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WO2019155179A1 - Systeme de refroidissement d'au moins une batterie de véhicule automobile - Google Patents

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

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WO2019155179A1
WO2019155179A1 PCT/FR2019/050306 FR2019050306W WO2019155179A1 WO 2019155179 A1 WO2019155179 A1 WO 2019155179A1 FR 2019050306 W FR2019050306 W FR 2019050306W WO 2019155179 A1 WO2019155179 A1 WO 2019155179A1
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WO
WIPO (PCT)
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cooling device
cooling
battery
air conditioning
temperature
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2019/050306
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Inventor
Bastien Jovet
Eric Droulez
Carlos Martins
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Systemes Thermiques SAS
Original Assignee
Valeo Systemes Thermiques SAS
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Publication date
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a cooling system of at least one motor vehicle battery.
  • the invention is particularly applicable for all electric or hybrid cars with a battery pack and an air conditioning system, and possibly a fast charging input batteries.
  • US8852772 discloses a lithium ion battery cooling system for use in a hybrid vehicle.
  • This system comprises a plurality of autonomous liquid cooling modules.
  • Each cooling module includes a plurality of battery cells having at least one fluid channel formed therebetween.
  • a dielectric fluid is disposed in at least one fluid channel. The dielectric fluid is in contact with the entire battery to heat and / or cool the entire battery.
  • a heating element may be disposed in the interior space and heats the dielectric fluid.
  • a cooling element is disposed in the interior space and cools the dielectric fluid.
  • the present invention aims to improve the known systems.
  • the subject of the invention is thus a cooling system for at least one motor vehicle battery, this system comprising:
  • a closed compartment arranged to receive a battery or battery cells
  • a dielectric fluid present in the compartment so as to cool the battery, especially with a phase change of this fluid during cooling
  • a cooling device arranged to cool the dielectric fluid, this cooling device comprising at least one channel in which a heat transfer fluid can flow separate from the dielectric fluid, the heat transfer fluid being a refrigerant of an air conditioning system of the vehicle.
  • the heat transfer fluid which evaporates in the cooling device which can be formed in the form of a cold plate, is supplied via an air conditioning loop of the air conditioning assembly.
  • the cooling device or cold plate, is fed in parallel with an evaporator used to cool the passenger compartment of the vehicle.
  • the system comprises a low-pressure loop formed by two branches supplied in parallel with, on the one hand, an evaporator for cooling the first branch, and a cooling device, or cold plate, for feeding the second plugged.
  • the cooling device is arranged in the battery assembly and arranged to condense the dielectric fluid which is in direct contact with the battery cells to cool them.
  • each of the two branches has downstream heat exchangers, namely for example the evaporator and the cooling device, a 2-way valve which makes it possible to prevent or allow the circulation of the refrigerant in one or the other or both branches at the same time.
  • the air conditioning compressor can be operated whatever the outside temperature. So the consumption of such a system is more important at low temperature (compared to the use of a low temperature radiator) but on the other hand it will be lower at high temperature.
  • the coolant is arranged to evaporate at least partially as it passes through the cooling device to cool the dielectric fluid.
  • the cooling by the two-phase fluid is done directly by phase change, the cells of the batteries being immersed in the dielectric fluid and diphasic.
  • the cooling is effected for example at 30 ° C for a nominal pressure of 0.5 bar.
  • phase change of the heat transfer fluid makes it possible to release more cold per unit area than with respect to a liquid heat transfer fluid such as brine, for example, and a cooling device can therefore be envisaged, in particular plates or heat exchangers. optimized size, especially in cases where the needs are important as fast charge battery cells.
  • the invention also relates to a method for cooling a battery by boiling two-phase fluid, in particular at about 30 ° C, with one or more condensers supplied with heat transfer fluid from an air conditioning loop.
  • two 2-way valves positioned upstream of each exchanger are used to allow independent operation or at the same time the air conditioning system and the cell cooling device.
