FR3071104A1 - Module de batterie - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un module de batterie comprenant au moins une cellule électrochimique souple de stockage de l'énergie, ainsi qu'au moins une poche souple remplie d'un fluide. La poche souple est agencée relativement à la cellule souple de manière à exercer une pression contre ladite cellule lorsque ladite cellule gonfle. Application : véhicules électriques ou hybrides

Description

Module de batterie
La présente invention concerne un module de batterie. Elle s’applique notamment 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 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 et les véhicules hybrides thermique-électrique sont aujourd’hui considérés comme la solution la plus prometteuse pour diminuer les émissions de CO2. Dans la suite de la présente demande, l’expression « véhicules électriques » désigne indifféremment les véhicules électriques et les véhicules hybrides thermique-électrique, y compris les véhicules hybrides rechargeables.
Différentes technologies ont été envisagées pour concevoir des batteries de traction pour véhicule électrique, chacune présentant des avantages et des inconvénients. La technologie lithium-ion (li-ion) présente notamment l’avantage d’un excellent compromis entre la densité d’énergie, favorable à l’autonomie, et la densité de puissance, favorable aux performances notamment l’accélération. Mais sa mise en œuvre n’est pas sans poser de nombreuses difficultés. Tout d’abord, la migration des ions lithium dans une cellule li-ion de stockage d’énergie est fortement exothermique et nécessite donc la mise en œuvre de moyens de refroidissement performants et coûteux. II s’agit là d’un problème que la présente invention se propose de résoudre. Ensuite, les cycles de charge et décharge des cellules li-ion impliquent des phénomènes de production et de consommation de gaz au cœur de la cellule. Lorsqu’il s’agit d’une cellule à enveloppe souple, de type des cellules prismatiques à deux faces dites « pouch » selon la terminologie anglo-saxonne communément admise, ces phénomènes gazeux engendrent non seulement un gonflement réversible de la cellule à chaque cycle charge-décharge, mais également un gonflement irréversible qui ne fait qu’augmenter jusqu’à la fin de la vie de la cellule. Il s’agit là encore d’un problème que la présente invention se propose de résoudre.
Or, pour atteindre les niveaux de tension et de courant requis par une application à haute-tension comme une batterie de traction d’un véhicule électrique, plusieurs cellules « pouch » doivent être alignées côte à côte dans des modules, plusieurs modules devant être assemblés pour former un « pack » selon la terminologie anglo-saxonne communément admise, ceci en respectant toutes les contraintes habituelles du milieu automobile en termes de résistance vibratoire, de résistance au crash et d’intégrité dimensionnelle de manière générale. Or les phénomènes de gonflement, tant réversibles qu’irréversibles, entraînent une augmentation de l’épaisseur des cellules et donc une poussée mécanique au cœur des modules transversalement aux plans des cellules. Il est donc nécessaire de mettre en œuvre des moyens pour contrôler cette poussée si l’on veut assurer l’intégrité dimensionnelle des modules et du pack. Il s’agit là encore d’un problème que la présente invention se propose de résoudre.
On connaît de la demande de brevet US2011070474A1 ou encore du brevet US9705156B2 de disposer d’une part des éléments métalliques plats de dissipation de la chaleur entre des cellules « pouch » empilées et d’autre part des éléments plastiques de pression. Un inconvénient de ce type de solution tient notamment à la complexité d’assemblage de tous ces éléments. Il s’agit là encore d’un inconvénient que la présente invention se propose de surmonter.
La présente invention a pour but de résoudre les problèmes et inconvénients précités, notamment de limiter les risques liés au gonflement et à réchauffement des cellules. A cet effet, l’invention a pour objet un module de batterie comprenant au moins une cellule électrochimique souple de stockage de l’énergie, ainsi qu’au moins une poche souple remplie d’un fluide, la poche souple étant agencée relativement à la cellule souple de manière à exercer une pression contre ladite cellule lorsque ladite cellule gonfle.
Avantageusement, il peut comprendre au moins deux poches souples remplie d’un fluide et disposées de part et d’autre de l’au moins une cellule souple, les deux poches souples pouvant être reliées par un conduit laissant circuler librement le fluide d’une poche à l’autre.
Avantageusement là encore, les membranes externes des poches souples peuvent être au contact thermique de l’au moins une cellule souple.
Avantageusement là encore, les membranes externes des poches souples peuvent être thermofusibles et le fluide peut être un fluide ininflammable.
La présente invention a également pour objet un pack de batterie de traction pour véhicule électrique ou hybride comportant un tel module, les poches souples du module pouvant également être au contact thermique d’au moins un élément de dissipation de la chaleur vers l’extérieur du pack.
La présente invention a enfin pour objet un véhicule électrique ou hybride comportant un tel pack de batterie.
Outre de limiter les risques liés à l’échauffement et au gonflement des cellules, bénéficiant notamment de tous les avantages connus des systèmes hydrauliques de refroidissement et de compression, la présente invention a donc encore pour principal avantage de noyer les cellules en cas d’emballement thermique.
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 :
• les figures 1 à 3, par des vues en perspective et en coupe, des illustrations d’un mode de réalisation d’un module de cellules selon l’invention ;
• les figures 4 à 6, par des vues en perspective, des illustrations d’un mode de réalisation d’un pack de batterie selon l’invention.
