Brevet FR3084298A1 — publié le 20200131

Dispositif de carter d'une batterie. L'invention concerne un dispositif de carter pour batterie, notamment pour batterie de véhicule automobile, en particulier pour batterie d'alimentation d'un moteur d'entraînement du véhicule automobile. L'invention porte aussi sur un ensemble comprenant une batterie et un tel dispositif de carter. L'invention porte encore sur un châssis ou une caisse de véhicule automobile comprenant un tel dispositif de carter et/ou un tel ensemble. L'invention porte enfin sur un véhicule automobile comprenant un tel dispositif de carter et/ou un tel ensemble et/ou un tel châssis ou caisse. Les normes de limitation d'émission de gaz à effet de serre entraînent un développement des véhicules électriques et hybrides. Afin de limiter les émissions de gaz à moindre coût, les constructeurs automobiles peuvent réaliser une hybridation de certains de leurs véhicules à combustion interne en ajoutant un moteur électrique d'entraînement du véhicule et une batterie électrique d'alimentation de ce moteur. Dans certains cas, cette hybridation peut être réalisée en modifiant et adaptant des plateformes-véhicules existantes, dédiées aux motorisations thermiques. Par conséquent, l'espace alloué à la batterie électrique (en général, de type batterie lithium-ion) ne correspond pas à une zone optimisée pour la vie de cette batterie (prolongement maximal de la durée de vie et des performances du dispositif). L'implantation de la batterie est subie par les équipes de développement : elle doit être implantée dans les zones disponibles, impliquant un minimum de modifications de l'architecture du véhicule thermique sur la base duquel le véhicule hybride est conçu. Afin de ne pas empiéter sur le volume du coffre et ne pas remettre en cause la présence d'une roue de secours, un positionnement de la batterie en sous-caisse est souvent envisagé. 2 Différentes technologies de batteries sont utilisées pour assurer la traction des véhicules électriques ou hybrides. Le meilleur compromis entre énergie et puissance est obtenu avec les batteries à cellules lithium-ion. Lors de l'étape de décharge (roulage du véhicule), la 5 migration des ions lithium libère de la chaleur qu'il faut évacuer du dispositif de batterie pour éviter le vieillissement prématuré de la batterie. Ceci est d'autant plus vrai pour les petites batteries de véhicules hybrides (de type 48V, masse : environ 20 kg) dans lesquelles transitent des puissances importantes (10/20 kW) responsables d'un échauffement 10 rapide de celles-ci. La durée de vie de la batterie dépend en particulier de sa température de fonctionnement. Les mécanismes physico-chimiques qui se déroulent à hautes températures sont susceptibles de dégrader la batterie. 15 Un système d'hybridation peut être déployé sur différents modèles d'une gamme de véhicules. Les emplacements disponibles pour son implantation peuvent alors varier d'un modèle de véhicule à un autre. Si le dispositif de batterie du véhicule est refroidi de manière active (avec de l'air ou un liquide réfrigérant), la régulation en température de celui-ci 20 peut être réalisée de manière efficace, quelle que soit la localisation du dispositif de batterie. Dans le cas d'un refroidissement passif de la batterie, l'efficacité du refroidissement est fortement tributaire de la position de la batterie. Ainsi, 25 dans une configuration donnée, le refroidissement passif peut être efficace, mais dans une configuration différente, il peut se révéler insuffisant. On connaît par exemple de la demande FR2999809A1 un dispositif de 30 batterie comportant une gorge sur sa surface extérieure inférieure. L'ouverture de la gorge est orientée vers l'avant du véhicule, de sorte 3 qu'un flux d'air pénètre naturellement dans la gorge dès lors que le véhicule roule. D'une part, cette gorge a le désavantage de fonctionner pour une 5 orientation donnée du dispositif de batterie relativement au véhicule. En effet, si le dispositif de batterie est implanté à un endroit différent sous le véhicule, la gorge peut ne plus assurer son rôle. D'autre part, cette gorge a le désavantage de refroidir le dispositif de 10 batterie en permanence, quelle que soit la température extérieure et la température de la batterie. En cas de grand froid, cela peut pénaliser le fonctionnement de la batterie. Le but de l'invention est de fournir un dispositif de carter d'une batterie 15 remédiant aux inconvénients ci-dessus et améliorant les dispositifs de carter connus de l'art antérieur. En particulier, l'invention permet de réaliser un dispositif de carter dont l'efficacité de refroidissement est quasiment insensible à la position du dispositif. Selon un autre aspect, l'invention permet de réaliser un dispositif de carter permettant d'éviter un 20 refroidissement d'une batterie qui ne devrait pas être refroidie. Selon l'invention, un dispositif de carter pour batterie, notamment pour batterie de véhicule automobile, comprend une face munie d'une pluralité de picots, notamment munie d'un réseau de picots. 