FR3100661A1 - Bloc-batterie équipé de moyens passifs de dissipation thermique - Google Patents

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Abstract

Le bloc-batterie (1) est équipé de moyens passifs de dissipation thermique et comprend une pluralité de cellules d’accumulation électrique (2) ayant chacune des première et deuxième surfaces de contact (2A, 2B) avec des polarités électriques distinctes. Conformément à l’invention, les moyens passifs de dissipation thermique comprennent un premier dissipateur thermique métallique (3A) et un deuxième dissipateur thermique métallique (3B) reliés directement (31A, 4A, 31B, 4B) respectivement aux premières surfaces de contact et aux deuxièmes surfaces de contact des cellules d’accumulation électrique, et les premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques remplissent aussi une fonction de bus-barres électriques pour le raccordement électrique des cellules d’accumulation électrique. Fig.1

Description

BLOC-BATTERIE ÉQUIPÉ DE MOYENS PASSIFS DE DISSIPATION THERMIQUE
L’invention concerne de manière générale le refroidissement des batteries d’accumulateurs. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un bloc-batterie équipé de moyens passifs de dissipation thermique.
De manière générale, un bloc-batterie, dit aussi « pack batterie », est un assemblage de modules connectés électriquement en série et/ou en parallèle. Ces modules comprennent chacun une pluralité de cellules électrochimiques, désignées aussi « cellules » ou « cellules d’accumulation électrique » par la suite, dont chacune est une unité élémentaire de conversion d’énergie chimique en énergie électrique, et inversement. Les cellules sont connectées en série et/ou en parallèle et doivent être en nombre suffisant pour atteindre les caractéristiques souhaitées pour la batterie, notamment, en termes de tension, de courant et de capacité de stockage d'énergie. La température de la cellule doit être maintenue dans une plage de température optimale, sans jamais dépasser des limites hautes définies par les fabricants, afin de garantir ses performances et sa durabilité.
Dans un véhicule électrique ou hybride, le bloc-batterie utilisé pour la traction du véhicule, par exemple un bloc-batterie de type lithium-ion, s'échauffe de manière conséquente pendant les phases de charge et de décharge de celui-ci. Par ailleurs, le besoin de réduire la durée de recharge du bloc-batterie, notamment dans les véhicules électriques de grande capacité énergétique, conduit au développement de la recharge à très haute puissance, dite « HPC » pour « High Power Charging » en anglais. La recharge HPC impose des contraintes thermiques accrues sur le bloc-batterie. Ainsi, par rapport à une recharge classique, le besoin de dissipation thermique dans la batterie peut être multiplié par un facteur de l’ordre de trois avec la recharge HPC. Typiquement, pendant une recharge HPC, la température d’une batterie de type Lithium-ion ne doit pas excéder 50°C afin de garantir la sécurité de fonctionnement et éviter un vieillissement prématuré de celle-ci.
Des systèmes de refroidissement assurant une dissipation thermique active ou passive sont utilisables pour garantir un conditionnement thermique optimal du bloc-batterie. Ainsi, des systèmes de refroidissement faisant appel à l’air, à un fluide caloporteur, à des modules thermoélectriques ou à des matériaux à changement de phase peuvent être envisagés pour refroidir le bloc-batterie.
Dans un système de refroidissement par air, le bloc-batterie peut être refroidi de manière passive, ou bien active en utilisant un ou plusieurs ventilateurs. Outre le refroidissement, un système de refroidissement par air peut remplir d’autres fonctions comme le chauffage et la ventilation, sans toutefois pouvoir utiliser directement l'air évacué par le système pour le chauffage de l’habitacle du véhicule. Le principal inconvénient du système de refroidissement par air est que son rendement est lié à la température ambiante et chute sensiblement lorsque cette dernière augmente. Par ailleurs, compte-tenu des contraintes d’implantation et de volume disponible dans un véhicule, la ventilation du bloc-batterie peut s’avérer délicate à assurer. Cette ventilation peut aussi générer un accroissement de la température dans l’environnement du bloc-batterie, accroissement de la température potentiellement perturbateur pour un autre organe du véhicule.
Dans un système de refroidissement par fluide caloporteur, le fluide caloporteur peut être un fluide diélectrique ou un fluide conducteur. Le fluide diélectrique autorise un contact direct avec les cellules. Cependant, l’utilisation d’un fluide conducteur avec un contact indirect avec les cellules, via un matériau isolant électriquement, est la solution habituellement préférée pour la meilleure isolation qu’elle procure entre les cellules et leur environnement. Dans un tel système, une pompe est nécessaire pour faire circuler en boucle le fluide caloporteur et l’amener dans un échangeur thermique afin d’évacuer les calories. Les fluides caloporteurs ont un coefficient de transfert thermique supérieur à celui de l'air et autorisent une meilleure évacuation des calories. Cependant, le système de refroidissement par fluide caloporteur présente un risque de fuite du fluide. De plus, par rapport à un système à air, la structure du système de refroidissement par fluide caloporteur est plus complexe et son poids plus élevé.
