TITRE : Dispositif de régulation de température d'un élément électrique susceptible de dégager de la chaleur en fonctionnement et pack-batterie comprenant un tel dispositif

La présente invention concerne un dispositif de régulation de température d'un élément électrique susceptible de dégager de la chaleur en fonctionnement, ainsi qu'un pack-batterie comprenant un tel dispositif.

La régulation thermique des éléments électriques susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement, tels que des batteries, est un aspect primordial pour la gestion de leur efficacité. Par exemple, dans le domaine des véhicules automobiles électriques et hybrides, si des batteries sont soumises à des températures trop froides, leur autonomie peut décroître fortement et si elles sont soumises à des températures trop importantes, il y a un risque d'emballement thermique pouvant aller jusqu'à la destruction de la batterie. Il en est de même pour des éléments électriques susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement dans d'autres domaines comme par exemple le domaine des systèmes informatiques tels que des serveurs. Certains éléments d'un système informatique tels que par exemple des microprocesseurs risquent, si une température critique est atteinte, d'altérer le fonctionnement de l'ensemble du système informatique.

Dans les véhicules électriques et hybrides, les batteries sont généralement sous forme de cellules disposées en parallèles dans un boîtier de protection et forment ce que l'on appelle un pack batterie. Afin de réguler la température des cellules, il est connu d'ajouter un dispositif de régulation de température. Ces dispositifs comportent généralement un circuit de transport calorifique incorporé en partie à l'intérieur du boîtier du pack batterie et en contact direct ou indirect avec les batteries. Dans de tels pack batterie, la majorité des éléments permettant de contribuer à la régulation thermique du fluide servant à refroidir ou réchauffer les batteries tel qu'un refroidisseur du fluide, un radiateur de chauffage du fluide, un échangeur thermique bi-fluide, un vase d'expansion etc. sont localisés à l'extérieur de l'architecture des boîtiers de protection. Seuls les refroidisseurs de batterie et les tubulures de distribution du fluide sont localisés dans le boîtier du pack batterie. Une telle architecture implique la présence de tubulures entre le boîtier et les éléments externes audit boîtier, ce qui génère de l'encombrement et des difficultés d'installation et de maintenance.

L'invention vise à résoudre ces problèmes techniques en proposant un dispositif de régulation de température d'un ou plusieurs éléments électriques susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement, ledit dispositif comprenant un boîtier principal définissant un compartiment principal subdivisé en un premier compartiment destiné à recevoir le ou les éléments électriques susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement et configuré pour permettre une régulation de température dudit ou desdits éléments électriques à l'aide d'un premier fluide, et un deuxième compartiment définissant un vase d'expansion dudit premier fluide et recevant au moins un élément permettant la distribution fluidique et/ou au moins un élément permettant la gestion thermique du premier fluide.

Cette intégration de différents éléments dans le boîtier principal permet entre autre de réduire le nombre de tubulure et de connexions, de gagner en compacité et de réduire la masse du dispositif de régulation de température. De plus, l'installation et la maintenance du dispositif de régulation de température est également facilité.

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

- le premier compartiment et le deuxième compartiment sont séparés par une cloison de séparation, - la cloison de séparation est configurée de sorte à permettre un échange fluidique, en particulier un échange fluidique contrôlé, entre le premier compartiment et le deuxième compartiment,

- la cloison de séparation est sensiblement parallèle à une paroi latérale du boîtier,

- la cloison de séparation est sensiblement parallèle à un fond du boîtier,

- le boîtier principal comprend un couvercle amovible,

- le premier compartiment comprend un système de régulation de température associé aux éléments électriques,

- le système de régulation de température comprend un circuit de transport fluidique du premier fluide,

- le circuit de transport fluidique du premier fluide comprend au moins un conduit,

- le circuit de transport fluidique du premier fluide est au moins partiellement intégré dans la structure du boîtier,

- le circuit de transport fluidique du premier fluide est intégré dans le boîtier par surmoulage,

- le système de régulation de température associé aux éléments électriques comprend un échangeur thermique,

- le circuit de transport fluidique au sein du premier compartiment est de type fermé de sorte que le premier fluide circule dans un ou des échangeurs thermiques destinés à être en contact avec le ou les éléments électriques,

- le premier fluide peut être de l'eau glycolée ou un réfrigérant,

- l'échangeur thermique est de type refroidisseur de batterie,

- le premier fluide est un fluide diélectrique,

- le circuit de transport fluidique au sein du premier compartiment est de type ouvert de sorte que le fluide diélectrique vienne directement au contact éléments électriques au sein du premier compartiment,

