EP4684448A1 - Module de batterie à pression hydraulique régulée - Google Patents

Module de batterie à pression hydraulique régulée

Info

Publication number
EP4684448A1
EP4684448A1 EP24773731.5A EP24773731A EP4684448A1 EP 4684448 A1 EP4684448 A1 EP 4684448A1 EP 24773731 A EP24773731 A EP 24773731A EP 4684448 A1 EP4684448 A1 EP 4684448A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
module
battery
battery module
fluid
cells
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP24773731.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Serge Montambault
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.)
Hydro Quebec
Original Assignee
Hydro Quebec
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 Hydro Quebec filed Critical Hydro Quebec
Publication of EP4684448A1 publication Critical patent/EP4684448A1/fr
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • H01M10/04—Construction or manufacture in general
    • H01M10/0481—Compression means other than compression means for stacks of electrodes and separators
    • 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
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425—Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • 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
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • 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
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • 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
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/486—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for measuring temperature
    • 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
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/61—Types of temperature control
    • H01M10/615—Heating or keeping warm
    • 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
    • H01M10/63—Control systems
    • H01M10/633—Control systems characterised by algorithms, flow charts, software details or the like
    • 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
    • H01M10/6551—Surfaces specially adapted for heat dissipation or radiation, e.g. fins or coatings
    • 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
    • H01M10/656—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by the type of heat-exchange fluid
    • H01M10/6561—Gases
    • H01M10/6563—Gases with forced flow, e.g. by blowers
    • 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
    • H01M10/656—Means for temperature control structurally associated with the cells characterised by the type of heat-exchange fluid
    • H01M10/6567—Liquids
    • 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
    • H01M10/657—Means for temperature control structurally associated with the cells by electric or electromagnetic means
    • H01M10/6571—Resistive heaters
    • 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
    • H01M10/657—Means for temperature control structurally associated with the cells by electric or electromagnetic means
    • H01M10/6572—Peltier elements or thermoelectric devices
    • 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
    • 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

