Brevet FR3100608A1 — publié le 20210312

La présente invention concerne un système de gestion thermique (1) pour composant électrique (101) susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement; notamment pour un module de stockage d’énergie électrique, comprenant : - au moins un logement (2) destiné à recevoir au moins un composant électrique, ledit logement (2) étant délimité par, au moins une face latérale (4) et une face de fond (5); - au moins une plaque d’échange thermique (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8) s’étendant sur au moins une partie de la surface d’une face latérale (4), ladite au moins une plaque comprenant une pluralité de canaux de fluide caloporteur positionnés parallèles entre eux et agencés de sorte que le sens de la circulation du fluide caloporteur est alterné selon une direction verticale entre une entrée de fluide (22) et une sortie de fluide (23) de ladite plaque (10); - un conduit d’arrivée (30) configuré pour alimenter en parallèle ladite au moins une plaque en fluide caloporteur et un conduit d’évacuation (31) configuré pour collecter le fluide à la sortie de ladite au moins une plaque, l’entrée principale (32) et la sortie principale (33) desdits conduits étant positionnées par rapport aux entrées (22) et sorties (23) de fluide des plaques de sorte que la longueur parcourue par le fluide caloporteur depuis l’entrée principale (32) jusqu’à la sortie principale (33) est identique pour chacune des plaques (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8). Fig. 1 Système de gestion thermique pour composant électrique La présente invention concerne un système de gestion thermique pour composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement. Le système de gestion thermique de la présente invention est particulièrement adapté pour refroidir ou chauffer un dispositif de stockage d’énergie électrique, notamment une batterie électrique destinée à équiper un véhicule automobile. Les éléments électroniques, que ce soient des cellules de stockage d’énergie électrique, circuits intégrés, serveurs, centres de données, etc nécessitent une régulation thermique afin de les maintenir dans leur plage de température de fonctionnement. Les centres de données à travers le monde représentent actuellement 10% de la consommation mondial en électricité. L’avènement des technologies “chaînes de blocs” (Blockchain) et 5G, font que ce pourcentage pourrait augmenter drastiquement dans les prochaines années. La moitié au moins de cette consommation provient des systèmes de refroidissement de ces centres de données. Actuellement la majorité des centres de données sont refroidies par air en refroidissant l’air ambiant des salles de stockage par des dispositifs de climatisation. La température de fonctionnement optimale pour les data center est comprise entre 5°C et 40°C, plus particulièrement autour de 27°C. Prenant en considération que l’air présente une conductivité très faible, afin de refroidir suffisamment les éléments électroniques, ceux-ci pouvant atteindre des températures dépassant les 60°C, la différence de température entre l’air et les éléments électroniques à refroidir doit être importante et par conséquent ce genre de dispositif est très énergivore. Dans le domaine automobile par exemple, il est connu de mettre en œuvre des batteries électriques sous forme de modules électroniques susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement Chaque module peut comporter une pluralité de cellules électronique susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement reçues dans un boîtier. Les cellules de stockage d’énergie à haute densité telles que les batteries Li-ion ou Li-polymère ont idéalement besoin de fonctionner dans une plage de température entre 20°C et 40°C, et une température trop basse impacte leur autonomie alors qu’une température trop haute impacte leur durée de vie. Il est donc nécessaire de pouvoir les réguler thermiquement que ce soit pour les refroidir ou les réchauffer. On entend par cellules unitaires, un élément électrochimique individuel muni d’une borne positive et d’une borne négative. On entend par module de batterie, un ensemble comprenant plusieurs cellules unitaires contenues dans un boîtier, les cellules étant électriquement raccordées entre elles. Pendant la phase de charge, le module ou cellules de batterie s’échauffent selon les conditions d’utilisation et il est connu de réguler la température au moyen d’échangeurs thermiques à plaques en contact avec les modules et dans lesquels sont réalisés des canaux de circulation d’un liquide de refroidissement. Une solution connue pour réguler la température de la batterie consiste à placer une plaque traversée par un fluide caloporteur sous les modules, en contact avec une seule face des modules. Cette solution de refroidissement n’est pas optimale en termes de surface d’échange thermique et n’est pas très adaptée dans l’utilisation actuelle des batteries où les constructeurs de véhicule automobile ont tendance à augmenter la puissance de charge des véhicules électriques afin de réduire autant que possible la durée de la charge. Cette