FR3084209A1 - Systeme de refroidissement pour composant electrique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un système de refroidissement (1) pour composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement, notamment pour un module de stockage d'énergie électrique, ce système comportant : - un moins un logement (4) agencé pour loger un composant électrique, notamment un module (2) de stockage d'énergie électrique, comprenant une ou plusieurs cellules de batterie, ce logement comprenant une face de fond (5) et au moins une face latérale (6) notamment sensiblement perpendiculaire à la face de fond, de préférence ces faces se raccordant l'une à l'autre, - un circuit interne (10) de fluide caloporteur agencé de manière à refroidir le composant électrique, notamment le module de stockage, lorsque celui-ci est placé dans le logement, ce circuit formant un chemin de fluide caloporteur en forme de U ou I, ce chemin étant entièrement sur la face de fond ou la face latérale du logement.

Description

Système de refroidissement pour composant électrique

La présente invention concerne un système de refroidissement pour composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement, notamment un système de refroidissement d’au moins une batterie ou cellules de batterie de véhicule automobile.

L’invention est notamment applicable pour toutes les automobiles électriques ou hybrides avec un pack de batteries ou cellules de batterie.

Les demandes de brevet US2017176108 et WO 2013056938 décrivent des échangeurs de chaleur pour refroidir des cellules de batterie.

Lors d’une phase de charge rapide du dispositif de stockage électrique ou cellules de batterie, qui consiste à charger le dispositif de stockage électrique sous une tension et un ampérage élevés, de manière à charger le dispositif de stockage électrique en un temps ne dépassant pas quelques dizaines de minutes, cette charge rapide implique un échauffement du dispositif de stockage électrique qu’il convient de traiter.

Lors de la charge rapide, la puissance dégagée par la batterie est très importante, il s’agit du point dimensionnant pour le système. Pour extraire cette puissance thermique, le plus souvent comprise entre 10 et 20kW, il faut augmenter les surfaces d’échanges entre un fluide caloporteur et les cellules électriques.

Habituellement on retrouve une plaque froide, traversée par un fluide caloporteur, située sous le module, en contact avec une seule face de chaque module.

La demande de brevet US2017176108 décrit un échangeur de chaleur pour une batterie qui comporte des panneaux transportant des fluides et définit une enceinte à plusieurs côtés pour enfermer au moins deux côtés de la batterie. L'échangeur de chaleur comporte des premier et second panneaux de transport de fluide définissant des premier et second canaux d'écoulement, les premier et second panneaux de transport de fluide étant disposés en formant un angle avec un autre.

L’invention vise à améliorer ce type de système de refroidissement.

L’invention a ainsi pour objet un système de refroidissement pour composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement, notamment pour un module de stockage d’énergie électrique ou par exemple un convertisseur électronique de puissance, ce système comportant :

un moins un logement agencé pour loger un composant électrique, notamment un module de stockage d’énergie électrique, comprenant une ou plusieurs cellules de batterie, ce logement comprenant une face de fond et au moins une face latérale notamment sensiblement perpendiculaire à la face de fond, de préférence ces faces se raccordant l’une à l’autre, un circuit interne de fluide caloporteur agencé de manière à refroidir le composant électrique, notamment le module de stockage, lorsque celui-ci est placé dans le logement, ce circuit formant un chemin de fluide caloporteur notamment en forme de U ou I, ce chemin étant entièrement sur la face de fond ou la face latérale du logement.

Selon un aspect de l’invention, le circuit de fluide caloporteur comporte au moins deux, de préférence trois, échangeurs thermiques, ou échangeurs de chaleur, formant chacun le chemin de fluide en forme de U ou I, chaque chemin en forme de U ou I étant entièrement sur respectivement la face de fond et la face latérale du logement. Ainsi ces faces de fond et latérale du logement sont refroidies chacune par un chemin du fluide caloporteur, avec un circulation en I ou préférablement en U. Autrement dit, chaque échangeur thermique s’étend sur une paroi de fond ou latérale.

Selon un aspect de l’invention, le logement comportant deux faces latérales en plus de la face de fond, le circuit de fluide caloporteur comporte trois échangeur de chaleur formant trois chemins de fluide en forme de U ou I, chaque chemin en forme de U étant entièrement sur respectivement la face de fond et les deux faces latérales du logement.

