FR3138243A1 - Procédé de management thermique et de sécurité de batteries et dispositif pour sa mise en œuvre. - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de gestion thermique et de sécurité d’une batterie dans un dispositif, ledit dispositif comprenant une batterie et un circuit de refroidissement, la batterie comportant une pluralité de modules, chaque module comportant une pluralité de cellules et le circuit de refroidissement comprenant une boucle de circulation d’un fluide de refroidissement et des vannes de régulation permettant de réguler le débit dudit fluide en amont de chaque module, le procédé comprenant les étapes : a) Une étape de détection d’un défaut dans au moins une cellule d’un module, b) Lorsqu’un défaut est détecté, une étape de modulation du débit comprenant une augmentation du débit du fluide de refroidissement dans le ou les modules comprenant au moins une cellule en défaut. Figure pour l’abrégé : Néant
Description
La présente invention concerne la gestion thermique et la sécurité des batteries comprenant plusieurs cellules, en particulier pour des applications mobiles ou stationnaires.
Une batterie est un dispositif de production d’électricité dans lequel de l’énergie chimique est convertie en énergie électrique. L’énergie chimique est constituée par des composés électrochimiquement actifs déposés sur au moins une face d’électrodes disposées dans le générateur électrochimique. L’énergie électrique est produite par des réactions électrochimiques au cours d’une décharge d’une cellule électrochimique.
Une batterie comprend plusieurs cellules électrochimiques. Une cellule électrochimique de type lithium-ion est fondée sur le principe de l’insertion réversible de lithium dans une structure hôte d’une manière électrochimiquement active.
Dans le domaine des cellules électrochimiques tel que les cellules lithium-ion, la température des cellules doit être gérée afin de maintenir la température à l’intérieur d’une plage adéquate de la cellule.
Les batteries lithium-ion sont généralement mises en œuvre à des températures allant de 0 à 40°C. En cas d’emballement, certaines cellules peuvent atteindre des températures de l’ordre de 400 à 800°C.
Les batteries sont couramment utilisées dans des applications mobiles ou stationnaires.
Parmi les applications stationnaires, on peut citer les batteries de stockage d’énergie, par exemple les batteries de stockage solaire, mais aussi les systèmes de stockage de l’énergie.
Parmi les applications mobiles, on peut citer les applications automobiles, tels que les véhicules électriques, ou l’aviation.
La batterie est susceptible de générer une grande quantité de chaleur, notamment lors d’une charge rapide. Ainsi, il est nécessaire de pouvoir extraire cette chaleur. L’air et l’eau éventuellement associée à du glycol sont connu pour refroidir les batteries. Néanmoins, avec l’apparition de systèmes batterie de plus en plus complexe et générateurs de chaleur, ces méthodes de refroidissement ne sont pas toujours suffisantes.
Par ailleurs, un des risques avérés dans les systèmes de pack batterie comprenant plusieurs cellules est la propagation d’un défaut pouvant apparaitre sur une ou plusieurs cellules électrochimiques constitutives de la batterie, ladite batterie comprenant généralement entre 100 et 10 000 cellules. Ces défauts peuvent avoir diverses causes (court-circuit, forte température (par exemple >150°C), perte d’intégrité de la cellule lors d’un accident…) et ont pour résultat une augmentation très forte de la température de la cellule (pouvant aller jusqu’à 800°C voire au-delà) associée à une éjection de gaz chauds. Des systèmes de sécurité sont bien évidemment mis en place pour éviter ces potentiels défauts. Il convient dans ce cadre de considérer le cas de l’apparition d’un défaut. Le système de sécurité aura alors comme objectif d’éviter la propagation de cet emballement thermique. En effet la forte chaleur générée par la cellule en défaut peut devenir la source de l’emballement thermique des cellules voisines.
Le document EP 2 873 541 propose un système de refroidissement des batteries de véhicules hybrides ou électriques comprenant une circulation d’un fluide caloporteur dans une boucle principale et des dérivations commandées en fonction de la température du fluide caloporteur. Ce document décrit un système relativement complexe impliquant des circuits de dérivation. Ce document ne vise pas la même problématique que celle de la présente invention.
C’est donc un objet de la présente invention que de proposer un nouveau système simple à mettre en œuvre, de management thermique et de sécurité de batteries visant à empêcher la propagation de l’emballement thermique d’une cellule en défaut.
Plus précisément, la présente invention concerne un procédé de gestion thermique et de sécurité d’une batterie dans un dispositif, ledit dispositif comprenant une batterie et un circuit de refroidissement, la batterie comportant une pluralité de modules, chaque module comportant une pluralité de cellules et le circuit de refroidissement comprenant une boucle de circulation d’un fluide de refroidissement et des vannes de régulation permettant de réguler le débit dudit fluide en amont de chaque module, le procédé comprenant les étapes :
a) Une étape de détection d’un défaut dans au moins une cellule d’un module,
b) Lorsqu’un défaut est détecté, une étape de modulation du débit comprenant une augmentation du débit du fluide de refroidissement dans le ou les modules comprenant au moins une cellule en défaut.
Selon un mode de réalisation, au moins 50% du débit du fluide de refroidissement est redirigé vers le ou les modules comportant au moins une cellule en défaut, de préférence au moins 70% du débit, de préférence encore au moins 90% du débit, voire 100% du débit du fluide de refroidissement est dirigé vers le ou les modules comportant au moins une cellule en défaut.