  • the invention also relates to a cooling system of at least one motor vehicle battery, this system comprising:
  • a closed compartment arranged to receive a battery or battery cells
  • a dielectric fluid present in the compartment so as to be able to cool the battery or the battery cells
  • this cooling device arranged to cool the dielectric fluid, this cooling device comprising at least one channel in which a heat-transfer fluid distinct from the dielectric fluid can circulate, this cooling device being arranged so as to allow cooling of the refrigerant, optionally parameter function, by ambient air, in particular with a radiator, or by heat exchange with an air conditioning assembly, or also called air conditioning assembly, of the motor vehicle.
  • the battery cells are immersed in the dielectric fluid.
  • the cooling of the dielectric fluid may be a condensation of the fluid passed in the vapor phase.
  • the thermal management of the cooling system makes it possible to obtain a gain in autonomy by cooling more easily with the ambient ambient air without having recourse to the air conditioning assembly, - keep the battery or, if applicable, the battery cells at the optimum operating temperature during a fast electrical charge.
  • the cooling device is connected to a low temperature loop which comprises a heat exchanger, in particular a radiator, in which this refrigerant can circulate, the radiator being in contact with the ambient air.
  • the radiator is disposed on a front face of the vehicle.
  • the low temperature loop has no component to cool upstream of the cooling system of the battery.
  • the cooling device is connected to a heat exchanger, in particular a cooler or chiller, which is connected to the air conditioning assembly so that the coolant can be cooled by heat exchange with the fluid. coolant of the set of air conditioning.
  • the coolant is a liquid, in particular a brine.
  • the heat exchange can be effective, especially with respect to the blown air.
  • the compartment of the battery pack is essentially filled with dielectric fluid, in liquid or gaseous phase, without substantial presence of air. Thermal exchanges are mainly provided by the dielectric fluid.
  • the cooling device and the compartment form an integrated module, namely a set that can be handled as a whole, or otherwise says the cooling device and the compartment are not deported from each other .
  • the heat exchange between the cooling device and the compartment can be effective and the implementation can be relatively simple. It is thus possible to avoid additional ducts between the cooling device and the compartment that is intended to receive the battery or batteries or battery cells.
  • the dielectric fluid is in contact with the battery or batteries.
  • the dielectric fluid is arranged in the compartment at a negative pressure at usual temperatures (approximately 30 °) and, in operation of the battery, the pressure is of the order of 0.5 bar at 20 ° C. .
  • the compartment does not receive any electrical cooling device housed therein.
  • the cooling of the dielectric fluid is ensured by the heat exchange with the coolant circulating in the cooling device, without the use of a possible electric cooling device housed in the compartment, this type of device could then generate electrical over-consumption.
  • the dielectric fluid is maintained, during operation of the vehicle, at a temperature between 20 and 35 °, in particular about 30 °. This is a satisfactory compromise between the cooling potential in the ambient air and the thermal stresses imposed by the battery or cells.
  • the dielectric fluid is a fluid capable of changing phase during operation, in particular the fluid has a boiling point at 30 ° under the pressure conditions in the compartment, especially at 0.5 bar.
  • the cooling device comprises a condenser in contact with which the dielectric fluid, in the gas phase, can condense.
  • the condenser comprises a cold plate in contact with which dielectric fluid, in gaseous phase, can condense.
  • the channel in which the coolant can circulate is formed on the condenser so as to cool it.
  • the temperature of the refrigerant as it passes through the condenser is preferably less than 30 °.
  • the system is arranged to cause the circulation of either in the radiator in contact with the ambient air or in the cooler connected to the air conditioning assembly of the vehicle according to at least one of the following parameters: the outside temperature, the temperature of the battery or batteries, the state of the vehicle represented for example by the speed of the vehicle, the charging power of the battery.
