FR3114445A1 - Structure de batterie de stockage d’électricité, batterie et procédé de remplissage du circuit de conditionnement thermique d’une telle batterie - Google Patents

Structure de batterie de stockage d’électricité, batterie et procédé de remplissage du circuit de conditionnement thermique d’une telle batterie Download PDF

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Abstract

Structure de batterie de stockage d’électricité, batterie et procédé de remplissage du circuit de conditionnement thermique d’une telle batterie La structure de batterie (1) comprend : - une enveloppe (7); - un circuit (23) de conditionnement thermique; - un circuit d’évacuation (39) débouchant à l’extérieur de la batterie de stockage d’électricité ; - un dispositif de compensation et de dépressurisation (45), comprenant une chambre d’expansion (47) et communiquant fluidiquement avec le circuit de conditionnement thermique (23), la chambre d’expansion (47) comprenant au moins une paroi fixe (49) et une paroi mobile (51) déplaçable par rapport à la paroi fixe (49) sur une plage de positions normales pour faire varier un volume interne de la chambre d’expansion (47), la paroi mobile (51) étant en outre déplaçable par rapport à la paroi fixe (49) jusqu’à une position de dépressurisation dans laquelle l’extrémité amont (41) du circuit d’évacuation (39) communique fluidiquement avec la chambre d’expansion (47). Figure pour l'abrégé : 2

Description

Structure de batterie de stockage d’électricité, batterie et procédé de remplissage du circuit de conditionnement thermique d’une telle batterie
La présente invention concerne en général les batteries de stockage d’électricité pour véhicule, et plus particulièrement la gestion de la pression interne de ces batteries.
Les batteries de stockage d’électricité de véhicule comportent une pluralité de cellules de stockage d’électricité agencées à l’intérieur d’une enveloppe.
En cas d’emballement thermique d’une des cellules de stockage d’électricité, sa température augmente rapidement et du gaz est produit à l’intérieur de la cellule de stockage d’électricité. La pression interne s’accroit, jusqu’à faire sauter une capsule de sécurité prévue à cet effet dans le cas d’une cellule prismatique, ou à déchirer l’emballage dans le cas d’une cellule de type poche.
Une fois la cellule de stockage d’électricité crevée, les gaz à une température de 300 à 500 °C s’échappent dans le volume interne de l’enveloppe. Quelques secondes après cet événement, on observe un second dégazage à une température plus importante, typiquement de 500 à 800 °C. Ce gaz, qui contient notamment de l’hydrogène, de l’oxygène et du CO, peut éventuellement s’enflammer. Il faut environ 15 à 20 secondes pour arriver à ce stade.
La quantité d’énergie thermique libérée lors de cet événement est de plus de 1100 kJ pour une cellule de stockage d’électricité de 60 Ah. S’il y a combustion, cette énergie est encore plus élevée, et la température peut atteindre 1400 °C.
La quantité de gaz produite lors de cet emballement thermique est comprise entre 110 litres et 180 litres pour une cellule de stockage d’électricité de 60 Ah, en l’absence de combustion.
Il est possible, pour gérer la surpression à l’intérieur de l’enveloppe de la batterie, de prévoir des évents situés dans le couvercle de l’enveloppe, ou sur un des côtés latéraux de cette enveloppe.
Ces gaz chauds doivent impérativement être évacués pour éviter de crever l’enveloppe de la batterie.
Par ailleurs, les batteries de stockage d’électricité de grande capacité du type utilisé pour les véhicules automobiles comportent un circuit de conditionnement thermique des cellules de stockage d’électricité, dans lequel circule un fluide caloporteur. Ce circuit de conditionnement thermique permet d’évacuer l’énergie thermique générée par les cellules de stockage d’électricité en fonctionnement.
Le volume occupé par le fluide caloporteur varie avec sa température.
Quand le circuit de conditionnement thermique est délimité à l’intérieur du volume interne de l’enveloppe, la dilatation thermique du fluide caloporteur peut créer une pression significative sur certaines zones de l’enveloppe de la batterie, notamment le couvercle.
Dans le cas où les cellules de stockage d’électricité sont placées directement en contact avec un fluide caloporteur diélectrique, celui-ci remplit les espaces libres de l’enveloppe et exerce une pression sur presque toute la surface du couvercle. Du fait que le couvercle présente une taille importante, une pression même modérée exercée sur le couvercle se traduit au total par une force importante tendant à déformer voire à séparer le couvercle du fond inférieur de la batterie.
Dans ce contexte, l’invention vise à proposer une batterie de stockage d’électricité permettant de résoudre les problèmes ci-dessus.
A cette fin, l’invention porte selon un premier aspect sur une structure de batterie de stockage d’électricité pour véhicule, la structure de batterie comprenant :
- une enveloppe délimitant intérieurement un volume de réception conformé pour recevoir des cellules de stockage d’électricité;
- un circuit de conditionnement thermique des cellules de stockage d’électricité prévu pour être rempli par un fluide caloporteur, délimité à l’intérieur du volume de réception ;
- un circuit d’évacuation présentant une extrémité amont et une extrémité aval débouchant à l’extérieur de la batterie de stockage d’électricité ;
- un dispositif de compensation et de dépressurisation, comprenant une chambre d’expansion ménagée dans le volume de réception et communiquant fluidiquement avec le circuit de conditionnement thermique, la chambre d’expansion comprenant au moins une paroi fixe et une paroi mobile déplaçable par rapport à la paroi fixe sur une plage de positions normales pour faire varier un volume interne de la chambre d’expansion, la paroi mobile étant en outre déplaçable par rapport à la paroi fixe jusqu’à une position de dépressurisation dans laquelle l’extrémité amont du circuit d’évacuation communique fluidiquement avec la chambre d’expansion.
