FR2957857A1 - Vehicule comportant un systeme de securisation d'une batterie, enceinte contenant une batterie apte a cooperer avec un tel systeme et procede de securisation correspondant - Google Patents

Vehicule comportant un systeme de securisation d'une batterie, enceinte contenant une batterie apte a cooperer avec un tel systeme et procede de securisation correspondant Download PDF

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Abstract

L'invention concerne un véhicule comportant un moteur thermique et au moins un moteur électrique alimenté en énergie électrique par une batterie (5), le moteur thermique (2) étant muni d'une ligne d'échappement (3) pour l'évacuation des gaz d'échappement générés par le moteur thermique (2), et un système de sécurisation (12) apte à éviter tout risque d'incendie ou d'explosion de la batterie (5), ledit véhicule étant caractérisé en ce que le système de sécurisation comporte une ligne de dérivation des gaz (12.1) branchée sur la ligne d'échappement (3) pour prélever une partie des gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement (3), et les injecter sur la batterie (5) en cas de détection d'anomalies dans la batterie (5).

Description

VEHICULE COMPORTANT UN SYSTEME DE SECURISATION D'UNE BATTERIE, ENCEINTE CONTENANT UNE BATTERIE APTE A COOPERER AVEC UN TEL SYSTEME ET PROCEDE DE SECURISATION CORRESPONDANT La présente invention concerne un véhicule comportant un système de sécurisation d'une batterie rechargeable ou pas, équipant notamment un véhicule hybride. Par véhicule hybride, on entend un véhicule comportant un moteur thermique et un moteur électrique destinés conjointement ou alternativement à la traction du véhicule. L'invention concerne également une enceinte contenant la batterie apte à coopérer avec le système de sécurisation de la batterie et un procédé de sécurisation correspondant. Dans la description qui suit, nous nous intéresserons plus particulièrement à un véhicule hybride thermique/électrique et à la batterie destinée à alimenter en courant le moteur électrique de traction du véhicule hybride. Une telle batterie, dite haute tension, doit pouvoir délivrer une forte puissance électrique pour être capable d'entraîner le véhicule. C'est pour cela que la batterie est généralement constituée d'un ensemble de modules élémentaires, ou batteries élémentaires, connectés entre eux en série ou en parallèle et regroupés dans une même enceinte. Ces modules élémentaires sont autant de générateurs électrochimiques dont certains de leurs composants sont inflammables voire explosifs lorsqu'ils sont en contact avec d'autres organes du véhicule et/ou lorsque des dégagements gazeux s'échappent desdits composants et entrent en contact avec l'air ou d'autres fluides présents dans le véhicule. Une anomalie dans le fonctionnement de la batterie peut être causée par le dysfonctionnement de l'un des générateurs électrochimiques (court- circuit, ...) ou une perturbation extérieure (choc, élévation de la température, etc.). Cette anomalie provoque l'échauffement de la batterie et augmente le risque d'inflammation des ses composants. La proximité du nombre important de générateurs multiplie d'autant ce risque, ce qui rend nécessaire une intervention extérieure pour sécuriser définitivement la batterie. Ce risque est particulièrement important dans le cas de générateurs comprenant du lithium, qui contiennent notamment des solvants organiques facilement volatiles. Les principaux problèmes récurrents sur l'ensemble des batteries et en particulier les batteries lithium-ion, sont les problèmes de fuite de gaz, d'inflammation et de risque d'explosion. Une fuite de gaz intervient lors d'une phase dite de dégazage, en cas de disfonctionnement, et peut ou non être canalisée à l'extérieur de l'enceinte de la batterie. Pour ne citer qu'un exemple sur les implications non seulement sécuritaires mais économiques : l'un des principaux fournisseurs de batteries a dû rapatrier plusieurs millions de batteries défectueuses dans le monde. Pour rappel, une batterie embarque un électrolyte liquide, dangereux en cas de fuite et, surtout, susceptible de subir un échauffement intempestif, conduisant à une combustion brutale voire explosive. La combustion se produit entre le combustible et le comburant. Le combustible est une substance capable de brûler en présence d'un autre réactif (comburant) et en l'occurrence, l'air et l'oxygène de l'air présent dans l'environnement de la batterie qui peut par ailleurs être utilisé pour son refroidissement. Pour pallier ces inconvénients, différents dispositifs de sécurité ont été mis en oeuvre et parmi ceux-ci, on trouve notamment un dispositif de sécurité décrit dans le document FR 2 810 796-A1.
