FR3130079A1 - Module de batterie comprenant un dispositif de ventilation d’une cellule electrochimique - Google Patents

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Abstract

Module de batterie comprenant une ossature et une cellule (1) électrochimique de stockage d’énergie électrique maintenue par cette ossature, cette cellule (1) comprenant un dispositif de ventilation propre à libérer un gaz émis par une réaction électrochimique si un seuil de pression et/ou de température prédéterminée au sein de cette cellule (1) est dépassé, l’ossature comprenant une turbine de détente du gaz émis. Figure 1

Description

MODULE DE BATTERIE COMPRENANT UN DISPOSITIF DE VENTILATION D’UNE CELLULE ELECTROCHIMIQUE
La présente invention concerne un système de ventilation 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 une cellule électrochimique. 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 et forment alors un bloc batteries, ce bloc batteries étant souvent désigné par l’expression anglaise « pack batteries », ce bac contenant généralement une interface de montage, et des bornes de raccordement.
Par ailleurs, on comprendra par cellule 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 plomb ou encore les piles à combustible.
Dans ce domaine, les réactions chimiques internes aux cellules électrochimiques provoquent des variations de température des cellules. Ces cellules, ces modules, ou ce bac sont par exemple étanches et ces variations de température provoquent une surpression interne en cas d’échauffement, ou une dépression interne en cas de refroidissement, si bien que ces cellules, ces modules, ou ce bac sont généralement équipés de dispositifs de respiration.
L'utilisation d'une batterie étanche hors des conditions nominales, comme par exemple lors d'une surcharge accidentelle, d'un court-circuit, ou lors d'une exposition à une température supérieure à la température maximale de fonctionnement, crée un risque d'explosion de la batterie suite à un emballement thermique d’une cellule provoqué par une réaction électrochimique exothermique qui s’autoalimente en énergie thermique. En effet, ces réactions électrochimiques génèrent des gaz chauds. L'accumulation de ces gaz entraîne une augmentation de la pression interne de la batterie et en particulier des cellules, qui peut conduire à un éclatement violent du bac ou des cellules et à la projection de composés chimiques nocifs et corrosifs pour l'environnement et les personnes situées à proximité. Le débit de ces gaz est alors trop important pour le dispositif de respiration.
Ainsi des dispositifs de sécurité sont rajoutés, dispositifs qui évitent l'accumulation des gaz à l'intérieur du conteneur d'un accumulateur étanche (cellule, module, bac) et permettent leur évacuation lorsque la pression interne excède une valeur prédéterminée. Certains de ces dispositifs possèdent également la fonction de coupe-circuit, c'est-à-dire qu'ils sont aussi aptes à isoler électriquement et de façon irréversible, les appareils connectés à la batterie. Certains dispositifs de sécurité se présentent sous la forme d’une membrane fusible, on parle alors de dispositifs de ventilation.
On connait par exemple du document de brevet FR-A1-3039710 une membrane de type opercule couplée à un coupe circuit.
Lorsque la membrane est intacte, elle assure la fonction de respiration. Lorsqu’elle est déchirée, elle assure la fonction de ventilation.
On comprendra par respiration, dans tout le texte de ce document, un débit de gaz suffisant pour compenser une faible différence de pression entre une enceinte et un environnement extérieur à cette enceinte, dans les deux sens. Par faible pression, on comprendra par exemple une pression due à la dilatation ou à la contraction de ce gaz ou de pièces à l’intérieure de cette enceinte, notamment dues à un changement de température de fonctionnement. Le terme ventilation, s’applique plus généralement à un débit de gaz supérieur, soit suite à un incident, soit pour renouveler le gaz contenu dans l’enceinte (refroidissement). Si un unique dispositif permet ces deux fonctionnements, ces deux termes respiration et ventilation seront utilisés indifféremment, étant plus courant de parler d’enceinte à ventiler que d’enceinte à respirer.
Un inconvénient majeur de ces dispositifs de ventilation est que le gaz est émis à grande vitesse, par exemple à proximité immédiate des autres cellules. Or ce gaz est très chaud, et par conséquent peut concentrer un excès de chaleur sur une cellule voisine pour reprendre l’exemple, cellule voisine qui à son tour va rentrer dans un processus d’emballement thermique, cet emballement se propageant de cellule en cellule.
