FR3116157A1 - ELECTROCHEMICAL STORAGE DEVICE WITH IMPROVED THERMAL MANAGEMENT - Google Patents
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Abstract
Dispositif de stockage électrochimique comportant plusieurs cellules électrochimiques, un système de gestion thermique des cellules comprenant des moyens de régulation thermique des cellules, et un module de gestion thermique comprenant un objet de mesure disposé parmi les cellules, un premier capteur (10) mesurant la température (T1) d’une cellule électrochimique de mesure, un deuxième capteur (12) mesurant la température (T2) de l’objet de mesure (O), des moyens de chauffage (12) de l’objet de mesure (O), l’objet de mesure présentant des propriétés d’échange thermique proches de celles des cellules électrochimiques, ledit module comparant les températures (T1, T2) et commandant les moyens de chauffage (12) de sorte que la température de l’objet de mesure soit celle de la cellule de mesure, mesurant la puissance requise pour maintenir la température de l’objet de mesure (O) à la température de la cellule de mesure (C), et déterminant la puissance thermique que la cellule de mesure échange avec son environnement. Figure pour l’abrégé : 1Electrochemical storage device comprising several electrochemical cells, a cell thermal management system comprising cell thermal regulation means, and a thermal management module comprising a measurement object placed among the cells, a first sensor (10) measuring the temperature (T1) of an electrochemical measurement cell, a second sensor (12) measuring the temperature (T2) of the measurement object (O), heating means (12) of the measurement object (O), the measurement object having heat exchange properties close to those of electrochemical cells, said module comparing the temperatures (T1, T2) and controlling the heating means (12) so that the temperature of the measurement object is that of the measuring cell, measuring the power required to maintain the temperature of the measuring object (O) at the temperature of the measuring cell (C), and determining the thermal power that the measuring cell is exhausting. angel with his environment. Figure for abstract: 1
Description
DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEUREAND PRIOR ART
La présente invention se rapporte à un dispositif de gestion thermique temps réel d’un système de stockage électrochimique.The present invention relates to a real-time thermal management device for an electrochemical storage system.
Les dispositifs de stockage électrochimique tels que ceux dans les batteries de véhicule automobile comportent une pluralité de cellules disposées les unes à côté des autres formant un pack batterie. Chaque cellule a ses propres connexions électriques. Par exemple, les cellules sont des cellules Li-ion. Chaque cellule comporte une électrode anodique, une électrode cathodique, un séparateur assurant la conduction ionique mais garantissant une isolation électrique entre les deux électrodes, un électrolyte rendant possible la conductivité ionique entre les deux électrodes et une enceinte ou enveloppe étanche enfermant les éléments ci-dessus et permettant la connexion électrique vers l’extérieur.Electrochemical storage devices such as those in motor vehicle batteries comprise a plurality of cells arranged side by side forming a battery pack. Each cell has its own electrical connections. For example, the cells are Li-ion cells. Each cell comprises an anode electrode, a cathode electrode, a separator providing ionic conduction but guaranteeing electrical insulation between the two electrodes, an electrolyte making possible ionic conductivity between the two electrodes and a sealed enclosure or casing enclosing the above elements and allowing the electrical connection to the outside.
Chaque cellule, lors de son utilisation, est le siège de pertes thermiques internes qui contribuent à l’échauffer et à chauffer les autres cellules. Des moyens pour évacuer la chaleur dégagée par les cellules sont alors mis en œuvre. Généralement une circulation d’un fluide autour des cellules, par exemple l’air, de l’huile est prévue par exemple par convection naturelle ou convection forcée ou via un matériau solide conducteur thermique ou un matériau à changement de phase.Each cell, when in use, is the seat of internal thermal losses which contribute to heating it and to heating the other cells. Means for evacuating the heat given off by the cells are then implemented. Generally a circulation of a fluid around the cells, for example air, oil is provided for example by natural convection or forced convection or via a solid thermal conductive material or a phase change material.
La gestion thermique d’un pack batterie est importante pour garantir des conditions d’utilisation conformes aux préconisations du fabricant de cellules, et pour maîtriser l’impact de la température sur la durée de vie des cellules et leurs performances.The thermal management of a battery pack is important to guarantee conditions of use that comply with the recommendations of the cell manufacturer, and to control the impact of temperature on the lifespan of the cells and their performance.
Afin de pouvoir assurer une bonne gestion thermique du pack batterie, les fabricants de pack batterie peuvent utiliser :
- des capteurs de température mesurant la température au sein du pack batterie positionnés sur des cellules du pack ou dans leur environnement direct. Or les capteurs de température mesurent une température locale. Pour garantir l’absence d’apparition d’un point chaud local, le réseau de capteurs de température devrait être relativement dense. De plus ces capteurs de température mesurent la température de surface de la cellule qui est corrélée mais non égale à la température interne de la cellule dans l’environnement thermique du pack batterie. En effet, les échanges thermiques avec le fluide caloporteur génèrent des gradients thermiques au sein de la cellule pouvant être significatifs compte tenu de la relativement faible conductivité radiale des cellules batteries,
- des capteurs en charge de vérifier que le fluide caloporteur circule effectivement. On peut mettre en œuvre des capteurs directs, par exemple un capteur de débit ou de surpression du fluide caloporteur, et/ou des capteurs indirects, par exemple des capteurs de tension/courant ou de vitesse en charge de donner un indicateur quant au bon fonctionnement de la pompe ou du ventilateur.In order to be able to ensure good thermal management of the battery pack, battery pack manufacturers can use:
- temperature sensors measuring the temperature within the battery pack positioned on the cells of the pack or in their direct environment. However, the temperature sensors measure a local temperature. To ensure that a local hot spot does not occur, the network of temperature sensors should be relatively dense. Moreover these temperature sensors measure the surface temperature of the cell which is correlated but not equal to the internal temperature of the cell in the thermal environment of the battery pack. Indeed, heat exchanges with the heat transfer fluid generate thermal gradients within the cell that can be significant given the relatively low radial conductivity of battery cells,
- sensors in charge of checking that the heat transfer fluid is actually circulating. It is possible to implement direct sensors, for example a flow or overpressure sensor of the heat transfer fluid, and/or indirect sensors, for example voltage/current or speed sensors in charge of giving an indicator as to the proper functioning pump or fan.
Or les capteurs directs peuvent être relativement coûteux pour un pack batterie dédié à une production de masse. De plus ces capteurs donnent une information corrélée aux échanges thermiques mais ne permettent pas de quantifier directement les échanges thermiques réels entre une cellule batterie et le fluide caloporteur. Si par exemple, à cause du vieillissement, de l’usure des composants ou des conditions environnementales (température), la capacité d’échange thermique du fluide caloporteur ou le coefficient d’échanges thermique entre les cellules et le fluide varient, l’information des capteurs directs ne permet pas de connaitre précisément la capacité de refroidissement instantanée du système de gestion thermique. Les modèles généraux qui permettent d’évaluer les échanges thermiques entre une paroi et un fluide peuvent être entachés d’une incertitude importante en fonction des conditions d’utilisation, des conditions environnementales et des géométries mises en jeu.However, direct sensors can be relatively expensive for a battery pack dedicated to mass production. In addition, these sensors provide information correlated to the heat exchanges but do not make it possible to directly quantify the actual heat exchanges between a battery cell and the heat transfer fluid. If, for example, due to ageing, wear of components or environmental conditions (temperature), the heat exchange capacity of the heat transfer fluid or the heat exchange coefficient between the cells and the fluid vary, the information direct sensors do not allow precise knowledge of the instantaneous cooling capacity of the thermal management system. The general models which make it possible to evaluate the heat exchanges between a wall and a fluid can be vitiated by significant uncertainty depending on the conditions of use, the environmental conditions and the geometries involved.
Les capteurs indirects ne permettent pas non plus de quantifier les échanges thermiques réels entre les cellules électrochimiques et l’environnement thermique. De plus ces capteurs sont inefficients dans le cas de certains défauts. Par exemple un manque de fluide caloporteur, par exemple induit par une fuite, réduit les performances du système de refroidissement mais n’est pas détectable par les capteurs indirects chargés de vérifier que l’actionneur de recirculation, tel qu’une pompe ou un ventilateur, fonctionnent correctement. Le nombre de capteurs doit donc être multiplié de manière à tenir compte de l’ensemble des risques de défaillances du système de refroidissement.Indirect sensors also do not make it possible to quantify the actual heat exchanges between the electrochemical cells and the thermal environment. Moreover, these sensors are inefficient in the case of certain faults. For example a lack of heat transfer fluid, for example induced by a leak, reduces the performance of the cooling system but is not detectable by the indirect sensors responsible for checking that the recirculation actuator, such as a pump or a fan , are working properly. The number of sensors must therefore be multiplied in such a way as to take into account all the risks of failure of the cooling system.
