FR3100608A1

FR3100608A1 - Système de gestion thermique pour composant électrique

Info

Publication number: FR3100608A1
Application number: FR1909972A
Authority: FR
Inventors: Bastien Jovet; Francois Busson
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2019-09-10
Filing date: 2019-09-10
Publication date: 2021-03-12

Abstract

La présente invention concerne un système de gestion thermique (1) pour composant électrique (101) susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement; notamment pour un module de stockage d’énergie électrique, comprenant : - au moins un logement (2) destiné à recevoir au moins un composant électrique, ledit logement (2) étant délimité par, au moins une face latérale (4) et une face de fond (5); - au moins une plaque d’échange thermique (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8) s’étendant sur au moins une partie de la surface d’une face latérale (4), ladite au moins une plaque comprenant une pluralité de canaux de fluide caloporteur positionnés parallèles entre eux et agencés de sorte que le sens de la circulation du fluide caloporteur est alterné selon une direction verticale entre une entrée de fluide (22) et une sortie de fluide (23) de ladite plaque (10); - un conduit d’arrivée (30) configuré pour alimenter en parallèle ladite au moins une plaque en fluide caloporteur et un conduit d’évacuation (31) configuré pour collecter le fluide à la sortie de ladite au moins une plaque, l’entrée principale (32) et la sortie principale (33) desdits conduits étant positionnées par rapport aux entrées (22) et sorties (23) de fluide des plaques de sorte que la longueur parcourue par le fluide caloporteur depuis l’entrée principale (32) jusqu’à la sortie principale (33) est identique pour chacune des plaques (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8). Fig. 1

Description

Système de gestion thermique pour composant électrique

La présente invention concerne un système de gestion thermique pour composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement. Le système de gestion thermique de la présente invention est particulièrement adapté pour refroidir ou chauffer un dispositif de stockage d’énergie électrique, notamment une batterie électrique destinée à équiper un véhicule automobile.

Les éléments électroniques, que ce soient des cellules de stockage d’énergie électrique, circuits intégrés, serveurs, centres de données, etc nécessitent une régulation thermique afin de les maintenir dans leur plage de température de fonctionnement.

Les centres de données à travers le monde représentent actuellement 10% de la consommation mondial en électricité. L’avènement des technologies “chaînes de blocs” (Blockchain) et 5G, font que ce pourcentage pourrait augmenter drastiquement dans les prochaines années. La moitié au moins de cette consommation provient des systèmes de refroidissement de ces centres de données. Actuellement la majorité des centres de données sont refroidies par air en refroidissant l’air ambiant des salles de stockage par des dispositifs de climatisation. La température de fonctionnement optimale pour les data center est comprise entre 5°C et 40°C, plus particulièrement autour de 27°C. Prenant en considération que l’air présente une conductivité très faible, afin de refroidir suffisamment les éléments électroniques, ceux-ci pouvant atteindre des températures dépassant les 60°C, la différence de température entre l’air et les éléments électroniques à refroidir doit être importante et par conséquent ce genre de dispositif est très énergivore.

Dans le domaine automobile par exemple, il est connu de mettre en œuvre des batteries électriques sous forme de modules électroniques susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement Chaque module peut comporter une pluralité de cellules électronique susceptibles de dégager de la chaleur en fonctionnement reçues dans un boîtier. Les cellules de stockage d’énergie à haute densité telles que les batteries Li-ion ou Li-polymère ont idéalement besoin de fonctionner dans une plage de température entre 20°C et 40°C, et une température trop basse impacte leur autonomie alors qu’une température trop haute impacte leur durée de vie. Il est donc nécessaire de pouvoir les réguler thermiquement que ce soit pour les refroidir ou les réchauffer.

On entend par cellules unitaires, un élément électrochimique individuel muni d’une borne positive et d’une borne négative.

On entend par module de batterie, un ensemble comprenant plusieurs cellules unitaires contenues dans un boîtier, les cellules étant électriquement raccordées entre elles.

Pendant la phase de charge, le module ou cellules de batterie s’échauffent selon les conditions d’utilisation et il est connu de réguler la température au moyen d’échangeurs thermiques à plaques en contact avec les modules et dans lesquels sont réalisés des canaux de circulation d’un liquide de refroidissement.

Une solution connue pour réguler la température de la batterie consiste à placer une plaque traversée par un fluide caloporteur sous les modules, en contact avec une seule face des modules. Cette solution de refroidissement n’est pas optimale en termes de surface d’échange thermique et n’est pas très adaptée dans l’utilisation actuelle des batteries où les constructeurs de véhicule automobile ont tendance à augmenter la puissance de charge des véhicules électriques afin de réduire autant que possible la durée de la charge. Cette charge rapide implique une augmentation de pertes thermiques du module, nécessitant un échange thermique plus important.

Dans l’optique d’augmenter la surface d’échange thermique, le document US2017176108 décrit un échangeur de chaleur pour une batterie qui comprend des premier et deuxième panneaux de transport de fluide, définissant des premier et deuxième canaux d'écoulement, les premier et deuxième panneaux de transport de fluide étant agencés en définissant un angle entre eux. L'échangeur de chaleur peut également comprendre un troisième panneau de transport de fluide définissant un troisième canal d'écoulement et étant agencé en définissant un angle par rapport au deuxième panneau de transport de fluide. L'échangeur de chaleur comprend des première et seconde plaques reliées de manière étanche ensemble le long de leurs périphéries et définissant un passage d'écoulement de fluide entre leurs zones d'écoulement de fluide centrales.

