FR2999809A1 - Pack batterie a refroidissement passif optimise pour vehicules electriques ou hybrides - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un bac batterie pour accueillir une pluralité de cellules électrochimiques de stockage d'électricité comportant sur sa surface extérieure une gorge dont l'ouverture est disposée de sorte qu'un flot d'air y pénètre. La gorge est formée par des moyens pour canaliser l'écoulement du flot d'air de manière à maximiser la pression et la vitesse de l'air en regard d'au moins une zone de la surface extérieure du bac où la température présente un maximum local. La présente invention concerne également un pack batterie comportant un tel bac, ainsi qu'un véhicule électrique ou hybride comportant un tel pack. Application : véhicules électriques ou hybrides

Description

Pack batterie à refroidissement passif optimisé pour véhicules électriques ou hybrides La présente invention concerne un pack batterie à refroidissement passif optimisé. Elle s'applique notamment, mais pas exclusivement, aux véhicules automobiles électriques ou hybrides.

Dans le contexte actuel de consensus autour du réchauffement climatique, la diminution des émissions de dioxyde de carbone (CO2) est un défi majeur auquel sont confrontés les constructeurs automobiles, les 10 normes étant toujours plus exigeantes en la matière. Outre l'amélioration constante des rendements des moteurs thermiques classiques, qui s'accompagne d'une baisse des émissions de CO2, les véhicules électriques (« EV » d'après la terminologie anglo-saxonne « Electric Vehicle ») et les véhicules hybrides thermique-électrique (« HEV » 15 d'après la terminologie anglo-saxonne « Hybrid Electric Vehicle ») sont aujourd'hui considérés comme la solution la plus prometteuse pour diminuer les émissions de CO2. Différentes technologies de stockage de l'énergie électrique ont été testées dans les dernières années afin de répondre aux besoins des EV. 20 Il apparaît aujourd'hui que les batteries à cellules lithium-ion (Li-ion) sont celles qui permettent d'obtenir le meilleur compromis entre la densité de puissance, qui favorise les performances en termes d'accélération notamment, et la densité d'énergie, qui favorise l'autonomie. Cependant, l'utilisation de cette technologie Li-ion pour constituer des batteries de 25 traction pour EV n'est pas sans poser de nombreuses difficultés, notamment si l'on considère les niveaux de tension nécessaires, de l'ordre de 400 volts (V), ainsi que les niveaux de température générés. D'une part, la migration des ions lithium entre les électrodes d'une cellule Li-ion, que ce soit à la décharge lorsque le véhicule roule comme à la charge lorsqu'il est branché à 30 un réseau de distribution électrique, est une réaction exothermique : les cellules voient donc naturellement leur température augmenter. Mais il faut tout de même contrôler cette montée en température des cellules, car leurs performances, notamment en termes de puissance et de capacité, ainsi que leur durée de vie, dépendent des conditions d'utilisation, et notamment de la température de fonctionnement. En effet, de nombreux mécanismes physico-chimiques intervenant à température élevée sont susceptibles de dégrader la batterie. Le maintien de l'énergie disponible se traduit en autonomie au niveau du véhicule. Les cellules sont enfermées dans une enceinte quasiment hermétique constituée d'un bac fermé par un capot. L'ensemble ainsi formé est communément appelée « pack » ou « pack batterie ». Les cellules, doivent donc être maintenues dans une plage de température de fonctionnement sensiblement optimale, à la charge comme à la décharge.

Notamment, si la température est trop élevée, la durée de vie des cellules sera réduite. Il s'agit là d'une problématique à laquelle la présente invention se propose de répondre. Une solution connue, notamment d'un véhicule commercialisé par la demanderesse sous la dénomination commerciale « Kangoo Z.E. » (marque déposée), est de suspendre le pack batterie sous la caisse du véhicule par l'intermédiaire de son capot, de manière à ce qu'il soit exposé à l'air libre et ainsi refroidi par convection naturelle à travers les parois du pack, qui sont généralement en acier ou en aluminium. Quoique simple de mise en oeuvre, un inconvénient de cette solution tient au fait que les modules, qui sont des assemblages de cellules électrochimiques élémentaires de stockage de l'électricité interconnectées, sont assemblés sous forme d'empilements illustrés par la suite dans des figures et fixés au bac batterie. En effet, la demanderesse a constaté qu'un tel assemblage chauffe de façon beaucoup plus importante au centre des empilements, une conséquence étant que les cellules et les modules disposés au centre chauffent plus et donc vieillissent plus vite. A terme, il peut apparaître une hétérogénéité des caractéristiques entre les modules, qui peut limiter les performances de l'ensemble de la batterie.

