Brevet FR3016479A1 — publié le 20150717

Plaque d'échange thermique pour gestion thermique de batterie et procédé de fabrication associé. Description. La présente invention concerne la régulation thermique de batterie et plus particulièrement les plaques d'échange thermique pour la gestion thermique de batterie, notamment dans le domaine automobile. L'invention 10 concerne également le procédé de fabrication de plaques d'échange thermique. La régulation thermique des batteries, notamment dans le domaine automobile et encore plus particulièrement des véhicules électriques et hybrides, est un point important car si les batteries sont soumises à des 15 températures trop froides, leur autonomie peut décroitre fortement et si elles sont soumises à des températures trop importantes, il y a un risque d'emballement thermique pouvant aller jusqu'à la destruction de la batterie. Afin de réguler la température des batteries, il est connu d'ajouter un 20 dispositif de régulation de température du module batterie. Ces dispositifs utilisent généralement des fluides caloporteurs ou réfrigérants circulant, par exemple au moyen d'une pompe ou d'un compresseur, dans un conduit, ledit conduit passant notamment sous ou à l'intérieur d'une plaque d'échange thermique en contact direct avec les batteries. 25 Les fluides caloporteurs ou réfrigérants peuvent ainsi absorber de la chaleur émise par la ou les batteries afin de les refroidir et d'évacuer cette chaleur au niveau d'un ou plusieurs échangeurs thermiques comme par exemple un radiateur ou un condenseur. Les fluides caloporteurs peuvent également, si besoin est, apporter de la chaleur pour réchauffer lesdites batteries, par exemple 30 s'ils sont reliés à un dispositif de chauffage telle qu'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. Les fluides réfrigérants utilisés peuvent être du type d'un gaz réfrigérant du type Ri34a ou équivalent. Les liquides étant meilleurs conducteurs de chaleur que l'air, c'est une solution qui est privilégiée car plus efficace. De façon générale, les plaques d'échange thermique sont en contact direct avec des batteries ou au moins un pack de batteries, en étant placées sous ces derniers. Les plaques d'échange thermique sont généralement réalisées en matériaux thermo-conducteur et sont composées de deux plaques accolées l'une contre l'autre afin de former un ou plusieurs conduits de circulation du fluide caloporteur ou réfrigérant entre une entrée et une sortie de fluide. Néanmoins, les conduits de circulation du fluide caloporteur ou réfrigérant ont communément une forme de « U » ou en zigzag entre l'entrée et la sortie de fluide. De telles formes ne permettent pas d'avoir une homogénéité des échanges thermiques entre les batteries ou le pack de batteries avec le fluide caloporteur ou réfrigérant. En effet, la portion de la batterie située proche de l'entrée de fluide, où le fluide caloporteur ou réfrigérant est le plus froid, sera plus efficacement refroidie que celle proche de la sortie où le fluide caloporteur ou réfrigérant est plus chaud. Un des buts de la présente invention est donc de remédier au moins partiellement aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer une plaque 25 d'échange thermique dont l'homogénéité des échanges thermiques est améliorée. La présente invention concerne donc une plaque d'échange thermique pour gestion thermique de batterie, comportant : 30 - une base, - au moins une plaque de contact en matière thermo-conductible destinée à venir en contact avec la batterie à réguler thermiquement, et - au moins un conduit de circulation de fluide caloporteur entre une entrée et une sortie de fluide caloporteur placé entre la base et la plaque de contact, le conduit comportant au moins un canal de forme spiralée. Une forme en spirale du au moins un canal de circulation permet une répartition homogène de la température sur toute la surface de la plaque de contact et ainsi améliore les échanges thermiques avec la batterie ou le pack de batterie sur l'ensemble de la surface de ce dernier. De plus, avec une forme spiralée du au moins un canal, à taille de plaque d'échange thermique