  • the present description relates to battery modules and to the management of the operating pressure of the batteries.
  • An object of the present description is to propose a simplified system for managing battery operating pressure and temperature.
  • a battery module comprising: a housing defining an internal cavity; cells in the internal cavity, the cells being bathed in a fluid contained in the internal cavity, the cells being adapted to be connected to an electrical circuit; and characterized in that the battery module battery is hermetically sealed so that the fluid produces isostatic pressure on the cells, and to maintain the fluid mass constant in the battery module during use of the battery module in sealed mode.
  • At least one Peltier module is in contact with the housing, the Peltier module being activated to selectively heat or cool the fluid contained in the internal cavity.
  • the Peltier effect module comprises fins on its free surface.
  • At least one compression element is between at least two adjacent cells.
  • At least one resistive element is in the internal cavity for heating the fluid.
  • At least one finned plate is in contact with the housing.
  • At least one pump is in the internal cavity of said housing to circulate the fluid.
  • a battery system comprising: at least one battery module as described below; a control system comprising at least one processor, and a computer readable memory having stored instructions to be executed by said at least one processor to: monitor the temperature and/or pressure of said at least one battery module, and when using said battery module, activate cooling or heating of said module if said temperature and/or said pressure of the module is outside predetermined values, while maintaining a constant mass of fluid in said battery module and hermetically isolating said battery module from adding and removing fluid.
  • the second aspect for example, at least two of said battery modules, the two battery modules having characteristics defined by pressure-temperature curves different from each other.
  • the curves differ in slope.
  • the curves differ in pressure value for the same temperature.
  • an enclosure is provided for each battery module, the enclosure defining a convection corridor for controlling the temperature of said battery module.
  • the enclosures are connected in series to form a continuous convection corridor.
  • At least one valve is between two of said enclosures.
  • the speakers are side by side.
  • each enclosure comprises a valve downstream of the convection corridor.
  • a fan is upstream of said convection corridor of at least one of said enclosures.
  • a method for managing the operating pressure and/or temperature of at least one battery module comprising the steps of: housing cells of the battery in an internal cavity of at least one battery module, the internal cavity being hermetically sealed and the cells being bathed in a fluid; monitoring the temperature and/or pressure of the module; and when using the battery, cooling or heating the module if said temperature and/or said pressure of the module is outside predetermined values by maintaining the mass of fluid constant in the battery module by hermetically isolating said battery module from adding and removing fluid.
  • cooling or heating the module is done by actuating a Peltier effect module by controlling a current direction.
  • a method of managing operating pressure and temperature of a battery module comprising the steps of: housing battery cells in an internal cavity of the battery module, the internal cavity being hermetically sealed and the cells being bathed in a fluid; monitoring the temperature and/or pressure of the module; and when using the battery, cooling or heating the module if said temperature and/or said pressure of the module is outside predetermined values.
  • Fig. 1 is a system having battery modules designed according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 2 is a perspective view of a battery module designed according to the present disclosure, with a cap removed and cells partially removed from a housing;
  • Fig. 3 is a perspective view of the battery module of Fig. 2 with the end cap removed and the cells fully within the housing;
  • Fig. 4 is a perspective view of the battery module with the end caps attached to the housing;
  • Fig. 5 is an exploded perspective view of the battery module housing of Fig. 1 with its end caps;
  • Fig. 6 is a perspective view of a series of cells of the battery module of Fig. 2, according to one embodiment
  • Fig. 7 is an elevation view of the cells of Fig. 6;
  • Fig. 8 is a battery having a geometry distinct from the battery module of Fig. 2;
  • Fig. 9 is a view of the cells of the battery module of Fig. 8;
  • Fig. 10 is an elevation view of the cells of the battery module of Fig. 8;
  • Fig. 11 is a fragmentary view of a Peltier module type heating/cooling system that may be used on the battery module housing of Fig. 2, according to one embodiment;
  • Fig. 12 is an end view of the battery module of Fig. 2 having Peltier module type heating/cooling systems as in Fig. 11;
  • Fig. 13 is another end view of the battery module of Fig. 2 with Peltier module type heating/cooling systems as well as passive heat dissipation fins for the housing;
  • Fig. 14 is a perspective view of a housing having heating elements
  • Fig. 15 is a schematic view of an enclosure for a battery module of Fig. 2;
  • Fig. 16 is a perspective view of three enclosures used in conjunction with each enclosure incorporating one of the battery modules of Fig. 2;
  • Fig. 17 is a graph showing the pressure versus temperature curves for three battery modules according to Fig. 2, with different starting pressures;
  • Fig. 18 is a graph showing the pressure versus temperature curves for three battery modules according to Fig. 2, with different case materials;
  • Fig. 19 is a graph showing pressure versus temperature curves for three battery modules according to Fig. 2, with different compression members and/or different casing materials;
  • Fig. 20 is a graph showing the evolution of the pressure of the fluid as a function of its temperature for a battery module according to the present description, with a Peltier effect module;
  • Fig. 21 is a graph showing the evolution of the pressure and temperature of the fluid as a function of time for a battery module according to the present description, with a Peltier effect module, during a first test
  • Fig. 22 is a graph showing the evolution of the pressure and temperature of the fluid as a function of time for a battery module according to the present description, with a Peltier effect module, during a second test
  • Fig. 23 is a graph showing the evolution of the fluid pressure as a function of its temperature for a battery module according to the present description, with a Peltier effect module, with or without compression members.
  • the system 1 comprises three battery modules 10 described below, although there may be more or fewer of these battery modules 10 in the system 1.
  • the battery modules 10 may be described as all-solid-state batteries and which are controllable in pressure and/or temperature, in particular by using the Peltier effect.
  • the battery modules 10 may also be used in all-solid-state, liquid, hybrid, etc. electrolyte batteries.
  • the battery modules 10 may also be identified by battery, cell module, etc.
  • the battery modules 10 of the system 1 may have different operating characteristics, in particular according to the configurations described for Figs. 17 to 19.
  • the system 1 has the characteristic of being able to be operated while maintaining a constant mass of fluid (eg, oil) in the battery modules 10 in a hermetic mode of operation, while simultaneously allowing pressure and/or temperature control in the battery modules 10, unlike some dynamic systems which vary the mass of oil in the battery modules 10 during operation to control the pressure and/or temperature.
  • a constant mass of fluid eg, oil
  • this involves recharging the batteries and/or using the batteries to supply an energy demand.
  • the pressure and/or temperature variations can be related to several factors, such as recharging, discharging, ambient conditions of the battery environment, cooling, etc.
  • the system of Figure 1 shows various battery management modules, such as a BMS battery management system, a temperature control subsystem having a temperature control module with thermocouples or other temperature measuring devices, a temperature adjustment module, according to setpoints.
  • the battery management system thus comprises at least one processor, and a medium or memory readable by the processor and comprising machine instructions, the medium and/or the readable memory having stored statements and instructions that must be executed by a computer to perform a temperature control method as described herein description.
  • the BMS management system the current direction to a Peltier module can be reversed to warm or cool the battery module.
  • a battery or battery module 10 comprises cells that are composed of two electrodes - a positive pole (or cathode) and a negative pole (or anode) - separated by a medium acting as an ionic conductor, called an electrolyte.
  • the cells can be of different architectures, formats and dimensions.
  • the anodes, cathodes and electrolytes can be made of different materials.
  • the electrolyte can be liquid, solid, hybrid (polymer, ceramic, liquid, etc.).
  • the all-solid-state battery is one embodiment among others.
  • the cells are connected to an electrical circuit for their use.
  • the battery module 10 is shown in a partially exploded view.
  • the battery module 10 includes a housing 20 (i.e., tubular element), adapted to incorporate cells 30.
  • An on-board circuit may be connected to the cells 30 to control their operation and monitor their state of charge.
  • the on-board circuit(s) may include power units, energy sinks, current limiters and an intelligent charger (not shown), allowing to generate the relevant conditions of pressure, temperature and current density to obtain the optimal performance of the battery modules 10. This or these on-board circuits may be inside or outside the modules.
  • End caps 40 i.e., end members
  • the battery module 10 may optionally include heating elements such as Peltier modules 50 shown in FIG.
  • the cells 30 are immersed in a fluid retained by the housing 20.
  • the fluid may be a liquid, preferably an oil, and more preferably a mineral oil to neutralize potential chemical reactions in the event of a defective or damaged cell. This neutralization effect occurs, among other reasons, due to the chemical properties of the fluid, the absence of oxygen around the cells, and/or the application of an isostatic pressure based on an incompressible fluid, etc.
  • the use of oil can prevent the combustion effect resulting from a chemical reaction of a defective cell, by isolating such a cell from ambient oxygen.
  • the housing 20 has a hollow body 21 of cylindrical shape. This cylindrical shape is illustrated by the external surface 21A of the hollow body 21.
  • the external surface 21A may be smooth and of cylindrical shape, or may have other and surface components, such as dissipation fins 21 B illustrated in Fig. 13, described above.
  • the housing 20 also defines an internal cavity 22 (Ie., a chamber) as defined by the internal surface 22A.
  • the internal cavity 22 may be cylindrical in shape or may have other formations on its internal surface 22A, as may the external surface 21A, with embodiments described below.
  • flanges 23 are positioned at the ends of the hollow body 21.
  • the flanges 23 are of the radially projecting type. Holes 23A in the flanges 23 may be circumferentially disposed in the flange 23 to be able to secure the end caps 40 to the housing 20.
  • Various other elements may be present, including seals to ensure that the fluid inside the battery module 10 remains there, i.e. oil.
  • the housing 20 receives in its internal cavity 22 a plurality of cells 30.
  • the cells 30 may have a body 31 with chemical storage elements. As illustrated in FIG. 7, the body of the cells 30 may be in the form of a bag.
  • Connectors 32 are at the ends of the body 31 and serve for the connection of electrodes and/or for connecting the cells 30 to each other.
  • some of the cells may be separated by compression members 35.
  • the compression members 35 are for example plates of different compressibility values, which make it possible to design battery modules 10 having a desired relationship of increase in pressure value as a function of increase in temperature value, as shown in FIG. 19, described below.
  • the compression members 35 are optional, and may take different forms.
  • the compression members 35 may be elastomeric foam panels, bubble wrap sheets, etc. Electrical connection arrangements, pads 36 and other components may be present to hold the cells 30 in position, to connect them to an electrical circuit, to space them. These components may be similar to those present in International Patent Application No. PCT/CA2022/051538, filed on October 19, 2002, the content of which is incorporated into the present patent application by reference.
  • a flange 43 may project radially from the closure body 41.
  • the flange 43 may have a geometry similar to the flanges 43 of the housing 20.
  • the holes 43A are circumferentially disposed on the flange 43 and allow the use of fasteners such as screws and bolts to secure the end caps 40 to the housing 20. For example, these fasteners are illustrated at 43B in FIG. 5.
  • Ports 44 may be at the end of the end caps 40 or at other locations. Ports 44 allow the injection of a fluid into the interior of the housing 20. It can be seen in FIGS. 3 and 4 that there are ports 44 at both ends of the battery module 10.
  • ports 44 are fluid inlets and/or outlets, and may in particular allow a gas to escape when filling the battery module 10 with oil, for example.
  • the port 44 may comprise a valve or any other form of plug to allow the injection of liquid into the battery module 10 and its subsequent drainage, while being sealed during use.
  • the ports 44 may be located elsewhere, in particular on the housing 20.
  • the port 44 may comprise a safety valve/valve allowing oil or gas to be evacuated if the pressure inside the module 10 exceeds the maximum design value.
  • a compression member 45 may be positioned in one or two of the end pieces.
  • the compression member 45 may be a bearing with a given resilience.
  • the compression members 45 like the compression members 35, contribute to the control of the pressure inside the battery module 10.
  • the port(s) 44 can be closed during the operation of the battery modules, so that the mass of fluid in the battery modules 10 does not vary during use.
  • the battery module 10 is in a sealed mode, in that the fluid of the battery module 10 cannot exit the housing during the use of the battery module 10 in recharging/discharging, and no fluid can be added to the housing during this sealed mode.
  • the battery module 10 is hermetically isolated from the addition and removal of fluid. That being said, in certain circumstances, there may be an addition or loss of fluid mass, in particular by leakage, filling, but such variations may be negligible, and do not constitute the method by which the system 1 will regulate its temperature and/or its pressure.
  • the battery modules 10 comprise the series of cells 30 in a row as shown in Fig. 6.
  • the cells 30 can therefore be inserted into the hollow body 21 so as to fill the housing 20.
  • the cylindrical housing shape is advantageous for a pressure vessel, it is possible to have housings 20 having a different shape.
  • An example is shown in Figs. 8 to 10, in which the housing 20 has a prismatic shape.
  • the same reference numbers will be used for components having the same functionalities, despite the geometric differences.
  • the cells 30 may be circular or square in shape, one configuration contemplated is to have two stacks of rectangular cells 30 as shown in Figs. 9 and 10.
  • the cells 30 of Figs. 9 and 10 have elongated bodies 31 with connectors at the ends, connectors being shown at 32. Compression members 35 may be present between some of the cells 30.
  • the end caps 40 of Fig. 8 are flat plates rather than having a hollow body. Figs. 8 to 10 are only one solution among others.
  • FIG. 11 shows a Peltier module 50, which may optionally be used in the various battery modules 10 described herein.
  • the Peltier module 50 also described as a Peltier module type heating/cooling system, converts an electrical current into a temperature differential. The direction of the current supplied to the Peltier module 50 may be reversed for heating or cooling.
  • the Peltier module 50 may thus comprise two faces, one being cold and the other being hot, the terms "cold” and "hot” being used relative to each other.
  • the Peltier module 50 is constructed from a series of semiconductor pairs, the electrons of these pairs acting as heat transfer fluids.
  • the faces are ceramic (or other material) plates, separated for example by semiconductor pellets.
  • the Peltier module 50 comprises a face 50A which has a shape corresponding to that of the outer wall 21A of the hollow body 21 of the housing 20 to bear against it for heat conduction, so that the supply of a current in the Peltier module 50 makes it possible to heat or cool the fluid in the internal cavity 22.
  • This shape is a cylindrical surface segment, but could be other, in particular if the housing 20 is prismatic.
  • the face 50A could in particular be flat. It could also be considered that the wall of the housing, or a part of the wall, could be a Peltier module.