Dans un système de refroidissement faisant appel à des modules thermoélectriques, ceux-ci sont placés sur des surfaces du bloc-batterie et peuvent convertir des gradients de température en tension électrique, et inversement. Les modules thermoélectriques, dont le fonctionnement est basé sur les effets Seebeck/Peltier, sont donc utilisables pour refroidir le bloc-batterie et récupérer de l'énergie électrique grâce aux calories à évacuer. Cependant, ces modules thermoélectriques sont lourds, coûteux et leur rendement reste relativement faible. De plus, leur rigidité est un inconvénient qui rend leur intégration parfois difficile dans le bloc-batterie.
Un matériau à changement de phase, dit aussi matériau « PCM » pour « Phase Change Material » en anglais, peut être utilisé dans un système de refroidissement par air ou par fluide caloporteur. Dans un tel système de refroidissement, des calories sont absorbées par un changement de phase du matériau et sont libérées pour une évacuation par un changement de phase inverse. Le rendement obtenu par ce procédé est satisfaisant, en particulier avec des caloducs dans lesquels interviennent des changements de phase entre l’état fluide et l’état gazeux. Cependant, en pratique, un tel système de refroidissement est délicat à mettre en œuvre car il demande une gestion serrée de sa température moyenne qui doit être égale à la température de changement de phase du matériau.
Les systèmes de refroidissement actifs ont besoin d’énergie électrique pour fonctionner. Dans les véhicules, l’énergie électrique est limitée, de sorte que ce type de système n’est pas toujours la solution la plus appropriée. Le poids est également un critère dont il faut tenir compte pour choisir le système de refroidissement. Le système de refroidissement par fluide caloporteur est particulièrement pénalisé par le poids représenté par le fluide, le circuit, la pompe et les échangeurs thermiques et les ventilateurs. Par ailleurs, les ventilateurs, utilisés aussi dans le système actif de refroidissement par air, ajoutent des pièces mobiles soumises à usure.
Le refroidissement passif par air ne présente aucun des inconvénients exposés ci-dessus et a donc un réel intérêt pour le refroidissement du bloc-batterie dans un véhicule.
Par le document DE102013204670, il est connu un système passif de refroidissement pour une batterie d’accumulateurs. Ce système comprend un dissipateur thermique métallique qui est revêtu d’une couche diélectrique l’isolant électriquement des cellules d’accumulation électrique de la batterie. Le dissipateur thermique est soudé à un embout métallique, au niveau d’une partie non revêtue de la couche diélectrique. Un cordon d’adhésif isolant est posé entre une partie non revêtue du dissipateur thermique, une partie revêtue de celui-ci et les cellules.
Il est souhaitable de fournir un bloc-batterie équipé de moyens passifs de dissipation thermique qui soit bien adapté pour une intégration dans des véhicules à traction électrique.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un bloc-batterie équipé de moyens passifs de dissipation thermique et comprenant une pluralité de cellules d’accumulation électrique ayant chacune des première et deuxième surfaces de contact avec des polarités électriques distinctes. Conformément à l’invention, les moyens passifs de dissipation thermique comprennent un premier dissipateur thermique métallique et un deuxième dissipateur thermique métallique reliés directement respectivement aux premières surfaces de contact et aux deuxièmes surfaces de contact des cellules d’accumulation électrique, et les premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques remplissent aussi une fonction de bus-barres électriques pour le raccordement électrique des cellules d’accumulation électrique.
Selon une caractéristique particulière, les premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques sont reliés par soudure aux premières et deuxièmes surfaces de contact des cellules d’accumulation électrique.
Selon une autre caractéristique particulière, les premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques comprennent des languettes de soudure qui sont en contact direct avec les premières et deuxièmes surfaces de contact et sur lesquelles sont réalisés des points de soudure.
Selon encore une autre caractéristique particulière, les premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques comprennent chacun une pluralité d’orifices destinés à permettre un accès aux premières et deuxièmes surfaces de contact, en débouchant en regard de celles-ci, et/ou destinés à réduire le poids des premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques.
Selon encore une autre caractéristique particulière, les premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques comportent des ailettes de refroidissement.
Selon encore une autre caractéristique particulière, lesdits premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques ont une structure en nid d’abeille.
