FR3109025A1 - Batteries d’accumulateurs et plus particulièrement une batterie capable de résister à un environnement extérieur extrême. - Google Patents

Abstract

Batterie électrique (1) comprenant : un premier boîtier (3) étanche formant un logement (4), ledit logement étant rempli par un fluide caloporteur diélectrique, un ensemble (20) de cellules électrochimiques (21) disposé dans ledit logement et immergé dans ledit fluide, au moins un organe de rappel élastique en compression configuré pour absorber des efforts mécaniques, ledit organe étant disposé fonctionnellement entre ledit ensemble et ledit premier boîtier. Figure pour la publication : figure 1

Description

Batteries d’accumulateurs et plus particulièrement une batterie capable de résister à un environnement extérieur extrême.

Domaine de l’invention

La présente invention concerne le domaine des batteries d’accumulateurs et plus particulièrement une batterie capable de résister à un environnement extérieur extrême.

État de la technique

Une batterie électrique comprend classiquement une pluralité de cellules élémentaires de stockage d'énergie électrique rechargeables connectées en série et / ou en parallèle. Les cellules sont généralement disposées dans un boîtier laissant accès à une borne positive et à une borne négative de la batterie.

Les cellules élémentaires sont généralement des cellules électrochimiques ou des accumulateurs, générant de la chaleur lors des cycles de charge ou de décharge en raison des réactions chimiques à l’intérieur. Lorsque plusieurs cellules sont à proximité immédiates, la chaleur générée est bien plus importante que la chaleur générée par une seule cellule du fait de la transmission par conduction, par convection et par rayonnement de la pluralité de cellules.

Au-dessus d’une température donnée, des réactions chimiques exothermiques commencent à l’intérieur d’une cellule. La cellule n’est alors plus capable d’évacuer suffisamment rapidement la chaleur qu’elle génère, ce qui provoque une augmentation de sa température interne et se traduit par une augmentation supplémentaire de la quantité de chaleur générée au sein de la cellule. On dit que la cellule déclenche un emballement thermique, qui peut très rapidement provoquer sa destruction et endommager gravement la batterie.

Plusieurs solutions ont été proposées pour dissiper la chaleur générée par les cellules et maintenir une température stable, par exemple en espaçant les cellules les unes des autres à l’intérieur du boîtier pour que de l’air circule. Des perfectionnements comprennent l’installation d’éléments pour la circulation forcée de l’air ou encore la circulation de fluides caloporteurs au sein de tuyaux serpentant autour des cellules. Ces solutions n’empêchent cependant pas un départ de flamme depuis une cellule victime d’un emballement thermique.

C’est ainsi que l’on connaît des batteries dont le boîtier est rempli d’un liquide diélectrique immergeant les cellules, empêchant tout risque de départ de flamme et de corrosion.

Cependant, la température générée naturellement par les cellules n’est pas l’unique cause d’un emballement thermique. Une surchauffe peut être due à divers défauts, principalement des défaillances électriques, telles qu’une surcharge et un court-circuit interne. On connaît pour éviter la surcharge, l’utilisation d’une protection électronique appelée BMS pour l’anglaisBattery Management System. En revanche, le court-circuit est une défaillance plus difficile à protéger de par son imprévisibilité. Mais la principale cause de court-circuit et de nombreux autres défauts électriques résulte d’abus mécaniques tels que des chocs et des déformations.

Les systèmes de l’art antérieur ne sont pas totalement satisfaisants.

Les solutions connues ne permettent de résoudre qu’en partie les défauts menant à un emballement thermique d’une cellule.

Les solutions ne prennent également pas en compte l’environnement externe pouvant influencer la température interne du boîtier. Réciproquement, la température interne du boîtier peut également influencer l’environnement externe, ce dernier pouvant être thermiquement sensible.

Selon un premier aspect de l’invention, il est proposé une batterie électrique comprenant :

• un premier boîtier étanche formant un logement, ledit logement étant rempli par un fluide caloporteur diélectrique,
• un ensemble de cellules électrochimiques disposé dans ledit logement et immergé dans ledit fluide,
• au moins un organe de rappel élastique en compression configuré pour absorber des efforts mécaniques, ledit organe étant disposé fonctionnellement entre ledit ensemble et ledit premier boîtier

Le premier boîtier peut être formé d’aluminium et peut présenter une température de fusion de 600 °C

Le fluide caloporteur diélectrique peut-être une huile minérale diélectrique ou un ester diélectrique. En variante, d’autres fluides diélectriques peuvent être utilisés comme une huile végétale, une huile de silicone.