équivalente, la surface d'échange thermique entre la batterie ou le pack de batterie et le fluide caloporteur ou réfrigérant est augmentée, ce qui augmente d'autant l'efficacité de la plaque d'échange thermique. La forme spiralée permet également une bonne définition des parois du au moins un canal et ainsi permet une bonne répartition de la masse de la batterie ou du pack de batterie sur la plaque de contact ce qui est un avantage pour avoir un bon coefficient d'échange thermique entre ces deux éléments. Selon un aspect de l'invention, le conduit comporte deux canaux imbriqués l'un dans l'autre, lesdits canaux étant reliés l'un à l'autre au centre de la spirale. Une telle conception de la plaque d'échange thermique permet un échange thermique amélioré entre le fluide entrant et le fluide sortant de la 25 plaque d'échange thermique. Selon un autre aspect de l'invention, chaque canal du conduit a un profil de type spirale carrée. Ce profil de type spirale carré permet d'optimiser au mieux la surface de 30 la plaque d'échange thermique et de fournir une surface d'échange la plus importante possible. Selon un autre aspect de l'invention, chaque canal du conduit a un profil de type spirale d'Archimède. Selon un autre aspect de l'invention, certaines des parois formant le ou les canaux viennent de matière avec la base. Selon un autre aspect de l'invention, certaines des parois formant le ou les canaux sont formées par une plaque de séparation rapportée entre la base et 10 la plaque de contact. La présente invention concerne également un dispositif d'échange thermique pour gestion thermique de batterie comportant une pluralité de plaques d'échange thermique telles que décrites précédemment. 15 Selon un aspect du dispositif selon l'invention, les entrées de fluide caloporteur de la pluralité de plaques d'échange thermique sont reliées à une arrivée de fluide caloporteur commune et que les sorties de fluide caloporteur de la pluralité de plaques d'échange thermique sont reliées à une évacuation de fluide caloporteur commune. 20 Ce type de branchement permet à chaque plaque d'échange thermique du dispositif d'être très homogène d'un point de vue de leur température sur l'ensemble de la surface d'échange dudit dispositif. Selon un autre aspect du dispositif selon l'invention les plaques de la 25 pluralité de plaques d'échange thermique sont mises bout à bout, de sorte que l'entrée de fluide caloporteur d'une première plaque d'échange thermique est reliée à une arrivée de fluide caloporteur, et que la sortie de fluide caloporteur d'une dernière plaque d'échange thermique est reliée à une évacuation de fluide caloporteur, les entrées et sorties de fluide caloporteur des plaques de la 30 pluralité de plaques d'échange thermique étant branchées bout à bout de sorte à relier la première plaque d'échange thermique et la dernière plaque d'échange thermique. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'une plaque d'échange thermique comprenant les étapes suivantes : - formation d'un conduit comportant au moins un canal de forme spiralée, par accolement d'une base et d'au moins une plaque de contact en matière thermo-conductible, - fixation de façon étanche de la plaque de contact sur la base. Selon un autre aspect du procédé selon l'invention, le conduit comporte deux canaux imbriqués l'un dans l'autre, lesdits canaux étant reliés l'un à l'autre au centre de la spirale. Selon un autre aspect du procédé selon l'invention, la base est réalisée en 15 métal et l'étape de formation du conduit comprend les étapes suivantes : - emboutissage de ladite base de sorte à former le au moins un canal de forme spiralé, - positionnement de la plaque de contact en matière thermoconductible sur la base afin de recouvrir le ou les canaux. 20 Selon un autre aspect du procédé selon l'invention, la base est réalisée en un matériau moulé et l'étape de formation du conduit comprend les étapes suivantes : - moulage de ladite base de sorte à former le au moins un canal de 25 forme spiralé, - positionnement de la plaque de contact en matière thermoconductible sur la base afin de recouvrir le ou les canaux. Selon un aspect du procédé selon l'invention, l'étape de formation du conduit comprend une étape mise en place de plaques de séparation rapportées entre la base et la plaque de contact afin de former le ou les canaux du conduit. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus 5 clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés parmi lesquels : - les figures la à ic montrent des représentations schématiques en coupe de plaques d'échange thermique selon différents modes de réalisation, 10 - la figure 2 montre une représentation schématique d'un conduit de circulation du fluide caloporteur ou réfrigérant en vue de dessus, selon un premier mode de réalisation, - la figure 3 montre une représentation schématique d'un conduit de circulation du fluide caloporteur ou réfrigérant en vue de dessus, 15 selon un second mode de réalisation, et - la figure 4 montre une représentation schématique en vue de dessus d'un dispositif de gestion thermique de batterie selon un mode de réalisation particulier. 20 Les éléments identiques sur les différentes figures, portent les mêmes références. Sur les figures la, lb et ic, est notamment représentée schématiquement une plaque d'échange thermique 1 en vue de coupe. La plaque d'échange 25 thermique comporte une base 3 qui comprend au moins un canal 5 dans lequel circule un fluide caloporteur ou réfrigérant entre une entrée 2oa et une sortie lob de fluide caloporteur ou réfrigérant (visibles sur les figures 2 à 4). La base 3 peut être réalisée en différent matériaux, par exemple elle peut être réalisée en métal comme par exemple l'aluminium ce qui peut permettre notamment de former le au moins un canal 5 par emboutissage. La base 3 peut également être réalisée en matériau plastique ce qui peut permettre notamment de former le au moins un canal 5 lors du moulage de ladite base 3. La plaque d'échange thermique 1 comporte également une plaque de contact 7, destinée à venir en contact avec la batterie à réguler thermiquement. La plaque de contact 7 est fixée sur la base 3 afin de recouvrir le au moins un canal 5 et de délimiter ainsi avec la base 3 au moins un conduit 6 destiné à l'écoulement d'un fluide caloporteur ou réfrigérant ou réfrigérant. La plaque de contact 7 est apte à venir en contact direct avec le fluide caloporteur ou réfrigérant qui circule dans chaque conduit 6. La plaque de contact 7 est préférentiellement réalisée en matière thermo-conductible afin d'assurer de bons échanges thermiques entre le fluide caloporteur ou réfrigérant et la batterie. La plaque de contact 7 peut ainsi être réalisée en métal comme l'aluminium ou encore en matière plastique à conductivité thermique améliorée. La plaque de contact 7 peut également être recouverte, sur sa face en contact avec la batterie, d'une feuille améliorant la conductivité thermique. La plaque d'échange thermique 1 peut comporter une seule plaque de contact 7. Dans ce cas, le ou les canaux 5 peuvent être réalisés au moyen d'une 20 nervure ménagée dans la base 3. Ainsi la superposition de la plaque de contact 7 et de la base 3 permet de délimiter un conduit 6 d'écoulement du fluide. La fixation de la plaque de contact 7 sur la base 3 peut être réalisée par une pluralité de modes de réalisation connus de l'homme du métier. Un premier exemple de la fixation de la plaque de contact 7 sur la base 3 25 est illustré à la figure la. Ici, la fixation est réalisée au moyen d'une vis 31, traversant à la fois la plaque de contact 7 et la base 3, et d'un écrou 32. L'étanchéité entre la plaque de contact 7 et la base 3 peut être ici réalisé au moyen de joints 9. Un second exemple de la fixation de la plaque de contact 7 sur la base 3 est illustré à la figure ib. Ici, la plaque de contact 7 et la base 3 sont réalisées en métaux et la fixation peut être réalisée par brasage. Selon un mode de réalisation alternatif illustré en figure ic, les canaux 5 peuvent être réalisés par l'ajout, entre la plaque de contact 7 et la base 3, d'une plaque de séparation 10 rapportées et formant les parois des canaux 5 et délimitant ces derniers. La plaque de contact 7, la base 3 et la plaque de séparation 10 formant