FR3105881A1 - Système de gestion thermique hybride d’une batterie - Google Patents
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Abstract
L’invention est un système de gestion thermique d’une batterie comprenant au moins une cellule de forme parallélépipédique, ce système étant caractérisé en ce qu’il comprend une plaque disposée sur une face de la cellule, cette plaque comprenant au moins deux canalisations, chacune étant sous la forme d’un serpentin à plat doté d’une entrée à l’extrémité supérieure et d’une sortie à l’extrémité inférieure, la forme du serpentin étant telle qu’un liquide est apte à couler depuis l’entrée jusqu’à la sortie dans le sens de la gravité. Figure pour l’abrégé : Fig. 2
Description
La présente invention se rapporte à un système de gestion thermique des batteries notamment pour les véhicules électriques et les véhicules hybrides. Mais l’invention s’applique à tout type de cellule de batterie présentant une face plate telle que par exemple des cellules de type «pouch» ou prismatique.
L’invention s’inscrit dans le contexte d’économie d’énergie pour les batteries. Elle a pour objectif d’augmenter la durée de vie des batteries. En effet, une gestion thermique idéale permet de palier les conditions climatiques extrêmes ainsi que les cycles électrochimiques rapides. Cela inhibe la dégradation interne des cellules et par conséquent, l’emballement thermique. Il en résulte, l’augmentation de vie de la batterie par sureté et sécurité de la batterie contre les surchauffes.
On connaît le document US2011052959, “Battery Module and Method for Cooling the Battery Module,” décrivant un système de refroidissement par canaux de liquide, disposés sur l’épaisseur de chaque cellule.
Le document JP2005518642 “Temperature Control Apparatus and Method for High Energy Electrochemical Cells,” décrit un canal de refroidissement pour chaque cellule. Ce canal présente une forme en «U» avec une entrée surélevée par rapport à la sortie. Ce canal est disposé sur l’épaisseur de la cellule, les parties latérales ainsi que celle inférieure.
Le document US6512347, “Battery having an integral cooling system” décrit un système de refroidissement comprenant un tube relié à des plaques de refroidissement disposées entre les cellules d’une batterie. Le tube est relié sur l’épaisseur supérieure de chaque plaque.
Le document de M. F. Serincan and M. T. Malazi, “Thermofluids Analysis of the Coolant Flow during Lithium-Ion Battery Operation,” ECS Trans., vol. 66, no. 9, pp. 203–213, août 2015, décrit un canal en forme de serpentin parcourant l’ensemble de la surface à refroidir.
Le document US2018254533, “Battery Cell Including Phase Change Material,” décrit un dispositif contenant un matériau à changement de phase. Ce dispositif est disposé sur les épaisseurs latérales de chaque cellule.
Le document de S. A. Channa, “Synthesis of Ti-based nanoparticles in continuous flow microreactors,” thèse, Nantes, 2017, décrit un écoulement en forme d’un serpentin.
Le document CN102414906 ou US 12/433,534, “Battery system, battery module and method for cooling battery module,” décrit un système de refroidissement vertical disposé sur l’épaisseur de chaque cellule.
Le document JP2004014520 ou US6953638, “Fluid Cooling Type Battery Pack System,” décrit des entretoises sous la forme d'une plaque ondulée en métal ou en résine, chacune étant interposée entre des cellules d’une batterie. Les espaces formés entre l'entretoise et les cellules agissent comme des canaux afin qu’un liquide de refroidissement s’écoule.
La présente invention a pour objet une gestion thermique complète des cellules de batterie, c’est-à-dire une limitation de la température aussi bien en montée qu’en descente, et une homogénéisation thermique.
La présente invention a encore pour objet le maintien de la température d’une batterie dans une plage de températures optimale ainsi que la minimisation du gradient thermique des cellules.
On atteint au moins l’un des objectifs précités avec un système de gestion thermique d’une batterie comprenant au moins une cellule de forme parallélépipédique. Selon l’invention, ce système comprend une plaque disposée sur une face de la cellule, cette plaque comprenant au moins deux canalisations, chacune étant sous la forme d’un serpentin à plat doté d’une entrée à l’extrémité supérieure et d’une sortie à l’extrémité inférieure, la forme du serpentin étant telle qu’un liquide est apte à couler depuis l’entrée jusqu’à la sortie dans le sens de la gravité.
La plaque est généralement nommée plaque froide.
