EP4367739A1 - Batterie d'accumulateurs à gestion thermique active - Google Patents

Batterie d'accumulateurs à gestion thermique active

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EP4367739A1
EP4367739A1 EP22750858.7A EP22750858A EP4367739A1 EP 4367739 A1 EP4367739 A1 EP 4367739A1 EP 22750858 A EP22750858 A EP 22750858A EP 4367739 A1 EP4367739 A1 EP 4367739A1
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EP
European Patent Office
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accumulator
thermal
interface plate
strip
heat
Prior art date
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Pending
Application number
EP22750858.7A
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German (de)
English (en)
Inventor
Kevin KAPPLER
Sébastien THOMASSIER
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Safran Electrical and Power SAS
Original Assignee
Safran Electrical and Power SAS
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Publication date
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • TITLE Accumulator battery with active thermal management
  • the invention relates to batteries, and more specifically, the cooling of such batteries.
  • the operating temperature also has an impact on the life of the battery and its aging. Aging also has an impact on performance.
  • the 28V batteries currently used in the aeronautical industry do not incorporate an active cooling system. Only passive heat conduction cooling is used for battery cooling. A set of mechanical parts is also used but only for maintaining the accumulators in the battery. It does not intervene in the active cooling of the accumulators.
  • the automotive industry today uses active cooling systems to cool the batteries.
  • One solution used takes the form of a floor in which a heat transfer fluid circulates. This floor being in contact with the accumulators, it allows them to be cooled by heat exchange.
  • the predetermined temperature range implies that heating of the battery may be necessary when the temperature is particularly low.
  • Current heating systems ie "heater” in English only perform this function within a battery.
  • the functions of active cooling and mechanical maintenance of the accumulators are separated and each function uses specific elements either for active cooling or for mechanical maintenance.
  • the cooling floor only serves to cool the accumulators while the other elements only serve to maintain the battery accumulators in position.
  • the cooling or heating of the accumulators also implies a slight waiting period before their availability.
  • the subject of the invention is a battery comprising an accumulator in contact by one of its ends with a heat pipe via the stack of a strip, a thermal pad and a thermal interface plate, the strip making it possible to electrically connect the accumulator, the thermal pad being positioned between the strip and the thermal interface plate in order to improve the contact surface and the thermal conduction, the thermal interface plate being thermally connected to the heat pipe, the heat pipe comprising a heat transfer fluid ensuring the transport of thermal energy and connected to a heat exchanger making it possible to heat or cool the heat transfer fluid, one end of the accumulator being held by a mechanical holding plate, so as to prevent lateral sliding of an accumulator and the mechanical retaining plate being electrically insulating.
  • a mechanical retaining plate can be arranged at each end of an accumulator.
  • a set of a heat pipe, a strip, a thermal pad and a thermal interface plate can be arranged at each end of an accumulator.
  • the battery may comprise a holding rod, tension holding means and two stacks of a strip, a thermal pad and a thermal interface plate, the first stack being in contact with one end of the accumulator and the second stack being in contact with the other end of the accumulator, the retaining rod being arranged through the two stacks and being associated with the means for maintaining tension making it possible to maintain the accumulator under tension between the two stacks .
  • a heat pipe and a thermal interface plate can be included in the same plane.
  • a heat pipe can be arranged crossing with respect to a thermal interface plate.
  • a thermal interface plate can be provided with a cooling channel in fluid contact with a heat pipe.
  • Another object of the invention is an aircraft equipped with a battery as described above.
  • the battery according to the invention has the advantage of actively controlling the temperature of the accumulators while maintaining them in position.
  • - figure 2 illustrates a top view of a battery according to a second embodiment
  • - figure 3 illustrates a sectional view of a battery according to a third embodiment
  • FIG. 4 illustrates an illustrates a bird's eye view of a battery according to a fourth embodiment.
  • FIG. 1 illustrates a first embodiment of a battery 1, comprising an accumulator 2 in contact with a heat pipe 3 via the stack of a strip 4, a thermal pad 5 and a plate thermal interface 6.
  • the battery 1 comprises several accumulators 2.
  • the strip 4 is placed in contact with the accumulator 2, while the thermal interface plate 6 is in contact with a heat pipe 3.
  • more than one heat pipe 3 can be provided.
  • a strip 4 is used to ensure the electrical connection with the accumulator 2. It is directly positioned at one end (in other words, the pole) of an accumulator.