Ce document enseigne de rajouter un réservoir spécifique pour stocker un gaz sous pression avant de l'injecter à l'intérieur de l'enceinte contenant la batterie en cas de besoin. Le rajout de ce réservoir a pour effet d'augmenter le volume total du bloc batterie. Or, un des problèmes rencontrés, en particulier pour les véhicules hybrides comportant deux sources d'énergie, est justement le manque de place. D'autre part, il faut approvisionner le réservoir en gaz, gaz qui sera stocké en permanence jusqu'à utilisation, si utilisation il y a. Cette réserve de gaz sous-pression constitue également une source potentielle de danger se rajoutant aux inconvénients précités. La présente invention permet de résoudre les inconvénients précités, en offrant les mêmes garanties de sécurité sans pour autant avoir à stocker 5 un gaz sous pression. A cet effet, l'invention a pour objet un véhicule comportant un moteur thermique et au moins un moteur électrique alimenté en énergie électrique par une batterie, le moteur thermique étant muni d'une ligne d'échappement pour l'évacuation des gaz d'échappement générés par le moteur thermique, 10 et un système de sécurisation apte a éviter tout risque d'incendie ou d'explosion de la batterie, ledit véhicule étant caractérisé en ce que le système de sécurisation comporte une ligne de dérivation des gaz branchée sur la ligne d'échappement pour prélever une partie des gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement, et les injecter sur la batterie en cas de 15 détection d'anomalies dans la batterie. Selon une caractéristique, la ligne de dérivation comporte un moyen de traitement des gaz prélevés pour les débarrasser de leurs impuretés. Selon une autre caractéristique, la ligne de dérivation comporte en outre un moyen d'élimination de l'oxygène contenu dans les gaz 20 d'échappement. Selon une autre caractéristique, la ligne de dérivation comporte en outre un moyen pour refroidir les gaz d'échappement avant leur injection sur la batterie. Selon une caractéristique, le véhicule comporte une enceinte fermée 25 contenant la batterie, ladite enceinte comportant une première entrée recevant les gaz d'échappement prélevés par la ligne de dérivation et au moins une sortie comportant un moyen de fermeture de l'enceinte en cas de détection d'anomalies dans la batterie susceptibles d'engendrer un risque d'incendie ou d'explosion de la batterie. 30 Selon une autre caractéristique, la première entrée de l'enceinte est munie d'un clapet anti retour laissant passer les gaz d'échappement prélevés par la ligne de dérivation à l'intérieur de l'enceinte et empêchant le reflux desdits gaz vers la ligne de dérivation, et en ce que la sortie de l'enceinte est munie d'une vanne de fermeture activée quand une anomalie est détectée dans la batterie pour empêcher l'évacuation des gaz d'échappement à l'extérieur de l'enceinte.
Selon une autre caractéristique, l'enceinte comporte en outre au moins un capteur de température et au moins un capteur de pression coopérant avec la vanne de fermeture pour commander la vanne de fermeture de l'enceinte en fonction de la température et de la pression à l'intérieur de l'enceinte.
