EP3994230A1 - Utilisation du 2,3,3,3-tétrafluoropropène pour le chauffage d'une batterie au lithium - Google Patents

Utilisation du 2,3,3,3-tétrafluoropropène pour le chauffage d'une batterie au lithium

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Publication number
EP3994230A1
EP3994230A1 EP20740376.7A EP20740376A EP3994230A1 EP 3994230 A1 EP3994230 A1 EP 3994230A1 EP 20740376 A EP20740376 A EP 20740376A EP 3994230 A1 EP3994230 A1 EP 3994230A1
Authority
EP
European Patent Office
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battery
temperature
refrigerant
equal
tetrafluoropropene
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20740376.7A
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German (de)
English (en)
Inventor
Gregory Schmidt
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Arkema France SA
Original Assignee
Arkema France SA
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Filing date
Publication date
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to the use of 2,3,3,3-tetrafluoropropene for heating a lithium battery, that is, comprising a lithium salt as an electrolyte.
  • HFO-1234yf 2,3,3,3-Tetrafluoropropene
  • GWP global warming potential
  • Electric vehicles have a battery comprising electrochemical cells.
  • Each electrochemical cell has a negative electrode, a positive electrode, a separator and an electrolyte.
  • the operation of the battery can be more or less affected, or even the battery can be more or less degraded, depending on the temperature.
  • Document FR 2 937 906 describes a method for heating and / or air conditioning a motor vehicle interior using a reversible refrigerant loop in which circulates a refrigerant comprising 2,3,3,3-tetrafluoropropene. . This process is also suitable for hybrid vehicles designed to operate alternately on a heat engine and an electric motor.
  • Document EP 2 880 739 discloses a system for charging an electric vehicle battery which at the same time makes it possible to control the temperature of the vehicle battery as well as the temperature of the passenger compartment.
  • Document US 5,305,613 describes a heating and air conditioning system for the passenger compartment of an electric vehicle that is operated before starting the vehicle to increase the comfort of the driver.
  • Document US 201 1/0139397 describes a method for controlling the temperature of the compartment of an electric vehicle, by means of a refrigerant circuit.
  • the refrigerant circuit is in particular coupled with the battery.
  • the invention relates firstly to the use of a refrigerant comprising 2,3,3,3-tetrafluoropropene for heating a battery of an electric vehicle comprising at least one electrochemical cell comprising a negative electrode, a positive electrode and an electrolyte, the electrolyte comprising a lithium salt and the negative electrode comprising metallic lithium as an electrochemically active material.
  • the lithium salt of the electrolyte is selected from LiPFe, LiFSI, LiTDI, LiPOF, ⁇ B ⁇ O, LiF2B (C2C> 4) 2, L1BF4, UNO3, LiCICL and mixtures thereof.
  • the battery is maintained at a temperature between a minimum temperature ti and a maximum temperature t 2 .
  • the minimum temperature ti is greater than or equal to 10 ° C and the maximum temperature t 2 is less than or equal to 40 ° C, preferably the minimum temperature ti is greater than or equal to 15 ° C and the temperature maximum fe is less than or equal to 30 ° C, and more preferably the minimum temperature ti is greater than or equal to 16 ° C and the maximum temperature fe is less than or equal to 28 ° C.
  • the refrigerant circulates in a vapor compression circuit.
  • the vapor compression circuit is also suitable for heating the passenger compartment of the vehicle and / or for cooling the passenger compartment of the vehicle and / or for cooling the battery of the vehicle.
  • the refrigerant consists essentially of 2,3,3,3-tetrafluoropropene.
  • the refrigerant comprises about 78.5 wt% 2,3,3,3-tetrafluoropropene and about 21.5 wt% difluoromethane.
  • the invention also relates to a method of conditioning the battery of an electric vehicle, said battery comprising at least one electrochemical cell comprising a negative electrode, a positive electrode and an electrolyte, the electrolyte comprising a lithium salt and the electrode.
  • negative comprising graphite or a lithium-containing material as an electrochemically active material, the method comprising:
  • the lithium salt of the electrolyte is selected from LiPFe, LiFSI, LiTDI, LiPOF, ⁇ B ⁇ O, LiF2B (C2C> 4) 2, L1BF4, UNO3, LiCICL and mixtures thereof.
  • the method comprises:
  • the minimum temperature ti is greater than or equal to 10 ° C and the maximum temperature t2 is less than or equal to 40 ° C, preferably the minimum temperature ti is greater than or equal to 15 ° C and the maximum temperature fe is less than or equal to 30 ° C, and more preferably the minimum temperature ti is greater than or equal to 16 ° C and the maximum temperature fe is less than or equal to 28 ° C.
  • the maintenance of the vehicle battery at a temperature between ti and t2 is carried out alternately by cooling the battery with the refrigerant fluid and by heating the battery.
  • the heating of the battery is also partially effected by an electrical resistance.
  • the refrigerant circulates in a vapor compression circuit. In some embodiments, the refrigerant consists essentially of 2,3,3,3-tetrafluoropropene.
  • the refrigerant comprises about 78.5 wt% 2,3,3,3-tetrafluoropropene and about 21.5 wt% difluoromethane.
  • the present invention makes it possible to meet the need expressed above. It makes it possible to ensure optimal operation of the batteries of electric vehicles and to avoid their degradation, and more particularly of batteries whose electrochemical cells comprise an electrolyte based on lithium salt and a negative electrode comprising graphite or a material. containing metallic lithium as an electrochemically active material. This material has the advantage of imparting greater energy density than conventional negative electrode materials. Indeed, metallic lithium has a capacity of approximately 3860 mAh / g.
  • electric vehicle (optionally “hybrid”) is meant a motorized device capable of moving or transporting people or equipment, the motor of which is supplied with electrical energy by a motive battery (preferably in all, but possibly only in part. in the case of a hybrid electric vehicle).
  • a motive battery preferably in all, but possibly only in part. in the case of a hybrid electric vehicle.
  • the motive battery is called more simply “battery” in the context of the present application.
  • the electric vehicle is preferably an electric automobile. Alternatively, it can be an electric truck or an electric bus.
  • the battery comprises at least one electrochemical cell, and preferably a plurality. Each electrochemical cell comprises a negative electrode, a positive electrode and an electrolyte interposed between the negative electrode and the positive electrode.
  • Each electrochemical cell can also include a separator, in which the electrolyte is impregnated.
  • the electrochemical cells can be assembled in series and / or in parallel in the battery.
  • negative electrode is meant the electrode which acts as an anode when the battery delivers current (that is to say when it is in the process of discharging) and which acts as a cathode when the battery is discharged. is charging.
  • the negative electrode typically comprises an electrochemically active material, optionally an electronically conductive material, and optionally a binder.
  • positive electrode is meant the electrode which acts as a cathode when the battery delivers current (that is to say when it is in the process of discharging) and which acts as anode when the battery is discharged. is charging.
  • the positive electrode typically comprises an electrochemically active material, optionally an electronically conductive material, and optionally a binder.
  • electrochemically active material a material capable of reversibly inserting ions.
  • electronically conductive material means a material capable of conducting electrons.
  • the negative electrode of the electrochemical cell can in particular comprise, as electrochemically active material, metallic lithium.
  • This metallic lithium can be in essentially pure form, or in the form of an alloy.
  • the lithium-based alloys which may be used, mention may be made, for example, of lithium-aluminum alloys, lithium-silica alloys, lithium-tin alloys, Li-Zn, LhBi, LhCd and LhSB. Mixtures of the above materials can also be used.
  • the negative electrode can be in the form of a film or a rod.
  • An example of a negative electrode may include a live lithium film prepared by laminating, between rolls, a lithium strip.
  • the positive electrode comprises an electrochemically active material, preferably of the oxide type, and preferably chosen from sodium dioxide.
  • manganese (MnC), iron oxide, copper oxide, nickel oxide, lithium-manganese composite oxides (for example LixMn204 or LixMnC), oxides of lithium-nickel compositions (for example LixNiC> 2) , lithium-cobalt composition oxides (for example LixCoC> 2), lithium-nickel-cobalt composite oxides (for example LiNi-i-yCoyC), lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxides (for example LiNixMnyCozC with x + y + z 1), lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxides enriched in lithium (for example Lii + x (NixMnyCoz) i-x02), composite oxides of lithium and transition metal, composite oxides of lithium -manganese-nickel of spinel structure (for example Li x Mn
  • a lithium-nickel-cobalt-aluminum composite oxide with a high nickel content (UNixCoyAlz with x
  • NMC532 LiNio, 5Mno, 3Coo, 202
  • NMC622 LiNio, 6Mno, 2Coo, 202
  • NMC811 LiNio, 8Mno, iCoo, i02
  • each electrode may also comprise, besides the electrochemically active material, an electronically conductive material such as a carbon source, including, for example, carbon black, carbon Ketjen ®, carbon Shawinigan, graphite, graphene, carbon nanotubes, carbon fibers (eg, gas-phase formed carbon fibers or VGCF), non-powdery carbon obtained by carbonizing an organic precursor, or a combination of two or more thereof.
