FR3137794A1

FR3137794A1 - Solution de prechauffe d’une batterie electrique de vehicule

Info

Publication number: FR3137794A1
Application number: FR2206857A
Authority: FR
Inventors: Maxime Agor
Original assignee: Capacite
Current assignee: Capacite
Priority date: 2022-07-05
Filing date: 2022-07-05
Publication date: 2024-01-12
Anticipated expiration: 2042-07-05
Also published as: FR3137794B1; WO2024008706A1

Abstract

L’invention concerne une batterie électrique (1), comportant une pluralité de cellules de charges électriques (2); au moins une première carte de circuit imprimé (41) dans laquelle sont formées une pluralité d’encoches (45), chaque encoche définissant une languette (46) élastiquement déformable et un élément de connexion électrique (43) étant disposé sur chaque languette ; caractérisée en ce que en ce que la première carte de circuit imprimé comporte au moins une piste électrique de préchauffe (8) passant au niveau d’au moins l’une desdites languettes, la batterie comportant un système de gestion thermique (61) de la batterie auquel est reliée ladite piste électrique de préchauffe et un capteur de température (9), et en ce que le système de gestion thermique est agencé pour faire circuler un courant électrique dans ladite piste électrique de préchauffe en fonction d’une température mesurée par le capteur de température. Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

SOLUTION DE PRECHAUFFE D’UNE BATTERIE ELECTRIQUE DE VEHICULE

L’invention concerne le domaine des batteries électriques des véhicules. Plus spécifiquement, l’invention concerne le domaine du préchauffage des cellules de charge électrique d’une batterie électrique.

Les batteries électriques, notamment dans le cas des véhicules électriques, consistent généralement en un assemblage de cellules de charge électrique, également appelées accumulateurs. Lorsqu’ils sont interconnectés, en série ou en parallèles, ces accumulateurs permettent de délivrer une puissance électrique, par exemple destinée à alimenter électriquement les équipements du véhicule ou encore son moteur.

Il a toutefois été constaté que ces cellules, compte tenu de leur composition et des technologies qu’elles emploient, en particulier dans le cas de cellules de type Lithium-Ion, présentent un fonctionnement nominal dans une plage de température s’étendant entre 15° et 30°. En revanche, elles voient leurs performances décroitre lorsque la température ambiante décroit sous les 15°, ces performances étant particulièrement dégradées pour des températures en dessous de 0°. Dans ces conditions, la résistance interne de la cellule croit fortement, ce qui réduit la capacité de décharge de la cellule. Par ailleurs, une cellule chargée à basse température peut être détériorée, ce qui réduit sa capacité de stockage. En outre, elle peut subir un court-circuit interne, qui constituerait un danger pour la batterie, le véhicule et son utilisateur.

Afin de pallier ces différents inconvénients, il est connu d’associer aux cellules de charge électrique d’une batterie un système de gestion thermique de la batterie, également nommé BTMS (de l’anglais « Battery Thermal Management System »). Ce système permet de préchauffer la batterie lorsque la température est trop basse. Différentes stratégies de préchauffage ont été envisagées, comme de conduire de la chaleur produite par un système externe jusqu’à la batterie via un fluide caloporteur ou un caloduc, voire de modifier la cellule en y soudant un élément conducteur, comme une feuille métallique, auquel la cellule elle-même fournit un courant électrique de sorte que cet élément conducteur dissipe de la chaleur.

Toutefois, ces solutions impliquent soit d’avoir accès à une source de chaleur externe, ce qui n’est pas possible pour tous les cas d’usage requérant une batterie, notamment dans le cas d’un vélo à assistance électrique, soit d’ajouter à la batterie des composants qui rendent sa maintenance ou son reconditionnement impossible. En effet, dans ce dernier cas, l’élément conducteur doit être soudé aux cellules. Or, il existe un besoin de pouvoir remplacer seulement le système de gestion thermique de la batterie s’il est défaillant ou au contraire de remplacer seulement des cellules usagées dans le cadre d’une opération de maintenance ou de reconditionnement de la batterie.

Il existe ainsi un besoin pour une batterie simple à assembler et à reconditionner et qui incorpore un système de gestion thermique autonome et qui ne requiert aucune soudure aux cellules de la batterie. L’invention s’inscrit dans ce contexte et vise à répondre à ce besoin.

A ces fins, l’invention a pour objet une batterie électrique comportant :

une pluralité de cellules de charges électriques, chaque cellule présentant des faces d’extrémités situées sur des côtés opposés de la cellule, chaque face d’extrémité étant pourvue d’une borne de contact ; et
au moins une première carte de circuit imprimé disposée au droit des faces d’extrémités situées de l’un des côtés des cellules, la carte de circuit imprimé étant pourvue d’une pluralité de premiers éléments de connexion électrique, chacun des premiers éléments de connexion électrique étant situé en vis-à-vis d’une des bornes de contact des cellules.

L’invention est caractérisée en ce que la première carte de circuit imprimé comporte une portion principale dans laquelle sont formées une pluralité d’encoches, chaque encoche définissant une languette élastiquement déformable par rapport à la portion principale, chaque premier élément de connexion électrique étant disposé sur l’une des languettes de la première carte de circuit imprimé ; en ce que la première carte de circuit imprimé comporte au moins une piste électrique de préchauffe passant au niveau d’au moins l’une desdites languettes, la batterie comportant un système de gestion thermique de la batterie auquel est reliée ladite piste électrique de préchauffe et un capteur de température, et en ce que le système de gestion thermique est agencé pour faire circuler un courant électrique dans ladite piste électrique de préchauffe en fonction d’une température mesurée par le capteur de température.

