Brevet FR3062749A1 — publié le 20180810

DESCRIPTION La présente invention concerne le domaine des sources d'énergie électriques autonomes, en particulier celles embarquées dans des véhicules automobiles, et a pour objet une unité de batterie et un véhicule automobile hybride ou électrique comportant au moins une telle unité. Les véhicules hybrides/électriques sont équipés d'une batterie permettant de stocker l'énergie électrique nécessaire à leur fonctionnement. Les enjeux actuels nécessitent d'optimiser la conception des unités de batterie aussi dénommées « packs batteries », afin d'en tirer les meilleures performances en terme de durée de vie (charge/décharge) et d'autonomie de roulage. Le temps de charge est également un facteur important dans l'utilisation quotidienne de ces packs batteries. Les batteries mises en oeuvre ont idéalement besoin de fonctionner à des températures entre 10° C et 30° C, en particulier les batteries à haute densité de stockage, du type par exemple Li-ion ou Li-polymère. Une température trop basse impacte l'autonomie et une température trop élevée impacte la durée de vie des batteries. Il est donc nécessaire de réguler au mieux la température des batteries. Dans le cadre des applications embarquées sur véhicules, il existe des solutions de batteries refroidies par air mais l'échange thermique reste assez limité La tendance actuelle est d'utiliser un fluide caloporteur afin d'améliorer les échanges thermiques et d'augmenter l'efficacité de la régulation. De plus, les logements de réception de ces batteries peuvent être réalisés directement par une partie du véhicule ou consister en des cavités formées dans une pièce structurelle de ce véhicule. Toutefois, ces solutions sont très peu flexibles en termes d'implantation et rendent difficiles la maintenance. Les solutions de packs batteries autonomes et non intégrées dans la structure du véhicule sont de ce fait à privilégier. De nombreuses conceptions existent dans l'état de la technique : elles utilisent des solutions métalliques (acier, aluminium, etc.) avec une distribution de fluide caloporteur par durites jusqu'à des plaques de refroidissement assemblées et disposées à l'intérieur du pack batterie, sur lesquelles reposent les modules regroupant les cellules ou éléments de la batterie. 3062749 - 2 - Il en résulte une construction complexe, formée par l'assemblage d'un nombre important de pièces, nécessitant la réalisation de nombreux raccordements étanches lors de la fabrication (dont la tenue au vieillissement peut être problématique) et constituant une structure 5 encombrante, multic omp o s ante. De plus, le boîtier de l'unité de batterie étant réalisé en métal (préférentiellement de l'aluminium), il ne peut isoler thermiquement et électriquement le pack batterie vers l'extérieur, présente de plus un prix de revient élevé et est en outre sujet à la corrosion. 10 La présente invention a pour but de surmonter au moins les principales limitations précitées. A cet effet, l'invention a pour objet une unité de batterie, notamment pour véhicule automobile hybride et/ou électrique, comprenant essentiellement, d'une part, une pluralité de cellules ou d'éléments de 15 batterie, le cas échéant regroupé(e)s physiquement et/ou électriquement en plusieurs blocs ou modules, d'autre part, un boîtier logeant et entourant lesdit(e)s cellules ou éléments et, enfin, des moyens de régulation de la température desdit(e)s cellules ou éléments par circulation de fluide caloporteur FC, 20 unité de batterie caractérisée en ce que le boîtier comporte, au moins au niveau d'une région de fond sur laquelle reposent les cellules, au moins une, préférentiellement plusieurs, zone(s) d'échange thermique entre lesdites cellules et le fluide caloporteur, ladite ou lesdites zone(s) étant intégrée(s) dans la structure dudit boîtier, préférentiellement dans la paroi 25 de ce dernier. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : 30 les figures 1 A et 1B sont des vues en perspective selon deux angles différents d'une unité de batterie selon l'invention, avec un boîtier parallélépipédique rectangle formé par l'assemblage d'un bac inférieur et d'un couvercle ; la figure 2 est une vue en perspective similaire à celle de la 35 figure 1A, le couvercle étant enlevé ; la figure 3 est une vue totale en coupe de l'unité de batterie représentée figures 1 et 2; 3062749 - 3 - la figure 4 est une représentation d'une partie de la représentation de la figure 3 à une échelle différente ; la figure 5 est une représentation d'une partie de la représentation de la figure 4 à une échelle différente ; 5 la figure 6 