Le document JP2018129130 décrit un dispositif d’estimation de la température interne d’une cellule électrochimique en mesurant la température à la surface de la cellule, la température ambiante et en modélisant le comportement thermique de la cellule par une résistance thermique et en tenant compte de la résistance thermique du fluide caloporteur, qui peut être estimé à partir des caractéristiques du fluide caloporteur, par exemple sa vitesse. Le dispositif ne prévoit pas de détecter une défaillance du système de refroidissement.The document JP2018129130 describes a device for estimating the internal temperature of an electrochemical cell by measuring the temperature at the surface of the cell, the ambient temperature and by modeling the thermal behavior of the cell by a thermal resistance and taking into account the thermal resistance of the heat transfer fluid, which can be estimated from the characteristics of the heat transfer fluid, for example its speed. The device does not provide for detecting a failure of the cooling system.
C’est par conséquent un but de la présente invention d’offrir un dispositif de stockage électrochimique présentant une gestion thermique améliorée.It is therefore an object of the present invention to provide an electrochemical storage device with improved thermal management.
Le but mentionné ci-dessus est atteint par un dispositif de stockage électrochimique comportant au moins une cellule électrochimique, des moyens de connexion électrique de la au moins une cellule électrochimique, des moyens pour extraire ou apporter de la chaleur aux cellules, au moins un objet de mesure présentant des propriétés d’échange thermique avec l’environnement proches ou égales de celles de la au moins une cellule électrochimique ou au moins transposables à celles de la au moins une cellule électrochimique, un capteur de température pour connaître la température à la surface de l’objet de mesure, un capteur température pour connaître la température à la surface d’une cellule électrochimique, et des moyens pour chauffer l’objet de mesure.The object mentioned above is achieved by an electrochemical storage device comprising at least one electrochemical cell, means for electrical connection of the at least one electrochemical cell, means for extracting or supplying heat to the cells, at least one object measurement having heat exchange properties with the environment close to or equal to those of the at least one electrochemical cell or at least transposable to those of the at least one electrochemical cell, a temperature sensor for determining the temperature at the surface of the measurement object, a temperature sensor to know the temperature at the surface of an electrochemical cell, and means for heating the measurement object.
Dans un exemple avantageux, le dispositif de stockage électrochimique comporte des moyens de mesure de la puissance requise pour que la température à la surface de l’objet de mesure atteigne et se maintienne à celle de la cellule électrochimique.In an advantageous example, the electrochemical storage device includes means for measuring the power required for the temperature at the surface of the measurement object to reach and maintain that of the electrochemical cell.
Dans un exemple de réalisation, les moyens pour extraire ou apporter de la chaleur aux cellules utilisent un fluide caloporteur permettant de gérer la température des cellules.In an exemplary embodiment, the means for extracting or supplying heat to the cells use a heat transfer fluid making it possible to manage the temperature of the cells.
Selon une caractéristique additionnelle, des moyens pour chauffer certaines cellules électrochimiques peuvent être mis en œuvre, par exemple pour une calibration régulière du capteur.According to an additional characteristic, means for heating certain electrochemical cells can be implemented, for example for regular calibration of the sensor.
La puissance injectée dans l’objet de mesure pour que sa température de surface se maintienne à celle de la surface de la cellule électrochimique permet de déterminer la puissance échangée avec l’extérieur, par exemple avec un fluide caloporteur, par la cellule électrochimique en cours de fonctionnement, i.e. le flux thermique évacuée par la cellule électrochimique.The power injected into the measurement object so that its surface temperature is maintained at that of the surface of the electrochemical cell makes it possible to determine the power exchanged with the outside, for example with a heat transfer fluid, by the current electrochemical cell. of operation, i.e. the thermal flux evacuated by the electrochemical cell.
La connaissance du flux de chaleur évacué par la cellule électrochimique permet d’acquérir une connaissance d’un état du fonctionnement des moyens de refroidissement. En effet, elle permet de savoir si l’extraction de chaleur est efficace, et/ou de détecter tout dysfonctionnement, qui peut être soit un sous-refroidissement soit un sur-refroidissement.Knowledge of the heat flow evacuated by the electrochemical cell makes it possible to acquire knowledge of an operating state of the cooling means. Indeed, it makes it possible to know if the heat extraction is effective, and/or to detect any malfunction, which can be either under-cooling or over-cooling.
La connaissance de ce flux évacué permet, à partir d’un modèle thermique interne de la cellule électrochimique se basant sur la capacité calorifique et la conductivité thermique normale ou parallèle aux électrodes, d’estimer la température à cœur de la cellule électrochimique. La gestion thermique peut être ainsi adaptée pour modifier celle-ci et se rapprocher des conditions d’utilisation prescrites par le fabricant de cellule.Knowledge of this evacuated flux makes it possible, from an internal thermal model of the electrochemical cell based on the heat capacity and the thermal conductivity normal or parallel to the electrodes, to estimate the core temperature of the electrochemical cell. The thermal management can thus be adapted to modify it and approach the conditions of use prescribed by the cell manufacturer.
L’invention permet un pilotage amélioré de la gestion thermique du pack batterie via une mesure en temps réel des échanges thermiques de la ou des cellules avec son ou leur environnement et une mesure de la température de surface d’au moins une cellule électrochimique, qui permettent via un modèle thermique d’évaluer un champ de température au sein des cellules électrochimiques.The invention allows improved control of the thermal management of the battery pack via real-time measurement of the heat exchanges of the cell(s) with its or their environment and measurement of the surface temperature of at least one electrochemical cell, which allow via a thermal model to evaluate a temperature field within the electrochemical cells.
En d’autres termes, au sein d’un pack batterie on mesure le flux thermique en temps réel grâce à un dispositif différentiel en utilisant un élément qui n’est pas une cellule électrochimique, mais dont le comportement thermique permet de connaître celui des cellules électrochimiques fonctionnelles, et on réalise un capteur de température virtuel interne des cellules électrochimiques robuste permettant une gestion optimale du pack batterie conformément aux préconisations du fabricant de cellules électrochimiques durant ses différentes phases de fonctionnement, telles que le démarrage, le roulage dans le cas d’un pack batterie d’un véhicule électrique, la recharge, et en fonction des différentes conditions environnementales, telles que la température ambiante…In other words, within a battery pack, the thermal flux is measured in real time thanks to a differential device using an element which is not an electrochemical cell, but whose thermal behavior makes it possible to know that of the cells. functional electrochemical cells, and a virtual internal temperature sensor of the robust electrochemical cells is produced allowing optimal management of the battery pack in accordance with the recommendations of the manufacturer of electrochemical cells during its various operating phases, such as starting, driving in the case of a battery pack of an electric vehicle, charging, and depending on the different environmental conditions, such as the ambient temperature…
L’invention ne modifie pas l’architecture interne du pack batterie, l’objet de mesure forme par exemple une cellule factice qui peut remplacer une cellule réelle. Compte tenu du nombre important de cellules au sein d’un pack batterie, la suppression d’une cellule électrochimique a un impact réduit sur la perte de densité d’énergie obtenue. La perte de densité d’énergie est d’autant plus réduite que les cellules sont nombreuses et de petites dimensions.The invention does not modify the internal architecture of the battery pack, the measurement object forms for example a dummy cell which can replace a real cell. Given the large number of cells within a battery pack, the removal of an electrochemical cell has a reduced impact on the loss of energy density obtained. The loss of energy density is all the more reduced as the cells are numerous and of small dimensions.
Dans un exemple avantageux, l’objet de mesure est formé par une enveloppe d’une cellule électrochimique et comporte des moyens de chauffage de type à effet Joule sur sa surface, par exemple formés par un conducteur électrique, par exemple imprimé sur sa surface.In an advantageous example, the measurement object is formed by an envelope of an electrochemical cell and comprises heating means of the Joule effect type on its surface, for example formed by an electrical conductor, for example printed on its surface.
