EP4252300A1 - Ensemble de stockage électrochimique structurel pour un véhicule automobile - Google Patents

Ensemble de stockage électrochimique structurel pour un véhicule automobile

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EP4252300A1
EP4252300A1 EP21811079.9A EP21811079A EP4252300A1 EP 4252300 A1 EP4252300 A1 EP 4252300A1 EP 21811079 A EP21811079 A EP 21811079A EP 4252300 A1 EP4252300 A1 EP 4252300A1
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EP
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electrochemical
blocks
electrochemical storage
storage elements
assembly
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Application number
EP21811079.9A
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German (de)
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Inventor
David Leray
Thierry Tourret
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Renault SAS
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a structural electrochemical storage assembly, in particular to an electrical and structural energy storage assembly of a motor vehicle.
  • the invention provides a structural electrochemical storage assembly for a motor vehicle, which comprises at least one electrochemical energy storage device which comprises:
  • each electrochemical storage element being composed of a solid electrolyte cell and two external current collector means consisting of a negative current collector means and a positive current collector means surrounding the cell, said electrochemical storage elements being electrically interconnected, an electrically insulating sheet also being disposed separately from the electrochemical storage elements constituting a given block,
  • said structural assembly according to the invention comprises a beam comprising two hollow profiles and open on one of their faces, assembled together by their respective said open face and along their respective edges, said profiles containing said electrochemical device energy storage, and said two sections being dimensioned and assembled to maintain compressed said piece of compressible material arranged between said at least two superposed electrochemical blocks, so as to ensure electrical contact between the components of said electrochemical elements of the blocks.
  • the contact between the beam and the electrochemical energy storage device is ensured by the current collectors of the electrochemical storage elements in the beam which are directly in contact with the inner face of the respective longitudinal wall of said profiles.
  • said electrically insulating sheet is arranged between two electrochemical storage elements, between a current collector of a cell and the immediately adjacent current collector of an adjacent cell.
  • the two hollow sections are open on one of their longitudinal faces.
  • they have a U-shaped cross-section.
  • said two sections are assembled by interlocking along their said edges by securing means with complementary notches between them, located on respective parts of said sections adapted to come opposite one another.
  • one of said profiles has notches on the inner part of its edges and hollowed out on an end portion of its edges and along a thickness less than that of its edges so as to form a stop
  • the other says profile comprises notches of a shape complementary to the shape of those of said one of said profiles, located on the outer part of its edges and hollowed out on an end portion of its edges and along a thickness less than that of said edges so as to form a stop.
  • said electrochemical energy storage device comprises two groups of two superimposed blocks of electrochemical storage elements, and a piece of compressible material arranged between the blocks of respective electrochemical storage elements of each said group, said groups of two superimposed blocks being arranged leaving a free zone between them, receiving said interconnection current collector and, where appropriate, means of a regulation system of said storage device.
  • said interconnect current collector comprises a current collector screw.
  • said beam comprises a passage for an end portion of said screw.
  • one of said sections comprises a machining forming the passage of said interconnection current collector, in particular of said end portion of said screw.
  • said beam in particular said profiles, are made of extruded aluminum.
  • said electrochemical storage elements of a given block are electrically connected together in a series configuration and the blocks are electrically connected together in a parallel configuration.
  • a said block comprises four electrochemical storage elements mounted in series, and said blocks are interconnected in parallel, so that said electrochemical energy storage device is mounted according to a configuration of 4P4S type coupling.
  • said piece of compressible material is a sheet or plate extending at least over the entire surface of the electrochemical device, between the blocks.
  • said part is made of rubber foam, in particular of EPDM rubber foam.
  • the solid electrolyte is a polymer, for example of the PVDF type.
  • the invention also relates to a motor vehicle comprising a structural electrochemical storage assembly as defined above.
  • said assembly is integrated as a structural component of the vehicle body.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a structural electrochemical storage assembly as defined above, in which pressure is applied on either side of said beam during assembly to assemble said two sections making up the beam and compressing said sheet of compressible material.
  • Said profiles are firmly attached to each other by interlocking thanks to the securing means with complementary notches which makes it possible to keep the beam closed with its contents.
  • the assembly is compressed up to the respective stops of the two profiles.
  • the compressible part thus compressed exerts a pressure (by its tendency to want to re-expand) on the electrochemical storage elements of the blocks and thus allows the contacting of the components to activate the electrochemical process.
  • the electrical contact, in particular negative, is ensured by the current collectors, in particular negative, of the upper and lower electrochemical storage elements in the beam which are brought directly into contact with the inner face of the respective longitudinal wall of the sections. In the particular case of negative contact between the beam and the current collectors of the storage elements, the beam is then at negative potential.
  • Said central current collector collecting the interconnection current is connected to the positive power connector.
  • FIG. 1 schematically represents in cross section in a median plane and according to a perspective view, a structural electrochemical storage assembly according to the invention.
  • FIG. 2 schematically represents, according to a partial perspective and exploded view, the components of said structural assembly represented in FIG. 1.
  • FIG. 3 schematically represents, according to a partial perspective and exploded view, the components of an electrochemical element of said structural assembly represented in FIGS. 1 or 2.
