Brevet FR3078199A1 — publié le 20190823

Système de refroidissement de cellules de batterie de véhicule automobile La présente invention concerne un système de refroidissement d'au moins une batterie ou cellules de batterie de véhicule automobile. L'invention est notamment applicable pour toutes les automobiles électriques ou hybrides avec un pack de batteries ou cellules de batterie. Le brevet US9761919 décrit un système de stockage d'énergie comprenant des cellules multiples, chaque cellule ayant des bornes d'anode et de cathode, et il est prévu un caloduc ayant une surface d'évaporation plate pour refroidir les cellules. Le brevet US9638475 décrit un échangeur de chaleur se présentant sous la forme d'un élément de refroidissement muni d'un dispositif d'engagement formé sur ou fixé à une surface extérieure de la plaque de refroidissement pour recevoir et / ou engager une partie d'engagement correspondante sur une unité de batterie. L'interconnexion entre l'unité de batterie ou cellule, et l'échangeur de chaleur crée un verrouillage mécanique entre les deux composants qui résulte en des propriétés de transfert de chaleur améliorées entre les deux composants. De manière plus générale, on connait pour les échangeurs thermiques (radiateurs, chillers, évaporateurs...) des plaques pour fluide caloporteur avec un circuit de fluide en U, permettant d'échanger de la 25 chaleur sur chacune de ses faces. En particulier, deux solutions existent pour refroidir des cellules cylindriques : 2 - Un refroidissement par leur face latérale, au moyen de tubes extrudés corrugués serpentant entre les rangés de cellules, avec une circulation en U préférentiellement au moyen de 2 tubes, - Un refroidissement par le fond des cellules, au moyen d'une 5 plaque froide ayant une circulation en U ou en I. Dans le cas des tubes corrugués avec circulation en U, les cellules voient chacune la même température moyenne, mais présentent malgré tout un tube plus chaud que l'autre, créant ainsi un gradient thermique 10 d'autant plus important que les cellules se trouvent au début du circuit. Pour les plaques froides avec circulation en U, les cellules n'ont jamais un diamètre suffisant pour pouvoir chevaucher à la fois le canal d'entrée froid et celui de sortie chaud, de sorte qu'une différence de température entre chaque cellule se met en place. 15 La présente invention vise notamment à proposer une meilleure homogénéité de température dans le refroidissement d'un ensemble de cellules de batterie. L'invention a ainsi pour objet un système de refroidissement de cellules de batterie, ce système comportant : 20 - un circuit de fluide caloporteur, - un support agencé pour recevoir des cellules de batterie, ce support étant en contact thermique avec le fluide caloporteur, système dans lequel le circuit de fluide comprend une première série de canaux de fluide s'étendant dans un premier plan et une deuxième série de canaux de fluide s'étendant dans un deuxième plan distinct du premier plan, l'un au moins des canaux de la première série se raccordant à l'un au moins des canaux de la deuxième série par un coude de retournement qui s'étend entre lesdits deux plans de sorte que ces deux canaux forment entre eux un angle inférieur à 900, notamment inférieur à 45° ou inférieur 3 5°, notamment ces canaux forment entre eux un angle de 00 auquel cas ces canaux sont parallèles avec des sens d'écoulement opposés. Grâce à l'invention, du fait de l'aller retour des canaux; le trajet du fluide caloporteur permet de garantir un refroidissement homogène sur un 5 maillage de cellules de batterie. L'invention permet d'avoir une même température de cellule quelque soit leur position sur l'échangeur. Selon un aspect de l'invention, tous les canaux de la première série sont parallèles entre eux. 10 Selon un aspect de l'invention, tous les canaux de la deuxième série sont parallèles entre eux. Selon un aspect de l'invention, tous les canaux des première et deuxième séries sont tous parallèles entre eux. Selon un aspect de l'invention, les coudes de retournement sont tous 15 sur un côté du système de refroidissement. Selon un aspect de l'invention, les canaux sont rectilignes sur la majeure partir de leur longueur, notamment sur sensiblement toute leur longueur. Selon un aspect de l'invention, le système comporte une plaque de 20 canaux définissant au moins partiellement les canaux de l'une au moins des première et deuxième séries, notamment la plaque définit au moins partiellement les canaux des deux séries. Selon un aspect de l'invention, la plaque de canaux comporte des sillons définissant au moins partiellement les canaux. 