FR3119938A1 - Module de batterie comprenant des cellules cylindriques refroidies - Google Patents

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Abstract

Module de batterie de stockage d’énergie électrique comprenant une cage (1) et un couple de cellules droites cylindriques (2) côte à côte maintenues en position parallèle entre-elles par ladite cage (1), cette cage comprenant une paroi (3) entourant la surface cylindrique de chaque cellule (2) sur une longueur donnée (L) et comprenant un ajourage (4) traversant l’épaisseur de la paroi (3) de sorte à laisser circuler un fluide diélectrique entre chaque cellule (2), caractérisé en ce que la paroi (3) comprend, entre deux génératrices les plus proches des cylindres des deux cellules (2), une zone de matière pleine (5) s’étendant sur toute la longueur donnée (L). Figure 1.

Description

MODULE DE BATTERIE COMPRENANT DES CELLULES CYLINDRIQUES REFROIDIES
La présente invention concerne un module d’une batterie, et plus particulièrement une batterie d’un véhicule à propulsion électrique alimentant une machine motrice électrique.
On comprendra par batterie, dans tout le texte de ce document, un ensemble comprenant au moins un module de batterie contenant au moins deux cellules électrochimiques. Cette batterie comprend éventuellement des moyens électriques ou électroniques pour la gestion d’énergie électrique de ce au moins un module. Lorsqu’il y a plusieurs modules, ils sont regroupés dans un bac ou carter et forment alors un bloc batteries, ce bloc batteries étant souvent désigné par l’expression anglaise « pack batteries », ce carter contenant généralement une interface de montage, et des bornes de raccordement.
Par ailleurs, on comprendra par cellule de stockage d’énergie électrique, ou cellules électrochimique, dans tout le texte de ce document, des cellules générant du courant par réaction chimique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-ion), de type Ni-Mh, ou Ni-Cd ou encore plomb, ou encore des cellules de pile à combustible.
Dans ce domaine, il est connu un système de refroidissement des cellules dit « par immersion », les cellules étant directement immergées dans un fluide diélectrique, ce fluide circulant dans ou au travers du module et en périphérie des cellules. Cette circulation se fait par convection naturelle ou alors, ce système comprend le module, une pompe de circulation, un échangeur, éventuellement un réchauffeur, et un vase d’expansion lorsque ce fluide est par exemple sous forme liquide, ainsi qu’une conduite de circulation du fluide reliant en boucle fermée l’ensemble des éléments précités.
Dans le cas des cellules cylindriques, généralement droites, elles sont accolées les unes aux autres par une cage pour faire bloc et former un module de géométrie fixe, une paroi rigide de la cage séparant les cellules juxtaposées de sorte à maitriser le gonflement des cellules en fonctionnement. Un espace de circulation du fluide est préservé entre les cellules, notamment en créant des ajourages dans la paroi rigide, pour que ce fluide puisse refroidir ces cellules.
On connaît par exemple un tel principe dans le document de brevet US-A1-20150270590. Mais si les ajourages présentés dans ce document de brevet permettent la circulation du fluide diélectrique, ils dégradent fortement la tenue géométrique des cellules cylindriques car ces dernières peuvent librement augmenter de diamètre, notamment en leur milieu, dans ces ajourages, dégradant ainsi les couches enroulées internes à la cellule cylindrique.
Le but de l’invention est de remédier à ce problème en limitant le gonflement de ces cellules.
A cet effet, l’invention a pour objet un module de batterie de stockage d’énergie électrique comprenant une cage et un couple de cellules droites cylindriques côte à côte maintenues en position parallèle entre-elles par ladite cage, cette cage comprenant une paroi entourant la surface cylindrique de chaque cellule sur une longueur donnée et comprenant un ajourage traversant l’épaisseur de la paroi de sorte à laisser circuler un fluide diélectrique entre chaque cellule, ce module étant tel que la paroi comprend, entre deux génératrices des cylindres les plus proches des deux cellules, une zone de matière pleine s’étendant sur toute la longueur donnée.