L’un des objets de la présente demandes est un dispositif de stockage électrochimique comportant une ou plusieurs cellules électrochimiques destinées à stocker de l’électricité et à fournir de l’électricité, reliées à un circuit électrique de connexion, un système de gestion thermique comprenant des moyens de régulation thermique de la ou des cellules électrochimiques assurant l’extraction de chaleur de la ou des cellules électrochimiques ou l’apport de chaleur à la ou aux cellules électrochimiques, et un module de gestion thermique comprenant au moins un objet de mesure disposé parmi la ou les cellules électrochimiques, un premier capteur apte à mesurer la température en surface d’au moins une cellule électrochimique, dite cellule de mesure, un deuxième capteur apte à mesurer la température en surface de l’objet de mesure, des moyens de chauffage de l’objet de mesure, ledit objet de mesure présentant des propriétés d’échange thermique avec son environnement telles qu’elles permettent de simuler les échanges thermiques de la ou des autres cellules électrochimiques, ledit objet de mesure et ladite cellule de mesure formant un ensemble de mesure, ledit module de gestion thermique étant configuré pour comparer les températures des premier et deuxième capteurs et commander les moyens de chauffage de sorte que la température en surface de l’objet de mesure soit celle de la cellule de mesure.One of the objects of the present applications is an electrochemical storage device comprising one or more electrochemical cells intended to store electricity and to supply electricity, connected to an electrical connection circuit, a thermal management system comprising means for thermal regulation of the electrochemical cell(s) ensuring the extraction of heat from the electrochemical cell(s) or the supply of heat to the electrochemical cell(s), and a thermal management module comprising at least one measurement object disposed among the electrochemical cell(s), a first sensor capable of measuring the surface temperature of at least one electrochemical cell, called a measurement cell, a second sensor capable of measuring the surface temperature of the measurement object, means of heating of the measurement object, said measurement object having heat exchange properties with its environment such that they allow to simulate the heat exchanges of the other electrochemical cell or cells, said measurement object and said measurement cell forming a measurement assembly, said thermal management module being configured to compare the temperatures of the first and second sensors and control the heating means so that the surface temperature of the measuring object is that of the measuring cell.
Dans un exemple de réalisation, le module de gestion thermique est de plus configuré pour déterminer la puissance thermique que la cellule de mesure échange avec son environnement, dite puissance thermique échangée, sur la base de la puissance requise pour maintenir la température en surface de l’objet de mesure à la température de la cellule de mesure.In an exemplary embodiment, the thermal management module is further configured to determine the thermal power that the measurement cell exchanges with its environment, called exchanged thermal power, on the basis of the power required to maintain the temperature at the surface of the measuring object at the temperature of the measuring cell.
Le module de gestion thermique peut être de plus configuré pour assurer par le biais des moyens de régulation thermique un apport de chaleur en surface de la ou des cellules électrochimiques, correspondant à une consigne en température de surface ou en puissance de chauffage de celle-ci ou celles-ci.The thermal management module can also be configured to ensure, through the thermal regulation means, a supply of heat to the surface of the electrochemical cell or cells, corresponding to a surface temperature set point or to the heating power thereof. or these.
Dans un exemple, la ou les cellules électrochimiques comporte(nt) un contenant dans lequel sont disposés une électrode anodique, une électrode cathodique, un séparateur et un électrolyte, et l’objet de mesure a la forme, les dimensions et est constitué extérieurement du matériau du contenant de la ou des cellules électrochimiques, de sorte à occuper la place d’une cellule électrochimique dans le dispositif de stockage électrochimique.In one example, the electrochemical cell(s) comprise(s) a container in which an anode electrode, a cathode electrode, a separator and an electrolyte are placed, and the measurement object has the shape, the dimensions and consists externally of the material of the container of the electrochemical cell or cells, so as to occupy the place of an electrochemical cell in the electrochemical storage device.
Dans un autre exemple, la ou les cellules électrochimique comporte(nt) un contenant dans lequel sont disposés une électrode anodique, une électrode cathodique, un séparateur et un électrolyte et l’objet de mesure présente des dimensions différentes et/ou un matériau extérieur différent à celles du contenant, et le module de gestion thermique comporte un modèle permettant de déterminer la puissance thermique échangée sur la base des paramètre comprenant la puissance requise pour maintenir la température en surface de l’objet de mesure à la température de la cellule de mesure.In another example, the electrochemical cell(s) comprise(s) a container in which an anode electrode, a cathode electrode, a separator and an electrolyte are arranged and the measurement object has different dimensions and/or a different external material to those of the container, and the thermal management module comprises a model making it possible to determine the thermal power exchanged on the basis of the parameters comprising the power required to maintain the temperature at the surface of the measurement object at the temperature of the measurement cell .
De préférence, les moyens de chauffage sont des moyens de chauffage à effet Joule portés par l’objet de mesure.Preferably, the heating means are Joule effect heating means carried by the measurement object.
Le module de gestion thermique peut comporter plusieurs ensembles de mesure répartis dans le dispositif de stockage électrochimique.The thermal management module may include several measurement sets distributed in the electrochemical storage device.
Selon une caractéristique additionnelle, le module de gestion thermique est configuré pour comparer la valeur de la puissance thermique échangée avec des plages de puissance thermiques échangées déterminées préalablement et générer un message en cas de variation desdites valeurs au-delà d’un seuil donné.According to an additional characteristic, the thermal management module is configured to compare the value of the thermal power exchanged with ranges of thermal power exchanged previously determined and generate a message in the event of variation of said values beyond a given threshold.
Selon une caractéristique additionnelle, le module de gestion thermique est configuré pour déterminer la température interne de la cellule de mesure à partir de la température en surface de la cellule de mesure, de la détermination de la puissance thermique échangée et des propriétés thermiques de la cellule de mesure.According to an additional characteristic, the thermal management module is configured to determine the internal temperature of the measurement cell from the surface temperature of the measurement cell, the determination of the thermal power exchanged and the thermal properties of the cell. of measurement.
Avantageusement, le module de gestion thermique est configuré pour commander les moyens de régulation thermique sur la base de la température interne déterminée.Advantageously, the thermal management module is configured to control the thermal regulation means on the basis of the determined internal temperature.
Les moyens de régulation thermique peuvent être configurés pour assurer une circulation de fluide caloporteur autour de la au moins une cellule électrochimique, et le module de gestion thermique peut commander la variation du débit de fluide caloporteur entre les cellules.The thermal regulation means can be configured to ensure circulation of heat transfer fluid around the at least one electrochemical cell, and the thermal management module can control the variation of the flow rate of heat transfer fluid between the cells.
Le dispositif de stockage électrochimique peut comporter un élément chauffant est installé sur la cellule de mesure pour améliorer les fonctionnalités et la précision du dispositif de détermination des échanges thermiques entre la cellule de mesure et son environnement.The electrochemical storage device may include a heating element installed on the measurement cell to improve the functionality and accuracy of the device for determining the heat exchanges between the measurement cell and its environment.
Un autre objet de la présente demande est un procédé de gestion thermique d’un dispositif de stockage électrochimique selon l’une des revendications précédentes comportant :
-la mesure de la température en surface de la cellule de mesure,
-la mesure de la température en surface de l’objet de mesure,
-l’envoi d’une consigne aux moyens de chauffage de l’objet de mesure.Another object of the present application is a method for thermal management of an electrochemical storage device according to one of the preceding claims comprising:
-measurement of the surface temperature of the measurement cell,
- the measurement of the surface temperature of the measurement object,
-the sending of an instruction to the heating means of the measuring object.
Le procédé peut avantageusement comporter :
-la mesure de la puissance requise pour maintenir l’objet de mesure à la température de la cellule de mesure,
-la détermination de la puissance thermique échangée par la cellule de mesure avec son environnement.The method can advantageously comprise:
- the measurement of the power required to maintain the measurement object at the temperature of the measurement cell,
-the determination of the thermal power exchanged by the measuring cell with its environment.
Le procédé peut comporter la détermination de la température interne de la cellule de mesure à partir de la puissance thermique échangée, de la température en surface de la cellule de mesure, des propriétés thermiques de la cellule de mesure et d’un modèle thermique de la cellule de mesure.The method may include determining the internal temperature of the measuring cell from the thermal power exchanged, the surface temperature of the measuring cell, the thermal properties of the measuring cell and a thermal model of the measuring cell.
Le procédé peut également comporter la comparaison de la valeur de la puissance thermique échangée avec les valeurs précédemment déterminée et émission d’un signal si la comparaison fait apparaître une variation au-delà d’un seuil donné.The method can also include the comparison of the value of the thermal power exchanged with the previously determined values and emission of a signal if the comparison reveals a variation beyond a given threshold.
Le procédé de gestion thermique peut avantageusement comporter la comparaison de la valeur de la température interne de la cellule de mesure avec la température interne de fonctionnement préconisée et envoie d’un ordre au moyens de gestion thermique de sorte à réduire ou augmenter les échanges thermiques de sorte que la température interne se rapproche de la température interne de fonctionnement préconisée.The thermal management method can advantageously include the comparison of the value of the internal temperature of the measurement cell with the recommended internal operating temperature and sends an order to the thermal management means so as to reduce or increase the thermal exchanges of so that the internal temperature approaches the recommended internal operating temperature.
