Brevet FR2727247A1 — publié le 19960524

L'invention concerne un dispositif de refroidissement pour une batterie à haute température, constituée de plusieurs éléments et dans laquelle les éléments sont disposés à l'intérieur d'une caisse commune de batterie thermiquement isolante, et un liquide de refroidissement circule directement autour des éléments. Un domaine d'application de l'invention concerne le refroidissement de batteries de traction de tous types pour véhicules électriques. Ces batteries de grande puissance requièrent un refroidissement efficace pour pouvoir évacuer la chaleur dissipée qui apparaît dans le cas de courants intenses, étant donné qu'un trop grand échauffement détruirait la batterie. Ceci est valable d'une manière plus accusée pour des batteries à haute température, comme par exemple des batteries au sodium (Na)/soufre (S) ou des batteries au sodium (Na)/chlorure de nickel (NiCl2) (ZEBRA), qui doivent fonctionner de préférence à une température de 270 C à 350 C. Pour pouvoir maintenir les batteries dans cette gamme de températures de fonction- nement, les batteries doivent comporter en dehors d'un dispositif de chauffage, également une bonne isolation thermique. Avec une meilleure isolation, la chaleur dissipée est plus faible et le rendement du point de vue de l'énergie prélevée du secteur est meilleur, étant donné que la batterie a moins besoin d'être chauffée. C'est pourquoi il faut s'efforcer prioritairement d'avoir une bonne isolation. Cependant, elle entraîne par ailleurs l'inconvénient consistant en ce que la chaleur dissipée, qui apparaît à l'intérieur de la batterie pendant le fonctionnement, ne peut pas s'évacuer et que, par conséquent, la température de la batterie peut augmenter au-delà de la valeur admissi- ble. C'est pourquoi, des batteries thermiquement isolées requièrent, à un degré particulier, un dispositif de refroidissement efficace. D'après la demande de brevet allemand DE 26 38 862 A1, on connaît un dispositif de refroidissement du type indiqué, pour refroidir une batterie constituée de plusieurs éléments. À l'intérieur d'un boîtier commun, les éléments sont disposés de telle sorte qu'entre les parois de ce boîtier et les éléments d'une part ainsi qu'entre les parois d'éléments voisins d'autre part soient formés des canaux, dans lesquels on peut faire circuler un fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement, par exemple un liquide de refroidissement, est envoyé au bloc de la batterie par l'intermédiaire d'une canalisation d'amenée et en est à nouveau évacué par l'intermédiaire d'une canalisation de collecte, afin d'évacuer la chaleur. Le fluide de refroidissement est chauffé et refroidi dans un échangeur de chaleur qui renvoie, côté sortie, par l'intermédiaire de la canalisation d'amenée, le fluide de refroidissement refroidi au bloc de la batterie. Pour l'entraînement du circuit du fluide de refroidissement, une pompe est insérée en un emplacement approprié. D'après la demande de brevet allemand DE 74 39 582.7 U1, on connaît un dispositif de refroidissement pour un accumulateur au plomb ou en acier constitué de plusieurs éléments et dans lequel des tôles de refroidissement sont disposées entre les éléments individuels. Pour obtenir une meilleure puissance de refroidissement, on peut agencer les tôles de refroidissement situées entre les éléments individuels, sous la forme d'évaporateurs plats. Dans ces évaporateurs est disposé un liquide qui bout à une température inférieure à la température maximale admissible d'environ 50 C. L'évaporateur est relié à un condenseur par l'intermédiaire d'un système de tubulures hermétiquement fermées. En raison de l'utilisation de la chaleur d'évaporation du liquide de refroidissement, un tel système est particulièrement efficace et fiable étant donné qu'il ne comporte aucune partie mobile. On peut considérer qu'un inconvénient réside dans le fait que le refroidissement des éléments s'effectue de façon non uniforme, c'est-à-dire uniquement au niveau de la surface qui est en