WO2022074016A1 - Système de refroidissement - Google Patents

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WO2022074016A1
WO2022074016A1 PCT/EP2021/077472 EP2021077472W WO2022074016A1 WO 2022074016 A1 WO2022074016 A1 WO 2022074016A1 EP 2021077472 W EP2021077472 W EP 2021077472W WO 2022074016 A1 WO2022074016 A1 WO 2022074016A1
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cooling
battery
cooling system
thermal interface
heat exchange
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PCT/EP2021/077472
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Philippe Recouvreur
Francois Plante
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Renault S.A.S
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Definitions

  • the invention relates to a cooling system.
  • Patent US9979058 discloses the use of a thermal interface whose thickness is increased in certain areas in order to maximize the heat exchange capacity between the cooling system and the battery.
  • this solution has the disadvantage of increasing the volume of the battery, due to the extra thickness of the thermal interface.
  • the object of the invention is to provide a device and a method for thermal management of vehicle batteries remedying the above drawbacks and improving the thermal management devices and methods known from the prior art.
  • the invention makes it possible to produce a device and a method which are simple and reliable and which promote a homogeneous distribution of the temperature in a battery without increasing the volume of said battery.
  • the invention relates to a cooling system for a battery for an electric or hybrid vehicle, said cooling system comprising a cooling device and a thermal interface,
  • the cooling device generating a movement of a cooling fluid between an entry point and an exit point in a cooling direction
  • the thermal interface having a first surface at least substantially in contact with the cooling device and a second so-called heat exchange surface, opposite the first surface, intended to come into contact with or close to a battery, and
  • the orthogonal projection of the heat exchange surface on a plane parallel to the first surface has substantially the shape of a funnel oriented along an axis parallel to the cooling direction.
  • the contour of said funnel shape is defined by a 1/X mathematical law.
  • the thermal interface is of constant thickness.
  • the invention also relates to a power supply system for an electric or hybrid vehicle, comprising a battery and a cooling system according to the invention, the battery being in contact with or close to the exchange interface of the cooling system .
  • the battery comprises several identical modules distributed according to the secondary direction
  • the heat exchange surface of the cooling system comprises a set of unit surfaces having a longitudinal axis parallel to the cooling direction, at least one unit surface being arranged between each module and the cooling device.
  • each module has a longitudinal axis of symmetry parallel to the cooling direction, and comprises a set of cells placed perpendicular to the longitudinal axis of symmetry and uniformly distributed along the longitudinal axis of symmetry, and
  • the contact surface between a first cell and the at least one unitary surface is smaller than the contact surface between a second cell, located further downstream than the first cell, and the at least one unit area.
  • all the unit surfaces of the thermal interface are identical.
  • the invention also relates to an electric or hybrid vehicle equipped with an electrical power supply system according to the invention.
  • the appended drawing shows, by way of example, one embodiment of a cooling system according to the invention.
  • FIG. 1 Figure 1 schematically shows a motor vehicle equipped with a cooling system according to the invention.
  • FIG. 2a shows one embodiment of a power supply system equipped with a cooling system in perspective view.
  • FIG. 2b shows one embodiment of a power supply system equipped with a cooling system in cross section.
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a power supply system equipped with a cooling system according to the invention.
  • Figure 4 shows a second embodiment of a power supply system equipped with a cooling system according to the invention.
  • FIG. 5 shows a third embodiment of a power supply system equipped with a cooling system according to the invention.
  • Figure 6 compares the evolution over time of the minimum and maximum temperatures of the cells of a battery equipped with a cooling system with and without implementation of the invention.
  • the vehicle 10 is an electric or hybrid motor vehicle of any type which can be, for example, a private vehicle, a utility vehicle, a truck or a bus.
  • the vehicle 10 is equipped with a power supply system 3.
  • the power supply system 3 comprises an electric battery 2 and a cooling system 1 .
  • the electric battery 2 can be an electric battery of any type.
  • the electric battery can be a lithium battery using Li-ion technology.
  • the electric battery may be an all solid lithium battery.
  • the battery 2 comprises a set of modules 21, as shown in Figures 2a and 2b, each module grouping together a plurality of battery cells 22 assembled in series or in parallel, as can be seen in Figures 4 to 6.
  • the cells comprise an assembly of electrodes implementing, for example, Li-ion technology or lithium metal technology.
  • the vehicle 10 is equipped with a cooling system 1 according to the invention.
  • the cooling system 1 comprises a thermal interface 11 and a cooling device 12.
  • the cooling device 12 may comprise a structure implementing a fluid displacement circuit between an entry point 121 and an exit point 122, as represented in FIG. 3.
  • the cooling device 12 can be passive, in other words boil down to the substantially linear displacement of the ambient air between an entry point and an exit point of the cooling device, the displacement of the air being generated by the movement of the vehicle carrying the cooling device.
  • the direction of air movement corresponds to the longitudinal axis of the vehicle equipped with the cooling device.
  • cooling device 12 can be implemented, in particular devices using the displacement of liquids (such as, for example, water, glycol water, refrigerant or even dielectric fluids). These so-called active devices require the materialization of a circuit by a pipe and the use of a pump to generate the movement of the liquid in the pipe.
  • liquids such as, for example, water, glycol water, refrigerant or even dielectric fluids.
  • the implementation of the heat exchange between the battery and the cooling fluid induces a progressive heating of the fluid as it is displacement in the cooling device 12.
  • cooling direction 13 For any cooling device implementing a given cooling circuit, it is therefore possible to define a so-called cooling direction 13, or main cooling direction 13.