les parois du ou des canaux 5 sont ensuite fixés l'un à l'autre de façon étanche par exemple au moyen de joints 9 (non représentés) et d'un système de fixation vis 31, écrou 32 ou de tout autre moyen connus de l'homme du métier. Selon un autre mode alternatif de réalisation (non représenté), la plaque d'échange thermique 1 peut comprendre deux plaques de contact 7, disposées sur des faces opposées de la base 3. Chaque canal 5 est alors réalisé par un passage traversant de part en part la base 3. La superposition de la base 3 et des plaques de contact 7 permet de délimiter les parois du conduit 6. La base 3 délimite les bords latéraux du ou des canaux 5 tandis que les plaques de contact 7 délimitent ses bords supérieur et inférieur. Chaque canal 5 peut également comporter des perturbateurs il, réalisés en même temps que le ou lesdits canaux 5, par exemple lors du moulage ou de l'emboutissage de la base 3, ou encore étant des pièces distinctes ajoutées postérieurement et fixée au sein du ou desdits canaux 5. Ces perturbateurs 11 permettent d'homogénéiser le fluide caloporteur ou réfrigérant circulant au sein du circuit de conduits 6. Selon un mode de réalisation, le conduit 6 comporte au moins un canal 5 30 de forme spiralée. Les ouvertures d'entrée 2oa et de sortie lob sont respectivement positionnées à l'extrémité et au centre de la plaque d'échange thermique 1. Comme le montre les figures 2 et 3, lesquelles ont trait à des représentations schématiques de plaques d'échange thermique 1 d'un autre mode de réalisation, en vue de dessus, le conduit 6 comportant deux canaux 5 de forme spiralée. Lesdits canaux 5 sont reliés l'un à l'autre au centre de la spirale. Les canaux 5 de forme spiralée sont imbriqués l'un dans l'autre 5 afin de permettre une répartition homogène de la température sur toute la surface de la plaque de contact 7 et ainsi améliore les échanges thermiques avec la batterie ou le pack de batterie sur l'ensemble de la surface de ce dernier. Une telle conception de la plaque d'échange thermique 1 permet en outre un échange thermique amélioré entre le fluide entrant et le fluide sortant de la plaque d'échange thermique. Le fluide entrant s'entend comme le fluide circulant de l'ouverture d'entrée 2oa jusqu'au centre de la plaque d'échange thermique 1, tandis que le fluide sortant s'entend comme le fluide circulant depuis le centre vers la sortie lob de la plaque d'échange thermique 1. De plus, avec une forme spiralée des canaux 5, à taille de plaque d'échange thermique équivalente, la surface d'échange thermique entre la batterie ou le pack de batterie et le fluide caloporteur ou réfrigérant est augmentée, ce qui augmente d'autant l'efficacité de la plaque d'échange thermique 1. La forme spiralée permet également une bonne définition des parois des canaux 5 et ainsi permet une bonne répartition de la masse de la batterie ou du 25 pack de batterie sur la plaque de contact 7 ce qui est un avantage pour avoir un bon coefficient d'échange thermique entre ces deux éléments. Selon un mode de réalisation illustré à la figure 2, les canaux 5 du conduit 6 ont un profil de type spirale d'Archimède. Selon un autre mode de réalisation illustré à la figure 3, les canaux 5 du conduit 6 ont un profil de type spirale carré. Ce profil de type spirale carré permet d'optimiser au mieux la surface de la plaque d'échange thermique 1 et de fournir une surface d'échange la plus importante possible. Afin de réguler thermiquement des batteries ou packs de batteries de grande taille, il est possible de former un dispositif loo d'échange thermique comportant une pluralité de plaques d'échange thermique 1 décrites précédemment comme cela est illustré sur la figure 4. Comme le montrent les figures la et ib, les plaques d'échange thermique 1 peuvent comporter des moyens de positionnement 38a, 38b afin de faciliter le positionnement des plaques d'échange thermiques entre-elles. Ces moyens de positionnement 38a, 38b peuvent par exemple être des organes de types mâle/femelle. Selon un mode de réalisation de ce dispositif 10o d'échange thermique, les plaques d'échange thermiques sont branchées les