FR2955976A1

FR2955976A1 - Bac de stockage et de refroidissement de modules de batteries d'accumulateurs

Info

Publication number: FR2955976A1
Application number: FR1000386A
Authority: FR
Inventors: Jerome Estienne
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-08-05

Abstract

L'invention concerne un bac de stockage (10) de modules de batteries d'accumulateurs, comprenant deux parois principales (11, 12) bordées par une paroi latérale (13) qui délimite un logement d'accueil (10A) d'au moins deux empilements (20) de modules de batteries d'accumulateurs (23). Selon l'invention, une première desdites parois principales est réalisée en matière métallique et il est prévu des moyens de fixation desdits empilements à l'intérieur du logement d'accueil agencés de telle manière que l'une des faces d'extrémité de chaque empilement s'applique contre ladite première paroi principale.

Description

DOMAINE TECHNIQUE AUQUEL SE RAPPORTE L'INVENTION La présente invention concerne de manière générale les véhicules électriques. Elle concerne plus particulièrement un bac de stockage de modules de batteries d'alimentation en courant d'un moteur électrique de véhicule automobile, qui comprend deux parois principales en vis-à-vis bordées par une paroi latérale délimitant un logement d'accueil d'au moins deux empilements de modules de batteries d'accumulateurs. Elle concerne également un boîtier d'accumulateurs comportant un bac de stockage tel que précité et au moins deux empilements de modules de batteries d'accumulateurs logés à l'intérieur du logement d'accueil de ce bac. ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE Les véhicules automobiles à propulsion électrique sont généralement équipés d'un moteur électrique alimenté par une pluralité de modules de batteries d'accumulateurs de tailles réduites. Le nombre de modules de batteries d'accumulateurs est calculé pour que le moteur électrique puisse développer un couple et une puissance suffisants pour propulser le véhicule. Lorsque les modules de batteries d'accumulateurs alimentent le moteur électrique, une part importante de l'énergie qu'ils développent est libérée sous forme de chaleur. II est alors nécessaire de refroidir les batteries d'accumulateurs de manière que leur température n'excède jamais un seuil au-delà duquel elles risquent de se détériorer de manière irréversible, qui est généralement de l'ordre de 60 degrés Celsius. On connaît à cet effet du document JP 2006 318820 un bac de stockage du type précité, qui est agencé pour loger et refroidir une pluralité de modules de batteries d'accumulateurs. Dans ce document, les modules de batteries d'accumulateurs sont positionnés à distance des parois du bac de stockage et à distance les uns des autres de manière qu'un flux d'air frais puisse circuler entre eux et les refroidir par convection.

L'un des inconvénients de ce bac de stockage est que l'air qui y circule se réchauffe progressivement au contact des modules de batteries d'accumulateurs, si bien que les modules placés en amont du flux d'air sont mieux refroidis que ceux situés en aval de ce flux. On constate alors une hétérogénéité de températures entre les modules de batteries d'accumulateurs.

La température des modules de batteries d'accumulateurs est en outre très sensible aux variations de températures de l'air frais qui circule dans le bac. Ces variations de températures d'air frais, qui interviennent par exemple à la tombée de la nuit, sont alors dommageables pour les modules de batteries d'accumulateurs. Par ailleurs, pour assurer une bonne circulation du flux d'air, il est nécessaire d'espacer suffisamment les modules de batteries d'accumulateurs les uns des autres, au détriment de l'encombrement global du bac. Enfin, au-delà d'un certain nombre de modules de batteries d'accumulateurs dans le bac, il est nécessaire de prévoir un ventilateur pour forcer la circulation d'air afin d'assurer un refroidissement des modules suffisant, aux dépens du coût du bac de stockage.

OBJET DE L'INVENTION Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose un nouveau bac de stockage d'encombrement réduit, peu onéreux et permettant de réguler au mieux la température des modules de batteries d'accumulateurs qu'il loge.

