1. Domaine

Le domaine de l'invention est celui de la régulation thermique des batteries, et plus particulièrement des batteries équipant un véhicule automobile dont la propulsion est fournie en tout ou partie par une motorisation électrique.

Plus précisément, l'invention est du domaine des échangeurs thermiques, par exemple des refroidisseurs de batteries, en particulier les batteries d'un véhicule à motorisation électrique et/ou hybride.

2. Art antérieur

La régulation thermique de la batterie, notamment dans le domaine automobile et encore plus particulièrement dans le domaine des véhicules électriques et hybrides, est une problématique d'importance.

La température de la batterie doit rester comprise entre 20°C et 40°C afin d'assurer la fiabilité, l'autonomie, et la performance du véhicule, tout en optimisant la durée de vie de la batterie.

En effet, lorsque la batterie est soumise à des températures trop froides, son autonomie décroît fortement. Inversement, lorsqu'elle est soumise à des températures trop importantes, il y a un risque d'emballement thermique pouvant aller jusqu'à la destruction de la batterie.

Dans les véhicules électriques ou hybrides, la batterie comprend généralement plusieurs modules de batterie comprenant chacun plusieurs cellules de stockage d'énergie électrique (appelées « cellules électriques » dans ce qui suit) reliées entre elles de façon à créer un générateur électrique de tension et de capacité désirée.

Afin de réguler la température de la batterie, il est connu d'utiliser un dispositif de régulation thermique.

Le dispositif de régulation thermique comprend un échangeur thermique positionné directement ou indirectement au contact de la batterie et parcouru par un fluide caloporteur.

Le fluide caloporteur peut ainsi absorber la chaleur émise par chaque module de batterie afin de les refroidir ou, selon les besoins, il peut leur apporter de la chaleur si la température de la batterie est insuffisante pour son bon fonctionnement.

Les fluides caloporteurs généralement utilisés sont des liquides comme, par exemple, l'eau glycolée.

Comme illustré sur la figure 1, un tel échangeur thermique comprend un faisceau de tubes 11 reliant entre elles au moins deux boîtes collectrices 21, 22 dans lesquels sont raccordées, de façon fixe et étanche, des extrémités correspondantes des tubes 11.

Un fluide caloporteur peut alors circuler à travers les tubes 11 et les boîtes collectrices 21, 22, selon, par exemple, un circuit dit en "I" (figure 1) afin d'échanger thermiquement avec les modules 3 de batteries.

On note que chaque branche de l'échangeur thermique est constituée de tubes 11 adjacents destinés à réguler thermiquement deux modules 3 de batterie disposés selon l'axe longitudinal de la paire de tubes 11.

L'état de l'art discute des différents circuits de circulation de fluide caloporteur qui peuvent être mis en œuvre dans ces échangeurs thermiques.

L'état de l'art traitant de la façon d'équilibrer le débit de fluide dans les différentes branches de l'échangeur thermique est toutefois peu fourni.

Les quelques solutions existantes proposent de modifier les sections de passage des boîtes collectrices et/ou des tubes et/ou des tubulures alimentant les différents circuits en parallèle, et s'avèrent coûteuses.

Or, ce point est fondamental puisqu'un même débit dans chacune des branches de l'échangeur thermique permet d'assurer une régulation thermique et une température homogènes des modules de batterie.

Un mauvais équilibrage fluidique entre les différentes branches de l'échangeur thermique peut engendrer des différences de températures élevées entre les modules de batterie.

Le risque principal, résultant d'une régulation non homogène des températures des modules de batterie, est que l'une d'entre eux cède, du fait que sa température soit excessive par exemple, entraînant l'arrêt du véhicule et la nécessité de remplacer l'ensemble du pack-batterie. Dans ce contexte, la présente invention vise à fournir un dispositif amélioré de régulation thermique de modules de batterie, permettant de résoudre les inconvénients précédemment mentionnés, tout en étant moins onéreux que les solutions actuelles.

3. Résumé

L'invention propose à cet effet un dispositif de régulation thermique d'au moins un élément de stockage d'énergie électrique, notamment pour un véhicule automobile, ledit dispositif comprenant au moins un échangeur thermique délimitant un circuit de circulation de fluide caloporteur, ledit échangeur thermique comprenant des conduits de circulation du fluide caloporteur et, disposés à une première extrémité de ces conduits, des moyens distributeurs d'entrée pour assurer la distribution du fluide caloporteur dans des conduits d'entrée selon une premier sens de circulation et des moyens collecteurs de sortie pour assurer la collecte du fluide caloporteur circulant dans des conduits de sortie selon un deuxième sens de circulation, inversé par rapport au premier sens.