  • the cooling direction 13 can be defined as an oriented straight line connecting the point of entry of the fluid into the cooling circuit to the point of exit of the fluid from the cooling circuit. It globally represents the direction of movement of the fluid in the cooling device 12.
  • the cooling direction 13 may correspond to the longitudinal axis of the motor vehicle 10.
  • the shape of the cooling circuit may vary depending on the cooling system.
  • the cooling direction 13 can be defined as an oriented axis materializing the main temperature gradient measured in the cooling fluid.
  • the cooling system 1 also comprises a thermal interface 11 whose function is to promote the transfer of heat from the battery 2 to the cooling device 12.
  • the thermal interface 11 can be made of different thermally conductive materials, including solid materials (for example pads), pasty (for example silicone), woolly, or even composite materials. These different materials are characterized by their thermal conductivity, i.e. the amount of heat that can be transferred in the material in a given time.
  • the thermal interface 11 can be maintained under pressure between the cooling device 12 and the battery 2, in particular to expel air bubbles which could harm thermal conduction between these two elements.
  • the thermal interface can be of variable thickness in one or more directions. Preferably, the thermal interface is of constant thickness.
  • the thermal interface 11 presents:
  • An increase in the transverse dimension of the heat exchange surface according to the cooling direction can be established according to different criteria.
  • the transverse dimension of the heat exchange surface increases strictly along the cooling direction 13.
  • the first dimension is strictly greater than the second dimension if and only if the point A is located strictly downstream of the point B according to the cooling direction.
  • the transverse dimension of the heat exchange surface increases globally along the cooling direction.
  • certain so-called decreasing segments of the heat exchange surface may have a local reduction in the transverse dimension of the heat exchange surface in the cooling direction.
  • the decreasing segments represent a limited proportion of the heat exchange surface.
  • a limitation can relate to the ratio between the surface of the decreasing segments and the total surface of the interface thermal.
  • the ratio between the area of the decreasing segments and the total area of the thermal interface may be less than 20%, or 10%, or even 5%.
  • a limitation may relate to the cumulative dimension of these segments according to their projection onto the cooling direction.
  • the sum of the lengths of the decreasing segments is less than a percentage of the total length of the heat exchange surface along the cooling direction, said decreasing segment lengths being measured along the cooling direction. This percentage can be set at a maximum value of 20%, or 10%, or even 5%.
  • the cooling system 1 is in contact with or close to a battery 2 comprising a set of identical battery modules 21. These modules are distributed uniformly along a secondary direction 14, perpendicular to the cooling direction 13 of the cooling system.
  • Each of these modules has a longitudinal axis along the cooling direction 13. It further comprises a set of identical battery cells 22, placed perpendicular to the longitudinal axis of the module 21 and uniformly distributed along this longitudinal axis. In other words, the battery cells are arranged perpendicular to the cooling direction and uniformly distributed along this cooling axis.
  • the heat exchange surface 112 consists of at least one unitary surface 113 per battery module.
  • unit area refers to each element monobloc of the heat exchange surface 112, that is to say each subset of the heat exchange surface 112 having a continuous heat exchange surface.
  • all the unit surfaces are identical, regardless of the battery module with which they are associated. In alternative embodiments not described, the unit surfaces could vary according to the module with which they are associated and/or within a group of unit surfaces associated with the same module.
  • a single module 21 of battery 2 is shown.
  • the battery 2 can nevertheless contain one or more modules, for example 20 modules.
  • FIG. 3 A first embodiment of a heat exchange interface 11 according to the invention is described in figure 3.
  • a single unit surface 113 is placed in contact with the cells 22 of the module.
  • the unitary surface 113 is substantially in the shape of a funnel oriented along the cooling direction, the narrowest part of the funnel being located in the upstream part of the direction of circulation of the cooling fluid.
  • the contour of the funnel shape is defined by a mathematical law in 1/X.
  • the contour of the unitary surface 113 can take a completely different form.
  • the contact surface between a cell 22 of a battery module and the unitary surface 113 associated with the module varies according to the position of the cell along the longitudinal axis of the module.
  • the contact surface increases according to the direction of cooling. In other words, the closer a battery cell is to the coolant inlet, the more its contact surface with the thermal interface is reduced. Conversely, the closer a cell is to the coolant outlet, the greater its contact surface with the thermal interface.
  • the contact surface between a first cell and the unit surface 113 is smaller than the contact surface between a second cell, located further downstream than the first cell, and the unit surface 113.
  • the heat exchange surface 112 when considering the assembly of the battery and of the cooling system, the heat exchange surface 112 consists of a set of unit surfaces 113 which are identical to each other and in the shape of a funnel, each unit surface being associated with a module of the battery 2.
  • the thermal resistance of the thermal interface 11 is determined by the following formula:
  • Rth (x) Eit/[Cth*S(x)] where:
  • - S(x) is the contact surface between the thermal interface and the at least one battery cell located at the abscissa x on an axis defined according to the cooling direction.
  • the thermal interface 11 therefore has a decreasing thermal resistance Rth along the cooling direction.
  • the decrease in the thermal resistance Rth along the cooling direction makes it possible to improve the homogeneity of the heat exchanges between the battery 2 and the cooling system 1 .
  • the increase in the temperature of the cooling fluid along the cooling direction is advantageously compensated by the reduction in the thermal resistance along this same direction.
  • Heat exchanges being more homogeneous according to the direction of cooling, the temperature of the cells of the battery is more homogeneous on the whole of the battery, in particular according to the direction of cooling.
  • Figure 6 illustrates the effect of implementing the invention according to the first embodiment.
