Brevet FR3089689A1 — publié le 20200612

Description Titre de l'invention : BATTERIE MODULAIRE COMPRENANT UN SYSTEME DE CONDITIONNEMENT THERMIQUE Domaine technique [0001] La présente invention concerne une batterie modulaire comprenant un système de conditionnement thermique. Technique antérieure [0002] Une batterie modulaire comprend un ou plusieurs modules de batterie connectés entre eux. Chaque module de batterie comprend un assemblage d'accumulateurs électriques connectés entre eux par des éléments de connexion électrique. [0003] Pour une batterie de type lithium-ion, l'enjeu est de maintenir les accumulateurs électriques dans une plage de température aussi proche que possible de 25°C (par exemple entre 15 et 35°C), quelle que soit la température extérieure (celle-ci étant typiquement comprise entre -30°C et 50°C). [0004] La batterie comprend donc un système de conditionnement thermique des accu- mulateurs électriques qui permet de refroidir ou de réchauffer les accumulateurs électriques afin d'améliorer les performances et la durée de vie de la batterie, selon la température extérieure à la batterie. [0005] Il existe des systèmes de conditionnement thermique pal- air, par eau glycolée ou par un fluide diélectrique. [0006] Lorsque le fluide caloporteur est de l'air, il présente l'avantage d'être plus léger mais il procure un échange thermique moins bon. Il est donc nécessaire de diminuer fortement la température de l'air et de générer des débits importants pour permettre un refroidissement correct des accumulateurs. Par ailleurs, le fait que l'air présente une très faible inertie thermique impose de dimensionner le refroidissement pour les pics de puissance. Enfin, si l'air n'est pas utilisé en vase clos, il convient de soigneusement le filtrer pour éviter toute entrée de poussières, qui peuvent nettement diminuer la tenue diélectrique de la batterie. [0007] L'eau glycolée est le fluide caloporteur le plus utilisé. Par rapport à l'air, l'eau glycolée procure une meilleure extraction de la chaleur mais nécessite d'isoler électriquement les cellules lithium-ions du fluide de refroidissement. Sauf à utiliser des matériaux électriquement isolants onéreux tels qu'une pâte thermique (« thermal pad » selon la terminologie anglo-saxonne) ou un gel d'encapsulation comprenant un additif thermiquement conducteur, un écart de température élevé est nécessaire entre les accumulateurs électriques et le fluide caloporteur. [0008] Un fluide caloporteur diélectrique à changement de phase peut être mis en contact 2 direct des accumulateurs électriques. Cela permet un meilleur échange thermique avec les accumulateurs (qu'il s'agisse d'un apport ou d'une extraction de calories). Par conséquent, un débit faible est suffisant et l'écart de température entre les accumulateurs et le fluide caloporteur est réduit. Par ailleurs, du fait de l'inertie thermique du fluide caloporteur, le dimensionnement du refroidissement peut être basé sur la puissance moyenne nécessaire en utilisation. Cependant, la gestion de l'expansion volumique du fluide caloporteur lors de son changement de phase est complexe. De plus, de par leur composition, les fluides diélectriques à changement de phase posent des problèmes de pollution et de toxicité, se traduisant notamment par un potentiel de réchauffement global élevé. [0009] Le chauffage est quant à lui généralement réalisé par de simples résistances chauffantes. Dans un système équipé de climatisation réversible, il est également possible d'utiliser ledit système en mode chauffage. Exposé de l'invention [0010] Un but de l'invention est dc remédier aux inconvénients des solutions précitées et en particulier de concevoir un système dc conditionnement d'une batterie qui remplisse les conditions suivantes : - permettre de maintenir les accumulateurs entre 15 et 35°C pour une température extérieure comprise entre -30 et 50°C ; - impliquer une consommation électrique sur la batterie la plus faible possible ; - présenter un volume limité ; - être résistant aux chocs et aux vibrations. [0011] A cet effet, l'invention propose une batterie comprenant un empilement d'au moins deux modules de batterie dans lequel sont agencés