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WO2008142223A1 - Batterie électrique comprenant des modules de conditionnement thermique enrobés par une matrice structurelle - Google Patents

Batterie électrique comprenant des modules de conditionnement thermique enrobés par une matrice structurelle Download PDF

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WO2008142223A1
WO2008142223A1 PCT/FR2008/000349 FR2008000349W WO2008142223A1 WO 2008142223 A1 WO2008142223 A1 WO 2008142223A1 FR 2008000349 W FR2008000349 W FR 2008000349W WO 2008142223 A1 WO2008142223 A1 WO 2008142223A1
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WO
WIPO (PCT)
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elements
electric battery
battery according
fluid
conditioning
Prior art date
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Application number
PCT/FR2008/000349
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English (en)
Inventor
Fabien Gaben
Claude Beignet
Alain Douarre
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VEHICULES ELECTRIQUES Ste
Original Assignee
VEHICULES ELECTRIQUES Ste
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Publication date
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Priority to EP08787804A priority patent/EP2149173A1/fr
Priority to MX2009011225A priority patent/MX2009011225A/es
Priority to JP2010503540A priority patent/JP2010525507A/ja
Priority to US12/596,452 priority patent/US20100119929A1/en
Priority to CN200880012244A priority patent/CN101682095A/zh
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • Electric battery comprising thermal conditioning modules encased by a structural matrix
  • the invention relates to an electric battery which is particularly intended for the traction of an electric motor vehicle, or hybrid, that is to say comprising an electric motor driving the driving wheels combined with a thermal engine driving the same or possibly other driving wheels.
  • the energy that a battery is able to supply depends on the energy balance of the various elements as well as their operating temperature. Indeed, the energy that is able to deliver an element increases with temperature and when there are differences in available energy levels in each of the elements, for the same battery, then the battery is said unbalanced. This imbalance greatly affects the performance of the battery both in service life and average energy density because the total energy that can deliver a battery is always limited by the energy of the least charged element, and the Total charged energy is otherwise limited by the most charged element.
  • differences in the level of energy between the elements, causing the imbalance may be due either to differences in the electrical properties of the elements or to variations in temperature of the elements. between these elements.
  • a risk of inversion can then appear for the low states of charge.
  • the chemical compositions of lithium-ion batteries are more or less stable. When subjected to extreme conditions, thermal runaway may occur. For large batteries that are required for vehicles with electrical dominance, this risk is critical, because if the thermal runaway of an element spreads to the entire battery, the energy involved in this runaway becomes very high. .
  • thermal conditioning systems of the elements have therefore been integrated into the batteries.
  • cooling systems have been proposed using air circulation as a cold source. Although many efforts have been made to try to guarantee by this means a temperature distribution as homogeneous as possible within the battery, the fact remains that such systems do not ensure a homogeneous cooling of the elements of the battery.
  • battery solicited power as is particularly the case in applications for electric vehicles and hybrids connectable on the power grid (plug-in English).
  • the thermal dissipation peaks are very large and are a function of the current densities and their variations which, for particular applications, can reach very high values, especially during the phases of strong accelerations, regenerative braking, fast recharge of the battery or highway operation in electric mode.
  • the airflows required to cool the battery cells can only be achieved at the expense of significant element spacing.
  • the liquid may be provided to circulate through plastic cells which are disposed between the battery cells. These cells are insulating and participate in electrical insulation between elements.
  • the plastic bags in which these cells are formed are poor thermal conductors, so they must have a thickness as low as possible in order to ensure approximately correct heat transfer. This results in a maladaptation of the thin walls to the mechanical strength of the elements in the battery.
  • the batteries according to the prior art pose a certain number of problems, notably because of the increase in the degree of hybridization of the thermal vehicles which can go as far as a complete electrification of the drive chain.
  • the batteries then serve not only to assist the vehicles in acceleration phases but also to ensure the movement of the vehicle autonomously over more or less important distances. It is then necessary to increase the energy as well as the electric power of the batteries, which increases the durations of solicitation of the battery, as well as the currents and the average internal resistance. Thus, the energy and thermal power emitted increase, especially as the battery ages.
  • the cost of a battery depends mainly on the number of elements it contains, in other words, its energy. Also, to reduce the impact of the cost of batteries in a vehicle, it seeks to use said batteries over a range of potential as wide as possible in order to extract the maximum energy.
  • the high powers required give rise to large and rapid heating of the battery elements that can induce temperature gradients between the surface and the interior thereof, or even between the elements of the same battery.
  • the increase of the temperature within a battery element induces risks in terms of safety and durability, related to the possible presence of hot spots in the heart of the element.
  • the present invention therefore aims to improve the existing electric batteries by proposing a mechanical and thermal conditioning system that significantly improves the ratio between volume and energy and / or power, as well as the life and safety the battery both from a point of view of chemical behavior and vis-à-vis the constraints in force in the automotive industry, including those concerning the crash.
  • the invention achieves levels of compactness of the system by meeting the requirements of volume density of power and power compatible with the needs of the automotive application, at lower cost and weight.
  • the very low heat transfer resistances possible thanks to the invention make it possible to guarantee the cooling of the battery despite the very high level of compactness.
  • the invention also makes it possible to reduce the temperature within the elements during current draw peaks, and avoids any risk of direct electrical contact of the elements in the event of an impact, which presents an advantage in terms of securing the drums.
  • the efficiency of the thermal management reduces the power consumption and thus guarantees more autonomy for the electric vehicle.
  • the invention proposes an electric battery comprising a plurality of elements generating electrical energy and a conditioning system.
  • said system comprising a bed of thermal conditioning fluid on which said elements are arranged so as to leave a lateral space between the adjacent elements, said conditioning system further comprising a plurality of thermal conditioning modules which are each provided with a fluid flow path between an upstream port and a downstream port, each running path extending in a lateral space with the ports in fluid communication with said bed, said conditioning system further comprising a structural matrix in thermally conductive and electrically insulating polymer resin, said matrix filling the lateral spaces by at least partially coating said generator elements and said conditioning modules.
