FR2542927A1 - Accumulateur de puissance - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN ACCUMULATEUR D'ENERGIE 10 COMPRENANT UNE PLURALITE D'ELEMENTS D'EMMAGASINAGE ELECTROCHIMIQUE DE PUISSANCE 1 IDENTIQUES ET INTERCONNECTES DONT LA RESISTANCE INTERNE VARIE AVEC LEUR TEMPERATURE, LES ELEMENTS ETANT INTERCONNECTES EN UNE PLURALITE DE GROUPES 18, 20, 31 AVEC CHAQUE CONSTITUE PAR UNE PLURALITE D'ELEMENTS 11 PARMI LESQUELS AU MOINS CERTAINS SONT CONNECTES EN SERIE ET LES GROUPES ETANT CONNECTES EN PARALLELE, ET L'ACCUMULATEUR AYANT EN COURS D'UTILISATION UN PROFIL DE TEMPERATURE, CE PAR QUOI AU MOINS CERTAINS DES ELEMENTS SONT A DES TEMPERATURES DIFFERENTES L'UNE DE L'AUTRE. CONFORMEMENT A L'INVENTION LES ELEMENTS DE CHAQUE GROUPE SONT DISPOSES ET INTERCONNECTES DE TELLE MANIERE QU'EN COURS D'UTILISATION CHAQUE GROUPE AIT SUBSTANTIELLEMENT LA MEME RESISTANCE INTERNE QUE CHACUN DES AUTRES GROUPES. L'INVENTION EST APPLICABLE AUX ACCUMULATEURS AVEC UN GRAND NOMBRE D'ELEMENTS POUR LA PROPULSION DES VEHICULES ET LES POSTES DE PUISSANCE.

Description

25429 fl

Accumulateur de Puissance.

La présente invention concerne un accumulateur de puissance Elle concerne en particulier un accumulateur de puissance

comprenant une pluralité d'éléments d'emmagasinage électrochi-

mique de puissance dont la résistance interne varie avec la température, les éléments étant interconnectés en une pluralité de groupes, chacun comprenant une pluralité d'éléments et

les groupes étant connectés en parallèle pour former l'accu-

mulateur. Quoique l'invention puisse être utilisée avec une pluralité aussi faible que dix éléments formant l'accumulateur, il est envisagé que des accumulateurs conformes à l'invention auront

généralement au moins vingt éléments Deux applications carac-

téristiques de l'invention seront la propulsion d'un véhicule électrique pour laquelle des accumulateurs de 50 à 200 éléments seront typiquement rencontrés et l'égalisation de la puissance des postes de puissance o les accumulateurs comprenant des

dizaines de milliers ou plus d'éléments sont une possibilité.

Dans l'agencement pratique d'un accumulateur comprenant une 2542927 i pluralité de 10 ou plus de 10 éléments, les éléments sont typiquement disposés sous forme d'un réseau plus ou moins

régulier pour assurer la facilité de l'exploitation, de l'entre-

tien et du remplacement, etc et pour assurer un logement efficace et une isolation de ceux-ci Dans de tel réseau et en particulier avec les grands réseaux d'éléments que l'on envisage pour la propulsion des véhicules à moteur ou les

postes de puissance pour l'égalisation de la charge, le com-

portement thermique des éléments peut devenir un problème significatif Pour des raisons d'accès pour la réparation, le remplacement, la surveillance, etc les nombres importants d'éléments seront fréquemment disposés sous forme de réseaux

sensiblement à deux dimensions, c'est-à-dire de couches d'é-

léments qui n'auront habituellement pas plus de deux éléments d'épaisseur au plus et généralement sous forme d'une couche ayant un seul élément d'épaisseur, une couche comprenant une

pluralité de cellules sous une disposition cote à côte.

De plus, le problème du comportement thermique est aggravé lorsqu'on utilise des éléments à haute température, par exemple des éléments au sulfure de sodium ou des éléments utilisant des électrolytes à la b Ataalumine ou au Nasicon solide ou des électrolytes liquides au sel fondu soit seuls, soit en combinaison Dans les réseaux à deux dimensions, même lorsque la périphérie du réseau est isolée thermiquement d'une façon efficace, les éléments se trouvant à la périphérie du réseau peuvent avoir une température notablement plus faible que les éléments voisins du centre du réseau lorsque le réseau

est en cours d'utilisation.

De plus, pour des raisons de production en série, de standardi-

sation et d'interchangeabilité des constituants, les réseaux importants d'éléments utiliseront typiquement des éléments qui sont identiques, au moins nominalement, du fait qu'ils seront fabriqués selon des spécifications identiques (dimension,

forme, nature des constituants, etc).

2542927 i

Dans des accumulateurs constitués par de tels réseaux, l'inter-

connexion aléatoire des éléments sous forme d'un ensemble réalise des groupes (les groupes étant connectés en série, en parallèle ou en série/parallèle) dont la constitution est choisie pour des raisons qui n'ont rien à voir avec le com-

portement thermique de l'élément et peut conduire à des pro-

blèmes sévères et imprévisibles en cours d'utilisation C'est ainsi par exemple que si un groupe d'éléments comprend des éléments plus chauds (par exemple à ou au voisinage du centre du réseau) qu'un autre groupe nominalement identique (à ou au voisinage de la périphérie du réseau) connecté en parallèle avec celui-ci, le groupe des éléments les plus chauds peut avoir une résistance interne globale sensiblement différente de celle des groupes des éléments les plus froids Ceci peut conduire à des courants de circulation internes, c'est-à-dire des boucles de courant internes dans l'accumulateur qui sont

fortement indésirables.

De plus, comme les éléments à haute température les plus froids tendent à avoir une résistance interne plus élevée que les

éléments nominalement identiques plus chauds, le groupe d'é-

léments plus chauds sera parcouru en cours d'utilisation par un courant plus important qu'un groupe d'éléments plus froids connecté en parallèle avec celui-ci Le chauffage par résistance

des éléments les plus froids ne sera pas favorisé et la diffé-

rence de température indésirable entre les groupes d'éléments les plus froids et les plus chauds tendra à être maintenue ou même aggravée Ceci peut constituer un problème sérieux lorsque des éléments à haute température ayant une gamme de température relativement étroite pour le fonctionnement optimal sont utilisés sous forme de réseaux importants Dans ce cas, quoique l'accumulateur puisse présenter la température de fonctionnement recherchée, c'est-à-dire une température qui se trouve dans ladite gamme optimale, il peut néanmois se faire que les groupes les plus chauds en cours d'utilisation puissent nécessiter un refroidissement externe tandis que, simultanément, les groupes les plus froids nécessitent un

chauffage externe pour les maintenir dans la gamme de tempéra-

ture de fonctionnement optimale.

