Brevet FR3093173A1 — publié le 20200828

Description Titre de l'invention : Dispositif et procédé de refroidissement d'une batterie. [0001] L'invention a trait à un dispositif de refroidissement thermique d'une batterie de traction d'un véhicule, notamment d'un véhicule hybride ou électrique. L'invention a trait également à un procédé correspondant. [0002] La pression économique et environnementale guide la tendance actuelle vers le déve- loppement de véhicules à chaînes de traction hybride électrique ou entièrement électrique. De tels véhicules comprennent une batterie haute tension de traction, nécessaire pour fournir de l'énergie électrique pour faire se mouvoir le véhicule, batterie qui s'échauffe en fonctionnement selon les conditions d'utilisation (appels de courant) et qui a ses propres besoins de thermorégulation. [0003] On comprendra par batterie, dans tout le texte de ce document, un ensemble comprenant au moins un module de batterie contenant au moins une cellule électrochimique, une batterie de servitude étant considérée équivalente à au moins un module. Cette batterie comprend éventuellement des moyens électriques ou électroniques pour la gestion d'énergie électrique et thermique de cc au moins un module. Lorsqu'il y a plusieurs modules, ils sont regroupés dans un carter hermétique et forment alors un bloc batterie, ce bloc batterie étant souvent désigné par l'expression anglaise « pack batteries », cc carter contenant généralement des bornes de raccordement. [0004] Par ailleurs, on comprendra par cellule électrochimique dans tout le texte de cc document, des cellules générant du courant par réaction chimique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-ion), de type Ni-Mh, ou Ni-Cd ou encore plomb. [0005] La capacité et la puissance de ces batteries sont en constante augmentation, notamment grâce à la technologie lithium-ion « Li-ion ». Cependant, ce type de batteries pose des problèmes liés à sa température de fonctionnement de par les niveaux de températures optimales et maximales requis par la batterie, que ce soit lors de sa décharge ou de sa recharge, et a donc son propre circuit de thermorégulation dont l'efficacité doit croître en même temps que l'augmentation des puissances de ces batteries. [0006] Le refroidissement traditionnel d'une telle batterie haute tension de traction par ven- tilation est alors remplacé par un refroidissement par un fluide aqueux caloporteur, notamment de l'eau glycolée. [0007] Ce fluide aqueux est mis en mouvement par une pompe, et parcours un espace interne d'un échangeur thermique, notamment une plaque de refroidissement, cette plaque étant en contact thermique sur une de ses faces (par conductivité) avec une 2 partie de la batterie à refroidir, par exemple un module de batterie. L'échange thermique par convection entre le fluide aqueux et la plaque de refroidissement est d'autant plus efficace que la perte de charge duc à la plaque est grande, mais ccci impose alors d'augmenter la puissance de la pompe qui devient encombrante, consomme plus de courant et donc diminue l'autonomie du véhicule, et devient couteuse. Il est alors avantageux d'augmenter l'efficacité de l'échange thermique par convection entre le fluide aqueux et la plaque de refroidissement sans augmenter les pertes de charges, pour ne pas sur-dimensionner la pompe. [0008] Pour répondre à ce problème, le document de brevet FR-A1-2998955 décrit un échangeur thermique parcouru par un fluide diphasique. Cet échangeur est fonctionnellement couplé avec une pluralité de générateurs d'ultrasons transmettant ces ondes au fluide diphasique et permettant une déstructuration de l'écoulement fluidique stratifié entre des phases liquide et gazeuse ou vapeur, et donc un brassage de l'écoulement et une meilleure distribution entre les canaux de l'échangeur thermique. [0009] Un inconvénient de cette solution, est que le phénomène physique utilisé est lié au fluide diphasique. Or ce fluide diphasique complexifie les dispositifs de refroidissement, raison pour laquelle les fluides diphasiques ne sont pas utilisés à ce jour dans les refroidissements des batteries de traction. [0010] Le but de l'invention est de remédier à cet inconvénient, notamment en optimisant les échanges thermiques pour un fluide aqueux