FR2895838A1 - Electric battery e.g. lithium-ion electrochemical type rechargeable battery, for e.g. electric motor vehicle, has device with phase changing material having eutectic mixture including specific solid liquid transformation temperature - Google Patents

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Abstract

The battery has a temperature conditioning device with a quantity of a phase changing material comprising an eutectic mixture, whose solid liquid transformation temperature is between 35 and 45 degrees. The material is placed in a can such that the material contacts a part of a surface of the casing. A cell (1) has a casing (2) in which an electrochemical system insulates chemical components for electricity generation. The casing has a battery terminal (3) branched on electrodes of an electricity generator system.

Description

L'invention concerne une batterie électrique qui est notamment destinée àThe invention relates to an electric battery which is particularly intended for

la traction d'un véhicule automobile électrique, ou à dominante électrique.  the traction of an electric motor vehicle, or predominantly electric.

Pour de telles applications, il est connu d'utiliser des batteries rechargeables à système générateur d'énergie électrique de type électrochimique Lithiumùion, qui ont pour avantage de présenter des densités d'énergie et de puissance massiques importantes ainsi qu'une bonne cyclabilité.  For such applications, it is known to use rechargeable batteries with electrochemical electrochemical power generation system Lithiumùion, which have the advantage of having high densities of energy and mass power and good cycling.

Toutefois, l'exposition de la batterie à des températures en excès d'une plage de températures optimales (typiquement comprises entre 20 et 30 C), nuit à sa cylcabilité et donc à sa longévité en fonction du temps d'exposition cumulé à un niveau de température critique donné. En outre, la performance des systèmes électrochimiques utilisés pour générer l'électricité diminue à des températures d'utilisation négative, jusqu'à ne plus fonctionner en dessous d'une certaine température (typiquement inférieure à -23 C).  However, exposure of the battery to temperatures in excess of an optimum temperature range (typically between 20 and 30 C), impairs its reliability and therefore its longevity as a function of the cumulative exposure time at one level. given critical temperature. In addition, the performance of the electrochemical systems used to generate electricity decreases at negative use temperatures, until it no longer operates below a certain temperature (typically below -23 C).

Or, dans des applications automobiles, les contraintes de températures sont très importantes, tant du fait de l'énergie calorique générée que de celle issue des conditions climatiques d'utilisation, ce qui limite les performances des batteries en utilisation par rapport à leurs performances intrinsèques.  However, in automotive applications, the temperature constraints are very important, both because of the caloric energy generated than that resulting from the climatic conditions of use, which limits the performance of the batteries in use with respect to their intrinsic performance. .

Pour résoudre ce problème, on a proposé de refroidir les batteries embarquées dans les véhicules automobiles à l'aide notamment de dispositifs comprenant une circulation d'eau. Toutefois, ces dispositifs, outre leur complexité qui nuit à leur fiabilité de fonctionnement, présentent notamment l'inconvénient de consommer une partie de l'énergie électrique embarquée, ce qui va à l'encontre des performances d'autonomie du véhicule.  To solve this problem, it has been proposed to cool on-board batteries in motor vehicles, in particular by means of devices comprising a circulation of water. However, these devices, in addition to their complexity which affects their reliability of operation, have the particular disadvantage of consuming a portion of the on-board electrical energy, which goes against the performance of the vehicle's range.

L'invention a notamment pour but de pallier ces inconvénients en proposant une batterie électrique qui comprend un dispositif de conditionnement en température qui utilise la chaleur latente de fusion d'un matériau à changement de phase pour refroidir ou chauffer ladite batterie en tant que de besoin. Ainsi, en déterminant la quantité et la plage de transition du matériau, on peut 2 maintenir le système générateur d'énergie électrique dans une plage de température de fonctionnement optimale en fonction des conditions thermiques d'utilisation et ce, sans consommer d'énergie électrique embarquée.  The object of the invention is notably to overcome these drawbacks by proposing an electric battery which comprises a temperature conditioning device which uses the latent heat of fusion of a phase change material to cool or heat said battery as needed. . Thus, by determining the amount and the transition range of the material, the electrical energy generating system can be maintained in an optimum operating temperature range depending on the thermal conditions of use without consuming any electrical energy. board.

