FR2967821A1 - Batterie d'accumulateurs electriques, notamment batterie de traction, et vehicule hybride ou electrique equipe d'une telle batterie - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une batterie d'accumulateurs électriques comportant un boîtier (1) contenant des cellules (3i) de forme générale prismatique, sensiblement de même dimension, disposées de manière adjacente, en étant maintenues en compression à l'intérieur du boîtier (1), caractérisé en ce que le boîtier comprend au moins une première structure autoporteuse (21) maintenant chaque cellule (3i) compressée dans un logement individuel (7i) aménagé dans la structure (21), ledit logement (7i) épousant la forme extérieure de la cellule (3i).

Description

BATTERIE D'ACCUMULATEURS ELECTRIQUES, NOTAMMENT BATTERIE DE TRACTION, ET VEHICULE HYBRIDE OU ELECTRIQUE EQUIPE D'UNE TELLE BATTERIE La présente invention se rapporte aux batteries d'accumulateurs notamment aux batteries de traction pour véhicule électrique ou hybride. De telles batteries comportent un ensemble d'accumulateurs électriques reliés entre eux de façon à créer un générateur de courant continu de la capacité et de la tension désirée.

Ces accumulateurs sont également appelés éléments de la batterie ou cellules. La présente invention concerne plus particulièrement une batterie dite de traction apte à alimenter notamment une machine électrique de traction utilisée pour le déplacement d'un véhicule électrique ou conjointement avec un moteur thermique dans le cas d'un véhicule hybride thermique/électrique. Les accumulateurs sont généralement câblés en série afin d'obtenir la tension de batterie souhaitée. Pour augmenter le courant disponible, il est également possible de recourir à un montage en parallèle des cellules. Le propre d'une batterie d'accumulateurs est donc d'augmenter la tension et/ou le courant disponible afin de correspondre aux caractéristiques de la machine électrique de traction ; ladite machine étant disposée au voisinage d'un train roulant pour l'entraînement des roues de ce train. De telles batteries sont généralement constituées de cellules électrochimiques ou autres (Li-Ion) comportant un enrobage formant container étanche, en matériau isolant électrique et chimiquement neutre, tel que le plastique, renfermant une cathode, une anode, un séparateur et l'électrolyte, s'agissant de cellules électrochimiques. Les cellules sont assemblées entre elles de manière contigües pour former un empilement de cellules.

On désignera par la suite par module un tel empilement. Un ou plusieurs modules forment la batterie. Le nombre de modules peut être avantageusement adapté en fonction de l'énergie et de la puissance désirée. Les modules doivent être par ailleurs facilement interchangeables.

L'augmentation de l'autonomie des véhicules en mode électrique et notamment en ce qui concerne les véhicules tout électrique, et pour des cellules de même capacité, nécessite des batteries comportant un grand nombre de cellules et donc de modules, car on aura besoin de plus de puissance et donc d'une tension totale plus importante. Une batterie doit par ailleurs respecter un certain nombre de contraintes, notamment : - consommer le moins de place afin de garantir un espace suffisant pour les passagers et les bagages dans un volume déterminé du véhicule ; - être la plus légère possible pour que le poids de la batterie n'impacte pas sur la consommation du véhicule ; - être dimensionnellement stable : les cellules ne doivent pas pouvoir bouger les unes par rapport aux autres (leur volume doit être contenu) Concernant cette dernière contrainte, la batterie doit pouvoir résister à la fois aux déformations et dommages internes dus aux cellules elles-mêmes et à la fois aux sollicitations externes telles que les vibrations et les chocs.

Afin de contenir les déformations des cellules dues aux forces développées à l'intérieur des cellules durant les cycles de charge et de décharges de la batterie, il est nécessaire de maintenir les cellules entre elles par des moyens de compression tels que des bandes entourant fermement un module comme décrit dans le document EP0065349 Al ou des colonnettes reliant deux plaques d'extrémité enserrant respectivement les deux extrémités du module tel que décrit dans le document EP0692838 A1. Ces moyens empêchent ainsi l'extension axiale des modules. Et pour répondre à une des autres contraintes, ces moyens de compression doivent être les moins encombrant possibles et les plus légers possibles. Cependant, quand une seule des cellules est défaillante, il est nécessaire de désolidariser le module en démontant les moyens de compression pour pouvoir changer la cellule.