Problème technique

La solution proposée dans le document US2017176108 n’est pas optimale en termes d’agencement structurel. En effet, l’échangeur de chaleur se présente sous la forme d’une enceinte à trois panneaux dans lequel sont reçues les cellules. Il est difficile de l’adapter à d’autres formes de batteries, notamment dans le cas où les cellules sont agencées pur former plusieurs rangées de modules. En outre, la solution telle que proposée ne permet pas par exemple de venir refroidir les cellules qui sont situées au centre de la batterie électrique.

Un autre problème rencontré dans ce type de solution de refroidissement est dû au fait que la circulation du fluide n’est pas optimisée, entraînant un refroidissement inhomogène des cellules, créant ainsi un gradient thermique entre cellules, qui pourrait à terme entraîner un disfonctionnement de la batterie lié à des pertes d’intégrité de certaines cellules.

Il serait donc intéressant de disposer d’un système de gestion thermique qui soit simple dans sa conception et dans son mode opératoire, adapté à refroidir une batterie quel que soit l’arrangement de cellules, avec une circulation optimisée du fluide afin de proposer une répartition en température la plus homogène possible pour chaque cellule, tout en augmentant la surface d’échange thermique et tout en garantissant une compacité de la batterie.

Il est proposé un système de gestion thermique pour composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement; notamment pour un module de stockage d’énergie électrique, comprenant :
- au moins un logement destiné à recevoir au moins un composant électrique, ledit logement étant délimité par, au moins une face latérale et une face de fond;
- au moins une plaque d’échange thermique s’étendant sur au moins une partie de la surface de la face latérale, ladite au moins une plaque comprenant une pluralité de canaux de fluide caloporteur positionnés parallèles entre eux et agencés de sorte que le sens de la circulation du fluide caloporteur est alterné selon une direction verticale entre une entrée de fluide et une sortie de fluide de ladite plaque;
- un conduit d’arrivée configuré pour alimenter en parallèle ladite au moins une plaque en fluide caloporteur et un conduit d’évacuation configuré pour collecter le fluide à la sortie de ladite au moins une plaque, lesdits conduits d’arrivée et d’évacuation comprenant respectivement une entrée principale d’arrivée et une sortie principale d’évacuation, l’entrée principale et la sortie principale étant positionnées par rapport aux entrées et sorties de fluide des plaques de sorte que la longueur parcourue par le fluide caloporteur depuis l’entrée principale jusqu’à la sortie principale est identique pour chacune des plaques.

Grâce à l’agencement spécifique des canaux dans la plaque, le sens de la circulation du fluide caloporteur est alterné dans le sens de la hauteur de la plaque. Plus précisément, la circulation alterne entre un canal froid et un canal chaud dans le sens de la hauteur de la plaque. Le module est formé d’une pluralité de cellules positionnées verticalement. Chaque cellule voit, en termes thermiques, le canal froid et le canal chaud du fluide caloporteur. Ainsi, la température moyenne de l’ensemble des cellules est uniforme.

Grâce à l’agencement spécifique des conduits d’alimentation et d’évacuation qui permet d’obtenir un chemin fluidique identique pour chacune des plaques, le débit du fluide caloporteur est sensiblement identique pour chacune des plaques afin de refroidir de manière homogène tous les composants électriques, et notamment tous les modules de stockage d’énergie électrique.

Selon un mode de réalisation de l’invention, ladite au moins une plaque forme une surface de contact verticale avec une surface d’échange thermique verticale du composant électrique à refroidir, lorsque celui-ci est placé dans le logement.

Selon un mode de réalisation de l’invention dans lequel le système de gestion thermique comprend au moins une plaque positionnée entre deux plaques d’extrémité, l’entrée principale du conduit d’arrivée est positionnée sur l’entrée de fluide de l’une des plaques d’extrémité de la rangée et la sortie principales est positionnée sur la sortie de l’autre plaque d’extrémité de la rangée.

Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- lesdits conduits d’arrivée et d’évacuation sont parallèles entre eux et s’étendent transversalement par rapport aux canaux sur au moins une partie d’une face latérale transversale,
- ladite au moins une plaque comprend une première série de canaux de fluide s’étendant dans un premier plan et une seconde série de canaux de fluide s’étendant dans un second plan distinct du premier plan, chacun des canaux de la première série étant en communication avec un canal voisin de la seconde série pour former une pluralité de chemins de fluide en forme de U,
- ladite au moins une plaque comprend une bordure située en dehors d’une surface de contact de ladite plaque avec une surface d’échange thermique verticale du composant électrique à refroidir, ladite bordure comprenant une zone d’alimentation et une zone d’évacuation, lesdites zones d’alimentation et d’évacuation présentant une forme sensiblement allongée qui s’étend transversalement par rapport aux canaux,
- ladite entrée de fluide et la sortie de fluide de ladite au moins une plaque sont disposées sur la bordure de la plaque.

Selon un mode de réalisation de l’invention, la bordure de la plaque présente une forme de profil sensiblement en C afin de définir un passage pour un conduit de liaison, ledit conduit de liaison étant destiné à être connecté à la sortie principale du conduit d’évacuation ou à l’entrée principale du conduit d’arrivée de manière à placer l’entrée principale et la sortie principale d’un même côté pour être connecté à un circuit de fluide externe.

