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WO2010076451A1 - Dispositif pour refroidir les batteries d'un vehicule notamment electrique et vehicule equipe d'un tel dispositif - Google Patents

Dispositif pour refroidir les batteries d'un vehicule notamment electrique et vehicule equipe d'un tel dispositif Download PDF

Info

Publication number
WO2010076451A1
WO2010076451A1 PCT/FR2009/052421 FR2009052421W WO2010076451A1 WO 2010076451 A1 WO2010076451 A1 WO 2010076451A1 FR 2009052421 W FR2009052421 W FR 2009052421W WO 2010076451 A1 WO2010076451 A1 WO 2010076451A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
batteries
water
battery
loop
vehicle
Prior art date
Application number
PCT/FR2009/052421
Other languages
English (en)
Inventor
Flavien Dubief
Masato Origuchi
Robert Yu
Original Assignee
Renault S.A.S.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Renault S.A.S. filed Critical Renault S.A.S.
Priority to EP09801501A priority Critical patent/EP2370278B1/fr
Priority to CN200980153593.2A priority patent/CN102271942B/zh
Publication of WO2010076451A1 publication Critical patent/WO2010076451A1/fr

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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00271—HVAC devices specially adapted for particular vehicle parts or components and being connected to the vehicle HVAC unit
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a device for cooling the battery or batteries of a motor vehicle including electric, hybrid or all-electric type.
  • Electric motor vehicles are powered by a battery whose lifespan is essential given its initial price.
  • electrochemical batteries very sensitive to temperature variations, are generally designed to operate optimally in a temperature range of 20 to 40 ° C., or even 20 to 30 ° C.
  • a temperature above 40 0 C improves the performance of a lithium battery but increases its degradation rate, a temperature of 40 0 C is already high to ensure a long life.
  • a temperature above 40 0 C for a NiMH (or NiCd) type battery affects the charging capacity of the battery and accelerates its rise in temperature. Because of their relatively large size and weight
  • the heat generation being proportional to the square of the electric current and the power being proportional to the current, the heat generation is proportional to the square of the power.
  • a very fast charge of the battery (in about fifteen minutes) can thus cause a very important heat generation in the battery.
  • the driver can use the vehicle several times in the same day by quickly charging the battery after it has been completely discharged as a result of using the vehicle.
  • the temperature of the battery will increase more and more until reaching the maximum permitted temperature, the battery having no time to cool between two cycles of rapid charge of the battery. It is then necessary to cool the battery to preserve its life.
  • a pump is necessary to ensure the circulation of the cooling fluid.
  • the fluid is cooled by the outside air by means of a radiator and an associated fan.
  • the dimensions of the radiator and the capacity of the fan must be large, the temperature differences between the outside air and the fluid and between the battery and the fluid being relatively small.
  • Another known cooling device uses to cool the battery or batteries, the air conditioning system of the vehicle. This device equips vehicles of Ford Escape type and is shown schematically in Figure 1.
  • This device comprises an evaporator 1 located in the passenger compartment 2 which is connected to the condenser 3 located outside the passenger compartment by two ducts 4, 5 in which circulates a refrigerant, such as freon which is compressed in a compressor 6.
  • a refrigerant such as freon which is compressed in a compressor 6.
  • the two ducts 4, 5 are connected to two bypass ducts 7, 8 which are connected to an evaporator 9 which cools the interior of a tank 10 enclosing the batteries 11.
  • the holders 12, 13 make it possible to regulate the circulation of the refrigerant in the ducts 4, 5 and 7, 8.
  • This cooling device thus requires a second evaporator 9, which makes it bulky and expensive to produce.
  • the object of the present invention is to overcome these disadvantages.
  • a device for cooling the battery or batteries of a motor vehicle in particular of an electric vehicle, this vehicle comprising an air conditioner in which the evaporator and the condenser are interconnected.