D'autre part, le module lui-même de par sa géométrie en empilement axial, impose un encombrement axial minimum qui limite les possibilités d'implantation des cellules dans la batterie. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients en proposant une implantation compacte permettant d'optimiser la répartition des cellules dans un même volume utile de la batterie. Avec un même volume utile, on peut augmenter le nombre de cellules et donc augmenter les performances de la batterie en termes de capacité, de puissance et d'énergie embarquée.

A cet effet, la présente invention a pour premier objet une batterie d'accumulateurs électriques comportant un boîtier contenant des cellules de forme générale prismatique, sensiblement de même dimension, disposées de manière adjacente, en étant maintenues en compression à l'intérieur du boîtier. Elle est caractérisée en ce que le boîtier comprend au moins une première structure autoporteuse maintenant chaque cellule compressée dans un logement individuel aménagé dans la structure ; ledit logement épousant la forme extérieure de la cellule.

Selon une caractéristique d'un premier mode de réalisation, les cellules sont disposées sur au moins une rangée dans laquelle chaque cellule est adjacente à celle d'une même rangée par au moins une de ses grandes dimensions. Selon une autre caractéristique du premier mode de réalisation, les cellules sont disposées sur au moins une première et une deuxième rangées orthogonales l'une par rapport à l'autre ; chaque cellule d'une même rangée étant adjacente à celle d'une même rangée par sa grande dimension et chaque cellule de la première rangée étant adjacente à celle de la deuxième rangée par sa petite dimension.

Selon une autre caractéristique du premier mode de réalisation, le nombre de première et deuxième rangées est déterminé en fonction des dimensions de la structure autoporteuse de manière à contenir un nombre entier de cellules tout en optimisant le volume disponible dans le boîtier. La batterie est notamment une batterie de traction pour véhicule électrique ou hybride, dans laquelle le volume du boîtier est déterminé en fonction de l'espace disponible dans le véhicule ; le nombre cellules et le nombre de première et/ou de deuxième rangées étant adapté en fonction de la puissance électrique, de l'énergie électrique désirée et de l'espace disponible dans le véhicule.

Dans un deuxième mode de réalisation, le boîtier comprend au moins une autre structure autoporteuse disposée de manière orthogonale par rapport à celle du premier mode de réalisation. Selon une autre caractéristique de ce deuxième mode de réalisation, les faces supérieures des cellules de l'autre structure autoporteuse sont en regard de la première structure autoporteuse, et les petites dimensions des cellules de l'autre structure autoporteuse sont parallèles à la hauteur des cellules de la première structure autoporteuse.

La présente invention a pour deuxième objet un véhicule électrique ou hybride, comportant une batterie telle que décrite ci-dessus. La présente invention a pour troisième objet une structure autoporteuse pour cellules de batterie d'accumulateurs d'énergie électrique, comportant une pluralité de logements individuels aménagés dans la structure ; lesdits logements étant aptes à maintenir individuellement les cellules compressées à l'intérieur desdits logement. Selon une caractéristique, la structure autoporteuse est réalisée par moulage ; les logements étant obtenus soit directement pendant le moulage de la structure soit après le moulage par une opération de découpe. Un avantage découlant de l'implantation selon l'invention, est de permettre de réaliser l'assemblage des cellules en batterie sans passer par l'intermédiaire de modules. Grâce à la présente invention, on peut soit augmenter le nombre de cellules pour un même volume de batterie et augmenter ainsi l'énergie et la puissance embarquée dans le véhicule sans impacter sur l'encombrement de la batterie, soit réduire la taille de la batterie pour une même énergie et puissance embarquée. Le changement des cellules défaillantes est grandement facilité D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue générale, en perspective, d'un premier mode de réalisation d'une batterie selon l'invention ; et - la figure 2 est une représentation schématique en perspective d'une cellule prismatique ; - la figure 3 est une vue de détail en perspective du montage d'une cellule dans un logement du boîtier de la batterie selon le premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 est une vue de dessus d'une structure autoporteuse des cellules du boîtier de la batterie selon le premier mode de réalisation de l'invention ; - les figures 5 et 6 sont des vues respectivement générale, en perspective, et de face d'un deuxième mode de réalisation d'une batterie selon l'invention. Sur les figures, les mêmes éléments portent la même référence numérique et chaque dessin est sensiblement à l'échelle.

