TITRE : PLAQUE D’ECHANGE THERMIQUE D’UNE BATTERIE

[001 ] La présente invention revendique la priorité de la demande française

1910397 déposée le 20.09.2019 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.

[002] La présente invention concerne le domaine des batteries, et plus particulièrement le domaine des batteries pour la propulsion électrique des véhicules à propulsion hybride ou électrique.

[003] On comprendra par batterie, dans tout le texte de ce document, un ensemble comprenant au moins un module de batterie contenant au moins une cellule électrochimique. Cette batterie comprend éventuellement des moyens électriques ou électroniques pour la gestion d’énergie électrique de ce au moins un module. Lorsqu’il y a plusieurs modules, ils sont regroupés dans un bac ou carter et forment alors un bloc batteries, ce bloc batteries étant souvent désigné par l’expression anglaise « pack batteries », ce carter contenant généralement une interface de montage, et des bornes de raccordement.

[004] Par ailleurs, on comprendra par cellule électrochimique dans tout le texte de ce document, des cellules générant du courant par réaction chimique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-ion), de type Ni-Mh, ou Ni-Cd ou encore plomb.

[005] Dans ce domaine, il est connu d’assembler une plaque d’échange thermique de batterie dans un bac de batterie, puis de monter un module de batterie dans le bac et en appui contre la plaque de refroidissement.

[006] Une plaque de refroidissement pour un tel agencement est connue du document de brevet FR-A1 -3003938 et présente une plaque d'échange thermique comportant une base et une plaque de contact, la base étant en matière plastique moulée et la plaque de contact étant réalisée dans une matière thermo conductrice. La base en matière plastique permet une plus grande variété de modes de fixation avec le support sur lequel elle se fixe, par exemple par l'ajout de pattes de fixation spécifiques.

[007] Un inconvénient de cette conception est que la plaque et le module sont fixés indépendamment l’un de l’autre dans le carter, engendrant des dispersions de positionnement entre le module et la plaque. En outre, le carter ayant l’interface de montage du module et de la plaque est complexe à réaliser, d’autant plus complexe que ce carter est en général une grande pièce recevant plusieurs modules et plusieurs plaques d’échange thermique.

[008] Le but de l’invention est de remédier à ces inconvénients, notamment en optimisant la plaque de refroidissement.

[009] A cet effet, l’invention a pour objet un système d’échange thermique comprenant un module de batterie et une plaque d’échange thermique par conduction avec le module de batterie, cette plaque d’échange thermique comprenant une plaque de base et une plaque de contact thermique en contact avec le module de batterie et fixée à la plaque de base, la plaque de base comprenant un premier moyen de fixation de la plaque d’échange thermique sur un support, et comprenant un deuxième moyen de fixation de la plaque d’échange thermique contre le module de batterie, ce deuxième moyen de fixation étant distinct du premier moyen de fixation.

[010] Ainsi la plaque de base peut être préassemblée sur le module de batterie, l’un et l’autre étant alors précisément positionnés entre eux du fait d’une chaîne de cote réduite. En outre, la plaque de base intégrant le premier et le deuxième moyen de fixation, le support recevant la plaque de base peut être considérablement simplifié en ne comprenant que l’interface de montage de la plaque de base, et non plus l’interface de montage du module de batterie.

[011] Selon un mode de réalisation de l’invention la plaque de base est en matière plastique.

[012] Ainsi la plaque de base peut avoir une épaisseur importante, et présenter alors une forte rigidité de forme sans pour autant être trop lourde, comparativement à une plaque de base métallique comme un alliage d’aluminium. Cette rigidité de forme permet alors de fixer plusieurs modules de batterie sur une même plaque de base.

[013] En outre, la matière plastique est thermo-isolante, toujours comparativement à la matière métallique. Par exemple, la plaque de base est réalisée en une matière plastique thermo-isolante dont la conductivité thermique (l ) est inférieure à 2 W-m-1 -K-1 à 20°C. Cela permet notamment d’éviter des échanges thermiques entre la plaque de base et un environnement extérieur au système d’échange thermique. [014] Selon un mode de réalisation de l’invention, la matière plastique comprend une charge.

