Brevet FR2781311A1 — publié le 20000121

Collecteur de fluide de régulation thermique pour cellules de batteries La présente invention a pour objet un collecteur de fluide de régulation thermique pour cellules de batterie et une batterie comprenant un ou plusieurs de ces collecteurs. L'invention concerne le domaine des batteries ou générateurs électrochimiques. De tels générateurs comprennent, dans un conteneur, un ou plusieurs faisceaux d'électrodes planes, cylindriques ou concentriques, et un électrolyte aqueux ou non aqueux. L'invention s'applique indépendamment de la nature de l'électrolyte, de la forme des électrodes, ou du couple électrochimique. Des systèmes de gestion thermiques pour de telles batteries sont connus. La demanderesse commercialise sous les références 280265 ou 666768 des collecteurs pour batteries qui sont hydrauliques monoblocs, principalement cylindriques, et fabriqués en extrusion de caoutchouc avec surmoulage. Ces collecteurs permettent d'amener le fluide de régulation thermique depuis l'extérieur de la batterie jusqu'aux différentes cellules de la batterie, plus précisément jusqu'aux échangeurs thermiques des cellules, et ensuite d'évacuer ce fluide depuis les cellules vers l'extérieur de la batterie. On utilisera dans la suite de la description le terme collecteur indépendamment de la fonction de distribution ou d'évacuation du fluide thermique remplie par le collecteur. Ces collecteurs fonctionnent de façon satisfaisante, mais ils pourraient être encore améliorés du point de vue suivant. Les collecteurs présentent un encombrement important en diamètre. Ils n'intègrent pas de moyens de fixation permettant de fixer le collecteur sur un support, ou de le fixer aux cellules. La longueur des collecteurs est limitée en raison du surmoulage de caoutchouc. Les tuyaux de liaison, habituellement désignés sous la marque "DURIT" sont intégrés et ne peuvent être changés. Les collecteurs sont droits, et s'étendent selon un seul axe. Ces collecteurs n'intègrent pas de bouchon ou d'embout d'extrémité, il est donc nécessaire de rapporter ces éléments. Le document EP-0 624 916 décrit une batterie contrôlable en température, comprenant des échangeurs thermiques associés aux cellules électrolytiques. Les échangeurs sont alimentés en fluide de régulation par un collecteur formé dans le couvercle de la batterie. Le couvercle de la batterie est formé de deux plaques parallèles assemblées entre lesquelles est défini le collecteur. Ce système présente plusieurs inconvénients. La conception du couvercle de batterie est plus complexe et plus onéreuse, et son assemblage peut poser des problèmes d'étanchéité. Les collecteurs sont nécessairement disposés au-dessus du boîtier de la batterie alors qu'il peut être souhaitable de pouvoir les disposer à d'autres endroits. Enfin, pour chaque modèle de batterie, en fonction de sa taille et de la disposition de ses organes, il est nécessaire de concevoir un nouveau couvercle intégrant les collecteurs. L'objet de la présente invention est de proposer un collecteur de fluide de régulation thermique pour batterie qui pallie les inconvénients susmentionnés. En particulier, I'invention propose un collecteur apte à être disposé, à n'importe quel emplacement dans une batterie, voir à l'extérieur de celle-ci, et qui peut s'adapter à tout type de batterie, quel que soit ses dimensions et l'agencement de ses organes. L'invention permet en outre d'obtenir un collecteur de dimensions réduites. Pour cela, I'invention propose un collecteur de fluide de régulation thermique pour cellules de batterie, comprenant au moins deux distributeurs tubulaires présentant des moyens de distribution du fluide vers ou depuis les cellules de batteries. Dans un mode particulier de réalisation, deux collecteurs adjacents sont assemblés par un manchon souple. Avantageusement, les distributeurs sont rigides. L'élément tubulaire peut présenter une section oblongue. Selon un mode de réalisation, les moyens de distribution d'un distributeur comprennent au moins une tétine. De préférence, un distributeur présente en outre des moyens de fixation, tels qu'une patte de fixation. Le collecteur comprend aussi avantageusement des moyens de raccordement à un tuyau d'alimentation ou d'évacuation du fluide. Les moyens de raccordement sont de préférence munis d'un embout pour tuyau. Le collecteur peut aussi comprendre en outre un bouchon. L'invention concerne aussi une batterie avec au moins un tel collecteur de fluide de