EP4670222A1 - Batterie munie d'un dispositif de refroidissement comprenant au moins un caloduc - Google Patents

Batterie munie d'un dispositif de refroidissement comprenant au moins un caloduc

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EP4670222A1
EP4670222A1 EP24709475.8A EP24709475A EP4670222A1 EP 4670222 A1 EP4670222 A1 EP 4670222A1 EP 24709475 A EP24709475 A EP 24709475A EP 4670222 A1 EP4670222 A1 EP 4670222A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat pipe
battery
heat
batteries
cold source
Prior art date
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Pending
Application number
EP24709475.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Philippe CZECH
Julien GIRON
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Electrical and Power SAS
Original Assignee
Safran Electrical and Power SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Electrical and Power SAS filed Critical Safran Electrical and Power SAS
Publication of EP4670222A1 publication Critical patent/EP4670222A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/655—Solid structures for heat exchange or heat conduction
    • H01M10/6552—Closed pipes transferring heat by thermal conductivity or phase transition, e.g. heat pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/613—Cooling or keeping cold
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00—Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/20—Mountings; Secondary casings or frames; Racks, modules or packs; Suspension devices; Shock absorbers; Transport or carrying devices; Holders
    • H01M50/204—Racks, modules or packs for multiple batteries or multiple cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2200/00—Safety devices for primary or secondary batteries
    • H01M2200/10—Temperature sensitive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 Battery equipped with a cooling device comprising at least one heat pipe
  • the present invention relates to a battery comprising a cooling device, in particular in the field of aeronautics.
  • the invention also relates to an aircraft equipped with such a battery.
  • climate change is a major concern for many legislative and regulatory bodies around the world. Indeed, various restrictions on carbon emissions have been, are being or will be adopted by various States. In particular, an ambitious standard applies both to new types of aircraft but also to those currently in circulation requiring the implementation of technological solutions in order to make them compliant with the regulations in force. Civil aviation has been mobilizing for several years now to make a contribution to the fight against climate change.
  • battery means a set of individual packs each comprising modules made up of power elements commonly called cells and configured in combination in series and/or in parallel in order to achieve the desired electrical voltage and electrical capacity.
  • batteries may require a cooling system to ensure performance, lifespan and safety.
  • lithium-ion batteries with a high energy density relative to mass require significant monitoring of their operating conditions, such as voltage or temperature, and a cooling system to keep them within a reduced temperature range.
  • thermal runaway occurs in a battery when the energy released by the exothermic reactions that occur inside it exceeds the capacity to dissipate it to the outside. This runaway may be followed by the generation of gas and an explosion and/or fire, which risks spreading the reaction to the other electrochemical cells in the battery.
  • this cooling is achieved by a single-phase cooling fluid circuit installed near the cells and/or by one or more cold plates installed in the containment structure by means of sealed connectors.
  • the implementation of a cold zone inside the battery containment structure has several disadvantages.
  • the integration rate constituted by the ratio between the total mass of the equipment and the mass of the electrical power elements of the equipment is reduced.
  • the risk of short-circuiting of the battery increases because of the condensation that can take place.
  • the proximity between the cooling circuit and the battery cells can increase the risk of damage to the cooling system or even aggravate the thermal runaway reaction by an explosive interaction of the coolant (water) with the chemical components (lithium) of the electric cells.
  • the invention aims to provide a cooling device which does not have the aforementioned drawbacks.
  • the invention relates to an electric battery comprising a plurality of electrochemical cells arranged inside a containment structure.
  • Said battery is provided with a cooling device comprising at least one heat pipe configured to contain a heat transfer fluid intended to undergo an evaporation and condensation cycle, taking calories through an evaporation end of said heat pipe arranged in contact with said cells and returning them through a condensation end of said heat pipe to a cold source located outside the containment structure.
  • said at least one heat pipe is integrated by overmolding into a base of said confinement structure.
  • said at least one heat pipe comprises a capillary network arranged on the internal surface of said heat pipe, said network extending along an envelope of said heat pipe and surrounding an empty axial volume.
  • said at least one heat pipe comprises at least one zone of lower thermal resistance arranged at the evaporation end and made of a material capable of melting when the temperature inside the heat pipe exceeds a predefined threshold temperature and lower than the melting temperature of the heat pipe, so as to allow air to penetrate into the heat pipe.
  • the material of said zone of lower thermal resistance is a polymer of the polyetheretherketone type.