[015] On notera à titre d’exemple des matières plastiques sous forme de résines chargées en fibres de verre ou de carbone, formant alors une matière dont la conductivité thermique sera un peu plus élevée que les plastiques non chargés, entre 0,15 et 2 W-m-1 -K-1 à 20°C selon l’orientaticn ou non des fibres, et le sens de propagation de la chaleur considéré, et permettant d’augmenter la rigidité de la plaque de base et donc, d’augmenter sa taille.

[016] Selon un mode de réalisation de l’invention, le premier moyen de fixation ou le deuxième moyen de fixation comprennent un insert métallique dans la matière de la plaque de base, cet insert métallique ayant un alésage conformé pour recevoir une vis.

[017] Le premier moyen de fixation comprend par exemple une vis et un insert formant une entretoise ayant un alésage central lisse traversé par la vis. L’effort de serrage de la vis est donc repris par l’entretoise et non pas par la plaque de base, l’extrémité filetée de la vis se prenant dans un trou fileté du support. On évite ainsi le fluage de la matière plastique.

[018] Le deuxième moyen de fixation comprend par exemple une vis et un insert ayant un alésage central fileté traversé par l’extrémité filetée de la vis, la tête de vis bloquant le module de batterie contre la plaque d’échange thermique sans risque de dégrader le filetage de l’insert, ce dernier étant métallique.

[019] Selon un mode de réalisation de l’invention, la plaque de base et la plaque de contact thermique forment une cavité entre-elles parcourue par un fluide caloporteur.

[020] Selon un mode de réalisation de l’invention, la plaque de base comprend, dans son épaisseur, un évidement parcouru par le fluide caloporteur, la cavité formant un premier niveau de circulation du fluide caloporteur, et l’évidement formant un deuxième niveau de circulation de ce fluide caloporteur.

[021] Ces niveaux, ou étages, sont superposés l’un sur l’autre dans l’épaisseur de la plaque d’échange thermique. Le Fluide caloporteur a un parcourt dans la cavité qui est fonction de zones du module de batterie à refroidir, ce parcourt pouvant être par exemple rectiligne dans plusieurs canaux parallèles ou en forme de serpentins imbriqués ou non. Le Fluide caloporteur a un parcourt dans l’évidement qui n’est pas fonction de contraintes thermiques vu que la plaque de base est en matière thermo-isolante, mais fonction de la perte de charge du fluide souhaitée, généralement minimale.

[022] Ainsi le deuxième niveau de circulation permet de transporter le fluide caloporteur de façon isotherme. [023] Cet évidement permet en outre d’augmenter la rigidité de forme de la plaque de base sans l’alourdir.

[024] Selon un mode de réalisation de l’invention, le premier niveau et le deuxième niveau sont fluidiquement connectés en série.

[025] Le deuxième niveau forme alors un circuit de retour du fluide qui, étant thermiquement isolé, ne perturbe pas le rendement de l’échange thermique se produisant entre le module de batterie et la plaque d’échange thermique. Le fluide caloporteur du premier niveau se vide intégralement par le second niveau.

[026] Selon une variante de réalisation de l’invention, le premier niveau et le deuxième niveau sont fluidiquement connectés en parallèle. [027] Le deuxième niveau forme alors un circuit transportant une partie du fluide caloporteur qui, étant thermiquement isolé, ne sera pas réchauffé par le fluide se trouvant dans la cavité. Ce deuxième niveau débouchera par exemple dans une cavité et/ou un évidement d’une seconde plaque d’échange thermique.

[028] L’invention a aussi pour objet une batterie comprenant un système d’échange thermique tel que précédemment décrit, et un carter confinant le système d’échange thermique, le support étant un fond du carter.