  • a main circuit in which a rigid refrigerant circulates this main circuit being connected to a bypass circuit for conveying the refrigerant to the battery or batteries for cooling thereof, characterized in that upstream of the battery or batteries is arranged a refrigerant-water exchanger adapted to perform a heat exchange between the refrigerant flowing in the bypass circuit and the water flowing in a loop disposed in heat exchange with the battery or batteries. This water loop effectively cools the battery (s).
  • said loop comprises a pump for circulating the water in this loop.
  • the water circulating in the loop cooled by the refrigerant circulating in the exchanger cools the battery or batteries, by capturing the calories emitted by the latter by evacuating them to the exchanger.
  • the device comprises at least one valve for closing or opening the communication between the main circuit and the branch circuit. This valve stops the flow of refrigerant in the bypass circuit, when it is not necessary to cool the batteries or when it is necessary to favor the cooling of the passenger compartment.
  • This valve may be located on one of the branches of the branch circuit.
  • the heat exchange between the water circulating in said loop and the battery or batteries is made by direct contact between the water and one or more walls of the battery or batteries.
  • the heat exchange between the water circulating in said loop and the battery or batteries is made in a water circuit integrated in the battery or batteries.
  • said water circuit is connected to the rest of the water loop by removable connectors for connecting the battery or batteries to this water loop and disconnect it. This arrangement makes it easy to disconnect and reconnect the batteries for maintenance or replacement.
  • the device according to the invention comprises an air-water radiator for cooling the water circulating in said loop.
  • this radiator can either contribute to the cooling of the water in the loop or be used alone to cool this water, when it is necessary to favor the cooling of the passenger compartment by stopping the circulation of the refrigerant in the circuit derivation of it.
  • This radiator is preferably placed at the front of the vehicle to promote heat exchange with the outside air and can be connected to the water loop by two bypass lines.
  • the invention also relates to a motor vehicle, in particular an electric vehicle equipped with a cooling device according to the invention.
  • FIG. 2 is a diagram of the cooling device according to the invention
  • FIG. 3 is a diagram of an improved cooling device.
  • FIG. 2 represents a device for cooling the batteries 1 1 of a motor vehicle, in particular of an electric vehicle comprising, as in the case of FIG. 1, an air conditioner in which the evaporator 1 situated in the cockpit 2 and the condenser 3 located at the front of the vehicle are interconnected by a main circuit comprising two pipes 4, 5 in which circulates a refrigerant, such as freon.
  • This main circuit is connected to a branch circuit comprising two lines 7, 8 for conveying the refrigerant to the batteries 1 1 to cool them.
  • a refrigerant-water exchanger 14 adapted to perform a heat exchange between the refrigerant circulating in the branch circuit 7, 8 and the water circulating in a loop 15, 16 disposed in heat exchange condition with the batteries 11.
  • the loop 15, 16 comprises a pump 17 for circulating the water in this loop.
  • the device further comprises at least one valve 8a for closing or opening the communication between the main circuit 4, 5 and the branch circuit 7, 8.
  • This valve 8a is located at the connection of the pipe 8 of the branch circuit with the main circuit.
  • the heat exchange between the water circulating in the loop 15, 16 and the batteries 11 is made by direct contact between this water and one or more walls of the batteries 11.
  • the heat exchange between the water circulating in the loop 15, 16 and the batteries 11 can also be achieved in a water circuit 18 integrated in the batteries 11 so as to optimize the heat exchange.
  • said water circuit 18 is connected to the remainder of the water loop 15, 16 by removable connectors 19, 20 making it possible to connect the batteries to this water loop 15, 16 and to connect them to the water loop 15, 16. easily disconnect from it.
  • the cooling device further comprises an air-water radiator 21 for cooling the water flowing in the loop 15, 16.
  • This radiator 21 is placed at the front of the vehicle and is connected to the water loop 15, 16 by two bypass lines 22, 23.