La présente invention a pour but de fournir un accumulateur dans lequel les problèmes ci-dessus de comportement thermique

sont au moins réduits.

En conséquence, l'invention a pour objet un accumulateur

de puissance qui comporte une pluralité d'éléments d'emmaga-

sinage électrochimique de puissance nominalement identiques et interconnectés dont la résistance interne varie avec leur température, les éléments étant interconnectés en une pluralité de groupes avec chaque groupe constitué par une pluralité d'éléments, au moins certains de ceuxci étant connectés en

série et les groupes étant connectés en parallèle, l'accu-

mulateur en cours d'utilisation ayant un profil de température,

ce par quoi au moins certains de ces éléments sont à des tempé-

ratures différentes l'un de l'autre, les éléments de chaque groupe étant situés et interconnectés de telle manière qu'en cours d'utilisation, chaque groupe ait sensiblement la même

résistance interne que chacun des autres groupes.

En d'autres termes, l'accumulateur dans son ensemble comportera une pluralité d'éléments interconnectés en série/parallèle, deux ou plusieurs groupes d'éléments, chacun comprenant une pluralité d'éléments, étant connectés en parallèle et au moins certains des éléments de chaque groupe étant connectés en série Les éléments de chaque groupe peuvent à leur tour être

connectés en série ou peuvent être connectés en série/parallèle.

Lorsque les éléments de chaque groupe sont connectés en série/

parallèle, le groupe peut être regardé comme un sous accumu-

lateur et l'invention y est ainsi également applicable de sorte que les éléments du groupe série/parallèle peuvent être disposes et connectés d'une manière similaire aux éléments

de l'accumulateur dans son ensemble.

Conformément à la présente invention, il est important que pour autant que possible (sous réserve des contraintes physiques de la forme de l'accumulateur, de sa température recherchée, de fonctionnement, de son profil de température, du nombre de groupes et du nombre d'éléments dans chaque groupe, etc) les éléments individuels et leur interconnexion soient disposés de manière que chaque groupe en cours de fonctionnement à la température de fonctionnement recherchée de l'accumulateur,

sait la même résistance interne.

En raison du profil de température de l'accumulateur, l'accumu-

lateur aura différents éléments à des températures différentes lorsque l'accumulateur sera à sa température de fonctionnement recherchée Pour des raisons de fabrication, de possibilité de remplacement, d'entretien et de standardisation,-il est préférable que chaque groupe d'éléments ait, au moins en gros, le même nombre d'éléments que chacun des autres groupes Pour que chaque groupe ait sensiblement la même résistance interne à la température de fonctionnement recherchée de l'accumulateur,

chaque groupe d'éléments a de préférence le même nombre d'élé-

ments qu'un autre groupe quelconque, au moins certains des

éléments de chaque groupe ayant en conséquence, en fonction-

nement, des températures différentes Sous une forme particu-

lièrement préférentielle de l'invention chaque groupe a de

préférence le même nombre d'éléments à une température parti-

culière en cours d'utilisation qu'un autre groupe quelconque.

Une équivalence exacte par laquelle chaque groupe a exactement

le même nombre d'éléments à une température particulière quel-

conque qu'un autre groupe quelconque, quoique convenable et facilitant la conception de l'accumulateur, n'est cependant

pas essentielle sous réserve que cette situation soit suffisam-

ment approchée dans chaque groupe pour que chacun des groupes

de l'ensemble ait sensiblement la même résistance interne.

A nouveau, pour des raisons de similarité géométrique entre les groupes et de standardisation, il est préférable que, / dans chacun des groupes, chaque élément ayant une température particulière en cours d'utilisation soit dans la même position

dans la série réalisant le groupe dans lequel il est contenu.

De la même manière, il n'est pas strictement nécessaire que les éléments à des températures différentes soient intercon- nectés exactement dans le même ordre de manière que chaque

groupe ait le même profil de température ou un profil extrê-

mement similaire le long de sa série d'éléments, d'une extrémité

du groupe à l'autre, mais, à nouveau également, cette disposi-

tion facilite aussi la conception de l'accumulateur.

C'est ainsi que, selon un mode de réalisation particulièrement

préférentiel, chaque groupe a exactement le même nombre d'élé-

ments à une température particulière que n'importe quel autre groupe et, dans chaque groupe, un élément à une température particulière en cours d'utilisation se trouve dans la même position le long de la série de ce groupe que dans n'importe quel autre groupe En pratique ceci peut être effectué en disposant les éléments dans l'accumulateur de manière qu'ils puissent être répartis facilement en des groupes thermiquement

équivalents, par exemple selon un ou plusieurs plans géométri-

ques plats, chaque groupe ayant le même nombre d'éléments et les éléments de chaque groupe étant connectés de manière que les éléments dans des positions équivalentes thermiquement soient connectés en série dans les groupes dont ils forment une partie, avec chaque élément à la même position dans sa série que l'élément thermiquement équivalent dans chacun des autres groupes Si chacun des groupes thermiquement équivalents a sensiblement la même géométrie que les autres, les éléments

dans des positions géométriquement équivalentes dans les dif-

férents groupes seront généralement dans des positions également thermiquement équivalentes

Conformément à l'invention, de plus, pour faciliter la concep-

tion de l'accumulateur et le choix des positions des éléments

et leur interconnexion dans l'accumulateur pour assurer faci-

lement le remplacement, l'entretien, la standardisation et similaire,les éléments de la batterie peuvent être disposés sous forme d'un réseau sensiblement à deux dimensions, le réseau comprenant une couche d'éléments n'ayant typiquement pas plus de deux éléments d'épaisseur Le réseau peut être plat et avoir un tracé grâce auquel il peut être subdivisé

en les groupes ci-dessus mentionnés par au moins un plan gé-

ométrique plat perpendiculaire au réseau, chaque groupe ayant sensiblement la même disposition géométrique des éléments

que n'importe quel autre groupe et les éléments qui ont sen-

siblement la même température en cours d'utilisation occupant sensiblement les mêmes positions géométriques dans chaque groupe.

