FR3122527A1 - Module de cellules électrochimiques reliées entre elles par des tubes de circulation d’un fluide caloporteur électriquement conducteurs, et tube pour un tel module - Google Patents

Module de cellules électrochimiques reliées entre elles par des tubes de circulation d’un fluide caloporteur électriquement conducteurs, et tube pour un tel module Download PDF

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Abstract

La présente invention propose un tube conducteur (TC12) de circulation d’un fluide caloporteur apte à être interposé entre deux plaques (PC2+, PC1-) de connexion électrique adjacentes appartenant chacune à une cellule électrochimique d’une batterie de véhicule automobile, caractérisé en ce que la surface externe (24) du tube conducteur (TC12) est au moins en partie (26, 28, 30) conductrice électriquement.L’invention propose aussi un module de cellules électrochimiques dont les plaques de connexion électrique sont reliées électriquement entre elles par de tels tubes conducteurs. Figure pour l'abrégé : 5B

Description

Module de cellules électrochimiques reliées entre elles par des tubes de circulation d’un fluide caloporteur électriquement conducteurs, et tube pour un tel module
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne un module de cellules électrochimiques d’un ensemble de batterie notamment pour véhicule automobile.
L’invention concerne notamment un tel module qui est associé à un système caloporteur notamment pour refroidir les cellules électrochimiques, aussi appelées cellules électriques.
Arrière-plan technique
En fonctionnement, les cellules électrochimiques produisent de la chaleur en tant que sous-produit des réactions chimiques se produisant à l'intérieur des cellules électrochimiques.
Les cellules électrochimiques fonctionnent le plus efficacement dans une certaine plage de température et une telle chaleur peut donc être bénéfique pour augmenter la température de la cellule électrochimique à l'intérieur de la plage de température optimale de fonctionnement de la cellule.
Cependant, sous certaines conditions d’utilisation et plus particulièrement lors d’une charge rapide, l’échauffement de la cellule électrochimique entraîne une augmentation de sa température. Les cellules électrochimiques admettent une température maximale limite.
Pour rester en-dessous de cette température limite, un refroidissement des cellules électrochimiques est nécessaire.
Une autre solution possible est la réduction de la puissance, mais cette solution entraîne une augmentation du temps de charge.
Par conséquent, afin de garantir les performances sûres et optimales d'une cellule électrochimique, il est souhaitable qu'un moyen caloporteur soit prévu pour évacuer la chaleur à une vitesse souhaitée loin d'une cellule électrochimique ou d'un module de cellules électrochimiques.
La gestion de la thermique et des échauffements est tout particulièrement une des problématiques de la charge rapide des batteries. Une charge rapide nécessite des courants élevés et donc des échauffements importants, notamment au niveau des éléments externes de connexion électrique des cellules électrochimiques qui sont par exemple réalisés sous la forme de plaques de connexion.
L’ensemble des collecteurs de courant des électrodes sont soudés à ces plaques de connexion, ce qui provoque localement une forte densité de courant et donc des échauffements.
Afin de limiter les échauffements, dans le cas où la température de la batterie est trop élevée, la puissance fournie lors de l’utilisation (décharge) ou la puissance (charge) est limitée.
Le refroidissement des éléments externes de connexion électrique des cellules électrochimiques s'avère donc primordial pour favoriser les performances en puissance de la batterie.
Cependant, à l’échelle d’une batterie pour un véhicule dit électrique ou électrifié, les composants d’un circuit de refroidissement au moyen d’un liquide de refroidissement sont encombrants et contraignants, l’objectif étant de maximiser le volume occupé par les cellules électrochimiques.
Le document US-A1-20170040653 décrit et représente un module de batterie comportant :
- au moins une paire de cellules électrochimiques 2a, 2b ayant chacune au moins une plaque de connexion électrique 4, 6 en contact électrique et thermique avec la plaque de connexion électrique 6, 4 de l’autre cellule électrochimique 2b, 2a de ladite au moins une paire, et dans laquelle lesdites plaques de connexion électrique 4, 6 sont adjacentes,
- et au moins un tube conducteur 37 de circulation d’un fluide caloporteur (qui est réalisé en un matériau thermiquement conducteur et ainsi configuré pour être couplé thermiquement avec lesdites deux plaques de connexion électriques 4, 6 de chaque paire 2a, 2b de telle sorte que la chaleur puisse être transférée des deux plaques de connexion électrique 4, 6 au tube conducteur de circulation de fluide 37 qui est interposé entre lesdites plaques de connexion électrique adjacentes 4, 6.