L'invention a également pour objet une enceinte fermée contenant une batterie d'alimentation électrique, ladite enceinte comportant une première entrée apte à recevoir des gaz d'échappement et au moins une sortie comportant des moyens de fermeture de l'enceinte en cas de détection d'anomalies dans la batterie susceptibles d'engendrer un risque d'incendie ou d'explosion de la batterie. L'invention a également pour objet un procédé de sécurisation d'une batterie d'alimentation électrique équipant un véhicule comportant un moteur thermique consistant à : - prélever une partie des gaz d'échappement produits par le moteur thermique - injecter les gaz d'échappement à l'intérieur d'une enceinte fermée (6) contenant la batterie ; et - à saturer l'enceinte de gaz d'échappement quand une anomalie est détectée dans la batterie.
Selon une caractéristique du procédé de sécurisation, une anomalie est détectée quand la température ou la pression à l'intérieur de l'enceinte dépasse une valeur prédéterminée. Un des principaux avantages de la présente invention consiste à injecter un gaz inerte prélevé à partir des gaz d'échappement, donc un gaz disponible à profusion dans le véhicule, pour éviter l'inflammation et l'explosion de la batterie. Un autre avantage est d'éviter l'adjonction de composants annexes, susceptibles de complexifier le système et d'utiliser du volume déjà limité. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation d'un véhicule comportant un système de sécurisation selon l'invention ; - la figure 2 est une représentation schématique d'un exemple de moyen de piquage de gaz du système de sécurisation selon l'invention ; et - la figure 3 est une représentation schématique d'un deuxième mode de réalisation d'un véhicule comportant un système de sécurisation selon l'invention ; Sur les figures, les mêmes éléments ou similaires portent les mêmes références. Pour éviter tout risque d'inflammation et d'explosion des batteries, le véhicule selon l'invention comporte un système de sécurisation comportant des moyens pour prélever puis injecter en continu une partie des gaz d'échappement contenant principalement du gaz carbonique (CO2) et de l'azote (N2) et en moindre proportion de l'oxygène (02), à l'intérieur d'une enceinte fermée, renfermant la batterie. On a représenté partiellement et schématiquement sur la figure 1, un véhicule hybride 1 comportant un moteur thermique 2 et une ligne d'échappement 3 des gaz d'échappement fournis en sortie du moteur thermique 2. Le sens de circulation des gaz d'échappement est symbolisé par la flèche 4. Un moteur électrique de traction 21 du véhicule 1 est alimenté en courant électrique par une batterie haute tension 5 logée dans une enceinte 30 fermée 6.
Un filtre à particules 7, 7' est disposé en coupure sur la ligne d'échappement 3. Un dispositif 8 de régulation de l'air provenant de l'habitacle ou en provenance de l'extérieur du véhicule 1 délivre un flux d'air symbolisé par la 5 flèche 9 à l'enceinte 6. Des capteurs de température 10 et de pression 11, aptes à délivrer des informations sur le bon fonctionnement de la batterie 5, sont disposés dans l'enceinte 6. Les capteurs de température 10 sont choisis pour fonctionner dans une plage de températures donnée, en fonction de la 10 technologie retenue pour la batterie 5. Le système de sécurisation 12 selon l'invention comporte une ligne de dérivation 12.1 d'une partie des gaz d'échappement. Cette ligne de dérivation 12.1 est branchée, par un moyen de piquage P sur la ligne d'échappement 3, entre la ligne d'échappement 3 et une première entrée, ou 15 entrée principale El de l'enceinte 6. Le moyen de piquage P est réalisé par exemple par une sonde 23 tel qu'illustré à la figure 2. La ligne de dérivation 12.1 peut être branchée soit en en aval soit en amont du filtre antiparticule qui est référencé respectivement 7, 7'. 20 La ligne de dérivation 12.1 comporte des moyens de traitement des gaz qui sont dans l'ordre de la circulation des gaz : - un filtre 13 permettant de nettoyer les gaz d'échappement de leurs imbrulés carbone et autres impuretés ; - un séparateur 14 de gaz, par exemple de type séparateur à 25 membrane bien connu de l'homme du métier, permettant d'éliminer l'oxygène 02 présent dans les gaz d'échappement en les évacuant dans la ligne d'échappement en aval du piquage P, pour ne laisser passer que l'azote N2 et le gaz carbonique CO2. A titre de variante, une cartouche absorbeur d'oxygène peut être utilisée en remplacement du séparateur.
