FR2912261A1 - Electric energy supplying device for e.g. hybrid motor vehicle, has energy storage element comprising alternate superposition of aluminum and electrolyte layers, and energy controlling electronic circuit placed on one of metallic layers - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF DE FOURNITURE D'ENERGIE ELECTRIQUEDEVICE FOR PROVIDING ELECTRICAL ENERGY
La présente invention concerne un dispositif de fourniture d'énergie électrique associé à sa gestion électronique, notamment destiné à être utilisé dans des véhicules automobiles de type électrique ou hybride. The present invention relates to a device for supplying electrical energy associated with its electronic management, in particular for use in motor vehicles of electric or hybrid type.
Les figures la et lb montrent un exemple de source d'énergie généralement utilisée, à l'heure actuelle, dans un véhicule électrique ou hybride. Ces sources d'énergie électrique sont des dispositifs (10) composés de plusieurs sous-ensembles de stockage (11, 11a, llb, 11c et 11d), encapsulés indépendamment les uns des autres dans des boîtiers séparés, et connectés entre eux par des faisceaux électriques (13). Ces sources d'énergie comprennent également un circuit de gestion (15), lui aussi intégré dans un boîtier distinct. Chaque sous-ensemble (11, 11a, llb, 11c, et 11d) est composé de plusieurs éléments 16 de stockage d'énergie, appelés éléments de base, ainsi que d'un circuit électronique (resp. 12, 12a, 12b, 12c et 12d) de gestion du sous-ensemble installé dans un boîtier indépendant, et de faisceaux électriques 17 permettant d'établir des liaisons entre les différents éléments de base et le boîtier de gestion du sous-ensemble. Les éléments de base sont, par exemple, des batteries de type R20, présentant une tension aux bornes de 1.5 volts. Bien que ces sources d'énergie soient relativement satisfaisantes en terme de performances électriques, elles présentent de nombreux inconvénients en terme de fabrication et d'intégration. En effet, il apparaît clairement, au vu de la description effectuée ci-dessus, que ces dispositifs nécessitent un grand nombre de boîtiers et de faisceaux électriques de connexion, ce qui augmente le temps, le coût et l'ergonomie de fabrication. Figures 1a and 1b show an example of a power source generally used in an electric or hybrid vehicle at present. These sources of electrical energy are devices (10) composed of several storage subassemblies (11, 11a, 11b, 11c and 11d), encapsulated independently of each other in separate housings, and connected together by beams electric (13). These energy sources also include a management circuit (15), also integrated in a separate housing. Each subset (11, 11a, 11b, 11c, and 11d) is composed of a plurality of energy storage elements 16, called basic elements, as well as an electronic circuit (12, 12a, 12b, 12c respectively). and 12d) management of the subassembly installed in an independent housing, and electrical harnesses 17 for establishing links between the various basic elements and the management unit of the subassembly. The basic elements are, for example, type R20 batteries having a voltage across the terminals of 1.5 volts. Although these energy sources are relatively satisfactory in terms of electrical performance, they have many disadvantages in terms of manufacturing and integration. Indeed, it is clear from the description made above that these devices require a large number of boxes and wiring harnesses, which increases the time, cost and ergonomics of manufacture.
La présente invention vise à fournir une solution permettant de remédier à l'un au moins de ces inconvénients, en proposant un dispositif de fourniture d'énergie ayant un niveau d'intégration relativement avancé. Un tel dispositif présente au moins un des avantages suivants : Permettre la réduction des coûts de boîtier et donc de la batterie, de 30 à 50% environ, - Permettre la réduction du nombre de faisceaux électriques pour réaliser les différentes interconnexions, - Permettre l'automatisation du processus de fabrication de la batterie, et Permettre une meilleure intégration du dispositif dans le véhicule. The present invention aims to provide a solution to overcome at least one of these disadvantages by providing an energy supply device having a relatively advanced level of integration. Such a device has at least one of the following advantages: Allow the reduction of the costs of housing and therefore of the battery, by 30 to 50% approximately, - Allow the reduction of the number of electrical bundles to achieve the different interconnections, - Allow the automating the manufacturing process of the battery, and allowing a better integration of the device in the vehicle.
