Brevet FR2782399A1 — publié le 20000218

- 1 - Dispositif et procédé de régulation thermique, par exemple pour le refroidissement de batteries d'accumulateurs de véhicules électriques. La présente invention concerne un dispositif et un procédé de régulation thermique. Plus particulièrement, elle vise un procédé de refroidissement et un carter thermo-régulateur, par exemple un carter refroidisseur pour éléments électrochimiques tels que, par exemple, les batteries d'accumulateurs de véhicules électriques. L'invention vise également les batteries d'accumulateurs comportant application de ce procédé et/ou comprenant un tel carter refroidisseur. On connaît des carters refroidisseurs pour batteries de piles ou accumulateurs de véhicules électriques, destinés à assurer principalement: la cohérence des éléments électrochimiques ou piles, le refroidissement de ces éléments et la tenue aux sollicitations extérieures (chocs, vibrations, efforts,...). Ces carters refroidisseurs sont constitués par des bacs réalisés en matière plastique rigide et à l'intérieur desquels est ménagé un circuit de refroidissement. Le refroidissement des piles est obtenu par un transfert de chaleur au travers d'une paroi rigide, en forme de coque, des piles vers l'extérieur, cette chaleur étant ensuite évacuée par un liquide de refroidissement qui circule au contact de cette coque rigide. La liaison, entre les éléments électrochimiques et la coque rigide, nécessaire pour établir une bonne conductibilité, est réalisée par l'intermédiaire d'un corps visqueux, du type graisse ou une colle. Dans cette fonction de refroidissement, les carters refroidisseurs connus ont pour inconvénient un médiocre coefficient de transmission de chaleur dû à l'épaisseur des matériaux (coque rigide, graisse ou colle) qui enveloppent les piles. Pour assurer la fonction de maintien des piles dans les carters refroidisseurs connus et la cohésion de l'ensemble assemblé, lesdites piles sont maintenues par collage ou par l'intermédiaire d'une matière visqueuse; les -2- parties en matière plastique desdits carters étant maintenues par collage, après leur assemblage. L'inconvénient qui résulte de cette situation est que les carters ou modules refroidisseurs assemblés sont difficilement démontables sans destruction ou endommagement des parties en matière plastique. s Avec les carters refroidisseurs connus, les piles sont isolées les unes des autres, d'un point de vue électrique, d'une part, grâce à leur positionnement dans des alvéoles des bacs en matière plastique et, d'autre part, par le produit d'enduction (colle ou graisse). D'un point de vue des sollicitations mécaniques, les différentes coques en matière plastique qui constituent le carter ou bac, après 1o leur assemblage, forment une enveloppe fermée qui assure une protection contre les chocs, les vibrations et les efforts extérieurs. Cette solution a pour inconvénient le fait que l'utilisation de matériaux de différentes natures pour réaliser un ensemble compact indéformable, peut entraîner, lors des dilatations, la création de contraintes internes et, en conséquence, provoquer des dégradations (fissuration, fatigue des matériaux sollicités,...). Un objet de l'invention est de remédier aux insuffisances et inconvénients des carters refroidisseurs du genre susmentionné, par un procédé et un système intégré permettant l'amélioration des fonctions de refroidissement, d'isolation et de maintien des piles électriques ou accumulateurs constituant un module de batterie pour véhicules électriques. Plus généralement, l'invention a pour objet un procédé visant à remédier aux déficiences et défauts des procédés suivant lesquels les éléments nécessitant une régulation thermique sont placés au contact d'une paroi rigide derrière laquelle un fluide caloporteur est mis en circulation. Selon l'invention, ce but est atteint grâce à un procédé suivant lequel l'échange thermique est effectué en plaçant les éléments nécessitant une régulation de température au contact de l'une des faces d'une membrane ou paroi mince, souple et déformable dont l'autre face se trouve en contact avec le fluide caloporteur. -3- Dans l'application très intéressante au refroidissement