FR2995142A1 - Dispositif de protection des cellules d'une batterie contre les degazages, au moyen de capsules - Google Patents

Abstract

Un dispositif de protection (D) équipe une batterie (BA) comportant au moins une cellule électrochimique (CE) de stockage d'énergie électrique comprenant une zone de dégazage (ZD) pour l'évacuation d'un gaz très chaud. Ce dispositif (D) comprend pour chaque cellule électrochimique (CE) une capsule (CA) fermée, contenant un liquide d'absorption d'énergie thermique, et munie d'une zone dégradable (ZG) destinée à être placée en regard d'une zone de dégazage (ZD) et propre à se dégrader en présence d'un gaz présentant une température supérieure à un seuil choisi, de manière à permettre l'absorption par ce liquide d'une partie au moins de l'énergie thermique d'un gaz très chaud évacué par cette cellule électrochimique (CE) via sa zone de dégazage (ZD).

Description

DISPOSITIF DE PROTECTION DES CELLULES D'UNE BATTERIE CONTRE LES DÉGAZAGES, AU MOYEN DE CAPSULES L'invention concerne les batteries rechargeables à cellule(s), et plus précisément la protection de telles batteries contre les dégazages de leur(s) cellule(s) électrochimique(s). Certains systèmes, comme par exemple certains véhicules, éventuellement de type automobile, comportent au moins une batterie rechargeable, (multi)cellulaire et destinée à alimenter en énergie électrique des équipements (ou organes) électriques (ou électroniques). Les cellules électrochimiques de ces batteries, comme par exemple celles de type lithium - ion (ou Li-ion) peuvent parfois faire l'objet d'un dégazage (ou « venting ») d'un gaz très chaud (typiquement entre 200°C et 450°C) résultant d'un emballement thermique consécutif à une dégradation.

Pour permettre ce dégazage, les cellules (électrochimiques) comprennent généralement une zone d'affaiblissement (ou zone de dégazage ou encore zone de « désoperculation ») qui présente une fragilité mécanique propre à permettre son ouverture lorsque la pression interne du gaz devient supérieure à un seuil prédéfini, afin d'éviter l'éclatement mécanique du carter de cellule. On notera que cet affaiblissement ou fragilité peut résulter du soudage ou collage d'un opercule (ou disque), comme par exemple une toile dont la tenue mécanique à la pression est calibrée. Plusieurs solutions ont été proposées pour évacuer hors d'une batterie les gaz résultant du dégazage de l'une au moins de ses cellules.

Une première solution consiste à collecter ces gaz dégazés dans une canalisation dédiée, située dans le boîtier de la batterie, résistant aux hautes températures, et débouchant à l'extérieur de cette batterie. Une deuxième solution consiste à évacuer les gaz dégazés, présents dans le boîtier de la batterie, soit par la veine d'air de ventilation de cette dernière, lorsque les cellules sont refroidies par un flux d'air, soit par un orifice prévu à cet effet et habituellement fermé par une membrane, destinée à éviter l'entrée d'eau et de poussières et dont la tenue mécanique est calibrée pour éviter une surpression trop importante dans le boîtier de la batterie. Une troisième solution consiste à émettre les gaz dégazés dans un compartiment étanche dédié à l'intérieur du boîtier de la batterie avant de les évacuer. Cet isolement dans un compartiment dédié permet d'assurer une séparation avec des composants liés à la sécurité (comme par exemple un calculateur, des relais, ou des capteurs) et/ou avec le flux d'air qui est utilisé pour refroidir les cellules et qui fait parfois partie du système de chauffage/climatisation d'un espace d'accueil, comme par exemple un habitacle de véhicule.