  • the opposite face of the Peltier effect module 50 may be provided with fins 50B to contribute to the heat exchange with the ambient environment of the module 10.
  • the fluid of the internal cavity 22 may be heated by conduction via the face 50A of the Peltier effect module 50 in contact with the outer wall 21A of the hollow body 21 of the housing 20.
  • thermal expansion effect of the fluid the internal pressure of the housing 20 will increase.
  • the fluid in the internal cavity 22 is cooled by the face 50A of the Peltier module 50 in contact with the outer wall 21A of the hollow body 21 of the housing 20.
  • the direction of the current can be controlled by the BMS.
  • thermal expansion effect of the fluid the internal pressure of the housing 20 will decrease. As shown in Figs.
  • Fig. 11 shows a Peltier module 50 provided with four fins 50B, but these fins 50B are optional, or can be less than four or more than four.
  • the housing 20 is surrounded by eight of the Peltier modules 50 of Fig. 11 , as an example.
  • passive dissipation fins 21 B are also present, optionally in combination with Peltier effect modules 50. These passive dissipation fins 21 B can be made directly on the outer wall 21A of the housing 20, or can have a geometry similar to the Peltier effect modules 50, among others, with a face matching the housing 20, and fins in a radial direction or other direction.
  • heating elements 50' are inside the battery module 10.
  • the heating elements 50' are illustrated as being resistive element strips. Consideration may be given to installing them at certain portions of the housing 20 to assist in heating the fluid in the internal cavity 22. These heating elements 50' may be on the exterior surface of the housing 20, and/or in the wall of the housing, among other possibilities.
  • enclosures 70 are illustrated.
  • the enclosures 70 define an interior volume 70A in which the battery modules 10 are positioned, the interior volume 70A being a convection corridor.
  • an air intake flap 71 and air exhaust flaps 72A and 72B may be present and a fan 73 may cause air movement within the enclosures 70.
  • the intake flaps 71 and exhaust flaps 72A.72B may be arranged such that air circulates in series within the enclosures 70 which are positioned side by side. In particular, some of the exhaust flaps 72A can exhaust air to the outside while other exhaust flaps 72B allow air to circulate between enclosures 70. This is optional.
  • the enclosures 70 allow cold air or hot air from a module to be recovered by convection, forced or not. This hot or cold air is either exhausted to the outside or redirected to the other enclosures to contribute to the heating or cooling of adjacent modules.
  • the enclosures 70 can also be used in parallel with each other, each of the enclosures 70 having for example its own fan 73.
  • the control of the flaps 71, 72A and 72B can be carried out so as to comply with the optimum operating pressures of the different modules 10, according to Figs. 17 to 19.
  • the enclosures 70 are illustrated side by side, with a serpentine convection path, other arrangements are considered, depending in particular on the space available.
  • enclosures 70 could be end to end, and/or one on top of the other.
  • the present disclosure proposes to construct the system 1 (Fig. 1) which makes it possible to regulate the pressure of the fluid inside a module 10 while only controlling the temperature of the fluid.
  • the system 1 (Fig. 1) makes it possible to regulate the pressure of the fluid inside a module 10 by using only electrical energy to cool or heat the module 10. This regulation can be done while keeping the mass of fluid in the module 10 constant, i.e., the module 10 is sealed and does not vary its fluid content during operation and temperature control.
  • the system 1 can be operated by monitoring only the temperature of the modules 10.
  • fluid e.g., oil
  • This control is based on the fact that the thermal expansion of the oil or other pressurized fluid contained in a hermetic reservoir at constant volume results in an increase in the pressure in the reservoir as the temperature of the oil increases.
  • This relationship between the increase in the temperature of the fluid and the increase in the pressure in a reservoir closed in hermetic mode, and not operating a variation in the mass of fluid, such as the housing 20 with end caps 40, is quasi-linear, depending on the coefficient of thermal expansion and the bulk modulus of the oil.
  • a graph is shown illustrating the pressure versus temperature curves for three different modules 10. These modules 10 have the same sealed reservoirs (volume and shape) and are made of the same material. The pressure evolution profile as a function of temperature will be the same (same slope) for the three modules 10. We can therefore design, for example, three different battery modules 10, by fixing the pressure of the modules 10 at different initial values, for an initial operating temperature value, for example 25°C.
  • FIG 18 another graph is shown illustrating the pressure curves as a function of temperature, for three different modules 10.
  • These modules 10 have the same hermetic reservoirs (volume and shape), but are made of different materials, for example magnesium, aluminum, steel.
  • the pressure evolution profile as a function of temperature will not be the same (different slopes). It is therefore possible to design, for example, three different battery modules 10, by setting the pressure of the modules 10 to the same initial value, for an initial operating temperature value, for example 25°C.
  • This approach is based on the Young's modulus of the materials, which dictates the plastic deformation of a material as a function of the stress to which it is subjected, here the internal pressure of the reservoir, i.e., the housing 20.
  • a material whose Young's modulus is very high is said to be rigid.
  • a 20-barrel case made of standard aluminum (Young's modulus of 69 Gpa), subjected to the same operating pressure as the same 20-barrel case made of stainless steel (Young's modulus of 203 Gpa), will deform more.
  • the pressure exerted by the expanding oil (temperature increase) on the aluminum 20-barrel case will therefore increase less rapidly because the volume of the 20-barrel case will increase slightly under the pressure (deformation of the aluminum).
  • a 20-barrel case made of magnesium (Young's modulus of 45 Gpa), subjected to the same operating pressure as the same standard aluminum tank (Young's modulus of 69 Gpa) will deform more.
  • FIG 19 another graph is shown illustrating the pressure curves as a function of temperature, for three different modules 10.
  • These modules 10 have the same hermetic housings 20 (shape and volume), can be made of the same material.
  • a part of the interior volume is made of different compressible materials (type and/or quantity), for example in the form of compression members 35 and/or 45. Consequently, the pressure evolution profile as a function of temperature will not be the same (different slopes). It is therefore possible to design, by way of example, three different battery modules 10, by fixing the pressure of the modules at the same initial value or not, for an initial operating temperature value, for example of 25°C.
  • This approach is based on the compressibility modulus of the materials 35 and/or 45 that are inserted into the internal cavity of the housing 20, potentially including the inside of the end caps 40 for the compression members 45.
  • the compression members 35 and/or 45 could be in the form of pieces of elastomers, foams or other more or less compressible materials, in greater or lesser quantities. These compression members 35 and/or 45, depending on their isostatic elasticity moduli (or even compressibility), are would deform more or less under the fluid pressure in the module 10, which would result in different rates of pressure increase as a function of temperature, depending on the differences between compression members 35 and/or 45.
  • This approach can be defined by the ability to design a reservoir (i.e. casing) having a so-called global Young's modulus (MYG), determined by the set of Young's moduli of the constituents of the module 10.
  • MYG global Young's modulus
  • Figures 20 to 23 show various graphs illustrating the pressure and temperature of a battery module 10, under various operating conditions, as a non-limiting example.
  • Figure 20 is a graph showing pressure versus temperature for a battery module according to the present disclosure, having an exemplary aluminum housing 20, with a Peltier module of the type shown at 50. The Peltier module 50 was operated to heat and then cool the battery module 10.
  • Figures 21 and 22 are for the aluminum housing 20, and illustrate the pressure and temperature that follow, in tests at different starting temperatures and pressures, again with heating and cooling by actuation of the Peltier module 50.
  • Figure 23 relates to pressure versus temperature for an aluminum or steel battery module 10, by actuation of the Peltier module 50, with or without compression members, such as those shown at 35. It can be seen that compression members 35, such as bubble wrap or foam, can modify the rate of change. of fluid pressure in the battery module 10, depending on its temperature.
  • the cells 30 of the modules 10 generate heat which can be used to heat the oil of the module 10 in which they are located. This heat can also be recovered to heat the oil of another module 10. Therefore, according to one embodiment, the modules 10 will be heated, for example by the heating elements 50, and therefore operate them at higher pressure.
  • the main pressure regulation function could therefore be based on an evacuation of the heat towards other modules 10 or towards the outside of the module 10.
  • Various embodiments can be implemented for the management of pressure and temperature in the battery modules 10, taken individually or in groups.
  • the circulation of oil can be induced in the module 10, for the exchange of heat with the cells 30, aiming at the uniformity of the temperature of the cells 30.
  • One approach recommends heating the oil from the bottom of the housing 20 (eg, FIG. 14, heating elements 50) and the hot oil migrates upwards, by gravity, due to the lower density of the hot oil compared to the cold oil, the oil circulating through the interstices separating the cells 30.
  • the cells are cooled from the top of the housing 20 and the cold oil migrates downwards.
  • the circulation of the oil may be forced, for example by the pump 60 (Fig. 14) located in the housing 20, so as to force the circulation of the oil on the cells 30 by conduits promoting optimal heat exchange, without however modifying the mass of fluid in the module 10 during the operation, in a hermetic mode.
  • the battery modules 10 could be heated and/or cooled by an external refrigeration system of the pipe type with refrigerant, in particular used as a heat pump, the refrigerant pipes being in contact with the housing 20.
  • a refrigeration system with Carnot cycle would be achieved by an external heating system by heat transfer fluid, eg, water, glycol, circulating in pipes and surrounding the housing 20 of the module or modules 10, etc.
  • a refrigeration system uses a heat transfer circuit with a heat sink (eg, ambient convection by radiator for moving vehicle), without a Carnot cycle.
  • the heat generated by the cells 30 themselves can contribute to temperature control.
  • the oil is heated using the heat generated by the cells 30 in operation, and the pressure of the module 10 is adjusted thereby.
  • the system 1 can include multiple modules 10, and a recovery of the heat evacuated by one of the modules 10 having reached its operating temperature to contribute to heating the other modules 10.
  • the enclosures 70, or other conduits can in particular serve to contain the heat and direct it to other enclosures to heat the modules 10 in these other enclosures. Fans can be used to force convection and the evacuation of heat to the other modules 10 requiring heat.
  • the system 1 may also be provided with one or more Peltier effect modules 50.
  • Such module(s) 50 have a surface in contact with the wall(s) of the housing 20, and another surface exposed to the ambient environment.
  • the Peltier effect module 50 may be supplied with power so that its cold surface is in contact with the walls of the housing 20, and the hot surface is towards the outside of the housing 20.
  • the system 1 can be controlled according to certain considerations. From the perspective of regulating the temperature of the oil in which the cells 30 are immersed, the heat generated by the latter during operation can be either recovered or evacuated. It is generally advantageous to operate all-solid-state batteries at the highest possible temperatures, while remaining below the limit values dictated by the properties of the materials of which the cells are made. At low ambient temperatures (0°C for example), it will be advantageous to retain this heat for optimal operation of the cells 30, or to recover it from one module 10 to allow the temperature of another module 10 to be raised. At high ambient temperatures (45°C for example), the all-solid-state battery cells 30 will be more efficient/effective. [0077]
  • the housing 20 of the modules 10 includes the cells 30, the fluid such as oil and the oil heating/cooling systems discussed above, the latter being located inside or outside the housing 20.
  • the latter can be placed in enclosures 70, isolating the modules 10 from each other, the enclosures 70 communicating with each other when necessary depending on the temperatures.
  • the heat exchanger system between the different modules 10, in particular by the enclosures 70, therefore aims to optimally use the heat naturally generated by the cells 30 during their operation.
  • the heat generated by its cells 30 can be stored in a module 10, redirected to another module 10, or evacuated from the system 1.
  • Devices for cooling the oil e.g., Peltier module 50, fins 21 B, enclosures 70
  • heating the oil heatating element 50', Peltier module 50
  • the system 1 keeps the mass of oil in the battery module 10 constant. This can be called a hermetic mode of operation of the battery.
  • the enclosures 70 therefore define a closed structure, provided with flaps that can be in the open or closed position, and these are controlled by a control system managed by the battery management system BMS, for example via an actuator, of the solenoid type for example.
  • These flaps 71 and 72A.72B allow the admission of outside air into the enclosure 70, the exhaust of air to the outside of the enclosure 70 or the exhaust of air to the enclosure 70 incorporating the adjacent module 10.
  • Each flap may correspond to an aligned opening in the adjacent module.
  • a fan can be placed at the end of the enclosure 70.
  • different designs of enclosure 70 can be used.
  • the air expelled from an enclosure 70 is either hot or cold.
  • An efficient example of a possible configuration of modules would involve the hot air from the enclosures being expelled to the adjacent module (T°Module 1 ⁇ T°Module 2 ⁇ T°Module 3).
  • the design of the system would result in three complementary modules 10, either based on cells of different chemistries, and/or based on modules 10 of different functions (energy versus power, for example), and/or either on modules having different pressure evolution profiles as a function of temperature, therefore also dedicated to different functions, in particular according to Figs. 17 to 19.
  • the system 1 is therefore simple in that it operates heating and/or cooling while keeping the oil mass constant in hermetic mode, and makes it possible to regulate both the operating temperature of the cells 30 and the pressure of the fluid inside a module 10, by controlling only the temperature of the fluid trapped in the module 10, i.e., no addition or removal of oil during the operation. If desired, the system can therefore operate without a mechanical or other pressure system, cell cooling system, pump, valve, reservoir, etc. In addition, the oil in which the cells 30 are bathed serves to neutralize/delay/prevent the chemical reactions of the cells 30 in the event of failure.
  • the battery module 10 can therefore be defined as comprising a housing defining an internal cavity; at least one end piece closing an access to the internal cavity, the end piece being fixed to the housing, the end piece being optional.
  • Cells are in the internal cavity, the cells being bathed in a liquid contained in the internal cavity.
  • the battery module is hermetically sealed so that the fluid produces an isostatic pressure on the cells.
  • the fluid having a very high compressibility modulus (oil versus air) will be said to be incompressible.
  • Incompressible fluids, versus so-called compressible fluids, applying an isostatic pressure on the battery cells can have a favorable effect on the performance of the battery cells and on their safety of use.
  • a battery system can comprise at least two of these battery modules, the two battery modules having characteristics defined by pressure curves as a function of temperature different from each other. In particular, the curves differ in slope and/or the curves differ in pressure value for the same temperature.
  • the present description also provides a method for managing the operating pressure and temperature of a battery module, the method comprising the steps of: housing cells of the battery in an internal cavity of the battery module, the internal cavity being hermetically sealed and the cells being bathed in a fluid; monitoring the temperature and/or pressure of the module; and during use of the battery, cooling or heating the module if said temperature and/or said pressure of the module is outside predetermined values.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