charge rapide implique une augmentation de pertes thermiques du module, nécessitant un échange thermique plus important. Dans l’optique d’augmenter la surface d’échange thermique, le document US2017176108 décrit un échangeur de chaleur pour une batterie qui comprend des premier et deuxième panneaux de transport de fluide, définissant des premier et deuxième canaux d'écoulement, les premier et deuxième panneaux de transport de fluide étant agencés en définissant un angle entre eux. L'échangeur de chaleur peut également comprendre un troisième panneau de transport de fluide définissant un troisième canal d'écoulement et étant agencé en définissant un angle par rapport au deuxième panneau de transport de fluide. L'échangeur de chaleur comprend des première et seconde plaques reliées de manière étanche ensemble le long de leurs périphéries et définissant un passage d'écoulement de fluide entre leurs zones d'écoulement de fluide centrales. Problème technique La solution proposée dans le document US2017176108 n’est pas optimale en termes d’agencement structurel. En effet, l’échangeur de chaleur se présente sous la forme d’une enceinte à trois panneaux dans lequel sont reçues les cellules. Il est difficile de l’adapter à d’autres formes de batteries, notamment dans le cas où les cellules sont agencées pur former plusieurs rangées de modules. En outre, la solution telle que proposée ne permet pas par exemple de venir refroidir les cellules qui sont situées au centre de la batterie électrique. Un autre problème rencontré dans ce type de solution de refroidissement est dû au fait que la circulation du fluide n’est pas optimisée, entraînant un refroidissement inhomogène des cellules, créant ainsi un gradient thermique entre cellules, qui pourrait à terme entraîner un disfonctionnement de la batterie lié à des pertes d’intégrité de certaines cellules. Il serait donc intéressant de disposer d’un système de gestion thermique qui soit simple dans sa conception et dans son mode opératoire, adapté à refroidir une batterie quel que soit l’arrangement de cellules, avec une circulation optimisée du fluide afin de proposer une répartition en température la plus homogène possible pour chaque cellule, tout en augmentant la surface d’échange thermique et tout en garantissant une compacité de la batterie. Il est proposé un système de gestion thermique pour composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement; notamment pour un module de stockage d’énergie électrique, comprenant : - au moins un logement destiné à recevoir au moins un composant électrique, ledit logement étant délimité par, au moins une face latérale et une face de fond; - au moins une plaque d’échange thermique s’étendant sur au moins une partie de la surface de la face latérale, ladite au moins une plaque comprenant une pluralité de canaux de fluide caloporteur positionnés parallèles entre eux et agencés de sorte que le sens de la circulation du fluide caloporteur est alterné selon une direction verticale entre une entrée de fluide et une sortie de fluide de ladite plaque; - un conduit d’arrivée configuré pour alimenter en parallèle ladite au moins une plaque en fluide caloporteur et un conduit d’évacuation configuré pour collecter le fluide à la sortie de ladite au moins une plaque, lesdits conduits d’arrivée et d’évacuation comprenant respectivement une entrée principale d’arrivée et une sortie principale d’évacuation, l’entrée principale et la sortie principale étant positionnées par rapport aux entrées et sorties de fluide des plaques de sorte que la longueur parcourue par le fluide caloporteur depuis l’entrée principale jusqu’à la sortie principale est identique pour chacune des plaques. Grâce à l’agencement spécifique des canaux dans la plaque, le sens de la circulation du fluide caloporteur est alterné dans le sens de la hauteur de la plaque. Plus précisément, la circulation alterne entre un canal froid et un canal chaud dans le sens de la hauteur de la plaque. Le module est formé d’une pluralité de cellules positionnées verticalement. Chaque cellule voit, en termes thermiques, le canal froid et le canal chaud du fluide caloporteur. Ainsi, la température moyenne de l’ensemble des cellules est uniforme. Grâce à l’agencement spécifique des conduits d’alimentation et d’évacuation qui permet d’obtenir un chemin fluidique identique pour chacune des plaques, le débit du fluide caloporteur est sensiblement identique pour chacune des plaques afin de refroidir de manière homogène tous les composants électriques, et notamment tous les modules de stockage d’énergie électrique. Selon un mode de réalisation de l’invention, ladite au moins une plaque forme une surface de contact verticale avec une surface d’échange thermique verticale du composant électrique à refroidir, lorsque celui-ci est placé dans le logement. Selon un mode de réalisation de l’invention dans lequel le système de gestion thermique comprend au moins une plaque positionnée entre deux plaques d’extrémité, l’entrée principale du conduit d’arrivée est positionnée sur l’entrée de fluide de l’une des plaques d’extrémité de la rangée et la sortie principales est positionnée sur la sortie de l’autre plaque d’extrémité de la rangée. Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - lesdits conduits d’arrivée et d’évacuation sont parallèles entre eux et s’étendent transversalement par rapport aux canaux sur au moins une partie d’une face latérale transversale, - ladite au moins une plaque comprend une première série de canaux de fluide s’étendant dans un premier plan et une seconde série de canaux de fluide s’étendant dans un second plan distinct du premier plan, chacun des canaux de la première série étant en communication avec un canal voisin de la seconde série pour former une pluralité de chemins de fluide en forme de U, - ladite au moins une plaque comprend une bordure située en dehors d’une surface de contact de ladite plaque avec une surface d’échange thermique verticale du composant électrique à refroidir, ladite bordure comprenant une zone d’alimentation et une zone d’évacuation, lesdites zones d’alimentation et d’évacuation présentant une forme sensiblement allongée qui s’étend transversalement par rapport aux canaux, - ladite entrée de fluide et la sortie de fluide de ladite au moins une plaque sont disposées sur la bordure de la plaque. Selon un mode de réalisation de l’invention, la bordure de la plaque présente une forme de profil sensiblement en C afin de définir un passage pour un conduit de liaison, ledit conduit de liaison étant destiné à être connecté à la sortie principale du conduit d’évacuation ou à l’entrée principale du conduit d’arrivée de manière à placer l’entrée principale et la sortie principale d’un même côté pour être connecté à un circuit de fluide externe. Grâce à la présence du passage, il est ainsi possible de ramener les connectiques du système de gestion thermique d’un même côté afin de s’adapter aux contraintes connectiques imposées par le circuit de fluide externe et également aux contraintes packaging afin de limiter le volume d’occupation du pack batterie dans le véhicule. Selon un mode de réalisation de l’invention, ladite au moins une plaque comprend une feuille centrale interposée entre deux feuilles latérales, la feuille centrale étant pourvues de sillons sur chacune des deux faces, les trois feuilles étant assemblées ensemble pour former alternativement les canaux de la première série et les canaux de la seconde série. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l’invention dans lequel le système comprend au moins une plaque positionnée entre deux plaques d’extrémité, lesdites plaques d’extrémité étant munies chacune d’une connexion traversante et d’une connexion non traversante, ladite connexion non traversante présentant une section de passage ajustée pour réduire le débit du fluide caloporteur dans lesdites plaques d’extrémité. Une connexion traversante est une connexion qui comprend deux embouts de raccordement s’étendant de part et d’autre de la plaque au niveau de l’entrée de fluide ou de la sortie de fluide de manière à réaliser un passage fluidique au travers de la plaque et connecté à un réservoir d’alimentation de la plaque ou à un réservoir d’évacuation de la plaque. Une connexion non traversante est une connexion qui comprend un unique embout de raccordement qui s’étend à partir d’une face de la plaque pour réaliser un passage fluidique entre le réservoir d’alimentation de la plaque et un conduit d’alimentation, ou le réservoir d’évacuation de la plaque et un conduit d’évacuation. Ainsi, il est possible d’augmenter les pertes de charge au niveau des plaques d’extrémités pour adapter le débit du fluide caloporteur à la puissance thermique dissipée au niveau de ces plaques d’extrémité. En effet, les plaques d’extrémité de la rangée sont en contact avec un composant électrique à refroidir d’un seul côté. Ainsi les plaques d’extrémité vont échanger deux fois moins de puissance thermique que les plaques positionnées au centre du pack. En réduisant le débit du fluide caloporteur dans ces plaques d’extrémité, il est donc possible de conserver la température la plus homogène possible pour tous les composants électriques. Selon un mode de réalisation de l’invention, la connexion non traversante comprend un embout de raccordement fluidique s’étendant à partir d’une face de ladite plaque d’extrémité et rapporté à ladite plaque d’extrémité au niveau de l’entrée de fluide ou de la sortie de fluide, ledit embout de raccordement fluidique présentant un diamètre interne rétréci par rapport à un embout de raccordement d’une connexion traversante de manière à réduire le débit du fluide caloporteur dans ladite plaque d’extrémité. Selon un autre mode de réalisation de l’invention, la connexion non traversante comprend une déformation sur une des faces de la plaque d’extrémité opposée à la face à partir de laquelle s’étend un embout de raccordement formant l’entrée de fluide ou la sortie de fluide de la connexion non traversante, ledit enfoncement étant configuré de manière à réduire le débit du fluide caloporteur dans ladite plaque d’extrémité. Ledit enfoncement peut être une déformation seulement de la feuille latérale ne portant pas l’embout de raccordement de