INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Selon une autre caractéristique de l’invention, le maintien de la deuxième pression au cours de la quatrième étape est réalisé en avançant le piston, c'est à dire en augmentant l’effort généré par le piston sur le liquide diélectrique. Le maintien de la deuxième pression au cours de la quatrième étape est réalisé par le piston qui comprime le liquide diélectrique au fur et à mesure que la cellule se décharge et que son volume diminue.
On note que la première pression est supérieure à la deuxième pression, dans cet exemple.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le déplacement du moyen de mise en pression étant placé sous la dépendance de la pression détectée par l’organe de détection.
L’organe de détection de la pression peut être assimilé à un capteur de pression, l’information de pression dans le circuit étant envoyée à un calculateur qui pilote la modification de position du piston afin de réguler la pression, en réponse à la charge ou à la décharge de la cellule.
Selon une autre caractéristique de l’invention, préalablement à l’une quelconque de la première à la quatrième étape, on met en œuvre une étape de tirage au vide du circuit.
Le tirage à vide est réalisé afin de réduire un maximum la présence de gaz dans le circuit.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le circuit est entièrement rempli de liquide diélectrique. On comprend ici, qu’en fonctionnement normal, il n’y a pas de portion du circuit en contact avec d’autres fluides que le liquide diélectrique.
Selon une autre caractéristique de l’invention, préalablement à la première étape, le moyen de mise en pression amène le liquide diélectrique de la pression atmosphérique à une pression correspondant à un état de charge de la cellule de batterie, par exemple la première pression, la deuxième pression ou tout autre pression.
Lors de la première mise en service ou lors d’une intervention sur le système de refroidissement, le circuit est rempli de liquide diélectrique et est fermé hermétiquement, à pression atmosphérique. Par la suite, un premier déplacement du moyen de mise en pression amène le liquide diélectrique à la pression qui convient au niveau de charge de la batterie.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le système de refroidissement comprend au moins un échangeur de chaleur configuré pour décharger les calories présentes dans le liquide diélectrique vers un environnement extérieur.
Le moyen de mise en circulation peut être assimilé à une pompe permettant la mise en circulation du fluide diélectrique au sein du circuit, en réalisant cette mise en circulation la pompe vainc ainsi les pertes de charges hydrauliques du système de refroidissement et aide à maintenir le système à pression constante. Les pertes de charges hydrauliques du système sont d’environ 0.5 bar. C’est le moyen de mise en pression qui élève la pression statique dans le circuit à une valeur approximativement égale à 3.5 bars. Ces valeurs de pression sont données à titre d’exemple mais elles sont révélatrices des proportions. La pompe peut donc être réduite en taille et en poids, et également réduire sa consommation comparativement à un système de l’art antérieur, et par conséquent améliorer l’autonomie électrique du véhicule électrique.
L’échangeur de chaleur fait partie du circuit et il permet d’évacuer vers un environnement extérieur les calories accumulées dans le liquide diélectrique, ces dernières provenant de l’échauffement des cellules de batterie.
L’invention vise également un système de refroidissement d’au moins une cellule de batterie d’un véhicule au moins en partie à propulsion électrique, le système de refroidissement comprenant un circuit entièrement rempli du liquide diélectrique et dans lequel ce liquide diélectrique circule, la cellule de batterie étant immergée dans le liquide diélectrique, le système de refroidissement comprenant au moins un moyen de mise en pression du liquide diélectrique au sein du circuit, un moyen de mise en circulation dudit liquide diélectrique au sein du circuit, un organe de détection de la pression du liquide diélectrique au sein du circuit ainsi qu’un échangeur de chaleur configuré pour décharger les calories présentes dans le liquide diélectrique vers un environnement extérieur, caractérisé en ce que le moyen de mise en circulation assure la circulation du liquide diélectrique dans le circuit tandis que le moyen de mise en pression maintient le liquide diélectrique au-dessus de la pression atmosphérique.
Pour ce faire, la bride de stockage 35 comporte une cloison 87, fermant l’ouverture de stockage 39. L’orifice d’obturation 67 est ménagé dans la cloison 87.