  • a first battery equipped with a cooling system comprising a thermal interface 11 according to the first embodiment of the invention
  • a second battery identical to the first equipped with a cooling system comprising a thermal interface whose contact surface with the battery cells is uniform, in particular the contact surface between the thermal interface and the battery cells S(x) is constant along the cooling direction.
  • the measurements described below are carried out under similar conditions of use of the two vehicles.
  • the evolution over time of the minimum and maximum temperatures of the cells of the first battery equipping the first vehicle and of the second battery equipping the second vehicle is compared:
  • the ordinate axis 150 represents the temperature in degrees Celsius
  • the curve 101 represents the evolution of the maximum temperatures of the battery cells without implementation of the invention (the measurements are carried out on the second battery),
  • the curve 102 represents the evolution of the maximum temperatures of the battery cells with implementation of the invention (the measurements are carried out on the first battery),
  • the curve 103 represents the evolution of the minimum temperature of the battery cells without implementation of the invention (the measurements are carried out on the second battery),
  • the curve 104 represents the evolution of the minimum temperature of the battery cells with implementation of the invention (the measurements are carried out on the first battery).
  • Figure 6 shows that the curves 102 and 104 - representing the temporal evolution of the maximum and minimum temperatures of the cells of the first battery - are very close to each other and are located between the curves 101 and 103, representing these same data measured on the second battery.
  • the maximum temperature measured on the cells of the first battery is significantly lower than the maximum temperature measured on the cells of the second battery
  • the minimum temperature measured on the cells of the first battery is significantly higher than the minimum temperature measured on the cells of the second battery.
  • FIGS. 4 and 5 Alternative embodiments of a heat exchange interface 112 are shown in Figures 4 and 5.
  • a single module 21 of battery 2 is shown.
  • the battery 2 can nevertheless contain one or more modules.
  • FIG. 4 represents a battery module with which two unit surfaces 113 are associated
  • FIG. 5 represents a battery module with which three unit surfaces are associated 113
  • the unit surfaces 113 are substantially in the shape of a funnel oriented along the cooling direction, the narrowest part of the funnel being located in the upstream part of the direction of circulation of the cooling fluid.
  • the contour of the funnel shape is defined by a mathematical law in 1/X.
  • the outline of the unit surfaces 113 can take any other form, which can optionally vary from one unit surface to another.
  • the unit surfaces 113 are uniformly distributed along the secondary direction 14, perpendicular to the cooling direction 13 of the cooling system.
  • two unitary surfaces 113 are in contact with each of the cells of the battery module.
  • three unit surfaces 113 are in contact with each of the cells of the battery module.
  • the embodiments associating several unit surfaces 113 with each module can make it possible to homogenize the temperature of the cells along the secondary direction 14.
  • this embodiment makes it possible to limit the temperature differences inside the same cell between the areas of the cell in contact with the thermal interface and those which are not.
  • the embodiments presented relate to battery cooling systems for electric or hybrid vehicles whose geometry is generally simple. More generally, the invention can be applied to any thermal management system having a thermal interface 11 intended to be in contact with or close to a user system 2.
  • the invention consists in defining a heat exchange surface 112 allowing to standardize the action of the thermal management system 1 on the user system 2.
  • heat exchange surface 112 may be necessary to define the heat exchange surface 112 between the thermal interface 11 and the user system 2.
  • shape of the heat exchange surface 112 could be calculated using simulation tools, in particular three-dimensional.
  • the definition of the shape of the thermal interface 11 in particular of the heat exchange surface 112, can take into account the physical properties of the material constituting the thermal interface 11 , in particular its viscosity and its thermal conductivity. .
  • the definition of the shape of the thermal interface can also take into account the technical possibilities and limitations of the tools used to deposit the thermal interface between the user system 2 and the thermal management system 1 .
  • the advantages of the invention are multiple.
  • the purpose of the invention is in the first place to homogenize the action of the thermal management system on the user system, which facilitates the control of the temperature of the user system.
  • Better temperature control allows, among other things, to extend the life of the components of the user system, for example the life of the cells of a battery.
  • Better temperature control also helps to optimize the performance of the user system. For example, in the case of batteries, better temperature control of the battery allows it to be used in its optimal thermal operating range.
  • the invention makes it possible to optimize the quantity of material used to produce the thermal interface 11.
  • the invention makes it possible to reduce the quantity of material, inducing a reduction in manufacturing cost and mass of the management system thermal.
  • the invention makes it possible to reduce the flow rate of the fluid used by the thermal management system (in particular the cooling fluid).
  • the thermal management system in particular the cooling fluid
  • one of the conventional means used to homogenize the temperature of a battery consists in increasing the flow rate of the cooling fluid in order to increase the calorific power evacuated by the cooling system.
  • the thermal interface 11 according to the invention makes it possible to modulate the heat exchanges according to the temperature gradient of the coolant. This solution therefore makes it possible to homogenize the temperature of the user system without increasing the flow rate of the cooling fluid.
  • the invention therefore allows a gain on the size of components such as the pump generating the circulation of the coolant.

Abstract

Système de refroidissement (1) d'une batterie pour véhicule électrique ou hybride (10), ledit système de refroidissement comprenant un dispositif de refroidissement (12) et une interface thermique (11), caractérisé en ce que - le dispositif de refroidissement (12) génère un déplacement d'un fluide de refroidissement entre un point d'entrée (121) et un point de sortie (122) selon une direction de refroidissement (13), et - l'interface thermique (11) présente une première surface (111) au moins sensiblement en contact avec le dispositif de refroidissement et une deuxième surface (112) dite d'échange thermique, opposée à la première surface, destinée à venir en contact ou à proximité d'une batterie, et - la dimension de ladite surface d'échange thermique (112) selon une direction secondaire (14), perpendiculaire à la direction de refroidissement (13) du système de refroidissement, augmente selon la direction de refroidissement (13).

