FR3113336A1 - Dispositif de refroidissement de deux cellules électrochimiques, ensemble électrochimique et procédé correspondants - Google Patents
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Abstract
Dispositif de refroidissement de deux cellules électrochimiques, ensemble électrochimique et procédé correspondants
Ce dispositif de refroidissement (8) de deux cellules électrochimiques (4, 6) adjacentes, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement comprend un corps de refroidissement (40) muni d’une première face de corps adaptée pour être en contact d’une première cellule électrochimique et d’une deuxième face de corps adaptée pour être en contact d’une deuxième cellule électrochimique, d’un canal de refroidissement adapté pour contenir un liquide de refroidissement. Le canal de refroidissement comporte des premiers tronçons de canal ouverts qui sont adaptés pour être fermés par une paroi de la première cellule électrochimique et le canal de refroidissement comporte des deuxièmes tronçons de canal ouverts qui sont adaptés pour être fermés par une paroi de la deuxième cellule électrochimique.
Figure pour l'abrégé : 2
Description
La présente invention concerne un dispositif de refroidissement de deux cellules électrochimiques adjacentes.
On connait des dispositifs de refroidissement de cellules électrochimiques qui sont utilisés pour gérer la température de cellules électrochimiques.
Un dispositif de refroidissement est connu de la demande de brevet IN 201841043026 (numéro de demande).
Dans le domaine des cellules électrochimiques tel que les cellules Li-Ion, il est connu que la température des cellules doit être gérée afin de maintenir la température à l’intérieur d’une plage adéquate de la cellule.
L’invention a pour but de proposer un dispositif de refroidissement qui permet de gérer d’une manière efficace la température de deux cellules électrochimiques et ceci avec des moyens économiques. L’objet de l’invention est également de proposer un dispositif efficace de management thermique de modules de cellules électrochimiques. De plus, le dispositif doit être fiable et avoir un encombrement et un poids faible. Par ailleurs, le problème de l’emballement thermique de cellules Li-Ion est connu. Ce phénomène apparait lorsqu’une cellule électrochimique atteint une température critique déterminée, ce qui conduit à l’échauffement d’une cellule voisine à la température critique. L’invention a en outre pour objet de réduire le risque de l’emballement thermique, notamment à l’intérieur d’un module électrochimique ou d’un groupe de cellules.
A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif de refroidissement tel qu’indiqué ci-dessus caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement comprend
un corps de refroidissement muni
- d’une première face de corps adaptée pour être en contact d’une première cellule électrochimique et
- d’une deuxième face de corps adaptée pour être en contact d’une deuxième cellule électrochimique,
- d’un canal de refroidissement adapté pour contenir un liquide de refroidissement ;
le canal de refroidissement comporte des premiers tronçons de canal ouverts qui sont adaptés pour être fermés par une paroi de la première cellule électrochimique
et
le canal de refroidissement comporte des deuxièmes tronçons de canal ouverts qui sont adaptés pour être fermés par une paroi de la deuxième cellule électrochimique.
Selon des modes de réalisation particuliers du dispositif de refroidissement, celui-ci peut comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le canal de refroidissement définit un sens de circulation (S) du fluide de refroidissement et comporte, dans le sens de circulation, alternativement les premiers tronçons de canal ouverts et les deuxièmes tronçons de canal ouverts, et les premiers tronçons de canal ouverts et les deuxièmes tronçons de canal ouverts sont reliés par des tronçons de canal de liaison fermés ;
- le corps de refroidissement comprend une plaque de contact et une plaque de liaison, la plaque de contact forme la première face de corps, la deuxième face de corps, les premiers tronçons de canal ouverts et les deuxièmes tronçons de canal ouverts, et la plaque de liaison forment les tronçons de canal de liaison ainsi que, de préférence une entrée et une sortie de liquide de refroidissement ;
- les premiers tronçons de canal ouverts et les deuxièmes tronçons de canal ouverts sont formés par des rainures traversantes ménagées dans la plaque de contact, ces rainures traversantes étant couvertes par la plaque de liaison, et/ou les tronçons de liaison sont formés par des rainures fermées ménagées dans la plaque de liaison ;
- les premiers tronçons de canal ouverts et/ou les deuxième tronçons de canal ouverts ont une forme sensiblement de U, et en particulier ces tronçons de canal ouverts en forme sensiblement de U sont disposés côte-à-côte ou sont imbriqués l’un dans l’autre ;
- le dispositif de refroidissement comprend un logement de tampon comprenant un tampon thermique en matière à changement de phase, notamment le logement de tampon étant formé par une partie étagée de la plaque de liaison.
