Brevet FR3082665A1 — publié le 20191220

- 1 - Dispositif de refroidissement notamment pour véhicule automobile La présente invention concerne un dispositif de refroidissement notamment pour véhicule automobile. La tendance actuelle chez les constructeurs automobiles est d'intégrer de plus en plus l'énergie électrique dans leurs véhicules, que ce soit pour mouvoir des véhicules à propulsion entièrement électrique, des véhicules hybrides ou bien pour fournir une simple assistance au moyen de propulsion principale dans le but d'améliorer l'autonomie du véhicule. La puissance mise en jeu dans ces véhicules nécessite des quantités importantes d'énergie électrique, qui sont stockées dans des batteries de grande capacité conçues spécialement à cet effet. Elles sont formées de cellules élémentaires qui sont placées les unes à côté des autres et reliées électriquement entre elles pour, d'une part, fournir la tension désirée et, d'autre part, générer la capacité de stockage recherchée. Ces cellules élémentaires ont soit une forme parallépipédique (encore appelées cellules prismatiques), soit cylindrique ou elles sont ensachées (pouch cell en anglais ). Ces cellules élémentaires peuvent être regroupées et reliées électriquement pour former des modules. Ces modules sont généralement de formes parallépipédiques. Les cellules sont équipées de contacts électriques ou bornes, sur une même extrémité ou des extrémités opposés, pour recevoir une alimentation en courant continu ou pour restituer l'énergie stockée. L'intérieur des modules est classiquement constitué par une succession de cathodes et d'anodes qui sont placées en alternance. Les cellules élémentaires sont ainsi placées côte à côte, de façon à former un module de batterie autonome qui délivre la tension recherchée et qui a pour capacité la somme des capacités de ses diverses cellules élémentaires. La demande de brevet DE 102015013377 décrit un système de refroidissement du pack batterie en utilisant un fluide diélectrique en écoulement forcé afin de pouvoir immerger les cellules et ainsi avoir un échange en contact direct. La demande de brevet US 20170040653 décrit un système de refroidissement du pack batterie en utilisant un échangeur en contact avec les connectiques des cellules. La demande de brevet US 2007009787 décrit un système de refroidissement du pack batterie en utilisant de l'air et des tubes où circule un fluide réfrigérant. Il existe notamment un besoin pour refroidir un pack batterie d'un véhicule électrique 35 ou hybride. L'invention pourrait être appliquée au refroidissement d'une électronique de puissance, si on le souhaite. - 2 - L'invention a ainsi pour objet un dispositif de refroidissement notamment pour véhicule automobile, le dispositif comportant au moins une face d'échange thermique agencée également pour réaliser une connexion électrique dans un circuit électrique. 5 L'invention permet de répondre à la demande croissante de puissance pour les charges rapides ou très rapides de batterie. De préférence le refroidissement est placé au plus près des sources chaudes localisées aux niveaux des connectiques des cellules dans le pack ou module de batterie. 10 L'invention permet, notamment par rapport aux solutions de refroidissement existantes, de refroidir essentiellement les connectiques, ce qui permet de réduire la quantité de liquide de refroidissement engagée. Cette réduction de volume entraîne une réduction de poids et de coût, ce qui est particulièrement avantageux. La géométrie de l'échangeur peut être différente selon le type de cellule, notamment 15 prismatique ou cylindrique, afin de pouvoir répondre au besoin de refroidissement de façon adaptée. L'invention permet notamment de réaliser simultanément : - le refroidissement des connectiques des cellules de batterie, - un circuit électrique entre les cellules du pack batterie. 20 L'invention concerne notamment un module de batteries à charge rapide. On entend par charge rapide une charge qui dure notamment moins d'une heure, voire moins de 30 minutes. Ces durées courtes de charge imposent des échanges thermiques importants. 25 Selon l'un des aspects de l'invention, la conduction thermique et la conduction électrique sont assurées par un même matériau de ce dispositif. Autrement dit, la conduction thermique et la conduction électrique ne sont pas assurées par des éléments distincts. 