Selon l'invention, ledit échangeur thermique comprend à une deuxième extrémité desdits conduits plusieurs chambres de retournement du fluide caloporteur entre au moins conduit d'entrée et au moins un conduit de sortie, au moins une partie des chambres de retournement comprenant des moyens de restriction du passage du fluide caloporteur de sorte à équilibrer les débits de fluide caloporteur dans les conduits dudit échangeur thermique.

L'invention propose ainsi un dispositif de régulation thermique d'au moins un élément de stockage d'énergie électrique, ou module de batterie, qui met en œuvre un échangeur thermique à tubes délimitant un circuit de circulation du fluide caloporteur.

Ce circuit est configuré pour homogénéiser le débit et la température des modules de batterie, sans jouer sur les sections de passage des boîtes collectrices et/ou des tubes et/ou des tubulures alimentant les différents circuits en parallèle, et ce de façon relativement peu coûteuse.

Pour ce faire, l'échangeur met en œuvre plusieurs circuits ou branches parallèles en U comprenant chacun au moins un conduit ou tube d'entrée de fluide caloporteur et au moins un conduit de sortie de fluide caloporteur reliés à une extrémité par une chambre de retournement, cette dernière comprenant des moyens de restriction du passage du fluide caloporteur de sorte à équilibrer les débits de fluide caloporteur dans les conduits de l'échangeur thermique.

La mise en œuvre de moyens de restriction du passage du fluide caloporteur permet d'obtenir la distribution souhaitée de fluide caloporteur dans les différentes branches de l'échangeur thermique.

Un bon équilibrage fluidique entre les différentes branches de l'échangeur thermique permet de réduire les différences de températures élevées entre les modules de batterie.

Une telle approche est économique et permet notamment la mise en œuvre de boîtes collectrices présentant des diamètres de dimension raisonnable.

Selon un aspect particulier de l'invention, les moyens distributeurs d'entrée et les moyens collecteurs de sortie du fluide caloporteur sont des boîtes collectrices.

Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les chambres de retournement sont définies dans une unique boîte collectrice de retournement dans laquelle débouche la deuxième extrémité desdits conduits.

De façon avantageuse, ladite boîte collectrice de retournement comprend une ou plusieurs cloisons internes étanches délimitant plusieurs chambres de retournement dans chacune desquelles débouchent la deuxième extrémité d'au moins un conduit d'entrée et la deuxième extrémité d'au moins un conduit de sortie.

Avantageusement, chacune desdites chambres de retournement comprend des moyens de restriction du passage du fluide caloporteur prenant la forme d'au moins une cloison percée d'une lumière de passage du fluide caloporteur ou d'au moins un rétrécissement de la section de ladite boîte collectrice de retournement.

Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, les chambres de retournement sont définies dans des boîtes collectrices de retournement distinctes et dans chacune desquelles débouchent la deuxième extrémité d'au moins un conduit d'entrée et la deuxième extrémité d'au moins un conduit de sortie.

De façon avantageuse, les boîtes collectrices de retournement distinctes comprennent chacune des moyens de restriction du passage du fluide caloporteur prenant la forme d'au moins une cloison percée d'une lumière de passage du fluide caloporteur ou d'au moins un rétrécissement de la section de la boîte collectrice de retournement. Selon un aspect particulier de l'invention, tout ou partie des lumières des cloisons de restriction du passage du fluide caloporteur situées dans les chambres de retournement présentent des sections différentes.

Selon un aspect particulier de l'invention, les boîtes collectrices formant les moyens distributeurs d'entrée, les moyens collecteurs de sortie et les chambres de retournement sont tubulaires et de diamètres différents.

Selon un aspect particulier de l'invention, lesdits conduits comprennent une pluralité de canaux.

L'invention concerne également un échangeur thermique mis en œuvre dans un tel dispositif de régulation thermique.

Dans la suite de la description, la notion de « régulation thermique » se réfère tant au refroidissement qu'au réchauffement d'un module de batterie et/ou un ensemble de modules de batterie, désigné par l'expression « élément de stockage d'énergie électrique ».

4. Figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des figures annexées, à savoir :

- la figure 1 est une vue schématique d'un échangeur thermique

(également appelé "refroidisseur") mis en œuvre dans un dispositif de régulation thermique d'une batterie, selon l'art antérieur ;

les figures 2A et 2B sont des vues schématiques d'un échangeur thermique mis en œuvre dans un dispositif de régulation thermique d'une batterie, selon un mode de réalisation de l'invention ;

la figure 3 est une vue de détail, en transparence, de l'échangeur thermique des figures 2A et 2B, au niveau d'une boîte collectrice de retournement ;

les figures 4 à 6 sont des vues schématiques partielles d'autres types d'échangeurs thermiques mis en œuvre dans des dispositifs de régulation thermique d'une batterie conformes à l'invention. Les différents éléments illustrés par les figures ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle réelle, l'accent étant davantage porté sur la représentation du fonctionnement général de l'invention.

5. Description détaillée de modes de réalisation particuliers de l'invention

Plusieurs modes de réalisation particuliers de l'invention sont présentés dans la suite de la description.

Il est bien entendu que la présente invention n'est nullement limitée par ces modes de réalisation particuliers et que d'autres modes de réalisation peuvent parfaitement être mis en œuvre.

La figure 2A est une vue schématique d'un mode de réalisation d'un échangeur thermique (également appelé "refroidisseur") mis en œuvre dans un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention.

Ce dernier est destiné à équiper un véhicule automobile de type hybride ou électrique pour réguler thermiquement une ou plusieurs batteries formant une source d'énergie pour l'entraînement du véhicule automobile.

De façon classique, la batterie est composée de plusieurs modules 3 de batterie, chaque module 3 étant composé de plusieurs cellules électriques (non visibles) qui sont reliés entre elles.

L'échangeur thermique 1 est positionné ici sous les modules 3 et permet à la fois le refroidissement et le réchauffage de ces modules 3 selon les conditions d'utilisation.

L'échangeur thermique 1 comprend un faisceau de tubes, ou conduits, 11 de circulation d'un fluide caloporteur

Ces tubes 11 sont rectilignes et de même longueur.

Ils sont placés parallèlement les uns aux autres et alignés de façon à former une rangée unique dans lesquels un liquide de refroidissement, tel que de l'eau glycolée, est destiné à circuler.

Les tubes 11 sont destinés à être en contact mécanique ou non avec plusieurs modules 3 de forme parallélépipédique d'une batterie du véhicule, et sont avantageusement réalisés dans un matériau conducteur thermique, tel qu'un matériau métallique, par exemple en aluminium ou alliage d'aluminium. L'échangeur thermique 1 est ainsi positionné directement ou indirectement au contact des modules 3 et parcouru par un fluide caloporteur.

Ce fluide caloporteur peut être du type réfrigérant, ou bien un liquide de refroidissement, par exemple un mélange d'eau et de glycol.

Le fluide caloporteur peut ainsi absorber la chaleur émise par les modules 3 afin de les refroidir ou selon les besoins, il peut leur apporter de la chaleur si la température des modules 3 est insuffisante pour leur bon fonctionnement.

Cet échangeur thermique 1 permet de limiter les élévations soudaines de température au sein de la batterie et de pallier la formation de points chauds.

Dans ce mode de réalisation, les tubes 11 présentent une section droite de forme sensiblement oblongue.

Ces tubes 11 sont ici en aluminium extrudé et présentent une pluralité de canaux juxtaposés de circulation du liquide (il s'agit donc dans cet exemple de tubes multicanaux).

Le faisceau de tubes 11 comprend une première extrémité et une deuxième extrémité.

Comme montré sur les figures 2A et 2B, la première extrémité d'une partie des tubes 11 du faisceau débouche dans une première boîte collectrice 21 d'entrée de fluide. Ces tubes seront appelés par la suite tubes d'entrée et référencés 11A.

La première extrémité de l'autre partie des tubes 11 du faisceau débouche dans une deuxième boîte collectrice 22 de sortie de fluide. Ces tubes seront appelés par la suite tubes de sortie et référencés 11B.

Les boîtes collectrices 21, 22 d'entrée et de sortie de fluide (appelées "manifolds" en anglais) s'étendent parallèlement au niveau de la première extrémité des tubes 11, perpendiculairement à l'axe longitudinal de ces derniers.

Ces boîtes collectrices 21, 22 adjacentes sont reliées à une entrée E et à une sortie S de fluide caloporteur respectivement qui sont situées du même côté de l'échangeur thermique.

Dans l'exemple des figures 2A et 2B, le faisceau de tubes 11 comprend de façon alternée, de droite à gauche, un tube d'entrée 11A et un tube de sortie 11B.

Chaque paire constituée d'un tube d'entrée 11A et d'un tube de sortie 11B forme une branche. Les deuxièmes extrémités d'un tube d'entrée 11A et d'un tube de sortie 11B d'une branche débouchent dans une troisième boîte collectrice 31 de retournement de fluide.

