FR3146435A1 - Front-wheel drive motor vehicle including a battery cooling system - Google Patents
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Abstract
Véhicule automobile à traction électrique comprenant une batterie (1), un système de refroidissement (SR) pour refroidir la batterie, au moins durant la recharge à partir de la source de courant externe, le système de refroidissement comprenant une première machine de type Stirling (MS1) configurée en machine frigorifique Stirling pour refroidir la batterie, dans lequel un travail est fourni au volant de la première machine au moins en partie par un moteur électrique (M3), le système de refroidissement comprenant une deuxième machine de type Stirling (MS2) configurée en moteur Stirling, avec comme source chaude une deuxième portion de la batterie et comme source froide l’air ambiant, avec un deuxième volant (32) est couplé mécaniquement au premier volant (31) pour délivrer du travail reçu par le deuxième volant au premier volant. Figure 1 An electrically powered motor vehicle comprising a battery (1), a cooling system (SR) for cooling the battery, at least during recharging from the external power source, the cooling system comprising a first Stirling-type machine (MS1) configured as a Stirling refrigeration machine for cooling the battery, in which work is provided to the flywheel of the first machine at least in part by an electric motor (M3), the cooling system comprising a second Stirling-type machine (MS2) configured as a Stirling engine, with a second portion of the battery as a hot source and ambient air as a cold source, with a second flywheel (32) mechanically coupled to the first flywheel (31) for delivering work received by the second flywheel to the first flywheel. Figure 1
Description
L’invention porte sur un véhicule automobile de type hybride rechargeable ou 100% électrique. Dans ce type de véhicule, il est nécessaire de recharger de temps à autre les batteries, autrement appelées ici moyens de stockage d'énergie électrique, à partir d’une station de recharge ou d'une prise électrique disponible dans l'habitation habituelle de l'utilisateur du véhicule.The invention relates to a motor vehicle of the plug-in hybrid or 100% electric type. In this type of vehicle, it is necessary to recharge the batteries, otherwise called herein electrical energy storage means, from time to time from a charging station or an electrical outlet available in the usual home of the user of the vehicle.
Les batteries utilisées pour les véhicules automobiles électriques ou hybrides rechargeables sont généralement un assemblage de cellules élémentaires électrochimiques, par exemple Ni-MH, Ni-Cd, Lithium-Ion, sans exclure d’autres solutions électrochimiques.The batteries used for electric or plug-in hybrid motor vehicles are generally an assembly of elementary electrochemical cells, for example Ni-MH, Ni-Cd, Lithium-Ion, without excluding other electrochemical solutions.
Pour procéder à une recharge rapide, il est souhaitable de pouvoir recharger rapidement la batterie du véhicule à partir de « bornes de recharges rapides » mises à disposition du public, notamment par exemple sur les aires d'autoroute. Ces bornes de recharge rapides peuvent délivrer des puissances élevées, e.g. plusieurs dizaines de kW, quelques centaines de kW jusqu'à 350 kW.To perform a fast charge, it is desirable to be able to quickly recharge the vehicle battery from "fast charging stations" made available to the public, for example at motorway service stations. These fast charging stations can deliver high power, e.g. several tens of kW, a few hundred kW up to 350 kW.
Une opération de recharge sous plusieurs centaines de kW génère un échauffement important au cœur de la batterie. Il convient donc d’évacuer les calories le plus efficacement au fur et à mesure que ces calories sont générées dans la batterie, pour éviter un échauffement excessif des matériaux composant les cellules de la batterie.A recharge operation under several hundred kW generates significant heating at the heart of the battery. It is therefore advisable to evacuate the calories as efficiently as possible as these calories are generated in the battery, to avoid excessive heating of the materials making up the battery cells.
Il a déjà été proposé des systèmes de caloducs pour évacuer les calories. Il a déjà également été proposé des systèmes de fluides à changement de phase pour évacuer les calories. Aussi, il a déjà été proposé des systèmes à air pulsé pour évacuer les calories.Heat pipe systems have already been proposed to evacuate calories. Phase change fluid systems have also already been proposed to evacuate calories. Also, pulsed air systems have already been proposed to evacuate calories.
Les performances de ces systèmes sont toutefois limitées, et la puissance évacuée n’est pas suffisamment contrôlable.The performance of these systems is, however, limited, and the power output is not sufficiently controllable.
La présente invention a pour but de remédier à au moins un de ces inconvénients.The present invention aims to remedy at least one of these drawbacks.