Comme on peut le voir notamment à la de ce document, entre deux plaques de connexion électrique parallèles et adjacentes 4, 6, il est prévu d’une part un tube conducteur 37 de circulation de fluide en matériau thermiquement conducteur et isolant électriquement de section carrée et, d’autre part, un connecteur électrique 30 à section en C qui est adjacent au tube conducteur de circulation de fluide.
Cette conception a notamment pour inconvénient de limiter les aires des portions des plaques de connexion adjacentes 4, 6 qui sont des surfaces d’échange thermique direct avec le tube conducteur 37 de circulation du fluide caloporteur interposé entre les deux plaques. Notamment, les plaques de connexion électrique 4, 6 ne sont en contact qu’avec deux faces latérales longitudinales et opposées 35 et 36 du tube conducteur 37.
Enfin, de par leur nature isolante électriquement, les matériaux constitutifs des tubes conducteurs 37 ne présentent pas les meilleures performances possibles de conductibilité thermique.
L’invention propose une cellule électrochimique comportant :
- au moins une plaque de connexion électrique,
- et au moins un tube de circulation d’un fluide caloporteur qui est adjacent à ladite au moins une plaque de connexion électrique,
caractérisée en ce que la surface externe du tube de circulation d’un fluide caloporteur est au moins en partie conductrice électriquement.
Selon une autre caractéristique de la cellule électrochimique, ledit tube de circulation d’un fluide caloporteur comporte une borne externe de raccordement électrique qui est apte à être reliée à au moins un circuit électronique appartenant à un système de mesure de la tension de la cellule électrochimique, notamment pour fournir cette valeur de tension à une unité de gestion d’une batterie comportant un tel système de mesure de la tension des cellules électrochimiques.
L’invention propose aussi un module de cellules électrochimiques comportant :
- au moins une paire de cellules électrochimiques voisines ayant chacune au moins une plaque de connexion électrique en contact électrique et thermique avec la plaque de connexion électrique de l’autre cellule électrochimique de ladite au moins une paire de cellules électrochimiques, et dans laquelle lesdites plaques de connexion électrique sont adjacentes,
- et au moins un tube conducteur de circulation d’un fluide caloporteur qui est interposé entre lesdites plaques de connexion électrique adjacentes,
caractérisé en ce que la surface externe du tube conducteur de circulation d’un fluide caloporteur est au moins en partie conductrice électriquement.
Ainsi, le tube de circulation du fluide caloporteur est un composant du circuit de refroidissement sur lequel les plaques de connexion parallèles peuvent être soudées, notamment sur au moins une face latérale transversale supplémentaire du tube conducteur.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le module est caractérisé en ce que :
- ledit tube de circulation d’un fluide caloporteur comporte une borne externe de raccordement électrique,
- et le module comporte un système de mesure de la tension des cellules électrochimiques qui comporte au moins un circuit électronique auquel est reliée la borne externe de raccordement.
Ainsi, le tube conducteur de circulation de fluide caloporteur a plusieurs fonctions : élément de refroidissement, support de soudure, et élément de raccordement électrique pour la mesure de la tension des cellules électrochimiques.
Selon d’autres caractéristiques du module :
- ledit tube de circulation d’un fluide caloporteur comporte une borne externe de raccordement électrique, et le module comporte un système de mesure de la tension des cellules électrochimiques qui comporte au moins un circuit électronique auquel est reliée la borne externe de raccordement ;
- le module comporte au moins une carte de raccordement électrique, apte à être reliée à une unité électronique de gestion de la batterie, à laquelle est raccordée la borne externe de raccordement dudit tube de circulation d’un fluide caloporteur ;
- le module comporte au moins deux paires adjacentes de cellules électrochimiques selon l’invention, et est caractérisé en ce qu’au moins une plaque de connexion de ladite une paire de cellules électrochimiques est adjacente à une plaque de connexion de l’autre paire de cellules électrochimiques, et en ce qu’il comporte au moins un autre tube de circulation d’un fluide caloporteur qui est interposé entre ces plaques de connexion électrique et dont la surface externe est au moins en partie conductrice électriquement ;