  • FIG. 1 is a perspective view of a portion of an electric battery according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a perspective view of a thermal conditioning module of the electric battery according to FIG. 1; - Figures 3 are partial views of the electric battery according to Figure 1, showing the connection of the modules in the water bed respectively in perspective ( Figure 3a) and in longitudinal section (Figure 3b);
  • FIGS. 4 are views of a portion of an electric battery according to a second embodiment, respectively in perspective (FIG.
  • the terms of positioning in space are taken with reference to the position of the battery shown in FIG. 1.
  • the tightness of the battery makes it possible to envisage its positioning in a different orientation.
  • the elements 1 may be of electrochemical nature, for example of the Lithium type, are described below. ion.
  • the elements 1 comprise an envelope in which the electrochemical system is confined to isolate the chemical components necessary for the generation of electricity.
  • the elements may be supercapacities.
  • the battery is more particularly intended to supply an electric traction motor of a motor vehicle, whether it is an electric vehicle or a hybrid electric-thermal type.
  • the battery according to the invention can also find its application for the storage of electrical energy in other modes of transport, including aeronautics.
  • the battery according to the invention can also be used advantageously.
  • the battery comprises a mechanical and thermal conditioning system elements 1, said system for the one hand to condition the temperature elements 1 and secondly to maintain them in a reinforcing structure.
  • the system ensures the electrical safety of the battery vis-à-vis the risks related to the temperature, the operation of the battery in an optimal temperature range as well as the security with respect to the risks of crash which are inherent to the application considered.
  • the battery comprises a large number of elements, for example 160 elements divided into 16 rows of 10 elements.
  • the battery may comprise a tray (not shown), in particular plastic, in which the elements 1 electricity generators and the packaging system are arranged for the implantation of said battery in the motor vehicle.
  • the conditioning system comprises a bed 2 of thermal conditioning fluid and a circulation device (not shown) of said fluid of so as to ensure the thermal conditioning of the elements 1.
  • the circulation device comprises a pump that allows to put the fluid under pressure in a closed circuit, and possibly a heat exchanger.
  • the fluid may be brine
  • the thermal conditioning includes both intake and calorie withdrawal so as to maintain the elements 1 in an optimal temperature operating range.
  • the packaging system makes it possible quickly and efficiently to provide or remove calories in the battery, so as to ensure thermal regulation regardless of the conditions of use.
  • the fluid bed 2 comprises two separate plies 3, 4 of fluid which are respectively formed in a box 5, 6, for example made of molded plastic material.
  • the boxes 5, 6 are associated one on the other so as to form a lower sheet 3 and an upper sheet 4 in which the fluid flows separately.
  • the upper wall of the upper box 6 comprises locations 7 for receiving the base of a generator element 1, said locations being provided for arranging the elements 1 on the fluid bed 2 leaving a lateral space between the adjacent elements 1.
  • the boxes 5, 6 may be formed of sub-boxes that are associated with each other to form the number of locations 7 desired.
  • the sub-boxes can be positioned in the tray to be associated with each other by the structural matrix described below.
  • the submodules can be in fluid communication or be independently supplied with fluid via orifices 5a, 6a.
  • the boxes 5, 6 are formed so as to leave an opening opening 8 facing the locations 7, said orifices allowing the sealed combination of the boxes 5, 6 between them, by means of rivets (FIG. 4) or by welding (FIGS. 1 to 3).
  • the orifices opening 8 make it possible to let off the gases that can be emitted by the elements 1 in the event of uncapping thereof related to an overpressure of the elements 1.
  • a sealed tank is provided around battery, it is equipped with a valve for emission of gases to the outside.
  • a gas emission or humidity detector can be added to the battery.
  • the conditioning system further comprises a plurality of thermal conditioning modules 9 which are each provided with a fluid circulation path between an upstream port 10 and a downstream port 11.
  • Each circulation path extends in a lateral space with the ports 10, 11 in fluid communication with the bed 2.
  • the circulation path has a height substantially equal to that of the elements 1, so as to ensure the transfer of heat over the entire periphery of said element.
  • the number of modules 9 can be adapted according to the number of elements 1 used in the battery.
  • the bed 2 and the modules 9 may be manufactured separately with respectively the connection sockets and the ports 10, 11, said ports being connected to said sockets when mounting said battery, depending on the presence or absence of an element nearby. It is thus possible to modulate in a particularly simple manner the power of the battery by adjusting the number of elements 1, and without requiring any modification in the architecture of the battery.
  • the number of locations 7 may be greater than the number of elements 1.
  • the elements 1 have a cylindrical geometry and a compact hexagonal arrangement between them, which makes it possible to optimize the space requirement as well as the mechanical strength of the battery.
  • the lateral spaces formed between these elements 1 therefore also have a cylindrical geometry and a hexagonal arrangement between them.
  • the elements can be of different geometry, for example parallelepiped external geometry, and / or have another type of arrangement between them.
  • the packaging system further comprises a structural matrix (not shown) made of an electrically insulating thermal conductive polymer resin, said matrix filling the lateral spaces by at least partially coating the generator elements 1 and the conditioning modules 9.
  • the matrix coats at least the circulation path.
  • the matrix ensures the mechanical strength of the elements 1 between them, particularly with respect to crash test constraints in force in the automotive industry but also relative to other forms of mechanical stress that the battery has to undergo in a car .
  • the matrix provides a heat transfer function between the elements 1 and the fluid flowing in the modules 9, as well as an electrical safety function with respect to its electrical insulative character between the elements 1.
  • the important characteristic is the conductance, which is the ratio between the thermal conductivity of the matrix on its thickness.
