulation thermique 12.
Ce quatrième mode de réalisation, dans lequel est mis en œuvre un élément de régulation thermique 12 obtenu par extrusion d'un matériau métallique sur lequel est ensuite formée une paroi en composite du boîtier B de protection, permet en outre d'augmenter la rigidité de boîtier B de protection.
Autres aspects et variantes
L'invention propose ainsi d'intégrer les canaux 13 de circulation du fluide caloporteur dans une ou plusieurs parois horizontale(s) et/ou verticale(s) du boîtier B de protection dans lequel sont logés des modules M de batterie électrique.
Ainsi, le boîtier B permet d'une part de protéger les modules M de batterie des chocs et d'autre part, de réguler la température des modules M de batterie logés dans le boîtier B grâce à la mise en œuvre de canaux 13 de circulation d'un fluide caloporteur intégrés à une ou plusieurs de ces parois.
Les modes de réalisation décrits précédemment sont donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs.
Bien que non décrite, une combinaison de certains de ces modes de réalisation entre eux ne peut être exclue.
Les figures n'illustrent qu'une seule paroi du boîtier B munie de canaux 13 de circulation, en l'occurrence la paroi de fond du boîtier B de protection.
On comprend aisément que de tels canaux 13 de circulation peuvent être mis en œuvre sur une seule ou plusieurs des parois du boîtier B. Les canaux 13 peuvent être ménagés dans les parois latérales et/ou le couvercle du boîtier B de protection.
Il est à noter que les modules M de batterie sont en contact thermique direct avec les éléments de régulation thermique 12 afin d'optimiser les échanges thermiques entre le fluide caloporteur circulant dans les canaux 13 et les modules M de batterie.
Dans une variante, un matériau d'interface thermique peut être mis en œuvre entre les modules M et chacun des éléments de régulation thermique 12.
Il est à noter également que les éléments de régulation thermique 12 peuvent se présenter sous la forme de tubes, de plaques, ou de toute autre forme offrant une planéité suffisante pour assurer un contact optimal avec les modules M de batterie électrique.
L'alimentation des canaux 13 de circulation en fluide caloporteur peut se faire par le biais de tubulures internes ou externes au boîtier B, ou bien au moyen de canaux d'alimentation formés directement dans les parois du boîtier B de protection.
Ces canaux 13 et tubulures font partie d'une boucle de régulation thermique des batteries du véhicule.
Les parois du boîtier B de protection sont fabriquées dans un matériau composite, tel qu'un composite plastique, ce matériau présentant une bonne tenue/résistance mécanique pour un poids optimal.
Ainsi, les parois boîtier B de protection en composite assurent une bonne protection des modules M de batterie logés dans ce dernier contre les chocs ("crash").
Le composite utilisé pour fabriquer les parois du boîtier de protection peut être un polymère à renfort de fibres de carbone ou de fibres de verre, par exemple.
Les éléments de régulation thermique 12 sont fabriqués dans un matériau thermo-conducteur de sorte à optimiser les échanges thermiques entre les modules M de batterie et le fluide caloporteur circulant dans les canaux 13 intégré au boîtier B.
De préférence, les éléments de régulation thermique 12 sont fabriqués en métal, et plus particulièrement en aluminium, pour des questions de poids, de conduction thermique et de facilité d'assemblage.
II a été décrit plusieurs techniques de solidarisation de la paroi extérieure 10 avec les éléments de régulation thermique 12, à savoir le soudage, le collage, le remplissage de cavités par une résine ou bien la migration de matière entre la paroi extérieure et l'élément de régulation thermique pour permettre leur solidarisation.
D'autres techniques permettant cette solidarisation tout en garantissant une bonne étanchéité peuvent être mises en œuvre sans s'écarter du principe général de l'invention.
Par ailleurs, la forme des rainures 101 n'est pas limitée à une forme en créneaux ou en vagues.
On comprend bien évidemment que d'autres formes de rainures 101 peuvent être mises en œuvre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Boîtier (B) de protection d'au moins un module (M) de batterie électrique comprenant au moins un élément de régulation thermique (12) dudit au moins un module (M) fabriqué dans un matériau thermiquement conducteur,
caractérisé en ce que le boîtier (B) de protection est fabriqué dans un matériau composite, au moins une paroi (1) dudit boîtier (B) de protection portant sur sa surface intérieure (100) ledit au moins un élément de régulation thermique (12),
ledit au moins un élément de régulation thermique (12) délimitant seul, ou en combinaison avec ladite surface intérieure (100) de ladite au moins une paroi (1), au moins un canal (13) de circulation d'un fluide caloporteur.
2. Boîtier (B) de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite au moins une paroi (1) dudit boîtier (B) de protection présente au moins une rainure (101), ladite au moins une rainure (101) étant fermée par ledit au moins un élément de régulation thermique (12) pour délimiter ledit au moins un canal (13) de circulation.
3. Boîtier (B) de protection selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit au moins un élément de régulation thermique (12) se présente sous la forme d'une plaque fermant ladite au moins une rainure (101).
4. Boîtier (B) de protection selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit au moins un élément de régulation thermique (12) est solidarisé à ladite au moins une paroi (1) du boîtier (B) par soudage ou par collage.
5. Boîtier (B) de protection selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit au moins un élément de régulation thermique (12) est solidarisé à ladite au moins une paroi (1) du boîtier (B) de protection par migration de matière de ladite au moins une paroi (1) vers ledit au moins un élément de régulation thermique (12).
6. Boîtier (B) de protection selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins un élément de liaison (14) est surmoulé au niveau des extrémités dudit au moins un élément de régulation thermique (12), ledit au moins un élément de liaison (14) étant solidarisé à ladite au moins une paroi (1) dudit boîtier (B) de protection par soudage ou par collage.
7. Boîtier (B) de protection selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit au moins un élément de régulation thermique (12) comprend une plaque (122) portant au moins un tube (123) délimitant un canal (13) de circulation.
8. Boîtier (B) de protection selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins une paroi (1) dudit boîtier (B) de protection présente une forme correspondante à celle dudit au moins un élément de régulation thermique (12) obtenue par formage contre ledit au moins un élément de régulation thermique (12).
9. Boîtier (B) de protection selon la revendication 8, caractérisé en ce que des cavités (125) sont ménagées entre la surface extérieure dudit au moins un élément de régulation thermique et la surface intérieure (100) de ladite au moins une paroi (1) du boîtier (B), la solidarisation dudit au moins un élément de régulation thermique (12) avec ladite au moins une paroi (1) du boîtier (B) étant réalisée par remplissage desdites cavités (125) par une résine (126).
10. Pack batterie pour véhicule hybride ou électrique comprenant un boîtier (B) de protection selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel est logé au moins un module
(M) de batterie électrique.
PCT/FR2018/052436 2017-10-04 2018-10-03 Boîtier de protection d'un pack batterie intégrant des canaux de circulation d'un fluide caloporteur WO2019069020A1 (fr)

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