L’échauffement du fluide caloporteur entraine une dilation thermique de ce fluide, celui-ci occupant une proportion du volume interne de l’enveloppe plus importante. Ce volume supplémentaire de fluide caloporteur peut être reçu dans la chambre d’expansion. La paroi mobile de la chambre d’expansion se déplace sous l’effet de la pression exercée par le fluide caloporteur, de telle sorte que le volume interne de la chambre d’expansion augmente.
La plage de positions normales de la paroi mobile permet de faire varier le volume interne de la chambre d’expansion de manière à s’adapter aux variations de volume du fluide caloporteur pour toute la fourchette de températures nominales de ce fluide.
La batterie est en effet soumise aux températures extérieures vues par le véhicule. Ces températures peuvent varier de -40 °C à +40 °C. Par ailleurs, en cas d’utilisation intense du véhicule, la décharge de la batterie entraine un échauffement des cellules de stockage d’électricité et donc un échauffement du fluide caloporteur. Dans une situation extrême, ce fluide pourrait atteindre la température de +80 °C.
Ainsi, la plage de positions normales pour le déplacement de la paroi mobile est prévue pour permettre à la chambre d’expansion de recevoir un volume supplémentaire de fluide caloporteur correspondant à l’expansion thermique du fluide caloporteur remplissant le circuit de conditionnement thermique depuis -40 °C jusqu’à +80 °C.
Ce volume supplémentaire est typiquement compris entre 0,5 litre et 3 litres, typiquement entre 0,7 litre et 2 litres, et vaut par exemple environ 1 litre.
Par ailleurs, en cas d’emballement thermique d’une ou plusieurs cellules de stockage d’électricité, les gaz générés vont se répandre dans le volume de réception de l’enveloppe, faisant ainsi augmenter la pression intérieure de cette enveloppe et dans la chambre d’expansion. La paroi mobile va ainsi être déplacée jusqu’à la position de dépressurisation, permettant aux gaz de s’écouler dans le circuit d’évacuation. Les gaz sont ensuite rejetés vers l’extérieur de la batterie, dans l’atmosphère.
La structure de batterie peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- l’enveloppe comporte un châssis creux prévu pour être tourné vers la surface de roulement du véhicule, le circuit d’évacuation passant à travers un volume interne du châssis creux;
- le dispositif de compensation et dépressurisation comprend un organe de rappel sollicitant la paroi mobile de la chambre d’expansion à l’encontre de la pression exercée par le fluide caloporteur, remplissant la chambre d’expansion, sur la paroi mobile ;
- le dispositif de compensation et dépressurisation comprend un tube ayant un tronçon supérieur définissant la paroi fixe de la chambre d’expansion, la paroi mobile de la chambre d’expansion étant un piston se déplaçant à l’intérieur du tube suivant un axe dudit tube ;
- le tube comprend un tronçon inférieur définissant l’extrémité amont du circuit d’évacuation ;
- le tronçon supérieur du tube présente une première section, le tronçon inférieur du tube présentant une seconde section supérieure à la première section ;
- la paroi mobile de la chambre d’expansion présente une face supérieure délimitant la chambre d’expansion et une surface latérale en vis-à-vis du tube, la surface latérale comprenant au moins une rainure en creux présentant une extrémité ouverte débouchant au niveau de la face supérieure de la paroi mobile et une extrémité fermée opposée à l’extrémité ouverte ;
- le tronçon supérieur du tube a au moins un orifice de circulation mettant en communication la chambre d’expansion avec le circuit de conditionnement thermique situé en point haut du volume de réception quand la batterie est horizontale.
Selon un second aspect, l’invention porte sur une batterie de stockage d’électricité pour un véhicule, comprenant :
- une structure de batterie ayant les caractéristiques ci-dessus, le fluide caloporteur remplissant le circuit de conditionnement thermique étant un fluide caloporteur diélectrique ;
- une pluralité de cellules de stockage d’électricité directement en contact avec le fluide caloporteur remplissant le circuit de conditionnement thermique.
Selon un troisième aspect, l’invention porte sur un procédé de remplissage du circuit de conditionnement thermique d’une batterie de stockage d’électricité comprenant une structure de batterie ayant les caractéristiques ci-dessus, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- placer la batterie de stockage d’électricité à l’horizontale ;
- mettre en communication l’extrémité amont du circuit d’évacuation avec la chambre d’expansion du dispositif de compensation et de dépressurisation;
- remplir en fluide caloporteur le circuit de conditionnement thermique par une entrée de fluide caloporteur et/ou une sortie de fluide caloporteur, jusqu’à ce que le fluide caloporteur s’écoule dans le tube;
- isoler l’extrémité amont du circuit d’évacuation de la chambre d’expansion, en plaçant la paroi mobile dans sa plage de position normale.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va en être donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- La figure 1 est une une représentation schématique simplifiée d’une batterie de stockage d’électricité selon l’invention, en vue de dessus, seul un petit nombre de cellules de stockage d’électricité étant représenté, le couvercle n’étant pas représenté ;
La figure 2 est une vue en section d’un détail de la batterie d’électricité de la figure 1, pris selon l’incidence des flèches II, montrant le dispositif de compensation et de dépressurisation.
La batterie électrique représentée sur les figures 1 et 2 est destinée à équiper un véhicule, typiquement un véhicule automobile tel qu’une voiture, un bus ou un camion.
Le véhicule est par exemple un véhicule propulsé par un moteur électrique, le moteur étant alimenté électriquement par la batterie électrique. En variante, le véhicule est de type hybride, et comporte ainsi un moteur thermique et un moteur électrique alimenté électriquement par la batterie électrique. Selon encore une autre variante, le véhicule est propulsé par un moteur thermique, la batterie électrique étant prévue pour alimenter électriquement d’autres équipements du véhicule, par exemple le démarreur, les feux, etc…
La batterie comporte une structure de batterie 1 et une pluralité de cellules 3 de stockage d’électricité. Sur la figure 1, seules quelques cellules de stockage d’électricité 3 ont été représentées, mais la batterie comporte un grand nombre de cellules de stockage d’électricité 3, typiquement plusieurs dizaines de cellules de stockage d’électricité 3.
