FR3078149A1 - Echangeur de chaleur pour composant electrique de vehicule automobile et systeme de regulation thermique associe - Google Patents

Echangeur de chaleur pour composant electrique de vehicule automobile et systeme de regulation thermique associe Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un échangeur (2) de chaleur pour composant électrique (4) de véhicule automobile, comprenant un corps (6) en forme générale de plaque. Le corps (6) délimite des canaux de circulation (30,32) de fluide caloporteur définissant ensemble un circuit (22). Ledit corps (6) présente des connectiques d'entrée (18) et de sortie (20) dudit circuit (22), ledit échangeur de chaleur (2) comprenant en outre une première pièce de support (12) de composants électriques (4) sur une première face (8) dudit corps (6), et une deuxième pièce de support (14) de composants électriques (4) sur une deuxième face (10) dudit corps (6), opposée à la première face (8). L'échangeur (2) est configuré pour porter l'ensemble des composants électriques (4) des deux faces (8,10), et le corps (6) comprend des supports de fixation (15) destinés à fixer l'échangeur (2), et ainsi les composants électriques (4) à une structure d'un véhicule automobile.

Description

Echangeur de chaleur pour composant électrique de véhicule automobile et système de régulation thermique associé
La présente invention concerne un échangeur de chaleur pour composant électrique de véhicule automobile, typiquement une batterie électrique de véhicule automobile ou encore un composant électronique de puissance. L’invention concerne également un système de régulation thermique utilisant ledit échangeur pour chauffer ou refroidir le composant électrique. L’invention est notamment applicable pour toutes les automobiles électriques ou hybrides avec un pack de batteries ou cellules de batterie ou à des véhicules utilisant des composants électroniques de puissance.
Il est connu de US8647763 un échangeur de chaleur pour refroidir des cellules cylindriques de batterie électrique. L’échangeur est configuré pour recevoir les cellules en son sein.
L’encombrement d’un tel échangeur est cependant important. Le coût du refroidissement de plusieurs étages de cellules est élevé.
US9923251 décrit également un échangeur de chaleur pour refroidir des cellules cylindriques de batterie électrique.
Un aspect de l’invention concerne un échangeur de chaleur pour composant électrique de véhicule automobile, comprenant un corps en forme générale de plaque, le corps délimitant des canaux de circulation de fluide caloporteur définissant ensemble un circuit, ledit corps présentant des connectiques d’entrée et de sortie dudit circuit, ledit échangeur de chaleur comprenant en outre une première pièce de support de composants électriques sur une première face dudit corps, et une deuxième pièce de support de composants électriques sur une deuxième face dudit corps, opposée à la première face, l’échangeur étant ainsi configuré pour porter l’ensemble des composants électriques des deux faces, et dans lequel ledit corps comprend des supports de fixation destinés à fixer l’échangeur, et ainsi les composants électriques à une structure d’un véhicule automobile.
Suivant des modes particuliers de réalisation, l’échangeur comprend l’un ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) seule(s) ou selon toute combinaison techniquement possible :
- lesdites pièces de support de composants électriques sont électriquement isolantes ;
- lesdites pièces de support de composants électriques présentent une forme générale de feuille pourvue d’excroissances de réception des composants électriques, les excroissances de réception étant par exemple en forme d’alvéoles ;
- les pièces de support de composants électriques confèrent une isolation électrique entre leurs deux faces au moins égale à 2,5kV ;
- les pièces de support de composants électriques présentent une conductivité thermique dans leur épaisseur au moins égale à 2W/m.K;
- les pièces de support de composants électriques présentent une épaisseur de matière d’au moins 1 mm;
- les pièces de support de composants électriques présentent une CTE [ou coeffcient de dilatation linéaire ou coefficient of thermal expansion en anglais] allant de 15.10'6 /K à 80.10'6 / K ;
- lesdites pièces de support de composants électriques sont collées sur ledit corps ;
- la colle présente une conductivité thermique au moins égale à 1W/m.K;