L’invention a également pour objet un ensemble électrochimique, du type comprenant
- une première cellule électrochimique ayant un premier boîtier muni d’une première paroi,
- une deuxième cellule électrochimique ayant un deuxième boîtier muni d’une deuxième paroi,
caractérisé en ce que l’ensemble électrochimique comprend un dispositif de refroidissement tel que défini ci-dessus, en ce que
la première paroi couvre les premiers tronçons de canal ouverts, en ce que
la deuxième paroi couvre les deuxièmes tronçons de canal ouverts, et en ce que
les tronçons de canal couverts par les première et seconde parois et les tronçons de canal de liaison forment un circuit de refroidissement.
Selon des modes de réalisation particuliers de l’ensemble, celui-ci peut comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- la première paroi et la deuxième paroi sont les grandes faces respectivement du premier boîtier et deuxième boîtier ; et
- le circuit de refroidissement contient un fluide de refroidissement qui est un fluide diélectrique, notamment un liquide diélectrique.
L’invention a également pour objet un procédé de refroidissement d’un ensemble électrochimique, caractérisé en ce que l’ensemble électrochimique est un ensemble électrochimique tel que défini ci-dessus, et en ce que le procédé comprend faire circuler du liquide de refroidissement à travers le circuit de refroidissement,
en refroidissant la première cellule électrochimique et en chauffant le liquide de refroidissement, et
en chauffant la deuxième cellule électrochimique au moins partiellement avec l’énergie thermique du liquide de refroidissement reçu de la première cellule électrochimique.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
Sur la est représentée une batterie selon l’invention, désignée par la référence générale 2.
La batterie est une batterie électrochimique telle qu’utilisée habituellement dans les véhicules électriques. Toutefois, d’autres domaines d’application de la batterie 2 sont envisagés.
La batterie 2 comprend une multitude de premières cellules électrochimiques 4 et de deuxièmes cellules électrochimiques 6 et une multitude de dispositifs de refroidissement 8. La batterie 2 comprend également une rampe aller 10 et une rampe retour 12 de liquide de refroidissement.
La batterie 2 comprend une multitude d’ensembles électrochimiques 20 dont chacun comprend une première cellule électrochimique 4, une deuxième cellule électrochimique 6 et un dispositif de refroidissement 8.
Chaque première cellule électrochimique 4 comprend un premier boîtier 22, qui est sensiblement parallélépipédique, et qui forme une première paroi 24 plane. La première paroi 24 forme la grande face du parallélépipède que constitue le premier boîtier 22. La première cellule électrochimique 4 comprend des éléments électrochimiques classiques, par exemple du type Li-ion et des contacts sur sa face supérieure ( ).
Chaque deuxième cellule électrochimique 6 comprend un deuxième boîtier 32, qui est sensiblement parallélépipédique, et qui forme une deuxième paroi 34 plane. La deuxième paroi 34 forme la grande face du parallélépipède que constitue le deuxième boîtier 32. La deuxième cellule électrochimique 6 comprend des éléments électrochimiques classiques, par exemple du type Li-ion et des contacts sur sa face supérieure.