  • a strip 4 is made of a material that is both a very good electrical and thermal conductor. When the battery 1 comprises several accumulators 2 can be connected by the same end (electrical pole) by a strip 4.
  • a thermal pad 5 is positioned between the strip 4 and the thermal interface plate 6 in order to ensure good thermal conduction by marrying the different surface states of the strip 4 and of the thermal interface plate 6 and electrical insulation.
  • Each thermal interface plate 6 is thermally connected to a heat pipe 3 in which circulates a heat transfer fluid (liquid or gas) ensuring the transport of thermal energy.
  • 3 heat pipes are connected to a heat exchanger to heat or cool the heat transfer fluid. It is then possible to heat or cool the accumulators.
  • the thermal interface plates 6 are provided with a cooling channel in fluidic contact with a heat pipe 3. Several cooling channels may be provided. It is then possible to bring the heat transfer fluid as close as possible to the accumulators 2 so as to improve the heat exchange by reducing the quantity of material participating in the heat exchange.
  • thermal interface plate 6 also serves as protection against the propagation of a failure of one of the accumulators.
  • FIG. 2 illustrates a second embodiment, in which the end of the accumulator 2 is held by a mechanical holding plate 7.
  • the end of several accumulators 2 can be held by the mechanical holding plate 7.
  • Such a mechanical holding plate 7 is provided with a slot for each end of accumulator in contact with which it is placed. Such support makes it possible to avoid the lateral sliding of an accumulator 2 which could lead to its ejection from the battery.
  • the end of an accumulator thus remains in direct contact with the stack of a strip 4, a thermal pad 5 and a thermal interface plate 6.
  • the heat transfer is not modified.
  • the mechanical retaining plate 7 is electrically insulating.
  • FIG. 3 illustrates a third embodiment of a battery, comprising a holding rod 8 in addition to the mechanical holding plates 7.
  • the holding rod 8 is arranged through the stacks of a strip 4, a thermal pad 5 and a thermal interface plate 6 arranged at each end of an accumulator 2 and close to the accumulator 2 so as to be maintained in pressure on the thermal interface plates 6.
  • the pressure is maintained for example by the combination of bolts and a thread at the end of the rod, or by any other means. Maintaining pressure makes it possible to ensure both the structural integrity of the battery and the contact between the accumulator 2 and the thermal interface plates 6 in order to promote heat transfer between the accumulator 2 and the heat pipe 3 .
  • FIG. 4 illustrates a fourth embodiment, in which heat pipes 3 are arranged through the stacks of a strip 4, of a thermal pad 5 and of a thermal interface plate 6.
  • the heat pipes 3 contribute to the structural integrity of the battery while ensuring heat exchange with the accumulators 2 through the stacks of a strip 4, a thermal pad 5 and a thermal interface plate 6.
  • Those skilled in the art will however have understood at the reading this description that such stacks can comprise more than one strip 4, more than one thermal pad 5 and/or more than one thermal interface plate 6.
  • the battery makes it possible to actively control the temperature of the accumulators so as to heat or cool them to ensure proper operation and slow down aging.
  • the battery Due to its structure, the battery also makes it possible to maintain the accumulators in position, which saves space and weight.

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Abstract

Batterie (1) comprenant un accumulateur (2) en contact par une de ses extrémités avec un caloduc (3) par l'intermédiaire de l'empilement d'un feuillard (4), d'un pad thermique (5) et d'une plaque d'interface thermique (6), le feuillard (4) permettant de connecter électriquement l'accumulateur (2), le pad thermique (5) étant positionné entre le feuillard (4) et la plaque d'interface thermique (6) afin d'améliorer la surface de contact et la conduction thermique, la plaque d'interface thermique (6) étant connectée thermiquement au caloduc (3), le caloduc (3) comprenant un fluide caloporteur assurant le transport d'énergie thermique et relié à un échangeur thermique permettant de chauffer ou de refroidir le fluide caloporteur.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Batterie d’ accumulateurs à gestion thermique active
Domaine technique
L’invention concerne les batteries, et plus précisément, le refroidissement de telles batteries.
Techniques antérieures
Il est connu que les accumulateurs d’une batterie voient leurs performances dégradées durant le fonctionnement à cause de leur échauffement. Il est alors important de maintenir les accumulateurs dans une plage de température prédétermine.