Les cellules de stockage d’électricité 3 sont de tout type adapté. Par exemple, ce sont des cellules au lithium de type lithium-ion polymère ((Li-Po), lithium-fer-phosphate (LFP), lithium-cobalt (LCO), lithium-manganèse (LMO), nickel-manganèse-cobalt (NMC), ou des cellules de type NiMH («nickel metal hydride» en anglais).
Les cellules de stockage d’électricité 3 sont de type parallélépipédique dans l’exemple illustré sur la figure 1. En variante, les cellules de stockage d’électricité 3 sont de type poche.
Les cellules de stockage d’électricité 3 sont distribuées dans un ou plusieurs modules 5, typiquement dans plusieurs modules 5. Le nombre de cellules de stockage d’électricité par module et le nombre total de modules dans la batterie sont fonction de la capacité souhaitée pour la batterie.
La structure de batterie 1 comporte une enveloppe 7 délimitant intérieurement un volume de réception 9 conformé pour recevoir les cellules de stockage d’électricité 3.
L’enveloppe 7, comme visible sur la figure 2, comporte un châssis creux 11 prévu pour être tourné vers une surface de roulement du véhicule. Le châssis creux 11, dans l’exemple représenté, comporte une plaque supérieure 13 délimitant le volume de réception 9, et une plaque inférieure 15 tournée vers la surface de roulement. La plaque supérieure 13 et la plaque inférieure 15 sont écartées l’une de l’autre.
Le châssis creux 11 présente donc un volume interne libre 17, entre la plaque supérieure 13 et la plaque inférieure 15, dans lequel sont typiquement logés des profilés de rigidification non représentés.
Les cellules de stockage d’électricité 3 reposent sur la plaque supérieure 13.
L’enveloppe 7 comporte encore un couvercle 19.
Le couvercle 19 est rigidement fixé sur le châssis 11, de manière étanche.
Le couvercle 19 et le châssis creux 11 délimitent entre eux le volume de réception 9.
Typiquement, le couvercle 19 présente un fond supérieur 21, un bord dressé non représenté entourant le fond supérieur21, le bord dressé se prolongeant par une collerette sortante plaquée contre la plaque supérieure 13.
La structure de batterie 1 comporte encore un circuit de conditionnement thermique 23 des cellules de stockage d’électricité 3, prévu pour être rempli par un fluide caloporteur. Le circuit de conditionnement thermique 23 est délimité à l’intérieur du volume de réception 9. Il est représenté de manière schématique sur la figure 1.
Le circuit de conditionnement thermique 23 est prévu au moins pour évacuer l’énergie thermique dégagée par les cellules de stockage d’électricité 3 en fonctionnement.
Comme visible sur la figure 1, ce circuit 23 comporte une entrée de fluide caloporteur 25 et une sortie de fluide caloporteur 27. Il comporte par exemple un collecteur d’alimentation 29 raccordé fluidiquement à l’entrée de fluide caloporteur 25, et un collecteur d’évacuation 31 raccordé fluidiquement à la sortie de fluide caloporteur 27.
Dans l’exemple représenté, le circuit de conditionnement thermique 23 comporte encore une pluralité de sous-collecteurs d’alimentation 33, raccordés fluidiquement au collecteur d’alimentation 29. Chaque sous-collecteur d’alimentation 33 dessert un ou plusieurs modules 5, deux modules 5 dans l’exemple de réalisation de la figure 1. Chaque sous-collecteur 33 distribue le fluide caloporteur dans une pluralité de conduits 35 de refroidissement des cellules de stockage d’électricité 3 du ou des modules 5.
Le circuit de conditionnement thermique 23 comporte encore une pluralité de sous-collecteurs d’évacuation 37, raccordés fluidiquement au collecteur d’évacuation 31. Chaque sous-collecteur d’évacuation 37 dessert un ou plusieurs modules 5, deux modules dans l’exemple représenté.
Les conduits de refroidissement 35 desservant les cellules de stockage d’électricité du ou des modules 5 sont raccordés aux sous-collecteurs d’évacuation 37 correspondants.
En variante, d’autres agencements du circuit de conditionnement thermique sont possibles.
Dans l’exemple représenté, le fluide caloporteur remplissant le circuit de conditionnement thermique 23 est un fluide caloporteur diélectrique.
Les cellules de stockage d’électricité 3 sont placées directement en contact avec le fluide caloporteur remplissant le circuit de conditionnement thermique 23.
Le fluide diélectrique est par exemple un liquide réfrigérant, fluoré ou non, ou une huile minérale, ou une huile végétale modifiée.
Le fluide caloporteur remplit tous les espaces libres du volume de réception 9.
Le circuit de conditionnement thermique 23 est typiquement raccordé à un circuit de refroidissement extérieur, prévu à bord du véhicule. Ce circuit de refroidissement extérieur est raccordé fluidiquement aux orifices d’entrée et de sortie de fluide caloporteur 25, 27. Il comporte au moins un organe assurant la circulation du fluide caloporteur le long du circuit de conditionnement thermique 23, et un échangeur de chaleur agencé pour refroidir le fluide caloporteur circulant dans le circuit de conditionnement thermique 23.
La structure de batterie 1 comporte encore un circuit d’évacuation 39 représenté de manière schématique sur la figure 1. Ce circuit d’évacuation 39 est prévu pour évacuer les gaz produits à l’intérieur des cellules de stockage d’électricité 3 en cas d’emballement thermique.
