FR3131446A1 - Module d’accumulateur électrochimique à refroidissement par poche de compression - Google Patents
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Abstract
Module d’accumulateur électrochimique comportant : – au moins une cellule d’accumulateur (2) ; – un dispositif de refroidissement ; – un élément de cerclage. Le dispositif de refroidissement comporte une poche de compression (3) remplie d’un fluide caloporteur et qui est comprimée contre au moins une face d’une cellule d’accumulateur (2). Figure pour l’abrégé : Fig.2
Description
L’invention concerne le domaine du stockage d’énergie électrique et vise les moyens de refroidissement destinés à la mise en œuvre des accumulateurs électrochimiques, qu’ils soient embarqués dans des véhicules ou stationnaires.
Un accumulateur électrochimique doit fonctionner dans une plage de température définie sous peine de dégrader ses performances, voir même de se dégrader physiquement jusqu’à sa destruction. Au-delà d’un certain seuil de température, un amorçage de réactions chimiques internes exothermiques se produit et l’accumulateur devient incapable d’évacuer suffisamment de chaleur compte tenu de ses pertes internes éventuelles et de la chaleur dégagée par ces réactions internes. L’accumulateur peut alors partir en emballement thermique jusqu’à destruction.
Ce type d’accumulateur nécessite d’être géré thermiquement pour limiter sa dégradation et ainsi augmenter sa durée de vie et ses performances, en sécurité.
La gestion thermique des cellules de batteries est un enjeu majeur dans la plupart des applications de forte puissance. Des systèmes de gestion complexes sont couramment mis en œuvre autour des modules, voire des systèmes de batteries complets. La problématique de la maintenance se pose lors du remplacement ou du recyclage des batteries, notamment du fait de la présence de ces systèmes complexes de gestion thermique.
Les systèmes de gestion thermique connus les plus courants sont des systèmes à air pulsé (convection forcée), à circulation d’un fluide caloporteur, ou à refroidissement indirect de type « plaques froides ».
Aujourd’hui, les solutions à refroidissement liquide donnent les meilleurs résultats mais nécessitent l’immersion des batteries dans un fluide diélectrique caloporteur, et impliquent une architecture de batterie plus complexe, avec des problématiques d’étanchéité, de maintenance, et de tenue à la pression très contraignantes.
Les demandes de brevet EP3723189 et CN109149009 décrivent des solutions de type « plaques froides ». Elles permettent une régulation thermique du contenant de la batterie, mais pas un refroidissement direct des cellules d’accumulateur.
Les demandes de brevet US10062935, et US20180123159 proposent des solutions d’intégrations plus proches des cellules d’accumulateur mais n’autorisent pas un refroidissement homogène et pertinent de celles-ci. De par leurs conceptions et les choix de matériaux (conducteurs), leurs implantations au sein d’un système de batterie augmente fortement les risques de court-circuit lors de l’assemblage.
L’invention a pour but d’améliorer les moyens de refroidissement pour accumulateurs électrochimiques de l’art antérieur.
À cet effet, l’invention vise un module d’accumulateur électrochimique comportant :
– au moins une cellule d’accumulateur ;
– un dispositif de refroidissement ;
– un élément de cerclage.
– au moins une cellule d’accumulateur ;
– un dispositif de refroidissement ;
– un élément de cerclage.
Le dispositif de refroidissement comporte une poche de compression remplie d’un fluide caloporteur et qui est comprimée contre au moins une face d’une cellule d’accumulateur.
L’invention assure un refroidissement performant au plus près des cellules d’accumulateur, avec une intégration mécanique sécurisée et une maintenance aisée.
Une fois comprimée contre une face de la cellule d’accumulateur, la poche de compression est plaquée surface contre surface pour former une zone d’échange thermique optimisée.
L’échange thermique peut être modulé en fonction de la forme de la cellule d’accumulateur, en variant la configuration de la poche de compression. Par exemple, une poche de compression ventrue offrira un espace d’échange thermique plus important au centre et moindre à la périphérie. À l’inverse, une poche de compression plus volumineuse en périphérie, ou torique, offrira un espace d’échange thermique plus important à la périphérie et moindre au centre.