30 Selon l'un des aspects de l'invention, le dispositif comporte au moins un canal de circulation d'un fluide caloporteur, et la face d'échange thermique est au contact avec ce canal de circulation de manière à permettre un échange thermique entre cette face et le fluide caloporteur. Selon l'un des aspects de l'invention, le dispositif de refroidissement comporte une 35 entrée et une sortie de fluide connectées avec le canal de circulation. Selon l'un des aspects de l'invention, l'une au moins de l'entrée et de la sortie comporte un raccord tubulaire connecté au canal de circulation. - 3 - Selon l'un des aspects de l'invention, l'entrée et la sortie sont sur un même côté du dispositif de refroidissement. Selon l'un des aspects de l'invention, l'entrée et la sortie sont respectivement sur deux côtés différents, notamment opposés, du dispositif de refroidissement. 5 Selon l'un des aspects de l'invention, le dispositif de refroidissement comporte au moins une plaque supérieure et au moins une plaque inférieure définissant entre elles le canal de circulation de fluide caloporteur. Selon l'un des aspects de l'invention, l'une au moins des plaques, notamment une seule, est réalisée en matériaux électriquement et thermiquement conducteur, par 10 exemple de l'aluminium, de l'acier ou un autre métal. Dans ce cas, la connexion électrique est assurée par la plaque électriquement conductrice. Selon l'un des aspects de l'invention, le dispositif de refroidissement peut comporter deux plaques électriquement conductrices disposées sensiblement sur un même plan et servant de connexion électrique, et l'une étant connectée aux bornes positives des 15 cellules de batterie et l'autre aux bornes négatives sans générer de court-circuit. Selon l'un des aspects de l'invention, l'une des plaques est réalisée en matériau électriquement isolant, par exemple en matière plastique comme le polypropylène, ou le polyamide, ou en matières thermoplastiques, thermodurcissables, élastomères ou en matériaux composites. 20 Selon l'un des aspects de l'invention, l'une au moins des plaques comporte une ou plusieurs régions embouties. Selon l'un des aspects de l'invention, le dispositif de refroidissement comporte une portion de connexion électrique agencée pour permettre la connexion électrique entre ce dispositif de refroidissement et un composant électrique. 25 Selon l'un des aspects de l'invention, cette portion de connexion présente un renfoncement et/ou présente une forme sensiblement circulaire. Selon l'un des aspects de l'invention, la portion de connexion est agencée pour à la fois conduire le courant électrique pour assurer la connexion électrique et assurer le refroidissement de la borne de connexion ou de tout élément de connectique du 30 composant électrique. Selon l'un des aspects de l'invention, cette portion de connexion est formée au moins partiellement par emboutissage d'une plaque. Selon l'un des aspects de l'invention, le dispositif comporte une pluralité de portions de connexion électrique disposées suivant au mois une rangée sensiblement rectiligne, 35 par exemple une seule rangée ou en variante suivant deux rangées parallèles ou plus. L'invention a encore pour objet un ensemble comportant un dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, et plusieurs composants - 4 - électriques connectés électriquement entre eux par le dispositif de refroidissement. Selon l'un des aspects de l'invention, l'un au moins des composants est un élément de stockage d'énergie électrique, notamment une batterie ou une cellule de batterie. Ainsi l'ensemble peut comporte le dispositif de refroidissement et un module de 5 batterie formé par les cellules. Selon l'un des aspects de l'invention, tous les composants sont des éléments de stockage d'énergie électrique, notamment des cellules de batterie. Selon l'un des aspects de l'invention, les cellules de batterie sont par exemple cylindriques ou en forme de pavé notamment appelée prismatique, et sont notamment 10 disposées en une ou plusieurs rangées. Selon l'un des aspects de l'invention, les composants sont des cellules de batteries avec des bornes électriques, et le dispositif de refroidissement est disposé sur le côté des bornes électriques pour assurer la connexion de ces bornes entre elles. Selon l'un des aspects de l'invention, l'ensemble comporte un seul dispositif de 15 refroidissement disposé sur un côté des composants, notamment le côté qui présente les bornes électriques. Selon l'un des aspects de l'invention, l'ensemble comporte deux dispositifs de refroidissement disposés sur deux côtés opposés des composants. Selon l'un des aspects de l'invention, les dispositifs de refroidissement sont reliés 20 fluidiquement entre eux par des conduits, notamment transversaux, qui mettent en communication les canaux respectifs des dispositifs de refroidissement. Selon l'un des aspects de l'invention, le ou les dispositifs de refroidissement font partie du circuit électrique incluant les cellules de batterie. Dans le cas de cellules cylindriques, notamment disposées verticalement dans le 25 pack ou module de batterie, il peut être prévu un dispositif de refroidissement d'un côté, par exemple en bas, du module de cellules et un autre dispositif de refroidissement de l'autre côté, par exemple en haut du module, chaque échangeur comporte une plaque non conductrice électriquement, exemple en plastique, et d'un ensemble de plaques conductrices électriquement, exemple en aluminium. 