A cet effet, l'invention propose un batterie électrique, notamment pour la traction d'un véhicule automobile, comprenant un bac dans lequel sont disposés des cellules formées chacune d'une enveloppe dans laquelle est confiné un système générateur d'électricité, dans laquelle un dispositif de conditionnement en température est prévu à l'intérieur du bac, ledit dispositif comprenant une quantité d'un matériau à changement de phase dans une plage de température déterminée de sorte, par absorption respectivement restitution d'énergie calorique, à maintenir le système générateur d'électricité dans une plage de température de fonctionnement optimale en fonction des conditions thermiques d'utilisation.  For this purpose, the invention proposes an electric battery, in particular for the traction of a motor vehicle, comprising a tank in which are arranged cells each formed of an envelope in which is confined an electricity generating system, in which a temperature conditioning device is provided inside the tank, said device comprising an amount of a phase change material in a temperature range determined so as to absorb the caloric energy, respectively, to maintain the system generator of electricity in an optimal operating temperature range depending on the thermal conditions of use.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en référence à la figure jointe représentant de façon schématique un module de batterie selon l'invention.  Other features and advantages of the invention will appear in the description which follows, made with reference to the attached figure schematically showing a battery module according to the invention.

On décrit ci-dessous une batterie électrique comprenant des cellules 1 incluant un système générateur d'électricité, en particulier un tel système peut être de type électrochimique à Lithium-ion. Ce type de batterie est plus particulièrement destiné à la traction d'un véhicule automobile, qu'il s'agisse d'un véhicule électrique ou de type hybride électrique û thermique.  An electric battery comprising cells 1 including an electricity generating system, in particular such a system may be of the electrochemical type with lithium-ion, is described below. This type of battery is more particularly intended for the traction of a motor vehicle, whether it is an electric vehicle or a hybrid electric-thermal type.

Une cellule 1 comprend une enveloppe 2 dans laquelle le système électrochimique est confiné pour isoler les composants chimiques nécessaire à la génération de l'électricité, ladite enveloppe étant pourvue de cosses 3 qui sont branchées sur les électrodes du système générateur d'électricité. La batterie comprend un bac dans lequel sont disposés des cellules 1, ledit bac présentant une géométrie adaptée à la disposition de la batterie dans le30 3 véhicule automobile, par exemple sous le plancher du véhicule ou dans le logement de la roue de secours.  A cell 1 comprises an envelope 2 in which the electrochemical system is confined to isolate the chemical components necessary for the generation of electricity, said envelope being provided with lugs 3 which are connected to the electrodes of the electricity generating system. The battery comprises a tray in which cells 1 are arranged, said container having a geometry adapted to the arrangement of the battery in the motor vehicle, for example under the floor of the vehicle or in the housing of the spare wheel.

Le bac est agencé pour disposer le nombre nécessaire de cellules 1 afin d'obtenir une batterie dont la puissance est adaptée à la traction du véhicule pour laquelle elle est prévue. En variante, le véhicule automobile peut comprendre plusieurs batteries dont chacun des bacs est logé dans un emplacement prévu à cet effet.  The tray is arranged to have the necessary number of cells 1 to obtain a battery whose power is adapted to the traction of the vehicle for which it is intended. Alternatively, the motor vehicle may include several batteries each of which is housed in a location provided for this purpose.

Le bac, outre le conditionnement des cellules 1, a également pour fonction de protéger lesdites cellules notamment vis-à-vis des chocs et de la pollution, en prévoyant en particulier que le bac soit résistant et étanche.  The tray, in addition to the conditioning of cells 1, also has the function of protecting said cells in particular against shocks and pollution, providing in particular that the tray is resistant and waterproof.

