Brevet FR3080578A1 — publié le 20191101

VEHICULE HYBRIDE OU ELECTRIQUE AVEC STRUCTURES DE PROTECTION FORMANT ECHANGEURS THERMIQUES La présente invention concerne un véhicule automobile électrique ou hybride équipé d'une batterie de traction, ainsi qu'un procédé de charge de la batterie de ce véhicule à partir d'un poste de recharge extérieur. Les véhicules électriques ou les véhicules hybrides utilisant un moteur thermique et une motorisation électrique, comportent pour la traction du véhicule un système de stockage d'énergie électrique comprenant des modules électrochimiques de stockage d'énergie, appelé par la suite batterie. La motorisation électrique délivre un couple moteur de traction du véhicule en prélevant l'énergie dans la batterie, et un couple de freinage du véhicule en récupérant une énergie cinétique qui recharge cette batterie, ce qui permet de réduire les consommations d'énergie. Certains types de batteries de traction, en particulier les batteries au lithium-ion, doivent travailler dans une plage de température réduite afin de conserver leur capacité de charge et d'éviter un endommagement. En particulier leur température maximum admissible est de l'ordre de 40°C. De plus un échauffement important de cellules entraîne des risques de dégagement de gaz inflammables, et d'incendie. Ces véhicules comportent généralement un système de régulation thermique de la batterie de traction, comprenant un circuit d'un liquide caloporteur équipé d'une pompe, pour prélever des calories sur la batterie et les délivrer à un échangeur thermique disposant d'un ventilateur activant un flux d'air extérieur de refroidissement. Un type de véhicule électrique connu, présenté notamment par le document US-A1-20150135940, comporte un plancher recevant une batterie posée à plat dessus, comprenant de chaque côté un longeron assurant une protection latérale contre des chocs sur le véhicule afin d'éviter d'endommager la batterie disposée au centre. Les longerons comportent de plus des caissons 2 de passage d'air associés au système de refroidissement de la batterie, pour réguler sa température. Par ailleurs dans le cas de batteries de traction rechargeables sur un réseau extérieur de distribution d'électricité, le véhicule est garé à côté d'une 5 borne de recharge pour déployer un câble venant de cette borne, et le brancher sur le véhicule afin de délivrer sur la batterie une énergie électrique. Toutefois lors d'une charge rapide de la batterie à partir d'une station délivrant une puissance électrique élevée, qui peut fournir quelques dizaines ou une centaine de kW, la puissance calorifique dégagée par la batterie en 10 charge dépendant de l'intensité du courant de charge, est importante. Il est nécessaire de disposer d'une capacité de refroidissement suffisante de la batterie pour accepter cette puissance électrique. Le véhicule étant à l'arrêt, la capacité de refroidissement de la batterie est limitée par le flux d'air que peut fournir le ventilateur à l'échangeur 15 thermique, et par la température de cet air qui peut être élevée par temps chaud. Dans certains cas on doit limiter la puissance délivrée à la batterie et sa vitesse de recharge, ou arrêter cette charge, à cause de son échauffement. Pour pallier à ce problème un type de borne de recharge connu, présenté notamment par le document FR-A3-2934087, dispose d'un circuit de fluide 20 frais équipé de connecteurs de branchement sur le véhicule, délivrant ce fluide au véhicule pour refroidir sa batterie de traction pendant une charge rapide. Toutefois ce procédé nécessite l'installation dans le véhicule d'un circuit comprenant des échangeurs pouvant recevoir le fluide frais venant de la borne, qui présentent des problèmes d'encombrement, de masse additionnelle 25 et de coût. La présente invention a notamment pour but d'éviter ces problèmes de l'art antérieur. Elle propose à cet effet un véhicule automobile hybride ou électrique comportant une batterie de traction disposée au niveau du plancher de ce 30 véhicule, des structures latérales de protection disposées de chaque côté de la batterie par rapport à l'axe longitudinal du véhicule, assurant sa protection 3 en cas de chocs latéraux sur le véhicule, et un circuit de liquide caloporteur de refroidissement de cette batterie, ce véhicule étant remarquable en ce que les structures de protection forment un échangeur thermique entre un fluide frais venant de l'extérieur du véhicule, et le liquide caloporteur. 