régulation thermique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés qui montrent: - la figure 1 est une vue schématique en perspective d'un collecteur selon un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un distributeur du collecteur de la figure 1; - la figure 3 est une vue schématique de face du distributeur de la figure 2; - la figure 4 est une vue en coupe selon l'axe A-A de la figure 3; - la figure 5 est une vue à plus grande échelle de la tétine de la figure 4; - la figure 6 est une vue schématique en perspective d'un manchon du collecteur de la figure 1; - la figure 7 est une vue schématique en perspective du bouchon du collecteur de la figure 1; - la figure 8 est une vue schématique de face de l'embout d'alimentation ou d'évacuation en fluide du collecteur de la figure 1; la figure 9 est une vue de dessus en coupe de l'embout de la figure 8; la figure 10 est une vue schématique en perspective éclatée des cellules d'une batterie équipée de deux collecteurs selon l'invention. La figure 1 représente en perspective un collecteur selon un mode de réalisation de l'invention. Le collecteur 100 est une configuration rectiligne et comprend une pluralité, de distributeurs 21 à 2,, et de manchons 31 à 3,,-1 les reliant. Les distributeurs 2, et les manchons 3i sont creux de sorte à permettre le passage de fluide d'un distributeur 2j vers les distributeurs adjacents, le long du collecteur 100. Le distributeur 21 à une extrémité du collecteur 1 00 est obturé par un bouchon 1. Le distributeur à l'autre extrémité du collecteur 100 est muni d'un embout 4 de raccordement à un tuyau d'alimentation ou d'évacuation de fluide, non représenté. L'embout 4 est raccordé en liaison de fluide avec le distributeur 2, placé à cette extrémité du collecteur 100 par le biais d'un manchon de raccordement coudé 5. Dans ce mode de réalisation, les distributeurs 2, composant le collecteur 1 00 sont identiques, et les manchons 3j sont aussi identiques. Les figures 2 à 9 montrent des détails des différents éléments du collecteurs. La figure 2 montre une vue schématique en perspective d'un distributeur 2, du collecteur de la figure 1. Les figures 3 et 4 montrent le même distributeur 21 en vue de face et en coupe. Le distributeur présente un tronçon de tube creux 21, qui dans l'exemple est de section oblongue. Ce tube peut présenter aussi bien une section carrée, ronde, ou de toute autre forme. Les faces extrêmes 26 du tube 21 sont dans l'exemple perpendiculaires à l'axe du tube 21. Le tube présente à chaque extrémité une zone 28 qui est libre de tout organe tel que tétines 22 ou patte de fixation 23, pour permettre l'assemblage à l'aide d'un manchon. Par ailleurs le tube 21 peut présenter à chacune de ses extrémités un bourrelet extérieur 25, présentant par exemple une section semi-circulaire de rayon 0,5mm, sur toute la circonférence du tube. La fonction du bourrelet 25 est d'améliorer l'étanchéité et le maintien en position du manchon 3 monté sur la zone 28. Dans le cas d'un montage des manchons par collage, le bourrelet assure une rétention de la colle et un collage optimal. Le distributeur 2j comprend également une ou plusieurs - deux dans l'exemple de la figure - tétines 22 agencées sur le tube 21. Les tétines 22 sont destinées à recevoir des tuyaux de distribution du fluide thermique vers les cellules de la batterie. Elles sont en liaison de fluide avec l'intérieur du tube, et présentent dans l'exemple de la figure 4 une extrémité avec un renflement extérieur 27, représenté à plus grande échelle à la figure 5. Ce renflement 27 permet d'améliorer le serrage et l'étanchéité entre une tétine et le tuyau qu'elle recevra. La position de la ou des tétines du distributeur, ainsi que leur forme ou leur taille, peuvent varier. Dans l'exemple de la figure 2, les tétines sont rectilignes perpendiculaires au tube et dans le plan de celui-ci, de sorte à réduire l'encombrement du collecteur. Le distributeur 2j présente également une patte de fixation 23 agencée sur un côté du tube 21. La patte 13 est munie à chacune de ses extrémités d'un trou 24 traversant permettant le passage d'une vis de fixation 7. D'autres système de fixation, par exemple rivet agrafe, ou autre, peuvent aussi être utilisés. Le distributeur 2j peut être obtenu par usinage ou moulage. On peut ainsi utiliser une matière plastique telle que du polyamide éventuellement renforcé en fibres de verre ou billes de verre. La figure 6 montre une vue schématique en perspective d'un manchon 3j