La température de fonctionnement a également un impact sur la durée de vie de l’ accumulateur et son vieillissement. Le vieillissement a également un impact sur les performances.
Les batteries 28V utilisées actuellement dans le milieu aéronautique n’intègrent pas de système de refroidissement actif. Seul un refroidissement passif par conduction thermique est employé pour le refroidissement des batteries. Un ensemble des pièces mécaniques est par ailleurs employé mais uniquement pour le maintien des accumulateurs dans la batterie. Il n’intervient pas dans le refroidissement actif des accumulateurs.
Le milieu automobile utilise aujourd’hui des systèmes de refroidissement actif permettant de refroidir les batteries. Une solution employée se présente comme un plancher dans lequel circule un fluide caloporteur. Ce plancher étant en contact avec les accumulateurs, il permet de les refroidir par échange thermique.
Par ailleurs, la défaillance d’un accumulateur induit une augmentation rapide de la température environnante pouvant endommager les autres accumulateurs. Le refroidissement de la batterie permet de minimiser ou de ralentir ce phénomène.
Il est à noter que la plage de température prédéterminée implique qu’un chauffage de la batterie peut être nécessaire lorsque la température est particulièrement basse. Les systèmes de chauffage actuel (i.e. « heater » en langue anglaise) remplissent uniquement cette fonction au sein d’une batterie.
De plus, toujours dans le domaine automobile, les fonctions de refroidissement actif et de maintien mécanique des accumulateurs sont dissociées et chaque fonction utilise des éléments spécifiques soit au refroidissement actif, soit au maintien mécanique. En d’ autres termes, le plancher de refroidissement ne sert qu’ à refroidir les accumulateurs tandis que les autres éléments ne servent qu’ à maintenir en position les accumulateurs de la batterie. Le refroidissement ou le chauffage des accumulateurs implique également un léger délai d’ attente avant leur disponibilité.
Il existe un besoin de minimisation du nombre d’éléments dans une batterie tout en maintenant et maximisant les fonctions remplies par ces éléments.
Exposé de l’invention
L’invention a pour objet une batterie comprenant un accumulateur en contact par une de ses extrémités avec un caloduc par l’intermédiaire de l’empilement d’un feuillard, d’un pad thermique et d’une plaque d’interface thermique, le feuillard permettant de connecter électriquement l’ accumulateur, le pad thermique étant positionné entre le feuillard et la plaque d’interface thermique afin d’améliorer la surface de contact et la conduction thermique, la plaque d’interface thermique étant connectée thermiquement au caloduc, le caloduc comprenant un fluide caloporteur assurant le transport d’énergie thermique et relié à un échangeur thermique permettant de chauffer ou de refroidir le fluide caloporteur, une extrémité de l’ accumulateur étant maintenue par une plaque de maintien mécanique, de sorte à éviter un glissement latéral d’un accumulateur et la plaque de maintien mécanique étant électriquement isolante.
Une plaque de maintien mécanique peut être disposée à chaque extrémité d’un accumulateur. Un ensemble d’un caloduc, d’un feuillard, d’un pad thermique et d’une plaque d’interface thermique peut être disposé à chaque extrémité d’un accumulateur.
La batterie peut comprendre une tige de maintien, des moyens de maintien en tension et deux empilements d’un feuillard, d’un pad thermique et d’une plaque d’interface thermique, le premier empilement étant en contact avec une extrémité de l’ accumulateur et le deuxième empilement étant en contact avec l’ autre extrémité de l’ accumulateur, la tige de maintien étant disposée à travers les deux empilements et étant associée aux moyens de maintien en tension permettant de maintenir l’ accumulateur en tension entre les deux empilements.
Un caloduc et une plaque d’interface thermique peuvent être compris dans un même plan.
Un caloduc peut être disposé traversant par rapport à une plaque d’interface thermique.
Une plaque d’interface thermique peut être munie d’un canal de refroidissement en contact fluidique avec un caloduc.
Un autre objet de l’invention est un aéronef muni d’une batterie telle que décrite ci-dessus. La batterie selon l’invention présente l’ avantage de contrôler activement la température des accumulateurs tout en les maintenant en position.
On évite ainsi les inconvénients de l’état de l’art tout en diminuant le nombre de pièces nécessaires grâce à une mutualisation des fonctions de refroidissement et de maintien mécanique. La masse et l’encombrement de la batterie sont ainsi réduits.