Plus particulièrement, on propose selon l'invention un bac de stockage tel que défini dans l'introduction, dans lequel une première des parois principales est réalisée dans une matière présentant une conductivité thermique supérieure à 10 W.m-'.K-1 et dans lequel il est prévu des moyens de fixation des empilements de modules à l'intérieur du logement d'accueil qui sont agencés de telle manière qu'une face d'extrémité de chaque empilement s'applique contre ladite première paroi principale. Ainsi, grâce à l'invention, la chaleur dégagée par les modules de batteries d'accumulateurs est non seulement évacuée par convection grâce à l'air frais qui circule dans le bac, mais également par conduction au travers de la première paroi principale. Cette première paroi principale permet en outre d'homogénéiser la température des différents empilements, en transmettant la chaleur des empilements les plus chauds aux empilements les plus froids. Grâce à son inertie thermique, la première paroi principale permet aussi de réguler les variations de températures de l'air frais qui circule dans le bac, en limitant la vitesse de variation de température des modules de batteries d'accumulateurs. Enfin, puisque les modules de batteries d'accumulateurs sont empilés les uns sur les autres et sont positionnés directement au contact de la première paroi principale, l'encombrement du bac de stockage reste réduit. Le matériau utilisé pour réaliser la première paroi principale sera préférentiellement métallique, dont la conductivité thermique est supérieure à 10 W.m-'.K-1 à 20°C. Un alliage d'aluminium, présentant une conductivité thermique supérieure à 100 W.m-'.K-1 à 20°C pourra en particulier être utilisé. D'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives du bac de stockage conforme à l'invention sont les suivantes : - lesdits moyens de fixation sont agencés de telle manière qu'une autre face d'extrémité de chaque empilement s'applique contre l'autre paroi principale, de manière à optimiser les échanges de chaleur ; - ladite première paroi principale présente une épaisseur strictement supérieure à l'épaisseur de ladite paroi latérale, de telle sorte qu'elle forme un réservoir de chaleur de grande capacité ; - il est prévu des ailettes de refroidissement qui s'étendent à partir de ladite première paroi principale vers l'intérieur dudit logement d'accueil, de manière à optimiser le transfert de chaleur depuis l'intérieur du bac de stockage vers la première paroi principale qui forme le réservoir de chaleur ; et - il est prévu au moins une entrée d'air frais dans le logement d'accueil et au moins une sortie d'air chaud hors du logement d'accueil. On propose également selon l'invention un boîtier d'accumulateurs tel que défini dans l'introduction, qui comporte un bac de stockage tel que précité. Des caractéristiques avantageuses et non limitatives de ce boîtier d'accumulateurs sont les suivantes : - les ailettes de refroidissement sont situées à distance desdits empilements ; - lesdits empilements sont situés à distance de la paroi latérale du bac de stockage, de manière à permettre une circulation d'air entre les empilements et cette paroi latérale du bac de stockage ; - lesdits empilements sont situés à distance les uns des autres, de manière à permettre une circulation d'air entre les empilements dans un couloir défini entre eux ; - lesdits empilements s'étendant sur au moins deux rangées, ladite entrée d'air frais débouche entre lesdites deux rangées et deux sorties d'air chaud débouchent de part et d'autre desdites deux rangées. DESCRIPTION DÉTAILLÉE D'UN EXEMPLE DE RÉALISATION La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. Sur les dessins annexés : - la figure 1 est une vue coupée en perspective d'un boîtier d'accumulateurs comportant un bac de stockage selon l'invention, qui loge une pluralité d'empilements de modules de batteries d'accumulateurs ; - la figure 2 est une vue coupée en perspective d'une variante de réalisation du boîtier d'accumulateurs de la figure 1 ; et - la figure 3 est une vue coupée de dessus du boîtier d'accumulateurs de la figure 1. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un boîtier d'accumulateurs 1 qui comporte un bac de stockage 10 et des modules de batteries d'accumulateurs 23 logés dans le bac de stockage 10.