25 La face peut être plane ou sensiblement plane et/ou la face peut être horizontale ou sensiblement horizontale. Les picots peuvent s'étendre perpendiculairement ou sensiblement 30 perpendiculairement à la face. 4 Les picots peuvent avoir une dimension longitudinale supérieure à 1 mm, notamment comprise entre 5 mm et 30 mm, de préférence environ 10 mm et/ou les picots peuvent avoir une dimension transversale comprise entre 3 mm et 20 mm, notamment entre 5 mm et 10 mm, de préférence 5 environ 6 mm. Les picots peuvent avoir chacun une forme cylindrique ou sensiblement cylindrique. 10 Le réseau de picot peut être un réseau régulier, notamment un réseau régulier basé sur un motif en losange ou en triangle ou en carré ou en rectangle. Les picots peuvent être reliés par des nervures, notamment des nervures 15 organisées parallèlement à une première direction et/ou à une deuxième direction et/ou à une troisième direction. Les nervures peuvent avoir une hauteur inférieure à 0.5 fois la dimension longitudinale des picots. 20 Le dispositif peut comprendre un élément de modification de l'exposition de la pluralité de picots à un flux de fluide, notamment à un flux d'air. L'élément de modification de l'exposition peut comprendre au moins un 25 actionneur de déplacement de la face munie de la pluralité de picots. L'élément de modification de l'exposition peut comprendre au moins un actionneur de déplacement d'un volet relativement à la face munie de la pluralité de picots. 30 Le volet peut être déplaçable en translation ou en rotation. 5 Le volet peut être déplaçable en rotation autour d'un axe perpendiculaire à la direction d'extension des picots ou autour d'un axe parallèle à la direction d'extension des picots. 5 Selon l'invention, un ensemble comprend une batterie et un dispositif de carter tel que défini précédemment. Selon l'invention, un châssis ou une caisse de véhicule automobile comprend un dispositif de carter tel que défini précédemment et/ou un 10 ensemble tel que défini précédemment. Selon l'invention, un véhicule automobile comprend un dispositif de carter tel que défini précédemment et/ou un ensemble tel que défini précédemment et/ou un châssis ou caisse tel que défini précédemment. 15 Le dessin annexé représente, à titre d'exemples, quatre modes de réalisation d'un dispositif de carter. La figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation 20 d'un véhicule automobile. La figure 2 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation d'un véhicule automobile. La figure 3 représente schématiquement un troisième mode de réalisation d'un véhicule automobile. 25 La figure 4 représente schématiquement un quatrième mode de réalisation d'un véhicule automobile. La figure 5 est une vue de dessous d'un exemple de carter de batterie pouvant être utilisé dans n'importe lequel des modes de réalisation. La figure 6 est une vue de détail d'une partie de la figure 5. 30 Un premier mode de réalisation d'un véhicule automobile 100 est décrit ci-après en référence aux figures 1, 5 et 6. 6 La direction selon laquelle le véhicule se déplace habituellement en ligne droite est définie comme étant la direction longitudinale X. Par convention, la direction perpendiculaire à la direction longitudinale X, 5 située dans un plan parallèle à un sol plat, est nommée direction transversale Y. La troisième direction, perpendiculaire aux deux autres, est nommée direction verticale Z. Le véhicule est de préférence du type électrique ou hybride. En 10 conséquence, le véhicule comprend de préférence un moteur d'entraînement du véhicule et une batterie 20 d'alimentation électrique de ce moteur. La batterie est avantageusement une batterie de cellules électriques, 15 notamment une batterie de cellules électriques du type lithium-ion. Le véhicule comprend un ensemble 30 comprenant la batterie 20 et un dispositif de carter 1 destiné à contenir la batterie. Le dispositif de carter est par exemple réalisé en deux parties 2 et 3, notamment deux demi- 20 coques assemblées l'une à l'autre. Le dispositif de carter permet de protéger la batterie de l'environnement dans lequel se trouve le véhicule. Toutefois, le dispositif de carter doit aussi permettre le transfert thermique entre la batterie et cet environnement de façon à ce que la batterie puisse être refroidie lorsqu'elle est sollicitée et qu'elle s'échauffe. 