Brevet FR3015655A1 — publié le 20150626

Procédé de remplissage en fluide diphasique d'un dispositif de contrôle thermique pour module de batterie de véhicule automobile L'invention concerne un procédé de remplissage en fluide diphasique d'un dispositif de contrôle thermique pour module de batterie de véhicule automobile, dans le 5 but de refroidir ou de réchauffer la ou les batteries d'un véhicule automobile notamment électrique, du type hybride ou tout électrique. Pour assurer un fonctionnement et une durée d'utilisation optimaux des batteries de véhicule à moteur électrique, notamment des batteries du type Lithium-Ion, la température des batteries doit être maintenue dans une gamme de l'ordre de 0°C à 40°C et plus 10 spécifiquement autour de 25°C. Ce maintien de la température doit être assuré lorsque le véhicule roule, ainsi qu'à son arrêt, et plus particulièrement au cours de la charge des batteries. Une charge très rapide de la batterie peut occasionner une génération de chaleur très importante dans la batterie. Il est alors nécessaire de refroidir la batterie afin de préserver sa durée de vie. De 15 même, selon les conditions climatiques, notamment en hiver ou dans les pays froids, il peut être nécessaire de réchauffer la batterie pour rester dans la gamme de température de fonctionnement optimal. Du fait du coût particulièrement élevé des batteries par rapport au coût total du véhicule, il est indispensable d'assurer des moyens de contrôle de la température des 20 batteries qui soient efficaces. On cherche aujourd'hui de plus, à obtenir des moyens de contrôle de la température des batteries présentant un encombrement et un poids relativement faibles, qui soient simples avec un bon rapport performance/prix. A cette fin des dispositifs ont été proposés, qui sont illustrés et qui seront décrits plus en détail en référence à la figure 1. Ils comportent généralement un échangeur 25 thermique et un faisceau de caloducs agencés sensiblement parallèlement. Les caloducs présentent des premières extrémités dont une surface est destinée à être en contact thermique avec une batterie du véhicule automobile et des deuxièmes extrémités dont une surface est en contact thermique avec l'échangeur thermique. Ils comportent respectivement un bouchon de remplissage, un bouchon d'obturation et un tronc central 30 délimitant une pluralité de canaux en dérivation, dans lequel est enfermé un fluide à changement de phase. L'échangeur thermique, quant à lui, comporte une entrée de fluide, une sortie de fluide et au moins deux tubes définissant deux circuits de guidage en dérivation entre l'entrée de fluide et la sortie de fluide. L'axe du tube est orienté sensiblement perpendiculairement à la direction longitudinale des caloducs et les deuxièmes extrémités des caloducs présentent ainsi, chacune, une surface en contact thermique avec un des tubes. Les caloducs sont étanches et remplis d'un fluide qui est stocké sous une forme diphasique (liquide + vapeur). La répartition entre les deux phases se modifie en fonction de la quantité de chaleur qu'il absorbe ou qu'il délivre et une bonne efficacité du dispositif de contrôle thermique ne peut être obtenue que, d'une part s'il ne reste pas de fluide incondensable, tel que de l'air, dans les canaux des caloducs et, d'autre part si la répartition entre les deux phases correspond à une valeur précise, définie pour chaque valeur donnée de la température de remplissage des caloducs. Le remplissage demande un temps particulièrement long du fait des caractéristiques précises à respecter sur la quantité de produit à introduire dans les caloducs et sur le taux de 15 répartition entre les phases, avant la fermeture du caloduc et de l'accès à ses canaux internes. Le but de la présente invention est de proposer un procédé industrialisable pour le remplissage des volumes internes des caloducs, qui soit relativement rapide, tout en garantissant à la fois une absence de fluide non désiré et un dosage précis de la quantité de 20 fluide introduite. À cet effet, l'invention a pour objet un procédé de remplissage en fluide diphasique d'un dispositif de contrôle thermique pour module de batterie de véhicule automobile, ledit dispositif de contrôle thermique comportant un faisceau de caloducs formant une cavité interne