La première cellule électrochimique 4 et la deuxième cellule électrochimique 6 sont adjacentes. Dans le cadre de la présente invention ceci signifie que le premier boîtier 22 et le deuxième boîtier 32 sont disposés de telle sorte que leurs petites faces sont en face l’une de l’autre. Par ailleurs, le premier boîtier 22 et le deuxième boîtier 32 sont disposés l’un à côté de l’autre de telle sorte que les première et deuxième paroi 24, 34 sont coplanaires.
Le dispositif de refroidissement 8 est adapté pour refroidir la première cellule électrochimique 4 et la deuxième cellule électrochimique 6 d’un ensemble électrochimique 20. Le dispositif de refroidissement 8 est en outre adapté pour transmettre une partie de la chaleur de la première cellule électrochimique 4 vers la deuxième cellule électrochimique 6 et vice-versa.
A cet effet, le dispositif de refroidissement 8 est adapté pour faire circuler du fluide de refroidissement d’une zone de réception de chaleur, par exemple de la première cellule électrochimique 4, vers une zone de remise de chaleur, par exemple de la deuxième cellule électrochimique 6.
Le dispositif de refroidissement 8 comprend un circuit de refroidissement 36 qui contient le fluide de refroidissement, qui est un fluide diélectrique. Le fluide de refroidissement est donc un fluide caloporteur.
Par fluide diélectrique on entend, tout fluide, donc tout gaz ou liquide, qui peut soutenir un champ électrique statique et agir en tant qu’isolant électrique. Des exemples de fluides diélectriques adaptés pour la présente invention peuvent comprendre, de façon non limitative, tout fluide diélectrique résistant à l’inflammation et/ou non inflammable. Plus particulièrement, le fluide diélectrique résiste au moins à l’inflammation jusqu’à une température maximale pouvant apparaitre dans la cellule électrochimique qui est par exemple la température minimale d’emballement thermique.
Des exemples de fluides diélectriques qui peuvent être utilisés dans le cadre de la présente invention, non limitativement, sont ceux qui sont déjà utilisé dans l’ensemble des parties constitutives du groupe motopropulseur d’un véhicule automobile, plus particulièrement celui d’un véhicule hybride ou électrique, telles que le moteur, l’électronique de puissance, le réducteur, ou encore et de façon préférentielle au niveau de la batterie. Les fluides diélectriques utilisables dans le cadre de la présente invention sont par exemple produits à partir d’huiles de base paraffiniques, des huiles de silicone, ou d’esters organiques synthétiques. Les fluides diélectriques utilisables dans le cadre de la présente invention et basés sur des huiles minérales sont très classiquement utilisés en raison de leur disponibilité, de leur bas coût et de leurs propriétés physiques telles que celle d’être caractérisée par de bonnes propriétés thermiques.
Le dispositif de refroidissement 8 comprend à cet effet un corps de refroidissement 40 muni
d’une première face de corps 42 adaptée pour être en contact de la première cellule électrochimique 4, plus exactement à être en contact du premier boîtier 22,
d’une deuxième face de corps 44, adaptée pour être en contact de la deuxième cellule électrochimique 6, plus exactement à être en contact du deuxième boîtier 32, et
d’un canal de refroidissement 46 adapté pour contenir le liquide de refroidissement.
Le canal de refroidissement 46 comporte des premiers tronçons de canal 48 ménagés dans la première face de corps 42 et ouverts qui sont adaptés pour être fermés par une paroi de la première cellule électrochimique 4.
Le canal de refroidissement 46 comporte des deuxièmes tronçons de canal 50, ménagés dans la deuxième face de corps 44 et ouverts qui sont adaptés pour être fermés par une paroi de la deuxième cellule électrochimique 6.
Les premiers tronçons de canal 48 ouverts et les deuxièmes tronçons de canal 50 ouverts sont reliés par des tronçons de canal de liaison 52 fermés. Ces tronçons de canal de liaison 52 enjambent l’interstice entre les deux cellules électrochimiques adjacentes.
Le canal de refroidissement 46 définit un sens de circulation S du fluide de refroidissement et comporte, dans le sens de circulation S, alternativement les premiers tronçons de canal ouverts, les deuxièmes tronçons de canal ouverts et des tronçons de canal de liaison 52 fermés.