Sur la figure 1, on a représenté le boîtier 1 d'une batterie selon un premier mode de réalisation de l'invention, présentant la forme générale d'un parallélépipède et plus particulièrement un parallélépipède rectangle dans l'exemple décrit.

Seul le volume intérieur du boîtier 1 a été représenté de manière partielle. Le boîtier 1 comporte deux étages principaux : un premier étage 2 comportant une structure autoporteuse 21 pour une pluralité de cellules 3i et un deuxième étage 4 supportant des circuits électroniques 5i de gestion des cellules (équilibrage, protection, ...) et leur connectique. Une semelle 6 disposée sous la structure autoporteuse 21 et faisant office de fond du boîtier 1, permet le refroidissement des cellules 3i par plaque froide ou par circulation de fluide caloriporteur. Les connexions entre les cellules 3i du premier étage 2 et les circuits électroniques 5i du deuxième étage 4 n'ont volontairement pas été décrites pour ne pas surcharger les dessins. La structure autoporteuse 21 comporte une pluralité d'évidements 7i définissant autant de logements (ou réceptacles) pour la pluralité de cellules 3i.

La structure autoporteuse 21 est obtenue par exemple, par moulage d'un matériau isolant électrique et chimiquement neutre. Son poids est de préférence négligeable par rapport aux poids des cellules 3i. Ce matériau est par exemple un polymère ou un composite thermorésistant.

Les évidements 7i peuvent être obtenus soit directement lors de l'opération de moulage (un moule représentant en négatif les containers), soit après l'opération de moulage par découpe laser ou autre. Les évidements 7i traversent de part en part la structure autoporteuse 21.

Les dimensions d'un évidement 7i sont déterminées pour épouser au plus près la cellule 3i et assurer une compression suffisante sur cette dernière pour contrer les efforts de déformation interne de la cellule 3i. L'espacement entre deux évidements adjacents 7i, définissant une paroi de séparation 8i (paroi inter cellule) entre deux cellules adjacentes 7i, est déterminé pour être le plus fin possible afin de prendre le minimum de place sur le volume utile disponible de la structure autoporteuse 21 mais suffisante pour présenter une raideur nécessaire pour contenir la déformation de la cellule 3i.

Cette raideur est avantageusement augmentée par le remplissage des tous les évidements 7i par leurs cellules respectives 3i. L'épaisseur des parois extérieures 9i de la structure autoporteuse 21 est avantageusement plus importante que celle des parois inter cellules 8i. Une cellule 3i se présente sous la forme d'un container étanche de forme dite "prismatique" par opposition à une forme dite cylindrique. La cellule 3i a, dans l'exemple décrit, une forme générale d'un parallélépipède et plus particulièrement d'un parallélépipède rectangle ; le parallélépipède étant un prisme particulier. Le parallélépipède considéré est représenté à la figure 2. De part ces propriétés géométriques, le parallélépipède rectangle peut être caractérisé par trois de ses dimensions : sa longueur L, sa largeur 1 et sa hauteur H.

Par convention, on désignera par "grande dimension" de la cellule 3i, la longueur L du parallélépipède rectangle et par "petite dimension" de la cellule 3i, la largeur 1 du parallélépipède rectangle. On considérera principalement, dans la suite de la description, la face supérieure 10, ou base supérieure de la cellule 3i, (telle que représentée sur les figures) pour décrire l'orientation des cellules 3i dans le boîtier 1. La face supérieure 10 est hachurée sur la figure 2 ; cette face supérieure 10 délimitant un rectangle ayant une grande dimension L et une petite dimension 1. Par extension de langage, on utilisera indifféremment les termes "grande dimension" et "petite dimension" pour décrire les dimensions des logements, évidements ou cellules dans l'espace. Les cellules 3i, une fois positionnées dans leurs logements respectifs, reposent, par leur fond 11 (base inférieure du parallélépipède), sur la semelle de refroidissement 6.

