FR2964799A1 - Batterie comprenant une plaque d'equilibrage de temperature - Google Patents

Abstract

De façon à équilibrer la température des cellules d'une batterie de véhicule, notamment de véhicule automobile, comprenant une pluralité de cellules (1, 2, ..., 12) qui comportent chacune deux bornes électriques (13, 14) respectivement positive et négative, des liaisons électriques (15-27) raccordées sur les bornes électriques pour relier les cellules entre elles et à l'extérieur de la batterie et des moyens de refroidissement de la batterie, les moyens comprennent une plaque (30) en un matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant, qui comporte lesdites liaisons électriques (15, 16, 17, 18, ..., 27).

Description

BATTERIE COMPRENANT UNE PLAQUE D'EQUILIBRAGE DE TEMPERATURE L'invention concerne une batterie de véhicule, notamment de véhicule automobile, comprenant plusieurs cellules qui comportent chacune deux bornes électriques de raccordement internes ou externes. Plus précisément, l'invention concerne l'équilibrage de température au sein de la batterie.

Généralement, les batteries sont formées d'un ensemble de cellules interconnectées en série et/ou en parallèle. En vue d'optimiser l'exploitation de la batterie, un besoin se fait sentir pour assurer une température la plus uniforme possible entre les différentes cellules et au sein de chaque cellule, durant toutes les conditions de leur fonctionnement. Un besoin se fait sentir aussi de pouvoir refroidir ou réchauffer les cellules en maintenant une température répartie le plus uniformément possible entre les différentes cellules et au sein de chaque cellule. Un besoin se fait sentir encore de pouvoir refroidir ou réchauffer les cellules de façon la plus efficace possible. Pour réchauffer ou refroidir les cellules de la batterie, il existe de nombreux dispositifs qui mettent en oeuvre une ventilation par air ou une circulation de fluide liquide, à l'extérieur de la batterie ou entre les cellules. L'inconvénient de ces dispositifs est que l'air ou le fluide ne sont généralement en contact qu'avec une partie des cellules de la batterie.

La faible conductibilité thermique et la faible capacité thermique de l'air ne sont pas propices à un refroidissement poussé. Dans son cheminement au travers d'une batterie au contact des cellules plus chaudes que l'air, la température de l'air augmente progressivement.

Il en résulte un refroidissement inégal des cellules. Une solution consistant simplement à faire circuler un liquide de refroidissement au travers d'un circuit creux, par exemple une enveloppe en polymère disposée entre les cellules de la batterie, n'est pas totalement satisfaisante car, le contact thermique se faisant sur une partie de la surface extérieure de certaines cellules, notamment sur la face la plus large de celles-ci, il est difficile d'assurer une température égale. Les dispositifs de refroidissement existant ne prennent généralement pas en compte le fait que les cellules, indépendamment de leur forme par exemple cylindrique ou prismatique, ont toujours une borne positive et une borne négative, ces bornes étant de très bons conducteurs électriques qui sont aussi de très bons conducteurs thermiques. De façon à obtenir une différence de potentiel totale suffisamment élevée par rapport au besoin d'une application donnée, les cellules sont habituellement reliées en série en formant une chaîne. Le montage en série permet d'obtenir globalement en entrée et sortie de la batterie, une différence de potentiel qui cumule les différences de potentiel de chaque cellule. Or les deux cellules en extrémité sont refroidies par les câbles électriques auxquels elles sont connectées. Ces câbles constitués de conducteurs électriques de forte section, sont aussi de très bons conducteurs thermiques. Les bornes des cellules sont elles mêmes reliées directement aux feuilles des anodes et des cathodes qui sont en matériaux conducteurs électriques, par exemple en cuivre ou en aluminium, et de ce fait sont aussi de très bon conducteurs thermiques.