La cloison 87 présente une faible épaisseur au regard de l’épaisseur de la bride de stockage 35. Elle s’étend sur toute la surface de l’ouverture de stockage 39.
Dans l’exemple représenté, elle ferme l’ouverture de stockage 39 vers la coupelle 49. En d’autres termes, la cloison 87 s’étend au niveau de la surface de la bride de stockage 35 tournée vers la coupelle 49.
L’orifice d’obturation 67 est ménagé dans le prolongement de la tige 75 suivant l’axe C.
Le bord de l’orifice d’obturation 67 est avantageusement en portion de tore. En alternative, le bord de l’orifice d’obturation 67 est en portion de sphère.
Il est obtenu par usinage, ou frappe, ou forgeage, ou tout autre moyen.
La portion de tore ou de sphère est concave vers l’échangeur de chaleur 5 et convexe vers la coupelle 49.
L’organe d’obturation 71 est directement fixé à une extrémité distale 88 de la tige 75.
Il présente, vers l’orifice d’obturation 67, une surface 89 de forme tronconique. Cette surface 89 est en appui linéique contre le bord de l’orifice d’obturation 67.
On entend par là que le bord de l’orifice d’obturation 67 en portion de tore et la surface 89 sont en contact sur un cercle (la portion commune entre l’orifice d’obturation 67 et la surface 89 est définie par un cercle, appelé appui linéique).
En variante, le bord de l’orifice d’obturation 67 a une forme tronconique, et la surface 89 a la forme d’une portion de tore ou de sphère.
Selon d’autres variantes, le bord de l’orifice d’obturation 67 et la surface 89 ont tous deux des formes en portion de tore ou de sphère.
Les angles de cônes sont typiquement compris entre 20° et 80°.
Les portions de tore ou de sphère ont typiquement un rayon compris entre 2 et 10 millimètres.
La surface 89 est typiquement revêtue d’une couche de plastique telle que du PTFE, du CPTFE, ou du PEEK, capable de travailler à une température de 20 K.
Avantageusement, l’un de l’extrémité distale 88 de la tige 75 et de l’organe d’obturation 71 présente un logement en creux 90, l’autre de l’extrémité distale 88 de la tige 75 et de l’organe d’obturation 71 présentant un élément d’accrochage 91 engagé avec un jeu dans le logement en creux 90.
la est une vue éclatée en perspective d’un détail du sous-module de batterie représenté sur la ;
la est une vue en perspective d’un cadre porteur formant partie du sous-module de batterie représenté sur la ;
la est une vue éclatée en perspective d’un détail d’un sous-module de batterie selon un second mode de réalisation.
Description détaillée Sur toutes les figures, les mêmes références se rapportent aux mêmes éléments.
Dans cette description détaillée, les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, cela ne signifie pas que les caractéristiques s’appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées et/ou interchangées pour fournir d’autres réalisations.
La représente schématiquement un véhicule automobile 1 comprenant un ensemble batterie 3 et une plaque de refroidissement 5. Dans cet exemple, le véhicule automobile 1 est un véhicule électrique à batterie et comporte ainsi un moteur électrique 7 configuré pour entraîner le déplacement du véhicule automobile 1.
L’ensemble batterie 3 comprend plusieurs modules de batterie 9. Plus précisément, dans cet exemple, l’ensemble batterie 3 comprend plusieurs rangées de modules de batterie 9, de préférence deux rangées de quatre modules de batterie 9 comme représenté sur la . Chaque module de batterie 9 de l’ensemble batterie 3 est configuré pour transférer de la chaleur à la plaque de refroidissement 5.
Comme représenté notamment sur la , un module de batterie 9 comprend plusieurs sous-modules de batterie 11. Les sous-modules de batterie 11 sont empilés selon un axe d’empilement E de sorte à former une rangée de sous-modules de batterie 11. Dans cet exemple, le module de batterie 9 comprend huit sous-modules de batterie 11, et les sous-modules de batterie 11 formant la rangée de sous-module de batterie 11 sont identiques. Le module de batterie 9 comprend une plaque de fixation 13a, 13b à chaque extrémité de la rangée de sous-modules de batterie 11.
