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FR3076664A1 - Systeme de refroidissement d'au moins une batterie de vehicule automobile - Google Patents

Systeme de refroidissement d'au moins une batterie de vehicule automobile Download PDF

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FR3076664A1
FR3076664A1 FR1850202A FR1850202A FR3076664A1 FR 3076664 A1 FR3076664 A1 FR 3076664A1 FR 1850202 A FR1850202 A FR 1850202A FR 1850202 A FR1850202 A FR 1850202A FR 3076664 A1 FR3076664 A1 FR 3076664A1
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Esteban Candia
Eric Droulez
Anne-Sylvie Magnier-Cathenod
Carlos Martins
Bastien Jovet
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Valeo Systemes Thermiques SAS
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Abstract

L'invention concerne un système de refroidissement (1) d'au moins une batterie (2) de véhicule automobile, ce système comportant : - un compartiment fermé (3) agencé pour recevoir une batterie (2), - un fluide diélectrique (4) présent dans le compartiment de manière à pouvoir refroidir la batterie, - un dispositif de refroidissement (5) agencé pour refroidir le fluide diélectrique, ce dispositif de refroidissement comportant au moins un canal dans lequel peut circuler un fluide caloporteur distinct du fluide diélectrique, ce dispositif de refroidissement étant agencé de manière à permettre un refroidissement du fluide caloporteur par de l'air ambiant ou par échange thermique avec un ensemble de climatisation du véhicule automobile.

Description

Système de refroidissement d’au moins une batterie de véhicule automobile
La présente invention concerne un système de refroidissement d’au moins une batterie de véhicule automobile. L’invention est notamment applicable pour toutes les automobiles électriques ou hybrides avec un pack de batteries et un système de climatisation, et éventuellement une entrée de charge rapide des batteries.
Le brevet US8852772 décrit un système de refroidissement de batterie au lithium-ion, destiné à être utilisé dans un véhicule hybride. Ce système comprend une pluralité de modules de refroidissement liquide autonomes. Chaque module de refroidissement comprend une pluralité de cellules de batterie ayant au moins un canal de fluide formé entre celles-ci. Un fluide diélectrique est disposé dans au moins un canal de fluide. Le fluide diélectrique est en contact avec l'ensemble de la batterie pour chauffer et/ou refroidir l'ensemble de la batterie. Un élément chauffant peut être disposé dans l'espace intérieur et chauffe le fluide diélectrique. Un élément de refroidissement est disposé dans l'espace intérieur et refroidit le fluide diélectrique.
La demande de brevet FR3037727 et US20170179551A1 décrivent également un dispositif de refroidissement de batteries.
La présente invention vise à améliorer les systèmes connus. L’invention a ainsi pour objet un système de refroidissement d’au moins une batterie de véhicule automobile, ce système comportant : un compartiment fermé agencé pour recevoir une batterie ou des cellules de batteries, un fluide diélectrique présent dans le compartiment de manière à pouvoir refroidir la batterie ou les cellules de batterie, un dispositif de refroidissement agencé pour refroidir le fluide diélectrique, ce dispositif de refroidissement comportant au moins un canal dans lequel peut circuler un fluide caloporteur distinct du fluide diélectrique, ce dispositif de refroidissement étant agencé de manière à permettre un refroidissement du réfrigérant, au choix en fonction de paramètres, par de l’air ambiant, notamment avec un radiateur, ou par échange thermique avec un ensemble de climatisation, ou encore appelé ensemble d’air conditionné, du véhicule automobile.
De préférence, les cellules de batterie sont immergées dans le fluide diélectrique.
Le refroidissement du fluide diélectrique peut être une condensation du fluide passé en phase vapeur. L’invention permet notamment d’atteindre les avantages suivants : - la gestion thermique du système de refroidissement permet d’obtenir un gain en autonomie en refroidissant plus facilement avec l’air ambiant extérieur sans avoir recours à l’ensemble de climatisation, - maintenir la batterie, ou le cas échéant les cellules de batterie, à température de fonctionnement optimale lors d’une charge électrique rapide.
Selon un aspect de l’invention, le dispositif de refroidissement est connecté à une boucle basse température qui comprend un échangeur de chaleur, notamment un radiateur, dans lequel peut circuler ce réfrigérant, le radiateur étant au contact de l’air ambiant.
Avantageusement le radiateur est disposé sur une face avant du véhicule.
Selon un aspect de l’invention, la boucle basse température ne comporte pas de composant à refroidir en amont du système de refroidissement de la batterie.