5 Un avantage de ce véhicule automobile est qu'il utilise un volume disponible dans les structures latérales de protection pour obtenir une grande surface d'échange thermique entre un fluide frais venant d'une borne extérieure de recharge, comme de l'eau ou de l'air, afin de refroidir de manière efficace le liquide caloporteur du circuit de refroidissement. 10 On peut en particulier réaliser une charge rapide ou très rapide de la batterie sur la borne de recharge grâce au grand débit possible d'eau ou d'air frais venant de la borne, et à la surface d'échange importante assurée par les volumes des structures de protection, qui donne une puissance de refroidissement élevée de la batterie. 15 Le véhicule automobile selon l'invention peut de plus comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être combinées entre elles. Avantageusement, les structures de protection sont allongées dans la direction longitudinale du véhicule, et comportent des alvéoles disposées 20 suivant cette longueur, comprenant des alvéoles de liquide caloporteur et des alvéoles de fluide frais. Dans ce cas, avantageusement les structures de protection sont formées par un profilé extrudé. Avantageusement, au moins une partie des alvéoles des structures de 25 protection présentent une section hexagonale. Avantageusement, les alvéoles de liquide caloporteur et les alvéoles de fluide frais sont contiguës. Avantageusement, les structures de protection comportent à leurs extrémités des boîtes de raccordement recevant le liquide des alvéoles de 30 liquide caloporteur et le fluide des alvéoles de fluide frais. 4 Dans ce cas, les boîtes de raccordement peuvent constituer des plaques mises en forme, comprenant des creux formant des canaux intérieurs reliant les alvéoles de fluide frais entre elles. Avantageusement, le circuit de liquide caloporteur traverse en série les 5 deux structures de protection. Avantageusement, le fluide frais traverse les deux structures de protection en série ou en parallèle. L'invention a aussi pour objet un procédé de recharge de la batterie d'un véhicule automobile comprenant l'une quelconque des caractéristiques 10 précédentes, remarquable en ce que pour une charge de cette batterie sur une borne de recharge rapide, il comporte une première étape de branchement d'une alimentation de fluide frais venant de cette borne sur le véhicule, puis une étape suivante d'activation de la circulation de ce fluide frais en même temps que la charge la batterie. 15 L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après donnée à titre d'exemple et de manière non limitative, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - les figures 1, 2 et 3 sont des schémas vus de dessus d'un véhicule 20 selon l'invention effectuant une charge rapide à une borne de recharge, présentant trois types différents de branchement du fluide frais venant de cette borne sur les deux structures latérales de protection du véhicule ; - les figures 4 et 5 présentent respectivement une vue d'ensemble et une vue de détail de l'extrémité d'une structure latérale de ce véhicule ; 25 - la figure 6 présente l'extrémité de cette structure latérale équipée d'un collecteur des fluides ; - la figure 7 présente le côté intérieur de ce collecteur des fluides ; et - la figure 8 présente l'assemblage du collecteur des fluides sur l'extrémité de la structure latérale avec un joint d'étanchéité intermédiaire. 