des éléments électrochimiques tels que, par exemple, les piles ou accumulateurs des batteries de véhicules électriques, le procédé selon l'invention est remarquable en ce que l'absorption de la chaleur résultant de l'échauffement des piles ou accumulateurs par un fluide ou liquide de refroidissement, est effectuée à travers une membrane ou paroi mince, souple et déformable, constituée par l'une des parois d'un circuit de refroidissement appliquée contre la surface latérale desdites piles ou accumulateurs. Le carter thermorégulateur selon l'invention comporte une coque extérieure rigide à l'intérieur de laquelle est aménagé au moins un circuit de fluide caloporteur délimité par une paroi interne destinée à venir au contact d'au moins une portion de la surface des éléments dont la température doit être régulée, logés dans ledit carter lequel est remarquable en ce que ladite paroi interne est constituée par une membrane ou film mince, souple et déformable. Dans l'application à la régulation thermique d'éléments électrochimiques tels que, par exemple, les piles ou accumulateurs des batteries de véhicules électriques, le carter refroidisseur selon l'invention comporte une coque extérieure rigide à l'intérieur de laquelle est aménagé au moins un circuit de refroidissement délimité par une paroi interne destinée à venir au contact d'au moins une portion de la surface latérale des piles ou accumulateurs logés dans ledit carter, ce carter refroidisseur étant remarquable en ce que ladite paroi d'échange thermique est constituée par une membrane ou film mince, souple et déformable. Grâce à ce procédé et à ce carter refroidisseur, on réalise le refroidissement, le maintien et l'isolation des piles ou accumulateurs constituant la batterie électrique, par l'intermédiaire d'une paroi fine, souple et déformable, qui en cours d'utilisation, enveloppe et bloque parfaitement les éléments électrochimiques. Cette paroi souple ou membrane située à l'intérieur de la batterie, entre la coque extérieure rigide sur laquelle elle est collée ou soudée et les éléments électrochimiques, constitue ainsi une poche qui permet de réaliser efficacement -4- les fonctions de refroidissement et de calage des piles lors de la mise en circulation et sous pression du fluide ou liquide de refroidissement contenu à l'intérieur de cette poche. L'invention présente, notamment dans l'application plus spécialement décrite, les avantages intéressants ci-après dans ses différentes fonctions: Fonction de thermoréqulation La faible épaisseur de la paroi déformable combinée à la souplesse de celle-ci permet, par un contact "surfacique" ou superficiel optimum, d'obtenir un échange thermique amélioré entre les piles et le fluide ou liquide de refroidissement; on obtient ainsi une meilleure évacuation des calories et un meilleur contrôle de la régulation thermique. Fonction maintien La souplesse de la membrane ou film mince, lui permet d'être plaquée parfaitement contre les piles et, par conséquent d'assurer un bon calage de ces dernières et un excellent maintien de l'ensemble; la déformation du film souple permet d'obtenir une répartition uniforme de la pression sur la surface latérale des piles et, dès lors, d'améliorer leur maintien. Ce type d'assemblage non collé permet d'éliminer tout problème de dilatation qui peut se produire lorsqu'on procède au collage de matériaux de natures différentes. Il permet, par ailleurs, d'éliminer les problèmes de contact dûs aux tolérances de fabrication des éléments électrochimiques ou piles et de la coque extérieure rigide. En outre, I'invention permet le démontage aisé des piles, sans dégradation du carter refroidisseur. Fonction isolation Le maintien des piles en position contre la paroi rigide procure une parfaite isolation des piles les unes par rapport aux autres. 