  • said containment structure is made of ceramic matrix composite material.
  • the invention relates to a battery system comprising several batteries as described above, and comprising at least one cold source intended to simultaneously receive the calories taken from said batteries.
  • said cooling system comprises means for emergency stopping of the heat exchange between the cold source and the condensation ends of the heat pipes of the batteries, capable of urgently stopping said heat exchange in the event of thermal runaway of the batteries.
  • said emergency stop means comprise spacing means capable of spacing the cold source F away from the condensation ends of the heat pipes in the event of thermal runaway of the batteries.
  • the invention relates to an aircraft comprising at least one battery as described above and/or at least one battery system as described above.
  • FIG 1 is a sectional view of a heat pipe according to the invention.
  • FIG 2 is a sectional view of a battery according to the invention
  • FIG 3 is a schematic plan view of a battery system according to the invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a heat pipe 1 according to the invention.
  • the heat pipe 1 comprises a sealed and thermally conductive casing 2.
  • the casing 2 has a flat shape and extends along a plane 3 of symmetry.
  • the casing 2 comprises an evaporation end 4 which is placed in contact with a hot source, such as the electrochemical cells of a battery, to draw calories from this hot source.
  • the other condensation end 5 is placed in contact with a cold source, to deliver the calories to this cold source.
  • Between the two ends 4, 5 is an adiabatic zone 6 in which the heat transfer between the heat pipe 1 and its environment is negligible compared to the heat exchanges taking place at the ends 4, 5.
  • the length of the adiabatic zone 6 varies according to the applications by adapting to the locations of the hot and cold sources.
  • the heat pipe 1 comprises for example at least one steam chamber, designed to contain water in liquid and/or gaseous form. Since steam chambers are good thermal conductors, this configuration allows to achieve good thermal cooling performance.
  • the heat pipe 1 comprises a capillary network 7 arranged on the internal lateral surface of the heat pipe 1 and which extends along the casing 2.
  • the capillary network 7 allows the circulation by capillarity of a heat transfer fluid, from the condensation end 5 to the evaporation end 4.
  • An axial volume 8 extending over the entire length of the heat pipe 1 is left free to allow the circulation in the other direction of the gas produced by the evaporation of this fluid in contact with the hot source.
  • the heat transfer fluid has an evaporation temperature which is, taking into account the internal pressure in the heat pipe 1, included in the operating temperature range of the hot source.
  • the heat transfer fluid can be pure or made up of a binary mixture, it is chosen to have very good wettability of the capillary network 7.
  • heat transfer fluids available for cooling electrochemical battery cells are water, ammonia, acetone or ethanol.
  • the heat transfer fluid is introduced under vacuum into the heat pipe shell, in order to provide the heat pipe with improved heat transfer quality and reliability compared to simpler techniques consisting of expelling air from the shell after the introduction of the fluid.
  • the operating principle of the heat pipe 1 is as follows. In contact with the hot source, the calories are transmitted to one end 4 of the conductive envelope 2 containing the heat transfer fluid in the liquid state contained in the capillary network 7. This fluid evaporates, absorbing a latent heat of evaporation which cools this hot source.
  • the pressure of the vapours of the heat transfer fluid then conducts these gases through the empty axial volume 8, towards the other end 5 of the heat pipe 1 inserted in the cold source.
  • the vapours condense, releasing a latent heat of condensation which heats the cold source, and creates a drop in pressure which allows with the increase in evaporation pressure, to circulate the gases.
  • the condensed heat transfer fluid is then conducted by capillarity in the capillary network 7 towards the hot source, which renews this fluid ready to undergo a new cycle.
  • the envelope 2 of the heat pipe 1 has sufficient mechanical strength to withstand the internal pressure, as well as stability to avoid corrosion by the liquid or gas contained.
  • copper or aluminum can be used, which also have good thermal conductivity.
  • the casing 2 of the heat pipe 1 comprises at least one zone 9 of lower thermal resistance arranged in the evaporation end 4 and made of a material capable of melting when the temperature inside the heat pipe 1 exceeds a predefined threshold temperature and lower than the melting temperature of the heat pipe 1.
  • the threshold temperature is chosen so as to be representative of thermal runaway, while remaining lower than the melting temperature of the heat pipe 1.
  • Figure 2 is a partial sectional view of a battery 10 according to the invention.