30 La figure 1 présente un véhicule électrique équipé d'une batterie 2 posée à plat sur le plancher au centre du véhicule, comportant un circuit d'un liquide 5 caloporteur de refroidissement 4 comprenant une canalisation intérieure 44 traversant cette batterie entre une entrée de batterie 40 et une sortie de batterie 42, une pompe de circulation 6, et à l'avant du véhicule indiqué par la flèche AV, un échangeur thermique 8 équipé d'un ventilateur 10 permettant 5 d'activer un flux d'air extérieur au travers de cet échangeur. L'arrière du véhicule est garé à côté d'une borne de recharge rapide 20 reliée à un réseau de distribution d'électricité extérieur, pour recevoir dans un temps court une part importante de charge de cette batterie. On effectue par exemple une charge d'une grande partie de la capacité de la batterie 2 en un 10 quart d'heure. De plus la borne de recharge rapide 20 peut distribuer au véhicule un fluide frais de refroidissement, comme de l'air ou de l'eau, en passant par un raccordement rapide d'entrée 22. Dans le cas d'une distribution d'eau on utilise un raccordement rapide de 15 sortie 28 pour récupérer cette eau réchauffée et la recycler. Dans le cas d'une distribution d'air frais on peut récupérer cet air par le raccordement de sortie 28, ou le rejeter vers l'extérieur. Chaque côté de la batterie 2 reçoit entre les deux roues 34 une structure allongée de protection 12a, 12b en forme de longeron, couvrant une majeure 20 partie de cette batterie, formant une protection latérale de la batterie qui peut résister à des chocs transversaux sur le véhicule. Avantageusement chaque structure de protection 12a, 12b comporte des alvéoles intérieures permettant avec un minimum de matière pour réduire la masse, de céder progressivement lors d'un choc transversal important afin 25 d'absorber une énergie en s'écrasant. On réalise de cette manière des pare- chocs latéraux protégeant la batterie 2 de chaque côté du véhicule. Les deux structures allongées de protection 12a, 12b constituent des échangeurs thermiques utilisant des alvéoles intérieures formant des conduits qui sont avantageusement allongés suivant la longueur de ces structures, pour 30 recevoir des calories venant du liquide du circuit de refroidissement 4 en sortie 6 de batterie 42 lors d'une recharge rapide, et les transmettre au fluide frais venant de la borne de recharge rapide 20. Le circuit de refroidissement 4 de la figure 1 est le suivant. Le liquide caloporteur venant de la sortie de batterie 42 formée sur le côté gauche de 5 cette batterie, arrive directement sur une entrée arrière de la structure de protection gauche 12a disposée en face, puis traverse cette structure dans sa longueur jusqu'à une sortie avant, pour ensuite alimenter la pompe de circulation 6. La pompe de circulation 6 envoie le liquide caloporteur dans l'échangeur 10 thermique 8, puis dans une entrée avant de la structure de protection droite 12b, pour parcourir cette structure dans sa longueur jusqu'à une sortie arrière directement reliée à l'entrée de batterie 40 formée sur le côté droit de cette batterie, se trouvant en face. Le raccordement rapide d'entrée 22 recevant le fluide frais de la borne 15 de recharge rapide 20 est relié en parallèle à chaque structure de protection 12a, 12b par des conduits d'entrée 24, en entrant dans chaque structure par l'arrière, et en formant dedans une boucle qui la parcourt jusqu'à l'avant pour revenir ensuite vers une sortie arrière. Des conduits de sortie 26 envoient le fluide frais vers le raccordement rapide de sortie 28. 20 On obtient successivement un premier refroidissement du liquide caloporteur sortant de la batterie 2 par la structure de protection gauche 12a, puis un deuxième refroidissement par l'échangeur thermique avant 8, et enfin un troisième refroidissement par la structure de protection droite 12b. Chaque structure de protection 12a, 12b est parcourue deux fois dans sa longueur par 25 le fluide frais. En ajustant les débits du liquide circulant dans le circuit de refroidissement 4 et du fluide frais délivré par la borne de recharge 20, et la température de ce fluide délivré, on peut optimiser le refroidissement de la batterie 2 suivant la puissance calorifique dégagée lors de sa recharge rapide. 