Titre de l'invention : Dispositif de régulation de température d’une batterie à l’aide d’un fluide diélectrique et pack-batterie comprenant un tel dispositif

[1 ] [L’invention concerne un dispositif de régulation de température de cellules de batterie à l’aide d’un fluide diélectrique. L’invention concerne également un pack batterie comprenant ledit dispositif ainsi qu’une pluralité de cellules de batterie. Elle est en particulier destinée à équiper des véhicules automobiles, en particulier des véhicules automobiles à motorisation électrique ou hybride.

[2] La part de marché des véhicules électriques étant de plus en plus importante, les problématiques diélectrique/chauffage des packs batterie qui les équipent deviennent des enjeux stratégiques. L’objectif est de concevoir un dispositif de gestion thermique des batteries le plus performant, efficient et économique possible.

[3] Souvent pour répondre au besoin de refroidissement (et/ou chauffage) des

batteries électriques, on utilise des « échangeurs de chaleur» consistant en une plaque froide avec circulation d’un liquide caloporteur (e.g. mixture d’eau et d’éthylène glycol), les plaques étant au contact des cellules à refroidir. Ce genre de techniques peuvent conduire à un refroidissement (et /ou chauffage) non homogène des batteries et limiter ainsi leur durée de vie et leur performance.

Ces dispositifs présentent en outre une résistance thermique élevée en raison des épaisseurs de matière présentes entre le liquide caloporteur et les cellules.

[4] Une solution proposée pour répondre à cette problématique consiste en une

immersion des batteries électriques dans un fluide caloporteur diélectrique. Cette immersion peut être réalisée avec une circulation de fluide ou en condition statique avec changement de phase.

[5] Ces deux techniques sont performantes d’un point de vue thermique en

particulier en raison du contact direct établi entre le liquide et les cellules mais présentent le désavantage d’utiliser une grande quantité de liquide diélectrique, ce qui augmente le coût et le poids du pack batterie.

[6] L’invention vise à résoudre ces problèmes techniques en proposant un dispositif de régulation de température d’au moins un composant électrique de véhicule automobile, notamment une cellule de stockage d’énergie, comprenant une enceinte de fluide diélectrique et des moyens pour arroser la surface dudit composant à l’aide dudit fluide diélectrique, lesdits moyens pour arroser comprenant au moins un agitateur.

[7] Par moyen pour arroser on entend tout type de moyen permettant de mettre en contact le fluide diélectrique avec la ou les surfaces des cellules de batteries autrement qu’en immergeant lesdites cellules dans ledit fluide diélectrique.

[8] Il s’agit en particulier de moyens d’aspersion, de moyens de projection ou de tous moyens aptes à produire une circulation dudit fluide de sorte à mettre au contact le fluide diélectrique avec la surface des cellules, sous la forme d’un film liquide, de jets, de gouttelettes issues d’une brumisation ou autre.

[9] Par agitateur, on entend tout moyen pour mettre en mouvement le fluide,

particulièrement à l’état liquide, et ainsi agiter le fluide.

[10] Ce dispositif permet non seulement de récupérer de grandes quantités de chaleur et d’assurer un refroidissement homogène par contact direct du fluide diélectrique et des cellules à refroidir mais permet également de limiter la quantité de fluide diélectrique et donc le poids et le coût du dispositif en éliminant le bain de liquide diélectrique connu dans les dispositifs précédents.

[1 1 ] En effet, le volume de fluide diélectrique à l’état liquide peut être très faible, par exemple d’au plus 25% du volume de l’enceinte, de préférence d’au plus

10%, de préférence d’au plus 6%, de préférence d’au plus 4% et de préférence d’au moins 2%. Le volume utilisé de liquide diélectrique se situe par exemple en 5 et 10 litres selon la taille du pack batterie. Ces volumes de liquide diélectrique s’entendent bien entendu des volumes introduits dans le dispositif à l’état initial.