L’objet de cette invention vise à ralentir cette propagation de la chaleur, en proposant un module de batterie amélioré.
A cette fin, l’invention concerne un module de batterie comprenant une ossature et une cellule électrochimique de stockage d’énergie électrique maintenue par cette ossature, cette cellule comprenant un dispositif de ventilation propre à libérer un gaz émis par une réaction électrochimique si un seuil de pression et/ou de température prédéterminée au sein de cette cellule est dépassé, l’ossature comprenant une turbine de détente du gaz émis.
Ainsi l’invention permet de réduire rapidement la vitesse et la température du gaz émis, par exemple dès la sortie du gaz de la cellule, et limite ainsi considérablement les échanges thermiques par convection entre ce gaz et l’environnement de la cellule. Cet environnement est par exemple des cellules voisines, ou un circuit électronique de surveillance ou de gestion de la cellule ou du module, un isolant électrique, ces exemples n’étant pas exhaustifs.
On comprendra par ossature, dans tout le texte de ce document, une armature ou une cartérisation logeant la ou les cellules. L’armature est par exemple un moyen de serrage enserrant la cellule pour limiter sa dilatation, ou un moyen de serrage serrant les cellules les unes sur les autres dans le même but, ou encore une cage logeant la ou chacune des cellules, quelle que soit leur forme (par exemple cylindriques ou prismatiques ou de type poche). Bien entendu, le module peut comprendre une cartérisation comprenant l’armature et réciproquement. La cartérisation est par exemple un carter hermétique logeant la ou les cellules.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif de ventilation est propre à libérer le gaz émis selon une direction prédéterminée, la turbine comprenant un rotor libre en rotation autour d’un axe orienté selon la direction du gaz. Ainsi le gaz est dispersé autour de la turbine, ce qui est très efficace pour détendre le gaz émis.
Selon un mode de réalisation de l’invention, ce rotor comprend des aubes propres à dévier le gaz émis dans un plan orthogonal à l’axe, ce qui a pour avantage de compacter l’encombrement du module.
Selon un mode de réalisation de l’invention, ce module comprend un collecteur du gaz échappé de la turbine de détente.
Selon un mode de réalisation de l’invention, ce collecteur est formé entièrement par l’ossature. Ainsi les cellules ne sont pas modifiées ni adaptées pour ce module, et sont standard. Toutes l’invention est portée par l’ossature du module. Le collecteur n’est pas nécessairement constitué de la même matière que l’ossature, et on comprendra par « collecteur est formé entièrement par l’ossature » le fait que ces deux éléments forment un sous-ensemble indépendant de la cellule.
Selon une variante de réalisation de l’invention, ce collecteur est formé par l’ossature d’une part, et par la cellule d’autre part.
Selon cette variante, le dispositif de ventilation forme une partie du collecteur.
Selon un mode de réalisation de l’invention, ce collecteur comprend, sur une face interne au contact du gaz émis, des protubérances, notamment propres à perturber l’écoulement du gaz.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’ossature forme un carter délimitant un volume interne logeant entièrement la cellule, ce collecteur comprenant des trous d’évacuation du gaz émis débouchant dans ce volume interne et/ou à l’extérieur du module.
Selon un mode de réalisation de l’invention, ce collecteur forme en outre un couvercle de fermeture de ce volume interne.
L’invention a également pour objet une batterie de stockage d’énergie électrique comprenant plusieurs modules électriques et un bac regroupant ces modules, l’un des modules étant tel que précédemment décrit.
L’invention a également pour objet un véhicule automobile comprenant une machine motrice électrique et une batterie de traction alimentant cette machine motrice, caractérisé en ce que la batterie est telle que précédemment décrite.
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 figure unique dans laquelle :
: La représente un schéma en coupe d’un module selon l’invention.
Il est à garder à l’esprit que la figure est donnée à titre d'exemples et n’est pas limitatives de l’invention, et constitue une représentation schématique de principe destinée à faciliter la compréhension de l’invention et n’est pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.
La divulgue un module de batterie comprenant une ossature et une cellule 1 électrochimique de stockage d’énergie électrique maintenue par cette ossature, cette cellule 1 comprenant un dispositif de ventilation propre à libérer un gaz émis par une réaction électrochimique si un seuil de pression et/ou de température prédéterminée au sein de cette cellule 1 est dépassé.