  • FIG. 4 schematically represents, in a partial perspective view, the assembly of components of the electrochemical energy storage device of said structural assembly represented in FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 5 schematically represents in cross section in a median plane the assembly represented in figure 4.
  • FIG. 6 schematically shows in cross section a structural component of said structural assembly shown in Figure 1.
  • FIG. 7 schematically shows in a partial perspective view the assembly of components of said structural assembly shown in Figures 1 to 6.
  • FIG. 8 schematically represents, in a perspective view, a structural electrochemical storage assembly according to the invention integrating the various components represented in FIGS. 1 to 7.
  • FIG. 9 schematically represents, in a partial perspective view, a vehicle integrating a structural electrochemical storage assembly according to the invention as represented in FIG. 8.
  • an XYZ reference of the vehicle in which X represents the longitudinal front-rear direction of the vehicle, oriented towards the rear, Y the transverse direction of the vehicle, oriented towards the right, and Z the direction vertical pointing towards the top of the vehicle.
  • Figure 1 schematically shows in cross section in a median plane VT and in a perspective view, part of a structural electrochemical storage assembly according to the invention. Said assembly is more particularly intended to form part of the structure of a motor vehicle.
  • Said structural electrochemical storage assembly comprises a beam 11 in which is included an arrangement of electrochemical blocks 4 each composed of all-solid electrochemical storage elements 1, separated by electrically insulating sheets 5. According to the example there is four blocks 4, superimposed in pairs and between which is arranged a compressed sheet 8. The blocks are interconnected by a central current collector 9 comprising a screw 90. According to the example, said assembly further comprises a regulation system of the electrochemical energy storage device, to manage the battery that said assembly will constitute for the motor vehicle.
  • FIG. 3 illustrates, in an exploded view and in perspective, an example of an electrochemical storage element 1 composed of an all-solid electrochemical cell 10 and current collectors 20, 30
  • an electrochemical cell 10 is used which is a lithium-polymer cell consisting of an alternating stack of cathodes and anodes, comprising ten (pure) lithium anodes and nine polymer cathodes.
  • PVDF polymer for the cathode
  • the cell has a nominal voltage of 3.6V and an available current of 30Ah.
  • the dimensions are 400X100X5 mm.
  • Said cell 10 is framed by a positive aluminum collector 20 and a negative copper collector 30.
  • Each collector 20, 30 has the shape of a plate with the dimensions of the electrochemical cell 10, with a longitudinal side rim respectively referenced 200, 300 extending over the entire length of the plate, one 20 is placed on a main face 100 of the cell and the other 30 on the opposite face 101 and so that said respective side edges 200, 300 of the collectors do not border the same side of cell 10.
  • an electrochemical block 4 consists of a stack of four electrochemical storage elements 1, each said element being constituted as described above with reference to FIG. 3.
  • the block therefore also has a parallelepipedic shape comprising two opposite main faces, two opposite longitudinal sides and two opposite transverse sides.
  • each storage element in said block is further insulated on its main faces by an electrically insulating sheet material 5, for example a polyimide film known as "Kapton” (registered trademark ), in particular arranged between two adjacent elements.
  • an electrically insulating sheet material for example a polyimide film known as "Kapton” (registered trademark ), in particular arranged between two adjacent elements.
  • connection between two adjacent electrochemical storage elements 1 of a given block is made by a connector 6 made of a two-component aluminium/copper material, welded to the respective collectors of said adjacent elements.
  • the electrochemical unit thus comprises three connectors.
  • Said electrochemical elements 1 of the block are connected in series.
  • Said block thus has a 4S type coupling configuration Furthermore said block 4 is provided with side plates 70, electrically insulating, which are positioned on each side of the electrochemical storage elements composing it.
  • the electrochemical unit 4 is positioned on a compression part 8, according to the example a compressible plate made of EPDM rubber foam.
  • This compression piece is of adequate shape and dimensions to fit into the beam.
  • the electrochemical energy storage device comprises four electrochemical blocks 4, arranged two by two on either side of this compression part 8.
  • the blocks 4 are superimposed in pairs around said compressible piece 8, and each group of two blocks being superimposed, separated by said compressible piece.
  • these two groups of electrochemical blocks are arranged one behind the other along the longitudinal direction L of a block and of the beam, i.e. along the transverse direction Y of the vehicle shown in FIG. non-limiting example.
  • This central interconnection current collector is equipped with a current collector screw 90.
  • This central zone 80 comprises at least one orifice 800, forming a passage for the various components of said central collector 9, in particular for said current collector screw 90 .
  • the resulting electrochemical storage device thus has a configuration of the 4P4S type (4 blocks in parallel of 4 cells in series).
  • said storage device has an available current of 120 Ah, a voltage of 14.4 V and an energy of 1.728 kWh.
  • said central zone 80 of the compression plate 8 further comprises another orifice 801, forming a passage for the various components of an electrical harness 12 whose function is to give the information (of the voltage, temperature, etc. type) to the regulation system of the storage device, a system commonly referred to by its English acronym BMS (Battery Management System).
  • An insulating plate 71 is positioned at the outer end of each group of two superimposed blocks 4 (see Figure 7).
  • this electrochemical device is placed in a beam 11, as shown in FIG. 7, beam which is a structural element of the vehicle.