L'invention a notamment pour but de résoudre les problèmes précités tout en évitant les inconvénients de l'état de la technique. Pour cela, un principe de la présente invention est de maximiser localement de façon passive les échanges convectifs entre les modules et l'air extérieur. A cet effet, l'invention a notamment pour objet un bac batterie pour accueillir une pluralité de cellules électrochimiques de stockage d'électricité comportant sur sa surface extérieure une gorge dont l'ouverture est disposée de sorte qu'un flot d'air y pénètre. La gorge est formée par des moyens pour canaliser l'écoulement du flot d'air de manière à maximiser la pression et la vitesse de l'air en regard d'au moins une zone de la surface extérieure du bac où la température présente un maximum local. Avantageusement, les moyens pour canaliser l'écoulement du flot d'air peuvent inclure des obstacles à l'écoulement de l'air dans des directions qui ne mènent pas à la zone.

Par exemple, le bac batterie peut inclure des obstacles pour augmenter la pression et la vitesse du flot d'air pénétrant, des obstacles pour séparer le flot d'air pénétrant en plusieurs flots sortants, ou encore des obstacles pour empêcher les flots sortants de se mélanger avant d'avoir quitté le contact thermique avec la surface extérieure du bac.

L'invention a également pour objet un pack batterie pour véhicule électrique ou hybride comportant un bac présentant les caractéristiques énoncées ci-dessus fermé par un capot.

L'invention a également pour objet un véhicule électrique ou hybride comportant un pack batterie présentant les caractéristiques énoncées ci-dessus, le pack étant suspendu en dessous de sa caisse par l'intermédiaire du capot, l'ouverture de la gorge étant disposée sur la face du bac orientée vers l'avant du véhicule, de sorte que le flot d'air pénètre naturellement la gorge dès lors que le véhicule roule. Outre de maximiser les échanges convectifs entre les modules et l'air extérieur dans les zones les plus exposées à l'échauffement, prolongeant ainsi les performances et la durée de vie de la batterie, les principaux avantages de la présente invention tiennent surtout à sa nature passive. D'une part, elle ne génère aucune surconsommation d'énergie et aucun surcout lié au système de refroidissement, comme on peut l'observer sur les systèmes actifs. D'autre part, cette nature passive lui confère une incomparable fiabilité, puisqu'il n'y a aucun risque de panne du système de refroidissement selon l'invention, et robustesse dans le temps, puisque les capacités du système de refroidissement selon l'invention restent constantes.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit faite en regard de dessins annexés qui représentent : - la figure 1, par une vue schématique de dessus, un exemple d'agencement de cellules en modules et de modules en empilements dans un bac de batterie selon l'invention ; - les figures 2a et 2b, par une vue schématique de face avant et une vue schématique de dessous respectivement, un exemple de bac selon l'invention.

La figure 1 illustre par une vue schématique de dessus un bac 1 selon l'invention en aluminium, facilement adaptable à une batterie du type de celles équipant les véhicules commercialisés par la demanderesse sous la dénomination commerciale « Kangoo Z.E. » (marque déposée). Dans le bac 1 sont disposés deux empilements 11 et 12 composés chacun de N cellules référencées C111 à C11N et C121 à C12N respectivement, où N est un entier strictement positif. Par souci de clarté, les modules ne sont pas représentés sur la figure 1, mais on peut par exemple imaginer que les cellules sont d'abord assemblées par x où x est un entier strictement positif et strictement inférieur à N pour former des modules, les modules étant ensuite empilés pour former les empilements 11 et 12, auquel cas chacun des empilements 11 et 12 est composé de N/x modules. La figure 1 illustre notamment des zones 111 et 121 situées sensiblement au centre des empilements 11 et 12 respectivement, où la température a tendance à être plus élevée qu'ailleurs lorsque la batterie se décharge durant le roulage du véhicule. Les zones 111 et 121 présentent donc chacune un maximum local en température. Ce phénomène local de surchauffe des cellules dans les zones centrales 111 et 121 s'explique principalement par un effet cumulatif de réchauffement des cellules de proche en proche : en considérant par exemple l'empilement 11, les cellules C111 et C11N réchauffent par conduction les cellules voisines C112 et C11N4 respectivement, qui réchauffent elles-mêmes par conduction les cellules voisines C113 et C11N_2 respectivement, et ainsi de suite jusqu'aux cellules disposées au centre de l'empilement 11, qui sont par conséquent les cellules les plus chaudes de l'empilement 11.