30 Selon l'un des aspects de l'invention, les plaques conductrices électriquement sont directement soudées aux bornes des cellules de façon à réaliser le circuit électrique souhaité, le montage étant en série ou parallèle des cellules. Ceci permet notamment de ne pas être impacté par le sens des bornes des cellules. En effet, les plaques conductrices électriquement sont associées à un type de borne, 35 une plaque par ensemble de cellules présentant la borne positive et de même pour celles présentant la borne négative. Après la réalisation du circuit, les câbles électriques sortant du module sont par - 5 - exemple directement connectés aux plaques conductrices électriquement, la borne positive du module avec les plaques de polarité positive et la borne négative du pack avec les plaques de polarité négative. Selon l'un des aspects de l'invention, la plaque non conductrice électriquement 5 permet de faire la liaison hydraulique du liquide réfrigérant et d'isoler les plaques conductrices électriquement. Le liquide réfrigérant est de préférence diélectrique pour ne pas générer de court circuit. De plus, si la plaque non conductrice électriquement est en plastique, il est possible de dimensionner cette dernière de façon à permettre le passage des câbles du pack batterie vers d'autres accessoires. 10 Selon l'un des aspects de l'invention, si l'ensemble des bornes positives et négatives des cellules sont séparées de la façon suivante : les bornes positives en haut du pack et les négatives en bas et vice versa, l'ensemble des plaques conductrices électriquement de chaque dispositif de refroidissement ne deviennent qu'une plaque unique soudée à la plaque non conductrice électriquement. De plus, il n'est plus 15 nécessaire d'utiliser un fluide réfrigérant diélectrique mais il faudra prévoir une boucle de circulation isolée afin d'éviter les court circuits électriques entre les bornes positives (en haut / en bas) et les bornes négatives (en bas / en haut). Si on parle d'assemblage entre plaques isolantes et conductrices, on peut envisager différents types de liaison : assemblage mécanique, par exemple rivetage, surmoulage, 20 soudure par friction, ultrasons ou bouterollage. Dans le cas des cellules prismatiques, le dispositif de refroidissement comporte de préférence différents canaux d'écoulement du fluide réfrigérant. Chaque canal permet notamment de refroidir un ensemble de connectiques de la même polarité. Chaque canal est composé d'un matériau conducteur, par exemple de l'aluminium. Cette 25 particularité permet notamment de faire la liaison électrique entre ces bornes et ainsi en modifiant la géométrie des canaux on peut définir le type de circuit électrique que l'on souhaite. Les différents canaux sont notamment reliés à l'aide d'un matériau non conducteur pour éviter les courts circuits. Par exemple toutes les bornes positives sont d'un même côté et bornes négatives de l'autre. 30 Selon l'un des aspects de l'invention, le dispositif de refroidissement ou échangeur est emboité sur les bornes des cellules notamment par complémentarité de formes, ce qui permet un bon contact électrique et thermique. Le fluide réfrigérant refroidit ainsi les bornes. Selon l'un des aspects de l'invention, les cellules sont prismatiques, et le dispositif 35 de refroidissement comporte différents canaux d'écoulement du fluide réfrigérant, canaux réalisés sur des pièces distinctes. Selon l'un des aspects de l'invention, le dispositif comporte au moins un canal de - 6 - circulation d'un fluide caloporteur, et la face d'échange thermique constitue en partie et/ou est au contact avec ce canal de circulation de manière à permettre un échange thermique entre cette face et le fluide caloporteur. Selon l'un des aspects de l'invention, le canal ou les canaux sont formées sur un 5 corps creux unique métallique type tube aluminium extrudé puis percé sur une face. Selon l'un des aspects de l'invention, des canaux conducteurs électriquement reliant des bornes d'une polarité donnée sont reliés à des canaux conducteurs reliant des bornes de la polarité inverse par des conduites complètement isolantes électriquement pour assurer la continuité du fluide caloporteur sans risque de court circuit. 