est une vue schématique en coupe d'un bac inférieur équipé de batterie selon un autre mode de réalisation de l'unité de batterie de l'invention ; la figure 7 est une vue schématique en coupe d'une unité de batterie selon un autre mode de réalisation de l'unité de batterie de 10 l' invention ; la figure 8A est une vue similaire à celle de la figure 2, les cellules ou éléments de batterie étant enlevés et seul le bac inférieur étant représenté ; la figure 8B est une vue similaire à celle de la figure 8A 15 illustrant une autre variante de réalisation du bac, les cellules étant enlevées et un cadre de renfort étant rapporté sur le bac ; la figure 9 est une vue en perspective de dessous d'une unité de batterie représentée figures 1 A et 1B ; la figure 10 est une vue à une échelle différente d'un détail de 20 la figure 9; la figure 11 est une vue similaire à celle de la figure 8 après enlèvement d'une plaquette thermiquement conductrice ou à conductivité thermique élevée d'une zone d'échange thermique intégrée au bac inférieur ; 25 la figure 12 est une vue d'un détail (renfoncement de la zone d'échange thermique dont la plaquette conductrice a été enlevée) de la figure 11, à une échelle différente ; la figure 13 est une vue en perspective de dessous d'une plaquette à conductivité thermique élevée d'une zone d'échange thermique ; 30 les figures 14 à 16 sont des vues respectivement identiques aux figures 1A, 1B et 1C illustrant la circulation du fluide caloporteur dans les conduits d'alimentation et d'évacuation (figures 14 et 15), dans les lignes de piquage (figure 15) et dans le volume interne d'une zone d'échange thermique formant portion de circuit élémentaire en U (figure 16) ; la figure 17 est une vue partielle en coupe transversale de l'unité de batterie représentée figures 1 A et 1B, illustrant la circulation du 3062749 - 4 - fluide caloporteur dans les conduits d'alimentation/évacuation, les lignes de piquage et les zones d'échange thermique, et la figure 18 est une vue similaire à la figure 1 A montrant également un cadre de renfort destiné à venir s'emboîter autour et dans le 5 bac inférieur du boîtier de l'unité de batterie. Les figures 1, 3, 7, 14, 15 et 17 notamment montrent une unité de batterie 1, notamment pour véhicule automobile hybride et/ou électrique, comprenant essentiellement, d'une part, une pluralité de cellules 2 ou d'éléments de batterie, le cas échéant regroupé(e)s physiquement et/ou 10 électriquement en plusieurs blocs ou modules 2', d'autre part, un boîtier 3 logeant et entourant lesdit(e)s cellules ou éléments 2 et, enfin, des moyens 4, 5 de régulation de la température desdit(e)s cellules ou éléments 2 par circulation de fluide caloporteur FC. Conformément à l'invention, le boîtier 3 comporte, au moins au 15 niveau d'une région de fond 6 sur laquelle reposent les cellules 2, au moins une, préférentiellement plusieurs, zone(s) 6' d'échange thermique entre lesdites cellules 2 et le fluide caloporteur FC, ladite ou lesdites zone(s) 6' étant intégrée(s) dans la structure dudit boîtier 3, préférentiellement dans la paroi 3' de ce dernier. 20 Ainsi, du fait de l'intégration d'une partie au moins des moyens 4, 5 de régulation en température (ici au moins les zones d'échange thermique 6') dans la structure même du boîtier 3, on aboutit à une construction compacte (volume intérieur maximum, volume extérieur minimal), avec un nombre limité de pièces et de parties à assembler (seules 25 les parties constitutives 10, 11 du boîtier 3 doivent être mutuellement solidarisées, la ou les zones 6' d'échange thermique étant incorporée(s) dans lesdites parties de boîtier 3). Préférentiellement, la ou chaque zone d'échange 6' comprend un élément surfacique 7 à conductivité thermique élevée en contact avec 30 des cellules 2, d'une part, et le fluide caloporteur FC, d'autre part, un élément surfacique 7 étant le cas échéant associé aux cellules 2 d'un module 2'. Les zones 6' d'échange thermique peuvent ainsi constituer des moyens de régulation de la température des cellules 2 qui non seulement 35 sont incorporés dans la structure même du boîtier 3, mais peuvent également être organisés et segmentés en fonction de l'organisation et de 3062749 - 5 - l'éventuel regroupement des cellules 2 (en modules 2'), pour une efficacité de transfert thermique optimisé. En accord avec une caractéristique constructive avantageuse de l'invention, ressortant notamment des figures 4 à 13 et 17, la ou chaque 5 zone d'échange 6' comprend un volume 8 de circulation de fluide caloporteur FC, défini entre un élément surfacique 7 à conductivité thermique élevée, en contact direct avec des cellules 2, et un élément surfacique 9 à faible conductivité thermique, le cas échéant en contact avec le milieu extérieur. 