  • the battery 10 comprises a succession of electrochemical cells 11 connected in series and/or in parallel and arranged inside a containment structure 12.
  • the structure 12 of rectangular parallelepiped shape called “casing” in English comprises a base 13, four vertical walls 14 and a cover 15, which are capable of containing any thermal runaway of the cells 11.
  • the battery 10 comprises a cooling device comprising at least one heat pipe 1.
  • a heat pipe 1 is arranged between the base 13 and the cells 11 while being fixed to the base 13.
  • the base 13 is overmolded on the heat pipe 1 so as to fix the heat pipe 1 to the base 13.
  • One face of the evaporation end 4 of the heat pipe is left free so as to be in contact with the cells 11.
  • the cells 11 are in contact with the evaporation end 4 of the heat pipe 1 and represent a hot source C intended to be cooled by the heat pipe 1.
  • the calories extracted from the hot source are transmitted to a cold source F located outside the structure 12.
  • the cold source F is preferably in contact with the condensation end 5 of the heat pipe 1.
  • the cold source F could be only close to the condensation end 5, without being in contact with it.
  • the cold source F is adapted according to the applications and can in particular take the form of a radiator or a cold plate.
  • the structure 12 is provided with a slot 16 formed on a vertical wall 14 and crossed by the heat pipe 1 in a sealed manner.
  • the sealing is ensured by the overmolding of the base 13 and in particular by sealing gaskets 17 arranged around the slot 16 and the heat pipe 1.
  • the heat pipe 1 cools the battery 10 by evaporation-condensation cycles of the heat transfer fluid as described above.
  • Figure 3 is a schematic plan view of a system 18 of batteries 10 comprising at least one cold source F intended to simultaneously receive the calories taken from several batteries 10.
  • the cold source F may in particular comprise a heat exchanger making it possible to evacuate said calories to the outside of the system.
  • the system 18 is configured to circulate a fluid, for example a coolant to cool the cold source F.
  • the system 18 further comprises emergency stop means 19 for the heat exchange between the cold source F and the condensation ends of the heat pipes of the batteries 10.
  • the means 19 are capable of stopping said heat exchange in an emergency in the event of thermal runaway of the batteries 10. Stopping a heat exchange corresponds to a drop in the heat exchange of at least one order of magnitude compared to the nominal heat exchange.
  • Said emergency stop means 19 may in particular comprise spacing means capable of spacing the cold source away from the condensation ends of the heat pipes.
  • These spacing means may for example comprise mechanical levers or elastic elements coupled to holding systems which oppose the force of the elastic elements.
  • Said emergency stop means 19 can be controlled or can be triggered automatically in the event of thermal runaway of the batteries 10.

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Abstract

L'invention concerne une batterie (10) électrique comprenant une pluralité de cellules (11) électrochimiques disposées à l'intérieur d'une structure (12) de confinement. Ladite batterie (10) est munie d'un dispositif de refroidissement comprenant au moins un caloduc (1) configuré pour contenir un fluide caloporteur prévu pour subir un cycle d'évaporation et de condensation, prélevant des calories par une extrémité (4) d'évaporation dudit caloduc (1) disposée en contact avec lesdites cellules (11) et les restituant par une extrémité (5) de condensation dudit caloduc (1) à une source froide (F) se trouvant à l'extérieur de la structure (12) de confinement, ledit au moins un caloduc (1) étant intégré par surmoulage à une base (13) de ladite structure (12) de confinement.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Batterie munie d’un dispositif de refroidissement comprenant au moins un caloduc
Domaine technique
La présente invention concerne une batterie comportant un dispositif de refroidissement, en particulier dans le domaine de l’ aéronautique. L’ invention se rapporte également à un aéronef équipé d’une telle batterie.
Techniques antérieures
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers Etats. En particulier, une norme ambitieuse s’ applique à la fois aux nouveaux types d’ avions mais aussi ceux actuellement en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’ aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’ améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactants dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’ environnement et dont l’ intégration et l’utilisation dans l’ aviation civile ont des impacts environnementaux modérés dans un but d’ amélioration de l'efficacité énergétique des avions.
Des travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’ avion, l’ allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’ emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et enfin les biocarburants aéronautiques.
Dans le domaine de la propulsion électrique des aéronefs, le stockage de l’ énergie électrique s’effectue au moyen de batteries.