unes aux autres en parallèle par analogie avec un circuit électrique. On entend par la que les entrées 2oa de fluide caloporteur de la pluralité de plaques d'échange thermique 1 sont reliées à une arrivée de fluide caloporteur commune et que les sorties lob de fluide caloporteur de la pluralité de plaques d'échange thermique 1 sont reliées à une évacuation de fluide caloporteur commune. Ce type de branchement permet à chaque plaque d'échange thermique 1 du dispositif 10o d'être très homogène d'un point de vue de leur température 25 sur l'ensemble de la surface d'échange dudit dispositif 100 d'échange thermique. Selon un autre mode de réalisation de ce dispositif 100, les plaques d'échange thermiques sont branchées les unes aux autres en série par analogie avec un circuit électrique. On entend par la que les plaques de la pluralité de 30 plaques d'échange thermique 1 sont mises bout à bout, de sorte que l'entrée 2oa de fluide caloporteur d'une première plaque d'échange thermique 1 est reliée à une arrivée de fluide caloporteur, et que la sortie lob de fluide caloporteur d'une dernière plaque d'échange thermique 1 est reliée à une évacuation de fluide caloporteur, les entrées 2oa et sorties lob de fluide caloporteur des plaques d'échange thermique 1 étant branchées bout à bout de sorte à relier la première plaque d'échange thermique 1 et la dernière plaque d'échange thermique 1. La présente invention concerne également un procédé de fabrication 10 d'une plaque d'échange thermique 1 comprenant les étapes suivantes : - formation d'au moins un conduit 6 comportant un canal 5 de forme spiralée par accolement d'une base 3 et d'au moins une plaque de contact 7 en matière thermo-conductible, - fixation de façon étanche de la plaque de contact 7 sur la base 3. 15 Comme montré sur les différentes figures, le au moins conduit 6 peut notamment comporter deux canaux (5) imbriqués l'un dans l'autre, lesdits canaux (5) étant reliés l'un à l'autre au centre de la spirale. Selon un mode de réalisation de ce procédé de fabrication, la base 3 est 20 réalisée en métal. L'étape de formation du conduit 6 comprend alors les étapes suivantes : - emboutissage de ladite base 3 de sorte à former les canaux 5 de forme spiralé, - positionnement de la plaque de contact 7 en matière thermo25 conductible sur la base 3 de sorte à recouvrir lesdits canaux 5. Selon un autre mode de réalisation de ce procédé de fabrication, la base 3 est réalisée en un matériau moulé, comme par exemple en matière plastique. L'étape de formation du conduit 6 comprend alors les étapes suivantes : - moulage de ladite base 3 de sorte à former les canaux 5 de forme spiralée, positionnement de la plaque de contact 7 en matière thermoconductible sur la base 3 afin de recouvrir lesdits canaux 5. Selon un autre mode de réalisation de ce procédé de fabrication, l'étape de formation du conduit 6 comprend une étape de par mise en place de plaques de séparation 10 rapportées entre la base 3 et la plaque de contact 7 de sorte à former les canaux 5 du conduit 6. Le fait que les canaux aient un profil spiralé permet ici de ne pas avoir besoin de deux types de plaque de séparation 10 symétriques afin de former lesdits canaux. En effet, un premier élément formant la plaque de séparation 10 peut être utilisé et placé entre la base 3 et la plaque de contact 7 dans un premier sens et ensuite un second élément identique mais avec une rotation de i80° peut être placé pour compléter et former les canaux 5. Ainsi, on voit bien que du fait de la conformation en spirale d'au moins un canal 5 formant le conduits 6, la plaque d'échange thermique 1 a une surface d'échange étendue et également une homogénéité de sa température sur ladite surface d'échange ce qui permet une gestion thermique améliorée de la batterie ou du pack batteries. REVENDICATIONS1. Plaque d'échange thermique (1) pour gestion thermique de batterie, comportant : - une base (3), - au moins une plaque de contact (7) en matière thermo-conductible destinée à venir en contact avec la batterie à réguler thermiquement ; et - au moins un conduit (6) de circulation de fluide caloporteur entre une entrée (2oa) et une sortie (lob) de fluide caloporteur s'étendant entre la base (3) et la au moins une plaque de contact (7), caractérisée en ce que le conduit (6) comporte au moins un canal (5) de forme spiralée. 