FR3115161A1 - Dispositif de stockage d’énergie. - Google Patents

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Abstract

Dispositif de stockage d’énergie Dispositif de stockage d'énergie (1), caractérisé en ce qu’il comprend un module de batterie (20), un puits thermique (3), et une interface thermique (40) interposée entre le module de batterie et le puits thermique, ladite interface thermique comprenant des moyens pour modifier sa conductivité thermique de manière réversible. Figure pour l’abrégé : figure 2

Description

Dispositif de stockage d’énergie.
Domaine Technique de l'invention
L’invention concerne un dispositif de stockage d’énergie. L’invention porte aussi sur un véhicule automobile comprenant un tel dispositif de stockage d’énergie.
Etat de la technique antérieure
Les performances des batteries de véhicules électriques ou hybrides dépendent fortement de leur température de fonctionnement. Il est donc nécessaire de maitriser les plages de températures auxquelles sont soumises de telles batteries.
A cet effet, la plupart des batteries de véhicules électriques ou hybrides sont équipées de systèmes permettant ce contrôle de la température (refroidissement/réchauffage). Ces systèmes mettent en œuvre un échange thermique entre la batterie et un puits thermique, via une interface thermique.
Il existe toutefois des situations dans lesquelles un système de refroidissement peut temporairement pénaliser le fonctionnement d’une batterie. C’est le cas notamment lorsque la température de la batterie se situe dans une plage de température optimale sans nécessité de la refroidir. De même, lorsque le véhicule est à l’arrêt, il peut être préférable d’éviter un refroidissement de la batterie afin d’optimiser son fonctionnement au redémarrage. Or, même si le système le système de refroidissement est à l’arrêt, la batterie peut se refroidir du fait de la conductivité thermique de la batterie vers le système de refroidissement, dont la température peut avoisiner celle de l’air ambiant.
Présentation de l'invention
Le but de l’invention est de fournir un dispositif de stockage d’énergie remédiant aux inconvénients ci-dessus et améliorant les dispositifs connus de l’art antérieur.
Plus précisément, le but de l’invention est de proposer un dispositif de stockage d’énergie permettant d’éviter un refroidissement, même passif, du dispositif de stockage dans des situations où le refroidissement n’est pas souhaitable.
A cet effet, l’invention porte sur un dispositif de stockage d'énergie, comprenant un module de batterie, un puits thermique, et une interface thermique interposée entre le module de batterie et le puits thermique, l’interface thermique comprenant des moyens pour modifier sa conductivité thermique de manière réversible.
Dans un mode de réalisation, l'interface thermique comprend une cellule électrochimique pourvue d'une électrode positive, les moyens pour modifier la conductivité thermique de l'interface thermique étant agencés dans l’électrode positive.
Dans un mode de réalisation, l’électrode positive comprend un matériau de conductivité thermique variable sous l'effet d'une insertion réversible d'ions dans sa structure.
Dans un mode de réalisation, le matériau de conductivité thermique variable comprend un dichalcogénure d'un métal de transition, notamment un dichalcogénure de tungstène et/ou un dichalcogénure de molybdène et/ou un dichalcogénure de titane.
Dans un mode de réalisation, la cellule électrochimique comprend un premier collecteur de courant, une électrode négative, un deuxième collecteur de courant et une couche isolante, le premier collecteur de courant étant adjacent à l'électrode négative, l'électrode négative étant adjacente à la couche isolante, la couche isolante étant adjacente à l’électrode positive et l’électrode positive étant adjacente au deuxième collecteur.
Dans un mode de réalisation, l'interface thermique comprend une couche de matériau de conductivité thermique variable en fonction de sa température.
Dans un mode de réalisation, le dispositif de stockage d'énergie comprend un moyen de chauffage de la couche de matériau de conductivité thermique variable.
Dans un mode de réalisation, l’électrode positive comprend une couche de matériau de conductivité thermique variable en fonction de sa température.
Dans un mode de réalisation, le dispositif de stockage d'énergie comprend un moyen de chauffage et le moyen de chauffage comprend une couche de matériau conducteur apte à produire un échauffement par effet Joule.