Un module de batterie tout solide comprenant un boîtier définissant une cavité interne. Au moins un embout ferme un accès à la cavité interne, l'embout étant fixé au boîtier. Des cellules sont dans la cavité interne, les cellules étant baignées dans un liquide contenu dans la cavité interne. Le module de batterie est hermétiquement fermé pour que le fluide produise une pression isostatique sur les cellules. La présente description porte aussi sur une méthode de gestion de pression et de température d'opération d'un module de batterie.

Description

MODULE DE BATTERIE À PRESSION HYDRAULIQUE RÉGULÉE
DOMAINE TECHNIQUE
[0001] La présente description porte sur des modules de batteries et sur la gestion de la pression d’opération des batteries.
CONTEXTE
[0002] Certains paramètres d’opération permettent une exploitation optimale de cellules de batteries telles des batteries tout solide. Selon les connaissances actuelles, une gestion précise, active et dynamique des valeurs de pression et de température d’opération de batteries est susceptible d'être critique pour minimiser ou éliminer l’apparition de porosités dynamiques ou "voids" lors de décharge rapide (phase de "stripping"), qui favorisent par la suite la formation de dendrites lors d’une charge rapide; pour augmenter la vitesse de charge tout en limitant / éliminant le processus de formation et de propagation de dendrites lors du "plating"; pour augmenter la durée de vie de la batterie (maintien de la capacité, minimisation de lithium "mort" ou inactif); pour limiter le taux d’augmentation de l’impédance des cellules de la batterie au fil des cycles; pour écrouir les zones / pointes de dendrites (augmentation de la diffusion / transport du lithium ou autre métal constituant l'anode); pour assurer un maintien de la qualité des contacts aux interfaces cathode électrolyte-anode des cellules; pour minimiser / éliminer un dommage fait aux cellules en cas de solicitation extraordinaire; et/ou pour exploiter au maximum le potentiel des batteries nouvelles générations.
[0003] En contrepartie, la présence de systèmes de gestion dynamique peut réduire l’efficacité globale en raison de leur consommation énergétique, de leur volume et de leur poids, en plus de devoir prendre en considération les coûts afférents à de tels systèmes.
SOMMAIRE
[0004] Un objet de la présente description est de proposer un système simplifié de gestion de pression et de température d’opération de batteries.
[0005] Selon un premier aspect de la présente description, il est proposé un module de batterie comprenant : un boîtier définissant une cavité interne; des cellules dans la cavité interne, les cellules étant baignées dans un fluide contenu dans la cavité interne, les cellules conçues pour être raccordé à un circuit électrique; et caractérisé en ce que le module de baterie est hermétiquement fermé pour que le fluide produise une pression isostatique sur les cellules, et pour maintenir la masse de fluide constante dans le module de baterie durant l'utilisation du module de baterie en mode hermétique.
[0006] Selon le premier aspect, par exemple, au moins un module à effet Peltier est en contact le boîtier, le module à effet Peltier étant activé pour sélectivement chauffer ou refroidir le fluide contenu dans la cavité interne.
[0007] Toujours selon le premier aspect, par exemple, le module à effet Peltier comprend des ailetes sur sa surface libre.
[0008] Toujours selon le premier aspect, par exemple, au moins un élément de compression est entre au moins deux cellules adjacentes.
[0009] Toujours selon le premier aspect, par exemple, au moins un élément résistif est dans la cavité interne pour chauffer le fluide.
[0010] Toujours selon le premier aspect, par exemple, au moins une plaque à ailetes est en contact avec le boîtier.
[0011] Toujours selon le premier aspect, par exemple, au moins une pompe est dans la cavité interne dudit boîtier pour faire circuler le fluide.
[0012] Toujours selon le premier aspect, par exemple, lequel le fluide est de l’huile.
[0013] Selon un second aspect, il est proosé un système de baterie comprenant : au moins un module de baterie tel que décrit ci-dessous; un système de contrôle comprenant au moins un processeur, et une mémoire lisible par ordinateur ayant stocké des instructions qui doivent être exécutées par ledit au moins un processeur pour : surveiller la température et/ou la pression dudit au moins un module de baterie, et lors de l’utilisation dudit module de baterie, activer le refroidissement ou le chauffage dudit module si ladite température et/ou ladite pression du module est à l’écart de valeurs prédéterminées, tout en maintenant la masse de fluide constante dans ledit module de baterie et en isolant hermétiquement ledit module de baterie d’ajout et de retrait de fluide.
[0014] Selon le second aspect, par exemple, au moins deux dudit module de baterie, les deux modules de baterie ayant des caractéristiques définies par des courbes de pression en fonction de température différentes l’une de l’autre. [0015] Toujours selon le second aspect, par exemple, les courbes diffèrent de pente.
[0016] Toujours selon le second aspect, par exemple, les courbes diffèrent de valeur de pression pour une même température.
[0017] Toujours selon le second aspect, par exemple, une enceinte est fournie pour chaque module de batterie, l’enceinte définissant un couloir de convection pour contrôler la température dudit module de batterie.
[0018] Toujours selon le second aspect, par exemple, les enceintes sont connectées en série pour former un couloir de convection continu.
[0019] Toujours selon le second aspect, par exemple, au moins un clapet est entre deux desdites enceintes.
[0020] Toujours selon le second aspect, par exemple, les enceintes sont côte à côte.
[0021] Toujours selon le second aspect, par exemple, chaque enceinte comporte un clapet en aval du couloir de convection.
[0022] Toujours selon le second aspect, par exemple, un ventilateur est en amont dudit couloir de convection d’au moins une desdites enceintes.
[0023] Selon un troisième aspect, il est proposé une méthode de gestion de pression et/ou de température d'opération d'au moins un module de batterie, la méthode comprenant les étapes de: loger des cellules de la batterie dans une cavité interne d’au moins un module de batterie, la cavité interne étant hermétiquement fermée et les cellules étant baignées dans un fluide; surveiller la température et/ou la pression du module; et lors de l’utilisation de la batterie, refroidir ou chauffer le module si ladite température et/ou ladite pression du module est à l’écart de valeurs prédéterminées en maintenant la masse de fluide constante dans le module de batterie en isolant hermétiquement ledit module de batterie d’ajout et de retrait de fluide.
[0024] Toujours selon le troisième aspect, par exemple, refroidir ou chauffer le module est fait par l’actionnement d’un module à effet Peltier en contrôlant une direction de courant.
[0025] Selon un autre aspect de la présente description, il est proposé une méthode de gestion de pression et de température d'opération d'un module de batterie, la méthode comprenant les étapes de: loger des cellules de la batterie dans une cavité interne du module de batterie, la cavité interne étant hermétiquement fermée et les cellules étant baignées dans un fluide; surveiller la température et/ou la pression du module; et lors de l’utilisation de la batterie, refroidir ou chauffer le module si ladite température et/ou ladite pression du module est à l’écart de valeurs prédéterminées.
DESCRIPTION DES DESSINS
[0026] Référence est faite aux figures qui accompagnent le present texte dans lesquelles :
[0027] Fig. 1 est un système ayant des modules de batterie conçus selon une réalisation de la présente description;
[0028] Fig. 2 est une vue en perspective d’un module de batterie conçu selon la présente description, avec un embout retiré et des cellules partiellement sorties d’un boîtier;
[0029] Fig. 3 est une vue en perspective du module de batterie de la Fig. 2 avec l’embout retiré et les cellules entièrement dans le boîtier;
[0030] Fig. 4 est une vue en perspective du module de batterie avec les embouts fixés au boîtier;
[0031] Fig. 5 est une vue explosée en perspective du boîtier du module de batterie de la Fig. 1 avec ses embouts;
[0032] Fig. 6 est une vue en perspective d’une série de cellules du module de batterie de la Fig. 2, selon une réalisation;
[0033] Fig. 7 est une vue d’élévation des cellules de la Fig. 6;
[0034] Fig. 8 est une batterie en ayant une géométrie distincte du module de batterie de la Fig. 2;
[0035] Fig. 9 est une vue des cellules du module de batterie de la Fig. 8;
[0036] Fig. 10 est une vue d’élévation des cellules du module de batterie de la Fig. 8; [0037] Fig. 11 est une vue fragmentée d’un système de chauffage/refroidissement de type module à effet Peltier pouvant être utilisé sur le boîtier du module de batterie de la Fig. 2, selon une réalisation;
[0038] Fig. 12 est une vue d’extremité du module de batterie de la Fig. 2 ayant des systèmes de chauffage/refroidissement de type module à effet Peltier tel que sur la Fig. 11 ;
[0039] Fig. 13 est une autre vue d’extremité du module de batterie de la Fig. 2 avec des systèmes de chauffage/refroidissement de type module à effet Peltier ainsi que des ailettes de dissiparation passives pour le boîtier;
[0040] Fig. 14 est une vue en perspective d’un boîtier ayant des éléments chauffants;
[0041] Fig. 15 est une vue schématique d’une enceinte pour un module de batterie de la Fig. 2; et
[0042] Fig. 16 est une vue en perspective de trois enceintes utilisées conjointement, chacune des enceintes incorporant un des modules batterie de la Fig. 2;
[0043] Fig. 17 est un graphique montrant les courbes de pression en fonction de température pour trois modules de batterie selon la Fig. 2, avec des pressions de départ différentes;
[0044] Fig. 18 est un graphique montrant les courbes de pression en fonction de température pour trois modules de batterie selon la Fig. 2, avec matériaux de boîtier différents;
[0045] Fig. 19 est un graphique montrant les courbes de pression en fonction de température pour trois modules de batterie selon la Fig. 2, avec membres de compression différents et/ou, des matériaux de boîtier différents;
[0046] Fig. 20 est un graphique montrant l’évolution de la pression du fluide en fonction de sa température pour un module de batterie selon la présente description, avec un module à effet Peltier;
[0047] Fig. 21 est un graphique montrant l’évolution de la pression et de la température du fluide en fonction du temps pour un module de batterie selon la présente description, avec un module à effet Peltier, lors d’un premier essai; [0048] Fig. 22 est un graphique montrant l’évolution de la pression et de la température du fluide en fonction du temps pour un module de batterie selon la présente description, avec un module à effet Peltier, lors d’un second essai; et
[0049] Fig. 23 est un graphique montrant l’évolution de la pression du fluide en fonction de sa température pour un module de batterie selon la présente description, avec un module à effet Peltier, avec ou sans membres de compression.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
[0050] Faisant référence aux figures et plus particulièrement à la Fig. 1 , un système pour l’utilisation et le contrôle des batteries selon la présente description est illustré au numéro 1. Le système 1 comprend trois modules de batterie 10 décrits ci-dessous, bien qu’il puisse y avoir plus ou moins de ces modules de batterie 10 dans le système 1. Selon une réalisation, les modules de batterie 10 peuvent être décrits comme étant des batteries tout solides et qui sont contrôlables en pression et/ou température, notamment en utilisant l’effet Peltier. Les modules de batterie 10 peuvent également être utilisés dans des batteries à électrolyte tout solide, liquid, hybride, etc. Les modules de batterie 10 peuvent aussi être identifiés par batterie, module de cellule, etc. Les modules de batterie 10 du système 1 peuvent avoir des caractéristiques d’opération différentes, notamment selon les configurations décrites pour les Figs. 17 à 19. Tel qu’expliqué ci-dessous, le système 1 a la caractéristique de pouvoir être opéré tout en gardant une masse constante de fluide (e.g., huile) dans les modules de batterie 10 selon un mode hermétique d’opération, tout en permettant simultanément le contrôle de pression et/ou température dans les modules de batterie 10, contrairement à certains systèmes dynamiques qui varient la masse d’huile dans les modules de batterie 10 durant l’opération pour contrôler la pression et/ou la température. Lorsqu’on mentionne l’opération du système 1 , ceci implique la recharge des batteries et/ou l’utilisation des batteries pour alimenter une demande d’énergie. Les variations de pression et/ou de température peuvent être liés à plusieurs facteurs, tels la recharge, la décharge, les conditions ambiantes de l’environnement de la batterie, le refroidissement, etc. Le système de la figure 1 montre divers modules de gestion de batterie, tels un système de gestion de batterie BMS, un sous-systèmes de contrôle de la température ayant un module de régulation de température avec des thermocouples ou autres dispositifs de mesure de température, un module d’ajustement de température, selon des consignes. Le système de gestion de batterie comprend donc au moins un processeur, et un support ou mémoire lisible par le processeur et comprenant des instructions machine, le support et/ou la mémoire lisible ayant stocké des énoncés et des instructions qui doivent être exécutées par un ordinateur pour effectuer une méthode de contrôle de la température telle que décrite dans la présente description. Par le système de gestion BMS, la direction de courant à un module à effet Peltier peut être inversée pour réchauffer ou refroidir le module de baterie.