Brève description des dessins
D’ autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre une vue en plongeante d’une batterie selon un premier mode de réalisation,
- la figure 2 illustre une vue en plongeante d’une batterie selon un deuxième mode de réalisation, - la figure 3 illustre une vue en coupe d’une batterie selon un troisième mode de réalisation,
- la figure 4 illustre une illustre une vue en plongeante d’une batterie selon un quatrième mode de réalisation. Description détaillée
La figure 1 illustre un premier mode de réalisation d’une batterie 1 , comprenant un accumulateur 2 en contact avec un caloduc 3 par l’intermédiaire de l’empilement d’un feuillard 4, d’un pad thermique 5 et d’une plaque d’interface thermique 6. Avantageusement, la batterie 1 comprend plusieurs accumulateurs 2.
Le feuillard 4 est disposé au contact de l’ accumulateur 2, tandis que la plaque d’interface thermique 6 est au contact d’un caloduc 3. Avantageusement, plus d’un caloduc 3 peut être prévu.
Un feuillard 4 est utilisé pour assurer la connexion électrique avec l’ accumulateur 2. Il est directement positionné au niveau d’une extrémité (en d’ autres termes, du pôle) d’un accumulateur. Un feuillard 4 est fabriqué dans un matériau, à la fois très bon conducteur électrique et thermique. Lorsque la batterie 1 comprend plusieurs accumulateurs 2 peuvent être connectés par une même extrémité (pôle électrique) par un feuillard 4.
Un pad thermique 5 est positionné entre le feuillard 4 et la plaque d’interface thermique 6 afin d’ assurer une bonne conduction thermique en épousant les différents états de surface du feuillard 4 et de la plaque d’interface thermique 6 et une isolation électrique. Chaque plaque d’interface thermique 6 est connectée thermiquement à un caloduc 3 dans lequel circulent un fluide caloporteur (liquide ou gazeux) assurant le transport d’énergie thermique. Les caloducs 3 sont reliés à un échangeur thermique permettant de chauffer ou de refroidir le fluide caloporteur. Il est alors possible de chauffer ou de refroidir les accumulateurs. Dans un mode de réalisation particulier, les plaques d’interface thermique 6 sont munies d’un canal de refroidissement en contact fluidique avec un caloduc 3. Plusieurs canaux de refroidissement peuvent être prévus. Il alors possible d’ amener le fluide caloporteur au plus près des accumulateurs 2 de sorte à améliorer l’échange thermique en réduisant la quantité de matière participant à l’échange thermique.
De par sa structure, une plaque d’interface thermique 6 sert également de protection contre la propagation d’une défaillance d’un des accumulateurs.
De préférence, un ensemble caloduc 3, feuillard 4, pad thermique 5 et plaque d’interface thermique 6 est disposé à chaque extrémité d’un accumulateur 2. La figure 2 illustre un deuxième mode de réalisation, dans lequel l’extrémité de l’ accumulateur 2 est maintenue par une plaque de maintien mécanique 7. Avantageusement, l’extrémité de plusieurs accumulateurs 2 peut être maintenue par la plaque de maintien mécanique 7. Une telle plaque de maintien mécanique 7 est munie d’une lumière pour chaque extrémité d’ accumulateur au contact duquel elle est disposée. Un tel maintien permet d’éviter le glissement latéral d’un accumulateur 2 pouvant mener à son éjection de la batterie.
L’extrémité d’un accumulateur demeure ainsi en contact direct avec l’empilement d’un feuillard 4, d’un pad thermique 5 et d’une plaque d’interface thermique 6. Le transfert thermique n’est pas modifié. Dans un cas particulier, la plaque de maintien mécanique 7 est électriquement isolante.
La figure 3 illustre un troisième mode réalisation d’une batterie, comprenant une tige 8 de maintien en plus des plaques de maintien mécanique 7. La tige 8 de maintien est disposée à travers les empilements d’un feuillard 4, d’un pad thermique 5 et d’une plaque d’interface thermique 6 disposés à chaque extrémité d’un accumulateur 2 et à proximité de l’ accumulateur 2 de sorte à être maintenue en pression sur les plaques d’interface thermique 6. Le maintien en pression se fait par exemple par l’association de boulons et d’un filetage en bout de tige, ou par tout autre moyen. Le maintien en pression permet d’ assurer à la fois l’intégrité structurelle de la batterie et le contact entre l’ accumulateur 2 et les plaques d’interface thermique 6 afin de favoriser le transfert de chaleur entre l’ accumulateur 2 et le caloduc 3.