La présente invention propose notamment de refroidir, en plus de la partie inférieure du module de batterie, l’une au moins des deux faces, notamment les deux faces, latérales du module. Un autre avantage de l’invention est aussi d’intégrer la distribution du fluide caloporteur dans des éléments structurels du module, afin de ne conserver qu’une seule entrée et sortie du fluide caloporteur, avec les trois surfaces d’échange, si on le souhaite.

Selon un aspect de l’invention, les faces latérales sont parallèles entre elles.

L’invention permet notamment d’augmenter les surfaces d’échange entre le fluide caloporteur et les cellules de batterie en proposant un agencement d’échangeurs thermiques formés par le circuit interne de manière à refroidir trois faces du module de batterie.

Selon un aspect de l’invention le logement comporte une pluralité de compartiments chacun agencé pour recevoir un ou plusieurs composants électriques, notamment agencé pour recevoir chacun une batterie ou une rangée de cellules, chaque compartiment étant en contact thermique avec trois chemins de fluide caloporteur en forme de U.

Selon un aspect de l’invention, l’un au moins des chemins en U est en contact thermique avec deux compartiments voisins.

Selon un aspect de l’invention, entre tous les compartiments voisins, est interposé un échangeur de chaleur avec chacun un chemin en U de fluide caloporteur.

Selon un aspect de l’invention, l’un au moins des chemins en U de fluide caloporteur, notamment le chemin sur une face latérale entre deux compartiments, est formé par un échangeur à plaques avec des canaux de fluide de forme générale en U.

Selon un aspect de l’invention, l’un au moins des chemins en U de fluide caloporteur, notamment le chemin sur une face latérale entre deux compartiments, est formé par un échangeur à tubes avec des canaux de fluide de forme générale en U.

Selon un aspect de l’invention, sur les faces latérales qui séparent deux compartiments voisins, les chemins en U sont formés alternativement par des échangeurs à plaques et des échangeurs à tubes.

Selon un aspect de l’invention, les plaques et les tubes s’étendent parallèlement les uns aux autres.

Selon un aspect de l’invention, le circuit comporte un chemin de fluide caloporteur sur une face de fond du logement, cette face de fond définissant un fond commun pour deux compartiments. Ainsi le chemin en U de fluide sert à refroidir deux compartiments, plus précisément à refroidir deux modules de batterie à loger dans ces compartiments voisins.

Selon un aspect de l’invention, le chemin en U de la face de fond est formé par un échangeur à plaques. Cet échangeur à plaques occupe notamment le fond de deux compartiments voisins.

Selon un aspect de l’invention, le circuit interne de fluide comporte un conduit d’alimentation et un conduit d’évacuation de fluide caloporteur, ces conduits étant communs à plusieurs au moins des chemins en U de ce circuit. Autrement dit, le conduit d’alimentation apporte le fluide caloporteur dans plusieurs des chemins en U et le conduit d’évacuation évacue le fluide provenant de plusieurs de ces chemins en U.

Selon un aspect de l’invention, les chemins en U des faces latérales sont disposés, d’un point de vue fluidique, en parallèle.

Selon un aspect de l’invention, les chemins en U des faces de fond sont disposés, d’un point de vue fluidique, en parallèle.

Selon un aspect de l’invention, le circuit interne de fluide comporte deux paires de conduits d’alimentation et d’évacuation de fluide, l’une des paire étant dédiée aux échangeurs thermiques sur les parois latérales et une paire étant dédiée aux échangeurs thermiques des parois de fond. Ainsi le circuit interne est divisé en deux sous-circuits de fluide caloporteur.

Selon un aspect de l’invention, les conduits sont parallèles sur une majeure partie de leur longueur.

Selon un aspect de l’invention, les faces des modules de batterie faisant face aux conduits d’alimentation et d’évacuation sont dépourvues d’échangeurs de chaleur, notamment avec chemin en U.

Selon un aspect de l’invention, les échangeurs thermiques sont solidarisés ensemble pour former un ensemble manipulable en opération.

Selon un aspect de l’invention, le système comporte un socle pour recevoir les échangeurs de chaleur. Ces échangeurs forment avantageusement des éléments structurels.

Selon un aspect de l’invention, les entrées des deux conduits d’alimentation sont alimentées par une source commune de fluide caloporteur.

Selon un aspect de l’invention, les sorties des deux conduits d’évacuation sont évacuées de manière conjointe.