Le terme «serpentin» illustre une succession de tubes quasi horizontaux, reliés entre eux par des coudes à 180° représentant une succession de «S». Idéalement, les tubes sont légèrement inclinés pour garder l’assistance de la gravité pour l’écoulement. De plus, les coudes circulaires, réduisent la turbulence et les pressions inverses.
Avec le système selon la présente invention, le liquide est de préférence un réfrigérant coulant dans chacune des canalisations de la plaque froide, elle-même en contact directe avec une seule des deux faces de la cellule. Au lieu de prévoir un seul écoulement sur toute la surface de la face de la cellule, l’invention prévoit au moins deux canalisations de sorte que le liquide parcourt plus rapidement la surface de la cellule, et donc évacue plus rapidement la chaleur. Cela réduit la température de la cellule par l’écoulement du liquide de refroidissement. On augmente ainsi la durée de vie, la sûreté et l’efficacité de la batterie. On notera aussi que le fait d’avoir plusieurs canalisations est plus sécuritaire que d’en avoir qu’une, notamment en cas d’encrassement de l’une d’elle.
Le système selon l’invention permet de maintenir et d’homogénéiser la température de la cellule grâce à cette géométrie de double canalisation en serpentin. On se rend compte que le gradient de températures entre la partie supérieure et la partie inférieure est faible par rapport aux systèmes existants. Le fait de prévoir un écoulement depuis la partie supérieure permet de cibler les points chauds en priorité, ces points chauds étant les zones proches des électrodes d’anode et de cathode de la batterie. La fin de l’écoulement s’achève sur les points moins sujets à la génération de chaleur.
La présente invention permet de répondre à la problématique de gestion thermique des batteries. Le système selon l’invention permet de garder la température des cellules d’une batterie dans une plage thermique optimale et de minimiser le gradient thermique de chaque cellule pour que la température soit la plus homogène possible. En maintenant les cellules dans une plage thermique prédéfinie et étroite, on augmente la durée de vie de la batterie ainsi que sa sureté et son efficacité. En effet, on évite le risque d’échauffement, d’emballement thermique, et donc d’explosion. On évite également le risque de baisse à des températures très basses, ces températures basses étant problématiques lors des démarrages à froid.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les deux canalisations peuvent comporter une entrée unique. Cela signifie que les deux canalisations sont en contact au moins à l’entrée.
Selon un mode de réalisation de l’invention, les deux canalisations peuvent comporter une sortie unique. On prévoit donc les possibilités d’avoir:
- une seule entrée et une seule sortie,
- une seule entrée et deux sorties,
- deux entrées et une sortie, et
-deux entrées et deux sorties, c’est-à-dire deux canalisations indépendantes.
Selon une caractéristique avantageuse de l’invention, les deux canalisations peuvent être identiques ou non, symétriques ou non. Avec une forme identique et disposée en symétrie, les canalisations sont capables d’évacuer la même quantité de chaleur.
De préférence, chaque entrée ou sortie est disposée sur la partie centrale de ladite face. De cette façon, on peut aisément envisager une entrée et/ou une sortie commune.
Selon un mode de réalisation de l’invention, chaque serpentin peut comporter une succession de tronçons transverses et des coudes à 180°, chaque serpentin s’étendant sur une moitié de la face.
Une telle disposition permet d’occuper un maximum de surface. On augmente ainsi la surface d’échange afin d’absorber plus de chaleur et assurer un refroidissement de manière homogène.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la plaque peut être un bloc en matériau conducteur thermique dans lequel sont réalisées les canalisations. Dans ce mode de réalisation, la plaque est une masse pleine dans laquelle les canalisations ont été usinées à l’intérieur de la masse.
Selon une caractéristique avantageuse de l’invention, la plaque peut être un matériau à changement de phase composite (CPCM pour composite phase change material).
De préférence, le matériau à changement de phase composite peut comprendre une enveloppe en aluminium ou en graphite.
Le matériau à changement de phase composite peut être à base de graphite expansé avec un pourcentage de graphite compris entre 5% et 20%, idéalement égale à 10%. Il a été constaté par les inventeurs qu’un tel pourcentage était l’optimum entre la forte capacité de stockage et la bonne diffusion de chaleur dans le mélange.