Pour atteindre cet objectif, l’invention propose, dans son acception la plus large, un véhicule automobile à traction électrique comprenant une batterie de type électrochimique à stockage d’énergie électrique, des moyens de raccordement destinés à permettre une recharge de la batterie à partir d’une source de courant externe, un système de refroidissement pour refroidir la batterie, au moins durant la recharge à partir de la source de courant externe, le système de refroidissement comprenant une première machine de type Stirling configurée en machine frigorifique Stirling, la première machine comprenant :
- une portion de prélèvement de calories en couplage thermique avec une première portion de la batterie,
- une portion de rejet de calories configurée pour rejeter des calories dans l’environnement dans l’air ambiant,
- un premier piston, un deuxième piston et un premier volant relié aux premier et deuxième pistons par un premier embiellage, dans lequel un travail est fourni au premier volant au moins en partie par un moteur électrique,
caractérisé en ce que le système de refroidissement comprend une deuxième machine de type Stirling configurée en moteur Stirling, avec comme source chaude une deuxième portion de la batterie couplée à une portion de réception de calories de la deuxième machine de type Stirling, et comme source froide l’air ambiant couplé à une portion de refroidissement de la deuxième machine de type Stirling, avec un troisième piston, un quatrième piston et un deuxième volant relié aux troisième et quatrième pistons par un deuxième embiellage, et en ce que le deuxième volant est couplé mécaniquement au premier volant pour délivrer du travail reçu par le deuxième volant au premier volant.To achieve this objective, the invention proposes, in its broadest sense, an electrically-driven motor vehicle comprising an electrochemical type battery for storing electrical energy, connection means intended to enable the battery to be recharged from an external current source, a cooling system for cooling the battery, at least during recharging from the external current source, the cooling system comprising a first Stirling type machine configured as a Stirling refrigeration machine, the first machine comprising:
- a portion of calorie collection in thermal coupling with a first portion of the battery,
- a calorie discharge portion configured to discharge calories into the environment in the ambient air,
- a first piston, a second piston and a first flywheel connected to the first and second pistons by a first connecting rod, in which work is provided to the first flywheel at least in part by an electric motor,
characterized in that the cooling system comprises a second Stirling-type machine configured as a Stirling engine, with as a hot source a second portion of the battery coupled to a calorie receiving portion of the second Stirling-type machine, and as a cold source the ambient air coupled to a cooling portion of the second Stirling-type machine, with a third piston, a fourth piston and a second flywheel connected to the third and fourth pistons by a second connecting rod, and in that the second flywheel is mechanically coupled to the first flywheel to deliver work received by the second flywheel to the first flywheel.
On s’intéresse ici au cas des recharges sur une borne de recharge rapide, avec un courant continu de recharge de forte intensité, typiquement supérieur à 100 ampères.We are interested here in the case of recharging at a fast charging station, with a high-intensity continuous charging current, typically greater than 100 amps.
Grâce à ces dispositions, la première machine de type Stirling configurée en machine frigorifique Stirling peut évacuer des calories en grande quantité, notamment dans une situation de recharge rapide où des courants importants sont mis en jeu. De plus, le flux thermique traité peut être contrôlé au moyen de la vitesse de rotation du premier volant de la première machine Stirling. Cette vitesse peut être pilotée au moyen du moteur électrique. Par ailleurs, la deuxième machine Stirling fonctionne en moteur et le travail qui est disponible sur le deuxième volant est réinjecté sur l'arbre du premier volant, ce qui permet de diminuer l'énergie nécessaire pour opérer la première machine Stirling.Thanks to these provisions, the first Stirling-type machine configured as a Stirling refrigeration machine can evacuate calories in large quantities, particularly in a rapid recharging situation where significant currents are involved. In addition, the heat flux treated can be controlled by means of the rotation speed of the first flywheel of the first Stirling machine. This speed can be controlled by means of the electric motor. Furthermore, the second Stirling machine operates as a motor and the work that is available on the second flywheel is reinjected onto the shaft of the first flywheel, which makes it possible to reduce the energy required to operate the first Stirling machine.
On obtient ainsi une solution très efficace en terme d'évacuation de flux thermique tout en minimisant le prélèvement d'énergie sur la ligne de recharge électrique pour procéder à cette évacuation de calories.This provides a very effective solution in terms of heat flow evacuation while minimizing the energy drawn from the electric charging line to carry out this heat evacuation.
Dans le présent document, le terme « machine Stirling » fait référence à une machine thermodynamique dite à combustion externe, baptisée du nom de son inventeur, depuis le milieu du XIXème siècle. Cette machine à d'abord été pensée pour fournir une énergie mécanique à savoir faire fonction de moteur. Mais il se trouve que cette machine thermodynamique est réversible, et l'utilisation en tant que machine frigorifique est plus récente, elle s'est développée au cours de la deuxième moitié du XXème siècle.In this document, the term "Stirling engine" refers to a thermodynamic machine called external combustion, named after its inventor, since the middle of the 19th century. This machine was first designed to provide mechanical energy, namely to act as an engine. But it turns out that this thermodynamic machine is reversible, and its use as a refrigerating machine is more recent, it developed during the second half of the 20th century.
Le principe de fonctionnement d'une machine Stirling est supposé connu du lecteur ainsi que les variantes constructives habituelles de réalisation.The operating principle of a Stirling engine is assumed to be known to the reader as well as the usual constructive variants of realization.
Chaque machine Stirling considérée ici peut être formée comme un ensemble de deux cylindres (type Alpha et Gamma) chaque cylindre contenant un piston, avec ensemble volant-embiellage ou bien chaque machine Stirling considérée ici peut être formée comme une combinaison de type mono cylindrique avec deux pistons l’un au-dessus de l'autre avec un ensemble volant-embiellage (c’est le type Beta).Each Stirling engine considered here can be formed as a two-cylinder assembly (Alpha and Gamma type) each cylinder containing a piston, with flywheel-connecting rod assembly or each Stirling engine considered here can be formed as a single-cylinder type combination with two pistons one above the other with a flywheel-connecting rod assembly (this is the Beta type).
Les pistons sont mobiles dans les cylindres et délimitent des chambres à gaz comme il sera vu plus bas.The pistons move in the cylinders and define gas chambers as will be seen below.
Selon une option avantageuse, il peut être prévu une plaque formant pont thermique pour collecter les calories générées dans la batterie, la plaque formant pont thermique étant reliée thermiquement à la portion de prélèvement de calories de la première machine Stirling.According to an advantageous option, a thermal bridge plate may be provided to collect the calories generated in the battery, the thermal bridge plate being thermally connected to the calorie collection portion of the first Stirling engine.
On favorise ainsi la transmission de calories depuis une surface importante jusqu'à l'endroit de la portion de prélèvement de calories de la première machine Stirling.This promotes the transmission of calories from a large surface to the location of the calorie collection portion of the first Stirling engine.