Selon un aspect de l’invention, le système est agencé de manière à ce que la répartition des débits de fluide, notamment de liquide caloporteur, est réalisée dans chacun des échangeurs notamment grâce aux diamètres d’entrée du conduit d’alimentation et/ou à des tubulures d’alimentation de chacun des échangeurs.

Selon un aspect de l’invention, le système est agencé de manière à ce qu’il y ait un seul passage de fluide sur les faces latérales ou de fond. Ainsi un fluide ayant déjà circulé au contact d’une face des cellules de batterie est évacué, sans refroidir une autre face de cellules.

L’invention permet notamment d’avoir la possibilité d’échangeurs thermiques de type différents, notamment plaques et multi port tubes par exemple.

Aussi il est possible d’intégrer des formes spécifiques dans les plaques verticales afin de s’adapter aux contraintes packaging au sein du pack batterie, en laissant par exemple de la place pour des éléments de renfort mécanique du pack, de passage de fluide ou encore des passages de câbles électriques.

Comme on peut le voir, l’alimentation des échangeurs en parallèle avec préférablement un seul passage fluide à travers le pack batterie, puis une séparation des fluides pour alimenter les échangeurs connectés de part et d’autre du pack batterie. La répartition optimisée du débit du fluide caloporteur est obtenue grâce aux sections de passage des conduits d’alimentation branchées en parallèle. De préférence la répartition des débits du fluide caloporteur est équivalente à la répartition des puissances thermiques dissipées sur chacune des zones de contact entre les cellules de batterie et les échangeurs thermique.

Dans ce qui précède, le chemin en U peut, en variante, être en forme de I, ou d’autres formes.

L’invention a encore pour objet un système de refroidissement tel que décrit plus haut, comportant des cellules de batterie.

L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemples non limitatifs en référence au dessin annexé dans lequel :

- les figures 1 à 6 illustrent, schématiquement et partiellement, suivant différentes vues, un système selon un exemple de l’invention.

On a décrit sur la figure 1 un système de refroidissement pour un module de stockage d’énergie électrique, ce système 1 comportant :

un moins un logement 4 agencé pour loger plusieurs cellules de batterie 2, ici disposées en trois rangées de douze cellules, ce logement 4 comprenant une face de fond 5 et des faces latérales 6 perpendiculaires à la face de fond 5, et ces faces 5 et 6 se raccordant l’une à l’autre, un circuit interne 10 de fluide caloporteur agencé de manière à refroidir les cellules 2 placées dans le logement 4.

Le fluide caloporteur utilisé est préférentiellement de l’eau glycolée, sans limitation du titre de glycol (0% à 100%). Alternativement le fluide caloporteur peut être choisi parmi les fluides réfrigérants d’appellation R134a, R1234yf ou R744.

Les cellules de batterie comprennent par exemple une pluralité de batteries au lithium-ion (Li-ion) pour une utilisation dans un véhicule hybride. Dans un autre mode de réalisation, la pluralité de cellules de batterie sont des batteries Li-ion pour une utilisation dans un véhicule électrique à batterie.

Le circuit 10 de fluide caloporteur comporte des échangeurs 11, 12, 13 thermiques, ou échangeurs de chaleur, formant chacun un chemin 15 de fluide en forme de U, chaque chemin en forme de U étant entièrement sur respectivement la face de fond 5 et les faces latérales 6 du logement 4.

Ainsi ces faces de fond 5 et latérales 6 du logement 4 sont refroidies chacune par un chemin 15 en U du fluide caloporteur.

Comme on peut le voir sur les figures 2 et 3 notamment, le logement 4 comporte une pluralité de compartiments 20 chacun agencé pour recevoir une ligne de cellules 2, notamment une ligne de trois cellules 2, chaque compartiment 20 étant en contact thermique avec trois chemins 15 de fluide caloporteur en forme de U.

Le circuit 10 de fluide caloporteur comporte, pour chaque compartiment 20, les trois échangeurs de chaleur 11, 12, 13 formant trois chemins de fluide en forme de U, chaque chemin en forme de U étant entièrement sur respectivement la face de fond 5 et les deux faces latérales 6 du compartiment 20 associé.

La présente invention permet ainsi de refroidir, en plus de la partie inférieure des cellules, les deux faces latérales 6 des cellules 2.