Cette solution de refroidissement pour module d’accumulateur est plus compacte que les solutions classiques de l’art antérieur, et est plus facilement intégrable au sein d’un module d’accumulateur.
Le dispositif de refroidissement, dont l’élément au contact des cellules d'accumulateurs est une poche de compression, est par nature plus facilement réalisable entièrement en matériaux diélectriques. La poche de compression est de préférence une poche réalisée en matériau souple telle qu’un polymère diélectrique.
L’intégration d’un tel dispositif de refroidissement est de plus adaptable selon les puissances thermiques à dissiper. Il peut être adapté avec peu de modifications structurelles, simplement par la modification du nombre et du positionnement des poches de compression. Cette adaptation peut être réalisée lors de la conception, au cours du cycle de vie, ou lors du reconditionnement d’un module d’accumulateur.
L’invention facilite le montage, le démontage, le recyclage, et le reconditionnement du module d’accumulateur. L’invention permettant un démontage simple et non-destructif du système, elle sera applicable notamment dans tous les produits à maintenance et sécurité accrues, ainsi que ceux d’écoconception.
Le dispositif de contention selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison :
– l’élément de cerclage comporte un boitier rigide dans lequel sont insérées la cellule d’accumulateur et la poche de compression ;
– la poche de compression comporte des ouvertures d’entrée et de sortie pour le fluide caloporteur ;
– le dispositif de refroidissement comporte des conduits de circulation du fluide caloporteur raccordés aux ouvertures d’entrée et de sortie ;
– le dispositif de refroidissement comporte une pluralité de poches de compression en communication fluidique les unes avec les autres ;
– le dispositif de refroidissement comporte un circuit de mise en circulation du fluide caloporteur ;
– le module comporte un capteur de température sur au moins l’une des ouvertures d’entrée et de sortie ;
– la poche de compression est hermétiquement fermée ;
– la poche de compression est délimitée par une membrane souple ;
– la membrane souple est élastiquement déformable ;
– la poche de compression comporte deux membranes souples reliées par un rebord périphérique ;
– le fluide caloporteur est un fluide compressible ;
– le fluide caloporteur est un fluide incompressible ;
– la poche de compression est intercalée entre la cellule d’accumulateur et l’élément de cerclage ;
– le module comporte au moins deux poches de compression, et les poches de compression sont intercalées de part et d’autre de la cellule d’accumulateur.
Le dispositif de refroidissement peut de plus être agencé pour remplir une fonction supplémentaire d’amélioration du calage des cellules d'accumulateurs, et d’amortissement des chocs. À cet effet, la poche de compression forme un élément de serrage pour le module d’accumulateur. Le fluide caloporteur peut être un fluide sous pression qui exerce un effort de compression sur au moins une face d’une cellule d’accumulateur.
La mise en compression des cellules constituant le module, lors de l’assemblage final, est ainsi assurée et facilitée, avec un encombrement et une masse réduite de l’ensemble du système.
Des accumulateurs électrochimiques de forte tension et de forte densité d’énergie peuvent ainsi être mis en œuvre avec les importantes forces de compression qui sont requises par les accumulateurs actuels (de l’ordre de plusieurs milliers de newtons), avec des moyens compacts. Les dispositifs de l’art antérieur imposent quant à eux, généralement, une mécanique complexe à intégrer pour de telles forces de compression.
Un démontage aisé est de plus permis, ce qui augmente la réparabilité de l’ensemble.
Du point de vue des risques électriques, la poche de compression fournit une solution extrêmement sécurisée par rapport à l’art antérieur recourant généralement à des tirants, des poussoirs, des cerclages métalliques, qui présentent des risques de contact électrique parasite avec le câblage et la connectique entourant les batteries d’accumulateurs récentes, ce câblage et cette connectique ayant tendance à devenir plus encombrants avec la complexification des batteries.