Les solutions décrites ci-avant présentent au moins l'un des inconvénients décrits ci-dessous. La collecte de gaz par une canalisation dédiée induit un surcoût qui peut devenir important, nécessite une place qui n'est pas toujours disponible, et impose une connexion à la zone de dégazage qui n'est pas toujours possible et qui nécessite une étanchéité résistant aux très hautes températures (typiquement jusqu'à 450°C). L'absence de collection dédiée fait que les gaz ont accès à une grande partie du boîtier de la batterie et donc peuvent provoquer des dégradations sur des circuits, des capteurs ou des composants électroniques de contrôle, du fait de leur très haute température (typiquement jusqu'à 450°C). La collecte de gaz dans le boîtier de la batterie et/ou dans un compartiment étanche et/ou dans une canalisation dédiée, suivie d'une évacuation vers l'extérieur, peut causer des brulures ou un incendie au niveau d'une zone chaude, comme par exemple des freins ou des parties chaudes de l'échappement d'un véhicule. La collecte de gaz par un flux d'air de refroidissement extrait d'un espace d'accueil, comme par exemple un habitacle de véhicule, peut entrainer une remonté de gaz dans cet espace d'accueil qui peut provoquer une brulure d'une personne située à proximité d'une grille d'aspiration d'air, voire une asphyxie possiblement létale lorsque ces gaz contiennent du monoxyde de carbone (CO), du dioxyde de carbone (CO2) ou des traces d'hydroxyde de fluor (HF). Le dégazage d'une cellule dans le boîtier de la batterie survient nécessairement à proximité d'au moins une autre cellule, et donc peut induire par « effet de contagion » l'échauffement et/ou la dégradation d'au moins cette autre cellule qui peut à son tour provoquer le dégazage de cette dernière, et ainsi de suite de proche en proche, ce qui peut conduire éventuellement à un emballement thermique général. L'invention a donc notamment pour but d'améliorer la situation. 1 o Elle propose plus précisément à cet effet un dispositif de protection, d'une part, destiné à équiper une batterie comportant au moins une cellule électrochimique de stockage d'énergie électrique comprenant une zone de dégazage pour l'évacuation d'un gaz très chaud, et, d'autre part, comprenant pour chaque cellule électrochimique une capsule fermée, contenant un liquide 15 d'absorption d'énergie thermique, et munie d'une zone dégradable destinée à être placée en regard d'une zone de dégazage et propre à se dégrader en présence d'un gaz qui présente une température supérieure à un seuil choisi, de manière à permettre l'absorption par le liquide d'une partie au moins de l'énergie thermique d'un gaz très chaud évacué par cette cellule 20 électrochimique via sa zone de dégazage. Un tel dispositif de protection permet de confiner le gaz dégazé par une cellule à la sortie de cette dernière sans qu'il puisse rejoindre l'intérieur du boîtier de la batterie, ce qui permet d'éviter une propagation de proche en proche d'une dégradation par « réaction en chaîne ». 25 Le dispositif de protection selon l'invention peut comporter d'autres caractéristiques qui peuvent être prises séparément ou en combinaison, et notamment : - chaque zone dégradable peut être réalisée dans un matériau fusible ; - le liquide peut être un agent extincteur, comme par exemple le NOVECO 30 1230; - chaque zone dégradable peut être entourée par un joint d'étanchéité résistant aux hautes températures et aux hautes pressions ; > en présence de N cellules électrochimiques, avec N > 1, il peut comprendre N joints d'étanchéité solidarisés les uns aux autres au sein d'une feuille (ou plaque) d'étanchéité. > en présence de N cellules électrochimiques, avec N > 1, il peut comprendre N capsules solidarisées les unes aux autres et à une feuille (ou plaque) facilement manipulable et intégrant par exemple N joints d'étanchéité. L'invention propose également une batterie comportant, d'une part, au moins une cellule électrochimique de stockage d'énergie électrique comprenant une zone de dégazage pour l'évacuation d'un gaz très chaud, et, d'autre part, un dispositif de protection du type de celui présenté ci-avant et couplé à chaque cellule électrochimique. Les cellules électrochimiques de cette batterie peuvent être d'un type qui est choisi parmi (au moins) le type Li-ion et le type Lithium-Métal15 Polymère. Par ailleurs, chaque cellule électrochimique de cette batterie peut comprendre une zone de dégazage située dans une extrémité supérieure ou inférieure. L'invention propose également un véhicule, éventuellement de type 20 automobile, et comprenant au moins une batterie du type de celle présentée ci-avant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels : 25 - la figure 1 illustre de façon schématique, dans une vue en perspective, une partie d'un premier exemple de batterie comportant huit cellules électrochimiques cylindriques associées à un premier exemple de réalisation d'un dispositif de protection selon l'invention, - la figure 2 illustre de façon schématique, dans une vue en coupe dans un 30 plan XZ, l'une des cellules électrochimiques installées dans la batterie de la figure 1 en association avec une partie correspondante du dispositif de protection, la figure 3 illustre, de façon schématique, dans une vue en perspective, le dispositif de protection de la figure 1 avant son couplage aux cellules électrochimiques, la figure 4 illustre de façon schématique, dans une vue en perspective, une cellule électrochimique prismatique (ou parallélépipédique) d'un second exemple de batterie, associée à une partie correspondante d'un second exemple de réalisation d'un dispositif de protection selon l'invention, la figure 5 illustre de façon schématique, dans une vue en coupe dans un plan XZ, l'une des cellules électrochimiques installées dans la batterie de la 1 o figure 4 en association avec une partie correspondante du dispositif de protection, et la figure 6 illustre, de façon schématique, dans une vue en perspective, le dispositif de protection de la figure 4 avant son couplage aux cellules électrochimiques. 15 L'invention a notamment pour but de proposer un dispositif de protection D destiné à protéger une batterie rechargeable BA contre le dégazage de sa (ses) cellule(s) électrochimique(s) de stockage d'énergie électrique CE. Dans ce qui suit, on considère à titre d'exemple non limitatif que la 20 batterie rechargeable (multi)cellulaire est destinée à équiper un système qui est agencé sous la forme d'un véhicule de type automobile. Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de système. Elle concerne en effet tout système comportant au moins un équipement (ou organe) électrique (ou électronique) devant être alimenté en énergie électrique par une batterie rechargeable 25 (multi)cellulaire, éventuellement via un circuit d'alimentation. Par conséquent, l'invention concerne notamment les véhicules terrestres, fluviaux (ou maritimes), ou aéronautiques, et les bâtiments et installations industrielles, publics ou privés. Par ailleurs, on considère dans ce qui suit, à titre d'exemple non 30 limitatif, que les cellules (électrochimiques de stockage d'énergie électrique) CE sont de type Li-ion (ou lithium-ion). Mais l'invention n'est pas limitée à ce type de cellule électrochimique. Ainsi, elle concerne également et notamment les cellules électrochimiques de type LMP (ou Lithium-Métal-Polymère).