Les faces latérales 6 sont parallèles entre elles. Ces faces 6 s’étendent le long du grand côté du rectangle qui est le pourtour de chaque cellule 2. Les cellules 2 voisines de chaque ligne, ici de trois cellules, sont alignées avec leurs petits cotés qui sont en regard.

L’un des échangeurs thermiques de référence 11 est en contact thermique avec deux compartiments voisins 20.

Entre deux compartiments voisins 20 d’une paire 21 de compartiments, est interposé un tel échangeur de chaleur 11 avec le chemin 15 en U de fluide caloporteur.

Cet échangeur 11 est à plaques avec un canal 22 de fluide en forme générale en U, comme mieux visible sur les figures 2 et 3.

Chaque échangeur 11 est formé par exemple par l’assemblage de deux plaques 23, comme illustré sur la figure 4. Ces plaques 23 sont dotées de reliefs 24 dans le canal 22. Ce canal 22 comprend une entrée 25 et une sortie de fluide 26, à une extrémité des plaques.

Cet échangeur 11 est alterné avec un échangeur 12 à tubes 30 avec un canal 31 de fluide de forme générale en U, comme illustré sur la figure 2 par exemple.

Chaque échangeur 12 comprend deux tubes 30 communiquant ensemble à l’une de ses extrémités et comprenant à l’autre extrémité, sur chaque tube, une entrée 32 et une sortie de fluide 33, comme visible sur la figure 2.

Ces tubes 30 sont sensiblement plats.

Ainsi, sur les faces latérales 6 qui séparent deux compartiments voisins 20, les chemins en U sont formés alternativement par des échangeurs à plaques 11 et des échangeurs à tubes 12.

Les plaques 23 et les tubes 30 s’étendent parallèlement les uns aux autres.

Selon un aspect de l’invention, le circuit 10 comporte un chemin de fluide caloporteur sur la face de fond 5 du logement 4, cette face de fond 5 définissant un fond commun pour deux compartiments voisins 20. Ainsi le chemin 15 en U de fluide sert à refroidir deux compartiments voisins 20.

Le chemin 15 en U de la face de fond 5 est formé par l’échangeur à plaques 13. Cet échangeur à plaques 13 occupe le fond 5 de deux compartiments voisins 20.

Comme illustré de manière isolée sur la figure 5, chaque échangeur 13 comporte deux plaques 37 et 38 assemblées. Le canal 39 de fluide qui y est formé présente une forme de double U, avec un petit U entouré par un chemin de grand U, ces chemins en U longeant l’un le long de l’autre. Ainsi il y a un coude 40.

Le canal comprend une entrée 41 et une sortie de fluide 42 sur un même coté des plaques 43, comme mieux visible sur les figures 2 et 3.

Le canal 39 comprend des reliefs 43 dans ce canal 39.

Le circuit interne 10 de fluide comporte un conduit d’alimentation 50 et un conduit d’évacuation 51 de fluide caloporteur, ces conduits 50 et 51 étant communs à plusieurs des chemins en U de ce circuit, comme illustré sur les figures 1 et 2 notamment.

Le conduit d’alimentation 50 apporte le fluide caloporteur dans plusieurs des chemins 15 en U et le conduit d’évacuation 51 évacue le fluide provenant de plusieurs de ces chemins en U.

Ces conduits 50 et 51 se raccordent aux échangeurs 11 et 12 des parois latérales 6 par des tubulures de raccord 55.

Le conduit 50 est un conduit nourricier qui distribue le fluide dans les différents échangeurs 11 e 12, qui sont placés les un après les autres, comme on peut le voir schématiquement sur la figure 6.

Les chemins 15 en U des faces latérales 6 sont disposés, d’un point de vue fluidique, en parallèle.

Les chemins 15 en U des faces de fond 5 sont disposés, d’un point de vue fluidique, en parallèle.

Le circuit interne 10 de fluide comporte outre cette paire de conduits 50 et 51 d’alimentation et d’évacuation de fluide, un autre paire de conduits 61 et 61 qui est dédiée aux échangeurs thermiques sur les parois de fond 5, comme visible sur les figures 2 et 6.

Ainsi le circuit interne 10 est divisé en deux sous-circuits de fluide caloporteur 65 et 6, avec une entrée commune 66 et une sortie commune 67, comme illustré sur la figure 6.

Les conduits 50 et 51, et 60 et 61 sont parallèles sur une majeure partie de leur longueur.