destinée à recevoir ledit fluide, lesdits caloducs étant, avant remplissage, en 25 communication avec l'extérieur au moyen d'au moins un orifice de remplissage obturable, susceptible de servir de point d'entrée au fluide dans le volume de ladite cavité interne, ledit procédé comprenant : une étape de remplissage de ladite cavité interne par ledit fluide en phase liquide jusqu'à une quantité en masse, ou en volume de liquide, supérieure à une valeur 30 prédéfinie, une étape d'obturation dudit orifice de remplissage afin de rendre étanche ladite cavité ainsi remplie, caractérisé en ce qu'il comprend en outre préalablement à l'étape d'obturation : une étape de chauffage du caloduc portant ledit fluide à ébullition, une réduction par évaporation de la masse de fluide jusqu'à l'obtention de la valeur prédéfinie. Par cette étape de chauffage et de vaporisation du fluide on peut éliminer tous les gaz incondensables et obtenir un fluide diphasique bien adapté à sa fonction de stockage ou de déstockage de chaleur. Ledit dispositif de contrôle pourra comprendre en outre un échangeur thermique et lesdits caloducs pourront présenter chacun au moins une surface destinée à être en contact thermique, d'une part avec une batterie du véhicule automobile et, d'autre part, avec l'échangeur thermique. Les caloducs comportent, notamment, une série de canaux internes, en communication fluidique entre eux. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, le remplissage de la cavité 15 interne des caloducs s'effectue par gravité, l'orifice de remplissage étant le seul moyen de communication de ladite cavité interne avec l'extérieur. Ce mode est adapté à des caloducs dont les orifices d'obturation sont déjà fermés. Dans un second mode de réalisation, les cavités internes étant en communication avec l'extérieur par au moins un orifice de remplissage et au moins un orifice d'obturation, 20 l'étape de remplissage se poursuit jusqu'au remplissage complet de ladite cavité interne et elle est suivie d'une étape d'obturation du au moins un orifice d'obturation, préalablement à l'étape de chauffage. Préférentiellement, dans ce second mode, le remplissage s'effectue à l'encontre de la gravité, jusqu'à apparition du fluide sous forme liquide au niveau du ou des orifices 25 d'obturation. Avantageusement le remplissage des caloducs s'effectue individuellement, chacun des caloducs étant relié à un dispositif de remplissage. De façon alternative, le remplissage des caloducs d'un même dispositif de contrôle thermique s'effectue simultanément, les orifices de remplissage étant tous reliés à une 30 même canalisation de remplissage. De façon préférentielle dans le second mode de réalisation, les orifices d'obturation étant tous reliés à une même canalisation d'obturation, l'étape d'obturation du ou des orifices d'obturation s'effectue après apparition du fluide sous forme liquide au niveau de ladite canalisation. Avantageusement, l'obturation du au moins un orifice de remplissage et/ou 5 d'obturation s'effectue par sertissage ou par électro-soudure. De façon plus avantageuse, une opération de soudage ou de brasage est effectuée postérieurement audit sertissage, de façon rendre ladite obturation étanche. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et des 10 dessins annexés parmi lesquels : la figure 1 représente une vue de face d'un dispositif de contrôle thermique pour module de batterie de véhicule automobile, la figure 2 représente une vue schématique en perspective et de côté d'un caloduc du dispositif de la figure 1, 15 la figure 3 représente une vue schématique et en perspective d'un exemple de module de batterie comportant deux batteries et le dispositif de contrôle thermique de la figure 1, la figure 4 représente une vue schématique, en coupe, d'un dispositif de contrôle thermique au cours du remplissage de ses caloducs, par un procédé selon un 20 premier mode de réalisation de l'invention, la figure 5 représente une vue schématique, en coupe, d'un dispositif de contrôle thermique au cours du remplissage de ses caloducs, par un procédé selon un second mode de réalisation de l'invention, et les figures 6A et 6B représentent, respectivement, l'état des canaux de remplissage 25 des caloducs, avant et après la fermeture de ces caloducs. La figure 1 