monophasiquc. [0011] A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de refroidissement comprenant un dispositif de contrôle du refroidissement et un circuit hydraulique fermé contenant un fluide aqueux monophasique, ce circuit hydraulique fermé comprenant une pompe de circulation du fluide et un échangeur thermique parcouru par ce fluide, ce dispositif de refroidissement étant tel que le circuit hydraulique comprend un générateur de pulsations du fluide, le dispositif de contrôle étant agencé pour commander le générateur de pulsations et la pompe indépendamment l'un de l'autre. [0012] On comprendra par « circuit hydraulique fermé » dans tout le texte de ce document, le fait que ce circuit forme au moins une boucle dans laquelle le fluide sortant de la pompe est recyclé en parcourant la boucle, et est à nouveau aspiré par la pompe. [0013] On comprendra par « un échangeur » dans tout le texte de ce document, aussi bien un échangeur de chaleur classique entre deux fluides, qu'un refroidisseur (ou réchauffeur) d'un solide par un fluide (respectivement un module de batterie et le fluide aqueux monophasique). [0014] Ainsi le fluide a un écoulement qui est la superposition d'une composante oscillatoire provoquée par le générateur de pulsations, et dont la valeur moyenne du débit est par exemple nulle, et d'une composante quasi constante dont la valeur moyenne est le débit de la pompe de circulation. Cette valeur est par exemple la vitesse de 3 l'écoulement. La notion d'écoulement quasi constant s'apprécie par rapport à la variation de la composante oscillatoire provoquée par le générateur de pulsations : la pompe est en effet apte à être pilotée en débit, et le débit du fluide est donc par ce biais variable, niais à des fréquences de pilotage du débit très basses, par exemple 1 hertz au maximum, alors que la fréquence des oscillations de la composante oscillatoire est de l'ordre de au moins 4 fois la fréquence de pilotage maximale du débit. Dans tous les cas la vitesse de l'écoulement provoqué par la pompe de circulation n'aura jamais une valeur moyenne nulle sauf à désactiver la pompe. [0015] On notera également que, selon la technologie de la pompe de circulation, cette dernière peut générer aussi des pulsations dans le fluide. Ces pulsations provoquées par la pompe de circulation sont une troisième composante oscillatoire de l'écoulement du fluide, la première composante étant la composante oscillatoire provoquée par le générateur de pulsations, la deuxième composante étant la composante quasi constante dont la valeur moyenne est le débit de la pompe de circulation. Cette troisième composante est négligée, du fait que la fréquence de cette troisième composante est dépendante de la vitesse de la pompe de circulation, et donc de son débit, ne permettant pas un pilotage de la fréquence de cette troisième composante indépendamment du débit de cette pompe. [0016] L'amélioration des transferts thermiques convectifs est rendu possible par l'augmentation de la chaleur transportée par la première composante oscillatoire de l'écoulement, créée par le générateur de pulsations, en provoquant un meilleur renouvellement des couches limites hydrodynamiques et thermiques. On obtient ainsi une efficacité thermique dite « active ». Cette efficacité influe directement sur la puissance thermique de l'échangeur échangée entre le solide (module de batterie) et le fluide, ou entre deux fluides dans le cas de l'échangeur classique, en augmentant le coefficient d'échange global de l'échangeur auquel la puissance thermique est directement proportionnelle (pour un débit de fluide et une géométrie de l'échangeur donné). [0017] En outre, le dispositif de contrôle étant agencé pour commander le générateur de pulsations et la pompe indépendamment l'un de l'autre, cette amélioration du coefficient d'échange est effective dès l'activation du générateur de pulsations quel que soit le débit du fluide. [0018] En particulier, même quand la pompe est commandée à son débit maximal, grâce à l'invention, il est encore possible d'augmenter la puissance thermique de l'échangeur en activant le générateur de pulsations, au moment voulu. [0019] Selon un mode de réalisation de l'invention, ce circuit hydraulique comprend au moins deux amortisseurs de pulsations du fluide isolant une première partie du circuit