- le circuit de transport de fluide diélectrique comprend des moyens pour créer un flux de liquide diélectrique au sein du premier compartiment,

- le circuit de transport de fluide diélectrique comprend des moyens pour arroser la surface des éléments électriques à l'aide dudit fluide diélectrique,

- le circuit de transport de fluide diélectrique comprend des buses, - les éléments permettant la distribution fluidique du premier fluide comprennent une pompe,

- les éléments permettant la gestion thermique du premier fluide comprennent un échangeur de chaleur de type refroidisseur,

- les éléments permettant la gestion thermique du premier fluide comprennent une cellule Peltier,

- les éléments permettant la gestion thermique du premier fluide comprennent un radiateur de chauffage,

- les éléments permettant la gestion thermique du premier fluide comprennent un élément résistif,- le boîtier principal comprend une série d'ouvertures permettant une connexion étanche des différents éléments du deuxième compartiment avec un système externe,

- la cloison est formée en continuité de matière avec le boîtier principal,

- le couvercle du boîtier principal permet de refermer à la fois le premier compartiment et le deuxième compartiment,

- le circuit de transport calorifique du premier compartiment est au moins partiellement intégré dans une structure du boîtier,

- le circuit de transport calorifique du premier compartiment est intégré dans le boîtier par surmoulage,

- l'échangeur thermique du premier compartiment est au moins partiellement intégré dans la structure du boîtier,

- l'échangeur thermique du premier compartiment est intégré dans le boîtier par surmoulage,

- le deuxième compartiment est formé par un deuxième boîtier indépendant logé dans le boîtier principal,

- la cloison de séparation consiste en une paroi du deuxième boîtier indépendant,

- la cloison de séparation est sensiblement parallèle à une paroi latérale du boîtier principal de sorte que le deuxième compartiment est situé à côté du premier compartiment,

- la cloison de séparation est sensiblement parallèle à un fond du boîtier de sorte que le deuxième compartiment est situé en dessous du premier compartiment, - le deuxième boîtier comprend une série d'ouvertures permettant une connexion étanche des différents éléments du deuxième compartiment avec un système externe,

- le deuxième boîtier indépendant est fixé dans le boîtier principal de manière réversible de sorte à pouvoir être démonté,

- le deuxième boîtier indépendant comprend un couvercle indépendant,

- la fixation des différents composants intégrés dans le deuxième compartiment se fait par vissage et/ou platine de fixation avec une étanchéité notamment par des joints élastomères.

L'invention concerne également un pack batterie comprenant le dispositif de régulation de température décrit plus haut ainsi qu'au moins un élément électrique logé dans ledit premier compartiment du dispositif, le ou lesdits éléments électriques comprenant au moins une cellule de batterie.

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 :

- [Fig. 1] la figure 1, illustre en perspective de façon schématique un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, ainsi qu'un pack batterie selon l'invention

- [Fig. 2] la figure 2, illustre en perspective de façon schématique un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention,

- [Fig. 3] la figure 3, illustre en perspective de façon schématique un troisième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention,

- [Fig. 4] la figure 4, est une illustration en vue en coupe d'un quatrième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention,

- [Fig.5] la figure 5 est une illustration en vue en coupe d'un cinquième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention.

Comme illustré à la figure 1, l'invention concerne un dispositif 1 de régulation de température d'un élément électrique 7 susceptible de dégager de la chaleur en fonctionnement. Ledit dispositif 1 comprend un boîtier principal 2 définissant un compartiment principal. Avantageusement, le boîtier principal 2 présente sensiblement la forme d'un parallélépipède. Le boîtier principal 2 peut comprendre des parois latérales, un fond et un couvercle 3. Avantageusement, le couvercle 3 du boîtier principal est amovible.

Le compartiment principal est subdivisé en un premier compartiment 10 et un deuxième compartiment 20. Le premier compartiment 10 est destiné à recevoir au moins un élément électrique 7 susceptible de dégager de la chaleur en fonctionnement. Ces éléments électriques 7 susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement peuvent notamment être des cellules de batteries, des microprocesseurs ou autre composants de systèmes informatiques tels que des serveurs. Le premier compartiment 10 est configuré pour permettre une régulation de température dudit ou desdits éléments électriques à l'aide d'un premier fluide. Pour cela, il comprend un système de régulation de température dudit ou desdits éléments électriques 7 à l'aide dudit premier fluide.