  • the beam 11 comprises a first half-beam 111 and a second half-beam 112 provided with machinings to fix the signal connector 13 (machining 1123) and the power connector positive (1124 machining).
  • Said beam further comprises two end closure elements 113 positioned at each end of said beam, that is to say at the end of the half-beams 111, 112 once assembled.
  • each half-beam 111, 112 has an internally hollow shape. It is in the form of a profile with a U-shaped cross-section, one of its longitudinal faces is thus open.
  • Each half-beam 111, 112 comprises opposite cavities 1112, 1122 so that they can be held together according to a notch closure system, sometimes called a rack. Said indentations are therefore in the form of notches. These footprints extend along its longitudinal edges (branches of the U) 1111, 1121, edges also called longitudinal edges 1111, 1121.
  • One of the half-beams 111 has its footprints 1112 on the inner part of its edges 1111 and dug on an end portion of said flanges and following a thickness less than that of the flanges so as to form an abutment 11110.
  • the other half-beam 112 has its indentations 1122 on the outer part of its flanges 1121 and also dug on a end portion of said flanges and following a thickness less than that of said flanges so as to form a stop 11210.
  • the interior impressions of one of the half-beams can thus fit together with the exterior impressions of the other half-beam , so as to secure the two half-beams together and then to assemble them firmly under pressure.
  • the electrochemical energy storage device is thus positioned in a first half-beam 111, said device having the shape and dimensions adapted to those inside said half-beam.
  • the other half-beam 112 is then placed above that 111 containing said electrochemical device in order to close the assembly by forming a beam 11.
  • the two half-beams are held in place together thanks to the first notches of the system closing.
  • the signal connector 13 is put in place at the level of the machining provided for this purpose 1123 in the second half-beam 112.
  • a power insulator 14 is also put in place which is placed around the screw 90 of the central current collector 9, at the level of the other machining 1124 provided for the positive power connector in the second half-beam 112.
  • the assembly is then placed under a press.
  • the assembly is compressed under a pressure P up to the abutment of the two half-beams 111, 112, up to their respective abutments 11110, 11210. notch system to close the beam 11 with its content.
  • the compressible part 8 in the central part is then compressed. It is she who exerts a pressure (by her tendency to want to re-expand) on the electrochemical storage elements 1, in particular the electrochemical cells 10 of the blocks 4 and which thus allows the contacting of the constituents of said cells and consequently activates the electrochemical process.
  • the negative contact is in particular ensured by the copper negative current collectors 3 of the upper and lower electrochemical storage elements 1 which are directly in contact with the aluminum half-beams 111, 112. Beam 11 is then at negative potential.
  • the closing of the beam 11 is completed by the positioning of the end closing elements 113 at each end of the beam (see FIG. 8).
  • a weld is made, for example by fusion, along the external junction line of the two half-beams and between the half-beams and the end closing elements 113. Then performs the establishment of the wiring 15 and the insulation at the tip of the screw 90 of the central current collector 9 (see Figure 8) for the positive power connector.
  • the beam thus produced provides an electrochemical storage assembly which will form a structural element of the vehicle.
  • the beam is assembled to the body C of the vehicle, here as a front cross member. Assembly to the vehicle can, for example, be achieved by structural bonding or screwing.
  • the advantage of the all-solid electrochemical storage structural assembly according to the invention is that, in particular in the event of strong deformation of the structure of the vehicle, there is no thermal runaway at the level of the electrochemical device, and that it allows the use of dead volumes in the structure of a vehicle, in particular in aluminum profiles.
  • An advantage is also its implementation with a compression piece and the use of two half-beams having a notch assembly system, assembling by pressure, pressure which both allows the assembly of the beam and the compression of the compressible part.

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Abstract

Ensemble de stockage électrochimique structurel pour un véhicule automobile, comprenant un dispositif électrochimique de stockage d'énergie comportant au moins un groupe de deux blocs (4) d'éléments de stockage électrochimique solides (1), lesdits blocs étant superposés l'un au-dessus de l'autre, et au moins une pièce en matériau compressible (8), disposée et compressée entre lesdits au moins deux blocs (4) superposés d'éléments de stockage électrochimique (1), et une poutre (11) comprenant deux profilés, évidés et ouverts sur l'une de leur face, assemblés entre eux par leur dite face ouverte respective et suivant leurs bords respectifs, lesdits profilés contenant ledit dispositif desdits au moins deux blocs superposés d'éléments de stockage électrochimique, et lesdits deux profilés étant dimensionnés et assemblés pour maintenir compressée ladite pièce en matériau compressible (8) disposée entre lesdits deux blocs électrochimiques superposés.

Description

Description
Titre de l'invention : Ensemble de stockage électrochimique structurel pour un véhicule automobile
[0001] [L’invention se rapporte à un ensemble de stockage électrochimique structurel, en particulier à un ensemble de stockage d’énergie électrique et structurel d’un véhicule automobile.
[0002] Le développement des véhicules hybrides thermique-électrique ou tout électrique impose d’avoir des batteries plus puissantes et donc de tailles importantes, ce qui pose des problèmes d’augmentation du poids du véhicule et d’encombrement dans les véhicules.
[0003] En outre il convient de fournir des éléments de stockage d’énergie électrique qui, de par leur constitution et de par leur emplacement dans le véhicule, offrent la plus grande sécurité, notamment en cas d’accident.