L’ossature comprend une turbine de détente du gaz émis, cette turbine comprenant un rotor 5 et un stator formé par l’ossature ou fixé à l’ossature.
Le dispositif de ventilation est propre à libérer le gaz émis selon une direction 7 prédéterminée, la turbine comprenant le rotor 5 libre en rotation autour d’un axe 6 orienté selon la direction 7 du gaz.
Dans une variante, non illustrée, l’axe 6 est par exemple orthogonal à la direction 7 du gaz émis, le rotor 5 étant une roue à aubes.
Le dispositif de ventilation représenté est du type membrane 2 ou opercule 2 se déchirant ou fondant respectivement si le seuil de pression ou de température prédéterminée au sein de cette cellule 1 est dépassé. Mais ce dispositif de ventilation peut en variante être une soupape tarée ou fusible selon ces mêmes seuils. La cellule 1 présente une enveloppe souple ou rigide, est en forme de poche, de prisme rectangulaire ou de cylindre, le dispositif de ventilation étant disposé sur cette enveloppe. Par exemple, le dispositif de ventilation comprend une platine 3 fixée sur l’enveloppe, par exemple par collage, cette platine 3 comprenant une ouverture obstruée par l’opercule ou la membrane 2 ou la soupape. La platine 3 comprend avantageusement mais pas obligatoirement une protubérance 4 formant une conduite guidant au moins partiellement le gaz émis en aval de la membrane 2 ou opercule 2 ou soupape dans la direction 7 du gaz.
Ce rotor 5 comprend par exemple des aubes propres à dévier le gaz émis dans un plan orthogonal à l’axe 6. Mais en variante non représentée, ce rotor 5 prend la forme d’une hélice à flux axial, éventuellement tournant dans une tuyère formée par la protubérance 4.
Ce module comprend un collecteur 8 du gaz échappé de la turbine de détente. Comme illustré sur la mais non obligatoirement, ce collecteur est par exemple prolongé pour être ajusté ou raccordé à la protubérance 4 formant la conduite, cette conduite étant une conduite d’admission du gaz dans la turbine.
Avantageusement mais non obligatoirement, ce collecteur 8 forme le stator de la turbine, comme illustré.
Comme illustré, ce collecteur 8 est par exemple formé entièrement par l’ossature.
Mais en variante, ce collecteur 8 est par exemple formé par l’ossature d’une part, et par la cellule 1 d’autre part. Par exemple dans ce cas, le dispositif de ventilation forme une partie du collecteur 8.
Comme illustré, ce collecteur 8 comprend, sur une face interne 9 au contact du gaz émis, des protubérances 10. Ces protubérances 10 sont par exemple propres à perturber l’écoulement du gaz de sorte à ce qu’il passe d’un régime laminaire à un régime turbulent, dans le but de continuer à détendre le gaz.
Comme illustré, l’ossature forme un carter 11 délimitant un volume interne 12 logeant entièrement la cellule 1, ce collecteur 8 comprenant des trous 13 d’évacuation du gaz émis débouchant dans ce volume interne 12 et/ou à l’extérieur du module. On notera que la illustre ces deux cas. Bien entendu, ces trous 13 d’évacuation sont disposés aux endroits du collecteur 8 où le gaz émis est le plus détendu, en aval du rotor 5.
Bien entendu, dans tout le texte de ce document, les termes amont et aval se réfèrent au sens d’écoulement du gaz émis.
Toujours selon la , ce collecteur 8 forme par exemple, et en outre, un couvercle de fermeture de ce volume interne 12. Ceci facilite l’opération d’assemblage du module : les cellules sont d’abord disposées dans le carter 11, puis le couvercle referme le module et dans la même opération de fermeture le collecteur 8 et la turbine sont mis en place par rapport à la ou aux cellules.
Enfin on notera que, de façon optimale du point de vue de la thermodynamique, lorsqu’il y a plusieurs cellules 1 dans ce module, chaque cellule 1 comprend un dispositif de ventilation et une turbine tels que précédemment décrits. Dans cet exemple de plusieurs cellules 1 dans ce module :
- en première variante le module comprend un collecteur 8 pour chaque turbine, cet ensemble de collecteurs 8 pouvant être réalisé en une seule pièce, et par exemple formant le couvercle, ou
- en deuxième variante, les collecteurs 8 de cet ensemble de collecteurs 8 sont assemblés les uns aux autres ou sur le couvercle du module ou une combinaison des deux, ou
- en troisième variante, le module comprend un collecteur 8 commun à plusieurs turbines, ce collecteur 8 commun délimitant un volume interne commun d’échappement du ou des gaz émis des turbines.