Le matériau à changement de phase composite comprend un alcane avec une température de fusion comprise entre 10 et 40 °C. En d’autres termes, on injecte de l’alcane comme matériau à changement de phase dans le graphite expansé qui est en forme de mousse métallique. Idéalement, le matériau à changement de phase est encapsulé dans une matrice de graphite expansé comportant plusieurs micro-compartiments. Cela permet de contenir la phase liquide du matériau à changement de phase, d’augmenter la diffusion de chaleur et d’augmenter les propriétés mécaniques du matériau.
L’emplacement des canalisations est creusé dans matériau à changement de phase composite. Les canalisations peuvent se présente sous la forme de conduites de réfrigérant évitant tout contact entre le réfrigérant et le matériau à changement de phase composite.
Un matériau à changement de phase est un matériau capable de changer d'état physique dans une plage de température restreinte. On tire profit ici du matériau conducteur pour palier la faible conductivité thermique du matériau à changement de phase.
Le système selon l’invention permet de maintenir et homogénéiser la température de la cellule grâce à la chaleur latente du matériau à changement de phase ainsi que le réfrigérant. Le changement de phase sert ainsi à limiter la montée en température pendant les phases de génération de chaleur grâce à une forte absorption de chaleur sur une plage de températures très restreinte comme mentionné plus haut. Mais il permet également de ralentir la descente en température de la cellule pour diminuer les risques de démarrage à froid. On utilise sa capacité de stockage thermique et ainsi de déphasage d’énergie. On utilise la chaleur générée à un instant pour la redistribuer en cas de besoin.
Avantageusement, on choisit le matériau à changement de phase en fonction de l’utilisation de la batterie.
Selon l’invention, l’alcane peut être de l’octadecane avec une température de fusion de 28°C, du nonadecane avec une température de fusion de 32°C, ou de l’eicosane avec une température de fusion de 36°C.
Les températures sont à considérer avec une marge de 10%.
Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, la plaque entoure la cellule.
Ainsi, on peut disposer la plaque contenant le matériau à changement de phase sur les quatre faces latérales de la cellule. Ceci permet d’obtenir une homogénéité accrue. De plus, l’augmentation de la quantité de matériau va certes augmenter le poids de l’ensemble cellule avec plaque, mais l’encombrement change peu et il n’est plus nécessaire de prévoir un système externe de refroidissement de la cellule. Globalement la masse totale est plutôt réduite.
Selon l’invention, le système peut comprendre un caisson constitué d’un matériau à changement de phase composite, ce caisson entourant la plaque et la cellule. Quelle que soit la composition de la plaque, cet autre caisson peut entourer l’ensemble et améliorer encore les performances. La composition de ce matériau à changement de phase composite peut être comme décrit ci-dessus.
L’écoulement par gravité selon l’invention signifie que le liquide peut couler à travers toute la canalisation sans force extérieure. Selon la vitesse souhaitée dans les serpentins, une assistance de la pompe est nécessaire, un écoulement gravitaire ne permet pas d’atteindre toutes les vitesses souhaitées
Avantageusement, le système selon l’invention peut en outre comprendre une pompe extérieure à la cellule et apte à faire circuler le liquide dans un circuit depuis chaque sortie de canalisation jusqu’à chaque entrée de canalisation.
Cette pompe est dimensionnée en terme de puissance pour simplement faire remonter le liquide jusqu’à la partie supérieure de la cellule. La pompe peut donc être de faible puissance, le liquide descendant à travers les canalisations par gravité.
Avantageusement, le liquide est un réfrigérant, idéalement de l’eau glycolée.
L’écoulement gravitaire d’eau glycolée selon l’invention permet d’absorber efficacement la chaleur.
Selon une caractéristique avantageuse de l’invention, la projection orthogonale, notamment en géométrique dans l’espace, d’une canalisation sur la face de la cellule peut occuper 25% de la surface totale de cette face.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée d’un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels:
Les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs; on pourra notamment mettre en œuvre des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieur.
En particulier, toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont prévus pour être combinés entre eux dans toutes les combinaisons où rien ne s’y oppose sur le plan technique.