Le circuit d’évacuation 39 présente une extrémité amont 41 qui sera décrite plus loin, et une extrémité aval 43 débouchant à l’extérieur de la batterie.
Le circuit d’évacuation 39 passe avantageusement à travers le volume interne 17 du châssis creux 11.
En d’autres termes, les gaz circulant de l’extrémité amont 41 jusqu’à l’extrémité aval 43 s’écoulent à travers le volume interne 17 délimité entre la plaque supérieure 13 et le plaque inférieure 15. La structure de batterie 1 comporte encore un dispositif de compensation et de dépressurisation 45.
Ce dispositif est prévu pour permettre l’expansion thermique du fluide caloporteur remplissant le circuit de conditionnement thermique 23, sans augmenter significativement la pression interne dans l’enveloppe 7 de la structure de batterie. Il est également prévu pour, en cas d’emballement thermique d’une ou plusieurs cellules de stockage d’électricité 3, mettre en communication le volume de réception 9 avec le circuit d’évacuation 39, de manière à permettre l’évacuation des gaz dégagés par les cellules de stockage d’électricité hors de la batterie.
Le dispositif de compensation et de dépressurisation 45, comme visible sur la figure 2, comprend une chambre d’expansion 47 ménagée dans le volume de réception 9 et communiquant fluidiquement avec le circuit de conditionnement thermique 23.
La chambre d’expansion 47 comprend au moins une paroi fixe 49 et une paroi mobile 51 déplaçable par rapport à la paroi fixe 49 sur une plage de positions normales pour faire varier un volume interne de la chambre d’expansion 47.
En outre, la paroi mobile 51 est déplaçable par rapport à la paroi fixe 49 jusqu’à une position de dépressurisation dans laquelle l’extrémité amont 41 du circuit d’évacuation 39 communique fluidiquement avec la chambre d’expansion 47.
Le dispositif de compensation et de dépressurisation 45 comprend un organe de rappel 53 sollicitant la paroi mobile 51 de la chambre d’expansion 47 à l’encontre de la pression exercée sur la paroi mobile 51 par le fluide caloporteur remplissant la chambre d’expansion 47.
En d’autres termes, la chambre d’expansion 47, en fonctionnement normal, est constamment remplie par le fluide caloporteur, du fait qu’elle est en communication fluidique avec le circuit de conditionnement thermique 23.
On entend ici par fonctionnement normal une situation où la batterie est opérationnelle, et où les cellules de stockage d’électricité 3 ne sont pas dans une situation d’emballement thermique.
La position de la paroi mobile 51, dans la plage de positions normales, résulte donc de l’équilibre des forces entre la pression exercée par le fluide caloporteur remplissant la chambre d’expansion 47 sur la paroi mobile 51 d’une part, et la force de rappel exercée par l’organe de rappel 53 d’autre part.
Dans l’exemple représenté sur la figure 2, le dispositif de compensation et de dépressurisation 45 comporte un tube 55.
Le tube 55 est logé dans le volume de réception 9.
Le tube 55 présente un tronçon supérieur 57 définissant la paroi fixe 49 de la chambre d’expansion 47.
La paroi mobile 51 de la chambre d’expansion 47 est alors un piston se déplaçant à l’intérieur du tube 55, suivant un axe central X dudit tube 55.
Le tube 55 comprend encore un tronçon inférieur 59 définissant l’extrémité amont 41 du circuit d’évacuation 39.
Le tronçon supérieur 57 du tube 55 présente, perpendiculairement à l’axe X du tube 55, une première section, le tronçon inférieur 59 du tube 55 présentant, perpendiculairement à l’axe X, une seconde section supérieure à la première section. Le tronçon inférieur 59 est raccordé au tronçon supérieur 57 par un épaulement 61.
Le tronçon supérieur 57 est de section sensiblement constante.
De même, le tronçon inférieur 59 est de section sensiblement constante.
Le tronçon supérieur 57 présente typiquement une section droite circulaire. En variante, il présente une section droite ovale, rectangulaire, ou toute autre section.
Dans l’exemple représenté, le tube 55 est agencé avec son axe X sensiblement perpendiculaire au châssis creux 11.
Le tronçon inférieur 59 du tube 55 présente une extrémité inférieure 62 à l’opposé du tronçon supérieur 57, en appui sur la plaque supérieure 13, par l’intermédiaire d’une collerette sortante 63.
L’extrémité inférieure 62 du tronçon inférieur 59 du tube 55 est placée en coïncidence avec un orifice 65, ménagé dans la plaque supérieure 13. Le volume interne 17 du châssis creux 11 communique ainsi avec l’intérieur du tube 55 par l’intermédiaire de l’orifice 65.
L’extrémité supérieure 67 du tronçon supérieur 57 s’étend immédiatement sous le couvercle 19 de l’enveloppe 7, et plus précisément immédiatement sous le fond supérieur 21.
Des orifices de circulation 69 sont ménagés dans le tronçon supérieur 57 du tube 55. Ces orifices de circulation 69 mettent en communication la chambre d’expansion 47 avec le circuit de conditionnement thermique 23. Ils sont placés en un point haut du volume de réception 9, pour des raisons qui seront expliquées plus loin.
Si nécessaire, et comme illustré sur la figure 2, le fond supérieur 21 du couvercle 19 présente un relief en creux 70 vers l’extérieur du volume de réception 9, dans lequel est logée l’extrémité supérieure 67 du tronçon supérieur 57 du tube 55. Ce relief en creux 70 permet de constituer un point haut pour le volume de réception 9.
La paroi mobile 51 de la chambre d’expansion 47 présente une forme générale cylindrique, coaxiale à l’axe X.
Elle présente une face supérieure 71 délimitant la chambre d’expansion 47 et une surface latérale 73 en vis-à-vis du tube 55.