Dans un mode de réalisation, le puits thermique est une plaque inférieure destinée à s'étendre sous le module de batterie, la plaque appartenant à un boîtier supportant le module de batterie ou
le puits thermique est un support latéral destiné à s'étendre sur un côté du module de batterie, le support latéral appartenant à un boîtier supportant le module de batterie.
Dans un mode de réalisation, le module de batterie est un module de batterie solide.
L’invention porte également sur un véhicule automobile comprenant un dispositif de stockage d'énergie selon l'invention.
Présentation des figures
Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de trois modes de réalisation particuliers faits à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
La figure 1 est une vue schématique d'un véhicule automobile selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation d’un dispositif de stockage d’énergie selon l’invention.
La figure 3 représente schématiquement un autre mode de réalisation d’un dispositif de stockage d’énergie selon l’invention.
La figure 4 représente une interface thermique selon un premier mode de réalisation.
La figure 5 représente une interface thermique selon un deuxième mode de réalisation.
La figure 6 représente une interface thermique selon un troisième mode de réalisation.
Description détaillée
La figure 1 illustre schématiquement un véhicule 10 automobile équipé d’un dispositif de stockage d’énergie 1 selon un mode de réalisation de l'invention. Le véhicule 1 peut être un véhicule électrique ou hybride de toute nature. Notamment, il peut être par exemple un véhicule particulier (incluant les véhicules deux roues motorisés), un véhicule utilitaire, un camion ou un bus.
Le dispositif de stockage d’énergie 1 comprend une batterie 2, un puits thermique 3 et une interface 4 disposée entre la batterie 2 et le puits thermique 3.
La batterie électrique 2 peut être une batterie électrique de tout type. En particulier la batterie électrique peut être une batterie au lithium utilisant la technologie Li-ion. Alternativement, la batterie électrique peut être une batterie lithium tout solide. Une telle batterie possède des performances accrues lorsque la température est élevée, et ne nécessite qu'un faible refroidissement lors de son utilisation.
Dans un mode de réalisation, la batterie 2 comprend un ensemble de modules 20, chaque module regroupant une pluralité de cellules de batteries assemblées en série et/ou en parallèle. Les cellules comprennent un assemblage d’électrodes mettant en œuvre, par exemple, la technologie Li-ion ou la technologie lithium métal.
Le puits thermique 3 est un échangeur thermique dont le rôle principal est d’assurer une fonction de refroidissement de la batterie 2 via l’interface thermique 4.
Avantageusement, le puits thermique 3 peut être
- une plaque inférieure 31 destinée à s'étendre sous au moins un module de batterie 20, ladite plaque appartenant à un boîtier supportant l’au moins un module de batterie, et/ou
- un support latéral 32 destiné à s'étendre sur un côté de l’au moins un module de batterie, ledit support latéral appartenant à un boîtier supportant l’au moins un module de batterie 20.
En d’autres termes, dans un mode de réalisation minimal, le puits thermique 3 comprend au moins une paroi de boitier (ou carter) du dispositif de stockage d’énergie. Cette paroi peut être la paroi inférieure 31 du boitier, c’est-à-dire la paroi du boitier se situant le plus près du sol. Alternativement ou en complément l’au moins une paroi peut comprendre au moins une paroi transversale 32 dite « traverse » destinée en premier lieu à consolider le boitier. Les traverses sont classiquement disposées perpendiculairement à la paroi inférieure du boitier, et placées entre deux modules adjacents.
Pour assurer sa fonction d’échangeur thermique, le puits thermique est de préférence réalisé dans un matériau ayant une bonne conductivité thermique, cette dernière caractérisant la quantité de chaleur pouvant être transférée par le matériau en un temps donné. Dans le mode de réalisation présenté, les parois du boitier (ou carter) du pack batterie, ainsi que les traverses sont en aluminium.