  • the fluid passing through the cooling device can be provided at higher temperatures than in a conventional system (about 15-20 ° C) for example a cold plate type system that has more heat resistance. It can therefore be cooled with liquid itself cooled by air to temperatures close to 25-30 ° C. This avoids frequent use of the air conditioning assembly that consumes energy.
  • the air conditioning assembly comprises:
  • a compressor for compressing the refrigerant, a condenser downstream of the compressor and placed on the air path, preferably behind the radiator,
  • the invention further relates to a method of cooling at least one battery or a motor vehicle battery pack, this method comprising the following steps:
  • cooling device arranged to cool the dielectric fluid, said cooling device comprising at least one channel in which a heat transfer fluid distinct from the dielectric fluid can circulate,
  • the external temperature the temperature of the battery or batteries
  • the state of the vehicle represented for example by the speed of the vehicle, its consumption in charge or in discharge.
  • Said toggling can be conditioned by comparisons of the battery temperature or the outside temperature with a target or threshold temperature.
  • the method can comprise the following steps:
  • the liquid valve is directed towards the low temperature radiator and the refrigerant valve towards the cooler is in the closed position
  • the liquid valve is directed towards the cooler and the coolant valve towards the cooler is in the open position.
  • FIG. 1 illustrates, schematically and partially, a cooling system according to the invention and its environment
  • FIG. 2 schematically and partially illustrates the cooling system of FIG. 1,
  • FIG. 3 illustrates steps of the thermal management method using FIG.
  • FIG. 4 illustrates another embodiment of the invention
  • FIG. 5 illustrates steps of the thermal management method using FIG. 4.
  • FIGS. 1 and 2 show a cooling system 1 for a motor vehicle battery pack 2, this system comprising:
  • a closed compartment 3 arranged to receive the battery cells 2,
  • a cooling device 5 arranged to cool the dielectric fluid 3, this cooling device 5 comprising a channel 8 in which a coolant fluid may be circulated, distinct from the dielectric fluid 4, this cooling device 5 being arranged so as to allow cooling of the refrigerant , optionally depending on parameters, by ambient air or by heat exchange with an air conditioning assembly 10, or also called air conditioning assembly, of the motor vehicle.
  • the air conditioning assembly 10 may comprise, in known manner, an evaporator, a condenser, a compressor, a pressure reducer and valves (not shown).
  • the coolant used in the air conditioning assembly 10 may be chosen from naming fluids 134a, 1234yf, or CO2.
  • the battery cells 2 comprise for example a plurality of lithium-ion (Li-ion) batteries for use in a hybrid vehicle.
  • the plurality of cells of battery are Li-ion batteries for use in a battery electric vehicle.
  • the cells of the battery 20 can be stacked.
  • the battery cells 2 are completely immersed in the dielectric fluid 4.
  • the cooling device 5 is connected to a low temperature loop 11 which comprises a heat exchanger, here a radiator 12, in which the refrigerant can circulate, the radiator being in contact with the ambient air.
  • a heat exchanger here a radiator 12
  • the radiator being in contact with the ambient air.
  • the radiator 12 is disposed on a front face of the vehicle so as to be cooled by the outside air 14 which circulates in its contact.
  • cooling device 5 is connected to a heat exchanger, here a chiller 15 or chiller, which is placed in the air conditioning assembly 10 so that the coolant can be cooled by heat exchange with the radiator of the air conditioning assembly 10.
  • a heat exchanger here a chiller 15 or chiller
  • the coolant is brine.
  • the compartment 3 can be formed to generate a vertical flow of dielectric fluid between the cells of the pack.
  • the cooling device 5 and the compartment 3 form an integrated module, namely an assembly that can be handled as a whole, or otherwise says the cooling device and the compartment are not deported. 'other.
  • the cooling device 5 comprises a condenser 20 in contact with which the dielectric fluid 4, in the gas phase, can condense.
  • the condenser 20 comprises a cold plate, or several surfaces, in contact with which or dielectric fluid, in the gas phase, can condense.