25 Le véhicule comprend aussi un châssis 10 ou une caisse. Ce châssis ou cette caisse comprend avantageusement le dispositif de carter 1 car la batterie est avantageusement montée sur ce châssis ou cette caisse. 30 De préférence, le dispositif de carter est implanté sous la caisse du véhicule et les parois de ce dispositif de carter sont optimisées de manière à assurer un bon refroidissement passif de la batterie lors du 7 roulage du véhicule quel que soit l'orientation du dispositif de carter relativement au flux d'air circulant sous le véhicule lors du roulage. Le dispositif de carter 1 comprend une face 4 munie d'une pluralité de 5 picots 5, notamment un réseau de picots 5, soit une face 4 sur laquelle est disposée une pluralité de picots 5, notamment un réseau de picots 5. La face comprend de préférence plusieurs centaines de picots, par exemple entre 100 et 1000 picots, notamment environ 500 picots ou 600 10 picots ou 700 picots. Alternativement ou complémentairement, la densité surfacique de picots peut être comprise entre 1500 picots/m2 et 15000 picots/m2, en particulier environ 8000 picots/m2. L'entraxe entre deux picots voisins est compris entre 1 mm et 20 mm, de préférence entre 5 mm et 15 mm, par exemple égal ou environ égal à 10 mm. 15 La face 4 est de préférence une face inférieure du dispositif de carter. Une fois le dispositif fixé au reste de la caisse ou du châssis, la face 4 est avantageusement orientée horizontalement ou sensiblement horizontalement. Une fois le dispositif fixé au reste de la caisse ou du 20 châssis, la face 4 est avantageusement localisée sous la caisse ou le châssis. De préférence, la face est plane ou sensiblement plane en faisant abstraction des picots et éventuelles nervures prévus sur la face. 25 Autrement dit, les sommets des différents et/ou les bases des différents picots se trouve sur une surface plane ou sensiblement plane. La surface peut aussi être légèrement concave ou convexe. Par exemple, le rayon de courbure de la face est supérieur à 0,5 m. 30 Une des fonctions de cette face 4 est de permettre un bon échange thermique entre la batterie et l'environnement extérieur au dispositif de carter, en particulier l'environnement sous-caisse du véhicule. Ceci 8 implique un bon coefficient d'échange thermique entre la face 4 et l'environnement extérieur au dispositif de carter. Lors du roulage du véhicule, un flux d'air F se déplace relativement au 5 véhicule principalement selon la direction longitudinale X du véhicule. Ceci est en particulier vérifié sous le véhicule où est de préférence implanté le dispositif de carter. Le flux F est donc de préférence parallèle ou sensiblement parallèle à la 10 face 4. Le dispositif de carter peut comprendre plusieurs faces munies de picots ou plusieurs faces sur lesquelles sont disposés des picots. 15 Par « picot on entend dans tout ce document une saillie de matière ou une conformation en bosse ou en forme de plot, ayant pour but d'augmenter la surface d'échange thermique. De préférence, les picots s'étendent perpendiculairement ou 20 sensiblement perpendiculairement à la face 4 sur laquelle ils sont disposés. Les picots s'étendent selon un axe z perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire à la face 4. L'axe z constitue la direction longitudinale des picots. 25 De préférence, les picots ont chacun une forme cylindrique ou sensiblement cylindrique, notamment cylindrique de révolution. Par cylindrique », on entend, de préférence, dans tout ce document, le sens mathématique du terme, c'est-à-dire caractérisant une forme ayant une surface générée par une génératrice (parallèle à l'axe z) et s'appuyant 30 sur un contour fermé. 9 En complément ou alternativement, les picots peuvent être plus ou moins coniques. Par exemple, les dimensions transversales des picots peuvent diminuer à mesure qu'on s'approche de leur extrémité libre ou distale. 