  • the matrix has a thermal conductivity of the order of 1 W / m / ° C and a thickness of about 2 mm.
  • the coating electrically isolates the elements 1 and improves the heat exchange between said elements and the modules 9, in particular to prevent overheating of said elements.
  • the invention makes it possible in particular not to provide a thermally insulating interface between the conditioning fluid and the elements 1, and this in an electrically secure environment, compact and mechanically resistant.
  • glues can be used which have the advantage of increasing the rigidity of the battery and of retaining the elements 1 in said battery.
  • the adhesives may be, for example, from the family of epoxies, silicones or acrylics, in which inorganic components having thermal conduction properties, such as Al 2 O 3 , AlN, MgO, ZnO, BeO, BN, may be added. If 3 N 4 , SiC and / or SiO 2 .
  • a bicomponent epoxy resin of the type of that referenced 2605 by the company 3M can be used.
  • the fluid resin is disposed in the lateral spaces so as to coat said modules and said elements, said resin then being solidified to form the structural matrix. Therefore, the realization of the battery is particularly simple and flexible, in particular not providing specific tools depending on the number of elements 1 to be disposed in said battery.
  • a primer coating containing a migrating agent
  • This migrating agent must be able to migrate to one of the bonding interfaces to generate a weak cohesion layer. . This migration is made possible by thermal activation, which makes it possible to dismantle the bonded assemblies.
  • This migrating agent can be implemented in a primer, but also in the resin itself.
  • the migrating agent may be for example a polyolefin, or more particularly PTSH (paratoluenesulfohydrazide) which is known to provide the takeoff by heat input as described in particular in document WO-2004/087829.
  • the matrix may have phase change properties in a temperature range to improve the temperature conditioning of the generator elements 1.
  • the circulation paths are fed in parallel by the fluid bed 2. So, the fluid flowing through each circulation path is directly from the fluid bed 2, without having previously conditioned another element 1. This therefore results in excellent thermal homogeneity by avoiding the accumulation of heat linked to a succession of heat exchanges.
  • the upstream ports 10 are in communication with a sheet 3 and the downstream ports 11 are in communication with the other sheet 4.
  • a sheet 3 serves to supply each module 9 with fluid
  • the other sheet 4 serves to evacuate said fluid.
  • one of the end portions of the traffic paths passes through the upper sheet 4 to connect the port 10 corresponding to the bottom sheet 3.
  • the excellent temperature homogeneity in the battery makes it possible both to increase the balancing level between the elements 1 and to be able to thermally regulate the battery with a high degree of accuracy in order to minimize the internal resistances of the cells. elements 1 without affecting their life.
  • the optimization of the thermal management then makes it possible to increase the energy and the power of the battery, without having to add additional elements.
  • the conditioning system allows the dissipation of thermal energy from the thermal runaway of an element 1, without this excess heat being transferred to the adjacent elements 1 in a proportion that may lead to contagion of the phenomenon. thermal runaway.
  • This role of thermal confinement makes it possible to prevent the risks of thermal runaway from spreading to the entire battery, which is very critical for high energy batteries.
  • each module 9 of packaging comprises an ascending pipe 12 and a body 13 surrounding said pipe is described below.
  • a module can be made by interlocking extrusions of different shapes and lengths, preferably formed of a good conductor material.
  • thermal for example metal such as aluminum which has the further advantage of a low weight.
  • the lower end of the pipe 12 protrudes axially from the body 13, so as to form the upstream port 10 which is introduced into a corresponding orifice of the lower caisson 5.
  • the upper end of said pipe opens into the body 13 and, for allow the descent of the fluid, the body 13 is blind at the top and has at least one fluid passage 13a from the upper end of the tubing 12 to the downstream port 11 formed in said body.
  • the body 13 is fitted into an orifice of the upper box 6, said orifice being provided opposite the one in which the tubing 12 is introduced.
  • the body 13 has a triangular geometry, and forms three equal axial channels 13a around the tubing 12 to open on the lower wall of said body.
  • This embodiment is suitable for an arrangement in which each generator element 1 is surrounded by six modules 9 and each of the modules is common to three elements 1.
  • the lateral surface 13b of the body 13 has an envelope of geometry similar to that of the peripheral surface of the elements 1 arranged opposite said surface.
  • the three lateral surfaces 13b of the body 13 are concave with a radius similar to that of the elements 1.
  • the body 13 is surmounted by a plug 14 which has at least one peripheral support zone for the elements.
  • a lug 14a is provided on each side face of the plug 14.
  • the packaging system further comprises plates 16 made of thermal conductive material, in particular metal such as loops 15, said plates being associated with the loop sections. More specifically, a plate 16 is disposed in each of the conditioning loops 15 between the ascending and descending sections. In addition, plates 16 are provided for interconnecting the loops 15. In addition to improving the heat transfer, the plates 16 also make it possible to stiffen the battery.
  • each element 1 is successively surrounded by a loop 15, a plate 16, a section of a loop, a plate 16, a loop 15, a plate 16, a loop section and a plate 16.

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Abstract

L'invention concerne une batterie électrique comprenant une pluralité d'éléments (1) générateurs d'énergie électrique et un système de conditionnement mécanique et thermique desdits éléments, ledit système comprenant un lit (2) de fluide de conditionnement thermique sur lequel lesdits éléments sont disposés de sorte à laisser un espace latéral entre les éléments (1) adjacents, le système de conditionnement comprenant en outre une pluralité de modules (9) de conditionnement thermique qui sont pourvus chacun d'un chemin de circulation du fluide entre un port amont (10) et un port aval (11), chaque chemin de circulation s'étendant dans un espace latéral avec les ports (10, 11) en communication fluidique avec ledit lit, ledit système de conditionnement comprenant en outre une matrice structurelle en résine polymère conductrice thermique et isolante électrique, ladite matrice remplissant les espaces latéraux en enrobant au moins partiellement lesdits éléments générateurs et lesdits modules de conditionnement.