Selon un aspect de l’invention, le dispositif de refroidissement est connecté à un échangeur de chaleur, notamment un refroidisseur ou chiller, qui est relié à l’ensemble de climatisation de sorte que le fluide caloporteur puisse être refroidi par échange thermique avec le fluide caloporteur de l’ensemble de climatisation.
Selon un aspect de l’invention, le fluide caloporteur est un liquide, notamment une eau glycolée.
Ainsi les échanges thermiques peuvent être efficaces, notamment par rapport à de l’air soufflé.
Selon un aspect de l’invention, le compartiment du pack batterie est essentiellement rempli de fluide diélectrique, en phase liquide ou gazeuse, sans présence substantielle d’air. Les échanges thermiques sont assurés principalement par le fluide diélectrique.
Selon un aspect de l’invention, le dispositif de refroidissement et le compartiment forment un module intégré, à savoir un ensemble manipulable comme un tout, ou dit autrement le dispositif de refroidissement et le compartiment ne sont pas déportés l’un de l’autre. Ainsi les échanges thermiques entre le dispositif de refroidissement et le compartiment peuvent être efficaces et la mise en œuvre peut être relativement simple. On peut ainsi éviter des conduits supplémentaires entre le dispositif de refroidissement et le compartiment qui est destiné à recevoir la ou les batteries, ou les cellules de batterie.
Selon un aspect de l’invention, le fluide diélectrique est en contact avec le ou les batteries, ou les cellules de batterie.
Selon un aspect de l’invention, le fluide diélectrique est agencé dans le compartiment à une pression négative aux températures usuelles (environ 30°) et, en opération de la batterie, la pression est de l’ordre de 0.5 bar à 20°C.
Selon un aspect de l’invention, le compartiment ne reçoit aucun dispositif de refroidissement électrique logé en son sein. Le refroidissement du fluide diélectrique est assuré par les échanges thermiques avec le fluide caloporteur circulant dans le dispositif de refroidissement, sans faire appel à un éventuel dispositif de refroidissement électrique logé dans le compartiment, ce type de dispositif pourrait alors générer une surconsommation électrique.
Selon un aspect de l’invention, le fluide diélectrique est maintenu, lors du fonctionnement du véhicule, à une température comprise entre 20 et 35°, notamment d’environ 30°. Ceci est un compromis satisfaisant entre le potentiel de refroidissement à l’air ambiant et les contraintes thermiques imposées par la ou les batteries, ou les cellules.
Selon un aspect de l’invention, le fluide diélectrique est un fluide capable de changer de phase lors du fonctionnement, notamment le fluide présente un point d’ébullition à 30° dans les conditions de pression dans le compartiment, notamment à 0.5 bar.
Selon un aspect de l’invention, le dispositif de refroidissement comporte un condenseur au contact duquel du fluide diélectrique, en phase gazeuse, peut se condenser.
Selon un aspect de l’invention, le condenseur comporte une plaque froide au contact de laquelle du fluide diélectrique, en phase gazeuse, peut se condenser.
Selon un aspect de l’invention, le canal dans lequel peut circuler le fluide caloporteur est formé sur le condenseur de manière à refroidir celui-ci. La température du réfrigérant, lorsqu’il passe dans le condenseur, est de préférence inférieure à 30°.
Selon un aspect de l’invention, le système est agencé pour provoquer la circulation de soit dans le radiateur en contact avec l’air ambiant soit dans le refroidisseur connecté à l’ensemble de climatisation du véhicule en fonction de l’un au moins des paramètres suivants : la température extérieure, la température de la ou des batteries, de l’état du véhicule représenté par exemple par la vitesse du véhicule, la puissance de charge de la batterie.
Compte tenu du contact direct avec la batterie, ou les cellules de batterie, et de la température d’environ 30° à laquelle est maintenu le fluide diélectrique, le fluide traversant le dispositif de refroidissement peut être prévu à des températures plus élevées que dans un système classique (environ 15-20°C) par exemple un système de type plaques froides qui présente plus de résistance thermique. On peut donc refroidir avec du liquide lui-même refroidi par de l’air jusqu’à des températures proches de 25-30°C. Ceci permet d’éviter un usage fréquent de l’ensemble de climatisation qui consomme de l’énergie.