25 Selon un aspect de l'invention, la plaque de canaux est réalisée d'un seul tenant, notamment en aluminium, notamment par emboutissage. Selon un aspect de l'invention, la plaque de canaux comporte sur la face supérieure une série de sillons pour former les canaux de la première 4 série et sur la face inférieure une série de sillons pour former les canaux de la deuxième série. Selon un aspect de l'invention, tous les canaux sont rectilignes, à savoir les canaux ne forment pas de serpentins. Notamment les canaux 5 s'étendent sur une majeure partie de la plaque, notamment sensiblement sur toute la longueur de la plaque. Selon un aspect de l'invention, la plaque comporte des embossages alternés de manière à former des sillons alternés pour définir alternativement les canaux sur chacune des faces supérieure et inférieure 10 de la plaque. Selon un aspect de l'invention, la plaque est agencée pour définir une zone d'alimentation des canaux en fluide caloporteur. Selon un aspect de l'invention, la plaque est agencée pour définir une zone d'évacuation de fluide des canaux. 15 Selon un aspect de l'invention, les zones d'alimentation et d'évacuation sont sur un même coté, notamment extrémité, de la plaque de canaux, notamment respectivement dans les deux plans. Selon un aspect de l'invention, les zones d'alimentation et d'évacuation s'étendent transversalement par rapport aux canaux. 20 Selon un aspect de l'invention, les zones d'alimentation et d'évacuation se raccordent respectivement à une connectique d'entrée et de sortie, ces connectiques, notamment formées chacune par une tubulure, toutes les deux connectiques s'étendant soit sur la face supérieure, soit sur la face inférieur, à savoir d'un même coté de la plaque. 25 En variante, l'une des connectiques s'étend sur la face supérieure et l'autre sur la face inférieure de la plaque de canaux. Selon un aspect de l'invention, les connectiques d'entrée et de sortie de fluide sont sensiblement au milieu de la plaque de canaux. 5 Selon un aspect de l'invention, la plaque présente une épaisseur comprise entre 0.5 mm et 1 mm. Selon un aspect de l'invention, les canaux présentent une section transversale comprise entre 15 mm2 et 20 mm2. 5 Selon un aspect de l'invention, les canaux des première et deuxième séries pressentent la même section transversale. Selon un aspect de l'invention, les canaux sont espacées les un des autres de manière régulière. Selon un aspect de l'invention, les cellules de batterie présentent 10 une section plus grande que l'espace entre un canal de la première série et un canal de la deuxième série, canaux qui sont immédiatement voisins. Selon un aspect de l'invention, au moins certaines des bases de cellules de batterie, notamment toutes les bases, sont refroidies par à la fois un canal de la première série et un canal de la deuxième série. 15 Selon un aspect de l'invention, le support pour recevoir les cellules de batterie est une plaque assemblée avec la plaque de canaux, notamment par brasage. Selon un aspect de l'invention, les plaques de support et de canaux ont sensiblement les mêmes dimensions et formes, notamment présentent 20 des bords droits, notamment en étant inscrit dans un rectangle. Selon un aspect de l'invention, la plaque de support ferme des canaux de l'une des séries de canaux. Selon un aspect de l'invention, la connectique d'entrée ou de sortie passe au moins partiellement par cette plaque de support, notamment cette 25 plaque comporte un orifice pour le passage d'une tubulure. Selon un aspect de l'invention, la plaque de support est réalisée en aluminium. 6 Selon un aspect de l'invention, cette plaque de support comporte des alvéoles agencées pour recevoir chacune une cellule de batterie. Selon un aspect de l'invention, ces alvéoles sont disposées en rangées parallèles aux canaux. 5 Selon un aspect de l'invention, ces alvéoles reçoivent la base des cellules. Selon un aspect de l'invention, chaque cellule de batterie est cylindrique. Selon un aspect de l'invention, les cellules sont au nombre au moins 10 de 200, notamment au moins 300, notamment 400. Selon un aspect de l'invention, le système comporte une plaque de fond agencée pour être assemblée avec la plaque de canaux. Selon un aspect de l'invention, cette plaque de fond est agencée pour fermer les canaux de l'une des séries de canaux. 15 Selon un aspect de l'invention, la connectique d'entrée ou de sortie passe au moins partiellement par cette plaque de fond, notamment cette plaque comporte un orifice pour le passage d'une tubulure. Selon un aspect de l'invention, la plaque de canaux est prise en sandwich entre la plaque de support des cellules et la plaque de fond, ces 20 plaques étant notamment brasées entre elles. Selon un aspect de l'invention, le coude de retournement est formé par des ouvertures traversantes dans la plaque de canaux qui permettent au fluide de passer d'une face à l'autre de la plaque de canaux. Dans une variante de l'invention, les plaques de support et de fond 25 sont totalement planes sans logement ou alvéoles pour les cellules cylindriques. 