- la colle présente une épaisseur d’au moins 0,5mm ;
- la colle présente une impédance thermique <10 cm2.K/W ;
- la colle présente une isolation électrique >2,5kV ;
- la colle présente une tenue en traction à l’arrachement au moins égale à 4kPa ;
- la colle présente une tenue au pelage au moins égale à 50g/mm
- lesdites pièces de support de composants électriques sont collées sur ledit corps ;
- le corps se prolonge latéralement pour former les dits supports de fixation ;
- les supports de fixation forment des saillies latérales ;
- les supports de fixation forment des saillies à partir de deux côtés opposés dudit corps ;
- les supports de fixation d’un côté dudit corps sont décalés longitudinalement par rapport aux supports de fixation présents sur le côté opposé dudit corps ;
- les supports de fixation d’un côté dudit corps ont une complémentarité de forme avec les support de fixation de l’autre côté dudit corps ;
- le corps comprend deux plaques superposées encapsulant entre elles ledit circuit de circulation, lesdits supports de fixation étant formés en partie au moins par des extensions de deux plaques ;
- ledit corps comprend en outre une plaque de distribution de fluide, la plaque de distribution étant entre les deux plaques superposées, et lesdits supports de fixation comprenant une entretoise entre les extensions des plaques superposées ;
- la plaque de distribution est prise en sandwich entre les deux plaques superposées ;
- l’entretoise a un épaisseur correspondant à la hauteur de la plaque de distribution ;
- l’entretoise à une épaisseur correspond à la distance entre les deux extensions des plaques superposées formant lesdits supports de fixation ;
- l’entretoise se prolonge à partir du support de fixation vers l’intérieur du corps de l’échangeur ;
- l’entretoise couvre les bords de la plaque de distribution ;
- l’entretoise comprend un évidement de réception de la plaque de distribution ;
- l’entretoise est conformée pour que le bord latéral de la plaque de distribution soit, dans la zones du support de fixation, pris en sandwich entre l’entretoise et l’une des plaques superposées du corps de l’échangeur
- la plaque de distribution forme alternativement des canaux supérieurs et inférieurs entre les deux plaques superposées ;
- les canaux supérieurs et inférieurs sont parallèles ;
- les canaux supérieurs et inférieurs s'étendent suivant la direction longitudinal dudit corps ;
- la plaque de distribution comprend des orifices d’extrémité assurant la circulation entre les canaux supérieurs et les canaux inférieurs ;
- les composants électriques sont des cellules cylindriques de batterie électrique, les canaux supérieurs et inférieurs formés par la plaque de distribution étant agencés de telle sorte que les cellules cylindriques sont en regard à la fois d’un canal supérieur et d’un canal inférieur dudit corps, de chaque côté dudit corps ;
- les cellules cylindriques sont alignées suivant la direction longitudinale dudit corps ;
- la largeur d’un canal supérieur et la largeur d’un canal inférieur sont sensiblement égales à la largeur des cellules cylindriques.
Un autre aspect de l’invention concerne un système de régulation thermique de composants électriques, comprenant un échangeur selon l’une quelconque des revendications précédentes.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le système de régulation thermique comprend l’un ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) seule(s) ou selon toute combinaison techniquement possible :
- le système comprend en outre des cellules cylindriques de batterie électrique fixées sur la première pièce de support et des cellules cylindriques de batterie électrique fixées sur la deuxième pièce de support ;
- le système comprend en outre des capots recouvrant les cellules électriques et portés les échangeurs ;
- le système comprend plusieurs échangeurs de chaleur ;
- les échangeurs sont agencés dans un même plan et latéralement adjacents ;
- sur leurs côtés adjacents, les supports de fixation d’un échangeur sont positionnés entre les supports de fixation de l’autre échangeur ;
- sur leurs côtés adjacents, les supports de fixation des échangeurs ont les mêmes positions longitudinales, la longueur des supports de fixation étant sensiblement égale à la moitié de la distance entre les deux échangeurs ;
- les supports de fixation présentent une complémentarité de forme ;
- les échangeurs sont identiques.