contact thermique avec une tôle de refroidissement. D'autre part on ne sait pas comment on peut utiliser un tel procédé pour le refroidissement de batteries à haute température. Tous les dispositifs de refroidissement étudiés jusqu'alors, qui utilisent de l'air ou un liquide en tant que fluide de refroidissement, ne fournissent pas de résultats satisfaisants. Les solutions présentées ne fournissent pas la puissance de refroidissement nécessaire ou bien introduisent une répartition non uniforme de la température à l'intérieur de la batterie ou également à l'intérieur des différents éléments, dans leur direction verticale. Il en résulte que des éléments individuels ou des parties individuelles d'éléments fonctionnent au niveau de la limite supérieure de la gamme admissible de températures et d'autres fonctionnent au niveau de la limite inférieure de cette gamme admissible de températures. Ceci influe sur la résistance intérieure de la batterie et réduit durablement la durée de vie et les capacités potentielles de la batterie. En outre, en raison de la puissance de refroidissement insuffisante, il faut commencer le refroidissement très tôt à titre préventif, pour éviter une montée inadmissible de la température, dans le cas d'une sollicitation de puissance intense, durant assez longtemps. Ceci introduit d'autre part des pertes d'énergie inutiles, lorsqu'en raison d'une sollicitation de puissance seulement faible, la température critique (limite supérieure de température) n'est même pas atteinte et que par conséquent le refroidissement commencerait trop tôt. L'invention a pour but d'indiquer un dispositif de refroidissement du type indiqué en préambule, pour une batterie à haute température constituée de plusieurs éléments, qui permette un refroidissement efficace et uniforme de la batterie. Ce problème est résolu conformément à l'invention à l'aide d'un dispositif de refroidissement du type indiqué, caractérisé en ce que - la température d'ébullition du liquide de refroidissement est située à l'intérieur de la gamme admissible de températures de service des éléments, - la caisse de batterie est remplie par le liquide de refroidissement uniquement jusqu'à un niveau déterminé et de la vapeur du liquide de refroidissement s'accumule au-dessus du niveau, - la vapeur du liquide de refroidissement est envoyée, depuis la caisse de batterie, à des moyens de refroidissement et de recondensation et le liquide de refroidissement recondensé est renvoyé dans la caisse de batterie, et - les moyens de refroidissement et de recondensation sont disposés, du point de vue géodésique, au-dessus du niveau. Selon un mode de mise en ceuvre préféré de l'invention, les moyens de refroidissement et de recondensation sont reliés, côté entrée, par l'intermédiaire d'une canalisation de collecte à au moins une ouverture de sortie de la caisse de batterie et, côté sortie, par l'intermédiaire d'une canalisation d'amenée, à au moins une ouverture d'entrée de la caisse de batterie, la canalisation de collecte et la canalisation d'amenée étant réalisées de manière à être thermiquement isolantes. Alors, de préférence, un tube de compensation de pression, non isolé thermiquement, s'étend en dérivation à partir de la canalisation de collecte. Grâce au choix d'un liquide, dont la température d'ébullition se situe à l'intérieur de la gamme admissible de températures de fonctionnement de la batterie, par exemple à proximité de la température de fonctionnement maximale admissible, on obtient un refroidissement, qui est basé surtout sur le refroidissement par évaporation et présente quelques avantages. Un premier avantage tient au fait que l'on obtient une action de refroidissement ponctuelle qui se produit sur le lieu de l'échauffement, par le fait que là o la température locale au niveau de la surface des éléments atteint le point d'ébullition du liquide de refroidissement, il se produit une évaporation du liquide de refroidissement. La phase sous forme de vapeur s'élève sous la forme de petites bulles dans le