Les cellules électrochimiques peuvent être au Lithium-Ion.

Avantageusement, la batterie peut comprendre un deuxième boîtier étanche formant un logement agencé pour recevoir le premier boîtier. Le deuxième boîtier peut être formé d’acier inoxydable.

Le premier boîtier peut présenter une température de fusion inférieure, de préférence inférieure à la moitié, de la température de fusion du second boîtier.

Selon une variante, des organes de rappel élastiques en compression pourraient être disposés entre les parois externes premier boîtier et les parois internes du deuxième boîtier.

Avantageusement, la batterie peut comprendre un isolant thermique disposé entre le premier boîtier et le deuxième boîtier agencé pour isoler thermiquement les deux boîtiers.

L’isolant thermique peut être formé d’un matériau textile.

L’isolant thermique peut être un feutre en fibre de zircone.

Avantageusement, la batterie peut comprendre une unité électronique de contrôle de la batterie pouvant être disposée au sein du premier boîtier.

Description des figures

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :

[Fig. 1] La figure 1 est une représentation en perspective d’un éclaté d’une batterie conforme à l’invention.

[Fig. 2] La figure 2 est une représentation d’un ensemble de cellules de la batterie illustrée sur la figure 1.

[Fig. 3] La figure 3 est une représentation schématique d’une coupe de la batterie illustrée sur la figure 1.

Les modes de réalisation décrits ci-après n’étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer 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 antérieure. 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 antérieure. 

Dans la suite de la description, des éléments présentant une structure identique ou des fonctions analogues seront désignés par de mêmes références.

Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. En particulier, les schémas des bornes positives et négatives d’une batterie ainsi que des connexions reliant des cellules à ces bornes n’ont pas été représentés. La polarité des cellules n’a pas non plus été représentée en raison des multiples configurations possibles.

En référence aux figures 1 à 3, une batterie 1 comprenant un ensemble 20 de cellules électrochimiques 21 dans lequel chaque cellule présente une conformation cylindrique de section circulaire de diamètre 18 mm et de hauteur 65 mm, formant un corps 22 allongé pourvu de deux électrodes 23, une électrode positive et une électrode négative, situées de part et d’autre du corps 22, sur les surfaces d’extrémité du cylindre.

Les électrodes 23 sont de forme circulaire, disposées au centre des surfaces d’extrémité du cylindre dont le diamètre pour l’électrode positive est compris entre 6 et 7 mm, et le diamètre de l’électrode négative est compris entre 12 et 13 mm.

Il existe bien entendu plusieurs dimensions pour cette même conformation de cellules 21, par exemple, le diamètre de la cellule peut être de 21 mm et la hauteur peut être de 70 mm, auquel cas le diamètre de l’électrode positive peut être compris entre 9 et 10 mm, et le diamètre de l’électrode négative peut être compris entre 15 et 16 mm.

D’autres conformations de cellules 21 sont envisageables, par exemple une conformation parallélépipédique ou tout autre conformation existant pour une cellule électrochimique.

Les cellules 21 sont disposées entre deux supports 24, selon une disposition pouvant être en quinconce ou en rangées telle que représentée sur les figures 1 et 2, les axes longitudinaux des cellules étant parallèles entre eux. Les cellules sont espacées entre elles d’une distance prédéterminée pour laisser circuler un fluide entre les corps 22 de cellules. Une réduction de la distance permet une meilleure compacité tandis qu’une augmentation de la distance permet une meilleure dissipation thermique.

Les supports 24 présentent de préférence une conformation sensiblement parallélépipédique et sont réalisés de préférence à partir de polymères de la famille des polyacétals, par exemple le polyoxyméthylène.

Des trous 25 partiellement borgnes sont percés dans les supports pour accueillir les extrémités du corps 22 des cellules 21 en laissant apparaître les électrodes 23 tout en formant butée axiale. Le maintien des cellules entre les supports est assuré par des colonnettes 26, de préférence en aluminium, présentant une conformation cylindrique de section circulaire dans laquelle est percé un taraudage à chacune de ses extrémités selon l’axe longitudinal du cylindre, prévues pour recevoir des vis (non référencées) par un trou traversant 27 du support 24.

Des plaques conductrices de courant 28 (figure 3) sont positionnées sur les supports 24, de sorte que les plaques et les électrodes 23 sont en contact mécanique et électrique grâce à un procédé de soudage, de préférence réalisé par un laser à fibre, entre les électrodes et les plaques conductrices.

À cet effet, les supports 24 et les plaques 28 conductrices disposent de formes complémentaires permettant un assemblage précis.

Les plaques conductrices sont constituées d’un matériau conducteur d’électricité, par exemple du nickel ou un alliage de nickel et sont chacune reliées à des bornes (non représentées) situées à l’extérieur de la batterie 1 permettant une connexion avec un appareil ou la recharge de la batterie.

La batterie 1 comporte en outre une unité électronique de contrôle 2, également appelée BMS, agencé d’une part pour observer, en surveillant des données telles que la tension des cellules 22, la température, l’état de charge et, d’autre part pour protéger, en agissant sur le fonctionnement, par exemple en empêchant le fonctionnement de la batterie en dehors d’une plage de fonctionnement prédéterminée. L’unité électronique de contrôle permet en outre l’équilibrage des charges et des décharges des cellules en évitant toute surchauffe, liée à une surcharge par exemple.

La batterie 1 pouvant être exposée à des températures extérieures élevées, supérieures à 300 °C, comprend un premier boîtier 3 réalisé en un matériau ayant une conductivité thermique supérieure à 100 W/m. K à 20 °C pour transférer la chaleur dégagée par l’ensemble 20 de cellules vers l’extérieur du premier boîtier. Le matériau est de préférence un métal, de préférence de l’aluminium ou un alliage d’aluminium et encore plus préférentiellement de l’aluminium 7075, également connu sous le nom de zicral et ayant une température de fusion de 600 °C.

On comprend que l’ensemble 20 de cellules est reçu dans un logement 4 formé par le boîtier 3 et rempli d’un fluide 10 caloporteur diélectrique immergeant l’ensemble de cellules électrochimiques.

L’utilisation d’un fluide diélectrique permet l’immersion totale de l’ensemble 20 de cellules 21, à savoir les électrodes 23, les plaques conductrices 28 et l’unité de contrôle électronique 2 sans créer de court-circuit. Par fluide diélectrique, la présente description vise tout fluide dont la rigidité électrique est supérieure à 20 kV/cm, de préférence une huile minérale résistante à de hautes températures.

Le fluide 10 circule autour du corps 22 et des électrodes 23 générant de la chaleur lors de l’utilisation de la batterie 1, de manière à homogénéiser la chaleur à l’intérieur du logement 4. En cas d’emballement thermique d’une cellule 21, le fluide 10 est capable d’absorber une émanation de gaz et d’empêcher un départ de flamme, en ce qu’il remplit le logement 4 et ne laisse pas ou très peu de place à de l’air, contenant de l’oxygène.

En cyclage, c’est-à-dire lors de phases de charge ou de décharge, des variations d’état de charge entraînent des variations non négligeables du volume des électrodes 23 et des matériaux actifs, autrement dit le volume de la cellule 21. De ce fait, l’ensemble 20 de cellules est reçu dans le logement 4 de sorte qu’il existe un jeu entre l’ensemble 20 et les parois du logement 4, déterminé pour compenser la variation de volume des cellules. Le volume du fluide 10 ainsi que son coefficient de dilatation thermique sont également déterminés pour ne pas causer de surpression à l’intérieur du logement 4 lorsque le volume des cellules 21 varie.

Des organes de rappel élastique en compression 5, plus particulièrement connus sous le nom de « silentbloc » (marque déposée) de raideur prédéterminée, sont d’une part, disposés en appui entre les parois intérieures du boîtier 3 et l’ensemble 20. Ainsi les organes de rappel élastique en compression 5 permettent de combler le jeu pour éviter que l’ensemble ne se déplace au sein du logement 4 et,

D’une part, les organes de rappel élastique en compression 5 sont agencés pour absorber des vibrations et des chocs, susceptibles de se propager depuis l’extérieur du boîtier 3. D’autre part les organes 5 sont agencés pour absorber les variations de volumes des cellules 21 telles que décrites ci-dessus.

De tels silentblocs 5 sont réalisés en une matière présentant une certaine flexibilité, tout en ayant une rigidité suffisante pour maintenir l’ensemble de cellules dans une certaine position, par exemple une matière plastique, un matériau élastomère tel que le caoutchouc ou tout autre matériau correspondant à des critères d’élasticité ou d’amortissement des impulsions qu’il reçoit.

Il existe bien entendu plusieurs conformations de silentblocs 20, bien que les silentblocs représentés sur figure 1 présentent une conformation cylindrique de section circulaire et dont la hauteur est déterminée pour combler le jeu existant entre l’ensemble 20 de cellules et les parois du logement 4 du boîtier 3.

Il en résulte que les composants reçus dans le logement 4 tels que l’ensemble 20 de cellules, l’unité de contrôle électronique 2, le fluide 10 et les silentblocs 5 sont prévus pour résister à des températures importantes ainsi que des variations de volumes.

La batterie 1 comporte en outre un deuxième boîtier 6 formant un logement 7 dans lequel est reçu le premier boîtier 3.

À cet effet, le deuxième boîtier 6 présente une conformation similaire au premier boîtier 3. Le logement 7 présente des dimensions déterminées pour accueillir le premier boîtier 3 en formant un jeu entre les parois externes du premier boîtier et les parois internes du deuxième boîtier 6. Le deuxième boîtier 6 est réalisé en un matériau ayant de préférence une conductivité thermique inférieure ou égale à la conductivité thermique du premier boîtier 3, de préférence en un matériau métallique tel qu’un acier ou un alliage d’acier, et encore plus préférentiellement de l’acier inoxydable 310L, ayant une température de fusion de 1400 °C.

Le deuxième boîtier 6 est totalement étanche de telle sorte à emprisonner de l’air à l’intérieur d’une chambre thermique formée par le jeu présent entre le logement 7 du deuxième boîtier 6 et les parois externes du premier boîtier 3 pour constituer une isolation thermique entre le contenant du premier boîtier et l’extérieur du deuxième boîtier. Par extérieur du deuxième boîtier 6, la présente description vise à décrire un environnement dont les températures peuvent atteindre plusieurs centaines de degrés Celsius.

Une protection thermique, plus précisément un feutre 8 à base de textile céramique, est disposée dans la chambre thermique de telle sorte que le feutre, de par sa structure relativement poreuse, contienne l’air emprisonné dans de petites poches permettant d’abaisser davantage le coefficient de transfert thermique entre le boîtier 3 et le boîtier 6. Un tel feutre 8 est réalisé à partir de matériaux ayant une certaine conductivité thermique et capable de résister à des températures élevées telles que précitées. De préférence, le feutre 8 est réalisé à partir de fibre de zircone, actuellement connue pour avoir la conductivité thermique la plus faible de tous les produits fibreux réfractaires présents sur le marché et conservant sa nature fibreuse jusqu’à 2480 °C.

Ainsi, la batterie 1 est formée d’une succession de couches de protection agencées pour que l’ensemble 20 de cellules électrochimiques soit protégé de toutes causes d’un éventuel emballement thermique telles que des températures élevées, des chocs ou des fortes vibrations.

Bien sûr, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. En particulier, toutes les variantes et modes de réalisation décrits précédemment sont combinables entre eux.

Claims (11)

1. Batterie électrique (1) comprenant :

   • un premier boîtier (3) étanche formant un logement (4), ledit logement étant rempli par un fluide caloporteur diélectrique (10),
   • un ensemble (20) de cellules électrochimiques (21) disposé dans ledit logement et immergé dans ledit fluide,
   • au moins un organe de rappel élastique en compression (10) configuré pour absorber des efforts mécaniques, ledit organe étant disposé fonctionnellement entre ledit ensemble et ledit premier boîtier.
2. Batterie selon la revendication 1, comprenant en outre un deuxième boîtier (6) étanche formant un logement (7) agencé pour recevoir le premier boîtier (3).
3. Batterie selon la revendication précédente, comportant en outre un isolant thermique (8) disposé entre le premier boîtier (3) et le deuxième boîtier (6) agencé pour isoler thermiquement les deux boîtiers.
4. Batterie selon la revendication précédente, dans laquelle l’isolant thermique (8) est formé d’un matériau textile.
5. Batterie selon la revendication précédente, dans laquelle l’isolant thermique (8) est un feutre en fibre de zircone.
6. Batterie selon l’une quelconques des revendications précédentes, comportant en outre une unité électronique de contrôle (2) de la batterie.
7. Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le fluide caloporteur diélectrique (10) est une huile diélectrique ou un ester diélectrique.
8. Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la premier boîtier (3) est formé d’aluminium.
9. Batterie selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, dans laquelle le deuxième boîtier (6) est formé d’acier inoxydable.
10. Batterie selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le premier boîtier présente une température de fusion de 600 °C.
11. Batterie selon l’une quelconque des revendications 2 à 10, dans laquelle le premier boîtier (3) présente une température de fusion inférieure à la température du second boîtier.