Ainsi, les cellules reliées aux bornes de la batterie se trouvent refroidies directement en leur centre, sur chaque feuille au travers des bornes et des câbles auxquels elles sont reliées. Il en résulte que les cellules en extrémité sont plus froides que les cellules qui se trouvent au centre de la batterie. Sachant que la température d'une cellule influence de façon considérable les pertes lors de la charge et décharge d'une cellule, on comprend que la différence systématique de température entre les cellules, pour les raisons mentionnées ci-dessus, peut introduire un déséquilibre entre les tensions de chaque cellule, c'est- à-dire leur état de charge électrique. Si il n'est pas traité régulièrement, ce déséquilibre a pour effet de diminuer la capacité de l'ensemble de la batterie. D'autre part la différence de température entre les cellules induit un vieillissement différencié de ces cellules. En l'occurrence, les cellules les plus chaudes auront une durée de vie plus courte alors que les plus froides auront une durée de vie plus longue. Avec des températures différentes entre les cellules, la durée de vie de la batterie sera au final plus réduite qu'avec des températures de cellules toutes identiques puisque la durée de vie d'une batterie constituée de cellules mises en série est essentiellement liée à la durée de vie de la cellule la plus chaude. Enfin, une cellule plus froide peut avoir une tension plus basse et fournir une puissance plus faible que si elle était plus chaude. Ceci peut être critique, par exemple pour le démarrage d'un véhicule en hiver. L'état connu de la technique a proposé des solutions qui ne sont pas satisfaisantes.

Le document DE10003740 propose de mettre les éléments de connexion entre cellules, en contact avec une plaque de refroidissement électriquement isolante et thermiquement bonne conductrice. L'inconvénient de cette solution est de compliquer la réalisation de la batterie en ajoutant aux opérations de montage habituelles qui consistent à relier les éléments de connexion aux cellules, des opérations supplémentaires qui consistent à mettre la plaque de refroidissement en contact thermique avec les éléments de connexion.

L'invention a pour but de proposer une batterie équipée d'une plaque d'équilibrage performant de température dans les cellules et facile à monter et, le cas échéant à démonter. Pour atteindre le but fixé, un objet de l'invention est une batterie de véhicule, notamment de véhicule automobile, comprenant une pluralité de cellules qui comportent chacune deux bornes électriques respectivement positive et négative, des liaisons électriques raccordées sur les bornes électriques de façon à relier les cellules entre elles et à l'extérieur de la batterie et des moyens de refroidissement de la batterie, caractérisée en ce que les moyens comprennent une plaque en un matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant, qui comporte lesdites liaisons électriques de façon à équilibrer la température des dites cellules..

Particulièrement, le matériau comprend une résine thermo conductrice et électriquement isolante. Plus particulièrement, la résine est une résine époxyde chargée à l'alumine. Avantageusement, la plaque comporte lesdites liaisons électriques par surmoulage de façon à être amovible. De préférence, les liaisons électriques sont formées de barres métalliques. Particulièrement, au moins une borne électrique est taraudée et la plaque comporte au moins un trou traversant la barre métallique au dessus de la borne électrique pour loger un élément de fixation de la plaque sur la borne électrique en assurant une conductivité électrique entre la borne électrique et la barre métallique. En d'autres termes, la plaque est déposée sur les bornes électriques de façon à ce que les barres électriques interconnectent les bornes électriques correspondantes et de façon à fixer la plaque sur les bornes par des moyens de fixation traversant les barres et s'engageant dans les bornes électriques.

Avantageusement aussi, la plaque comprend un circuit d'échange thermique pour réguler la température de la plaque. Particulièrement, le circuit est métallique.