Le deuxième compartiment 20 définit quant à lui un vase d'expansion dudit premier fluide et comprend au moins un élément permettant la distribution fluidique et/ou au moins un élément permettant la gestion thermique du premier fluide. Un vase d'expansion correspond à un dispositif capable d'absorber les variations de volume d'un fluide d'un circuit de refroidissement/chauffage en fonction de la température. Dans l'état de l'art, pour un dispositif de régulation de température d'une batterie, il s'agit généralement d'un petit réservoir capable d'absorber les variations de volume d'un liquide caloporteur et situé à l'extérieur du boîtier du pack batterie. Dans la présente invention, le vase d'expansion est formé par le deuxième compartiment 20 s'inscrivant dans le boîtier principal 2 du dispositif 1 de régulation de température. En d'autres termes les éléments situés dans le deuxième compartiment 20 et permettant la distribution fluidique et la gestion thermique du premier fluide sont immergés, au moins partiellement, dans le premier fluide et ceci de sorte à pouvoir réaliser un échange thermique avec ledit premier fluide à tout le moins pour les éléments permettant la gestion thermique du premier fluide. Le deuxième compartiment 20 constitue ainsi un réservoirdu premierfluide. Son volume est choisi en fonction du volume total du premier fluide, de sorte à présenter un volume mort suffisant pour absorber les variations de volumes éventuelles dudit fluide. Le premier fluide peut en particulier être un liquide caloporteur. Avantageusement, le premier fluide est de l'eau glycolée ou un réfrigérant.

L'intégration, au sein du deuxième compartiment 20 du dispositif 1 de régulation de température, de la fonction du vase d'expansion ainsi que des éléments permettant la distribution fluidique et la gestion thermique du premier fluide permet de gagner en compacité, de diminuer le nombre de connexions et de réduire la masse du dispositif.

Avantageusement, le premier compartiment 10 et le deuxième compartiment 20 sont séparés par une cloison 30 de séparation.

En fonction de la nature du premier fluide, il peut être nécessaire d'empêcher un contact direct entre ledit fluide et les éléments électriques 7. Nous reviendrons plus en détail sur ce point plus loin dans la description.

Avantageusement, la cloison de séparation 30 est configurée de sorte à permettre un échange fluidique contrôlé entre le premier compartiment 10 et le deuxième compartiment 20. La cloison 30 de séparation peut par exemple comprendre une première ouverture pour le passage du premier fluide du premier compartiment 10 vers le deuxième compartiment 20, et une seconde ouverture pour le passage du premier fluide du deuxième compartiment 20 vers le premier compartiment 10. Les ouvertures de la cloison de séparation 30 ne sont pas ici représentées.

Plusieurs configurations du boîtier principal 2 et de la cloison de séparation 30 sont possibles. Selon une première configuration, la cloison de séparation 30 est sensiblement parallèle à une paroi latérale du boîtier principal 2. Le premier compartiment 10 et le deuxième compartiment 20 sont alors situés l'un à côté de l'autre. Cette configuration correspond aux modes de réalisations représentés aux figures 1 à 3. Selon une autre configuration, la cloison de séparation 30 est sensiblement parallèle au fond du boîtier principal 2. Le premier compartiment 10 et le deuxième compartiment 20 sont alors situés l'un en dessous de l'autre. Cette configuration correspond au mode de réalisation représenté aux figures 4 et 5.

Préférentiellement, le système de régulation de température associé aux éléments électriques 7 comprend un circuit de transport fluidique 11 du premier fluide. Avantageusement, les éléments permettant la distribution fluidique du premier fluide comprennent une pompe. Ladite pompe est configurée pour aspirer ledit premier fluide dans le deuxième compartiment 20 et le mettre sous pression dans le circuit de transport fluidique 11.

Avantageusement encore, les éléments permettant la gestion thermique du fluide comprennent échangeur de chaleur tel qu'un refroidisseur. Le refroidisseur est traversé pas un second fluide, comme par exemple un liquide réfrigérant, permettant de refroidir le premier fluide.

Alternativement, les éléments permettant la gestion thermique du premier fluide comprennent également un radiateur de chauffage. Le radiateur de chauffage est un élément chauffant permettant de chauffer le premier fluide de sorte à faire monter les éléments électriques 7 en température.

Avantageusement, les éléments permettant la gestion thermique du premier fluide comprennent un échangeur de chaleur pouvant à la fois chauffer et refroidir ledit premier fluide. Dans ce cas, le premier fluide est avantageusement de type liquide de refroidissement, par exemple de l'eau glycolée.

Avantageusement encore, les éléments permettant la gestion thermique du premier fluide comprennent une cellule Peltier.