10 L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : 15 la figure 1 est une vue en perspective d'un ensemble selon un exemple l'invention; la figure 2 est une vue en coupe de l'ensemble de la figure 1; les figures 3 et 4 sont des vues d'autre un autre exemple l'invention, la figure 5 est une vue en perspective d'un dispositif de refroidissement selon un 20 autre exemple l'invention; On a représenté sur la figure 1 un module de batterie électrique 20 comportant une pluralité de cellules 21 de batterie qui sont disposées côté à côte pour former une rangée. 25 Ces cellules 21 sont dites prismatiques, ayant une forme en pavé. Chaque cellule comporte une borne de connexion positive 22 et une borne de connexion négative 23. Les bornes positives 22 sont alignées sur une droite, de même pour les bornes négatives 23 alignées sur une autre droite. 30 Le module de batterie 20 de véhicule automobile fait partie d'un ensemble 1 pourvu en outre d'un dispositif de refroidissement 2 conforme à l'invention. Le dispositif de refroidissement 2 comporte deux canaux d'écoulement du fluide réfrigérant 3. Chaque canal 3 permet de refroidir un ensemble de connectiques de la même polarité, à savoir soit les bornes positives 22 soit les bornes négatives 23. Chaque canal 3 est composé d'un matériau conducteur, par exemple de l'aluminium. Ceci permet de faire la liaison électrique entre ces bornes 22, respectivement 23. Un circuit électrique 5 est ainsi formé, incluant les bornes 22 et 23. - 7 - Le circuit 5 peut être raccordé au reste du véhicule, par exemple pour alimenter un moteur de traction. En modifiant la géométrie des canaux 3, on peut définir le type de circuit électrique que l'on souhaite. 5 Les différents canaux 3 sont reliés fluidiquement à l'aide d'un matériau non conducteur pour éviter les courts circuits, ici à l'aide de raccords isolants 6 en V aux extrémités des deux canaux 3 pour assurer respectivement l'entrée de fluide à une extrémité 7 des canaux 3 et la sortie de fluide de refroidissement à l'autre extrémité 8 des canaux 3. 10 Comme on peut le voir sur la figure 2, les canaux 3 sont emboités sur les bornes 22 respectivement 23 des cellules 21 par complémentarité de formes, notamment de formes cylindriques emboitées, ce qui permet un bon contact électrique et thermique. On voit sur la figure 2 qui est une coupe de l'ensemble de la figure 1, le chemin 9 de passage de fluide réfrigérant à l'intérieur du canal 3. 15 Ce chemin 9 passe autour de la borne 22, 23 pour bien la refroidir. Le canal 11 comporte une paroi 11 cylindrique en contact électrique avec la borne 22, 23, cette paroi 11 étant formée par emboutissage. Cette paroi 11 forme une portion de connexion. Des éléments de connexion électrique 12, en forme de cosses métalliques, sont 20 fixés sur les canaux 3 pour assurer la connexion électrique des bornes 22 et 23 avec le système électrique du véhicule. Chaque élément 12 est fixé sur l'un des canaux 3. La face d'échange thermique est formée par le canal 3. 25 On a représenté sur les figures 3 et 4 un exemple de l'invention utilisant des cellules cylindriques. L'ensemble 30 comporte un module de batterie 31 avec des cellules cylindriques 32 disposées verticalement dans le module 31. Il est prévu un dispositif de refroidissement 35 d'un côté, par exemple en bas, du 30 module de cellules 31 et un autre dispositif de refroidissement 36 de l'autre côté, par exemple en haut du module. Chaque dispositif de refroidissement 35, 36 comporte une plaque non conductrice électriquement 40, par exemple en plastique, et une plaque conductrice électriquement 41, par exemple en aluminium. 35 La plaque conductrice électriquement 41 du dispositif de refroidissement 36 en haut est soudées aux bornes 43 des cellules 32 de façon à réaliser le circuit électrique souhaité. - 8 - Ici toutes les bornes 43 sont au contact électrique avec la même plaque 41. Ces bornes 43 sont ici disposées suivant deux rangées parallèles. 48 et 49. Ainsi, les plaques conductrices électriquement peuvent être associées à un type de borne, une plaque par ensemble de cellules présentant la borne positive et de même 5 pour celles présentant la borne négative. Après la réalisation du circuit, les câbles électriques sortant du module sont directement connectés aux plaques conductrices électriquement, la borne positive du module avec les plaques de polarité positive et la borne négative du pack avec les plaques de polarité négative. La plaque non conductrice électriquement 40 permet de faire la liaison hydraulique 10 du liquide réfrigérant et d'isoler le ou les plaques conductrices électriquement. Le liquide réfrigérant est de préférence diélectrique pour ne pas générer de court circuit. De plus, si la plaque non conductrice électriquement 40 est en plastique, il est possible de dimensionner celle dernière de façon à permettre le passage des câbles du pack batterie voire d'autres accessoires. 