Selon un aspect de l’invention, les échangeurs thermiques 11, 12, 13 sont solidarisés ensemble pour former un ensemble manipulable en opération.

Les entrées des deux conduits d’alimentation sont alimentées par une source commune de fluide caloporteur.

Selon un aspect de l’invention, les sorties des deux conduits d’évacuation sont évacuées de manière conjointe.

Le système comporte un socle pour recevoir les échangeurs de chaleur. Ces échangeurs de fond 13 froment avantageusement des éléments structurels et notamment ce socle 70.

Des avantages de cette invention est qu’avec l’augmentation des surfaces d’échanges entre le fluide caloporteur et les cellules de batteries la puissance échangée sera supérieure que dans l’état de l’art avec une seule face de refroidissement. Aussi un échange thermique, préférablement sur les trois faces d’une cellule de batterie permet de réduire l’écart en température que l’on observe à l’intérieur d’une même cellule de batterie, ce qui est un avantage pour augmenter la durée de vie des cellules de batterie. Et enfin, avec une circulation en U au sein de chaque échangeur et une alimentation en parallèle des échangeurs thermiques, l’écart de température entre chaque cellule sera minimisé, ce qui augmente aussi la durée de vie des cellules de batterie.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Système de refroidissement (1) pour composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement, notamment pour un module de stockage d’énergie électrique, ce système comportant :

   un moins un logement (4) agencé pour loger un composant électrique, notamment un module (2) de stockage d’énergie électrique, comprenant une ou plusieurs cellules de batterie, ce logement comprenant une face de fond (5) et au moins une face latérale (6) notamment sensiblement perpendiculaire à la face de fond, de préférence ces faces se raccordant l’une à l’autre, un circuit interne (10) de fluide caloporteur agencé de manière à refroidir le composant électrique, notamment le module de stockage, lorsque celui-ci est placé dans le logement, ce circuit formant un chemin de fluide caloporteur notamment en forme de U ou I, ce chemin étant entièrement sur la face de fond ou la face latérale du logement.
2. 2. Système selon la revendication précédente, dans lequel le circuit de fluide caloporteur comporte au moins deux échangeurs thermiques, ou échangeurs de chaleur, formant chacun un chemin de fluide notamment en forme de U ou I, chaque chemin (15) en forme de U ou I étant entièrement sur respectivement la face de fond et la face latérale du logement.
3. 3. Système selon la revendication précédente, dans lequel le logement comportant deux faces latérales en plus de la face de fond, le circuit de fluide caloporteur comporte trois échangeur de chaleur Ί1, 12, 13) formant trois chemins de fluide notamment en forme de U ou I, chaque chemin en forme de U étant entièrement sur respectivement la face de fond et les deux faces latérales du logement.
4. 4. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le logement (4) comporte une pluralité de compartiments (20) chacun agencé pour recevoir un ou plusieurs composants électriques, notamment agencé pour recevoir chacun une batterie ou une rangée de cellules, chaque compartiment étant en contact thermique avec trois chemins de fluide caloporteur notamment en forme de U ou I.
5. 5. Système selon la revendication précédente, dans lequel l’un au moins des chemins en U ou I est en contact thermique avec deux compartiments voisins (20).
6. 6. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel, entre tous les compartiments voisins, est interposé un chemin en U ou I de fluide caloporteur.
7. 7. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’un au moins des chemins en U ou I de fluide caloporteur, notamment le chemin sur une face latérale entre deux compartiments, est formé par un échangeur à plaques (11) avec des canaux de fluide de forme générale en U.
8. 8. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’un au moins des chemins en U ou I de fluide caloporteur, notamment le chemin sur une face latérale entre deux compartiments, est formé par un échangeur à tubes (12) avec des canaux de fluide de forme générale en U ou I.
9. 9. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le circuit interne (
10. 10) de fluide comporte un conduit d’alimentation et un conduit d’évacuation de fluide caloporteur, ces conduits (50, 51,60, 61) étant communs à plusieurs au moins des chemins en U ou I de ce circuit.

    lO.Système selon la revendication précédente, dans lequel le circuit interne de fluide comporte deux paires de conduits d’alimentation et d’évacuation de fluide, l’une des paire étant dédiée aux échangeurs thermiques sur les parois latérales et une paire étant dédiée aux 10 échangeurs thermiques des parois de fond.
11. 11. Système selon l’une des revendications précédentes, comportant des cellules de batterie (2).