2782399 L'invention procure encore d'autres avantages tels que: - Forte réduction des quantités de colle utilisées; - Réduction globale de la masse du carter refroidisseur. Les buts, caractéristiques et avantages ci-dessus, et d'autres encore, ressortiront mieux de la description qui suit et des dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une vue de face, à caractère schématique, illustrant le dispositif et le procédé de régulation thermique selon l'invention, dans une application très intéressante au refroidissement des batteries d'accumulateurs de véhicules électriques. La figure 2 est une vue de face, avec arrachement partiel et à caractère schématique, de la face interne de l'un des éléments latéraux ou coque du carter refroidisseur, illustrant le passage en forme de chicane ménagé dans cet élément pour la circulation du fluide ou liquide de refroidissement. La figure 3 est une vue en coupe au droit des axes des berceaux de réception des piles ou éléments d'accumulateurs. La figure 4 est une vue en perspective d'un carter refroidisseur de batterie d'accumulateurs réalisé selon un premier mode d'exécution de l'invention. La figure 5 est une vue en perspective des éléments de ceinturage de ce carter. La figure 6 est une vue en perspective des éléments de ceinturage formés d'une seule pièce et représentés à plat, en position dépliée. La figure 7 est une vue en perspective de l'un des éléments d'extrémités du carter refroidisseur. La figure 8 est une vue en perspective éclatée d'un autre mode d'exécution du carter refroidisseur selon l'invention. La figure 9 est une vue en perspective, à plus grande échelle, montrant ce carter refroidisseur en position d'assemblage et de service. On se reporte auxdits dessins pour décrire des exemples intéressants, bien que nullement limitatifs, de mise en oeuvre du procédé et du dispositif de régulation thermique selon l'invention. On décrit ci- après une application particulièrement avantageuse de l'invention au refroidissement d'éléments électrochimiques tels que, par exemple, les accumulateurs ou piles des batteries de véhicules électriques. On souligne encore cependant que le dispositif et le procédé de régulation 1o thermique selon l'invention sont également applicables à la thermorégulation d'autres appareils, éléments ou produits. Pour cette raison, les mots ou expressions tels que "piles ou accumulateurs", "refroidissement", "absorption de chaleur", "échauffement", "liquide de refroidissement", "carter refroidisseur", utilisés dans la suite de la description doivent être considérés comme les i5 équivalents de "appareils, éléments, produits", "échange thermique", "variation de température", "fluide caloporteur", "carter thermorégulateur", respectivement, ayant un sens plus large. Selon le procédé de l'invention, I'échange thermique résultant de la variation de température des appareils, éléments, produits,..., est réalisé en plaçant ces derniers au contact d'une membrane ou film mince, souple et élastiquement déformable constituant la paroi d'échange thermique d'un circuit de fluide caloporteur. Le dispositif de régulation thermique selon l'invention comporte une coque extérieure rigide à l'intérieur de laquelle est aménagé au moins un circuit de fluide caloporteur délimité, au moins en partie, par une paroi d'échange thermique destinée à venir au contact d'au moins une portion de la surface externe des appareils, éléments ou produits, dont la température doit être régulée, et ce dispositif est remarquable en ce que ladite paroi d'échange thermique est constituée par une membrane ou film mince, souple et élastiquement déformable. Dans l'application du procédé de l'invention au refroidissement d'éléments électrochimiques tels que piles ou accumulateurs de batteries de véhicules électriques, ledit procédé est principalement remarquable en ce que l'absorption de la chaleur résultant de l'échauffement des piles ou accumulateurs P de la batterie, par un fluide ou liquide de refroidissement, est effectuée à travers une membrane fine, souple et déformable 1, constituée par la paroi d'un circuit de refroidissement C appliquée contre au moins une portion de la surface latérale desdites piles ou accumulateurs. Dans l'application ci-dessus, le carter refroidisseur selon l'invention comprend une coque extérieure rigide 2 à l'intérieur de laquelle est aménagé au moins un circuit de refroidissement C délimité, au moins en partie, par une paroi interne 1 constituée par une membrane ou film mince, souple et indéformable. La coque extérieure rigide est principalement constituée de deux