Dans la suite de la description, il sera fait référence au repère orthonormé L, V, T indiqué sur cette figure, dans lequel l'axe L est l'axe longitudinal, l'axe V est l'axe vertical et l'axe T est l'axe transversal du bac de stockage 10. Ce boîtier d'accumulateurs a une fonction de batterie. Il est adapté à être utilisé pour alimenter en courant un moteur électrique de véhicule automobile à propulsion exclusivement électrique ou partiellement électrique (hybride). Dans l'exemple décrit, ce boîtier d'accumulateur est agencé pour être fixé sous le châssis du véhicule automobile. Les modules de batteries d'accumulateurs 23 se présentent ici sous la forme de parallélépipèdes de dimensions identiques. Ils permettent, lorsqu'ils sont correctement connectés les uns aux autres, d'alimenter le moteur électrique avec une tension et un courant souhaités. Ces modules de batteries d'accumulateurs 23 présentent ici une épaisseur d'environ 35 millimètres, une largeur d'environ 220 millimètres et une longueur d'environ 300 millimètres. Leurs faces supérieure et inférieure sont sensiblement planes. Chaque module de batterie d'accumulateurs 23 présente, le long du bord périphérique de sa face supérieure, un rebord (non représenté sur les figures) dans lequel la face inférieure d'un autre module de batterie d'accumulateurs 23 peut venir s'emboîter. Les modules de batteries d'accumulateurs 23 peuvent ainsi être stockés par empilements 20, en accolant les faces inférieure et supérieure sensiblement planes de chacun des modules. Grâce à la forme parallélépipédique des modules de batteries d'accumulateurs 23, chaque empilement 20 présente un encombrement réduit. Cette forme parallélépipédique favorise en outre les échanges de chaleur au sein de chaque empilement 20, ce qui assure une homogénéité de températures entre les modules de batteries d'accumulateurs 23 de chaque empilement 20. Tel que représenté sur la figure 1, chaque empilement 20 comporte neuf modules d'accumulateurs 23. Bien sûr, en variante, on pourra prévoir de stocker les modules par empilements comportant un nombre plus important ou au contraire plus restreint de modules de batteries d'accumulateurs 23. Le bac de stockage 10 est quant à lui conçu pour stocker ces empilements 20 et pour permettre l'évacuation de la chaleur générée par ces modules de batteries d'accumulateurs 23. Le bac de stockage 10 se présente à cet effet sous la forme d'une boîte parallélépipédique comprenant une paroi inférieure 12 rectangulaire bordée du côté de sa face supérieure par une paroi latérale 13 pour délimiter un logement d'accueil 10A des empilements 20. II comporte en outre une paroi supérieure 11, ici amovible, qui forme un couvercle de fermeture du logement d'accueil 10A. Une fois cette paroi supérieure 11 refermée sur le logement d'accueil 10A, sa face supérieure est directement au contact de l'air extérieur. Dans l'exemple décrit, la paroi supérieure 11 du bac de stockage 10 est placée en regard du châssis du véhicule et la paroi inférieure 12 est placée en regard du sol. Cette forme de boîte parallélépipédique n'est bien sûr pas limitative. On pourra par exemple prévoir que la paroi inférieure et la paroi latérale du bac de stockage se confondent pour former ensemble un réceptacle bombé d'accueil des empilements de modules de batteries d'accumulateurs. Le bac de stockage 10 comporte par ailleurs des moyens de fixation des empilements 20 à l'intérieur du logement d'accueil 10A. Ces moyens de fixation peuvent être de toutes sortes, en particulier mécaniques ou chimiques. Un exemple de moyens de fixation mécanique d'un empilement 20 serait un renfoncement prévu dans la paroi inférieure 12 du bac de stockage 10, permettant de bloquer le module de batterie d'accumulateurs 23 situé au-dessous de cet empilement 20.