Tout système permettant de véhiculer les calories générées dans la batterie vers la portion de prélèvement de calories de la première machine Stirling est considéré dans le cadre de la présente invention.Any system for conveying the calories generated in the battery to the calorie collection portion of the first Stirling engine is considered within the scope of the present invention.
On relève que, ledit véhicule automobile présentant un repère dans l’espace comprenant un axe longitudinal suivant une direction de déplacement dudit véhicule automobile, un axe transversal perpendiculaire à l’axe longitudinal, et un axe vertical perpendiculaire à l’axe longitudinal et à l’axe transversal, l’axe vertical étant dirigé de bas en haut, la plaque formant pont thermique peut contenir un liquide caloporteur voire un fluide thermodynamique à changement de phase, pour offrir une résistance thermique la plus faible possible.It is noted that, said motor vehicle having a reference point in space comprising a longitudinal axis following a direction of movement of said motor vehicle, a transverse axis perpendicular to the longitudinal axis, and a vertical axis perpendicular to the longitudinal axis and to the transverse axis, the vertical axis being directed from bottom to top, the plate forming a thermal bridge may contain a heat transfer liquid or even a phase-change thermodynamic fluid, to offer the lowest possible thermal resistance.
Selon une option avantageuse, la plaque formant pont thermique est agencée sous la batterie. Ainsi la plaque forme un support physique pour l'agencement de la pluralité de cellules électrochimiques formant la batterie, lesdites cellule étant ; en contact ferme et gravitaire avec ladite plaque.According to an advantageous option, the thermal bridge plate is arranged under the battery. Thus the plate forms a physical support for the arrangement of the plurality of electrochemical cells forming the battery, said cells being; in firm and gravitational contact with said plate.
Selon une variante, la batterie est au moins en partie immergée dans un liquide diélectrique et la portion de prélèvement de calories est en couplage thermique avec le liquide diélectrique.According to one variant, the battery is at least partly immersed in a dielectric liquid and the heat collection portion is thermally coupled with the dielectric liquid.
Selon une autre variante, la portion de prélèvement de calories est en couplage thermique avec la première portion de la batterie au moyen de caloducs. Les caloducs peuvent avoir des formes diverses facilitant le contact thermique entre les cellules électrochimiques et la portion de prélèvement de calories de la première machine Stirling.According to another variant, the calorie collection portion is thermally coupled with the first portion of the battery by means of heat pipes. The heat pipes can have various shapes facilitating thermal contact between the electrochemical cells and the calorie collection portion of the first Stirling engine.
Selon une option avantageuse, il peut être prévu un ventilateur pour provoquer une convection forcée au contact de la portion de rejet de calories. De préférence, il peut s'agir d'une convection par air pulsé, sans exclure toutefois une convection par un fluide liquide. Ceci améliore le transfert des calories vers l'air ambiant depuis la portion de rejet de calories de la première machine Stirling.According to an advantageous option, a fan may be provided to cause forced convection in contact with the heat discharge portion. Preferably, this may be convection by pulsed air, without however excluding convection by a liquid fluid. This improves the transfer of calories to the ambient air from the heat discharge portion of the first Stirling engine.
Selon une option, la première machine de type Stirling peut être d’un type choisi parmi les configurations de machine Stirling : Alpha, Beta, Gamma ou une machine Stirling à membranes. Selon la place disponible et l'encombrement nécessaire à l'implantation de la machine Stirling, on peut choisir l'un des trois types disponibles précités.As an option, the first Stirling machine can be of a type chosen from the Stirling machine configurations: Alpha, Beta, Gamma or a membrane Stirling machine. Depending on the space available and the footprint required for the installation of the Stirling machine, one of the three available types mentioned above can be chosen.
Selon une option, la deuxième machine de type Stirling peut être d’un type choisi parmi les configurations de machine Stirling : Alpha, Beta, Gamma ou une machine Stirling à membranes. De manière similaire, selon la place disponible et l'encombrement nécessaire à l'implantation de la machine Stirling, on peut choisir l'un des trois types disponibles précités. On remarque qu’il n'est pas nécessaire que les deux machines Stirling soient de même type.Alternatively, the second Stirling machine may be of a type selected from the Stirling machine configurations: Alpha, Beta, Gamma or a membrane Stirling machine. Similarly, depending on the space available and the footprint required for the installation of the Stirling machine, one of the three available types mentioned above may be chosen. Note that it is not necessary for the two Stirling machines to be of the same type.
Dans la pratique, on peut choisir un type Alpha pour la première machine Stirling et un type Gamma pour la deuxième machine Stirling.In practice, one can choose an Alpha type for the first Stirling engine and a Gamma type for the second Stirling engine.
Selon une option, la première machine de type Stirling est choisie de type Alpha, avec un premier cylindre hébergeant le premier piston et délimitant une première chambre à volume variable, la première chambre faisant partie de la portion de prélèvement de calories, et avec un deuxième cylindre hébergeant le deuxième piston et délimitant une deuxième chambre à volume variable, la deuxième chambre faisant partie de la portion de rejet de calories. La machine de type Alpha est particulièrement bien adaptée au fonctionnement en machine à frigorifique du cycle Stirling.According to one option, the first Stirling-type machine is chosen to be of the Alpha type, with a first cylinder housing the first piston and delimiting a first variable-volume chamber, the first chamber forming part of the calorie collection portion, and with a second cylinder housing the second piston and delimiting a second variable-volume chamber, the second chamber forming part of the calorie rejection portion. The Alpha-type machine is particularly well suited to operation as a Stirling cycle refrigeration machine.
