Brevet FR3079971A1 — publié le 20191011

Description Titre de l'invention : Unité de batterie avec des moyens de contrôle de température intégrés [0001] 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 avec des moyens de contrôle ou de régulation de température intégrés et un véhicule automobile hybride ou électrique comportant au moins une telle unité. [0002] 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. [0003] Les batteries mises en oeuvre ont idéalement besoin de fonctionner à des températures entre 10° C et 30° C, en particuliers 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. [0004] 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. [0005] 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. 2 [0006] 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. [0007111 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 encombrante, multicomposante. [0008] De plus, le boîtier de l'unité de batterie de ces solutions connues 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. [0009] En outre, aucune mesure efficace n'est prévue dans ces solutions connues pour préserver la batterie en cas de fuite de liquide caloporteur à l'intérieur du boîtier. [0010] La présente invention a pour but de surmonter au moins les principales limitations précitées. [0011]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 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, 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 3 lesdites zone(s) étant intégrée(s) dans la structure dudit boîtier, préférentiellement dans la paroi de ce dernier, en ce que la ou chaque zone d'échange comprend un élément surfacique à conductivité thermique élevée en contact avec des cellules, d'une part, et le fluide caloporteur, d'autre part, et, en ce que l'élément surfacique à conductivité thermique élevée est un élément rapporté dans le boîtier, et consiste en une plaquette métallique, ou en un matériau rigide et bon conducteur thermique analogue, solidarisée de manière étanche aux liquides avec un élément surfacique à faible conductivité thermique, chaque élément surfacique à faible conductivité thermique de la ou de chaque zone d'échange faisant partie intégrante du boîtier et constituant avantageusement une portion de la paroi de ce dernier. [0012] 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 : [0013] les figures 1A 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 ; [0014] la figure 2 est une vue en perspective similaire à celle de la figure 1A, le couvercle étant enlevé ; [0015] la figure 3 est une vue totale en coupe de l'unité de batterie représentée figures 1 et 2 ; [0016] la figure 4 est une représentation d'une partie de la représentation de la figure 3 à une échelle différente ; [0017] la figure 5 est une représentation d'une partie de la représentation de la figure 4 à une échelle différente, en présence d'une fuite de liquide caloporteur avec évacuation vers l'extérieur ; 4 [0018] la figure 6 est une vue schématique en coupe d'une unité de batterie selon un autre mode de réalisation de l'unité de batterie de l'invention ; [0019] la figure 7A 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 ; [0020] la figure 7B est une vue similaire à celle de la figure 7A illustrant une autre variante de réalisation du bac, les cellules étant enlevées et un cadre de renfort étant rapporté sur le bac ; [0021] la figure 8 est une vue en perspective de dessous du bac inférieur d'une unité de batterie représentée figures 1A et 1B ; [0022] la figure 9 est une vue de détail et à une échelle différente d'une partie du bac inférieur représenté sur la figure 8, correspondant sensiblement à une portion de paroi de fond en creux formant élément surfacique à faible conductivité thermique ; [0023] la figure 10 est une vue à une échelle différente d'un détail de la figure 9; [0024] 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 ; [0025] la figure 12A est une vue d'un détail (portion de la paroi de fond avec renfoncement de la zone d'échange thermique dont la plaquette conductrice a été enlevée) de la figure 11, à une échelle différente ; [0026] la figure 12B est une vue de dessus de l'objet représenté figure 12A ; [0027] la figure 13 est une vue en perspective de dessous d'une plaquette à conductivité thermique élevée d'une zone d'échange thermique ; [0028] 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) ; [0029] la figure 17 est une vue partielle en coupe transversale (perpendiculairement à la paroi de subdivision) de l'unité de batterie représentée figures 1A et 1B, illustrant la circulation du fluide caloporteur dans les conduits d'alimentation/évacuation, les lignes de piquage et les zones d'échange thermique, et [0030] la figure 18 est une vue similaire à la figure 1A montrant également un cadre de renfort destiné à venir s'emboîter autour et dans le bac inférieur du boîtier de l'unité de batterie. [0031] Les figures 1, 3, 7, 14, 15, 17 et 18 en particulier 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 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. [0032] Conformément à l'invention, 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. [0033] Egalement conformément à l'invention, 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. En outre, l'élément surfacique 7 à conductivité thermique élevée est un élément rapporté dans le boîtier 3, et consiste 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, chaque élément surfacique 9 à faible conductivité thermique de la ou de chaque zone d'échange 6' faisant partie intégrante du boîtier 3 et constituant avantageusement une portion de la paroi 3', 10, 11' de ce dernier. 6 [0034] 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 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). [0035] Préférentiellement, un élément surfacique 7 est associé aux cellules 2 d'un unique module 2' (coïncidence et correspondance des agencements modulaires des zones 6' et des modules 2'). [0036] Les zones 6' d'échange thermique peuvent ainsi constituer des moyens de régulation de la température des cellules 2 qui non seulement sont incorporés dans la structure même du boîtier 3, mais peuvent également être organisés et segmentés en fonction de l'organisation et de l'éventuel regroupement des cellules 2 (en modules 2'), pour une efficacité de transfert thermique optimisé. [0037] En accord avec une caractéristique constructive avantageuse de l'invention, ressortant notamment des figures 4 à 13 et 17, 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, en contact avec le milieu extérieur. [0038] 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. [0039] Une conductivité thermique élevée, et plus généralement un bon transfert thermique entre le fluide FC et les cellules 2, est atteinte en utilisant un matériau intrinsèquement bon conducteur thermique (plaquette métallique) 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. 7 [0040] La faible conductivité thermique quant à elle peut être atteinte 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. [0041] Typiquement, on entend dans la présente par conductivité thermique À élevée, des valeurs de À telles que À > 50 W.m-1.K-1, préférentiellement À> 100 W.m-1.K-1 et par faible conductivité thermique À, des valeurs des À telles que À