Selon encore une autre caractéristique particulière, les premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques ont une structure monobloc en cuivre ou en aluminium.
Selon encore une autre caractéristique particulière, les premier et deuxième dissipateurs thermiques sont réalisés par moulage et/ou usinage.
Selon encore une autre caractéristique particulière, les cellules d’accumulation électrique sont de type lithium-ion.
L’invention concerne aussi un véhicule comprenant un bloc-batterie tel que décrit brièvement ci-dessus.
D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l’invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
La Fig.1 est un dessin de principe montrant l’architecture générale d’un bloc-batterie selon l’invention.
La Fig.2 est une vue en perspective d’un exemple de réalisation d’un dissipateur thermique inclus dans un bloc-batterie selon l’invention.
En référence aux Figs.1 à 2, il est maintenant décrit ci-dessous une forme de réalisation particulière 1 d’un bloc-batterie selon l’invention.
Le bloc-batterie 1, montré schématiquement et de manière partielle à la Fig.1, comprend essentiellement une pluralité de cellules d’accumulation électrique 2 et deux dissipateurs thermiques 3A et 3B.
Comme visible à la Fig.1, les cellules d’accumulation électrique 2 sont ici agencées côte-à-côte de manière alignée. Les cellules d’accumulation électrique 2 sont par exemple des cellules élémentaires de type lithium-ion. Chaque cellule d’accumulation électrique 2 comprend deux surfaces de contact 2A et 2B, formant deux électrodes électriques de polarités différentes, destinées au raccordement électrique de la cellule.
Les dissipateurs thermiques 3A et 3B sont des pièces métalliques distinctes qui sont préférentiellement en cuivre, mais qui pourront être en aluminium aussi dans certaines réalisations. Chaque dissipateurs thermiques 3A, 3B, est typiquement une pièce monobloc ayant une excellente conductivité thermique et électrique. Les dissipateurs thermiques 3A, 3B, pourront être réalisés par moulage, typiquement par injection, et comprendre des parties usinées.
De manière générale, conformément à l’invention, les dissipateurs thermiques sont prévus pour remplir une double fonction, à savoir, leur fonction de dissipateur thermique pour le refroidissement des cellules d’accumulation électrique, mais aussi une fonction de bus-barres électriques pour le raccordement électrique des cellules d’accumulation électrique. La surface d’échange avec l’air des dissipateurs thermiques est maximisée de façon à favoriser le refroidissement des cellules d’accumulation électrique par convection thermique avec l’air environnant. Les dissipateurs thermiques sont directement connectés aux cellules d’accumulation électrique du bloc-batterie, ce qui permet d’obtenir une résistance thermique plus faible dans l’ensemble du bloc-batterie. Les dissipateurs thermiques peuvent être conçus pour des connexions en parallèle ou en série, ou en parallèle et série, des cellules d’accumulation électrique du bloc-batterie. Les bus-barres utilisés classiquement dans les blocs-batteries de l’état de la technique pour connecter électriquement les cellules d’accumulation électrique sont supprimés dans la présente invention.
Comme visible à la Fig.1, les surfaces de contact 2A, 2B, des cellules d’accumulation électrique 2 sont reliées directement par des points de soudure 4A, 4B, aux dissipateurs thermiques 3A, 3B, respectivement. Aucun matériau diélectrique n’est présent entre les cellules d’accumulation électrique 2 et les dissipateurs thermiques 3A, 3B.
Les points de soudure 4A, 4B, procurent une conduction thermique entre les cellules d’accumulation électrique 2 et les dissipateurs thermiques 3A, 3B. Grâce à ces points de soudure 4A, 4B, les transferts thermiques TA, TB, entre les cellules d’accumulation électrique 2 et les dissipateurs thermiques 3A, 3B, sont maximisés. Les calories absorbées par les dissipateurs thermiques 3A, 3B, sont transférées par convection thermique dans l’air environnant.
En référence aussi à la Fig.2, les dissipateurs thermiques 3A, 3B, peuvent comprennent des orifices 30A, 30B, respectivement, notamment pour faciliter leur soudure avec les surfaces de contact 2A, 2B, des cellules d’accumulation électrique 2.
Les orifices 30A, 30B, débouchent respectivement en regard des surfaces de contact 2A, 2B, et fournissent ainsi un accès à celles-ci pour la réalisation des points de soudure 4A, 4B. Dans cette forme de réalisation, les cellules d’accumulation électrique 2 sont disposées sur deux couches, de sorte que les orifices 30A, 30B, sont présents sur deux rangées R1, R2, dans chacun des dissipateurs thermiques 3A, 3B.