des accumulateurs électriques et un système de conditionnement thermique, ladite batterie étant caractérisée en cc que le système de conditionnement thermique comprend : un boîtier comprenant un orifice d'entrée et un orifice de sortie d'un liquide caloporteur et un dispositif de chauffage/refroidissement du liquide caloporteur, ledit boîtier étant agencé à une première extrémité de l'empilement contre un module de batterie, un circuit d'un liquide caloporteur diélectrique, ledit circuit étant agencé de sorte à faire circuler le liquide caloporteur diélectrique dans le boîtier entre l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie pour le conditionner thermiquement puis à faire circuler ledit liquide diélectrique conditionné au travers de l'empilement, directement au contact des accumulateurs dans chaque module. [0012] Selon un mode de réalisation, le boîtier du système de conditionnement thermique comprend : 3 un échangeur de chaleur agencé en regard des orifices d'entrée et de sortie et/ou un module de refroidissement thermoélectrique présentant une face froide en regard de l'échangeur de chaleur, un mécanisme d'évacuation de la chaleur agencé en regard d'une face chaude du module de refroidissement thermoélectrique, un dispositif de dissipation de la chaleur en regard du mécanisme d'évacuation de la chaleur. [0013] Selon un mode de réalisation, le système de conditionnement thermique comprend en outre au moins une résistance chauffante agencée dans le boîtier pour réchauffer le liquide caloporteur. [0014] De manière particulièrement avantageuse, l'orifice d'entrée et l'orifice de sortie sont agencés sur une même face du boîtier, ladite face étant accolée à une face du module de batterie adjacent. [0015] Chaque module comprend avantageusement : un canal traversant pour conduire le liquide caloporteur d'une seconde extrémité de l'empilement opposée à la première extrémité vers le boîtier du système de conditionnement thermique, un conduit de répartition du liquide caloporteur, et un conduit de refoulement du liquide caloporteur, en liaison fluidique avec le conduit de répartition au travers d'un volume contenant les accumulateurs, dans lequel le canal traversant de chaque module est en liaison fluidique avec le canal traversant de chaque module adjacent et avec l'orifice d'entrée du boîtier du système de conditionnement thermique, le conduit de répartition de chaque module est en liaison fluidique avec le conduit de répartition de chaque module adjacent et avec l'orifice de sortie du boîtier du système de conditionnement thermique, et le conduit de refoulement de chaque module est en liaison fluidique avec le conduit de refoulement de chaque module adjacent. [0016] La batterie comprend alors en outre deux raccords de liaison à un réservoir et une pompe de circulation pour le liquide caloporteur, lesdits raccords étant agencés à la seconde extrémité de l'empilement de modules, un premier raccord étant en liaison fluidique avec le canal traversant des modules et un second raccord étant en liaison fluidique avec le conduit de refoulement des modules. [0017] De manière particulièrement avantageuse, la batterie comprend en outre au moins un capteur de température adapté pour mesurer une température à l'extérieur de la batterie, un capteur de température adapté pour mesurer une température à l'intérieur de chaque module et un capteur de température adapté pour mesurer une température du liquide caloporteur. [0018] Par ailleurs, la batterie comprend avantageusement un système de régulation thermique couplé auxdits capteurs de température et configuré pour activer sélectivement le système de conditionnement thermique de sorte à refroidir le liquide caloporteur diélectrique uniquement dans une ou plusieurs des situations suivantes : une opération de charge de la batterie, une augmentation de la température des accumulateurs au-delà d'une température maximale déterminée, et une diminution de la température extérieure à la batterie sous la température du liquide caloporteur. [0019] De manière particulièrement avantageuse, le système de régulation thermique est configuré pour activer sélectivement le système de conditionnement