7 Selon un aspect de l'invention, les canaux possèdent des largeurs différentes, afin de s'adapter à la disposition des cellules qui par exemple ont un pas non constant. Selon un aspect de l'invention, les composants sont en plastiques et 5 sont assemblés par collage, soudage thermique, soudage ultrason ou tout autre moyen d'assemblage. Selon un aspect de l'invention, seule la plaque de canaux est en aluminium et les autres composants sont en plastique et notamment sont assemblés entre eux par collage. 10 L'invention permet une jonction entre canaux des première et deuxième séries se faisant au moyen d'un retournement en bout de plaque de support, ledit retournement se faisant suivant la direction de l'épaisseur de la plaque de canaux. Avantageusement sur la face inférieure de la plaque de canaux, les 15 canaux permettent l'échange thermique d'une part avec la moitié de la base de chaque cellule cylindrique face inférieure, le fluide étant en contact direct avec la plaque inférieure, et également avec la moitié de la base de chaque cellule cylindrique face supérieure, le fluide étant en contact indirect avec la plaque de support supérieure par l'intermédiaire du fond de canal 20 ou fond de sillon. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemples non limitatifs en référence au 25 dessin annexé dans lequel : - les figures 1 à 7 illustrent, schématiquement et partiellement, suivant différentes vues, un système selon un exemple de l'invention, - les figures 8 et 9 illustrent, schématiquement et partiellement, un système de refroidissement selon un autre exemple de l'invention. 30 8 On a décrit sur les figures 1 à 7 un système de refroidissement 1 de cellules de batterie, ce système 1 comportant : - un circuit 2 de fluide caloporteur, - un support 3 agencé pour recevoir des cellules 4 5 de batterie, ce support 3 étant en contact thermique avec le fluide caloporteur, système dans lequel le circuit de fluide 2 comprend une première série de canaux de fluide 10 s'étendant dans un premier plan P1 et une deuxième série 20 de canaux de fluide s'étendant dans un deuxième plan P2 distinct 10 du premier plan. Les canaux 11 de la première série 10 se raccordent aux canaux 21 de la deuxième série 20 par des coudes de retournement 30 qui s'étendent entre lesdits deux plans P1 et P2 de sorte que ces canaux forment entre eux un angle de 0°, à savoir ces canaux 11 et 21 sont parallèles entre eux 15 et avec des sens d'écoulement opposés. Le fluide caloporteur utilisé est préférentiellement de l'eau glycolée, sans limitation du titre de glycol (0% à 100%). Alternativement le fluide caloporteur peut être choisi parmi les fluides d'appellation R134a, R1234yf ou R744. 20 Les cellules de batterie 2 comprennent par exemple une pluralité de batteries au lithium-ion (Li-ion) pour une utilisation dans un véhicule hybride. Dans un autre mode de réalisation, la pluralité de cellules de batterie sont des batteries Li-ion pour une utilisation dans un véhicule électrique à batterie. 25 Comme on peut le voir sur les figures, tous les canaux 11 et 21 des première et deuxième séries 10 et 20 sont tous parallèles entre eux. Les coudes de retournement 30 sont tous sur un côté 7 du système de refroidissement 1, comme illustré sur la figure 3. Les canaux 11 et 21 sont rectilignes sur sensiblement toute leur 30 longueur. 9 Le système 1 comporte une plaque de canaux 8 définissant les canaux 11 et 21 des première et deuxième séries. 10 et 20. La plaque de canaux 8 comporte des sillons 9 définissant les canaux 11 et 21, comme on peut le voir sur les figures 3 et 4. 5 La plaque de canaux 8 est réalisée d'un seul tenant, notamment en aluminium, notamment par emboutissage. La plaque de canaux 8 comporte sur la face supérieure 15 une série de sillons 9 pour former les canaux 11 de la première série et sur la face inférieure 25 une série de sillons 9 pour former les canaux de la deuxième 10 série 21. Tous les canaux 11 et 21 sont rectilignes, à savoir les canaux ne forment pas de serpentins. Notamment les canaux 11 et 21 s'étendent sur une majeure partie de la plaque 8, sensiblement sur toute la longueur de la plaque 8. 