  • the system 1 is arranged to cause the flow of coolant either in the radiator 12 in contact with the ambient air or in the cooler 15 connected to the air conditioning assembly 10 of the vehicle according to at least one of the following parameters : the outside temperature, the temperature of the battery or batteries, the state of the vehicle represented for example by the speed of the vehicle.
  • a pump 30 is provided downstream of the cooling device 5 for circulating the coolant in this device 5.
  • a 3-way valve 31 is provided downstream of the cooling device 5 to send the refrigerant, depending on the operation, either to the cooler 15 (or chiller) or in the low temperature loop 1 1 (with a low temperature radiator).
  • the air conditioning assembly 10 comprises:
  • the branch 34 opens on a pressure reducer 36 arranged upstream of an evaporator 38.
  • the other branch 35 opens onto another expander 39 which is arranged upstream of the cooler 15.
  • Both regulators 36 and 39 are connected to the compressor 30.
  • An additional heating element of the coolant 50 is provided between the compressor 30 and the chiller 5, which may be an electric heater or a water-cooled heat exchanger for example.
  • the system 1 can cool the refrigerant, according to a cooling mode:
  • step 20 by ambient air using the low temperature loop 1 1 and thus the radiator 12 if the ambient temperature Tamb is less than 30 ° (step 20),
  • step 21 By heat exchange with the air conditioning assembly 10 of the motor vehicle if the ambient temperature Tamb is greater than about 30 ° (step 21). In this case, the air conditioning assembly 10 is running.
  • the invention implements the following steps, especially to maintain the battery temperature below 30 °.
  • Step 100 Start
  • Step 101 Acquiring Outside Temperature Data and Battery Cell Temperature
  • Step 102 Determination if the temperature of the cells is higher than a target temperature Tcible
  • Step 103 If cell temperature is not higher than target, no need for cooling Step 104: If the temperature of the cells is higher than the target, determining if the outside temperature is higher than a target temperature Tseuil
  • Step 105 if the outside temperature is not higher than Tseuil, calorie evacuation in the low temperature radiator 12
  • Step 106 the liquid valve is oriented towards the low temperature radiator 12 and the refrigerant valve 33 towards the cooler 15 is in the closed position
  • Step 107 If the outside temperature is higher than Tseuil, evacuate the calories in the cooler 15
  • Step 108 The liquid valve is directed to the cooler 15 and the coolant valve 33 to the cooler 15 is in the open position.
  • FIG. 4 shows another embodiment of the invention.
  • the system includes:
  • a cooling device 5 arranged to cool the dielectric fluid, the cooling device comprising at least one channel in which a heat transfer fluid can flow separate from the dielectric fluid, the coolant being a fluid of the air conditioning assembly 10.
  • the coolant which evaporates in the cooling device 5, which can be formed in the form of a cold plate, is supplied via an air conditioning loop 1 1 of the air conditioning assembly.
  • the cooling device 5, or cold plate is supplied in parallel with the evaporator 38 used to cool the passenger compartment of the vehicle.
  • the system comprises the low-pressure loop 1 1 formed of 2 branches 50 and 51 fed in parallel with, on the one hand the evaporator 38 for cooling the first branch, and the cooling device 5, or cold plate, to feed the second branch 51.
  • the cooling device 5 is arranged in the battery assembly and arranged to condense the dielectric fluid which is in direct contact with the battery cells to cool them, as shown in FIG. 2.
  • Each of the two branches 50 and 51 have downstream heat exchangers, namely for example the evaporator 38 and the cooling device 5, a 2-way valve 36; 39 which prevents or allow the flow of refrigerant in one or the other or both branches 50 and 51 at the same time.
  • the air conditioning compressor can be operated regardless of the outside temperature.
  • the heat transfer fluid is arranged to evaporate at least partially as it passes through the cooling device 5 to cool the dielectric fluid.