La présente invention concerne ainsi un dispositif de fourniture d'énergie électrique, notamment destiné à 30 l'alimentation d'un véhicule automobile, comprenant : - un élément de stockage d'énergie électrique, comprenant une superposition alternée de couches métalliques et de couches d'électrolyte, des couches externes de l'empilement étant des couches 35 métalliques, et 25 - des moyens de gestion de l'énergie. Ce dispositif est caractérisé en ce que les moyens de gestion de l'énergie sont apposés sur une des couches externes de l'élément de stockage. The present invention thus relates to a device for supplying electrical energy, in particular for supplying a motor vehicle, comprising: - an electrical energy storage element, comprising an alternating superposition of metal layers and layers of electrolyte, outer layers of the stack being metal layers, and energy management means. This device is characterized in that the energy management means are affixed to one of the outer layers of the storage element.
L'empilement de couches métalliques et de couches d'électrolyte forme une batterie d'accumulateurs présentant les mêmes caractéristiques de fonctionnement qu'une batterie classique de type batterie dipolaire Lithium-ion ou autres technologies. Ce dispositif de fourniture d'énergie peut être encapsulé dans un seul boîtier, puisque les moyens de gestion de l'énergie sont apposés sur l'empilement d'accumulateurs. Ces moyens de gestion de l'énergie sont utilisés pour gérer les contributions de ce dispositif dans l'alimentation d'un véhicule ou de tout autre système alimenté, mais également pour assurer la sécurité des utilisateurs lors du fonctionnement de la batterie d'accumulateurs. The stack of metal layers and electrolyte layers forms a storage battery having the same operating characteristics as a conventional lithium-ion dipole battery or other technologies. This energy supply device can be encapsulated in a single housing, since the energy management means are affixed to the stack of accumulators. These energy management means are used to manage the contributions of this device in the power supply of a vehicle or other powered system, but also to ensure the safety of users during operation of the storage battery.
Bien qu'il soit similaire à des batteries existantes en terme de fonctionnement, il peut être utile d'adapter l'élément de stockage d'énergie afin qu'il puisse recevoir les moyens de gestion sans risque de dégradation de l'un ou l'autre des éléments. A cet effet, dans une réalisation, les couches métalliques externes ont une épaisseur supérieure ou égale à celle des autres couches métalliques de la superposition. Cette épaisseur est, par exemple, de l'ordre de quelques millimètres. Ainsi, les couches métalliques externes sont telles qu'elles permettent une dissipation de la chaleur qui peut être dégagée au cours du fonctionnement des moyens de gestion de l'énergie, notamment dans le cas où ces moyens comprennent des composants électroniques de type transistors MOS ou bipolaires, connus pour leur température élevée de fonctionnement. Although it is similar to existing batteries in terms of operation, it may be useful to adapt the energy storage element so that it can receive the management means without risk of degradation of one or the other. other elements. For this purpose, in one embodiment, the outer metal layers have a thickness greater than or equal to that of the other metal layers of the superposition. This thickness is, for example, of the order of a few millimeters. Thus, the outer metal layers are such that they allow a dissipation of the heat that can be released during the operation of the energy management means, especially in the case where these means comprise electronic components of the MOS transistor type or bipolar, known for their high operating temperature.
Les couches métalliques de l'empilement ont, dans une réalisation avantageuse, une épaisseur de l'ordre du dixième de millimètre. The metal layers of the stack have, in an advantageous embodiment, a thickness of about one-tenth of a millimeter.
Les moyens de gestion de l'énergie électrique comprennent, dans une réalisation, un circuit électronique formé de composants électroniques, installés sur un circuit imprimé. Ce circuit est un circuit imprimé sur un film souple spécifique, par exemple de type film Kapton, sur lequel les composants électroniques sont soudés. Ce film est fixé, par exemple par collage, sur la couche externe de l'élément de stockage. L'utilisation d'un film de ce type présente plusieurs avantages, notamment celui de permettre une réduction du poids de l'ensemble du dispositif. En effet, le circuit électronique étant destiné à être apposé sur une couche rigide, correspondant à une des couches externes de l'élément de stockage de l'énergie, il peut être imprimé sur un support non rigide. Il est donc possible d'utiliser un film souple, moins lourd que les supports habituellement utilisés. Les films de type Kapton présentent également des caractéristiques techniques telles qu'ils permettent un refroidissement du circuit imprimé par dissipation de la chaleur. Un tel film permet également d'assurer l'isolation électrique entre le circuit imprimé et la couche externe de la batterie. The means for managing the electrical energy comprise, in one embodiment, an electronic circuit formed of electronic components, installed on a printed circuit. This circuit is a circuit printed on a specific flexible film, for example of the Kapton film type, on which the electronic components are soldered. This film is fixed, for example by gluing, on the outer layer of the storage element. The use of a film of this type has several advantages, particularly that of allowing a reduction in the weight of the entire device. Indeed, the electronic circuit being intended to be affixed to a rigid layer, corresponding to one of the outer layers of the energy storage element, it can be printed on a non-rigid support. It is therefore possible to use a flexible film, lighter than the usual media used. Kapton-type films also have technical characteristics such that they allow a cooling of the printed circuit by dissipation of heat. Such a film also ensures electrical insulation between the printed circuit and the outer layer of the battery.