Selon un aspect de l’invention, l’ensemble de climatisation comporte : - un compresseur pour comprimer le réfrigérant, - un condenseur en aval du compresseur et placé sur le chemin d’air de préférence derrière le radiateur, - deux vannes sur deux branches parallèles qui sont en aval du condenseur. L’invention a encore pour objet un procédé de refroidissement d’au moins une batterie ou un pack batterie de véhicule automobile, ce procédé comportant les étapes suivantes : fournir un compartiment fermé agencé pour recevoir une batterie ou des cellules de batterie, fournir un fluide diélectrique présent dans le compartiment de manière à pouvoir refroidir la batterie ou les cellules, fournir un dispositif de refroidissement agencé pour refroidir le fluide diélectrique, ce dispositif de refroidissement comportant au moins un canal dans lequel peut circuler un fluide caloporteur distinct du fluide diélectrique, refroidir le réfrigérant, selon un mode de refroidissement, par de l’air ambiant ou, selon un autre mode de refroidissement, par échange thermique avec un ensemble de climatisation du véhicule automobile, basculer de l’un des modes de refroidissement à l’autre en fonction de l’un au moins des paramètres suivants : la température extérieure, la température de la ou des batteries, de l’état du véhicule représenté par exemple par la vitesse du véhicule, sa consommation en charge ou en décharge.
Ledit basculement peut être conditionné par des comparaisons de la température de batterie ou de la température extérieure avec une température Cible ou Seuil.
Le procédé peut comporter les étapes suivantes : - Acquisition de données de température extérieure et température des cellules de batterie - Détermination si la température des cellules est supérieure à une température cible Tcible - si la température des cellules n’est pas supérieure à Tcible, pas de besoin de refroidissement - si la température des cellules est supérieure à Tcible, détermination si la température extérieure est supérieure à une température cible Tseuil - si la température extérieure n’est pas supérieure à Tseuil, évacuation des calories dans le radiateur basse température - la vanne liquide est orientée vers le radiateur basse température et la vanne réfrigérant vers le refroidisseur est en position fermée - si la température extérieure est supérieure à Tseuil, évacuation des calories dans le refroidisseur - la vanne liquide est orientée vers le refroidisseur et la vanne réfrigérant vers le refroidisseur est en position ouverte. 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’exemples non limitatifs en référence au dessin annexé dans lequel : - la figure 1 illustre, schématiquement et partiellement, un système de refroidissement selon l’invention et son environnement, - la figure 2 illustre, schématiquement et partiellement, le système de refroidissement de la figure 1, - la figure 3 illustre des étapes du procédé de gestion thermique.
On a représenté sur les figures 1 et 2 un système de refroidissement 1 d’un pack batterie 2 de véhicule automobile, ce système comportant : un compartiment fermé 3 agencé pour recevoir les cellules de batterie 2, un fluide diélectrique 4 présent dans le compartiment 3 de manière à pouvoir refroidir les cellules de batterie, un dispositif de refroidissement 5 agencé pour refroidir le fluide diélectrique 3, ce dispositif de refroidissement 5 comportant un canal 8 dans lequel peut circuler un fluide caloporteur distinct du fluide diélectrique 4, ce dispositif de refroidissement 5 étant agencé de manière à permettre un refroidissement du réfrigérant, au choix en fonction de paramètres, par de l’air ambiant ou par échange thermique avec un ensemble de climatisation 10, ou encore appelé ensemble d’air conditionné, du véhicule automobile. L’ensemble de climatisation 10 peut comporter, de manière connue, un évaporateur, un condenseur, un compresseur, un détendeur et des vannes (non représentés).
Le fluide caloporteur utilisé dans l’ensemble de climatisation 10 peut être choisi parmi les fluides d’appellation 134a, 1234yf, ou CO2.
Les cellules de batterie 2 comprennent par exemple une pluralité de batteries au lithium-ion (Li-ion) pour une utilisation dans un véhicule hybride. Dans un autre mode de réalisation, la pluralité de cellules de batterie sont des batteries Li-ion pour une utilisation dans un véhicule électrique à batterie.
Les cellules de la batterie 20 peuvent être empilées.
Les cellules de batterie 2 sont complètement immergées dans le fluide diélectrique 4.
Le dispositif de refroidissement 5 est connecté à une boucle basse température 11 qui comprend un échangeur de chaleur, ici un radiateur 12, dans lequel peut circuler le réfrigérant, le radiateur étant au contact de l’air ambiant.
Le radiateur 12 est disposé sur une face avant du véhicule de manière à pouvoir être refroidi par l’air extérieur 14 qui circule à son contact.
Par ailleurs, le dispositif de refroidissement 5 est connecté à un échangeur de chaleur, ici un refroidisseur 15 ou chiller, qui est placé dans l’ensemble de climatisation 10 de sorte que le fluide caloporteur puisse être refroidi par échange thermique avec le radiateur de l’ensemble de climatisation 10.