Le terme batterie signifie un ensemble de packs individuels comprenant chacun des modules constitués d’ éléments de puissance appelés couramment cellules et configurés en combinaison en série et/ou en parallèle afin d’ atteindre la tension électrique et la capacité électrique voulues.
En fonction des technologies, les batteries peuvent nécessiter un système de refroidissement pour assurer les performances, la durée de vie ainsi que la sécurité.
En particulier les batteries Lithium-Ion disposant d’une forte densité d’ énergie par rapport à la masse nécessitent un suivi important de leurs conditions de fonctionnement, comme la tension ou la température, et un système de refroidissement pour les maintenir dans une plage de température réduite.
Au-delà d'un seuil de température dit « d'emballement thermique », il peut y avoir amorçage de réactions chimiques internes exothermiques. Lorsque l'accumulateur n'est plus capable d'évacuer suffisamment de chaleur, la température de la cellule augmente jusqu'à destruction, ce phénomène étant désigné usuellement sous l'appellation d'emballement thermique. Autrement dit, un emballement thermique se produit dans une batterie lorsque l'énergie dégagée par les réactions exothermiques qui surviennent à l'intérieur de celle-ci excède la capacité à la dissiper à l'extérieur. Cet emballement peut être suivi d'une génération de gaz et d'explosion et/ou feu, qui risque de propager la réaction aux autres cellules électrochimiques de la batterie.
Pour contenir le phénomène d’emballement thermique, les batteries d’ aéronefs sont enfermées dans une structure de confinement dédiée.
Il est ainsi nécessaire de refroidir les batteries au travers de la structure de confinement mise en place. Classiquement, ce refroidissement est réalisé par un circuit de fluide monophasique de refroidissement installé à proximité des cellules et/ou par une ou plusieurs plaques froides installées dans la structure de confinement au moyen de connecteurs étanches.
Cependant, la mise en place d’une zone froide à l’ intérieur de la structure de confinement de la batterie présente plusieurs inconvénients. Ainsi, le taux d’intégration constitué par le rapport entre la masse totale de l’ équipement et la masse des éléments de puissance électrique de l’ équipement est diminué. Le risque de court-circuit de la batterie augmente à cause de la condensation qui peut avoir lieu.
Par ailleurs, en cas d’ emballement thermique, la proximité entre le circuit de refroidissement et les cellules de la batterie peut faire augmenter le risque d’ endommagement du système de refroidissement voire peut aggraver la réaction d’ emballement thermique par une interaction explosive du fluide de refroidissement (eau) avec les composants chimiques (lithium) des cellules électriques.
Exposé de l’invention
Au vu de ce qui précède, l’ invention a pour but de proposer un dispositif de refroidissement qui ne présente pas les inconvénients précités.
L’invention a pour objet une batterie électrique comprenant une pluralité de cellules électrochimiques disposées à l’ intérieur d’une structure de confinement.
Ladite batterie est munie d’un dispositif de refroidissement comprenant au moins un caloduc configuré pour contenir un fluide caloporteur prévu pour subir un cycle d’ évaporation et de condensation, prélevant des calories par une extrémité d’ évaporation dudit caloduc disposée en contact avec lesdites cellules et les restituant par une extrémité de condensation dudit caloduc à une source froide se trouvant à l’ extérieur de la structure de confinement.
L’intégration du dispositif de refroidissement de l’ invention, avec une extrémité de condensation voisine d’une source froide située à l’ extérieur de la structure de confinement, permet de délocaliser le refroidissement en un point d’ échange externe à la structure de confinement, ce qui rend le refroidissement indépendant en cas d’ emballement thermique de la batterie sans gêner l’ interfaçage avec le circuit extérieur.
Avantageusement, ledit au moins un caloduc est intégré par surmoulage à une base de ladite structure de confinement.
Selon une caractéristique, ledit au moins un caloduc comprend un réseau capillaire disposé sur la surface interne dudit caloduc, ledit réseau s’ étendant le long d’une enveloppe dudit caloduc et entourant un volume axial vide.
Avantageusement, ledit au moins un caloduc comprend au moins une zone de moindre résistance thermique disposée à l’ extrémité d’ évaporation et réalisée dans un matériau susceptible de fondre lorsque la température à l’ intérieur du caloduc dépasse une température de seuil prédéfinie et inférieure à la température de fusion du caloduc, de manière à permettre la pénétration d’ air dans le caloduc.