[12] L’invention peut également comprendre l’une quelconque des caractéristiques suivantes, prises individuellement ou selon toute combinaison techniquement possible :

[13] - l’agitateur est adapté pour agiter le fluide diélectrique à l’état liquide et ainsi le pulvériser ;

[14] - l’agitateur comprend une surface vibrante destinée à vibrer et un actionneur relié à cette surface pour la faire vibrer ; [15] - l’agitateur est configuré pour faire vibrer la surface vibrante à une fréquence d’au moins 50khz et d’au plus 1 ,5MHz, de préférence au moins 200KHz ;

[16] - la surface vibrante est une membrane ;

[17] - l’actionneur est de type piézoélectrique ;

[18] - le dispositif est configuré de telle sorte que la surface vibrante est au moins partiellement immergé dans le fluide diélectrique, de préférence totalement immergée ;

[19] - le dispositif est configuré de telle sorte que la surface vibrante est immergée sous au plus 30 mm de fluide diélectrique à l’état liquide ;

[20] - le niveau de fluide diélectrique au-dessus de la surface vibrante est d’au moins 10mm ;

[21 ] - le diamètre de la surface vibrante est d’au moins 5mm et d’au plus 35 mm, de préférence d’au moins 15mm et de préférence d’au plus 25mm ;

[22] - le volume de fluide diélectrique à l’état liquide est d’au plus 25%, de

préférence d’au plus 10%, de préférence d’au plus 6%, de préférence d’au plus 4% du volume total de l’enceinte diélectrique dans laquelle sont logées les cellules de batterie ;

[23] - le fluide diélectrique possède la capacité de changer d’état ou de phase en fonction de la température, avantageusement le point de changement d’état est choisi en fonction de la température optimale de fonctionnement du dispositif électrique à réguler thermiquement.

[24] - le fluide est destiné à se vaporiser à la surface des cellules, et de passer ainsi d’une état liquide à 100% à un état vapeur à 100% par son contact avec la surface des cellules

[25] - le fluide diélectrique évolue dans une enceinte fermée, hermétique audit fluide indépendamment de son état.

[26] - l’enceinte fermée est délimitée par les parois du dispositif,

[27] - l’agitateur est configuré de sorte à pulvériser le fluide diélectrique sous

forme de fines gouttes, destinées à se déposer à la surface des cellules, [28] - le dispositif comprend un réservoir sous l’emplacement de cellules de batterie, le réservoir étant apte à récupérer, sous phase liquide, le fluide diélectrique pulvérisé par l’agitateur sur la surface des cellules de batterie ;

[29] - l’agitateur est sous le niveau d’au moins une des cellules de batterie

[30] - l’agitateur étant agencé dans le réservoir, de préférence dans un fond du réservoir

[31 ] - plusieurs agitateurs sont agencés sous l’emplacement de plusieurs cellules de batterie

[32] - les agitateurs sont répartis sur l’ensemble du réservoir

[33] - les agitateurs sont dans le fond du réservoir

[34] - le dispositif comprend au moins un moyen de refroidissement du fluide

diélectrique ;

[35] - le moyen de refroidissement du fluide diélectrique comprend un échangeur de chaleur pour échanger de la chaleur avec le fluide diélectrique.

[36] - le moyen de refroidissement du fluide diélectrique comprend un échangeur de chaleur situé dans le réservoir ;

[37] - le moyen de refroidissement comprend un condenseur configuré de sorte à condenser le fluide diélectrique pour passer de phase vapeur en phase liquide et à faire ruisseler ledit fluide jusqu’au réservoir ;

[38] - le condenseur est configuré pour la circulation d’un fluide réfrigérant destiné à échanger de la chaleur avec le fluide diélectrique ;

[39] - le condenseur est positionné au-dessus des cellules de batterie,

préférentiellement le condenseur recouvre une majorité de la surface occupée par les cellules,

[40] - le condenseur est configuré pour la circulation d’un fluide réfrigérant destiné à échanger de la chaleur avec le fluide diélectrique,

[41 ] - le condenseur forme une paroi supérieure du pack batterie,

[42] - le condenseur recouvre ou surplombe une majorité, préférentiellement

l’intégralité de la zone comprenant les cellules de batterie. [43] - le condenseur présente une face sensiblement plane et inclinée par rapport à une direction horizontale lorsque le pack batterie est monté sur un véhicule automobile,

[44] - le condenseur comprend une surface de condensation hydrophobe, par exemple du silicone, du Teflon, de la cire ou des acides gras ;

[45] - le dispositif comprend un moyen de chauffage dudit fluide diélectrique ;

[46] - le moyen de chauffage est dans le réservoir.