5 Alternativement, les picots peuvent avoir toute autre forme, notamment des formes hélicoïdales. De préférence, les picots ont une dimension longitudinale supérieure 1 mm, notamment comprise entre 5 mm et 30 mm, de préférence environ 10 10 mm. En complément, de préférence, les picots ont des dimensions transversales comprises entre 3 mm et 20 mm, notamment entre 5 mm et 10 mm, de préférence environ 6 mm. 15 La forme de la surface d'échange doit être en correspondance avec le champ aérodynamique sous-caisse, sans pour autant perturber l'aérodynamique globale du véhicule (Cx). 20 Pour faire face à cette pluralité de localisations possibles et pour répondre à un besoin de modalité d'implantation du dispositif de carter, le dispositif de carter comprend, sur la face 4, un dispositif isotrope optimisé afin de maximiser les échanges convectifs avec l'environnement extérieur. 25 De préférence, le réseau de picot est un réseau régulier, notamment un réseau régulier basé sur un motif élémentaire en losange ou en triangle ou en carré ou en rectangle. 30 L'avantage d'un tel réseau repose sur son caractère isotrope ou quasi- isotrope qui permet de conserver l'efficacité du refroidissement passif du 10 dispositif de carter, quelle que soit l'orientation du dispositif de carter relativement à l'axe vertical Z du véhicule. La face 4 est dimensionnée par des calculs thermiques. En effet, un bilan 5 thermique permet, en fonction de la stratégie de refroidissement adoptée, de déduire la valeur cible de la résistance thermique Rth caractérisant l'interface entre l'environnement ambiant et la paroi du dispositif de carter. Cette résistance Rth peut s'exprimer de la manière suivante : Rth 1 / (h x S) 10 où h (W/m2/K) est le coefficient de convection entre la face et l'environnement, et S (ma) est l'aire d'échange thermique de l'interface face-environnement. 15 Le coefficient de convection h dépend de la vitesse du véhicule y et de la structure de caisse. En faisant l'hypothèse d'un coefficient de convection moyen proportionnel à la vitesse, il est possible de déterminer la surface d'échange S. 20 Il est ensuite possible de concevoir plusieurs formes de paroi pour atteindre la surface d'échange souhaitée. Dans la grande majorité des cas, il est nécessaire d'ajouter un relief à cette surface pour atteindre la cible fixée. Celle-ci doit toutefois permettre un passage correct du flux 25 d'air, soit un « arrosage » complet de la surface, pour être réellement efficace. De plus, il convient de garder à l'esprit que cette surface doit perturber le moins possible l'écoulement sous-caisse et l'aérodynamique globale du véhicule. Enfin, la garde au sol doit être respectée. 30 En prenant en compte l'ensemble de ces contraintes et le dimensionnement explicité ci-dessus, on arrive par exemple à une réalisation de face 4 ayant les caractéristiques suivantes . 11 Nombre de picots : 617 Hauteur des picots : 10 mm Diamètre des picots : 6 mm 5 Avantageusement, des zones locales sans picots peuvent également être créées sur la face 4 pour augmenter localement la turbulence et ainsi améliorer le coefficient d'échange. De préférence, les picots sont reliés par des nervures 6. Les nervures 10 sont réalisées sur la face 4. Les nervures sont par exemple organisées parallèlement à une première direction D1 et/ou parallèlement à une deuxième direction D2 et/ou parallèlement à une troisième direction. Avantageusement, la hauteur des nervures (mesurée selon l'axe z) est 15 inférieure à 0.5 fois la dimension longitudinale des picots. Trois autres modes de réalisation d'un véhicule automobile 100 sont décrits ci-après respectivement en référence aux figures 2, 5 et 6, 3, 5 et 6 et 4, 5 et 6. 20 Dans ces trois autres modes de réalisation, le véhicule diffère du premier mode de réalisation en ce que le dispositif de carter comprend un élément 11 ; 12 ; 13 de modification de l'exposition de la pluralité de picots au flux F de fluide, notamment au flux d'air, en particulier au flux 25 d'air sous la caisse du véhicule. En effet, avec les solutions décrites dans ce document, la batterie est refroidie passivement en plaçant le dispositif de carter de batterie dans le flux d'air autour du véhicule. Le fonctionnement de la batterie est donc 30 dépendante des conditions extérieures (température, humidité, etc.), ainsi que du flux d'air. Même si cela est bénéfique la plupart du temps, dans le cas de températures extérieures froides (