FR3053106A1 - Dispositif de refroidissement d'un element apte a chauffer, notamment un pack de batterie pour vehicule electrique - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif de refroidissement d'un élément apte à chauffer. Le dispositif comporte une enceinte fermée par un couvercle, l'enceinte contenant une quantité d'un matériau à changement de phase apte à passer de la phase liquide à la phase vapeur, ainsi que l'élément apte à chauffer, plongé au moins partiellement dans le matériau à changement de phase, de sorte que ledit matériau passe de la phase liquide à la phase vapeur lorsque l'élément chauffe. Le couvercle est constitué d'une paroi externe à l'enceinte, la paroi externe étant solidaire d'une paroi interne à l'enceinte, la paroi interne formant des ondulations, un fluide de refroidissement circulant entre les deux parois dans le creux des ondulations de la paroi interne, de sorte que le matériau à changement de phase repasse de la phase vapeur à la phase liquide lorsqu'il se refroidit au contact de la paroi interne. Application : automobile

Description

Dispositif de refroidissement d’un élément apte à chauffer, notamment un pack de batterie pour véhicule électrique

La présente invention concerne un dispositif de refroidissement d’un élément apte à chauffer. Elle s’applique notamment, mais pas exclusivement, aux packs de batteries de traction des véhicules électriques (VE) et des véhicules électriques hybrides (VEH).

La batterie de traction d’un VE ou d’un VEH, notamment une batterie de cellules électrochimiques de type lithium-ion (Li-ion), subit régulièrement des phases de charge et de décharge, entraînant un échauffement qui peut être important. Il est donc nécessaire de la refroidir efficacement afin, d’une part, de maintenir son niveau de performance, et d’autre part de limiter son vieillissement.

La densité de puissance de ces batteries a tendance à augmenter afin de satisfaire aux besoins en termes d’autonomie et de charge rapide. Un refroidissement par liquide, généralement de l’eau glycolée, permet de satisfaire à ces besoins. Mais l’eau étant également un bon conducteur électrique, un inconvénient de ce type de solution est que les contraintes de sécurité (e.g. pour éviter tout risque de court-circuit, notamment en cas de choc) les rendent très complexes à mettre en oeuvre. Ainsi, l’eau est classiquement contenue dans une plaque, elle-même mise en contact avec les cellules électrochimiques. Le contact entre les cellules et l’eau est donc indirect, diminuant d’autant l’efficacité du système.

Dans le but de remédier à cet inconvénient, la demande de brevet WO2014176320A2 divulgue une batterie de VE comportant une enceinte remplie partiellement d’un matériau à changement de phase liquide-vapeur (« L-V PCM » pour « Liquid-Vapor Phase Change Material » selon la dénomination anglo-saxonne, comme de l’eau ou de l’alcool par exemple) et fermée hermétiquement sous vide d’air. Des cellules électrochimiques prismatiques sont disposées verticalement au fond de l’enceinte, de sorte qu’un bord de chaque cellule trempe dans le PCM en phase liquide. L’enveloppe de chaque cellule est recouverte d’une fine structure hydrophile permettant au PCM liquide d’imbiber par capillarité l’ensemble de l’enveloppe. Le PCM passe de la phase liquide à la phase vapeur par échauffement dans la structure hydrophile, lorsque les cellules fonctionnent (durant les charges et les décharges). Différentes solutions y sont proposées pour recondenser le PCM, de telle sorte que le PCM retombe en gouttes sur les cellules recouvertes par la structure hydrophile. Ainsi, les cellules « baignent » dans le PCM liquide malgré la faible quantité de PCM dans l’enceinte.