Sur les figures 1 à 6, la direction X est une direction dite longitudinale, la direction Y est une direction dite transversale, c'est-à-dire perpendiculaire à la direction longitudinale X, et la direction Z est une direction verticale, c'est-à-dire perpendiculaire aux directions longitudinale X et transversale Y.

On a schématiquement illustré sur la figure 1 une partie d'une batterie (rechargeable) BA comportant un boîtier (ou bac) BT dans lequel se trouvent installées huit cellules (électrochimiques de stockage d'énergie électrique) CE couplées à un premier exemple de réalisation d'un dispositif de protection D selon l'invention.

Dans ce premier exemple non limitatif, les cellules CE sont de forme cylindrique. Mais l'invention n'est pas limitée aux cellules de forme cylindrique. Elle concerne en effet des cellules présentant d'autres formes, et notamment parallélépipédique (ou prismatique) comme illustré sur les figures 4 et 5, ou en sachet. De plus, dans ce premier exemple non limitatif, les cellules CE sont placées dans deux rangées parallèles à la direction longitudinale X, chaque rangée comportant quatre cellules CE. Mais d'autres agencements sont possibles. On notera que le nombre de cellules CE d'une batterie BA selon l'invention n'est pas limité à huit. Ce nombre peut effet prendre n'importe quelle valeur supérieure ou égale à un (1). Ainsi dans le second exemple de réalisation décrit plus loin, en référence aux figures 4 à 6, la batterie BA comprend cinq cellules CE placées les unes à côté des autres suivant la direction longitudinale X et présentant chacune un grand côté parallèle à la direction transversale Y.