- le module comporte 2n cellules électrochimiques adjacentes qui sont reliées électriquement entre elles par 2n-1 tubes de circulation d’un fluide caloporteur;
- chaque cellule électrochimique d’une paire de cellules électrochimiques comporte un couple de cellules électrochimiques voisines reliées électriquement en parallèle, et le module est caractérisé en ce qu’au moins une plaque de connexion commune à un couple de cellules électrochimiques voisines est adjacente à une plaque de connexion de l’autre couple de cellules électrochimiques voisines, et en ce que ledit tube de circulation d’un fluide caloporteur est interposé entre ces plaques de connexion électriques ;
- le module comporte 2n cellules électrochimiques constituant n paires adjacentes de couples cellules électrochimiques voisines qui sont reliées électriquement entre elles par n-1 tubes de circulation d’un fluide caloporteur ;
- chaque cellule électrochimique comporte une plaque de connexion électrique agencée à une extrémité longitudinale et une autre plaque de connexion électrique, de polarité opposée, agencée à l’autre extrémité longitudinale de la cellule électrochimique ;
- chaque tube de circulation d’un fluide caloporteur est réalisé en matériau conducteur de l’électricité, notamment en métal, plus particulièrement en aluminium.
L’invention propose aussi un tube de circulation d’un fluide caloporteur apte :
- à être adjacent à au moins une plaque de connexion électrique appartenant à une cellule électrochimique ;
- ou bien à être interposé entre deux plaques de connexion électrique adjacentes appartenant chacune à une cellule électrochimique, caractérisé en ce que la surface externe du tube de circulation d’un fluide caloporteur est au moins en partie conductrice électriquement.
Selon une autre caractéristique, le tube comporte une borne externe de raccordement électrique.
L’invention propose aussi une batterie électrique caractérisée en ce qu’elle comporte au moins un module selon l’invention, et un circuit de circulation d’un fluide caloporteur à travers chacun des tubes de circulation d’un fluide caloporteur.
Brève descriptions des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
– la est une vue schématique en perspective d’un exemple de réalisation d’une cellule électrochimique pour la réalisation d’un module selon l’invention ;
– la est une vue schématique en perspective de la partie longitudinale avant de deux cellules électrochimiques voisines présentant deux plaques de connexion électrique adjacentes ;
– la est une vue en perspective d’un tube conducteur selon l’invention de circulation de fluide et de liaison électrique entre au moins deux plaques de connexion électrique adjacentes ;
– la est une vue analogue à celle de la avec un tube conducteur de circulation de fluide et de liaison électrique agencé en position entre les deux plaques de connexion électrique adjacentes ;
– la est une vue analogue à celle de la , sur laquelle les deux plaques de connexion électrique adjacentes sont représentées en position repliée et soudée, ici avec cinq points de soudure, sur la paroi surface externe adjacente du tube conducteur de circulation de fluide et de liaison électrique ;
– la est une vue en section par un plan horizontal du tube conducteur de circulation de fluide et de liaison électrique et des deux plaques de connexion électrique soudées de la ;
– la est une vue en perspective de la partie longitudinale avant d’un module de vingt cellules électrochimiques voisines qui sont reliées électriquement en série par un jeu de tubes conducteurs selon l’invention de circulation de fluide et de liaison électrique dont les bornes de raccordement électrique sont reliées entre elles par une carte de raccordement électrique ;
– la est une vue en perspective de la carte de raccordement électrique représentée à la ;
– la est une vue schématique en perspective du réseau de circulation du fluide d’échange thermique, associé au module représenté à la , notamment pour son entrée et sa sortie, et sa circulation à travers les jeux de tubes conducteurs avant et arrière selon l’invention ;
– la est une vue complète vue en perspective du module illustré à la en association avec le circuit de circulation représenté à la ;
– la est une représentation schématique du module de vingt cellules électrochimiques de la selon un agencement et une liaison électrique en série des vingt cellules électrochimiques ;
– la est une représentation schématique analogue à celle de la qui illustre une architecture différente avec un agencement et une liaison électrique en série de dix couples de deux cellules électrochimiques reliées en parallèle.