Description

Batterie électrique comprenant des modules de conditionnement thermique enrobés par une matrice structurelle
L'invention concerne une batterie électrique qui est notamment destinée à la traction de véhicule automobile électrique, ou hybride c'est-à-dire comprenant un moteur électrique d'entraînement des roues motrices combiné avec un moteur thermique d'entraînement des mêmes ou éventuellement d'autres roues motrices.
Pour garantir les niveaux de puissance et d'énergie requis pour les applications de véhicules électriques ou véhicules hybrides, il est nécessaire de créer des batteries comprenant une pluralité d'éléments générateurs d'énergie électrique.
Lorsque ces éléments sont chargés et déchargés, il en résulte une production de chaleur qui, lorsqu'elle n'est pas contrôlée, peut avoir pour effet de diminuer la durée de vie des éléments, voire donner lieu dans des conditions extrêmes, à des risques d'emballement thermique pour certaines compositions chimiques d'éléments, conduisant à la détérioration de la batterie.
L'énergie qu'une batterie est capable de fournir dépend de l'équilibrage en énergie des différents éléments ainsi que de leur température de fonctionnement. En effet, l'énergie qu'est capable de délivrer un élément augmente avec la température et lorsqu'il existe des différences de niveaux d'énergie disponible dans chacun des éléments, pour une même batterie, alors la batterie est dite déséquilibrée. Ce déséquilibre affecte fortement les performances de la batterie tant en durée de vie qu'en densité d'énergie moyenne car l'énergie totale que peut délivrer une batterie est toujours limitée par l'énergie de l'élément le moins chargé, et l'énergie totale chargée est par ailleurs limitée par l'élément le plus chargé.
Ces différences de niveau d'énergie entre les éléments, causant le déséquilibre, peuvent être dues soit à des différences entre les propriétés électriques des éléments, soit à des variations de température de fonctionnement entre ces éléments. Lorsqu'un élément d'une batterie est moins chargé que les autres, un risque d'inversion peut alors apparaître pour les faibles états de charge.
Par ailleurs, les compositions chimiques des batteries de type Lithium-ion sont plus ou moins stables. Lorsqu'elles sont sollicitées dans des conditions extrêmes, un emballement thermique peut apparaître. Pour les batteries de fortes dimensions qui sont nécessaires aux véhicules à dominante électrique, ce risque est critique, car si l'emballement thermique d'un élément se propage à l'ensemble de la batterie, l'énergie impliquée par cet emballement devient très élevée.
Afin d'optimiser les performances et la durée de vie des batteries, des systèmes de conditionnement thermique des éléments ont donc été intégrés dans les batteries.
En particulier, on a proposé des systèmes de refroidissement utilisant une circulation d'air comme source froide. Bien que de nombreux efforts aient été réalisés pour tenter de garantir par ce moyen une distribution de température la plus homogène possible au sein de la batterie, il n'en demeure pas moins que de tels systèmes n'assurent pas un refroidissement homogène des éléments de batterie sollicités en puissance, comme c'est notamment le cas dans des applications destinées aux véhicules électriques et hybrides connectables sur le réseau électrique (plug-in en anglais).
Les pics de dissipation thermiques sont très grands et sont fonction des densités de courant et de leurs variations qui, pour des applications particulières, peuvent atteindre des valeurs très élevées, notamment lors des phases de fortes accélérations, de freinages régénératifs, de recharge rapide de la batterie ou de fonctionnement autoroutier en mode électrique. Pour de telles conditions d'utilisation, les débits d'air nécessaires pour refroidir les éléments de batterie ne peuvent être atteints qu'au détriment d'un espacement significatif des éléments.
Ces forts débits servent à compenser les faibles coefficients d'échange thermique des flux d'air sur les éléments de batterie, et donnent lieu à des problèmes acoustiques et vibratoires. Les ventilateurs nécessaires pour assurer les débits permettant de refroidir de manière homogène et efficace les batteries présentent alors des dimensionnements qui ne sont pas conformes aux exigences de compacité et d'économie d'énergie de l'application véhicule électrique.
Afin d'améliorer l'efficacité du refroidissement, et par là même pouvoir augmenter la densité d'énergie volumique des batteries, une circulation d'un liquide a été proposée. En particulier, le liquide peut être prévu pour circuler au travers d'alvéoles en plastique qui sont disposées entre les éléments de batterie. Ces alvéoles sont isolantes et participent à l'isolation électrique entre éléments.
Toutefois, les poches en plastique dans lesquelles sont formées ces alvéoles sont de mauvais conducteurs thermiques, de sorte qu'il faut qu'elles présentent une épaisseur la plus faible possible afin de garantir des transferts thermiques à peu près corrects. Il en résulte alors une inadaptation des parois fines à la tenue mécanique des éléments dans la batterie.
Par ailleurs, dans l'application véhicule électrique ou hybride, les batteries selon l'art antérieur posent un certain nombre de problèmes, notamment du fait de l'augmentation du degré d'hybridation des véhicules thermiques qui peut aller jusqu'à une électrification complète de la chaîne de traction. Dans ce cas, les batteries ne servent alors plus uniquement à assister les véhicules dans des phases d'accélération mais également à assurer le déplacement du véhicule de manière autonome sur des distances plus ou moins importantes. II faut alors augmenter l'énergie ainsi que la puissance électrique des batteries, ce qui augmente les durées de sollicitation de la batterie, ainsi que les courants et la résistance interne moyenne. Ainsi, l'énergie et la puissance thermique émises augmentent, et ce d'autant plus que la batterie vieillit.
