Brevet FR2984016A1 — publié le 20130614

Dispositif de régulation thermique d'un module-batterie. La présente invention concerne la régulation thermique de batteries et plus particulièrement un dispositif de régulation thermique à liquide caloporteur pour une batterie dans le domaine des véhicules électriques et hybrides. La régulation thermique des batteries, notamment dans le domaine des véhicules électriques et hybrides, est un point important car, si les batteries sont soumises à des températures trop basses, leur autonomie peut décroître fortement et, si elles sont soumises à des températures trop élevées, il existe un risque d'emballement thermique pouvant aller jusqu'à la destruction de la batterie. Dans les véhicules électriques et hybrides, les batteries sont généralement sous forme de cellules juxtaposées parallèlement les une aux autres dans un boîtier de protection, formant un module-batterie. Les cellules sont généralement juxtaposées de sorte que les bornes soient alternées afin de brancher en série les cellules entres elles aisément et également pour économiser du matériau conducteur, comme le cuivre. Afin de réguler la température des cellules, en fonctionnement, il est connu d'ajouter un dispositif de régulation de température du module-batterie. Ces dispositifs de régulation de température sont généralement incorporés à l'intérieur d'un boîtier contenant un ou plusieurs modules-batterie et utilisent des fluides caloporteurs circulant, par exemple au moyen d'une pompe, dans un circuit de conduits, le circuit de conduits passant notamment sous ou à l'intérieur d'une plaque d'échange thermique en contact direct avec les cellules. Les fluides caloporteurs peuvent ainsi absorber de la chaleur émise par les cellules afin de les refroidir et évacuer cette chaleur au niveau d'un ou plusieurs échangeurs thermiques, comme par exemple un radiateur. Les fluides caloporteurs peuvent également, si besoin, apporter de la chaleur pour réchauffer les cellules, par exemple en étant reliés à une résistance électrique ou à un chauffage par Coefficient Positif de Température (CTP). Les fluides caloporteurs généralement utilisés sont l'air ambiant ou des liquides, comme par exemple l'eau, ou un fluide réfrigérant. Les liquides étant meilleur conducteur de chaleur que les gaz, c'est une solution qui est privilégiée car plus efficace. De façon générale, les plaques d'échange thermique en contact direct avec les cellules sont placées au fond des boîtiers contenant un ou plusieurs modules-batterie, les modules-batterie reposant sur les plaques d'échange thermique. Un tel agencement présente un inconvénient puisqu'on refroidit une zone qui en a le moins besoin. Une autre possibilité connue est de placer les plaques d'échange thermique entre les cellules. Un tel agencement présente un inconvénient lié à la complexité d'assemblage d'un tel module-batterie par une alternance de plaques d'échange thermique et de cellules. De tels emplacements de plaques d'échange thermique ne sont pas optimum, car les zones d'échauffement maximum des modules-batterie sont situées entre les cosses de connexions des cellules. Un des buts de l'invention est donc de remédier aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer un dispositif de gestion thermique pour un module-batterie optimisé, en performance, en temps d'assemblage et de câblage des 25 modules-batterie. Ainsi, l'invention concerne un dispositif d'échange thermique pour un module-batterie composé de cellules juxtaposées parallèlement et branchées en série les unes aux autres, dont les bornes positives et négatives, notamment 30 alternées, sont chacune recouverte d'une cosse, formant deux séries alignées de cosses, et branchées entre elles par des moyens de connexion fixés aux cosses par des éléments de fixation. De plus, le dispositif d'échange thermique comporte une plaque d'échange thermique, notamment comprenant une entrée et une sortie de fluide caloporteur, la plaque d'échange thermique étant placée en contact avec le module-batterie entre les deux séries alignées de cosses. Selon un