Par exemple, le matériau de ladite zone de moindre résistance thermique est un polymère de type polyétheréthercétone.
Selon une autre caractéristique, ladite structure de confinement est en matériau composite à matrice céramique.
Selon un autre aspect, l’invention a pour objet un système de batteries comprenant plusieurs batteries telles que décrit ci-dessus, et comprenant au moins une source froide destinée à recevoir simultanément les calories prélevées depuis lesdites batteries.
Avantageusement, ledit système de refroidissement comprend des moyens d’ arrêt d’urgence de l’ échange thermique entre la source froide et les extrémités de condensation des caloducs des batteries, aptes à arrêter en urgence ledit échange thermique en cas d’ emballement thermique des batteries.
Par exemple, lesdits moyens d’ arrêt d’urgence comprennent des moyens d’ écartement aptes à écarter la source froide F des extrémités de condensation des caloducs en cas d’ emballement thermique des batteries. Selon un autre aspect, l’ invention a pour objet un aéronef comprenant au moins une batterie telle que décrit ci-dessus et/ou au moins un système de batteries tel que décrit ci-dessus.
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 :
[Fig 1 ] est une vue en coupe d’un caloduc selon l’ invention ;
[Fig 2] est une vue en coupe d’une batterie selon l’ invention ; et [Fig 3] est une vue en plan schématique d’un système de batteries selon l’ invention.
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation
La figure 1 est une vue en coupe d’un caloduc 1 selon l’ invention. Le caloduc 1 comprend une enveloppe 2 étanche et thermiquement conductrice. Dans le mode de réalisation illustré, l’ enveloppe 2 a une forme plate et s’ étend suivant un plan 3 de symétrie. L’ enveloppe 2 comprend une extrémité 4 d’ évaporation qui est placée au contact d’une source chaude, comme les cellules électrochimiques d’une batterie, pour prélever des calories sur cette source chaude. L’ autre extrémité 5 de condensation est placée au contact d’une source froide, pour délivrer les calories à cette source froide. Entre les deux extrémités 4, 5 se trouve une zone 6 adiabatique dans laquelle le transfert de chaleur entre le caloduc 1 et son environnement est négligeable par rapport aux échanges caloriques ayant lieu aux extrémités 4, 5. La longueur de la zone 6 adiabatique varie selon les applications en s’ adaptant aux emplacements des sources chaude et froide.
Le caloduc 1 comprend par exemple au moins une chambre à vapeur, prévue pour contenir de l’ eau sous forme liquide et/ou gazeuse. Les chambres à vapeur étant de bons conducteurs thermiques, cette configuration permet d’ atteindre de bonnes performances thermiques de refroidissement.
Le caloduc 1 comprend un réseau 7 capillaire disposé sur la surface latérale interne du caloduc 1 et qui s’ étend le long de l’ enveloppe 2. Le réseau 7 capillaire permet la circulation par capillarité d’un fluide caloporteur, de l’ extrémité 5 de condensation à l’ extrémité 4 d’évaporation. Un volume axial 8 s’ étendant sur toute la longueur du caloduc 1 est laissé libre pour permettre la circulation dans l’ autre sens du gaz produit par l’ évaporation de ce fluide au contact de la source chaude.
Le fluide caloporteur comporte une température d’ évaporation qui est, compte-tenu de la pression interne dans le caloduc 1 , incluse dans la plage de température de fonctionnement de la source chaude. Le fluide caloporteur peut être pur ou constitué d’un mélange binaire, il est choisi pour avoir une très bonne mouillabilité du réseau 7 capillaire.
Des exemples de fluides caloporteurs disponibles pour le refroidissement de cellules électrochimiques de batteries sont de l’ eau, de l’ ammoniaque, de l’ acétone ou de l’ éthanol. De préférence, lors de la fabrication du caloduc, le fluide caloporteur est introduit sous vide dans l’ enveloppe du caloduc, afin d’ assurer au caloduc une qualité de transfert thermique et une fiabilité améliorées par rapport à des techniques plus simples consistant à chasser l’ air de l’ enveloppe après l’ introduction du fluide.
Le principe de fonctionnement du caloduc 1 est le suivant. Au contact de la source chaude, les calories sont transmises à une extrémité 4 de l’enveloppe 2 conductrice comportant le fluide caloporteur à l’ état liquide contenu dans le réseau 7 capillaire. Ce fluide s’ évapore, en absorbant une chaleur latente d’ évaporation qui refroidit cette source chaude.