Selon une option, le deuxième volant est couplé mécaniquement au premier volant au moyen d’un réducteur ou d’un multiplicateur. On peut ainsi choisir d'avoir un régime de rotation différent entre les deux machines Stirling.Alternatively, the second flywheel is mechanically coupled to the first flywheel by means of a reducer or a multiplier. It is thus possible to choose to have a different rotation speed between the two Stirling engines.
Selon une option, le moteur électrique est couplé mécaniquement au premier volant au moyen d’un réducteur. Ainsi on peut utiliser un moteur de petite dimension qui va tourner en pratique plus vite que la vitesse de rotation de la première machine Stirling.Alternatively, the electric motor is mechanically coupled to the first flywheel by means of a reducer. This allows a small motor to be used which will in practice rotate faster than the rotation speed of the first Stirling engine.
L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles :
Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. Pour des raisons de clarté de l'exposé, certains éléments ne sont pas nécessairement représentés à l'échelle.In the various figures, the same references designate identical or similar elements. For reasons of clarity of the presentation, certain elements are not necessarily shown to scale.
Un véhicule hybride ou électrique comprend au moins une batterie BATT de types électrochimique capable de stocker une grande quantité d'énergie électrique et au moins un moteur de traction électrique.A hybrid or electric vehicle comprises at least one BATT battery of electrochemical types capable of storing a large quantity of electrical energy and at least one electric traction motor.
On entend ici par batterie tout dispositif de stockage d’énergie électrique embarqué dans un véhicule électrique ou hybride, de type électrochimique (Ni-MH, Li-Ion, etc.) voire partiellement purement électrique (super condensateurs).Here, the term battery means any electrical energy storage device embedded in an electric or hybrid vehicle, of the electrochemical type (Ni-MH, Li-Ion, etc.) or even partially purely electric (super capacitors).
On s'intéresse ici en particulier aux batteries ayant une capacité de stockage d'énergie d'au moins 40 kW.Of particular interest here are batteries with an energy storage capacity of at least 40 kW.
Dans la pratique, la batterie est un ensemble de cellules électrochimiques individuelles assemblées mécaniquement et électriquement pour former un module ou un pack de batterie. Il peut y avoir plusieurs sous-ensembles de modules de batterie disposés à des endroits différents, mais regroupés fonctionnellement du point de vue électrique. Selon un autre exemple, la batterie peut être toute entière logée dans le plancher du véhicule.In practice, the battery is a set of individual electrochemical cells mechanically and electrically assembled to form a battery module or pack. There may be several subsets of battery modules arranged in different locations, but functionally grouped together from an electrical point of view. In another example, the battery may be housed entirely in the floor of the vehicle.
Le véhicule comporte des moyens de raccordement destinés à permettre une recharge rapide de la batterie à partir d’une source de courant externe. Pour des recharges de quelques centaines de kilowatts, il s'agit de recharge à courant continu disponible dans des stations de recharge publiques.The vehicle has connection means intended to allow rapid recharging of the battery from an external power source. For recharging of a few hundred kilowatts, this involves direct current recharging available at public charging stations.
Le processus de recharge provoque, à l'intérieur de la batterie, un échauffement important au regard des courants mis en jeu. Le véhicule est par conséquent équipé d'un système de refroidissement conçu pour évacuer une grande quantité de calories qui se forme au cœur de la batterie pendant le processus de recharge, notamment par effet Joule.The recharging process causes significant heating inside the battery, given the currents involved. The vehicle is therefore equipped with a cooling system designed to evacuate a large quantity of calories which form in the heart of the battery during the recharging process, in particular by the Joule effect.
Le système de refroidissement SR comprend une première machine de type Stirling MS1 configurée en machine frigorifique Stirling et une deuxième machine de type Stirling MS2 fonctionnant en moteur.The SR cooling system comprises a first Stirling MS1 type machine configured as a Stirling refrigeration machine and a second Stirling MS2 type machine operating as an engine.
La première machine de type Stirling MS1 fonctionne en machine frigorifique Stirling. Son rôle est d'être l'acteur du prélèvement des calories en provenance de la batterie et de leur rejet dans l'air extérieur. Comme nous le verrons si après, il faut fournir un travail mécanique à cette première machine Stirling.The first Stirling MS1 type machine works as a Stirling refrigeration machine. Its role is to be the actor of the collection of calories coming from the battery and their rejection in the outside air. As we will see if later, it is necessary to provide mechanical work to this first Stirling machine.
A l'inverse, la deuxième machine de type Stirling (MS2) fonctionne en moteur Stirling, elle utilise des calories en provenance de la batterie pour former sa source chaude et l'air ambiant forme sa source froide.Conversely, the second Stirling-type machine (MS2) operates as a Stirling engine, it uses calories from the battery to form its hot source and the ambient air forms its cold source.
Dans le premier exemple présenté à la
Première machineFirst machine
La première machine Stirling MS1 comprend une portion de prélèvement de calories 21 en couplage thermique avec une première portion 81 de la batterie, et une portion de rejet de calories 22 configurée pour rejeter des calories dans l’environnement dans l’air ambiant.The first Stirling engine MS1 comprises a calorie collection portion 21 in thermal coupling with a first portion 81 of the battery, and a calorie rejection portion 22 configured to reject calories into the environment in the ambient air.
La première machine Stirling MS1 comprend un premier piston 71 monté coulissant dans un premier cylindre 11, un deuxième piston 72 monté coulissant dans un deuxième cylindre 12.The first Stirling engine MS1 comprises a first piston 71 slidably mounted in a first cylinder 11, a second piston 72 slidably mounted in a second cylinder 12.
La première machine Stirling MS1 comprend un volant moteur 31, baptisé premier volant, relié aux premier et deuxième pistons par un premier embiellage 41, détaillé plus loin.The first Stirling engine MS1 includes a flywheel 31, called the first flywheel, connected to the first and second pistons by a first connecting rod 41, detailed later.