Quand le réseau est sensiblement à deux dimensions, une dispo-

sition compacte des éléments peut être telle que les éléments soient disposés sous forme d'un réseau compact géométriquement régulier Les éléments du type en question sont convenablement et en pratique fréquemment allongés et de section cylindrique ou prismatique Pour de tels éléments, l'invention envisage une disposition d'assemblage compacte côte à côte des éléments dans l'accumulateur sous forme d'un ou plusieurs réseaux ou couches à deux dimensions Cet assemblage peut être du type

cubique compact pour les éléments de section carrée ou rectan-

gulaire ou pour les éléments de section circulaire, hexagonale ou en triangle équilatéral, le type hexagonal compact peut

être préféré.

Avec une disposition ou un réseau d'assemblage particulier quelconque, par exemple du type hexagonal compact ou cubique compact, la conception de l'accumulateur peut être simplifiée en ce qui concerne la définition des groupes et en ce qui concerne l'interconnexion des éléments-dans les groupes si

le tracé du réseau, lorsqu'il est vu dans une direction per-

pendiculaire au réseau (c'est-à-dire non pas à partir d'un côté ou du bord de celui-ci) est un polyèdre régulier, un 2542927 i triangle équilatéral étant un cas limite et un cercle en étant un autre En conséquence, pour un assemblage compact, les éléments eux-mêmes peuvent avoir un contour en polyèdre régulier lorsqu'ils sont vus dans une direction perpendiculaire au réseau-. Dans de tels cas, l'accumulateur peut facilement être subdivisé

en un certain nombre de zones (une pour chaque groupe d'élé-

ments et le nombre de zones étant le même que ou proportionnel au nombre de côtés du tracé polyèdrique du réseau> par le nombre équivalent de plans plats perpendiculaires au réseau (c'est-à-dire parallèles à l'axe central du tracé polyèdrique du réseau), lesdits plans plats étant disposés radialement avec une disposition également espacée périphériquement par rapport à l'axe central du réseau, pour subdiviser le réseau en vue en plan en une pluralité de segments identiques, les éléments de chaque groupe étant ainsi disposés dans l'un des segments. Une telle disposition permet une interconnexion facile des éléments dans un groupe, conformément à l'invention, en partant par exemple de l'élément le plus proche de l'axe central et en progressant radialement vers l'extérieur, par exemple selon

un tracé en zig-zag, jusqu'à la périphérie du réseau.

De préférence chaque élément est connecté à l'élément immédia-

tement adjacent, c'est-à-dire au voisin immédiat Le départ de l'axe central et la progression radiale vers l'extérieur facilitent la connexion de chaque élément à son voisin immédiat et l'interconnexion des éléments peut être effectuée en fonction d'une séquence simple dictée géométriquement, ce qui facilite grandement la satisfaction de la condition de l'invention que chaque groupe d'éléments ait le même nombre d'éléments à la même température En ce qui concerne ce point, on doit avoir à l'esprit que dans une disposition d'éléments en polyèdre

régulier dans un réseau, les éléments centraux seront typique-

2542927 a ment les plus chauds et la température de l'élément tombera typiquement progressivement dans la direction allant du centre du réseau radialement vers l'extérieur, avec tous les éléments à la même distance radiale de l'axe central du réseau au moins grossièrement à la même température sous réserve que la péri-

phérie du réseau soit isolée uniformément.

L'invention sera maintenant décrite, à titre d'exemple, avec référence aux dessins schématiques ci-annexés qui représentent diamétralement différentes dispositions d'accumulateur conformes à l'invention et dans lesquels:

La figure 1 A représente une vue en plan sché-

matique d'un réseau d'éléments d'accumulateur simplifié, conforme à l'invention, avec la figure 1 B représentant le schéma du circuit de cet accumulateur; les figures 2 A à 2 H représentent en vue en plan les tracés de différents réseaux d'éléments possibles, conformes avec l'invention, et comment ils peuvent être subdivisés en zones pour contenir des groupes d'éléments thermiquement équivalents; la figure 3 représente une vue en

bout d'un réseau d'éléments d'accumulateur com-

prenant un certain-nombre d'éléments groupés selon une disposition cubique compacte; les figures

4 A à 4 D illustrent différentes dispositions d'é-

léments assemblés sous forme d'une disposition hexagonale compacte; les figures 5 A à 5 D illustrent

différentes possibilités pour des réseaux d'élé-

ments constitués par des éléments assemblés sous forme d'une disposition hexagonale compacte; les figures 6 A et 6 B illustrent encore d'autres réseaux d'éléments assemblés selon une disposition

hexagonale compacte supplémentaire pour un accu-

mulateur; la figure 7 illustre un tracé_de circuit

schématique pour un accumulateur conforme à l'in-

2542927 i vention; les figures 8 A et 8 B représentent encore d'autres réseaux hexagonaux compacts pour des éléments incorporés dans un accumulateur conformes à l'invention; la figure 9 représente encore un autre réseau supplémentaire pour les éléments

d'un accumulateur conforme à l'invention; la.

figure 10 est une vue en plan d'un réseau d'élé-

ments d'accumulateur comprenant des accumulateurs assemblés selon une disposition hexagonale compacte conformément à l'invention; la figure 11 représente une élévation latérale en coupe axiale schématique d'un accumulateur conforme à l'invention; les

figures 12 A et 12 B représentent des vues en élé-

vation par l'extrémité d'éléments destinés à être utilisés dans un accumulateur conforme à l'invention; la figure 13 A représente une vue

semblable à la figure 3 d'un accumulateur compor-

tant un réseau d'éléments -relativ Ement petit conforme à l'invention utilisé dans un essai comparatif; la figure 13 B représente le schéma du circuit de l'accumulateur de la figure 13 A; la figure