Dans le mode de réalisation minimal, le puits thermique évacue la chaleur grâce au déplacement de l’air ambiant, généré par le déplacement du véhicule porteur du dispositif de stockage d’énergie. Alternativement, l’air peut être pulsé afin d’augmenter le débit d’air, ce qui permet au puits thermique d’évacuer plus efficacement la chaleur.
D’autres modes de réalisation du puits thermique peuvent être mis en œuvre, notamment des dispositifs utilisant le déplacement de liquides (comme par exemple de l’eau, de l’eau glycolée, du fluide frigorigène ou encore des fluides diélectriques) au contact ou à l’intérieur des parois inférieures et/ou transverses du puits thermique. Ces dispositifs nécessitent la matérialisation d’un circuit par une tuyauterie et l’utilisation d’une pompe pour générer le déplacement du liquide dans la tuyauterie.
L’interface thermique 4 est interposée entre la batterie thermique 2 et le puits thermique 3.
L’interface thermique 4 comprend des moyens pour modifier sa conductivité thermique de manière réversible.
L’interface thermique 4 selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs unités d’interface thermique 40. Dans un mode de réalisation, l’interface thermique 4 peut comprendre une unité d’interface thermique 40 par module de batterie 20, chaque unité d’interface thermique 40 étant interposée entre un module de batterie 20 et le puits thermique 3.
Ainsi, la conductivité thermique de l’interface thermique 4 disposée entre la batterie 2 et le puits thermique 3 peut être contrôlée grâce à chaque unité d’interface thermique 40 disposée entre chaque module de la batterie 2 et le puits thermique 3.
Chaque unité d’interface thermique 40 peut être commandée pour augmenter ou réduire sa conductivité thermique, selon un phénomène réversible. Avantageusement, les unités 40 peuvent être commandées de façon coordonnée, de sorte à homogénéiser la conduction thermique de l’interface 4, c’est-à-dire de l’ensemble des unités 40 qui composent l’interface thermique.
Dans la suite du document, le terme « interface thermique » pourra désigner l’au moins une unité d’interface thermique 40 composant une interface thermique 4.
La composition de l’interface thermique 40 est déterminée par le mode d’action choisi pour modifier sa conductivité. Ainsi, différents modes de réalisation d’une interface thermique 40 sont décrits ci-après.
Le premier mode de réalisation de l'interface thermique 40 présenté dans la figure 4 comprend une cellule électrochimique 41. Dans ce mode de réalisation, la conductivité thermique de l’interface thermique 40 est modifiée par application d’une tension aux bornes de la cellule électrochimique 41, cette tension générant une insertion réversible d'ions dans la structure de l’électrode positive 413 de la cellule électrochimique 41.
La cellule électrochimique 41 mise en œuvre dans ce premier mode de réalisation de l’interface thermique 40 comprend :
- une électrode négative 411, composée d’un mélange de graphite (préférentiellement de graphite, hard carbon ou soft carbon) et d’électrolyte solide, associée à un collecteur de courant 412 en cuivre, et
- une couche d’électrolyte solide pur 410, et
- une électrode positive 413 composée d’un électrolyte solide et de matière additionnelle, et
- un collecteur de courant 414 pour électrode positive qui peut être réalisé soit par une couche d’aluminium, soit par le puits thermique 3 si ce dernier n’est pas connecté à la masse.
La couche d’électrolyte solide pur 410 a pour rôle d’assurer une isolation électrique entre l’électrode négative 411 et l’électrode positive 413, tout en maintenant une conductivité ionique entre ces deux électrodes.
L’électrode positive 413 peut comprendre un solide polymérique, par exemple de type oxyde de polyéthylène, ou un composite polymère-céramique.
Selon le premier mode de réalisation de la cellule électrochimique 41, la matière additionnelle de l’électrode positive 413 comprend des ions porteurs de charge, issus par exemple du lithium, du sodium ou encore du cétyltriméthylammonium.