Elle présente encore une face inférieure 75, à l’opposé de la face supérieure 71.
La face supérieure 71, dans l’exemple représenté, s’étend dans un plan sensiblement perpendiculaire à l’axe X.
Une gorge 77 est ménagée dans la surface latérale 73. Un joint d’étanchéité 79 est engagé dans la gorge 77, et crée une étanchéité glissante entre la paroi mobile 51 et la surface interne du tronçon supérieur 57 du tube 55.
La surface latérale 73 de la paroi mobile 51 comporte également au moins une rainure en creux 81 présentant une extrémité ouverte 83 débouchant au niveau de la face supérieure 71 de la paroi mobile 51 et une extrémité fermée 85 à l’opposé de l’extrémité ouverte 83.
Dans l’exemple représenté, la surface latérale 73 comporte quatre rainures en creux 81, disposées à 90° les unes des autres autour de l’axe X. En variante, la surface latérale 73 porte moins de quatre rainures en creux ou plus de quatre rainures en creux.
Dans l’exemple représenté, chaque rainure en creux 81 est rectiligne et parallèle à l’axe X. Elle s’étend typiquement sur au moins 50% de la hauteur de la surface latérale 73 de la paroi mobile 51, prise parallèlement à l’axe X. Dans l’exemple représenté, la ou chaque rainure 81 est rectiligne.
La ou chaque rainure 81 est entièrement située dans la portion de la surface latérale 73 comprise entre la gorge 77 et la face supériure 71 de la paroi mobile 51.
La gorge 77 est située à proximité immédiate de la face inférieure 75 de la paroi mobile 51.
De manière à faciliter le coulissement de la paroi mobile 51 à l’intérieur du tube 55, la surface interne du tronçon supérieur 57 du tube 55 présente de préférence une rugosité inférieure à 15 µm. En variante ou en supplément, cette surface interne est revêtue d’une couche d’un matériau à faible coefficient de frottement présentant une rugosité inférieure à 10 µm, de préférence entre 2 et 8 µm, par exemple en téflon (PTFE).
La paroi mobile 51 de la chambre d’expansion 47 est typiquement en une matière plastique, par exemple en polypropylène ou en polyamide. Avantageusement, la matière plastique est renforcée de fibre de verre.
Le tube 55 est de préférence en acier.
La plaque inférieure 15 du châssis 11 présente, immédiatement en face de l’orifice 65, un orifice correspondant 87, fermé par une trappe amovible 89.
La trappe 89 est fixée de manière amovible à la plaque inférieure 15 par des organes de fixation amovibles 91, tels que des vis.
L’organe de rappel 53 du dispositif de compensation et de dépressurisation 45 est un organe élastique, typiquement un ressort. Dans l’exemple représenté, c’est un ressort hélicoïdal, coaxial à l’axe X.
La face inférieure 75 de la paroi mobile 51 est creusée de manière à définir une coupelle d’appui pour une extrémité supérieure de l’organe de rappel 53. Une extrémité inférieure de l’organe de rappel 53 est en appui sur la trappe 89.
Dans l’exemple représenté sur la figure 2, une entretoise cylindrique 93 est placée dans le volume interne 17 du châssis 11, autour de l’orifice 65 et de l’orifice correspondant 87.
Cette entretoise 93 présente sensiblement le même diamètre que le tronçon inférieur 59 du tube 55 et est placé axialement dans le prolongement de celui-ci. Il est en appui contre la plaque supérieure 13 du châssis 11 et en appui contre la plaque inférieure 15 du châssis 11, par des collerettes sortantes non référencées.
L’entretoise cylindrique 93 est percée d’une pluralité de trous 95, permettant la circulation des gaz depuis l’intérieur du tube 55 vers le volume interne 17 du châssis 11.
Comme illustré sur la figure 2, les orifices de circulation 69 ménagés à le tronçon supérieur 57 du tube 55 débouchent dans un sous-collecteur 97, raccordé lui-même d’un côté au collecteur d’alimentation 29 et d’un côté opposé au collecteur d’évacuation 31. En variante, la chambre d’expansion 47 est raccordée à un des sous collecteurs d’évacuation 37. De manière avantageuse, la chambre d’expansion 47 est reliée à n’importe quelle partie du réseau fluidique.
Le fonctionnement du dispositif de compensation et de dépressurisation 45 comme vase d’expansion va maintenant être détaillé.
Comme indiqué plus haut, une batterie de véhicule automobile est soumise aux températures extérieures vues par ce véhicule. Ceci est vrai notamment pour les véhicules à propulsion électrique, dont la batterie est généralement placée sous le véhicule.
Ces températures peuvent aller de -40°C à +40°C. L’ensemble de la batterie peut atteindre cette température, si l’exposition est assez longue.
En cas d’utilisation intense du véhicule, la décharge de la batterie entraîne un échauffement des cellules de stockage d’électricité 3. De même, en cas de recharge notamment de recharge rapide de la batterie, il se produit également un échauffement des cellules de stockage d’électricité 3.
Dans tous les cas, cet échauffement entraîne également un échauffement du fluide caloporteur, qui dans un cas extrême peut atteindre la température de +80°C.
Pour une batterie du type décrit plus haut, avec des cellules de stockage d’électricité 3 en contact direct avec un fluide caloporteur diélectrique, le volume de fluide diélectrique est d’environ 8 litres pour une batterie de capacité de 85 kW/heure. La densité du fluide caloporteur à -40°C est de 0,9 kg/l, alors qu’elle est de 0,81 kg/l à +80°C. Le volume du fluide augmente ainsi de 0,9 l environ entre -40°C et +80°C.
Par ailleurs, les variations de température de la batterie provoquent également la dilatation des éléments constituant cette batterie.