2. Plaque d'échange thermique (i) selon la revendication 1, caractérisée en 15 ce que le conduit (6) comporte deux canaux (5) imbriqués l'un dans l'autre, lesdits canaux (5) étant reliés l'un à l'autre au centre de la spirale. 3. Plaque d'échange thermique (i) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque canal (5) du conduit (6) a un profil de type spirale carrée. 20 4. Plaque d'échange thermique (i) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que chaque canal (5) du conduit (6) a un profil de type spirale d'Archimède. 25 5. Plaque d'échange thermique (i) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que certaines des parois formant le ou les canaux (5) vient de matière avec la base (3). 6. Plaque d'échange thermique (i) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que certaines des parois le ou les canaux (5) sont formées par une plaque de séparation (10) rapportées entre la base (3) et la plaque de contact (7). 7. Dispositif (10o) d'échange thermique pour gestion thermique de batterie, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de plaques d'échange thermique (i) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. 8. Dispositif (ioo) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les entrées (2oa) de fluide caloporteur de la pluralité de plaques d'échange thermique (i) sont reliées à une arrivée de fluide caloporteur commune et que les sorties (2ob) de fluide caloporteur de la pluralité de plaques d'échange thermique (i) sont reliées à une évacuation de fluide caloporteur commune. 9. Dispositif (ioo) selon la revendication 6, caractérisé en ce que les plaques de la pluralité de plaques d'échange thermique (i) sont mises bout à bout, de sorte que l'entrée (2oa) de fluide caloporteur d'une première plaque d'échange thermique (i) est reliée à une arrivée de fluide caloporteur, et que la sortie (2ob) de fluide caloporteur d'une dernière plaque d'échange thermique (i) est reliée à une évacuation de fluide caloporteur, les entrées (2oa) et sorties (2ob) de fluide caloporteur des plaques de la pluralité de plaques d'échange thermique (i) étant branchées bout à bout de sorte à relier la première plaque d'échange thermique (i) et la dernière plaque d'échange thermique (i). 10. Procédé de fabrication d'une plaque d'échange thermique (i) comprenant les étapes suivantes : - formation d'un conduit (6) comportant au moins un canal (5) de forme spiralée par accolement d'une base (3) et d'au moins une plaque de contact (7) en matière thermo-conductible, - fixation de façon étanche de la plaque de contact (7) sur la base (3). 11. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le conduit (6) comporte deux canaux (5) imbriqués l'un dans l'autre, lesdits canaux (5) étant reliés l'un à l'autre au centre de la spirale. 12. Procédé de fabrication selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que la base (3) est réalisée en métal et que l'étape de formation du conduit (6) comprend les étapes suivantes : - emboutissage de ladite base (3) de sorte à former les canaux (5) de 10 forme spiralé, - positionnement de la plaque de contact (7) en matière thermoconductible sur la base (3) afin de recouvrir le ou les canaux (5). 13. Procédé de fabrication selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce 15 que la base (3) est réalisée en un matériau moulé et que l'étape de formation du conduit (6) comprend les étapes suivantes : - moulage de ladite base (3) de sorte à former les canaux (5) de forme spiralé, - positionnement de la plaque de contact (7) en matière thermo20 conductible sur la base (3) afin de recouvrir le ou les canaux (5). 14. Procédé de fabrication selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'étape de formation du conduit (6) comprend une étape de mise en place d'une plaque de séparation (w) rapportées entre la base (3) et la plaque de 25 contact (7) afin de former le ou les canaux (5) du conduit (6).