On remarque que l'un des cylindres est géométriquement décalé de 90° par rapport à l'autre cylindre ce qui permet de simplifier l'embiellage (maneton unique) nécessaire à l'embiellage.We note that one of the cylinders is geometrically offset by 90° relative to the other cylinder, which simplifies the connecting rod assembly (single crank pin) required for the connecting rod assembly.
Cette disposition constructive reflète une des caractéristiques principales des machines Stirling, à savoir le décalage en quadrature d'un piston par rapport à l'autre.This constructive arrangement reflects one of the main characteristics of Stirling engines, namely the quadrature offset of one piston relative to the other.
Le premier embiellage 41 est articulé à partir d'un maneton 49 attaché au volant 31. Une bielle intermédiaire 42 est attachée d'un côté au maneton 49 et de l'autre côté à une extrémité de tige 43 du premier piston 71. Une autre bielle intermédiaire 45 est attachée d'un côté au maneton 49 et de l'autre côté à une extrémité de tige 44 du deuxième piston 72.The first connecting rod 41 is articulated from a crank pin 49 attached to the flywheel 31. An intermediate connecting rod 42 is attached on one side to the crank pin 49 and on the other side to a rod end 43 of the first piston 71. Another intermediate connecting rod 45 is attached on one side to the crank pin 49 and on the other side to a rod end 44 of the second piston 72.
Le premier volant 31 est monté pivotant autour d'un axe X1 par rapport à un carter de machine.The first flywheel 31 is pivotally mounted around an axis X1 relative to a machine casing.
Le premier piston 71 délimite avec le premier cylindre 11 une première chambre à gazC1au-dessus du piston. La première chambre à gaz présente à son extrémité supérieure un orifice. Cet orifice est fluidiquement relié par une conduite à un régénérateur 91, du côté de sa partie froide.The first piston 71 delimits with the first cylinder 11 a first gas chamber C1 above the piston. The first gas chamber has an orifice at its upper end. This orifice is fluidically connected by a pipe to a regenerator 91, on the side of its cold part.
De manière similaire, le deuxième piston 72 délimite avec le cylindre 12 une deuxième chambre à gaz C2 au-dessus du deuxième piston. Là aussi un orifice d'extrémité supérieure permet de relier fluidiquement la deuxième chambre à gaz C2 au régénérateur, du côté de sa partie chaude.Similarly, the second piston 72 delimits with the cylinder 12 a second gas chamber C2 above the second piston. Here too an upper end orifice makes it possible to fluidly connect the second gas chamber C2 to the regenerator, on the side of its hot part.
Dans la première chambre C1, c'est le phénomène de détente qui est prépondérant alors que dans la deuxième chambre deuxième C2 c'est le phénomène de compression qui est prépondérant.In the first chamber C1, it is the phenomenon of relaxation which is preponderant whereas in the second chamber C2 it is the phenomenon of compression which is preponderant.
Le flux thermique prélevé à la batterie par la portion de prélèvement est noté Q1. Le flux thermique rejeté dans l'air environnant par la portion de rejet de calories 22 est noté Q2.The heat flow taken from the battery by the collection portion is noted Q1. The heat flow rejected into the surrounding air by the calorie rejection portion 22 is noted Q2.
Il peut être prévu des ailettes 19 comme représenté schématiquement dans les figures pour améliorer les coefficients d'échange au niveau des portions de prélèvement et de rejet.Fins 19 may be provided as shown schematically in the figures to improve the exchange coefficients at the level of the collection and discharge portions.
Pour faire fonctionner cette machine en mode frigorifique, il faut fournir un travail mécanique sur le premier volant 31. À cette fin, il est prévu un couplage du volant 31 avec un moteur électrique M3.To operate this machine in refrigeration mode, mechanical work must be provided on the first flywheel 31. For this purpose, a coupling of the flywheel 31 with an electric motor M3 is provided.
Le sens de rotation du volant est le sens inverse du cas où la machine fonctionne en moteur.The direction of rotation of the flywheel is the opposite direction to the case where the machine operates as a motor.
La température moyenne T1 de la première chambre à gaz C1 est inférieure à la température moyenne T2 de la deuxième chambre à gaz C2.The average temperature T1 of the first gas chamber C1 is lower than the average temperature T2 of the second gas chamber C2.
Le moteur électrique M3 est piloté par un calculateur en charge de superviser la recharge de la batterie du véhicule. La vitesse de rotation du volant 31 peut être comprise en en quelques dizaines de tours par minute et quelques centaines de tours par minute en fonction des besoins d'évacuation de calories.The M3 electric motor is controlled by a computer responsible for supervising the recharging of the vehicle's battery. The rotation speed of the flywheel 31 can be between a few dozen revolutions per minute and a few hundred revolutions per minute depending on the heat evacuation needs.
Par exemple, le pilotage de M3 peut être tel que la température moyenne T1 sur la portion de prélèvement soit voisine de 0°C, sans descendre plus bas pour éviter la formation de glace.For example, the control of M3 can be such that the average temperature T1 on the sampling portion is close to 0°C, without going lower to avoid the formation of ice.
Le fluide utilisé dans la première machine Stirling peut-être de l’air, du CO2, de l'éthanol, de l’hydrogène, de l'hélium, sans exclure d'autres gaz.The fluid used in the first Stirling engine could be air, CO2, ethanol, hydrogen, helium, but not excluding other gases.