[0004] Dans la demande de brevet WO2016127122 (EP3254323), on a proposé un composite de stockage d’énergie électrochimique multifonctionnel incluant des cellules électrochimiques et pouvant être incorporé comme composant structurel, par exemple sous forme de poutre avec un couplage de cellules 3S1 P, dans le châssis d'un véhicule électrique. Cet ensemble comprend un empilement d'électrodes auquel sont intégrés des éléments de renforts transversaux incorporés dans des perforations traversant le composite. Bien qu’il soit envisagé que ce composite puisse inclure éventuellement des cellules électrochimiques solides ou semi-solides, à technologie polymère ou céramique , l’empilement d'électrodes décrit est disposé dans une enveloppe remplie d’électrolyte liquide ou gel pour former le pack batterie qui est disposé dans un composant structurel du véhicule, tel qu’un longeron ou une poutre évidée.
[0005] La mise en oeuvre d’un composite de stockage électrochimique structurel selon cette demande de brevet est complexe, nécessitant des soudures par ultrasons et des procédés de pose humide et de pressage à chaud. [0006] A cet effet, l’invention propose un ensemble de stockage électrochimique structurel pour un véhicule automobile, qui comprend au moins un dispositif électrochimique de stockage d’énergie qui comporte :
- au moins un groupe de deux blocs d’éléments de stockage électrochimique solides, en particulier de forme sensiblement parallélépipédiques, connectés entre eux en série ou en parallèle, et lesdits blocs étant superposés l’un au- dessus de l’autre, en particulier selon leur plan longitudinal respectif, chaque élément de stockage électrochimique étant composé d’une cellule à électrolyte solide et de deux moyens collecteurs de courants externes constitués d’un moyen collecteur de courant négatif et d’un moyen collecteur de courant positif entourant la cellule, lesdits éléments de stockage électrochimique étant reliés entre eux électriquement, une feuille isolante électriquement étant en outre disposée en séparation des éléments de stockage électrochimique constitutifs d’un bloc donné,
- au moins une pièce en matériau compressible, disposée et compressée entre lesdits au moins deux blocs superposés d’éléments de stockage électrochimique,
- un isolant latéral, et
- au moins un collecteur de courant central collectant le courant d’interconnexion entre lesdits blocs d’éléments de stockage électrochimique.
[0007] De plus ledit ensemble structurel selon l’invention comprend une poutre comprenant deux profilés évidés et ouverts sur l’une de leurs faces , assemblés entre eux par leur dite face ouverte respective et suivant leurs bords respectifs, lesdits profilés contenant ledit dispositif électrochimique de stockage d’énergie, et lesdits deux profilés étant dimensionnés et assemblés pour maintenir compressée ladite pièce en matériau compressible disposée entre lesdits au moins deux blocs électrochimiques superposés, de manière à assurer le contact électrique entre les composants desdits éléments électrochimiques des blocs.
[0008] En particulier le contact entre la poutre et le dispositif électrochimique de stockage d’énergie est assuré par les collecteurs de courant des éléments de stockage électrochimique dans la poutre qui sont directement en contact avec la face intérieure de la paroi longitudinale respective desdits profilés.
[0009] En particulier ladite feuille isolante électriquement est disposée entre deux éléments de stockage électrochimique, entre un collecteur de courant d’une cellule et le collecteur de courant immédiatement adjacent d’une cellule adjacente.
[0010] En particulier les deux profilés évidés sont ouverts sur l’une de leurs faces longitudinales. En particulier ils sont à section droite en U.
[0011] Avantageusement selon l’invention, lesdits deux profilés sont assemblés par emboîtement suivant leurs dits bords par des moyens de solidarisation à crans complémentaires entre eux , situés sur des parties respectives desdits profilés aptes à venir en regard l’une de l’autre. En particulier l’un desdits profilés comporte des crans sur la partie intérieure de ses bords et creusés sur une portion d’extrémité de ses bords et suivant une épaisseur inférieure à celle de ses bords de sorte à former une butée, et l’autre dit profilé comporte des crans de forme complémentaire à la forme de ceux dudit l’un desdits profilés, situés sur la partie extérieure de ses bords et creusés sur une portion d’extrémité de ses bords et suivant une épaisseur inférieure à celle desdits bords de sorte à former une butée.
[0012] De préférence selon l’invention, ledit dispositif électrochimique de stockage d’énergie comprend deux groupes de deux blocs superposés d’éléments de stockage électrochimique, et une pièce en matériau compressible disposée entre les blocs d’éléments de stockage électrochimique respectifs de chaque dit groupe, lesdits groupes de deux blocs superposés étant agencés en laissant une zone libre entre eux, réceptrice dudit collecteur de courant d’interconnexion et le cas échéant de moyens d’un système de régulation dudit dispositif de stockage.
[0013] Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, ledit collecteur de courant d’interconnexion comprend une vis collectrice de courant.
[0014] Avantageusement selon l’invention, ladite poutre comprend un passage pour une partie d’extrémité de ladite vis.
[0015] De préférence, l’un desdits profilés comprend un usinage formant le passage dudit collecteur de courant d’interconnexion, notamment de ladite partie d’extrémité de ladite vis.