thermique de sorte à réchauffer le liquide caloporteur diélectrique uniquement dans une ou plusieurs des situations suivantes : une opération de charge de la batterie, et une diminution de la température des accumulateurs en-deçà d'une température minimale déterminée. [0020] Selon une forme d'exécution, le système de régulation thermique est configuré pour activer le module de refroidissement thermoélectrique en mode réversible pour réchauffer le liquide caloporteur diélectrique. [0021] Selon une autre forme d'exécution, le système de régulation thermique est configuré pour activer ladite résistance chauffante pour réchauffer le liquide caloporteur diélectrique. [0022] Un autre objet de l'invention concerne un véhicule comprenant une telle batterie. [0023] Enfin, un autre objet de l'invention concerne un procédé de conditionnement thermique de ladite batterie. Ce procédé comprend l'activation du système de conditionnement thermique uniquement dans une ou plusieurs des situations suivantes : une opération de charge de la batterie, une augmentation de la température des accumulateurs au-delà d'une température maximale déterminée, une diminution de la température des accumulateurs en-deçà d'une température minimale déterminée, et une diminution de la température extérieure à la batterie sous la température du liquide caloporteur. Brève description des dessins [0024] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés sur lesquels : [0025] [fig.1] est un schéma de principe de la circulation du liquide caloporteur dans une batterie selon l'invention ; [0026] [fig.2] est une vue en perspective d'une batterie selon un mode de réalisation de l' invention ; [0027] [fig.3] est une autre vue en perspective de la batterie de la figure 2 ; [0028] [fig.4] est une vue éclatée du boîtier du système de conditionnement thermique comprenant un module de refroidissement thermoélectrique selon un mode de réalisation de l'invention ; [0029] [fig.5] est un graphe représentant la puissance calorifique extraite par le module de refroidissement thermoélectrique en fonction du courant électrique fourni pour différents écarts de température entre la face chaude et la face froide dudit module. [0030] Les signes de référence identiques d'une figure à l'autre désignent des éléments identiques ou remplissant la même fonction. [0031] DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION [0032] La figure 1 est un schéma de principe du système de conditionnement thermique selon l'invention. [0033] La batterie comprend une pluralité de modules 1 empilés, qui contiennent chacun des accumulateurs. Les modules sont en liaison fluidique les uns avec les autres pour la circulation d'un liquide caloporteur diélectrique destiné à conditionner thermiquement (c'est-à-dire refroidir ou réchauffer) les accumulateurs agencés dans chaque module. [0034] Le liquide caloporteur diélectrique peut être choisi dans le groupe comprenant une huile synthétique et une huile poly-alpha-oléfine, un ester naturel ou synthétique, une huile minérale de transformateur électrique ou tout autre liquide avec une rigidité diélectrique permettant d'isoler les accumulateurs les uns des autres en toute circonstance d'utilisation du système. A titre d'exemple non limitatif, le liquide diélectrique caloporteur est choisi dans le groupe comprenant le perfluorohexane, le perfluorométhylcyclohexane, le perfluoro-1,3-diméthylcyclohexane, le perfluorodécaline, le perfluorométhyldécaline, le trichlorofluorométhane, le trichlorotrifluoroéthane, le méthanol et l'éthanol. [0035] Un avantage d'un tel liquide diélectrique est qu'il peut être mis en contact direct avec les accumulateurs. Dans la mesure où il offre un très bon échange de chaleur avec les accumulateurs - surtout avec ceux de faible diamètre - il n'est pas nécessaire d'imposer un écart important de température entre le liquide caloporteur et les accumulateurs. [0036] Un autre avantage, par rapport aux fluides diélectriques à changement de phase précités, est que le liquide diélectrique reste en phase liquide, ce qui simplifie notablement le fonctionnement du système de conditionnement thermique. Par ailleurs, un tel liquide