La détermination de la puissance thermique échangée peut être effectuée périodiquement.The determination of the thermal power exchanged can be carried out periodically.
La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:The present invention will be better understood on the basis of the following description and the appended drawings in which:
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSDETAILED DISCUSSION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
Sur la
Dans cet exemple, le pack batterie comporte une pluralité de cellules électrochimiques 2 disposées les unes à côté des autres dans un boîtier 4. Dans l’exemple représenté les cellules sont de forme cylindrique de révolution et les cellules sont disposées à la verticale. En variante, les cellules peuvent être empilées et disposées à l’horizontale. En outre elles présentent une forme extérieure, qui permet de ménager entre les cellules des canaux de circulation d’un fluide caloporteur, tel que l’air, l’eau ou l’huile sans que cela soit limitatif.In this example, the battery pack comprises a plurality of electrochemical cells 2 arranged next to each other in a casing 4. In the example shown the cells are of cylindrical shape of revolution and the cells are arranged vertically. Alternatively, the cells can be stacked and arranged horizontally. In addition, they have an external shape, which makes it possible to provide circulation channels between the cells for a heat transfer fluid, such as air, water or oil, without this being limiting.
Chaque cellule électrochimique comporte une électrode anodique, une électrode cathodique, un séparateur assurant la conduction ionique mais garantissant une isolation électrique entre les deux électrodes, un électrolyte rendant possible la conductivité ionique entre les deux électrodes et un contenant ou enveloppe étanche 5 enfermant les éléments ci-dessus et permettant la connexion électrique vers l’extérieur. Le contenant 5 est réalisé en un matériau bon conducteur thermique, par exemple en matériau métallique, permettant d’assurer de bons échanges thermiques entre l’intérieur de la cellule et l’environnement extérieur. En variante, le séparateur et l’électrolyte sont formé par le même composant.Each electrochemical cell comprises an anode electrode, a cathode electrode, a separator providing ionic conduction but guaranteeing electrical insulation between the two electrodes, an electrolyte making possible ionic conductivity between the two electrodes and a sealed container or casing 5 enclosing the cipher elements. above and allowing the electrical connection to the outside. The container 5 is made of a material that is a good thermal conductor, for example a metallic material, making it possible to ensure good heat exchanges between the interior of the cell and the external environment. Alternatively, the separator and the electrolyte are formed by the same component.
Le pack batterie comporte également un circuit électrique reliant les bornes des cellules à l’extérieur du pack (non représenté).The battery pack also includes an electrical circuit connecting the terminals of the cells outside the pack (not shown).
Les cellules électrochimiques sont par exemple et de manière non limitative des cellules Li-ion.The electrochemical cells are, for example and in a non-limiting manner, Li-ion cells.
Dans cet exemple, le pack batterie comporte également un système de gestion thermique STH comprenant un module de gestion thermique MTH et des moyens 6 de régulation thermique assurant la circulation d’un fluide caloporteur dans le boîtier. Les moyens de régulation 6 comportent par exemple une entrée d’alimentation 6.1 en fluide formé dans une paroi du boîtier et une sortie d’évacuation 6.2 du fluide formé également dans une paroi du boîtier. La circulation du fluide peut être obtenue par convection naturelle ou par convection forcée. Dans le cas de la convection forcée, les moyens de régulation comportent, soit un ventilateur dans le cas de circulation d’air, soit une pompe dans le cas de circulation d’eau ou d’huile. Le fluide caloporteur circule entre les cellules électrochimiques et évacue la chaleur dégagée par les cellules lors de leur fonctionnement, ou apporte de la chaleur, par exemple dans le cas d’un démarrage à froid.In this example, the battery pack also comprises a thermal management system STH comprising a thermal management module MTH and thermal regulation means 6 ensuring the circulation of a heat transfer fluid in the case. The regulating means 6 comprise for example a fluid supply inlet 6.1 formed in a wall of the casing and a fluid discharge outlet 6.2 also formed in a wall of the casing. The circulation of the fluid can be obtained by natural convection or by forced convection. In the case of forced convection, the regulation means comprise either a fan in the case of air circulation, or a pump in the case of water or oil circulation. The heat transfer fluid circulates between the electrochemical cells and evacuates the heat given off by the cells during their operation, or provides heat, for example in the case of a cold start.
Nous verrons par la suite qu’un pack batterie sans moyens de régulation thermique actif ne sort pas du cadre de la présente invention.We will see later that a battery pack without active thermal regulation means does not go beyond the scope of the present invention.
Le module de gestion thermique MTH comporte au moins un objet de mesure O, qui est disposé parmi l’ensemble des cellules et à la place d’une cellule électrochimique. Dans l’exemple représenté, l’objet de mesure O présente une forme extérieure identique ou similaire à celle des cellules électrochimiques.The thermal management module MTH comprises at least one measurement object O, which is placed among the set of cells and in place of an electrochemical cell. In the example shown, the measurement object O has an external shape identical or similar to that of the electrochemical cells.
L’objet de mesure O n’est pas une cellule électrochimique et ne génère pas d’électricité.The measurement object O is not an electrochemical cell and does not generate electricity.
L’objet de mesure présente des propriétés d’échange thermique avec son environnement telles qu’elles permettent de simuler ou d’imiter le comportement thermique des autres cellules électrochimiques. De manière avantageuse, l’objet de mesure présente avantageusement des propriétés d’échange thermique avec son environnement identiques ou sensiblement identiques à celles des cellules électrochimiques. Ainsi le comportement thermique de l’objet de mesure est directement transposable à celui des cellules électrochimiques. Comme cela sera décrit ci-dessous, l’objet peut avoir des propriétés thermiques différentes des cellules électrochimiques, mais celles-ci sont néanmoins choisies de sorte à pouvoir utiliser le comportement thermique de l’objet de mesure pour reproduire celui des cellules électrochimiques.The measurement object has heat exchange properties with its environment such that they can simulate or imitate the thermal behavior of other electrochemical cells. Advantageously, the measurement object advantageously has heat exchange properties with its environment that are identical or substantially identical to those of electrochemical cells. Thus the thermal behavior of the measurement object can be directly transposed to that of electrochemical cells. As will be described below, the object may have different thermal properties from electrochemical cells, but these are nevertheless chosen so that the thermal behavior of the measurement object can be used to reproduce that of the electrochemical cells.
Dans la présente demande, l’environnement d’une cellule est défini comme comportant les autres cellules et le fluide caloporteur et tout élément avec lequel la cellule est susceptible d’échanger de la chaleur.In the present application, the environment of a cell is defined as comprising the other cells and the heat transfer fluid and any element with which the cell is likely to exchange heat.
Dans la présente demande, les propriétés thermiques de la cellule sont définies par son modèle thermique interne qui tient compte de sa capacité calorifique, de sa conductivité thermiques normale aux électrodes et de sa conductivité thermique le long des électrodes, et par ses surfaces d’échange thermique avec l’extérieur. L’extérieur comprend l’environnement pour les échanges conducto-convectifs avec le fluide environnant et les connexions électriques et les maintiens mécaniques pour les échanges thermiques conductifs.In the present application, the thermal properties of the cell are defined by its internal thermal model which takes into account its heat capacity, its normal thermal conductivity at the electrodes and its thermal conductivity along the electrodes, and by its heat exchange surfaces. thermal with the outside. The exterior includes the environment for conducto-convective exchanges with the surrounding fluid and the electrical connections and mechanical supports for conductive heat exchanges.
L’objet de mesure O est, quant à lui, défini par son modèle thermique interne connu qui prend en compte sa capacité calorifique et sa conductivité thermique relativement élevée et ses parois externesThe measurement object O is, in turn, defined by its known internal thermal model which takes into account its heat capacity and its relatively high thermal conductivity and its external walls.