Grâce à la présence du passage, il est ainsi possible de ramener les connectiques du système de gestion thermique d’un même côté afin de s’adapter aux contraintes connectiques imposées par le circuit de fluide externe et également aux contraintes packaging afin de limiter le volume d’occupation du pack batterie dans le véhicule.

Selon un mode de réalisation de l’invention, ladite au moins une plaque comprend une feuille centrale interposée entre deux feuilles latérales, la feuille centrale étant pourvues de sillons sur chacune des deux faces, les trois feuilles étant assemblées ensemble pour former alternativement les canaux de la première série et les canaux de la seconde série.

Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l’invention dans lequel le système comprend au moins une plaque positionnée entre deux plaques d’extrémité, lesdites plaques d’extrémité étant munies chacune d’une connexion traversante et d’une connexion non traversante, ladite connexion non traversante présentant une section de passage ajustée pour réduire le débit du fluide caloporteur dans lesdites plaques d’extrémité.

Une connexion traversante est une connexion qui comprend deux embouts de raccordement s’étendant de part et d’autre de la plaque au niveau de l’entrée de fluide ou de la sortie de fluide de manière à réaliser un passage fluidique au travers de la plaque et connecté à un réservoir d’alimentation de la plaque ou à un réservoir d’évacuation de la plaque.

Une connexion non traversante est une connexion qui comprend un unique embout de raccordement qui s’étend à partir d’une face de la plaque pour réaliser un passage fluidique entre le réservoir d’alimentation de la plaque et un conduit d’alimentation, ou le réservoir d’évacuation de la plaque et un conduit d’évacuation.

Ainsi, il est possible d’augmenter les pertes de charge au niveau des plaques d’extrémités pour adapter le débit du fluide caloporteur à la puissance thermique dissipée au niveau de ces plaques d’extrémité. En effet, les plaques d’extrémité de la rangée sont en contact avec un composant électrique à refroidir d’un seul côté. Ainsi les plaques d’extrémité vont échanger deux fois moins de puissance thermique que les plaques positionnées au centre du pack. En réduisant le débit du fluide caloporteur dans ces plaques d’extrémité, il est donc possible de conserver la température la plus homogène possible pour tous les composants électriques.

Selon un mode de réalisation de l’invention, la connexion non traversante comprend un embout de raccordement fluidique s’étendant à partir d’une face de ladite plaque d’extrémité et rapporté à ladite plaque d’extrémité au niveau de l’entrée de fluide ou de la sortie de fluide, ledit embout de raccordement fluidique présentant un diamètre interne rétréci par rapport à un embout de raccordement d’une connexion traversante de manière à réduire le débit du fluide caloporteur dans ladite plaque d’extrémité.

Selon un autre mode de réalisation de l’invention, la connexion non traversante comprend une déformation sur une des faces de la plaque d’extrémité opposée à la face à partir de laquelle s’étend un embout de raccordement formant l’entrée de fluide ou la sortie de fluide de la connexion non traversante, ledit enfoncement étant configuré de manière à réduire le débit du fluide caloporteur dans ladite plaque d’extrémité. Ledit enfoncement peut être une déformation seulement de la feuille latérale ne portant pas l’embout de raccordement de la connexion non traversante ou encore de cette même feuille latérale ainsi que la feuille intermédiaire. Ledit enfoncement peut être formé par exemple par emboutissage.

Selon un mode de réalisation de l’invention et pour augmenter les surfaces d’échanges thermiques avec les composants électrique, le système de gestion thermique comprend en outre une plaque comprenant une pluralité de canaux de fluide caloporteur s’étendant sur au moins une partie de la surface de la face de fond pour former une surface de contact avec une surface d’échange thermique horizontale du composant électrique à refroidir, lorsque celui-ci est placé dans le logement.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le conduit d’arrivée et le conduit d’évacuation sont formés d’une pluralité de tubulures, les extrémités de chacune des tubulures étant munies d’un embout de raccordement fluidique configuré pour être connecté à un embout de raccordement fluidique d’une connexion traversante ou non traversante d’une plaque au niveau de l’entrée de fluide et de la sortie de fluide.

Selon un aspect de l’invention, l’invention concerne un pack batterie équipé d’un système de gestion thermique tel que défini ci-dessus, ledit pack comprenant au moins un module de stockage d’énergie électrique reçu dans le logement.

D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :

Fig. 1

représente schématiquement une vue en perspective d’un pack batterie équipé d’un dispositif de refroidissement selon un mode de réalisation de l’invention ;

Fig. 2

représente schématiquement une vue en perspective d’une partie du dispositif de refroidissement de la figure 1 sans les modules de stockage d’énergie électrique ;

Fig. 3

représente schématiquement le sens de la circulation du fluide caloporteur dans une plaque de la figure 2;

Fig. 4

représente schématiquement une vue éclatée d’une plaque de canaux de fluide caloporteur de la figure 3;

Fig. 5

représente une vue agrandie en perspective d’une zone de communication entre la première série de canaux et la seconde série de canaux depuis une vue du côté de la première série de canaux ;

Fig. 6

représente une vue agrandie en perspective d’une zone de communication entre la première série de canaux et la seconde série de canaux depuis une vue du côté de la seconde série de canaux ;