15 Il n'est pas nécessaire dans l'exemple des figures 3 et 4 d'utiliser un fluide réfrigérant diélectrique mais il faut prévoir une boucle de circulation isolée afin d'éviter les court circuits électriques entre les bornes positives (en haut / en bas) et les bornes négatives (en bas / en haut). 20 En variante, il est possible de prévoir en haut deux plaque conductrices 41 chacune étant en contact avec une rangée de bornes 43. Ceci est applicable lorsque les bornes positives de l'une rangées sont en bas, et les bornes positives de l'autre rangée en haut. Dans ce cas, comme illustré sur la figure 5, il est prévu deux plaques conductrices 25 41 et une plaque isolante 40 assemblée avec ces deux plaques conductrices 41. La plaque isolante 40 définit deux canaux 50 de fluide avec un passage de jonction 51 entre eux. Des tubulures de raccord de fluide 54 sont prévues sur la plaque 40, formant respectivement une entrée 60 et une sortie de fluide 61. 30 La face d'échange thermique est formée par les plaques 41, REVENDICATIONS1. Dispositif de refroidissement (2 ; 35 36) notamment pour véhicule automobile, le dispositif comportant au moins une face d'échange thermique (3 ; 41) agencée également pour réaliser une connexion électrique dans un circuit électrique (5). 2. Dispositif selon la revendication précédente, lequel comporte au moins un canal 50) de circulation d'un fluide caloporteur, et la face d'échange thermique constitue en partie ce canal de circulation de maniere à permettre un échange thermique entre cette face et le fluide caloporteur. 3. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de refroidissement comporte au moins une plaque notamment supérieure (40) et au moins une plaque notamment inférieure (41) définissant entre elles le canai de circulation de fluide caloporteur. 4. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel l'une au moins des plaques, notamment une seule, est réalisée en matériaux électriquement et thermiquement conducteur, par exemple en aluminium. 5. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif 20 refroidissement peut comporter deux plaques électriquement conductrices (41) disposées sensiblement sur un même plan et servant de connexion électrique, et l'une étant connectée aux bornes positives des cellules de batterie et l'autre aux bornes négatives sans générer de court-circuit. 25 6. Ensemble comportant un dispositif de refroidissement selon l'une des revendications précédentes, et plusieurs composants électriques connectés électriquement entre eux par le dispositif de refroidisse nien notamment des cellules d'un module de batterie. 30 7. Ensemble selon la revendication précédente, dans lequel les composants sont des cellules de batteries avec des bornes électriques, et le dispositif de refroidissement est disposé sur le côte des bornes électriques pour assurer la connexion de ces bornes entre elles. 10 15 35 -10- 8. Ensemble selon l'une des deux revendications précédentes, dans lequel l'ensemble comporte deux dispositifs de refroidissement (35, 36) disposés sur deux côtés opposés des composants. 9. Ensemble selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel les cellules sont cylindriques, notamment disposées verticalement ou horizontalement ou selon une inclinaison donnée, dans le pack ou module de batterie, il est prévu un dispositif de refroidissement en bas du module de cellules et un autre dispositif de refroidissement en haut du module, chaque échangeur comporte une plaque non conductrice électriquement, exemple en plastique, et une plaque ou un ensemble de plaques conductrices électriquement, exemple en aluminium. 10. Ensemble selon la revendication précédente, dans lequel l'ensemble des bornes positives et négatives des cellules sont séparées de la façon suivante : les bornes positives en haut du pack et les négatives en bas et vice versa, l'ensemble des plaques conductrices électriquement de chaque dispositif de refroidissement devient une plaque unique, notamment une plaque soudée ou assemblée différemment à la plaque non conductrice électriquement. 11. Ensemble selon la revendication 6 ou 7, dans lequel les cellules sont prismatiques, et le dispositif de refroidissement comporte différents canaux d'écoulement du fluide réfrigérant, canaux réalisés sur des pièces distinctes. 12. Ensemble selon l'une des revendications 6 à 11, dans lequel des canaux conducteurs électriquement reliant des bornes d'une polarité donnée sont reliés à des canaux conducteurs reliant des bornes de la polarité inverse par des conduites complètement isolantes électriquement pour assurer la continuité du fluide caloporteur sans risque de court circuit.