Un autre inconvénient majeur de cette solution tient à l’efficacité limitée des moyens permettant de condenser le PCM sur la paroi supérieure de l’enceinte. Il s’agit là d’un inconvénient que la présente invention se propose de résoudre. L’invention a notamment pour but de remédier à ce dernier inconvénient, en proposant une solution qui améliore l’efficacité des moyens pour condenser le PCM, ceci en augmentant la surface d’échange thermique. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de refroidissement d’un élément apte à chauffer. Le dispositif comporte une enceinte fermée par un couvercle, l’enceinte contenant une quantité d’un matériau à changement de phase apte à passer de la phase liquide à la phase vapeur, ainsi que l’élément apte à chauffer, plongé au moins partiellement dans le matériau à changement de phase, de sorte que ledit matériau passe de la phase liquide à la phase vapeur lorsque l’élément chauffe. Le couvercle est constitué d’une paroi externe à l’enceinte, la paroi externe étant solidaire d’une paroi interne à l’enceinte, la paroi interne formant des ondulations, un fluide de refroidissement circulant entre les deux parois dans le creux des ondulations de la paroi interne, de sorte que le matériau à changement de phase repasse de la phase vapeur à la phase liquide lorsqu’il se refroidit au contact de la paroi interne.

Avantageusement la paroi interne peut former des ondulations trapézoïdales.

Avantageusement, la paroi externe à l’enceinte et la paroi interne à l’enceinte peuvent être agencées de manière à former, entre les deux parois dans le creux des ondulations de la paroi interne, des conduits indépendants dans lesquels circulent le fluide de refroidissement.

Par exemple, la paroi interne peut former des ondulations sensiblement parallèles. Par exemple, la paroi interne peut comporter, dans le creux de ses ondulations sur sa face en regard de la paroi externe, des ailettes s’étendant parallèlement aux ondulations. Par exemple, la paroi interne peut comporter, dans le creux de ses ondulations sur sa face en regard de l’intérieur de l’enceinte, des ailettes s’étendant orthogonalement aux ondulations.

Dans un mode de réalisation, les ailettes peuvent comporter des perturbateurs.

La présente invention a également pour objet un pack de batterie comportant un tel dispositif pour refroidir ses cellules électrochimiques.

La présente invention a également pour objet un véhicule électrique ou hybride comportant un tel pack.

La présente invention a enfin pour objet un système stationnaire de stockage et de restitution d’énergie solaire et/ou éolienne comportant un tel pack.

Outre d’améliorer l’efficacité des moyens pour condenser le PCM en augmentant les surfaces d’échange thermique, la présente invention a encore pour principal avantage d’être très simple à mettre en œuvre, ne nécessitant notamment ni pompe de circulation ni compresseur. Même si l’exemple de réalisation qui suit concerne le domaine des véhicules électriques ou hybrides, la présente invention est applicable dans de nombreux autres domaines où il est nécessaire de condenser un PCM. On pourrait citer par exemple le domaine des centrales nucléaires, où le réacteur est enfermé dans une enceinte dans laquelle on pulvérise de l’eau à certaines conditions. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’aide de la description qui suit faite en regard des figures annexées 1, 2a et 2b qui illustrent deux exemples de réalisation de l’invention.

La figure 1 illustre un exemple de réalisation selon l’invention, constitué par un pack batterie 1 de véhicule électrique comportant une enceinte 6 de forme parallélépipédique fermée par un couvercle 8. L’enceinte 6 s’étend dans une direction longitudinale Y, dans une direction transversale X et dans une direction verticale Z. Dans l’enceinte 6 est disposé un empilement 5 de cellules électrochimiques prismatiques de type « pouch » selon la terminologie anglo-saxonne, toutes sensiblement identiques. Une telle cellule est formée par empilement d’une électrode positive, de divers séparateurs et d’une électrode négative. La conductivité thermique d’une cellule dans le sens du plan de ses électrodes, que l’on peut assimiler au plan (X,Y) de la cellule, est bien plus importante que dans le sens Z normal à ce plan. Ainsi, le refroidissement par les quatre bords permet de drainer plus efficacement les calories dégagées au sein de cellules que par les deux faces. Ainsi, les cellules sont empilées avec leurs faces en contact l’une de l’autre et avec leurs quatre bords au contact d’un liquide diélectrique 7 à changement de phase préalablement versé dans l’enceinte 6, de manière à la remplir au moins partiellement. Un dispositif de maintien de l’empilement 5, non illustré sur la figure 1, peut assurer la tenue mécanique et la connectivité de l’empilement 5, ainsi que limiter le gonflement des cellules. Ce dispositif ne doit néanmoins pas empêcher qu’une majeure partie des bords soit au contact avec le liquide 7. Un fluide froid 21’, de l’air par exemple, circule naturellement sur les parois externes du pack 1, afin de les refroidir. Notamment, on fait passer le fluide froid 21' sur sa partie supérieure formée par le couvercle 8, illustré en détails aux figures 2a et 2b.