[47] L’invention a également pour objet un pack-batterie comprenant le dispositif ci-dessus ainsi qu’une pluralité de cellules de batteries.

[48] L’invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et

avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d’exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels :

[49] - la Figure 1 est une vue latérale partielle et en perspective d’un pack-batterie muni de cellules de batterie et d’un dispositif de refroidissement selon un mode de réalisation de l’invention ; et

[50] - la Figure 2, est une vue en coupe partielle du pack-batterie de la Figure 1.

[51 ] La Figure 1 illustre un pack batterie 1 comprenant une pluralité de cellules 2 de batterie et un dispositif 4 de régulation de la température des cellules 2 de batterie. L’ensemble de cellules 2 de batterie forme ce que l’on appelle la « batterie ». La batterie comprend ici neuf cellules mais il s’agit uniquement d’un exemple schématique et la batterie pourra comprendre un bien plus grand nombre de cellules.

[52] Pour leur bon fonctionnement, il est souhaité que la température des cellules 2 soit maintenue dans un intervalle de valeur restreint, par exemple entre 20°C et 40°C. Le dispositif 4 illustré a précisément pour fonction d’effectuer une telle régulation de température.

[53] Le dispositif 4 comprend une enceinte 6 dans laquelle sont logées les cellules 2 ainsi que des agitateurs 8 pour pulvériser un fluide diélectrique (non

représenté) jusqu’à la surface des cellules 2. L’enceinte 6 est délimitée par les parois du dispositif 4. L’enceinte 6 est fermée de telle sorte que le fluide diélectrique circule et reste en son sein. Elle a une forme de tout type adapté.

[54] Le fluide diélectrique se dépose à la surface des cellules à l’état liquide et s’évapore au contact de la surface des cellules 2, refroidissant ainsi les cellules 2 par absorption de chaleur dans le fluide diélectrique.

[55] Une fois évaporé, le fluide diélectrique monte par convection naturelle jusqu’à un condenseur destiné à refroidir et à condenser le fluide diélectrique de l’état vapeur à l’état liquide en évacuant sa chaleur. Le fluide diélectrique retourne ensuite en ruisselant par gravité jusqu’à un réservoir 12 de fluide diélectrique, dans le fond du dispositif. Les agitateurs 8 sont logés dans le fond du réservoir 12.

[56] Les agitateurs 8 décrits sont au nombre de trois, mais leur nombre est de tout type adapté.

[57] Dans l’exemple illustré, les trois agitateurs 8 sont logés chacun au milieu de trois tronçons longitudinaux du réservoir 12, et, d’une manière générale, les agitateurs 8 sont de préférence répartis sur l’ensemble du réservoir 12.

[58] Chaque agitateur 8 comprend une membrane 10 destinée à vibrer, formant une surface vibrante, et un actionneur (non représenté) relié à cette surface vibrante pour la faire vibrer et ainsi pulvériser le fluide diélectrique dans lequel baigne chaque agitateur 8.

[59] La membrane 10 est de tout type adapté.

[60] L’actionneur est par exemple de type piézoélectrique et d’une manière

générale adapté pour faire vibrer la surface vibrante à une fréquence d’au moins 50khz et d’au plus 1 ,5MHz, de préférence au moins 200KHz.

[61 ] L’agitateur 8 est ainsi adapté pour agiter le fluide diélectrique à l’état liquide et ainsi le pulvériser jusqu’à la surface des cellules de batterie.

[62] La surface vibrante de chaque agitateur 8 est immergée sous au moins 10mm de fluide diélectrique à l’état liquide au plus 30 mm de fluide diélectrique à l’état liquide. Le volume de fluide diélectrique dans l’enceinte de refroidissement est choisi de façon à avoir ces niveaux de fluide diélectrique dans le réservoir, au- dessus de chaque agitateur 8.

[63] Le volume utilisé de liquide est par exemple entre 5 et 10 litres selon la taille du pack batterie, ce qui correspond à un pourcentage en volume entre 2 et 4 % du volume de l’enceinte. D’une manière générale, le volume de liquide

diélectrique est d’au plus 25%, de préférence d’au plus 10%, de préférence d’au plus 6% du volume de l’enceinte, de préférence d’au plus 4% et de préférence d’au moins 2%.