la connexion non traversante ou encore de cette même feuille latérale ainsi que la feuille intermédiaire. Ledit enfoncement peut être formé par exemple par emboutissage. Selon un mode de réalisation de l’invention et pour augmenter les surfaces d’échanges thermiques avec les composants électrique, le système de gestion thermique comprend en outre une plaque comprenant une pluralité de canaux de fluide caloporteur s’étendant sur au moins une partie de la surface de la face de fond pour former une surface de contact avec une surface d’échange thermique horizontale du composant électrique à refroidir, lorsque celui-ci est placé dans le logement. Selon un mode de réalisation de l’invention, le conduit d’arrivée et le conduit d’évacuation sont formés d’une pluralité de tubulures, les extrémités de chacune des tubulures étant munies d’un embout de raccordement fluidique configuré pour être connecté à un embout de raccordement fluidique d’une connexion traversante ou non traversante d’une plaque au niveau de l’entrée de fluide et de la sortie de fluide. Selon un aspect de l’invention, l’invention concerne un pack batterie équipé d’un système de gestion thermique tel que défini ci-dessus, ledit pack comprenant au moins un module de stockage d’énergie électrique reçu dans le logement. D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : Fig. 1 représente schématiquement une vue en perspective d’un pack batterie équipé d’un dispositif de refroidissement selon un mode de réalisation de l’invention ; Fig. 2 représente schématiquement une vue en perspective d’une partie du dispositif de refroidissement de la figure 1 sans les modules de stockage d’énergie électrique ; Fig. 3 représente schématiquement le sens de la circulation du fluide caloporteur dans une plaque de la figure 2; Fig. 4 représente schématiquement une vue éclatée d’une plaque de canaux de fluide caloporteur de la figure 3; Fig. 5 représente une vue agrandie en perspective d’une zone de communication entre la première série de canaux et la seconde série de canaux depuis une vue du côté de la première série de canaux ; Fig. 6 représente une vue agrandie en perspective d’une zone de communication entre la première série de canaux et la seconde série de canaux depuis une vue du côté de la seconde série de canaux ; Fig.7 représente une vue agrandie en perspective d’une zone d’alimentation des canaux de la plaque ; Fig.8 représente une vue agrandie en perspective d’une zone d’évacuation des canaux de la plaque ; Fig. 9 représente une vue agrandie de l’entrée et de la sortie de fluide d’une plaque, l’entrée et la sortie étant munies d’embouts tubulaires de raccordement ; Fig. 10 représente une vue agrandie d’une zone de connexion entre deux plaques par des tubulures, l’une des deux plaques étant une plaque d’extrémité d’une rangée ; Fig. 11 représente une vue agrandie de section d’une connexion non traversante d’une plaque d’extrémité selon un mode de réalisation de l’invention; Fig. 12A représente une vue agrandie en perspective d’une connexion non traversante d’une plaque d’extrémité selon un autre mode de réalisation de l’invention ; Fig. 12B représente une vue de section de la figure 12A. Grâce aux caractéristiques techniques décrites ci-dessus, le système de gestion thermique est particulièrement adapté pour refroidir les batteries électriques avec une puissance de charge importante destinées à équiper des véhicules électriques ou hybrides. Contrairement aux solutions proposées dans l’art antérieur, le système de gestion thermique permet une augmentation significative des surfaces d’échanges thermique entre le fluide caloporteur et les cellules avec les trois faces de refroidissement. En outre, en optimisant la circulation du fluide caloporteur et en optimisant le débit du fluide dans le système d’alimentation, le système de gestion thermique permet un refroidissement homogène pour toutes les cellules. Enfin, grâce à l’architecture spécifique du circuit d’alimentation et du circuit d’évacuation du fluide, le système de gestion thermique permet d’assurer un équilibrage des débits dans chacune des plaques de refroidissement pour obtenir un refroidissement homogène des cellules tout étant compact et simple à intégrer dans le circuit d’alimentation du fluide du véhicule. Système de gestion thermique (1) pour composant électrique (101) susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement ; notamment pour un module de stockage d’énergie électrique, comprenant : - au moins un logement (2) destiné à recevoir au moins un composant électrique, ledit logement (2) étant délimité par, au moins une face latérale (4) et une face de fond (5); - au moins une plaque d’échange thermique (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8) s’étendant sur au moins une partie de la surface de la face latérale (4), ladite au moins une plaque comprenant une pluralité de canaux de fluide caloporteur positionnés parallèles entre eux et agencés de sorte que le sens de la circulation du fluide caloporteur est alterné selon une direction verticale entre une entrée de fluide (22) et une sortie de fluide (23) de ladite plaque (10); - un conduit d’arrivée (30) configuré pour alimenter en parallèle ladite au moins une plaque en fluide caloporteur et un conduit d’évacuation (31) configuré pour collecter le fluide à la sortie de ladite au moins une plaque, lesdits conduits d’arrivée (30) et d’évacuation (31) comprenant respectivement une entrée principale d’arrivée (32) et une sortie principale d’évacuation (33), l’entrée principale (32) et la sortie principale (33) étant positionnées par rapport aux entrées (22) et sorties (23) de fluide des plaques de sorte que la longueur parcourue par le fluide caloporteur depuis l’entrée principale (32) jusqu’à la sortie principale (33) est identique pour chacune des plaques (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8). Système de gestion thermique selon la revendication 1, comprenant au moins une plaque (10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7) positionnée entre deux plaques d’extrémités (10.1, 10.8), dans lequel l’entrée principale (32) du conduit d’arrivée (30) est positionnée sur l’entrée de fluide (22) de l’une des plaques d’extrémité (10.1) de la rangée et la sortie principales (33) est positionnée sur la sortie (23) de l’autre plaque d’extrémité (10.8) de la rangée. Système de gestion thermique selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel ladite au moins une plaque (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8) comprend une première série de canaux de fluide (14.A) s’étendant dans un premier plan et une seconde série de canaux de fluide (14.B) s’étendant dans un second plan distinct du premier plan, chacun des canaux de la première série étant en communication avec un canal voisin de la seconde série pour former une pluralité de chemins de fluide en forme de U. Système de gestion thermique selon la revendication 3, dans lequel ladite au moins une plaque (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8) comprend une feuille centrale (12) interposée entre deux feuilles latérales (11, 13), chacune des deux faces (12A, 12B) de la feuille centrale étant pourvue de sillons (26, 27), les trois feuilles étant assemblées ensemble pour former alternativement les canaux (14A) de la première série et les canaux (14B) de la seconde série. Système de gestion thermique selon l’une des revendications 3 à 4, dans lequel ladite au moins une plaque comprend une bordure (18) située en dehors d’une surface de contact de ladite plaque avec une surface d’échange thermique verticale du composant électrique (101) à refroidir, ladite bordure comprenant une zone d’alimentation (15) et une zone d’évacuation (16), lesdites zones (15, 16) présentant une forme allongée qui s’étendent transversalement par rapport aux canaux (14.A, 14B). Système de gestion thermique selon l’une des revendications 2 à 5 comprenant au moins une plaque positionnée entre deux plaques d’extrémités (10.1, 10.8), dans lequel les plaques d’extrémité (10.1, 10.8) sont munies chacune d’une connexion traversante et d’une connexion non traversante, ladite connexion non traversante (25) s’étendant à partir d’une face de ladite plaque d’extrémité au niveau de l’entrée de fluide (22) ou la sortie de fluide (23) de la plaque d’extrémité, ladite connexion non traversante présentant une section de passage ajustée pour réduire le débit du fluide caloporteur dans lesdites plaques d’extrémité (10.1, 10.8). Système de gestion thermique selon la revendication 6, dans lequel ladite connexion non traversante (25) comprend un embout de raccordement fluidique (29) s’étendant partir d’une face de ladite plaque d’extrémité et rapporté à ladite plaque d’extrémité au niveau de l’entrée de fluide (22) ou de la sortie de fluide (23), ledit embout de raccordement fluidique (29) présentant un diamètre interne rétréci par rapport à un embout de raccordement fluidique d’une connexion traversante de manière à réduire le débit du fluide caloporteur dans ladite plaque d’extrémité. Système de gestion thermique selon la revendication 6, dans lequel ladite connexion non traversante (25) comprend un enfoncement (41) formée directement par emboutissage sur une des faces de la plaque d’extrémité opposée à la face à partir de laquelle s’étend un embout de raccordement (29) au niveau de l’entrée de fluide (22) ou de la sortie de fluide (23) de la plaque d’extrémité, ledit enfoncement (41) étant configuré de manière à réduire le débit du fluide caloporteur dans ladite plaque d’extrémité. Système de gestion thermique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le conduit d’alimentation (30) et le conduit d’évacuation (31) sont formés d’une pluralité de tubulures (35, 36), les extrémités de chacune des tubulures étant munies d’un embout de raccordement fluidique (37) configuré pour être connecté à un embout de raccordement d’une connexion traversante ou non traversante (24.1, 24.2, 24.3, 24.4, 25.2, 25.3) de la plaque au niveau de l’entrée de fluide et de la sortie de fluide. Pack batterie (100) équipé d’un système de gestion thermique selon l’une des revendications 1 à 9, ledit pack comprenant au moins un module de stockage d’énergie électrique (101) reçu dans le logement (2).