Dans ce mode de réalisation de la cellule électrochimique 41, la matière additionnelle comprend un composant additionnel qui peut être du dichalcogénure de tungstène (WS2), ou encore du dichalcogénure de titane ou de molybdène. Les séléniures et tellures de ces métaux de transitions sont aussi applicables. Ces matériaux ont en commun de pouvoir faire évoluer leur conduction thermique selon le degré d’oxydation du métal de transition (c’est-à-dire en fonction du taux de lithiation du matériau).
Dans ce mode de réalisation de la cellule électrochimique 41, du dichalcogénure de tungstène est mélangé avec l’électrolyte polymérique et fortement calandré de sorte à aligner les plaquettes de dichalcogénure de tungstène de manière parallèle au puits thermique. On obtient ainsi une répartition dite en feuillets alignés du dichalcogénure de tungstène au sein de l’électrode positive 413.
En d’autres termes, les dichalcogénures se présentent sous forme de plaquettes plus ou moins grosses. Par action du calandrage, les plaquettes de dichalcogénure vont s’aligner selon un plan parallèle aux collecteurs de courant et au puits thermique. Cette mise en forme conditionne la faculté de contrôler l’interface interface thermique 40 selon ce premier mode de réalisation.
L’épaisseur E1 de la cellule électrochimique 41 ainsi obtenue est comprise entre 0,2 et 5 cm. Préférentiellement, son épaisseur se situe entre 0,2 et 2 cm, voire entre 0,2 et 1 cm.
En remarque, les dimensions d’épaisseur fournies pour chacun des modes de réalisation présentés ne prennent pas en compte l’épaisseur du collecteur de courant pour électrode positive, qui peut varier fortement du fait de sa nature : couche d’aluminium ou épaisseur des parois 31, 32 du boitier.
Dans ce premier mode de réalisation d’une interface thermique 40, une tension est appliquée entre le collecteur de courant 412 pour électrode positive et le collecteur de courant 414 pour électrode négative. De ce fait, le taux de lithiation (c’est-à-dire le taux d'ions lithium insérés réversiblement dans les feuillets de dichalcogénure de tungstène) peut varier selon le besoin de conductivité thermique voulu. Cette insertion réversible de lithium altère les propriétés du dichalcogénure de tungstène et dégrade de ce fait la conductivité thermique de l‘électrode positive 413, donc de la cellule électrochimique 41.
La tension appliquée aux bornes des cellules électrochimiques 41 se situe avantageusement entre 1V et 2V. Alternativement elle pourrait être inférieure à 1V ou supérieure à 2V.
Dans ce premier mode de réalisation de l’interface thermique 40, la tension est fournie par la batterie 2, associée à un transformateur permettant d’adapter la tension issue de la batterie 2 aux besoins d’une cellule électrochimique 41. Alternativement, la tension aux bornes de la cellule électrochimique 41 pourrait être générée par un générateur de tension additionnel, indépendant de la batterie 2.
L’ensemble des cellules électrochimiques 41 composant l’interface thermique 4 sont connectées en parallèle à la source de tension précédemment décrite.
Un deuxième mode de réalisation de l’invention met en œuvre une interface non électrochimique présentée dans la figure 5.
Le deuxième mode de réalisation fait intervenir l’action de la température sur l’interface thermique 40. A cet effet, le deuxième mode de réalisation de l’interface thermique 40 met en œuvre un matériau de conductivité thermique variable en fonction de sa température.
Le deuxième mode de réalisation de l’interface thermique 40 met également en œuvre un moyen de chauffage inséré entre deux couches de matériau de conductivité thermique variable 415, 416, le moyen de chauffage comprenant une couche de matériau conducteur 417 apte à produire un échauffement par effet Joule.
Les deux couches de matériau de conductivité thermique variable 415, 416 comprennent une matrice polymérique et de la matière additionnelle. La matrice polymérique peut être réalisée à base d’un polymère de type polyéthylène, polypropylène ou nitrile. La matière additionnelle est alors répartie au sein de la matrice polymérique.
Dans ce deuxième mode de réalisation de l’interface thermique 40, la matière additionnelle inclut du dioxyde de vanadium VO2. En association avec le dioxyde de vanadium, la matière additionnelle peut également contenir du tungstène.