  • the water circulating in the water loop 15, 16 through the pump 17 is cooled by passing through the exchanger 14. This cooled water, cools the batteries 11 by circulating in the circuit 18 integrated therein.
  • the cooling device and prevents the battery temperature exceeds a temperature of about 40 0 C, while allowing to cool the passenger compartment 2 during the movement of the vehicle. When the vehicle is at a standstill, the device also enables the batteries 1 1 to be effectively cooled during a fast charging cycle thereof.
  • the cooling efficiency of the batteries 1 1 can be increased by switching on the radiator 21 placed at the front of the vehicle.
  • This radiator 21 can also be put into service alone, that is to say, after closure of the valve 8a of the bypass circuit 7, 8 to cool the batteries January 1, especially when the outside temperature is relatively low.
  • the device according to the invention thus has great flexibility of use.
  • valves and the pump 17 of the water loop can be controlled automatically according to the desired operating modes, the ambient temperature and the temperature of the batteries.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif pour refroidir la ou les batteries (11) d'un véhicule automobile, en particulier d'un véhicule électrique, ce véhicule comprenant un climatiseur dans lequel l'évaporateur (1) et le condenseur (3) sont reliés entre eux par un circuit principal (4, 5) dans lequel circule un fluide frigorigène, ce circuit principal (4, 5) étant relié à un circuit de dérivation (7, 8) pour acheminer le fluide frigorigène vers la ou les batteries (11) pour refroidir celles-ci, caractérisé en ce qu'en amont de la ou les batteries (11) est disposé un échangeur fluide frigorigène-eau (14) adapté pour réaliser un échange thermique entre le fluide frigorigène circulant dans le circuit de dérivation (7, 8) et l'eau circulant dans une boucle (15, 16) disposée en condition d'échange thermique avec la ou les batteries (11).

Description

Dispositif pour refroidir les batteries d'un véhicule notamment électrique et véhicule équipé d'un tel dispositif
La présente invention concerne un dispositif pour refroidir la ou les batteries d'un véhicule automobile notamment électrique, du type hybride ou tout électrique.
Les véhicules à moteur électrique sont alimentés en énergie électrique par une batterie dont la durée de vie est primordiale compte tenu de son prix initial.
Ces batteries électrochimiques, très sensibles aux variations de température, sont généralement conçues pour fonctionner de manière optimale dans une gamme de température de 20 à 400C, voire de 20 à 300C.
Une température supérieure à 400C permet d'améliorer les performances d'une batterie au lithium mais augmente sa vitesse de dégradation, une température de 400C étant déjà élevée pour assurer une longue durée de vie.
Une température supérieure à 400C pour une batterie de type NiMH (ou NiCd) affecte la capacité de charge de la batterie et accélère sa montée en température. En raison de leur taille et poids relativement importants
(typiquement 15 à 20 kWh pour une batterie de 150 à 200 kg assurant une autonomie de 100 à 150 km), ces batteries montent lentement en température mais sont difficiles à refroidir.
La génération de chaleur étant proportionnelle au carré du courant électrique et la puissance étant proportionnelle au courant, la génération de chaleur est proportionnelle au carré de la puissance.
Une charge très rapide de la batterie (en une quinzaine de minutes) peut donc provoquer une génération de chaleur très importante dans la batterie. Dans le cas d'un système de charge rapide de la batterie, le conducteur peut utiliser le véhicule plusieurs fois dans la même journée en chargeant rapidement la batterie après sa décharge complète suite à l'utilisation du véhicule.
Dans ce cas, la température de la batterie va augmenter de plus en plus jusqu'à atteindre la température autorisée maximale, la batterie n'ayant pas le temps de refroidir entre deux cycles de charge rapide de la batterie. II est alors nécessaire de refroidir la batterie afin de préserver sa durée de vie.
Le document US 5 834 132 propose un système de régulation de la température d'une batterie de véhicule automobile. Ce système prévoit un circuit de refroidissement circulant entre les cellules de la batterie, ce circuit étant alimenté en fluide de refroidissement par un réservoir.