13 C représente le réseau de la figure 13 A mais -

avec les éléments connectés de la façon conven-

tionnelle dans un accumulateur destiné à être utilisé comme témoin dans une comparaison avec l'accumulateur de la figure 13 A; la figure 13 D représente le schéma du circuit de l'accumulateur de la figure 13 C; la figure 14 A représente un graphique du courant en fonction du temps pour la décharge de l'accumulateur de la figure 13 A et la figure 14 B représente un graphique semblable pour la décharge de l'accumulateur de la figure 13 C. Dans la figure 1 des dessins, on a représenté un accumulateur avec un réseau d'éléments cylindriques identiques 11 disposés 1 l sous forme d'une disposition cubique compacte, l'accumulateur ayant un contour rectangulaire allongé Les éléments sont disposés en trois rangées 12 de huit éléments chacune, enfermées dans un bac isolant 14 Le réseau des éléments illustré dans la figure 1 est sous la forme d'une couche plate d'éléments, d'un élément d'épaisseur, c'est-à- dire que les éléments ne sont pas assemblés ou disposés sur le sommet l'un de l'autre sous forme d'un arrangement superposé ou empilé Les éléments sont subdivisés en deux groupes de douze éléments chacun par un plan 16 recoupant les longs côtés de l'accumulateur en leur point milieu Le plan 16 subdivise les éléments 1 l en deux groupes 18 et 20, chaque groupe 18 20 étant connecté en série comme illustré par les conducteurs 22, les conducteurs 22 allant d'une borne 24 de l'accumulateur à l'autre borne 25 En d'autres mots, les éléments de chaque groupe 18, 20

sont connectés en série et le groupe 18 est connecté en paral-

lèle avec le groupe 20.

Sur la base du fait que l'accumulateur 10 a un profil de température selon lequel la température est à un maximum au point milieu de la rangée centrale 12 des éléments 11, la température décroissant à partir de ce point vers la périphérie de l'accumulateur délimitée par le bac 14,il sera noté que les interconnexions entre les différents éléments il sont

telles que chaque groupe 18, 20 contient le même nombre d'élé-

ments 11 et chaque élément dans chaque groupe a un élément

correspondant dans l'autre groupe dans une position géométri-

quement et thermiquement équivalente, chaque élément thermi-

quement équivalent étant connecté dans la même position le

long de la série des éléments constituant ce groupe La ré-

sistance interne de ces éléments thermiquement équivalents devrait être sensiblement la même de sorte que chaque groupe

18, 20 devrait avoir sensiblement la même résistance interne-

globale. Quoique l'ordre précis dans lequel les éléments de chaque groupe sont connectés ne soit pas critique, il sera noté que chaque élément est connecté à l'élément le plus voisin, ce qui réduit la longueur du câblage utilisé Il doit également être noté que comme chaque élément aura en cours d'utilisation le même courant le traversant, les éléments les plus froids externes

auront une résistance interne plus élevée et seront plus chauf-

fés et ceci tendra à réduire tout gradient de température entre les éléments d'un groupe et tendra à aplatir le profil

de température de l'accumulateur dans son ensemble.

La figure 1 B illustre le tracé du circuit de l'élément de la figure l A et les mêmes références numériques sont utilisées pour désigner les mêmes parties que dans la figure l A. Avec référence à la figure 2, les figures 2 A et 2 B illustrent

des accumulateurs ayant des réseaux d'éléments avec des pour-

tours en plan ayant la forme de triangles équilatéraux, les figures 2 C et 2 D représentent des pourtours qui sont des carrés, les figures 2 E et 2 F illustrent des accumulateurs avec des pourtours qui sont des pentaèdres réguliers et les figures 2 F et 2 H illustrent des accumulateursavec des pourtours qui

sont des hexaèdres réguliers.

Dans la figure 2 A, le pourtour de l'accumulateur est représenté subdivisé en trois zones par des plans radiaux se recoupant 26 disposés radialement avec une relation régulièrement espacée périphériquement à partir de l'axe central en 28 du réseau d'éléments de l'accumulateur Trois zones 30 équivalentes thermiquement et géométriquement sont ainsi définies dans

le réseau Dans la figure 2 B trois zones différentes 30 équi-

valentes thermiquement sont représentées lesquelles sont déli-

mitées d'une façon similaire par trois plans 26 se recoupant sur l'axe central du réseau On comprendra que l'emplacement des plans 26 et la forme des zones 30 dans les figures 2 A et 2 B sont purement deux exemples simples de ce qui peut être prévu et que les zones 30 de formes différentes peuvent être réalisées simplement en décalant les positions des plans 26

dans la direction périphérique De plus les surfaces sépa-

ratrices 26 ne sont pas nécessairement planes mais elles peuvent être courbes de sorte que les lignes 26 représentées dans les dessins seraient courbes et non rectilignes sous réserve

que trois zones identiques 30 soient délimitées, chacune s'éten-

dant vers l'extérieur à partir de l'axe central 28 jusqu'à

la périphérie du pourtour de l'accumulateur.

Dans les cas des figures 2 C à 2 H, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes caractéristiques que dans

les figures 2 A et 2 B A nouveau, dans chaque cas, deux dispo-

sitions simples des plans 26 sont représentées pour chaque forme de polyèdre, en subdivisant le pourtour de la vue en l 5 plan du réseau de l'accumulateur en causeen un nombre de zones égal aux nombres de côtés du polyèdre en cause Chaque

zone est sensiblement équivalente thermiquement et géométri-

quement à une autre zone quelconque et chaque zone s'étend à partir de l'axe central 28 vers l'extérieur en direction

de la périphérie du polyèdre.

Chaque disposition fait que l'accumulateur dans son ensemble est constitué par une pluralité de groupes d'éléments connectés en série, avec les groupes eux-mêmes connectés en parallèle, le nombre de groupes ou chaînes d'éléments connectés en série

étant égal au nombre de côtés du polyèdre en cause.