aspect de l'invention, l'entrée et la sortie de fluide caloporteur de la plaque d'échange thermique sont disposés du même coté de la plaque d'échange thermique, d'une part pour faciliter l'assemblage et d'autre part pour homogénéiser la température de la plaque d'échange thermique. Selon un autre aspect de l'invention, le dispositif de gestion thermique comporte en outre une plaque de maintien non conductrice permettant le maintien des moyens de connexion et de la plaque d'échange thermique, la plaque de maintien étant placée de sorte à maintenir la plaque d'échange thermique contre le module-batterie. Par ailleurs, cela permet également d'assurer une liaison électrique entre les cosses des cellules juxtaposées par l'intermédiaire des moyens de connexion. Selon un aspect de l'invention, la plaque de maintien comporte des orifices de 20 passage des cosses. Par ailleurs, les éléments de fixations des moyens de connexion assurent également la fixation de la plaque de maintien. Selon un autre aspect de l'invention, la plaque de maintien comporte un élément de séparation isolant entre la plaque d'échange thermique et les 25 moyens de connexion. Selon encore un aspect de l'invention, l'élément de séparation isolant est composé de deux nervures venant de matière avec la plaque de maintien. 30 Egalement, selon un aspect de l'invention, les moyens de connexion sont solidaires de la plaque de maintien. Enfin, la plaque de maintien est surmoulée autour des moyens de connexion. Notamment, la plaque de maintien est réalisée en plastique. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit comprenant des modes de réalisation donnés à titre illustratif en référence avec les figures annexées, présentés à titre d'exemples non limitatifs, qui pourront 10 servir à compléter la compréhension de la présente invention et l'exposé de sa réalisation et, le cas échéant, contribuer à sa définition, sur lesquelles : la figure 1 montre une vue éclatée en perspective d'un module-batterie selon la présente invention, la figure 2 montre une vue en perspective du module-batterie de la figure 15 1 assemblé, la figure 3 montre une vue en perspective du module-batterie de la figure 1 avec une plaque d'échange thermique associée, une plaque de maintien ayant été retirée, la figure 4 montre une vue en perspective des faces d'une plaque 20 d'échange thermique selon la présente invention, et les figures 5a et 5b présentent des vues schématiques de connexions électriques du module-batterie selon la présente invention. Sur les différentes figures, les éléments structurels et/ou fonctionnels communs 25 aux différentes formes de réalisation peuvent présenter les mêmes références. Ainsi, sauf mention contraire, ces éléments disposent de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques. La figure 1 montre une vue en perspective éclatée d'un module-batterie 1, 30 tandis que la figure 2 montre une vue en perspective du module-batterie 1 assemblé avec un dispositif de régulation thermique installé. Le module-batterie 1 comporte au moins une cellule 3. Préférentiellement, la module-batterie 1 comporte plusieurs cellules 3 juxtaposées, avantageusement parallèlement les unes aux autres. Chaque cellule 3 comporte une borne 5 électrique positive et une borne électrique négative recouvertes d'une cosse 4. Selon un exemple particulier, les cellules 3 sont juxtaposées parallèlement les unes aux autres de sorte que la borne positive d'une cellule 3 est placée en vis-à-vis de la borne négative de la ou des cellules 3 juxtaposées sur ses côtés. 10 Les bornes positives et négatives sont donc alternées formant deux séries alignées de cosses 4. Un tel agencement des cellules 3 du module-batterie 1 est présenté en figure 5b. Alternativement, les cellules 3 sont juxtaposées parallèlement les unes aux 15 autres de sorte que les bornes positives des cellules 3 sont disposées sur un même côté du module-batterie 1. Par conséquent, les bornes positives des cellules 3 sont disposées sur un même côté du module-batterie 1. Les bornes positives et négatives sont donc alignées formant deux séries alignées de cosses 4. Un tel agencement des cellules 3 du module-batterie 1 est présenté 20 en figure 5a. Les figures 5a et 5b présentent donc des vues schématiques de connexion électrique du module-batterie 1 selon la présente invention. 