[0051] Dans le cadre de cete divulgation, une baterie ou module de baterie 10 comprend des cellules qui sont composées de deux électrodes - un pôle positif (ou cathode) et un pôle négatif (ou anode) - séparés par un milieu faisant office de conducteur ionique, appelé électrolyte. Les cellules peuvent être de différentes architectures, formats et dimensions. Les anodes, cathodes et électrolytes peuvent être constitués de différents matériaux. L’électrolyte peut être liquide, solide, hybride (polymère, céramique, liquide, etc.). La baterie de type tout solide est une réalisation parmi d’autres. Les cellules sont raccordées à un circuit électrique pour leur utilisation.
[0052] Dans la Fig. 2, le module de baterie 10 est montré en vue partiellement explosée. Le module de baterie 10 comprend un boîtier 20 (i.e., élément tubulaire), conçu pour incorporer des cellules 30. Un circuit embarqué peut être connecté aux cellules 30 pour piloter leur opération et surveiller leur état de charge. Le ou les circuits embarqués peuvent inclure des unités de puissance, des dissipateurs d’énergie, des limiteurs de courants et un chargeur intelligent (non illustrés), permetant de générer les conditions pertinentes de pression, de température et de densité de courant pour obtenir les performances optimales des modules de baterie 10. Ce ou ces circuits embarqués peuvent être à l’intérieur ou à l’extérieur des modules. Des embouts 40 (i.e., éléments d’extrémité) sont aux extrémités du boîtier 20 pour sceller l’intérieur de le module de baterie 10. Le module de baterie 10 peut inclure optionnellement des éléments chauffants tels que des modules à effet Peltier 50 montrés dans la Fig. 11 , ou des éléments résistifs 50’, illustrés dans la Fig. 14, une pompe 60 telle que montrée dans la Fig. 14 aussi, et les modules de baterie 10 peuvent être à l’intérieur d’enceintes 70 telles que montrées dans la Fig. 16. Les cellules 30 baignent dans un fluide retenu par le boîtier 20. Le fluide peut être un liquide, avantageusement une huile, et plus avantageusement une huile minérale permetant de neutraliser des réactions chimiques potentielles dans l'éventualité d'une cellule défectueuse ou endommagée. Cet effet de neutralisation se produit, entres autres raisons, en raison des propriétés chimiques du fluide, de l’absence d’oxygène autour des cellules, et/ou de l’application d’une pression isostatique basée sur un fluide incompressible, etc. Notamment, l’utilisation d’huile peut permetre d’éviter l’effet de combustion découlant d’une réaction chimique d’une cellule défectueuse, en isolant une telle cellule d’oxygène ambiant.
[0053] Dans la réalisation de la Fig. 2, le boîtier 20 a un corps creux 21 de forme cylindrique. Cete forme cylindrique est illustrée par la surface externe 21A du corps creux 21. La surface externe 21 A peut être lisse et de forme cylindrique, ou peut avoir d’autres et des composantes de surfaces, comme des ailettes de dissipation 21 B illustrées à la Fig. 13, décrites ci-dessus.
[0054] Le boîtier 20 définit aussi une cavité interne 22 (Le., une chambre) telle que délimitée par la surface interne 22A. La cavité interne 22 peut être de forme cylindrique ou peut avoir d’autres formations sur sa surface interne 22A, tout comme la surface externe 21A, avec des réalisations décrites ci-dessous. Optionnellement, des brides 23 sont positionnées aux extrémités du corps creux 21. Les brides 23 sont du type à projeter radialement. Des trous 23A dans les brides 23 peuvent être disposés de manière circonférentielle dans la bride 23 pour pouvoir fixer les embouts 40 sur le boîtier 20. Divers autres éléments peuvent être présents, dont des joints d’étanchéité pour assurer que le fluide à l’intérieur du module de batterie 10 y reste, soit de l’huile.
[0055] Le boîtier 20 reçoit dans sa cavité interne 22 une pluralité de cellules 30. Les cellules 30 peuvent avoir un corps 31 avec des éléments de stockage chimique. Telles qu’illustrées dans la Fig. 7, le corps des cellules 30 peut être sous forme de sachet. Des connecteurs 32 sont aux extrémités du corps 31 et servent pour la connexion d’électrodes et/ou pour relier les cellules 30 les unes aux autres. Telles que montrées à la Fig. 3, certaines des cellules peuvent être séparées par des membres de compression 35. Les membres de compression 35 sont par exemple des plaques de différentes valeurs de compressibilité, qui permettent de concevoir des modules de batterie 10 ayant une relation désirée d’augmentation de valeur de pression en fonction d’augmentation de valeur de la température, tel que montré à la Fig. 19, décrite ci-dessous. Les membres de compression 35 sont optionnels, et peuvent prendre différentes formes. Notamment, en guise d’exemple seulement, les membres de compression 35 peuvent être des panneaux de mousse elastomériques, des feuilles de papier bulle, etc. Des arrangements de connexion électrique, des plaquettes 36 et autres composantes peuvent être présentes pour maintenir les cellules 30 en position, pour les brancher à un circuit électrique, pour les espacer. Ces composantes peuvent être semblables à celles présentes dans la demande de brevet internationale no. PCT/CA2022/051538, déposée le 19 octobre 2002, le contenu de laquelle est incorporé dans la présente demande de brevet par référence.
[0056] Aux Fig. 2 à 5, les embouts 40 sont montrés comme ayant un corps de fermeture 41 de forme hémisphérique ou de coupole. D’autres géométries sont considérées. Ainsi, le corps de fermeture 41 a une surface externe 41A de forme hémisphérique. En raison de la forme tridimensionnelle du corps de fermeture 41 , l’embout 40 peut avoir une cavité interne 42 (Fig. 5) définie par une surface interne 42A. Cette cavité interne 42 peut être en communication fluidique avec la cavité interne 22 du boîtier 20, bien qu’une plaque peut être utilisée pour créer une chambre isolée dans au moins un des embouts 40. Cette chambre isolée pourrait notamment recevoir des composantes électroniques qui ne doivent pas baigner dans le fluide du boîtier.
[0057] Une bride 43 peut projeter radialement du corps de fermeture 41. La bride 43 peut avoir une géométrie similaire aux brides 43 du boîtier 20. Les trous 43A sont disposés circonférentiellement sur la bride 43 et permettent l’utilisation d’attaches tels des vis et boulons pour sécuriser les embouts 40 sur le boîtier 20. Par exemple, ces attaches sont illustrées par 43B dans la Fig. 5. Des ports 44 peuvent être à l’extrémité des embouts 40 ou à d’autres localisations. Des ports 44 permettent l’injection d’un fluide à l’intérieur du boîtier 20. Il peut être observé dans les Fig. 3 et 4 qu’il y a des ports 44 aux deux extrémités de le module de batterie 10. Ces ports 44 sont des entrées et/ou sorties fluidiques, et peuvent permettre notamment à un gaz de s’échapper lors du remplissage du module de batterie 10 par de l’huile, par exemple. Le port 44 peut comprendre une valve ou toute autre forme de bouchon pour permettre l’injection de liquide dans le module de batterie 10 et son drainage subséquent, tout en étant étanche lors de l’utilisation. Les ports 44 peuvent être localisés ailleurs, notamment sur le boîtier 20. Le port 44 peut comprendre une valve/soupape de sécurité permettant d’évacuer de l’huile ou des gaz si la pression à l’intérieur du module 10 dépasse la valeur maximale de conception. Tel qu’illustré à la Fig. 5, un membre de compression 45 peut être positionné dans un ou deux des embouts. Le membre de compression 45 peut être un coussinet avec une résilience donnée. Les membres de compression 45, tout comme les membres de compression 35, contribuent au contrôle de la pression à l’intérieur du module de batterie 10. Malgré la présence de port(s) 44 dans les modules de batterie 10, le ou les ports 44 peuvent être fermés durant l’opération des modules de batterie, de manière à ce que la masse de fluide dans les modules de batterie 10 ne varie pas durant l’utilisation. Le module de batterie 10 est en mode hermétique, en ce que le fluide du module de batterie 10 ne peut sortir du boîtier durant l’utilisation du module de batterie 10 en recharge/décharge, et aucun fluide ne peut être ajouter dans le boîtier durant ce mode hermétique. Le module de batterie 10 est isolé hermétiquement d’ajout et de retrait de fluide, Ceci étant dit, dans certaines circonstances, il peut y avoir un ajout ou une perte de masse fluidique, notamment par fuite, remplissage, mais de telles variations peuvent être négligeables, et ne constituent pas la méthode par laquelle le système 1 va réguler sa température et/ou sa pression.
[0058] Donc, les modules de batterie 10 comprennent la série de cellules 30 en file telle que montrée à la Fig. 6. Les cellules 30 peuvent donc être insérées dans le corps creux 21 de manière à remplir le boîtier 20. Il peut y avoir des membres de compression 35 entre certaines des cellules 30. [0059] Bien que la forme de boîtier cylindrique soit avantageuse pour un réservoir sous pression, il est possible d’avoir des boîtiers 20 ayant une forme différente. Un exemple est montré dans les Fig. 8 à 10, dans lequel le boîtier 20 a une forme prismatique. Pour permettre la comparaison entre les modules de batterie des Figs. 2 à 7 et des Figs. 8 à 10, les mêmes numéros de référence seront utilisés pour les componsantes ayant les mêmes fonctionalités, malgré les différences géométriques.
[0060] Bien que les cellules 30 puissent avoir une forme circulaire ou carrée, une configuration envisagée est d’avoir deux piles de cellules rectangulaires 30 selon ce qui est montré dans les Fig. 9 et 10. Ainsi, les cellules 30 des Fig. 9 et 10 ont le corps 31 allongé avec des connecteurs aux extrémités, des connecteurs étant illustrés par 32. Des membres de compression 35 peuvent être présents entre certaines des cellules 30. Ainsi, tel qu’illustré dans la Fig. 8, il peut y avoir deux ou plus de piles de cellules 30 côte à côte. Les embouts 40 de la Fig. 8 sont des plaques plates à défaut d’avoir un corps creux. Les Fig. 8 à 10 ne sont qu’une solution parmi d’autres.
[0061] La Fig. 11 montre un module à effet Peltier 50, qui peut optionnellement être utilisé dans les divers modules de batterie 10 décrits dans la présente description. Le module à effet Peltier 50, aussi décrit comme système de chauffage/refroidissement de type module de Peltier, convertit un courant électrique en différentiel de temperature. Le sens du courant alimenté au module à effet Peltier 50 peut être inversé pour chauffer ou refroidir. Le module à effet Peltier 50 peut ainsi comprendre deux faces, l’une étant froide et l’autre étant chaude, les expressions « froide » et « chaude » étant utilisées relativement l’une par rapport à l’autre. Selon une réalisation, le module à effet Peltier 50 est conçu d’une série de couples semi-conducteurs, les électrons de ces couples agissant en tant que caloporteurs. Selon une réalisation, les faces sont des plaques de céramique (ou autre matériau), séparées par exemple par des pastilles semi-conductrices. Dans la Fig. 11 , le module à effet Peltier 50 comprend une face 50A qui a une forme correspondant à celle de la paroi extérieure 21A du corps creux 21 du boîtier 20 pour s’appuyer contre celle-ci pour conduction de chaleur, de sorte que l’alimentation d’un courant dans le module à effet Peltier 50 permette de chauffer ou refroidir le fluide dans la cavité interne 22. Cette forme est un segment de surface cylindrique, mais pourrait être autre, notamment si le boîter 20 est prismatique. Le face 50A pourrait notamment être plate. Il pourrait aussi être considéré que la paroi du boîtier, ou une partie de la paroi, puisse être un module à effet Peltier. Optionnellement, la face opposée du module à effet Peltier 50 peut être munie d’ailettes 50B pour contribuer à l’échange de chaleur avec l’environnement ambiant du module 10. En faisant transiter un courant dans le module à effet Peltier 50, notamment via les câbles 50C, le fluide de la cavité interne 22 peut être chauffé par conduction via la face 50A du module à effet Peltier 50 en contact avec la paroi extérieure 21A du corps creux 21 du boîtier 20. Par effet de dilatation thermique du fluide, la pression interne du boîtier 20 augmentera. En inversant le sens du courant dans le module à effet Peltier 50, le fluide de la cavité interne 22 est refroidi par la face 50A du module à effet Peltier 50 en contact avec la paroi extérieure 21A du corps creux 21 du boîtier 20. La direction du courant peut être contrôlée par le BMS. Par effet de dilatation thermique du fluide, la pression interne du boîtier 20 diminuera. Tel que montré dans les Figs. 12 et 13, différentes distributions et configurations de modules à effet Peltier 50 peuvent être présentes selon l’effet qui est désiré. La Fig. 11 montre un module à effet Peltier 50 muni de quatre ailettes 50B, mais ces ailettes 50B sont optionnelles, où peuvent être moins que quatre ou plus de quatre. Dans la réalisation de la Fig. 12, le boîtier 20 est entouré de huit des modules à effet Peltier 50 de la Fig. 11 , en guise d’exemple. Dans la Fig. 13, des ailettes de dissipation passives 21 B sont aussi présentes, optionnellement en combinaison avec des modules à effet Peltier 50. Ces ailettes de dissipation passives 21 B peuvent être faite à même la paroi extérieure 21A du boîtier 20, ou peuvent avoir une géométrie similaire aux modules à effet Peltier 50, entre autres, avec une face épousant le boîtier 20, et des ailettes en direction radiale ou autre direction.