La conductivité thermique de l’objet est telle qu’elle garantit une homogénéité en température au moins égale à celle de l’enveloppe externe des cellules électrochimiques, elle est typiquement comprise entre 20 et 200 W.m-1.K-1 The thermal conductivity of the object is such that it guarantees a temperature homogeneity at least equal to that of the external envelope of the electrochemical cells, it is typically between 20 and 200 Wm -1 .K -1
Les parois externes sont choisies de sorte à garantir les mêmes échanges avec l’environnement. Les parois externes peuvent alors avoir la même surface que celle de l’enveloppe externe d’une cellule, et un état de surface comparable, ou une surface dont le ratio de surface est connu. On entend par « ratio de surface connu » un coefficient de proportionnalité connu entre des échanges de chaleur de l’objet de mesure O intégré au sein du pack batterie placé et à même température qu’une cellule, et les échanges de chaleur d’une cellule électrochimique voisine à la même température. Le ratio de surface prend en compte la surface de parois d’échange et leur état de surface.The external walls are chosen so as to guarantee the same exchanges with the environment. The external walls can then have the same surface as that of the external envelope of a cell, and a comparable surface state, or a surface whose surface ratio is known. “Known surface ratio” means a known coefficient of proportionality between the heat exchanges of the measurement object O integrated within the battery pack placed and at the same temperature as a cell, and the heat exchanges of a neighboring electrochemical cell at the same temperature. The surface ratio takes into account the surface of the exchange walls and their surface condition.
De manière préférée et non limitative, l’objet de mesure O a la même forme et les mêmes dimensions que celles des cellules électrochimiques du pack. Ainsi il est aisé de réaliser un objet de mesure ayant des propriétés d’échange thermique avec son environnement identiques ou sensiblement identiques à celles des cellules électrochimiques. De manière préférée, l’objet de mesure est formé par le contenant 5 d’une cellule électrochimique. D’autres formes et dimensions peuvent être choisies en fonction des packs batterie.Preferably and without limitation, the measurement object O has the same shape and the same dimensions as those of the electrochemical cells of the pack. Thus it is easy to produce a measurement object having heat exchange properties with its environment that are identical or substantially identical to those of electrochemical cells. Preferably, the measurement object is formed by the container 5 of an electrochemical cell. Other shapes and sizes can be chosen depending on the battery packs.
L’objet de mesure O comporte également des moyens de chauffage 8, par exemple les moyens de chauffage comportent un élément chauffant conducteur électrique qui génère de la chaleur par effet Joule. Les moyens de chauffage sont destinés à permettre que la température de surface de l’objet O soit égale à la température des cellules électrochimiques. Plusieurs modes de réalisation pour les moyens de chauffage sont envisageables. Dans un mode de réalisation, un élément chauffant peut-être imprimé à la surface de l’objet O. Dans le cas où l’objet O est constitué du contenant 5 d’une cellule électrochimique, l’impression peut être réalisée sur le film plastique qui recouvre en général les cellules électrochimiques. Dans un autre mode de réalisation, dans le cas où l’objet O est constitué du contenant 5 dont le matériau présente une conductivité thermique relativement élevée et une capacité calorifique relativement faible, l’élément chauffant est intégré à l’intérieur du contenant 5 de sorte à présenter un bon contact thermique avec la surface du contenant, par exemple il s’agit d’un fil chauffant. Généralement l’épaisseur du contenant est de l’ordre de grandeur de la centaine de micromètres et le matériau est métallique, ce qui permet une telle intégration.The measurement object O also comprises heating means 8, for example the heating means comprise an electrically conductive heating element which generates heat by Joule effect. The heating means are intended to allow the surface temperature of the object O to be equal to the temperature of the electrochemical cells. Several embodiments for the heating means are possible. In one embodiment, a heating element can be printed on the surface of the object O. In the case where the object O consists of the container 5 of an electrochemical cell, the printing can be carried out on the film plastic which generally covers the electrochemical cells. In another embodiment, in the case where the object O consists of the container 5 whose material has a relatively high thermal conductivity and a relatively low heat capacity, the heating element is integrated inside the container 5 of so as to have good thermal contact with the surface of the container, for example it is a heating wire. Generally the thickness of the container is of the order of magnitude of a hundred micrometers and the material is metallic, which allows such integration.
Le matériau de l’objet de mesure présente une conductivité thermique relativement élevée, typiquement elle est comprise entre 20 et 200 W.m-1.K-1 pour garantir une bonne uniformité du champ de température en surface de l’objet O.The material of the measurement object has a relatively high thermal conductivity, typically it is between 20 and 200 W.m-1.K-1 to guarantee a good uniformity of the temperature field at the surface of the object O.
De préférence, le matériau de l’objet de mesure présente une capacité calorifique relativement faible, ce qui permet de réaliser un capteur virtuel performant, principalement en termes de dynamique. La valeur choisie typique pour la capacité calorifique de l’objet O sera celle du contenant 5 de la cellule batterie utilisée dans le pack batterie voire inférieure à celle-ci.Preferably, the material of the measurement object has a relatively low heat capacity, which makes it possible to produce a high-performance virtual sensor, mainly in terms of dynamics. The typical value chosen for the heat capacity of the object O will be that of the container 5 of the battery cell used in the battery pack, or even lower than this.
Le module de gestion thermique comporte également un premier capteur de température 10 mesurant la température T1 à la surface d’une cellule électrochimique C proche de l’objet de mesure, cette cellule sera désignée « cellule de mesure », et un deuxième capteur de température 12 mesurant la température T2 à la surface extérieure de l’objet de mesure O.The thermal management module also comprises a first temperature sensor 10 measuring the temperature T1 at the surface of an electrochemical cell C close to the measurement object, this cell will be designated "measuring cell", and a second temperature sensor 12 measuring the temperature T2 at the outer surface of the measuring object O.
De préférence, la cellule de mesure C est directement voisine de l’objet de mesure O. Ainsi l’objet de mesure O et la cellule de mesure C voient le même environnement ou quasiment le même environnement. Si le pack batterie est réalisé suivant un motif structuré, l’ensemble du pack est dans un état thermique sensiblement homogène, l’objet de mesure peut être éloigné de la cellule de mesure.Preferably, the measurement cell C is directly adjacent to the measurement object O. Thus the measurement object O and the measurement cell C see the same environment or almost the same environment. If the battery pack is made in a structured pattern, the entire pack is in a substantially homogeneous thermal state, the measurement object can be moved away from the measurement cell.
Dans le cas d’un pack batterie utilisant des cellules de même format et donc caractérisé par un même motif d’intégration, on peut généralement distinguer deux groupes de cellules ayant des états thermiques proches. Un groupe comporte les cellules au cœur du pack batterie, i.e. les cellules entourées par des cellules de même type, et un groupe qui comporte des cellules en périphérie du pack batterie et pour lesquelles une partie de leur environnement direct est constitué de l’enveloppe externe du pack batterie. De manière avantageuse, le module comporte deux objets de mesure O. L’un des objets de mesure O est localisé dans la zone « cœur du pack batterie » et l’autre objet de mesure est localisé dans la zone « périphérie du pack batterie ». Les deux cellules électrochimiques équipées d’un capteur de températures 10 sont respectivement l’une quelconque des cellules de la zone « cœur du pack batterie » et l’une quelconque des cellules de la zone « périphérie du pack batterie ».In the case of a battery pack using cells of the same format and therefore characterized by the same integration pattern, it is generally possible to distinguish two groups of cells having similar thermal states. A group comprises the cells at the heart of the battery pack, i.e. the cells surrounded by cells of the same type, and a group which comprises cells on the periphery of the battery pack and for which part of their direct environment consists of the external envelope of the battery pack. Advantageously, the module comprises two measurement objects O. One of the measurement objects O is located in the “core of the battery pack” zone and the other measurement object is located in the “periphery of the battery pack” zone. . The two electrochemical cells equipped with a temperature sensor 10 are respectively any of the cells of the “heart of the battery pack” zone and any of the cells of the “periphery of the battery pack” zone.
Dans cette application, on peut envisager d’utiliser un seul objet de mesure disposé en périphérie ou à cœur, l’information fournie est pertinente pour la connaissance de l’état thermique des cellules, mais l’information sera moins précise que lorsque deux objets de mesure sont mis en œuvre.In this application, it is possible to envisage using a single measurement object arranged at the periphery or at the core, the information provided is relevant for knowing the thermal state of the cells, but the information will be less precise than when two objects measurement are implemented.
Le module de gestion thermique est alors configuré pour :
- collecter les températures T1, T2 fournies par les capteurs de température 10, 12,
- commander les moyens de chauffage 8,
- déterminer le flux de chaleur extrait par les moyens de circulation du fluide caloporteur,
- déterminer l’état du pack batterie et commander des mesures correctives.The thermal management module is then configured for:
- collect the temperatures T1, T2 provided by the temperature sensors 10, 12,
- controlling the heating means 8,
- determine the heat flux extracted by the means of circulation of the heat transfer fluid,
- determine battery pack status and order corrective action.