Fig.7

représente une vue agrandie en perspective d’une zone d’alimentation des canaux de la plaque ;

Fig.8

représente une vue agrandie en perspective d’une zone d’évacuation des canaux de la plaque ;

Fig. 9

représente une vue agrandie de l’entrée et de la sortie de fluide d’une plaque, l’entrée et la sortie étant munies d’embouts tubulaires de raccordement ;

Fig. 10

représente une vue agrandie d’une zone de connexion entre deux plaques par des tubulures, l’une des deux plaques étant une plaque d’extrémité d’une rangée ;

Fig. 11

représente une vue agrandie de section d’une connexion non traversante d’une plaque d’extrémité selon un mode de réalisation de l’invention;

Fig. 12A

représente une vue agrandie en perspective d’une connexion non traversante d’une plaque d’extrémité selon un autre mode de réalisation de l’invention ;

Fig. 12B

représente une vue de section de la figure 12A.

Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.

Un premier mode de réalisation d’un système de gestion thermique pour un composant électrique susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement est illustré sur les figures 1 et 2.

Un composant électrique 101 est par exemple un dispositif de stockage d’énergie électrique rechargeable tel qu’une batterie électrique ou un module de batterie ou une cellule électrique unitaire.

La figure 1 illustre un exemple de module électrique qui a une forme sensiblement parallélépipédique comprenant une base et des parois latérales.

Sur la figure 1, les modules 101 sont répartis sous forme de lignes de modules, notamment ligne de 2 modules pour former un pack batterie 100. Chaque module comprend une pluralité de cellules unitaires. Chaque cellule est contenue dans une enveloppe qui est réalisée dans un matériau thermiquement conducteur tel que de l’aluminium. Ainsi, chaque module 101 comprend une surface d’échange thermique horizontale et des surfaces d’échange thermique latérales. Lors du fonctionnement de la batterie, les cellules s’échauffent, il est donc nécessaire de venir refroidir ces cellules ou le module de manière à maintenir les cellules à une température de fonctionnement optimale. En outre, il convient de refroidir de manière homogène toutes les cellules

Selon l’exemple illustré sur la figure 1, le système de gestion thermique comprend une pluralité de logements 2 délimités par une face de fond 5, deux faces latérales longitudinales 3 et une pluralité de faces latérales transversales 4. Chaque logement est configuré pour recevoir un ou plusieurs modules électriques 101, ici disposés en une ligne de deux modules.

Chaque module présente un grand côté et un petit côté. Ainsi, dans chaque ligne, les grands côtés des modules alignés forment deux surfaces latérales transversales d’échange thermique.

Le système de gestion thermique comprend une pluralité de plaques 10 d’échange thermique, chacune des plaques s’étendant sur au moins une partie de la surface latérale transversale pour former une surface de contact verticale avec la surface d’échange thermique verticale formée par les grands côté d’une ligne de modules. La plaque comprend des canaux dans lesquels circule un fluide caloporteur pour venir refroidir la ligne de modules par échange thermique.

Le fluide caloporteur utilisé est préférentiellement de l’eau glycolée, sans limitation du titre de glycol (0% à 100%). Alternativement, le fluide caloporteur peut être choisi parmi les fluides réfrigérants d’appellation.

Sur la figure 1, les faces latérales transversales 4, le fond 5 et les faces latérales longitudinales 3 forment sept logements, chaque logement étant configuré pour recevoir une ligne de deux modules. Le système de gestion thermique comprend huit plaques d’échange thermiques 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8 disposées parallèlement les unes aux autres pour former une rangée de plaques. Ainsi, chaque face latérale transversale de chaque ligne de modules est refroidie par une plaque. Comme on peut le voir sur la figure 1, les plaques d’extrémité de la rangée ou les plaques périphériques 10.1, 10.8 sont en contact avec une face latérale transversale de la ligne de modules.

De préférence, la plaque d’échange thermique 10 s’étend entièrement sur la face latérale transversale de la ligne de module.

Comme on peut le voir sur la figure 3, la plaque comprend une pluralité de canaux de fluide caloporteur 14 destinés à venir refroidir les modules. Les canaux de fluide caloporteur sont parallèles entre eux et s’étendent sensiblement sur toute la longueur de la plaque.

Un bordure de chaque plaque comprend une entrée de fluide 22 et une sortie de fluide 23.

De préférence, lorsque toutes les plaques sont alignées pour former une rangée de plaques, toutes les entrées et toutes les sorties sont alignées suivant un axe X’X comme l’illustre la figure 2.

Afin d’assurer un refroidissement homogène pour l’ensemble des modules ou cellules dans un but de réduire l’écart de température entre les cellules, les canaux de fluide caloporteur sont agencés de sorte que le sens de la circulation de fluide est alterné selon une direction verticale entre une entrée de fluide 22 et une sortie de fluide 23 de la plaque.

Le système de gestion thermique comprend un conduit d’arrivée 30 configuré pour alimenter en parallèle chacune des plaques en fluide et un conduit d’évacuation 31 configuré pour collecter conjointement le fluide à la sortie de chacune de plaques.