Le fluide caloporteur est une eau glycolée.
Le compartiment 3 peut être formé pour générer une circulation verticale de fluide diélectrique entre les cellules du pack.
Selon un aspect de l’invention, le dispositif de refroidissement 5 et le compartiment 3 forment un module intégré, à savoir un ensemble manipulable comme un tout, ou dit autrement le dispositif de refroidissement et le compartiment ne sont pas déportés l’un de l’autre. Ainsi les échanges thermiques entre le dispositif de refroidissement et le compartiment peuvent être efficaces et la mise en œuvre peut être relativement simple.
Le dispositif de refroidissement 5 comporte un condenseur 20 au contact duquel du fluide diélectrique 4, en phase gazeuse, peut se condenser. Le condenseur 20 comporte une plaque froide, ou plusieurs surfaces, au contact de laquelle ou desquelles du fluide diélectrique, en phase gazeuse, peut se condenser.
Le système 1 est agencé pour provoquer la circulation de fluide caloporteur soit dans le radiateur 12 en contact avec l’air ambiant soit dans le refroidisseur 15 connecté à l’ensemble de climatisation 10 du véhicule en fonction de l’un au moins des paramètres suivants : la température extérieure, la température de la ou des batteries, de l’état du véhicule représenté par exemple par la vitesse du véhicule.
Une pompe 30 est prévue en aval du dispositif de refroidissement 5 pour faire circuler le fluide caloporteur dans ce dispositif 5.
Une vanne 3 voies 31 est prévue en aval du dispositif de refroidissement 5 pour envoyer le réfrigérant, selon le fonctionnement, soit vers le refroidisseur 15 (ou chiller) soit dans la boucle basse température 11 (avec un radiateur basse température). L’ensemble de climatisation 10 comporte : - un compresseur 30 pour comprimer le réfrigérant, - un condenseur 31 en aval du compresseur 30 et placé sur le chemin d’air 14 de préférence derrière le radiateur 12, - deux vannes 32 et 33 sur deux branches parallèles 34 et 35 qui sont en aval du condenseur 31.
La branche 34 débouche sur un détendeur 36 disposé en amont d’un évaporateur 38. L’autre branche 35 débouche sur un autre détendeur 39 qui est disposé en amont du refroidisseur 15.
Les deux détendeurs 36 et 39 sont connectés au compresseur 30.
Un élément de chauffage additionnel du fluide caloporteur 50 est prévu entre le compresseur 30 et le chiller 5, qui peut être un chauffage électrique ou un échangeur de chaleur de type condenseur à eau par exemple.
Lors du roulage ou de la charge électrique du véhicule, le système 1 permet de refroidir le réfrigérant, selon un mode de refroidissement : - par de l’air ambiant en utilisant la boucle basse température 11 et ainsi le radiateur 12 si la température ambiante Tamb est inférieure à 30° (étape 20), - par échange thermique avec l’ensemble de climatisation 10 du véhicule automobile si la température ambiante Tamb est supérieure à 30° environ (étape 21). Dans ce cas, l’ensemble de climatisation 10 est en marche.
Il est possible de prévoir qu’un ventilateur de la voiture permet le passage d’air sans roulage.
Dans le cas d’un démarrage à froid, lorsque la température ambiante est très basse, principalement en hiver, la batterie sera normalement à basse température aussi.
Lors d’une charge rapide ou ultra-rapide de batteries, comme illustré sur la figure 3, l’invention met en œuvre les étapes suivantes, notamment pour maintenir la température de batterie en dessous de 30°.