L’invention permet de plus une compression uniforme par appui mécanique sur une large surface de la cellule d’accumulateur. Sur toute la surface de contact entre la poche de compression et les cellules, la pression est uniforme.
La mise en pression du fluide, ainsi que le contrôle et la mesure de cette pression sont en exacte corrélation avec la force de compression qui s’exerce sur la cellule d’accumulateur. La pression du fluide à appliquer est donc déterminée pour l’application d’une force donnée de compression sur la surface des cellules d’accumulateur. De même, la mesure de la pression du fluide correspond à une mesure exacte de la force de compression s’appliquant sur les faces des cellules d’accumulateur.
De plus, la force de compression s’appliquant mécaniquement sur la cellule d’accumulateur peut être commandée en commandant la pression du fluide de la poche de compression, de manière ponctuelle ou en continu.
Une fonction supplémentaire dite de « respirabilité » est également apportée par la poche de compression. Dans l’art antérieur cette fonction, lorsqu’elle existe, est réalisée par des éléments proéminents augmentant l’encombrement du module d’accumulateur. Cette fonction de « respirabilité » permet au module d’accumulateur, tout en subissant une force de contention permanente, de pouvoir néanmoins se dilater et se contracter lors des cycles de charge et de décharge. En effet, la contention appliquée sur le module d’accumulateur permet, sur un temps long correspondant à la durée de vie de l’accumulateur, d’empêcher un gonflement des parois latérales. Cependant, les cycles de charge et de décharge du module d’accumulateur entrainent un échauffement et un refroidissement cyclique qui tendent, de manière indésirable, à augmenter la force de contention durant la dilatation liée à l’échauffement, et à diminuer cette force de contention durant la contraction liée au refroidissement. L’invention permet d’appliquer une force de contention maitrisée, en autorisant la faible variation de dimension liées aux cycles de charge et de décharge, ce qui contribue à un allongement de la durée de vie de l’accumulateur.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
– la illustre un premier exemple de module d’accumulateur selon l’invention ;
– la illustre un deuxième exemple de module d’accumulateur selon l’invention ;
– la représente une cellule d’accumulateur associée à une poche de compression ;
– la représente en perspective une poche de compression ;
– la est une vue du profil de la poche de compression ;
– la est une vue de détail de la poche de compression ;
– la est une vue partielle d’un module d’accumulateur avec son élément de contention ;
– la illustre la coopération entre une poche de compression et une cellule d’accumulateur ;
– la illustre schématiquement la surface de contact entre une poche de compression et une cellule d’accumulateur.
Les éléments similaires et communs aux divers modes de réalisation portent les mêmes numéros de renvoi aux figures.
La , illustre un module d’accumulateur 1 électrochimique selon l’invention.
Dans le présent exemple, ce module d’accumulateur 1 comporte cinq cellules d’accumulateur 2 prismatiques identiques assemblées pour former une batterie d’accumulateurs.
Le module 1 comporte un dispositif de refroidissement qui comprend notamment deux poches de compression 3 disposées contre des parois externes des cellules d'accumulateurs 2 situées de part et d’autre de l’ensemble des cellules d'accumulateurs.
Le dispositif de refroidissement comporte également une conduite d’entrée 4, une conduite de sortie 5 et une conduite de liaison 6 adaptées à la circulation d’un fluide caloporteur, de sorte que les poches de compression 3 sont en communication fluidique les unes avec les autres.
Les poches de compression 3 sont remplies d’un fluide caloporteur adapté à la dissipation de la chaleur dégagée par les cellules d'accumulateurs 2, notamment durant leur cycle de charge.
Le fluide caloporteur peut-être incompressible (par exemple de l’eau) ou compressible (par exemple un gaz caloporteur). Il peut également être un fluide à changement de phase.