Une pompe est nécessaire pour assurer la circulation du fluide de refroidissement. Le fluide est refroidi par l'air extérieur au moyen d'un radiateur et d'un ventilateur associé.
Toutefois, afin d'assurer un refroidissement efficace, les dimensions du radiateur et la capacité du ventilateur doivent être importantes, les différences de température entre l'air extérieur et le fluide et entre la batterie et le fluide étant relativement faibles.
Il en résulte un encombrement et un poids relativement important d'un tel système, qui de plus est complexe et coûteux en raison du circuit de refroidissement, de la pompe, du radiateur et du ventilateur de tailles importantes, des valves nécessaires. En outre, un tel système n'est pas suffisamment efficace pour refroidir la batterie en cas de charges rapides successives en raison de la génération de chaleur très importante en un temps très court.
Un autre dispositif de refroidissement connu utilise pour refroidir la ou les batteries, le système de climatisation du véhicule. Ce dispositif équipe les véhicules du type Ford Escape et est schématisé sur la figure 1.
Ce dispositif comprend un évaporateur 1 situé dans l'habitacle 2 qui est relié au condenseur 3 situé à l'extérieur de l'habitacle par deux conduits 4, 5 dans lesquels circule un fluide frigorigène, tel que du fréon qui est comprimé dans un compresseur 6.
Les deux conduits 4, 5 sont reliés à deux conduits 7, 8 de dérivation qui sont reliés à un évaporateur 9 qui refroidit l'intérieur d'un bac 10 renfermant les batteries 11.
Les détenteurs 12, 13 permettent de régler la circulation du fluide frigorigène dans les conduits 4, 5 et 7, 8.
Ce dispositif de refroidissement nécessite ainsi un second évaporateur 9, ce qui le rend encombrant et coûteux à réaliser. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients.
Ce but est atteint selon l'invention, grâce à un dispositif pour refroidir la ou les batteries d'un véhicule automobile, en particulier d'un véhicule électrique, ce véhicule comprenant un climatiseur dans lequel l'évaporateur et le condenseur sont reliés entre eux par un circuit principal dans lequel circule un fluide frigo rigène, ce circuit principal étant relié à un circuit de dérivation pour acheminer le fluide frigorigène vers la ou les batteries pour refroidir celles-ci, caractérisé en ce qu'en amont de la ou des batteries est disposé un échangeur fluide frigorigène-eau adapté pour réaliser un échange thermique entre le fluide frigorigène circulant dans le circuit de dérivation et l'eau circulant dans une boucle disposée en condition d'échange thermique avec la ou les batteries. Cette boucle d'eau permet de refroidir efficacement la ou les batteries.
De préférence, ladite boucle comporte une pompe pour faire circuler l'eau dans cette boucle.
L'eau circulant dans la boucle refroidie par le fluide frigorigène circulant dans l'échangeur, refroidit la ou les batteries, en captant les calories émises par ces dernières en les évacuant vers l'échangeur.
De préférence également, le dispositif comprend au moins une vanne pour fermer ou ouvrir la communication entre le circuit principal et le circuit de dérivation. Cette vanne permet d'arrêter la circulation du fluide frigorigène dans le circuit de dérivation, lorsqu'il n'est pas nécessaire de refroidir les batteries ou lorsqu'il est nécessaire de privilégier le refroidissement de l'habitacle.
Cette vanne peut être située sur l'une des conduites du circuit de dérivation.
Dans une première version, l'échange thermique entre l'eau circulant dans ladite boucle et la ou les batteries est réalisé par contact direct entre cette eau et une ou plusieurs parois de la ou des batteries.
Dans une seconde version, l'échange thermique entre l'eau circulant dans ladite boucle et la ou les batteries est réalisé dans un circuit d'eau intégré dans la ou les batteries. Dans une autre version, ledit circuit d'eau est relié au reste de la boucle d'eau par des raccords amovibles permettant de connecter la ou les batteries à cette boucle d'eau et de les déconnecter de cette dernière. Cette disposition permet de déconnecter et de reconnecter facilement les batteries pour assurer leur maintenance ou pour les remplacer.