[0016] De préférence selon l’invention, ladite poutre, en particulier lesdits profilés, sont en aluminium extrudé. [0017] Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, lesdits éléments de stockage électrochimique d’un bloc donné sont connectés entre eux électriquement dans une configuration en série et les blocs sont connectés entre eux électriquement dans une configuration en parallèle.
[0018] De préférence selon l’invention, un dit bloc comprend quatre éléments de stockage électrochimique montés en série, et lesdits blocs sont interconnectés entre eux en parallèle, de sorte que ledit dispositif électrochimique de stockage d’énergie est monté selon une configuration de couplage de type 4P4S.
[0019] Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, ladite pièce en matériau compressible est une feuille ou plaque s’étendant au moins sur toute la surface du dispositif électrochimique, entre les blocs. En particulier ladite pièce est en mousse de caoutchouc, en particulier en mousse de caoutchouc EPDM.
[0020] Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, l’électrolyte solide est un polymère, par exemple de type PVDF.
[0021] L’invention a aussi pour objet un véhicule automobile comprenant un ensemble de stockage électrochimique structurel tel que défini précédemment.
En particulier ledit ensemble est intégré comme composant structurel de la caisse du véhicule.
[0022] L’invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d’un ensemble de stockage électrochimique structurel tel que défini précédemment, dans lequel on applique une pression de part et d’autre de ladite poutre en cours d’assemblage pour assembler lesdits deux profilés composant la poutre et comprimer ladite feuille en matériau compressible.
[0023] Lesdits profilés se solidarisent fermement l’un à l’autre par emboîtement grâce aux moyens de solidarisation à crans complémentaires qui permet de tenir fermer la poutre avec son contenu. En particulier, on comprime le montage jusqu’aux butées respectives des deux profilés.
[0024] La pièce compressible ainsi comprimée exerce une pression (par sa tendance à vouloir se ré-expanser) sur les éléments de stockage électrochimique des blocs et permet ainsi la mise en contact des composants pour activer le processus électrochimique. Le contact électrique, en particulier négatif, est assuré par les collecteurs de courant, en particulier négatif, des éléments de stockage électrochimique supérieurs et inférieurs dans la poutre qui sont mis directement en contact avec la face intérieure de la paroi longitudinale respective des profilés. Dans le cas particulier de contact négatif entre la poutre et les collecteurs de courant des éléments de stockage, la poutre est alors au potentiel négatif.
[0025] Ledit collecteur de courant central collectant le courant d’interconnexion est relié au connecteur de puissance positif.
[0026] D’autres particularités et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de modes de réalisation particuliers de l’invention, donné à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés.
[0027] [Fig. 1] représente schématiquement en coupe transversale dans un plan médian et suivant une vue en perspective, un ensemble de stockage électrochimique structurel selon l’invention.
[0028] [Fig. 2] représente schématiquement selon une vue partielle en perspective et en éclaté des composants dudit ensemble structurel représenté en figure 1.
[0029] [Fig. 3] représente schématiquement selon une vue partielle en perspective et en éclaté des composants d’un élément électrochimique dudit ensemble structurel représenté en figures 1 ou 2.
[0030] [Fig. 4] représente schématiquement selon une vue partielle en perspective l’assemblage de composants du dispositif électrochimique de stockage d’énergie dudit ensemble structurel représenté en figures 1 à 3.
[0031] [Fig. 5] représente schématiquement en coupe transversale dans un plan médian l’assemblage représenté en figure 4.
[0032] [Fig. 6] représente schématiquement en coupe transversale un composant structurel dudit ensemble structurel représenté en figure 1.
[0033] [Fig. 7] représente schématiquement selon une vue partielle en perspective l’assemblage de composants dudit ensemble structurel représenté en figures 1 à 6.
[0034] [Fig. 8] représente schématiquement selon une vue en perspective un ensemble structurel de stockage électrochimique selon l’invention intégrant les divers composants représenté en figures 1 à 7. [0035] [Fig. 9] représente schématiquement selon une vue partielle en perspective un véhicule intégrant un ensemble de stockage électrochimique structurel selon l’invention tel que représenté en figure 8.
[0036] Les orientations exprimées dans la description des figures sont données en référence au repère LVT en référence à l’ensemble de stockage électrochimique structurel s’intégrant à un véhicule dans lequel L représente la direction longitudinale dudit ensemble structurel, T la direction transversale dudit ensemble, et V la direction verticale dudit ensemble.
[0037] En outre est indiqué en correspondance, un repère XYZ du véhicule dans lequel X représente la direction longitudinale avant-arrière du véhicule, orientée vers l’arrière, Y la direction transversale du véhicule, orientée vers la droite, et Z la direction verticale orientée vers le haut du véhicule.
[0038] Les figures sont commentées ensemble.
[0039] La figure 1 représente schématiquement en coupe transversale dans un plan médian VT et suivant une vue en perspective, une partie d’un ensemble de stockage électrochimique structurel selon l’invention. Ledit ensemble est plus particulièrement destiné à faire partie de la structure d’un véhicule automobile.