Le fluide caloporteur circule grâce à un circuit. Le circuit de mise en circulation du fluide caloporteur est schématisé par l’élément 13 sur la . Ce circuit comporte par exemple une pompe, un échangeur thermique, etc. Le fluide caloporteur circule par intermittence ou en continu entre la conduite d’entrée 4, la première poche de compression 3, la conduite de liaison 6, la deuxième poche 3 et la conduite de sortie 5.
La illustre un deuxième exemple de module d’accumulateur électrochimique selon l’invention. Cet exemple est relatif à un module 1 comportant également cinq cellules d'accumulateurs 2.
Selon ce deuxième exemple, le dispositif de refroidissement comporte six poches de compression 3. En plus des deux poches de compression 3 disposée sur les faces externes, le module 1 comporte également des poches de compression 3 disposées entre les cellules d'accumulateurs 2.
Ce module 1 comporte ainsi six poches de compression 3 de sorte qu’une poche de compression 3 est comprimée contre chacune des faces latérales des cellules d'accumulateur 2.
Le circuit 13 du fluide caloporteur est similaire à celui de l’exemple de la , et comporte des conduites de liaison 6 supplémentaires pour permettre la circulation du fluide caloporteur à travers toutes les poches de compression 3, qui sont ainsi disposées fluidiquement en série.
La illustre l’une des cellules d'accumulateur 2 du module 1 de la ou de la , et une poche de compression 3 qui lui est associée.
La poche de compression 3 présente ici un contour rectangulaire correspondant sensiblement au contour et aux dimensions de la face latérale de la cellule d'accumulateur 2.
Les figures 4 et 5 illustrent la poche de compression 3 seule, respectivement en perspective et de profil.
La poche de compression 3 est ici réalisée par la jonction de deux membranes souples 8 fixées l’une à l’autre de manière étanche le long d’un rebord périphérique 7.
Dans le présent exemple, ces membranes souples 8 sont des feuilles d’un élastomère de type silicone thermoconducteur, qui est avantageux pour sa conductivité thermique élevée et ses propriétés diélectriques. Les membranes 8 sont thermosoudées le long du rebord périphérique 7, de manière à former une poche souple étanche.
Les membranes 8 peuvent de plus être tissées ou renforcées de fibres pour augmenter leur résistance mécanique, et procurer une bonne tenue à la pression et une résistance aux agressions externes. Les membranes 8 peuvent également être recouvertes d’un film souple pour sa protection et l’amélioration de sa résistance, par exemple un film en en polyimide.
Chaque poche de compression 3 comporte des ouvertures 9 d’entrée et de sortie permettant le raccordement des conduites 4, 5, 6. La est une vue de détail de la poche de compression 3 montant une ouverture 9 qui peut être réalisée par un insert ou un moulage des membranes 8. Optionnellement, les ouvertures 9 peuvent comporter un élément annulaire 12 supplémentaire comportant par exemple un clapet anti-retour, une valve permettant la déconnexion des conduites 4, 5, 6, un capteur de température permettant de contrôler en continu la température des flux d’entrée et/ou de sortie du fluide caloporteur (afin d’identifier des problèmes thermiques locaux), ou tout autre élément de ce type.
La vue de la illustre le profil bombé de la poche de compression 3 lorsqu’elle est pleine de fluide caloporteur. Dans cet exemple, les portions centrales des membranes 8 sont bombées, compte tenu du rebord périphérique 7.
Le module d’accumulateur 1 comporte de plus un élément de cerclage dans lequel les cellules d'accumulateur 2 et les poches de compression 3 sont disposés de sorte que chaque poche de compression 3 est comprimée contre au moins une face d’une cellule d'accumulateur 2.
La illustre un exemple d’élément de cerclage comportant un boîtier rigide 10. La est une vue partielle de dessus du module 1 de la montrant la compression de l’une des poches de compression 3 contre une paroi interne du boîtier rigide 10 et contre la face opposée de la cellule d’accumulateur 2 correspondante.
Les flèches indiquées sur les membranes 8 schématisent la compression de la poche de compression 3 sur le boîtier rigide 10 et sur la cellule d’accumulateur 2.