Préférentiellement, le boîtier principal 2 comprend une série d'ouvertures 32 permettant une connexion étanche des différents éléments du deuxième compartiment 20 avec un système externe. Par exemple, le refroidisseur du deuxième compartiment 20 peut être connecté de façon étanche à un circuit de fluide réfrigérant d'un système de climatisation externe. De la même manière, la pompe peut être connectée avec un système d'alimentation électrique externe. Ainsi, en fonctionnement, le premier fluide présent dans le deuxième compartiment 20 est aspiré par la pompe et mis sous pression dans le circuit de transport fluidique 11. Le premier fluide est alors transporté dans le premier compartiment 10 et amené au contact, direct ou indirect, des éléments électriques 7 susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement. Se produit alors un transfert de chaleur entre les éléments électriques 7 et le premier fluide qui monte ou descend en température et qui est ensuite transporté dans le deuxième compartiment 20. Le premier fluide vient alors au contact direct du ou des échangeurs de chaleur présents dans le deuxième compartiment 20 et est refroidi et/ou réchauffé par ces derniers. Une fois refroidit et/ou réchauffé, le premier fluide est à nouveau mis sous pression dans le circuit de transport fluidique 11.

Selon un mode de réalisation représenté aux figures 1 et 2, le circuit de transport fluidique 11 du premier fluide au sein du premier compartiment est avantageusement de type fermé de sorte qu'il n'y ait pas de contact direct entre les éléments électriques 7 et le premier fluide. Le système de régulation de température associé aux éléments électriques 7 comprend alors un échangeur thermique 12. Un tel échangeur thermique 12 peut par exemple consister en une pluralité de plaques venant au contact des éléments électriques 7 et au travers desquels circule le premier fluide. Dans les modes de réalisation des figures 1 et 2, l'échangeur thermique 12 consiste en une série de plaques disposées contre le fond du boîtier 2. Une face inférieure des éléments électriques 7 vient alors au contact des plaques et un échange de chaleur est réalisé. La disposition des plaques illustrées ici n'est nullement limitative. On peut imaginer une série de plaque s'étendant depuis le fond du boîtier vers le couvercle 3 du boîtier 2 et destinées à s'insérer entre les éléments électriques 7 de sorte à venir au contact de leurs faces latérales. Dans cette configuration, la cloison 30 de séparation permet de séparer le premierfluide présent dans le deuxième compartiment 20 des éléments électriques 7. Selon un mode de réalisation représenté à la figure 3, le circuit de transport fluidique 11 du premier fluide au sein du premier compartiment 10 est avantageusement de type ouvert de sorte que le premier fluide puisse venir directement au contact des éléments électriques 7 au sein du premier compartiment 10. Le premier fluide est alors un liquide diélectrique de sorte à éviter toute interaction électrique avec les éléments électriques 7.

Selon ce mode de réalisation, le compartiment principal peut être rempli, au moins en partie, d'un liquide diélectrique de sorte que les éléments électriques 7 soient au moins en partie immergés dans ledit liquide diélectrique. Le circuit de transport fluidique 11 comprend alors avantageusement des moyens pour créer un flux de liquide diélectrique au sein du premier compartiment 10. Ces moyens pour créer un flux de liquide diélectrique peuvent comprendre des buses 13.

Selon une autre configuration non représentée, le circuit de transport de fluide diélectrique peut comprendre des moyens pour arroser la surface des éléments électriques 7 à l'aide dudit fluide diélectrique. Les éléments électriques 7 ne sont alors pas immergés dans le liquide diélectrique mais ce dernier est projeté à leur surface avant d'être réintroduit dans le circuit de transport fluidique 11. Les moyens pour arroser la surface des éléments électriques 7 peuvent comprendre des rampes et/ou des buses d'aspersion.

Toujours selon ce mode de réalisation, la cloison de séparation 30 est configurée de sorte à permettre un échange fluidique contrôlé entre le premier compartiment 10 et deuxième compartiment 20.

Selon un mode de réalisation représenté aux figures 1 à 3, la cloison 30 est formée en continuité de matière avec le boîtier principal 2. Ainsi, le deuxième compartiment 20 fait partie intégrante du boîtier principal 2. Avantageusement, le circuit de transport fluidique 11, qu'il soit de type ouvert ou fermé, et/ou l'échangeur thermique 12 du premier compartiment 10 sont au moins partiellement intégrés dans la structure du boîtier 2. En pratique, le circuit de transport fluidique 11 peut consister en une série de canaux réalisés par surmoulage directement dans le boîtier principal 2. Il en est de même pour l'échangeur thermique 12 du premier compartiment 10. Ceci permet de réduire encore d'avantage l'encombrement, de diminuer le nombre de connexions et de réduire la masse du dispositif.