Un exemple de moyens de fixation chimique d'un empilement 20 serait une couche de colle interposée entre la face intérieure de la paroi inférieure 12 du bac de stockage 10 et la face inférieure du module de batterie d'accumulateurs 23 situé au-dessous de cet empilement 20. Quels que soient les moyens de fixation utilisés et selon une caractéristique particulièrement avantageuse de l'invention, la paroi supérieure 11 du bac de stockage 10 est réalisée en matière thermiquement conductrice, par exemple en métal, et les moyens de fixation des modules de batteries d'accumulateurs 23 sont agencés de telle manière que la face supérieure 21 des modules situés au-dessus des empilements 20 s'applique contre la face intérieure de la paroi supérieure 11 du bac de stockage 10. De cette manière, une partie de la chaleur émise par les modules de batteries d'accumulateurs 23 des empilements 20 peut être évacuée par conduction au travers de la paroi supérieure 11 du bac de stockage 10. Avantageusement, ces moyens de fixation sont en outre agencés de telle manière que la face inférieure 22 des modules situés au-dessous des empilements 20 s'applique contre la face supérieure de la paroi inférieure 12 du bac de stockage 10, de manière que celle-ci participe également efficacement à l'évacuation par conduction de la chaleur émise par les modules de batteries d'accumulateurs 23. Ainsi, lorsque la paroi supérieure 11 du bac de stockage 10 est refermée sur le logement d'accueil 10A, chaque empilement 20 est rigidement maintenu en sandwich entre les parois supérieure 11 et inférieure 12 du bac de stockage 10. Ici, les parois 11, 12, 13 du bac de stockage 10 sont toutes réalisées en matière métallique, de manière à ce qu'elles participent toutes à l'évacuation vers l'extérieur de la chaleur émise par les modules de batteries d'accumulateurs 23. Telle que représentée sur la figure 1, la paroi supérieure 11 du bac de stockage 10 présente une épaisseur moyenne strictement supérieure à l'épaisseur moyenne des parois inférieure 12 et latérale 13 de ce bac de stockage 10. Grâce à cette épaisseur, la paroi supérieure 11 présente une inertie thermique importante qui permet non seulement de répartir au mieux la chaleur entre les empilements 20, mais en outre de limiter la vitesse de variation de température des modules de batteries d'accumulateurs 23, au bénéfice de la durée de vie du boîtier d'accumulateurs 1. La paroi supérieure 11 forme ainsi une sorte de réservoir de chaleur. En variante, on pourrait prévoir que cette paroi supérieure présente une épaisseur égale à celle des parois inférieure et latérale du bac de stockage, de manière à être légère et peu encombrante. Sa capacité à remplir la fonction de réservoir de chaleur serait alors toutefois réduite. Tel que représenté sur la figure 3, le bac de stockage 10 comporte une entrée d'air frais 18 et deux sorties d'air chaud 19. L'entrée d'air frais 18 est ici située au centre de l'un des côtés transversaux 13B de la paroi latérale 13 du bac de stockage 10 tandis que les deux sorties d'air chaud 19 sont situées aux extrémités de l'autre des côtés transversaux 13B de la paroi latérale 13. Ces entrée et sorties d'air 18, 19 permettent de faire circuler un flux d'air dans le logement d'accueil 10A pour refroidir les modules de batteries d'accumulateurs 13 par convection. La disposition des empilements 20 dans le logement d'accueil 10A est conçue pour favoriser ces échanges convectifs.

Plus particulièrement, comme le montre la figure 3, le logement d'accueil 10A du bac de stockage 10 loge six empilements 20 disposés sur deux rangées 24 de trois empilements 20. Ces rangées 24 s'étendent parallèlement, suivant l'axe longitudinal L du bac de stockage 10. Elles sont écartées d'une distance El non nulle pour délimiter entre elles un couloir central 15. La distance El est ici supérieure à 10 millimètres. Les deux rangées 24 s'étendent par ailleurs à une distance E2 non nulle des côtés longitudinaux 13A de la paroi latérale 13 pour délimiter avec ceux-ci deux couloirs latéraux 16. La distance E2 est préférentiellement supérieure ou égale à la distance El.

Dans chaque rangée 24, les empilements 20 sont situés à distance les uns des autres et à distance des bords transversaux 13B de la paroi latérale 13, de manière à délimiter quatre couloirs transversaux 17. La largeur E3 de ces couloirs 17 est préférentiellement sensiblement égale au quart de la distance El. Ainsi disposés, l'entrée d'air frais 18 débouche en regard du couloir central 15 tandis que les deux sorties d'air chaud 19 débouchent en regard des couloirs latéraux 16. Cette disposition des empilements 20 force dès lors l'air à circuler dans chaque couloir transversal 17 avec un débit sensiblement identique, ce qui permet de refroidir de manière efficace et sensiblement homogène l'ensemble des modules de batteries d'accumulateurs 23.

Pour amplifier ces échanges convectifs, on pourra par ailleurs prévoir d'équiper le boîtier d'accumulateurs 1 d'un ou de plusieurs ventilateurs aux entrée et/ou sorties d'air 18, 19, de manière à accroître le débit d'air circulant dans le logement d'accueil 10A. La présente invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit. On pourra en particulier prévoir que la paroi supérieure 11 présente une forme non pas uniformément plane, mais qu'elle présente au contraire des zones courbées ou équipées de saillies pour maximiser sa surface d'échange thermique.