Claims (14)

  1. Cellule électrochimique (Ci) comportant :
    - au moins une plaque (PCi+, PCi-, PCi+1+, PCi+1-) de connexion électrique,
    - et au moins un tube (TCi,i+1) de circulation d’un fluide caloporteur qui est adjacent à ladite au moins une plaque (PCi+, PCi-, PCi+1+, PCi+1-) de connexion électrique,
    caractérisée en ce que la surface externe (24) du tube de circulation d’un fluide caloporteur (TCi) est au moins en partie (26, 28, 30) conductrice électriquement.
  2. Cellule électrochimique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit tube de circulation d’un fluide caloporteur (TCi,i+1) comporte une borne externe (40) de raccordement électrique qui est apte à être reliée à au moins un circuit électronique appartenant à un système de mesure de la tension de la cellule électrochimiques (Ci).
  3. Module (E) de cellules électrochimiques comportant :
    - au moins une paire de cellules électrochimiques (Ci, Ci+1) voisines ayant chacune au moins une plaque (PCi+, PCi-, PCi+1+, PCi+1-) de connexion électrique en contact électrique et thermique avec la plaque (PCi+1+, PCi+1-, PCi+, PCi-) de connexion électrique de l’autre cellule électrochimique de ladite au moins une paire de cellules électrochimiques (Ci, Ci+1), et dans laquelle lesdites plaques de connexion électrique sont adjacentes,
    - et au moins un tube (TCi,i+1) de circulation d’un fluide caloporteur qui est interposé entre lesdites plaques (PCi+, PCi-, PCi+1+, PCi+1-) de connexion électrique adjacentes,
    caractérisé en ce que la surface externe (24) du tube de circulation d’un fluide caloporteur (TCi) est au moins en partie (26, 28, 30) conductrice électriquement.
  4. Module (E) selon la revendication 3, caractérisé :
    - en ce que ledit tube de circulation d’un fluide caloporteur (TCi,i+1) comporte une borne externe (40) de raccordement électrique,
    - et en ce que le module (E) comporte un système de mesure de la tension des cellules électrochimiques (Ci) qui comporte au moins un circuit électronique auquel est reliée la borne externe (40) de raccordement.
  5. Module (E) selon la revendication 3, en ce qu’il comporte au moins une carte (44) de raccordement électrique, apte à être reliée à une unité électronique de gestion de la batterie, à laquelle est raccordée la borne externe (40) de raccordement dudit tube de circulation d’un fluide caloporteur (TCi, i+1).
  6. Module (E) selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu’’il comporte au moins deux paires adjacentes de cellules électrochimiques (Ci, Ci+1– Ci+2, Ci+3), et caractérisé :
    - en ce qu’au moins une plaque de connexion (PCi+1) de ladite une paire de cellules électrochimiques (Ci, Ci+1) est adjacente à une plaque de connexion (PCi+2) de l’autre paire de cellules électrochimiques (Ci+2, Ci+3),
    - et en ce qu’il comporte au moins un autre tube (TCi+1, i+2) de circulation d’un fluide caloporteur qui est interposé entre ces plaques de connexion électrique et dont la surface externe (24) est au moins en partie conductrice électriquement.
  7. Module selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comporte 2n cellules électrochimiques adjacentes qui sont reliées électriquement entre elles par 2n-1 tubes (TCi, i+1) de circulation d’un fluide caloporteur.
  8. Module (E) selon l’une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que :
    - chaque cellule électrochimique d’une paire de cellules électrochimiques ([Ci, Ci+1], [Ci+2, Ci+3]), comporte un couple de cellules électrochimiques voisines reliées électriquement en parallèle :
    - en ce qu’au moins une plaque de connexion commune à un couple ([Ci, Ci+1]) de de cellules électrochimiques (Ci, Ci+1) voisines est adjacente à une plaque de connexion (PCi+2) de l’autre couple de cellules électrochimiques voisines ([Ci+2, Ci+3]),
    - et en ce que ledit tube (TC[i, i+1], [i+2, i+3]) de circulation d’un fluide caloporteur est interposé entre ces plaques de connexion électrique.
  9. Module (E) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comporte 2n cellules électrochimiques constituant n paires adjacentes de couples cellules électrochimiques voisines qui sont reliées électriquement entre elles par n-1 tubes (TC[i, i+1], [i+2, i+3]) de circulation d’un fluide caloporteur.
  10. Module selon l’une quelconque des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que chaque cellule électrochimique (Ci) comporte une plaque de connexion électrique (PCi-) agencée à une extrémité longitudinale et une autre plaque de connexion électrique (PCi+), de polarité opposée, agencée à l’autre extrémité longitudinale de la cellule électrochimique.
  11. Module selon l’une quelconque des revendications 3 à 10, caractérisé en ce que chaque tube (TCi, i+1) de circulation d’un fluide caloporteur est réalisé en matériau conducteur de l’électricité, notamment en métal.
  12. Tube (TCi,i+1) de circulation d’un fluide caloporteur apte :
    - à être adjacent à au moins une plaque (PCi+, PCi-, PCi+1+, PCi+1-) de connexion électrique appartenant à une cellule électrochimique (Ci, Ci+1) ;
    - ou bien à être interposé entre deux plaques (PCi+1+, PCi+1-, PCi+, PCi-) de connexion électrique adjacentes appartenant chacune à une cellule électrochimique (Ci, Ci+1), caractérisé en ce que la surface externe (24) du tube (TCi) de circulation d’un fluide caloporteur est au moins en partie (26, 28, 30) conductrice électriquement.
  13. Tube conducteur (TCi, i+1) selon la revendication 12, caractérisé en ce qu’il comporte une borne externe (40) de raccordement électrique.
  14. Batterie électrique caractérisée en ce qu’elle comporte au moins un module selon l’une quelconque des revendications 3 à 11, et un circuit de circulation d’un fluide caloporteur à travers chacun des tubes de circulation d’un fluide caloporteur.
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