comprenant le générateur de pulsations et l'échangeur, d'une deuxième partie du circuit comprenant la pompe. [0020] En effet, le générateur de pulsations consomme de l'énergie, et cette énergie est fonction de la masse de fluide mise en oscillation. Il est alors avantageux que le générateur de pulsations ne mette en oscillation que la masse du fluide comprise dans cette première partie du circuit, l'efficacité recherchée étant celle de l'échangeur. Ces deux amortisseurs de pulsations permettent de ne mettre en oscillation que la masse du fluide contenu par cette première partie du circuit. [0021] Un exemple de réalisation de ces amortisseurs de pulsations est un piston coulissant dans un cylindre, et ayant une première face en contact avec le fluide, et une deuxième face poussée par un système élastique, par exemple un ressort. [0022] Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins un des amortisseurs de pulsations est une paroi deformable du circuit hydraulique, notamment une paroi en élastomère d'une conduite du circuit. [0023] En effet, le fluide étant incompressible, ces deux amortisseurs de pulsations ont un rôle de « vase communiquant » : le fluide poussé par le générateur de pulsations va « gonfler » une première paroi deformable, alors que dans le même temps le fluide « aspiré » par le générateur de pulsations va « creuser » une deuxième paroi deformable. Avantageusement ces parois sont élastiques, permettant une restitution de l'énergie de déformation au fluide et donc de limiter la puissance nécessaire pour le générateur de pulsations par un phénomène de mise en résonance du fluide contenu par cette première partie du circuit. [0024] Dans tous les cas de réalisation des amortisseurs de pulsations, chaque amortisseur présente un élément ayant une surface en contact avec le fluide, cette élément pouvant se déplacer ou se déformer par l'action de la pression du fluide, cet élément présentant une raideur vis-à-vis de cette pression du fluide au moins 3 fois inférieure à tout autre élément du circuit. [0025] Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit hydraulique comprend un filtre acoustique traversé par le fluide, ce filtre acoustique comprenant notamment un diaphragme selon une section orthogonale de la conduite du circuit, ce diaphragme étant percé par une multitudes de trous circulaires, ou carrés, ou rectangulaires. [0026] En effet, dans une application automobile par exemple, il est avantageux que les bruits générés par le générateur de pulsations et se propageant par le fluide ne remontent pas dans l'habitacle. [0027] Selon un mode de réalisation de l'invention, le générateur de pulsations est po- sitionné en amont ou en aval de l'échangeur par rapport au sens de circulation du fluide, notamment accolé à un orifice d'entrée ou de sortie de l'échangeur. [0028] En effet, tout fluide a un coefficient d'amortissement non nul. Même si le fluide est incompressible, plus l'échangeur est loin du générateur de pulsations, moins il en ressent les bénéfices. Etant donné qu'il est matériellement difficile de loger le gé- nératcur de pulsations dans l'échangeur, pour des raisons d'encombrement, il est alors avantageux de le placer au plus près de l'échangeur. [0029] Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de contrôle commande la pulsation à une des fréquences de résonance propres d'au moins une partie du circuit hydraulique comprenant l'échangeur, notamment la totalité du circuit hydraulique. [0030] Dans une variante de réalisation de l'invention, le dispositif de contrôle commande la pulsation à une des fréquences de résonance propres d'une partie du circuit hydraulique ne comprenant que l'échangeur. [0031] En effet, il est avantageux dans un premier cas particulier de limiter la puissance consommée par le générateur de pulsations tout en obtenant un effet thermique non nul, ou dans un deuxième cas particulier d'avoir l'effet thermique maximal même si le générateur d'impulsions consomme plus de puissance que le premier cas particulier. Entre ces deux extrêmes, qui correspondent respectivement à une pulsation réglée sur l'une des fréquences propres de résonance mécaniques du fluide mis en oscillation assimilable à un système masse + ressort, et à une pulsation regelée sur une des fréquences propres de résonance