25 Les cellules 3 sont branchées en série grâce à des moyens de connexion 6. Les moyens de connexion 6 permettent de relier électriquement la borne positive d'une cellule 3 à la borne négative d'une cellule 3 voisine. Les moyens de connexion 6 peuvent notamment être des plaques de cuivres 30 comprenant deux orifices permettant le passage des cosses 4. Les moyens de connexions 6 sont généralement maintenus en place par des éléments de fixation 8, par exemple des écrous 8 qui se vissent sur les cosses 4. Les cellules 3 positionnées en extrémité du module-batterie 1 ont chacune une 5 borne libre de charge opposée, de sorte à former les bornes de branchement du module-batterie 1 à un réseau électrique d'un véhicule automobile Avantageusement, le fait que les bornes positives et négatives des cellules 3 du module-batterie 1 soient alternées permet de brancher en série les différentes 10 cellules 3 grâce aux moyens de connexion 6 plus court. Afin de différencier les bornes positives et négatives d'une même cellule 3, il est possible d'avoir des cosses 4 de diamètre différent. Ainsi, par exemple, les bornes négatives de chaque cellule 3 ont des cosses 4 d'un plus grand 15 diamètre que les cosses 4 des bornes positives, ou inversement. Pour maintenir les différentes cellules 3 entres elles, il est possible d'enserrer les cellules 3 entre deux flasques latéraux 13. Préférentiellement, les cellules 3 sont reliées entre elles par des tirants, non représentés. Avantageusement, les 20 tirants relient également les deux flasques latéraux 13 Afin de réguler la température du module-batterie 1, un dispositif de gestion thermique comportant une plaque d'échange thermique 10 est prévu. Selon les divers modes de réalisation de la présente invention, les cosses 4 sont 25 disposées en série, sur deux cotés opposés du module-batterie 1. Entre les deux séries de cosses 4, le module-batterie 1 définit un espace dans lequel la plaque d'échange thermique 10 est placée entre les cosses 4, comme le montre la figure 3, et est en contact avec le module-batterie 1. 30 La plaque d'échange thermique 10, généralement réalisée en métal, définit un volume intérieur permettant de définir un circuit de fluide caloporteur. La plaque d'échange thermique 10 permet d'assurer un échange thermique entre le module-batterie 1 et un circuit de gestion thermique extérieur. A cet effet, la plaque d'échange thermique 10 comporte une entrée de fluide caloporteur 12A et une sortie de fluide caloporteur 12B reliées au circuit de gestion thermique extérieur. Avantageusement, l'entrée de fluide caloporteur 12A et la sortie de fluide caloporteur 12B peuvent être placées d'un même coté de la plaque d'échange 10 thermique 10 afin de faciliter le montage et les branchements. Toutefois, selon la configuration du circuit de fluide caloporteur défini dans la plaque d'échange thermique 10 et/ou l'agencement du circuit de gestion thermique extérieur, l'entrée de fluide caloporteur 12A et la sortie de fluide 15 caloporteur 12B peuvent être placées sur des cotés différents de la plaque d'échange thermique 10. Le fait de placer la plaque d'échange thermique 20 entre les cosses 4 permet une gestion thermique du module-batterie 1 dans une zone spécifique dans 20 laquelle elle est particulièrement nécessaire. En effet, par exemple, lors de l'utilisation du module-batterie 1, la production de chaleur la plus importante est située entre les bornes électriques du fait des réactions électrochimiques à l'intérieur de la cellule 3. De plus, un fort courant passe au niveau des moyens de connexion 6, la résistance au passage du courant des moyens de connexion 25 6 entraîne également une production de chaleur. Ainsi, la présente invention permet de gérer thermiquement le module-batterie 1 dans les zones dans lesquelles la production de chaleur est importante. En