Le coût d'une batterie dépend principalement du nombre d'éléments qu'elle contient, soit en d'autres termes, de son énergie. Aussi, pour diminuer l'impact du coût des batteries dans un véhicule, on cherche à utiliser lesdites batteries sur une plage de potentiel la plus large possible afin d'en extraire le maximum d'énergie.
Au fur et à mesure que l'on se rapproche des valeurs extrêmes de potentiels autorisés, la résistance interne des éléments augmente et leur durée de vie diminue.
Les fortes puissances requises donnent lieu à des échauffements importants et rapides des éléments de batterie pouvant induire des gradients de température entre la surface et l'intérieur de ceux-ci, voire même entre les éléments d'une même batterie.
Ces gradients de températures apparaissent essentiellement durant les phases transitoires correspondant aux forts appels en courant, lors de la charge ou de la décharge.
L'augmentation de la température au sein d'un élément de batterie induit des risques en termes de sécurité et de durée de vie, liés à la présence éventuelle de points chauds au cœur de l'élément.
Toujours concernant la sécurité des batteries, elle devient davantage critique avec l'augmentation de l'énergie des batteries, et les alvéoles plastiques généralement utilisées pour la circulation d'un liquide de refroidissement entre les éléments sont susceptibles de se rompre sous l'effet d'impacts du type de ceux rencontrés lors d'un crash de véhicule, ou par surpression générée au niveau du circuit de refroidissement.
De telles ruptures rendent alors le système de refroidissement totalement inopérant, mais plus grave encore, le liquide risque de mettre en court-circuit tous les éléments de batterie, créant ainsi un réel risque d'incendie, voire d'explosion.
La présente invention vise donc à perfectionner les batteries électriques existantes en proposant un système de conditionnement mécanique et thermique qui permet d'améliorer sensiblement le ratio entre le volume et l'énergie et/ou la puissance, ainsi que la durée de vie et la sécurité de la batterie tant d'un point de vue du comportement chimique que vis-à-vis des contraintes en vigueur dans l'industrie automobile, et notamment celles concernant le crash.
L'invention permet d'atteindre des niveaux de compacité du système en répondant aux exigences de densité volumique d'énergie et de puissance compatibles avec les besoins de l'application automobile, à moindre coût et poids.
En outre, les très faibles résistances de transfert thermique possibles grâce à l'invention permettent de garantir le refroidissement de la batterie malgré le très haut niveau de compacité. L'invention permet également de réduire la température au sein des éléments lors des pics d'appels de courant, et évite tout risque de mise en contact électrique direct des éléments en cas de choc, ce qui présente un avantage en termes de sécurisation de la batterie.
Enfin, l'efficacité de la gestion thermique permet de réduire la consommation électrique et donc garanti davantage d'autonomie pour le véhicule électrique.
A cet effet, l'invention propose une batterie électrique comprenant une pluralité d'éléments générateurs d'énergie électrique et un système de conditionnement mécanique et thermique desdits éléments, ledit système comprenant un lit de fluide de conditionnement thermique sur lequel lesdits éléments sont disposés de sorte à laisser un espace latéral entre les éléments adjacents, ledit système de conditionnement comprenant en outre une pluralité de modules de conditionnement thermique qui sont pourvus chacun d'un chemin de circulation du fluide entre un port amont et un port aval, chaque chemin de circulation s'étendant dans un espace latéral avec les ports en communication fluidique avec ledit lit, ledit système de conditionnement comprenant en outre une matrice structurelle en résine polymère conductrice thermique et isolante électrique, ladite matrice remplissant les espaces latéraux en enrobant au moins partiellement lesdits éléments générateurs et lesdits modules de conditionnement.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en référence aux figures jointes dans lesquelles :
- la figure 1 est une vue en perspective d'une partie d'une batterie électrique selon un premier mode de réalisation ;
- la figure 2 est une vue en perspective d'un module de conditionnement thermique de la batterie électrique selon la figure 1 ; - les figures 3 sont des vues partielles de la batterie électrique selon la figure 1 , montrant la connexion des modules dans le lit d'eau respectivement en perspective (figure 3a) et en coupe longitudinale (figure 3b) ;
- les figures 4 sont des vues d'une partie d'une batterie électrique selon un deuxième mode de réalisation, respectivement en perspective (figure
4a), de côté (figure 4b) et de dessus (figure 4c).
Dans la description, les termes de positionnement dans l'espace sont pris en référence à la position de la batterie représentée sur la figure 1. Toutefois, l'étanchéité de la batterie permet d'envisager son positionnement selon une orientation différente. En relation avec les figures, on décrit ci-dessous deux modes de réalisation d'une batterie électrique comprenant une pluralité d'éléments 1 générateurs d'énergie électrique, en particulier les éléments 1 peuvent être de nature électrochimique, par exemple de type Lithium - ion. Pour ce faire, les éléments 1 comprennent une enveloppe dans laquelle le système électrochimique est confiné pour isoler les composants chimiques nécessaires à la génération de l'électricité. En variante, les éléments peuvent être des supercapacités.
La batterie est plus particulièrement destinée à alimenter un moteur électrique de traction d'un véhicule automobile, qu'il s'agisse d'un véhicule électrique ou de type hybride électrique - thermique. Toutefois, la batterie selon l'invention peut également trouver son application pour le stockage d'énergie électrique dans d'autres modes de transport, et notamment en aéronautique. Par ailleurs, dans des applications stationnaires telles que pour des éoliennes, la batterie selon l'invention peut également être utilisée de façon avantageuse.
La batterie comprend un système de conditionnement mécanique et thermique des éléments 1 , ledit système permettant d'une part de conditionner en température les éléments 1 et d'autre part de les maintenir dans une structure de renfort. Ainsi, le système assure la sécurité électrique de la batterie vis-à-vis des risques liés à la température, le fonctionnement de la batterie dans une plage de température optimale ainsi que la sécurité relativement aux risques de crash qui sont inhérents à l'application considérée.