  • the cooling by the two-phase fluid is done directly by phase change, the cells of the batteries being immersed in the dielectric fluid and diphasic.
  • the cooling is effected for example at 30 ° C for a nominal pressure of 0.5 bar.
  • the example of FIG. 4 makes it possible to dispense with the exchanger 15 (chiller) of the example of FIG.
  • the same heat transfer fluid is used in the air conditioning loop and in the cooling device 5, not two different fluids.
  • the invention implements the following steps, in particular to maintain the battery temperature below 30 °.
  • Step 200 Start
  • Step 201 Acquiring outdoor temperature data and battery cell temperature
  • Step 202 Determination if the temperature of the cells is higher than a target temperature Tcible
  • Step 203 If the cell temperature is not higher than the target, no need for cooling
  • Step 104 If the temperature of the cells is higher than the target, determining if there is a need for air conditioning of the passenger compartment
  • Step 205 if there is no need for air conditioning in the passenger compartment, evacuate the calories in the cooling device 5
  • Step 206 the valve 39 is in the open position, the evaporator valve 36 is in the closed position, the compressor 30 is running and regulated on the temperature
  • Step 207 if necessary air conditioning of the passenger compartment, evacuation of the calories in the cooling device 5 and the evaporator 38
  • Step 208 the valve 39 is in the open position, the evaporator valve 36 is in the open position, the compressor 30 is in operation and regulated on the temperature of the cabin reference.

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Abstract

Système de refroidissement d'au moins une batterie de véhicule automobile 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.

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 US20170179551 A1 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 batterie,
un fluide diélectrique présent dans le compartiment de manière à pouvoir refroidir la batterie, notamment avec un changement de phase de ce fluide lors du refroidissement,
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, le fluide caloporteur étant un fluide réfrigérant d’un ensemble de climatisation du véhicule. Selon un aspect de l’invention, le fluide caloporteur qui s’évapore dans le dispositif de refroidissement, pouvant être formée sous la forme d’une plaque froide, est alimenté via une boucle de climatisation de l’ensemble de climatisation.
Selon un aspect de l’invention, le dispositif de refroidissement, ou plaque froide, est alimentée en parallèle d’un évaporateur utilisé pour refroidir l’habitacle du véhicule.
Selon un aspect de l’invention, le système comporte une boucle basse pression formée de 2 branches alimentées en parallèle avec, d’une part un évaporateur pour refroidir la première branche, et un dispositif de refroidissement, ou plaque froide, pour alimenter la seconde branche.
Selon un aspect de l’invention, le dispositif de refroidissement est disposé dans l’ensemble batterie et agencé pour condenser le fluide diélectrique qui lui est en contact direct avec les cellules de batterie pour les refroidir. Selon un aspect de l’invention, chacune des deux branches possèdent en aval des échangeurs thermiques, à savoir par exemple l’évaporateur et le dispositif de refroidissement, une vanne 2 voies qui permet d’empêcher ou d’autoriser la circulation du réfrigérant dans l’une, l’autre ou les deux branches en même temps. L’avantage de cette solution par rapport au refroidissement via un fluide caloporteur entre un chiller et le dispositif de refroidissement est que l’efficacité sera supérieure car il n’y aura pas d’échange thermique supplémentaire avec le fluide caloporteur. Il y a avec cette solution également moins de composants et une masse globale (composants et fluide caloporteur) plus faible.
Selon un aspect de l’invention, on peut faire fonctionner le compresseur de climatisation quelque soit la température extérieure. Donc la consommation d’un tel système est plus importante à faible température (par rapport à l’utilisation d’un radiateur basse température) mais en revanche elle sera moins élevée à haute température.
Selon un aspect de l’invention, le fluide caloporteur est agencé pour s’évaporer au moins partiellement lorsqu’il passe dans le dispositif de refroidissement pour refroidir le fluide diélectrique.