Ainsi, plusieurs boîtes collectrices 31 de retournement s'étendent de façon alignée au niveau de la deuxième extrémité des branches de tubes 11, perpendiculairement à l'axe longitudinal de ces derniers et parallèlement aux boîtes collectrices 21, 22 d'entrée et de sortie de fluide.

Ainsi, le fluide caloporteur est introduit dans la première boîte collectrice 21 d'entrée par l'entrée de fluide 210, puis est distribué dans une partie des tubes 11, en l'occurrence les tubes d'entrée 11A, de chaque branche du faisceau, du premier tube d'entrée 11A situé à droite au dernier tube d'entrée situé à gauche sur la figure 2B.

Le fluide circule dans les tubes 11A d'entrée et traverse ces derniers dans un premier sens, passe ensuite dans les boîtes collectrices 31 de retournement et circule dans l'autre sens dans l'autre partie des tubes 11, en l'occurrence les tubes de sortie, de chaque branche du faisceau pour revenir au niveau de la boîte collectrice 22 de sortie et être évacué par la sortie de fluide 220.

Les boîtes collectrices 31, dites « boîtes de retournement », sont configurées pour distribuer le fluide caloporteur des tubes 11A d'entrée vers les tubes 11B de sortie

Ainsi, chaque branche (constituée ici de deux tubes multicanaux adjacents) définit un circuit de circulation du fluide en "U" et est associée à une boîte collectrice 31 de retournement.

Comme décrit plus en détail par la suite, les boîtes collectrices 31 de retournement permettent l'équilibrage des débits fluidique entre les branches de l'échangeur thermique 1.

En d'autres termes, on a sensiblement les mêmes débits de fluide caloporteur dans l'ensemble des branches, les boîtes collectrices 31 de retournement et les boîtes collectrices 21, 22 d'entrée et de sortie de fluide présentant des diamètres sensiblement identiques.

La figure 3 est une vue de détail, en transparence, de l'échangeur thermique 1 de la figure 2A au niveau d'une boîte collectrice 31 de retournement dans laquelle débouchent un tube d'entrée 11A et un tube de sortie 11B.

La boîte collectrice 31 de retournement est ici tubulaire et ses extrémités latérales sont obturées par des parois 311 étanches.

Elle délimité une chambre de retournement 313 et présente une cloison 312 interne percée d'une lumière 3121 circulaire qui constitue une restriction locale du passage de fluide du tube d'entrée 11A vers le tube de sortie 11B, ce qui engendre une perte de charge.

Cette cloison 312 interne, appelée "throttle" en angais, est insérée dans une fente ménagée dans la paroi de la boîte collectrice 31 de retournement, ou bien elle est insérée par une extrémité de la boîte collectrice 31 de retournement.

Il s'agit d'une cloison 312 percée présentant un orifice calibré qui constitue une restriction locale du passage de fluide caloporteur.

Dans une variante, cette restriction locale du passage de fluide caloporteur peut être obtenue par un rétrécissement local de la section de la boîte collectrice 31 de retournement, c'est-à-dire par déformation de la paroi de la boîte collectrice 31 de retournement.

On comprend que les boîtes collectrices 31 de retournement comprennent chacune au moins une cloison 312 percée présentant un orifice calibré dont le diamètre varie en fonction de l'éloignement de la branche correspondante par rapport à l'entrée E de fluide caloporteur.

En l'espèce, le diamètre de l'orifice des cloisons 312 des boîtes collectrices 31 augmente de la droite vers la gauche de l'échangeur thermique 1 de la figure 2B. En d'autres termes, le diamètre de l'orifice de la cloison 312 de la chambre de retournement (à gauche de l'échangeur thermique) la plus éloignée de l'entrée de fluide 210 est supérieur à celui de la chambre de retournement (à droite de l'échangeur thermique) la plus proche de l'entrée E de fluide caloporteur.

Le but de ces cloisons 312 percées est de créer une perte de charge locale dans chaque branche de l'échangeur thermique 1, la perte de charge devant être différente selon la position de la branche par rapport à l'entrée E de fluide caloporteur de l'échangeur thermique 1.

Selon une approche particulière, tout ou partie des lumières 3121 des cloisons 312 présentent des diamètres différents.

De façon préférentielle, on minimise le nombre de cloisons 312 présentant des lumières de diamètres différents afin de limiter le coût de fabrication de l'échangeur thermique, tout en garantissant un équilibrage fluidique optimal entre les différentes branches de l'échangeur thermique.