Les plaques de fixation 13a, 13b sont formées en matériau plastique renforcé, de préférence renforcé par des fibres, ou sont formées en métal, de préférence en aluminium.
Les plaques de fixation 13a, 13b sont reliées entre elles par des moyens de compression axiale 15 selon l’axe d’empilement E, les moyens de compression axiale 15 comprimant axialement la rangée de sous-modules de batterie 11. Les moyens de compression axiale 15 comprennent au moins une tige filetée 17. Plus précisément dans cet exemple, comme représenté sur la , les moyens de compression axiale 15 comprennent quatre tiges filetées 17.
Chaque tige filetée 17 s’étend selon l’axe d’empilement E et comprend une extrémité filetée 19 de liaison avec l’une des deux plaques de fixation 13a, 13b et une tête d’appui 21 sur l’autre des deux plaques de fixation 13a, 13b, afin de permettre de réaliser une compression axiale selon l’axe d’empilement E. Parmi ces deux plaques de fixation 13a, 13b, l’une comporte un trou de passage 23 pour la tige filetée 17, l’autre comporte un trou de liaison 25 dans lequel est engagée l’extrémité filetée 19. La tête d’appui 21 se trouve en appui autour du trou de passage 23.
Comme représenté notamment sur la , un sous-module de batterie 11 comporte un empilement cellulaire comprenant, empilées selon l’axe d’empilement E :
- une première cellule de batterie 27 sous forme de poche,
- une deuxième cellule de batterie 29 sous forme de poche, et
- une couche de matériau compressible 31, intercalée entre la première cellule de batterie 27 et la deuxième cellule de batterie 29.
Le sous-module de batterie 11 comporte également un cadre porteur 33 en matériau plastique, représenté notamment sur les figures 3 et 5. Comme représenté sur la , le cadre porteur 33 entoure au moins partiellement la première cellule de batterie 27, la couche de matériau compressible 31 et la deuxième cellule de batterie 29. Dans cet exemple, le cadre porteur 33, la première cellule de batterie 27 et la deuxième cellule de batterie 29 sont de forme rectangulaire. Le cadre porteur 33 est composé d’un matériau thermoplastique, et est réalisé par injection moulage.
Le second côté 19 de l’échangeur de chaleur 5 comporte une enveloppe 31, dans laquelle circule le fluide caloporteur.
L’entrée 27 et la sortie 29 de fluide caloporteur débouchent à l’intérieur de l’enveloppe 31.
Le premier côté 17 de l’échangeur de chaleur 5 comporte une pluralité de tubes 33 de circulation de fluide cryogénique, logés dans l’enveloppe 31.
L’entrée de fluide cryogénique 21 constitue un collecteur distribuant le fluide cryogénique dans les différents tubes 33.
Les tubes 33 par ailleurs débouchent dans un collecteur de sortie non représenté, raccordé fluidiquement à la sortie de fluide cryogénique 25.
La sortie de fluide cryogénique 25 est raccordée fluidiquement à l’utilisateur final, par exemple à la pile à combustible.
Comme visible sur les figures 1 et 2, l’unité de stockage de fluide cryogénique 3 comporte une bride de stockage 35, fixée au réservoir externe 11.
L’échangeur de chaleur 5 est situé à l’extérieur du réservoir externe 11. Il comporte une bride d’échangeur de chaleur 37, fixée à la bride de stockage 35.
Ainsi, l’échangeur de chaleur 5 est fixé au réservoir externe 11 par l’intermédiaire des brides d’échangeur de chaleur 37 et de stockage 35.
La bride de stockage 35 présente une ouverture centrale de stockage 39.
La bride d’échangeur de chaleur 37 présente une ouverture centrale d’échangeur de chaleur 41, placée en coïncidence avec l’ouverture centrale de stockage 39.