On comprend ainsi que la formation, au moyen des encoches, de languettes élastiquement déformables permet de maintenir un contact entre les premiers éléments de connexion électrique de la première carte de circuit imprimé et les bornes de contact des cellules sans nécessiter d’éléments de contact spécifiquement conçus pour résister aux vibrations et chocs que pourrait subir la batterie. En d’autres termes, l’interconnexion des cellules entre elles peut être réalisée sans soudure, au moyen d’éléments de contact simples et standard, ce qui permet de simplifier la conception de la batterie, de diminuer son coût et d’autoriser le remplacement d’une ou plusieurs cellules lorsqu’elles sont usagées. Par ailleurs, on comprend que le système de gestion thermique emploie une piste électrique de la première carte de circuit imprimé qui passe au niveau d’une cellule ou de plusieurs cellules, voire de toutes les cellules et dédiée au préchauffage de cette ou ces cellules. Cette piste peut ainsi être conçue pour dissiper de la chaleur, laquelle est ainsi dirigée vers cette ou ces cellules pour permettre ainsi leur préchauffage lorsque la température ambiante est trop basse. Dans la mesure où il n’existe aucune soudure entre la première carte de circuit imprimé et les cellules, il est ainsi possible de remplacer seulement le système de gestion thermique de la batterie, la première carte de circuit imprimé, ou seulement certaines cellules.

On entend par « cellule de charge électrique » un dispositif élémentaire, par exemple électrochimique, de stockage d’électricité, pouvant se décharger et être chargé. Chaque cellule peut être de type lithium, par exemple de type lithium-ion ou de type lithium-polymère. Chaque cellule peut par exemple être de forme globalement cylindrique, les bornes de contact étant prévues sur chaque face d’extrémité délimitant le cylindre, l’une de ces bornes étant une borne dite positive et l’autre étant une borne négative.

On entend par « première carte de circuit imprimé » une carte de circuit imprimé, ou PCB (de l’anglais Printed Circuit Board), pourvue de pistes électriques interconnectant les éléments de connexion. On pourra prévoir que toutes les cellules de la batterie soient interconnectées en série ou en parallèle au moyen de la première carte de circuit imprimé ou que les cellules soient interconnectées, au moyen de la première carte de circuit imprimé, pour former des groupes de cellules interconnectées en série ou en parallèle, les groupes étant interconnectés entre eux en série ou en parallèle au moyen de la première carte de circuit imprimé. La piste électrique de préchauffe sera avantageusement une piste distincte des pistes électriques d’interconnexion.

Si on le souhaite, la première carte de circuit imprimé pourra comporter un système de gestion de la batterie (également nommé BMS, de l’anglais Battery Management System), par exemple capable de réaliser l’une ou plusieurs des fonctions suivantes, à savoir une fonction de surveillance de l’état des cellules de charge électrique, une fonction de contrôle de la décharge de tout ou partie des cellules de charge électrique, une fonction de contrôle de la charge de tout ou partie des cellules de charge électrique et une fonction d’équilibrage de la charge des cellules de charge électrique. Le cas échéant, le système de gestion de la batterie pour incorporer le système de gestion thermique de la batterie.

On entend par « capteur de température » un composant électronique, ou une combinaison de plusieurs components électroniques, apte à mesurer, directement ou indirectement, une température ambiante, par exemple au voisinage d’une ou plusieurs cellules de charge électrique de la batterie et à transmettre, via un signal électrique, une valeur relative à la température ambiante mesurée au système de gestion thermique de la batterie. Il pourra par exemple s’agir d’une thermistance, à coefficient positif CTP ou négatif CTN, dont la résistance varie avec la température. Le cas échéant, ladite thermistance pourra être montée sur la première carte de circuit imprimé. On pourra éventuellement prévoir une pluralité de capteurs de température montés en différents endroits de la première carte de circuit imprimé, de sorte que le préchauffage des cellules puisse être réalisé en fonction de températures mesurées au plus proche de ces cellules et qu’il soit ainsi homogène.

On entend par « piste électrique de préchauffe » une piste électrique, par exemple réalisée en cuivre, et dont l’épaisseur, la largeur et/ou la longueur ont été choisies de sorte que, lors du passage d’un courant d’une intensité donnée, par exemple d’1 A, dans cette piste électrique de préchauffe, elle dissipe par effet Joule de la chaleur permettant une augmentation de température, au niveau de la ou chaque cellule au droit de laquelle elle passe, d’au moins 10°, voire d’au moins 20°. On notera que plus la longueur d’une piste électrique augmente et/ou plus sa largeur diminue et/ou plus son épaisseur diminue, plus sa résistance augmente, et donc plus la quantité de chaleur qu’elle est capable de dissiper augmente également.

Dans l’invention, la piste électrique de préchauffe pourra passer sur la ou chaque languette, autour de la ou chaque languette, ou au voisinage de la ou chaque languette. Ladite piste électrique de préchauffe pourra passer au niveau de plusieurs languettes, au niveau d’un ou plusieurs groupes de languettes, voire au niveau de chacune des languettes de la première carte de circuit imprimé. En variante, la première carte de circuit imprimé pourra comporter un réseau de pistes électriques de préchauffe passant chacune au niveau d’une ou plusieurs languettes, ces pistes électriques de préchauffe étant interconnectées entre elles et avec une ou plusieurs pistes reliées au système de gestion thermique ou étant chacune reliée au système de gestion thermique.