La pression des vapeurs du fluide caloporteur conduit alors ces gaz par le volume axial vide 8, vers l’ autre extrémité 5 du caloduc 1 insérée dans la source froide. Au contact de la source froide, les vapeurs se condensent en dégageant une chaleur latente de condensation qui réchauffe la source froide, et crée une baisse de pression qui permet avec l’ augmentation de pression de l’ évaporation, de faire circuler les gaz.
Le fluide caloporteur condensé est alors conduit par capillarité dans le réseau 7 capillaire vers la source chaude, ce qui renouvelle ce fluide prêt à subir un nouveau cycle.
L’ enveloppe 2 du caloduc 1 a une résistance mécanique suffisante pour tenir la pression interne, ainsi qu’une stabilité pour éviter des corrosions par le liquide ou le gaz contenus. On peut utiliser notamment du cuivre ou de l’ aluminium qui ont également une bonne conductivité thermique.
On obtient ainsi un système de conduction thermique passif très efficace, qui conduit pour un volume donné une quantité de chaleur bien plus importante que celle transportée par une conduction directe avec une matière restant dans la même phase.
L’ enveloppe 2 du caloduc 1 comprend au moins une zone 9 de moindre résistance thermique disposée dans l’ extrémité 4 d’ évaporation et réalisée dans un matériau susceptible de fondre lorsque la température à l’intérieur du caloduc 1 dépasse une température de seuil prédéfinie et inférieure à la température de fusion du caloduc 1. La température de seuil est choisie de manière à être représentative d’un emballement thermique, tout en restant inférieure à la température de fusion du caloduc 1. Lorsque la température à l’ intérieur du caloduc 1 augmente significativement par rapport au fonctionnement nominal, le matériau de la zone 9 de moindre résistance thermique fond en provoquant la pénétration de l’ air dans l’ enveloppe 2 du caloduc. La pénétration de l’ air à l’ intérieur de l’ enveloppe 2 grève le transfert de chaleur au caloduc à cause des propriétés isolantes de l’ air. De cette manière, l’ échange thermique entre le caloduc 1 et la source froide F est réduit drastiquement en cas d’ emballement thermique de la batterie 10.
La figure 2 est une vue partielle en coupe d’une batterie 10 selon l’ invention.
La batterie 10 comprend une succession de cellules 1 1 électrochimiques reliées en série et/ou en parallèle et disposées à l’ intérieur d’une structure 12 de confinement. La structure 12 de forme parallélépipédique rectangulaire appelée « casing » en langue anglaise, comprend une base 13 , quatre parois verticales 14 et un couvercle 15 , qui sont aptes à contenir tout emballement thermique des cellules 1 1.
La batterie 10 comprend un dispositif de refroidissement comprenant au moins un caloduc 1. Dans le mode de réalisation illustré, un caloduc 1 est disposé entre la base 13 et les cellules 1 1 en étant fixé sur la base 13. De préférence, la base 13 est surmoulée sur le caloduc 1 de manière à fixer le caloduc 1 à la base 13. Une face de l’ extrémité 4 d’ évaporation du caloduc est laissé libre de manière à être en contact avec les cellules 1 1. Pour garantir la parfaite fixation du caloduc 1 sur la base 13 , il est possible de prévoir en complément un assemblage mécanique avec des inserts par exemple et/ou du collage.
Les cellules 1 1 sont en contact avec l’ extrémité 4 d’ évaporation du caloduc 1 et représentent une source chaude C destinée à être refroidie par le caloduc 1.
Les calories extraites de la source chaude sont transmises à une source froide F située à l’extérieur de la structure 12. La source froide F est de préférence en contact avec l’ extrémité 5 de condensation du caloduc 1. En alternative, la source froide F pourrait être seulement à proximité de l’ extrémité 5 de condensation, sans pour autant être en contact avec celle-ci. La source froide F est adaptée en fonction des applications et peut notamment prendre la forme d’un radiateur ou d’une plaque froide.
La structure 12 est munie d’une fente 16 ménagée sur une paroi verticale 14 et traversée par le caloduc 1 de manière étanche. L’ étanchéité est assurée par le surmoulage de la base 13 et notamment par des joints d’ étanchéité 17 disposés autour de la fente 16 et du caloduc 1.
En fonctionnement normal, le caloduc 1 refroidit la batterie 10 par des cycles évaporation - condensation du fluide caloporteur tel que décrit précédemment.