Le module de gestion thermique est de préférence un microcalculateur monté sur le pack batterie ou intégré au système qu’il alimente. Ses fonctions peuvent être intégrées au sein de l’unité de contrôle du système pack batterie (nommé BMS (Batterie Management System en terminologie anglo-saxonne)). Les informations fournies par le module de gestion peuvent être partagées avec l’unité de contrôle pour suivre et améliorer la connaissance de l’état du pack batterie.The thermal management module is preferably a microcomputer mounted on the battery pack or integrated into the system that it powers. Its functions can be integrated within the control unit of the battery pack system (called BMS (Battery Management System in English terminology)). The information provided by the management module can be shared with the control unit to monitor and improve knowledge of the status of the battery pack.
Le fonctionnement du module de gestion thermique va maintenant être décrit. Sur la
Tout d’abord, la température T1 en surface de la cellule de mesure est mesurée par le capteur 10, et la température T2 de l’objet de mesure est mesurée par le capteur 12. Le module de gestion thermique calcule la différence T1 – T2 et l’utilise comme consigne de puissance pour la commande des moyens de chauffage 8, ceux-ci sont commandés afin que la valeur de T2 suive et converge vers celle de T1.First, the surface temperature T1 of the measuring cell is measured by sensor 10, and the temperature T2 of the measuring object is measured by sensor 12. The thermal management module calculates the difference T1 – T2 and uses it as a power setpoint for controlling the heating means 8, these are controlled so that the value of T2 follows and converges towards that of T1.
De préférence, la différence (T1 – T2) est amplifiée par exemple au moyen d’un correcteur proportionnel 14. La consigne de puissance interne de l’objet de mesure est désignée π.Preferably, the difference (T1 – T2) is amplified for example by means of a proportional corrector 14. The internal power setpoint of the measurement object is designated π.
En régime permanent, i.e. lorsque T1 et T2 sont égaux et constants, la puissance π requise pour que la valeur de la température T2 de l’objet de mesure soit maintenue à celle de la température T1 de la cellule électrochimique surveillée, désignée cellule de mesure, est directement proportionnelle à la puissance thermique extraite de la cellule électrochimique vers l’environnement ou égale à la puissance thermique extraite de la cellule électrochimique vers l’environnement, si l’objet de mesure O choisi est un contenant de cellule électrochimique, et est extraite principalement par le fluide caloporteur :
[Math 1]
Avec k est le coefficient à appliquer si l’objet O n’est pas un contenant de cellule électrochimique et possède un coefficient d’échange différent.In steady state, ie when T1 and T2 are equal and constant, the power π required so that the value of the temperature T2 of the object of measurement is maintained at that of the temperature T1 of the monitored electrochemical cell, designated measurement cell , is directly proportional to the thermal power extracted from the electrochemical cell towards the environment or equal to the thermal power extracted from the electrochemical cell towards the environment, if the measurement object O chosen is an electrochemical cell container, and is extracted mainly by the heat transfer fluid:
[Math 1]
With k is the coefficient to be applied if the object O is not an electrochemical cell container and has a different exchange coefficient.
En régime transitoire, les caractéristiques thermiques de l’objet de mesure O étant connues, il est aussi possible de déterminer la puissance instantanée évacuée Pout dans l’environnement par l’objet de mesure et la cellule électrochimique.
[Math 2]
avec Cp_O la capacité thermique de l’objet de mesure O.In transient state, the thermal characteristics of the measuring object O being known, it is also possible to determine the instantaneous power Pout evacuated into the environment by the measuring object and the electrochemical cell.
[Math 2]
with Cp_O the heat capacity of the measurement object O.
Tcontenant est la température moyenne du contenant de l’objet. Du fait de la sa bonne conductivité thermique, Tcontenant est uniforme et est connue grâce aux mesures T1, T2. k×π est connu puisqu’il s’agit de la consigne de puissance interne.Tcontainer is the average temperature of the container of the object. Due to its good thermal conductivity, Tcontainer is uniform and is known thanks to the measurements T1, T2. k×π is known since it is the internal power setpoint.
Le dispositif permet d’évaluer la puissance Pout extraite instantanément de la cellule électrochimique.The device makes it possible to evaluate the power Pout instantly extracted from the electrochemical cell.
En outre, grâce à la connaissance des grandeurs Pout et T1 d’une part, et à partir d’un modèle thermique de la cellule de mesure préétablie prenant en compte des propriétés thermiques des matériaux constituant la cellule et leur géométrie d’autre part, il est possible de déterminer la température interne maximale Tint de la cellule de mesure, la température moyenne Tm de la cellule et le gradient thermique Gth au sein des électrodes de la cellule, et de mettre en place un système de gestion thermique S comme par exemple illustré dans le documentXinran (William) Tao , "Design, Modeling and Control of a Thermal Management System for Hybrid Electric Vehicles" (2016). All Dissertations. 1631.Le capteur virtuel selon l’invention permet de rendre ce type d’estimateur beaucoup plus précis et robuste.In addition, thanks to the knowledge of the quantities Pout and T1 on the one hand, and from a thermal model of the pre-established measurement cell taking into account the thermal properties of the materials constituting the cell and their geometry on the other hand, it is possible to determine the maximum internal temperature Tint of the measuring cell, the average temperature Tm of the cell and the thermal gradient Gth within the electrodes of the cell, and to set up a thermal management system S such as for example illustrated in the paper Xinran (William) Tao , "Design, Modeling and Control of a Thermal Management System for Hybrid Electric Vehicles" (2016). All Dissertations. 1631. The virtual sensor according to the invention makes it possible to make this type of estimator much more precise and robust.
Dans un mode de fonctionnement, on considère que la puissance extraite et la température interne déterminée de la cellule de mesure sont également celles des autres cellules. Dans un autre mode de fonctionnement, le module de gestion thermique détermine les valeurs de puissance Pout et la température interne de chaque cellule à partir des valeurs de Pout et de la température interne Tint de la cellule de mesure, en appliquant une correction pour tenir compte de l’emplacement des autres cellules, par exemple pour tenir compte du fait que la cellule de mesure est au centre du pack ou sur un bord du pack, et de la distance entre les autres cellules et l’objet de mesure O. Un modèle de correction peut être appliqué.In one mode of operation, it is considered that the power extracted and the determined internal temperature of the measurement cell are also those of the other cells. In another mode of operation, the thermal management module determines the power values Pout and the internal temperature of each cell from the values of Pout and the internal temperature Tint of the measurement cell, by applying a correction to take into account the location of the other cells, for example to take into account whether the measurement cell is in the center of the pack or on an edge of the pack, and the distance between the other cells and the measurement object O. A model correction can be applied.
Dans un autre exemple représenté sur la
Les cellules au sein d’un pack batterie peuvent être regroupées en sous–groupes connectés électriquement en parallèle. L’invention peut prévoir de créer un capteur virtuel au sein de chaque sous-groupe. Chaque sous-groupe comporte un objet de mesure et une cellule de mesure. De préférence, un seul module de gestion thermique collecte les températures en surface des objets de mesures et des cellules de mesure et détermine la puissance Pout et éventuellement la température interne des cellules de mesure. Les modèles thermiques mis en œuvre peuvent différer d’un sous-groupe à l’autre. La mise en œuvre de plusieurs capteurs virtuels permet d’avoir une cartographie des échanges thermiques au sein du pack batterie.Cells within a battery pack can be grouped into subgroups electrically connected in parallel. The invention may provide for the creation of a virtual sensor within each sub-group. Each subgroup has a measurement object and a measurement cell. Preferably, a single thermal management module collects the surface temperatures of the measurement objects and of the measurement cells and determines the power Pout and possibly the internal temperature of the measurement cells. The thermal models implemented may differ from one subgroup to another. The implementation of several virtual sensors makes it possible to have a map of the heat exchanges within the battery pack.
Ainsi grâce au système de gestion thermique, il est possible d’évaluer en temps réel et de manière précise la puissance extraite par le fluide caloporteur, ce qui permet de suivre, en temps réel, l’état de fonctionnement des moyens de régulation thermique, permettant de savoir s’ils fonctionnent correctement et/ou si par exemple la qualité du fluide caloporteur est encore suffisante. Suivant les valeurs de puissance extraite Pout déterminées, le système de gestion peut alors générer différents messages.Thus, thanks to the thermal management system, it is possible to evaluate in real time and precisely the power extracted by the heat transfer fluid, which makes it possible to monitor, in real time, the operating state of the thermal regulation means, allowing you to know if they are working correctly and/or if, for example, the quality of the heat transfer fluid is still sufficient. According to the values of power extracted Pout determined, the management system can then generate different messages.
Par exemple, en cas de chute rapide de la valeur de la puissance extraite Pout, le système de gestion génère une alerte de dysfonctionnement majeur.For example, in the event of a rapid drop in the value of the power extracted Pout, the management system generates a major malfunction alert.