Avantageusement, la première carte de circuit imprimé est agencée par rapport aux cellules de sorte que chaque cellule créé un effort mécanique, sur chaque languette, dirigé vers l’extérieur de la batterie, et chaque languette de la première carte de circuit imprimé forme un ressort présentant une force de rappel dirigée vers l’intérieur de la batterie. Le cas échéant, chaque encoche de la première carte de circuit imprimé peut présenter une forme en U. La languette définie par chaque encoche est ainsi reliée à la portion principale de la première carte de circuit imprimée par une seule de ses arêtes. Si on le souhaite, les encoches peuvent être réalisées par découpe de la portion principale de la première carte de circuit imprimé, au préalable de l’assemblage de la batterie.

Dans un mode de réalisation de l’invention, chaque premier élément de connexion est pourvu d’une bosse réalisée dans un matériau conducteur d’électricité venant en contact avec la borne de contact d’une des cellules. Cette bosse peut par exemple être réalisée par dépôt du matériau conducteur d’électricité en fusion, par exemple de l’étain, au niveau d’une terminaison d’une piste électrique située sur la languette. Ce mode de réalisation permet de faciliter le contact entre la piste électrique et la borne de contact dans le cas où la borne de contact est plane.

Dans un autre mode de réalisation de l’invention, la borne de contact de chaque cellule destinée à venir en contact avec l’un des premiers éléments de connexion fait saillie de la face d’extrémité de la cellule. Dans ce cas, le premier élément de connexion peut être plan.

Avantageusement, la batterie comporte un organe d’espacement agencé pour maintenir les cellules à distance les unes des autres, l’organe d’espacement et la première carte de circuit imprimé étant agencés pour maintenir les cellules et la première carte de circuit imprimé de sorte que chacun des premiers éléments de connexion électrique soit situé en vis-à-vis d’une des bornes de contact des cellules. Par exemple, la batterie peut comporter un unique organe d’espacement. De préférence, l’organe d’espacement est agencé pour maintenir les cellules dans un agencement matriciel, les unes à côtés des autres. Le cas échéant, les premiers éléments de connexion sont distribués sur la première carte de circuit imprimé selon un agencement correspondant à celui des cellules.

De préférence, l’organe d’espacement consiste en une plaque unique présentant une pluralité de passages traversants primaires, chaque cellule étant engagée au travers de l’un des passages traversants primaires. Le cas échéant, chaque passage traversant peut présenter un profil correspondant sensiblement, en forme et en dimensions, à celui de la cellule qu’il reçoit.

Avantageusement, la batterie comporte une deuxième carte de circuit imprimé disposée au droit des faces d’extrémités situées de l’autre des côtés des cellules, la deuxième carte de circuit imprimé étant pourvue d’une pluralité de deuxièmes éléments de connexion électrique, chacun des deuxièmes éléments de connexion électrique étant situé en vis-à-vis d’une des bornes de contact des cellules. Le cas échéant, la deuxième carte de circuit imprimé comporte une portion principale dans laquelle sont formées une pluralité d’encoches, chaque encoche définissant une languette élastiquement déformable par rapport à la portion principale, chaque deuxième élément de connexion électrique étant disposé sur l’une des languettes de la deuxième carte de circuit imprimé. On pourra avantageusement prévoir que cette deuxième carte de circuit imprimé comporte au moins une piste électrique de préchauffe passant au niveau d’au moins l’une desdites languettes de la deuxième carte et reliée au système de gestion thermique de la batterie.

Avantageusement encore, la batterie comporte un organe de fixation agencé pour maintenir la première carte de circuit imprimé à la seconde carte de circuit imprimé. Le cas échéant, l’organe de fixation peut être agencé pour exercer un effort sur chacune des première et deuxième cartes de circuit imprimé dirigé vers l’intérieur de la batterie. On met ainsi les cartes de circuit imprimé sous contrainte, de sorte que les cellules créent un effort mécanique sur les languettes.

Par exemple, l’organe de fixation peut comprendre une ou plusieurs tiges de liaisons fixées à la première carte de circuit imprimé, et éventuellement à la deuxième carte de circuit imprimé. Le cas échéant, chaque carte de circuit imprimé comporte un ou plusieurs orifices, chaque tige de liaison étant destinée à être engagée au travers de l’un de ces orifices. Avantageusement, l’organe de fixation peut comporter un ou plusieurs passages traversants secondaires, chacun disposé en vis-à-vis de l’un des orifices des première et/ou deuxième cartes de circuit imprimé, chaque tige de liaison étant destinée à être engagée au travers de l’un des passages traversants secondaires. De façon alternative ou cumulative, l’organe de fixation peut comporter un boîtier auquel sont fixées les première et deuxième cartes de circuit imprimé. Le cas échéant, le boîtier peut comporter des protubérances, chacune agencée en vis-à-vis d’une zone de la portion principale de la première et/ou de la deuxième cartes de circuit imprimé située au droit des languettes, de sorte à exercer un effort sur cette première et/ou deuxième cartes de circuit imprimé dirigé vers l’intérieur de la batterie.

Dans un mode de réalisation de l’invention, la pluralité de cellules forme un premier étage de la batterie. Le cas échéant, la batterie comporte un deuxième étage comportant une pluralité de cellules de charges électriques, chaque cellule présentant des faces d’extrémités situées sur des côtés opposés de la cellule, chaque face d’extrémité étant pourvue d’une borne de contact, le deuxième étage étant superposé au premier étage ; et ladite première carte de circuit imprimé est disposée entre des faces d’extrémités des cellules du premier étage et des faces d’extrémités des cellules du deuxième étage, chacun des éléments de connexion électrique étant situé en vis-à-vis d’une borne de contact d’une cellule du premier étage ou du deuxième étage. L’agencement en étages des cellules permet, en comparaison avec une configuration en bloc unique, de diminuer les dimensions longitudinale et latérale de la batterie et d’augmenter sa hauteur, de sorte à obtenir une batterie présentant une configuration géométrique sensiblement verticale, comme un cylindre.