[0062] À la Fig. 14, des éléments chauffants 50’ sont à l’intérieur du module de batterie 10. Les éléments chauffants 50’ sont illustrés comme étant des baguettes d’éléments résistifs. Il peut être considéré d’en installer à certaines parties du boîtier 20 pour contribuer au chauffage du fluide de la cavité interne 22. Ces éléments chauffants 50’ peuvent être sur la surface extérieur du boîtier 20, et/ou dans la paroi du boîtier, entre autres possibilités.
[0063] Dans les Fig. 15 et 16, des enceintes 70 sont illustrées. Les enceintes 70 définissent un volume intérieur 70A dans lequel les modules de batterie 10 sont positionnés, le volume intérieur 70A étant un couloir de convection. Pour chaque enceinte 70, un clapet d’admission d’air 71 et des clapets d’évacuation d’air 72A et 72B peuvent être présents et un ventilateur 73 peut causer un mouvement d’air à l’intérieur des enceintes 70. Les clapets d’admission 71 et les clapets d’évacuation 72A.72B peuvent être agencés de manière à ce que l’air circule en série dans les enceintes 70 qui sont positionnées côte à côte. Notamment, certains des clapets d’évacuation 72A peuvent évacuer l’air vers l’extérieur alors que d’autres clapets d’évacuation 72B permettent de faire circuler l’air entre enceintes 70. Ceci est optionnel. Les enceintes 70 permettent de récupérer par convection, forcée ou non, l’air froid ou l’air chaud provenant d’un module. Cet air chaud ou froid est soit évacué vers l’extérieur, soit redirigé vers les autres enceintes pour contribuer au chauffage ou au refroidissement des modules adjacents. Dans l’agencement de la Fig. 16, deux types d’enceinte sont montrées, et permettent une circulation d’air en série entre enceintes 70. Les enceintes 70 peuvent aussi être utilisées en parallèle l’une à l’autre, chacune des enceintes 70 ayant par exemple son propre ventilateur 73. Le contrôle des clapets 71 , 72A et 72B peut s’effectuer de manière à se conformer aux pressions d’opérations optimales des différents modules 10, selon les Figs. 17 à 19. Bien que les enceintes 70 soient illustrées côte à côte, avec un chemin de convection en serpentin, d’autres agencements sont considérés, selon notamment l’espace disponible. Par exemple, des enceintes 70 pourraient être bout à bout, et/ou l’une par-dessus l’autre.
[0064] Maintenant que diverses réalisations du module de batterie 10 sont décrites, le contrôle de la pression et/ou de la température des modules de batterie 10 est précisé. La présente divulgation propose de construire le système 1 (Fig. 1 ) qui permet de réguler la pression du fluide à l’intérieur d’un module 10 tout en ne contrôlant que la température du fluide. Dit autrement, le système 1 (Fig. 1 ) permet de réguler la pression du fluide à l’intérieur d’un module 10 en utilisant uniquement de l’énergie électrique pour refroidir ou chauffer le module 10. Cette régulation peut se faire tout en gardant constante la masse de fluide dans le module 10, i.e. , le module 10 est étanche et ne varie pas son contenu de fluide durant l’opération et le contrôle de température. Le système 1 peut être opéré en monitorant seulement la température des modules 10. Ceci peut être nommé le mode hermétique d’opération du module de battterie 10, durant lequel il n’y aucune ajout ou retrait volontaire de fluide (e.g., huile) du boîtier. Ce contrôle part du fait que la dilatation thermique de l’huile ou autre fluide sous pression contenue dans un réservoir hermétique à volume constant résulte en une augmentation de la pression dans le réservoir à mesure que la température de l’huile augmente. Cette relation entre l’augmentation de la température du fluide et l’augmentation de la pression dans un réservoir fermé en mode hermétique, et n’opérant pas de variation de masse de fluide, tel le boîtier 20 avec embouts 40, est quasi linéaire, selon le coefficient de dilatation thermique et le module de compressibilité de l’huile.
[0065] En utilisant plusieurs modules de batterie 10 dans un même système (e.g., le système 1 ), il est possible de concevoir des modules 10 pour lesquels le profil d’évolution de la pression en fonction de la température sont différents (non linéaire ou linéaire avec pentes différentes), et donc créer un système 1 ayant différentes caractéristiques de performance propres aux modules de batterie 10, et complémentaires si désiré. La simplicité de ce contrôle de pression peut résulter en l’élimination de plusieurs sous-systèmes, et donc peut résulter en une meilleure densité énergétique (Wh/I) des modules 10; une meilleure énergie spécifique (Wh/kg) des modules 10. Ceci peut-être fait par la conception/utilisation de plusieurs modules 10 en parallèle, de même chimie ou de chimies différentes, qui auraient des caractéristiques de performances complémentaires: module d’opération à basse température, module de puissance, module d’énergie (autonomie), module sacrifice.
[0066] En référence à la Fig. 17, un graphique y est montré illustrant les courbes de pression en fonction de la température, pour trois différents modules 10. Ces modules 10 ont les mêmes réservoirs hermétiques (volume et forme) et sont fait du même matériau. Le profil d’évolution de la pression en fonction de la température sera le même (même pente) pour les trois modules 10. On peut donc concevoir, à titre d’exemple, trois modules de batterie 10 différents, en fixant la pression des modules 10 à différentes valeurs initiales, pour une valeur de température d’opération initiale, par exemple 25°C.
[0067] À la figure 18, un autre graphique y est montré illustrant les courbes de pression en fonction de la température, pour trois différents modules 10. Ces modules 10 ont les mêmes réservoirs hermétiques (volume et forme), mais sont faits de matériaux différentes, par exemple en magnésium, en aluminium, en acier. Le profil d’évolution de la pression en fonction de la température ne sera pas le même (pentes différentes). On peut donc concevoir, à titre d’exemple, trois modules de batterie 10 différents, en fixant la pression des modules 10 à la même valeur initiale, pour une valeur de température d’opération initiale, par exemple de 25°C. Cette approche est basée sur le module de Young des matériaux, qui dicte la déformation plastique d’un matériau en fonction de la contrainte à laquelle il est soumis, ici la pression interne du réservoir, i.e. , le boîtier 20. Un matériau dont le module de Young est très élevé est dit rigide. Un boîtier 20 fait d’aluminium standard (module de Young de 69 Gpa), soumis à une même pression d’opération que le même boîtier 20 en acier inoxydable (module de Young de 203 Gpa), se déformera plus. La pression exercée par l’huile en expansion (augmentation de température) sur le boîtier 20 d’aluminium augmentera donc moins rapidement parce le volume du boîtier 20 augmentera légèrement sous la pression (déformation de l’aluminium). De la même façon, un boîtier 20 fait de magnésium (module de Young de 45 Gpa), soumis à une même pression d’opération que le même réservoir en aluminium standard (module de Young de 69 Gpa), se déformera plus.
[0068] À la figure 19, un autre graphique y est montré illustrant les courbes de pression en fonction de la température, pour trois différents modules 10. Ces modules 10 ont les mêmes boîtiers 20 hermétiques (forme et volume), peuvent être faits du même matériau. Par contre, une partie du volume intérieur est constituée de matériaux compressibles différents (type et/ou quantité), par exemple sous forme des membres de compression 35 et/ou 45. En conséquence, le profil d’évolution de la pression en fonction de la température ne sera pas le même (pentes différentes). On peut donc concevoir, à titre d’exemple, trois modules de batterie 10 différents, en fixant la pression des modules à la même valeur initiale ou non, pour une valeur de température d’opération initiale, par exemple de 25°C. Cette approche est basée sur le module de compressibilité des matériaux 35 et/ou 45 qui sont insérés dans la cavité interne du boîtier 20, incluant potentiellement l’intérieur des embouts 40 pour les membres de compression 45. Les membres de compression 35 et/ou 45 pourraient être sous forme de pièces d’élastomères, de mousses ou autres matériaux plus ou moins compressibles, en plus ou moins grande quantité. Ces membres de compression 35 et/ou 45, en fonction de leurs modules d'élasticité isostatique (voire compressibilité), se déformeraient plus ou moins sous la pression fluidique dans le module 10, ce qui résulterait en des taux différents d’augmentation de pression en fonction de la température, selon les différences entre membres de compression 35 et/ou 45. Cette approche peut être définie par la capacité de concevoir un réservoir (i.e. boîtier) possédant un module de Young dit global (MYG), déterminé par l’ensemble des modules de Young des constituants du module 10.
[0069] Les figures 20 à 23 montrent différents graphiques illustrant la pression et la température d’un module de batterie 10, dans diverses conditions d’opération, en guise d’exemple non-limitatif. La figure 20 est un graphique montrant l’évolution de la pression en fonction de la température pour un module de batterie selon la présente description, muni d’une boîtier 20 en aluminium en guise d’exemple, avec un module à effet Peltier du genre illustré par 50. Le module à effet Peltier 50 a été opéré pour chauffer et ensuite refroidir le module de batterie 10. Les figures 21 et 22 sont pour le boîtier 20 en aluminium, et illustrent la pression et la température qui se suivent, dans des essais à différentes températures et pressions de départ, à nouveau avec chauffage et refroidissement par l’actionnement du module à effet Peltier 50. Finalement, la figure 23 porte sur l’évolution de la pression en fonction de la température pour un module de batterie 10 en aluminium ou en acier, par l’actionnement du module à effet Peltier 50, avec ou sans membres de compression, tels ceux montrés par 35. On peut y constater que les membres de compression 35, tels un papier bulle ou de la mousse, peuvent modifier le taux de variation de pression du fluide dans le module de batterie 10, en fonction de sa température.
[0070] La conception du module de batterie 10 étant établie, le taux de variation de la pression en fonction de la variation de température peut donc être fixé et prévisible. Il faut donc être en mesure d’efficacement régler température dans les modules de batterie 10. Les qualités d’un système de régulation efficace de la température pour une telle application peuvent être parmi les suivantes :
• Taux de changement de température d’opération (°C/seconde);
• Uniformité de la température sur la superficie des cellules 30 des modules 10;
• Consommation énergétique du système 1 ;
• Volume et poids du système 1 (énergie spécifique et densité énergétique du module);
• Complexité du système 1 et de ses systèmes périphériques;
• Robustesse;
• Sécurité face à un incident, un défaut, un court-circuit ou un emballement thermique. [0071] Par ailleurs, certains éléments de contexte sur les chimies relatives aux batteries tout solide doivent être pris en considération. On estime pour le moment que les électrolytes polymères nécessitent une pression d’opération plus basse que celle nécessaire pour les électrolytes à base de céramique (e.g., 200 psi versus 900 psi). Un module de batterie 10 devrait donc tenir compte d’une plage de pression assez vaste. Une température d’opération plus élevée (30°C et plus), dans le respect des caractéristiques des matériaux et des aspects de sécurité, favorise de meilleures performances des cellules 30. À de basses températures (0°C par exemple), les modules de batterie 10 sont soit inutilisables ou très peu performants. Il est admis qu’une pression d’opération plus élevée, dans le respect des caractéristiques des matériaux et des aspects de sécurité, favorise de meilleures performances des cellules 30, ou n’affecte pas les performances des cellules 30. En opération, les cellules 30 des modules 10 génèrent de la chaleur qui peut servir à réchauffer l’huile du module 10 dans lequel elles sont localisées. Cette chaleur peut aussi être récupérée pour chauffer l’huile d’un autre module 10. Donc, selon une réalisation, les modules 10 seront chauffés, par exemple par les éléments chauffants 50, et donc les opérer à plus haute pression. La fonction principale de régulation de pression pourrait donc basée sur une évacuation de la chaleur vers d’autres modules 10 ou vers l’extérieur du module 10.
[0072] Diverses réalisations peuvent être mises en oeuvre pour la gestion de la pression et de la température dans les modules de batterie 10, pris seuls ou en groupe. Notamment, la circulation d’huile peut être induite dans le module 10, pour l’échange de chaleur avec les cellules 30, visant l’uniformité de la température des cellules 30. Une approche préconise le chauffage de l’huile par le bas du boîtier 20 (e.g., Fig. 14, éléments chauffants 50) et l’huile chaude migre vers le haut, par gravité, en raison de la densité plus basse de l’huile chaude par rapport à l’huile froide, l’huile circulant par les interstices séparant les cellules 30. De la même façon, on refroidit les cellules par le haut du boîtier 20 et l’huile froide migre vers le bas. Les ailettes de dissipation thermique 21 B de la Fig. 13 et une convection externe sur le boîtier 20 peuvent entre autres contribuer au refroidissement de l’huile. La circulation de l’huile peut être forcée, par exemple par la pompe 60 (Fig. 14) localisée dans le boîtier 20, de manière à forcer la circulation de l’huile sur les cellules 30 par des conduits favorisant un échange de chaleur optimal, sans toutefois modifier la masse de fluide dans le module 10 durant l’opération, dans un mode hermétique. Outre les différents systèmes montrés ci- dessus, tels les modules à effet Peltier 50, les éléments chauffants 50’, etc, il est possible d’utiliser d’autres moyens pour chauffer ou refroidir les modules de batterie 10. Par exemple, les modules de batterie 10 pourraient être chauffés et/ou refroidis par un système de réfrigération externe de type tuyaux avec réfrigérant, notamment utilisé en tant que thermopompe, les tuyaux de réfrigérant étant en contact avec le boîtier 20. Un autre exemple de système de réfrigération avec cycle de Carnot serait réalisé par un système extérieur de chauffage par fluide caloporteur, e.g., eau, glycol, circulant dans des tuyaux et entourant le boîtier 20 du module ou des modules 10, etc. Dans un autre exemple, un système de réfrigération utilise un circuit caloporteur avec un puits de chaleur (e.g., convection ambiante par radiateur pour véhicule en mouvement), sans cycle de Carnot. Ces exemples en sont quelques uns parmi d’autres permettant de contrôler la température des modules 10.