acoustiques de la partie du circuit hydraulique, on notera qu'un compromis est réalisable entre l'effet thermique recherché ( L'amélioration des transferts thermiques convectifs de l'échangeur) et la puissance consommée par le générateur de pulsations. [0032] Selon un mode de réalisation de l'invention, le générateur de pulsations est agencé pour faire varier le rapport d'amplitude de la vitesse du fluide, le dispositif de contrôle activant le générateur de pulsations et ajustant ce rapport d'amplitude de la vitesse du fluide pour modifier la puissance thermique de l'échangeur. [0033] Ainsi, pour une géométrie de l'échangeur définie, et pour un débit du fluide donné, la variation du rapport d'amplitude contrôlée par le générateur de pulsations va directement influencer le coefficient d'échange global. [0034] On comprendra par rapport d'amplitude de la vitesse du fluide, dans tout le texte de ce document, le rapport de la différence de la vitesse maximale et minimale de l'écoulement divisée par la composante moyenne temporelle de la vitesse de l'écoulement, au niveau du générateur de pulsations. [0035] On notera en outre que les pulsations générées correspondent à un train d'ondes pré- férentiellement sinusoïdal, car cela correspond aux solutions techniques les plus simple pour la réalisation du générateur de pulsations, soit un mouvement circulaire transformé en mouvement linéaire alternatif avec un pilotage simple : un moteur en rotation constante. Cependant, il est tout à fait envisageable de créer des trains d'ondes de forme différentes, notamment similaires à un signale carré, en remplaçant le moteur tournant par un moteur linéaire. [0036] Selon un mode de réalisation de l'invention, l'échangeur thermique est une plaque de 6 refroidissement dont l'espace interne est parcouru par le fluide, et dont l'une de ses faces est en contact thermique par conduction avec un élément à refroidir, notamment un module de batterie dc véhicule hybride ou électrique. [0037] Selon un mode de réalisation de l'invention, le générateur dc pulsations est un gé- nérateur comprenant un actionneur, notamment un dispositif d'ouverture et fermeture partielle cyclique d'une section du circuit, ou encore une pompe volumétrique dont la chambre est en permanence ouverte sur le circuit. [0038] L'objet de l'invention porte en outre sur un procédé de contrôle d'un dispositif de re- froidissement tel que précédemment décrit, le dispositif de contrôle comprenant des moyens d'acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que des moyens de commande requis à la mise en oeuvre de cc procédé, et le générateur de pulsations étant agencé pour faire varier le rapport d'amplitude de la vitesse du fluide, cc procédé comprenant : [0039] une première étape d'acquisition d'une consigne de puissance thermique pour l'échangeur, [0040] une seconde étape de choix d'un mode de fonctionnement du dispositif de refroi- dissement en fonction de cette consigne de puissance et, [0041] lorsque la consigne est inférieure à un seuil, le procédé commande la pompe en fonction de la consigne et, [0042] lorsque la consigne est supérieure ou égale au premier seuil, le procédé commande en outre le générateur de pulsations à une fréquence de résonance propre d'au moins une partie du circuit hydraulique comprenant l'échangeur, notamment la totalité du circuit hydraulique, tout en ajustant le rapport d'amplitude de la vitesse du fluide en fonction de la consigne. [0043] D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de l'exemples de réalisation non limitatifs qui va suivre, faite en référence à la figures 1 unique annexée, qui représente : [0044] [fig.1] est un schéma d'un dispositif de refroidissement selon l'invention. [0045] La figure 1 divulgue un dispositif de refroidissement 1 selon un mode de réalisation de l'invention. Ce dispositif de refroidissement 1 comprend un dispositif de contrôle du refroidissement (non représenté) et un circuit hydraulique 2 fermé contenant un fluide aqueux monophasique. Ce dispositif de contrôle du refroidissement est par exemple un calculateur comprenant des moyens d'acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que des moyens de commande d'actionneurs du circuit hydraulique. Ce circuit hydraulique fermé 2 comprend une pompe de circulation 3 du fluide