Particulièrement aussi, le circuit est creux pour véhiculer un fluide. Dans un mode particulier de mise en oeuvre, la plaque est disposée en partie supérieure de la batterie et la batterie comprend en partie inférieure, une deuxième plaque semblable à la plaque disposée en partie supérieure. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est une vue de dessus de la batterie avant raccordement interne des cellules ; - la figure 2 est une vue de dessus de la batterie 20 après raccordement interne des cellules en absence de l'invention; - la figure 3 est une vue de dessus d'une plaque conforme à l'invention; - la figure 4 est une vue de côté de la plaque de 25 la figure 3; - la figure 5 est une vue en coupe de la plaque de la figure 3 conforme à l'invention; - la figure 6 est un schéma de système qui met l'invention en oeuvre. 30 Comme représenté sur les figures 1 et 2, une batterie de véhicule, notamment de véhicule automobile, comprend généralement plusieurs cellules 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 qui comportent chacune deux bornes électriques 13, 14. 35 Comme indiqué ci-dessus, l'invention a pour but de régler efficacement le problème de l'équilibrage des températures de cellules d'une batterie au moyen d'une plaque et de faciliter le montage de la batterie ainsi équipée. La figure 1 est une vue de dessus de cellules d'une batterie classique dans laquelle les cellules 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 sont cylindriques et comportent des bornes 13, 14 de connections positives et négatives sur le même coté. La batterie est ici représentée dans un état de montage avant interconnexion des cellules. L'assemblage de cellules illustré comprend douze éléments Lithium-ion de 3,6 V mis cote à cote, permettant de former une batterie de 43,2 volts, après interconnexion en série. Les cellules sont interconnectées conformément aux explications qui suivent en référence à la figure 2. Des barres métalliques de liaison électrique 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, sont vissées chacune sur la borne 14, formant cathode, d'une cellule 1 à 11 et sur la borne 13, formant anode, de la cellule 2 à 12 suivante de façon à connecter les cellules en série. Une barre métallique de liaison électrique 15 est vissée sur la borne 13 de la cellule 1 et une barre métallique de liaison électrique 16 est vissée sur la borne 14 de la cellule 12. De façon à équilibrer la température des différentes cellules d'une batterie, l'invention consiste essentiellement à relier leurs anodes et cathodes par un dispositif, notamment une plaque, amovible et thermiquement conducteur. Ce dispositif ou plaque, comporte les liaisons électriques entre anodes et cathodes nécessaires au fonctionnement de la batterie, au moins un contact positif et négatif pour le raccordement externe de la batterie. Optionnellement, le dispositif peut de plus comporter des éléments électriquement et ou thermiquement conducteurs connectables à un autre système pour réchauffer ou refroidir la batterie. Pour obtenir le dispositif qui fait l'objet de l'invention, on réalise une plaque 20 thermo-conductrice en surmoulant les barres métalliques de connexion des cellules. Sur l'exemple de la figure 3, une zone creuse 40 de forme carrée est laissée autour des trous de fixation de la plaque 20 sur les cellules, mais elle peut avoir une autre forme, ronde par exemple. La résine de surmoulage est une résine thermoconductrice et électriquement isolante, par exemple une résine époxyde chargée à l'alumine en deux composants, ayant une bonne adhérence aux métaux comme la résine E708 de la société Epotecny, ou bien encore la résine Durapot 865 de la société Final. Sur ce schéma de la figure 3, on a représenté en pointillé seulement certains éléments intérieurs, notamment les barres 17 à 27 qui relient les cellules.

La figure 5 est une vue en coupe de la plaque représentée en profil sur la figure 4. L'inclusion des barres de connexion dans la plaque permet d'obtenir un ensemble compact qui procure deux effets techniques remarquables.

Le premier effet technique est celui d'optimiser les échanges thermiques entre les barres de connexion et le matériau de la plaque en contact intime avec les barres de connexion. Le deuxième effet technique est celui de faciliter considérablement les opérations de montage. Le positionnement en bloc de la plaque sur l'assemblage de cellules, évite de devoir positionner les nombreuses barres de connexion une à une sur chaque paire de cellules. La mise en contact préétablie du matériau de la plaque avec les barres de connexion, évite de devoir injecter en fin de montage, une matière supplémentaire telle que de la mousse thermo-conductrice pour combler les interstices entre barres de connexion et plaque résultant d'un montage en plusieurs étapes.

Dans un premier mode de raccordement de la plaque 30 aux cellules 1 à 12, les bornes électriques 13 et/ou 14 sont taraudées et la plaque 30 comporte des trous traversant la barre métallique pour la mise en place d'éléments de fixation de la plaque 30 sur la borne électrique 13 et/ou 14 en assurant une conductivité électrique entre la borne électrique et la barre métallique. Les éléments sont notamment des vis. Dans une fixation vissée, le positionnement des cellules doit pouvoir s'ajuster légèrement à la position des trous en hauteur et latéralement afin d'assurer un bon contact par vissage. Pour faciliter ce positionnement, les trous de la plaque 30 peuvent être un peu plus larges afin d'avoir une marge qui tienne compte des dispersions de positionnement des cellules. Il est aussi possible d'utiliser éventuellement des rondelles élastiques pour améliorer le contact en permettant un meilleur ajustement vertical des cellules. Dans un autre mode de réalisation, la plaque peut être soudée aux bornes des cellules, ou bien encore collée, ou encore rivetée ou selon tout autre mode de fixation.