  • an electronically conductive material such as a carbon source, including, for example, carbon black, carbon Ketjen ®, carbon Shawinigan, graphite, graphene, carbon nanotubes, carbon fibers (eg, gas-phase formed carbon fibers or VGCF), non-powdery carbon obtained by carbonizing an organic precursor, or a combination of two or more thereof.
  • Other additives may also be present in the material of the positive electrode, such as lithium salts or inorganic particles of ceramic or glass type, or even other compatible active materials (for example, sulfur).
  • the material of each electrode can also include a binder.
  • binders include linear, branched and / or crosslinked polyether polymeric binders (eg, polymers based on poly (ethylene oxide) (PEO), or poly (propylene oxide) (PPO) or of a mixture of the two (or an EO / PO co-polymer), and optionally comprising crosslinkable units), water-soluble binders (such as SBR (styrene-butadiene rubber), NBR (acrylonitrile-butadiene rubber) ), HNBR (hydrogenated NBR), CHR (epichlorohydrin rubber), ACM (acrylate rubber)), or fluoropolymer type binders (such as PVDF (polyvinylidene fluoride), PTFE (polytetrafluoroethylene), and combinations thereof.
  • binders, such as those soluble in water can also include an additive such as CMC (carboxymethylcellulose).
  • the separator can be a porous polymer film.
  • the separator may consist of a porous polyolefin film such as ethylene homopolymers, propylene homopolymers, ethylene / butene copolymers, ethylene / hexene copolymers, ethylene / methacrylate copolymers, or multilayer structures of the above polymers.
  • the electrolyte can consist of one or more lithium salts dissolved in a solvent or a mixture of solvents with one or more additives.
  • the lithium salt or the lithium salts can be chosen from LiPFe (lithium hexafluorophosphate), LiFSI (lithium bis (fluorosulfonyl) imide), LiTDI (2-trifluoromethyl-4, Lithium 5-dicyanoimidazolate), LiPOF 2 , ⁇ B ⁇ O, LiF 2 B (C2C> 4) 2, LiBF 4 , LiNOs, UCI04.
  • the solvent (s) can be chosen from the following non-exhaustive list: ethers, esters, ketones, alcohols, nitriles and carbonates.
  • ethers such as, for example, dimethoxyethane (DME), methyl ethers of oligoethylene glycols of 2 to 5 oxyethylene units, dioxolane, dioxane, dibutyl ether, tetrahydrofuran, and their mixtures.
  • DME dimethoxyethane
  • methyl ethers of oligoethylene glycols of 2 to 5 oxyethylene units dioxolane, dioxane, dibutyl ether, tetrahydrofuran, and their mixtures.
  • esters mention may be made of phosphoric acid esters or sulfite esters. Mention may be made, for example, of methyl formate, methyl acetate, methyl propionate, ethyl acetate, butyl acetate, gamma butyrolactone or mixtures thereof.
  • ketones mention may in particular be made of cyclohexanone.
  • alcohols there may be mentioned, for example, ethyl alcohol, isopropyl alcohol.
  • nitriles mention may be made, for example, of acetonitrile, pyruvonitrile, propionitrile, methoxypropionitrile, dimethylaminopropionitrile, butyronitrile, isobutyronitrile, valeronitrile, pivalonitrile, isovaleronitrile, glutaronitroxy 2aronitrile - methylglutaronitrile, 3-methylglutaronitrile, adiponitrile, malononitrile, and mixtures thereof.
  • cyclic carbonates such as, for example, ethylene carbonate (EC) (CAS: 96-49-1), propylene carbonate (PC) (CAS: 108-32-7) , butylene carbonate (BC) (CAS: 4437-85-8), dimethyl carbonate (DMC) (CAS: 616-38-6), diethyl carbonate (DEC) (CAS: 105-58-8 ), methyl ethyl carbonate (EMC) (CAS: 623-53-0), diphenyl carbonate (CAS 102-09-0), methyl phenyl carbonate (CAS: 13509-27-8), carbonate of dipropyl (DPC) (CAS: 623-96-1), methyl and propyl carbonate (MPC) (CAS: 1333-41 -1), ethyl and propyl carbonate (EPC), carbonate of vinylene (VC) (CAS: 872-36-6), fluoroethylene carbonate (FEC) (CAS:
  • the additive (s) may be chosen from the group consisting of fluoroethylene carbonate (FEC), vinylene carbonate, 4-vinyl-1, 3-dioxolan-2-one, pyridazine, vinyl pyridazine, quinoline, vinyl quinoline, butadiene, sebaconitrile, alkyldisulfides, fluorotoluene, 1, 4-dimethoxytetrafluorotoluene, t-butylphenol, di-t-butylphenol, tris (pentafluorophenyl) borane, oximes, epoxides aliphatics, halogenated biphenyls, metacrylic acids, allyl ethyl carbonate, vinyl acetate, divinyl adipate, propanesultone, acrylonitrile, 2-vinylpyridine, maleic anhydride, methyl cinnamate, phosphonates, vinyl containing silane compounds, 2-cyan
  • HFO-1234yf refers to 2,3,3,3-tetrafluoropropene.
  • refrigerant means a fluid capable of absorbing heat by evaporating at low temperature and low pressure and of rejecting heat by condensing at high temperature and high pressure, in a vapor compression circuit. , depending on the application considered.
  • a refrigerant can consist essentially of a single compound or be a mixture of several compounds.
  • the invention uses a refrigerant comprising HFO-1234yf.
  • Other heat transfer compounds may or may not be present in the refrigerant in combination with HFO-1234yf.
  • the refrigerant can be combined with lubricants and / or additives, to form a heat transfer composition.
  • the heat transfer composition is present and circulates in the vapor compression circuit.
  • the refrigerant of the invention consists essentially of, or even consists of, HFO-1234yf.
  • this refrigerant comprises HFO-1234yf in admixture with one or more other heat transfer compounds, such as hydrofluorocarbons and / or hydrofluoroolefins and / or hydrocarbons and / or hydrochlorofluoroolefins and / or CO2 .
  • hydrofluorocarbons mention may in particular be made of difluoromethane (HFC-32), pentafluoroethane (HFC-125), 1, 1, 2,2-tetrafluoroethane (HFC-134), 1, 1, 1, 2-tetrafluoroethane (FIFC-134a), 1, 1 -difluoroethane (FIFC-152a), fluoroethane (HFC-161), 1, 1, 1, 2,3,3,3-heptafluoropropane (FIFC-227ea), 1 , 1, 1 -trifluoropropane (FIFC-263fb) and mixtures thereof.
  • HFC-32 difluoromethane
  • HFC-125 pentafluoroethane
  • HFC-134 1, 1, 2,2-tetrafluoroethane
  • FIFC-134a 1, 1, 1, 2-tetrafluoroethane
  • FIFC-152a 1, 1 -difluoroethane
  • hydrofluoroolefins mention may in particular be made of 1, 3,3,3-tetrafluoropropene (HFO-1234ze), in cis and / or trans form, and preferably in trans form; and trifluoroethylene (HFO-1,123).
  • HFO-1234ze 1, 3,3,3-tetrafluoropropene
  • HFO-1,123 trifluoroethylene
  • hydrochlorofluoroolefins mention may in particular be made of 1 -chloro-3,3,3-trifluoropropene (HCFO-1233zd), in cis and / or trans form, and preferably in trans form.
  • HCFO-1233zd 1 -chloro-3,3,3-trifluoropropene
  • this refrigerant comprises at least 50% HFO-1234yf, or at least 60% HFO-1234yf, or at least 70% HFO-1234yf, or at least 80% HFO-1234yf, or at least 90% HFO-1234yf, or at least 95% HFO-1234yf, by weight.
  • the refrigerant consists essentially, if not consists, of HFO-1234yf and HFC-32.