Le corps de refroidissement 40 comprend une plaque de contact 56 et une plaque de liaison 58.
La plaque de contact 56 forme la première face de corps 42, la deuxième face de corps 44, les premiers tronçons de canal 48 ouverts et les deuxièmes tronçons de canal 50 ouverts.
Les premiers tronçons de canal 48 et les deuxièmes tronçons de canal 50 sont formés par des rainures traversantes ménagées dans la plaque de contact 56, c’est-à-dire les rainures traversent l’épaisseur de la plaque de contact 56.
Ces rainures traversantes sont couvertes d’un côté par la plaque de liaison 58 et de l’autre côté par le boîtier de la cellule électrochimique 4, 6 associée. Lorsque le liquide de refroidissement circule dans les premiers tronçons de canal 48 et deuxièmes tronçons de canal 50 ouverts il est donc en contact avec le boîtier, respectivement de la paroi du boitier de la cellule électrochimique 4, 6 associé.
La plaque de contact 56 est en l’occurrence de contour extérieur rectangulaire. La plaque de contact 56 est en l’occurrence d’une seule pièce et d’un seul tenant.
La plaque de contact 56 est en un matériau relativement souple, c’est-à-dire adapté pour rendre l‘interface entre les faces de corps 42, 44 et les cellules électrochimiques d’un côté et entre la surface de la plaque de contact et la plaque de liaison 58 de l’autre côté étanche au liquide de refroidissement et ceci par compression du corps de refroidissement 40 entre une paire de deux cellules électrochimiques 4, 6 et une paire de deux cellules électrochimiques 4, 6 voisines.
Le matériau de la plaque de contact 56 est par ailleurs résistant aux hautes températures (gamme de température) et un environnement chimique agressif. Un tel matériau est par exemple commercialisé sous le nom de commerce « COGEMICA HT 710 ». Le matériau est par exemple en poudre de Mica + silicone. D’autres matériaux peuvent être utilisées à cet effet.
Généralement, le matériau de la plaque de contact 56 est plus souple ou élastique que le matériau du boîtier 22, 32 et de la plaque de liaison 58.
Avantageusement, les premiers tronçons de canal 48 et/ou les deuxièmes tronçons de canal 50 ont une forme sensiblement de « U » (voit Figures 4 et 5). En particulier, les tronçons de canal en forme sensiblement de U sont disposés côte-à-côte ou sont imbriquées l’un dans l’autre. En l’occurrence, les premiers tronçons de canal 48 sont disposés côte-à-côte avec l’extrémité ouverte du « U » dirigée vers les deuxièmes tronçons de canal 50. Par contre, les deuxièmes tronçons de canal 50 sont disposés imbriqués l’un dans l’autre avec l’extrémité ouverte du « U » dirigée vers les premiers tronçons de canal 48.
La plaque de liaison 58 comporte une face de liaison 60 qui est en contact étanche avec la plaque de contact 56, du côté opposé aux faces de corps 42, 44.
La plaque de liaison 58 forme les tronçons de canal de liaison 52 ainsi que, de préférence une entrée 62 de liquide de refroidissement et une sortie 64 de liquide de refroidissement. L’entrée 62 de liquide de refroidissement est connecté à la rampe alimentation 10 et la sortie de liquide 64 est connectée à la rampe retour 12.
Les tronçons de canal de liaison 52 sont formés par des rainures fermées ou borgnes ménagées dans la plaque de liaison 58. Les tronçons de canal de liaison 52 sont fermées par la plaque de contact et sont en communication fluidique à leurs extrémités. Lorsque le liquide de refroidissement circule dans le tronçon de canal de liaison 52, il est en contact avec la plaque de liaison 58 et avec la plaque de contact 56, mais non pas avec le boîtier des cellules électrochimiques 4 et 6.
La plaque de liaison 58 est en un matériau plus dur que celui de la plaque de contact 56, et est par exemple en Aluminium.