éléments latéraux 2A présentant généralement une forme rectangulaire ou approximativement rectangulaire, et constituant les grands côtés de ladite coque, ces éléments étant conformés pour présenter chacun les surfaces rigides d'un circuit de refroidissement. Chaque élément latéral de coque 2A comprend un cadre périphérique 3 constitué par un rebord ou une nervure orientée vers l'intérieur en direction du plan médian du carter refroidisseur. La face interne de chaque élément de coque 2A présente une pluralité d'alvéoles ou cavités 4 (au nombre de trois selon les exemples représentés) de forme demi-cylindrique. Ces cavités sont disposées parallèlement et elles s'étendent sur toute la longueur des éléments de coque 2A. De manière avantageuse, la face intemrne de chaque élément de coque 2A est munie de nervures espacées 5 s'étendant transversalement par rapport aux axes x-x des cavités 4. Ces nervures 5 qui ont ainsi une forme ondulée s'étendent, alternativement, à partir de l'un ou l'autre des deux côtés 3A du cadre 3, parallèles aux axes des cavités 4 et elles s'arrêtent à distance du second desdits côtés 3A, de sorte à former, avec lesdites cavités 4, des berceaux pour la réception des piles P. -8- Si l'on considère que les batteries de piles ou accumulateurs selon l'invention sont destinées à être utilisées en position horizontale, les axes des cavités 4 et les côtés 3A du cadre sont orientés horizontalement, tandis que les nervures 5 sont disposées verticalement, par exemple à distance régulière les unes des autres. La membrane ou film mince et déformable 1 est fixée, de manière étanche, sur le sommet du cadre périphérique 3 et sur les nervures 5. La coque extérieure rigide 2 peut être fabriquée en toute matière plastique convenable, par un procédé d'injection, par exemple en Polypropylène. La membrane souple 1 peut être réalisée en toute matière plastique d'une épaisseur (par exemple de l'ordre de 40 à 250 microns) permettant d'obtenir une souplesse alliée à une résistance suffisante et présentant un coefficient de conductibilité calorifique acceptable, telle que par exemple, polypropylène. L'assemblage des éléments 1 et 2A est réalisé soit par collage soit par thermosoudure. Grâce à l'agencement décrit ci-dessus, on obtient, a l'intérieur de chaque élément de coque rigide, une poche constituée par un passage en chicane permettant la circulation d'un fluide ou liquide de refroidissement, cette poche couvrant la totalité ou la quasi totalité de la surface interne des éléments latéraux 2A se trouvant disposée, lorsque les piles P sont logées dans le carter refroidisseur, entre l'élément de coque rigide 2b et lesdites piles. Lorsque le fluide de refroidissement est mis en circulation, cette poche enveloppe et épouse une large portion de la surface latérale des piles P en permettant l'extraction rapide d'une importante quantité de calories. D'autre part, la membrane 1 est utilisée comme élément de calage des piles P contre lesquelles elle se trouve plaquée. Chaque élément de coque 2A comporte, en partie haute, d'une part, à l'une de ses extrémités, un orifice d'arrivée 6 communiquant avec l'entrée du passage en chicane, et, d'autre part, à son extrémité opposée, un orifice de départ 7, communiquant avec la sortie dudit passage, ces orifices étant munis d'embouts -9- extérieurs 8 et 9, respectivement, permettant leur raccordement à des tuyaux (non représentés), reliés à la sortie et à l'entrée d'une pompe. Il est possible de relier, en série, plusieurs modules de refroidissement selon l'invention; dans ce cas, le premier module est raccordé à la sortie de la pompe et au module suivant, tandis que le dernier module est relié au module précédent et à l'entrée de la pompe. Les figures 4 à 7 illustrent un premier mode d'exécution des composants rigides du carter refroidisseur selon l'invention. Selon ce mode d'exécution, ces composants comprennent essentiellement la coque extérieure rigide 2 et deux éléments d'extrémités 10A, dans lesquels sont emboîtées ou peuvent s'emboîter les extrémités respectives de ladite coque. La coque extérieure 2 est constituée sous forme d'un élément d'entourage 2, comprenant les deux grands côtés 2A reliés par