Les figures 2a et 2b illustrent, par une vue schématique de face avant et une vue schématique de dessous respectivement, le même bac 1 selon l'invention. La figure 2a illustre notamment le bac 1 contenant les empilements 11 et 12. Pour former un pack batterie, le bac 1 peut être fermé par un capot, non représenté sur la figure 2a, le capot venant se poser comme un couvercle sur le bac 1. Des moyens de fermeture, du type boulons / écrous, et des moyens de prévention des fuites, du type joints élastomères, permettent de fermer sensiblement hermétiquement le pack ainsi formé par le bac 1 contenant les cellules C111 à c11N et ci2i à c12N et fermé par le capot. Puis, le capot peut être accroché sous un véhicule électrique ou hybride, non représenté sur la figure 2a, par des moyens de verrouillage / déverrouillage. Le bac 1 est alors la partie du pack orientée en regard de la route et par conséquent exposée à l'écoulement de l'air sous le véhicule dès lors que celui-ci roule, cet écoulement étant intense tant en pression qu'en vitesse. La figure 2b illustre notamment l'emplacement des zones 111 et 112 déjà introduites précédemment. Un principe clé de la présente invention est de former, à la surface extérieure du bac 1 en regard des zones 111 et 112 dans lesquelles se trouvent les cellules les plus chaudes, une gorge 13 pour l'écoulement d'un flot d'air F en provenance de la direction avant (AV) du véhicule, ce flot F apparaissant naturellement dès lors que le véhicule se met à rouler vers l'avant. Un autre principe clé de l'invention tient à la forme de cette gorge 13. Tout d'abord, la forme de la gorge 13 vise d'abord à maximiser le volume d'air entrant dans la gorge 13, ceci en offrant une ouverture la plus large possible pour l'entrée du flot d'air F dans la gorge 13. Ainsi, comme illustré par l'exemple de réalisation des figures 2a et 2b, la largeur de l'ouverture offerte à l'entrée du flot d'air F naissant naturellement dès le début de roulage du véhicule peut être supérieure à la moitié de la largeur totale du bac 1. Ensuite, la forme de la gorge 13 vise, grâce à des obstacles 14, 15, 16 et 17 judicieusement disposés dans la gorge 13 pour s'opposer à l'écoulement du flot d'air F dans certaines directions, à guider ce dernier dans d'autres directions de manière à maximiser localement en regard des zones 111 et 112 la pression et la vitesse de l'air. Ainsi, les obstacles 14 et 15 ayant sensiblement la forme de cylindres d'axes orthogonaux au plan de la figure 2b, en diminuant la largeur de la gorge 13 juste après l'ouverture pour le flot d'air F, concentrent d'abord ce flot d'air F selon l'axe longitudinal X du bac 1 en augmentant sa vitesse et sa pression. En fait, les obstacles 14 et 15 empêchent le flot F de se disperser dans les directions perpendiculaires à X dans le plan de la figure 2a. Puis, l'obstacle 17, qui a sensiblement la forme d'un prisme à base triangulaire, placé de sorte que l'axe de symétrie longitudinale du bac 1 le coupe en deux parties symétriques, sépare le flot d'air F en deux flots f1 et f2 sortants et dirige les flots f1 et f2 latéralement par rapport au bac 1 vers les zones 112 et 111 respectivement. En fait, l'obstacle 17 empêche le flot F de s'écouler en direction de la direction arrière (AR) du bac 1 et du véhicule. L'obstacle 16 vient enfin empêcher les flots f1 et f2 de se mélanger avant d'avoir quitté la surface de contact avec le bac 1. En fait, l'obstacle 16 empêche les flots f1 et f2 de s'écouler en direction de la partie arrière du bac 1. Dans un mode de réalisation alternatif, les obstacles 16 et 17 pourraient d'ailleurs être fusionnés en un seul. Le flot fl, à son passage entre les obstacles 15 et 17, offre une pression et une vitesse maximale, de sorte que les échanges convectifs sont maximisés localement au niveau de la zone 112. De manière similaire, le flot f2, à son passage entre les obstacles 14 et 17, offre une pression et une vitesse maximale, de sorte que les échanges convectifs sont maximisés localement au niveau de la zone 111. La maximisation de la pression et de la vitesse de l'air en regard des zones 111 et 112 ont pour principal effet de maximiser les échanges convectifs localement au niveau des zones 111 et 112.