Le dispositif de refroidissement 8 peut comprendre par ailleurs au moins un logement de tampon 66 comprenant un tampon thermique 68, notamment comprenant une matière à changement de phase (MCP). Le logement de tampon 66 est en l’occurrence formé par une partie étagée 70 de la plaque de liaison 58. Avantageusement, et comme représenté sur la , la plaque de liaison 58 comporte deux parties étagées 70 qui sont disposées de part et d’autre des tronçons de canal de liaison 52. En l’occurrence le dispositif de refroidissement comporte deux tampons thermiques 68.
Les tampons thermiques 68 sont hors contact du liquide de refroidissement et s’appliquent d’un côté sur la plaque de liaison 58 et de l’autre côté sur l’un des boîtiers 22, 32 des cellules électrochimiques. La matière à changement de phase du tampon thermique 68 comprend par exemple en une matière organique, tel qu’un polymère, une cire ou une huile. La température de transition de la matière à changement de phase est par exemple comprise entre 25°C et 35°C. Le matériau peut également être un matériau commercialisé sous le nom « PCsMart » ® par la société Hutchinson.
Un exemple d’un mode de réalisation d’un dispositif de refroidissement selon l’objet de la présente description ou invention comporte les paramètres suivants :
L’épaisseur de la plaque de liaison 56 est de 1,5 mm et peut être comprise entre 1mm et 2mm.
La hauteur des canaux de refroidissement 48 est de 16 mm et peut être comprise entre 5mm et 20mm, de préférence entre 15mm et 20mm. La hauteur combinée de l’ensemble des canaux de refroidissement est par exemple d’au moins 70% de la hauteur de la plaque de liaison.
Le canal de refroidissement 46 est muni exactement de deux premiers tronçons de canal 48 et de deux deuxièmes tronçons de canal 50.
Cet exemple montre un bon compromis entre la perte de charge de fluide et la capacité de refroidissement.
Le dispositif de refroidissement est utilisé de la manière suivante : on fait circuler du fluide de refroidissement ou fluide caloporteur à travers le circuit de refroidissement en refroidissant la première cellule électrochimique 4 et en chauffant le fluide de refroidissement ou fluide caloporteur. Ensuite, le fluide de refroidissement ou fluide caloporteur chauffe la deuxième cellule électrochimique 6, et le tampon thermique 68 au travers la plaque de liaison 58, au moins partiellement avec l’énergie thermique que le liquide de refroidissement ou fluide caloporteur a reçu de la première cellule électrochimique 4.
D’une manière générale, le fluide caloporteur peut échanger des calories avec les cellules 4, 6 avec lequel il est en contact de sorte à les refroidir ou à les réchauffer (selon les besoins). Le fluide caloporteur est par ailleurs régulé en température dans un circuit externe à la batterie et non décrit ici. Avantageusement, un mode de fonctionnement permet de limiter l’échauffement excessif d’une cellule en répartissant l’énergie thermique de ladite cellule sur les autres éléments, lesquels serviront de puits thermique. Par exemple, le fluide caloporteur peut refroidir une cellule 4, laquelle serait en phase d’échauffement anormal, en absorbant de la chaleur puis en cédant sa chaleur à la cellule 6, la plaque de liaison 58 et les tampons thermique 68.
La description qui précède contient des caractéristiques techniques de l’invention. Ces caractéristiques techniques, bien que présentées dans un contexte technique et éventuellement en combinaison avec d’autres caractéristiques techniques, peuvent être utilisées à chaque fois individuellement, sans les autres caractéristiques techniques, pour autant que ceci soit techniquement possible.