représente un dispositif de contrôle thermique 1 pour module de batterie de véhicule automobile, notamment de véhicule électrique, du type hybride ou tout électrique. Le dispositif de contrôle thermique 1 comporte classiquement un échangeur 30 thermique 3 et un faisceau de caloducs. Le dispositif 1 illustré sur la figure 1 comporte ainsi un faisceau 4 comprenant huit caloducs 5. Il est intégré dans un module de batterie de véhicule automobile 10 comportant en outre au moins une batterie 11. La figure 3 illustre un exemple de module de batterie 10, comportant deux batteries 11 et un dispositif de contrôle 1. Les batteries 11 sont par exemple électrochimiques, notamment du type Lithium-Ion. De telles batteries présentent l'avantage de présenter un bon rapport poids/puissance : c'est-à-dire qu'elles sont puissantes par rapport à leur compacité. Le module de batterie 10 peut ainsi comporter plusieurs batteries 11 et plusieurs dispositifs de contrôle thermique 1, les batteries étant empilées les unes sur les autres, grande face contre grande face, et un dispositif de contrôle thermique étant interposé entre deux batteries 11 successives, comme représenté sur la figure 3. En ce qui concerne l'échangeur thermique 3, il comporte classiquement deux tubes 22, définissant deux circuits de guidage pour la circulation d'un fluide, tel que de l'eau ou de l'eau glycolée, en dérivation entre l'entrée de fluide 20 et la sortie de fluide 21 (voir flèches sur la figure 1). Les axes des tubes 22 sont orientés sensiblement perpendiculairement à la direction longitudinale L des caloducs 5. Le dispositif de contrôle thermique 1 est assemblé aux batteries de sorte que des premières extrémités 5a des caloducs 5 soient en contact thermique avec la ou les batteries 11 et des deuxièmes extrémités 5b des caloducs 5 soient en contact thermique avec l'échangeur thermique 3 (figures 1 à 3). On entend par « contact thermique », soit que les surfaces 12, 13 des premières extrémités 5a des caloducs 5 sont plaquées et fixées contre la batterie 11 en contact direct, sans intermédiaire, soit que les surfaces 12, 13 des premières extrémités 5a des caloducs 5 sont plaquées et fixées contre la batterie 11 avec interposition d'une interface thermiquement conductrice favorisant l'échange thermique entre la batterie 11 et le caloduc 5. En fonctionnement de « refroidissement », un fluide « froid », entre par l'entrée de fluide 20, parcourt les circuits de guidage des tubes 22, et sort par la sortie de fluide 21. En parcourant les tubes 22, le fluide récupère l'énergie des caloducs 5 et l'évacue dans un réseau de fluide connecté à la sortie de fluide 21. Le réseau de fluide évacue le surplus de chaleur, par exemple par un radiateur extérieur en face avant du véhicule. Alternativement, le fluide froid est refroidi par un fluide frigorigène d'une boucle de climatisation du véhicule. Les tubes 22 permettent ainsi de dissiper la chaleur accumulée par les deuxièmes extrémités 5b des caloducs 5. A l'inverse en fonctionnement de « réchauffement », c'est un fluide « chaud », qui parcourt les circuits de guidage des tubes 22 et qui transfère de l'énergie aux caloducs 5. La circulation du fluide dans les tubes 22 est ainsi utilisée pour fournir ou dissiper de la chaleur aux caloducs 5, sans augmentation de l'encombrement du module de batterie 10. Un caloduc 5 (ou « heat pipe » en anglais) se présente sous la forme d'une enceinte hermétique qui renferme un fluide en équilibre avec sa phase gazeuse et sa phase liquide, en absence de tout autre gaz. Il s'agit donc d'un fluide diphasique. On peut citer comme exemple, non limitatif, un fluide organique, c'est-à-dire un fluide dont les molécules contiennent des atomes de carbone, d'hydrogène, et d'oxygène. Le caloduc 5 présente une forme générale allongée selon un axe longitudinal L (figures 1 et 2). Selon l'exemple schématisé en figure 2 celui-ci comporte un bouchon de remplissage 6, un bouchon d'obturation 7 et un tronc central 8 délimitant une pluralité de canaux 9 (dont un seul est représenté sur la figure 2) s'étendant en dérivation entre le bouchon de remplissage 6 et le bouchon d'obturation 7. Les canaux 9 sont par exemple identiques et parallèles entre eux à l'intérieur du tronc central 8. Leurs parois internes présentent des