Il faut bien noter que l'effet local obtenu grâce à l'invention est à distinguer de l'effet global qui serait obtenu en recouvrant la surface extérieure du bac 1 avec des ailettes. En effet, en recouvrant la surface 35 extérieure du bac 1 avec des ailettes, c'est-à-dire en formant à la surface du bac 1 une pluralité de gorges rectilignes identiques et parallèles, l'effet obtenu serait un effet global de maximisation de la surface d'échange thermique. En d'autres termes, recouvrir la surface extérieure du bac 1 avec des ailettes n'aurait aucun effet local et, en particulier, ne résoudrait pas le problème énoncé précédemment d'hétérogénéité des caractéristiques entre les modules après un certain temps d'utilisation de la batterie. Il n'a pas échappé à l'homme du métier que la présente invention 10 est applicable à tout véhicule électrique ou hybride dont le pack batterie est placé sous caisse de manière à être refroidi par convection naturelle. Outre de maximiser les échanges convectifs entre les modules et 15 l'air extérieur dans les zones les plus exposées à l'échauffement, prolongeant ainsi les performances et la durée de vie de la batterie, un autre avantage de la présente invention est qu'elle est simple à mettre en oeuvre à moindre coût, puisqu'elle ne nécessite que d'ajuster une fois pour toutes le moule utilisé pour former le bac. Et si le véhicule est par ailleurs équipé d'un 20 système actif de refroidissement, la présente invention permet de diminuer sa puissance, voire de se passer de ce système, augmentant ainsi l'autonomie du véhicule.

Claims (5)

1. REVENDICATIONS1. Bac (1) batterie pour accueillir une pluralité de cellules électrochimiques de stockage d'électricité (C111 à CliN, C121 à c12N), le bac étant caractérisé en ce qu'il comporte sur sa surface extérieure une gorge (13), l'ouverture de la gorge étant disposée de sorte qu'un flot d'air (F) pénètre la gorge, la gorge étant formée par des moyens pour canaliser l'écoulement dudit flot de manière à maximiser la pression et la vitesse de l'air en regard d'au moins une zone (111, 112) de la surface extérieure du bac où la température présente un maximum local.
2. 2. Bac (1) batterie selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour canaliser l'écoulement du flot d'air (F) incluent des obstacles à l'écoulement de l'air dans des directions qui ne mènent pas à la zone (111, 112).
3. 3. Bac (1) batterie selon la revendication 2, caractérisé en que les obstacles incluent : - des obstacles (14, 15) pour augmenter la pression et la vitesse du flot d'air pénétrant (F), et/ou ; - au moins un obstacle pour séparer le flot d'air pénétrant (F) en plusieurs flots sortants (f1, f2), et/ou ; - au moins un obstacle (17, 16) pour empêcher les flots sortants (f1, f2) de se mélanger avant d'avoir quitté le contact thermique avec la surface extérieure du bac.
4. 4. Pack batterie pour véhicule électrique ou hybride, caractérisé en ce qu'il comporte un bac (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes fermé par un capot.
5. 5. Véhicule électrique ou hybride, caractérisé en ce qu'il comporte un pack batterie selon la revendication 4 suspendu en dessous de sa caisse par l'intermédiaire du capot, l'ouverture de la gorge (13) étant disposée sur la face du bac (1) orientée vers l'avant du véhicule, de sorte que le flot d'air (F) pénètre naturellement la gorge dès lors que le véhicule roule.