Brevet FR3075336A1 — publié le 20190621

- 1 - Echangeur de chaleur pour la gestion thermique d'une batterie electrique. La presente invention concerne la regulation thermique d'une batterie electrique ou d'un module de batterie electrique et plus particulierement un echangeur de chaleur 5 pour la gestion thermique d'une batterie electrique ou d'un module de batterie electrique, notamment dans le domaine automobile. La tendance actuelle chez les constructeurs automobiles est d'integrer de plus en plus l'energie electrique dans leurs vehicules, que ce soit pour mouvoir des vehicules a propulsion entierement electrique, des vehicules hybrides ou bien pour fournir une 10 simple assistance au moyen de propulsion principale dans le but d'ameliorer l'autonomie du vehicule. La puissance mise en jeu dans ces vehicules necessite des quantites importantes d'energie electrique, qui sont stockees dans des batteries de grande capacite concues specialement a cet effet. Elles sont formees de cellules elementaires qui sont placees 15 les unes a cote des autres et reliees electriquement entre elles pour, d'une part, fournir la tension desiree et, d'autre part, generer la capacite de stockage recherchee. Ces cellules elementaires ont principalement la forme d'une plaque parallelepipedique qui est equipee de contacts, sur une de ses faces, pour recevoir une alimentation en courant continu ou pour restituer l'energie stockee. A l'interieur la plaque est 20 classiquement constituee par une succession de cathodes et d'anodes qui sont placees en alternance et qui sont separees les unes des autres par des feuilles isolantes. Les cellules elementaires sont ainsi placees cote a cote, de fawn a former un module de batterie autonome qui delivre la tension recherchee et qui a pour capacite la somme des capacites de ses diverses cellules elementaires. 25 Le brevet US 9 666 912 decrit une poche d'echange de chaleur au moyen d'une soudure de bord de deux pieces de feuille disposees l'une au-dessus de l'autre. Le montage de ladite poche d'echange de chaleur dans un espace etroit d'un echangeur de chaleur et un bon transfert de chaleur vers les parois adjacentes sont rendus possibles au moyen d'une poche de pression supplementaire qui est egalement formee 30 d'un materiau en feuille et qui est rempli d'un fluide compressible. L'invention propose un echangeur thermique ameliore, notamment adapte pour les batteries ou modules de batteries a charge rapide. On entend par charge rapide une charge qui dure notamment moins d'une heure, voire moins de 30 minutes. Ces durees 35 courtes de charge imposent des echanges thermiques importants. L'invention a ainsi pour objet un echangeur de chaleur agence pour etre mis en contact thermique avec un module de batterie electrique de vehicule automobile, cet -2 echangeur comportant : - un passage pour fluide caloporteur, - une membrane souple delimitant au moins partiellement ce passage et agencee pour se deformer sous ('action de la pression du fluide dans le passage de maniere a ce que cette membrane vienne en appui, par expansion, avec une face au moins du module de batterie. La membrane souple est avantageusement capable de deformation elastique. L'invention est particulierement avantageuse car elle permet d'assurer un bon echange thermique entre les cellules de batterie et ('echangeur thermique malgre des jeux qu'il peut y avoir entre deux elements, et garantir un bon contact, donc un bon echange thermique dans le temps. L'invention permet d'eviter d'avoir recours a des elements supplementaires permettant d'assurer un bon contact thermique, comme par exemple des lames elastiques ou spring bars en anglais, des coussinets thermiques ou thermal pads en anglais, des graisses thermiques , des colles, entre autres. Ainsi ('echange thermique est realise entre le fluide caloporteur et les cellules electrochimiques a refroidir a travers au moins une paroi souple d'un echangeur. Cette souplesse est suffisante pour permettre a la membrane de prendre forme lors de la mise sous pression de ('echangeur et pouvoir tenir aux contraintes mecaniques et chimiques d'un tel echangeur (pression d'eclatement, pression cyclee, vibration, corrosion interne/externe...). La resistance thermique de la paroi permet d'atteindre les performances thermiques de refroidissement des cellules ou modules attendues. Selon un exemple de mise en oeuvre de ('invention, ('echangeur thermique a membrane souple peut etre positionne en contact avec des connectiques reliant les differentes cellules electrochimique entre elles afin d'assurer un echange thermique avec cette zone. Avantageusement la membrane souple est en materiau isolant electrique afin de ne pas creer de court circuit ou d'eviter l'ajout d'une couche de matiere isolante electrique supplementaire suffisamment fine pour limiter la resistance thermique de ('echangeur. L'echangeur thermique avec la membrane souple augmente de volume grace a ('augmentation de pression lors de la mise en fonctionnement du systeme, a l'aide notamment d'une pompe ou un compresseur. Cette expansion entre par exemple la partie inferieure et/ou superieure du compartiment et les cellules ou le module permet d'assurer une force de compression entre au moins une paroi de ('echangeur souple et les cellules ou le module. L'expansion peut aussi etre realisee avec la mise sous pression de la boucle du fluide caloporteur lors du premier remplissage. Cette pression permet ainsi le bon echange thermique entre le fluide caloporteur et les cellules ou -3 modules. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane comportant une paroi agencee pour venir en contact avec le module de batterie. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la paroi est monocouche. 5 Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la paroi est multicouche. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane, notamment la paroi, etant realisee au moins en matiere plastique. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane, notamment la paroi, etant realisee au moins en aluminium. 10 Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane, notamment la paroi, est multicouche, avec au moins en couche en plastique et une couche aluminium. La couche en plastique est de preference en contact avec le module de batteries. L'epaisseur de la membrane est notamment inferieure a 1mm, notamment inferieure 15 a 0.5 mm, etant notamment d'environ 0.2 mm. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane est agencee pour resister a une pression de fluide caloporteur dans le passage d'au moins 3.5 bars, notamment 5 bars. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention la membrane est traitee pour 20 avoir des proprietes anti- corrosion. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane est agencee pour presenter une resistance mecanique a des temperatures au dela de 90°C. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane comporte au moins une couche electriquement isolante de maniere a eviter tout court-circuit. 25 Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane presente une forme annulaire pour definir le passage pour fluide caloporteur. La membrane forme alors une poche ouverte pour definir des entre et sortie de fluide. Cette poche presente une forme generalement plate par exemple. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, cette membrane annulaire est 30 ouverte a ses deux extremites, respectivement une entrée et une sortie, pour etre raccordees a une boucle de fluide caloporteur. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le passage pour fluide caloporteur est Mini par la membrane souple et au moins une paroi rigide d'un composant autre que la membrane souple. 35 Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la paroi deformable de la membrane souple est agencee pour epouser une face plane du module de batterie. Le fluide caloporteur est par exemple de l'eau glycolee. -4 L'invention a encore pour objet un ensemble de stockage electrique pour vehicule automobile, comportant : 5 - un module de batterie, - un echangeur selon l'une des revendications precedentes, agence de sorte que la membrane souple delimitant au moins partiellement le passage et agencee pour se deformer sous ('action de la pression du fluide dans le passage de maniere a ce que cette membrane vienne en appui, par expansion, avec une 10 face au moins du module de batterie. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, ('ensemble de stockage comporte en outre un compartiment dans lequel est dispose le ou les modules de batterie. 15 Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le compartiment comporte un fond, le module de batterie etant dispose a une distance non nulle du compartiment, et la membrane est disposee, notamment entierement, dans cet espacement entre le fond du compartiment et le module de batterie. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le ou le passages de fluide 20 caloporteur sont disposes entre un plan adjacent au fond des modules de batterie et le fond du compartiment. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le passage pour le fluide caloporteur est Mini par la membrane de forme annulaire, et cette membrane annulaire est disposee, notamment entierement, dans cet espacement entre le fond du 25 compartiment et le module de batterie. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le module de batterie comporte au moins deux faces, notamment deux faces planes, chaque face etant associee a une membrane annulaire definissant deux passages de fluide caloporteur de sorte que chaque face est refroidie par la membrane associee qui est en appui sur cette face. 30 Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, les deux passages de fluide caloporteur sont disposes transversalement l'un par rapport a l'autre, notamment perpendiculairement. Par exemple l'un des passages est vertical et l'autre des passages est horizontal. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le module comporte trois ou 35 quatre faces et chaque face est associee a une membrane avec le passage de fluide caloporteur pour refroidir cette face. En variante, le passage de fluide caloporteur est Mini par la membrane et une paroi du compartiment. - 5 - Letancheite de cette membrane souple peut etre realisee par surmoulage a l'interieur du compartiment ou en ajoutant un element supplementaire au dessus de cette membrane souple. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le compartiment comporte un 5 fond et des parois laterales, et la membrane est fixee au moins partiellement a l'une des parois laterales, de maniere etanche pour le fluide caloporteur. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, cette membrane est sensiblement plane au repos, lorsquraucune pression n'est exercee sur elle. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le ou les modules de batterie 10 sont disposes sur des plots se raccordant sur le fond du compartiment. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, ces plots sont repartis par rangees. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, dans le cas du passage de fluide Mini par la membrane fixee de maniere etanche au compartiment, les plots s'appuient 15 sur un cote de cette membrane. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane est dediee a un seul module de batterie. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane est commune a plusieurs modules de batterie. 20 Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le passage de fluide caloporteur dans la membrane est depourvu de virage. Autrement la membrane est sensiblement depliee le long de trajet de fluide caloporteur. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, dans le cas d'une membrane de forme annulaire, la circonference est toute entiere souple. Autrement dit, la membrane 25 n'est pas fixee a un cadre rigide dedie, notamment la membrane est depourvue de squelette rigide. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane est agencee pour contenir uniquement le fluide caloporteur. La membrane ne contient pas de conduit supplementaire notamment. 30 Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane est une poche souple qui definit un trajet droit pour le fluide caloporteur. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane est une poche souple qui definit une multitude de trajets, notamment paralleles, pour le fluide caloporteur. 35 Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane est une poche souple qui definit un trajet en U pour le fluide caloporteur. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le fluide caloporteur assure a la - 6 - fois la mise sous pression de Ia membrane et les echanges de chaleur a travers cette membrane. II n'est pas prevu deux poches souples. Ainsi ('invention prevoit de positionner sous ou sur les cellules ou les modules un ou plusieurs echangeurs thermiques a membranes souples, qui integrent une circulation 5 liquide entre deux parois. Les cellules ou les modules sont fixes a la partie inferieure du compartiment sur des supports qui permettent de garantir une distance optimale entre le fond du compartiment et l'echangeur thermique, ou fixes sur le compartiment en laissant ainsi un espace entre l'extremite haute et/ou basse du compartiment et les faces superieures et/ou inferieures du module ou cellule. 10 L'invention a encore pour objet un procede de refroidissement d'un module de batterie, a l'aide de ('ensemble selon l'un des modes de realisation precites, comportant l'etape suivante : 15 - appliquer une pression a la membrane souple a l'aide du fluide caloporteur de sorte que la membrane souple vienne en appui contre le module de batterie a refroidir, en l'epousant. Le procede peut comporter l'etape suivante : 20 - l'echangeur thermique avec Ia membrane souple augmente de volume grace a ('augmentation de pression lors de la mise en fonctionnement du systeme, l'aide notamment d'une pompe ou un compresseur Le procede peut comporter l'etape suivante : 25 - ('expansion de Ia membrane souple est realisee avec la mise sous pression d'une boucle du fluide caloporteur lors du premier remplissage. L'invention sera mieux comprise a la lecture de la description qui va suivre donnee uniquement a titre d'exemple et faite en se referant aux dessins annexes dans 30 lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un ensemble selon un exemple l'invention; les figures 2 et 3 sont des vues d'echangeurs thermiques selon ('invention, Ia figure 4 est une vue en perspective d'un ensemble selon un autre exemple 35 ('invention. On a represents sur la figure 1 un ensemble 1 de stockage electrique pour vehicule automobile, comportant : -7 - deux modules de batterie 2, - deux echangeurs thermiques 3. Chaque echangeur 3 comporte : 5 - un passage 4 pour fluide caloporteur, - une membrane souple 5 delimitant ce passage et agencee pour se deformer sous ('action de la pression du fluide dans le passage de maniere a ce que cette membrane 5 vienne en appui, par expansion, avec une face 6 du module de batterie 6. 10 La membrane 5 peut etre monocouche ou multicouche avec au moins en couche en plastique et une couche aluminium. La couche en plastique est de preference en contact avec le module de batteries. L'epaisseur de la membrane est notamment inferieure a 1mm, notamment inferieure a 0.5 mm, etant notamment d'environ 0.2 mm. 15 Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane est agencee pour resister a une pression de fluide caloporteur dans le passage d'au moins 3.5 bars, notamment 5 bars. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention la membrane est traitee pour avoir des proprietes anti- corrosion. 20 Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la membrane est agencee pour presenter une resistance mecanique a des temperatures au dela de 90°C. Le fluide caloporteur est par exemple de l'eau glycolee. Comme illustre sur la figure 2, dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, la 25 membrane 5 presente une forme annulaire pour definir le passage 4 pour fluide caloporteur, passage pour un trajet droit. La membrane 5 forme alors une poche ouverte pour definir des entrée 8 et sortie 9 de fluide pour etre raccordees a une boucle (non representee) de fluide caloporteur. 