Pour assurer l'alimentation électrique requise, la batterie comprend un grand nombre d'éléments, par exemple 160 éléments répartis en 16 rangées de 10 éléments. Par ailleurs, la batterie peut comprendre un bac (non représenté), notamment en plastique, dans lequel les éléments 1 générateurs d'électricité et le système de conditionnement son disposés pour l'implantation de ladite batterie dans le véhicule automobile.
Le système de conditionnement comprend un lit 2 de fluide de conditionnement thermique et un dispositif de mise en circulation (non représenté) dudit fluide de sorte à assurer le conditionnement thermique des éléments 1. En particulier, le dispositif de mise en circulation comprend une pompe qui permet de mettre le fluide sous pression dans un circuit fermé, ainsi qu'éventuellement un échangeur thermique.
Le fluide peut être de l'eau glycolée, et le conditionnement thermique s'entend tant en apport qu'en retrait de calories de sorte à maintenir les éléments 1 dans une plage de fonctionnement en température qui est optimale. En particulier, le système de conditionnement permet d'assurer rapidement et efficacement un apport ou un retrait de calories dans la batterie, de sorte à assurer la régulation thermique quelles que soient les conditions d'utilisation.
Dans les modes de réalisations décrits, le lit 2 de fluide comprend deux nappes 3, 4 séparées de fluide qui sont formées respectivement dans un caisson 5, 6, par exemple réalisé en matériau plastique moulé. Les caissons 5, 6 sont associés l'un sur l'autre de sorte à former une nappe inférieure 3 et une nappe supérieure 4 dans lesquelles le fluide circule séparément.
La paroi supérieure du caisson supérieure 6 comprend des emplacements 7 de réception de la base d'un élément générateur 1 , lesdits emplacements étant prévus pour disposer les éléments 1 sur le lit 2 de fluide en laissant un espace latéral entre les éléments 1 adjacents. Pour améliorer la modularité de la batterie relativement au nombre d'éléments 1 devant être utilisés, les caissons 5, 6 peuvent être formés de sous-caissons qui sont associés entre eux pour former le nombre d'emplacements 7 souhaités. Selon une réalisation, les sous- caissons peuvent être positionnés dans le bac pour être associés entre eux par la matrice structurelle décrite ci-après. En outre, les sous-modules peuvent être en communication fluidique ou être alimentés indépendamment en fluide par l'intermédiaire d'orifices 5a, 6a.
Par ailleurs, les caissons 5, 6 sont formés de sorte à laisser un orifice débouchant 8 en regard des emplacements 7, lesdits orifices permettant l'association étanche des caissons 5, 6 entre eux, par l'intermédiaire de rivets (figures 4) ou par soudage (figures 1 à 3). En outre, les orifices débouchant 8 permettent de laisser s'échapper les gaz pouvant être émis par les éléments 1 en cas de désoperculation de ceux-ci liés à une surpression des éléments 1. Dans ce cas et lorsqu'un bac étanche est prévu autour de la batterie, celui-ci est muni d'un clapet d'émission des gaz vers l'extérieur. Par ailleurs, un détecteur d'émission des gaz ou d'humidité peut être ajouté à la batterie.
Le système de conditionnement comprend en outre une pluralité de modules 9 de conditionnement thermique qui sont pourvus chacun d'un chemin de circulation du fluide entre un port amont 10 et un port aval 11. Chaque chemin de circulation s'étend dans un espace latéral avec les ports 10, 11 en communication fluidique avec le lit 2. De façon avantageuse, le chemin de circulation présente une hauteur sensiblement égale à celle des éléments 1 , de sorte à assurer le transfert de chaleur sur la totalité de la périphérie dudit élément.
Dans un exemple de réalisation, le nombre de modules 9 peut être adapté en fonction du nombre d'éléments 1 utilisés dans la batterie. Par exemple, le lit 2 et les modules 9 peuvent être fabriqués séparément avec respectivement des prises de connexion et les ports 10, 11 , lesdits ports étant connecté aux dites prises lors du montage de ladite batterie, en fonction de la présence ou non d'un élément à proximité. On peut ainsi moduler de façon particulièrement simple la puissance de la batterie en ajustant le nombre d'éléments 1 , et ce sans nécessiter de modification dans l'architecture de la batterie. En outre, le nombre d'emplacements 7 peut être supérieur au nombre d'éléments 1.
Dans les modes de réalisation décrits, les éléments 1 présentent une géométrie cylindrique et un agencement hexagonal compact entre eux, ce qui permet d'optimiser l'encombrement ainsi que la résistance mécanique de la batterie. Les espaces latéraux formés entre ces éléments 1 présentent donc également une géométrie cylindrique et un agencement hexagonal entre eux. Toutefois, dans d'autres modes de réalisation non représentés, les éléments peuvent être de géométrie différente, par exemple de géométrie extérieure parallélépipédique, et/ou présenter un autre type d'agencement entre eux.
Le système de conditionnement comprend en outre une matrice structurelle (non représentée) en résine polymère conductrice thermique et isolante électrique, ladite matrice remplissant les espaces latéraux en enrobant au moins partiellement les éléments générateurs 1 et les modules 9 de conditionnement. En particulier, la matrice enrobe au moins le chemin de circulation.
Par structurel, on entend que la matrice assure la tenue mécanique des éléments 1 entre eux, notamment relativement aux contraintes de crash test en vigueur dans l'industrie automobile mais également relativement aux autres formes de sollicitations mécaniques que la batterie a à subir dans une automobile.