Selon un aspect de l’invention, le refroidissement par le fluide diphasique se fait directement par changement de phase, les cellules des batteries étant immergées dans le fluide diélectrique et diphasique. Le refroidissement s’opère par exemple à 30 °C pour une pression nominale de 0,5 bar.
De plus le changement de phase du fluide caloporteur permet de libérer plus de froid par unité de surface que par rapport à un fluide caloporteur liquide comme l’eau glycolée par exemple et on peut donc envisager un dispositif de refroidissement, notamment des plaques ou échangeurs de taille optimisée, notamment dans les cas où les besoins sont importants comme charge rapide des cellules de batteries.
L’invention concerne également un procédé pour refroidir une batterie par ébullition de fluide diphasique, notamment à 30 °c environ, avec un ou des condenseurs alimenté(s) par du fluide caloporteur provenant d’une boucle de climatisation. Selon un aspect de l’invention, deux vannes 2 voies positionnées en amont de chaque échangeur sont utilisées pour permettre le fonctionnement indépendant ou en même temps du système de climatisation et du dispositif de refroidissement des cellules.
L’invention a encore 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 oeuvre 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 utilisant la figure 2, - la figure 4 illustre un autre exemple de réalisation de l’invention,
- la figure 5 illustre des étapes du procédé de gestion thermique utilisant la figure 4.
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 C02.
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 oeuvre 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 1 1 (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 1 1 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 oeuvre 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.
On a représenté sur la figure 4 un autre exemple de réalisation de l’invention.
Dans cet exemple, le système comporte :
le compartiment fermé 3,
le fluide diélectrique présent dans le compartiment 3, avec un changement de phase de ce fluide lors du refroidissement,
- 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, le fluide caloporteur étant un fluide de l’ensemble de climatisation 10.
Le fluide caloporteur qui s’évapore dans le dispositif de refroidissement 5, pouvant être formée sous la forme d’une plaque froide, est alimenté via une boucle de climatisation 1 1 de l’ensemble de climatisation. Comme on peut le voir sur la figure 4, le dispositif de refroidissement 5, ou plaque froide, est alimentée en parallèle de l’évaporateur 38 utilisé pour refroidir l’habitacle du véhicule.
Le système comporte la boucle basse pression 1 1 formée de 2 branches 50 et 51 alimentées en parallèle avec, d’une part l’évaporateur 38 pour refroidir la première branche, et le dispositif de refroidissement 5, ou plaque froide, pour alimenter la seconde branche 51 .
Le dispositif de refroidissement 5 est disposé dans l’ensemble batterie et agencé pour condenser le fluide diélectrique qui lui est en contact direct avec les cellules de batterie pour les refroidir, comme illustré sur la figure 2.
Chacune des deux branches 50 et 51 possèdent en aval des échangeurs thermiques, à savoir par exemple l’évaporateur 38 et le dispositif de refroidissement 5, une vanne 2 voies 36 ; 39 qui permet d’empêcher ou d’autoriser la circulation du réfrigérant dans l’une, l’autre ou les deux branches 50 et 51 en même temps.
On peut faire fonctionner le compresseur de climatisation quelque soit la température extérieure.
Le fluide caloporteur est agencé pour s’évaporer au moins partiellement lorsqu’il passe dans le dispositif de refroidissement 5 pour refroidir le fluide diélectrique.
Le refroidissement par le fluide diphasique se fait directement par changement de phase, les cellules des batteries étant immergées dans le fluide diélectrique et diphasique. Le refroidissement s’opère par exemple à 30 °C pour une pression nominale de 0,5 bar.
Comme on peut le voir, l’exemple de la figure 4 permet de se passer de l’échangeur 15 (chiller) de l’exemple de la figure 1. Dans l’exemple de la figure 4, le même fluide caloporteur est utilisé dans la boucle de climatisation et dans le dispositif de refroidissement 5, et non deux fluides différents.