En se référant à la figure 3, la situation de la figure 2 C est représentée plus en détail avec l'ensemble de l'accumulateur désigné par 10 constitué par un réseau d'éléments 11 Les éléments 11 sont représentés avec un pourtour en plan carré sous une disposition cubique compacte,les plans 26 subdivisant le pourtour de l'accumulateur en quatre groupes identiques

31 d'éléments 11 On comprendra que, pour tout élément parti-

culier 11 dans un groupe 31, il existe un élément 11 dans

254292 ? 1

chacun des autres groupes 31 dans une position géométriquement et en conséquence thermiquement équivalente (par exemple comme

représenté par les éléments hachurés de la même façon) L'accu-

mulateur 10 a ainsi quatre groupes 31 d'éléments 11, les élé-

ments 11 de chaque groupe 31 étant connectés en série et les groupes 12 eux-mêmes étant connectés en parallèle Les éléments 11 de chaque groupe doivent être connectés ensemble de manière

que les groupes 31 aient sensiblement la même résistance inter-

ne, pour le profil de température existant sur l'ensemble de l'accumulateur 10 L'ordre exact des connexions n'est à nouveau pas critique, sous réserve que les groupes 31 aient la même résistance interne, mais, pour des considérations pratiques, cette nécessité est plus facilement satisfaite si chaque groupe a ses éléments connectés exactement dans le même ordre et dans la même séquence que les éléments des

autres groupes, par exemple en partant du centre au voisi-

nage de l'axe 28 et en zigzaguant vers l'extérieur, comme

illustré par le conducteur 22 de l'un des groupes 31.

A nouveau et comme avec la figure 1, le réseau d'éléments illustré dans la figure 3 est essentiellement un réseau à

deux dimensions, constitué par une couche plate unique d'élé-

ments, et il est envisagé que les réseaux de la figure 2 seront

semblables sur ce point.

On comprendra de plus que chaque groupe 31 ne nécessite pas d'avoir tous ses éléments 11 connectés ensemble en une série ou une séquence unique mais peut avoir ses éléments connectés sous une disposition parallèle/série désirée Cependant, dans ce cas, conformément à l'invention, chaque groupe 31 est considéré comme un sous-accumulateur et est alors simplement traité conformément aux mêmes considérations de la présente invention que l'élément d'accumulateur 10 formant un tout 10.Avec référence à la figure 4, on comprendra que les éléments avec des élévations d'extrémité circulaires ou en hexagone régulier peuvent être assemblés plus efficacement sous forme d'un réseau hexagonal compact, comme illustré Ceci assure la densité d'assemblage la plus élevée possible pour les éléments en cause, ce qui conduit à un accumulateur qui est facilement isolé, a un profil de température favorable et

a des caractéristiques thermiques favorables dans son ensemble.

De plus un accumulateur avec ce type de réseau d'éléments a une structure au moins approximativement en nid d'abeilles

en ce qui concerne la résistance mécanique.

Dans la figure 4 A, seize éléments hexagonaux sont représentés sous forme d'une disposition hexagonale compacte en forme de losange, la figure 4 B montrant une possibilité pour vingt

tels éléments selon une disposition grossièrement carrée.

Les figures 4 C 4 D illustrent les mêmes dispositions d'assemblage pour des éléments circulaires au lieu d'hexagonaux, les éléments

étant dans chaque cas désignés par 11.

Dans la figure 5 A, sept éléments qui peuvent être circulaires ou hexagonaux (des éléments circulaires étant représentés)

sont assemblés ensemble sous forme d'une unité ou -d'un sous-

groupement 32 de sept éléments maintenus ensemble par un bac électriquement isolant 34 Dans la figure 5 B, on a représenté la disposition équivalente pour des éléments hexagonaux avec le bac 34 supprimé mais avec les connexions électriques 36 représentées, ce par quoi les éléments 11 du groupe 32-sont

connectés ensemble en parallèle.

Dans la figure 5 C, un groupe 38 de dix-neuf éléments sont représentés connectés ensemble, les éléments étant hexagonaux et étant illustrés maintenus ensemble en un groupe par un

bac 34 qui peut par exemple être en mica.

Dans la figure 5 D, la référence 40 désigne un accumulateur conforme à l'invention muni d'un bac d'isolation thermique 2542921 i périphérique circulaire 42 et ayant une disposition d'éléments

interne présentant une symétrie d'ordre six ou hexagonale.

Six groupes 31 d'éléments 11 sont représentés enfermés dans

le bac 42 Deux connexions en zigzag possibles des conduc-

teurs 22 pour les éléments 11 des groupes 31 sont représentées, on comprendra que tout ordre de connexion convenable de ce type peut être utilisé sous réserve que chacun des groupes 31 d'éléments 11 ait la même résistance interne globale mais, en pratique, on utilisera convenablement la même séquence dans chaque groupe d'éléments Les groupes 31 seront connectés en parallèles pour former l'accumulateur 40 On comprendra de plus que les éléments 11 illustrés dans la figure 5 D peuvent, en principe, être soit hexagonaux, soit circulaires, ou en

fait peuvent être remplacés par des groupes hexagonaux d'élé-

ments connectés soit en série, soit en parallèle, soit en série/parallèle, par exemple les groupes hexagonaux de sept éléments illustrés dans les figures 5 A ou 5 B ou un groupe hexagonal de dix-neuf éléments comme illustré dans la figure C. Dans les figures 5 D (comme dans les figures 6 A, 7, 8 A et 10) l'espace de l'élément central 45 est maintenu libre pour les

connexions électriques.

Dans les figures 6 A et 6 B sont représentées des dispositions semblables à celles illustrées dans les figures 5 A, 5 B et D avec les mêmes références désignant les mêmes parties. Cependant, dans la figure 6 B, des éléments hexagonaux seront représentés au lieu des éléments circulaires de la figure 5 A, ces éléments étant logés dans un bac 34 De même, tandis que dans la figure 5 D, chacun des six groupes 31 d'éléments sont représentés comme comportant quatorze éléments, une disposition est représentée dans la figure 6 A dans laquelle chacun des trois groupes comporte dix éléments 11 Si chacun de ces éléments est remplacé par un groupe de sept éléments comme illustré dans la figure 6 B, l'accumulateur 40 de la

figure 6 A peut comporter quatre cent vingts éléments.

Dans la figure 7, un schéma de circuit est représenté pour un accumulateur semblable à ceux des figures 5 D et 6 A L'ac- cumulateur est désigné par la référence 40 et chacun des groupes

est désigné par 31 et est constitué par une pluralité de sous-

groupements 32 (voir figures 5 A, 5 B et 6 B) de sept éléments individuels 11 connectés en par 4 lèle Les sous-groupements

32 sont connectés en série comme illustré.