Claims (10)
- Dispositif de refroidissement (8) de deux cellules électrochimiques (4, 6) adjacentes, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement comprend
un corps de refroidissement (40) muni
- d’une première face de corps (42) adaptée pour être en contact d’une première cellule électrochimique et
- d’une deuxième face de corps (44) adaptée pour être en contact d’une deuxième cellule électrochimique,
- d’un canal de refroidissement (46) adapté pour contenir un liquide de refroidissement ;
caractérisé en ce que
le canal de refroidissement (46) comporte des premiers tronçons de canal (48) ouverts qui sont adaptés pour être fermés par une paroi de la première cellule électrochimique
et
le canal de refroidissement comporte des deuxièmes tronçons de canal (50) ouverts qui sont adaptés pour être fermés par une paroi de la deuxième cellule électrochimique. - Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, dans lequel le canal de refroidissement (46) définit un sens de circulation (S) du fluide de refroidissement et comporte, dans le sens de circulation, alternativement les premiers tronçons de canal ouverts et les deuxièmes tronçons de canal ouverts, et dans lequel les premiers tronçons de canal ouverts et les deuxièmes tronçons de canal ouverts sont reliés par des tronçons de canal de liaison (52) fermés.
- Dispositif de refroidissement selon la revendication 2, dans lequel le corps de refroidissement comprend une plaque de contact (56) et une plaque de liaison (58), dans lequel
la plaque de contact forme la première face de corps, la deuxième face de corps, les premiers tronçons de canal ouverts et les deuxièmes tronçons de canal ouverts, et dans lequel
la plaque de liaison forme les tronçons de canal de liaison ainsi que, de préférence une entrée (62) et une sortie (64) de liquide de refroidissement. - Dispositif de refroidissement selon la revendication 3, dans lequel les premiers tronçons de canal ouverts et les deuxièmes tronçons de canal ouverts sont formés par des rainures traversantes ménagées dans la plaque de contact (56), ces rainures traversantes étant couvertes par la plaque de liaison (58), et/ou les tronçons de liaison sont formés par des rainures fermées ménagées dans la plaque de liaison.
- Dispositif de refroidissement selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les premiers tronçons de canal (48) ouverts et/ou les deuxième tronçons de canal (50) ouverts ont une forme sensiblement de U, et en particulier que ces tronçons de canal ouverts en forme sensiblement de U sont disposés côte-à-côte ou sont imbriqués l’un dans l’autre.
- Dispositif de refroidissement selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de refroidissement comprend un logement de tampon (66) comprenant un tampon thermique (68) en matière à changement de phase, notamment le logement de tampon étant formé par une partie étagée (70) de la plaque de liaison.
- Ensemble électrochimique (20), du type comprenant
- une première cellule électrochimique (4) ayant un premier boîtier (22) muni d’une première paroi (24),
- une deuxième cellule électrochimique (6) ayant un deuxième boîtier (24) muni d’une deuxième paroi (34),
caractérisé en ce que l’ensemble électrochimique comprend un dispositif de refroidissement (8) selon l’une des revendications précédentes, en ce que
la première paroi (24) couvre les premiers tronçons de canal ouverts, en ce que
la deuxième paroi (34) couvre les deuxièmes tronçons de canal ouverts, et en ce que
les tronçons de canal couverts par les première et seconde parois et les tronçons de canal de liaison forment un circuit de refroidissement (36). - Ensemble électrochimique selon la revendication 7, dans lequel la première paroi (24) et la deuxième paroi (34) sont les grandes faces respectivement du premier boîtier (22) et deuxième boîtier (24).
- Ensemble électrochimique selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le circuit de refroidissement (36) contient un fluide de refroidissement qui est un fluide diélectrique, notamment un liquide diélectrique.
- Procédé de refroidissement d’un ensemble électrochimique, caractérisé en ce que l’ensemble électrochimique est un ensemble électrochimique (20) selon les revendications 7 à 9, et en ce que le procédé comprend faire circuler du liquide de refroidissement à travers le circuit de refroidissement (36),
en refroidissant la première cellule électrochimique (4) et en chauffant le liquide de refroidissement, et
en chauffant la deuxième cellule électrochimique (6) au moins partiellement avec l’énergie thermique du liquide de refroidissement reçu de la première cellule électrochimique.
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