du collecteur 100 de la figure 1. Le manchon est constitué par un tronçon de tube présentant sensiblement la même section oblongue intérieure que le distributeur 2i. Ses deux faces extrêmes 31 sont perpendiculaires à l'axe du manchon 3i. La longueur du manchon 3j est fonction de la longueur de la zone de recouvrement du manchon 3j avec le distributeur 2, , cette dernière correspondant à la longueur de la zone 28 du distributeur 2i. Le manchon 3j est réalisé de préférence par moulage ou extrusion d'une matière élastique telle que le caoutchouc, par exemple de l'EPDM. Le manchon permet de relier deux distributeurs adiacents. Les axes des distributeurs ne sont pas nécessairement confondus, à l'inverse de ce qui est représenté figure 1. Le fait de prévoir des manchons en un matériau souple ou élastique permet de déformer le collecteur. On peut aussi prévoir des manchons coudés pour par exemple disposer d'un collecteur s'étendant sur deux parois voisines d'une batterie. Le manchon de raccordement 5 destiné à recevoir l'embout 4 présente deux différences avec les manchons 3. Le manchon forme un coude à 90 en son milieu; la section oblongue de son extrémité destiné à être relié au distributeur 21 et qui est identique à celle des manchons 3j, évolue pour devenir circulaire à son autre extrémité qui est destinée à recevoir l'embout 4. La matière et le procédé d'obtention du manchon 5 seront de préférence identiques à ceux des manchons 3. Le manchon de raccordement 5 peut avoir une longueur beaucoup plus importante que les manchons 31 dans le cas o les embouts 4 doivent être fixés à un emplacement éloigné du reste du collecteur 100. On comprend donc que la forme et la taille des manchons permettant de relier les distributeurs entre eux, ou encore de relier un distributeur à embout, peuvent varier en fonction de l'allure souhait,e pour le collecteur. La figure 7 montre une vue schématique en perspective du bouchon 1 du collecteur 100. Il ressemble à un manchon 3i, mais d'une longueur moindre et obturée à une extrémité 12. Le bouchon 1 est réalisé de préférence par moulage d'une matière élastique telle que le caoutchouc, par exemple de î'EPDM. Le bouchon 1 est destiné à être monté sur une zone 28 d'un distributeur 2j de la même manière que le sont les manchons 3j, mais il permet d'obturer une extrémité d'un collecteur. La figure 8 montre une vue schématique de face et la figure 9 une vue schématique en coupe de l'embout 4 du collecteur 100 de la figure 1. L'embout 4 se présente sous la forme d'une pièce de révolution avec un alésage traversant. Du côté extérieur, en partant d'une extrémité, I'embout présente une partie cylindrique 41 destinée à recevoir l'extrémité circulaire du manchon de raccordement, une collerette 42 et une partie cylindrique 43 qui est séparée de la collerette 42 par une gorge. La partie cylindrique 43 est d'un diamètre inférieur à celui de la collerette 42 et présente un filetage sur toute sa longueur. La partie filetée 43 est suivie d'une partie cylindrique 44 qui termine l'embout 4. La partie 44 est destinée à recevoir un tuyau d'alimentation ou d'évacuation de fluide de régulation. Cette partie cylindrique 44 présente un renflement extérieur 45 à son extrémité libre. L'embout 4 est obtenu de préférence par usinage ou moulage à partir d'une matière. Il peut s'agir d'une matière plastique rigide telle que du polyamide éventuellement renforcé en fibres de verre ou billes de verre. Le collecteur et formé d'une pluralité de distributeurs 2i; ceux-ci sont reliés ou assemblés par des manchons 3j, montés vulcanisés ou collés sur les zones de recouvrement des extrémités des distributeurs. On peut aussi simplement assembler les manchons et les distributeurs à force. La base des tétines 22 peut servir éventuellement de butée de montage au manchon 3. Les bourrelets des zones de recouvrement, s'ils existent, améliorent la résistance du montage. A une extrémité du collecteur, on monte un bouchon, le fond 12 du bouchon pouvant servir de butée de montage. L'autre extrémité du collecteur 100 reçoit le manchon de raccordement 5. Par son autre extrémité, le manchon de raccordement 5 est monté sur la partie 41 de l'embout 4 jusqu'à venir en butée contre la collerette 42. Le choix de la forme des distributeurs, de la forme et de la taille des manchons permet d'obtenir facilement un collecteur d'une forme quelconque, et apte à distribuer du fluide vers ou en provenance d'une pluralité de cellules de batterie. Le nombre de distributeurs