La figure 1 illustre un circuit 1 dans un véhicule automobile comprenant un moteur électrique 2 alimenté par une batterie 3. Un circuit de liquide alimente le moteur électrique et la batterie au moyen d’un liquide à basse température. Lorsque ce liquide refroidie le moteur électrique et la batterie, il récupère de la chaleur et devient un liquide à haute température. Ensuite, il traverse un radiateur 4 pour son propre refroidissement. Une pompe 5 permet la circulation du liquide dans le circuit. Avec le système selon l’invention, la pompe 5 est dimensionnée en tenant compte du fait que la traversée de la batterie par le liquide ne nécessite pas de puissance supplémentaire puisqu’on utilise un écoulement gravitaire. Selon la vitesse souhaitée lors de la traversée de la batterie, une assistance de la pompe peut être nécessaire, un écoulement gravitaire ne permettant pas d’atteindre toutes les vitesses souhaitées.
La batterie 3 comporte plusieurs cellules équipées de plaques conformément à la présente invention.
Une cellule de batterie associée à une plaque selon l’invention est illustrée sur la figure 2. La figure 3 illustre la plaque seule avec des deux canalisations.
Sur les figures 2 ou 3, on distingue une cellule 6 comportant une anode 7 et une cathode 8. Cette cellule 6 présente une forme de plaque, c’est-à-dire un parallélépipède rectangle comprenant deux grandes faces latérales et une épaisseur d’environ 9.5mm. Les faces latérales sont prévues pour être disposées à la verticale lorsque la batterie est en utilisation. Sur une vue de face, la cellule peut être verticalement scindée en deux parties. Par exemple une partie gauche comportant au sommet l’anode 7 et une partie droite comportant au sommet la cathode 8.
Selon l’invention, une plaque de refroidissement 9, présentant les mêmes dimensions que la cellule 6, est plaquée contre une face de la cellule. La plaque 9 est un bloc en aluminium dans lequel sont creusées deux canalisations 10 et 11. La canalisation 10 est placée du côté de l’anode 7. La canalisation 11 est placée du côté de la cathode 8.
La figure 4 est une vue de face des canalisations 10 et 11. Dans l’exemple décrit, les deux canalisations comportent une même entrée 12 (visible sur la figure 2) débouchant au centre du côté supérieure de la cellule. Depuis l’entrée 12, chaque canalisation effectue un virage à 180° dans des sens opposés sur des tronçons horizontaux 12, 13. Ces tronçons 12 et 13 sont disposés sur la partie supérieure de façon à couvrir une zone de forte chaleur. Ensuite les canalisations effectuent une succession de demi-cercles 14, 15 et de tronçons jusqu’à l’extrémité inférieure. Cette disposition en double serpentins permet de couvrir une grande partie de la surface de façon à récupérer un maximum de chaleur.
Dans l’exemple décrit, chaque canalisation comporte une sortie distincte 16, 17. En fonctionnement, de l’eau glycolée pénètre par l’entrée 12, circule dans chaque canalisation par gravité jusqu’à sortir par les sorties 16 et 17.
Pour une cellule plate, généralement désignée par cellule de type «pouch», présentant 112.50mm de longueur, 115.50mm de largeur et 9.5mm d’épaisseur, il a été montré qu’une plaque de dimension sensiblement identique permet de réduire la température et d’assurer une certaine homogénéité sur toute la surface de la batterie. La cellule est maintenue à une température inférieure à 30 °C alors que sans refroidissement la température atteint 74 °C. L’homogénéité est assurée avec un gradient thermique bien inférieur à 3°C.
Sur la figure 5 on distingue la plaque selon l’invention qui a pour fonction notamment d’homogénéiser la température sur toute la surface de la cellule. L’objectif est notamment de réduire le gradient de températures entre la partie supérieure de la cellule généralement à des températures élevées et la partie inférieure.
Sur la figure 6, l’ensemble composé de la cellule 6 et de la plaque 9 en aluminium est entouré d’un caisson 18 d’environ 2.5 mm et comprenant un matériau à changement de phase selon l’invention. Ce caisson peut être en aluminium ou en un matériau composite à base de graphite expansé avec 10% de graphite massique. Le matériau à changement de phase est par exemple l’octadecane.
Le système de la figure 6 permet d’atteindre les valeurs suivantes:
Température maximum de la cellule [°C]: 27,4
Gradient de température dans la cellule [°C]: 0,47
Fraction moyenne de liquide dans le CPCM: 0,51
Volume [mm3]: 291 459
Masse [g]: 600
Le caisson 18 forme une ceinture latérale autour de la cellule et la plaque. Une telle disposition permet au matériau à changement de phase d’absorber les variations de températures et de maintenir ces températures dans une plage correspondant à un fonctionnement optimum de la batterie.