[0040] Ledit ensemble de stockage électrochimique structurel comprend une poutre 11 dans laquelle est inclus un agencement de blocs électrochimiques 4 composés chacun d’éléments de stockage électrochimique 1 tout solide, séparés par des feuilles isolantes électriquement 5. Selon l’exemple il y a quatre blocs 4, superposés deux à deux et entre lesquels est disposée une feuille comprimée 8. Les blocs sont interconnectés entre eux par un collecteur de courant central 9 comprenant une vis 90. Selon l’exemple, ledit ensemble comprend en outre un système de régulation du dispositif électrochimique de stockage d’énergie, pour gérer la batterie que constituera ledit ensemble pour le véhicule automobile.
[0041] Les différents composants et leur montage vont être présentés en détails ci- après.
[0042] La figure 3 illustre selon une vue en éclaté et en perspective, un exemple d’un élément de stockage électrochimique 1 composé d’une cellule électrochimique 10 tout solide et de collecteurs de courants 20, 30 A titre d’exemple non limitatif, on utilise une cellule électrochimique 10 qui est une cellule lithium-polymère constituée d’un empilement alterné de cathodes et d’anodes, comprenant dix anodes lithium (pur) et de neuf cathodes polymère.
Elle est de forme parallélépipédique. Elle est tout solide, il n’y a pas d’électrolyte liquide. On peut par exemple utiliser comme polymère pour la cathode, un PVDF, par exemple tel que celui décrit dans la demande de brevet EP3254323 . La cellule a une tension de 3,6V en nominal et elle a un courant disponible de 30Ah. Les dimensions sont de 400X100X5 mm.
Ladite cellule 10 est encadrée par un collecteur aluminium positif 20 et un collecteur cuivre négatif 30. Chaque collecteur 20, 30 a une forme de plaque aux dimensions de la cellule électrochimique 10, avec un rebord latéral longitudinal respectivement référencé 200, 300 s’étendant sur toute la longueur de la plaque, l’un 20 se place sur une face principale 100 de la cellule et l’autre 30 sur la face opposée 101 et de sorte que lesdits rebords latéraux 200, 300 respectifs des collecteurs ne bordent pas le même côté de la cellule 10.
[0043] En référence à la figure 2, un bloc électrochimique 4 est constitué d’un empilement de quatre éléments de stockage électrochimique 1 , chaque dit élément étant constitué comme décrit ci-dessus en référence à la figure 3. Le bloc a donc aussi une forme parallélépipédique comprenant deux faces principales opposées, deux côtés longitudinaux opposés et deux côtés transversaux opposés.
Comme illustré plus clairement sur la figure 5, chaque élément de stockage dans ledit bloc est en outre isolé sur ses faces principales par un matériau en feuille électriquement isolant 5, par exemple un film de polyimide connu sous le nom de « Kapton » (marque déposée), notamment disposé entre deux éléments adjacents.
Comme illustré en figure 5, la connexion entre deux éléments de stockage électrochimique 1 adjacents d’un bloc donné est réalisée par un connecteur 6 en un matériau bicomposant aluminium/cuivre, soudés aux collecteurs respectifs desdits éléments adjacents. Le bloc électrochimique comprend ainsi trois connecteurs.
Lesdits éléments électrochimiques 1 du bloc sont montés en série. Ledit bloc a ainsi une configuration de couplage de type 4S En outre ledit bloc 4 est muni de plaques latérales 70, isolantes électriquement, qui sont positionnées de chaque côté des éléments de stockage électrochimique le composant.
[0044] Le bloc électrochimique 4 est positionné sur une pièce de compression 8, selon l’exemple une plaque compressible en mousse de caoutchouc EPDM.
Cette pièce de compression est de forme et de dimensions adéquates pour s’insérer dans la poutre.
[0045] Comme représenté notamment aux figures 4 et 5, le dispositif électrochimique de stockage d’énergie selon l’exemple comprend quatre blocs électrochimiques 4, agencés deux à deux de part et d’autre de cette pièce de compression 8. En d’autres termes, les blocs 4 sont superposés deux à deux autour de ladite pièce compressible 8, et chaque groupe de deux blocs étant superposés, séparés par ladite pièce compressible. Selon l’invention, ces deux groupes de blocs électrochimiques sont disposés l’un derrière l’autre suivant la direction longitudinale L d’un bloc et de la poutre, soit selon la direction transversale Y du véhicule représenté en figure 9 à titre d’exemple non limitatif. Au centre de ladite pièce de compression 8, il y a une zone 80 entre les groupes de blocs superposés qui est réservée pour l’implantation d’un collecteur de courant central 9 qui interconnecte les quatre dits blocs d’éléments électrochimiques entre eux. Ce collecteur de courant central d’interconnexion est équipé d’une vis collectrice de courant 90. Cette zone centrale 80 comprend au moins un orifice 800, formant passage pour les divers composants dudit collecteur central 9, en particulier pour ladite vis collectrice de courant 90.
Le dispositif de stockage électrochimique résultant a ainsi une configuration de type 4P4S (4 blocs en parallèle de 4 cellules en série).
Selon l’exemple configuré 4P4S, ledit dispositif de stockage a un courant disponible de 120 Ah, une tension de 14,4 V et une énergie de 1 ,728 kWh.