Les figures 2a et 2b illustrent deux modes de réalisation du couvercle 8. Il se compose d’une paroi externe 20 sensiblement plane et d’une paroi interne 22 formant des ondulations trapézoïdales.

Dans l’exemple de la figure 2b, où la paroi ondulée 22 est agencée à une certaine distance de la paroi externe 20, les ondulations forment un unique conduit dans le corps du couvercle 8, ce conduit s’étendant selon la direction longitudinale Y de l’enceinte 6. Un fluide froid 21, de l’air par exemple, circule dans ce large conduit.

Dans l’exemple de la figure 2a (qui correspond à l’exemple de la figure 1), où la paroi ondulée 22 peut être agencée contre la paroi externe 20, les ondulations forment avantageusement, dans le corps du couvercle 8, six conduits trapézoïdaux et indépendants l’un de l’autre (i.e. ils ne sont pas communiquant). Les conduits s’étendent selon la direction longitudinale Y de l’enceinte 6. Dans ces conduits circule le fluide froid 21.

Chaque ondulation trapézoïdale de la paroi 22 peut comporter des ailettes 23 disposées sur la face de la paroi 22 en regard de la paroi externe 20, là où circule le fluide froid 21. Les ailettes 23 s’étendent selon la même direction longitudinale Y que les conduits. Elles permettent non seulement d’augmenter la surface d’échange thermique entre le fluide froid 21 et la paroi 22, mais également de canaliser la circulation du fluide froid 21 dans la direction longitudinale Y des conduits. Dans l’exemple de la figure 2a, les ailettes 23 sont disposées uniquement sur les parois sensiblement non horizontales des ondulations, les parois horizontales des ondulations étant quant à elles au contact de la paroi externe 20. Dans l’exemple de la figure 2b, une paroi horizontale supérieure des ondulations n’étant pas au contact de la paroi externe 20, des ailettes 25 y sont également disposées, de sorte qu’il y a plus d’ailettes dans l’exemple de la figure 2b que dans l’exemple de la figure 2a. Toutefois, l’exemple de la figure 2b nécessite une plus grande hauteur du couvercle 8, et donc un encombrement plus important du pack 1.

Chaque ondulation trapézoïdale de la paroi 22 peut également comporter des ailettes 24 disposées sur la face de la paroi 22 en regard de l’intérieur de l’enceinte 6. Les ailettes 24 s’étendent selon la direction transversale X de l’enceinte 6. Elles sont donc orthogonales aux ailettes 23.