Par ailleurs il est nécessaire, pour le bon fonctionnement du dispositif de fourniture d'énergie, que les moyens de gestion soient électriquement reliés à l'élément de stockage, via la couche externe sur laquelle ils sont apposés. Furthermore, it is necessary, for the proper functioning of the energy supply device, that the management means are electrically connected to the storage element, via the external layer on which they are affixed.
Cette liaison peut être mise en oeuvre en utilisant différentes techniques connues. De manière avantageuse, cette liaison est effectuée par un élément métallique soudé, en utilisant une technique de soudage métal sur métal par rotation très rapide, ou par un élément métallique inséré dans la couche externe. This connection can be implemented using various known techniques. Advantageously, this connection is made by a welded metal element, using a technique of metal-on-metal welding by very fast rotation, or by a metal element inserted into the outer layer.
L'élément métallique inséré est, par exemple, un clou enfoncé en force dans la couche métallique externe. Cette technique est, notamment, utilisée dans d'autres applications telles que les circuits de type substrat métallique isolé, ou SMI. The inserted metal element is, for example, a nail forced into the outer metal layer. This technique is, in particular, used in other applications such as insulated metal substrate circuits, or SMI.
Les moyens de gestion, notamment lorsqu'ils sont sous la forme d'un circuit électronique, peuvent comporter des éléments de puissance, par exemple des éléments pouvant atteindre des tensions de l'ordre de 300 volts et des intensités de l'ordre de 100 ampères. Dans ce cas, la couche externe sur laquelle ils sont apposés joue le rôle de dissipateur thermique, en permettant la dissipation de la chaleur générée lors du fonctionnement du dispositif. The management means, especially when they are in the form of an electronic circuit, may comprise power elements, for example elements that can reach voltages of the order of 300 volts and intensities of about 100 volts. amps. In this case, the outer layer on which they are affixed plays the role of heat sink, allowing the dissipation of the heat generated during operation of the device.
Les moyens de gestion de l'énergie apposés sur la face externe de l'élément de stockage, sont particulièrement soumis aux agressions externes telles que la poussière, l'humidité, ou encore les variations de température. Afin de prolonger la durée de vie de ce dispositif, d'assurer la sécurité et d'éviter les dégradations, il est donc utile de prévoir des moyens de protection contre ces agressions externes. Ainsi, dans une réalisation, les moyens de gestion sont protégés des agressions externes par le dépôt d'une substance protectrice isolante sur le circuit imprimé. Dans une autre variante, cette protection est effectuée par le collage d'un boîtier. The energy management means affixed to the outer face of the storage element, are particularly subject to external aggression such as dust, humidity, or temperature variations. In order to prolong the life of this device, to ensure safety and to avoid damage, it is therefore useful to provide means of protection against such external aggression. Thus, in one embodiment, the management means are protected from external aggression by depositing an insulating protective substance on the printed circuit. In another variant, this protection is performed by gluing a housing.
Dans le cas où on utilise un boîtier, ce dernier est également utilisé pour supporter toute la connectique utile pour relier le dispositif de fourniture d'énergie aux autres éléments du système à alimenter, par exemple un véhicule automobile. In the case where a housing is used, the latter is also used to support all the useful connections for connecting the energy supply device to the other elements of the system to be powered, for example a motor vehicle.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ces modes de réalisation, cette description étant effectuée à titre non limitatif à l'aide des figures sur lesquelles : - les figures la et lb, déjà décrites, montrent une batterie existant dans l'art antérieur, 35 - la figure 2 montre un élément de stockage utilisé dans un dispositif conforme à l'invention, - la figure 3 montre la couche externe de l'élément de stockage ainsi que les moyens de gestion de l'énergie d'un dispositif conforme à l'invention, et - la figure 4 montre un boîtier encapsulant un dispositif conforme à l'invention. Other advantages and features of the invention will become apparent with the description of some of these embodiments, this description being given in a non-limiting manner with the aid of the figures in which: FIGS. 1a and 1b, already described, show an existing battery in the prior art, - Figure 2 shows a storage element used in a device according to the invention, - Figure 3 shows the outer layer of the storage element and the management means of the energy of a device according to the invention, and - Figure 4 shows a housing encapsulating a device according to the invention.