Pour minimiser les problèmes liés à la surcharge ou de la sur-décharge dans le cas d'une rupture d'un élément individuel,

des bretelles conductrices 44 peuvent être prévues qui inter-

connectent les différents groupes 31 l'un avec l'autre dans des positions équivalentes entre les différents sous-groupements 32 'Ces bretelles 44 agissent également pour réduire le problème des courants de circulation internes dans l'accumulateur 40

et peuvent également être utilisées lorsque les sous-groupe-

ments 32 sont remplacés par des éléments individuels 11.

Dans la figure 8 A, une disposition est représentée qui est sensiblement similaire à celle de la figure 6 A avec les mêmes références utilisées pour les mêmes parties, à l'exception du fait que chaque groupe 31 d'éléments 11 comprend six éléments 11 au lieu des dix illustrés dans la figure 6 A Ceci démontre la possibilité d'adaptation de l'invention en ce qui concerne

les diverses dis-positions d'assemblage satisfaisant aux con-

ditions de la présente invention De plus, avec référence à la figure 8 B, il est montré que, au lieu du sous-groupement de sept éléments de la figure 6 B, un sous-groupement peut être constitué par le groupe 46 illustré dont la forme est grossièrement celle d'un rhombe ou d'un losange plutôt que celle d'un hexagone et qui comporte par exemple les quatre éléments illustrés dans la figure 8 B. Dans la figure 9, le concept de la figure 8 B est représenté

développé pour produire une disposition d'accumulateur rectan-

gulaire utilisant des éléments hexagonaux selon une disposition à assemblage hexagonal compact L'accumulateur 48 représenté comporte quatre groupes 31 d'éléments 11, chaque groupe 31 comprenant des éléments hexagonaux 11 selon une disposition hexagonale à assemblage compact mais chaque groupe 31 ayant ses éléments assemblés de manière que la forme d'ensemble du groupe 31 soit en gros rectangulaire et de manière que les groupes 31 s'adaptent ensemble de manière que la forme

d'ensemble de l'accumulateur 48 soit en gros rectangulaire.

Deux manières possibles de connecter en-série les éléments

11 des groupes 31 au moyen des conducteurs 22, sont illustrées.

La figure 10 illustre encore une autre disposition d'éléments semblable aux figures 5 D, 6 A et 8 A mais avec chaque groupe 31 contenant quarante deux éléments 11 Avec les éléments 11 ayant une tension de fonctionnement d'environ 2 volts et avec les groupes 31 connectés en parallèle, la tension de chaque groupe 31 et de l'accumulateur 40 dans son ensemble sera d'environ 84 volts, ce qui convient pour de nombreux véhicules électriques qui ont une tension de fonctionnement

d'environ 80 volts.

Avec référence à la figure 10, il doit être noté que l'orifice central 45 de l'accumulateur, correspondant dans sa forme à un élément hexagonal ou circulaire, convient pour être occupé par les conducteurs électriques et que cette disposition des éléments fournit un moyen efficace pour grouper un grand nombre

d'éléments cylindriques ou hexagonaux dans un bac d'isola-

tion cylindrique 42 avec aussi peu d'espace perdu que possible.

Néanmoins, cette petite partie d'espace non occupée peut être

utilisée efficacement pour des équipements tels que les con-

trôles du chauffage électrique, les thermocouples, par exemple comme illustré en 46, les dispositifs de pilotage thermique, les connexions électriques, les dispositifs de sécurité tels

que des mats fibreux ou similaire.

Il doit de plus être noté que la disposition des éléments agit de manière à réduire les gradients de température dans l'accumulateur, étant donné que le courant qui passe à travers les cellules les plus chaudes au centre de la batterie est le même que celui qui passe à travers les éléments les plus froids au voisinage de la périphérie de l'accumulateur qui ont une résistance interne plus élevée Plus de chaleur est ainsi engendrée pour chaque élément à ou au voisinage de la périphérie de l'accumulateur o les éléments ont la résistance

interne la plus élevée et ceci aplatit le gradient de la tempé-

rature de l'accumulateur La géométrie de l'accumulateur agit

également pour réduire l'aire de la surface totale de l'accu-

mulateur de manière à réduire les pertes thermiques.

Dans la figure 11 est représentée une coupe en élévation la-

térale de l'accumulateur de la figure 10 montrant une dispo-

sition en forme de boite qui convient pour l'isolation 42 de la figure 10 L'orifice central 45 est représenté (à une échelle agrandie pour simplifier la représentation) avec les

conducteurs électriques 22 passant à travers celui-ci L'iso-

lation 42 est représentée répartie en une section supérieure 421 s'adaptant sur une section inférieure 422, pour la facilité dans l'utilisation de manière à assurer un accès à l'intérieur

*de l'accumulateur.

Dans les figures 12 A et 12 B, on a représenté, dans la figure 12 A, un élément 11 de section circulaire et, dans la figure

12 B, on a représenté un élément 11 de section hexagonale.

En pratique, on utilise souvent des éléments comportant des électrodes solides typiquement des électrodes solides à base de béta-alumine ou de Nasicon On préfère souvent une section

circulaire, comme dans la figure 12 A, étant donné que la béêta-

alumine et le Nasicon peuvent facilement être fabriqués sous forme tubulaire Cependant, pour des éléments ayant des cathodes à l'extérieur de l'électrolyte solide, il est parfaitement faisable de réaliser une forme externe hexagonale conformément à la figure 12 B, sans modification ou avec peu de modification

défavorable dans la performance.

EXEMPLE

Les caractéristiques de la présente invention seront maintenant décrites avec référence à l'exemple suivant qui décrit, avec référence aux figures 13, 14, un essai comparatif effectué entre un accumulateur conforme à la présente invention et un accumulateur connecté de la manière conventionnelle mais

qui est autrement similaire, utilisé comme témoin.

L'accumulateur conforme à la présente invention est illustré dans les figures 13 A et 13 B et le témoin est représenté dans les figures 13 C et 13 B Les réseaux d'éléments illustrés dans les figures 13 A à 13 D sont similaires aux réseaux des figures 1 et 3 et, sauf spécifié autrement, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes parties dans la figure 13

que dans les figures 1 et 3.