Le conduit d’arrivé 30 est connecté aux entrées des plaques pour alimenter en parallèle les plaques et le conduit d’évacuation est connecté aux sorties des plaques pour collecter en parallèle le fluide provenant des plaques. En outre, le conduit d’arrivée 30 et le conduit d’évacuation 31 comprennent respectivement une entrée principale 32 et une sortie principale 33 destinées à être connectée à un circuit de fluide externe au dispositif de refroidissement.

Afin de maintenir un débit du fluide caloporteur identique dans les toutes plaques, l’entrée principale 32 et la sortie principale 33 sont positionnées par rapport aux entrées 22 et sorties 23 de fluides de chacune des plaques de sorte que la longueur parcourue par le fluide caloporteur depuis l’entrée principale 32 jusqu’à la sortie principale 33 est identique pour chacune des plaques 10.

Selon un mode de réalisation de l’invention et comme l’illustre la figure 1, l’entrée principale 32 est située sur un côté du pack batterie 100 et la sortie principale 33 sur le côté opposé du pack batterie 100.

Sur l’exemple illustré sur la figure 1, l’entrée principale 32 est située sur l’entrée de la plaque périphérique 10.1 et la sortie 33 sur la sortie de la plaque périphérique 10.8. La longueur parcourue par le fluide pour chacune des huit plaques est identique.

De préférence, les conduits d’arrivée 30 et d’évacuation 31 sont parallèles entre eux et à l’axe X’X. Ils s’étendent transversalement par rapport aux canaux sur une face latérale transversale 3.

Ainsi, les conduits d’arrivée et de sortie et les plaques d’extrémité forment au moins partiellement le pourtour du pack batterie.

La plaque d’échange thermique est maintenant détaillée en référence aux figures 3 à 8.

La plaque comprend une première série de canaux 14A et une seconde série de canaux 14B. Les canaux 14A de la première série s’étendent dans un premier plan et les canaux 14B de la seconde série dans un second plan. Les deux plans sont distincts et sont parallèles à la face latérale transversale 4.

Tous les canaux sont parallèles entre eux et s’étendent sur toute la longueur de la plaque. Une extrémité de chacun des canaux 14A de la première série est en communication avec l’extrémité d’un canal voisin de la seconde série pour former une pluralité de chemins de fluide en forme de U.

De préférence, toutes les zones de communication 14E entre les canaux sont situées d’un côté 17 de la paque. Les deux autres extrémités 14C, 14D du chemin de fluide en forme de U sont situées du côté opposé 18 de la plaque. Les deux extrémités 14C et 14D forment respectivement un orifice d’entrée pour le canal d’arrivé de fluide 14A et un orifice de sortie pour le canal de sortie 14B.

L’extrémité 14C du chemin de fluide en forme de U est en communication avec une zone d’alimentation 15 et l’extrémité 14D est en communication avec une zone d’évacuation 16. Les zones d’alimentation 15 et d’évacuation 16 présentent une forme sensiblement allongée et s’étendent transversalement par rapport aux canaux 14A, 14B. Les zones d’alimentation et d’évacuation sont connectées respectivement à l’entrée 22 et à la sortie 23 de fluide.

Ainsi et comme on peut le voir sur la figure 3, le sens de la circulation du fluide dans la plaque est alterné selon une direction verticale dans la plaque, dans le sens de la hauteur de la plaque. En effet, lorsque le fluide caloporteur circule dans les canaux de la première série 14A, il se réchauffe en contact avec la surface d’échange thermique des modules. Ainsi le fluide qui circule dans les canaux de la seconde série 14B est plus chaud que le fluide qui circule dans les canaux de la première série 14A. En d’autres termes, la circulation alterne entre un canal froid et un canal chaud dans le sens de la hauteur de la plaque. Le module étant formé d’une pluralité de cellules positionnées verticalement, chaque cellule voit, en termes thermiques, le canal froid et le canal chaud du fluide caloporteur. Ainsi, la température moyenne du fluide vue par chaque cellule est la même.

En référence à la figure 4, la plaque 10 est formée à partir d’une feuille centrale 12 interposée entre deux autres feuilles latérales 11, 13. Les feuilles sont réalisées d’un seul tenant. Elles peuvent être métalliques, notamment en aluminium ou acier.

En référence aux figures 5 et 6, la feuille centrale 12 comporte une première série de sillons 26 sur une face 12A pour former les canaux 14A de la première série et une seconde série de sillons 27 sur l’autre face 12B pour former les canaux de la seconde série 14B.

La feuille centrale comprend des ouvertures 20 positionnées aux extrémités des sillons 26, 27 pour réaliser la zone de communication 14E entre les canaux 14A, 14a, permettant la circulation du fluide caloporteur d’un canal de la première série vers le cana de la seconde série. Le sens de la circulation est représenté par les flèches sur les figures 5 et 6.

En référence aux figures 7 et 8, la feuille centrale 12 comporte sur la face 12A une zone d’alimentation 15 en communication d’une part avec les orifices d’entrée des canaux 14A et d’autre part avec l’entrée de fluide 22. Sur l’autre face 12B, la feuille centrale 12 comporte une zone d’évacuation 16 en communication d’une part avec les orifices de sortie des canaux 14B et d’autre part avec la sortie de fluide 23. La zone d’alimentation et la zone d’évacuation sont situées sur un même côté 18 de la feuille centrale 12.

De préférence, la feuille centrale est obtenue d’un seul tenant par emboutissage.