Dans l’exemple représenté, l’enveloppe 31 de l’échangeur de chaleur 5 comprend une plaque trouée 43, engagée dans l’ouverture d’échangeur de chaleur 41. La plaque trouée 43 présente un fond troué 45, entouré par un bord tombé 47. Le bord tombé 47 est plaqué contre le bord de l’ouverture d’échangeur de chaleur 41, et rigidement fixé à ce bord de manière étanche. Les extrémités amont des tubes de circulation de fluide cryogénique 33 sont engagées et rigidement fixées chacune dans un trou du fond troué 45.
L’ouverture d’échangeur de chaleur 41 constitue dans l’exemple représenté l’entrée de fluide cryogénique 21. L’ouverture de stockage 39 et l’ouverture d’échangeur de chaleur 41 constituent ensemble un collecteur d’entrée, distribuant le fluide cryogénique dans les tubes 33, à travers la plaque trouée 43.
Le passage d’alimentation en fluide cryogénique 23 comporte une coupelle 49, rapportée sur la bride de stockage 35.
La coupelle 49 présente un fond 51 entouré d’un bord périphérique 53, le bord périphérique 53 étant prolongé par une collerette sortante 55 rigidement fixée de manière étanche contre la bride de stockage 35.
La coupelle 49 est concave vers la bride de stockage 35, et délimite avec celle-ci un volume interne 57.
Le fluide est typiquement de l’hydrogène, de préférence de l’hydrogène gazeux. En variante, le fluide est de l’hélium, de l’azote, un gaz naturel tel que le méthane CH4 ou tout autre fluide adapté.
L’ensemble 1 est également prévu pour réchauffer le fluide cryogénique, avant transfert vers un utilisateur final tel qu’une pile à combustible.
Quand le fluide cryogénique est de l’hydrogène, l’ensemble 1 est typiquement destiné à être embarqué à bord d’un véhicule.
Comme indiqué plus haut, ce véhicule est par exemple un véhicule automobile, un train ou un bateau. Le véhicule automobile est par exemple une voiture, un camion, un bus, ou tout autre véhicule adapté.
L’ensemble 1 alimente alors une pile à combustible non représentée, de manière à produire de l’électricité alimentant un moteur électrique à propulsion du véhicule.
L’ensemble 1, comme visible sur la , comprend une unité de stockage 3 de fluide cryogénique, et un échangeur de chaleur 5.
L’unité de stockage 3 comporte un réservoir interne 7 délimitant intérieurement un volume 9 de réception de fluide cryogénique.
Typiquement, l’unité de stockage 3 comporte encore un réservoir externe 11 dans lequel est logé le réservoir interne 7.
Un espace intermédiaire sous vide 13 sépare le réservoir interne 7 du réservoir externe 11. L’espace intermédiaire 13 est maintenu sous un vide poussé, typiquement de l’ordre 10 -5 millibars.
Les transferts thermiques par convection sont ainsi limités entre le réservoir externe 11 et le réservoir interne 7.
Quand le fluide cryogénique est de l’hydrogène, il est stocké à l’état liquide dans le réservoir interne 7, à une température proche de 20 K quand la pression est égale à un bar.
Le réservoir externe 11 est sans contact direct avec le réservoir interne 9, de manière à limiter les transferts thermiques par conduction entre le réservoir externe 11 et le réservoir interne 7.
L’unité de stockage 3 comporte encore une isolation thermique 15, interposée entre le réservoir interne 7 et le réservoir externe 11.
L’isolation thermique 15 est placée dans l’espace intermédiaire 13. Elle est agencée contre le réservoir interne 7.
L’isolation thermique 15 est placée contre une surface externe du réservoir interne 7.
L’isolation thermique 15 comporte typiquement une pluralité de fines feuilles métalliques superposées les unes sur les autres, et des couches de fibres intercalées entre les feuilles métalliques. Cette isolation thermique 15 enveloppe complètement le réservoir interne 3.
En variante, l’isolation thermique 15 de tout autre type.