Ainsi, dans les figures 13, les accumulateurs sont désignés par 10 et sont chacun constitués par un réseau comprenant une pluralité d'éléments 11 identiques de pourtour carré selon une disposition à assemblage cubique compact, l'accumulateur ayant un pourtour rectangulaire L'accumulateur formant un tout est muni d'un isolement (non représenté mais voir par exemple 14 dans la figure 1) Les réseaux des accumulateurs sont à deux dimensions et sont constitués par des couches

plates d'éléments 11 d'un élément d'épaisseur.

Dans la figure 13 A deux plans 26 se recoupant en 28 sont illustrés qui divisent le pourtour de l'accumulateur en quatre groupes 31 de six éléments 11 Les groupes 31 sont identiques l'un et l'autre en ce qui concerne la géométrie, chacun étant constitué par un quart des éléments et étant disposé entre les deux plans 26 qui se recoupent Comme dans la figure 3, il y a, pour tout élément 11 particulier dans un groupe 31, un élément équivalent 11 dans chacun des autres groupes dans une position équivalente géométriquement et thermiquement. Ainsi les éléments lll sont équivalents l'un à l'autre et

les éléments 11,2 sont équivalents l'un à l'autre (comme re-

présenté également par les hachures).

Les quatre groupes 31 d'éléments 11 dans la figure 13 A sont connectés en parallèle et les éléments 11 de chaque groupe sont connectés en série (voir également la figure 13 B) Les éléments dans chaque groupe sont connectés géométriquement (et thermiquement) dans le même ordre que dans chacun des autres groupes de sorte que chaque élément dans un groupe est dans la même position dans la série dont il fait p a r t i e que les éléments géométriquement et thermiquement équivalents dans les autres groupes La séquence de la série est représentée dans la figure 13 A sous forme d'un zig-zag à partir de l'élément de coin le plus interne du groupe vers l'élément de coin le plus externe du groupe, en gros radialement vers l'extérieur par rapport au pourtour de l'accumulateur

formant un tout.

Les bornes de l'accumulateur sont désignées par 24, 25 respecti-

vement et les conducteurs interconnectant les éléments sont

désignés par 32.

Dans les figures 13 C et 13 D, les éléments sont identiques à ceux des figures 13 A et 13 B et le pourtour et la disposition géométrique du réseau pour former la batterie sont identiques comme l'est l'isolement La différence est que les éléments sont interconnectés différemment, comme illustré, en quatre rangées rectilignes d'éléments connectés en série, les rangées étant à leur tour connectées en parallèle -Il y a ainsi deux

rangées externes équivalentes et deux rangées internes, géomé-

triquement et thermiquement différentes des rangées externes

mais équivalentes l'une à l'autre Les rangées internes, enfer-

mées comme elles le sont par les rangées externes, comportent des éléments qui en cours d'utilisation sont en moyenne à une température plus élevée que les éléments des rangées ex- ternes. Une expérience a été effectuée en utilisant des éléments 11 qui sont des éléments sodium/soufre à haute température ayant

une température de fonctionnement nominale de 3500 C Des accu-

mulateurs tels qu'illustrés dans les figures 13 A et 13 C ont été assemblés à partir d'éléments chauffés à 3501 C et maintenus à cette température pendant deux à quatre heures pour atteindre l'équilibre thermique Ils ont alors été chacun déchargés à raison d'approximativement 40 ampères à travers une résistance fixée Les courants s'écoulant à travers chacun des groupes 31 de la figure 13 A et chacune des-rangées d'éléments de la figure 13 C ont été mesurés à des intervalles de dix minutes et sont représentés sous forme d'un graphique en fonction du temps dans les figures 14 A et 14 B respectivement pour les accumulateurs des figures 13 A et 13 C. En ce qui concerne les graphiques des figures 14 A et 14 B, il doit être noté que les valeurs absolues des courants (qui

étaient approximativement de 10 ampères) ne sont pas représen-

tées mais les différences entre les courants des différents groupes et rangées sont représentées Il doit également être noté que dans la figure 14 B, les graphiques pour les deux rangées externes sont désignés par X et les graphiques pour les deux rangées internes sont désignés par Y. A partir des figures 14 A et 14 B, il est immédiatement évident

que la dispersion des courants dans la figure 14 A est sensi-

blement moindre que celle de la figure 14 B, variant de 0,6 ampère au démarrage de l'essai jusqu'à 1,5 ampères à la fin de celui-ci par comparaison avec 3,6 ampères au démarrage pour la figure 14 B et 3,0 ampères à la fin Aucune différence notable n'est apparente entre les graphiques des différents groupes 31 dans la figure 14 A qui tous se comportaient de façon similaire mais, dans-la figure 14 B, les deux rangées extérieures X se comportent comme on le voit de façon simi- laire et différemment des deux rangées internes Y qui à leur tour se comportent de façon similaire l'une à l'autre, les

rangées Y étant plus chaudes, ayant initialement des courants.

plus élevés (résistance interne plus faible) que les rangées X qui avaient des températures plus faibles et des résistances

internes plus élevées.

Lorsque certairades groupes d'éléments connectés en parallèle dans un accumulateur ont des résistances internes plus faibles et se déchargent sensiblement plus rapidement que les autres, comme dans le cas des rangées internes d'éléments dans la figure 13 C, ils peuvent être complètement déchargés à un stade auquel les groupes qui se déchargent plus lentement ont une capacité non utilisée substantielle, ce-qui diminue de ce fait la capacité utilisable totale de l'accumulateur dans son ensemble et conduit à la nécessité d'une recharge

prématurée De plus si la décharge (ou la charge) est interrom-

pue pour une raison quelconque, les différents groupes d'élé-

ments seront dans des états globaux de charge différents.

Ceci -conduit à des boucles de courant indésirables et à des courants de circulation internes dans l'accumulateur, étant donné que les groupes les plus fortement chargés agissent pour recharger les groupes ayant un état de charge plus bas jusqu'à ce que l'équilibre soit atteint Ces courants internes, conduisent à des pertes d'énergie sour forme de chaleur dissipée et à une capacité perdue avec une utilisation inefficace de l'accumulateur. D'autre part, quand tous les groupes ont sensiblement la même résistance interne et se déchargent sensiblement au même taux, les problèmes ci-dessus peuvent être au moins réduits et peuvent

potentiellement être complètement évités.