La poche de compression 3 est ainsi comprimée contre une face de la cellule d’accumulateur 2 comme illustré à la . La membrane 8 qui est disposée contre la cellule d’accumulateur 2 épouse la forme de la surface de contact au plus près. Dans cet exemple, cette surface de contact est une surface plane, mais la membrane 8 épousera au plus près la surface de contact même si des aspérités ou des formes sont présentes sur cette surface. Un échange thermique optimisé est ainsi obtenu entre la cellule d’accumulateur 2 et le fluide caloporteur de la poche de compression 3.
La est une vue en perspective des éléments de la , montrant la poche de compression 3 en transparence et schématisant par un contour en pointillés la zone de contact 11 entre la poche de compression 3 et la cellule d’accumulateur 2.
Dans cet exemple de cellule d’accumulateur 2 prismatique, la zone de contact optimal 11 correspond à une zone centrale de la cellule d’accumulateur 2, qui est la zone qui chauffe le plus. La zone de contact 11 est ainsi placée au mieux, tout en dégageant la zone du rebord périphérique 7 sans pertes du point de vue de l’échange thermique.
La membrane 8 vient épouser la zone la plus contrainte thermiquement de la cellule d’accumulateur 2, ce qui permet d’obtenir une surface d’échange thermique la plus efficiente, sans forcément maximiser l’aire de cette surface.
En variante, les poches de compression 3 peuvent contenir chacune une quantité définie de fluide caloporteur statique. Les ouvertures 9 peuvent alors comporter des bouchons transformant la poche de compression 3 en un contenant fermé. Dans cette configuration, la régulation se fait par dissipation et inertie thermique de la poche de compression 3 et de son liquide caloporteur, dans le cas de systèmes à faible densité de puissance.
Des variantes du module d’accumulateur peuvent être mises en œuvre. Par exemple, les membranes souples 8 des poches de compression 3 peuvent être élastiquement déformables (étirables) ou non.
Claims (16)
- Module d’accumulateur électrochimique comportant :
– au moins une cellule d’accumulateur (2) ;
– un dispositif de refroidissement ;
– un élément de cerclage ;
caractérisé en ce que
le dispositif de refroidissement comporte une poche de compression (3) remplie d’un fluide caloporteur et qui est comprimée contre au moins une face d’une cellule d’accumulateur (2). - Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’élément de cerclage comporte un boitier rigide (10) dans lequel sont insérées la cellule d’accumulateur (2) et la poche de compression (3).
- Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poche de compression (3) comporte des ouvertures (9) d’entrée et de sortie pour le fluide caloporteur.
- Module selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement comporte des conduits (4,5,6) de circulation du fluide caloporteur raccordés aux ouvertures (9) d’entrée et de sortie.
- Module selon l’une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement comporte une pluralité de poches de compression (3) en communication fluidique les unes avec les autres.
- Module selon l’une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement comporte un circuit (13) de mise en circulation du fluide caloporteur.
- Module selon l’une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu’il comporte un capteur de température (12) sur au moins l’une des ouvertures (9) d’entrée et de sortie.
- Module selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la poche de compression (3) est hermétiquement fermée.
- Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poche de compression (3) est délimitée par une membrane souple.
- Module selon la revendication 9, caractérisé en ce que la membrane souple est élastiquement déformable.
- Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poche de compression (3) comporte deux membranes souples (8) reliées par un rebord périphérique (7).
- Module selon l’une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est un fluide compressible.
- Module selon l’une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que le fluide caloporteur est un fluide incompressible.
- Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poche de compression (3) est intercalée entre la cellule d’accumulateur (2) et l’élément de cerclage.
- Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte au moins deux poches de compression (3), et en ce que les poches de compression (3) sont intercalées de part et d’autre de la cellule d’accumulateur (2).
- Module selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poche de compression forme un élément de serrage pour le module d’accumulateur, le fluide caloporteur étant un fluide sous pression qui exerce un effort de compression sur au moins une face d’une cellule d’accumulateur.
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