particulier, il est possible de refroidir la partie du module-batterie 1 se retrouvant 30 entre les cosses 4. Il est également possible de refroidir les moyens de connexion 6. A cet effet, les moyens de connexion peuvent comprendre des extensions en direction de la zone comprises entre les cosses 4 du module-batterie 1 afin de favoriser le refroidissement les moyens de connexion 6. Plus spécifiquement, la figure 3 montre une vue en perspective du module-batterie 1 de la figure 1 dans laquelle la plaque de maintien 20 associée a été retirée. La figure 3 permet de voir la plaque d'échange thermique 10. La plaque d'échange thermique 10 est maintenue en place entre les cosses 4 par la plaque de maintien 20. La plaque de maintien 20 est avantageusement non conductrice. Pour ce faire, la plaque de maintien 20 est réalisée en matériau isolant, par exemple en matériau plastique. La plaque de maintien 20 vient se placer au dessus de la plaque d'échange thermique 10. La plaque d'échange thermique 10 est ainsi prise entre, d'une part, le module-batterie 1 et, d'autre part, la plaque de maintien 20. Préférentiellement, la plaque de maintien 20 a une surface sensiblement égale 20 à la surface du module-batterie 1. De plus, la plaque de maintien 20 comporte des orifices 22 dans lesquels peuvent passer les cosses 4. La plaque de maintien 20 permet également le maintien des moyens de connexion 6. A cet effet, la plaque de maintien 20 peut être fixée par les 25 éléments de fixation 8 qui assurent également la fixation des moyens de connexion 6. Par conséquent, selon cet agencement particulier, les moyens de connexion 6 sont pris entre, d'une part, le module-batterie 1 et, d'autre part, la plaque de maintien 20. La plaque d'échange thermique 10 et les moyens de connexions 6 sont ainsi maintenus sur le module-batterie 1 avec une pression 30 uniforme exercée sur toute sa surface par la plaque de maintien 20. De plus, la plaque de maintien 20 permet également une isolation électrique entre la plaque d'échange thermique 10 et les moyens de connexions 6 du module-batterie 1. Pour cela, la plaque de maintien 20 comporte au moins un élément de séparation 24, présenté plus en détail sur la figure 4. Plus spécifiquement, la figure 4 montre une vue en perspective des faces de la plaque d'échange thermique 10 et de la plaque de maintien 20 selon la présente invention. La figure 4 présente une vue en perspective des faces de la plaque d'échange thermique 10 et de la plaque de maintien 20 qui sont en contact avec le module-batterie 1. L'élément de séparation 24 est avantageusement isolant et peut être composé de deux nervures 24. Préférentiellement, l'élément de séparation 24 vient de matière avec la plaque de maintien 20. Alternativement, l'élément de séparation 24 peut être fixé sur la plaque de maintien 20. Afin d'assurer une fonction d'isolation, l'élément de séparation 24 est interposé entre, d'une part, les cosses 4 et/ou les moyens de connexions 6 et, d'autre part, la plaque d'échange thermique 10. Selon un mode particulier de réalisation, la plaque de maintien 20 et les moyens de connexions 6 sont solidaires les uns des autres. Par exemple, la plaque de maintien 20 peut être surmoulée autour des moyens de connexions 6. Ainsi, cela permet de réduire fortement le temps de câblage des cellules 3. En effet, la mise en place et la fixation de la plaque de maintien 20 sur le module-batterie 1 permet, simultanément, d'assurer le câblage des cellules 3 par la mise en place des moyens de connexions 6. Ainsi, on voit bien que le dispositif de gestion thermique selon l'invention permet une gestion thermique du module-batterie 1 dans une zone particulièrement 30 soumise à des contraintes thermiques importantes, c'est-à-dire entre et/ou à proximité des moyens de connexions 6. De plus, le dispositif de gestion thermique permet un maintien supplémentaire des cellules 3 entres elles ainsi qu'un temps de câblage fortement réduit. Par ailleurs, il peut être avantageux de disposer au moins une couche isolante 30 afin d'augmenter la conductivité thermique et/ou l'isolation