deux petits côtés, soit un petit côté 2B inférieur constituant le fond du carter refroidisseur et un petit côté supérieur 2C formant le dessus ou couvercle dudit carter. L'élément d'entourage 2 peut être formé d'une seule pièce obtenue par un procédé d'injection ou de plusieurs pièces assemblées à demeure par collage ou thermosoudure. Il peut être ouvrant et dépliable, comme le montre la figure 6. Dans ce cas, le petit côté inférieur 2B est rattaché aux deux grands côtés 2A par des lignes de pliage 11, tandis que le petit côté supérieur 2C constituant le couvercle est assemblé à demeure a l'un des deux grands côtés 2A par une ligne de pliage 12 et peut être assemblé au second grand côté 2A par l'intermédiaire de moyens complémentaires de liaison 13A, 13B, tels que les organes complémentaires de dispositifs d'encliquetage, équipant les bords desdits petit côté supérieur 2C et second grand côté 2A. Les petits côtés inférieur 2B et supérieur 2C de la coque rigide 2 comportent, sur leur face interne, une nervure de calage 14A, 14B, -10- 2782399 respectivement. Ces nervures rentrantes qui s'étendent sur toute la longueur des petits côtés 2B, 2C, présentent, de chaque côté de leur sommet, une surface cylindrique destinée à envelopper une portion de l'une des piles d'extrémité de la batterie de piles logées dans le carter refroidisseur. Un élément d'écartement et de calage 19 exécuté dans un isolant thermique et présentant des surfaces cylindriques conformées pour envelopper une portion de la surface cylindrique des piles ou éléments d'accumulateurs, peut être disposé au centre de la batterie de piles, afin de maintenir un espace entre ces dernières. Les éléments d'extrémités 10A, 10B sont identiques. Ils comprennent une paroi 15 dirigée vers l'intérieur. Ce rebord 15 délimite un volume dans lequel peut être encastrée l'une des extrémités de la coque extérieure rigide 2 dans laquelle a été préalablement logée la batterie de piles P. Les éléments d'extrémité 10A, 10B peuvent être munis de taquets 16 disposés à l'intérieur du rebord 15, le long des grands côtés de ce dernier. Ces taquets sont conformés pour pouvoir remplir les espaces extérieurs qui résultent de la juxtaposition des coquilles demicylindriques des éléments latéraux 2C de la coque rigide 2, délimitant les cavités 4 de réception des piles P, lorsque les éléments d'extrémité 10A, 10OB sont en place. Les éléments d'extrémités 10A, 10B, sont munis, intérieurement, des plaquettes conductrices 17 permettant de relier électriquement les piles ou éléments d'accumulateurs de la batterie. Les figures 8 et 9 illustrent un autre mode d'exécution des composants rigides du carter refroidisseur. Ce mode d'exécution diffère de celui qui vient d'être décrit par le fait que la coque extérieure ou élément d'entourage 2 est constituée de quatre parties ou côtés séparables, soit deux grands côtés latéraux 2A, un petit côté inférieur ou fond 2B et un petit côté supérieur ou couvercle 2C, assemblés de manière amovible, par exemple, au moyen d'organes d'encliquetage complémentaires 18, répartis le long des bords correspondants de ladite coque rigide. - 11 - 2782399 Le maintien des quatre parties 2A-2B-2A-2C en position d'assemblage est assuré par les éléments d'extrémités 1 OA, 1 OB dans lesquels sont encastrées les extrémités de la coque ou élément d'entourage (2). - 12 - 2782399 REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1. Procédé de régulation thermique, caractérisé en ce que l'échange thermique résultant de la variation de température d'appareils, éléments ou produits nécessitant une régulation thermique, est réalisé en plaçant lesdits appareils, éléments ou produits, au contact d'une membrane (1) mince, souple et déformable, constituant la paroi d'échange thermique d'un circuit de fluide caloporteur. 2. Procédé de régulation thermique selon la revendication 1, applicable au refroidissement des batteries d'accumulateurs de véhicules électriques, caractérisé en ce que l'absorption de la chaleur résultant de l'échauffement des piles ou accumulateurs (P) de la batterie, par un fluide ou liquide de refroidissement, est effectuée a travers une membrane ou paroi mince, souple et déformable (1) constituée par l'une des parois d'un circuit de refroidissement appliquée contre au moins une partie de la surface latérale desdites piles ou accumulateurs. 