profils configurés pour guider le fluide, lorsqu'il est sous une forme liquide, par capillarité, d'une extrémité à l'autre du caloduc 5. Selon une forme particulière, illustrée sur les figures 1 à 3, chaque caloduc 5 peut comporter en outre un queusot 15 qui permet de communiquer avec l'intérieur de l'enceinte hermétique du caloduc, afin de la remplir ou de la vider de son fluide diphasique. Le queusot 15 est alors inséré et fixé de manière étanche au bouchon de remplissage 6. En variante (non représentée), les caloducs 5 peuvent présenter un trou obturable, qui est pratiqué dans le bouchon de remplissage 6 et qui communique directement avec l'intérieur de l'enceinte hermétique pour le remplissage du caloduc 5. Les canaux 9 sont fermés à une première extrémité par le bouchon de remplissage 6 et à une deuxième extrémité par le bouchon d'obturation 7. Le bouchon de remplissage 6 comporte au niveau de la première extrémité du tronc central 8, une rainure transverse à la direction longitudinale L des caloducs, qui permet aux canaux 9 d'un même caloduc de communiquer fluidiquement entre eux. De même, le bouchon d'obturation 7 comporte, au niveau de la deuxième extrémité du tronc central 8, un deuxième moyen de communication des canaux 9 entre eux. Ces moyens de communication permettent d'équilibrer la pression entre tous les différents canaux 9 du caloduc 5, de manière à répartir équitablement le fluide diphasique dans l'enceinte hermétique définie par les rainures de communication et les canaux 9. Les bouchons de remplissage 6 et d'obturation 7 ont ainsi pour fonctions de permettre la communication des canaux 9 du caloduc 5 entre eux, la fermeture des canaux 9 et, en ce qui concerne le bouchon de remplissage, le montage éventuel des queusots 15 pour le vidage/remplissage du caloduc 5. En ce qui concerne leur réalisation technologique, les caloducs 5, c'est-à-dire, des troncs centraux 8, bouchons de remplissage 6, bouchons d'obturation 7 et éventuels queusots 15 sont, de façon connue, réalisés en un matériau métallique, et par exemple entièrement en aluminium qui présente une excellente conductivité thermique. Les troncs centraux 8 multicanaux sont réalisés, par exemple, par extrusion puis découpés à la longueur souhaitée. Les queusots 15 sont, quant à eux, brasés sur le bouchon de remplissage 6, ce qui garantit l'étanchéité de l'assemblage. Dans la version sans queusot le remplissage s'effectue par des orifices qui sont laissés ouverts, lors du brasage, au niveau de la jointure des feuilles d'aluminium qui forment le bouchon de remplissage ; le remplissage, ou le vidage, s'effectue alors en introduisant une seringue au travers de chaque orifice. En se référant maintenant aux figures 4 à 6A et 6B on va décrire les dispositifs et le procédé associé, mis en place pour le remplissage des caloducs 5, conformément à l'invention. Les dispositifs de contrôle thermique qui sont illustrés sont déjà assemblés mais ils 20 comportent encore leur moyen de remplissage opérationnel, c'est-à-dire que les queusots 15, dans la première variante du bouchon de remplissage 6, ou les orifices de remplissage 31, dans la seconde variante, ne sont pas encore refermés. A titre d'exemple, c'est la seconde variante qui est représentée sur les figures 4 à 6A et 6B, le bouchon de remplissage étant formé par deux feuilles d'aluminium qui sont 25 brasées l'une sur l'autre au niveau d'une ligne de jonction et qui comportent sur cette ligne de jonction, des orifices 31, espacés les uns des autres, pour le passage du fluide lors du remplissage. Dans la version représentée sur la figure 4, le fluide est injecté par des seringues (non représentées) qui sont introduites individuellement dans les orifices de remplissage 31 30 de chacun des caloducs. En version alternative, représentée sur la figure 5, les orifices 31 sont tous reliés à une canalisation de remplissage 32 qui les alimente simultanément. Quel que soit le moyen de remplissage choisi, les orifices sont rendus accessibles à un outillage pour permettre d'effectuer leur fermeture, par exemple par sertissage, après le remplissage du caloduc (à une position représentée par une croix sur les figures 4 et 5). Sur la figure 4 on voit un dispositif adapté au remplissage simultané de tous les caloducs du dispositif