La matière additionnelle est répartie dans deux couches de matériau de conductivité thermique variable 415, 416 entre lesquelles est insérée une couche de cuivre 417.
L’épaisseur E2 de l’interface thermique 40 ainsi constituée se situe entre 5 et 10 cm.
Le VO2dopé avec du tungstène a la propriété de passer de l’état d’isolant thermique à l’état de conducteur thermique lorsque sa température franchit un seuil situé aux alentours de 70°C.
Dans ce mode de réalisation, un courant électrique parcourant la couche de cuivre 417 permet d’augmenter la température des couches 415, 416 contenant le VO2, et ainsi de contrôler la conductivité thermique de l’interface.
Par ailleurs, ce mode de réalisation de l’interface thermique 40 permet également de réchauffer les modules de batterie lorsque cela est nécessaire, puisque la couche de cuivre 417 produit de la chaleur par effet Joule.
En variante, le deuxième mode de réalisation de l’interface thermique pourrait être intégré à une cellule électrochimique 41.
Le courant électrique nécessaire à la mise en œuvre du deuxième mode de réalisation de l’interface thermique 40 est avantageusement fourni par la batterie.
Un troisième mode de réalisation de l’interface thermique 40, représenté dans la figure 6, comprend principalement une couche de matériau modifiant la conductivité thermique de l’interface par application d’une contrainte mécanique au sein de l’interface thermique, la contrainte mécanique étant variable en fonction de la température.
Dans ce troisième mode de réalisation, l’interface thermique 40 comprend un film 418 fixé sur une couche de matériau de conductivité thermique variable 419.
Le film 418 est assemblé à la couche de matériau de conductivité thermique variable 419.
Avantageusement, le film 418 et la couche 419 doivent être frittés ensemble afin d’assurer une cohésion mécanique suffisamment forte pour que le film 418 puisse transmettre une contrainte mécanique à la couche 419.
Dans un mode de réalisation préférentiel, les couches 418 et 419 sont solides de type céramique sans matrice polymérique.
Le film 418 est réalisé dans un matériau présentant un fort coefficient de dilatation en fonction de la température. En particulier ce matériau se dilate fortement à partir d’un seuil de température dit de dilatation, le seuil de dilatation pouvant être compris entre 50 et 100°C.
Dans le mode de réalisation présenté, la couche de matériau de conductivité thermique variable 419 comprend une forme cristalline d’au moins un des nitrures suivants : le nitrure de bore (BN), le nitrure d’aluminium (AlN), le nitrure de carbone (C3N) ou le nitrure de galium (GaN).
L’épaisseur E3 de l’interface thermique 40 selon le troisième mode de réalisation se situe entre 1 cm et 10 cm, notamment entre 1 cm et 2 cm.
L’interface thermique 40 selon le troisième mode de réalisation est disposée entre un module de batterie 21 et un puits thermique 3, de sorte que la couche de matériau de conductivité thermique variable 419 soit au contact du puits thermique 3, le film 418 étant situé à proximité ou au contact du module de batterie 21.
Ce mode de réalisation permet ainsi de contrôler l’interface thermique 40 de manière passive. En effet, tant que la température de la batterie reste en dessous du seuil de dilatation, le film 418 n’exerce pas de contrainte mécanique sur la couche 419, ce qui permet de garder intactes les propriétés d’isolation thermique des nitrures et favorise donc l’isolation thermique de la batterie 2. Lorsque la température de la batterie 2 augmente, l’interface thermique 40 se réchauffe au contact du module de batterie 21 et le film 418 voit sa température augmenter. Au-delà du seuil de dilatation, l’augmentation de la température du film 418 entraine une dilatation de ce dernier et augmente ainsi la conduction thermique de la couche 419 et donc de l’interface thermique 40.
Ainsi à partir d’un certain seuil de température de la batterie 2, notamment un seuil de température pouvant pénaliser son fonctionnement, le film 418 permet un refroidissement plus efficace de la batterie afin de la maintenir dans une plage de températures optimale.