La figure 1 donne une vue générale en perspective d’un module 1 dont l’enveloppe est formée par un boîtier 11 s’étendant en 3 dimensions selon une direction x, une direction y et une direction z. Le module 1 est apte à être utilisé dans une batterie de traction d’un véhicule électrique ou hybride, deux bornes 15 permettant de le connecter à d’autres modules similaires. Le module 1 rassemble, à l’intérieur du boîtier 11 et donc non visibles sur la figure 1, plusieurs cellules de type « pouch » empilée selon la direction z et mises en pré-pression par quatre tirants 10. Les figures suivantes feront apparaître ces cellules.
Les figures 2 et 3 illustrent le même module 1 sous un angle différent, la figure 2 faisant apparaître en transparence deux parois opposées 111 du boîtier 11 et la figure 3 faisant apparaître un plan de coupe A selon (x,z), ceci afin de bien illustrer des caractéristiques essentielles de l’invention, à savoir deux poches 12 reliées par un conduit 13. Les poches 12 sont disposées de manière à être en contact thermique avec les cellules 14. Cela signifie que le contact est suffisant, en termes de surface et de pression, pour permettre aux calories de passer facilement des cellules 14 aux poches 12, et surtout au fluide qu’elles contiennent. Les poches 12 sont faites d’un matériau polymère souple thermofusible et sont remplies d’un fluide diélectrique, de l’eau glycolée par exemple. Le conduit 13 permet au fluide de circuler librement entre les deux poches 12. La figure 3 fait bien apparaître les quatorze cellules 14 compressées les unes contre les autres dans le module 1, assemblée par deux en « bi-cell » selon la terminologie anglo-saxonne. Ainsi, la force de compression initiale exercée sur les cellules 14 lorsqu’elles sont neuves est déterminée par le serrage des tirants 10 et par la pression du fluide dans les poches 12.
Au gré des cycles de charge-décharge, les cellules 14 augmentent et diminuent de volume, ce qui vient faire varier le volume disponible pour les poches 12, et donc varier naturellement la pression du fluide dans les poches
12. Le conduit 13 permet avantageusement d'équilibrer naturellement la pression du fluide dans les deux poches 12 qu’il relie, et ainsi de compenser les différences de gonflement d’une cellule à l’autre dans le module 1. C’est l’un des avantages principaux d’un tel système hydraulique. En réaction au gonflement progressif des cellules 14, les poches 12 viennent exercer naturellement une pression s’opposant au gonflement des cellules 14, c’està-dire s’exerçant sensiblement orthogonalement au plan des cellules 14. Cette pression augmente proportionnellement au gonflement des cellules 14. C’est l’un des autres avantages d’un tel système hydraulique. Simultanément les cellules 14 dissipent de la chaleur, qui est transmise au fluide par conduction au travers de la membrane externe des poches 12. Afin d’améliorer la conduction de la chaleur au travers de la membrane des poches 12, cette membrane peut être renforcée par des fibres. En outre, le polymère formant le corps de la membrane peut être choisi de manière à ce que la membrane fonde lorsqu’elle atteint une température prédéfinie, comprise entre la température de fonctionnement normal des cellules et une température considérée comme une température d’emballement, au-delà de laquelle l’inflammation de la cellule est inévitable. Ainsi, dans les rares cas où l’une des cellules 14 viendrait à s’emballer thermiquement, les poches 12 fondraient et le fluide viendrait noyer la cellule défectueuse et éventuellement même éteindre le feu naissant. Dans ce dernier cas, un fluide ininflammable de marque NOVEC (marque déposée) est préférable pour remplir les poches
12.
La figure 4, 5 et 6 illustrent par différentes vues en perspective un pack de batterie 2 comportant à l’intérieur de son boîtier 21 (dont seule la partie inférieure est illustrée sur les figures), six modules identiques au module 1 décrit précédemment, ainsi qu’un boîtier de relais 22 permettant de connecter ou de déconnecter entre eux tout ou partie des modules 1. Quatre éléments de refroidissement sensiblement identiques 23 sont disposés entre les modules 1 au contact thermique des poches souples 12. Cela signifie que le contact est suffisant, en termes de surface et de pression, pour permettre aux calories de passer des poches souples 12 aux éléments 23. Dans le présent exemple, les éléments 23 sont des profilés métalliques. Ils permettent d’évacuer vers l’extérieur du pack 2 la chaleur produite pas les cellules 14 et transmise au travers des poches souples 12.
En mettant en œuvre des poches souples ayant la double fonction d’absorption des gonflements des cellules et d’évacuation de la chaleur 5 produite par les cellules, la présente invention a donc encore pour avantage d’être compacte, légère et économique.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS
    1. Module (1) de batterie comprenant au moins une cellule électrochimique souple (14) de stockage de l’énergie, le module étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre au moins une poche souple (12) remplie d’un fluide, la poche souple étant agencée relativement à la cellule souple de manière à exercer une pression contre ladite cellule lorsque ladite cellule gonfle.
  2. 2. Module (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend au moins deux poches souples (12) remplie d’un fluide et disposées de part et d’autre de l’au moins une cellule souple (14), les deux poches souples étant reliées par un conduit (13) laissant circuler librement le fluide d’une poche à l’autre.
  3. 3. Module (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les membranes externes des poches souples (12) sont au contact thermique de l’au moins une cellule souple (14).
  4. 4. Module (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les membranes externes des poches souples (12) sont thermofusibles et en ce que le fluide est ininflammable.
  5. 5. Pack de batterie de traction (2) pour véhicule électrique ou hybride comportant au moins un module (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les poches souples (12) du module sont également au contact thermique d’au moins un élément (23) de dissipation de la chaleur vers l’extérieur du pack.
  6. 6. Véhicule électrique ou hybride comportant un pack de batterie de traction (2) selon la revendication précédente.
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