Dans un premier temps, à partir du démarrage d’un cycle de charge ou de décharge du pack batterie 1, les cellules formant l’empilement 5 chauffent le liquide 7, qui reste à l’état liquide jusqu’à ce que sa température d’évaporation soit atteinte. Il faut noter que, tant que le liquide 7 ne s’évapore pas, le pack 1 n’est pas refroidi et qu’il s’échauffe. Par contre, dès que le liquide 7 commence à s’évaporer, comme illustré par les flèches montantes sur la figure 1, cela provoque un refroidissement important et une augmentation du volume du fluide 7 dans l’enceinte 6, et donc une augmentation de la pression dans l’enceinte 6. Pendant toute la phase de montée en température des cellules, l’écart de température entre l’enceinte 6 et le fluide froid 21 augmente progressivement. Par conséquent, la vapeur 7 qui monte à l’intérieur de l’enceinte 6 se condense au contact de la paroi supérieure 22 refroidie par le fluide 21 : la chaleur est cédée au fluide froid 21 à travers cette paroi froide 22. Comme illustré sur la figure 1 par des flèches descendantes, le fluide 7 condensé retombe en gouttelettes au fond de l’enceinte 6. Il est à noter que les ailettes 24 permettent d’augmenter la surface d’échange thermique entre le fluide 7 et la paroi 22, ceci sans s’opposer à la montée de la vapeur 7 (en effet, une orientation longitudinale des ailettes 24 identique à l’orientation des ailettes 23 aurait partiellement empêché la vapeur 7 de monter jusqu’à la paroi 22, notamment au niveau des parois non horizontales des ondulations). Les ailettes 23 et 24 peuvent présenter des surfaces lisses ou avec des perturbateurs pour augmenter le coefficient d’échange.

Selon la présente invention, on utilise donc principalement la paroi supérieure interne 22 de l’enceinte 6, dans laquelle l’empilement 5 chauffant est enfermé, comme interface thermique entre les fluides 7 et 21. Les parois latérales et le fond de l’enceinte 6 sont aussi utilisés comme interfaces thermiques, mais elles sont beaucoup moins efficaces. En effet dans le mode de refroidissement considéré par évaporation-condensation, la vapeur 7 a tendance à monter naturellement, et à rester en contact avec la paroi interne supérieure 22, alors que pour les autres parois de l’enceinte 6, le contact avec la vapeur 7 est nettement plus faible. Tout d’abord, en faisant circuler dans les conduits un fluide froid 21, par exemple de l’air de manière forcée, conformément aux deux modes réalisation précédemment décrits, on refroidit bien plus efficacement la vapeur 7 à l’intérieur de l’enceinte 6 que si on se contente du refroidissement par le fluide 2T. Par rapport à l’état de la technique, la structure spéciale du couvercle 8 selon l’invention, avec ses ondulations dans la paroi interne 22, augmente considérablement, comparée à une structure plane, la surface d’échange entre le fluide 7 et le fluide 21. De plus, cette structure spéciale permet d’avoir un écoulement horizontal unidirectionnel du fluide froid 21, de sorte à intensifier les échanges thermiques et ainsi augmenter encore les performances.

Dans un mode de réalisation préféré, cette structure spéciale peut également comporter les ailettes 23 et 24, qui augmentent encore les surfaces d’échange, canalisent l’écoulement des fluides froids, et permettent en plus d’augmenter la tenue mécanique du couvercle 8, ce qui n’est pas négligeable compte-tenu de la forte augmentation de la pression dans l’enceinte 6 quand le fluide 7 s’évapore. Ainsi, les parois 20 et 22 peuvent être dimensionnées aussi minces que possible, afin de diminuer la résistance thermique de conduction de ces parois. La structure en trapèze des ondulations offre également une bonne résistance mécanique, et donc une bonne résistance à la pression. On peut ainsi réduire l’épaisseur des parois 20 et 22 de la structure, afin d’augmenter la perméabilité à l’air et de diminuer la résistance thermique.

Pour une même largeur selon l’axe transversal X du pack batterie 1, l’augmentation de la surface d’échange dépend de la largeur des ondulations dans la paroi 22 et de leur nombre. On peut ainsi diminuer leur largeur et augmenter leur nombre pour augmenter la surface d’échange. En limitant la hauteur du trapèze formant chaque ondulation, et en augmentant leur nombre, on peut augmenter cette surface d’échange sans augmenter la hauteur de pack 1, ce qui est un avantage pour faciliter l’intégration du pack 1 sous le capot d’un véhicule. En diminuant la largeur du trapèze, on diminue aussi la hauteur des ailettes 23, ce qui augmente leur efficacité. C’est là un avantage de la structure selon la Figure 2a : si le nombre d’ondulations y est supérieur à celui de la structure selon la Figure 2b, elle peut avoir une surface d’échange plus importante que celle de la structure selon la Figure 2b, sans nécessité d’augmenter le hauteur du couvercle 8.