De façon purement illustrative, un exemple détaillé sera maintenant décrit, sur la base des figures, sur lesquelles :
- la figure 1 est une vue en perspective d’un échangeur de chaleur selon un mode de réalisation de l’invention, muni sur ses deux faces de cellules cylindriques de batterie électrique ;
- la figure 2 est une vue partielle agrandie de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue analogue aux figures 1 et 2 montrant seul le corps de l’échangeur ;
- la figure 4 une vue en section de l'échangeur muni de cellules cylindriques de batterie électrique tel que sur les figures 1 et 2, les cellules étant en outre recouvertes par des capots de protection fixés eux aussi sur l’échangeur pour encapsuler les cellules ;
- la figure 5 est une vue en perspective d’une plaque de distribution de fluide à l’intérieur du corps de l’échangeur des figures précédentes, montrant plus particulièrement la face supérieure de cette plaque de distribution ;
- la figure 6 est une vue partielle agrandie d’une extrémité longitudinale de la plaque de distribution de la figure 5, du côté de sa face supérieure ;
- la figure 7 est une vue analogue à la figure 6 de l’autre côté de la plaque de distribution, c'est-à-dire du côté de la face inférieure de cette plaque ;
- la figure 8 est une vue analogue à la figure 5 de la face inférieure de la plaque de distribution ;
- la figure 9 est une vue partielle agrandie en perspective d’un support de fixation de l’échangeur à une pièce de structure d’un véhicule automobile ;
- la figure 10 est une vue en section partielle agrandie montrant plus particulièrement la fixation de l’échangeur sur la structure du véhicule par l'intermédiaire des supports de fixation de la figure 9 ;
- la figure 11 est une vue en perspective d’un support de fixation visible partiellement sur le figure 9 ;
- la figure 12 est une vue de dessus d’un système de régulation thermique comprenant deux échangeurs de chaleur du type de celui décrit sur les figures ci-dessus, selon un premier mode de réalisation ;
- la figure 13 est une vue analogue à la figure 12 montrant un système de régulation thermique selon un deuxième mode de réalisation ;
- la figure 14 est une vue de dessus d’une échangeur selon un troisième mode de réalisation.
Les figures 1 et 2 illustrent un échangeur de chaleur 2 selon un premier mode de réalisation. Cet échangeur de chaleur 2 est destiné à la régulation thermique de cellules cylindriques 4 de batterie électrique de véhicule automobile, ou plus généralement de composants électriques de véhicule automobile.
L’échangeur de chaleur 2 comprend un corps 6 en forme générale de plaque et le corps est muni sur chacune de ses deux faces principales 8, 10 de plaques de support 12, 14 alvéolées pour recevoir les cellules cylindriques 4 et ainsi porter par chacune des ses deux faces principales 8, 10 lesdites cellules cylindriques 4, et muni de supports de fixation 15 pour fixer l’échangeur de chaleur sur une pièce de structure d’un véhicule automobile.
Les plaques de support 12, 14 ont une forme de tout type adapté, dans la mesure où elles présentent des éléments de réception 16, ou «alvéoles », pour les cellules cylindriques 4. A noter que, en variante, les composants électriques à refroidir ne sont pas des cellules cylindriques.
Les plaques de support 12, 14, ou plus généralement dans ce cas les pièces de support 12, 14 ont une forme de tout type adapté pour porter les composants électriques à réguler thermiquement. Par exemple, les alvéoles 16 sont rectangulaires ou ne sont plus des alvéoles mais des éléments de réception plus petits ou plus grands.
D’une manière générale, les plaques de support 12, 14 sont donc des pièces de support de composants électriques présentant une forme générale de feuille pourvue d’excroissances de réception 16 des composants électriques.
Les plaques de support 12, 14, ou plus généralement pièces de support de composants électriques, sont électriquement isolantes.
La matière des pièces de support 12, 14 et leur épaisseur sont choisies de telle sorte que les pièces de support de composants électriques 12, 14 confèrent une isolation électrique entre leurs deux faces 18, 20 au moins égale à 2,5kV.
Par ailleurs, la matière des pièces de support 12, 14 de composants électriques est également choisie de façon à présenter une conductivité thermique dans leur épaisseur au moins égale à 2W/m.K.
L’épaisseur de matière des pièces de support 12, 14 est de préférence choisie d’au moins 1 mm.
Enfin, les pièces de support 12, 14 ont également une matière choisie de façon à présenter une CTE allant de 15.10'6 /K à 80.10'6 / K.