En cas d’ emballement thermique, le cycle évaporation- condensation est interrompu sous l’effet de la pénétration de l’ air à l’ intérieur du caloduc 1 , consécutive à la fusion de la zone 9 de faiblesse.
La figure 3 est une vue schématique en plan d’un système 18 de batteries 10 comprenant au moins une source froide F destinée à recevoir simultanément les calories prélevées depuis plusieurs batteries 10. La source froide F peut notamment comprendre un échangeur thermique permettant d’ évacuer lesdites calories vers l’ extérieur du système. Le système 18 est configuré pour faire circuler un fluide, par exemple un liquide de refroidissement pour refroidir la source froide F.
Le système 18 comprend en outre des moyens d’ arrêt d’urgence 19 de l’ échange thermique entre la source froide F et les extrémités de condensation des caloducs des batteries 10. Les moyens 19 sont aptes à arrêter en urgence ledit échange thermique en cas d’ emballement thermique des batteries 10. L’ arrêt d’un échange thermique correspond à une baisse de l’ échange thermique d’ au moins un ordre de grandeur par rapport à l’ échange thermique nominal.
Lesdits moyens 19 d’ arrêt d’urgence peuvent notamment comprendre des moyens d’ écartement aptes à écarter la source froide des extrémités de condensation des caloducs. Ces moyens d’ écartement peuvent par exemple comprendre des leviers mécaniques ou des éléments élastiques couplés à des systèmes de maintien qui s’ opposent à la force des éléments élastiques.
Lesdits moyens 19 d’ arrêt d’urgence peuvent être commandés ou peuvent se déclencher automatiquement en cas d’ emballement thermique des batteries 10.

Claims

REVENDICATIONS
1. Batterie (10) électrique comprenant une pluralité de cellules (11) électrochimiques disposées à l’intérieur d’une structure (12) de confinement, caractérisée en ce que ladite batterie (10) est munie d’un dispositif de refroidissement comprenant au moins un caloduc (1) configuré pour contenir un fluide caloporteur prévu pour subir un cycle d’évaporation et de condensation, prélevant des calories par une extrémité (4) d’évaporation dudit caloduc (1) disposée en contact avec lesdites cellules (11) et les restituant par une extrémité (5) de condensation dudit caloduc (1) à une source froide (F) se trouvant à l’extérieur de la structure (12) de confinement, ledit au moins un caloduc (1) étant intégré par surmoulage à une base (13) de ladite structure (12) de confinement.
2. Batterie selon la revendication 1, dans laquelle ledit au moins un caloduc (1) comprend un réseau capillaire (7) disposé sur une surface interne dudit caloduc (1), ledit réseau (7) s’étendant le long d’une enveloppe (2) dudit caloduc (1) et entourant un volume axial (8) vide.
3. Batterie selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle ledit au moins un caloduc (1) comprend au moins une zone (9) de moindre résistance thermique disposée à l’extrémité (4) d’évaporation et réalisée dans un matériau susceptible de fondre lorsque la température à l’intérieur du caloduc dépasse une température de seuil prédéfinie et inférieure à la température de fusion du caloduc (1), de manière à permettre la pénétration d’air dans le caloduc (1).
4. Batterie selon la revendication 3, dans laquelle le matériau de ladite zone (9) de moindre résistance thermique est un polymère de type polyétheréthercétone.
5. Batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle ladite structure (12) de confinement est en matériau composite à matrice céramique.
6. Système (18) de batteries comprenant plusieurs batteries (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, et comprenant au moins une source froide (F) destinée à recevoir simultanément les calories prélevées depuis lesdites batteries (10).
7. Système selon la revendication 6, comprenant des moyens (19) d’arrêt d’urgence de l’échange thermique entre la source froide (F) et les extrémités (5) de condensation des caloducs des batteries (10), aptes à arrêter en urgence ledit échange thermique en cas d’emballement thermique des batteries (10).
8. Système selon la revendication 7, dans lequel lesdits moyens (19) d’arrêt d’urgence comprennent des moyens d’écartement aptes à écarter la source froide F des extrémités (5) de condensation des caloducs (1) en cas d’emballement thermique des batteries (10).
9. Aéronef comprenant au moins une batterie (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5 et/ou au moins un système (18) de batteries selon l’une quelconque des revendications 6 à 8.
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