De plus, il devra être noté que les figures 13 A et 13 B démon-

trent l'invention pour une pluralité relativement faible de

vingt quatre éléments répartis en quatre groupes chacun conte-

nant seulement six éléments On comprendra que pour des réseaux importants, contenant par exemple des milliers d'éléments avec des groupes comprenant des dizaines ou des centaines

d'éléments en série, les différences entre les éléments in-

dividuels et les groupes d'éléments tendront a s'égaliser et

on prévoit une dispersion encore plus étroite que celle re-

présentée dans la figure 14 A tandis que, dans la présente invention et avec les éléments connectés en groupes arbitraires, certains plus chauds que d'autres, aucune amélioration par rapport à ce qui est représenté dans la figure 14 B ne peut

être escompté pour des réseaux très importants.

La présente invention fournit des dispositions d'éléments

sous forme d'accumulateurs dans lesquels les boucles de cou-

rant internes sont réduites, dans lesquels tous les éléments

peuvent être déchargés au même taux et dans lesquels la sur-

charge ou la surdécharge des éléments individuels peuvent être minimisés L'invention est d'un intérêt particulier pour

les accumulateurs à haute température dans lesquels la résis-

tance de l'élément est affectée d'une façon significative par la température de l'élément, par exemple les éléments au sulfure de sodium contenant des électrolytes solides à

base de béta-alumine ou de Nasicon On peut réaliser des den-

sités d'assemblage pratique extrêmement élevées, ce qui conduit à des surfaces externes de faible superfie et réduit la perte

thermique et les gradients thermiques à l'intérieur de l'ac-

cumulateur Un prix et un coût plus bas sont mis en évidence

avec une densité d'énergie volumétrique élevée et une construc-

tion simple.

Finalement, on doit avoir à l'esprit que, quoiqu'il importe peu en principe que les éléments individuels des groupes soient connectés selon une séquence particulière,il est par commodité préférable d'interconnecter ensemble les éléments voisins immédiats pour maintenir la différence de voltage entre ces

éléments faible afin d'éviter les étincelles ou les courts-

circuits Clairement, tous les éléments seront électriquement isolés l'un de l'autre mais un danger d'étincellage subsiste

que l'on doit avoir présent à l'esprit Un avantage de l'in-

vention est qu'elle fournit une pluralité de tracés possibles d'accumulateur, utilisant différentes possibilités de connexions en série et/ou en parallèle, dans lesquels un fonctionnement

efficace de l'accumulateur est assuré, ensemble avec une con-

ception d'accumulateur efficace.

Quoique dans la description précédente la prépondérance ait

été donnée à des accumulateurs comportant des réseaux d'élé-

ments plats à deux dimensions, il doit être indiqué que l'inven-

tion et ses avantages se retrouvent également dans des accumula-

teurs ayant des réseaux d'éléments à trois dimensions L'inven-

tion a ainsi envisagé des accumulateurs dans lesquels les éléments sont disposés selon des réseaux à trois dimensions qui peuvent être subdivisés par des plans géométriques en

différents groupes d'éléments qui sont disposés et intercon-

nectés conformément à l'invention pour avoir la même résis-

tance interne Un exemple de ceci est un réseau cubique d'élé-

ments qui peut être subdivisé par trois plans d'intersection plats qui sont perpendiculaires l'un à l'autre, en huit parties de coin chacune constituée par des groupes d'éléments qui

sont thermiquement et géométriquement équivalents.

Claims (9)

Revendications

1 Un accumulateur d'énergie ( 10), qui est constitué par une pluralité d'éléments d'emmagasinage électrochimique de puissance ( 11) nominalement identiques et interconnectés dont la résis- tance interne varie avec leur température, les éléments étant interconnectés en une pluralité de groupes ( 18, 20,31) avec chaque groupe constitué par une pluralité d'éléments ( 11) parmi lesquels au moins certains sont connectés en série et les groupes étant connectés en parallèle, et l'accumulateur ayant en cours d'utilisation un profil de température ce par quoi au moins certains des éléments sont à des températures différentes l'un de l'autre, l'accumulateur étant caractérisé en ce que les éléments de chaque groupe sont disposés et interconnectés de telle manière qu'en cours d'utilisation chaque groupe ait substantiellement

la même résistance interne que chacun des autres groupes.

2 Un accumulateur selon la revendication 1,

caractérisé en ce que chaque groupe ( 31 > d'éléments ( 11) com-

porte le même nombre d'éléments ( 11) qu'un autre groupe quel-

conque, au moins certains des éléments dans chaque groupe

ayant, en cours d'utilisation, des températures différentes.

3 Un accumulateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque groupe ( 31) a le même nombre

d'éléments ( 11) à une température particulière en cours d'uti-

lisation qu'un autre groupe quelconque.

4 Un accumulateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque élément ( 11) ayant une température particulière en cours d'utilisation, se trouve dans la même position dans la série constituant le groupe dans lequel il

est contenu.

Un accumulateur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments ( 11) de l'accumulateur sont disposés selon un réseau sensiblement à deux dimensions le réseau comprenant une couche d'éléments qui n'est pas épaisse

de plus de deux éléments.

6 Un accumulateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réseau est plat et a un pourtour grâce auquel il peut être subdivisé en lesdits groupes ( 31) par au moins un plan géométrique plat ( 16, 26) perpendiculaire

au réseau, chaque groupe ( 31) ayant sensiblement la même dis-

position géométrique des éléments ( 11) qu'un autre groupe

quelconque et les éléments qui ont sensiblement la même tempé-

rature en cours d'utilisation occupant la même position géomé-

trique dans chaque groupe.

7 Un accumulateur selon la revendication 6 caractérisé en ce que les éléments ( 11) sont disposés selon

un réseau géométriquement régulier à arrangement compact.

8 Un accumulateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les éléments ( 11) présentent un pourtour en polyèdre régulier lorsqu'ils sont vus dans une direction

perpendiculaire au réseau.

9 Un accumulateur selon l'une quelconque des revendications

7 et 8, caractérisé en ce que chaque élément ( 11) est connecté à

l'élément immédiatement adjacent.