Dans le dispositif 1 représenté à la figure 1, le circuit de transport fluidique 11 comprend un canal partant du deuxième compartiment 20 et traversant une partie d'une paroi latérale du boîtier 2. Ledit canal est ici par exemple intégré au boîtier par surmoulage. Cette première portion lia du circuit de transport fluidique 11 correspond à l'arrivée du premierfluide dans le premier compartiment 10. Le premier fluide traverse alors l'échangeur thermique 12 qui est lui-même intégré dans le fond du boîtier 2 et ressort dans une seconde portion 11b du circuit de transport fluidique 11 au niveau de la paroi latérale opposée. Ladite seconde portion 11b comprend également un canal intégré au boîtier par surmoulage. Cette seconde portion 11b du circuit de transport fluidique 11 correspond à la sortie du premier fluide du premier compartiment 10. Dans cette configuration les échangeurs de chaleur du premier compartiment 10 présentent avantageusement une circulation en un nombre impairs de passes.

Dans le dispositif 1 représenté à la figure 2, les deux portions lia et 11b du circuit de transport fluidique 11, à savoir l'arrivée et la sortie du premier fluide, sont situées dans la même paroi latérale du boîtier 2. Dans cette configuration les échangeurs de chaleur du premier compartiment 10 présentent avantageusement une circulation en un nombre pairs de passes.

Dans le dispositif 1 représenté à la figure 3, le circuit de transport fluidique 11 n'est constitué que d'une portion lia d'arrivée de fluide. Cette portion consiste en l'occurrence en une série de canaux partant du deuxième compartiment 20, passant dans les parois latérales du boîtier 2 adjacentes audit deuxième compartiment 20 jusqu'à la paroi latérale opposée audit deuxième compartiment 20. Le premierfluide est alors projeté par des buses 13, entre au contact des éléments électriques 7 puis traverse une ou des ouvertures de retour ménagées dans la cloison de séparation 30 de sorte à retourner dans le deuxième compartiment 20.

Selon un autre mode de réalisation non représenté, le deuxième compartiment 20 est formé par un deuxième boîtier indépendant logé dans le boîtier principal 2. La cloison 30 de séparation consiste alors en une paroi dudit deuxième boîtier indépendant. Les différents éléments permettant la distribution fluidique et la gestion thermique du premier fluide sont alors fixés dans le deuxième boîtier indépendant par vissage et/ou à l'aide de platine de fixation avec une étanchéité réalisée par des joints élastomères.

Avantageusement, le deuxième boîtier indépendant est fixé dans le boîtier principal 2 de manière réversible de sorte à pouvoir être démonté. Il est alors possible pour un opérateur de démonter le deuxième boîtier indépendant et ainsi d'avoir accès aux éléments permettant la distribution fluidique et la gestion thermique du premier fluide même avec un accès limité et ce sans démonter l'ensemble du dispositif.

Selon un mode de réalisation illustré aux figures 4 et 5, le premier compartiment 10 et le deuxième compartiment 20 sont situés l'un en dessous de l'autre. La cloison de séparation 30 est alors sensiblement parallèle au fond du boîtier principal 2.

Dans le mode de réalisation de la figure 4, le circuit de transport fluidique 11 du premier fluide au sein du premier compartiment est de type fermé de sorte qu'il n'y ait pas de contact direct entre les éléments électriques 7 et le premier fluide. Le système de régulation de température associé aux éléments électriques 7 comprend alors un échangeurthermique 12. Cette configuration, avec le premier compartiment 10 et le deuxième compartiment 20 situés l'un en dessous de l'autre, permet notamment de diminuer la longueur du circuit de transport fluidique 11 et donc la quantité de fluide nécessaire.

Dans le mode de réalisation de la figure 5, le circuit de transport fluidique 11 du premier fluide au sein du premier compartiment 10 est avantageusement de type ouvert de sorte que le premier fluide puisse venir directement au contact des éléments électriques 7 au sein du premier compartiment 10. Le premier fluide est alors un liquide diélectrique de sorte à éviter toute interaction électrique avec les éléments électriques 7. La présente invention concerne également un pack batterie 100 comprenant le dispositif 1 de régulation de température décrit plus haut ainsi qu'au moins un élément électrique 7 logé dans ledit premier compartiment 10 du dispositif 1, le ou lesdits éléments électriques 7 comprenant au moins une cellule de batterie.