La matière des pièces de support 12, 14 est par exemple choisie parmi : polyéthylènes, polyamides, polypropylènes, polysulfure de phénylène.
La fixation des pièces de support 12, 14 sur le corps 6 de l’échangeur de chaleur se fait de préférence par collage. Plus généralement, les pièces de support 12, 14 sont rapportées mécaniquement et thermiquement sur le corps 6 de l’échangeur en au moins 2 zones en vis-à-vis (dessous/dessous l’échangeur). Par liaison thermique et mécanique s’entend tout moyen de collage tel que colle mono/bi composant quelque soit la nature de la matrice ou des charges, ou adhésifs double face quelque soit la nature de la matrice ou des charges. De préférence, ce moyen de collage présente les caractéristiques suivantes sur une gamme de température allant de -40°C à +80°C:
Conductivité thermique >= 1 W/m.K
Epaisseur <= 0.5 mm
Impédance thermique < 10 cm2.K/W
Isolation électrique >= 2.5 kV
Tenue en traction à l’arrachement >= 4 kPa
Tenue au pelage >= 50 g/mm
A titre d’exemple, la colle est réalisée à partir de matériaux choisis parmi : epoxy, silicones, polyuréthane.
Les cellules cylindriques 4, ou plus généralement les composants électriques à refroidir, sont quant à elles fixées aux pièces de support 12, 14 par tout moyen adapté, par exemple par collage.
La figure 3 illustre plus particulièrement le corps 6 de l’échangeur de chaleur. Il comprend un connectique d’entrée de fluide 18, une connectique de sortie de fluide 20 et délimite en son sein un circuit de circulation de fluide 22 le long des deux faces principales 8, 10 dudit corps 6. Les deux faces 8, 10 du corps de l’échangeur servent ainsi de surfaces d’échange de chaleur avec les cellules cylindriques 4.
Le fluide utilisé est un fluide caloporteur, par exemple à base d’eau et de glycol comme couramment utilisé dans le refroidissement des véhicules automobiles, ou bien un fluide de type réfrigérant utilisé dans les circuits de climatisation, par exemple du type 1234yf.
Le corps comprend deux plaques superposées 24, 26, et entre les deux plaques 24, 26, que nous nommerons plaque supérieure 24 et plaque inférieure 26, une plaque intermédiaire 28 dite de distribution de fluide.
La plaque de distribution 28 est prise en sandwich entre les deux plaques superposées 24, 26 et forme alternativement des canaux supérieurs 30 et des canaux inférieurs 32 entre les deux plaques superposées 24, 26.
Les canaux supérieurs 30 et inférieurs 32 sont parallèles et s’étendent suivant la direction longitudinal dudit corps 6.
Comme illustré sur les figures 5 à 8, les plaques 24, 26, 28 sont conformées de façon à former alternativement les canaux supérieurs 30 et inférieurs 34. Entre deux canaux supérieurs 30 se trouve un canal inférieur 32 et entre deux canaux inférieurs 32 se trouve un canal supérieur 30. En section, la plaque de distribution 28 forme ainsi des créneaux dont les bords supérieurs 34 sont en contact avec la plaque supérieure et dont les bords inférieurs sont en contact avec la plaque supérieure.
La plaque de distribution 28 comprend des orifices d’extrémité 38 assurant la circulation entre les canaux supérieurs 30 et les canaux inférieurs 32 Les orifices 38 s’étendent en regard à la fois d’un canal supérieur 30 et d’un canal inférieur 32 pour permettre la circulation entre ledit canal supérieur 30 et ledit canal inférieur 32. Par ailleurs, les orifices 38 s’étendent sur plus de la largeur d’un canal supérieur 30 de façon à être mettre en communication les deux canaux inférieurs 32 de chaque côté d’un canal supérieur 30 le cas échéant. De la sorte, la portion d’extrémité longitudinale de la plaque de distribution 30 forme, avec les plaques supérieure 24 et inférieure 26, un collecteur de renvoi entre les canaux supérieurs 30 et les canaux inférieurs 32. Par ailleurs, dans ce collecteur, tous les canaux supérieurs 30 et inférieurs 32 de la plaque de distribution 28 communiquent entre eux.