  • the content of HFO-1234yf is preferably from about 60 to about 95% by weight, more preferably from about 70 to about 90% by weight, more preferably from about 75 to about 85% by weight, preferably still about 78.5% by weight;
  • the HFC-32 content is preferably from about 5 to about 40% by weight, more preferably from about 10 to about 30% by weight, more preferably from about 15 to about 25% by weight, and more preferably about 21.5% by weight.
  • the additives which can be added to the refrigerant to form the heat transfer composition can in particular be chosen from nanoparticles, stabilizers, surfactants, tracers, fluorescent agents, odorous agents and solubilizing agents.
  • the total amount of additives does not exceed 5% by weight, in particular 4%, in particular 3% and very particularly 2% by weight or even 1% by weight of the refrigerant.
  • the HFO-1234yf contains impurities. When they are present, they may represent less than 1%, preferably less than 0.5%, preferably less than 0.1%, preferably less than 0.05% and preferably less than 0.01% ( by weight) relative to HFO-1234yf.
  • One or more lubricants may be present in the heat transfer composition. These lubricants can be chosen from esters of polyols (POE), polyalkylene glycols (PAG), or polyvinyl ethers (PVE).
  • POE polyols
  • PAG polyalkylene glycols
  • PVE polyvinyl ethers
  • the lubricants can represent from 1 to 50%, preferably from 2 to 40% and more preferably from 5 to 30% (by weight) of the heat transfer composition.
  • the heating of the battery according to the invention is preferably carried out (at least partially) by means of an installation, which comprises a vapor compression circuit.
  • the vapor compression circuit contains the above refrigerant, which provides heat transfer.
  • the vapor compression circuit is also suitable for cooling the vehicle battery.
  • the vapor compression circuit is also suitable for heating the passenger compartment of the vehicle.
  • the vapor compression circuit is also suitable for air conditioning (cooling) the passenger compartment of the vehicle.
  • the vapor compression circuit may include different branches equipped with separate heat exchangers, the refrigerant circulating or not circulating in these branches, depending on the mode of operation.
  • the vapor compression circuit may include means for changing the direction of circulation of the refrigerant, comprising for example one or more three-way or four-way valves.
  • the main steps of the heat transfer process are carried out cyclically and include:
  • the evaporation of the refrigerant can be carried out from a liquid phase or from a two-phase liquid / vapor mixture.
  • the compressor can be hermetic, semi-hermetic or open.
  • Hermetic compressors include a motor part and a compression part which are confined in a non-removable hermetic enclosure.
  • Semi-hermetic compressors include a motor part and a compression part which are directly assembled against each other. The coupling between the engine part and the compression part is accessible by separating the two parts by disassembly.
  • Open compressors have a motor part and a compression part which are separate. They can operate by belt drive or by direct coupling.
  • a compressor it is possible to use in particular a dynamic compressor, or a positive displacement compressor.
  • Dynamic compressors include axial compressors and centrifugal compressors, which can be single or multi-stage. Mini centrifugal compressors can also be used.
  • Positive displacement compressors include rotary compressors and reciprocating compressors.
  • Reciprocating compressors include diaphragm compressors and reciprocating compressors.
  • Rotary compressors include screw compressors, rotary lobe compressors, scroll (or scroll) compressors, liquid ring compressors, and vane compressors.
  • the screw compressors can preferably be twin-screw or single-screw.
  • the implementation of the invention is particularly advantageous when a scroll compressor is used because of its good performance under typical conditions of a motor vehicle.
  • the compressor may include a device for injecting steam or liquid. Injection involves introducing refrigerant in the liquid or vapor state into the compressor at an intermediate level between the start and end of compression.
  • the compressor can be driven by an electric motor or by a gas turbine (for example powered by the exhaust gases of a vehicle) or by gearing.
  • the evaporator and the condenser are heat exchangers. It is possible to use any type of heat exchanger in the invention, and in particular cocurrent heat exchangers or, preferably, countercurrent heat exchangers.
  • counter-current heat exchanger a heat exchanger in which heat is exchanged between a first fluid and a second fluid, the first fluid at the inlet of the exchanger exchanging heat with the heat exchanger.
  • second fluid at the outlet of the exchanger, and the first fluid at the outlet of the exchanger exchanging heat with the second fluid at the inlet of the exchanger is meant.
  • countercurrent heat exchangers include devices in which the flow of the first fluid and the flow of the second fluid are in opposite, or nearly opposite, directions. Exchangers operating in cross-current mode with a counter-current tendency are also included among the counter-current heat exchangers.
  • the heat exchangers can in particular be U-tube, horizontal or vertical tube bundle, spiral, plate or finned exchangers.
  • the installation can also optionally include at least one heat transfer fluid circuit used to transport heat (with or without change of state) between the circuit of the heat transfer composition and the battery.
  • the installation does not include a heat transfer fluid circuit used to transport heat between the heat transfer composition circuit and the battery.
  • a heat exchanger of the circuit containing the heat transfer composition ensures a heat exchange between the refrigerant and the air, which is then blown onto the coil to ensure the heat exchange. with the battery itself.
  • a heat exchanger of the circuit containing the heat transfer composition is in contact with the battery or integrated into the battery.
  • the installation can also optionally include two vapor compression circuits (or more), containing identical or different heat transfer compositions.
  • vapor compression circuits can be coupled together.
  • the installation comprises a single vapor compression circuit.
  • the refrigerant can be superheated between evaporation and compression, that is to say it can be brought to a temperature higher than the end of evaporation temperature, between evaporation and compression.
  • evaporation start temperature is meant the temperature of the refrigerant entering the evaporator.
  • end of evaporation temperature is meant the temperature of the refrigerant during the evaporation of the last drop of refrigerant in liquid form (saturated vapor temperature or dew point temperature).
  • the evaporation start temperature is equal to the evaporation end temperature at constant pressure.
  • the term “superheating” denotes the temperature differential between the maximum temperature reached by the refrigerant before compression (i.e. the maximum temperature reached by the refrigerant at the end of the superheating step) and the end of evaporation temperature.
  • This maximum temperature is generally the temperature of the refrigerant entering the compressor. It can correspond to the temperature of the refrigerant at the outlet of the evaporator.
  • the refrigerant can be at least partly superheated between the evaporator and the compressor (for example by means of an internal exchanger).
  • the superheating can be adjusted by an appropriate adjustment of the parameters of the installation, and in particular by an adjustment of the expansion module.
  • the superheating may be 1 to 25 ° C, preferably 2 to 10 ° C, preferably 3 to 7 ° C and more preferably 4 to 6 ° C.
  • the refrigerant can be sub-cooled between the condensation and the expansion, that is to say it can be brought to a temperature below the end of condensation temperature, between the condensation and the expansion. relaxation.
  • temperature of the start of condensation is meant the temperature of the refrigerant in the condenser when the first liquid drop of refrigerant appears, called the vapor saturation temperature or dew point temperature.
  • end of condensation temperature is meant the temperature of the refrigerant during the condensation of the last fluid bubble. refrigerant in gaseous form, called liquid saturation temperature or bubble temperature.
  • sub-cooling denotes the possible temperature differential (in absolute value) between the minimum temperature reached by the refrigerant before expansion (that is, say the minimum temperature reached by the refrigerant at the end of the sub-cooling step) and the end of condensation temperature.
  • This minimum temperature is generally the temperature of the refrigerant entering the expansion module. It can correspond to the temperature of the refrigerant at the outlet of the condenser.
  • the refrigerant can be at least partly sub-cooled between the condenser and the expansion module (for example by means of an internal exchanger).
  • the subcooling when present, may be 1 to 50 ° C, preferably 1 to 40 ° C, preferably 1 to 30 ° C, preferably 1 at 20 ° C, from 1 to 15 ° C, preferably from 1 to 10 ° C and more preferably from 1 to 5 ° C.
  • the expansion module can be a thermostatic valve called a thermostatic or electronic expansion valve with one or more ports, or a pressostatic expansion valve that regulates the pressure. It can also be a capillary tube in which the expansion of the fluid is obtained by the pressure drop in the tube.
  • the invention relates to the use of a refrigerant comprising HFO-1234yf for heating the above battery.
  • battery temperature is generally meant the temperature of an outer wall of one or more of its electrochemical cells.
  • the temperature of the battery can be measured using a temperature sensor. If several temperature sensors are present in the battery, the battery temperature can be considered as being the average of the different measured temperatures.
  • the above heating can be done while the vehicle battery is charging. Alternatively, it can be carried out when the battery is discharged, in particular when the vehicle engine is on. It is to prevent the battery temperature from being too low due to the outside temperature.