Les trois faces planes 11, 12 et 13 ont sensiblement les mêmes dimensions et formes. Les faces latérales 11, 13 viennent se positionner de part et d’autre de la feuille centrale 12 et viennent fermer les sillons 26, 27 pour former les canaux. Les deux faces peuvent être soudées, collées ou assemblées par brasage sur la feuille centrale.

En référence aux figures 9 et 10, le raccordement de la zone d’alimentation 15 et de la zone d’évacuation 16 d’une plaque 10 au conduit d’arrivée 30 et au conduit d’évacuation 31 va maintenant être décrit.

Le conduit d’arrivée 30 et le conduit d’évacuation 31 sont formés à partir de l’assemblage d’une pluralité de tubulures 35, 36. Les extrémités de chaque tubulure 35, 36 sont munies d’un embout tubulaire de raccordement 37. Comme l’illustre la figure 1 et la figure 10, chacune des tubulures est positionnée entre deux plaques. Les embouts tubulaires de raccordement 37 sont connectés aux entrées 22 et aux sorties 23 des deux plaques.

La figure 9 illustre une plaque destinée à être positionnée entre deux lignes de modules telle que les plaques référencées de 10.2 à 10.7 sur la figure 1. La plaque comporte une connexion traversante au niveau de l’entrée de fluide 22 et une connexion traversante au niveau de la sortie de fluide 23.

Au niveau de l’entrée de fluide 22, la connexion traversante comprend trois orifices réalisés respectivement dans la feuille centrale (voir figures 7 et 8) et dans les feuilles latérales au niveau de la bordure 18 et agencés en regard, chacun des orifices des feuilles latérales recevant un embout tubulaire de raccordement 24.1, 24.2 qui s’étend à partir d’une face de la plaque. Une extrémité des embouts tubulaire de raccordement est connectée aux embouts de raccordement d’une tubulure 35 formant le conduit d’alimentation. Les deux embouts 24.1, 24.2 forment ainsi un passage fluidique entre deux tubulures 35 du conduit d’alimentation positionnées de part et d’autre de la plaque et également un passage fluidique avec le réservoir d’alimentation 15 de la plaque.

De manière analogue, au niveau de la sortie de fluide 23, la connexion traversante comprend trois orifices réalisés respectivement dans la feuille centrale (voir figure 7 et 8) et dans les feuilles latérales au niveau de la bordure 18 et agencés en regard, chacun des orifices recevant un embout tubulaire de raccordement 24.3, 24.4 qui s’étend à partir d’une face de la plaque. Une extrémité des embouts est connectée aux embouts de raccordement d’une tubulure 36 formant le conduit d’évacuation 31 comme l’illustre la figure 10. Les deux embouts forment ainsi un passage fluidique entre deux tubulures 36 du conduit d’évacuation positionnées de part et d’autre de la plaque et également un passage fluidique avec le réservoir d’évacuation 16 de la plaque.

La figure 10 illustre une plaque positionnée à l’extrémité de d’une rangée de plaques, à savoir la plaque 10.1 sur la figure 1 et une plaque voisine 10.2. Cette plaque d’extrémité comporte une connexion traversante 24 et une connexion non traversante 25. Sur l’exemple illustré de la figure 10, la connexion traversante 24 forme l’entrée de fluide 22 de la plaque d’extrémité 10.1 et la connexion non traversante 25 forme la sortie de fluide 23 de la plaque d’extrémité 10.1.

De manière similaire, la plaque d’extrémité 10.8 sur la figure 1 comporte également une connexion traversante 24 et une connexion non traversante 25, la connexion traversante 24 formant la sortie de fluide 23 de la plaque d’extrémité 10.8 et la connexion non traversante 25 formant l’entrée de fluide 22 de la plaque d’extrémité 10.8.

Dans l’exemple illustré sur la la figure 10, la connexion traversante 24 de la plaque d’extrémité 10.1 comprend trois orifices réalisés respectivement dans la feuille centrale (voir figures 7 et 8) et dans les feuilles latérales au niveau de la bordure 18 et agencés en regard, chacun des orifices des feuilles latérales recevant un embout tubulaire de raccordement 24.1, 24. qui s’étend à partir de chaque face de la plaque d’extrémité. Un des embouts de raccordement 24.1 forme l’entrée principale du système de gestion thermique et est connecté à un circuit de fluide externe (non illustré). L’autre embout de raccordement est connecté à un embout de raccordement 37 d’une tubulure 35 formant le conduit d’alimentation qui est connecté à l’entrée de fluide de la plaque suivante, ici sur la figure 10, c’est la plaque référencée 10.2. Les deux embouts de raccordement 24.1, 24.2 forment ainsi un passage fluidique connecté au réservoir d’alimentation 15 de la plaque d’extrémité 10.1.

Les plaques positionnées au centre du pack batterie sont en contact avec les modules positionnés de part et d’autre de ces plaques. Les plaques d’extrémités sont en contact uniquement avec les modules positionnés d’un côté de ces plaques. Ainsi les plaques d’extrémité vont échanger deux fois moins de puissance thermique que les autres plaques. Afin d’assurer une température la plus homogène possible entre les cellules, il convient de ne pas trop refroidir les modules en contact avec les plaques d’extrémité. Pour cela, il est nécessaire d’augmenter les pertes de charge du fluide au niveau de ces plaques d’extrémité et donc réduire le débit du fluide caloporteur. Plus précisément, il faut diviser par deux le débit du fluide caloporteur dans ces plaques d’extrémité 10.1, 10.8.