Description

DESCRIPTION
TITRE : Système de refroidissement
L’invention concerne un système de refroidissement.
Les performances des batteries de véhicules électriques ou hybrides dépendent fortement de leur température de fonctionnement. Il est donc nécessaire de maitriser les plages de températures auxquelles sont soumises de telles batteries.
A cet effet, la plupart des batteries de véhicules électriques ou hybrides sont équipées de systèmes de refroidissement intégrés. Ces systèmes mettent en œuvre une circulation de fluides liquides ou gazeux permettant un échange thermique entre le fluide et la batterie, via une interface thermique.
Ces systèmes de refroidissement présentent toutefois un inconvénient majeur : leur action n’est pas uniforme, ce qui génère un manque d’homogénéité de la température sur l’ensemble la batterie. Ce manque d’homogénéité complique de fait le maintien de la batterie dans une plage de températures donnée.
Un des moyens de contrôler l’homogénéité thermique d’une batterie consiste à augmenter fortement le débit massique du fluide de refroidissement. Cette solution nécessite néanmoins d’utiliser des pompes de taille importante et induit une surconsommation électrique.
Le brevet US9979058 divulgue l’utilisation d’une interface thermique dont l’épaisseur est augmentée en certaines zones afin de maximiser la capacité d’échange thermique entre le système de refroidissement et la batterie. Cette solution présente cependant l’inconvénient d’augmenter le volume de la batterie, du fait de la surépaisseur de l’interface thermique.
Le but de l’invention est de fournir un dispositif et un procédé de gestion thermique des batteries de véhicules remédiant aux inconvénients ci- dessus et améliorant les dispositifs et procédés de gestion thermique connus de l’art antérieur. En particulier, l’invention permet de réaliser un dispositif et un procédé qui soient simples et fiables et qui favorisent une répartition homogène de la température dans une batterie sans augmenter le volume de ladite batterie.
L’invention porte sur un système de refroidissement d’une batterie pour véhicule électrique ou hybride, ledit système de refroidissement comprenant un dispositif de refroidissement et une interface thermique,
- le dispositif de refroidissement générant un déplacement d’un fluide de refroidissement entre un point d’entrée et un point de sortie selon une direction de refroidissement, et
- l’interface thermique présentant une première surface au moins sensiblement en contact avec le dispositif de refroidissement et une deuxième surface dite d’échange thermique, opposée à la première surface, destinée à venir en contact ou à proximité d’une batterie, et
- la dimension de ladite surface d’échange thermique selon une direction secondaire, perpendiculaire à la direction de refroidissement du système de refroidissement, augmentant selon la direction de refroidissement.
Dans un mode de réalisation, la projection orthogonale de la surface d’échange thermique sur un plan parallèle à la première surface présente sensiblement une forme d’un entonnoir orienté selon un axe parallèle à la direction de refroidissement.
Dans un mode de réalisation, le contour de ladite forme d’entonnoir est défini par une loi mathématique en 1/X. Dans un mode de réalisation, l’interface thermique est d’épaisseur constante.
L’invention porte aussi sur un système d’alimentation électrique pour véhicule électrique ou hybride, comprenant une batterie et un système de refroidissement selon l’invention, la batterie étant en contact ou à proximité de l’interface d’échange du système de refroidissement.
Dans un mode de réalisation du système d’alimentation électrique,
- la batterie comprend plusieurs modules identiques répartis selon la direction secondaire,
- la surface d’échange thermique du système de refroidissement comprend un ensemble de surfaces unitaires présentant un axe longitudinal parallèle à la direction de refroidissement, au moins une surface unitaire étant disposée entre chaque module et le dispositif de refroidissement.
Dans un mode de réalisation du système d’alimentation électrique,
- chaque module présente un axe de symétrie longitudinal parallèle à la direction de refroidissement, et comprend un ensemble de cellules placées perpendiculairement à l’axe de symétrie longitudinal et réparties uniformément selon l’axe de symétrie longitudinal, et
- au sein d’un même module, la surface de contact entre une première cellule et l’au moins une surface unitaire est plus petite que la surface de contact entre une deuxième cellule, située plus en aval que la première cellule, et l’au moins une surface unitaire.
Dans un mode de réalisation du système d’alimentation électrique, toutes les surfaces unitaires de l’interface thermique sont identiques.
L’invention porte aussi sur un véhicule électrique ou hybride équipé d’un système d’alimentation électrique selon l’invention. Le dessin annexé représente, à titre d’exemple, un mode de réalisation d’un système de refroidissement selon l’invention.
[Fig. 1 ] La figure 1 représente de façon schématique un véhicule automobile équipé d’un système de refroidissement selon l’invention.
[Fig. 2a] La figure 2a représente un mode de réalisation d’un système d’alimentation électrique équipé d’un système de refroidissement en vue de perspective.
[Fig. 2b] La figure 2b représente un mode de réalisation d’un système d’alimentation électrique équipé d’un système de refroidissement en coupe transversale.
[Fig. 3] La figure 3 représente un premier mode de réalisation d’un système d’alimentation électrique équipé d’un système de refroidissement selon l’invention.
[Fig. 4] La figure 4 représente un deuxième mode de réalisation d’un système d’alimentation électrique équipé d’un système de refroidissement selon l’invention.