liquide de refroidissement, ce qui provoque une évacuation rapide de la chaleur. Par conséquent, on obtient toujours un refroidissement local uniquement à l'endroit o existe un besoin correspondant de refroidissement. Un refroidissement par évaporation présente l'avantage supplémentaire consistant en ce qu'avec la modification de l'état de l'unité, lors de l'absorption de chaleur pour le liquide de refroidissement et lors de la formation de bulles de vapeur, il se produit une absorption de chaleur comparativement intense. Étant donné que la quantité de chaleur devant être évacuée est absorbée dans une large mesure en tant que chaleur d'évaporation, elle est absorbée sans accroissement de température du liquide de refroidissement. Ceci contribue à une distribution très uniforme de la température à l'intérieur de l'ensemble de la batterie. Globalement, grâce à la solution selon l'invention, on obtient d'une manière très simple mais efficace, une limitation de la température à l'intérieur de la batterie, à une température maximale de fonctionnement fixée par la température d'ébullition. Dans des dispositifs usuels de refroidissement, la chaleur est évacuée uniquement par transfert du milieu de refroidissement échauffé (convection) de sorte que la puissance de refroidissement dépend du débit total du fluide de refroidissement et donc de la puissance d'une pompe de circulation, qui réalise l'entraînement dans le circuit du fluide de refroidissement. Au contraire, le dispositif de refroidissement selon l'invention présente l'avantage supplémentaire consistant en ce que, moyennant un agencement correspondant, aucune pompe de circulation n'est nécessaire. Le circuit de refroidissement est maintenu et mis en marche uniquement par la chaleur dissipée en excès, qui par ailleurs chaufferait la batterie au-delà du point d'ébullition du liquide de refroidissement. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence au dessin annexé, dont la Figure Unique montre une forme de réalisation préférée de l'invention. a La Figure Unique représente le dispositif de refroidissement selon l'invention pour une batterie 1 qui est constituée de plusieurs éléments 3 disposés à l'intérieur d'une caisse de batterie 2. Dans le cas d'une batterie à haute température, la caisse de batterie 2 comporte un isolant thermique, qui n'est pas représenté sur le dessin, de même qu'un dispositif de chauffage également nécessaire. La caisse de batterie 2 est fermée hermétiquement vers l'extérieur, le liquide de refroidissement 4.1 remplissant la caisse de batterie 2 uniquement jusqu'à un niveau déterminé 4. Au-dessus de ce niveau 4, la caisse de batterie 2 est remplie avec de l'air ou de la vapeur 4.2 du liquide de refroidissement. Le niveau 4 est choisi de manière que les éléments 3 soient immergés dans une large mesure dans le liquide de refroidissement 4.1, afin que leur refroidissement uniforme soit garanti. Les éléments 3 sont disposés de telle sorte qu'entre les parois de la caisse de batterie 2 et les éléments 3 d'une part ainsi qu'entre les parois d'éléments voisins 3 d'autre part il apparaisse des canaux, qui permettent une circulation libre du liquide de refroidissement 4.1. Pour la même raison, les éléments 3 sont disposés sur un fond de support 6, à distance du fond de la caisse de batterie 2, le fond de support possédant, d'une manière analogue à une grille, une multiplicité d'ouvertures de passage pour le liquide de refroidissement 4.1. Sur la Figure, on a représenté les éléments 3 raccordés en série au moyen d'un connecteur entre pôles d'un élément au suivant. La caisse de batterie 2 possède une ouverture de sortie 7, à laquelle est raccordée une canalisation de collecte 8, au moyen de laquelle la vapeur 4.2 du liquide de refroidissement peut s'évacuer de la caisse de batterie 2. L'autre extrémité de la canalisation de collecte 8 est reliée à des moyens de refroidissement et de recondensation, ici un refroidisseur 9. Dans ce dernier, il se produit un refroidissement de la vapeur 4.2 du liquide de