15 La plaque 8 est agencée pour définir une zone d'alimentation 31 des canaux 11 en fluide caloporteur, comme visible sur la figure 2. La plaque 8 est agencée pour définir une zone d'évacuation 32 de fluide des canaux, comme visible sur la figure 5. Les zones d'alimentation 31 et d'évacuation 32 sont sur un même 20 coté droit 35 de la plaque de canaux. Les zones d'alimentation et d'évacuation 31 et 32, de forme allongée, notamment de forme rectangulaire, s'étendent transversalement par rapport aux canaux 11 et 21. Les zones d'alimentation et d'évacuation 31 et 32,formées sur la 25 plaque 8, se raccordent respectivement à une connectique d'entrée 37 et de sortie (non visible), ces connectiques, notamment formées chacune par une tubulure, toutes les deux connectiques s'étendant soit sur la face supérieure, soit sur la face inférieur, à savoir d'un même coté de la plaque. 10 Dans l'exemple illustré aux figures 8et 9, les connectiques d'entrée 37 et de sortie 38 de fluide sont sensiblement au milieu de la plaque de canaux 8. Ainsi le fluide arrivant par la connectique est distribué de part et d'autre vers une extrémité de la plaque et vers I autre extrémité 5 respectivement. Les canaux des première et deuxième séries présentent la même section transversale et sont espacés les un des autres de manière régulière. Selon un aspect de l'invention, les cellules de batterie présentent 10 une section plus grande que l'espace entre un canal de la première série et un canal de la deuxième série, canaux qui sont immédiatement voisins. Les bases de cellules de batterie 4, notamment toutes les bases 60, sont refroidies par à la fois un canal de la première série et un canal de la deuxième série, comme illustré sur la figure 6. 15 Le support 40 pour recevoir les cellules de batterie est une plaque assemblée avec la plaque de canaux 8, notamment brasure. Les plaques de support 40 et plaque 8 de canaux ont sensiblement les mêmes dimensions et formes, notamment présentent des bords droits, notamment en étant inscrit dans un rectangle. 20 La plaque de support 40 ferme des canaux 11 et 21. La connectique d'entrée ou de sortie passe par cette plaque de support 40, notamment cette plaque comporte un orifice 41 pour le passage d'une tubulure 37, comme visible sur la figure 9. La plaque de support 40 est réalisée en aluminium et comporte des 25 alvéoles 45 agencées pour recevoir chacune une cellule de batterie 4. Ces alvéoles 45 sont disposées en rangées parallèles aux canaux. Ces alvéoles 45 reçoivent la base des cellules 4. Chaque cellule de batterie est cylindrique. 11 Le système comporte une plaque de fond 50 agencée pour être assemblée avec la plaque de canaux 8. Cette plaque de fond 50 est agencée pour fermer les canaux de l'une des séries de canaux. 5 Les coudes de retournement sont formés par des ouvertures traversantes 55 dans la plaque de canaux 8 qui permettent au fluide de passer d'une face à l'autre de la plaque 8 de canaux et de faire demi-tour dans l'autre plan. Les canaux11 et 21 sont alternés en disposition. 10 Comme on peut le voir sur les figures 3 et 4, la plaque 8 comporte des embossages alternés de manière à former des sillons 9 alternés pour définir alternativement les canaux 11 et 21 sur chacune des faces supérieure et inférieure de la plaque 8. Les canaux 11 de la face supérieure débouchent à une extrémité 15 sur les ouvertures traversantes 55, chaque ouverture 55 distribuant le fluide dans le canal 11 qui arrive à cette ouverture 55 vers deux canaux 21 de l'autre face de la plaque. Autrement dit chaque canal 21 de la face inférieure communique avec deux canaux de la face supérieure. 20 Ainsi l'invention permet de garantir un refroidissement homogène sur un maillage de cellules cylindriques pour le domaine des véhicules automobiles électriques. Il est bien entendu possible selon l'invention d'avoir la plaque de fond 50 agencée pour être au contact avec un ensemble de cellules de 25 batterie supplémentaire. Dans ce cas, un premier groupe de cellules de batterie est en contact avec la face supérieure et un deuxième groupe de cellules est en contact avec l'autre face. Autrement dit les plaques sont interposées entre deux ensembles de cellules. 30 La plaque de fond 50 peut être similaire à la plaque de support 40 avec des alvéoles pour recevoir les cellules. 12 Grâce à l'invention, chaque cellule voit, en termes thermiques, le canal « froid » et le canal « chaud » du fluide caloporteur, afin que la température moyenne du fluide vue par chaque cellule soit la même. 5 L'échange thermique peut, le cas échéant, se faire sur chacune des faces de la plaque, dans la mesure où il y a besoin de refroidissement sur les deux faces de l'échangeur. Pour limiter la perte de charge dans l'échangeur, la taille des canaux est optimisée. 