A l’inverse, tant que la température de la batterie 2 reste en dessous d’un seuil de température, le film 418 favorise l’isolation thermique de la batterie 2 par rapport au puits thermique 3.
Un dispositif de stockage d’énergie 1 selon l’invention permet ainsi de faire varier de manière réversible la conductivité thermique de l’interface thermique 4 de sorte à optimiser le fonctionnement de la batterie 2. Dans les premier et deuxième modes de réalisation, la variation de conductivité thermique de l’interface 4 est commandée de manière active par l’intermédiaire de moyens techniques fournis par le dispositif de stockage d’énergie. Le deuxième mode de réalisation de l’invention permet en outre de réchauffer la batterie par effet Joule lorsque cela est avantageux.
Dans le troisième mode de réalisation, la variation de conductivité thermique de l’interface 4 est commandée de manière passive, par action de la température de batterie 2 sur l’interface thermique 4.
Dans chacun de ces différents modes de réalisation, l’invention permet d’utiliser l’interface thermique 4 selon deux modes :
- un mode conducteur dans lequel l’interface thermique présente une bonne conductivité thermique pour favoriser le refroidissement de la batterie,
- un mode isolant dans lequel l’interface thermique présente une conductivité thermique réduite pour limiter un refroidissement non souhaitable de la batterie.

Claims (12)

  1. Dispositif de stockage d'énergie (1), caractérisé en ce qu’il comprend un module de batterie (20), un puits thermique (3), et une interface thermique (40) interposée entre le module de batterie et le puits thermique, ladite interface thermique comprenant des moyens pour modifier sa conductivité thermique de manière réversible.
  2. Dispositif de stockage d'énergie (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'interface thermique (40) comprend une cellule électrochimique (41) pourvue d'une électrode positive (413), les moyens pour modifier la conductivité thermique de l'interface thermique (40) étant agencés dans l’électrode positive (413).
  3. Dispositif de stockage d'énergie (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’électrode positive (413) comprend un matériau de conductivité thermique variable sous l'effet d'une insertion réversible d'ions dans sa structure.
  4. Dispositif de stockage d'énergie (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le matériau de conductivité thermique variable comprend un dichalcogénure d'un métal de transition, notamment un dichalcogénure de tungstène et/ou un dichalcogénure de molybdène et/ou un dichalcogénure de titane.
  5. Dispositif de stockage d'énergie (1) selon la revendication 2 à 4, caractérisé en ce que la cellule électrochimique (41) comprend un premier collecteur de courant (411), une électrode négative (412), un deuxième collecteur de courant (414), et une couche isolante (410), le premier collecteur de courant (411) étant adjacent à l'électrode négative (412), l'électrode négative (412) étant adjacente à la couche isolante (410), la couche isolante (410) étant adjacente à l’électrode positive (413) et l’électrode positive (413) étant adjacente au deuxième collecteur (414).
  6. Dispositif de stockage d'énergie (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interface thermique (40) comprend une couche de matériau de conductivité thermique variable en fonction de sa température.
  7. Dispositif de stockage d'énergie (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de chauffage (417) de la couche de matériau de conductivité thermique variable.
  8. Dispositif de stockage d'énergie (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l’électrode positive (413) comprend une couche de matériau de conductivité thermique variable en fonction de sa température.
  9. Dispositif de stockage d'énergie (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend un moyen de chauffage (417) et en ce que le moyen de chauffage comprend une couche de matériau conducteur apte à produire un échauffement par effet Joule.
  10. Dispositif de stockage d'énergie (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit puits thermique (3) est une plaque inférieure (31) destinée à s'étendre sous le module de batterie (20), ladite plaque appartenant à un boîtier supportant le module de batterie
    ou en ce que ledit puits thermique (3) est un support latéral (32) destiné à s'étendre sur un côté du module de batterie, ledit support latéral appartenant à un boîtier supportant le module de batterie (20).
  11. Dispositif de stockage d'énergie (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module de batterie (20) est un module de batterie solide.
  12. Véhicule automobile (10), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de stockage d'énergie (1) selon l'une des revendications précédentes.
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