Ainsi la zone de matière pleine est par exemple d’épaisseur constante mais pas nécessairement, non ajourée, et s’oppose au gonflement des cellules. Cette zone de matière pleine ne va donc pas détériorer la cellule, tout en participant à l’homogénéisation des températures des cellules grâce au fait d’être par exemple thermo-conductrice. Le ou les ajourages sont de fait disposés en périphérie de la zone de matière pleine, là où la pression mécanique entre cellules est absente du fait que les cellules ne peuvent pas se toucher de par leur forme cylindrique. Ces ajourages permettent alors la circulation d’un fluide diélectrique dans lequel sont submergées les cellules.
On notera que la longueur donnée peut être plus courte ou plus longue que la longueur du cylindre des cellules. On préférera cependant une longueur donnée égale ou supérieure à la longueur du cylindre des cellules de sorte à minimiser la pression mécanique entre cellules due à leur gonflement.
Cette zone de matière pleine peut être plane, ou épouser localement les cylindres des cellules en prenant leur forme.
Selon un mode de réalisation de l’invention, chaque cellule est en contact contre la zone de matière pleine.
Ainsi, dès qu’une cellule est soumise à un gonflement, ce dernier est immédiatement bloqué par la zone de matière pleine.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la paroi comprend un ajourage de chaque côté de la zone de matière pleine.
Selon un mode de réalisation de l’invention, chacun des ajourages est rectangulaire et la zone de matière pleine est une bande dont chacun des côtés appartient à un coté d’un des ajourages.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la périphérie extérieure de la cage présente une seconde zone de matière pleine:
- s’étendant sur toute la longueur donnée, et
- en vis-à-vis de la génératrice la plus proche de la périphérie extérieure de la cage,
cette génératrice appartenant au cylindre d’une cellule cylindrique accolée à la périphérie extérieure de la cage.
Ainsi, la périphérie extérieure de la cage participe également au non gonflement des cellules au niveau de génératrices (des cylindres) qui ne seraient pas en vis-à-vis d’une autre cellule, mais uniquement en vis-à-vis de la périphérie extérieure de la cage.
Cette seconde zone de matière pleine peut être plane, ou épouser localement les cylindres des cellules en prenant leur forme.
Selon un mode de réalisation de l’invention, cette génératrice, la plus proche de la périphérie extérieure de la cage est en contact contre la cage.
Ainsi, dès qu’une cellule est soumise à un gonflement, ce dernier est immédiatement bloqué par la seconde zone de matière pleine.
Selon un mode de réalisation de l’invention, cette seconde zone de matière pleine comprend une nervure de rigidification externe s’étendant sur la longueur donnée.
Cette caractéristique permet de bloquer plus facilement le gonflement des cellules : en effet, une grande partie des efforts de compression des cellules sur la (première) zone de matière pleine est transmise de cellule en cellule à la seconde zone de matière pleine qui n’a pas de cellule voisine ou côte à côte pour contrecarrer ces efforts de compression, si bien qu’elle peut fléchir. Cette nervure permet d’éviter ce fléchissement, et donc le gonflement, ou alors elle permet d’éviter de surdimensionner l’épaisseur de la paroi de la cage.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la paroi forme une section polygonale autour de chaque cellule.
Selon un mode de réalisation de l’invention, ce polygone est un hexagone.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’ajourage est sur la même face du polygone que la zone de matière pleine.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence à la dans laquelle :
: représente un schéma d’un module selon l’invention.
La divulgue partiellement un module de batterie de stockage d’énergie électrique. Ce module comprend une cage 1 et un couple de cellules droites cylindriques 2 côte à côte maintenues en position parallèle entre-elles par ladite cage 1. Cette cage 1 forme autant d’alvéoles que de cellules 2, chaque cellule 2 étant logée dans une alvéole. Cette cage comprend une paroi 3, formant ces alvéoles et entourant la surface cylindrique de chaque cellule 2 sur une longueur donnée L, selon le sens de la longueur des cellules 2. Cette paroi 3 comprend un ajourage 4 traversant l’épaisseur de la paroi 3 de sorte à laisser circuler un fluide diélectrique entre chaque cellule 2. La paroi 3 comprend, entre deux génératrices les plus proches des cylindres des deux cellules 2, une zone de matière pleine 5 s’étendant sur toute la longueur donnée L.