La figure 5 montre un exemple de réalisation du dispositif objet de l'invention, vu en coupe horizontale au niveau des éléments de liaisons électrique 15, 16 de raccordement externe. Dans le schéma de la figure 5, on distingue les liaisons électriques 17, 18, ..., 27 de raccordement interne constituées par les barres de raccordement en série des cellules d'une batterie sur laquelle sera montée la plaque 30. Les liaisons électriques 15, 16, réalisent respectivement un plot d'entrée négatif et un plot de sortie positif vers l'extérieur après montage de la plaque directement sur les cellules. On distingue en hachuré un circuit de refroidissement, qui sur l'exemple illustré, possède deux voies 31, 32 d'entrées et sorties 33, 34. Le circuit de refroidissement est formé par un conducteur thermique, par exemple, une masse métallique et ou un circuit pour un fluide caloporteur liquide ou gazeux.

On distingue aussi deux plots 35, 36 d'un circuit 37 de chauffage, réalisé par un fil résistif qui chemine du plot 35 au plan 36 entre les barres de connexions. Le fil permet un auto réchauffement de la batterie, notamment lorsque la batterie est trop froide pour pouvoir fournir une énergie suffisante au besoin du véhicule. Dans ce cas un circuit de commande avec une logique de pilotage 41, représentée sur le schéma de la figure 6, permet de relier temporairement, pendant la durée nécessaire pour réchauffer la batterie, les plots 35, 36 de la batterie 100 à ce circuit de chauffage. Ainsi, non seulement la batterie va s'échauffer en fournissant du courant, sachant que la résistance interne de la batterie froide, est plus élevée que lorsque la batterie est chaude, mais de plus, le courant circulant dans le circuit 37, va par effet joule chauffer la plaque 30 de sorte qu'une bonne partie de la chaleur ainsi produite va être directement réinjectée dans la batterie au travers des bornes 13, 14 de ses cellules 1 à 12.

Le circuit 37 de chauffage et le circuit 31, 32 de refroidissement peuvent avoir différentes formes de façon à présenter une surface d'échange thermique la plus élevée possible avec les barres de connexion des bornes, tout en restant électriquement isolés de celles-ci. Par exemple ils peuvent cheminer au dessus ou en dessous de des barres de connexion. Les barres et les circuits de chauffage et de refroidissement peuvent aussi avoir une forme dentelée, par exemple avec des motifs en forme de fractales pour présenter une plus grande surface d'échange thermique au sein de la plaque 30. Les conducteurs métalliques de refroidissement peuvent être orientés et/ou reliés physiquement à une source froide 42, en contact avec l'air extérieur et/ou le système de refroidissement de la voiture. Les circuits de chauffage ou de refroidissement de la plaque 30 peuvent être des circuits creux qui véhiculent un gaz ou un liquide. Ces fluides peuvent être ceux déjà prévu pour le refroidissement du reste de la batterie et de la périphérie des cellules. La circulation des gaz et liquides, peut dans certains cas remplacer les autres moyens de refroidissement de la batterie. Les circuits de chauffage et/ou de refroidissement peuvent être pilotés par un système de vannes et/ou utiliser les circuits de chauffage et ou de climatisation du véhicule. Les circuits de refroidissement, quelque soit leur nature, peuvent donner lieu à la production de thermoélectricité, par exemple en utilisant un dispositif bien connu à base d'effet Seebeck non présenté sur la figure et une source froide en contact avec l'air extérieur et ou le système de refroidissement de la voiture. L'électricité ainsi générée peut être utilisée pour actionner une pompe de circulation de fluide refroidissant. Dans une variante, cette pompe peut fonctionner selon un principe déjà connu de Magnéto-Hydro-Dynamique (MHD).