de contrôle thermique 3, par des seringues. Celles-ci injectent leur contenu dans la cavité interne des caloducs jusqu'à ce qu'un volume prédéterminé de liquide y soit mis. Le mode de remplissage choisi consiste ainsi à remplir les caloducs par gravité, le bouchon d'évacuation 7 fermant les canaux 9 de chacun des caloducs 5 à leur partie inférieure. Le même mode de remplissage par gravité peut, bien évidemment, être mis en oeuvre avec un dispositif où les caloducs sont alimentés par une canalisation de remplissage commune. Sur la figure 5, le bouchon d'obturation 7 a une configuration analogue à celle du bouchon de remplissage 6, c'est-à-dire que les canaux internes sont, à son niveau, en communication avec l'extérieur par l'intermédiaire d'orifices d'obturation 33 qui débouchent dans une canalisation d'évacuation 34. De la même façon les orifices d'obturation 33 sont accessibles à un outillage pour permettre d'effectuer leur fermeture lorsque le remplissage est effectué. Les figures 6A et 6B montrent un orifice de remplissage 31, ou d'évacuation 33, dans les deux positions, avant et après sa fermeture. Sur la figure 6A l'orifice 31 est réalisé sous la forme d'un interstice laissé entre les deux feuilles d'aluminium qui constituent le bouchon de remplissage et qui sont brasées l'une contre l'autre le long d'une ligne de jonction 30. L'interstice est formé par des échancrures laissées sur chacune des feuilles lors de leur emboutissage, avant brasage. La figure 6B montre l'état de l'orifice 31 après sa fermeture. L'interstice a été réduit par un sertissage ou par électro-soudure qui rapproche les deux feuilles l'une de l'autre et un apport de brasure 32 a été effectué pour rendre étanche la cavité interne du caloduc vis-à-vis de l'extérieur. Le fluide qui est alors enfermé dans le caloduc a une masse fixée et seule sa répartition entre sa phase liquide et sa phase gazeuse peut dès lors évoluer. On va maintenant décrire le procédé de remplissage d'un caloduc selon l'invention, dans deux modes de réalisation, et expliquer l'apport qu'il procure. Pour cette description, le procédé dans le premier mode est mis en oeuvre sur un dispositif tel que celui illustré sur la figure 4 alors que le second mode est mis en oeuvre sur le dispositif illustré sur la figure 5. Dans le premier mode, l'invention consiste à déclencher le remplissage des caloducs par les seringues ou par la canalisation d'alimentation 32 jusqu'à une certaine quantité, prédéfinie, de produit, sous une forme liquide. Cette quantité dépasse volontairement la masse totale de fluide que l'on veut déposer dans les caloducs. Une fois que ce liquide est injecté et qu'il s'est stabilisé par gravité dans le fond des canaux, l'invention consiste à procéder à un chauffage des caloducs jusqu'à évaporation du fluide, les orifices de remplissage 31 du bouchon de remplissage restant ouverts. De ce fait le fluide, en se vaporisant, remplit progressivement l'espace libre au dessus du liquide et rejette l'air qui était encore contenu dans les canaux des caloducs. Peu à peu, au fur et à mesure que la vaporisation se poursuit, la masse restant dans les canaux des caloducs se réduit jusqu'à atteindre la valeur recherchée pour les caloducs en utilisation. Un opérateur procède, alors à la fermeture des orifices de remplissage 31, par sertissage puis brasage ou électro-soudure comme indiqué en référence aux figures 6A et 6B, emprisonnant ainsi la masse du fluide souhaitée. Toute évolution de la température se traduira désormais dans le caloduc par un changement de la répartition entre la phase liquide et la phase vapeur de ce matériau à changement de phase, accompagné d'une libération ou d'une absorption de chaleur. Le remplissage des caloducs selon le second mode de l'invention se passe de manière analogue, avec cependant une variante en ce qui concerne la phase d'évacuation des gaz incondensables, comme de l'air. Ici le remplissage des caloducs s'effectue à l'encontre de la gravité avec, dans un premier temps, les orifices de remplissage 31 et les orifices d'obturation 33 ouverts. L'injection du fluide, sous forme liquide, s'effectue par les orifices 31 pratiqués dans le bouchon de remplissage 6 jusqu'à ce que ce liquide s'écoule par les orifices 33 du bouchon d'obturation. Lorsque cette