L'échange de la cartouche peut être compatible des révisions périodiques en concession (à l'instar du filtre à huile par exemple) ; - un échangeur 15 permettant de refroidir les gaz et donc de diminuer la température des gaz d'échappement en fonction de la température à l'intérieur de l'enceinte 6 et donc de la batterie 5. Cet échangeur 15 peut être implanté avant ou après le séparateur 14 des gaz, en fonction de l'efficacité du dispositif de séparation ou d'absorption 14, mais toujours avant injection des gaz dans l'enceinte 6 via l'entrée principale E1. Le système de sécurisation 12 selon l'invention comporte et met en 10 oeuvre, en outre, un ensemble de moyens externes à la ligne de dérivation 12.1 et coopérant avec la ligne de dérivation 12.1. Ces moyens externes comportent : - une vanne de fermeture 16 disposée en sortie S de l'enceinte 6, permettant de fermer la sortie de l'enceinte 6 en cas de coupure du moteur 15 thermique 2 et en cas de détection d'une anomalie. - un premier clapet anti-retour 17 disposé en coupure entre une arrivée d'air 9 provenant du dispositif de régulation 8 et une deuxième entrée E2 de l'enceinte 6, pour empêcher la remontée des gaz d'échappement dans l'habitacle quand la vanne de fermeture 16 est activée et donc que l'enceinte 20 6 est fermée ; et - un deuxième clapet anti-retour 18 disposé en coupure entre la sortie de l'échangeur 15 et la première entrée, ou entrée principale El de l'enceinte 6 pour empêcher le reflux des gaz vers la ligne d'échappement 3 quand la vanne de fermeture 16 est activée et donc que l'enceinte 6 est 25 fermée. Le fonctionnement du système de sécurisation 12 selon l'invention est maintenant décrit en s'appuyant sur les différents éléments qui viennent d'être introduits ci-dessus.
En fonctionnement normal, c'est-à-dire un fonctionnement dans lequel le moteur thermique 2 tourne et s'arrête en fonction des conditions d'usage du véhicule et qu'aucune anomalie n'a été détectée dans l'enceinte 6 contenant la batterie 5, les flux d'air 9 provenant du dispositif de régulation 8 et de gaz 4 provenant de la ligne d'échappement 3 via la ligne de dérivation 12.1, entrent respectivement par les première et deuxième entrées El et E2 de l'enceinte 6, puis traversent l'enceinte 6 pour être évacués hors de l'enceinte 6 par la sortie S (vanne 16 ouverte) de l'enceinte, vers l'extérieur du véhicule 1, par exemple dans la ligne d'échappement 3 en aval du filtre à particules 7'. Lorsqu'il se produit un échauffement anormal à l'intérieur d'un des modules élémentaires de la batterie 5, par exemple à la suite d'un court-circuit interne, la température de la batterie 5 s'élève. Le capteur de température 10 mesure la température et si celle-ci dépasse un seuil déterminé, le système de sécurisation 12 est alors activé. L'activation du système de sécurisation 12 se traduit par l'arrêt du dispositif de régulation 8 et donc l'arrêt de l'approvisionnement en air frais, et par la fermeture de la vanne 16 à la sortie S de l'enceinte 6, ce qui a pour effet de saturer l'enceinte 6 en gaz et la maintenir sous pression. Les premier et second clapets 17 et 18, jouant alors pleinement leur rôle, empêchent toute fuite de gaz vers l'habitacle et vers la ligne de dérivation 12.1. En cas de coupure du moteur thermique 2, la source des gaz d'échappement est arrêtée et l'émission des gaz d'échappement va s'arrêter progressivement. C'est au moment de l'arrêt du moteur thermique 2 que le risque d'inflammation et d'explosion est maximum car la source de gaz inerte se tarit. Pour éviter tout risque d'inflammation et d'explosion, la vanne de fermeture 16 est alors automatiquement activée à l'arrêt du moteur thermique 2 pour fermer l'enceinte 6 et retenir les gaz d'échappement provenant de la ligne de dérivation 12.1 à l'intérieur de l'enceinte 6, ce qui a pour effet de saturer l'enceinte 6 en gaz et la maintenir sous pression. Les premier et second clapets 17 et 18, jouant alors pleinement leur rôle, empêchent toute fuite de gaz vers l'habitacle et vers la ligne de dérivation 12.1. La pression à l'intérieur de l'enceinte 6 est en permanence surveillée par le capteur de pression 11 et la vanne 16 est ré-ouverte quand la pression à l'intérieur de l'enceinte 6 est supérieure à une pression déterminée pour éviter tout risque d'explosion de l'enceinte 6. Le temps de réaction du système de sécurisation est très rapide, de l'ordre de 200 à 400 ms et l'injection des gaz d'échappement à l'intérieur de l'enceinte 6 du fait de la pression des gaz d'échappement sortant du moteur thermique 2 prend une à deux secondes. Le débit des gaz d'échappement déviés vers la ligne de dérivation 12.1 est compatible avec une vitesse de remplissage permettant un délai rapide de saturation en gaz inerte de l'enceinte 6. D'autres modes de réalisation d'un système de sécurisation tel que 15 celui décrit et représenté peuvent être conçus par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. Ainsi, dans le cas d'un moteur thermique essence, le filtre 13 n'est pas nécessaire. Seul le séparateur 14 de type membrane, ou une cartouche absorbeur d'oxygène, est nécessaire. Dans ce cas, les gaz CO2+N2 sont 20 injectés directement dans l'enceinte 6. Le remplacement de la cartouche sera assuré lors des révisions périodiques chez le concessionnaire. Dans le cas d'un moteur thermique Diesel, deux cas de figure sont à considérer : soit le gaz est prélevé avant le filtre à particules 7' (représenté par un rectangle en trait interrompu), soit le gaz est prélevé après le filtre à 25 particules 7. Si le gaz est prélevé après le filtre à particules 7, on considère qu'il n'y a pas de particules résiduelles. Dans ce cas, le filtre additionnel 13 dans la ligne de piquage 12.1 n'est pas nécessaire. Si le gaz est prélevé avant le filtre à particules 7', pour éviter de 30 diminuer la pression due au passage des gaz dans le filtre à particules 7, la présence d'un filtre 13 est nécessaire pour éliminer les grosses particules et autres résidus de combustion. Dans le cas d'un moteur essence ou d'un moteur Diesel, une autre variante consiste à injecter l'ensemble des gaz CO2+N2+02 présents dans les gaz d'échappement directement dans l'enceinte 6, donc sans élimination de l'oxygène. Dans cette variante, le système de sécurisation 12 ne comporte donc ni séparateur, ni absorbeur. Les gaz d'échappement, purgés de leurs impuretés sont donc injectés dans l'enceinte. Les impuretés sont quant à elles éliminées soit par le filtre à particule, soit par un autre filtre spécifique. On considère que la proportion d'oxygène présente dans les gaz d'échappement est négligeable par rapport aux autres constituants. Un deuxième mode de réalisation de l'invention, illustré à la figure 3, propose de séparer de façon étanche à l'intérieur de l'enceinte 6 les gaz 9 venant du système 8 de régulation de température, qui ne sont alors dirigés que vers une zone précise 22 des modules de batterie 5 et évacués par une sortie S' indépendante de la sortie S pour assurer leur refroidissement. Le clapet anti-retour 17 n'a alors plus lieu d'être. Cette variante est en particulier utile si d'autres solutions de refroidissement que l'air sont utilisées, en particulier du liquide de refroidissement ou du fluide diphasique de réfrigération dérivé ou non du circuit de climatisation de l'habitacle.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Véhicule (1) comportant un moteur thermique (2) et au moins un moteur électrique (21) alimenté en énergie électrique par une batterie (5), le moteur thermique (2) étant muni d'une ligne d'échappement (3) pour l'évacuation des gaz d'échappement générés par le moteur thermique (2), et un système de sécurisation (12) apte a éviter tout risque d'incendie ou d'explosion de la batterie (5), ledit véhicule (1) étant caractérisé en ce que le système de sécurisation (12) comporte une ligne de dérivation des gaz (12.1) branchée sur la ligne d'échappement (3) pour prélever une partie des gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement (3), et les injecter sur la batterie (5) en cas de détection d'anomalies dans la batterie (5).