Les explications qui viennent d'être données s'appliquent à des cellules qui comprennent anode et cathode sur une même face. L'invention s'applique aussi à des cellules qui comportent une anode et une cathode placées en leurs deux extrémités. Ces cellules sont habituellement montées tête-bêche afin de faciliter leur raccordement en série. Dans ce cas une variante de l'invention comporte deux plaques sur le même principe en dessus et en dessous de la batterie. Nous venons de voir qu'un dispositif conforme à l'invention comporte au minimum la plaque 30, dans laquelle sont incrustées les barres de raccordement des cellules, par surmoulage dans une résine thermoconductrice. Dans ce cas la fonction assurée est limitée à un meilleur équilibrage de la température des cellules.

Optionnellement, la plaque comprend un circuit électrique pour mettre en oeuvre un auto-échauffement de la batterie 100. Dans ce cas la plaque 30 comprend deux bornes qui sont reliées par une connexion externe, l'une à une borne de la batterie sur la plaque et l'autre à un circuit de commutation électrique 43 ou à un interrupteur externe à la plaque, l'autre borne de l'interrupteur étant relié à l'autre borne de la batterie. A l'extérieur de la plaque il est nécessaire de mettre en oeuvre une logique de pilotage utilisant au moins un capteur ou un estimateur de température de la batterie pour piloter l'interrupteur afin de mettre en oeuvre le circuit d'auto- échauffement au moment requis et pendant la durée requise. Optionnellement la plaque comprend un ou plusieurs dispositifs de refroidissement qui peuvent être des conducteurs solides par exemple des câbles ou plaques métalliques, ou des tubes permettant de faire circuler un fluide. Ces dispositifs de refroidissement de la plaque sont connectés par des moyens externes à la plaque vers une source froide 42 externe à la plaque 30. Les moyens de connexions sont de nature similaire à ceux inclus dans la plaque, c'est-à-dire soit des conducteurs solide de la chaleur, par exemple des câbles ou plaques métalliques connectés en permanence à la plaque, soit un dispositif de commutation et ou de circulation de fluides actionné par logique de pilotage 41. Optionnellement le système de batterie comprend un dispositif 44 de commutation de fluide sous forme d'un dispositif Magnéto-Hydro-Dynamique (MHD) . Le système représenté sur la figure 6 comprend aussi optionnellement un dispositif 45 de génération électrique 30 par thermoélectricité hors de la plaque 30. 2530

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Batterie de véhicule, notamment de véhicule automobile, comprenant une pluralité de cellules (1, 2, ..., 12) qui comportent chacune deux bornes électriques (13, 14) respectivement positive et négative, des liaisons électriques (15-27) raccordées sur les bornes électriques de façon à relier les cellules entre elles et à l'extérieur de la batterie et des moyens de refroidissement de la batterie, caractérisée en ce que les moyens comprennent une plaque (30) en un matériau thermiquement conducteur et électriquement isolant, qui comporte lesdites liaisons électriques (15, 16, 17, 18, 27) de façon à équilibrer la température des dites cellules (1, 2, ..., 12).
2. 2. Batterie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de la plaque (30) comprend une résine thermo conductrice et électriquement isolante.
3. 3. Batterie selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite résine est une résine époxyde chargée à l'alumine.
4. 4. Batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque (30) comporte lesdites liaisons électriques par surmoulage de façon à être amovible.
5. 5. Batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les liaisons électriques sont formées de barres métalliques. 35
6. 6. Batterie selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins une borne électrique (13, 14) est taraudée et en ce que la plaque (30) comporte au 20 25moins un trou traversant la barre métallique au dessus de la borne électrique pour loger un élément de fixation de la plaque (30) sur ladite borne électrique en assurant une conductivité électrique entre la borne électrique et la barre métallique.
7. 7. Batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque (30) comprend un circuit d'échange thermique (31, 32, 37) pour réguler la température de la plaque (30).
8. 8. Batterie selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit circuit est métallique.
9. 9. Batterie selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que ledit circuit est creux pour véhiculer un fluide.
10. 10. Batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque (30) est disposée en partie supérieure de la batterie et en ce qu'elle comprend une deuxième plaque semblable à la plaque (30) en partie inférieure de la batterie.