Par ailleurs, la matrice assure une fonction de transfert de chaleur entre les éléments 1 et le fluide circulant dans les modules 9, ainsi qu'une fonction de sécurité électrique relativement à son caractère isolant électrique entre les éléments 1. Concernant le transfert de chaleur, la caractéristique importante est la conductance, qui est le rapport entre la conductivité thermique de la matrice sur son épaisseur. Dans un exemple de réalisation, la matrice présente une conductivité thermique de l'ordre de 1 W/m/°C et une épaisseur de l'ordre de 2 mm.
L'enrobage isole électriquement les éléments 1 et améliore les échanges thermiques entre lesdits éléments et les modules 9, de sorte notamment à éviter la surchauffe desdits éléments. En effet, l'invention permet notamment de ne pas prévoir d'interface thermiquement isolante entre le fluide de conditionnement et les éléments 1 , et ce dans un environnement électriquement sécurisé, compact et résistant mécaniquement. En tant que résine polymère pour la matrice, on peut utiliser des colles qui présentent l'avantage d'augmenter la rigidité de la batterie et de retenir les éléments 1 dans ladite batterie. Les colles peuvent être par exemple de la famille des époxys, des silicones ou des acryliques, dans lesquelles peuvent être ajoutés des composants inorganiques présentant des propriétés de conduction thermique, tels que AI2O3, AIN, MgO, ZnO, BeO, BN, Si3N4, SiC et/ou SiO2. Dans un exemple de réalisation, une résine époxy bicomposant du type de celle référencée 2605 par la société 3M peut être utilisée.
Pour sa mise en œuvre, après disposition des éléments 1 et des modules 9, la résine fluide est disposée dans les espaces latéraux de sorte à enrober lesdits modules ainsi que lesdits éléments, ladite résine étant ensuite solidifiée pour former la matrice structurelle. Par conséquent, la réalisation de la batterie est particulièrement simple et modulable, en ne prévoyant notamment pas d'outillage spécifique en fonction du nombre d'éléments 1 à disposer dans ladite batterie.
Pour faciliter la recyclabilité de la batterie, un revêtement de primaire, contenant un agent migrant, peut également être appliqué à la surface des éléments 1. Cet agent migrant doit être capable de migrer sur une des interfaces de liaison pour générer une couche de faible cohésion. Cette migration est rendue possible par une activation thermique, ce qui permet d'assurer le démontage des assemblages collés. Cet agent migrant peut être mis en œuvre dans un primaire, mais également dans la résine elle- même. L'agent migrant peut être par exemple une polyoléfine, ou plus particulièrement du PTSH (paratoluènesulfohydrazide) qui est connu pour assurer le décollage par apport de chaleur comme le décrit notamment le document WO-2004/087829.
En outre, la matrice peut présenter des propriétés de changement de phase dans une plage de température permettant d'améliorer le conditionnement en température des éléments générateurs 1.
Dans les modes de réalisations représentés, les chemins de circulation sont alimentés en parallèle par le lit 2 de fluide. Ainsi, le fluide parcourant chaque chemin de circulation est issu directement du lit 2 de fluide, sans avoir conditionné préalablement un autre élément 1. Il en résulte donc une excellente homogénéité thermique en évitant l'accumulation de chaleur liée à une succession d'échanges thermiques.
Pour ce faire, les ports amont 10 sont en communication avec une nappe 3 et les ports aval 11 sont en communication avec l'autre nappe 4. Ainsi, une nappe 3 sert à alimenter chaque module 9 en fluide, et l'autre nappe 4 sert à évacuer ledit fluide. Sur les figures, on voit que l'une des parties extrêmes des chemins de circulation traverse la nappe supérieure 4 pour connecter le port 10 correspondant à la nappe inférieure 3.
Selon l'invention, l'excellente homogénéité en température dans la batterie permet à la fois d'augmenter le niveau d'équilibrage entre les éléments 1 et de pouvoir réguler thermiquement la batterie avec une grande précision afin de réduire au maximum les résistances internes des éléments 1 sans nuire à leur durée de vie. L'optimisation de la gestion thermique permet alors d'augmenter l'énergie et la puissance de la batterie, sans avoir à ajouter d'éléments supplémentaires.
En outre, le système de conditionnement permet la dissipation de l'énergie thermique provenant de l'emballement thermique d'un élément 1 , sans que cet excès de chaleur ne soit transféré aux éléments 1 adjacents dans une proportion pouvant conduire à une contagion du phénomène d'emballement thermique. Ce rôle de confinement thermique permet d'éviter que les risques d'emballement thermiques ne se propagent à la totalité de la batterie, ce qui est très critique pour les batteries fortement énergétiques.
En relation avec les figures 1 à 3, on décrit ci-dessous un premier mode de réalisation d'une batterie dans laquelle chaque module 9 de conditionnement comprend une tubulure ascendante 12 et un corps 13 entourant ladite tubulure. Un tel module peut être réalisé par emboîtement d'extrudés de formes et de longueurs différentes, préférentiellement formés en un matériau bon conducteur thermique, par exemple en métal tel que l'aluminium qui présente en outre l'avantage d'un faible poids. Notons qu'il n'existe pas réellement de contrainte relativement à la conductivité électrique du matériau formant les modules 9, car ceux-ci sont enrobés par une matrice isolante électrique.
L'extrémité inférieure de la tubulure 12 est saillante axialement du corps 13, de sorte à former le port amont 10 qui est introduit dans un orifice correspondant du caisson inférieure 5. L'extrémité supérieure de ladite tubulure débouche dans le corps 13 et, pour permettre la descente du fluide, le corps 13 est borgne en partie supérieure et présente au moins un passage 13a de fluide depuis l'extrémité supérieure de la tubulure 12 vers le port aval 11 formé dans ledit corps. En particulier, le corps 13 est emmanché dans un orifice du caisson supérieur 6, ledit orifice étant prévu en regard de celui dans lequel la tubulure 12 est introduite.