L’agencement des canaux 30, 32 est par ailleurs choisi, de façon à ce que les composants électriques, qui sont ici des cellules cylindriques de batterie électrique, soient en regard à la fois d’un canal supérieur 30 et d’un canal inférieur 32 dudit corps 6, de chaque côté dudit corps 6, ce qui a pour effet d’homogénéiser le refroidissement des composants électriques 4.
A titre d’exemple, les cellules cylindriques 4 sont alignées en rangées successives espacées régulièrement et les canaux supérieurs 30 et inférieurs 32 sont de largeur identique et égale à la largeur d’un emplacement de cellule 4, les cellules 4 étant centrées sur les lignes séparant les canaux supérieurs 30 et inférieurs 32.
Les deux plaques superposées 24, 26, dites supérieure et inférieure, et la plaque de distribution 28 sont par exemple brasées ensemble et forment ensemble une enceinte pour la circulation du fluide.
Comme illustré plus particulièrement sur la figure 4 et sur les figures 9 à 11, les supports de fixation 15 du corps de l’échangeur de chaleur sont destinés à être fixés sur des éléments de structure 40 du véhicule automobile. Ces éléments de structure 40 sont typiquement des poutres formées par des profilés métalliques mais il s’agit plus généralement d’éléments de structure de tout type adapté.
Les supports de fixation 15 sont formés par des extensions, ou « saillies », latérales du corps 6 de l’échangeur de chaleur, à partir des deux côtés du corps 6 de l’échangeur de chaleur.
Plus particulièrement, les supports de fixation 15 sont formés par des extensions latérales des plaques supérieure 24 et inférieure 26 dudit corps 6 de l’échangeur.
De préférence, les supports de fixation 15 comprennent une entretoise 42 (Figure 9) prise en sandwich entre lesdites extensions des plaques supérieure 24 et inférieure 26.
Cette entretoise 42 a par exemple une épaisseur correspondant à la hauteur de la plaque de distribution, c’est-à-dire, une épaisseur correspondant à la distance entre les deux extensions des plaques superposées.
Comme illustré plus particulièrement sur la figure 10, les entretoises 42 se prolongent de préférence à partir des supports de fixation 15 vers l’intérieur du corps 6 de l’échangeur, plus particulièrement pour couvrir les bors de la plaque de distribution. A cet effet, l’entretoise comprend de préférence un évidement de réception 44 pour recevoir la plaque de distribution 28. De cette façon, les supports de fixation 15 participent à la tenue mécanique du corps 6 de l’échangeur, et plus particulièrement à la tenue mécanique de la plaque de distribution 28.
D’une manière générale, l’entretoise 42 est conformée pour que le bord 46 de la plaques de distribution 28 correspondante soit, dans la zone de support de fixation, pris en sandwich entre l’entretoise 42 et l’une des plaques superposées 24, 26 du corps de l’échangeur (la plaque inférieure 26 sur la figure 10).
Dans ce premier mode de réalisation illustré sur les figures 1 à 4 et plus particulièrement sur la figure 12, les supports de fixation 15 sont répartis régulièrement le long des deux côtés du corps de l’échangeur de chaleur et sont disposés de chaque côté aux mêmes positions longitudinales le long du corps 6 de l’échangeur. C’est-à-dire qu’à un support de fixation 15 du côté gauche correspond un support de fixation du côté droit s’étendant à la même position longitudinale que le support de fixation 15 du côté gauche.
Les supports de fixation 15 correspondants des côtés gauche et droit ont une complémentarité de forme avec les support de fixation de l’autre côté dudit corps. A noter que les côtés gauche et droit sont ici dénommés arbitrairement et ne correspondent pas à une disposition particulière dans le véhicule. Cette complémentarité de forme est visible plus particulièrement sur la figure 12. Cela permet de minimiser l'encombrement latéral des échangeurs, ou, à encombrement constant, d’augmenter la surface d’échange de chaleur en minimisant la longueur des supports de fixation 15 et en augmentant autant que besoin leur largeur pour obtenir une forte résistance mécanique. Il s’est en effet avéré que la largeur des supports de fixation 15 était le paramètre le plus important. L’échangeur est ainsi non seulement plus solide, mais présente également une surface d’échange plus grande.