Pour cela, la présente invention propose d’ajuster la section de passage au niveau de la connexion non traversante 25 de la plaque d’extrémité pour réduire le débit du fluide caloporteur. Cette connexion non traversante 25 est située sur la sortie de fluide 23 de la plaque d’extrémité 10.1 ou sur l’entrée de fluide de la plaque d’extrémité 10.8.

Selon un mode de réalisation de l’invention et comme l’illustre la figure 11, la connexion non traversante 25 comprend trois orifices réalisés respectivement dans la feuille centrale (voir figures 7 et 8) et dans les feuilles latérales au niveau de la bordure 18 et agencés en regard, un embout de raccordement fluidique 29 s’étendant depuis une face de la plaque d’extrémité au niveau des orifices. Cet embout de raccordement présente un diamètre interne rétréci de manière à réduire le débit du fluide caloporteur par rapport aux embout de raccordement des connexion traversante 24.

Dans la configuration où la connexion non traversante forme la sortie de fluide de la plaque d’extrémité comme dans l’exemple illustré sur la figure 10, une extrémité de l’embout de raccordement tubulaire 29 est connectée par exemple à un embout de raccordement d’une tubulure 36 formant le conduit d’évacuation. Selon un exemple de réalisation, le rétrécissement du diamètre de l’embout de raccordement est formé par un étranglement 40 présent sur la paroi interne de l’embout de raccordement pour réduire la section de passage fluidique.

Selon un autre mode de réalisation de l’invention illustré sur les figures 12A et 12B, la connexion non traversante 25 comprend trois orifices réalisés respectivement dans la feuille centrale (voir figures 7 et 8) et dans les feuilles latérales au niveau de la bordure 18 et agencés en regard, un embout de raccordement fluidique 29 s’étendant à partir d’une face de la plaque d’extrémité au niveau des orifices et un enfoncement 41 réalisé sur la face opposée à la face à partir de laquelle s’étend le raccordement fluidique 29. L’enfoncement est configuré pour réduire la section de passage du fluide caloporteur dans la plaque d’extrémité. Ce deuxième mode de réalisation permet de faciliter le montage du système de gestion thermique car les plaques d’extrémité sont facilement identifiables grâce à la présence des enfoncements obtenus par emboutissage directement dans la plaque. Cela permet également de réduire les risques d’erreur d’assemblage.

De préférence, la bordure de la plaque comprenant l’entrée de fluide et la sortie de fluide présente une forme de profil en C afin de définir un passage pour un conduit de liaison 34 comme l’illustrent les figures 1 et 2. Ce conduit de liaison est destiné à être connecté à la sortie principale du conduit d’évacuation 31 ou à l’entrée principale du conduit d’arrivée 30 de manière à placer l’entrée principale 32 et la sortie principale 33 d’un même côté pour être connectés à un circuit de fluide externe non illustré sur les figures. Cette forme de réalisation permet de simplifier la connexion du système de gestion thermique au circuit de fluide externe. Le conduit de liaison 31 s’étend parallèlement au conduit d’arrivé 30 et au conduit d’évacuation 31.

Selon un autre mode de réalisation de l’invention et en référence à la figure 1, le système de gestion thermique comprend en outre une plaque de fond 10.9 qui s’étend entièrement sur une surface de la face de fond 5 pour former une surface de contact avec une surface d’échange thermique horizontale des modules à refroidir, lorsque ceux-ci sont placés dans les logements 2.

La plaque de fond peut être une plaque d’échange thermique conventionnelle ou une plaque de canaux de fluide avec une structure similaire à celle des plaques latérales. Le système comprend une autre paire de conduit d’arrivée et d’évacuation de fluide dédiée à la plaque d’échange thermique de fond.

Grâce à la présence des plaques d’échange thermique verticaux et de la plaque d’échange thermique de fond, il est donc possible de réduire de manière significative l’écart de température entre le fluide caloporteur et le point chaud de la cellule et de garantir une meilleure gestion thermique.

Grâce aux caractéristiques techniques décrites ci-dessus, le système de gestion thermique est particulièrement adapté pour refroidir les batteries électriques avec une puissance de charge importante destinées à équiper des véhicules électriques ou hybrides. Contrairement aux solutions proposées dans l’art antérieur, le système de gestion thermique permet une augmentation significative des surfaces d’échanges thermique entre le fluide caloporteur et les cellules avec les trois faces de refroidissement. En outre, en optimisant la circulation du fluide caloporteur et en optimisant le débit du fluide dans le système d’alimentation, le système de gestion thermique permet un refroidissement homogène pour toutes les cellules. Enfin, grâce à l’architecture spécifique du circuit d’alimentation et du circuit d’évacuation du fluide, le système de gestion thermique permet d’assurer un équilibrage des débits dans chacune des plaques de refroidissement pour obtenir un refroidissement homogène des cellules tout étant compact et simple à intégrer dans le circuit d’alimentation du fluide du véhicule.