Leur partie supérieure 12 dépasse légèrement de la structure autoporteuse 21 de manière à permettre la connexion des cellules 3i entre elles. La plus grande partie de la hauteur H des cellules reste contenue dans la structure autoporteuse 21 pour assurer la tenue mécanique de l'assemblage tant vis-à-vis des efforts internes que des perturbations externes (vibrations, chocs). Une cellule 3i comporte sur sa face supérieure 10 deux bornes de connexion électrique 13 et 14 respectivement positive et négative. Ces bornes 13 et 14 sont disposées respectivement sur deux des bords de la cellule 3i. Chaque borne 13 ou 14 comporte un téton 15 ou 16 faisant saillie au-dessus de la face supérieure 10 de la cellule 3i pour former une broche de connexion électrique mâle. Cette connexion est réalisée par une barrette 17 en matériau conducteur de l'électricité appelée également cavalier. Le cavalier 17 comporte à chacune de ses extrémités un trou de diamètre correspondant à la broche mâle et dont l'entraxe est déterminé pour pouvoir connecter deux cellules adjacentes 3i.

Grâce à la structure autoporteuse 21 selon l'invention, il n'est plus nécessaire d'assembler les cellules 3i en modules puis d'assembler les modules entre eux pour réaliser une batterie d'accumulateurs. Les cellules 3i sont assemblées non pas en module mais de manière individuelle dans la structure autoporteuse 21.

La figure 4 illustre, par une vue de dessus, l'implantation des cellules 3i dans la structure autoporteuse 21 d'un boîtier 1 de batterie selon le premier mode de réalisation. Dans cette implantation, la structure autoporteuse 21 comporte une pluralité de cellules 3i qui sont disposées sur au moins une rangée dans laquelle chaque cellule 3i est adjacente à celle d'une même rangée par au moins une de ses grandes dimensions L. Ainsi, avec cette définition de rangée, l'implantation décrite comporte deux premières rangées 18.1 et 18.2 parallèles entre elles et comportant chacune vingt cellules 3i et quatre deuxièmes rangées 19.1 à 19.4 parallèles entre elles comportant chacune trois cellules 3i. Le nombre total de cellules 3i est ainsi de cinquante deux cellules. Les deux premières rangées parallèles 18.1 et 18.2 s'étendent selon la grande dimension de la structure autoporteuse 21 et les quatre deuxièmes rangées parallèles 19.1 à 19.4 s'étendent selon la petite dimension de la structure autoporteuse. Ainsi, la deuxième première rangée 18.2 est disposée de manière orthogonale aux quatre deuxièmes rangées 19.1 à 19.4 ; les cellules 3i de la deuxième première rangée 18.2 étant adjacentes, à leurs extrémités supérieures, à celles des quatre deuxièmes rangées 19.1 à 19.4 par leur petite dimension 1 et, inversement les cellules 3i, inférieures, des quatre deuxièmes rangées 19.1 à 19.4 étant adjacentes aux extrémités supérieures des cellules de la deuxième première rangée 18.2 par leur grande dimension L.

Les deux premières rangés 18.1 et 18.2 remplissent tout l'espace disponible selon la grande dimension de la structure autoporteuse 21 mais ne remplissent pas tout l'espace disponible selon la petite dimension de la structure autoporteuse 21.

L'espace restant est rempli par les quatre deuxièmes rangées 19.1 à 19.4. Ainsi, le nombre de première et deuxième rangées 18 et 19 est déterminé en fonction des dimensions du boîtier 1 de manière à contenir un nombre entier de cellules 3i tout en optimisant le volume disponible dans le boîtier 1. Le volume du boîtier 1 est quant à lui déterminé en fonction de l'espace disponible dans le véhicule et en fonction de la puissance et de l'énergie électrique désirées ainsi que l'espace disponible dans le véhicule. Les figures 5 et 6 illustrent un deuxième mode de réalisation d'un boîtier 100 de batterie selon l'invention. Dans ce deuxième mode de réalisation, le boîtier 100 comporte quatre structures autoporteuses 21.1, 21.2, 21.3 et 21.4 de cellules 3i. Dans cette implantation, trois 21.1, 21.2, 21.3 des structures autoporteuses sont des structures autoporteuses conformes à celle 21 du premier mode de réalisation, à laquelle est rajoutée une structure à empilement de cellules standard 21.4, c'est-à-dire une structure dans laquelle les cellules sont empilées et brider par une bande métallique 22 sur une base 23 supportant l'empilement. Une 21.3 des trois structures autoporteuses 21.1, 21.2, 21.3 est disposée de manière orthogonale aux deux autres de telle manière que les faces supérieures des cellules sont en regard de la deuxième structure autoporteuse 21.2. Dans cette implantation, les petites dimensions 1 des cellules 3i de le troisième structure autoporteuse 21.3 sont parallèles à la hauteur H des cellules 3i de la deuxième structure autoporteuse 21.2.