Dans un mode de réalisation de l’invention, la première carte de circuit imprimé comporte un empilement de couches et ladite piste électrique de préchauffe est formée dans au moins une couche interne de cette première carte de circuit imprimé, ladite piste électrique de préchauffe comportant, pour chaque languette au niveau de laquelle elle passe, une section de dissipation s’étendant sous une zone de la première carte de circuit imprimé englobant cette languette.

Par exemple, la première carte de circuit imprimé pourra comporter un empilement de couches isolantes alternées avec des couches conductrices, chaque couche conductrice étant interconnectée avec une autre couche conductrice par exemple par des vias. Le cas échéant, au moins l’une des couches conductrices internes pourra être gravée et percée pour définir ladite piste électrique de dissipation. Le cas échéant, lesdites pistes électriques interconnectant les éléments de connexion pourront être formées en surface et/ou dans une ou plusieurs couches internes de la première carte de circuit imprimé. Dans l’invention, ladite zone sous laquelle s’étend ladite section de dissipation pourra être une zone dont les dimensions sont de l’ordre du diamètre des cellules de charge électrique, voire sensiblement identiques à ce diamètre.

Selon un exemple de réalisation, ladite piste électrique de préchauffe comporte au moins une section de liaison reliant la ou chaque section de dissipation à une autre section de dissipation ou au système de gestion thermique, ladite section de dissipation présentant une longueur supérieure à la ou chaque section de liaison. Autrement dit, la densité de surface qu’occupe la ou chaque section de dissipation est sensiblement supérieure à la densité de surface occupée par la piste électrique de préchauffe en dehors de la ou des zones englobant les languettes. Cette caractéristique permet de concentrer la dissipation de chaleur par la piste électrique de préchauffe sensiblement au niveau des cellules, de sorte à augmenter le rendement du système de gestion thermique et à compenser les faibles capacités de conduction de chaleur des couches isolantes de la première carte de circuit imprimé. En outre, le fait d’augmenter la longueur de la section de dissipation permet d’augmenter la résistance de cette section de dissipation et donc de dissiper davantage de chaleur, sans devoir diminuer son épaisseur et/ou sa largeur, qui sont des facteurs impactant le coût et la qualité de conception de la carte de circuit imprimé. De façon alternative ou cumulative, on pourra toutefois envisager de réduire l’épaisseur et/ou la largeur de piste électrique de préchauffe dans la section de dissipation, par rapport à la section de liaison.

Avantageusement, la ou chaque section de dissipation présente une forme d’une portion de courbe remplissante, de spirale, de courbe concentrique ou de zigzag. Par exemple, la ou chaque section de dissipation pourra présenter une forme d’une portion d’une courbe de Hilbert ou d’une portion d’une courbe de Peano. Ces différentes formes sont des exemples de courbes permettant à la section de dissipation d’occuper un maximum d’espace dans la zone englobant la languette et donc d’augmenter fortement la résistance de la piste électrique de préchauffe au niveau de cette zone.

De façon alternative ou cumulative, la ou chaque section de dissipation pourra s’étendre dans plusieurs couches internes de la première carte de circuit imprimé. Le cas échéant, chacune de ces couches conductrices internes pourra être gravée et percée, au niveau de ladite zone, pour définir une portion de ladite section de dissipation, ces portions étant interconnectées, par des vias, pour former la section de dissipation. Il est ainsi possible d’augmenter encore la résistance de cette section de dissipation au niveau de ladite zone et donc de concentrer la dissipation de chaleur sur cette zone.

Avantageusement, la batterie comporte, pour chaque languette au niveau de laquelle passe ladite piste électrique de préchauffe, une pièce thermiquement conductrice agencée entre la ladite languette et la cellule en s’étendant autour du premier élément de connexion électrique supporté par cette languette. Il pourra par exemple s’agir d’une pate thermique, par exemple en silicone. Cette pièce permet d’augmenter la surface d’échange thermique entre la carte de circuit imprimé et la cellule.

Dans un mode de réalisation de l’invention, le système de gestion thermique est agencé pour comparer une température mesurée par le capteur de température à un seuil donné et pour faire circuler un courant électrique dans ladite piste électrique de préchauffe si ladite température est inférieure audit seuil donné. De préférence, le système de gestion thermique est apte à recevoir une information sur une configuration de charge ou de décharge de la batterie et est agencé pour déterminer un seuil de comparaison de ladite température en fonction de cette information. Par exemple, le système de gestion thermique pourra être agencé pour faire circuler ledit courant électrique si ladite température est inférieure à 5° lorsque la batterie est dans une configuration de charge et si ladite température est inférieure à 0° lorsque la batterie est dans une configuration de décharge.

Avantageusement, le système de gestion thermique comporte un générateur de courant alternatif et il est agencé pour déterminer une consigne de puissance dudit courant alternatif en fonction d’une température mesurée par le capteur de température et pour contrôler la génération et la circulation vers ladite piste électrique de préchauffe, par le générateur de courant alternatif, d’un courant électrique présentant ladite consigne de puissance. Ledit courant alternatif pourra par exemple être généré à partir d’une puissance électrique fournie par tout ou partie des cellules de charge de la batterie. Le générateur pourra être apte à générer un courant sinusoïdal, la consigne pouvant par exemple être une consigne d’amplitude et/ou de fréquence dudit courant, ou un courant carré ou rectangulaire, la consigne pouvant alors être un rapport cyclique de ce courant. Le cas échéant, le système de gestion thermique pourra être agencé pour déterminer ladite consigne de puissance de sorte à provoquer une augmentation de température depuis la température mesurée vers une consigne de température prédéterminée.