Dans un autre mode de réalisation, l'échangeur thermique présente une unique boîte collectrice 31 de retournement comprenant plusieurs chambres ou compartiments de retournement délimité(e)s par des cloisons internes étanches isolant fluidiquement les différentes branches.

Chaque chambre de retournement est associée à une branche de l'échangeur thermique (c'est-à-dire un tube d'entrée et un tube de sortie communiquant fluidiquement via le compartiment de retournement).

Dans chacune des chambres de retournement est disposée une cloison interne percée.

Dans une variante, chacune des chambres de retournement comprend un rétrécissement local de la section de la boîte collectrice 31 de retournement.

La figure 4 est une vue schématique de détail d'une autre configuration d'échangeur thermique d'un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention, au niveau d'une boîte collectrice de retournement.

Dans cet exemple, chaque branche comprend quatre tubes 11 multicanaux avec deux tubes d'entrée 11A adjacents juxtaposés à deux tubes de sortie 11B adjacents.

Le fluide circule dans les tubes 11A d'entrée et traverse ces derniers dans un premier sens, passe ensuite dans la boîte collectrice 31 de retournement, au travers d'une restriction locale du passage de fluide formée par une cloison 312 percée d'une lumière, et circule dans l'autre sens dans les tubes de sortie 11B.

La figure 5 est une vue schématique de détail d'une autre configuration d'échangeur thermique d'un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention, au niveau d'une boîte collectrice de retournement.

Dans cet exemple, chaque branche comprend quatre tubes 11 multicanaux avec deux tubes d'entrée 11A adjacents disposés au centre de la branche, et deux tubes de sortie 11B disposés de part et d'autres deux tubes d'entrée 11A.

Le fluide circule dans les tubes 11A d'entrée et traverse ces derniers dans un premier sens, passe ensuite dans la boîte collectrice 31 de retournement, au travers de deux restrictions locales du passage de fluide formées chacune par une cloison 312 percée d'une lumière, et circule dans l'autre sens dans les deux tubes de sortie 11B. La figure 6 est une vue schématique de détail d'une autre configuration d'échangeur thermique d'un dispositif de régulation thermique conforme à l'invention, au niveau d'une boîte collectrice de retournement.

Dans cet exemple, chaque branche comprend trois tubes 11 multicanaux avec un unique tube d'entrée 11A disposé au centre de la branche, et deux tubes de sortie 11B disposés de part et d'autres du tube d'entrée 11A.

Le fluide circule dans le tube 11A d'entrée et traverse ce dernier dans un premier sens, passe ensuite dans la boîte collectrice 31 de retournement, au travers de deux restrictions locales du passage de fluide formées chacune par une cloison 312 percée d'une lumière, et circule dans l'autre sens dans les deux tubes de sortie 11B.

Le tube d'entrée 11A central peut être de plus grande dimension dans la mesure où le débit de fluide caloporteur circulant à l'intérieur de ce dernier est deux fois supérieur au débit de chacun des tubes de sortie 11B.

Autres aspects et variantes

L'échangeur thermique du dispositif de régulation thermique conforme à l'invention comprend au moins deux branches comprenant chacune au moins un tube d'entrée et un tube de sortie du fluide caloporteur.

Chaque branche de l'échangeur thermique refroidit au moins un module de batterie.

Les boîtes collectrices 21, 22, 31 tubulaires formant les moyens distributeurs d'entrée, les moyens collecteurs de sortie et les chambres de retournement 313 peuvent présenter des diamètres différents.

Le diamètre de la ou des boîtes collectrices de retournement peut être inférieur à celui des boîtes collectrices d'entrée et de sortie, du fait que le débit dans la ou les boîtes collectrices de retournement est inférieur à celui dans les boîtes collectrices d'entrée et de sortie.

Dans un mode de réalisation particulier, seule une partie des chambres de retournement comprend des moyens de restriction du passage du fluide caloporteur.

Dans un mode de réalisation particulier, au moins une des boîtes collectrices de l'échangeur thermique est réalisée selon une technologie de fabrication différente des autres boîtes collectrices, à savoir :

- à partir d'un tube électrosoudé pour les boîtes collectrices d'entrée et de sortie ; - par emboutissage et brasage pour la ou les boîtes collectrices de retournement ;

- à partir de matière plastique.

L'échangeur thermique peut être assemblé par brasage, par collage ou par le biais de liaisons mécaniques.

Dans un mode de réalisation particulier, l'entrée et la sortie de fluide caloporteur sont situées sur des côtés opposés de l'échangeur thermique.

Par ailleurs, les branches de l'échangeur thermique peuvent comprendre un nombre pair ou impair de tubes.