L’échangeur de chaleur 5 est prévu pour réchauffer le fluide cryogénique stocké dans l’unité de stockage 3, jusqu’à une température le rendant utilisable pour l’utilisateur final.
Quand l’ensemble 1 est destiné à alimenter une pile à combustible, l’échangeur de chaleur 5 est prévu pour réchauffer l’hydrogène liquide depuis la température de 20 K à la température minimum de 233 K.
À cette fin, l’échangeur de chaleur 5 comporte un premier côté 17 de circulation du fluide cryogénique, et un second côté 19 de circulation d’un fluide caloporteur.
Le premier côté 17 présente une entrée de fluide cryogénique 21 raccordée fluidiquement au réservoir interne 7 par un passage d’alimentation en fluide cryogénique 23.
Le premier côté 17 comporte encore une sortie de fluide cryogénique 25, raccordée fluidiquement à l’utilisateur final.
Le fluide caloporteur est tout type adapté. Le fluide caloporteur est typiquement de l’eau, comportant de préférence un antigel.
Le second côté 19 de l’échangeur de chaleur 5 est intégré dans un circuit de fluide caloporteur non représenté.
Le second côté 19 présente une entrée de fluide caloporteur 27 et une sortie de fluide caloporteur 29 ( ).
Le circuit de fluide caloporteur est configuré pour fournir à l’échangeur de chaleur 5 une quantité d’énergie thermique adéquate pour le réchauffement du fluide cryogénique.
Dans le cas où le fluide cryogénique est de l’hydrogène et l’utilisateur final une pile à combustible, le fluide caloporteur est réchauffé par l’énergie thermique dégagée par la pile à combustible en fonctionnement.
La pile à combustible comporte en effet un circuit de refroidissement, avec une entrée de refroidissement et une sortie de refroidissement. Le circuit de fluide caloporteur comporte alors un vase d’expansion, dont l’entrée est raccordée à la sortie de refroidissement de la pile à combustible.
Le circuit de fluide caloporteur comporte encore un organe de circulation de fluide caloporteur, typiquement une pompe, ayant une aspiration raccordée à la sortie du vase d’expansion. Le refoulement de l’organe de circulation est raccordé à l’entrée de fluide caloporteur 27 de l’échangeur de chaleur 5.
La sortie de fluide caloporteur 29 est raccordée à l’entrée de refroidissement de la pile à combustible.
Typiquement, l’échangeur de chaleur 5 est du type à tubes et calandre.
Du fait que la vanne cryogénique est réchauffée par le fluide caloporteur, le risque que l’air ambiant soit en contact avec une surface à une température inférieure à - 196 °C via les organes de la vanne cryogénique est considérablement réduit, voire complétement supprimé. Il n’est pas nécessaire de prévoir une barrière thermique complexe et coûteuse dans la vanne cryogénique.
L’ensemble peut en outre représenter une ou plusieurs caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le second côté de l’échangeur de chaleur comprend une enveloppe dans laquelle circule le fluide caloporteur, le premier côté de circulation du fluide cryogénique de l’échangeur de chaleur comportant des tubes de circulation de fluide cryogénique logés dans l’enveloppe, la vanne cryogénique comportant un actionneur, un organe d’obturation de l’orifice d’obturation et une chaîne cinématique par l’intermédiaire de laquelle l’actionneur déplace l’organe d’obturation, la chaîne cinématique comportant une tige mobile traversant l’enveloppe de l’échangeur de chaleur ;
- l’échangeur de chaleur comporte un puits traversant l’enveloppe et débouchant à l’extérieur de l’enveloppe à deux extrémités opposées, la tige étant engagée dans ce puits et se déplaçant à l’intérieur du puits ;
- l’unité de stockage de fluide cryogénique comprend un réservoir externe dans lequel est logé le réservoir interne, un espace intermédiaire sous vide séparant le réservoir interne du réservoir externe, le passage d’alimentation étant logé dans l’espace intermédiaire, une partie aval de la chaîne cinématique, raccordant la tige à l’organe d’obturation, étant entièrement logée dans le passage d’alimentation ;