Appliquée au refroidissement du pack batterie 1 de véhicule électrique (ou de composants de son système électronique de puissance), la structure selon l’invention permet d’obtenir un système très simple, qui ne nécessite ni pompe de circulation de l’air ni compresseur de vapeur. A forte température ambiante (45°C, par exemple), on peut aussi utiliser l’air climatisé sortant de l’habitacle qui est à une température de l’ordre de 30°C comme fluide 21 passant au-dessus du pack 1, ce qui évite d’utiliser un évaporateur spécifique pour refroidir l’air avant de passer au-dessus du pack 1. En roulage, on peut avoir une prise d’air pour faire circuler l’air extérieur au-dessus du pack 1, sans faire fonctionner un ventilateur spécifique. Ceci réduit la consommation électrique du système. Selon la puissance thermique du pack 1, on peut adapter la largeur et le nombre de trapèzes pour augmenter la surface d’échange entre l’air et vapeur, qui est le paramètre principal de dimensionnement.

La structure selon l’invention s’adapte automatiquement à la modularité du pack 1 puisque, lorsque le nombre de cellules augmente dans l’empilement 5, la surface du pack 1 augmente aussi et la surface de l’interface air/vapeur augmente aussi.

Enfin, la structure selon l’invention peut également être appliquée à tout système de refroidissement stationnaire, par exemple pour refroidir les packs de batterie et le système électronique de puissance pour stockage et restitution de l’énergie solaire ou éolienne.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif de refroidissement d’un élément (5) apte à chauffer, le dispositif comportant une enceinte (6) fermée par un couvercle (8), l’enceinte contenant : une quantité d’un matériau (7) à changement de phase, apte à passer de la phase liquide à la phase vapeur ; l’élément apte à chauffer, plongé au moins partiellement dans le matériau à changement de phase, de sorte que ledit matériau passe de la phase liquide à la phase vapeur lorsque l’élément chauffe ; le dispositif étant caractérisé en ce que le couvercle est constitué d’une paroi (20) externe à l’enceinte, la paroi externe étant solidaire d’une paroi (22) interne à l’enceinte, la paroi interne formant des ondulations, un fluide de refroidissement (21) circulant entre les deux parois dans le creux des ondulations de la paroi interne, de sorte que le matériau à changement de phase repasse de la phase vapeur à la phase liquide lorsqu’il se refroidit au contact de la paroi interne.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi (22) interne forme des ondulations trapézoïdales.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi (20) externe à l’enceinte (6) et la paroi (22) interne à l’enceinte sont agencées de manière à former, entre les deux parois dans le creux des ondulations de la paroi interne, des conduits indépendants dans lesquels circulent le fluide de refroidissement (21).
4. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi interne forme des ondulations sensiblement parallèles.
5. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la paroi interne (22) comporte, dans le creux de ses ondulations sur sa face en regard de la paroi externe (20), des ailettes (23) s’étendant parallèlement aux ondulations.
6. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la paroi interne (22) comporte, dans le creux de ses ondulations sur sa face en regard de l’intérieur de l’enceinte (8), des ailettes (24) s’étendant orthogonalement aux ondulations.
7. 7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les ailettes (23, 24) comportent des perturbateurs.
8. 8. Pack (1) de batterie comportant un dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes pour refroidir ses cellules électrochimiques (5).
9. 9. Véhicule électrique ou hybride comportant un pack (1) selon la revendication 8.
10. 10. Système stationnaire de stockage et de restitution d’énergie solaire et/ou éolienne comportant un pack (1) selon la revendication 8.