La figure 2 illustre un élément de stockage d'énergie électrique utilisable dans un dispositif conforme à l'invention. Cet élément est constitué d'une superposition alternée de couches d'aluminium 24 et de couches d'électrolytes 22, formant un empilement assimilable à un mille-feuille. Les dimensions de cet élément de stockage dépendent des caractéristiques électriques souhaitées : la longueur et la largeur de cet élément sont fonction de l'intensité souhaitée, et l'épaisseur dépend du nombre de couches nécessaires pour obtenir la tension souhaitée. Le nombre de couches est généralement de l'ordre d'une centaine. FIG. 2 illustrates an electrical energy storage element that can be used in a device according to the invention. This element consists of an alternating superposition of aluminum layers 24 and electrolyte layers 22 forming a stack assimilable to a mille-feuille. The dimensions of this storage element depend on the desired electrical characteristics: the length and the width of this element depend on the desired intensity, and the thickness depends on the number of layers necessary to obtain the desired voltage. The number of layers is generally of the order of a hundred.
Sur cette figure, il apparaît que les couches métalliques externes 20 sont plus épaisses que les autres couches d'aluminium 24. Dans une réalisation avantageuse, les couches externes ont une épaisseur de l'ordre de quelques millimètres, et les autres couches ont une épaisseur inférieure à 0.1 millimètre. Un de ces couches est utilisée pour supporter les moyens de gestion de l'énergie électrique, par exemple un circuit électronique, ainsi qu'illustré sur la figure 3. In this figure, it appears that the outer metal layers 20 are thicker than the other aluminum layers 24. In an advantageous embodiment, the outer layers have a thickness of the order of a few millimeters, and the other layers have a thickness less than 0.1 millimeter. One of these layers is used to support the means for managing the electrical energy, for example an electronic circuit, as illustrated in FIG.
Sur la couche d'aluminium 30 est collé un film polymère 32, par exemple de type Kapton, d'une épaisseur d'environ 40 micromètres. Ce film est choisi en fonction de ses propriétés électriques, thermiques, chimiques et mécaniques, qui en font un support parfaitement adapté aux circuits électroniques. Par exemple, les films choisis sont résistants aux très hautes températures, qui peuvent régulièrement être atteintes dans des dispositifs tel que celui proposé par l'invention. Sur ce film 32 sont imprimées des pistes conductrices formant un circuit imprimé 34. Des composants électroniques 36 sont soudés sur ce circuit imprimé 34 pour former un circuit électronique de gestion de l'alimentation. La liaison électrique entre le circuit électronique et la couche d'aluminium externe 30 est réalisée en utilisant un élément métallique 38. On the aluminum layer 30 is glued a polymer film 32, for example Kapton type, a thickness of about 40 microns. This film is chosen according to its electrical, thermal, chemical and mechanical properties, which make it a support perfectly adapted to electronic circuits. For example, the chosen films are resistant to very high temperatures, which can regularly be achieved in devices such as that proposed by the invention. On this film 32 are printed conductive tracks forming a printed circuit 34. Electronic components 36 are soldered to this printed circuit 34 to form an electronic circuit power management. The electrical connection between the electronic circuit and the outer aluminum layer 30 is achieved by using a metal element 38.
Dans certaines réalisations, afin de protéger le circuit électronique, on effectue, au moment de la fabrication du dispositif, une opération de potting , qui consiste à déposer sur le circuit électronique un matériau isolant, par exemple de type gomme de silicone, de manière à remplir tous les volumes vides du circuit électronique. In some embodiments, in order to protect the electronic circuit, a potting operation is performed at the time of manufacture of the device, which consists in depositing on the electronic circuit an insulating material, for example of the silicone gum type, so as to fill all empty volumes of the electronic circuit.
Le principal avantage des dispositifs conformes à l'invention est qu'il est possible, ainsi qu'illustré sur la figure 4, d'encapsuler dans un seul et même boîtier 40, un élément de stockage d'énergie 42, et un circuit électronique 44 de gestion de l'énergie. Sur ce boîtier peuvent être fixés des éléments de connectique 46, permettant de relier le dispositif à l'ensemble du système à alimenter.25 The main advantage of the devices according to the invention is that it is possible, as illustrated in FIG. 4, to encapsulate in a single housing 40, an energy storage element 42, and an electronic circuit 44 of energy management. On this housing can be attached connector elements 46, to connect the device to the entire system to power.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20131031 |