On notera également que dans les deux exemples de réalisation chaque cellule CE comprend une borne positive BP et une borne négative BN situées dans une partie supérieure, et une zone de dégazage ZD. On entend ici par « zone de dégazage » une zone d'affaiblissement (ou zone de « désoperculation ») de l'enveloppe (ou du carter) d'une cellule CE qui présente une fragilité mécanique propre à permettre son ouverture lorsque la pression interne du gaz qui est produit dans cette enveloppe suite à une dégradation interne devient supérieure à un seuil prédéfini. Cette ouverture est destinée à éviter l'éclatement mécanique de l'enveloppe de la cellule CE en présence d'une pression interne trop forte. Cet affaiblissement (ou fragilité) peut résulter du soudage ou collage d'un opercule (ou disque), comme par exemple une toile dont la tenue mécanique à la pression est calibrée, ou bien de deux bords de l'enveloppe.

Dans le premier exemple de réalisation, la zone de dégazage ZD est située dans la partie d'extrémité inférieure de l'enveloppe de la cellule CE, c'est-à-dire du côté opposé aux bornes positive BP et négative BN. En revanche, dans le second exemple de réalisation, la zone de dégazage ZD est située dans la partie d'extrémité supérieure de l'enveloppe de la cellule CE, c'est-à-dire au voisinage des bornes positive BP et négative BN. On notera également que dans le premier exemple de réalisation, les cellules CE sont maintenues à l'intérieur du boîtier BT par une structure de maintien SM, similaire à une espèce de « casier à bouteilles ». Dans ce cas, les cellules CE peuvent être éventuellement refroidies par un flux d'air balayant leurs faces longitudinales cylindriques FL qui sont opposées et approximativement placées dans un plan XZ. Dans le second exemple de réalisation, les cellules CE sont maintenues à l'intérieur du boîtier BT par une autre structure de maintien SM qui est chargée de les maintenir à une distance choisie du fond du boîtier BT, de sorte qu'elles puissent être éventuellement refroidies par un flux d'air balayant leur face inférieure FI qui est sensiblement placée dans un plan XY et/ou leurs faces latérales FL qui sont sensiblement placées dans un plan ZX ou ZY. Comme illustré, un dispositif de protection D, selon l'invention, comprend au moins une capsule CA associée à chaque cellule CE de la batterie BA qu'elle équipe. En d'autres termes, si la batterie BA comprend N cellules CE, alors le dispositif de protection D associé comprend N capsules CA. Chaque capsule CA est fermée de manière à contenir de façon étanche un liquide d'absorption d'énergie thermique, et est munie d'une zone 30 dégradable ZG destinée à être placée en regard de la zone de dégazage ZD de la cellule CE associée. On entend ici par « liquide d'absorption d'énergie thermique » un liquide qui est propre à absorber de l'énergie thermique d'un gaz afin d'abaisser notablement sa température et ainsi l'empêcher de s'enflammer ou de continuer de bruler. Par exemple, ce liquide peut être ce que l'homme de l'art appelle un agent extincteur. Un tel agent extincteur peut, par exemple, être celui qui est commercialisé par la Société 3M sous la référence NOVECO 1230. Ce type d'agent extincteur est particulièrement avantageux du fait qu'il étouffe les flammes par absorption d'énergie thermique, qu'il est considéré comme neutre pour la couche d'ozone, qu'il présente une faible durée de vie dans l'atmosphère, qu'il a un faible impact sur le réchauffement climatique, qu'il ne conduit pas l'électricité et qu'il est faiblement toxique. Mais d'autres agents extincteurs peuvent être utilisés. La zone dégradable ZG d'une capsule CA est propre à se dégrader en présence d'un gaz expulsé de l'enveloppe de la cellule CE associée via sa zone de dégazage ZD et présentant une température supérieure à un seuil choisi. Par exemple, ce seuil peut être choisi égal à environ 1000. D'une manière générale, ce seuil doit être strictement supérieur à la température de l'enveloppe de la cellule CE lorsque cette dernière (CE) fonctionne normalement. Dans le cas d'une cellule de type Li-ion, cette température normale est généralement comprise entre -40°C et +80°C. Par exemple, la zone dégradable ZG peut être réalisée dans un matériau fusible (c'est-à-dire propre à fondre au-delà d'une certaine température), et bien entendu compatible avec le liquide utilisé. Mais il pourrait, également et par exemple, s'agir d'un matériau fusible (c'est-à-dire propre à se casser en morceaux au-delà d'une certaine température et/ou lorsqu'il subit une pression supérieure à un seuil prédéfini).