[0046] En référence aux figures 2, 4 ou 1 , ladite zone centrale 80 de la plaque de compression 8 comprend en outre un autre orifice 801 , formant passage pour les divers composants d’un faisceau électrique 12 ayant pour fonction de donner les informations ( de type tension, température, etc.) au système de régulation du dispositif de stockage, système désigné couramment sous son acronyme anglais BMS (Battery Management System). [0047] Une plaque isolante 71 est positionnée en extrémité externe de chaque groupe de deux blocs 4 superposés (voir figure 7).
[0048] Une fois l’agencement décrit pour former le dispositif avec les quatre blocs électrochimiques 4 autour de la feuille de compression 8 interconnectés et équipés du faisceau électrique 12, on place ce dispositif électrochimique dans une poutre 11, comme l’illustre la figure 7, poutre qui est un élément structurel du véhicule.
[0049] En référence aux figures 6, 7 et 8, la poutre 11 comprend une première demi- poutre 111 et une deuxième demi-poutre 112 munie d’usinages pour fixer le connecteur de signal 13 (usinage 1123) et le connecteur de puissance positif (usinage 1124). Ladite poutre comprend en outre deux éléments de fermeture d’extrémité 113 se positionnant en chaque bout de ladite poutre, c’est-à-dire en bout des demi-poutres 111, 112 une fois assemblées.
Selon l’exemple, lesdites demi-poutres sont des extrudés d’aluminium. [0050] Chaque demi-poutre 111, 112 a une forme creuse intérieurement. Elle se présente sous forme d’un profilé à section droite en U , une de ses faces longitudinales est ainsi ouverte. Chaque demi-poutre 111, 112 comprend des empreintes 1112, 1122 opposées pour qu’elles puissent tenir assemblées selon un système de fermeture à crans, dit parfois à crémaillère. Lesdites empreintes sont donc sous forme de crans. Ces empreintes s’étendent le long de ses rebords longitudinaux (branches du U) 1111 , 1121, rebords appelés aussi bords longitudinaux 1111, 1121. L’une des demi-poutres 111 comporte ses empreintes 1112 sur la partie intérieure de ses rebords 1111 et creusées sur une portion d’extrémité desdits rebords et suivant une épaisseur inférieure à celle des rebords de sorte à former une butée 11110. L’autre demi-poutre 112 comporte ses empreintes 1122 sur la partie extérieure de ses rebords 1121 et également creusées sur une portion d’extrémité desdits rebords et suivant une épaisseur inférieure à celle desdits rebords de sorte à former une butée 11210. Les empreintes intérieures de l’une des demi-poutres peuvent ainsi s’emboîter avec les empreintes extérieures de l’autre demi-poutre, de manière à solidariser les deux demi-poutres l’une à l’autre puis à les assembler fermement sous pression. [0051] Le dispositif électrochimique de stockage d’énergie est ainsi positionné dans une première demi-poutre 111, ledit dispositif ayant la forme et les dimensions adaptées à celles intérieures de ladite demi-poutre. On place ensuite l’autre demi-poutre 112 au-dessus de celle 111 contenant ledit dispositif électrochimique dans le but de fermer l’ensemble en formant une poutre 11. Les deux demi- poutres se maintiennent en place ensemble grâce aux premiers crans du système de fermeture.
[0052] En référence à la figure 1 notamment, on met en place le connecteur de signal 13 au niveau de l’usinage prévu à cet effet 1123 dans la deuxième demi- poutre 112. On met aussi en place un isolateur de puissance 14 qui se met autour de la vis 90 du collecteur de courant central 9 , au niveau de l’autre usinage 1124 prévu pour le connecteur de puissance positif dans la deuxième demi-poutre 112.
L’ensemble est ensuite placé sous une presse. On comprime sous une pression P le montage jusqu’à la butée des deux demi-poutres 111, 112, jusqu’à leurs butées respectives 11110, 11210. Lesdites demi-poutres se solidarisent fermement l’une à l’autre par emboîtement grâce au système à crans pour fermer la poutre 11 avec son contenu.
La pièce compressible 8 en partie centrale est alors comprimée. C’est elle qui exerce une pression (par sa tendance à vouloir se ré-expanser) sur les éléments de stockage électrochimique 1, notamment des cellules électrochimiques 10 des blocs 4 et qui permet ainsi la mise en contact des constituants desdites cellules et par conséquent active le processus électrochimique.
Le contact négatif est notamment assuré par les collecteurs de courant négatif en cuivre 3 des éléments de stockage électrochimique 1 supérieurs et inférieurs qui sont directement en contact avec les demi-poutres 111, 112 en aluminium. La poutre 11 est alors au potentiel négatif.
On termine la fermeture de la poutre 11 par la mise en place des éléments de fermeture d’extrémité 113 en chaque extrémité de la poutre (voir figure 8).
On réalise une soudure par exemple par fusion le long de la ligne de jonction externe des deux demi-poutres et entre les demi-poutres et les éléments de fermeture d’extrémité 113. [0053] On réalise ensuite la mise en place du câblage 15 et de l’isolant à la pointe de la vis 90 du collecteur central de courant 9 (voir figure 8) pour le connecteur de puissance positif.
[0054] La poutre ainsi réalisée fournit un ensemble de stockage électrochimique qui va former un élément structurel du véhicule. Selon l’exemple représenté en figure 9, la poutre est assemblée à la caisse C du véhicule, ici comme traverse avant. L’assemblage au véhicule peut par exemple être réalisé par collage structurel ou vissage.