n'est pas limité, et on peut de la sorte concevoir et réaliser des distributeurs d'une longueur quelconque. On arrive à donner au collecteur une forme quelconque, par le choix de manchons appropriés. La figure 10 montre une vue schématique en perspective éclatée des cellules d'une batterie équipée de deux collecteurs selon l'invention. On a représenté sur la figure une batterie présentant trois rangées 8a, 8c, 8b et 9 colonnes d'éléments 8 définissant les cellules électrolytiques et les échangeurs thermiques associés. Les échangeurs thermiques de la rangée 8a sont en liaison de fluide avec ceux de la rangée 8c qui à leur tour sont en liaison de fluide avec ceux de la rangée 8b. Les échangeurs thermiques de la rangée 8a présentent des embouts de connexion 81a pour recevoir des tuyaux 6a les reliant aux tétines des distributeurs d'un collecteur 1 00a. De même, les échangeurs thermiques de la rangée 8b présentent des embouts de connexion 81b, pour recevoir des tuyaux 6b les reliant aux tétines des distributeurs d'un collecteur 1 00b. Les collecteurs 100a et 100b sont identiques à celui du collecteur 100 illustré par la figure 1; toutefois, le manchon de raccordement 5 est ici en sortie droite décalée, et non pas coudée. Chaque collecteur comprend neuf distributeurs présentant chacun deux tétines 22, de sorte que chaque collecteur présente 18 tétines 22 correspondant respectivement au nombre d'embouts de connexion 81 a ou 81 b. Les tuyaux de liaison 6a et 6b sont maintenus en position sur les tétines 22 et sur les embouts 81 a et 81 b respectifs, par serrage résultant de leur élasticité et de dimensions adéquates par rapport à ces pièces. On peut aussi les assembler par collage ou vulcanisation. Des vis 7 permettent de fixer les distributeurs des collecteurs 100a et 100b aux éléments 8 grâce aux trous 24 des pattes de fixation 23. Comme indiqué plus haut, on peut envisager d'autres modes de fixation. L'embout 4 de chaque collecteur 100a et 100b est fixé à une paroi (non représentée) de la batterie, par exemple sur le couvercle de celle-ci. Pour cela, la paroi placée perpendiculaire à l'embout 4 présente un trou positionné de sorte que et présentant un diamètre tel que l'on puisse y faire passer les parties 43 et 44 de l'embout 4 jusqu'à ce que la collerette 42 bute contre ladite paroi. L'embout 44 pourra être fixé contre la paroi avec un écrou vissé sur la partie filetée 43 de l'embout 4 en y interposant éventuellement une rondelle. Il ne reste alors qu'à brancher le tuyau d'alimentation et le tuyau d'évacuation de fluide de régulation sur les collecteurs respectifs 100a et 100b. Chaque tuyau peut être assemblé sur la partie 44 de l'embout 4 qui équipe chaque collecteur 100a et 100b. Les collecteurs 1 00a et 100b permettent la distribution de fluide de régulation et à travers les éléments de la batterie, via les tétines et les tuyaux. Les collecteurs ainsi que leur assemblage et leur mise en place dans les batteries sont susceptibles de nombreuses variantes. Les collecteurs sont aptes à être agencés à n'importe quel emplacement dans la batterie: dans le fond, les côtés ou dans la partie supérieure du boîtier de la batterie. Leur forme peut facilement être modifiée pour s'adapter à l'utilisation envisagée. Les collecteurs peuvent être fixés par la patte de fixation sur un support quelconque: accumulateurs, structure de la batterie, châssis d'un véhicule ou autre. Le collecteur d'alimentation et le collecteur d'évacuation ne sont pas nécessairement identiques contrairement au mode de réalisation décrit cidessus. Le nombre de distributeurs composant un collecteur peut évidemment être adapté au nombre et à la nature des échangeurs thermiques à desservir. Il est préférable que la section intérieure du tube 21 soit suffisamment importante par rapport à la section de passage de fluide de chaque tétine 22 et elle peut être avantageusement déterminé en tenant compte du nombre maximal de distributeurs, ou plutôt de tétines 22, dont disposera un même collecteur, ceci afin d'obtenir une circulation de fluide sensiblement homogène dans tous les échangeurs thermiques. Il est également possible d'obturer une ou plusieurs tétines 22 de distributeurs 2 s'ils devaient rester inutilisés, par exemple, avec des bouchons adaptés et de la colle. Ceci évite de modifier les distributeurs, et permet une grande souplesse avec un modèle unique de distributeurs. Les composants eux-mêmes sont susceptibles de nombreuses variantes. La section du collecteur 