En variante, le système de gestion thermique pourra comporter un générateur de courant continu, et le système de gestion thermique pourra être agencé pour déterminer une consigne d’amplitude dudit courant continu en fonction d’une température mesurée par le capteur de température.

Selon un exemple, la batterie comporte un composant fusible agencé entre le système de gestion thermique et ladite piste électrique de préchauffe et agencé pour isoler ladite piste électrique de préchauffe du générateur de courant alternatif si une puissance d’un courant électrique généré par le générateur dépasse une valeur seuil donnée. Le composant fusible pourra par exemple être une section de la piste électrique de préchauffe présentant un rétrécissement, et agencée en aval du générateur de courant alternatif, le courant alternatif fourni par le générateur traverse cette section avant de circuler sur le reste de la piste électrique de préchauffe. Ce composant fusible permet ainsi d’éviter de préchauffer les cellules alors qu’une partie du système de gestion thermique, et notamment le générateur de courant alternatif, est défaillante, ce qui pourrait conduire à un échauffement trop important des cellules susceptible de les détériorer, voire à un départ de feu.

Avantageusement, le composant fusible pourra par exemple être agencé pour que sa partie conductrice fonde, afin de déconnecter la piste électrique de préchauffe du générateur de courant alternatif, si le rapport cyclique du courant alternatif dépasse 50%. En d’autres termes, la consigne de rapport cyclique dudit courant alternatif sera comprise entre 0 et 50%.

Selon un autre exemple, la piste électrique de préchauffe est couplée au générateur de courant alternatif via un condensateur. Le condensateur pourra être monté en série avec le générateur de courant alternatif, de sorte qu’en cas de défaillance du générateur, le condensateur se décharge puis isole le reste de la piste électrique de préchauffe.

Avantageusement, la batterie comporte un boîtier agencé pour recevoir la pluralité de cellules, la première carte de circuit imprimé et le système de gestion thermique de la batterie, le boîtier comportant un moyen d’assemblage à un élément d’un véhicule, notamment à un châssis d’un véhicule électrique ou à un cadre d’un vélo.

La présente invention est maintenant décrite à l’aide d’exemples uniquement illustratifs et nullement limitatifs de la portée de l’invention, et à partir des illustrations jointes, dans lesquelles :

représente, schématiquement et partiellement, une vue en éclaté d’une batterie selon un premier mode de réalisation de l’invention ;

représente, schématiquement et partiellement, une vue en coupe d’une portion de la batterie de la

représente, schématiquement et partiellement, une vue d’une portion de la carte de circuit imprimé de la batterie de la selon un premier exemple de réalisation de l’invention ;

représente, schématiquement et partiellement, une vue d’une portion de la carte de circuit imprimé de la batterie de la selon un deuxième exemple de réalisation de l’invention ;

représente, schématiquement et partiellement, une vue d’une portion de la carte de circuit imprimé de la batterie de la selon un troisième exemple de réalisation de l’invention ; et

représente, schématiquement et partiellement, une vue en coupe d’une portion de la carte de circuit imprimé de la batterie de la selon un quatrième exemple de réalisation de l’invention.

Dans la description qui suit, les éléments identiques, par structure ou par fonction, apparaissant sur différentes figures conservent, sauf précision contraire, les mêmes références.

On a illustré en un éclaté d’une batterie électrique 1 d’un véhicule électrique selon un premier mode de réalisation de l’invention. On a par ailleurs représenté en une vue en coupe d’une partie de la batterie 1 lorsqu’elle est assemblée.

La batterie 1 comporte une pluralité de cellules de charges électriques 2, chaque cellule 2 étant un accumulateur de type lithium-ion de forme cylindrique et présentant une face d’extrémité supérieure 21 et une face d’extrémité inférieure 22 pourvues chacune d’une borne de contact plane 23.

Les cellules 2 sont disposées à côté les unes des autres, dans un agencement matriciel. La batterie 1 comporte une unique plaque d’espacement 3 pourvue d’une pluralité de passages traversants cylindriques primaires 31 distribués sur la plaque de façon matricielle et dont les dimensions correspondent à celles des cellules 2. Chaque cellule 2 est engagée dans l’un des passages 31, de sorte que la plaque d’espacement 3 maintienne les cellules 2 à distance les unes des autres.

La batterie 1 comporte une première carte de circuit imprimé 41, disposée au-dessus des cellules 2, du côté des faces d’extrémité supérieures 21, et une deuxième carte de circuit imprimé 42, disposée en dessous des cellules 2, du côté des faces d’extrémité inférieures 22.

Chaque carte de circuit imprimé 41 et 42 comporte une pluralité d’éléments de connexion électrique 43. Chaque carte de circuit imprimé 41 et 42 comporte une portion principale 44, dans laquelle ont été découpées des encoches 45 en forme de U. Chacune des encoches 45 définit une languette 46, reliée à la portion principale par une seule de ses arêtes. Chaque languette 46 est ainsi élastiquement déformable par rapport à la portion principale 44 et forme un ressort présentant une force de rappel ramenant la languette 46 vers la portion principale 44 lorsqu’un effort est exercé sur cette languette 46.