n'engendre pas de risque notable pour l'environnement. [0037] Enfin, le système présente une bonne inertie thermique du fait de la capacité 6 thermique élevée de l'ensemble accumulateurs-liquide diélectrique. A titre indicatif, la capacité thermique massique des accumulateurs lithium-ions est de l'ordre de 1000 il (kg.K) tandis que celle du liquide diélectrique est de l'ordre de 2000 J/(kg.K). [0038] Le système de conditionnement thermique comprend un boîtier 4 agencé à une extrémité de l'empilement. Sur les figures 1 à 3, le boîtier 4 est représenté à distance de l'empilement de modules, mais, après assemblage, le boîtier est agencé contre le module situé à l'extrémité de l'empilement. [0039] Le boîtier 4 comprend un orifice 40 d'entrée et un orifice 41 de sortie pour le liquide diélectrique. Le boîtier 4 comprend des composants aptes à réchauffer ou à refroidir le liquide caloporteur à une température déterminée lorsque celui-ci circule de l'orifice d'entrée à l'orifice de sortie. [0040] Le circuit de liquide caloporteur est agencé dans les modules et dans le boîtier selon le schéma de la figure 1. [0041] Le liquide caloporteur entre et sort de la batterie par l'extrémité de l'empilement de modules opposée au boîtier 4. A cet effet, la batterie comprend, à cette extrémité, un raccord d'entrée 20 adapté pour être relié à un réservoir de liquide caloporteur (non représenté), lui-même couplé à une pompe (non représentée) permettant de faire circuler le liquide dans le circuit, et un raccord de sortie 21 adapté pour être relié audit réservoir pour le retour du liquide après son passage le long des accumulateurs. [0042] Le raccord d'entrée 20 est en liaison fluidique avec un canal traversant A agencé sur un côté de chaque module 1. Le canal traversant A s'étend donc sur toute la longueur de l'empilement, du raccord d'entrée 20 jusqu'à l'orifice d'entrée 40 du boîtier 4. Dans chaque module, le canal traversant est séparé du reste du volume du module et ne communique donc pas avec le volume intérieur du module contenant les accumulateurs. [0043] Par ailleurs, un conduit B de répartition du liquide caloporteur est agencé dans chaque module, sur toute la longueur de l'empilement, en liaison fluidique avec l'orifice de sortie 41 du boîtier 4. Le conduit B s'étend sensiblement parallèlement au canal A, du même côté de l'empilement. [0044] Enfin, un conduit C de refoulement du liquide caloporteur s'étend dans chaque module, sur toute la longueur de l'empilement, et débouche dans le raccord de sortie 21. Le conduit C s'étend sensiblement parallèlement au conduit B, du côté opposé de l'empilement par rapport au volume intérieur des modules contenant les accumulateurs. Contrairement au canal traversant A, les conduits B et C sont en liaison fluidique avec le volume intérieur de chaque module, de sorte qu'une partie du liquide entrant dans chaque module par le conduit B s'écoule dans ledit volume intérieur, baigne les accumulateurs et ressort du module par le conduit C. [0045] En d'autres termes, le circuit de liquide caloporteur au sein de la batterie est le 7 suivant : - entrée dans le canal traversant A par le raccord d'entrée 20, [0046] - entrée dans le boîtier 4 par l'orifice d'entrée 40, - circulation dans le boîtier 4, conditionnement thermique et sortie du boîtier par l'orifice de sortie 41 qui communique avec le conduit de distribution B, - circulation dans le conduit de distribution B, dans lequel une partie du liquide caloporteur conditionné thermiquement s'écoule dans le volume intérieur du module au contact des accumulateurs, et une autre partie dudit liquide caloporteur conditionné thermiquement est acheminé dans le module adjacent situé en aval, - le liquide caloporteur ayant baigné les accumulateurs est collecté par le conduit de refoulement C, et acheminé vers le raccord de sortie 21. [0047] Comme on le voit clairement sur la figure 1, le boîtier dans lequel est assuré le condi- tionnement thermique du liquide caloporteur est agencé au plus près des modules de batterie. Ainsi, le circuit de liquide caloporteur est entièrement intégré dans l'empilement de modules et le boîtier, cc qui permet de minimiser les pertes