100, plus précisément du tube 21 des distributeurs 2 et des manchons 3, qui est proposée oblongue dans le mode de réalisation décrit, peut prendre toute forme souhaitée, par exemple, circulaire, carrée, rectangulaire, etc. La section oblongue est toutefois avantageuse du point de vue de l'encombrement, par exemple, si l'on place le collecteur entre un bloc et une paroi du boîtier de la batterie. Les organes des distributeurs 2 peuvent être disposés à des emplacements différents. Le bourrelet 25 dans la zone de recouvrement 28 des distributeurs 2 peut entourer le tronçon de tube 21 de façon inclinée pour augmenter sa longueur, et ainsi augmenter la longueur de la zone de rétention de colle pour améliorer le collage des manchons 3 et 5. Aux mêmes fins, chaque zone de recouvrement 28 peut présenter plusieurs bourrelet 25. Les tétines 22 peuvent être inclinées par rapport à l'axe du tube 21 des distributeurs 2 pour former un angle inférieur à 90 , de façon à ce que la jonction des écoulements de fluide dans le tube 21 et dans les tétines 22 se fasse avec moins de turbulences. Un collecteur peut également comprendre plusieurs types de distributeurs 2 différents. Par exemple, un premier type de distributeur peut ne comprendre qu'une seule tétine 22 alors qu'un second type peut en comprendre deux. Ou encore certains distributeurs peuvent être dépourvus de patte de fixation 23. Ou encore, un ou plusieurs distributeurs peuvent être en forme de "T" ou "Y", c'est-à-dire qu'il comprend trois zones 28 permettant de le mettre en liaison de fluide avec trois autres distributeurs adjacents. Une forme en croix "X", c'est-à-dire un distributeur comprenant quatre zones 28, peut également être envisagée. Un ou plusieurs manchons 3 peuvent former un coude de sorte à obtenir un collecteur coudé, et non pas rectiligne comme celui présenté. Certains manchons peuvent présenter une configuration en forme de "T" ou de "Y" ou en forme de croix "X", comme mentionné précédemment pour les distributeurs 2. Les manchons 3 peuvent également être réalisés en matière rigide, et non en matière élastique. Dans ce cas, les dimensions intérieures des manchons 3 seront légèrement supérieures aux dimensions extérieures des distributeurs 2 dans leurs zones 28 et l'emmanchement sur les distributeurs 2 pourra être rendu étanche à l'aide, par exemple, d'un joint torique. Les manchons 3 de type rigide peuvent aussi être réalisés monobloc avec les distributeurs 2. Dans ce cas, une extrémité de chaque distributeur 2 présentera un manchon réalisé monobloc avec le distributeur, lequel manchon sera ensuite emmanché sur la zone 28 à l'extrémité dépourvue de manchon du distributeur adjacent. Les exemples donnés à propos des manchons 3 valent également pour le manchon de raccordement 4. La longueur des manchons peut également varier. Les collecteurs selon l'invention peuvent s'adapter à tout type de batterie, quel que soit le type de cellules électrolytiques et d'échangeurs thermiques qu'elle comprend et quel que soit leur agencement. Dans sa configuration oblongue, le collecteur de I'invention permet de réduire l'encombrement du collecteur. REVENDICATIONS 1./ Collecteur de fluide de régulation thermique pour cellules (8) de batterie, comprenant au moins deux distributeurs (2) tubulaires (21) présentant des moyens de distribution (22) du fluide vers ou depuis les cellules (8) de batteries. 2./ Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que deux collecteurs adjacents sont assemblés par un manchon souple. 3./ Collecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les distributeurs sont rigides. 4./ Collecteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit élément tubulaire (21) présente une section oblongue. 5./ Collecteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de distribution d'un distributeur comprennent au moins une tétine (22). 6./ Collecteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'un distributeur (2) présente en outre des moyens de fixation, tel qu'une patte de fixation (23). 7./ Collecteur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de raccordement (28), à un tuyau d'alimentation ou d'évacuation du fluide. 8./ Collecteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de raccordement sont munis d'un embout (4) pour tuyau. 9./ Collecteur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un bouchon. 1 O./ Batterie comprenant au moins un collecteur de fluide de régulation thermique selon l'une des revendications 1 à 9.