Dans l’exemple des et , chaque élément de connexion électrique 43 est formé sur l’une des languettes 46 des cartes de circuit imprimé 41 et 42, et comporte à cet effet une bosse 47 en étain disposée au niveau d’une terminaison d’une piste électrique s’étendant sur cette languette 46.

La batterie 1 comporte des organes de fixation (non représentés), comme des tiges de liaison, destinées à être insérées entre les cartes de circuit imprimé 41 et 42, en étant engagées dans des passages traversants secondaires 32 de la plaque d’espacement 3, prévus entre les passages traversants primaires 31. Des orifices 48 sont formés dans les portions principales 44 des cartes de circuit imprimé 41 et 42, en vis-à-vis des passages traversants primaires 31. Chaque tige de liaison est munie d’organes de serrage au niveau de ces extrémités, par exemple de type rondelle et boulon pour pouvoir serrer les première et deuxième cartes de circuit imprimé 41 et 42 l’une en direction de l’autre.

Pour réaliser l’assemblage de la batterie 1, les cellules 2 sont insérées dans les passages traversants primaires 31 de la plaque d’espacement 3 et les tiges de liaison sont insérées dans les passages traversants secondaires 32. Les première et deuxième cartes de circuit imprimé 41 et 42 sont disposées de part et d’autre des cellules 2 assemblées, de sorte à ce que les bornes de contact 23 viennent en vis-à-vis des éléments de connexion 43.

Les première et deuxième cartes de circuit imprimé 41 et 42 sont serrées l’une vers l’autre au moyen des organes de serrage des tiges de liaison, pour générer un effort sur les languettes 46 vers l’intérieur de la batterie. Cet effort vient ainsi maintenir les cellules 2 en position entre les première et deuxième cartes de circuit imprimé 41 et 42. En contrepartie, chacune des cellules 2 exerce, au niveau de sa face d’extrémité supérieure 21, respectivement inférieure 22, un effort sur la languette 46 de la première carte de circuit imprimé 41, respectivement de la deuxième carte de circuit imprimé 42, en vis-à-vis de laquelle elle est disposée. Chaque languette 46 est ainsi déformée élastiquement par l’une des cellules 2 en étant poussée vers l’extérieur de la batterie 1.

L’effort créé par la cellule 2 sur chaque languette 46 étant orienté vers l’extérieur de la batterie 1, la force de rappel du ressort formé par cette languette 46 s’exerce donc vers l’intérieur de la batterie 1, ce qui vient maintenir un contact entre la bosse de l’élément de connexion 43 situé sur cette languette 46 et la borne de contact plane de la cellule 2. Dès lors, on garantit que le contact entre l’élément de connexion 43 et la borne de contact peut être maintenu. En outre, l’assemblage de la batterie 1 ainsi que le remplacement des cellules 2 lorsqu’elles sont usagées, peuvent être réalisés simplement et rapidement, sans opération de brasage ou de soudage.

On notera qu’un effet équivalent pourra être obtenu, sans tiges de liaison, en agençant les cartes de circuit imprimé 41 et 42 dans un boîtier pourvu de moyens de plaquage, comme des nervures, venant exercer, lors de l’assemblage, un effort sur les cartes 41 et 42 orienté vers l’intérieur de la batterie.

La deuxième carte de circuit imprimé 42 supporte un système de contrôle 6 de la batterie 1, également nommé BMS, lequel incorpore un système de gestion thermique de la batterie 1, également nommé BTMS 61. On pourra indifféremment prévoir d’agencer le BMS 6 sur la première carte 41 ou sur une autre carte de circuit imprimé de la batterie, ou encore de séparer le BMS 6 du BTMS 61.

Le système de contrôle 6 est apte à réaliser des fonctions de surveillance de l’état des cellules 2, de contrôle de la charge et de la décharge des cellules 2 et d’équilibrage de la charge des cellules 2.

A cet effet, chacune des première et deuxième cartes de circuit imprimé 41 et 42 comporte un premier réseau de pistes électriques 7, interconnectant les éléments de connexion électrique 43 entre eux, et donc les cellules 2 entre elles, et avec le BMS 6. On pourra prévoir que chaque réseau 7 soit un réseau de pistes formées en surface de la carte de circuit imprimé 41, 42, et/ou un réseau de pistes enterrées dans la carte de circuit imprimé 41, 42, par exemple en étant formées par des couches conductrices internes de la carte de circuit imprimé 41, 42.

Par ailleurs, chacune des première et deuxième cartes de circuit imprimé 41 et 42 comporte un deuxième réseau de pistes électriques 8, passant au niveau de chacune des languettes 46, sans toutefois être reliées aux éléments de connexion électrique 43. Ce deuxième réseau est un réseau de pistes électriques de préchauffe 8 reliées au BTMS 61, lequel est apte à générer un courant électrique pour qu’il circule dans ce réseau de pistes 8. Le réseau de pistes 8 a été conçu pour présenter une résistance telle que, lorsque le courant électrique circule, les pistes 8 dissipent de la chaleur, par effet Joule, qui permet de réchauffer les cellules 2. On pourra indifféremment concevoir le réseau de pistes 8 comme une piste unique de préchauffe ou comme plusieurs pistes de préchauffe interconnectées entre elles ou chacune directement reliée au BTMS 61.

Plus précisément, chaque réseau de pistes électriques 8 est enterré dans la carte de circuit imprimé 41, 42 en étant formé dans au moins une couche conductrice interne de la carte de circuit imprimé 41, 42. Chaque réseau 8 comporte ainsi des sections de dissipations 81 s’étendant chacune sous une zone de la carte de circuit imprimé 41, 42 englobant l’une des languettes 46, et dont les dimensions sont sensiblement celles d’une section d‘une cellule de charge 2 agencée en vis-à-vis de cette languette 46.