Dans un mode de réalisation, les cellules 1 présentent une géométrie généralement cylindrique, par exemple de diamètre de l'ordre de 5 cm et de hauteur de l'ordre de 20 cm. Comme représenté, les cellules 1 sont regroupées dans un module 4, les modules 4 étant disposés dans le bac. Le module 4 est agencé pour recevoir six cellules 1 en deux rangées de trois côte à côte, ledit module comprenant la connectique nécessaire au branchement desdites cellules. Le bac contient le nombre de modules 4 nécessaire à la traction du véhicule.  In one embodiment, the cells 1 have a generally cylindrical geometry, for example with a diameter of the order of 5 cm and a height of about 20 cm. As shown, the cells 1 are grouped in a module 4, the modules 4 being arranged in the tray. The module 4 is arranged to receive six cells 1 in two rows of three side by side, said module comprising the connectors required to connect said cells. The tray contains the number of modules 4 necessary for the traction of the vehicle.

Dans un mode de réalisation non représenté, le nombre voulu de cellules 1 peut être disposé directement dans le bac. Le bac comprend en outre la connectique nécessaire au branchement des cellules 1 et/ou des modules 4 de sorte à fournir l'énergie électrique au véhicule. En outre, une unité de gestion de l'énergie électrique fournie par la batterie peut être associée au bac.  In an embodiment not shown, the desired number of cells 1 can be arranged directly in the tray. The tray further comprises the connectors required to connect cells 1 and / or modules 4 so as to provide electrical energy to the vehicle. In addition, an electric power management unit provided by the battery can be associated with the tray.

La batterie comprend un dispositif de conditionnement en température qui est prévu à l'intérieur du bac. En effet, lors du fonctionnement, de la recharge mais également sous l'effet des conditions climatiques, la batterie subit des contraintes thermiques importantes qu'il faut contrôler pour assurer un fonctionnement et une fiabilité optimale de celle-ci. 4 Le dispositif de conditionnement comprend une quantité d'un matériau à changement de phase dans une plage de température déterminée.  The battery includes a temperature conditioning device which is provided inside the tank. Indeed, during operation, charging but also under the effect of climatic conditions, the battery undergoes significant thermal stresses that must be controlled to ensure optimal operation and reliability of it. The conditioning device comprises an amount of a phase change material in a determined temperature range.

Selon une réalisation, le dispositif de conditionnement comprend dans chaque module 4 entre 100 et 300 ml d'un matériau commercial comprenant un mélange eutectique dont la plage de température de transformation solide liquide est comprise entre 35 C et 45 C. Ainsi, en stockant de façon réversible de l'ordre de 300 kJ sous forme de chaleur latente de fusion, il est possible de stabiliser la température de fonctionnement de la batterie autour de 35 C, et de prévenir un échauffement de celle-ci au dessus de 45 C dans des conditions d'utilisation standard.  According to one embodiment, the conditioning device comprises in each module 4 between 100 and 300 ml of a commercial material comprising an eutectic mixture whose liquid solid transformation temperature range is between 35 C and 45 C. Thus, by storing reversible way of the order of 300 kJ in the form of latent heat of fusion, it is possible to stabilize the operating temperature of the battery around 35 C, and to prevent a heating thereof above 45 C in standard conditions of use.

De façon générale, le dispositif de conditionnement selon l'invention est modulable pour maintenir, par absorption respectivement restitution d'énergie calorique, le système générateur d'électricité dans une plage de température de fonctionnement optimale en fonction des conditions thermiques d'utilisation.  In general, the conditioning device according to the invention can be modulated to maintain, by absorption or restitution of caloric energy, the electricity generating system in an optimum operating temperature range depending on the thermal conditions of use.