[0073] La chaleur générée par les cellules 30 elles-mêmes peut contribuer au contrôle de température. L’huile est chauffée à l’aide de la chaleur générée par les cellules 30 en opération, et la pression du module 10 s’en trouve ajustée. Le système 1 peut comprendre multiples modules 10, et une récupération de la chaleur évacuée par un des modules 10 ayant atteint sa température d’opération pour contribuer à chauffer les autres modules 10. Les enceintes 70, ou autre conduits peuvent notamment servir à contenir la chaleur et la diriger vers d’autres enceintes pour chauffer les modules 10 dans ces autres enceintes. Des ventilateurs peuvent être utilisés pour forcer la convection et l’évacuation de chaleur vers les autres modules 10 nécessitant de la chaleur.
[0074] Le système 1 peut aussi être muni d’un ou de module(s) à effet Peltier 50. Un tel module(s) 50 a une surface en contact avec la ou les parois du boîtier 20, et une autre surface exposée à l’environnement ambiant. Dans un scénario de dissipation de chaleur, le module à effet Peltier 50 peut être alimenté en courant pour que sa surface froide soit en contact avec les parois du boîtier 20, et la surface chaude est vers l’extérieur du boîtier 20.
[0075] Diverses de ces configurations peuvent être combinées selon les besoins du système 1 .
[0076] Dans l’ensemble, le système 1 peut être contrôlé selon certaines considérations. Dans une perspective de régulation de la température de l’huile dans laquelle les cellules 30 sont immergées, la chaleur générée par ces dernières en cours d’opération peut être soit récupérée, soit évacuée. Il est en général avantageux d’opérer les batteries tout solide à des températures les plus élevées possibles, tout en demeurant en deçà des valeurs limites dictées par les propriétés des matériaux dont les cellules sont constituées. À basse température ambiante (0°C par exemple), il sera avantageux de conserver cette chaleur pour une opération optimale des cellules 30, ou de la récupérer d’un module 10 pour permettre d’élever la température d’un autre module 10. À température ambiante élevée (45°C par exemple), les cellules 30 de batterie tout solide seront plus performantes/efficaces. [0077] Le boîtier 20 des modules 10 comprend les cellules 30, le fluide tel l’huile et les systèmes de chauffage/refroidissement de l’huile discutés ci-dessus, ces derniers étant localisés à l’intérieur ou à l’extérieur du boîtier 20.
[0078] Pour les fins de récupération et d’échange de chaleur entre les différents modules 10, ces derniers peuvent être placés dans des enceintes 70, isolant les modules 10 les uns des autres, les enceintes 70 communiquant entre elles lorsque nécessaire pour selon les températues. Le système d’échangeur de chaleur entre les différents modules 10, notamment par les enceintes 70, vise donc à utiliser de façon optimale la chaleur naturellement générée par les cellules 30 lors de leur opération. On peut conserver dans un module 10 la chaleur générée par ses cellules 30, la rediriger vers un autre module 10, ou l’évacuer du système 1 .
[0079] Les dispositifs permettant de refroidir l’huile (e.g., module à effet Peltier 50, ailettes 21 B, enceintes 70) ou de chauffer l’huile (élément chauffant 50’, module à effet Peltier 50) sont utilisés lorsque les paramètres d’opération de la batterie le suggèrent et que les conditions naturellement générées par le système (incluant le paramètre de température ambiante) ne permettent pas d’opérer la batterie de façon optimale. Malgré son chauffage et son refroidissement, le système 1 maintient constant la masse d’huile dans le module de batterie 10. Ceci peut être nommé un mode hermétique d’opération de la batterie.
[0080] Les enceintes 70 définissent donc une structure fermée, munie de clapets pouvant être en position ouverte ou fermée, et ceux-ci sont commandés par un système de commande géré par le système de gestion des batteries BMS, par exemple via un actionneur, du type solénoïde par exemple. Ces clapets 71 et 72A.72B permettent l’admission d’air extérieur dans l’enceinte 70, l’échappement d’air vers l’extérieur de l’enceinte 70 ou l’échappement d’air vers l’enceinte 70 incorporant le module adjacent 10. À chaque clapet peut correspondre une ouverture alignée dans le module adjacent.
[0081] Pour permettre un échange de chaleur efficace, par convection, un ventilateur peut être placé à l’extrémité de l’enceinte 70. Pour permettre le transfert efficace de l’air d’une enceinte 70 à l’autre, différents modèles d’enceinte 70 peuvent être utilisés. Ainsi, selon la Fig. 1 , l’air expulsé hors d’une enceinte 70 est soit chaud, soit froid. Un exemple efficace de configuration possible de modules (module 1 , module 2, module 3) impliquerait que l’air chaud des enceintes soit expulsé vers le module adjacent (T°Module 1 < T°Module 2 < T°Module 3). De cette façon, le design du système résulterait en trois modules 10 complémentaires, soit basés sur des cellules de chimies différentes, et/ou basé sur des modules 10 de fonctions différentes (énergie versus puissance, à titre d’exemple), et/ou soit sur des modules ayant des profils différents d’évolution de la pression en fonction de la température, donc là aussi, dédiées à des fonctions différentes, notamment selon les Figs. 17 à 19.
[0082] Le système 1 est donc simple en ce qu’il opère un chauffage et/on refroidissement tout en gardant la masse d’huile constante en mode hermétique, et permet de réguler à la fois la température d’opération des cellules 30 et la pression du fluide à l’intérieur d’un module 10, en ne contrôlant que la température du fluide emprisonné dans le module 10, i.e., pas d’ajout ou de retrait d’huile durant l’opération. Si désiré, le système peut donc fonctionner sans système de pression mécanique ou autre, système de refroidissement des cellules, pompe, valve, réservoir, etc. De plus, l’huile dans laquelle baigne les cellules 30 sert à neutraliser/retarder/empêcher les réactions chimiques des cellules 30 en cas de défaillance.
[0083] Le module de batterie 10 peut donc être défini comme comprenant un boîtier définissant une cavité interne; au moins un embout fermant un accès à la cavité interne, l’embout étant fixé au boîtier, l’embout étant optionnel. Des cellules sont dans la cavité interne, les cellules étant baignées dans un liquide contenu dans la cavité interne. Le module de batterie est hermétiquement fermé pour que le fluide produise une pression isostatique sur les cellules. Le fluide ayant un module de compressibilité très élevé (huile versus air) sera dit incompressible. Les fluides incompressibles, versus les fluides dit compressibles, appliquant une pression isostatique sur les cellule de batterie, peuvent avoir un effet favorable sur les performances des cellules de batterie et sur leur sécurité d’utilisation. Un système de batterie peut comprendre au moins deux de ces modules de batterie, les deux modules de batterie ayant des caractéristiques définies par des courbes de pression en fonction de température différentes l’une de l’autre. Notamment, les courbes diffèrent de pente et/ou les courbes diffèrent de valeur de pression pour une même température.
[0084] La présente description propose aussi une méthode de gestion de pression et de température d'opération d'un module de batterie, la méthode comprenant les étapes de: loger des cellules de la batterie dans une cavité interne du module de batterie, la cavité interne étant hermétiquement fermée et les cellules étant baignées dans un fluide; surveiller la température et/ou la pression du module; et lors de l’utilisation de la batterie, refroidir ou chauffer le module si ladite température et/ou ladite pression du module est à l’écart de valeurs prédéterminées.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Un module de baterie comprenant : un boîtier définissant une cavité interne; des cellules dans la cavité interne, les cellules étant baignées dans un fluide contenu dans la cavité interne, les cellules conçues pour être raccordé à un circuit électrique; et caractérisé en ce que le module de baterie est hermétiquement fermé pour que le fluide produise une pression isostatique sur les cellules, et pour maintenir la masse de fluide constante dans le module de baterie durant l‘utilisation du module de baterie en mode hermétique.
2. Le module de baterie de la revendication 1 , comprenant au moins un module à effet Peltier en contact le boîtier, le module à effet Peltier étant activé pour sélectivement chauffer ou refroidir le fluide contenu dans la cavité interne.
3. Le module de baterie de la revendication 2, dans lequel le module à effet Peltier comprend des ailetes sur sa surface libre.
4. Le module de baterie de l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant au moins un élément de compression entre au moins deux cellules adjacentes.
5. Le module de baterie de l’une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant au moins un élément résistif dans la cavité interne pour chauffer le fluide.
6. Le module de baterie de l’une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant au moins une plaque à ailetes en contact avec le boîtier.
7. Le module de baterie de l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant au moins une pompe dans la cavité interne dudit boîtier pour faire circuler le fluide.
8. Le module de baterie de l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le fluide est de l’huile.
9. Un système de baterie comprenant : au moins un module de baterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 8; un système de contrôle comprenant au moins un processeur, et une mémoire lisible par ordinateur ayant stocké des instructions qui doivent être exécutées par ledit au moins un processeur pour : surveiller la température et/ou la pression dudit au moins un module de baterie, et lors de l’utilisation dudit module de batterie, activer le refroidissement ou le chauffage dudit module si ladite température et/ou ladite pression du module est à l’écart de valeurs prédéterminées, tout en maintenant la masse de fluide constante dans ledit module de batterie et en isolant hermétiquement ledit module de batterie d’ajout et de retrait de fluide.
10. Le système de batterie de la revendication 9, comprenant au moins deux dudit module de batterie, les deux modules de batterie ayant des caractéristiques définies par des courbes de pression en fonction de température différentes l’une de l’autre.
11. Le système de batterie selon la revendication 10, selon lequel les courbes diffèrent de pente.
12. Le système de batterie selon la revendication 10 ou la revendication 11 , selon lequel les courbes diffèrent de valeur de pression pour une même température.
13. Le système de batterie selon l’une quelconque des revendications 9 à 12, comprenant une enceinte pour chaque module de batterie, l’enceinte définissant un couloir de convection pour contrôler la température dudit module de batterie.
14. Le système de batterie selon la revendication 13, dans lequel les enceintes sont connectées en série pour former un couloir de convection continu.
15. Le système de batterie de la revendication 14, comprenant au moins un clapet entre deux desdites enceintes.
16. Le système de batterie selon la revendication 15, dans lequel les enceintes sont côte à côte.
17. Le système de batterie de l’une quelconque des revendications 13 à 16, dans lequel chaque enceinte comporte un clapet en aval du couloir de convection.
18. Le système de batterie de l’une quelconque des revendications 13 à 17, comprenant un ventilateur en amont dudit couloir de convection d’au moins une desdites enceintes.
19. Une méthode de gestion de pression et/ou de température d'opération d'au moins un module de batterie, la méthode comprenant les étapes de: loger des cellules de la batterie dans une cavité interne d’au moins un module de batterie, la cavité interne étant hermétiquement fermée et les cellules étant baignées dans un fluide; surveiller la température et/ou la pression du module; et lors de l’utilisation de la batterie, refroidir ou chauffer le module si ladite température et/ou ladite pression du module est à l’écart de valeurs prédéterminées en maintenant la masse de fluide constante dans le module de batterie en isolant hermétiquement ledit module de batterie d’ajout et de retrait de fluide.
20. La méthode selon la revendication 19, selon laquelle refroidir ou chauffer le module est fait par l’actionnement d’un module à effet Peltier en contrôlant une direction de courant.
EP24773731.5A 2023-03-23 2024-03-22 Module de batterie à pression hydraulique régulée Pending EP4684448A1 (fr)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CA3193982 2023-03-23
CA3197068 2023-04-13
PCT/CA2024/050345 WO2024192527A1 (fr) 2023-03-23 2024-03-22 Module de batterie à pression hydraulique régulée