Par exemple, en cas de diminution de la puissance extraite sur une période plus ou moins longue, le système de gestion génère une simple préconisation de révision sur le système de refroidissement qui peut avoir perdu de son efficacité.For example, in the event of a reduction in the power extracted over a more or less long period, the management system generates a simple overhaul recommendation on the cooling system which may have lost its efficiency.
Cette alerte ou préconisation est émise avant que les conditions d’utilisations anormales du pack batterie n’aient potentiellement réduit les performances du pack batterie.This alert or recommendation is issued before abnormal conditions of use of the battery pack have potentially reduced the performance of the battery pack.
L’évaluation de la température interne de la cellule de mesure donne au système de commande du pack batterie des indications en temps réel permettant une utilisation du pack batterie de manière optimale, en tenant compte par exemple des conditions d’utilisation préconisées pour optimiser les performances électriques et la durée de vie des cellules électrochimiques. Par exemple, lorsque la température interne déterminée sort de la plage de température interne préconisée, le système de gestion thermique commande les moyens de régulation thermique pour modifier l’extraction de chaleur. La quantité de chaleur extraite est réduite lorsque la température est trop basse, et la quantité de chaleur extraite est augmentée lorsque la température interne est trop élevée. Pour cela, le débit de circulation du fluide caloporteur peut être modulé.Evaluation of the internal temperature of the measuring cell gives the battery pack control system real-time indications allowing optimal use of the battery pack, taking into account, for example, the recommended conditions of use to optimize performance electricity and the life of the electrochemical cells. For example, when the internal temperature determined is outside the recommended internal temperature range, the thermal management system controls the thermal regulation means to modify the extraction of heat. The amount of heat extracted is reduced when the temperature is too low, and the amount of heat extracted is increased when the internal temperature is too high. For this, the flow rate of the heat transfer fluid can be modulated.
Dans un autre exemple de réalisation, le pack batterie ne comporte pas de moyens de régulation thermique qui assurent la circulation d’un fluide caloporteur dans le boîtier. Par exemple dans certains véhicules électriques le refroidissement est obtenu par la circulation d’air autour du pack, et qui dépend notamment de la température ambiante de l’air et de de la vitesse du véhicule. Les informations obtenues grâce au module selon l’invention permettent d’avoir une meilleure connaissance sur l’état interne du pack batterie et d’entreprendre des mesures pour limiter l’échauffement du pack batterie au-delà d’une température donnée par exemple en bridant le pack batterie, par exemple en limitant la puissance disponible.In another exemplary embodiment, the battery pack does not include thermal regulation means which ensure the circulation of a heat transfer fluid in the case. For example, in some electric vehicles, cooling is obtained by the circulation of air around the pack, which depends in particular on the ambient air temperature and the speed of the vehicle. The information obtained thanks to the module according to the invention makes it possible to have a better knowledge of the internal state of the battery pack and to undertake measures to limit the heating of the battery pack beyond a given temperature, for example by restricting the battery pack, for example by limiting the power available.
L’invention proposée permet également d’améliorer la gestion thermique du véhicule électrique et d’augmenter sa durée de vie lorsque le pack batterie est utilisé dans des conditions spécifiques. Par exemple, dans le cas où un véhicule électrique stocké à température relativement froide, par exemple à la température ambiante en hiver la nuit, au démarrage du véhicule ou alors pour la recharge électrique du véhicule, le temps nécessaire pour que la température du cœur des cellules batterie soit dans la plage spécifiée par le fournisseur de cellules peut être difficile à évaluer de manière précise a priori.The proposed invention also makes it possible to improve the thermal management of the electric vehicle and to increase its lifespan when the battery pack is used under specific conditions. For example, in the case where an electric vehicle stored at a relatively cold temperature, for example at ambient temperature in winter at night, when starting the vehicle or when recharging the vehicle, the time required for the temperature of the core of the battery cells are within the range specified by the cell supplier can be difficult to assess accurately a priori.
Deux stratégies au démarrage peuvent par exemple être appliquées, soit le confort d’utilisation du pack batterie est privilégié en permettant à l’utilisateur d’extraire ou de recharger la batterie avec la puissance souhaitée, au détriment d’un impact sur la durée de vie, soit la durée de vie du véhicule est privilégiée en bridant la puissance fournie/reçue par le pack batterie, au détriment du confort d’utilisation. La qualité de l’information « Température minimale au cœur de la cellule » permet d’optimiser le choix entre ces deux stratégies. Ainsi grâce à l’invention qui améliore la précision et la robustesse de l’estimateur de température interne grâce à une évaluation temps réel des échanges de chaleur avec le fluide caloporteur, la gestion thermique peut être optimisée.Two start-up strategies can for example be applied, either the comfort of use of the battery pack is privileged by allowing the user to extract or recharge the battery with the desired power, to the detriment of an impact on the duration of life, or the life of the vehicle is favored by restricting the power supplied/received by the battery pack, to the detriment of comfort of use. The quality of the “Minimum temperature at the heart of the cell” information makes it possible to optimize the choice between these two strategies. Thus thanks to the invention which improves the accuracy and robustness of the internal temperature estimator thanks to a real-time evaluation of the heat exchanges with the heat transfer fluid, the thermal management can be optimized.
La détermination de la puissance Pout et éventuellement celle de la température interne de la cellule de mesure peuvent être réalisées en continue ou de manière discrète, par exemple périodiquement.The determination of the power Pout and possibly that of the internal temperature of the measurement cell can be carried out continuously or in a discrete manner, for example periodically.
Dans un autre exemple représenté sur la
Soit un pack batterie automobile constitué de cellules de dimensions unitaires représentative 600mm×300mm×100mm, 100 mm étant l’épaisseur de la cellule. Au lieu d’utiliser un objet de mesure ayant ces dimensions, on peut utiliser un objet de mesure de dimension 600mm×300mm×zmm avec z très inférieure à 100 mm. En mettant en œuvre un objet présentant les deux premières dimensions des cellules électrochimiques et une épaisseur réduite, l’intégration de cet objet peut être significativement plus simple, a un impact sensiblement limité sur la densité volumique d’énergie du pack batterie, tout en restant très efficace pour évaluer en temps réel les échanges thermiques avec le fluide caloporteur. En effet, le fait d’utiliser un objet de mesure avec une épaisseur réduite a peu d’effet sur les échanges thermiques puisque ceux-ci sont déjà réduits à travers les surfaces délimitées en partie par l’épaisseur dans la cellule électrochimique comparativement aux surfaces délimitées par les deux autres dimensions et/ou une calibration peut être mise en place compenser cet effet. Le module de gestion thermique comporte également une cellule de mesure C associée à l’objet de mesure, des capteurs de température 10 et 12 mesurant les températures T1 et T2 et des moyens de chauffage 8 de l’objet de mesure. Le module de gestion thermique traite les mesures de température et détermine la puissance échangée Pout.Consider an automotive battery pack made up of cells with representative unit dimensions of 600mm×300mm×100mm, 100mm being the thickness of the cell. Instead of using a measurement object having these dimensions, one can use a measurement object of dimension 600mm×300mm×zmm with z much less than 100 mm. By implementing an object having the first two dimensions of the electrochemical cells and a reduced thickness, the integration of this object can be significantly simpler, has a noticeably limited impact on the energy volume density of the battery pack, while remaining very effective for evaluating in real time the heat exchanges with the heat transfer fluid. Indeed, the fact of using a measurement object with a reduced thickness has little effect on the heat exchanges since these are already reduced through the surfaces delimited in part by the thickness in the electrochemical cell compared to the surfaces delimited by the two other dimensions and/or a calibration can be set up to compensate for this effect. The thermal management module also comprises a measurement cell C associated with the measurement object, temperature sensors 10 and 12 measuring the temperatures T1 and T2 and heating means 8 of the measurement object. The thermal management module processes the temperature measurements and determines the exchanged power Pout.