Les sections de dissipations 81 sont reliées entre elles et au BTMS 61 par des sections de liaison 82. Comme cela sera décrit ultérieurement, en lien avec les exemples des à , les sections de dissipations 81 sont conçus pour présenter une longueur, une largeur et/ou une épaisseur telle que la résistance de chaque section de dissipation 81 est sensiblement supérieure à celle de chaque section de liaison 82. Dès lors, la dissipation de chaleur par le réseau 8, engendré par la circulation du courant électrique généré par le BTMS 61, est concentrée sur les cellules 2.

Comme montré en , pour chaque languette 46, il est prévu une pâte thermique 24, déposée entre ladite languette 46 et la borne 23 de la cellule 2 agencée en vis-à-vis de cette languette. La pâte 24 est déposée en s’étendant autour de l’élément de connexion électrique 43 supporté par cette languette.

Afin de pouvoir mettre en œuvre une fonction de préchauffe des cellules 2 lorsque la température extérieure est trop faible, la batterie 1 comporte un capteur de température 9 monté sur la deuxième carte de circuit imprimé 42 et relié au BTMS 61. Dans l’exemple décrit, le capteur 9 comporte une thermistance à coefficient négatif CTN, dont la résistance croit lorsque la température ambiante diminue, de sorte que le BTMS 61 dispose à tout instant d’une information relative à la température ambiante. On pourra envisager d’autres types de capteur de température ou encore d’employer plusieurs capteurs répartis en différents endroits de la batterie 1 sans sortir du cadre de la présente invention.

Le BTMS 61 est ainsi agencé pour comparer une température mesurée par le capteur de température 9 à un seuil donné et pour faire circuler un courant électrique dans le réseau 8 si ladite température est inférieure audit seuil donné. Dans l’exemple décrit, le BTMS fait circuler un courant électrique si ladite température est inférieure à 5° lorsque la batterie 1 est dans une configuration de charge et si ladite température est inférieure à 0° lorsque la batterie 1 est dans une configuration de décharge.

Par ailleurs, le BTMS 61 comporte un générateur de courant alternatif (non représenté) dont la puissance est contrôlable par le BTMS 61. Plus précisément, le BTMS détermine un rapport cyclique dudit courant alternatif en fonction d’une température mesurée par le capteur de température 9, de sorte à provoquer une augmentation de température depuis la température mesurée vers une consigne de température prédéterminée, par exemple prévue dans une plage de valeur de 10° à 30°.

La batterie 1 comporte un composant fusible 83, par exemple par une portion de la section de liaison 82 reliant le reste du réseau 9 au BTMS 61 et présentant un rétrécissement. Plus précisément, la section a été conçue pour fondre lorsque le rapport cyclique du courant alternatif fourni par le générateur du BTMS 61 dépasse 50%.

On va maintenant décrire, en lien avec les à , différents exemples de réalisation des sections de dissipation 81. Dans ces différents exemples, chaque section de dissipation 81 a été conçue de sorte à démultiplier sa longueur au regard de la zone Z de la carte de circuit imprimé 41, 42 englobant la languette 46 et dont les dimensions correspondent sensiblement à celles d’une section d’une cellule de charge 2.

Dans l’exemple de la , la section de dissipation 81 présente une forme d’une portion d’une courbe remplissante, dérivée d’une courbe de Peano de premier ordre afin d’éviter de traverser l’encoche 45. Ce type de courbe de remplissage permet ainsi à la section de dissipation 81 d’occuper, au sein de la zone Z, un espace particulièrement important, et donc, pour une largeur et une épaisseur donnée, de présenter une résistance particulièrement élevée. On pourra envisager d’autres types de courbes de remplissage, comme une portion d’une courbe de Hilbert.

Dans l’exemple de la , la section de dissipation 81 présente une forme de courbe en spirale ou en cercles concentriques reliés deux à deux.

Dans l’exemple de la , la section de dissipation 81 présente une forme en zigzag.

Enfin, dans l’exemple de la , qui représente une vue en coupe de la carte de circuit imprimé 41, cette carte 41 comporte un empilement de couches isolantes alternées avec des couches conductrices. La section de dissipation 81 s’étend ainsi dans plusieurs couches conductrices internes de cette carte de circuit imprimé 41, chacune de ces couches internes étant gravée et percée, au niveau de ladite zone Z, pour définir une portion de ladite section de dissipation. Les différentes portions sont donc superposées et sont interconnectées entre elles, par des vias, pour former la section de dissipation 81. Comparativement aux exemples précédents, on peut ainsi encore augmenter la longueur de la section de dissipation 81, et donc sa résistance.

On pourra combiner ces différents exemples, pour une même zone Z, ou pour différentes zones Z des cartes de circuit imprimé 41 et 42, sans sortir du cadre de la présente invention.

La description qui précède explique clairement comment l'invention permet d'atteindre les objectifs qu'elle s'est fixée, et notamment en proposant une batterie dont la carte de circuit imprimé présente des encoches définissant des languettes élastiquement déformables recevant les éléments de connexion électriques destinés à être en contact avec les bornes de contact des cellules et qui intègre une ou plusieurs pistes électriques de préchauffes passant au niveau de ces languettes. On comprend ainsi que la formation de ces languettes élastiquement déformables permet de réaliser des contacts entre les éléments de connexion et les bornes de contact grâce à des éléments de connexion non spécifiquement conçu à cet effet, permettant d’assembler la batterie et de changer les cellules de façon simple et rapide, les contacts étant pour autant résistants aux vibrations. En outre, la ou chaque piste de préchauffe peut ainsi être conçue pour dissiper de la chaleur, laquelle est ainsi dirigée vers cette ou ces cellules pour permettre ainsi leur préchauffage lorsque la température ambiante est trop basse, sans toutefois requérir à une soudure de la piste avec ces cellules.