Sur la figure 7, la plaque en aluminium est remplacée par une plaque composée d’un caisson en graphite expansé dans lequel est introduit un matériau à changement de phase. Les deux canalisations 10 et 11 sont réalisées en aluminium. Idéalement, le caisson comprend également des bandes latérales et opposées permettant d’encadrer complètement la cellule 6. Avec une telle réalisation, le matériau à changement de phase entoure complètement la cellule de façon à contenir les variations de températures et les canalisations jouent parfaitement leur rôle de récupérateur de chaleur.
Sur la figure 8 est illustrée une batterie composée de deux cellules 20 et 21 entre lesquelles est disposée une plaque 22 selon l’invention. Cette plaque 22 est en aluminium et comprend deux canalisations selon l’invention disposées près ou affleurant les deux surfaces latérales pour venir près ou en contact avec un côté latéral de chaque cellule 20 et 21. L’ensemble est latéralement entouré d’un caisson 23 rempli d’un matériau à changement de phase.
La figure 9 montre un autre exemple de batterie constituée de deux cellules 24 et 25 entre lesquelles est disposée une plaque 26 selon l’invention. Cette plaque 26 est un caisson en graphite expansé contenant un matériau à changement de phase et deux canalisations disposées près ou affleurant les deux surfaces latérales pour venir en contact avec les faces latérales des cellules 24 et 25. La plaque 26, toujours constituée du caisson en graphite expansé et du matériau à changement de phase, est conçue jusqu’à entourer l’ensemble des deux cellules.
La présente invention s’applique avantageusement à tout système de refroidissement de batteries, en particulier pour véhicule avec une motorisation hybride ou une motorisation électrique.
L’invention se démarque également par son couplage entre deux technologies de refroidissement: l’écoulement et le matériau à changement de phase. L’utilisation du matériau à changement de phase en mode passif permet de gérer notamment le problème de démarrage à froid.
L’écoulement gravitaire de l’eau glycolée dans la plaque froide permet un gain d’énergie sur la consommation d’une pompe ou d’un circulateur du circuit de refroidissement global du véhicule. La géométrie proposée se distingue de l’état de l’art et permet un refroidissement plus homogène.
Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention.
Claims (18)
- Système de gestion thermique d’une batterie comprenant au moins une cellule de forme parallélépipédique, ce système étant caractérisé en ce qu’il comprend une plaque disposée sur une face de la cellule, cette plaque comprenant au moins deux canalisations, chacune étant sous la forme d’un serpentin à plat doté d’une entrée à l’extrémité supérieure et d’une sortie à l’extrémité inférieure, la forme du serpentin étant telle qu’un liquide est apte à couler depuis l’entrée jusqu’à la sortie dans le sens de la gravité.
- Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux canalisations comportent une entrée unique.
- Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux canalisations comportent une sortie unique.
- Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux canalisations sont identiques ou non, symétriques ou non.
- Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque entrée ou sortie est disposée sur la partie centrale de ladite face.
- Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque serpentin comporte une succession de tronçons transverses et des coudes à 180°, chaque serpentin s’étendant sur une moitié de la face.
- Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque est un bloc en matériau conducteur thermique dans lequel sont réalisées les canalisations.
- Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la plaque est un matériau à changement de phase composite.
- Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase composite comprend une enveloppe en aluminium ou en graphite.
- Système selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase composite est à base de graphite expansé.
- Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase composite comprend un pourcentage de graphite compris entre 5% et 20%, idéalement égale à 10%.
- Système selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que le matériau à changement de phase composite comprend un alcane avec une température de fusion comprise entre 10 et 40 °C.
- Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que l’alcane est de l’octadecane avec une température de fusion de 28°C, ou du nonadecane avec une température de fusion de 32°C, ou de l’eicosane avec une température de fusion de 36°C.
- Système selon l’une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce que la plaque entoure la cellule.
- Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un caisson constitué d’un matériau à changement de phase composite, ce caisson entourant la plaque et la cellule.
- Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend en outre une pompe extérieure à la cellule et apte à faire circuler le liquide dans un circuit depuis chaque sortie de canalisation jusqu’à chaque entrée de canalisation.
- Système selon la revendication 15, caractérisé en ce que le liquide comprend un réfrigérant, idéalement de l’eau glycolée.
- Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la projection orthogonale d’une canalisation sur la face de la cellule occupe 25% de la surface totale de cette face.
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