  • the heater in question makes it possible to raise the temperature of the battery by at least 5 ° C, or by at least 10 ° C, or by at least 15 ° C, or by at least 20 ° C, or at least 25 ° C or at least 30 ° C.
  • the outside temperature during heating of the battery is less than or equal to 5 ° C, preferably less than or equal to 0 ° C, more preferably less than or equal to -10 ° C, more preferably less or equal to -15 ° C, more preferably less than or equal to -20 ° C.
  • outside temperature is meant the ambient temperature outside the vehicle.
  • an electrical resistance contributes partially to heating the battery, either at different times than heating by the vapor compression circuit, or simultaneously.
  • only the vapor compression circuit is responsible for heating the battery.
  • the heating of the battery is continuous over a period of time.
  • the heating of the battery alternates with periods of interruption or even periods in which the battery is cooled.
  • the battery can be done in particular by means of the vapor compression circuit described above.
  • the heating and optionally the cooling make it possible to maintain the temperature of the battery within an optimum temperature range, in particular when the vehicle is in operation (engine on), and in particular when the vehicle is moving. Indeed, if the temperature of the battery is too high, the performance of the latter is likely to decrease and the battery to degrade.
  • the temperature of the vehicle battery is thus maintained between a minimum temperature ti and a maximum temperature t2.
  • the minimum temperature ti is greater than or equal to 10 ° C and the maximum temperature t2 is less than or equal to 40 ° C, preferably the minimum temperature ti is greater than or equal to 15 ° C and the maximum temperature fe is less than or equal to 30 ° C, and more preferably the minimum temperature ti is greater than or equal to 16 ° C and the maximum temperature fe is less than or equal to 28 ° C.
  • a feedback loop is advantageously present, to modify the operating parameters of the installation as a function of the temperature of the battery which is measured, in order to ensure that the desired temperature is maintained.

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Abstract

L'invention concerne l'utilisation d'un fluide frigorigène comprenant du 2,3,3,3-tétrafluoropropène pour le chauffage d'une batterie d'un véhicule électrique comportant au moins une cellule électrochimique comportant une électrode négative, une électrode positive et un électrolyte, l'électrolyte comprenant un sel de lithium et l'électrode négative comprenant du lithium métallique en tant que matériau électrochimiquement actif.

Description

Utilisation du 2,3.3.3-tétrafluoropropène pour le chauffage d’une batterie au lithium
Domaine de l’invention
La présente invention concerne l’utilisation du 2, 3,3,3- tétrafluoropropène pour le chauffage d’une batterie au lithium, c’est-à-dire comportant un sel de lithium en tant qu’électrolyte. Arrière-plan technique
Dans les véhicules, il est connu de recourir à un circuit de compression de vapeur pour fournir du chauffage ou du refroidissement. Un fluide frigorigène circule dans ce circuit et subit ainsi une évaporation, suivie d’une compression, d’une condensation et d’une détente pour compléter le cycle.
Le 2,3,3,3-tétrafluoropropène (HFO-1234yf) est une hydrofluorooléfine présentant des propriétés thermodynamiques et thermophysiques très favorables pour une utilisation comme fluide frigorigène, en particulier dans les applications de refroidissement, de climatisation, de production d’électricité (notamment au moyen des cycles de Rankine) et de pompes à chaleur. De plus, ce produit est particulièrement avantageux puisqu’il présente également un faible potentiel de réchauffement climatique (GWP).
Les véhicules électriques comportent une batterie comprenant des cellules électrochimiques. Chaque cellule électrochimique comporte une électrode négative, une électrode positive, un séparateur et un électrolyte. Selon la nature des matériaux présents dans les cellules, le fonctionnement de la batterie peut être plus ou moins affecté, voire même la batterie peut être plus ou moins dégradée, en fonction de la température.
Le document FR 2 937 906 décrit un procédé de chauffage et/ou de climatisation d’un habitacle de véhicule automobile à l’aide d’une boucle frigorigène réversible dans laquelle circule un fluide frigorigène comprenant du 2,3,3,3-tétrafluoropropène. Ce procédé convient également aux véhicules hybrides conçus pour fonctionner en alternance sur moteur thermique et moteur électrique. Le document EP 2 880 739 divulgue un système de charge d’une batterie de véhicule électrique qui permet en même temps de contrôler la température de la batterie du véhicule ainsi que la température de l’habitacle.
Le document US 5,305,613 décrit un système de chauffage et de climatisation d’habitacle d’un véhicule électrique que l’on fait fonctionner avant le démarrage du véhicule pour augmenter le confort du conducteur.
Le document US 2015/0191072 décrit un cycle de réfrigération permettant de remplir des fonctions de chauffage ou de climatisation, et permettant notamment de chauffer de l’air soufflé sur une batterie.
Le document US 201 1 /0139397 décrit un procédé de contrôle de la température du compartiment d’un véhicule électrique, au moyen d’un circuit de fluide frigorigène. Le circuit de fluide frigorigène est notamment couplé avec la batterie.
Il existe un besoin de fournir d’assurer un fonctionnement optimal des batteries de véhicules électriques et d’éviter leur dégradation.
Résumé de l’invention
L’invention concerne en premier lieu l'utilisation d’un fluide frigorigène comprenant du 2,3,3,3-tétrafluoropropène pour le chauffage d’une batterie d’un véhicule électrique comportant au moins une cellule électrochimique comportant une électrode négative, une électrode positive et un électrolyte, l’électrolyte comprenant un sel de lithium et l’électrode négative comprenant du lithium métallique en tant que matériau électrochimiquement actif.
Dans des modes de réalisation, le sel de lithium de l’électrolyte est choisi parmi le LiPFe, le LiFSI, le LiTDI, le LiPOF , le ϋB^O , le LiF2B(C2C>4)2, le L1BF4, le UNO3, le LiCICL et les mélanges de ceux-ci.
Dans des modes de réalisation, la batterie est maintenue à une température comprise entre une température minimale ti et une température maximale t2.
Dans des modes de réalisation, la température minimale ti est supérieure ou égale à 10°C et la température maximde t2 est inférieure ou égale à 40°C, de préférence la température minimale ti est supérieure ou égale à 15°C et la température maximale fe est inférieure ou égale à 30 °C, et de préférence encore la température minimale ti est supérieure ou égale à 16° C et la température maximale fe est inférieure ou égale à 28 ° C.
Dans des modes de réalisation, le fluide frigorigène circule dans un circuit de compression de vapeur. Dans des modes de réalisation, le circuit de compression de vapeur est également adapté à chauffer l’habitacle du véhicule et/ou à climatiser l’habitacle du véhicule et/ou à refroidir la batterie du véhicule.
Dans des modes de réalisation, le fluide frigorigène consiste essentiellement en du 2,3,3,3-tétrafluoropropène.
Dans des modes de réalisation, le fluide frigorigène comprend environ 78,5 % en poids de 2,3,3,3-tétrafluoropropène et environ 21 ,5 % en poids de difluorométhane.
L’invention concerne également un procédé de conditionnement de la batterie d’un véhicule électrique, ladite batterie comportant au moins une cellule électrochimique comportant une électrode négative, une électrode positive et un électrolyte, l’électrolyte comprenant un sel de lithium et l’électrode négative comprenant du graphite ou un matériau contenant du lithium en tant que matériau électrochimiquement actif, le procédé comprenant :
- le chauffage de la batterie par un fluide frigorigène
comprenant du 2,3,3,3-tétrafluoropropène.
Dans des modes de réalisation, le sel de lithium de l’électrolyte est choisi parmi le LiPFe, le LiFSI, le LiTDI, le LiPOF , le ϋB^O , le LiF2B(C2C>4)2, le L1BF4, le UNO3, le LiCICL et les mélanges de ceux-ci.
Dans des modes de réalisation, le procédé comprend :
- le maintien de la batterie du véhicule à une température
comprise entre une température minimale ti et une température maximale t2.
Dans des modes de réalisation, la température minimale ti est supérieure ou égale à 10°C et la température maximde t2 est inférieure ou égale à 40°C, de préférence la température minimale ti est supérieure ou égale à 15°C et la température maximale fe est inférieure ou égale à 30 °C, et de préférence encore la température minimale ti est supérieure ou égale à 16°C et la température maximale fe est inférieure ou égale à 28 °C.
Dans des modes de réalisation, le maintien de la batterie du véhicule à une température comprise entre ti et t2 est effectué alternativement par refroidissement de la batterie par le fluide frigorigène et par chauffage de la batterie.
Dans des modes de réalisation, le chauffage de la batterie est également effectué partiellement par une résistance électrique.