La figure 4 illustre un quatrième mode de réalisation, dans lequel des caloducs 3 sont disposés à travers les empilements d’un feuillard 4, d’un pad thermique 5 et d’une plaque d’interface thermique 6. Ainsi disposés, les caloducs 3 contribuent à l’intégrité structurelle de la batterie tout en assurant l’échange thermique avec les accumulateurs 2 à travers les empilements d’un feuillard 4, d’un pad thermique 5 et d’une plaque d’interface thermique 6. Alternativement, il peut être prévu qu’un seul caloduc traverse les empilements. Dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, on a fait référence à des empilements d’un feuillard 4, d’un pad thermique 5 et d’une plaque d’interface thermique 6. L’homme du métier aura toutefois compris à la lecture de cette description que de tels empilements peuvent comprendre plus d’un feuillard 4, plus d’un pad thermique 5 et/ou plus d’une plaque d’interface thermique 6.
Différents modes de réalisation ont également été décrits. L’homme du métier aura compris que ces modes de réalisation ne sont pas exclusifs de sorte qu’ils peuvent être combinés entre eux sans sortir du périmètre de l’invention. La batterie permet de contrôler de manière active la température des accumulateurs de sorte à les chauffer ou à les refroidir pour en assurer le bon fonctionnement et en ralentir le vieillissement.
De par sa structure, la batterie permet aussi d’ assurer le maintien en position des accumulateurs, ce qui est à l’ origine d’un gain de place et de masse.

Claims

REVENDICATIONS
1. Batterie (1) comprenant un accumulateur (2) en contact par une de ses extrémités avec un caloduc (3) par l’intermédiaire de l’empilement d’un feuillard (4), d’un pad thermique (5) et d’une plaque d’interface thermique (6), le feuillard (4) permettant de connecter électriquement l’ accumulateur (2), le pad thermique (5) étant positionné entre le feuillard (4) et la plaque d’interface thermique (6) afin d’ améliorer la surface de contact et la conduction thermique, la plaque d’interface thermique (6) étant connectée thermiquement au caloduc (3), le caloduc (3) comprenant un fluide caloporteur assurant le transport d’énergie thermique et relié à un échangeur thermique permettant de chauffer ou de refroidir le fluide caloporteur, une extrémité de l’ accumulateur (2) étant maintenue par une plaque de maintien mécanique (7), de sorte à éviter un glissement latéral d’un accumulateur (2), la plaque de maintien mécanique étant électriquement isolante.
2. Batterie selon la revendication 1 , dans laquelle une plaque de maintien mécanique est disposée à chaque extrémité d’un accumulateur (2).
3. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans laquelle un ensemble d’un caloduc (3), d’un feuillard (4), d’un pad thermique (5) et d’une plaque d’interface thermique (6) est disposé à chaque extrémité d’un accumulateur (2).
4. Batterie selon la revendication 3, comprenant une tige (8) de maintien, des moyens de maintien en tension et deux empilements d’un feuillard (4), d’un pad thermique (5) et d’une plaque d’interface thermique (6), le premier empilement étant en contact avec une extrémité de l’ accumulateur (2) et le deuxième empilement étant en contact avec l’ autre extrémité de l’ accumulateur (2), la tige (8) de maintien étant disposée à travers les deux empilements et étant associée aux moyens de maintien en tension permettant de maintenir l’ accumulateur en tension entre les deux empilements.
5. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle un caloduc (3) et une plaque d’interface thermique (6) sont compris dans un même plan.
6. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle un caloduc (3) est disposé traversant par rapport à une plaque d’interface thermique (6).
7. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle une plaque d’interface thermique (6) est munie d’un canal de refroidissement en contact fluidique avec un caloduc (3).
8. Aéronef muni d’une batterie (1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7.
EP22750858.7A 2021-07-06 2022-07-01 Batterie d'accumulateurs à gestion thermique active Pending EP4367739A1 (fr)

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FR2107307A FR3125169B1 (fr) 2021-07-06 2021-07-06 Batterie d’accumulateurs à gestion thermique active
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EP4367739A1 true EP4367739A1 (fr) 2024-05-15

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