Selon une réalisation, le matériau à changement de phase est disposé dans le bac pour être en contact avec au moins une partie de la surface de chacune des enveloppes 2. En outre, l'enveloppe 2 des cellules 1 peut être réalisée en matériau métallique, notamment en aluminium, de sorte à favoriser les transferts thermiques par conduction entre lesdites cellules et le matériau à changement de phase.  According to one embodiment, the phase change material is arranged in the tray to be in contact with at least a portion of the surface of each of the envelopes 2. In addition, the envelope 2 of the cells 1 may be made of metallic material, in particular aluminum, so as to promote heat transfer by conduction between said cells and the phase change material.

Selon la réalisation dans laquelle les cellules 1 sont regroupées dans des modules 4, le matériau à changement de phase peut être disposé dans chacun des modules 4 pour être en contact avec au moins une partie de la surface de chacune des enveloppes 2. En particulier, compte tenu de la forte dissymétrie des flux d'échanges thermiques à ce niveau, les faces inférieures des cellules 1 peuvent être entourées par du matériau à changement de phase.  According to the embodiment in which the cells 1 are grouped together in modules 4, the phase-change material can be arranged in each of the modules 4 to be in contact with at least a part of the surface of each of the envelopes 2. In particular, given the high asymmetry of heat exchange flux at this level, the lower faces of cells 1 may be surrounded by phase change material.

En variante, on peut prévoir de disposer du matériau à changement de phase pour qu'il soit en contact avec au moins une partie de la surface extérieure des modules 4 de sorte améliorer la capacité de conditionnement en température de la batterie. Cette réalisation permet en particulier de disposer une plus 5 grande quantité de matériau à changement de phase, de sorte à augmenter la capacité de stockage thermique du dispositif de conditionnement.  Alternatively, it can be provided to have the phase change material to be in contact with at least a portion of the outer surface of the modules 4 so as to improve the temperature conditioning capacity of the battery. This embodiment makes it possible in particular to have a greater quantity of phase-change material, so as to increase the thermal storage capacity of the conditioning device.

La quantité de matériau à changement de phase peut être disposée en vrac dans le bac et/ou dans les modules 4 qui sont étanches. En variante, le dispositif de conditionnement comprend au moins un étui souple dans lequel est disposé le matériau à changement de phase. Ainsi, il est possible de disposer le matériau de façon plus précise dans la batterie, en particulier au niveau des zones d'échauffement et/ou des zones des cellules 1 qui sont les plus fragiles en température.  The quantity of phase change material can be arranged in bulk in the tray and / or in the modules 4 which are sealed. Alternatively, the packaging device comprises at least one flexible case in which is disposed the phase change material. Thus, it is possible to arrange the material more precisely in the battery, in particular at the heating zones and / or the zones of the cells 1 which are the most temperature-sensitive.

Comme représenté sur la figure, le dispositif de conditionnement comprend une chambre 5 prévue dans chacun des modules 4, un fluide de conditionnement thermique, par exemple de l'eau, étant prévu à l'intérieur desdites chambres. Le dispositif de conditionnement peut comprendre en outre un moyen de mise en circulation du fluide de conditionnement et un moyen d'échange thermique entre le fluide et l'extérieur des modules 4.  As shown in the figure, the conditioning device comprises a chamber 5 provided in each of the modules 4, a thermal conditioning fluid, for example water, being provided inside said chambers. The conditioning device may further comprise a means for circulating the conditioning fluid and a means of heat exchange between the fluid and the outside of the modules 4.

Ainsi, en prévoyant une circulation d'eau au moyen d'une pompe et un radiateur extérieur au bac, on peut améliorer le conditionnement en température de la batterie en extrayant ou en apportant de l'énergie thermique à l'intérieur de ladite batterie, tant directement au niveau des cellules 1 qu'au niveau du matériau à changement de phase.  Thus, by providing a circulation of water by means of a pump and a radiator outside the tank, it is possible to improve the temperature conditioning of the battery by extracting or supplying thermal energy inside said battery, both directly at the level of the cells 1 and at the level of the material with phase change.