7 En particulier la borne de recharge rapide 20 peut comporter un système frigorifique thermodynamique comprenant un évaporateur produisant du froid, pour refroidir de l'air ou de l'eau délivré au véhicule. La figure 2 présente un circuit de liquide caloporteur 4 identique, et une 5 circulation dans le véhicule du fluide frais venant de la borne de recharge rapide 20 qui est différente. Le raccordement rapide d'entrée 22 recevant le fluide frais est relié aux deux structures de protection 12a, 12b disposées en série. Pour cela on a successivement le conduit d'entrée 24, une entrée par l'arrière puis une sortie 10 par l'avant de la structure de protection gauche 12a pour la parcourir dans sa longueur, ensuite un ponté 30 transmettant le fluide à une entrée avant de la structure de protection droite 12b. Le fluide sort ensuite par une sortie arrière de la structure de protection droite 12b après l'avoir parcouru dans sa longueur, pour rejoindre par le conduit de sortie 26 le raccordement rapide de 15 sortie 28. On obtient comme pour le circuit présenté figure 1, successivement un premier refroidissement du liquide caloporteur par la structure de protection gauche 12a, puis un deuxième refroidissement par l'échangeur thermique avant 8, et enfin un troisième refroidissement par la structure de protection 20 droite 12b. Toutefois le fluide frais parcourt chaque échangeur formé par une structure de protection 12a, 12b, une seule fois dans leur longueur. La figure 3 présente un circuit de liquide caloporteur 4 identique, et une circulation dans le véhicule du fluide frais venant de la borne de recharge rapide 20 qui est différente. 25 Le fluide frais venant du raccordement rapide d'entrée 22 parcourt successivement dans sa longueur la structure de protection gauche 12a avec une entrée arrière et une sortie avant, puis après un premier ponté 30 rentre dans la structure de protection droite 12b par une entrée avant, la parcourt jusqu'à l'arrière, puis revient vers l'avant pour sortir par une sortie avant. 30 Le fluide frais passe ensuite par un deuxième ponté 32 pour revenir vers une entrée avant de la structure de protection gauche 12a, puis la parcourt 8 dans sa longueur pour sortir par une sortie arrière et rejoindre le raccordement rapide de sortie 28. Le fluide frais parcourt chaque échangeur formé par une structure de protection 12a, 12b deux fois dans leur longueur. 5 Les figures 4, 5, 6, 7 et 8 présentent une structure de protection 12 formée par un alliage d'aluminium extrudé, présentant une section transversale constante comprenant des séries d'alvéoles globalement hexagonales donnant une forte rigidité à cette structure, tout en permettant lors d'un choc latéral un écrasement avec une déformation progressive absorbant une 10 énergie. Quatre alvéoles circulaires 52 disposées aux angles d'un carré, forment des conduits pour le circuit de liquide caloporteur 4. Chaque alvéole circulaire 52 est entourée par six alvéoles hexagonales 54, formant des conduits pour le circuit d'air frais de manière à favoriser l'échange thermique avec l'alvéole 15 circulaire 52 disposée au centre. On notera que l'alliage d'aluminium étant un bon conducteur thermique, favorise ces échanges. Des alvéoles hexagonales libres 50 entourent les alvéoles hexagonales de conduit 54, pour compléter la structure en lui donnant une largeur et une hauteur suffisante afin de réaliser la protection de la batterie 2 se trouvant à 20 côté. On notera que le plus grand nombre d'alvéoles hexagonales 54 pour le fluide frais peut permettre en particulier de recevoir de l'air nécessitant un débit volumique et une section de passage plus importants par rapport au liquide caloporteur. 25 Chaque extrémité de la structure de protection 12 reçoit une boîte à eau 60 formée par une tôle galbée, serrée sur cette extrémité avec un joint d'étanchéité intermédiaire 80, par quatre vis 88 traversant successivement un perçage 62 de cette boîte et un perçage 86 du joint, pour se visser axialement dans une alvéole libre 50 comprenant un filetage. 30 La boîte à eau 60 comporte quatre excroissances axiales comprenant chacune un perçage latéral 64 aligné sur un perçage du joint d'étanchéité 82, 9 débouchant sur une alvéole circulaire 52 pour recevoir le liquide caloporteur circulant dedans. Chaque perçage latéral 64 est entouré par une partie annulaire plate 68 de la boîte à eau 60, prenant appui sur le joint d'étanchéité 80 pour assurer l'étanchéité autour de l'alvéole circulaire 52. 