De préférence, lorsque l’objet de mesure est de dimensions et/ou de forme différente de celle des cellules électrochimiques, l’objet de mesure est tel que les échanges thermiques réalisés avec l’environnement sont transposables par rapport aux échanges entre une cellule et son environnement. De plus, de manière à garantir de bonnes performances dynamiques de l’estimateur Pout en régime transitoire, la capacité calorifique par unité de surface de l’objet de mesure O est avantageusement choisie de faible valeur. Typiquement une capacité calorifique par unité de surface d’échange de l’ordre de grandeur de celui de la capacité calorifique du contenant d’une cellule électrochimique garantit de bonnes performances dynamiques du capteur virtuel. Dans l’exemple précédent dans lequel la cellule présente les dimensions extérieures : 600mm×300mm×100mm, l’objet de mesure étant un dispositif de dimensions 600mm×300mm×zmm, celui-ci pourrait par exemple être constitué de plaques d’acier nickelé, l’acier nickelé étant généralement utilisé pour réaliser les contenants de batteries lithium, d’épaisseur inférieure à 1mm et recouvert éventuellement d’un fin film plastique qui est utilisé pour certaines cellules batteries lithium. Dans le cas d’une conception où le refroidissement des cellules batterie est réalisé uniquement sur les larges surfaces (600mm×300mm) un facteur correctif k =1 est alors utilisé pour l’évaluation de la puissance transmise au fluide caloporteur.Preferably, when the measurement object is of dimensions and/or of shape different from that of the electrochemical cells, the measurement object is such that the heat exchanges carried out with the environment are transposable with respect to the exchanges between a cell and its environment. Moreover, in order to guarantee good dynamic performance of the Pout estimator in transient state, the heat capacity per unit area of the measurement object O is advantageously chosen to have a low value. Typically, a heat capacity per unit of exchange surface of the order of magnitude of that of the heat capacity of the container of an electrochemical cell guarantees good dynamic performance of the virtual sensor. In the previous example in which the cell has the external dimensions: 600mm×300mm×100mm, the measuring object being a device of dimensions 600mm×300mm×zmm, this could for example be made up of nickel-plated steel plates , nickel-plated steel being generally used to make lithium battery containers, with a thickness of less than 1 mm and optionally covered with a thin plastic film which is used for certain lithium battery cells. In the case of a design where the cooling of the battery cells is carried out only on the large surfaces (600mm×300mm) a corrective factor k =1 is then used for the evaluation of the power transmitted to the heat transfer fluid.
Dans certains modes de réalisation, le pack batterie peut avantageusement être équipé de une ou plusieurs cellules électrochimiques équipées chacune d’un capteur de l température T1 et d’un élément de chauffage surfacique tel que celui prévu sur l’objet de mesure 0. Cet élément de chauffage surfacique forme des moyens de régulation thermique.In certain embodiments, the battery pack can advantageously be equipped with one or more electrochemical cells, each equipped with a temperature sensor T1 and a surface heating element such as that provided on the measurement object 0. This surface heating element forms thermal regulation means.
Dans le cas où l’objet de mesure serait de dimensions ou d’état de surface différent de ceux des cellules électrochimiques, ou dans le cas où l’environnement de la cellule électrochimique serait différent de celui de l’objet de mesure O, par exemple dans le cas d’une conception fortement contraintes géométriquement induite par un objectif d’optimisation de densité volumique du pack batterie, le facteur k peut être difficile à évaluer a priori, voire même être dépendant du point de fonctionnement. Dans ce cas, une phase de calibration spécifique peut être réalisée lors de la fabrication du module, voire pendant les phases de maintenance du pack batterie. Pour réaliser cette phase de calibration, un élément chauffant surfacique est préalablement installé sur la cellule électrochimique de mesure. L’élément chauffant est par exemple réalisé par impression de l’élément chauffant sur l’isolant de la cellule avant intégration de celle-ci.In the event that the measurement object is of different dimensions or surface condition from those of the electrochemical cells, or in the event that the environment of the electrochemical cell is different from that of the measurement object O, for example in the case of a design strongly constrained geometrically induced by an objective of optimizing the volume density of the battery pack, the factor k can be difficult to evaluate a priori, or even be dependent on the operating point. In this case, a specific calibration phase can be carried out during the manufacture of the module, or even during the maintenance phases of the battery pack. To carry out this calibration phase, a surface heating element is previously installed on the electrochemical measurement cell. The heating element is for example produced by printing the heating element on the insulation of the cell before integrating the latter.
Les opérations suivantes sont par exemple ensuite réalisées pour réaliser la calibration pour chaque point de fonctionnement identifié :The following operations are for example then carried out to carry out the calibration for each operating point identified:
1 - Les moyens de circulation de fluide caloporteur sont activés.1 - The heat transfer fluid circulation means are activated.
2 - Le capteur virtuel est activé. La valeur de la puissance évacuée au sein du fluide caloporteur est alors disponible.2 - The virtual sensor is activated. The value of the power evacuated within the heat transfer fluid is then available.
3 - Une consigne de puissance de référence P1ref est appliquée sur l’élément chauffant surfacique de la cellule électrochimique.3 - A reference power setpoint P1ref is applied to the surface heating element of the electrochemical cell.
4 - Une fois l’information issue du capteur virtuel stabilisée, la grandeur πref est enregistrée.4 - Once the information from the virtual sensor has stabilized, the quantity πref is recorded.
5 - Le facteur k est alors, au point de fonctionnement choisi, égal au ratio P1ref/ πref.5 - The factor k is then, at the chosen operating point, equal to the ratio P1ref/ πref.
Alternativement, un tel chauffage des cellules électrochimiques peut permettre un maintien en température de celles-ci durant des phases d’arrêt temporaires du véhicule, en réduisant voire compensant les déperditions thermiques externes de celles-ci. Ceci peut se faire par exemple en exploitant une chaleur présente dans un autre organe du véhicule, qui est moins impacté par une baisse de température, par exemple le moteur thermique d’un véhicule hybride ou l’électronique de puissance.Alternatively, such heating of the electrochemical cells can make it possible to maintain their temperature during temporary vehicle stop phases, by reducing or even compensating for the external heat losses thereof. This can be done for example by exploiting the heat present in another part of the vehicle, which is less affected by a drop in temperature, for example the heat engine of a hybrid vehicle or the power electronics.
On peut mettre en œuvre une électronique analogique associé à un comparateur et un chauffage proportionnel assurant le chauffage de la ou des cellules électrochimiques.It is possible to implement analog electronics associated with a comparator and proportional heating ensuring the heating of the electrochemical cell(s).
La présente invention peut s’appliquer aux packs batterie embarqués, tels que ceux mis en œuvre dans les véhicules à hydrides ou tout électrique ou dans toute application stationnaire requérant la présence d’un stockage électrochimique incluant un système de gestion thermique actif.The present invention can be applied to on-board battery packs, such as those implemented in hybrid or all-electric vehicles or in any stationary application requiring the presence of electrochemical storage including an active thermal management system.
Le capteur virtuel temps réel proposé permet de prévenir un endommagement des packs batterie en cas de sous-refroidissement, d’optimiser la gestion thermique des packs batterie et également de suivre leur vieillissement, notamment du fluide caloporteur ou des actionneurs du système de gestion thermique.The proposed real-time virtual sensor makes it possible to prevent damage to the battery packs in the event of undercooling, to optimize the thermal management of the battery packs and also to monitor their aging, in particular of the heat transfer fluid or the actuators of the thermal management system.
Claims (18)
-la mesure de la température (T1) en surface de la cellule de mesure (C),
-la mesure de la température (T2) en surface de l’objet de mesure (O),
-l’envoi d’une consigne aux moyens de chauffage (12) de l’objet de mesure (O).Method for thermal management of an electrochemical storage device according to one of the preceding claims comprising:
- temperature measurement (T1) on the surface of the measurement cell (C),
- temperature measurement (T2) at the surface of the measurement object (O),
- sending an instruction to the heating means (12) of the measurement object (O).
-la mesure de la puissance requise pour maintenir l’objet de mesure à la température de la cellule de mesure,
-la détermination de la puissance thermique échangée (Pout) par la cellule de mesure (C) avec son environnement.Thermal management method according to the preceding claim, comprising:
- the measurement of the power required to maintain the measurement object at the temperature of the measurement cell,
-the determination of the thermal power exchanged (Pout) by the measuring cell (C) with its environment.
- la comparaison de la valeur de la puissance thermique échangée (Pout) avec les valeurs précédemment déterminée et émission d’un signal si la comparaison fait apparaître une variation au-delà d’un seuil donné.Thermal management method according to claim 14 or 15, comprising:
- the comparison of the value of the thermal power exchanged (Pout) with the previously determined values and emission of a signal if the comparison reveals a variation beyond a given threshold.
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-
2020
- 2020-11-12 FR FR2011607A patent/FR3116157B1/en active Active
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| DE102014012015A1 (en) * | 2014-08-12 | 2016-02-18 | Audi Ag | Method for simulating cell operation and cell dummy |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| XINRAN (WILLIAM) TAO: "Design, Modeling and Control of a Thermal Management System for Hybrid Electric Vehicles", ALL DISSERTATIONS, 2016, pages 1631 |
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