refroidissement, qui en délivrant la chaleur d'évaporation retourne à la phase liquide et par conséquent se recondense en le liquide de refroidissement 4.3. Pour assister la puissance de refroidissement du refroidisseur 9, on peut prévoir un ventilateur 10, qui le cas échéant, est activé automatiquement. Le liquide de refroidissement 4.3, qui est recondensé dans le refroidisseur 9, est renvoyé à la batterie 1 par l'intermédiaire d'une canalisation d'amenée 11 et d'une ouverture d'entrée 12. L'alimentation en retour s'effectue de préférence par l'intermédiaire d'une chambre amont 13, qui communique uniquement dans la partie du fond, avec la partie, qui loge les éléments 3, de la caisse de batterie 2. Ceci garantit que le liquide de refroidissement recondensé 4.3 soit toujours introduit au- dessous du niveau 4 et soit ajouté au liquide de refroidissement 4.1 déjà présent et ne réagisse pas avec la phase à l'état de vapeur 4.2. Dans le cas d'une batterie à haute température devant être refroidie, la canalisation de collecte 8 peut être agencée de manière à être isolée thermiquement afin qu'aucune vapeur 4.2 du liquide de refroidissement ne se dépose dans cette canalisation et se recondense d'une manière incontrôlée. De même, la canalisation d'amenée 11 doit être isolée thermiquement afin que le liquide de refroidissement renvoyé 4.3 ne soit pas refroidi trop fortement. Un refroidissement trop intense entraînerait éventuellement l'apparition d'un gradient de température indésirable du liquide de refroidissement 4.1 à l'intérieur de la caisse de batterie 3. En outre, au-dessus du refroidisseur 9, il est prévu un tube de compensation de pression 14 qui s'étend verticalement en dérivation à partir de la canalisation de collecte 8. Ce tube est ouvert vers le haut et n'est pas isolé thermiquement contrairement à la canalisation de collecte 8. Dans le cas o un refroidissement est exécuté, l'air refoulé par la vapeur, qui se forme, du liquide de refroidissement peut s'évacuer par ce tube de compensation de pression 14. Inversement, l'air peut pénétrer à nouveau dans le dispositif de refroidissement par l'intermédiaire de ce tube, lorsque le refroidissement s'arrête à nouveau et qu'une dépression s'établit. Une évacuation de la vapeur 4.2 du liquide de refroidissement est empêchée par le fait que cette vapeur se dépose sur les parois intérieures du tube de compensation de pression 14 non isolé thermiquement et est envoyée dans le refroidisseur 9 sous la forme de gouttes recondensées de liquide. Pour remplacer le liquide de refroidissement 4.1, il est prévu, dans la canalisation d'amenée 11, et ce successivement dans le sens d'écoulement, une entrée 15 pour l'air comprimé, qui peut être bloquée, une soupape d'arrêt 16 et, finalement, une sortie pour liquide 17, qui peut être bloquée. Dans le fonctionnement normal, comme cela est représenté sur la Figure, l'entrée d'air comprimé 15 et la sortie de liquide 17 sont bloquées et la soupape d'arrêt 16 est ouverte. Ci-après, on va décrire le fonctionnement du dispositif de refroidissement selon l'invention: sous l'effet du remplissage complet de la caisse de batterie 2 avec le liquide de refroidissement 4.1, le circuit de refroidissement, qui ne comporte assurément aucune pompe de circulation, n'est pas en fonctionnement tant que du liquide de refroidissement 4.1 ne s'est pas évaporé. C'est seulement lorsque localement la température d'ébullition du liquide de refroidissement 4.1 est dépassée dans un élément 3, qu'il s'établit un refroidissement par circulation naturelle: lorsque la chaleur devant être évacuée augmente, la pression de vapeur, qui s'établit sous l'effet des bulles de vapeur qui montent dans la partie supérieure de la caisse de batterie 2, augmente. La vapeur 4.2 du liquide de refroidissement s'évacue à partir de la caisse de batterie 2 en passant par la canalisation de collecte 8 prévue à cet effet et se recondense dans le refroidisseur 9, tout en délivrant la chaleur d'évaporation à l'environnement. Ensuite, le liquide recondensé 