En lien avec l’exemple de la figure 4, lors d’une charge rapide ou ultra-rapide de batteries, comme illustré sur la figure 5, l’invention met en oeuvre les étapes suivantes, notamment pour maintenir la température de batterie en dessous de 30°.
Etape 200 : Début
Etape 201 : Acquisition de données de température extérieure et température des cellules de batterie
Etape 202 : Détermination si la température des cellules est supérieure à une température cible Tcible
Etape 203 : 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 s’il y a un besoin de climatisation de l’habitacle
Etape 205 : si pas de besoin de climatisation de l’habitacle, évacuation des calories dans le dispositif de refroidissement 5
Etape 206 : la vanne 39 est en position ouverte, la vanne 36 évaporateur est en position fermée, le compresseur 30 est en marche et régulé sur la température
Etape 207 : si de besoin de climatisation de l’habitacle, évacuation des calories dans le dispositif de refroidissement 5 et l’évaporateur 38
Etape 208 : la vanne 39 est en position ouverte, la vanne 36 évaporateur est en position ouverte, le compresseur 30 est en marche et régulé sur la température de la consigne de l’habitacle.

Claims

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, notamment avec un changement de phase de ce fluide lors du refroidissement,
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, le fluide caloporteur étant un fluide d’un ensemble de climatisation du véhicule.
2. Système selon la revendication précédente, dans lequel le fluide caloporteur est agencé pour s’évaporer dans le dispositif de refroidissement (5), et est alimenté via une boucle de climatisation (1 1 ) de l’ensemble de climatisation.
3. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le système comporte une boucle basse pression (11 ) formée de deux branches (50, 51 ) alimentées en parallèle avec, d’une part un évaporateur pour refroidir la première branche, et un dispositif de refroidissement pour alimenter la seconde branche.
4. Système selon la revendication précédente, dans lequel chacune des deux branches possèdent en aval des échangeurs thermiques, à savoir par exemple l’évaporateur (38) et le dispositif de refroidissement (5), une vanne 2 voies qui permet d’empêcher ou d’autoriser la circulation du réfrigérant dans l’une, l’autre ou les deux branches en même temps.
5. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le fluide caloporteur est agencé pour s’évaporer au moins partiellement lorsqu’il passe dans le dispositif de refroidissement (5) pour refroidir le fluide diélectrique (4).
6. Procédé pour refroidir une batterie par ébullition de fluide diphasique, notamment à 30 °C environ, avec un ou des condenseurs alimenté(s) par du fluide caloporteur provenant d’une boucle de climatisation.
7. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel deux vannes 2 voies positionnées en amont de chaque échangeur sont utilisées pour permettre le fonctionnement indépendant ou en même temps du système de climatisation et du dispositif de refroidissement des cellules.
8. Procédé selon l’une des deux revendications précédentes, dans lequel le même fluide caloporteur est utilisé dans la boucle de climatisation et dans le dispositif de refroidissement (5).
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, comprenant les étapes suivantes :
Etape 200 : Début
Etape 201 : Acquisition de données de température extérieure et température des cellules de batterie
Etape 202 : Détermination si la température des cellules est supérieure à une température cible Tcible Etape 203 : 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 s’il y a un besoin de climatisation de l’habitacle
Etape 205 : si pas de besoin de climatisation de l’habitacle, évacuation des calories dans le dispositif de refroidissement 5
Etape 206 : la vanne 39 est en position ouverte, la vanne 36 évaporateur est en position fermée, le compresseur
30 est en marche et régulé sur la température
Etape 207 : si de besoin de climatisation de l’habitacle, évacuation des calories dans le dispositif de refroidissement 5 et l’évaporateur 38
Etape 208 : la vanne 39 est en position ouverte, la vanne
36 évaporateur est en position ouverte, le compresseur 30 est en marche et régulé sur la température de la consigne de l’habitacle.
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