[Fig. 5] La figure 5 représente un troisième mode de réalisation d’un système d’alimentation électrique équipé d’un système de refroidissement selon l’invention.
[Fig. 6] La figure 6 compare l’évolution temporelle des températures minimale et maximale des cellules d’une batterie équipée d’un système de refroidissement avec et sans mise en œuvre de l’invention.
Un exemple d’un mode de réalisation d’un véhicule automobile 10 équipé d’un système de refroidissement 1 selon l’invention est décrit ci-après en référence à la figure 1 .
Le véhicule 10 est un véhicule automobile électrique ou hybride de tout type qui peut être, par exemple, un véhicule particulier, un véhicule utilitaire, un camion ou un autobus. Le véhicule 10 est équipé d’un système d’alimentation électrique 3.
Le système d’alimentation électrique 3 comprend une batterie électrique 2 et un système de refroidissement 1 .
La batterie électrique 2 peut être une batterie électrique de tout type. En particulier la batterie électrique peut être une batterie au lithium utilisant la technologie Li-ion. Alternativement, la batterie électrique peut être une batterie lithium tout solide.
Dans un mode de réalisation, la batterie 2 comprend un ensemble de modules 21 , comme représenté sur les figures 2a et 2b, chaque module regroupant une pluralité de cellules de batteries 22 assemblées en série ou en parallèle, comme cela est visible sur les figures 4 à 6. Les cellules comprennent un assemblage d’électrodes mettant en œuvre, par exemple, la technologie Li-ion ou la technologie lithium métal.
Le véhicule 10 est équipé d’un système de refroidissement 1 selon l’invention.
Le système de refroidissement 1 comprend une interface thermique 11 et un dispositif de refroidissement 12.
Le dispositif de refroidissement 12 peut comprendre une structure mettant en œuvre un circuit de déplacement d’un fluide entre un point d’entrée 121 et un point de sortie 122, comme représenté sur la figure 3.
Dans un mode de réalisation minimal, le dispositif de refroidissement 12 peut être passif, autrement dit se résumer au déplacement sensiblement linéaire de l’air ambiant entre un point d’entrée et un point de sortie du dispositif de refroidissement, le déplacement de l’air étant généré par le déplacement du véhicule porteur du dispositif de refroidissement. Avantageusement, la direction de déplacement de l’air correspond à l’axe longitudinal du véhicule équipé du dispositif de refroidissement.
D’autres modes de réalisation du dispositif de refroidissement 12 peuvent être mis en œuvre, notamment des dispositifs utilisant le déplacement de liquides (comme par exemple de l’eau, de l’eau glycolée, du fluide frigorigène ou encore des fluides diélectriques). Ces dispositifs dits actifs nécessitent la matérialisation d’un circuit par une tuyauterie et l’utilisation d’une pompe pour générer le déplacement du liquide dans la tuyauterie.
Quel que soit le mode de réalisation du déplacement du fluide et quelle que soit la nature du fluide, la mise en œuvre de l’échange thermique entre la batterie et le fluide de refroidissement induit un réchauffement progressif du fluide au fur et à mesure de son déplacement dans le dispositif de refroidissement 12.
Pour tout dispositif de refroidissement mettant en œuvre un circuit de refroidissement donné, on peut donc définir une direction dite de refroidissement 13, ou direction principale de refroidissement 13.
De façon générale, la direction de refroidissement 13 peut être définie comme une droite orientée reliant le point d’entrée du fluide dans le circuit de refroidissement au point de sortie du fluide hors du circuit de refroidissement. Elle représente globalement la direction de déplacement du fluide dans le dispositif de refroidissement 12.
Dans des modes de réalisation, notamment lorsque le dispositif de refroidissement 12 est passif, la direction de refroidissement 13 peut correspondre à l’axe longitudinal du véhicule automobile 10.
Lorsque le système de refroidissement est actif, la forme du circuit de refroidissement peut varier selon le système de refroidissement. La direction de refroidissement 13 peut être définie comme un axe orienté matérialisant le gradient de température principal mesuré dans le fluide de refroidissement.
Le système de refroidissement 1 comprend également une interface thermique 11 ayant pour fonction de favoriser le transfert de chaleur de la batterie 2 vers le dispositif de refroidissement 12.
L’interface thermique 11 peut être réalisée en différents matériaux thermoconducteurs, parmi lesquels des matériaux solides (par exemple des coussinets), pâteux (par exemple en silicone), laineux, ou encore composites. Ces différents matériaux sont caractérisés par leur conductivité thermique, c’est-à-dire la quantité de chaleur pouvant être transférée dans le matériau en un temps donné.
L’interface thermique 11 peut être maintenue en pression entre le dispositif de refroidissement 12 et la batterie 2, notamment pour chasser des bulles d’air qui pourraient nuire à la conduction thermique entre ces deux éléments.
L’interface thermique peut être d’épaisseur variable selon une ou plusieurs directions. Préférentiellement, l’interface thermique est d’épaisseur constante.
L’interface thermique 11 présente :
- une première surface 111 en contact avec le dispositif de refroidissement 12, et
- une deuxième surface 112 dite d’échange thermique, opposée à la première surface 111 , destinée à venir en contact ou à proximité de la batterie 2. La dimension, dite transversale, de la surface d’échange thermique 112 selon une direction secondaire 14 -perpendiculaire à la direction de refroidissement 13 du système de refroidissement- augmente selon la direction de refroidissement 13. Une telle architecture permet notamment de compenser l’augmentation de la température du fluide de refroidissement par une augmentation de la surface d’échange, ce qui permet de tendre vers une homogénéisation de la chaleur échangée, ce qui induit une homogénéisation de la température de la batterie.