et un échangeur thermique 4 parcouru par ce fluide. [0046] Le circuit hydraulique 2 comprend en outre un générateur de pulsations 5 du fluide, 7 le dispositif de contrôle étant agencé pour commander le générateur de pulsations 5 et la pompe 3 indépendamment l'un de l'autre. [0047] Le circuit hydraulique 2 comprend également un réchauffeur 8 intercalé entre la pompe 3 et l'échangeur 4, et un refroidisseur 9 qui dissipe la chaleur du circuit hydraulique 11 comprise dans le refroidisseur 9 vers un second circuit hydraulique 10 de conditionnement d'air d'un habitacle de véhicule dans lequel circule un second fluide. Dans ce cas précis, le refroidisseur 9 est aussi nommé « chiller » en terme anglais. Cc refroidisseur 9 est intercalé entre la pompe 3 et l'échangeur 4, en amont de la pompe 3 par rapport au sens de circulation du fluide hydraulique. Le réchauffeur 8 (représenté par un triangle) est par exemple une résistance électrique immergée dans le fluide hydraulique. Ce réchauffeur 8, la pompe 3, et le générateur de pulsations 5 font partie des actionneurs commandés par le calculateur. [0048] On notera que la pompe de circulation 3 est avantageusement une pompe cinétique, qui offre moins de résistance aux pulsations du générateur de pulsations 5 qu'une pompe volumétrique. Elle est avantageusement à débit variable, soit par pilotage de la vitesse de rotation de la pompe, soit par variation d'une dimension géométrique, comme le pas d'une hélice, mais ce n'est pas indispensable : cette pompe 3 peut également être pilotée en « tout ou rien », c'est-à-dire activée ou désactivée. [0049] Le circuit hydraulique 2 comprend au moins deux amortisseurs de pulsations 6, 7 du fluide hydraulique, ces deux amortisseurs de pulsations 6, 7 isolant une première partie du circuit comprenant le générateur de pulsations 5 et l'échangeur 4, d'une deuxième partie du circuit comprenant la pompe 3, mais également le réchauffeur 8 et le refroidisseur 9. Ces amortisseurs de pulsations 6, 7 sont représentés par des serpentins, symbolisant ainsi la souplesse des amortisseurs de pulsations 6, 7, relativement à la rigidité de l'ensemble des autres éléments du circuit hydraulique 2. [0050] Dans un premier exemple de réalisation, au moins un des amortisseurs 7 de pulsations est une paroi défonnable du circuit hydraulique 2, notamment une paroi en élastomère d'une conduite du circuit. [0051] Mais comme précédemment décrit, un deuxième exemple de réalisation comprend un piston coulissant dans un cylindre, ce piston ayant une première face en contact avec le fluide hydraulique, et une deuxième face poussée par un système élastique, par exemple un ressort. [0052] D'une manière générale, l'amortisseur de pulsations 7, 6 comprend un accumulateur de pression hydraulique. [0053] Le générateur de pulsations 5 est positionné de préférence en amont ou en aval de l'échangeur 4 par rapport au sens de circulation du fluide hydraulique, notamment accolé à un orifice d'entrée ou de sortie de l'échangeur 4. On comprendra par-là qu'il n'y a, dans cette première partie du circuit hydraulique 2 entre cet échangeur et le gé- 8 nérateur, aucun actionneur ou élément autre qu'une éventuelle conduite de connexion hydraulique. [0054] Le dispositif de contrôle commande la pulsation à une des fréquences de résonance propres de la totalité du circuit hydraulique 2. Dans une variante, de façon à cibler l'efficacité sur l'échangeur 4, le dispositif de contrôle commande la pulsation à une des fréquences de résonance propres d'au moins une partie du circuit hydraulique 2 comprenant l'échangeur 4. [0055] Un exemple particulier consiste à cc que le dispositif de contrôle commande la pulsation à une des fréquences de résonance propres d'une partie du circuit hydraulique 2 ne comprenant que l'échangeur 4. [0056] Le générateur de pulsations 5 est agencé pour faire varier le rapport d'amplitude de la vitesse du fluide, le dispositif de contrôle activant le générateur de pulsations Set ajustant ce rapport d'amplitude de la vitesse du fluide pour modifier la puissance thermique de l'échangeur 4. Par exemple, si le générateur de pulsations comprend un piston comme précédemment décrit, cet agencement sera un dispositif de variation de la course du piston. D'une manière générale, le générateur de pulsations 5 ayant