[64] D’une manière plus générale, le dispositif de refroidissement est configuré de telle sorte que la surface vibrante est au moins partiellement immergé dans le fluide diélectrique, de préférence totalement immergée.

[65] La surface vibrante a un diamètre d’au moins 5mm et d’au plus 35 mm, de préférence d’au moins 15mm et de préférence d’au plus 25mm.

[66] Comme visible plus particulièrement sur la Figure 2, le réservoir de fluide diélectrique est formé par un renfoncement du dispositif, sous les cellules de batterie.

[67] Le réservoir 12 est sous l’emplacement de cellules de batterie, et ainsi étant apte à récupérer, sous phase liquide, le fluide diélectrique pulvérisé par l’agitateur sur la surface des cellules de batterie.

[68] Dans l’exemple illustré, le dispositif 4 comprend dans son fond des pieds 14 de support sur le pourtour et le centre du dispositif 4.

[69] Le dispositif 4 comprend également des rails de support 16 allongés

longitudinaux s’étendant sur sensiblement toute la longueur du pack batterie.

Seul l’un des deux rails 16 est visible sur les figures. Les rails 16 sont parallèles et espacés d’environ la largeur des cellules 2 de batterie. Ces rails 16 sont décrits à titre purement illustratif et non limitatif. D’une manière générale, les cellules 2 sont maintenues à hauteur du fond dans le dispositif par un moyen de tout type adapté.

[70] Ces rails émergent au-dessus du niveau de fluide de refroidissement, mais en variante, les cellules de batterie baignent dans le liquide diélectrique. [71 ] Chaque agitateur 8 est agencé dans le fond du réservoir, sous les cellules de batterie.

[72] Dans l’exemple illustré, les agitateurs 8 sont alignés et situés dans un plan médian dans la direction transversale à la direction d’alignement des cellules, c’est-à-dire sensiblement au milieu des cellules.

[73] D’une manière générale, l’agencement et le nombre des agitateurs sont de tout type adapté.

[74] Dans la partie haute du dispositif 4, est illustré le condenseur 18 pour le fluide diélectrique, c’est-à-dire destiné à condenser le fluide diélectrique et un couvercle 20 fermant l’enceinte 6.

[75] Comme visible sur les Figures 1 et 2, le condenseur 18 comprend un circuit 22 de fluide de refroidissement le traversant dans son épaisseur en plusieurs passes, de façon à évacuer la chaleur de la condensation du fluide diélectrique dans le fluide de refroidissement. Le circuit 22 de fluide de refroidissement est par exemple relié à un circuit de climatisation de véhicule automobile ou refroidi par ce dernier.

[76] Le condenseur 18 est positionné au-dessus des cellules 2 de batterie.

Préférentiellement, le condenseur 18 recouvre une majorité de la surface occupée par les cellules.

[77] C’est le condenseur 18 qui refroidit indirectement les cellules 2 de batterie en captant la vapeur de fluide diélectrique issu de l’évaporation de ce fluide au contact de la surface des cellules et en la condensant. Avec cet agencement du condenseur, la vapeur de fluide diélectrique est naturellement guidée vers le condenseur par un mouvement de convection ascendant.

[78] Le condenseur 18 forme avec le couvercle la paroi supérieure du pack

batterie.

[79] Le condenseur 18 présente une face sensiblement plane et inclinée par

rapport à une direction horizontale lorsque le pack batterie est monté sur un véhicule automobile. En variante, le condenseur présente plusieurs surfaces inclinées. [80] D’une manière générale, la surface inférieure du condenseur est configurée pour guider le ruissèlement du fluide diélectrique liquide vers le réservoir de fluide diélectrique à l’état liquide, le condenseur comprend une surface de condensation comprenant un matériau hydrophobe, par exemple du silicone, du Teflon, de la cire ou des acides gras. D’une manière générale, ce matériau hydrophobe peut aussi être utilisé sur des condenseurs de fluide diélectrique pour les lesquels le système pour arroser les batteries avec du fluide diélectrique serait différent, par exemple des systèmes à pulvérisation.

[81 ] Enfin, le dispositif comprend, dans le réservoir, un moyen de chauffage du fluide diélectrique, de façon à chauffer si besoin les cellules.

[82] Il est à noter que les fenêtres 24 d’observation sont celles d’un prototype et que ces fenêtres 24 sont destinées à être supprimées dans une version série.