Une augmentation de la dimension transversale de la surface d’échange thermique selon la direction de refroidissement peut être établie en fonction de différents critères.
Selon un premier critère correspondant à une augmentation stricte, la dimension transversale de la surface d’échange thermique augmente strictement selon la direction de refroidissement 13. Autrement dit, quel que soit le point de mesure A d’une première dimension transversale de la surface d’échange thermique et quel que soit le point de mesure B d’une deuxième dimension transversale de la surface d’échange thermique, la première dimension est strictement supérieure à la deuxième dimension si et seulement si le point A se situe strictement en aval du point B selon la direction de refroidissement.
Selon un deuxième critère correspondant à une augmentation moyennée, la dimension transversale de la surface d’échange thermique augmente globalement selon la direction de refroidissement.
Par exemple, dans un mode de réalisation de l’interface thermique selon l’invention, certains segments dits décroissants de la surface d’échange thermique peuvent présenter une diminution locale de la dimension transversale de la surface d’échange thermique selon la direction de refroidissement.
Les segments décroissants représentent une proportion limitée de la surface d’échange thermique. Une limitation peut porter sur le ratio entre la surface des segments décroissants et la surface totale de l’interface thermique. Par exemple le ratio entre la surface des segments décroissants et la surface totale de l’interface thermique peut être inférieur à 20%, ou 10%, voire 5%.
Alternativement ou complémentairement, une limitation peut porter sur la dimension cumulée de ces segments selon leur projection sur la direction de refroidissement. Par exemple la somme des longueurs des segments décroissants est inférieure à un pourcentage de la longueur totale de la surface d’échange thermique selon la direction de refroidissement, lesdites longueurs de segments décroissants étant mesurées selon la direction de refroidissement. Ce pourcentage peut être fixé à une valeur maximale de 20%, ou 10%, voire 5%.
Différents modes de réalisation d’une surface d’échange thermique 112 faisant partie d’un système de refroidissement 1 selon l’invention sont décrits ci-après en référence aux figures 3 à 5.
Dans ces différents modes de réalisation, le système de refroidissement 1 est au contact ou à proximité d’une batterie 2 comprenant un ensemble de modules 21 de batterie identiques. Ces modules sont répartis uniformément selon une direction secondaire 14, perpendiculaire à la direction de refroidissement 13 du système de refroidissement.
Chacun de ces modules présente un axe longitudinal selon la direction de refroidissement 13. Il comprend en outre un ensemble de cellules 22 de batterie identiques, placées perpendiculairement à l’axe longitudinal du module 21 et réparties uniformément selon cet axe longitudinal. Autrement dit, les cellules de batterie sont disposées perpendiculairement à la direction de refroidissement et réparties uniformément selon cet axe de refroidissement.
Dans chacun des modes de réalisation présentés, la surface d’échange thermique 112 est constituée d’au moins une surface unitaire 113 par module de batterie. Le terme « surface unitaire » désigne chaque élément monobloc de la surface d’échange thermique 112, c’est-à-dire chaque sous-ensemble de la surface d’échange thermique 112 présentant une surface d’échange thermique continue.
Dans chacun des modes de réalisation présentés, toutes les surfaces unitaires sont identiques, quel que soit le module de batterie auquel elles sont associées. Dans des modes de réalisation alternatifs non décrits, les surfaces unitaires pourraient varier selon le module auquel elles sont associées et/ou au sein d’un groupe de surfaces unitaires associées à un même module.
Dans les figures 3 à 5, un seul module 21 de la batterie 2 est représenté. La batterie 2 peut néanmoins contenir un ou plusieurs modules, par exemple 20 modules.
Un premier mode de réalisation d’une interface d’échange thermique 11 selon l’invention est décrit dans la figure 3.
Dans ce mode de réalisation, pour chaque module 21 de la batterie, une seule surface unitaire 113 est placée au contact des cellules 22 du module. La surface unitaire 113 est sensiblement en forme d’un entonnoir orienté selon la direction de refroidissement, la partie la plus étroite de l’entonnoir se situant dans la partie amont du sens de circulation du fluide de refroidissement. Préférentiellement, le contour de la forme d’entonnoir est défini par une loi mathématique en 1/X. Alternativement, le contour de la surface unitaire 113 peut prendre une toute autre forme.
Ainsi, la surface de contact entre une cellule 22 d’un module de batterie et la surface unitaire 113 associée au module varie en fonction de la position de la cellule selon l’axe longitudinal du module. Notamment la surface de contact augmente selon la direction de refroidissement. Autrement dit, plus une cellule de batterie est proche de l’entrée du fluide de refroidissement, plus sa surface de contact avec l’interface thermique est réduite. A l’inverse, plus une cellule est proche de la sortie du fluide de refroidissement, plus sa surface de contact avec l’interface thermique est importante.
Autrement dit, au sein d’un même module, la surface de contact entre une première cellule et la surface unitaire 113 est plus petite que la surface de contact entre une deuxième cellule, située plus en aval que la première cellule, et la surface unitaire 113.
Dans ce mode de réalisation, lorsque l’on considère l’ensemble de la batterie et du système de refroidissement, la surface d’échange thermique 112 est constituée d’un ensemble de surfaces unitaires 113 identiques entre elles et en forme d’entonnoir, chaque surface unitaire étant associée à un module de la batterie 2.