Selon une réalisation, éventuellement complémentaire de la précédente, la disposition des modules 4 dans le bac peut être prévue de sorte à former des canaux d'air entre eux. En particulier, une disposition hexagonale des modules 4 permet d'obtenir un agencement compact qui améliore le rapport puissance / 6 volume de la batterie, tout en prévoyant des canaux d'air favorisant le conditionnement en température.  According to one embodiment, possibly complementary to the previous one, the arrangement of the modules 4 in the tray may be provided so as to form air channels between them. In particular, a hexagonal arrangement of the modules 4 makes it possible to obtain a compact arrangement which improves the power / volume ratio of the battery, while providing air channels favoring temperature conditioning.

Le dispositif de conditionnement peut comprendre un moyen de mise en circulation de l'air contenu dans les canaux entre l'intérieur et l'extérieur du bac. Ainsi, il est possible, par convection, de contrôler l'apport en énergie thermique au niveau des cellules 1 et/ou au niveau du matériau à changement de phase, notamment de sorte à limiter le temps d'exposition des cellules 1 à des températures critiques. Dans cette réalisation, on peut prévoir des modules 4 à paroi mince et en matériau métallique pour augmenter encore les échanges convectifs. En outre, les modules peuvent être de géométrie prismatique pour réaliser un empilement hexagonal.  The conditioning device may comprise means for circulating the air contained in the channels between the inside and the outside of the tank. Thus, it is possible, by convection, to control the heat energy input at the level of the cells 1 and / or at the level of the phase-change material, in particular so as to limit the exposure time of the cells 1 to temperatures criticism. In this embodiment, thin-walled modules 4 and metallic material may be provided to further increase the convective exchanges. In addition, the modules can be of prismatic geometry to achieve a hexagonal stack.

En variante, au moins une partie des canaux peut être remplie de matériau à changement de phase. Il est également possible de prévoir une circulation d'air entre l'intérieur de l'habitacle du véhicule et la batterie, de sorte à favoriser le maintien des cellules 1 dans la plage de température souhaitée. Enfin, pour optimiser le conditionnement en température de la batterie, on peut prévoir d'isoler thermiquement le bac et/ou les modules 4.  Alternatively, at least a portion of the channels may be filled with phase change material. It is also possible to provide an air flow between the interior of the passenger compartment of the vehicle and the battery, so as to promote the maintenance of cells 1 in the desired temperature range. Finally, to optimize the temperature conditioning of the battery, it is possible to thermally isolate the tray and / or the modules 4.

L'invention permet donc, par détermination d'une quantité d'un matériau à changement de phase, de conditionner en température les cellules 1. Ce conditionnement est obtenu par changement entropique du matériau lors des variations de températures subit, tant par effet Joule induit par le fonctionnement de la batterie, que par apport calorique externe.  The invention therefore makes it possible, by determining an amount of a phase-change material, to condition the cells in temperature. This conditioning is obtained by entropic change of the material during sudden temperature variations, both by inductive Joule effect. by the operation of the battery, only by external caloric intake.

Enfin l'invention peut être complétée par l'incorporation au sein du matériau à changement de phase d'un autre matériau solide pulvérulent dont la propriété est à partir d'une certaine élévation thermique (typiquement au delà de 60 C) de se décomposer de manière endothermique de façon à refroidir énergétiquement toute cellule dont la température interne s'élèverait par suite d'un disfonctionnement interne ou externe.  Finally, the invention can be completed by the incorporation within the phase change material of another powdery solid material whose property is from a certain thermal elevation (typically above 60 ° C.) to decompose with endothermically so as to cool energetically any cell whose internal temperature rises as a result of an internal or external malfunction.