[029] Ce carter comprend par exemple un réceptacle recevant le système d’échange thermique, ce réceptacle étant recouvert d’un couvercle. Ce carter forme alors un espace interne confiné protégeant l’ensemble des modules et plaques d’échange thermique de toute projection d’eau ou de chocs.

[030] L’invention a aussi pour objet un procédé d’assemblage d’une batterie telle que précédemment décrite, ce procédé comprenant successivement une première étape d’assemblage de la plaque d’échange thermique contre le module de batterie, et une deuxième étape d’assemblage de cet ensemble sur le fond du carter.

[031 ] L’invention a aussi pour objet un véhicule comprenant une batterie telle que précédemment décrite. [032] D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence aux figures dans lesquelles :

[Fig 1] : La figure 1 représente un système d’échange thermique conforme à l’invention.

[Fig 2] : La figure 2 représente ce système d’échange thermique avec une coupe au droit du deuxième moyen de fixation.

[033] La figure 1 représente un système d’échange thermique selon un mode particulier de l’invention, non limitatif. Ce système d’échange thermique comprend dix modules de batterie 2 et une unique plaque d’échange thermique 1 par conduction avec chacun des modules de batterie 2. Les modules de batterie 2 sont répartis en un groupe de huit modules 2 et un groupe de deux modules 2, et dans une variante non représentée on a deux plaques thermiques 2 de taille différente, l’une étant en contact thermique avec chacun des modules du groupe de huit modules 2, l’autre étant en contact thermique avec chacun des modules du groupe de deux modules 2. Bien entendu, d’autres configurations sont possibles, avec trois plaques ou plus, et des modules 2 de forme quelconque.

[034] Les modules 2 sont préférentiellement parallélépipédiques et présentent une face en contact avec la plaque d’échange thermique 1. Dans l’exemple de la figure 1 , cette face est une face de dessous des modules 2 lorsque les modules 2 sont en position d’utilisation dans un véhicule terrestre par exemple, mais en variante cette face peut aussi bien être une face quelconque du module 2.

[035] Entre la face en contact et la plaque thermique 1 , est généralement intercalé une pâte thermique ou un tapis thermique 12 (voir figure 2) favorisant l’échange thermique par conduction entre le module 2 et la plaque 1 en comblant des aspérités ou des vides créés par les dispersions de fabrication des modules 2 ou des plaques 1.

[036] L’échange thermique par conduction entre le module 2 et la plaque 1 est un flux thermique envisagé dans les deux sens possibles : la chaleur allant du module 2 vers la plaque 1 pour un refroidissement du module 2 ou, à l’inverse, allant de la plaque 1 vers le module 2 pour un réchauffement du module 2.

[037] Un réseau de conduites de fluide caloporteur (non représenté) relie les plaques 1 entre-elles, ce fluide caloporteur transportant les calories vers un échangeur (non représenté) par exemple, un échangeur air / fluide caloporteur.

[038] En variante, le fluide caloporteur est remplacé par un gaz, ou un fluide à changement de phase. [039] La figure 2 illustre la plaque d’échange thermique 1 en contact thermique avec la face du module 2. Cette plaque 1 comprend une plaque de base 3 et une plaque de contact thermique 4 en contact avec le module de batterie 2 et fixée à la plaque de base 3, par exemple par sertissage ou collage ou vissage. La plaque de base 3 comprend un premier moyen de fixation 6 de la plaque d’échange thermique 1 sur un support (non représenté). La plaque de base 3 comprend un deuxième moyen de fixation 7 de la plaque d’échange thermique 1 contre le module de batterie 2. Ce deuxième moyen de fixation 7 est distinct du premier moyen de fixation 6.

[040] La plaque de base 3 est en matière plastique, par exemple en plastique injecté. En variante, la matière plastique comprend une charge.