Par exemple, la zone dégradable ZG peut être réalisée dans un matériau plastique ou synthétique, tel qu'un polychlorure de vinyle (ou PVC) ou un polyéthylène (ou PE). On notera que le réceptacle de la capsule CA, qui doit contenir le liquide, peut être éventuellement réalisé dans le même matériau que sa zone dégradable ZG, sous réserve d'être plus résistant mécaniquement et de pouvoir encaisser sans dégradation des températures plus élevées, mais, de préférence, pas beaucoup plus élevées. En effet, il est préférable que le réceptacle de la capsule CA se dégrade en présence d'une très haute température et/ou d'une très haute pression et donc laisse passer le gaz dans le boîtier BT, plutôt que d'agir comme un bouchon contraignant le gaz à demeurer dans l'enveloppe de la cellule CE associée augmentée du petit volume de la capsule, ce qui pourrait provoquer une explosion de l'enveloppe de la cellule CE et/ou de la capsule CA. Mais on peut également utiliser des matériaux différents pour le réceptacle et la zone dégradable ZG d'une capsule CA. Une fois que la zone dégradable ZG s'est dégradée, le gaz très chaud, qui dégaze hors d'une cellule CE par sa zone de dégazage ZD, se retrouve au contact direct du liquide qui est contenu dans la capsule CA la associée à cette cellule CE, et donc une partie au moins de son énergie thermique peut être absorbée par ce liquide. On notera que chaque capsule CA contient une quantité de liquide qui est suffisante pour absorber par évaporation et/ou dégradation l'énergie thermique maximale qui peut être produite par le dégazage maximal de la 15 cellule CE associée. Par ailleurs, afin d'éviter que le gaz expulsé d'une cellule CE ne diffuse dans le boîtier BT avant de contacter le liquide de la cartouche CA associée, il est avantageux de prévoir un joint d'étanchéité JE à l'interface entre la zone de dégazage ZD de cette cellule CE et la zone dégradable ZG 20 de cette capsule CA. Par exemple, et comme illustré non limitativement sur les figures 1 à 6, chaque zone dégradable ZG peut être entourée par un joint d'étanchéité JE qui résiste aux hautes températures et aux hautes pressions. On notera, comme illustré non limitativement sur les figures 3 et 6, que les N joints d'étanchéité JE, associés aux N capsules CA, d'un dispositif 25 de protection D peuvent être avantageusement solidarisés les uns aux autres au sein d'une feuille (ou plaque) d'étanchéité FE. Cette dernière (FE) peut, par exemple, comporter des premiers trous présentant des dimensions sensiblement égales à celles d'une zone dégradable ZG, et des seconds trous permettant le passage d'éventuelles parties de maintien de la structure 30 de maintien SM. Par exemple, la feuille d'étanchéité FE ou un joint d'étanchéité JE indépendant peut être réalisé(e) en silicone, en polyéthylène (ou PE), ou en polyamide (ou PA).