La résistance thermique de l’interface thermique 11 est déterminée par la formule suivante :
Rth (x) = Eit/[Cth*S(x)] où :,
- En est l’épaisseur de l’interface thermique 11 , supposée constante dans ce mode de réalisation,
- Cth est la conductivité thermique du matériau constituant l’interface thermique ; Cth est constante,
- S(x) est la surface de contact entre l’interface thermique et l’au moins une cellule de batteries située à l’abscisse x sur un axe défini selon la direction de refroidissement.
Etant donnée la forme de la surface d’échange thermique 112 précédemment définie, S(x) est une fonction croissante de x. L’interface thermique 11 présente donc une résistance thermique Rth décroissante selon la direction de refroidissement. La diminution de la résistance thermique Rth selon la direction de refroidissement permet d’améliorer l’homogénéité des échanges thermiques entre la batterie 2 et le système de refroidissement 1 . En effet, l’augmentation de la température du fluide de refroidissement selon la direction de refroidissement est avantageusement compensée par la diminution de la résistance thermique selon cette même direction.
Les échanges thermiques étant plus homogènes selon la direction de refroidissement, la température des cellules de la batterie est plus homogène sur l’ensemble de la batterie, en particulier selon la direction de refroidissement.
La figure 6 illustre l’effet de la mise en œuvre de l’invention selon le premier mode de réalisation.
Une comparaison est effectuée entre
- d’une part une première batterie équipée d’un système de refroidissement comprenant une interface thermique 11 selon le premier mode de réalisation de l’invention,
- d’autre part une deuxième batterie identique à la première, équipée d’un système de refroidissement comprenant une interface thermique dont la surface de contact avec les cellules de batterie est uniforme, en particulier la surface de contact entre l’interface thermique et les cellules de batterie S(x) est constante selon la direction de refroidissement.
La première batterie équipe un premier véhicule et la deuxième batterie équipe un deuxième véhicule identique au premier véhicule. Les mesures décrites ci-après sont effectuées dans des conditions similaires d’usage des deux véhicules. On compare l’évolution temporelle des températures minimales et maximales des cellules de la première batterie équipant le premier véhicule et de la deuxième batterie équipant le deuxième véhicule :
- l’axe des ordonnées 150 représente la température en degrés Celsius,
- la courbe 101 représente l’évolution du maximum des températures des cellules de batterie sans mise en œuvre de l’invention (les mesures sont effectuées sur la deuxième batterie),
- la courbe 102 représente l’évolution du maximum des températures des cellules de batterie avec mise en œuvre de l’invention (les mesures sont effectuées sur la première batterie),
- la courbe 103 représente l’évolution du minimum des températures des cellules de batterie sans mise en œuvre de l’invention (les mesures sont effectuées sur la deuxième batterie),
- la courbe 104 représente l’évolution du minimum des températures des cellules de batterie avec mise en œuvre de l’invention (les mesures sont effectuées sur la première batterie).
La figure 6 montre que les courbes 102 et 104 - représentant l’évolution temporelle des températures maximum et minimum des cellules de la première batterie - sont très proches l’une de l’autre et se situent entre les courbes 101 et 103, représentant ces mêmes données mesurées sur la deuxième batterie.
Autrement dit,
- les écarts en température entre les cellules de la première batterie (équipée de l’invention) sont nettement plus faibles que les écarts en température entre les cellules de la deuxième batterie,
- la température maximale mesurée sur les cellules de la première batterie est significativement moins élevée que la température maximale mesurée sur les cellules de la deuxième batterie,
- la température minimale mesurée sur les cellules de la première batterie est significativement plus élevée que la température minimale mesurée sur les cellules de la deuxième batterie.
On montre ainsi que la mise en œuvre de l’invention permet d’homogénéiser la température des cellules d’une batterie.
Des modes de réalisation alternatifs d’une interface d’échange thermique 112 sont représentés dans les figures 4 et 5. Un seul module 21 de la batterie 2 est représenté. La batterie 2 peut néanmoins contenir un ou plusieurs modules.
Dans ces modes de réalisations, plusieurs surfaces unitaires 113 sont associées à chaque module de batterie 21 : la figure 4 représente un module de batterie auquel sont associés deux surfaces unitaires 113, la figure 5 représente un module de batterie auquel sont associés trois surfaces unitaires 113. Dans ces deux modes de réalisation, les surfaces unitaires 113 sont sensiblement en forme d’un entonnoir orienté selon la direction de refroidissement, la partie la plus étroite de l’entonnoir se situant dans la partie amont du sens de circulation du fluide de refroidissement. Préférentiellement, le contour de la forme d’entonnoir est défini par une loi mathématique en 1/X. Alternativement, le contour des surfaces unitaires 113 peut prendre une toute autre forme, qui peut optionnellement varier d’une surface unitaire à l’autre.
Les surfaces unitaires 113 sont réparties uniformément selon la direction secondaire 14, perpendiculaire à la direction de refroidissement 13 du système de refroidissement.
Ainsi, dans le mode de réalisation représenté dans la figure 4, deux surfaces unitaires 113 sont au contact de chacune des cellules du module de batterie. De même, dans le mode de réalisation représenté dans la figure 5, trois surfaces unitaires 113 sont au contact de chacune des cellules du module de batterie.
En fonction des dimensions des cellules de batterie, les modes de réalisation associant plusieurs surfaces unitaires 113 à chaque module peuvent permettre d’homogénéiser la température des cellules selon la direction secondaire 14. Autrement dit, chaque cellule de batterie étant en contact avec plusieurs surfaces unitaires, ce mode de réalisation permet de limiter les différences de température à l’intérieur d’une même cellule entre les zones de la cellule en contact avec l’interface thermique et celles qui ne le sont pas.