10 Ainsi, l'échange thermique avec le fluide FC du volume 8 est extrêmement favorisé au niveau de l'élément surfacique 7 et au contraire réduit au maximum au niveau de l'élément surfacique 9 complémentaire. Une conductivité thermique élevée, et plus généralement un bon transfert thermique entre le fluide FC et les cellules 2, peut être atteinte 15 en utilisant un matériau intrinsèquement bon conducteur thermique et utilisé en faible épaisseur, en relation avec une surface de contact maximale et une qualité de contact optimisée entre l'élément surfacique 7 et les cellules 2, le cas échéant du module 2' concerné. La faible conductivité thermique quant à elle peut être atteinte 20 en utilisant un matériau faiblement conducteur thermique, voire isolant thermiquement, en combinaison avec une épaisseur relativement importante de la paroi de l'élément surfacique 9. Typiquement, on entend dans la présente par conductivité thermique À élevée, des valeurs de À telles que À > 50 W.m-1.K-1, 25 préférentiellement À> 100 W.nii.K4 et par faible conductivité thermique À, des valeurs des À telles que À REVENDICATIONS1. Unité de batterie (1), notamment pour véhicule automobile hybride et/ou électrique, comprenant essentiellement, d'une part, une pluralité de cellules (2) ou d'éléments de batterie, le cas échéant regroupé(e)s physiquement et/ou électriquement en plusieurs blocs ou modules (2'), d'autre part, un boîtier (3) logeant et entourant lesdit(e)s cellules ou éléments (2) et, enfin, des moyens (4, 5) de régulation de la température desdit(e)s cellules ou éléments (2) par circulation de fluide caloporteur (FC), unité de batterie (1) caractérisée en ce que le boîtier (3) comporte, au moins au niveau d'une région de fond (6) sur laquelle reposent les cellules (2), au moins une, préférentiellement plusieurs, zone(s) (6') d'échange thermique entre lesdites cellules (2) et le fluide caloporteur (FC), ladite ou lesdites zone(s) (6') étant intégrée(s) dans la structure dudit boîtier (3), préférentiellement dans la paroi (3') de ce dernier. 2. Unité de batterie selon la revendication 1, caractérisée en ce que la ou chaque zone d'échange (6') comprend un élément surfacique (7) à conductivité thermique élevée en contact avec des cellules (2), d'une part, et le fluide caloporteur (FC), d'autre part, un élément surfacique (7) étant le cas échéant associé aux cellules (2) d'un module (2'). 3. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la ou chaque zone d'échange (6') comprend un volume (8) de circulation de fluide caloporteur (FC), défini entre un élément surfacique (7) à conductivité thermique élevée, en contact direct avec des cellules (2), et un élément surfacique (9) à faible conductivité thermique, le cas échéant en contact avec le milieu extérieur. 4. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que l'élément surfacique (7) à conductivité thermique élevée est un élément rapporté dans le boîtier (3), et consiste avantageusement en une plaquette métallique, ou en un matériau rigide et bon conducteur thermique analogue, solidarisée de manière étanche aux liquides avec un élément surfacique (9) à faible conductivité thermique. 5. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisée en ce que l'élément surfacique (9) à faible conductivité thermique de la ou de chaque zone d'échange (6') fait partie intégrante du 3062749 - 15 - boîtier (3) et constitue avantageusement une portion de la paroi (3') de ce dernier. 6. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce que les volumes de circulation (8) de la ou des 5 différentes zone(s) d'échange thermique (6') forment des portions d'un ou de plusieurs circuit(s) (4) de circulation de fluide caloporteur (FC), intégré(s) dans la structure du boîtier (3), lesdites portions de circuit (4) étant reliées fluidiquement en série, ou non, et raccordées à des conduits (5', 5") de distribution/collecte faisant partie d'un circuit (5) 10 d'alimentation/évacuation de fluide liquide caloporteur (FC), ces circuits (4 et 5) constituant les moyens de régulation de la température des cellules (2). 7. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le boîtier (3) est réalisé en un matériau rigide à faible conductivité thermique, préférentiellement en plastique et en ce qu'il 15 est constitué, d'une part, par un bac inférieur (10), avec une paroi de fond (10') et des parois latérales (10"), et par un couvercle supérieur (11), assemblés périphériquement, préférentiellement par vissage, et éventuellement avec interposition d'un joint d'étanchéité. 