condition est remplie cela signifie que les canaux sont entièrement remplis de liquide et qu'aucun gaz incondensable ne s'y trouve plus à l'intérieur. Un opérateur procède alors à la fermeture de ces orifices 33 d'obturation, de la même manière que précédemment dans le cas des orifices 31 de remplissage, ceci soit au niveau desdits orifices d'obturation 33 et/ou au niveau dudit de ladite canalisation d'évacuation 34, entre lesdits orifices d'obturation 33. Il reste désormais à ramener la quantité de fluide dans les caloducs à la valeur de masse visée. Là encore un chauffage est mis en place pour provoquer une ébullition du fluide et une réduction de la masse enfermée par évaporation. Une fois que la masse recherchée est atteinte l'opérateur procède alors, comme dans le premier mode, au sertissage et au brasage des orifices de remplissage 31, soit au niveau desdits orifices de remplissage 31 et/ou au niveau de ladite canalisation de remplissage 32, entre lesdits orifices de remplissage 31. Dans les deux cas les méthodes employées pour déterminer que la valeur de masse recherchée est atteinte sont des méthodes classiques, connues de l'homme du métier, que ce soit par un pesage du caloduc ou par une mesure du volume de liquide restant dans le 10 caloduc, en lien avec la température à laquelle il se trouve. REVENDICATIONS1. Procédé de remplissage en fluide diphasique d'un dispositif de contrôle thermique pour module de batterie de véhicule automobile, ledit dispositif de contrôle thermique comportant un faisceau (4) de caloducs (5) formant une cavité interne destinée à recevoir ledit fluide, lesdits caloducs étant, avant remplissage, en communication avec l'extérieur au moyen d'au moins un orifice de remplissage (31) obturable, susceptible de servir de point d'entrée au fluide dans le volume de ladite cavité interne, ledit procédé comprenant : une étape de remplissage de ladite cavité interne par ledit fluide en phase liquide jusqu'à une quantité en masse, ou en volume de liquide, supérieure à une valeur prédéfinie, une étape d'obturation dudit orifice de remplissage afin de rendre étanche ladite cavité ainsi remplie, caractérisé en ce qu'il comprend en outre préalablement à l'étape d'obturation : - une étape de chauffage du caloduc portant ledit fluide à ébullition, - une réduction par évaporation de la masse de fluide jusqu'à l'obtention de la valeur prédéfinie. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le remplissage de la cavité interne des caloducs s'effectue par gravité, l'orifice de remplissage étant le seul moyen de communication de ladite cavité interne avec l'extérieur. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, les cavités internes étant en communication avec l'extérieur par au moins un orifice de remplissage (31) et au moins un orifice d'obturation (33), l'étape de remplissage se poursuit jusqu'au remplissage complet de ladite cavité interne et est suivie d'une étape d'obturation du au moins un orifice d'obturation (33), préalablement à l'étape de chauffage. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel le remplissage s'effectue à l'encontre de la gravité, jusqu'à apparition du fluide sous forme liquide au niveau du ou des orifices d'obturation (33). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le remplissage des caloducs s'effectue individuellement, chacun des caloducs étant relié à un dispositif deremplissage. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le remplissage des caloducs d'un même dispositif de contrôle thermique s'effectue simultanément, les orifices de remplissage (31) étant tous reliés à une même canalisation de remplissage (32). 7. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4 dans lequel, les orifices d'obturation étant tous reliés à une même canalisation d'obturation (34), l'étape d'obturation du ou des orifices d'obturation (33) s'effectue après apparition du fluide sous forme liquide au niveau de ladite canalisation. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel l'obturation du au moins un orifice de remplissage et/ou d'obturation s'effectue par sertissage. 9. Procédé selon la revendication 8 dans lequel une opération de soudage ou de brasage est effectuée postérieurement audit sertissage, de façon rendre ladite obturation étanche.15