Dans un mode de réalisation avantageux, le dispositif selon l'invention comprend un radiateur air-eau pour refroidir l'eau circulant dans ladite boucle. Dans ce cas, ce radiateur peut soit contribuer au refroidissement de l'eau dans la boucle soit être utilisé seul pour refroidir cette eau, lorsqu'il est nécessaire de privilégier le refroidissement de l'habitacle en arrêtant la circulation du fluide frigorigène dans le circuit de dérivation de celui-ci. Ce radiateur est de préférence placé à l'avant du véhicule pour favoriser l'échange thermique avec l'air extérieur et peut être relié à la boucle d'eau par deux conduites de dérivation.
Selon un autre aspect, l'invention concerne également un véhicule automobile, notamment un véhicule électrique équipé d'un dispositif de refroidissement selon l'invention.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore tout au long de la description ci-après.
Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples, non limitatifs : la figure 2 est un schéma du dispositif de refroidissement selon l'invention, la figure 3 est un schéma d'un dispositif de refroidissement amélioré.
La figure 2 représente un dispositif pour refroidir les batteries 1 1 d'un véhicule automobile, en particulier d'un véhicule électrique comprenant, comme dans le cas de la figure 1 , un climatiseur dans lequel l'évaporateur 1 situé dans l'habitacle 2 et le condenseur 3 situé à l'avant du véhicule sont reliés entre eux par un circuit principal comportant deux conduites 4, 5 dans lesquelles circule un fluide frigorigène, tel que du fréon. Ce circuit principal est relié à un circuit de dérivation comprenant deux conduites 7, 8 pour acheminer le fluide frigorigène vers les batteries 1 1 pour refroidir celles-ci. Conformément à l'invention, en amont des batteries 11 est disposé un échangeur 14 fluide frigorigène-eau adapté pour réaliser un échange thermique entre le fluide frigorigène circulant dans le circuit de dérivation 7, 8 et l'eau circulant dans une boucle 15, 16 disposée en condition d'échange thermique avec les batteries 11.
La boucle 15, 16 comporte une pompe 17 pour faire circuler l'eau dans cette boucle.
Le dispositif comprend de plus au moins une vanne 8a pour fermer ou ouvrir la communication entre le circuit principal 4, 5 et le circuit de dérivation 7, 8.
Cette vanne 8a est située au niveau du raccordement de la conduite 8 du circuit de dérivation avec le circuit principal.
L'échange thermique entre l'eau circulant dans la boucle 15, 16 et les batteries 11 est réalisé par contact direct entre cette eau et une ou plusieurs parois des batteries 11.
L'échange thermique entre l'eau circulant dans la boucle 15, 16 et les batteries 11 peut également être réalisé dans un circuit d'eau 18 intégré dans les batteries 11 de façon à optimiser l'échange thermique.
Comme montré par la figure 2, ledit circuit d'eau 18 est relié au reste de la boucle d'eau 15, 16 par des raccords amovibles 19, 20 permettant de connecter les batteries à cette boucle d'eau 15, 16 et de les déconnecter facilement de cette dernière.
Dans l'exemple représenté sur la figure 3, le dispositif de refroidissement comprend en outre un radiateur 21 air-eau pour refroidir l'eau circulant dans la boucle 15, 16.
Ce radiateur 21 est placé à l'avant du véhicule et est relié à la boucle d'eau 15, 16 par deux conduites de dérivation 22, 23.
On va maintenant expliquer en référence à la figure 3 le fonctionnement du dispositif de refroidissement que l'on vient de décrire.
Lorsque la vanne 8a est ouverte, le fluide frigorigène circule dans le circuit de dérivation 7, 8 grâce à la pompe 13 et refroidit l 'échangeur 14.