[0055] L’avantage de l’ensemble structurel de stockage électrochimique tout solide selon l’invention est que notamment en cas de forte déformation de la structure du véhicule, on n’a pas d’emballement thermique au niveau du dispositif électrochimique, et qu’il permet l’utilisation des volumes morts dans la structure d’un véhicule, notamment dans les profilés aluminium.
[0056] Un avantage est aussi sa mise en œuvre avec une pièce de compression et l’utilisation de deux demi-poutres présentant un système d’assemblage à crans, s’assemblant par pression, pression qui à la fois permet l’assemblage de la poutre et la compression de la pièce compressible.

Claims

Revendications
[Revendication 1] [ Ensemble de stockage électrochimique structurel pour un véhicule automobile, caractérisé en ce qu’il comprend : a) au moins un dispositif électrochimique de stockage d’énergie qui comporte :
- au moins un groupe de deux blocs (4) d’éléments de stockage électrochimique solides (1), connectés entre eux en série ou en parallèle, et lesdits blocs étant superposés l’un au-dessus de l’autre, chaque élément de stockage électrochimique (1) étant composé d’une cellule à électrolyte solide (10) et de deux moyens collecteurs de courants externes (20, 30) constitués d’un moyen collecteur de courant négatif et d’un moyen collecteur de courant positif entourant la cellule, lesdits éléments de stockage électrochimique étant reliés entre eux électriquement, et une feuille isolante électriquement (5) étant en outre disposée en séparation des éléments de stockage électrochimique constitutifs d’un bloc donné,
- au moins une pièce en matériau compressible (8), disposée et compressée entre lesdits au moins deux blocs (4) superposés d’éléments de stockage électrochimique (1), ,
- un isolant latéral (70, 71), et
- au moins un collecteur de courant central (9) collectant le courant d’interconnexion entre lesdits blocs (4) d’éléments de stockage électrochimique, b) une poutre (11 ) comprenant deux profilés (111, 112), évidés et ouverts sur l’une de leur face, assemblés entre eux par leur dite face ouverte respective et suivant leurs bords respectifs (1111, 1121), lesdits profilés contenant ledit dispositif desdits au moins deux blocs superposés d’éléments de stockage électrochimique, et lesdits deux profilés étant dimensionnés et assemblés pour maintenir compressée ladite pièce en matériau compressible (8) disposée entre lesdits deux blocs électrochimiques superposés.
[Revendication 2] Ensemble selon la revendication 1 , caractérisé en ce que lesdits deux profilés (111, 112) sont assemblés par emboîtement suivant leurs dits bords par des moyens de solidarisation à crans complémentaires entre eux (1112, 1122) , situés sur des parties respectives desdits profilés aptes à venir en regard l’une de l’autre, en particulier l’un desdits profilés (111) comporte des crans (1112) sur la partie intérieure de ses bords (1111 ) et creusés sur une portion d’extrémité de ses bords et suivant une épaisseur inférieure à celle de ses bords de sorte à former une butée (11110) , et l’autre dit profilé (112) comporte des crans (1122) de forme complémentaire à la forme de ceux (1112) dudit l’un desdits profilés (111), situés sur la partie extérieure de ses bords (1121) et creusés sur une portion d’extrémité de ses bords et suivant une épaisseur inférieure à celle desdits bords de sorte à former une butée (11210).
[Revendication 3] Ensemble selon l’une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ledit dispositif électrochimique de stockage d’énergie comprend deux dits groupes de deux blocs (4), et une pièce en matériau compressible (8) disposée entre les blocs d’éléments de stockage électrochimique respectifs de chaque dit groupe, lesdits groupes de deux blocs superposés étant agencés en laissant une zone libre (80) entre eux, réceptrice dudit collecteur de courant d’interconnexion (9) et/ou d’un système de régulation du dispositif de stockage .
[Revendication 4] Ensemble selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit collecteur de courant d’interconnexion (9) comprend une vis collectrice de courant (90).
[Revendication 5] Ensemble selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite poutre comprend un passage pour au moins une partie d’extrémité de ladite vis collectrice de courant (90).
[Revendication 6] Ensemble selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite poutre (11 ) est en aluminium extrudé.
[Revendication 7] Ensemble selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits éléments de stockage électrochimique (1) d’un bloc (4) donné sont connectés entre eux électriquement dans une configuration en série, et en ce que les blocs sont connectés entre eux électriquement dans une configuration en parallèle.
[Revendication 8] Ensemble selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’un dit bloc (4) comprend quatre éléments de stockage électrochimique (1) montés en série, et que lesdits blocs (4) sont interconnectés entre eux en parallèle.
[Revendication 9] Véhicule automobile comprenant un ensemble de stockage électrochimique structurel, caractérisé en ce que ledit ensemble est défini selon l’une des revendications 1 à 8.
[Revendication 10] Procédé de réalisation d’un ensemble de stockage électrochimique structurel d’un véhicule automobile défini à l’une des revendications 1 à 8, dans lequel on applique une pression (P) de part et d’autre de ladite poutre en cours d’assemblage pour assembler lesdits deux profilés (111, 112) composant la poutre (11 ) et comprimer ladite pièce en matériau compressible (8)]
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