Comme connu en soi et non décrit en détail ici, le régénérateur 91 échange de l'énergie avec le gaz qui y circule et ceci cycliquement et dans les deux directions. Il règne un gradient de température important à l'intérieur du régénérateur entre l'extrémité chaude et l'extrémité froide.As known per se and not described in detail herein, the regenerator 91 exchanges energy with the gas flowing therein and this cyclically and in both directions. There is a significant temperature gradient inside the regenerator between the hot end and the cold end.
Deuxième machineSecond machine
La deuxième machine de type Stirling MS2 fonctionne en moteur Stirling, avec comme source chaude une deuxième portion de la batterie couplée à une portion de réception de calories 23 de la deuxième machine de type Stirling. La source froide est formée par l’air ambiant couplé au niveau d’une portion de refroidissement 24 de la deuxième machine de type Stirling. La portion de réception de calories 23 de la deuxième machine est couplée thermiquement à une deuxième portion 82 de la batterie.The second Stirling type machine MS2 operates as a Stirling engine, with as a hot source a second portion of the battery coupled to a calorie receiving portion 23 of the second Stirling type machine. The cold source is formed by the ambient air coupled at a cooling portion 24 of the second Stirling type machine. The calorie receiving portion 23 of the second machine is thermally coupled to a second portion 82 of the battery.
De préférence, cette deuxième portion 82 de la batterie est éloignée de la première portion 81 de la batterie laquelle bénéficie du refroidissement procuré par la première machine Stirling.Preferably, this second portion 82 of the battery is distant from the first portion 81 of the battery which benefits from the cooling provided by the first Stirling engine.
La deuxième machine Stirling MS2 comprend un troisième piston 73 monté coulissant dans un troisième cylindre 13 et un quatrième piston 74 monté coulissant dans un quatrième cylindre 14.The second Stirling engine MS2 comprises a third piston 73 slidably mounted in a third cylinder 13 and a fourth piston 74 slidably mounted in a fourth cylinder 14.
La deuxième machine Stirling MS2 comprend un volant moteur 32, baptisé deuxième volant, relié aux troisième et troisième pistons par un deuxième embiellage 42.The second Stirling engine MS2 includes a flywheel 32, called the second flywheel, connected to the third and third pistons by a second connecting rod 42.
Le deuxième embiellage 42 similaire ou identique au premier embiellage 41 et donc non décrit à nouveau ici par souci de concision.The second connecting rod 42 is similar or identical to the first connecting rod 41 and therefore not described again here for the sake of brevity.
Là aussi les cylindres sont décalés de 90° l’un par rapport à l'autre, selon la configuration Alpha.Here too the cylinders are offset by 90° relative to each other, according to the Alpha configuration.
Le deuxième volant 32 est couplé mécaniquement au premier volant 31 pour délivrer du travail reçu par le deuxième volant au premier volant.The second flywheel 32 is mechanically coupled to the first flywheel 31 to deliver work received by the second flywheel to the first flywheel.
Le deuxième volant 32 est monté pivotant autour d'un axe X2 par rapport au carter de la machine.The second flywheel 32 is pivotally mounted around an axis X2 relative to the machine casing.
Le troisième piston 73 délimite avec le troisième cylindre 13 une troisième chambre à gaz C3 au-dessus du piston. La troisième chambre à gaz présente à son extrémité supérieure un orifice. Cet orifice est fluidiquement relié par une conduite à un régénérateur 92, du côté de sa partie chaude.The third piston 73 delimits with the third cylinder 13 a third gas chamber C3 above the piston. The third gas chamber has an orifice at its upper end. This orifice is fluidically connected by a pipe to a regenerator 92, on the side of its hot part.
De manière similaire, le quatrième piston 74 délimite avec le quatrième cylindre 14 une quatrième chambre à gaz C4 au-dessus du quatrième piston. Là aussi un orifice d'extrémité supérieure permet de relier fluidiquement la deuxième chambre à gaz au régénérateur du côté de sa partie froide.Similarly, the fourth piston 74 delimits with the fourth cylinder 14 a fourth gas chamber C4 above the fourth piston. Here too an upper end orifice makes it possible to fluidically connect the second gas chamber to the regenerator on the side of its cold part.
Dans la troisième chambre C3, c'est le phénomène de détente qui est prépondérant alors que dans la quatrième chambre C4, c'est le phénomène de compression qui est prépondérant. Par rapport à la première machine, le sens de rotation du deuxième volant 32 est inverse.In the third chamber C3, it is the expansion phenomenon which is predominant while in the fourth chamber C4, it is the compression phenomenon which is predominant. Compared to the first machine, the direction of rotation of the second flywheel 32 is the opposite.
Le flux thermique prélevé à la batterie par la portion de prélèvement 23 est noté Q3. Le flux thermique rejeté dans l'air environnant par la portion de rejet de calories 24 est noté Q4.The heat flow taken from the battery by the sampling portion 23 is noted Q3. The heat flow rejected into the surrounding air by the calorie rejection portion 24 is noted Q4.
La température moyenne T3 de la troisième chambre à gaz C3 est supérieure à la température moyenne T4 de la quatrième chambre à gaz C4.The average temperature T3 of the third gas chamber C3 is higher than the average temperature T4 of the fourth gas chamber C4.
Pour améliorer les performances thermiques, il peut être prévu une plaque formant pont thermique, notée 8, en interface intime avec les cellules électrochimiques de la batterie.To improve thermal performance, a thermal bridge plate, marked 8, may be provided as an intimate interface with the electrochemical cells of the battery.
Selon une option, la plaque formant pont thermique 8 est agencée sous la batterie, i.e. les éléments électrochimiques de la batterie reposent sur ladite plaque 8.According to one option, the thermal bridge plate 8 is arranged under the battery, i.e. the electrochemical elements of the battery rest on said plate 8.