Dans des modes de réalisation, le fluide frigorigène circule dans un circuit de compression de vapeur. Dans des modes de réalisation, le fluide frigorigène consiste essentiellement en du 2,3,3,3-tétrafluoropropène.
Dans des modes de réalisation, le fluide frigorigène comprend environ 78,5 % en poids de 2,3,3,3-tétrafluoropropène et environ 21 ,5 % en poids de difluorométhane.
La présente invention permet de répondre au besoin exprimé ci-dessus. Elle permet en effet d’assurer un fonctionnement optimal des batteries de véhicules électriques et d’éviter leur dégradation, et plus particulièrement des batteries dont les cellules électrochimiques comprennent un électrolyte à base de sel de lithium et une électrode négative comprenant du graphite ou un matériau contenant du lithium métallique en tant que matériau électrochimiquement actif. Ce matériau présente l’avantage de conférer une densité énergétique plus grande que les matériaux conventionnels des électrodes négatives. En effet le lithium métallique a une capacité d’environ 3860 mAh/g.
Il a été constaté que, dans de telles cellules, à température relativement faible, du lithium métallique est susceptible de se déposer sur le graphite de l’électrode négative, ou de former des dendrites en cas de matériau. Ce phénomène est susceptible de provoquer des courts-circuits et d’entraîner d’irréversibles dommages à la batterie, et même de causer un incendie, voire une explosion.
Il a été constaté que l’utilisation du 2,3,3,3-tétrafluoropropène dans un fluide frigorigène, pour le chauffage d’une telle batterie, est particulièrement efficace pour préserver le fonctionnement et l’intégrité de cette batterie.
Description de modes de réalisation de l’invention
L’invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit.
Batterie du véhicule électrique
Par « véhicule électrique » (optionnellement « hybride ») on entend un appareil motorisé susceptible de déplacer ou transporter des personnes ou du matériel, dont le moteur est alimenté en énergie électrique par une batterie motrice (de préférence en tout, mais éventuellement en partie seulement dans le cas d’un véhicule électrique hybride). La batterie motrice est appelée plus simplement « batterie » dans le cadre de la présente demande.
Le véhicule électrique est de préférence une automobile électrique. Alternativement, il peut s’agir d’un camion électrique ou d’un bus électrique. La batterie comprend au moins une cellule électrochimique, et de préférence une pluralité. Chaque cellule électrochimique comporte une électrode négative, une électrode positive et un électrolyte interposé entre l’électrode négative et l’électrode positive.
Chaque cellule électrochimique peut aussi comprendre un séparateur, dans lequel est imprégné l’électrolyte.
Les cellules électrochimiques peuvent être assemblées en série et/ou en parallèle dans la batterie.
Par « électrode négative », on entend l’électrode qui fait office d’anode, quand la batterie débite du courant (c’est-à-dire lorsqu’elle est en processus de décharge) et qui fait office de cathode lorsque la batterie est en processus de charge.
L’électrode négative comprend typiquement un matériau électrochimiquement actif, éventuellement un matériau conducteur électronique, et éventuellement un liant.
Par « électrode positive », on entend l’électrode qui fait office de cathode, quand la batterie débite du courant (c’est-à-dire lorsqu’elle est en processus de décharge) et qui fait office d’anode lorsque la batterie est en processus de charge.
L’électrode positive comprend typiquement un matériau électrochimiquement actif, éventuellement un matériau conducteur électronique, et éventuellement un liant.
On entend par « matériau électrochimiquement actif », un matériau capable d’insérer de manière réversible des ions.
On entend par « matériau conducteur électronique » un matériau capable de conduire les électrons.
L’électrode négative de la cellule électrochimique peut notamment comprendre, comme matériau électrochimiquement actif, du lithium métallique. Ce lithium métallique peut être sous forme essentiellement pure, ou sous forme d’un alliage. Parmi les alliages à base de lithium susceptibles d’être utilisés, on peut par exemple citer les alliages lithium-aluminium, les alliages lithium-silice, les alliages lithium-étain, Li-Zn, LhBi, LhCd et LhSB. Des mélanges des matériaux ci-dessus peuvent aussi être employés.
L’électrode négative peut être sous forme de film ou de tige. Un exemple d’électrode négative peut comprendre un film de lithium vif préparé par laminage, entre des rouleaux, d’un feuillard de lithium.
L’électrode positive comprend un matériau électrochimiquement actif, de préférence de type oxyde, et de préférence choisi parmi le dioxyde de manganèse (MnC ), l’oxyde de fer, l’oxyde de cuivre, l’oxyde de nickel, les oxydes composites lithium-manganèse (par exemple LixMn204 ou LixMnC ), les oxydes compositions lithium-nickel (par exemple LixNiC>2), les oxydes compositions lithium-cobalt (par exemple LixCoC>2), les oxydes composites lithium-nickel-cobalt (par exemple LiNi-i-yCoyC ), les oxydes composites lithium-nickel-cobalt-manganèse (par exemple LiNixMnyCozC avec x+y+z = 1 ), les oxydes composites lithium-nickel-cobalt-manganèse enrichis en lithium (par exemple Lii+x(NixMnyCoz)i-x02), les oxydes composites de lithium et de métal de transition, les oxydes composites de lithium-manganèse-nickel de structure spinelle (par exemple LixMn2-yNiy04), les oxydes de vanadium, et leurs mélanges.
De préférence, l’électrode positive comprend un matériau électrochimiquement actif qui est un oxyde composite lithium-nickel- manganèse-cobalt à haut taux de nickel (LiNixMnyCoz02 avec x+y+z = 1 , en abrégé NMC, avec x>y et x>z), ou un oxyde composite lithium-nickel-cobalt- aluminium à haut taux de nickel (UNixCoyAlz· avec x’+y’+z’=1 , en abrégé NCA, avec x’>y’ et x’>z’).
Des exemples particuliers de ces oxydes sont le NMC532 (LiNio,5Mno,3Coo,202), le NMC622 (LiNio,6Mno,2Coo,202) et le NMC81 1 (LiNio,8Mno,iCoo,i02).
Le matériau de chaque électrode peut aussi comprendre, outre le matériau électrochimiquement actif, un matériau conducteur électronique comme une source de carbone, incluant, par exemple, du noir de carbone, du carbone Ketjen®, du carbone Shawinigan, du graphite, du graphène, des nanotubes de carbone, des fibres de carbone (par exemple les fibres de carbone formées en phase gazeuse ou VGCF), du carbone non-poudreux obtenu par carbonisation d’un précurseur organique, ou une combinaison de deux ou plus de ceux-ci. D’autres additifs peuvent aussi être présents dans le matériau de l’électrode positive, comme des sels de lithium ou des particules inorganiques de type céramique ou verre, ou encore d’autres matériaux actifs compatibles (par exemple, du soufre).
Le matériau de chaque électrode peut aussi comprendre un liant. Des exemples non-limitatifs de liants comprennent les liants polymères polyéthers linéaires, ramifiés et/ou réticulé (par exemple, des polymères basés sur le poly(oxyde d’éthylène) (PEO), ou le poly(oxyde de propylène) (PPO) ou d’un mélange des deux (ou un co-polymère EO/PO), et comprenant éventuellement des unités réticulables), des liants solubles dans l’eau (tels que SBR (caoutchouc styrène-butadiène), NBR (caoutchouc acrylonitrile-butadiène), HNBR (NBR hydrogéné), CHR (caoutchouc d’épichlorohydrine), ACM (caoutchouc d’acrylate)), ou des liants de type polymères fluorés (tels que PVDF (fluorure de polyvinylidène), PTFE (polytétrafluoroéthylène), et leurs combinaisons. Certains liants, comme ceux solubles dans l’eau, peuvent aussi comprendre un additif comme la CMC (carboxyméthylcellulose).
Le séparateur peut être un film polymère poreux. A titre d’exemple non limitatif, le séparateur peut être constitué d’un film poreux de polyoléfine tel que des homopolymères d’éthylène, des homopolymères de propylène, des copolymères d’éthylène/butène, des copolymères d’éthylène/héxène, des copolymères éthylène/méthacrylate, ou des structures multicouches des polymères ci-dessus.
L’électrolyte peut être constitué d’un ou plusieurs sels de lithium dissous dans un solvant ou un mélange de solvants avec un ou plusieurs additifs.