thermique du dispositif de gestion thermique selon la présente invention. Préférentiellement, tel que présenté sur la figure 4, une première couche isolante 32 est disposée entre la plaque d'échange thermique 10 et la plaque de maintien 20. La première couche isolante 32 permet d'améliorer l'isolation thermique et de diminuer les déperditions thermiques vers l'extérieur du module-batterie 1. Alternativement, la fonction d'isolation thermique étant réalisée par la plaque de 15 maintien 20, la première couche isolante 32 constitue uniquement un moyen de compensation dimensionnelle. La première couche isolante 32 peut alors se présenter sous la forme d'un film plastique compressible. En complément ou alternativement, une deuxième couche isolante 34 est 20 disposée entre la plaque d'échange thermique 10 et le module-batterie 1. La deuxième couche isolante 30 permet d'améliorer le transfert thermique entre la plaque d'échange thermique 10 et le module-batterie 1. En complément des propriétés de conductivité et d'isolation thermique, la 25 couche isolante 30 permet également de compenser des défauts de planéité du module-batterie 1, de la plaque d'échange thermique 10 et/ou de la plaque de maintien 20. Ainsi, par compression de la couche isolante 30, il est possible d'assurer une répartition optimale de la pression sur la plaque d'échange thermique 10. De plus, on assure également une conduction électrique parfaite 30 par un bon contact surfacique entre les moyens de connexions 6 et le module-batterie 1. Enfin, la couche isolante 30 assure avantageusement une fonction d'isolation électrique. Par exemple, dans le cas de l'utilisation d'une seule couche 34, celle-ci assure : une fonction de conduction thermique entre la plaque d'échange thermique 10 et les cellules 3 du module-batterie 1, une fonction de compensation dimensionnelle permettant de corriger les défauts de planéité entre la plaque d'échange thermique 10 et les cellules 3 du module-batterie 1, une fonction d'isolation électrique entre la plaque d'échange thermique 10 et les cellules 3 du module-batterie 1, et une fonction de rattrapage de jeu entre la plaque d'échange thermique 10 et les cellules 3 du module-batterie 1, Par ailleurs, selon une variante de réalisation non représentée, dans la configuration de connexions électriques du module-batterie 1 selon la figure 5a, les bornes positives et négatives étant respectivement alignées en formant deux séries alignées de cosses 4, il ressort que les moyens de connexion 6 sont agencés, au moins en partie, dans la zone comprises entre les cosses 4 du module-batterie 1. De même, dans la configuration de connexions électriques du module-batterie 1 selon la figure 5a, tel que décrit précédemment, les éléments de connexion 6 peuvent comporter des extensions en direction de la zone comprises entre les cosses 4 du module-batterie 1 afin de favoriser le refroidissement les moyens de connexion 6. Dans de telles configurations, il est possible de prévoir un contact direct entre 30 les moyens de connexion 6 et/ou les extensions des moyens de connexion 6 et la plaque d'échange thermique 10. Selon une première alternative, les moyens de connexion 6 et/ou les extensions des moyens de connexion 6 sont disposés entre les cellules 3 et la plaque d'échange thermique 10. Selon une deuxième alternative, la plaque d'échange thermique 10 est comprise entre les cellules 3 et les moyens de connexion 6 et/ou les extensions des moyens de connexion 6. De tels agencements permettent d'assurer un refroidissement des moyens de connexion 6 grâce à un contact direct avec la plaque d'échange thermique 10 10 ou via les extensions des moyens de connexion 6 en contact direct avec la plaque d'échange thermique 10. Par ailleurs, selon ces alternatives de réalisation, une isolation électrique est assurée, soit par la plaque de maintien 20, soit par la couche isolante 30, 15 avantageusement la deuxième couche isolante 32. Bien évidemment, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que 20 pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association.