30 La paroi deformable de la membrane souple 5 est agencee pour epouser une face plane du module de batterie. L'ensemble de stockage 1 comporte en outre un compartiment ou enceinte 10 dans lequel sont dispose les modules de batterie 2. Ce compartiment 10 est par exemple realise en tole ou en matiere composite. 35 Le compartiment 10 comporte un fond 11, les modules de batterie etant disposes a une distance g non nulle du fond 11 du compartiment 10, et la membrane 5 est disposee entierement dans cet espacement entre le fond 11 du compartiment et le -8 module de batterie 2. Les passages de fluide caloporteur sont disposes entre un plan P adjacent au fond 6 des modules 2 de batterie et le fond 11 du compartiment. La membrane annulaire 5 est disposee entierement dans cet espacement entre le 5 fond 11 du compartiment et le module de batterie 2. Cheque membrane 5 est dediee a un seul module de batterie 2. La circonference de la membrane 5 est toute entiere souple. Autrement dit, la membrane n'est pas fixee a un cadre rigide dedie, notamment la membrane est depourvue de squelette rigide. 10 En variante, dans l'exemple de la figure 4, le passage de fluide 4 caloporteur est Mini par la membrane 5 et des parois 11 et 12 du compartiment 10. La paroi 11 est la paroi de fond. Les parois laterales 12 sont perpendiculaires a la paroi de fond 11. L'etancheite de cette membrane souple 5 peut etre realisee par surmoulage a 15 l'interieur du compartiment 10. Cette membrane 5 est sensiblement plane au repos, lorsquraucune pression n'est exercee sur elle. Les modules de batterie 2 sont disposes sur des plots 14 se raccordant sur le fond 11 du compartiment. 20 Ces plots 14 sont repartis par rangees paralleles. Le passage de fluide est Mini par la membrane 5 fixee de maniere etanche au compartiment 10, et les plots 14 s'appuient sur un cote de cette membrane 5. Dans ce cas, le fluide caloporteur est en contact avec la membrane souple 5 et des portions de parois du compartiment 10. 25 Dans l'exemple de la figure 1, le fluide n'est pas en contact direct avec le compartiment. La membrane 5 est commune a plusieurs modules de batterie 2. Selon un exemple de mise en oeuvre de l'invention, le passage de fluide caloporteur dans la membrane est depourvu de virage. Autrement la membrane est sensiblement 30 depliee le long de trajet de fluide caloporteur. Bien entendu l'invention n'est pas limitee aux exemples decrits. Par exemple, a la place d'un trajet droit, it est possible comme illustre a la figure 3, d'voir REVENDICATIONS1. Echangeur de chaleur (3) agence pour etre mis en contact thermique avec un module de batterie electrique (2) de vehicule automobile, cet echangeur comportant : - un passage (4) pour fluide caloporteur, - une membrane souple (5) delimitant au moins partiellement ce passage et agencee pour se deformer sous l'action de la pression du fluide dans le passage de maniere a ce que cette membrane vienne en appui, par expansion, avec une face au moins du module de batterie. 2. Echangeur selon la revendication precedente, dans lequel la membrane (5) est multicouche, notamment avec une couche en plastique et une couche en aluminium. 3. Echangeur selon l'une des revendications precedentes, dans lequel la membrane (5) presente une forme annulaire pour definir le passage, notamment cylindrique, pour fluide caloporteur. 4. Echangeur selon l'une des revendications precedentes, dans lequel cette membrane annulaire (5) est ouverte a ses deux extremites, respectivement une entrée et une sortie, pour etre raccordees a une boucle de fluide caloporteur. 5. Ensemble de stockage electrique (1) pour vehicule automobile, comportant : - un module de batterie (2) , - un echangeur (3) selon l'une des revendications precedentes, agence de sorte que la membrane souple (5) delimitant au moins partiellement le passage et agencee pour se deformer sous l'action de la pression du fluide dans le passage de maniere a ce que cette membrane vienne en appui, par expansion, avec une face au moins du module de batterie. 6. Ensemble selon la revendication precedente, dans lequel ('ensemble de 30 stockage comporte en outre un compartiment (10) dans lequel est dispose le ou les modules de batterie. 7. Ensemble selon la revendication precedente, dans lequel le compartiment comporte un fond (11), le module de batterie etant dispose a une distance non nulle du 35 fond du compartiment, et la membrane est disposee, notamment entierement, dans cet espacement (g) entre le fond du compartiment et le module de batterie. 8. Ensemble selon l'une des revendications 5 a 7, dans lequel le passage de fluide caloporteur est Mini par la membrane (5) et une paroi (11 ; 12) du compartiment. -10- 9. Ensemble selon l'une des revendications 6 a 8, dans lequel le ou les modules de batterie sont disposes sur des plots (14) se raccordant sur le fond (11) du compartiment. 5 10. Procede de refroidissement d'un module de batterie, a l'aide de ('ensemble selon l'une des revendications 5 a 9, comportant l'etape suivante : - appliquer une pression a la membrane souple a l'aide du fluide caloporteur de sorte que la membrane souple vienne en appui contre le module de batterie a 10 refroidir, en l'epousant.