Une échancrure 24 est aménagée dans le fond 60 du boîtier 100 pour laisser le passage à une barre antiroulis au autre (non représentée). La deuxième structure autoporteuse 21.2 est ainsi dimensionnée et surélevée par rapport aux première et troisième structures autoporteuses 21.1 et 21.3 pour s'adapter à l'échancrure 24.

Ce qui démontre la grande souplesse d'implantation des cellules et donc de leur adaptation dans le boîtier de batterie selon l'invention en fonction de l'environnement de la batterie.

La présente invention offre ainsi de multiples possibilités d'implantation de cellules dans une batterie. La présente invention n'est bien sûr pas limitée aux deux modes de réalisation décrits et toutes les combinaisons d'implantation sont alors possibles sans pour autant sortir du cadre de la présente invention telle que revendiquée.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1. Batterie d'accumulateurs électriques comportant un boîtier (1) contenant des cellules (3i) de forme générale prismatique, sensiblement de même dimension, disposées de manière adjacente, en étant maintenues en compression à l'intérieur du boîtier (1), caractérisée en ce que le boîtier comprend au moins une première structure autoporteuse (21) maintenant chaque cellule (3i) compressée dans un logement individuel (7i) aménagé dans la structure (21), ledit logement (7i) épousant la forme extérieure de la cellule (3i).
2. 2. Batterie selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les cellules (3i) sont disposées sur au moins une rangée (18 ou 19) dans laquelle chaque cellule (3i) est adjacente à celle d'une même rangée (18 ou 19) par au moins une de ses grandes dimensions (L).
3. 3. Batterie selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les cellules (3i) sont disposées sur au moins une première (18) et une deuxième (19) rangées orthogonales l'une par rapport à l'autre ; chaque cellule (3i) d'une même rangée (18 ou 19) étant adjacente à celle d'une même rangée (18 ou 19) par sa grande dimension (L) et chaque cellule (3i) de la première rangée (18) étant adjacente à celle de la deuxième rangée (19) par sa petite dimension (1).
4. 4. Batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le nombre de première (18i) et deuxième (19i) rangées est déterminé en fonction des dimensions de la structure autoporteuse (21) de manière à contenir un nombre entier de cellules (3i) tout en optimisant le volume disponible dans le boîtier (1).
5. 5. Batterie selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle est une batterie de traction pour véhicule électrique ou hybride, en ce que le volume du boîtier (1) est déterminé en fonction de l'espace disponible dans le véhicule, et en ce que le nombre cellules (3i) et le nombre de première et/ou de deuxième rangées (18i, 19i) est adapté en fonction de la puissance électrique, de l'énergie électrique désirée et de l'espace disponible dans le véhicule.
6. 6. Batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le boîtier (100) comprend au moins une autre structure autoporteuse (21.3) disposée de manière orthogonale par rapport à la première (21.2).
7. 7. Batterie selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les faces supérieures (10) des cellules (3i) de l'autre structure autoporteuse (21.3) sont en regard de la première structure autoporteuse (21.2), et en ce que les petites dimensions (1) des cellules (3i) de l'autre structure autoporteuse (21.3) sont parallèles à la hauteur (H) des cellules (3i) de la première structure autoporteuse (21.2).
8. 8. Véhicule électrique ou hybride, caractérisé en ce qu'il comporte une batterie selon l'une quelconque des revendications précédentes.
9. 9. Structure autoporteuse (21) pour cellules de batterie d'accumulateurs d'énergie électrique, caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité de logements individuels (7i) aménagés dans la structure (21), lesdits logements (7i) étant aptes à maintenir individuellement les cellules 20 compressées à l'intérieur desdits logement (7i).
10. 10. Structure autoporteuse (21) selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle est réalisée par moulage, et en ce que les logements (7i) sont obtenus soit directement pendant le moulage de la 25 structure (21) soit après le moulage par une opération de découpe. 30