Les modes de réalisation présentés concernent des systèmes de refroidissement de batterie pour véhicule électrique ou hybride dont la géométrie est en général simple. Plus généralement, l’invention peut s’appliquer à tout système de gestion thermique présentant une interface thermique 11 destinée à être en contact ou à proximité d’un système utilisateur 2. L’invention consiste à définir une surface d’échange thermique 112 permettant d’homogénéiser l’action du système de gestion thermique 1 sur le système utilisateur 2.
Selon la géométrie du système utilisateur 2, des calculs complexes peuvent être nécessaires pour définir la surface d’échange thermique 112 entre l’interface thermique 11 et le système utilisateur 2. Par exemple, la forme de la surface d’échange thermique 112 pourra être calculée en utilisant des outils de simulation, notamment tridimensionnels.
En outre, la définition de la forme de l’interface thermiquel l , notamment de la surface d’échange thermique 112, peut tenir compte des propriétés physiques du matériau constituant l’interface thermique 11 , en particulier de sa viscosité et de sa conductivité thermique. La définition de la forme de l’interface thermique peut également tenir compte des possibilités et limitations techniques des outils servant à déposer l’interface thermique entre le système utilisateur 2 et le système de gestion thermique 1 .
Les avantages de l’invention sont multiples. La finalité de l’invention est en premier lieu d’homogénéiser l’action du système de gestion thermique sur le système utilisateur, ce qui facilite le contrôle de la température du système utilisateur. Un meilleur contrôle de la température permet entre autres de prolonger la durée de vie des constituants du système utilisateur, par exemple la durée de vie des cellules d’une batterie. Un meilleur contrôle de la température permet en outre d’optimiser les performances du système utilisateur. Par exemple, dans le cas des batteries, un meilleur contrôle de la température de la batterie permet de l’utiliser dans sa plage de fonctionnement thermique optimale.
Par ailleurs, l’invention permet d’optimiser la quantité de matériau utilisée pour réaliser l’interface thermique 11. Avantageusement, l’invention permet de réduire la quantité de matériau, induisant une réduction de coût de fabrication et de masse du système de gestion thermique.
De plus, l’invention permet de réduire le débit du fluide utilisé par le système de gestion thermique (notamment le fluide de refroidissement). Par exemple, un des moyens classiques utilisés pour homogénéiser la température d’une batterie consiste à augmenter le débit du fluide de refroidissement afin d’augmenter la puissance calorifique évacuée par le système de refroidissement. Or l'interface thermique 11 selon l’invention permet de moduler les échanges thermiques en fonction du gradient de températures du liquide de refroidissement. Cette solution permet donc d’homogénéiser la température du système utilisateur sans augmenter le débit du fluide de refroidissement. L’invention permet donc un gain sur la taille de composants tels que la pompe générant la circulation du fluide de refroidissement.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de refroidissement (1 ) d’une batterie pour véhicule électrique ou hybride (10), ledit système de refroidissement comprenant un dispositif de refroidissement (12) et une interface thermique (11 ), caractérisé en ce que
- le dispositif de refroidissement (12) génère un déplacement d’un fluide de refroidissement entre un point d’entrée (121 ) et un point de sortie (122) selon une direction de refroidissement (13), et
- l’interface thermique (11 ) présente une première surface (111 ) au moins sensiblement en contact avec le dispositif de refroidissement et une deuxième surface (112) dite d’échange thermique, opposée à la première surface, destinée à venir en contact ou à proximité d’une batterie, et
- la dimension de ladite surface d’échange thermique (112) selon une direction secondaire (14), perpendiculaire à la direction de refroidissement (13) du système de refroidissement, augmente selon la direction de refroidissement (13).
2. Système de refroidissement (1 ) selon la revendication précédente caractérisé en ce que la projection orthogonale de la surface d’échange thermique (112) sur un plan parallèle à la première surface (111 ) présente sensiblement une forme d’un entonnoir orienté selon un axe parallèle à la direction de refroidissement (13).
3. Système de refroidissement (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le contour de ladite forme d’entonnoir est défini par une loi mathématique en 1/X.
4. Système de refroidissement (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’interface thermique (11 ) est d’épaisseur constante.
5. Système d’alimentation électrique (3) pour véhicule électrique ou hybride, comprenant une batterie (2) et un système de refroidissement (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la batterie est en contact ou à proximité de l’interface d’échange (11 ) du système de refroidissement. Système d’alimentation électrique (3) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que :
- la batterie (2) comprend plusieurs modules (21 ) identiques répartis selon la direction secondaire (14),
- la surface d’échange thermique (112) du système de refroidissement comprend un ensemble de surfaces unitaires (113) présentant un axe longitudinal parallèle à la direction de refroidissement, au moins une surface unitaire (113) étant disposée entre chaque module et le dispositif de refroidissement (12). Système d’alimentation électrique (3) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que
- chaque module (21 ) présente un axe de symétrie longitudinal parallèle à la direction de refroidissement (13), et comprend un ensemble de cellules (22) placées perpendiculairement audit axe de symétrie longitudinal et réparties uniformément selon ledit axe de symétrie longitudinal, et
- au sein d’un même module, la surface de contact entre une première cellule et l’au moins une surface unitaire (113) est plus petite que la surface de contact entre une deuxième cellule, située plus en aval que la première cellule, et l’au moins une surface unitaire (113). Système d’alimentation électrique (3) selon l’une des revendications 5 à 7, caractérisée en ce que toutes les surfaces unitaires (113) de l’interface thermique (112) sont identiques. Véhicule électrique ou hybride (10) équipé d’un système d’alimentation électrique (3) selon l’une des revendications 5 à 8.
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