L'eau circulant dans la boucle d'eau 15, 16 grâce à la pompe 17 est refroidie en passant dans l'échangeur 14. Cette eau refroidie, refroidit les batteries 11 en circulant dans le circuit 18 intégré dans ces dernières. Le dispositif de refroidissement permet ainsi d'éviter que la température des batteries dépasse une température de l'ordre de 400C, tout en permettant de refroidir l'habitacle 2 lors de la circulation du véhicule. Lorsque le véhicule est à l'arrêt, le dispositif permet également de refroidir efficacement les batteries 1 1 lors d'un cycle de recharge rapide de celles-ci.
Dans ce cas, il suffit de faire tourner le moteur du véhicule pour entraîner le compresseur 6. Lors de cette opération, on peut fermer la vanne 8a pour éviter un refroidissement inutile de l'habitacle et privilégier le refroidissement des batteries 1 1.
Lors de la circulation ou lors d'un cycle de recharge des batteries, on peut augmenter l'efficacité du refroidissement des batteries 1 1 , en mettant en circuit le radiateur 21 placé à l'avant du véhicule.
Ce radiateur 21 peut également être mis en service seul, c'est-à- dire, après fermeture de la vanne 8a du circuit de dérivation 7, 8 pour refroidir les batteries 1 1 , notamment lorsque la température extérieure est relativement basse. Le dispositif selon l'invention présente ainsi une grande souplesse d'utilisation.
Bien entendu, toutes les vannes et la pompe 17 de la boucle d'eau peuvent être commandées automatiquement suivant les modes de fonctionnement désirés, la température ambiante et la température des batteries.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif pour refroidir la ou les batteries (1 1) d'un véhicule automobile, en particulier d'un véhicule électrique, ce véhicule comprenant un climatiseur dans lequel l'évaporateur (1) et le condenseur (3) sont reliés entre eux par un circuit principal (4, 5) dans lequel circule un fluide frigorigène, ce circuit principal (4, 5) étant relié à un circuit de dérivation (7, 8) pour acheminer le fluide frigorigène vers la ou les batteries (1 1) pour refroidir celles-ci, caractérisé en ce qu'en amont de la ou des batteries (1 1) est disposé un échangeur fluide frigorigène-eau (14) adapté pour réaliser un échange thermique entre le fluide frigorigène circulant dans le circuit de dérivation (7, 8) et l'eau circulant dans une boucle (15, 16) disposée en condition d'échange thermique avec la ou les batteries (1 1).
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ladite boucle (15, 16) comporte une pompe (17) pour faire circuler l'eau dans cette boucle.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une vanne (8a) pour fermer ou ouvrir la communication entre le circuit principal (4, 5) et le circuit de dérivation (7, 8).
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite vanne (8a) est située sur le raccordement de l'une des conduites du circuit de dérivation (7, 8) avec le circuit principal.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'échange thermique entre l'eau circulant dans ladite boucle (15,
16) et la ou les batteries (1 1) est réalisé par contact direct entre cette eau et une ou plusieurs parois de la ou des batteries (1 1).
6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, l'échange thermique entre l'eau circulant dans ladite boucle (15, 16) et la ou les batteries (1 1) est réalisé dans un circuit d'eau (18) intégré dans la ou les batteries (1 1).
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit circuit d'eau (18) est relié au reste de la boucle d'eau (15, 16) par des raccords amovibles (19, 20) permettant de connecter la ou les batteries (1 1) à cette boucle d'eau (15, 16) et de les déconnecter de cette dernière.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un radiateur (21) air-eau pour refroidir l'eau circulant dans ladite boucle (15, 16).
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit radiateur (21) est placé à l'avant du véhicule et est relié à la boucle d'eau (15, 16) par deux conduites de dérivation (22, 23).
10. Véhicule automobile, notamment véhicule électrique équipé d'un dispositif de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 9.
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