Claims

Système de gestion thermique (1) pour composant électrique (101) susceptible de dégager de la chaleur lors de son fonctionnement ; notamment pour un module de stockage d’énergie électrique, comprenant :
- au moins un logement (2) destiné à recevoir au moins un composant électrique, ledit logement (2) étant délimité par, au moins une face latérale (4) et une face de fond (5);
- au moins une plaque d’échange thermique (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8) s’étendant sur au moins une partie de la surface de la face latérale (4), ladite au moins une plaque comprenant une pluralité de canaux de fluide caloporteur positionnés parallèles entre eux et agencés de sorte que le sens de la circulation du fluide caloporteur est alterné selon une direction verticale entre une entrée de fluide (22) et une sortie de fluide (23) de ladite plaque (10);
- un conduit d’arrivée (30) configuré pour alimenter en parallèle ladite au moins une plaque en fluide caloporteur et un conduit d’évacuation (31) configuré pour collecter le fluide à la sortie de ladite au moins une plaque, lesdits conduits d’arrivée (30) et d’évacuation (31) comprenant respectivement une entrée principale d’arrivée (32) et une sortie principale d’évacuation (33), l’entrée principale (32) et la sortie principale (33) étant positionnées par rapport aux entrées (22) et sorties (23) de fluide des plaques de sorte que la longueur parcourue par le fluide caloporteur depuis l’entrée principale (32) jusqu’à la sortie principale (33) est identique pour chacune des plaques (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8).
Système de gestion thermique selon la revendication 1, comprenant au moins une plaque (10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7) positionnée entre deux plaques d’extrémités (10.1, 10.8), dans lequel l’entrée principale (32) du conduit d’arrivée (30) est positionnée sur l’entrée de fluide (22) de l’une des plaques d’extrémité (10.1) de la rangée et la sortie principales (33) est positionnée sur la sortie (23) de l’autre plaque d’extrémité (10.8) de la rangée.
Système de gestion thermique selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel ladite au moins une plaque (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8) comprend une première série de canaux de fluide (14.A) s’étendant dans un premier plan et une seconde série de canaux de fluide (14.B) s’étendant dans un second plan distinct du premier plan, chacun des canaux de la première série étant en communication avec un canal voisin de la seconde série pour former une pluralité de chemins de fluide en forme de U.
Système de gestion thermique selon la revendication 3, dans lequel ladite au moins une plaque (10.1, 10.2, 10.3, 10.4, 10.5, 10.6, 10.7, 10.8) comprend une feuille centrale (12) interposée entre deux feuilles latérales (11, 13), chacune des deux faces (12A, 12B) de la feuille centrale étant pourvue de sillons (26, 27), les trois feuilles étant assemblées ensemble pour former alternativement les canaux (14A) de la première série et les canaux (14B) de la seconde série.
Système de gestion thermique selon l’une des revendications 3 à 4, dans lequel ladite au moins une plaque comprend une bordure (18) située en dehors d’une surface de contact de ladite plaque avec une surface d’échange thermique verticale du composant électrique (101) à refroidir, ladite bordure comprenant une zone d’alimentation (15) et une zone d’évacuation (16), lesdites zones (15, 16) présentant une forme allongée qui s’étendent transversalement par rapport aux canaux (14.A, 14B).
Système de gestion thermique selon l’une des revendications 2 à 5 comprenant au moins une plaque positionnée entre deux plaques d’extrémités (10.1, 10.8), dans lequel les plaques d’extrémité (10.1, 10.8) sont munies chacune d’une connexion traversante et d’une connexion non traversante, ladite connexion non traversante (25) s’étendant à partir d’une face de ladite plaque d’extrémité au niveau de l’entrée de fluide (22) ou la sortie de fluide (23) de la plaque d’extrémité, ladite connexion non traversante présentant une section de passage ajustée pour réduire le débit du fluide caloporteur dans lesdites plaques d’extrémité (10.1, 10.8).
Système de gestion thermique selon la revendication 6, dans lequel ladite connexion non traversante (25) comprend un embout de raccordement fluidique (29) s’étendant partir d’une face de ladite plaque d’extrémité et rapporté à ladite plaque d’extrémité au niveau de l’entrée de fluide (22) ou de la sortie de fluide (23), ledit embout de raccordement fluidique (29) présentant un diamètre interne rétréci par rapport à un embout de raccordement fluidique d’une connexion traversante de manière à réduire le débit du fluide caloporteur dans ladite plaque d’extrémité.
Système de gestion thermique selon la revendication 6, dans lequel ladite connexion non traversante (25) comprend un enfoncement (41) formée directement par emboutissage sur une des faces de la plaque d’extrémité opposée à la face à partir de laquelle s’étend un embout de raccordement (29) au niveau de l’entrée de fluide (22) ou de la sortie de fluide (23) de la plaque d’extrémité, ledit enfoncement (41) étant configuré de manière à réduire le débit du fluide caloporteur dans ladite plaque d’extrémité.
Système de gestion thermique selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le conduit d’alimentation (30) et le conduit d’évacuation (31) sont formés d’une pluralité de tubulures (35, 36), les extrémités de chacune des tubulures étant munies d’un embout de raccordement fluidique (37) configuré pour être connecté à un embout de raccordement d’une connexion traversante ou non traversante (24.1, 24.2, 24.3, 24.4, 25.2, 25.3) de la plaque au niveau de l’entrée de fluide et de la sortie de fluide.
Pack batterie (100) équipé d’un système de gestion thermique selon l’une des revendications 1 à 9, ledit pack comprenant au moins un module de stockage d’énergie électrique (101) reçu dans le logement (2).