La figure 11 illustre plus particulièrement un support de fixation de ce type. Il présente essentiellement deux zones, une zone de petite longueur 48 et une zone de (relativement) grande longueur 50.
Le support de fixation 15 est percé d’orifices 52 de réception de rives d’assemblage (non représentés).
Le support de fixation 15 présente également un orifice 54 de réception d’une pièce taraudée destinée à permettre le levage et la manipulation de l’échangeur 2 par des machines.
Enfin, le support de fixation 15 présente un demi-orifice 58 formant avec le demi-orifice du support de fixation complémentaire de l’échangeur de chaleur adjacent, un orifice pour la réception d’éléments de fixation 60 (figure 10) de l’échangeur sur les pièces de structure 40 du véhicule.
Sur la figure 13 est illustré un autre mode de réalisation dans lequel les supports de fixation 15 d’un côté du corps 6 de l’échangeur sont décalés longitudinalement par rapport aux supports de fixation 15 présents sur le côté opposé du corps 6, de façon à ne pas se télescoper. Cela permet de maximiser la longueur des supports de fixation 15.
Enfin, dans le dernier mode de réalisation de la figure 14, les supports de fixation 15 forment un bord libre continu et rectiligne sur sensiblement la moitié de la longueur du corps 6 de l’échangeur.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Echangeur (2) de chaleur pour composant électrique (4) de véhicule automobile, comprenant un corps (6) en forme générale de plaque, le corps (6) délimitant des canaux (30, 32) de circulation de fluide caloporteur définissant ensemble un circuit (22), ledit corps (6) présentant des connectiques d’entrée (18) et de sortie (20) dudit circuit (22), ledit échangeur (2) de chaleur comprenant en outre une première pièce de support (12) de composants électriques sur une première face (8) dudit corps (6), et une deuxième pièce de support (14) de composants électriques sur une deuxième face (10) dudit corps (6), opposée à la première face (8), l’échangeur (2) étant ainsi configuré pour porter l’ensemble des composants électriques (4) des deux faces (8,10), et dans lequel le corps (6) comprend des supports de fixation (15) destinés à fixer l’échangeur (2), et ainsi les composants électriques (4) à une structure d’un véhicule automobile.
  2. 2. Echangeur (2) selon la revendication 1, dans lequel lesdites pièces de support (12,14) de composants électriques (4) sont électriquement isolantes.
  3. 3. Echangeur (2) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lesdites pièces de support (12,14) de composants électriques présentent une forme générale de feuille pourvue d’excroissances (16) de réception des composants électriques (4).
  4. 4. Echangeur (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites pièces de support (12,14) de composants électriques (4) sont collées sur ledit corps (6).
  5. 5. Echangeur (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les supports de fixation (15) forment des saillies à partir de deux côtés opposés dudit corps (6).
  6. 6. Echangeur (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les supports de fixation (15) d’un côté dudit corps (6) ont une complémentarité de forme avec les supports de fixation (15) de l’autre côté dudit corps (6).
  7. 7. Echangeur (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le corps (6) comprend deux plaques superposées (24,26) encapsulant entre elles ledit circuit de circulation (22), lesdits supports de fixation (15) étant formés en partie au moins par des extensions de deux plaques (24,26).
  8. 8 . Echangeur (2) selon la revendication précédente, dans lequel ledit corps (6) comprend en outre une plaque de distribution de fluide (28), la plaque de distribution (28) étant entre les deux plaques superposées (24,26), et lesdits supports de fixation (15) comprenant une entretoise (42) entre les extensions des plaques superposées (24,26).
  9. 9. Echangeur (2) selon la revendication précédente, dans lequel l’entretoise (42) est conformée pour que le bord latéral de la plaque de distribution (28) soit, dans la zone du support de fixation (15) , pris en sandwich entre l’entretoise (42) et l’une des plaques superposées (24,26) du corps (6) de l’échangeur (2).
  10. 10. Système de régulation thermique de composants électriques (4), comprenant un échangeur (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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