A titre d’exemples non limitatifs, le sel de lithium ou les sels de lithium peuvent être choisis parmi le LiPFe (hexafluorophosphate de lithium), le LiFSI (bis(fluorosulfonyl)imidure de lithium), le LiTDI (2-trifluorométhyl-4,5-dicyano- imidazolate de lithium), le LiPOF2, le ϋB^O , le LiF2B(C2C>4)2, le LiBF4, le LiNOs, le UCI04.
Le ou les solvants peuvent être choisis parmi la liste non exhaustive suivante : les éthers, les esters, les cétones, les alcools, les nitriles et les carbonates.
Parmi les éthers, on peut citer les éthers linéaires ou cycliques, tels que par exemple le diméthoxyéthane (DME), les éthers méthyliques des oligoéthylène glycols de 2 à 5 unités oxyéthylènes, le dioxolane, le dioxane, le dibutyle éther, le tétrahydrofurane, et leurs mélanges.
Parmi les esters, on peut citer les esters d’acide phosphorique ou les esters de sulfite. On peut par exemple citer le formate de méthyle, l’acétate de méthyle, le propionate de méthyle, l’acétate d’éthyle, l’acétate de butyle, la gamma butyrolactone ou leurs mélanges.
Parmi les cétones, on peut notamment citer la cyclohexanone.
Parmi les alcools, on peut par exemple citer l’alcool éthylique, l’alcool isopropylique.
Parmi les nitriles, on peut citer par exemple l’acétonitrile, le pyruvonitrile, le propionitrile, le méthoxypropionitrile, le diméthylaminopropionitrile, le butyronitrile, l’isobutyronitrile, le valéronitrile, le pivalonitrile, l’isovaléronitrile, le glutaronitrile, le méthoxyglutaronitrile, le 2- méthylglutaronitrile, le 3-méthylglutaronitrile, l’adiponitrile, le malononitrile, et leurs mélanges. Parmi les carbonates, on peut citer par exemple les carbonates cycliques tels que par exemple le carbonate d’éthylène (EC) (CAS : 96-49-1 ), le carbonate de propylène (PC) (CAS : 108-32-7), le carbonate de butylène (BC) (CAS : 4437-85-8), le carbonate de diméthyle (DMC) (CAS : 616-38-6), le carbonate de diéthyle (DEC) (CAS : 105-58-8), le carbonate de méthyle éthyle (EMC) (CAS : 623-53-0), le carbonate de diphényle(CAS 102-09-0), le carbonate de méthyle phényle (CAS : 13509-27-8), le carbonate de dipropyle (DPC) (CAS : 623-96-1 ), le carbonate de méthyle et de propyle (MPC) (CAS : 1333-41 -1 ), le carbonate d’éthyle et de propyle (EPC), le carbonate de vinylène (VC) (CAS : 872-36-6), le fluoroethylène carbonate (FEC) (CAS : 1 14435-02-8), le trifluoropropylène carbonate (CAS : 167951 -80-6) ou leurs mélanges.
Le ou les additifs peuvent être choisis parmi le groupe constitué du carbonate de fluoroéthylène (FEC), du carbonate de vinylène, du 4-vinyl-1 ,3- dioxolan-2-one, de la pyridazine, de la vinyl pyridazine, de la quinoline, de la vinyl quinoline, du butadiène, du sébaconitrile, des alkyldisulfure, du fluorotoluène, du 1 ,4-diméthoxytétrafluorotoluène, du t-butylphenol, du di-t- butylphenol, du tris(pentafluorophenyl)borane, des oximes, des époxydes aliphatiques, des biphényls halogénés, des acides métacryliques, du carbonate d’allyle éthyle, de l’acétate de vinyle, de l’adipate de divinyle, du propanesultone, de l’acrylonitrile, du 2-vinylpyridine, de l’anhydride maléïque, du cinnamate de méthyle, des phosphonates, des composés silane contenant un vinyle, du 2-cyanofurane.
Fluide frigorigène
Dans le cadre de l’invention, le « HFO-1234yf » se réfère au 2,3,3,3-tétrafluoropropène.
Par « fluide frigorigène », on entend un fluide susceptible d’absorber de la chaleur en s'évaporant à basse température et basse pression et de rejeter de la chaleur en se condensant à haute température et haute pression, dans un circuit de compression de vapeur, selon l’application considérée. De manière générale, un fluide frigorigène peut consister essentiellement en un seul composé ou être un mélange de plusieurs composés.
L’invention utilise un fluide frigorigène comprenant du HFO-1234yf. D’autres composés de transfert de chaleur peuvent être présents ou non dans le fluide frigorigène en association avec le HFO-1234yf.
Le fluide frigorigène peut être associé à des lubrifiants et/ou des additifs, pour former une composition de transfert de chaleur. La composition de transfert de chaleur est présente et circule dans le circuit de compression de vapeur.
Dans certains modes de réalisation, le fluide frigorigène de l’invention consiste essentiellement, voire consiste, en du HFO-1234yf.
Dans d’autres modes de réalisation, ce fluide frigorigène comprend du HFO-1234yf en mélange avec un ou plusieurs autres composés de transfert de chaleur, tels que des hydrofluorocarbures et/ou hydrofluorooléfines et/ou hydrocarbures et/ou hydrochlorofluorooléfines et/ou du CO2.
Parmi les hydrofluorocarbures, on peut citer notamment le difluorométhane (HFC-32), le pentafluoroéthane (HFC-125), le 1 ,1 ,2,2-tétrafluoroéthane (HFC-134), le 1 ,1 ,1 ,2-tétrafluoroéthane (FIFC-134a), le 1 ,1 -difluoroéthane (FIFC-152a), le fluoroéthane (HFC-161 ), le 1 ,1 ,1 ,2,3,3,3-heptafluoropropane (FIFC-227ea), le 1 ,1 ,1 -trifluoropropane (FIFC-263fb) et leurs mélanges.
Parmi les hydrofluorooléfines on peut citer notamment le 1 , 3,3,3- tétrafluoropropène (HFO-1234ze), sous forme cis et/ou trans, et de préférence sous forme trans ; et le trifluoroéthylène (HFO-1 123).
Parmi les hydrochlorofluorooléfines, on peut citer notamment le 1 -chloro-3,3,3-trifluoropropène (HCFO-1233zd), sous forme cis et/ou trans, et de préférence sous forme trans.
Dans certains modes de réalisation, ce fluide frigorigène comprend au moins 50 % de HFO-1234yf, ou au moins 60 % de HFO-1234yf, ou au moins 70 % de HFO-1234yf, ou au moins 80 % de HFO-1234yf, ou au moins 90 % de HFO-1234yf, ou au moins 95 % de HFO-1234yf, en poids.
Dans des modes de réalisation particuliers, le fluide frigorigène consiste essentiellement, voir consiste, en du HFO-1234yf et du HFC-32. La teneur en HFO-1234yf est de préférence d’environ 60 à environ 95 % en poids, de préférence encore d’environ 70 à environ 90 % en poids, de préférence encore d’environ 75 à environ 85 % en poids, de préférence encore d’environ 78,5 % en poids ; la teneur en HFC-32 est de préférence d’environ 5 à environ 40 % en poids, de préférence encore d’environ 10 à environ 30 % en poids, de préférence encore d’environ 15 à environ 25 % en poids, et de préférence encore d’environ 21 ,5 % en poids.
Les additifs qui peuvent être ajoutés au fluide frigorigène pour former la composition de transfert de chaleur peuvent notamment être choisis parmi les nanoparticules, les stabilisants, les tensioactifs, les agents traceurs, les agents fluorescents, les agents odorants et les agents de solubilisation. La quantité totale en additifs, n’excède pas 5 % en poids, en particulier 4 %, en plus particulier 3 % et tout particulièrement 2 % en poids voire 1 % en poids du fluide frigorigène.
Dans certains modes de réalisation, le HFO-1234yf contient des impuretés. Lorsqu’elles sont présentes, elles peuvent représenter moins de 1 %, de préférence moins de 0,5 %, de préférence moins de 0,1 %, de préférence moins de 0,05 % et de préférence moins de 0,01 % (en poids) par rapport au HFO-1234yf.
Un ou plusieurs lubrifiants peuvent être présents dans la composition de transfert de chaleur. Ces lubrifiants peuvent être choisis parmi des esters de polyols (POE), des polyalkylène glycols (PAG), ou des polyvinyle éthers (PVE).
Les lubrifiants peuvent représenter de 1 à 50 %, de préférence de 2 à 40 % et de préférence encore de 5 à 30 % (en poids) de la composition de transfert de chaleur.