On notera que cette troisième variante a l’avantage de la simplicité de conception de ce collecteur 8, mais que la première et deuxième variante sont plus efficaces pour limiter la propagation de la chaleur étant donné le cloisonnement de chaque gaz émis de chaque turbine.
L’invention s’applique avantageusement à une batterie de stockage d’énergie électrique comprenant plusieurs modules électriques et un bac regroupant ces modules, l’un des modules, et notamment tous les modules, étant tels que précédemment décrits.
L’invention s’applique avantageusement à un véhicule automobile comprenant une machine motrice électrique et une batterie de traction alimentant cette machine motrice, cette batterie étant telle que précédemment décrite.
En particulier cette batterie comprend des moyens de refroidissement de chaque cellule 1 et/ou de chaque module, les trous 13 d’évacuation du gaz émis débouchant avantageusement contre ces moyens de refroidissement.
Ces moyens de refroidissement sont par exemple des plaques comprenant un espace interne parcouru par un fluide caloporteur, ces plaques étant en contact thermique, par conduction, avec les cellules et/ou les modules.
On notera que, pour une facilité de fabrication, le rotor 5 peut être constitué d’une matière facilement moulable ou injectable à basse température, comme les matières plastiques chargées ou non : ce rotor sera alors changé en même temps que la cellule ayant subie l’emballement thermique.
On notera que, pour minimiser les couts de réparation d’un module dont une cellule 1 a subi un emballement thermique, le collecteur 8 sera avantageusement en matière métallique, notamment en aluminium, mais ce n’est pas obligatoire et ce dernier, tout comme le couvercle, peut également être en matière plastique moulée ou injectée.
On notera que, grâce à cette invention, si une seule cellule 1 subie un emballement thermique, la propagation de la chaleur aux cellules voisines est limitée, de sorte qu’il est possible, lors d’une opération de réparation ou de maintenance, de ne changer que cette seule cellule alors que précédemment à cette invention, la probabilité pour devoir changer tout le module, voire toute la batterie, était très importante.

Claims (10)

  1. Module de batterie comprenant une ossature et une cellule (1) électrochimique de stockage d’énergie électrique maintenue par cette ossature, cette cellule (1) comprenant un dispositif de ventilation propre à libérer un gaz émis par une réaction électrochimique si un seuil de pression et/ou de température prédéterminée au sein de cette cellule (1) est dépassé,
    caractérisé en ce que l’ossature comprend une turbine de détente du gaz émis.
  2. Module selon la revendication 1, le dispositif de ventilation étant propre à libérer le gaz émis selon une direction (7) prédéterminée, la turbine comprenant un rotor (5) libre en rotation autour d’un axe (6) orienté selon la direction (7) du gaz.
  3. Module selon la revendication 2, ce rotor (5) comprenant des aubes propres à dévier le gaz émis dans un plan orthogonal à l’axe (6).
  4. Module selon l’une des revendications précédentes, comprenant un collecteur (8) du gaz échappé de la turbine de détente.
  5. Module selon la revendication 4, ce collecteur (8) étant formé entièrement par l’ossature.
  6. Module selon l’une des revendications 4 à 5, ce collecteur (8) comprenant, sur une face interne (9) au contact du gaz émis, des protubérances (10).
  7. Module selon l’une des revendications 4 à 6, l’ossature formant un carter (11) délimitant un volume interne (12) logeant entièrement la cellule (1), ce collecteur (8) comprenant des trous (13) d’évacuation du gaz émis débouchant dans ce volume interne (12) et/ou à l’extérieur du module.
  8. Module selon la revendication 7, ce collecteur (8) formant en outre un couvercle de fermeture de ce volume interne (12).
  9. Batterie de stockage d’énergie électrique comprenant plusieurs modules électriques et un bac regroupant ces modules, caractérisé en ce que l’un des modules est conforme à l’une des revendications précédentes.
  10. Véhicule automobile comprenant une machine motrice électrique et une batterie de traction alimentant cette machine motrice, caractérisé en ce que la batterie est conforme à la revendication 9.
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