Claims (10)

REVENDICATIONS 1. Batterie électrique, notamment pour la traction d'un véhicule automobile, comprenant un bac dans lequel sont disposés des cellules (1) formées chacune d'une enveloppe (2) dans laquelle est confiné un système générateur d'électricité, ladite batterie étant caractérisée en ce qu'un dispositif de conditionnement en température est prévu à l'intérieur du bac, ledit dispositif comprenant une quantité d'un matériau à changement de phase dans une plage de température déterminée de sorte, par absorption respectivement restitution d'énergie calorique, à maintenir le système générateur d'électricité dans une plage de température de fonctionnement optimale en fonction des conditions thermiques d'utilisation.  An electric battery, in particular for the traction of a motor vehicle, comprising a tank in which cells (1) each formed of an envelope (2) in which is confined an electricity generating system, said battery being characterized in that a temperature conditioning device is provided inside the tank, said device comprising an amount of a phase change material in a temperature range determined so, by absorption or restitution of caloric energy respectively to maintain the electricity generating system in an optimum operating temperature range according to the thermal conditions of use. 2. Batterie électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau à changement de phase est disposé dans le bac pour être en contact avec au moins une partie de la surface de chacune des enveloppes (2).  2. Electrical battery according to claim 1, characterized in that the phase change material is disposed in the tray to be in contact with at least a portion of the surface of each of the envelopes (2). 3. Batterie électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des modules (4) dans chacun desquels sont regroupées des cellules (1), lesdits modules étant contenus dans le bac, le matériau à changement de phase étant disposé dans chacun des modules (4) pour être en contact avec au moins une partie de la surface de chacune des enveloppes (2).  3. Electric battery according to claim 1, characterized in that it further comprises modules (4) in each of which are grouped cells (1), said modules being contained in the tray, the phase change material being disposed in each of the modules (4) to be in contact with at least a portion of the surface of each of the envelopes (2). 4. Batterie électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que le dispositif de conditionnement comprend une chambre (5) prévue dans chacun des modules (4), un fluide de conditionnement thermique étant prévu à l'intérieur desdites chambres.  4. Electric battery according to claim 3, characterized in that the conditioning device comprises a chamber (5) provided in each of the modules (4), a thermal conditioning fluid being provided inside said chambers. 5. Batterie électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que le dispositif de conditionnement comprend en outre un moyen de mise en circulation du fluide de conditionnement et un moyen d'échange thermique entre le fluide et l'extérieur des modules (4). 8  5. Electric battery according to claim 4, characterized in that the conditioning device further comprises a means for circulating the conditioning fluid and a heat exchange means between the fluid and the outside of the modules (4). 8 6. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que les modules (4) sont disposés dans le bac de sorte à former des canaux d'air entre eux.  6. Electric battery according to any one of claims 3 to 5, characterized in that the modules (4) are arranged in the tray so as to form air channels between them. 7. Batterie électrique selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif de conditionnement comprend un moyen de mise en circulation de l'air contenu dans les canaux entre l'intérieur et l'extérieur du bac.  7. Electric battery according to claim 6, characterized in that the conditioning device comprises a means for circulating the air contained in the channels between the inside and outside of the tray. 8. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le dispositif de conditionnement comprend une quantité de matériau à changement de phase qui est disposé en vrac dans le bac et/ou dans les modules (4) qui sont étanches.  8. Electric battery according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the conditioning device comprises a quantity of phase change material which is arranged in bulk in the tray and / or in the modules (4) which are waterproof. 9. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le dispositif de conditionnement comprend au moins un étui souple dans lequel est disposé le matériau à changement de phase.  9. Electric battery according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the packaging device comprises at least one flexible case in which is disposed the phase change material. 10. Batterie électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que le dispositif de conditionnement comprend en outre un matériau solide pulvérulent qui est incorporé au matériau à changement de phase, ledit matériau solide pulvérulent étant apte à se décomposer de manière endothermique à partir d'une certaine élévation thermique.  Electrical battery according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the conditioning device further comprises a powdery solid material which is incorporated in the phase-change material, said solid powdery material being able to decompose with endothermic way from a certain thermal elevation.
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