Des portions formant languettes de soudure 31A, 31B, disposées ici en croix, seront avantageusement prévues dans les dissipateurs thermiques 3A, 3B, pour la soudure de ceux-ci sur les surfaces de contact 2A, 2B, des cellules d’accumulation électrique 2. Ces languettes de soudure 31A, 31B, pourront être réalisées en continuité de matière dans les dissipateurs thermiques 3A, 3B, ou bien rapportées et soudées sur les dissipateurs thermiques 3A, 3B, et les surfaces de contact 2A, 2B, conjointement.
Les orifices 30A, 30B, ainsi que d’autres orifices et évidements éventuels non représentés, permettront aussi une réduction du poids des dissipateurs thermiques 3A, 3B. Ces orifices et les évidements éventuels peuvent aussi être un moyen d’accroitre la surface d’échange avec l’air pour favoriser la convection thermique.
Comme mieux visible à la Fig.2, les dissipateurs thermiques 3A, 3B, peuvent comprendre également une pluralité d’ailettes de refroidissement 32A, 32B, pour accroître la surface d’échange avec l’air.
Selon les formes de réalisation et les applications, différents types d’ailette pourront être incluses dans les dissipateurs thermiques. Ainsi, par exemple, les ailettes pourront être de type droite, rectangulaire, carré, ronde ou elliptique et disposées de manière alignée ou décalée. Par ailleurs, dans certaines applications, les dissipateurs thermiques pourront avoir une structure en nid d’abeille, notamment pour réduire leur poids, accroître leur surface d’échange avec l’air et conserver la rigidité voulue.
L’invention procure ainsi un bloc-batterie équipé d’un système de refroidissement passif ayant un poids minimisé et qui fonctionne dans toutes les conditions opérationnelles, sans aucune consommation d’énergie. La surface d’échange importante avec l’air des dissipateurs thermiques intégrés dans le bloc-batterie autorise une bonne dissipation thermique. Le bloc-batterie bénéficie d’un refroidissement dimensionné de manière appropriée. Le bloc-batterie peut ainsi fonctionner avec des courants élevés sans que sa température ne sorte d’une plage optimale dans laquelle sont garanties ses performances et sa durabilité.
L’invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d’exemple. L’homme du métier, selon les applications de l’invention, pourra apporter différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l’invention.

Claims (10)

  1. Bloc-batterie (1) équipé de moyens passifs de dissipation thermique et comprenant une pluralité de cellules d’accumulation électrique (2) ayant chacune des première et deuxième surfaces de contact (2A, 2B) avec des polarités électriques distinctes, caractérisé en ce que lesdits moyens passifs de dissipation thermique comprennent un premier dissipateur thermique métallique (3A) et un deuxième dissipateur thermique métallique (3B) reliés directement (31A, 4A, 31B, 4B) respectivement auxdites premières surfaces de contact (2A) et auxdites deuxièmes surfaces de contact (2B) desdites cellules d’accumulation électrique (2), et en ce que lesdits premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques (3A, 3B) remplissent aussi une fonction de bus-barres électriques pour le raccordement électrique desdites cellules d’accumulation électrique (2).
  2. Bloc-batterie selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques (3A, 3B) sont reliés par soudure (4A, 4B) auxdites premières et deuxièmes surfaces de contact (2A, 2B) desdites cellules d’accumulation électrique (2).
  3. Bloc-batterie selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques (3A, 3B) comprennent des languettes de soudure (31A, 31B) qui sont en contact direct avec lesdites premières et deuxièmes surfaces de contact (2A, 2B) et sur lesquelles sont réalisés des points de soudure (4A, 4B).
  4. Bloc-batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques (3A, 3B) comprennent chacun une pluralité d’orifices (30A, 30B) destinés à permettre un accès auxdites premières et deuxièmes surfaces de contact (2A, 2B), en débouchant en regard de celles-ci, et/ou destinés à réduire le poids desdits premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques (3A, 3B).
  5. Bloc-batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques (3A, 3B) comportent des ailettes de refroidissement (32A, 32B).
  6. Bloc-batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques (3A, 3B) ont une structure en nid d’abeille.
  7. Bloc-batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième dissipateurs thermiques métalliques (3A, 3B) ont une structure monobloc en cuivre ou en aluminium.
  8. Bloc-batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits premier et deuxième dissipateurs thermiques (3A, 3B) sont réalisés par moulage et/ou usinage.
  9. Bloc-batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en que lesdites cellules d’accumulation électrique (2) sont de type lithium-ion.
  10. Véhicule comprenant un bloc-batterie selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
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