5 La boîte à eau 60 comporte une excroissance axiale centrale comprenant un perçage central 66, communiquant du côté de la structure 12 avec des creux 70 entourant chaque partie annulaire plate 68, disposés en face de perçages 84 du joint d'étanchéité 80, pour communiquer avec toutes les alvéoles hexagonales 54 du fluide frais. 10 On réalise de cette manière en branchant des tuyaux sur les parties axiales des perçages 64, 66, une sortie distincte pour chaque alvéole circulaire 52 recevant le liquide caloporteur et une sortie commune pour toutes les alvéoles hexagonales 54 recevant le fluide frais. On peut en particulier avec les tuyaux relier les perçages latéraux 64 entre eux, ou les utiliser comme 15 entrée et sortie, pour réaliser différents cheminements du circuit de liquide caloporteur 4. On peut prévoir facilement différentes formes de boîte à eau 60, pour réaliser du même côté de la structure 12 une entrée et une sortie du fluide frais utilisant chacune la moitié des alvéoles hexagonales 54, ou pour relier cette 20 sortie à cette entrée afin de faire un demi-tour avec ce fluide frais. On réalise de cette manière les différents circuits présentés par les figures 1 à 3. Les structures de protection 12 formant échangeur thermique utilisent un espace disponible dans des protections existantes, présentant des grandes surfaces d'échanges thermiques, ce qui évite d'ajouter REVENDICATIONS1 - Véhicule automobile hybride ou électrique comportant une batterie de traction (2) disposée au niveau du plancher de ce véhicule, des structures latérales de protection (12) disposées de chaque côté de la batterie (2) par rapport à l'axe longitudinal du véhicule, assurant une protection de la batterie (12) en cas de chocs latéraux sur ce véhicule, et un circuit de liquide caloporteur de refroidissement (4) de cette batterie (2), caractérisé en ce que les structures de protection (12) forment un échangeur thermique entre un fluide frais venant de l'extérieur du véhicule, et le liquide caloporteur. 2 - Véhicule automobile selon la revendication 1, caractérisé en ce que les structures de protection (12) sont allongées dans la direction longitudinale du véhicule, et comportent des alvéoles (50, 52, 54) disposées suivant cette longueur, comprenant des alvéoles de liquide caloporteur (52) et des alvéoles de fluide frais (54). 3 - Véhicule automobile selon la revendication 2, caractérisé en ce que les structures de protection (12) sont formées par un profilé extrudé. 4 - Véhicule automobile selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'au moins une partie des alvéoles (50, 54) des structures de protection (12) présentent une section hexagonale. 5 - Véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les alvéoles de liquide caloporteur (52) et les alvéoles de fluide frais (54) sont contiguës. 6 - Véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les structures de protection (12) comportent à leurs extrémités des boîtes de raccordement (60) recevant le liquide des alvéoles de liquide caloporteur (52) et le fluide des alvéoles de fluide frais (54). 7 - Véhicule automobile selon la revendication 6, caractérisé en ce que les boîtes de raccordement (60) constituent des plaques mises en forme, comprenant des creux formant des canaux intérieurs (70) reliant les alvéoles de fluide frais (54) entre elles. 11 8 - Véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de liquide caloporteur (4) traverse en série les deux structures de protection (12). 9 - Véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications 5 précédentes, caractérisé en ce que le fluide frais traverse les deux structures de protection (12) en série ou en parallèle. 10 - Procédé de recharge de la batterie (2) d'un véhicule automobile selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que pour une charge de cette batterie (2) sur une borne de recharge rapide (20), il 10 comporte une première étape de branchement d'une alimentation de fluide frais venant de cette borne (20) sur le véhicule, puis une étape suivante d'activation de la circulation de ce fluide frais en même temps que la charge la batterie (2).