thermiques. [0048] Un autre avantage de ce système de conditionnement thermique est qu'il est particu- lièrement robuste puisqu'il n'est soumis ni à des risques de casse de pièces mécaniques en mouvement, ni à des risque de fuites de gaz. [0049] Enfin, le volume nécessaire pour implanter les composants permettant de conditionner thermiquement le liquide est relativement réduit, de sorte que l'encombrement du boîtier vis-à-vis de la batterie est faible. [0050] Les figures 2 et 3 sont des vues en perspective d'une batterie modulaire comprenant un système de conditionnement thermique selon un mode de réalisation de l'invention. [0051] De part et d'autre de l'empilement sont agencées deux équerres 2 qui permettent en particulier de fixer la batterie au châssis d'un véhicule ou engin. [0052] Les modules sont maintenus empilés les uns sur les autres par des tirants 3 qui passent au travers de l'ensemble des modules 1 et des équerres 2. [0053] Chaque module est en liaison fluidique avec le(s) module(s) adjacents pour la cir- culation du liquide caloporteur diélectrique. A cet effet, chaque module présente, sur chacune de ses faces destinées à être accolées à un autre module, un orifice d'entrée, respectivement de sortie du canal traversant A, un orifice de sortie, respectivement d'entrée, du conduit de distribution B (ces orifices étant de préférence sur un même côté du module) et un orifice de sortie, respectivement d'entrée, du conduit de refoulement C, agencés du côté du module opposé au canal A.. Les orifices sont agencés de telle sorte que le canal A et les conduits B et C s'étendent parallèlement à l'axe longitudinal de l'empilement de modules. [0054] Le boîtier 4 du système de conditionnement thermique est agencé à l'extrémité de 8 l'empilement opposée aux raccords 20, 21 d'entrée et de sortie du liquide caloporteur dans la batterie. L'équerre 2 étant interposée entre le boîtier et le module adjacent, elle est pourvue de deux orifices 10, 11 agencés en regard des orifices 40, 41 du boîtier d'une part et du canal traversant A et du conduit de distribution B d'autre part. [0055] La figure 4 est une vue éclatée du boîtier 4 du système de conditionnement thermique. [0056] L'enveloppe du boîtier 4 est constituée d'une plaque froide 12 dans laquelle sont agencés les orifices 40, 41 d'entrée et de sortie du liquide caloporteur, et d'une tôle de protection 17 comprenant des perforations 170 pour l'évacuation de la chaleur. La plaque froide 12 et la tôle de protection 17 forment une enceinte fermée dans laquelle sont agencés les autres composants de conditionnement thermique. [0057] Le boîtier contient en particulier un module de refroidissement thermoélectrique comprenant une pluralité de modules Peltier 14, dont la face froide est agencée en regard de la plaque froide 12 (laquelle joue également le rôle d'échangeur de chaleur). Le module thermoélectrique est monté sur la plaque froide 12 par une pièce intermédiaire 13 en forme de cadre. [0058] Du côté de la face chaude du module thermoélectrique sont agencés un mécanisme d'évacuation de la chaleur (par exemple un ventilateur 15) et un dispositif 16 de dissipation de la chaleur en regard du ventilateur. Le dispositif 16 peut être par exemple un dissipateur à ailettes ou à picots. [0059] L'homme du métier est à même de choisir les composants adaptés et concevoir leur agencement en fonction des contraintes de performances et d'encombrement fixées pour le système de conditionnement thermique. [0060] Des joints d'étanchéité 42 sont agencés autour des orifices 40, 41 pour assurer l'étanchéité fluidique avec l'empilement de modules 1. De manière avantageuse, la plaque froide 12 est plaquée directement contre l'équerre 2, les orifices 40, 41 étant en regard des orifices 10, 11 ménagés dans l'équerre 2 qui débouchent respectivement dans le canal traversant A et dans le conduit de répartition B. [0061] Tant l'échangeur de chaleur que le module de refroidissement thermoélectrique sont des systèmes de faible puissance. Ils peuvent éventuellement utilisés seuls et non combinés comme dans le mode de réalisation de la figure 4. [0062] Le fonctionnement du système de conditionnement thermique est