8. Unité de batterie selon la revendication 7, caractérisée en ce 20 que le bac inférieur (10) présente des formations ou renfoncements dans sa paroi de fond (10'), et éventuellement dans certaines au moins de ses parois latérales (10"), ces formations ou renfoncements constituant chacun un élément surfacique (9) à faible conductivité thermique et formant, en coopération chacun avec un élément surfacique (7) à conductivité 25 thermique élevée, en forme de plaquette et en contact avec des cellules (2), par exemple toutes les cellules (2) d'un module (2'), des zones (6') d'échange thermique avec chacune un volume (8) de circulation de fluide caloporteur (FC). 9. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 7 30 et 8, caractérisée en ce que le couvercle (11) également intègre, dans sa structure, une ou des zones (6') d'échange thermique entre au moins certaines des, préférentiellement toutes les, cellules (2) et le fluide caloporteur (FC), la ou chaque zone d'échange thermique (6') du couvercle (11) comprenant un volume (8) de circulation de fluide caloporteur (FC) et étant constituée par la coopération d'un(e) formation ou renfoncement de la paroi (11') du couvercle (11), constituant un élément surfacique (9) à faible conductivité thermique, avec un élément surfacique (7) à conductivité 3062749 - 16 - thermique élevée, en forme de plaquette et en contact avec des cellules (2), par exemple toutes les cellules (2) d'un module (2'). 10. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce qu'une plaque ou feuille (12) flexible et 5 thermiquement conductrice est intercalée entre l'élément ou les éléments surfacique(s) (7) à conductivité thermique élevée de la ou des zone(s) (6') d'échange thermique intégrées dans le couvercle (11), le fond (6') du bac (6) et/ou dans les parois latérales (10") du bac (10), d'une part, et les faces concernées des cellules (2) des modules (2') en regard, d'autre part. 10 11. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que chaque zone d'échange thermique (6') comprend un volume (8) de circulation de fluide caloporteur (FC) formant une portion de circuit en forme de U ou en serpentin, dont les deux extrémités libres des deux branches sont reliées fluidiquement à des lignes 15 (5, 5") de distribution/collecte faisant partie d'un circuit (5) d'alimentation/évacuation de fluide caloporteur (FC). 12. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 3, 4, 5, 8 et 9, caractérisée en ce que chaque élément surfacique (7) à conductivité thermique élevée, en forme de plaquette, est solidarisé par 20 accrochage mécanique avec la paroi (3') du boîtier (3), par exemple par bouterollage, par encliquetage, par sertissage, par vissage ou analogue, la portion de paroi (3') en regard de l'élément surfacique (7) constituant un élément surfacique (9) à faible conductivité thermique. 13. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 25 3, 4, 5, 8 et 9, caractérisée en ce que chaque élément surfacique (7) à conductivité thermique élevée, en forme de plaquette, comporte une zone de bord formant cadre périphérique (13), d'un seul tenant ou rapporté par surmoulage, solidarisé par soudure avec la paroi (3') du boîtier (3), la portion de paroi (3') en regard de l'élément surfacique (7) constituant un 30 élément surfacique (9) à faible conductivité thermique. 14. Unité de batterie selon la revendication 12 ou 13, caractérisée en ce qu'un joint d'étanchéité (14) est présent, à l'état comprimé, entre les bords périphériques mutuellement solidarisés des deux éléments surfaciques (7 et 9). 35 15. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, 8, 9 et 12 à 14, caractérisée en ce que chaque élément surfacique (7) à conductivité thermique élevée en forme de plaquette est solidarisé avec la 3062749 - 17 - paroi (3') du boîtier (3), d'une part, périphériquement, préférentiellement continûment et par exemple par accrochage mécanique ou soudure, et, d'autre part, au niveau d'au moins une zone (15) de liaisonnement située à l'intérieur de la surface de ladite plaquette (7), avantageusement au niveau 5 d'une pluralité de zones de liaisonnement (15) réparties sur la surface de ladite plaquette (7), préférentiellement régulièrement. 16. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, 8, 9 et 12 à 15, caractérisée en ce que chaque élément surfacique (7) à conductivité thermique élevée et en forme de plaquette, est solidarisé avec 10 une portion de la paroi (3') du boîtier (3) constituant un élément surfacique (9) à faible conductivité thermique, ce au niveau d'au moins une zone de liaisonnement (15), préférentiellement d'une pluralité de zones de liaisonnement (15) réparties régulièrement, chaque zone de liaisonnement (15) consistant en une déformation locale (16), protubérante en direction de 15 la portion de paroi (3'), de l'élément surfacique (7) sous forme de plaquette métallique, ladite déformation (16) étant surmoulée par un matériau (16') compatible avec le matériau de ladite portion de paroi (3') pour une liaison par soudure laser par exemple. 17. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 20 1 à 16, caractérisée en ce que l'un des deux éléments surfaciques (7 et 9) en regard, définissant entre eux un volume de circulation (8) de fluide caloporteur (FC) d'une zone (6') d'échange thermique, avantageusement de forme rectangulaire, présente une nervure (17) subdivisant ledit volume (8) en deux branches d'une portion élémentaire de circuit de circulation 4' en 25 U, en S ou en serpentin. 18. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que les moyens (4, 5) de régulation de la température comprennent des conduits de distribution (5' )/collecte (5") constituant un ou plusieurs circuit(s) d'alimentation/évacuation de fluide 30 liquide caloporteur (LC), ces conduits (5', 5") étant intégrés structurellement dans le boîtier (3), de même que des lignes secondaires ou de piquage (18) reliant lesdits conduits (5', 5") aux volumes (8) de circulation des zones (6') d'échanges thermique, ces conduits (5', 5") et lignes (18) étant au moins partiellement formés d'un seul tenant avec la 35 paroi (3') du boîtier (3). 19. Unité de batterie selon la revendication 18, caractérisée en ce que les parois tubulaires des conduits (5', 5") et des lignes (18) sont 3062749 - 18 - formées, d'une part, partiellement dans et/ou sur la paroi (3') du boîtier (3), préférentiellement de forme générale sensiblement parallélépipédique rectangle, et, d'autre part, partiellement par de la matière surmoulée (23, 23') et/ou des portions de paroi rapportées et assemblées par soudage par 5 vibrations ou laser. 20. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 18 et 19, caractérisée en ce que le ou chaque circuit (5) d'alimentation/évacuation comprend un embout de raccordement (19) pour le ou les conduit(s) de distribution (5') et un embout de raccordement (19') 10 pour le ou les conduit(s) de collecte (5"), un circuit (5) commun ou des circuits (5) séparés étant avantageusement prévu(s) pour les volumes (8) de circulation des zones (6') d'échanges thermique présentes dans le bac inférieur (10) et le couvercle (11) qui forment les deux parties constitutives du boîtier (3). 15 21. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 7 à 10 et 20, caractérisée en ce que le bac (10) comprend une structure de renfort intégrée dans le corps du bac (10), par exemple surmoulée par le matériau thermoplastique constituant la paroi dudit bac (10). 22. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 20 7 à 10 et 20, caractérisée en ce que le bac (10) comprend une structure de renfort (20) coopérant extérieurement, par conjugaison de formes, avec la paroi thermoplastique dudit bac (10), par exemple du type cadre fournissant notamment une rigidification médiane et périphérique audit bac (10). 23. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 25 7 à 10 et 20 à 22, caractérisée en ce que le bac (10) comprend au moins une paroi intérieure de subdivision (21), s'étendant d'un seul tenant depuis le fond du bac (10), coopérant avantageusement avec une structure de renfort (20) et intégrant, le cas échéant, des volumes (8) de circulation de fluide caloporteur (FC), ces volumes (8) faisant préférentiellement partie des 30 moyens (4) de circulation du bac (10) et reliés fluidiquement aux moyens de distribution (5). 24. Unité de batterie selon l'une quelconque des revendications 1 à 23, caractérisée en ce qu'un moyen (22) de contrôle de la température, de la circulation et/ou de la distribution du liquide caloporteur est intégré 35 structurellement, voire matériellement, au moins en partie dans le boîtier (3). 3062749 - 19 - 25. Véhicule automobile, en particulier électrique ou hybride, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une unité de batterie (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, cette unité de batterie (1) comportant en outre au moins un moyen de mesure de température interne, 5 des moyens de raccordement électrique des cellules ou éléments (2) entre elles et des moyens de branchement extérieur, ces derniers étant avantageusement partiellement formés avec ou dans la paroi (3') du boîtier (3).