Notamment, les cellules de stockage d’électricité 3 occupent un volume qui varie en fonction des cycles de charge et de décharge. On observe deux types de variations : une variation dépendant directement de la charge ou de la décharge, très dépendante de l’intensité des charges et décharges. Ce phénomène peut être comparé à une respiration. Une autre variation est liée au vieillissement à long terme des cellules de stockage d’électricité, et entraîne une augmentation de volume.
Ainsi, le volume disponible pour le fluide caloporteur dans l’enveloppe 7 de la batterie résulte à la fois de la variation de densité de ce fluide caloporteur, et de la variation du volume des cellules de stockage d’électricité elles-mêmes. Du fait que le fluide caloporteur est un liquide incompressible, il est important de compenser ces variations, pour ne pas déformer l’enveloppe de la batterie.
Ceci est particulièrement important car la batterie peut avoir des dimensions importantes. Le couvercle 19 de la batterie peut avoir par exemple une longueur de 2 m et une largeur d’1,8 m. Une surpression de 10 millibars à l’intérieur de l’enveloppe 7 conduit dans ce cas à une pression de 360 kg sur ce couvercle 19. Il est donc important de minimiser cette pression.
Pour maintenir la pression à l’intérieur de l’enveloppe 7 de la batterie à un niveau aussi faible que possible, en dépit de l’expansion thermique du fluide caloporteur et des variations du volume occupé par les cellules de stockage d’électricité, il est prévu d’adapter le volume disponible pour le fluide caloporteur dans la chambre d’expansion 47.
Cette adaptation se fait par déplacement de la paroi mobile 51 par rapport à la paroi fixe 49. Ce déplacement est effectué facilement, et résulte de l’équilibre entre la pression exercée par le fluide caloporteur remplissant la chambre d’expansion 47 et la force de rappel de l’organe 53.
Quand la pression de fluide caloporteur augmente à l’intérieur de l’enveloppe 7, la force exercée par le fluide caloporteur sur la paroi mobile 51 augmente, et la paroi mobile 51 se déplace dans le sens d’une augmentation du volume de la chambre d’expansion 47. Au contraire, quand la pression à l’intérieur de l’enveloppe 7 diminue, la force exercée par le fluide caloporteur sur la paroi mobile 51 diminue, et celui-ci se déplace dans le sens d’une réduction du volume de la chambre d’expansion 47, sous l’effet de la force de rappel exercée par l’organe 53.
La plage de positions normales pour la paroi mobile 51 est délimitée par les lignes en traits interrompus c et f de la figure 2. Cette plage de position correspond ici aux positions de la face supérieure 71 de la paroi mobile 51. La position f correspond à la position de la face supérieure 71 quand la chambre d’expansion 47 a son volume minimal. La position c correspond à la position de la face supérieure 71 quand la chambre d’expansion 47 a son volume maximal.
Le volume minimal correspond par exemple à une situation où la batterie est à une température de -40°C, les cellules de stockage d’électricité 3 étant au repos et n’étant pas encore déformées du fait du vieillissement.
Le volume maximal correspond à la situation où la batterie est à une température de +80°C, les cellules de stockage d’électricité 3 étant gonflées sous l’effet à la fois d’une opération de charge ou de décharge, et du vieillissement.
Par exemple, la variation de volume de la chambre d’expansion 47 entre les positions f et c est d’environ 1 litre.
Comme indiqué plus haut, l’état de la surface interne du tronçon supérieur 57 du tube 55 est choisi pour minimiser les frictions entre le piston et le tube.
Par ailleurs, l’organe de rappel 53 est conçu pour que l’effort de rappel exercé sur la paroi mobile 51 soit aussi constant que possible, et varie peu en fonction de la position de la paroi mobile 51.
L’effort exercé par l’organe de rappel 53 tend à augmenter en fonction de la course de la paroi mobile 51. En revanche, plus la section de la paroi mobile 51 est grande, plus la surface de joint en contact avec la paroi fixe 49 est importante, et plus la friction est importante également. Le choix de la section du tronçon supérieur 49 du tube 55 et de la course de la paroi mobile 51 est donc un compromis pour limiter la friction entre la paroi mobile 51 et la paroi fixe 49, tout en maintenant un effort exercé par l’organe de rappel 53 aussi constant que possible.
Par exemple, le tronçon supérieur 57 du tube 55 présente un diamètre de 20 mm, c’est-à-dire une surface de 314 mm2. L’effort exercé par l’organe de rappel 53 sur la paroi mobile 51 est de 2,5 Newton quand le volume de la chambre d’expansion 47 est minimum, et de 2,9 Newton quand le volume de la chambre d’expansion 47 est maximum.
En position haute, c’est-à-dire en position f sur la figure 2, la pression exercée par la paroi mobile 51 sur le fluide caloporteur est de 76 millibars. En position basse, c’est-à-dire en position c sur la figure 2, la pression exercée par la paroi mobile 51 sur le fluide caloporteur est de 91 millibars.
Le fonctionnement du dispositif de compensation et de dépressurisation 45 pour permettre l’évacuation des gaz issus d’un emballement thermique d’une ou plusieurs cellules de stockage d’électricité 3 va maintenant être décrit.
Comme indiqué plus haut, en cas d’emballement thermique d’une ou plusieurs cellules de stockage d’électricité 3, des gaz se répandent dans le volume de réception 9 de la batterie une fois que la peau de la ou chaque cellule de stockage d’électricité est crevée.
La pression à l’intérieur de l’enveloppe 7 augmente alors fortement, de telle sorte que la paroi mobile 51 est poussée au-delà de la plage de positions normales, jusqu’à la position de dépressurisation.