En variante, les N capsules CA (N > 1) peuvent être solidarisées les unes aux autres et à une feuille (ou plaque) facilement manipulable et intégrant par exemple N joints d'étanchéité JE. Lorsque les N capsules CA sont solidarisées aux N joints d'étanchéité JE définis dans une feuille (éventuellement d'étanchéité FE), elles forment ensemble avantageusement un dispositif de protection D qui est facilement manipulable et donc peut être facilement installé dans le boîtier BT d'une batterie BA. On notera également que dans le premier exemple illustré sur les 1 o figures 1 à 3, les capsules CA peuvent être placées sur le fond du boîtier BT et maintenues sous les cellules CE associées par la structure de maintien SM. En revanche, dans le second exemple illustré sur les figures 4 à 6, les capsules CA sont placées au-dessus des cellules CE associées et doivent donc être maintenues étroitement dans cette position, par exemple au moyen 15 d'un capot du boîtier BT. L'invention permet de confiner le gaz résultant d'un dégazage de faible intensité d'une cellule à la sortie de cette dernière, sans qu'il puisse rejoindre l'intérieur du boîtier de batterie. Elle permet également d'abaisser sensiblement la température des gaz de dégazage et éventuellement 20 d'étouffer les flammes qui se sont formées. Cela permet d'éviter une propagation de proche en proche d'une dégradation par « réaction en chaîne », et donc limite très notablement les dégâts collatéraux au niveau des équipements électroniques internes à la batterie. Il en résulte alors un meilleur contrôle des situations de dégazage, par exemple par un maintien des 25 capacités d'ouverture de certains relais internes, et/ou un maintien de l'obtention des informations relatives aux cellules (comme par exemple la température interne et la tension).

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de protection (D) pour une batterie (BA) comportant au moins une cellule électrochimique (CE) de stockage d'énergie électrique comprenant une zone de dégazage (ZD) pour l'évacuation d'un gaz très chaud, caractérisé en ce qu'il comprend pour chaque cellule électrochimique (CE) une capsule (CA) fermée, contenant un liquide d'absorption d'énergie thermique, et munie d'une zone dégradable (ZG) destinée à être placée en la regard d'une zone de dégazage (ZD) et propre à se dégrader en présence d'un gaz présentant une température supérieure à un seuil choisi, de manière à permettre l'absorption par ledit liquide d'une partie au moins de l'énergie thermique d'un gaz très chaud évacué par cette cellule électrochimique (CE) via sa zone de dégazage (ZD). 15
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite zone dégradable (ZG) est réalisée dans un matériau fusible.
3. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit liquide est un agent extincteur.
4. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que 20 chaque zone dégradable (ZG) est entourée par un joint d'étanchéité (JE) résistant aux hautes températures et aux hautes pressions.
5. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'en présence de N cellules électrochimiques (CE), avec N > 1, il comprend N joints d'étanchéité (JE) solidarisés les uns aux autres au sein d'une feuille 25 d'étanchéité.
6. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'en présence de N cellules électrochimiques (CE), avec N > 1, lesdites N capsules (CA) sont solidarisées les unes aux autres et à une feuille intégrant éventuellement N joints d'étanchéité (JE). 30
7. 7. Batterie comportant au moins une cellule électrochimique (CE) de stockage d'énergie électrique comprenant une zone de dégazage (ZD) pour l'évacuation d'un gaz très chaud, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un dispositif de protection (D) selon l'une des revendicationsprécédentes, couplé à chaque cellule électrochimique (CE).
8. 8. Batterie selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque cellule électrochimique (CE) est d'un type choisi dans un groupe comprenant au moins le type Li-ion et le type Lithium-Métal-Polymère.
9. 9. Batterie selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que chaque cellule électrochimique (CE) comprend une zone de dégazage (ZD) située dans une extrémité supérieure.
10. 10. Batterie selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que chaque cellule électrochimique (CE) comprend une zone de dégazage (ZD) 1 o située dans une extrémité inférieure.
11. 11. Véhicule, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une batterie (BA) selon l'une des revendications 7 à 10.