un élément mobile en contact avec le fluide, cet agencement sera un dispositif de variation de la course de l'élément mobile. [0057] Une application particulière de cette invention est dans le domaine automobile, plus précisément les véhicule à motorisation électrique comprenant une batterie de traction : l'échangeur thermique 4 est alors plaque de refroidissement dont l'espace interne est parcouru par le fluide, et dont l'une de ses faces est en contact thermique par conduction avec un élément à refroidir, notamment un module de cette batterie de traction. Mais cette invention peut également être appliquée à tout circuit à fluide aqueux monophasique des véhicules thermiques, hybrides ou électriques, par exemple le circuit de refroidissement d'un moteur thermique, d'une boîte de vitesses, d'une transmission, d'un calculateur, d'un moteur électrique, d'un module électrotechnique comme un onduleur ou un convertisseur de courant de puissance. [0058] Le générateur de pulsations 5 est un générateur comprenant un actionneur, notamment un dispositif d'ouverture et fermeture partielle cyclique d'une section du circuit 2, comme une électrovanne, ou encore une pompe volumétrique dont la chambre est en permanence ouverte. On notera que le générateur de pulsations correspond à un amortisseur de pulsations modifié, dont l'élément déformable ou mobile est actionné par l'actionneur. [0059] L'invention porte en outre sur un procédé de contrôle d'un dispositif de refroi- dissement tel que précédemment décrit, le dispositif de contrôle comprenant des moyens d'acquisition, de traitement par instructions logicielles stockées dans une mémoire ainsi que des moyens de commande requis à la mise en oeuvre de ce procédé, 9 et le générateur de pulsations 5 étant agencé pour faire varier le rapport d'amplitude de la vitesse du fluide, cc procédé comprenant : [0060] une première étape d'acquisition d'une consigne de puissance thermique pour l'échangeur 4, cette consigne émanant par exemple d'un calculateur dc gestion de la batterie de traction, [0061] une seconde étape de choix d'un mode de fonctionnement du dispositif de refroi- dissement 1 en fonction de cette consigne de puissance et, [0062] * lorsque la consigne est inférieure à un seuil prédéterminé, le procédé commande la pompe 3 en fonction dc la consigne, [0063] * lorsque la consigne est supérieure ou égale au premier seuil, le procédé commande, en plus dc la pompe 3, le générateur de pulsations 5 à une des fréquences de résonance propres d'au moins une partie du circuit hydraulique 2 comprenant l'échangeur 4, tout en ajustant le rapport d'amplitude de la vitesse du fluide en fonction de la consigne. [0064] Dans le cas du véhicule hybride ou électrique pendant une recharge rapide (recharge sur une borne de recharge à haute puissance électrique, supérieure à 150 Kw, par exemple 350 kW), qui produit trois fois plus d'énergie thermique à dissiper qu'une recharge classique inférieure à 150 Kw, et afin de garantir le bon fonctionnement et vieillissement de la batterie, avec une architecture classique (sans l'invention) une augmentation de débit de la pompe 3 serait nécessaire pour dissiper autant d'énergie thermique. Cette augmentation de débit sera bien évidement suivie par une augmentation de perte de charge du fluide et donc de l'énergie requis pour faire écouler le fluide de refroidissement. [0065] En revanche, avec l'invention proposée, l' actionnement du générateur de pulsations 5 petmettra une amélioration des transferts thermiques dans l'échangeur 4, donc un plus haut pouvoir de dissipation d'énergie thermique, sans dégradation de la perte de charge. [0066] Le procédé est apte à adapter ce seuil prédéterminé en fonction de la situation actuelle ou prévisible du véhicule. En effet, lorsque l'itinéraire du véhicule est programmé, et que, en fonction de l'état de charge de la batterie et de la disponibilité d'une borne de recharge il est déterminé un arrêt pour une recharge, le procédé abaisse ce seuil, par exemple à zéro, pour activer le générateur de pulsations 5 et la pompe de circulation 3 de façon à abaisser le plus possible la température de la batterie, en prévision de cette recharge, et permettant ainsi de diminuer le temps de recharge nécessaire. [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7]