Les gaz vont en effet repousser le fluide caloporteur, qui n’a qu’une seule échappatoire : la chambre d’expansion 47. Quand la paroi mobile 51 atteint la position s illustrée sur la figure 2, l’extrémité fermée 85 de la ou chaque rainure en creux 81 s’engage dans le tronçon inférieur 59 du tube 55.
Ceci crée une communication fluidique entre la chambre d’expansion 47 et l’extrémité amont 41 du circuit d’évacuation 39. Le fluide caloporteur d’abord, puis les gaz ensuite, peuvent ainsi s’écouler vers le tronçon inférieur 59 du tube 55 puis à travers l’orifice 65.
Le fluide caloporteur et les gaz peuvent ensuite s’écouler le long du circuit d’évacuation 39, à travers le volume interne 17 du châssis creux 11, jusqu’à l’extrémité aval 43 du circuit d’évacuation 39.
Suivant la quantité de gaz générée par l’emballement thermique, la paroi mobile 51 sera plus ou moins repoussée. Si l’emballement thermique est important, la génération de gaz va continuer et le trajet des gaz se fera le plus directement possible. Au fur et à mesure de son passage, le gaz va réchauffer l’ensemble des composants qu’il rencontre. Au bout d’un certain temps, les gaz seront assez chauds pour fondre la matière plastique constituant la paroi mobile 51, laissant ainsi une plus large section de passage pour l’évacuation de ce gaz. Ceci contribue à diminuer la pression à l’intérieur de la batterie.
Comme indiqué plus haut, les orifices de circulation 69 sont situés en point haut du volume de réception 9 délimité par l’enveloppe 7, de telle sorte que la batterie ne se vidange pas de tout son fluide caloporteur. Ceci permet de ralentir la propagation de l’échauffement aux zones qui jouxtent les cellules de stockage d’électricité parties en emballement thermique.
Le fait que le tube 55 soit en acier, ou en tout autre matériau résistant à l’échauffement, est avantageux de ce point de vue. Un tube en aluminium ou en matière plastique pourrait fondre rapidement sous l’effet de l’échauffement dû aux gaz, provoquant une vidange complète de la batterie.
Le dispositif de compensation et de dépressurisation 45 est également avantageux pour le remplissage de la batterie en fluide caloporteur.
En effet, le remplissage de la batterie doit se faire de telle façon qu’il n’existe quasiment plus d’air dans le volume de réception 9 une fois le remplissage achevé.
Les orifices d’entrée et de sortie de fluide caloporteur 25, 27 sont typiquement placés non pas sur le fond supérieur 21 mais latéralement, par exemple sur le bord dressé du couvercle 19. En effet, le fond supérieur 21 du couvercle 19 est généralement en face du plancher du véhicule.
Le procédé de remplissage du circuit de conditionnement thermique 23 de la batterie comprend les étapes suivantes :
- placer la batterie 1 à l’horizontale ;
- mettre en communication l’extrémité amont 41 du circuit d’évacuation 39 avec la chambre d’expansion 47 ;
- remplir en fluide caloporteur le circuit de conditionnement thermique 23 par l’entrée de fluide caloporteur 25 et/ou la sortie de fluide caloporteur 27, jusqu’à ce que le fluide caloporteur s’écoule dans le tube 55 ;
- isoler l’extrémité amont 41 du circuit d’évacuation 39 de la chambre d’expansion 47, en plaçant la paroi mobile 51 dans sa plage de position normale.
On entend ici par placer la batterie à l’horizontale le fait de placer la batterie de telle sorte que le châssis creux 11 soit horizontal, l’axe X du tube étant alors sensiblement vertical.
La mise en communication de l’extrémité amont 41 du circuit d’évacuation 39 avec la chambre d’expansion 47 est typiquement réalisée en déplaçant la paroi mobile 51 jusqu’à la position s illustrée sur la figure 2, c’est-à-dire dans une position telle que la ou les rainures en creux 81 mettent en communication fluidique le tronçon supérieur 57 du tube 55 avec le tronçon inférieur 59 du tube 55.
Pour ce faire, la trappe 89 est démontée et l’organe de rappel 53 est extrait hors du tube 55.
Pendant l’étape de remplissage, le fluide caloporteur va d’abord remplir les zones basses du circuit de conditionnement thermique 23. A la fin du remplissage, il va atteindre le point haut du volume de réception 9, correspondant aux orifices de circulation 69. Quand le fluide caloporteur sort par le tube 55, le circuit de conditionnement thermique 23 est entièrement rempli par le fluide caloporteur. L’alimentation de l’entrée de fluide caloporteur 25 et/ou de la sortie de fluide caloporteur 27 est interrompue.
Pour isoler l’extrémité amont 41 du circuit d’évacuation 39 de la chambre d’expansion 47, la paroi mobile 51 est repoussée jusqu’à sa position théorique compte tenu de la température du fluide caloporteur et de la batterie. L’organe de rappel 53 est ensuite remis en place et la trappe 89 est fixée sur la plaque inférieure 15 du châssis 11.
Ainsi, le dispositif de compensation et de dépressurisation 45 permet de réaliser de manière très commode le remplissage du circuit de conditionnement thermique 23 et le débullage.
Ceci est particulièrement avantageux du fait de la géométrie complexe de la batterie. Dans un environnement aussi complexe, le débullage par mise au vide du circuit de conditionnement thermique 23 est compliqué à réaliser et ne produit pas de bons résultats.
Un débullage par tirage au vide prendrait beaucoup de temps et une partie des composants de la batterie devrait être renforcée pour résister à la différence de pression entre l’intérieur et l’extérieur de la batterie.
Un autre moyen pour réaliser le débullage serait de faire circuler le fluide caloporteur en envoyant une grande quantité de liquide pour repousser les bulles d’air. Ceci est difficilement envisageable, et ne peut se faire que si le circuit de conditionnement thermique 23 ne comporte que des portions placées en série les unes avec les autres, sans portions placées en parallèle.