4.3 revient dans la caisse de batterie 2 par l'intermédiaire de la chambre amont 13, sous l'influence de la pesanteur. Une condition nécessaire pour le fonctionnement désiré du système de refroidissement à recirculation naturelle est que le refroidisseur soit situé, du point de vue géodésique, à un niveau plus élevé que le niveau 4 dans la caisse de batterie 2. Sinon, il serait nécessaire d'utiliser une pompe pour entraîner le liquide de refroidissement recondensé dans la batterie. De même, dans ce cas, il faudrait empêcher, grâce à des dispositions appropriées, un reflux du liquide de refroidissement depuis la batterie dans le refroidisseur. Lors de la sélection d'un liquide de refroidissement approprié, en dehors d'un réglage d'accord de la température d'ébullition sur la température de fonctionnement maximale admissible de la batterie, il faut encore prendre en compte d'autres points de vue. Pour une action optimale de refroidissement, le liquide de refroidissement devrait posséder une chaleur d'évaporation aussi élevée que possible et une bonne capacité d'accumulation thermique. En outre, le liquide de refroidissement doit être neutre du point de vue électrique et ne doit pas varier chimiquement dans l'ensemble de la gamme des températures de fonctionnement, dans le cas de batteries à haute température il s'agit de la gamme de -20 C à 350 C, même dans le cas de la présence d'un champ électrique. À proximité de la limite inférieure de la gamme des températures de fonctionnement, le liquide de refroidissement devrait encore être liquide. Pour des questions de sécurité de fonctionnement et de compatibilité avec l'environnement, le liquide de refroidissement doit être non corrosif, non toxique, incombustible et insoluble dans l'eau. Comme liquide de refroidissement, qui convient notamment pour le refroidissement de batteries au Na/NiCl2 et satisfait aux exigences indiquées plus haut, on peut indiquer la substance: ortophtalate de dibutyle (C16H2204). Cet ester d'acide ortophtalique de dibutyle ne contient pas de fluor et de chlore et est connu en tant qu'agent de refroidissement de transformateurs, utilisé à l'échelle industrielle. Le point d'ébullition de ce liquide est de 335 C. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement pour une batterie à haute température, constituée de plusieurs éléments et dans laquelle les éléments sont disposés à l'intérieur d'une caisse commune de batterie thermiquement isolante, et un liquide de refroidissement circule directement autour des éléments, caractérisé en ce que a la température d'ébullition du liquide de refroidissement (4.1) est située à l'intérieur de la gamme admissible de températures de service des éléments (3), * la caisse de batterie (2) est remplie par le liquide de refroidissement (4.1) uniquement jusqu'à un niveau déterminé (4) et de la vapeur (4.2) du liquide de refroidissement s'accumule au-dessus du niveau (4), * la vapeur (4.2) du liquide de refroidissement est envoyée, depuis la caisse de batterie (2), à des moyens de refroidissement et de recondensation (9) et le liquide de refroidissement recondensé (4.3) est renvoyé dans la caisse de batterie (2), et * les moyens de refroidissement et de recondensation (9) sont disposés, du point de vue géodésique, au-dessus du niveau (4). 2. Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de refroidissement et de recondensation (9) sont reliés, côté entrée, par l'intermédiaire d'une canalisation de collecte (8), à au moins une ouverture de sortie (7) de la caisse de batterie (2) et, côté sortie, par l'intermédiaire d'une canalisation d'amenée (11), à au moins une ouverture d'entrée (12) de la caisse de batterie (2), la canalisation de collecte (8) et la canalisation d'amenée (11) étant réalisées de manière à être thermiquement isolantes. 3. Dispositif de refroidissement selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un tube de compensation de pression (14), non isolé thermiquement, s'étend en dérivation à partir de la canalisation de collecte (8).