Ce ou ces ajourages 4 permettent alors la circulation d’un fluide diélectrique dans lequel sont submergées les cellules 2.
Les fluides diélectriques sont parfaitement connus de l’homme du métier : le premier, le moins cher, le moins polluant, mais qui a une faible capacité calorifique c’est l’air. Mais pour une application industrielle dans les batteries, il est plus avantageux que ce fluide ait une capacité calorifique importante plus proche de celle de l’eau, par exemple à base d'hexafluorure de soufre sous forme de gaz ou de liquide, ou à base d’huile.
Les cellules cylindriques 2 sont représentées sur la par une section circulaire en pointillés. Il y a quatre cellules 2 représentées, mais bien entendu le nombre minimal est de deux cellules 2 pour former au moins un couple. Le nombre de cellules 2 peut être bien plus grand, en fonction de la capacité de stockage et/ou de la tension désirée aux bornes de la batterie.
Quatre cellules 2 représentent donc une combinaison possible de six couples de cellules 2, à titre d’exemple.
La cage 1 est représentée sans fond et sans couvercle, mais selon l’architecture du module l’un ou l’autre ou les deux sont présents. Par exemple, le fond sera avantageusement présent lorsque les cellules 2 glissent dans les alvéoles, mais pas nécessairement, un rétrécissement de l’alvéole a une extrémité de la cage 1 remplaçant avantageusement le fond, bloquant la cellule 2 une fois mise en place dans l’alvéole.
Par exemple, chaque cellule 2 est en contact contre la zone de matière pleine 5. Ce contact peut être un ajustement glissant, ou serré. En variante il y a un jeu mécanique entre la cellule 2 et la zone de matière pleine 5, par exemple de 0,1mm à 1 mm. Cette variante peut être en combinaison avec des cellules 2 en contact contre la zone de matière pleine 5, de sorte par exemple à diminuer les contraintes dues au gonflement des cellules 2.
La paroi 3 comprend par exemple un ajourage 4 de chaque côté de la zone de matière pleine 5, ce qui permet une très bonne circulation du fluide diélectrique au travers de la cage 1 tout en allégeant la cage 1 en enlevant de la matière aux endroits qui, de fait, ne transmettent aucune contrainte mécanique puisque jamais en contact avec les cellules 2 cylindriques.
Ces ajourages 4 sont par exemple rectangulaires et la zone de matière pleine 5 est alors une bande dont chacun des côtés appartient à un coté d’un des ajourages 4. Cette forme rectangulaire des ajourages 4 est avantageuse car cela ne nécessite pas d’outillages complexes pour les réaliser, mais aussi parce que c’est la forme la plus adaptée pour enlever le maximum de matière de la cage 1 tout en :
- préservant l’existence de la zone de matière pleine 5 sur toute la longueur L, et
- formant une couronne de matière pleine de l’alvéole au fond de l’alvéole et à son extrémité opposée au fond, permettant de maintien des alvéoles entre-elles pour former la cage 1.
L’extrémité opposée au fond de l’alvéole est par exemple l’extrémité par laquelle la cellule 2 est introduite dans la cage 1.
La périphérie extérieure de la cage présente une seconde zone de matière pleine 6 :
- s’étendant sur toute la longueur donnée L, et
- en vis-à-vis de la génératrice la plus proche de la périphérie extérieure de la cage 1, cette génératrice appartenant au cylindre d’une cellule 2 cylindrique accolée à la périphérie extérieure de la cage 1.
La périphérie extérieure de la cage 1 est donc la partie de la paroi 3 des alvéoles qui est visible de l’extérieur d’un ensemble constitué de la cage 1 et des cellules 2.
La périphérie extérieure de la cage 1 est donc un cerclage, réalisé par la partie de la paroi 3, entourant l’ensemble de toutes les cellules 2 du module,
Cette seconde zone de matière pleine 6 est par exemple la totalité de cette partie de la paroi 3, de sorte que le cerclage n’est pas ajouré, comme illustré sur la .