Du côté de la portion de rejet des calories, il peut être prévu un ventilateur 87 pour générer une convection forcée qui vient lécher les ailettes de la portion de rejet 22. Tout autre système favorisant les échanges thermiques pour prélever des calories depuis la portion de rejet 22 peut également être utilisé.On the side of the heat discharge portion, a fan 87 may be provided to generate forced convection which licks the fins of the discharge portion 22. Any other system promoting heat exchanges to extract heat from the discharge portion 22 may also be used.
Le régime de rotation du moteur électrique M3 peut être piloté par le calculateur BMS en charge de surveiller le processus de recharge.The rotation speed of the M3 electric motor can be controlled by the BMS calculator responsible for monitoring the charging process.
Selon une option particulière, le ventilateur 87 est entraîné de façon proportionnelle par rapport au régime de rotation du moteur M3, le ventilateur peut être entraîné via un réducteur depuis l'arbre retour du moteur M3.According to a particular option, the fan 87 is driven proportionally to the rotation speed of the motor M3, the fan can be driven via a reducer from the return shaft of the motor M3.
Variante àVariant to StirlingStirling BetaBeta
À la
Par rapport à la configuration Alpha décrite au-dessus, seuls les éléments différents seront exposés ci-après, les autres fonctions et caractéristiques étant supposées identiques ou similaires à celles des machines de type Alpha.Compared to the Alpha configuration described above, only the different elements will be explained below, the other functions and characteristics being assumed to be identical or similar to those of Alpha type machines.
Ici aussi, la première machine de type Stirling MS1 fonctionne en machine frigorifique Stirling, prélevant un flux thermique Q1 à la batterie et rejetant flux thermique Q2 dans l'air ambiant. A l'inverse, la deuxième machine de type Stirling MS2 fonctionne en moteur Stirling, elle utilise des calories en provenance de la batterie pour former sa source chaude et sa et l'air ambiant forme sa source froide.Here too, the first Stirling type machine MS1 operates as a Stirling refrigeration machine, taking a heat flow Q1 from the battery and rejecting heat flow Q2 into the ambient air. Conversely, the second Stirling type machine MS2 operates as a Stirling engine, it uses calories from the battery to form its hot source and its and the ambient air forms its cold source.
Selon cette configuration, les chambres C1 et C2 se trouvent dans un seul et même cylindre 15.According to this configuration, chambers C1 and C2 are located in a single cylinder 15.
Dans le premier cylindre 15, le premier piston 75 se trouve au-dessus du deuxième piston 76. La tige du premier piston passe au travers du deuxième piston avec en joint d'étanchéité à cet endroit.In the first cylinder 15, the first piston 75 is located above the second piston 76. The rod of the first piston passes through the second piston with a seal at this location.
Selon cette configuration, les chambres C3 et C4 se trouvent dans un seul et même cylindre 16.In this configuration, chambers C3 and C4 are located in a single cylinder 16.
Dans le deuxième cylindre 16, le troisième piston 77 se trouve au-dessus du piston 78. La tige du troisième piston passe au travers du deuxième piston avec quatrième avec en joint d'étanchéité à cet endroit.In the second cylinder 16, the third piston 77 is located above the piston 78. The rod of the third piston passes through the second piston with the fourth with a seal at this location.
Chaque volant moteur 31 32, est équipé de deux manetons, les deux manetons 36 37 sont décalés angulairement de 90°, ce qui produit le résultat d'avoir des mouvements respectifs de piston en quadrature.Each flywheel 31 32, is equipped with two crank pins, the two crank pins 36 37 are angularly offset by 90°, which produces the result of having respective piston movements in quadrature.
Autres caractéristiquesOther features
Avantageusement selon la présente invention, il est prévu un couplage mécanique 9 entre le deuxième volant 32 et le premier volant 31 afin de réinjecter le travail récupéré par la deuxième machine Stirling MS2 dans la première machine Stirling MS1. De cette manière, on soulage le moteur électrique M3 qui n'a plus qu’à fournir une partie du travail nécessaire au fonctionnement de la première machine en cycle frigorifique.Advantageously, according to the present invention, a mechanical coupling 9 is provided between the second flywheel 32 and the first flywheel 31 in order to reinject the work recovered by the second Stirling machine MS2 into the first Stirling machine MS1. In this way, the electric motor M3 is relieved, which only has to provide part of the work necessary for the operation of the first machine in the refrigeration cycle.
Le couplage mécanique 9 entre le deuxième volant et le premier volant peut être direct ou indirect.The mechanical coupling 9 between the second flywheel and the first flywheel can be direct or indirect.
Dans un exemple, les axes X1 et X2 peuvent être confondus. Toutefois en pratique, on prévoit un arbre de liaison avec le cas échéant renvoi(s) d'angle.In one example, the X1 and X2 axes can be merged. However, in practice, a connecting shaft is provided with, if necessary, angle transmission(s).
Par exemple, comme illustré schématiquement à la
Selon une variante de réalisation présentée à la
Il peut être prévu un agitateur ou un circulateur pour homogénéiser la température à l'intérieur du liquide diélectrique. La solution du liquide diélectrique permet d'homogénéiser efficacement la température prévalent dans les cellules électrochimiques de la batterie.A stirrer or circulator may be provided to homogenize the temperature inside the dielectric liquid. The dielectric liquid solution effectively homogenizes the temperature prevailing in the electrochemical cells of the battery.