Dans le mode de réalisation représenté, le corps 13 présente une géométrie triangulaire, et forme trois canaux 13a axiaux équirépartis autour de la tubulure 12 pour déboucher sur la paroi inférieure dudit corps. Cette réalisation est adaptée pour un agencement dans lequel chaque élément générateur 1 est entouré par six modules 9 et chacun des modules est commun à trois éléments 1.
La surface latérale 13b du corps 13 présente une enveloppe de géométrie analogue à celle de la surface périphérique des éléments 1 disposés en regard de ladite surface. Sur les figures, les trois surfaces latérales 13b du corps 13 sont concaves avec un rayon analogue à celui des éléments 1. En outre, le corps 13 est surmonté par un bouchon 14 qui présente au moins une zone périphérique d'appui pour les éléments. Sur les figures, un ergot 14a est prévu sur chaque face latérale du bouchon 14. Ces réalisations permettent d'améliorer la tenue mécanique des éléments 1 , y compris avant disposition de la matrice, afin d'éviter tout contact entre lesdits éléments. En relation avec les figures 4, on décrit ci-dessous un deuxième mode de réalisation d'une batterie dans laquelle chaque module 9 de conditionnement comprend une boucle 15 qui est formée d'un conduit présentant un tronçon ascendant et un tronçon descendant sur lesquels sont respectivement prévus les ports amont 10 et aval 11 , lesdits tronçons étant reliés par un tronçon coudé supérieur.
Le système de conditionnement comprend en outre des plaques 16 réalisées en matériau conducteur thermique, notamment métallique comme les boucles 15, lesdites plaques étant associées aux tronçons de boucles. Plus précisément, une plaque 16 est disposée dans chacune des boucles 15 de conditionnement, entre les tronçons ascendant et descendant. Par ailleurs, des plaques 16 sont prévues pour relier entre elles les boucles 15. Outre l'amélioration du transfert thermique, les plaques 16 permettent également de rigidifier la batterie. Sur les figures, chaque élément 1 est entouré successivement par une boucle 15, une plaque 16, un tronçon d'une boucle, une plaque 16, une boucle 15, une plaque 16, un tronçon de boucle et une plaque 16.

Claims

REVENDICATIONS
1. Batterie électrique comprenant une pluralité d'éléments (1) générateurs d'énergie électrique et un système de conditionnement mécanique et thermique desdits éléments, ledit système comprenant un lit (2) de fluide de conditionnement thermique sur lequel lesdits éléments sont disposés de sorte à laisser un espace latéral entre les éléments (1) adjacents, la batterie étant caractérisée en ce que le système de conditionnement comprend en outre une pluralité de modules (9) de conditionnement thermique qui sont pourvus chacun d'un chemin de circulation du fluide entre un port amont (10) et un port aval (11), chaque chemin de circulation s'étendant dans un espace latéral avec les ports (10, 11) en communication fluidique avec ledit lit, ledit système de conditionnement comprenant en outre une matrice structurelle en résine polymère conductrice thermique et isolante électrique, ladite matrice remplissant les espaces latéraux en enrobant au moins partiellement lesdits éléments générateurs et lesdits modules de conditionnement.
2. Batterie électrique selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la matrice présente en outre des propriétés de changement de phase dans une plage de température permettant d'améliorer le conditionnement en température des éléments générateurs (1).
3. Batterie électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les chemins de circulation sont alimentés en parallèle par le lit (2) de fluide.
4. Batterie électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que le lit (2) de fluide comprend deux nappes (3, 4) séparées de fluide, les ports amont (10) étant en communication avec une nappe (3) et les ports aval (11) étant en communication avec l'autre nappe (4).
5. Batterie électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que les nappes (3, 4) sont formées respectivement dans un caisson (5, 6), lesdits caissons étant associés l'un sur l'autre, l'une des parties extrêmes des chemins de circulation traversant la nappe supérieure (4) pour connecter le port (10) correspondant à la nappe inférieure (3).
6. Batterie électrique selon la revendication 5, caractérisée en ce que les caissons (5, 6) sont formés de sous-caissons qui sont associés entre eux.
7. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce qu'un module (9) de conditionnement comprend une tubulure ascendante (12) et un corps (13) entourant ladite tubulure, l'extrémité inférieure de ladite tubulure formant le port amont (10) et l'extrémité supérieure de ladite tubulure débouchant dans ledit corps, ledit corps étant borgne en partie supérieure et présentant au moins un passage (13a) de fluide depuis l'extrémité supérieure de la tubulure (12) vers le port aval (11) formé dans ledit corps.
8. Batterie électrique selon la revendication 7, caractérisée en ce que la surface latérale (13b) du corps (13) présente une enveloppe de géométrie analogue à celle de la surface périphérique des éléments (1) disposée en regard de ladite surface.
9. Batterie électrique selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que le corps (13) est surmonté par un bouchon (14), ledit bouchon présentant au moins une zone périphérique d'appui (14a) pour les éléments (1).
10. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce qu'un module (9) de conditionnement comprend une boucle (15) qui est formée d'un conduit présentant un tronçon ascendant et un tronçon descendant sur lesquels sont respectivement prévus les ports amont (10) et aval (11), lesdits tronçons étant reliés par un tronçon coudé supérieur.
11. Batterie électrique selon la revendication 10, caractérisée en ce que le système de conditionnement comprend en outre des plaques (16) réalisées en matériau conducteur thermique, lesdites plaques étant associées aux tronçons des boucles (15).
12. Batterie électrique selon la revendication 11 , caractérisée en ce qu'une plaque (16) est disposée dans chacune des boucles (15) de conditionnement, entre les tronçons ascendant et descendant.
13. Batterie électrique selon la revendication 11 ou 12, caractérisée en ce que des plaques (16) sont prévues pour reliées entre elles des boucles (15).
14. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que les éléments générateurs (1) présentent une géométrie cylindrique et un agencement hexagonal entre eux.
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