- l’unité de stockage de fluide cryogénique comprend une bride de stockage fixée au réservoir externe, l’échangeur de chaleur comprenant une bride d’échangeur de chaleur fixée à la bride de stockage, l’orifice d’obturation étant ménagé dans la bride de stockage ;
- l’unité de stockage de fluide cryogénique comprend une bride de stockage fixée au réservoir externe, l’échangeur de chaleur comprenant une bride d’échangeur de chaleur fixée à la bride de stockage, l’orifice d’obturation étant déporté le long du passage d’alimentation à distance de la bride de stockage ;
- la chaîne cinématique comporte un fil raccordant la tige à l’organe d’obturation ;
- la chaîne cinématique comporte une biellette raccordant la tige à l’organe d’obturation ;
- la chaîne cinématique comporte un levier pivotant par rapport à la bride de stockage, le levier ayant un premier bras coopérant avec la tige et un second bras coopérant avec le fil ou la biellette ;
- le passage d’alimentation comporte une coupelle fixée à la bride de stockage et un conduit raccordé à la coupelle, l’orifice d’obturation étant ménagé dans le conduit, le levier étant porté par la coupelle.
La est une représentation schématique simplifiée d’un ensemble conforme à un premier mode de réalisation de l’invention ; La est une vue agrandie de l’échangeur de chaleur et de la vanne cryogénique de l’ensemble de la ; La est une vue en perspective et en coupe partielle d’un échangeur de chaleur et d’une vanne cryogénique pour un ensemble conforme à un second mode de réalisation de l’invention ; et Les figures 4 et 5 sont des vues similaires à celle de la , pour d’autres modes de réalisation de l’invention.
L’ensemble 1 représenté sur la est destiné au stockage d’un fluide cryogénique.
L’hydrogène, à pression ambiante, est liquide à une température proche de 20 K.
La pile à combustible en revanche fonctionne avec de l’hydrogène gazeux, à une température supérieure à - 40 °C.
Il est possible, pour réchauffer l’hydrogène alimentant la pile à combustible, de prévoir un échangeur de chaleur, avec un premier côté prévu pour la circulation de l’hydrogène, et un second côté prévu pour la circulation d’un fluide caloporteur.
Dans un tel ensemble, il est impératif d’éviter que les surfaces en contact avec l’air ambiant atteignent une température inférieure à - 196 °C, c’est-à-dire inférieure à la température à laquelle l’air se liquéfie.
Pour ce faire, il est nécessaire de prévoir une vanne cryogénique en amont de l’échangeur de chaleur, de manière à bloquer l’arrivée d’hydrogène à très basse température dans certains cas.
Par exemple, la vanne cryogénique doit être fermée quand une défaillance empêche le fonctionnement de la pile à combustible, ou encore quand le véhicule effectue des mouvements incontrôlés provoquant l’arrivée d’une quantité importante d’hydrogène à très basse température dans l’échangeur de chaleur.
Les vannes cryogéniques sont complexes mécaniquement et coûteuses.
Dans ce contexte, l’invention vise à proposer un ensemble comportant une unité de stockage de fluide cryogénique et une vanne cryogénique qui soit plus simple techniquement et moins coûteux.
Dans ce contexte, l’invention porte sur un ensemble comprenant :
- une unité de stockage de fluide cryogénique, avec un réservoir interne délimitant intérieurement un volume de réception de fluide cryogénique ; - un échangeur de chaleur, avec un premier côté de circulation du fluide cryogénique et un second côté de circulation d’un fluide caloporteur, le premier côté ayant une entrée de fluide cryogénique raccordée fluidiquement au réservoir interne par un passage d’alimentation en fluide cryogénique ;
- une vanne cryogénique, obturant ou dégageant sélectivement un orifice d’obturation intercalé le long du passage d’alimentation de manière à respectivement interdire ou autoriser une circulation de fluide cryogénique le long du passage d’alimentation; la vanne cryogénique étant réchauffée par le fluide caloporteur.