10 Les canaux de refroidissement assurent l'échange thermique d'une part avec la moitié de la base 60 de chaque cellule cylindrique face supérieur, le fluide étant en contact direct avec la plaque de support 40 supérieure, mais également avec la moitié de la base 60 de chaque cellule cylindrique face inférieure, le fluide étant en contact indirect avec la plaque 15 inférieure par l'intermédiaire du fond de canal. Les canaux 11 sont disposés alternativement avec les canaux 21, lesquels assurent le retour du fluide à contre courant. Les canaux 11 et 21 possèdent la même largeur dans ce mode de réalisation, ladite largeur étant fonction du pas entre chaque cellule. 20 Sur la face inférieure, les canaux 21 permettent l'échange thermique d'une part avec la moitié de la base 60 de chaque cellule cylindrique face inférieure, le fluide étant en contact direct avec la plaque inférieure 50, mais également avec la moitié de la base de chaque cellule cylindrique face supérieure, le fluide étant en contact indirect avec la 25 plaque de support 8 supérieure par l'intermédiaire du fond de canal ou fond de sillon 9. Les plaques 40 et 50 ferment le circuit fluidique. De préférence, les canaux 11 et 21 s'étendent chacun entre les zones d'alimentation et d'évacuation. En particulier ils sont séparés les uns 30 des autres en dehors des zones d'alimentation et d'évacuation. Notamment 13 ces canaux 11 et 21 ne se croisent pas en en dehors des zones d'alimentation et d'évacuation. REVENDICATIONS1. Système de refroidissement (1) de cellules de batterie, ce 5 système comportant : - un circuit (2) de fluide caloporteur, - un support (40) agencé pour recevoir des cellules de batterie, ce support étant en contact thermique avec le fluide caloporteur, 10 système dans lequel le circuit de fluide comprend une première série (10) de canaux de fluide s'étendant dans un premier plan et une deuxième série (20) de canaux de fluide s'étendant dans un deuxième plan distinct du premier plan, l'un au moins des canaux de la première série se raccordant à l'un au moins des canaux de la deuxième série par un coude de 15 retournement qui s'étend entre lesdits deux plans de sorte que ces deux canaux forment entre eux un angle inférieur à 90°, notamment inférieur à 45° ou inférieur 5°, notamment ces canaux forment entre eux un angle de 0° auquel cas ces canaux sont parallèles avec des sens d'écoulement opposés. 20 2. Système selon la revendication précédente, dans lequel le système comporte une plaque de canaux (8) définissant au moins partiellement les canaux de l'une au moins des première et deuxième séries, notamment la plaque définit au moins partiellement les canaux des 25 deux séries. 3. Système selon la revendication précédente, dans lequel la plaque de canaux comporte des sillons (11) définissant au moins partiellement les canaux. 30 15 4. Système selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la plaque de canaux est réalisée d'un seul tenant, notamment en aluminium, notamment par emboutissage. 5. Système selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel la plaque de canaux (8) comporte sur la face supérieure une série de sillons pour former les canaux de la première série et sur la face inférieure une série de sillons pour former les canaux de la deuxième série. 6. Système selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel la plaque 8 comporte des embossages alternés de manière à former des sillons (9) alternés pour définir alternativement les canaux sur chacune des faces supérieure et inférieure de la plaque (8). 7. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins certaines des bases (60) de cellules de batterie, notamment toutes les bases, sont refroidies par à la fois un canal de la première série et un canal de la deuxième série. 8. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le support pour recevoir les cellules de batterie est une plaque assemblée avec la plaque de canaux, notamment brasure. 9. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le coude de retournement est formé par des ouvertures traversantes (55) dans la plaque de canaux qui permettent au fluide de passer d'une face à l'autre de la plaque de canaux. 10. Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, sur la face inférieure de la plaque de canaux, les canaux (21) permettent l'échange thermique d'une part avec la moitié de la base (60) de chaque cellule cylindrique face inférieure, le fluide étant en contact direct avec la plaque inférieure (50), et également avec la moitié de la base de 16 chaque cellule cylindrique face supérieure, le fluide étant en contact indirect avec la plaque de support (8) supérieure par l'intermédiaire du fond de canal ou fond de sillon (9). 5