En tout état de cause, l'invention ne saurait se limiter aux modes de réalisation spécifiquement décrits dans ce document, et s'étend en particulier à tous moyens équivalents et à toute combinaison techniquement opérante de ces moyens. En particulier, on pourra prévoir d’autres profils d’encoches et de languettes. On pourra également prévoir de diviser le réseau de pistes électriques de préchauffe en sous-réseaux chacun contrôlable sélectivement, de sorte que des groupes de cellules, voire les cellules elles-mêmes, puissent être réchauffés individuellement par ces sous-réseaux, de sorte à obtenir un préchauffage homogène. On pourra également prévoir d’employer un générateur de courant continu, à la place d’un générateur de courant alternatif. On pourra encore prévoir d’autres types de protection du réseau de pistes de préchauffe au regard d’une défaillance du BTMS, comme un couplage par condensateur.

Claims

Batterie électrique (1), comportant :
une pluralité de cellules de charges électriques (2), chaque cellule présentant des faces d’extrémités (21, 22) situées sur des côtés opposés de la cellule, chaque face d’extrémité étant pourvue d’une borne de contact (23) ;

au moins une première carte de circuit imprimé (41) disposée au droit des faces d’extrémités situées de l’un des côtés des cellules, la carte de circuit imprimé étant pourvue d’une pluralité de premiers éléments de connexion électrique (43), chacun des premiers éléments de connexion électrique étant situé en vis-à-vis d’une des bornes de contact des cellules ;
caractérisée en ce que la première carte de circuit imprimé comporte une portion principale (44) dans laquelle sont formées une pluralité d’encoches (45), chaque encoche définissant une languette (46) élastiquement déformable par rapport à la portion principale, chaque premier élément de connexion électrique étant disposé sur l’une des languettes de la première carte de circuit imprimé ;
en ce que la première carte de circuit imprimé comporte au moins une piste électrique de préchauffe (8) passant au niveau d’au moins l’une desdites languettes, la batterie comportant un système de gestion thermique (61) de la batterie auquel est reliée ladite piste électrique de préchauffe et un capteur de température (9), et en ce que le système de gestion thermique est agencé pour faire circuler un courant électrique dans ladite piste électrique de préchauffe en fonction d’une température mesurée par le capteur de température.
Batterie (1) selon la revendication précédente, dans laquelle la première carte de circuit imprimé (41) est agencée par rapport aux cellules (2) de sorte à ce que chaque cellule créé un effort mécanique sur chaque languette (46) dirigé vers l’extérieur de la batterie, et dans laquelle chaque languette de la première carte de circuit imprimé forme un ressort présentant une force de rappel dirigée vers l’intérieur de la batterie.
Batterie (1) selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la première carte de circuit imprimé (41) comporte un empilement de couches et dans laquelle ladite piste électrique de préchauffe (8) est formée dans au moins une couche interne de cette première carte de circuit imprimé, ladite piste électrique de préchauffe comportant, pour chaque languette (46) au niveau de laquelle elle passe, une section de dissipation (81) s’étendant sous une zone (Z) de la première carte de circuit imprimé englobant cette languette.
Batterie (1) selon la revendication précédente, dans laquelle ladite piste électrique de préchauffe (8) comporte au moins une section de liaison (82) reliant la ou chaque section de dissipation (81) à une autre section de dissipation ou au système de gestion thermique (61), ladite section de dissipation présentant une longueur supérieure à la ou chaque section de liaison.
Batterie (1) selon la revendication précédente, dans laquelle la ou chaque section de dissipation (81) présente une forme de portion de courbe remplissante, de spirale, de courbe concentrique ou de zigzag.
Batterie (1) selon l’une des revendications 3 à 5, dans laquelle la ou chaque section de dissipation (81) s’étend dans plusieurs couches internes de la première carte de circuit imprimé (41).
Batterie (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comporte, pour chaque languette (46) au niveau de laquelle passe ladite piste électrique de préchauffe (8), une pièce thermiquement conductrice (24) agencée entre la ladite languette et la cellule (2) en s’étendant autour du premier élément de connexion électrique (43) supporté par cette languette.
Batterie (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le système de gestion thermique (61) est agencé pour comparer une température mesurée par le capteur de température (9) à un seuil donné et pour faire circuler un courant électrique dans ladite piste électrique de préchauffe (8) si ladite température est inférieure audit seuil donné.
Batterie (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le système de gestion thermique (61) comporte un générateur de courant alternatif et en ce qu’il est agencé pour déterminer une consigne de puissance dudit courant alternatif en fonction d’une température mesurée par le capteur de température (9) et pour contrôler la génération et la circulation vers ladite piste électrique de préchauffe (8), par le générateur de courant alternatif, d’un courant électrique présentant ladite consigne de puissance.
Batterie (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu’elle comporte un composant fusible (83) agencé entre le système de gestion thermique (61) et ladite piste électrique de préchauffe (8) et agencé pour isoler ladite piste électrique de préchauffe du générateur de courant alternatif si une puissance d’un courant électrique généré par le générateur dépasse une valeur seuil donnée.
Batterie (1) selon l’une des revendications 9 ou 10, dans lequel la piste électrique de préchauffe (8) est couplée au générateur de courant alternatif via un condensateur.