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4684448A1 true EP4684448A1 (fr) 2026-01-28

Family

ID=92840688

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP24773731.5A Pending EP4684448A1 (fr) 2023-03-23 2024-03-22 Module de batterie à pression hydraulique régulée

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP4684448A1 (fr)
JP (1) JP2026511586A (fr)
KR (1) KR20250165630A (fr)
CN (1) CN121153152A (fr)
WO (1) WO2024192527A1 (fr)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4921629B2 (ja) * 2000-03-31 2012-04-25 パナソニック株式会社 流体冷却式電池パックシステム
AU2014241781B2 (en) * 2013-03-14 2016-12-08 Allison Transmission, Inc. System and method for thermally robust energy storage system
FR3089689B1 (fr) * 2018-12-05 2020-12-18 Wattalps Batterie modulaire comprenant un systeme de conditionnement thermique

Also Published As

Publication number Publication date
CN121153152A (zh) 2025-12-16
KR20250165630A (ko) 2025-11-26
JP2026511586A (ja) 2026-04-14
WO2024192527A1 (fr) 2024-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3847714A1 (fr) Module electrique comprenant une pluralite de cellules de batteries immergees dans un fluide dielectrique
EP3844452B1 (fr) Structure de gestion thermique a canaux integres
WO2020049249A1 (fr) Systeme de refroidissement d&#39;au moins un module electrique comprenant une pluralite de cellules de batteries immergees dans un fluide dielectrique
EP3764423A1 (fr) Busbar pour pack-batterie, destinée à connecter électriquement au moins un accumulateur du pack et à permettre une circulation d&#39;un fluide caloporteur en son sein pour le refroidissement optimal de l&#39;accumulateur et du pack, notamment en cas d&#39;emballement thermique
FR3040210B1 (fr) Ensemble modulaire pour stockeur ou batterie
FR3037727A3 (fr) Pack de batterie refroidit par un materiau a changement de phase a pression constante
FR3085547A1 (fr) Module electrique comprenant une pluralite de cellules de batteries immergees dans un fluide dielectrique
EP4591390A1 (fr) Module electrique comprenant une pluralite de cellules de batteries immergees dans un liquide dielectrique
FR3140215A3 (fr) Module electrique comprenant une pluralite de cellules de batteries immergees dans un liquide dielectrique
EP2430694B1 (fr) Pile a combustible a encombrement reduit
FR3085542A1 (fr) Systeme de refroidissement d’au moins un module electrique comprenant une pluralite de cellules de batteries immergees dans un fluide dielectrique
FR3085556A1 (fr) Connecteur electrique hermetique pour equiper un module electrique comprenant une pluralite de cellules de batteries immergees dans un fluide dielectrique
CN116057754A (zh) 储能系统
EP4684448A1 (fr) Module de batterie à pression hydraulique régulée
WO2021001198A1 (fr) Systeme et procede de stockage et de recuperation de chaleur, comprenant un passage radial au sein de particules de stockage
WO2018167382A1 (fr) Echangeur thermique et dispositif de régulation thermique d&#39;au moins un élément de stockage d&#39;énergie électrique
EP4165712B1 (fr) Dispositif pour la protection et le refroidissement d&#39;une batterie
JP2017502450A (ja) 高温バッテリーを備えた熱貯蔵システム
FR3111691A1 (fr) Dispositif thermique à PRESSION controlee alimente en fluide fusible
EP3834047A1 (fr) Dispositif pour la regulation de la temperature dans une enceinte
FR3131446A1 (fr) Module d’accumulateur électrochimique à refroidissement par poche de compression
FR3154350A1 (fr) Dispositif de stockage d&#39;énergie électrique à double contrôle thermique et véhicule associé.
EP4454045A1 (fr) Module pour batterie comprenant un fluide appliquant une pression sur une cellule
CN113964419B (zh) 储能单体、簇及装置
FR3095301A1 (fr) Dispositif de stockage à cellule électrochimique prismatique à inserts de drainage, et batterie associée

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20251020

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR