FR3110287A1 - Etui pour cellule électrochimique pour batterie, agencement de cellules électrochimiques pour batterie comprenant un tel étui et procédé de fabrication d’un tel agencement de cellules. - Google Patents

Etui pour cellule électrochimique pour batterie, agencement de cellules électrochimiques pour batterie comprenant un tel étui et procédé de fabrication d’un tel agencement de cellules. Download PDF

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Abstract

Etui pour cellule électrochimique pour batterie, agencement de cellules électrochimiques pour batterie comprenant un tel étui et procédé de fabrication d’un tel agencement de cellules. Etui (10) pour accueillir au moins un élément actif de cellule électrochimique (2), l’étui formant au moins un conduit (25) destiné à la circulation d’un fluide de refroidissement, le conduit étant agencé pour être traversé par au moins un connecteur électrique (19) de la cellule électrochimique. Figure pour l’abrégé : 2

Description

Etui pour cellule électrochimique pour batterie, agencement de cellules électrochimiques pour batterie comprenant un tel étui et procédé de fabrication d’un tel agencement de cellules.
L’invention concerne un étui pour au moins une cellule électrochimique pour batterie. L’invention porte aussi sur un agencement de cellules électrochimiques pour batterie comprenant un tel étui. L’invention porte également sur une rangée de telles cellules. L’invention porte encore sur un module batterie comprenant une telle rangée de cellules. L’invention porte également sur une batterie comprenant un tel module batterie. L’invention porte encore sur un véhicule automobile comprenant une telle batterie. L’invention porte enfin sur un procédé de fabrication d’un agencement de cellules électrochimiques pour batterie.
Certains véhicules automobiles, notamment les véhicules à motorisation électrique ou hybride, comprennent une batterie d’alimentation de puissance pour alimenter en énergie électrique le moteur électrique, notamment de traction.
Une batterie d’alimentation de puissance d’un véhicule à motorisation électrique ou hybride est par exemple de type Lithium-ion (Li-ion). Une telle batterie comprend des cellules électrochimiques comprenant un électrolyte. Une telle batterie comprend généralement plusieurs modules batterie ou ensembles de cellules électrochimiques.
De telles batteries requièrent de pouvoir réaliser une charge rapide de la batterie. L'une des problématiques de la charge rapide des batteries est la gestion de la thermique. Une charge rapide ou ultra-rapide implique des courants élevés et donc des échauffements importants, notamment au niveau des connecteurs électriques des cellules. Si la température de la batterie est trop élevée, une limitation en puissance est nécessaire, ce qui augmente le temps de charge. Une température trop élevée peut également dégrader la batterie. Le refroidissement des connecteurs électriques des cellules s'avère crucial.
Pour cela, une solution est d’utiliser un fluide diélectrique pour le refroidissement de batteries en charge rapide. En effet, un tel fluide peut être mis au contact direct des éléments métalliques et conducteurs de la batterie, par exemple les connecteurs électriques des cellules. L’implémentation d’un système de refroidissement par fluide diélectrique nécessite toutefois la mise en place d’un circuit dédié, avec une forte contrainte d’étanchéité. En effet, ce type de fluide est très peu visqueux et conduit donc à un risque de fuite élevé.
On connaît du document US8828576B2 une batterie comprenant des cellules munies d’un élément de refroidissement interne sous forme de plaque.
Toutefois, cette solution présente des inconvénients. En particulier, l’élément de refroidissement est une pièce rapportée, réalisée en un matériau différent des matériaux standards de la cellule. En outre, la mise en place de cet élément de refroidissement entraîne une diminution de la densité d’énergie des cellules. De plus, le refroidissement ne se fait pas directement au niveau des connecteurs électriques des cellules, là où l’échauffement est le plus important. De plus, dans l’éventualité de l’utilisation d’un fluide diélectrique, cette solution apparaît peu pertinente car l’utilisation d’une plaque par cellule nécessite un grand nombre de connectiques dans le pack batterie, multipliant le risque de fuites.
Le but de l’invention est de fournir un étui pour cellule électrochimique pour batterie, un agencement de cellules électrochimiques pour batterie et un procédé de fabrication d’un agencement de cellules électrochimiques pour batterie remédiant aux inconvénients ci-dessus et améliorant les cellules et procédés connus de l’art antérieur. En particulier, l’invention permet de réaliser un étui pour cellule électrochimique pour batterie, un agencement de cellules électrochimiques pour batterie et un procédé de fabrication d’un agencement de cellules électrochimiques pour batterie qui soient simples et présentent un coût réduit et qui permettent d’optimiser le refroidissement de la batterie.
Selon l’invention, un étui, pour accueillir au moins un élément actif de cellule électrochimique, forme au moins un conduit destiné à la circulation d’un fluide de refroidissement, le conduit étant agencé pour être traversé par au moins un connecteur électrique de la cellule électrochimique.
L’étui est par exemple une multi-couche de films de polymères et d’aluminium.
L’étui peut comprendre deux feuilles mises en forme et soudées l’une à l’autre, les parois du conduit étant formées par lesdites deux feuilles soudées, l’au moins un connecteur électrique étant disposé entre les deux feuilles soudées.
Selon l’invention, un agencement de cellules électrochimiques pour batterie, comprend au moins un élément actif de cellule électrochimique dans un étui défini précédemment, l’au moins une cellule électrochimique comprenant des connecteurs électriques et le conduit étant symétrique par rapport à au moins un connecteur électrique qui le traverse.
Chaque connecteur électrique peut comprendre deux lamelles, par exemple en polymère, et le fluide de refroidissement peut être diélectrique.
Selon l’invention, une rangée de cellules électrochimiques pour batterie comprend au moins un agencement de cellules défini précédemment, l’au moins un conduit s’étendant de façon continue et/ou linéaire le long d’au moins un des bords de l’étui.
Selon l’invention, un module batterie comprend au moins une rangée de cellules définie précédemment ou au moins un agencement de cellules défini précédemment, l’au moins un conduit formant un circuit de refroidissement.
Selon l’invention, une batterie comprend au moins un module défini précédemment.
Selon l’invention, un véhicule comprend une batterie définie précédemment ou un module batterie défini précédemment.
L’invention concerne encore un procédé de fabrication d’un agencement de cellules électrochimiques pour batterie défini précédemment ou d’une rangée de cellules électrochimiques pour batterie définie précédemment, dans lequel au moins un conduit, destiné à la circulation d’un fluide de refroidissement, est formé par formage et thermo-scellage des deux faces de l’étui de la cellule, au moins un connecteur électrique de la cellule traversant le conduit.
Le procédé peut comprendre les étapes suivantes :
- fournir une première face et une deuxième face d’un étui ;
- mettre en forme la première face et la deuxième face de l’étui, en formant dans la première face et dans la deuxième face une tranchée apte à recevoir respectivement une première tige et une deuxième tige et au moins un logement, chaque logement étant apte à recevoir un élément actif ;
- positionner une première tige dans la tranchée de la première face ;
- positionner un élément actif muni d’au moins un connecteur électrique dans chaque logement de la première face ;
- positionner une deuxième tige sur la première tige, avec interposition de l’au moins un connecteur électrique ;
- positionner la deuxième face sur les éléments actifs et la deuxième tige, les éléments actifs étant positionnés dans les logements de la deuxième face et la deuxième tige étant positionnée dans la tranchée de la deuxième face ;
- souder la première face et la deuxième face de l’étui, notamment par thermo-soudage ou thermo-scellage, de façon à former l’agencement ou la rangée et l’au moins un conduit ;
- retirer la première tige et la deuxième tige.
Le procédé peut comprendre en outre les étapes suivantes :
- fixer un raccord de fluide à chaque extrémité de l’au moins un conduit ;
- assembler un module de dérivation sur chaque raccord de fluide.
Les dessins annexés représentent, à titre d’exemple, un mode de réalisation d’un agencement de cellules électrochimiques pour batterie selon l’invention et un mode d’exécution d’un procédé de fabrication selon l’invention d’un agencement de cellules électrochimiques pour batterie.
La figure 1 représente un module batterie comprenant un assemblage de plusieurs rangées de cellules pour batterie.
La figure 2 représente une rangée de cellules pour batterie.
La figure 3 est une vue partielle en perspective et en coupe représentant un conduit d’une rangée de cellules pour batterie du type de celle de la figure 2.
La figure 4 est une vue partielle en perspective et en coupe représentant un module de dérivation d’un module batterie du type de celui de la figure 1.
La figure 5 représente une première face d’un étui d’une rangée de cellules en cours de formation.
La figure 6 représente le pré-formage ou formage de la première face et de la deuxième face de l’étui.
La figure 7 représente le positionnement d’une première tige dans une tranchée de la première face de l’étui.
La figure 8 représente le positionnement d’un élément actif muni de connecteurs électriques dans chaque logement de la première face de l’étui.
La figure 9 représente l’ensemble formé des éléments actifs, munis de connecteurs électriques, et de la première tige positionnés dans la première face de l’étui, les connecteurs électriques des cellules étant en contact avec la première tige.
La figure 10 représente le positionnement d’une deuxième tige sur la première tige, avec interposition des connecteurs électriques des cellules.
La figure 11 représente le positionnement de la deuxième face de l’étui sur les éléments actifs et sur la deuxième tige.
La figure 12 représente l’ensemble formé des éléments actifs et des première et deuxième tiges superposées, situées au-dessus des éléments actifs, fermé par la première face et la deuxième face de l’étui.
La figure 13 représente la thermo-soudure de la première face et de la deuxième face de l’étui.
La figure 14 représente le retrait des première et deuxième tiges.
La figure 15 représente une rangée de cellules comprenant un conduit s’étendant au-dessus des cellules.
La figure 16 représente la fixation d’un raccord de fluide à chaque extrémité du conduit.
La figure 17 représente l’assemblage d’un module de dérivation sur chaque raccord de fluide à chaque extrémité du conduit.
La figure 18 représente l’assemblage de rangées de cellules pour batterie du type de celle de la figure 2 pour former un module batterie du type de celui de la figure 1.
Un mode de réalisation d’un module batterie comprenant un assemblage de plusieurs cellules pour batterie est décrit ci-après en référence à la figure 1.
Une telle batterie est par exemple une batterie d’alimentation de puissance d’un véhicule à motorisation électrique ou hybride. Une telle batterie est par exemple de type Lithium-ion (Li-ion).
Le module batterie 1 comprend une pluralité d’agencements de cellules électrochimiques 2, les cellules électrochimiques étant par exemple de type Li-ion.
On définit un repère orthonormé (x, y, z). L’axe x correspond à la direction longitudinale du module batterie 1. L’axe y correspond à la direction transversale du module batterie 1. L’axe z est un axe sensiblement vertical. Les termes « inférieur », « supérieur », « au-dessus » et « en-dessous » sont définis par rapport à l’axe z.
Les cellules électrochimiques sont de type à étui ou pochette ou carter souple ou emballage souple. Chaque agencement de cellules électrochimiques 2 comprend un élément actif 17, par exemple de type Li-ion, entouré par une portion 24.
Par « élément actif », on entend de préférence un élément comprenant des matériaux électrochimiquement actifs et des matériaux conducteurs ionique et électronique.
L'invention propose d’inclure ou d’intégrer un circuit de refroidissement pour le module batterie directement dans l'emballage à étui ou pochette ou carter souple ou emballage souple des cellules.
Les cellules électrochimiques 2 sont assemblées par lot ou rangée 3.
Une telle rangée 3 de cellules 2 est décrite plus en détails ci-après en référence à la figure 2.
Chaque rangée de cellules 3 comprend par exemple cinq cellules. Les cellules 2 d’une rangée 3 sont disposées côte à côte selon la direction longitudinale x.
Pour chaque rangée de cellules 3, un étui 10 ou pochette 10 ou carter souple 10 entoure et/ou sert d’enveloppe ou d’emballage, notamment de protection, pour la rangée de cellules. Une bande de thermo-soudure 22 entoure chaque élément actif 17, ce qui permet de délimiter et d’isoler les cellules 2 entre elles. Chaque élément actif 17 est entouré par une portion 24 thermo-scellée de l’étui 10.
L’étui 10 comprend une première face principale 11 et une deuxième face principale 21. La première face 11 et la deuxième face 21 sont sensiblement symétriques et s’étendent selon le plan (x, z).
La première face 11 de l’étui 10 est par exemple une multi-couche de films de polymères et d’aluminium et la deuxième face 21 de l’étui 10 est par exemple une multi-couche de films de polymères et d’aluminium.
La rangée de cellules 3 comprend un conduit 25 destiné à la circulation d’un fluide de refroidissement. Le conduit 25 est destiné à faire partie d’un circuit de refroidissement du module batterie 1.
Le conduit 25 est intégré dans l’étui 10 de la rangée de cellules 3. Le conduit 25 est formé d’une portion de la première face 11 de l’étui 10 et d’une portion de la deuxième face 21 de l’étui 10.
Le conduit 25 est fait du même matériau que les portions 24 de l’étui 10 entourant chaque élément actif 17. Le conduit 25 est en un matériau habituellement utilisé dans un agencement de cellules pour batterie. Il en résulte un coût réduit d’un tel agencement de cellules.
Chaque élément actif 17 comprend un empilement d’au moins une électrode positive (ou cathode), d’au moins une électrode négative (ou anode), et d’au moins un film séparateur isolant électronique et conducteur ionique. A titre d’exemple, une configuration dite tout solide est utilisée. Un électrolyte solide conducteur ionique constitue le film séparateur et est incorporé dans les électrodes positive et négative.
Chaque élément actif 17 est muni d’au moins un connecteur électrique 19. Pour chaque élément actif 17, le ou les connecteurs électriques 19 sont par exemple situés au niveau de la surface supérieure de l’élément actif.
Chaque élément actif 17 est par exemple muni de deux connecteurs électriques 19.
Avantageusement, dans le cas où les connecteurs électriques 19 sont situés au niveau de la surface supérieure des éléments actifs 17, le conduit 25 s’étend au-dessus des éléments actifs 17. Le conduit 25 s’étend selon la direction longitudinale x au-dessus des différentes cellules 2, de façon continue et/ou linéaire. Les connecteurs électriques 19 des cellules traversent le conduit 25. Cela est bien visible sur la figure 3.
Le conduit 25 est notamment destiné au refroidissement des connecteurs électriques 19 des cellules, là où l'échauffement est maximal. Le conduit 25 est destiné à la circulation d’un fluide de refroidissement. Le fluide de refroidissement est par exemple un fluide diélectrique. Un tel fluide diélectrique étant inerte, il peut être en contact direct avec les connecteurs électriques 19 des cellules qui sont métalliques et sous tension.
Avantageusement, le conduit 25 est symétrique sur le plan (y, z) par rapport aux connecteurs électriques 19. La largeur W1 selon la direction transversale y de la portion du conduit 25 située entre les connecteurs 19 et la première face 11 de l’étui 10 est sensiblement égale à la largeur W2 selon la direction transversale y de la portion du conduit 25 située entre les connecteurs 19 et la deuxième face 21 de l’étui 10. Il en résulte un refroidissement optimisé des connecteurs électriques 19.
A titre d’exemple de dimensions, la largeur W1 est par exemple comprise entre 4 mm et 6 mm, et la largeur W2 est par exemple comprise entre 4 mm et 6 mm.
Une bande de thermo-soudure 23 s’étend au-dessus du conduit 25. Une autre bande de thermo-soudure 23 s’étend en-dessous du conduit 25, entre le conduit 25 et les cellules 2. Les bandes de thermo-soudure 23 s’étendent selon la direction longitudinale x. Les bandes de thermo-soudure 23 permettent de garantir l’étanchéité du conduit 25 sur toute sa longueur selon la direction longitudinale x.
Avantageusement, chaque connecteur électrique 19 comprend deux lamelles, notamment en polymère, situées au niveau des deux thermo-soudures 23. Ces lamelles assurent l’étanchéité entre la face 11 et les connecteurs électriques 19, et entre la face 21 et les connecteurs électriques 19. Il en résulte l’étanchéité du conduit 25, une soudure étant réalisée de part et d’autre du conduit entre chaque connecteur électrique 19 et les première et deuxième faces 11, 21 de l’étui 10.
La rangée de cellules 3 peut comprendre en outre un raccord de fluide 27 (non visible sur la figure 2) fixé à chaque extrémité du conduit 25.
La rangée de cellules 3 peut comprendre en outre un module de dérivation 29 assemblé sur le raccord de fluide 27 à chaque extrémité du conduit 25. Chaque module de dérivation 29 peut comprendre un repiquage de fluide 30 comme cela est illustré sur la figure 4.
Le module batterie 1 est un assemblage de plusieurs rangées de cellules 3.
Les rangées de cellules 3 sont assemblées les unes contre les autres. Les étuis 10 de chaque rangée de cellules 3 sont empilés en accolant leurs faces principales. La première face principale 11 de l’étui 10 d’une rangée de cellules 3 est disposée contre la deuxième face principale 21 de l’étui 10 d’une autre rangée de cellules 3.
Les conduits 25 des rangées de cellules 3 forment un circuit de refroidissement pour le module batterie 1. Le circuit de refroidissement est notamment destiné au refroidissement des connecteurs électriques 19 des cellules, là où l'échauffement est maximal. Le circuit de refroidissement est destiné à la circulation d’un fluide diélectrique.
Les modules de dérivation 29 de chaque rangée de cellules 3, situés à chaque extrémité des conduits 25, sont superposés. Le circuit de refroidissement est formé des conduits 25 de chaque rangée de cellules 3 reliés entre eux par les modules de dérivation 29. A une extrémité des conduits 25, l’empilement de modules de dérivation 29 forme l’entrée 4 du circuit de refroidissement d’un côté latéral du module 1. A l’autre extrémité des conduits 25, l’empilement de modules de dérivation 29 forme la sortie 6 du circuit de refroidissement de l’autre côté latéral du module 1. La circulation du fluide de refroidissement est représentée par des flèches 31 sur la figure 1.
Dans le mode de réalisation des figures 1 à 4, chaque cellule électrochimique 2 comprend des connecteurs électriques 19 situés d’un seul côté de la cellule, sur une seule des faces principales de la cellule. Dans ce mode de réalisation, chaque rangée de cellules peut comprendre un seul conduit traversant 25, s’étendant selon la direction longitudinale x. Selon une variante, plusieurs conduits 25 peuvent être prévus pour chaque cellule ou rangée de cellules.
Selon un autre mode de réalisation, chaque cellule 2 peut comprendre des connecteurs électriques 19 situés des deux côtés opposés de la cellule, sur les deux faces de la cellule. Chaque cellule 2 comprend par exemple deux connecteurs électriques 19, un connecteur électrique 19 étant situé sur une face supérieure de la cellule, et un connecteur électrique 19 étant situé sur la face inférieure de la cellule. Dans ce mode de réalisation, chaque rangée de cellules peut comprendre un premier conduit et un deuxième conduit parallèles entre eux et s’étendant selon la direction longitudinale x.
Un mode d’exécution d’un procédé de fabrication d’un agencement de cellules électrochimiques pour batterie du type de celui des figures 1 à 4 est décrit ci-après en référence aux figures 5 à 17. Ce mode d’exécution est décrit dans le cas d’une cellule pour batterie comprenant des connecteurs électriques situés d’un seul côté de la cellule.
L’invention propose de former l’au moins un conduit directement lors de l'assemblage ou mise en forme de la cellule, pendant l'étape de thermo-scellage ou thermo-soudage de l’étui. Le conduit est obtenu par formage puis thermo-soudage des deux faces de l’étui de la cellule.
La figure 5 représente une première face 11 de l’étui 10 d’une rangée 3 de cellules en cours de formation. La deuxième face 21 de l’étui 10 est similaire à la première face 11.
La première face 11 de l’étui 10 est par exemple une multi-couche de films de polymères et d’aluminium.
La deuxième face 21 de l’étui 10 est par exemple une multi-couche de films de polymères et d’aluminium.
Dans une première étape de pré-formage ou formage des faces de l’étui illustrée en figure 6, on réalise la mise en forme de la première face 11 de l’étui 10 et de la deuxième face 21 de l’étui 10. Seule la première face 11 pré-formée est représentée en figure 6, mais le pré-formage de la deuxième face 21 est réalisé de façon similaire à celui de la première face 11.
La mise en forme ou le formage ou pré-formage des feuilles 11 et 21 peut être réalisé(e) en utilisant une matrice. La matrice comprend des motifs correspondant aux futurs agencements de cellules 2 et au futur conduit 25.
Dans chaque feuille 11, 21, on forme un créneau ou tranchée 12. La tranchée 12 s’étend selon un bord longitudinal de chaque feuille 11, 21. La tranchée 12 s’étend sur toute la longueur L de la feuille 11, 21, sur une partie h de sa hauteur H.
Dans chaque feuille 11, 21, on forme en outre des logements 13. Chaque logement 13 est destiné à la mise en place ultérieure d’un élément actif 17. On forme par exemple une rangée de plusieurs logements 13, par exemple une rangée de cinq logements 13. On forme une succession de logements 13 selon la direction longitudinale x. La tranchée 12 s’étend par exemple au-dessus des logements 13.
A titre d’exemple de dimensions, la longueur L de la feuille 11, 21 est par exemple comprise entre 250 mm et 400 mm. La hauteur h de la tranchée 12 est par exemple comprise entre 4 mm et 12 mm. La hauteur H de la feuille 11, 21 est par exemple comprise entre 100 mm et 150 mm. La largeur l de chaque logement 13 est par exemple comprise entre 40 mm et 70 mm.
Dans une deuxième étape illustrée en figure 7, on positionne une première tige 15a dans la tranchée 12 de la feuille 11, préalablement formée lors du pré-formage de la feuille 11 de l’étui 10.
Avantageusement, la tige 15a est en un matériau non conducteur électrique, rigide et résistant à la chaleur. En effet, les connecteurs électriques 19 des cellules seront par la suite tous en contact avec cette tige, et elle doit rester en place et supporter la montée en température lors de l’étape de thermo-soudage.
La tige 15a est par exemple en un polymère, par exemple en téflon.
Dans une troisième étape illustrée en figure 8, on positionne un élément actif 17, par exemple de type lithium-ion, dans chaque logement 13 de la première face 11 de l’étui 10 préalablement formée.
Les éléments actifs 17 ont été préalablement équipés avec des connecteurs électriques 19. Chaque élément actif 17 est par exemple muni de deux connecteurs électriques 19. On positionne les éléments actifs 17 de sorte que les connecteurs électriques 19 recouvrent la première tige 15a.
Avantageusement, chaque connecteur électrique 19 comprend deux lamelles, notamment en polymère.
La structure obtenue à la fin de cette étape est représentée en figure 9. Les connecteurs électriques 19 des cellules sont en contact avec la tige 15a.
Dans une quatrième étape illustrée en figure 10, on positionne une deuxième tige 15b sur la première tige 15a, avec interposition des connecteurs électriques 19 des cellules. Les deux tiges 15a et 15b sont disposées de façon alignée, sensiblement parallèle.
Les deux tiges 15a, 15b prennent en sandwich la rangée de connecteurs électriques 19 des cellules.
Avantageusement, la tige 15b est en un matériau non conducteur électrique, rigide et résistant à la chaleur. En effet, les connecteurs électriques 19 des cellules sont tous en contact avec cette tige, et elle doit rester en place et supporter la montée en température lors de l’étape de thermo-soudage.
La tige 15b est par exemple en un polymère, par exemple en téflon.
De préférence, la longueur de chaque tige 15a, 15b est supérieure à la longueur L des feuilles 11, 21.
Dans une cinquième étape illustrée en figure 11, on positionne la feuille 21, correspondant à la deuxième face de l’étui 10, sur les éléments actifs 17 et la deuxième tige 15b. Les éléments actifs 17 sont positionnés dans les logements 13 de la feuille 21 et la deuxième tige 15b est positionnée dans la tranchée 12 de la feuille 21.
L’ensemble formé des éléments actifs 17 et des tiges 15a, 15b superposées, situées au-dessus des éléments actifs 17, est ainsi fermé par les feuilles 11, 21 préalablement mises en forme correspondant respectivement à la première face et à la deuxième face de l’étui 10. La structure obtenue est illustrée en figure 12. Une portion de chaque connecteur 19 se trouve à l’extérieur de l’étui 10. Au moins une portion de chaque tige 15a, 15b se trouve à l’extérieur de l’étui 10, au moins d’un côté de l’étui 10. Ceci permettra le retrait ultérieur des tiges 15a, 15b.
La première tige 15a et la deuxième tige 15b sont destinées à permettre la formation du futur conduit 25, en maintenant un espace entre la première face 11 et la deuxième face 21 de l’étui 10 à l’emplacement des tranchées 12. L’espace formera l’intérieur du conduit 25 une fois les tiges 15a, 15b retirées.
Dans une sixième étape de thermo-soudage ou thermo-scellage illustrée en figure 13, on soude la première face 11 et la deuxième face 21 de l’étui 10.
L’étape de thermo-soudage est par exemple réalisée dans une thermo-soudeuse, par exemple en utilisant une matrice dédiée. La matrice comprend des motifs correspondant aux futurs agencements de cellules 2 et au futur conduit 25.
Le conduit qui accueillera le fluide diélectrique conserve sa forme lors de l’étape de thermo-scellage des étuis des cellules grâce aux deux tiges préalablement mises en place 15a, 15b. Le conduit en cours de formation est situé à l’emplacement des tranchées 12 de chaque feuille 11, 21 de l’étui 10.
Une bande de thermo-soudure 22 entoure chaque portion de la première face 11 et la deuxième face 21 de l’étui 10 autour des logements 13. Chaque élément actif 17 situé dans un logement 13 des faces 11, 21 de l’étui 10 est ainsi entouré par une portion 24 de l’étui 10, scellée par la bande de thermo-soudure 22. On a ainsi formé les agencements de cellules 2, chaque agencement de cellules 2 comprenant un élément actif 17 entouré d’une portion 24 d’étui 10 thermo-scellée.
Deux bandes de thermo-soudures 23 sensiblement parallèles sont formées de part et d’autre de la tranchée 12 des faces 11, 21 de l’étui 10. Chaque bande de thermo-soudure 23 s’étend selon la direction longitudinale x, sur toute la longueur L des feuilles 11, 21. Une bande de thermo-soudure 23 s’étend au-dessus des tranchées 12 et une bande de thermo-soudure 23 s’étend en-dessous des tranchées 12. On a ainsi formé le conduit 25 dans l’étui 10 entre les deux bandes de thermo-soudures 23.
L’étanchéité du conduit 25 est garantie grâce aux deux bandes de thermo-soudures 23.
Une soudure 23 avec chaque connecteur 19 est effectuée de part et d’autre du conduit. Cette opération soude simultanément chaque connecteur 19 avec la feuille 11 et la feuille 21, et soude la feuille 11 avec la feuille 21 pour les surfaces sans connecteur. Les deux lamelles de polymère de chaque connecteur 19, localisées au niveau des zones de thermo-soudage sur l’axe z, garantissent l’étanchéité du conduit 25.
Dans une septième étape illustrée en figure 14, les deux tiges 15a, 15b sont retirées par traction, d’un côté latéral de l’étui 10. Les tiges 15a, 15b sont retirées grâce à la portion des tiges 15a, 15b dépassant de l’étui 10.
La figure 15 représente la structure obtenue après le retrait des tiges 15a, 15b.
Une rangée de cellules 3 comprenant un conduit 25 s’étendant au-dessus des agencements de cellules 2 est ainsi obtenue.
Le conduit 25 est destiné à la circulation d’un fluide diélectrique.
Le conduit 25 est traversé par la rangée de connecteurs électriques 19.
Avantageusement, le conduit 25 est symétrique par rapport aux connecteurs électriques 19 des cellules. Pour cela, on prévoira des dimensions adaptées pour les tiges 15a et 15b et pour la profondeur des tranchées 12 selon la direction transversale y.
Chaque agencement de cellules 2 comprenant un élément actif 17 est scellé par une bande de thermo-soudure 22. Les deux bandes de thermo-soudures 23 de part et d’autre du conduit 25 le maintiennent fermé sur toute sa longueur.
Dans une huitième étape illustrée en figure 16, on ajoute un raccord de fluide 27 à chaque extrémité du conduit 25.
Les raccords de fluide 27 sont par exemple fixés avec de la colle d’étanchéité.
Dans une neuvième étape illustrée en figure 17, on assemble un module de dérivation 29 sur chaque raccord de fluide 27 à chaque extrémité du conduit 25.
On obtient ainsi une rangée 3 de cellules dont l’étui 10 est muni d’un conduit intégré 25. La structure obtenue est illustrée en figure 2.
La figure 18 illustre l’assemblage d’une pluralité de rangées 3 de cellules obtenues par un procédé du type de celui décrit en relation avec les figures 5 à 17, pour former un module batterie 1.
Les rangées de cellules 3 obtenues à la fin du procédé décrit en relation avec les figures 5 à 17 sont empilées. Une face principale de l’étui 10 d’une rangée de cellules 3 est accolée à la face principale de l’étui 10 d’une autre rangée de cellules 3.
Les modules de dérivation 29 de chaque rangée de cellules 3 sont superposés, ce qui permet d’obtenir l’entrée 4 du circuit de refroidissement d’un côté latéral du module 1, et la sortie 6 du circuit de refroidissement de l’autre côté latéral du module 1.
On obtient alors un module batterie 1 fonctionnel du type de celui de la figure 1.
On a ainsi formé un module batterie 1 comprenant un circuit de refroidissement formé des conduits 25 des rangées de cellules 3 reliés entre eux par les modules de dérivation 29. Le circuit de refroidissement peut accueillir un flux de fluide diélectrique dont la circulation est illustrée par des flèches 31 sur la figure 1.
Les terrasses des cellules présentent une côte supérieure à la côte habituellement utilisée pour des cellules de batterie. Une cellule du type de celle de la figure 2 est en effet associée à un conduit 25 destiné à la circulation d’un fluide de refroidissement et doit encaisser des contraintes mécaniques additionnelles liées à ce refroidissement.
Un avantage d’un agencement de cellules pour batterie du type de celui décrit ci-dessus réside dans le fait qu’il permet d'inclure le circuit de refroidissement dès la conception de la cellule. Il en résulte une architecture mécanique simple d’un module batterie comprenant de tels agencements de cellules.
Un autre avantage d’un agencement de cellules pour batterie du type de celui décrit ci-dessus est lié au fait que l’étui habituellement utilisé pour l’emballage de la cellule est également utilisé pour former le circuit de refroidissement. Il en résulte qu’un tel agencement de cellules ne requiert pas de matériau supplémentaire dédié au circuit de refroidissement. Ceci permet de réduire le coût d’un module batterie comprenant de tels agencements de cellules.
Un avantage d’un procédé de fabrication d’un agencement de cellules pour batterie du type de celui décrit ci-dessus est lié au fait que le conduit est mis en forme dès l’étape d’assemblage des cellules.
Un autre avantage d’un agencement de cellules pour batterie du type de celui décrit ci-dessus réside dans le fait que le fluide diélectrique est au contact direct des connecteurs électriques des cellules. Il en résulte une optimisation de la collecte et de l’évacuation des calories.
Il a été décrit ci-dessus un agencement de cellules pour batterie et un procédé de fabrication d’un tel agencement de cellules, dans le cas où la cellule 2 comprend deux connecteurs électriques 19 du même côté de la cellule. L’invention s’applique à une cellule 2 comprenant un connecteur électrique 19 des deux côtés opposés de la cellule, avec par exemple un refroidissement d’un seul ou des deux côtés.
Il a été décrit ci-dessus un agencement de cellules pour batterie et un procédé de fabrication d’un tel agencement de cellules, dans lequel un conduit est situé au-dessus de la cellule, le long d’un bord longitudinal de la cellule. Un conduit similaire pourra être prévu en-dessus de la ou des cellules, le long de l’autre bord longitudinal de la ou des cellules, en plus ou à la place du conduit situé au-dessus de la ou des cellules. Un conduit similaire pourra également être prévu le long d’un ou des bords latéraux de la cellule ou de la rangée de cellules. Dans toutes les variantes de réalisation, un conduit 25 s’étend de façon continue et/ou linéaire le long d’au moins un des bords de la cellule ou de la rangée de cellules.
Il a été décrit ci-dessus un procédé de fabrication d’une rangée 3 de cinq cellules 2. Bien entendu, un tel procédé s’applique à la formation d’une seule cellule 2 associée à un conduit 25 intégré dans l’étui 10 de la cellule. Un tel procédé s’applique à la formation d’une rangée de cellules comprenant un nombre quelconque de cellules 2.
Il a été décrit ci-dessus un module batterie pour un véhicule automobile. Bien entendu, l’invention s’applique à tout système embarquant une batterie, par exemple des systèmes stationnaires, à tous véhicules roulants électriques ou électrifiés (bus, scooter, moto…), à des dispositifs électroniques et portables, etc.
Il a été décrit ci-dessus un mode de réalisation pour une batterie dite tout solide, dans laquelle un électrolyte solide conducteur ionique constitue le film séparateur et est incorporé dans les électrodes positive et négative. Bien entendu, l’invention s’applique à tout type de batterie, par exemple à électrolyte liquide. Dans ce cas, la batterie comporte au moins une électrode positive poreuse, au moins une électrode négative poreuse et au moins un film séparateur poreux. Le procédé est adapté et comporte une étape d’injection de l’électrolyte liquide pour remplir les volumes poreux des éléments actifs 17. La sixième étape illustrée en figure 13 est réalisée en deux temps. Le thermo-soudage est effectué, excepté sur la partie inférieure des portions. L’électrolyte liquide est alors injecté au niveau de la partie basse des portions. Enfin, une étape finale de thermo-soudage est effectuée pour la partie inférieure des cellules, pour fermer l’ensemble et le rendre étanche.

Claims (12)

  1. Etui (10) pour accueillir au moins un élément actif (17) de cellule électrochimique (2), l’étui formant au moins un conduit (25) destiné à la circulation d’un fluide de refroidissement, le conduit étant agencé pour être traversé par au moins un connecteur électrique (19) de la cellule électrochimique.
  2. Etui selon la revendication 1, dans lequel l’étui (10) est une multi-couche de films de polymères et d’aluminium.
  3. Etui selon la revendication 1 ou 2, comprenant deux feuilles (11, 21) mises en forme et soudées l’une à l’autre, les parois du conduit (25) étant formées par lesdites deux feuilles soudées, l’au moins un connecteur électrique étant disposé entre les deux feuilles soudées.
  4. Agencement de cellules électrochimiques (2) pour batterie, comprenant au moins un élément actif (17) de cellule électrochimique (2) dans un étui (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’au moins une cellule électrochimique comprend des connecteurs électriques (19) et dans lequel le conduit (25) est symétrique par rapport à au moins un connecteur électrique (19) qui le traverse.
  5. Agencement de cellules selon la revendication précédente, dans lequel chaque connecteur électrique (19) comprend deux lamelles, par exemple en polymère, et le fluide de refroidissement est diélectrique.
  6. Rangée (3) de cellules électrochimiques (2) pour batterie comprenant au moins un agencement de cellules (2) selon la revendication 4 ou 5, l’au moins un conduit (25) s’étendant de façon continue et/ou linéaire le long d’au moins un des bords de l’étui (10).
  7. Module batterie (1) comprenant au moins une rangée (3) de cellules (2) selon la revendication précédente ou au moins un agencement de cellules (2) selon la revendication 4 ou 5, l’au moins un conduit (25) formant un circuit de refroidissement.
  8. Batterie (50) comprenant au moins un module (1) selon la revendication précédente.
  9. Véhicule (60) comprenant une batterie (50) selon la revendication précédente ou un module batterie (1) selon la revendication 7.
  10. Procédé de fabrication d’un agencement de cellules électrochimiques (2) pour batterie selon l’une des revendications 4 et 5 ou d’une rangée (3) de cellules électrochimiques (2) pour batterie selon la revendication 6, dans lequel au moins un conduit (25), destiné à la circulation d’un fluide de refroidissement, est formé par formage et thermo-scellage des deux faces de l’étui (10) de la cellule, au moins un connecteur électrique (19) de la cellule traversant le conduit.
  11. Procédé selon la revendication précédente, comprenant les étapes suivantes :
    - fournir une première face (11) et une deuxième face (21) d’un étui (10) ;
    - mettre en forme la première face (11) et la deuxième face (21) de l’étui (10), en formant dans la première face et dans la deuxième face une tranchée (12) apte à recevoir respectivement une première tige (15a) et une deuxième tige (15b) et au moins un logement (13), chaque logement (13) étant apte à recevoir un élément actif (17) ;
    - positionner une première tige (15a) dans la tranchée (12) de la première face (11) ;
    - positionner un élément actif (17) muni d’au moins un connecteur électrique (19) dans chaque logement (13) de la première face (11) ;
    - positionner une deuxième tige (15b) sur la première tige (15a), avec interposition de l’au moins un connecteur électrique (19) ;
    - positionner la deuxième face (21) sur les éléments actifs (17) et la deuxième tige (15b), les éléments actifs (17) étant positionnés dans les logements (13) de la deuxième face (21) et la deuxième tige (15b) étant positionnée dans la tranchée (12) de la deuxième face (21) ;
    - souder la première face (11) et la deuxième face (21) de l’étui (10), notamment par thermo-soudage ou thermo-scellage, de façon à former l’agencement ou la rangée et l’au moins un conduit (25) ;
    - retirer la première tige (15a) et la deuxième tige (15b).
  12. Procédé selon la revendication précédente, comprenant en outre les étapes suivantes :
    - fixer un raccord de fluide (27) à chaque extrémité de l’au moins un conduit (25) ;
    - assembler un module de dérivation (29) sur chaque raccord de fluide (27).
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