En variante non illustrée, et toujours dans le but d’alléger la cage 1, ce cerclage est ajouré, par exemple avec des seconds ajourages de chaque côté de la seconde zone de matière pleine 6. Ces seconds ajourages sont par exemple rectangulaires et la seconde zone de matière pleine 6 est alors une seconde bande dont chacun des côtés appartient à un coté d’un des seconds ajourages.
Cette génératrice, la plus proche de la périphérie extérieure de la cage (1) est par exemple en contact contre la cage 1, c’est-à-dire contre le cerclage.
Ce contact peut être un ajustement glissant, ou serré. En variante il y a un jeu mécanique entre la cellule 2 et la seconde zone de matière pleine 6, par exemple de 0,1mm à 1 mm. Cette variante peut être en combinaison avec des cellules 2 en contact contre la seconde zone de matière pleine 6, de sorte par exemple à diminuer les contraintes dues au gonflement des cellules 2.
Cette seconde zone de matière pleine 6 comprend par exemple une nervure de rigidification externe s’étendant sur la longueur donnée L. Par exemple sur toute la longueur donnée L.
Comme illustré, la paroi 3 forme une section polygonale autour de chaque cellule 2. Cette section est celle de l’alvéole.
Ce polygone est avantageusement un hexagone, ce qui permet que chaque alvéole soit parfaitement accolée à une ou plusieurs alvéoles voisines par une correspondance parfaite des faces du polygone de chaque alvéole, à la manière d’un « nid d’abeilles ».
Comme illustré, l’ajourage 4 est sur la même face du polygone que la zone de matière pleine 5. Par exemple, chaque face de l’hexagone de chaque alvéole comprenant une zone de matière pleine 5, comprend en outre un ajourage 4 rectangulaire de chaque côté de la zone de matière pleine 5. Cette zone de matière pleine 5 forme alors la bande dont chacun des côtés appartient à un côté d’un des ajourages 4.
La cage 1 est avantageusement en matériau thermo-conducteur et/ou isolant électriquement.

Claims (10)

  1. Module de batterie de stockage d’énergie électrique comprenant une cage (1) et un couple de cellules droites cylindriques (2) côte à côte maintenues en position parallèle entre-elles par ladite cage (1), cette cage comprenant une paroi (3) entourant la surface cylindrique de chaque cellule (2) sur une longueur donnée (L) et comprenant un ajourage (4) traversant l’épaisseur de la paroi (3) de sorte à laisser circuler un fluide diélectrique entre chaque cellule (2), caractérisé en ce que la paroi (3) comprend, entre deux génératrices les plus proches des cylindres des deux cellules (2), une zone de matière pleine (5) s’étendant sur toute la longueur donnée (L).
  2. Module selon la revendication 1, chaque cellule (2) étant en contact contre la zone de matière pleine (5).
  3. Module selon l’une des revendications précédentes, la paroi (3) comprenant un ajourage (4) de chaque côté de la zone de matière pleine (5).
  4. Module selon la revendication 3, chacun des ajourages (4) étant rectangulaire et la zone de matière pleine (5) étant une bande dont chacun des côtés appartient à un coté d’un des ajourages (4).
  5. Module selon l’une des revendications précédentes, la périphérie extérieure de la cage présentant une seconde zone de matière pleine (6) :
    - s’étendant sur toute la longueur donnée (L), et
    - en vis-à-vis de la génératrice la plus proche de la périphérie extérieure de la cage, cette génératrice appartenant au cylindre d’une cellule cylindrique accolée à la périphérie extérieure de la cage.
  6. Module selon la revendication 5, cette génératrice, la plus proche de la périphérie extérieure de la cage (1) étant en contact contre la cage.
  7. Module selon la revendication 5 ou 6, cette seconde zone de matière pleine (6) comprenant une nervure de rigidification externe s’étendant sur la longueur donnée (L).
  8. Module selon l’une des revendications précédentes, la paroi (3) formant une section polygonale autour de chaque cellule (2).
  9. Module selon la revendication précédente, ce polygone étant un hexagone.
  10. Module selon la revendications 8 ou 9, l’ajourage (4) étant sur la même face du polygone que la zone de matière pleine (5).
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