Etape 100 : Début
Etape 101 : Acquisition de données de température extérieure et température des cellules de batterie
Etape 102: Détermination si la température des cellules est supérieure à une température cible Tcible
Etape 103: si la température des cellules n’est pas supérieure à Tcible, pas de besoin de refroidissement
Etape 104 : si la température des cellules est supérieure à Tcible, détermination si la température extérieure est supérieure à une température cible Tseuil
Etape 105: si la température extérieure n’est pas supérieure à Tseuil, évacuation des calories dans le radiateur basse température 12
Etape 106: la vanne liquide est orientée vers le radiateur basse température 12 et la vanne réfrigérant 33 vers le refroidisseur 15 est en position fermée
Etape 107 : si la température extérieure est supérieure à Tseuil, évacuation des calories dans le refroidisseur 15
Etape 108 : la vanne liquide est orientée vers le refroidisseur 15 et la vanne réfrigérant 33 vers le refroidisseur 15 est en position ouverte.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système de refroidissement (1) d’au moins une batterie (2) de véhicule automobile, ce système comportant : un compartiment fermé (3) agencé pour recevoir une batterie ou des cellules de batterie(2), un fluide diélectrique (4) présent dans le compartiment de manière à pouvoir refroidir la batterie, un dispositif de refroidissement (5) agencé pour refroidir le fluide diélectrique, ce dispositif de refroidissement comportant au moins un canal dans lequel peut circuler un fluide caloporteur distinct du fluide diélectrique, ce dispositif de refroidissement étant agencé de manière à permettre un refroidissement du réfrigérant, au choix en fonction de paramètres, par de l’air ambiant ou par échange thermique avec un ensemble de climatisation, ou encore appelé ensemble d’air conditionné, du véhicule automobile.
  2. 2. Système selon la revendication précédente, dans lequel le dispositif de refroidissement est connecté à une boucle basse température (11) qui comprend un échangeur de chaleur, notamment un radiateur (12), dans lequel peut circuler ce réfrigérant, le radiateur étant au contact de l’air ambiant.
  3. 3. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de refroidissement (5) est connecté à un échangeur de chaleur, notamment un refroidisseur (15) ou chiller, qui est relié à l’ensemble de climatisation (10) de sorte que le fluide caloporteur puisse être refroidi par échange thermique avec l’ensemble de climatisation.
  4. 4. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le compartiment (3) est rempli de fluide diélectrique, en phase liquide ou gazeuse.
  5. 5. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de refroidissement (5) et le compartiment (3) forment un module intégré.
  6. 6. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le fluide diélectrique est un fluide capable de changer de phase lors du fonctionnement, notamment le fluide présente un point d’ébullition à ou proche de 30°C
  7. 7. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de refroidissement comporte un condenseur (20) au contact duquel du fluide diélectrique, en phase gazeuse, peut se condenser.
  8. 8. Système selon la revendication précédente, dans lequel le condenseur comporte une plaque froide au contact de laquelle du fluide diélectrique, en phase gazeuse, peut se condenser.
  9. 9. Système selon l’une des revendications précédentes, dans fequel l’ensemble de climatisation (10) comporte : - un compresseur (30) pour comprimer le réfrigérant, - un condenseur (31) en aval du compresseur (30) et placé sur le chemin d’air (14) de préférence derrière le radiateur (12), - deux vannes (32) et (33) sur deux branches parallèles (34) et (35) qui sont en aval du condenseur (31 ).
  10. 10. Procédé de refroidissement d’au moins une batterie ou un pack batterie de véhicule automobile, ce procédé comportant les étapes suivantes : fournir un compartiment (3) fermé agencé pour recevoir une batterie ou un pack batterie, fournir un fluide diélectrique présent dans le compartiment de manière à pouvoir refroidir la batterie, fournir un dispositif de refroidissement (5) agencé pour refroidir le fluide diélectrique, ce dispositif de refroidissement comportant au moins un canal dans lequel peut circuler un fluide caloporteur distinct du fluide diélectrique, refroidir le réfrigérant, selon un mode de refroidissement, par de l’air ambiant ou, selon un autre mode de refroidissement, par échange thermique avec un ensemble de climatisation (10) du véhicule automobile, basculer de l’un des modes de refroidissement à l’autre en fonction de l’un au moins des paramètres suivants : la température extérieure, la température de la ou des batteries, de l’état du véhicule représenté par exemple par la vitesse du véhicule, sa consommation en charge ou en décharge.
  11. 11. Procédé selon la revendication précédente, comportant les étapes suivantes : - Acquisition de données de température extérieure et température des cellules de batterie - Détermination si la température des cellules est supérieure à une température cible Tcible - si la température des cellules n’est pas supérieure à Tcible, pas de besoin de refroidissement - si la température des cellules est supérieure à Tcible, détermination si la température extérieure est supérieure à une température cible Tseuil - si la température extérieure n’est pas supérieure à Tseuil, évacuation des calories dans le radiateur basse température (12) - la vanne liquide est orientée vers le radiateur basse température (12) et la vanne réfrigérant (33) vers le refroidisseur (15) est en position fermée - si la température extérieure est supérieure à Tseuil, évacuation des calories dans le refroidisseur (15) - la vanne liquide est orientée vers le refroidisseur (15) et la vanne réfrigérant (33) vers le refroidisseur (15) est en position ouverte.
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