Comme le montre la figure 2, on pourra plus particulièrement prévoir que la paroi supérieure 11 comporte des ailettes de refroidissement 14 s'étendant à partir de sa face intérieure, perpendiculairement à celle-ci, en saillie vers l'intérieur dudit logement d'accueil 10A. Telles que représentées sur cette figure, ces ailettes de refroidissement 14 se présentent sous la forme de plaques rectangulaires d'épaisseur ici égale à l'épaisseur de la paroi supérieure 10. Elles pourraient bien sûr présenter des épaisseurs réduites. Comme le montre en pointillés la figure 3, il est alors plus précisément prévu deux ailettes de refroidissement 14 de part et d'autre de chaque empilement 20, à faible distance de celui-ci. Ces ailettes de refroidissement 14 sont agencées dans les couloirs central et latéraux 15, 16 et sont orientées dans l'axe de ces derniers, de manière que les pertes de charges qu'elles induisent sur le flux d'air circulant dans le logement d'accueil 10A soient réduites. Selon une autre variante de l'invention, on pourra prévoir que la paroi de plus grande épaisseur du bac de stockage soit, non pas la paroi supérieure qui forme le couvercle du boîtier d'accumulateurs, mais plutôt la paroi inférieure. On pourra également prévoir que les parois supérieure et inférieure présentent toutes deux des épaisseurs supérieures à celle de la paroi latérale, de manière qu'elles participent de manière égale au refroidissement des modules de batteries d'accumulateurs. Encore en variante, on pourra prévoir de favoriser les échanges thermiques par conduction en équipant les faces supérieure et inférieure des modules de batteries d'accumulateurs d'une couche de pâte thermique.

Claims

REVENDICATIONS1. Bac de stockage (10) de batteries d'accumulateurs, comprenant deux parois principales (11, 12) en vis-à-vis bordées par une paroi latérale (13) qui délimite un logement d'accueil (10A) d'au moins deux empilements (20) de modules de batteries d'accumulateurs (23), caractérisé en ce qu'une première desdites parois principales (11) est réalisée dans une matière présentant une conductivité thermique supérieure à 10 W.m-'.K-1 et en ce qu'il est prévu des moyens de fixation desdits empilements (20) à l'intérieur du logement d'accueil (10A) qui sont agencés de telle manière qu'une face d'extrémité (21, 22) de chaque empilement (20) s'applique contre ladite première paroi principale (11).
2. Bac de stockage (10) selon la revendication précédente, dans lequel lesdits moyens de fixation sont agencés de telle manière qu'une autre face d'extrémité (21, 22) de chaque empilement (20) s'applique contre l'autre paroi principale (12).
3. Bac de stockage (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite première paroi principale (11) présente une épaisseur moyenne strictement supérieure à l'épaisseur moyenne de ladite paroi latérale (13).
4. Bac de stockage (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il est prévu des ailettes de refroidissement (14) qui s'étendent à partir de ladite première paroi principale (11) vers l'intérieur dudit logement d'accueil (10A).
5. Bac de stockage (10) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il est prévu au moins une entrée d'air frais (18) dans le logement d'accueil (10A) et au moins une sortie d'air chaud (19) hors du logement d'accueil (10A).
6. Boîtier d'accumulateurs (1) caractérisé en ce qu'il comporte un bac de stockage (10) selon l'une des revendications précédentes et au moins deux empilements (20) de modules de batteries d'accumulateurs (23) logés à l'intérieur du logement d'accueil (10A) dudit bac de stockage (10).
7. Boîtier d'accumulateurs (1) selon la revendication précédente comportant un bac de stockage (10) selon la revendication 4, dans lequel lesdits empilements (20) sont situés à distance des ailettes de refroidissement (14).
8. Boîtier d'accumulateurs (1) selon l'une des revendications 6 et 7, dans lequel lesdits empilements (20) sont situés à distance de la paroi latérale (13) du bac de stockage (10).
9. Boîtier d'accumulateurs (1) selon l'une des revendications 6 à 8, danslequel lesdits empilements (20) sont situés à distance les uns des autres.
10. Boîtier d'accumulateurs (1) selon la revendication 9 comportant un bac de stockage (10) selon la revendication 5, dans lequel lesdits empilements (20) s'étendent sur au moins deux rangées, dans lequel ladite entrée d'air frais (18) débouche entre lesdites deux rangées, et dans lequel il est prévu deux sorties d'air chaud (19) de part et d'autre desdites deux rangées.