[041] Le premier moyen de fixation 6 ou le deuxième moyen de fixation 7 comprennent un insert métallique 10, 8 dans la matière de la plaque de base 3, cet insert métallique 10, 8 ayant un alésage conformé pour recevoir une vis (non représentée). Dans l’exemple illustré, l’insert 10 du premier moyen de fixation 6, dit premier insert 10, est une entretoise ayant un alésage central lisse traversé par une première vis dont l’extrémité filetée se prend dans un trou fileté du support, chaque extrémité de l’entretoise affleurant la surface externe de la plaque de base 3 de sorte à ce que l’entretoise reprenne l’intégralité de l’effort de serrage entre la tête de la première vis et le support. L’insert 8 du deuxième moyen de fixation 7, dit deuxième insert 8, présente un alésage central fileté en prise avec l’extrémité filetée d’une deuxième vis, cette deuxième vis traversant un alésage lisse 14 du module 2, la tête de la deuxième vis serrant le module de batterie 2 contre la plaque d’échange thermique 1 sans risque de dégrader le filetage du deuxième l’insert 8, ce dernier étant métallique.

[042] Le premier insert 10 et le deuxième insert 8 sont par exemple surmoulé par la plaque de base 3. En variante, ces inserts 10, 8 sont vissés, collés, ou sertis dans la plaque de base 3.

[043] On notera que les premier et deuxième inserts 10, 8 sont disposés dans l’épaisseur d’une nervure 13 de la plaque de base 3, pour favoriser l’adhérence entre les inserts 10, 8 et la plaque de base 3. Cette nervure 13 est idéalement disposée partiellement ou en totalité sur la longueur d’un des quatre côtés de la plaque de base 3, idéalement sur le côté le plus long de sorte à rigidifier d’avantage la plaque de base 3. Dans l’exemple illustré, une seule première nervure 13 est visible, mais on comprendra qu’une deuxième nervure 13 est disposée parallèlement à la première, sur le côté opposé de la plaque de base 3, cette deuxième nervure 13 intégrant également des premier et deuxième moyens de fixation 6, 7. D’autres géométries des nervures 13 et plaque de base 3 sont envisageables, notamment lorsque les modules de batterie 2 ne sont pas parallélépipédiques, par exemple cylindriques ou à plans brisés pour s’adapter aux interfaces de la structure du véhicule.

[044] Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 2, la plaque de base 3 et la plaque de contact thermique 4 forment une cavité 5 entre-elles parcourue par le fluide caloporteur. En outre, la plaque de base 3 comprend, dans son épaisseur, un évidement 11 parcouru par le fluide caloporteur, la cavité 5 formant un premier niveau de circulation du fluide caloporteur, et l’évidement 11 formant un deuxième niveau de circulation de ce fluide caloporteur.

[045] Le premier niveau et le deuxième niveau sont par exemple fluidiquement connectés en série, mais en variante le premier niveau et le deuxième niveau sont fluidiquement connectés en parallèle.

[046] Ces niveaux, ou étages, sont superposés l’un sur l’autre dans l’épaisseur de la plaque d’échange thermique 1. Le Fluide caloporteur a un parcourt dans la cavité 5 qui est fonction de zones du module de batterie 2 à refroidir, ce parcourt 16, 17 pouvant être par exemple rectiligne dans plusieurs canaux parallèles 16, 17 ou en forme de labyrinthe ou de serpentins imbriqués ou non. Ces canaux 16, 17 illustrés en figure 2, sont formés par exemple par une cloison 15 issue par moulage de la plaque de base 3 et qui vient en appui contre la plaque de contact thermique 4, tout comme le parcourt d’une manière générale.

[047] Le Fluide caloporteur a un parcourt dans l’évidement 11 qui n’est pas fonction de contraintes thermiques vu que la plaque de base 3 est en matière thermo-isolante, mais fonction de la perte de charge du fluide souhaitée, généralement minimale. L’exemple de la figure 2 illustre ce parcourt de façon similaire avec cette même cloison 15 qui se prolonge dans l’évidement 11.