Avec la présente invention, il est possible d’agencer le circuit de conditionnement thermique 23 selon n’importe quel parcours, avec des portions en série et/ou en parallèle.
L’invention a été décrite ci-dessus avec un fluide caloporteur diélectrique et des cellules de stockage d’électricité placées directement en contact avec le fluide caloporteur. Toutefois, elle s’applique également au cas d’un fluide caloporteur non diélectrique, en contact thermique indirect avec les cellules de stockage d’électricité.
Par ailleurs, il a été décrit plus haut un circuit d’évacuation à travers le châssis creux. En variante, le circuit d’évacuation ne passe pas par le châssis creux.
Dans l’exemple de réalisation décrit ci-dessus, la paroi fixe 49 est un tube et la paroi mobile 51 constitue un piston se déplaçant à l’intérieur du tube 55. En variante, la paroi mobile est un volet pivotant.

Claims (10)

  1. Structure de batterie de stockage d’électricité pour véhicule, la structure de batterie (1) comprenant :
    - une enveloppe (7) délimitant intérieurement un volume (9) de réception conformé pour recevoir des cellules de stockage d’électricité (3);
    - un circuit (23) de conditionnement thermique des cellules de stockage d’électricité (3) prévu pour être rempli par un fluide caloporteur, délimité à l’intérieur du volume de réception (9) ;
    - un circuit d’évacuation (39) présentant une extrémité amont (41) et une extrémité aval (43) débouchant à l’extérieur de la batterie de stockage d’électricité ;
    - un dispositif de compensation et de dépressurisation (45), comprenant une chambre d’expansion (47) ménagée dans le volume de réception (9) et communiquant fluidiquement avec le circuit de conditionnement thermique (23), la chambre d’expansion (47) comprenant au moins une paroi fixe (49) et une paroi mobile (51) déplaçable par rapport à la paroi fixe (49) sur une plage de positions normales pour faire varier un volume interne de la chambre d’expansion (47), la paroi mobile (51) étant en outre déplaçable par rapport à la paroi fixe (49) jusqu’à une position de dépressurisation dans laquelle l’extrémité amont (41) du circuit d’évacuation (39) communique fluidiquement avec la chambre d’expansion (47).
  2. Structure de batterie de stockage d’électricité selon la revendication 1, dans laquelle l’enveloppe (7) comporte un châssis creux (11) prévu pour être tourné vers la surface de roulement du véhicule, le circuit d’évacuation (39) passant à travers un volume interne (17) du châssis creux (11).
  3. Structure de batterie de stockage d’électricité selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de compensation et dépressurisation (45) comprend un organe de rappel (53) sollicitant la paroi mobile (51) de la chambre d’expansion (47) à l’encontre de la pression exercée par le fluide caloporteur, remplissant la chambre d’expansion (47), sur la paroi mobile (51).
  4. Structure de batterie de stockage d’électricité selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le dispositif de compensation et dépressurisation (45) comprend un tube (55) ayant un tronçon supérieur (57) définissant la paroi fixe (49) de la chambre d’expansion (47), la paroi mobile (51) de la chambre d’expansion (47) étant un piston se déplaçant à l’intérieur du tube (55) suivant un axe (X) dudit tube (55).
  5. Structure de batterie de stockage d’électricité selon la revendication 4, dans laquelle le tube (55) comprend un tronçon inférieur (59) définissant l’extrémité amont (41) du circuit d’évacuation (39).
  6. Structure de batterie de stockage d’électricité selon la revendication 5, dans laquelle le tronçon supérieur (57) du tube (55) présente une première section, le tronçon inférieur (59) du tube (55) présentant une seconde section supérieure à la première section.
  7. Structure de batterie de stockage d’électricité selon la revendication 6, dans laquelle la paroi mobile (51) de la chambre d’expansion (47) présente une face supérieure (71) délimitant la chambre d’expansion (47) et une surface latérale (73) en vis-à-vis du tube (55), la surface latérale (73) comprenant au moins une rainure en creux (81) présentant une extrémité ouverte (83) débouchant au niveau de la face supérieure (71) de la paroi mobile (51) et une extrémité fermée opposée à l’extrémité ouverte.
  8. Structure de batterie de stockage d’électricité selon l’une quelconque des revendications 5 à 7, dans laquelle le tronçon supérieur (57) du tube (55) a au moins un orifice de circulation (69) mettant en communication la chambre d’expansion (47) avec le circuit de conditionnement thermique (23) situé en point haut du volume de réception (9) quand la batterie est horizontale.
  9. Batterie de stockage d’électricité pour un véhicule, comprenant :
    - une structure de batterie (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, le fluide caloporteur remplissant le circuit de conditionnement thermique (23) étant un fluide caloporteur diélectrique ; et
    - une pluralité de cellules (3) de stockage d’électricité directement en contact avec le fluide caloporteur remplissant le circuit de conditionnement thermique (23).
  10. Procédé de remplissage du circuit de conditionnement thermique (23) d’une batterie de stockage d’électricité comprenant une structure de batterie (1) selon la revendication 8, le procédé comprenant les étapes suivantes :
    - placer la batterie de stockage d’électricité à l’horizontale ;
    - mettre en communication l’extrémité amont (41) du circuit d’évacuation (39) avec la chambre d’expansion (47) du dispositif de compensation et de dépressurisation (45) ;
    - remplir en fluide caloporteur le circuit de conditionnement thermique (23) par une entrée de fluide caloporteur (25) et/ou une sortie de fluide caloporteur (27), jusqu’à ce que le fluide caloporteur s’écoule dans le tube (55) ;
    - isoler l’extrémité amont (41) du circuit d’évacuation (39) de la chambre d’expansion (47), en plaçant la paroi mobile (51) dans sa plage de position normale.
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