le suivant. [0063] La batterie est équipée d'un ou plusieurs capteurs de température. De manière avantageuse, au moins un capteur est agencé de sorte à mesurer la température à l'extérieur de la batterie (dite température ambiante). Ce capteur peut éventuellement être déporté, c'est-à-dire non fixé directement sur la batterie mais en une zone adéquate du châssis du véhicule. Chaque module est par ailleurs équipé d'un capteur adapté pour mesurer la température à l'intérieur dudit module, au niveau des accumulateurs. Enfin, 9 le circuit de liquide caloporteur est pourvu d'au moins un capteur adapté pour mesurer la température du liquide. [0064] Lesdits capteurs sont couplés à un système de régulation thermique qui est configure pour activer sélectivement le système de conditionnement thermique en fonction des données de mesure des capteurs. [0065] Le système de conditionnement thermique comprend un mode de refroidissement et un mode de réchauffage. Comme indiqué plus haut, le système de conditionnement thermique est piloté pour maintenir les accumulateurs électriques dans une plage de température aussi proche que possible de 25°C (par exemple entre 15 et 35'C), quelle que soit la température extérieure. [0066] Le mode de refroidissement est mis en oeuvre typiquement lorsque la température des accumulateurs excède une température maximale déterminée, ou lorsque la température ambiante devient inférieure à la température du liquide caloporteur. Par exemple, dans le cas où le refroidissement est assuré par un échangeur de chaleur, la détection d'une température ambiante inférieure à la température de liquide caloporteur (ce qui se produit souvent pendant la nuit) déclenche la circulation du liquide et son passage à travers l'échangeur de chaleur qui est dimensionné pour refroidir le liquide à une température au plus 5°C au-dessus de la température ambiante. Dans le cas où le refroidissement est assuré par un module thermoélectrique, les modules Peltier qui le composent sont dimensionnés pour, par exemple pour une température ambiante de 30°C, maintenir une température des accumulateurs de l'ordre de 25°C ; la température du côté froid est alors de l'ordre de 20°C et celle du côté chaud est de l'ordre de 40°C. [0067] Le mode de réchauffage est mis en oeuvre typiquement lorsque la température des ac- cumulateurs devient inférieure à une température minimale déterminée. [0068] Le module de refroidissement thermoélectrique étant réversible, le mode de ré- chauffage peut être activé par le système de régulation en commandant une inversion du fonctionnement du module de refroidissement thermoélectrique. [0069] De manière alternative, si le boîtier du système de conditionnement thermique comprend une résistance chauffante, le passage du mode de refroidissement au mode de réchauffage est réalisé en arrêtant le module de refroidissement thermoélectrique et en activant la résistance chauffante de sorte à chauffer le liquide caloporteur. [0070] De préférence, le système de régulation thermique est configuré pour enclencher le mode de réchauffage ou de refroidissement pendant une opération de charge de la batterie. [0071] Ainsi, l'énergie consommée pour le réchauffage du liquide caloporteur provient du réseau électrique auquel est connectée à la batterie pendant sa charge, et non de la batterie elle-même. [0072] En outre, l'énergie fournie au système de conditionnement thermique en-dehors des périodes de charge est limitée à un simple maintien en température qui, compte tenu de l'inertie thermique du système, requiert peu d'énergie électrique. [0073] Enfin, dans le cas d'un maintien en température, l'écart de température entre les deux côtés du module thermoélectrique est minimisé, cc qui est favorable à son rendement. La figure 5 illustre en effet l'évolution du coefficient de performance (COP) en fonction de l'intensité T du courant électrique fourni au module thermoélectrique pour différents écarts de température (DeltaT). On observe ainsi que ce sont les écarts de 10 et 20°C qui procurent le meilleur coefficient de performance. [0074] Grâce à cette stratégie de régulation de la température, r autonomic de la batterie est préservée. 11