Selon une autre variante de réalisation, on fait appel à des caloducs, la portion de prélèvement de calories 21 est alors en couplage thermique avec la première portion de la batterie au moyen desdits caloducs. Les caloducs peuvent avoir des formes diverses facilitant le contact thermique entre les cellules électrochimiques et la portion de prélèvement de calories de la première machine Stirling. Les caloducs peuvent être passifs (à capillarité) ou des thermosiphons (utilisant la gravité).According to another embodiment variant, heat pipes are used, the calorie collection portion 21 is then thermally coupled with the first portion of the battery by means of said heat pipes. The heat pipes can have various shapes facilitating thermal contact between the electrochemical cells and the calorie collection portion of the first Stirling engine. The heat pipes can be passive (capillary) or thermosyphons (using gravity).
On remarque que les quantités de flux thermique Q1 et Q2 sont généralement supérieures aux quantités de flux thermique Q3 et Q4.It is noted that the quantities of heat flux Q1 and Q2 are generally greater than the quantities of heat flux Q3 and Q4.
Tout système d’échange thermique qui permet de faire transiter au mieux les flux thermiques Q1, Q2, Q3, Q4 peut être utilisé, soit un système d’ailettes comme représenté aux figures, soit tout autre système.Any heat exchange system that allows the thermal flows Q1, Q2, Q3, Q4 to be transmitted as best as possible can be used, either a fin system as shown in the figures, or any other system.
Selon un exemple non limitatif, la température moyenne de la batterie pendant une recharge rapide peut être voisine de 75°C, la température T1 moyenne voisine de 5°C, la température T2 moyenne voisine de 80°C, la température T3 moyenne voisine de 65°C et la température T4 moyenne voisine de 20°C (température ambiante).According to a non-limiting example, the average temperature of the battery during a rapid recharge may be around 75°C, the average temperature T1 around 5°C, the average temperature T2 around 80°C, the average temperature T3 around 65°C and the average temperature T4 around 20°C (ambient temperature).
En lieu et place des types Alpha ou Beta, les machines Stirling pourraient être également des machines de type Gamma (non représenté aux figures) ou des machines Stirling à membranes.Instead of Alpha or Beta types, Stirling engines could also be Gamma type machines (not shown in the figures) or membrane Stirling engines.
On relève que les machines Stirling font preuve de discrétion, leur silence de fonctionnement est un avantage pour éviter d'inquiéter un utilisateur du véhicule pendant que la recharge rapide se produit.It is noted that Stirling engines are discreet, their silent operation is an advantage to avoid worrying a vehicle user while the rapid recharge takes place.
Claims (10)
- une portion de prélèvement de calories (21) en couplage thermique avec une première portion de la batterie (81),
- une portion de rejet de calories (22) configurée pour rejeter des calories dans l’environnement dans l’air ambiant,
- un premier piston (71), un deuxième piston (72) et un premier volant (31) relié aux premier et deuxième pistons par un premier embiellage (41), dans lequel un travail est fourni au premier volant au moins en partie par un moteur électrique (M3),
caractérisé en ce que le système de refroidissement comprend une deuxième machine de type Stirling (MS2) configurée en moteur Stirling, avec comme source chaude une deuxième portion de la batterie (82) couplée à une portion de réception de calories (23) de la deuxième machine de type Stirling, et comme source froide l’air ambiant couplé à une portion de refroidissement (24) de la deuxième machine de type Stirling, avec un troisième piston (73), un quatrième piston (74) et un deuxième volant (32) relié aux troisième et quatrième pistons par un deuxième embiellage (42), et en ce que le deuxième volant (32) est couplé mécaniquement au premier volant (31) pour délivrer du travail reçu par le deuxième volant au premier volant.An electrically powered motor vehicle comprising an electrochemical type battery (1) for storing electrical energy, connection means intended to enable the battery to be recharged from an external current source, a cooling system (SR) for cooling the battery, at least during recharging from the external current source, the cooling system comprising a first Stirling type machine (MS1) configured as a Stirling refrigeration machine, the first machine comprising:
- a calorie collection portion (21) in thermal coupling with a first portion of the battery (81),
- a calorie discharge portion (22) configured to discharge calories into the environment in the ambient air,
- a first piston (71), a second piston (72) and a first flywheel (31) connected to the first and second pistons by a first connecting rod (41), in which work is provided to the first flywheel at least in part by an electric motor (M3),
characterized in that the cooling system comprises a second Stirling-type machine (MS2) configured as a Stirling engine, with as a hot source a second portion of the battery (82) coupled to a calorie receiving portion (23) of the second Stirling-type machine, and as a cold source the ambient air coupled to a cooling portion (24) of the second Stirling-type machine, with a third piston (73), a fourth piston (74) and a second flywheel (32) connected to the third and fourth pistons by a second connecting rod (42), and in that the second flywheel (32) is mechanically coupled to the first flywheel (31) to deliver work received by the second flywheel to the first flywheel.
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FR2302167A FR3146435B1 (en) | 2023-03-09 | 2023-03-09 | Front-wheel drive motor vehicle including a battery cooling system |
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FR2302167 | 2023-03-09 |
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Citations (2)
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FR3076086A1 (en) * | 2017-12-27 | 2019-06-28 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | ENERGY GENERATION ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND REVERSIBLE THERMODYNAMIC SYSTEM |
CN110311070A (en) * | 2019-06-03 | 2019-10-08 | 上海欣材科技有限公司 | A kind of batteries of electric automobile temperature barrier |
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2023
- 2023-03-09 FR FR2302167A patent/FR3146435B1/en active Active
Patent Citations (2)
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FR3076086A1 (en) * | 2017-12-27 | 2019-06-28 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | ENERGY GENERATION ASSEMBLY FOR FUEL CELL AND REVERSIBLE THERMODYNAMIC SYSTEM |
CN110311070A (en) * | 2019-06-03 | 2019-10-08 | 上海欣材科技有限公司 | A kind of batteries of electric automobile temperature barrier |
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