Circuit de compression de vapeur
Le chauffage de la batterie selon l’invention est de préférence effectué (au moins partiellement) au moyen d’une installation, qui comprend un circuit de compression de vapeur. Le circuit de compression de vapeur contient le fluide frigorigène ci-dessus, qui assure le transfert de chaleur.
Dans certains modes de réalisation, le circuit de compression de vapeur est également adapté à refroidir la batterie du véhicule.
Dans certains modes de réalisation, le circuit de compression de vapeur est également adapté à chauffer l’habitacle du véhicule.
Dans certains modes de réalisation, le circuit de compression de vapeur est également adapté à climatiser (refroidir) l’habitacle du véhicule.
A cet effet le circuit de compression de vapeur peut comporter différentes branches dotées d’échangeurs de chaleur distincts, le fluide frigorigène circulant ou non dans ces branches, selon le mode de fonctionnement. Optionnellement, alternativement ou en complément, le circuit de compression de vapeur peut comporter des moyens de changement du sens de circulation du fluide frigorigène, comprenant par exemple une ou plusieurs vannes à trois voies ou à quatre voies.
Les étapes principales du procédé de transfert de chaleur sont mises en oeuvre de manière cyclique et comprennent :
- l’évaporation du fluide frigorigène dans un évaporateur ;
- la compression du fluide frigorigène dans un compresseur ; - la condensation du fluide frigorigène dans un condenseur ;
- la détente du fluide frigorigène dans un module d’expansion.
L’évaporation du fluide frigorigène peut être effectuée à partir d’une phase liquide ou d’un mélange diphasique liquide / vapeur.
Le compresseur peut être hermétique, semi-hermétique ou ouvert. Les compresseurs hermétiques comprennent une partie moteur et une partie compression qui sont confinées dans une enceinte hermétique non démontable. Les compresseurs semi-hermétiques comprennent une partie moteur et une partie compression qui sont directement assemblées l'une contre l'autre. L'accouplement entre la partie moteur et la partie compression est accessible en dissociant les deux parties par démontage. Les compresseurs ouverts comprennent une partie moteur et une partie compression qui sont séparées. Ils peuvent fonctionner par entraînement par courroie ou par accouplement direct.
A titre de compresseur, on peut utiliser notamment un compresseur dynamique, ou un compresseur à déplacement positif.
Les compresseurs dynamiques comprennent les compresseurs axiaux et les compresseurs centrifuges, qui peuvent être à un ou plusieurs étages. Les mini-compresseurs centrifuges peuvent également être employés.
Les compresseurs à déplacement positif comprennent les compresseurs rotatifs et les compresseurs alternatifs.
Les compresseurs alternatifs comprennent les compresseurs à diaphragme et les compresseurs à piston.
Les compresseurs rotatifs comprennent les compresseurs à vis, les compresseurs à lobes, les compresseurs scroll (ou à spirale), les compresseurs à anneau liquide, et les compresseurs à palette. Les compresseurs à vis peuvent être de préférence bi-vis ou mono-vis.
La mise en oeuvre de l’invention est particulièrement avantageuse lorsqu’un compresseur scroll est utilisé en raison de son bon rendement dans les conditions typiques d’un véhicule automobile.
Dans l’installation qui est utilisée, le compresseur peut comprendre un dispositif d’injection de vapeur ou de liquide. L’injection consiste à faire introduire dans le compresseur du réfrigérant à l’état liquide ou vapeur à un niveau intermédiaire entre le début et la fin de compression.
Dans l’installation qui est utilisée, le compresseur peut être entraîné par un moteur électrique ou par une turbine à gaz (par exemple alimentée par les gaz d’échappement d’un véhicule) ou par engrenage. L’évaporateur et le condenseur sont des échangeurs de chaleur. Il est possible d’utiliser tout type d’échangeur de chaleur dans l’invention, et notamment des échangeurs de chaleur à co-courant ou, de préférence, des échangeurs de chaleur à contre-courant.
Par « échangeur de chaleur à contre-courant », on entend un échangeur de chaleur dans lequel de la chaleur est échangée entre un premier fluide et un deuxième fluide, le premier fluide à l’entrée de l’échangeur échangeant de la chaleur avec le deuxième fluide à la sortie de l’échangeur, et le premier fluide à la sortie de l’échangeur échangeant de la chaleur avec le deuxième fluide à l’entrée de l’échangeur.
Par exemple, les échangeurs de chaleur à contre-courant comprennent les dispositifs dans lesquels le flux du premier fluide et le flux du deuxième fluide sont dans des directions opposées, ou quasiment opposées. Les échangeurs fonctionnant en mode courant croisé à tendance contre-courant sont également compris parmi les échangeurs de chaleur à contre-courant.
Les échangeurs de chaleur peuvent être en particulier des échangeurs à tubes en U, à faisceau tubulaire horizontal ou vertical, à spirales, à plaques ou à ailettes.
L’installation peut également éventuellement comprendre au moins un circuit de fluide caloporteur utilisé pour transporter la chaleur (avec ou sans changement d’état) entre le circuit de la composition de transfert de chaleur et la batterie. De préférence, l’installation ne comprend pas de circuit de fluide caloporteur utilisé pour transporter la chaleur entre le circuit de composition de transfert de chaleur et la batterie. Il est également possible de prévoir qu’un échangeur de chaleur du circuit contenant la composition de transfert de chaleur assure un échange de chaleur entre le fluide frigorigène et de l’air, qui est ensuite soufflé sur la batterie pour assurer l’échange de chaleur avec la batterie elle-même. De préférence toutefois, un échangeur de chaleur du circuit contenant la composition de transfert de chaleur est en contact avec la batterie ou intégré à la batterie.
L’installation peut également éventuellement comprendre deux circuits de compression de vapeur (ou plus), contenant des compositions de transfert de chaleur identiques ou distinctes. Par exemple, les circuits de compression de vapeur peuvent être couplés entre eux. De préférence toutefois, l’installation comprend un unique circuit de compression de vapeur.
Selon l’invention, le fluide frigorigène peut être surchauffé entre l’évaporation et la compression, c’est-à-dire qu’il peut être porté à une température supérieure à la température de fin d’évaporation, entre l’évaporation et la compression.
Par « température de début d’évaporation », on entend la température du fluide frigorigène à l’entrée de l’évaporateur.
Par « température de fin d’évaporation », on entend la température du fluide frigorigène lors de l’évaporation de la dernière goutte de fluide frigorigène sous forme liquide (température de vapeur saturante ou température de rosée).
Lorsque le fluide frigorigène est du HFO-1234yf seul ou un mélange azéotropique contenant du HFO-1234yf, la température de début d’évaporation est égale à la température de fin d’évaporation à pression constante.
On désigne par « surchauffe » (équivalent ici à « surchauffe à l’évaporateur ») le différentiel de température entre la température maximale atteinte par le fluide frigorigène avant la compression (c’est-à-dire la température maximale atteinte par le fluide frigorigène à l’issue de l’étape de surchauffe) et la température de fin d’évaporation. Cette température maximale est en général la température du fluide frigorigène à l’entrée du compresseur. Elle peut correspondre à la température du fluide frigorigène à la sortie de l’évaporateur. Alternativement, le fluide frigorigène peut être au moins en partie surchauffé entre l’évaporateur et le compresseur (par exemple au moyen d’un échangeur interne). La surchauffe peut être ajustée par un réglage adéquat des paramètres de l’installation, et notamment par un réglage du module d’expansion.
Dans le procédé de l’invention, la surchauffe peut être de 1 à 25 ° C, de préférence de 2 à 10°C, de préférence de 3 à 7° C e le préférence encore de 4 à 6°C.
Selon l’invention, le fluide frigorigène peut être sous-refroidi entre la condensation et la détente, c’est-à-dire qu’il peut être porté à une température inférieure à la température de fin de condensation, entre la condensation et la détente.
Par « température de début de condensation » on entend la température du fluide frigorigène dans le condenseur lors de l’apparition de la première goutte liquide de fluide frigorigène, appelée température de saturation vapeur ou température de rosée.
Par « température de fin de condensation », on entend la température du fluide frigorigène lors de la condensation de la dernière bulle de fluide frigorigène sous forme gazeuse, appelée température de saturation liquide ou température de bulle.
On désigne par « sous-refroidissement » (équivalent ici à « sous-refroidissement au condenseur ») l’éventuel différentiel de température (en valeur absolue) entre la température minimale atteinte par le fluide frigorigène avant la détente (c’est-à-dire la température minimale atteinte par le fluide frigorigène à l’issue de l’étape de sous-refroidissement) et la température de fin de condensation. Cette température minimale est en général la température du fluide frigorigène à l’entrée du module d’expansion. Elle peut correspondre à la température du fluide frigorigène à la sortie du condenseur. Alternativement, le fluide frigorigène peut être au moins en partie sous-refroidi entre le condenseur et le module d’expansion (par exemple au moyen d’un échangeur interne).