  2. 2. Véhicule selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la ligne de dérivation (12.1) comporte un moyen de traitement (13) des gaz prélevés pour les débarrasser de leurs impuretés.
  3. 3. Véhicule selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ligne de dérivation (12.1) comporte en outre un moyen (14) d'élimination de l'oxygène contenu dans les gaz d'échappement.
  4. 4. Véhicule selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ligne de dérivation (12.1) comporte en outre un moyen (15) pour refroidir les gaz d'échappement avant leur injection sur la batterie (5).
  5. 5. Véhicule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte fermée (6) contenant la batterie (5), ladite enceinte (6) comportant une première entrée (El) recevant les gaz d'échappement prélevés par la ligne de dérivation (12.1) et au moins une sortie (S) comportant un moyen de fermeture (16) de l'enceinte (6) en cas de détection d'anomalies dans la batterie (5) susceptibles d'engendrer un risque d'incendie ou d'explosion de la batterie (5).
  6. 6. Véhicule selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la première entrée (El) de l'enceinte (6) est munie d'un clapet anti retour (18) laissant passer les gaz d'échappement prélevés par la ligne de dérivation (12.1) à l'intérieur de l'enceinte (6) et empêchant le reflux desdits gaz vers la ligne de dérivation (12.1), et en ce que la sortie (S) de l'enceinte (6) est munie d'une vanne de fermeture (16) activée quand une anomalie est détectée dans la batterie (5) pour empêcher l'évacuation des gaz d'échappement à l'extérieur de l'enceinte (6).
  7. 7. Véhicule selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'enceinte (6) comporte en outre au moins un capteur de température (10) et au moins un capteur de pression (11) coopérant avec la vanne de fermeture (16) pour commander la vanne de fermeture (16) de l'enceinte (6) en fonction de la température et de la pression à l'intérieur de l'enceinte (6).
  8. 8. Enceinte fermée (6) contenant une batterie (5) d'alimentation électrique, ladite enceinte (6) comportant une première entrée (El) apte à recevoir des gaz d'échappement et au moins une sortie (S) comportant des moyens de fermeture (16) de l'enceinte (6) en cas de détection d'anomalies dans la batterie (5) susceptibles d'engendrer un risque d'incendie ou d'explosion de la batterie (5).
  9. 9. Procédé de sécurisation d'une batterie d'alimentation électrique (5) équipant un véhicule (1) comportant un moteur thermique (2) consistant à: - prélever une partie des gaz d'échappement produits par le moteur thermique (2) ; 5 10- injecter les gaz d'échappement à l'intérieur d'une enceinte fermée (6) contenant la batterie (5) ; et - à saturer l'enceinte (6) de gaz d'échappement quand une anomalie est détectée dans la batterie (5).
  10. 10. Procédé de sécurisation selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'une anomalie est détectée quand la température ou la pression à l'intérieur de l'enceinte (6) dépasse une valeur prédéterminée. 15
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