[048] On notera que, avantageusement cette cloison 15 participe à la rigidification de la plaque de base 3, au même titre que la nervure 13.

[049] La connexion en série des deux niveaux est réalisée, par exemple, par une communication fluidique (non représentée) à une extrémité de la plaque d’échange thermique 1 entre les deux niveaux. Cette connexion peut être interne à la plaque d’échange thermique 1 ou externe en utilisant une conduite du de réseau de conduites de fluide caloporteur. Le fluide caloporteur traverse alors successivement le premier niveau puis le deuxième niveau, le deuxième niveau formant alors un circuit de retour du fluide qui, étant thermiquement isolé, ne perturbe pas le rendement de l’échange thermique se produisant entre le module de batterie 2 et la plaque d’échange thermique 1. Le fluide caloporteur du premier niveau se vide intégralement par le deuxième niveau.

[050] La connexion en parallèle est réalisée, par exemple, en aménageant une entrée du fluide caloporteur dans la plaque d’échange thermique 1 commune aux deux niveaux, chaque niveau ayant une sortie du fluide caloporteur distincte l’une de l’autre. Le fluide sortant du premier niveau pourra alors être canalisé vers l’échangeur air / fluide caloporteur via le réseau de conduites de fluide caloporteur, alors que le fluide sortant du deuxième niveau pourra être canalisé vers une entrée de fluide d’une autre plaque d’échange thermique 1 avant d’être à son tour canalisé vers l’échangeur air / fluide caloporteur.

[051] Le deuxième niveau forme alors un circuit canalisant une partie du fluide caloporteur qui, étant thermiquement isolé, ne sera pas réchauffé par le fluide se trouvant dans la cavité 5. Ce deuxième niveau débouchera par exemple dans une cavité et/ou un évidement d’une seconde plaque d’échange thermique via le réseau de conduites de fluide caloporteur.

[052] De façon non illustrée, un carter confine ce système d’échange thermique, cet ensemble formant alors une batterie, par exemple une batterie de traction d’un véhicule. Le support est par exemple un fond de ce carter.

[053] Ce carter isole les modules 2 de tous contacts avec des projections d’eau, et confine tous dégagements gazeux des modules 2 dans l’espace interne de ce carter.

[054] Un véhicule, notamment un véhicule électrique ou hybride, comprend avantageusement une telle batterie.

[055] On notera qu’un procédé d’assemblage d’une telle batterie comprenant successivement une première étape d’assemblage de la plaque d’échange thermique 1 contre le module de batterie 2, et une deuxième étape d’assemblage de cet ensemble sur le fond du carter, est avantageux. Ce procédé permet d’avoir un ensemble module 2 et plaque d’échange thermique 1 préassemblé, par exemple chez un fournisseur, indépendamment du montage de cet ensemble dans la ligne d’assemblage du véhicule intégrant ce carter. Ce procédé permet de faciliter l’assemblage tout en garantissant la qualité de l’assemblage du module 2 sur la plaque 1 en termes de positionnement relatif et de conductivité thermique. La ligne d’assemblage est également moins complexe et les bords de ligne sont moins encombrés tout en ayant une emprise au sol réduite.

[056] La première étape d’assemblage de la plaque d’échange thermique 1 contre le module de batterie 2 est réalisée par un opérateur ou un moyen d’assemblage automatisé réalisant une première sous-étape de vissage en utilisant le deuxième moyen de fixation 7 qui, dans l’exemple précédemment décrit, comprend la deuxième vis serrant la plaque d’échange thermique 1 contre le module de batterie 2. La deuxième étape d’assemblage de cet ensemble sur le fond du carter est réalisée par un opérateur ou un moyen d’assemblage automatisé réalisant une deuxième sous-étape de vissage en utilisant le premier moyen de fixation 6 qui, dans l’exemple précédemment décrit, comprend la première vis serrant la plaque d’échange thermique 1 contre le fond du carter.