3. Procédé de régulation thermique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la membrane (1) mince, souple et déformable, est utilisée comme élément de positionnement et de calage des appareils, éléments ou produits (P), contre lesquels elles se trouve plaquée. 4. Dispositif de régulation thermique comportant un carter thermorégulateur à lI'intérieur duquel est ménagé au moins un circuit de fluide caloporteur délimité, au moins en partie, par une paroi d'échange thermique (1) destinée à venir au contact d'au moins une partie de la surface externe des appareils, éléments ou produits (P) dont la température doit être régulée, caractérisé en - 13 - 2782399 ce que ladite paroi d'échange thermique est constituée par une membrane ou film mince, souple et déformable. 5. Dispositif de régulation thermique constitué par un carter de refroidissement pour batterie d'accumulateurs de véhicules électriques, comportant une coque extérieure rigide (2) à l'intérieur de laquelle est aménagé au moins un circuit de refroidissement (C) délimité au moins en partie par une paroi interne destinée à venir au contact d'au moins une partie de la surface latérale des piles ou accumulateurs (P) logés dans ledit carter, caractérisé en ce que ladite paroi interne est constituée par une membrane ou film mince, souple et déformable (1). 6. Dispositif de régulation thermique, selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le circuit de fluide caloporteur (C) est réalisé sous forme de chicane. 7. Dispositif de régulation thermique, pour le refroidissement de batteries d'accumulateurs, selon la revendication 6, caractérisé en ce que les nervures espacées (5) délimitant le passage ou circuit (C) de refroidissement en forme de chicane, sont disposées transversalement par rapport aux axes (x-x) des cavités ou alvéoles (4) de réception des piles ou éléments d'accumulateurs (P). 8. Dispositif de régulation thermique, pour le refroidissement de batteries d'accumulateurs, selon la revendication 7, caractérisé en ce que les orifices d'entrée (6) et de sortie (7) du circuit de refroidissement (C) sont disposés en partie haute de la coque rigide (2) dudit carter de refroidissement. - 14 - 2782399 9. Dispositif de régulation thermique, pour le refroidissement de batteries d'accumulateurs, selon la revendication 5, caractérisé en ce que ses composants rigides comprennent essentiellement une coque extérieure (2) comportant le ou les circuits de refroidissement (C) et deux éléments d'extrémités (10A, 10OB) dans lesquels sont emboîtées les extrémités respectives de ladite coque (2). 10. Dispositif de régulation thermique, pour le refroidissement de batteries d'accumulateurs, selon la revendication 9, caractérisé en ce que la coque extérieure (2) est exécutée sous forme d'un élément d'entourage ouvrant et dépliable comprenant les deux grands côtés (2A) comportant les circuits de refroidissement (C), un petit côté inférieur (2B) relié aux grands côtés (2A) par des lignes de pliage (11) et un petit côté supérieur (2C) rattaché a l'un des grands côtés (2A) au moyen d'une ligne de pliage (12) et assemblé de manière amovible à l'autre grand côté (2A) par l'intermédiaire de moyens complémentaires d'assemblage (1 3A, 13B). 11. Dispositif de régulation thermique, pour le refroidissement de batteries d'accumulateurs, selon la revendication 9, caractérisé en ce que la coque extérieure ou élément d'entourage (2) est constituée de quatre parties ou côtés séparables, soit deux grands côtés latéraux (2A) comportant les circuits de refroidissement (C), un petit côté inférieur ou fond (2B) et un petit côté supérieur ou couvercle (2C), assemblés de manière amovible, par exemple au moyen d'organes d'encliquetage complémentaires (18). 12. Batterie d'accumulateurs pour véhicules électriques, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de régulation thermique pour la mise en oeuvre du procédé de refroidissement selon l'une des revendications 2 ou 3, ou un carter refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 5 à 11.