Dans le procédé de l’invention, le sous-refroidissement, lorsqu’il est présent, peut être de 1 à 50 °C, de préférence de 1 à 40 ° C, de préférence de 1 à 30 ° C, de préférence de 1 à 20 ° C, de 1 à 15 ° C, d préférence de 1 à 10 ° C et de préférence encore de 1 à 5° C.
Le module d’expansion peut être une vanne thermostatique appelée détendeur thermostatique ou électronique à un ou plusieurs orifices, ou un détendeur pressostatique qui règle la pression. Il peut également s’agir d’un tube capillaire dans lequel la détente du fluide est obtenue par la perte de charge dans le tube.
Utilisation du fluide frigorigène
L’invention concerne l’utilisation d’un fluide frigorigène comprenant du HFO-1234yf pour le chauffage de la batterie ci-dessus.
Par « température de la batterie », on entend généralement la température d’une paroi extérieure d’une ou de plusieurs de ses cellules électrochimiques.
La température de la batterie peut être mesurée au moyen d’un capteur de température. Si plusieurs capteurs de température sont présents au niveau de la batterie, la température de la batterie peut être considérée comme étant la moyenne des différentes températures mesurées.
Le chauffage ci-dessus peut être effectué lorsque la batterie du véhicule est en charge. Alternativement, il peut être effectué lorsque la batterie est en décharge, notamment lorsque le moteur du véhicule est allumé. Il permet d’éviter que la température de la batterie soit trop faible en raison de la température extérieure. Dans certains modes de réalisation, le chauffage en question permet d’élever la température de la batterie d’au moins 5 ° C, ou d’au moins 10 ° C, ou d’au moins 15° C, ou d’au moins 20°C, ou d’au moins25° C ou d’au moins 30 ° C.
Dans certains modes de réalisation, la température extérieure pendant le chauffage de la batterie est inférieure ou égale à 5°C, de préférence inférieure ou égale à 0°C, de préférence encore inférieure ou égale à -10°C, de préférence encore inférieure ou égale à -15°C, cè préférence encore inférieure ou égale à -20 °C.
Par « température extérieure » on entend la température ambiante à l’extérieur du véhicule.
Dans certains modes de réalisation, une résistance électrique contribue partiellement au chauffage de la batterie, soit à des moments différents par rapport au chauffage par le circuit de compression de vapeur, soit simultanément.
Dans d’autres modes de réalisation, seul le circuit de compression de vapeur est responsable du chauffage de la batterie.
Dans certains modes de réalisation, le chauffage de la batterie est continu sur une certaine durée.
Dans certains modes de réalisation, le chauffage de la batterie alterne avec des périodes d’interruption, voire avec des périodes dans lesquelles la batterie est refroidie. Lorsque la batterie est refroidie, elle peut l’être notamment au moyen du circuit de compression de vapeur décrit ci-dessus.
Dans certains modes de réalisation, le chauffage et optionnellement le refroidissement permettent de maintenir la température de la batterie dans une gamme de température optimale, en particulier lorsque le véhicule est en fonctionnement (moteur allumé), et notamment lorsque le véhicule se déplace. En effet, si la température de la batterie est trop élevée, la performance de celle-ci est susceptible de diminuer et la batterie de se dégrader.
Dans certains modes de réalisation, la température de la batterie du véhicule est ainsi maintenue entre une température minimale ti et une température maximale t2.
Dans certains modes de réalisation, la température minimale ti est supérieure ou égale à 10 °C et la température maximale t2 est inférieure ou égale à 40 ° C, de préférence la température minimab ti est supérieure ou égale à 15 ° C et la température maximale fe est inférieure ou égale à 30 °C, et de préférence encore la température minimale ti est supérieure ou égale à 16 ° C et la température maximale fe est inférieure ou égale à 28 ° C. Une boucle de rétroaction est avantageusement présente, pour modifier les paramètres de fonctionnement de l’installation en fonction de la température de la batterie qui est mesurée, afin d’assurer le maintien de la température souhaité.

Claims

Revendications
1. Utilisation d’un fluide frigorigène comprenant du 2,3,3,3-tétrafluoropropène pour le chauffage d’une batterie d’un véhicule électrique comportant au moins une cellule électrochimique comportant une électrode négative, une électrode positive et un électrolyte, l’électrolyte comprenant un sel de lithium et l’électrode négative comprenant du lithium métallique en tant que matériau électrochimiquement actif.
2. Utilisation selon la revendication 1 , dans laquelle le sel de lithium de l’électrolyte est choisi parmi le LiPF6, le LiFSI, le LiTDI, le UPOF2, le LiB(C204)2
le L1BF4, le L1NO3, le UCIO4 et les mélanges de ceux-ci.
3. Utilisation selon l’une des revendications 1 à 2, dans laquelle la batterie est maintenue à une température comprise entre une température minimale ti et une température maximale t2.
4. Utilisation selon la revendication 3, dans laquelle la température minimale ti est supérieure ou égale à 10°C et la température maximale t2 est inférieure ou égale à 40 °C, de préférence la température minimale t est supérieure ou égale à 15°C et la température maximde t2 est inférieure ou égale à 300 C, et de préférence encore la température minimale ti est supérieure ou égale à 16°C et la température maximale fe est inférieure ou égale à 28 °C.
5. Utilisation selon l’une des revendications 1 à 4, dans laquelle le fluide frigorigène circule dans un circuit de compression de vapeur.
6. Utilisation selon la revendication 5, dans laquelle le circuit de compression de vapeur est également adapté à chauffer l’habitacle du véhicule et/ou à climatiser l’habitacle du véhicule et/ou à refroidir la batterie du véhicule.
7. Utilisation selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle le fluide frigorigène consiste essentiellement en du 2,3,3,3-tétrafluoropropène.
8. Utilisation selon l’une des revendications 1 à 6, dans laquelle le fluide frigorigène comprend environ 78,5 % en poids de 2,3,3,3-tétrafluoropropène et environ 21 ,5 % en poids de difluorométhane.
9. Procédé de conditionnement de la batterie d’un véhicule électrique, ladite batterie comportant au moins une cellule électrochimique comportant une électrode négative, une électrode positive et un électrolyte, l’électrolyte comprenant un sel de lithium et l’électrode négative comprenant du graphite ou un matériau contenant du lithium en tant que matériau électrochimiquement actif, le procédé comprenant :
- le chauffage de la batterie par un fluide frigorigène comprenant du 2,3,3,3-tétrafluoropropène.
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel le sel de lithium de l’électrolyte est choisi parmi le LiPF6, le LiFSI, le LiTDI, le LiPOF2, le LiB(C204)2, le LiF2B(C2C>4)2, le L1BF4, le L1NO3, le UCIO4 et les mélanges de ceux-ci.
11. Procédé selon l’une des revendications 9 à 10, comprenant :
- le maintien de la batterie du véhicule à une température comprise entre une température minimale ti et une température maximale t2.
12. Procédé selon la revendication 1 1 , dans lequel la température minimale ti est supérieure ou égale à 10°C et la température maximale t2 est inférieure ou égale à 40 °C, de préférence la température minimale t est supérieure ou égale à 15°C et la température maximde t2 est inférieure ou égale à 30 ° C, et de préférence encore la température minimale ti est supérieure ou égale à 16°C et la température maximale fe est inférieure ou égale à 28 °C.
13. Procédé selon la revendication 1 1 ou 12, dans lequel le maintien de la batterie du véhicule à une température comprise entre ti et t2 est effectué alternativement par refroidissement de la batterie par le fluide frigorigène et par chauffage de la batterie.
14. Procédé la revendication 13, dans lequel le chauffage de la batterie est également effectué partiellement par une résistance électrique.
15. Procédé selon l’une des revendications 9 à 14, dans lequel le fluide frigorigène circule dans un circuit de compression de vapeur.
16. Procédé selon l’une des revendications 9 à 15, dans lequel le fluide frigorigène consiste essentiellement en du 2,3,3,3-tétrafluoropropène.
17. Procédé selon l’une des revendications 9 à 15, dans lequel le fluide frigorigène comprend environ 78,5 % en poids de 2,3,3,3-tétrafluoropropène et environ 21 ,5 % en poids de difluorométhane.
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