Selon un mode de réalisation, l’étape a) comprend les étapes suivantes successives :
a1 Mise en place d’une valeur seuil pour au moins un paramètre choisi parmi la température, la tension et le courant ,
a2 Mesure dudit au moins un paramètre choisi parmi la température, la tension et le courant lors du fonctionnement de la batterie,
a3 Détection d’un défaut lorsque le paramètre mesuré est au-delà ou en-deçà de la valeur seuil mise en place à l’étape a1.
Selon un mode de réalisation, le paramètre est la température du fluide de refroidissement, ledit procédé comprenant :
a1 Mise en place d’une valeur seuil de température à ne pas dépasser,
a2 Mesure de la température du fluide de refroidissement à la sortie de chaque module ou à la sortie de chaque cellule,
a3 Détection d’un défaut dans au moins un module donné ou au moins une cellule donnée, lorsque la température mesurée à la sortie dudit module ou de ladite cellule dépasse la valeur seuil de température,
b) redirection d’au moins une partie du débit du fluide de refroidissement vers ledit module en défaut ou ledit module comportant ladite cellule en défaut.
Selon un mode de réalisation, le paramètre est la température de chaque module ou de chaque cellule, ledit procédé comprenant :
a1 Mise en place d’une valeur seuil de température de chaque module ou de chaque cellule à ne pas dépasser,
a2 Mesure de la température de chaque module de chaque cellule,
a3 Détection d’un défaut dans au moins un module donné ou au moins une cellule donnée, lorsque la température mesurée duditmodule ou de ladite cellule dépasse la valeur seuil de température,
b) redirection d’au moins une partie du débit du fluide de refroidissement vers ledit module en défaut ou ledit module comportant ladite cellule en défaut.
Selon un mode de réalisation, l’étape a) comprend les étapes suivantes successives :
a1 Mise en place d’une valeur seuil pour l’évolution d’au moins un paramètre pendant un temps donné, ledit au moins un paramètre étant choisi parmi la température, la tension et le courant,
a2 Mesure dudit paramètre lors du fonctionnement de la batterie,
a3 Détection d’un défaut dans au moins un module donné ou au moins une cellule donnée, lorsque ladite valeur seuil est dépassée.
Selon un mode de réalisation, l’étape b) comprend en outre une diminution du débit du fluide dans le ou les modules ne comportant pas de cellules en défaut.
Selon un mode de réalisation, l’étape b) de modulation est mise en œuvre jusqu’à ce que la ou les cellules en défaut retrouvent un fonctionnement nominal.
L’invention a également pour objet un dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention, ledit dispositif comprenant :
- Une batterie comportant une pluralité de modules, chaque module comportant une pluralité de cellules électrochimiques,
- Un circuit de refroidissement comportant :
- une boucle de circulation d’un fluide de refroidissement,
- au moins une vanne en amont de chaque module permettant de réguler le débit du fluide de refroidissement.
Selon un mode de réalisation, ladite au moins une vanne est une vanne d’arrêt permettant d’arrêter la circulation du débit dans le module ne comprenant pas de cellule(s) en défaut.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre une unité de contrôle permettant de détecter au moins une cellule en défaut.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre au moins un capteur en sortie de chaque module ou de chaque cellule, permettant de mesurer au moins un paramètre choisi parmi la température du fluide de refroidissement et le courant.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre un circuit de climatisation dans lequel circule un fluide réfrigérant.
De préférence, le dispositif comprend le circuit de refroidissement comprend en outre au moins un échangeur de chaleur destiné à échanger de la chaleur avec l’air ou avec un fluide réfrigérant du circuit de climatisation.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend le circuit de refroidissement comprend en outre au moins un échangeur de chaleur destinée à échanger de la chaleur avec l’air.
Le procédé de gestion de l’invention permet d’éviter les risques d’emballement thermiques et de diminuer très rapidement la propagation de l’emballement thermique.
Le procédé de gestion de l’invention est simple à mettre en œuvre. Il peut être mis en œuvre sur des systèmes stationnaires ou mobiles.
Ainsi, le procédé de l’invention peut être mis en œuvre dans des batteries de stockage d’énergie, par exemple les batteries de stockage solaire, mais aussi les systèmes de stockage de l’énergie.
Ainsi, le procédé de l’invention peut être mis en œuvre dans les véhicules électriques ou hybrides ou dans l’aviation.
Sauf indication contraire, les quantités dans un produit sont exprimées en poids, par rapport au poids total du produit.
La présente invention concerne un procédé de gestion thermique et de sécurité d’une batterie dans un dispositif, ledit dispositif comprenant une batterie et un circuit de refroidissement.
Dans le cadre de la présente invention, la batterie comporte une pluralité de modules, chaque module comportant une pluralité de cellules électrochimiques.
De préférence, les modules de la batterie sont situés en parallèle les uns des autres.
Le procédé de gestion thermique et de sécurité selon l’invention est typiquement mis en œuvre à l’aide d’un circuit de refroidissement comprenant une boucle de circulation d’un fluide de refroidissement, ledit fluide de refroidissement étant en contact direct avec les cellules.
En fonctionnement nominal, le fluide de refroidissement circule avec un débit donné, de préférence avec un débit identique dans chacun des modules de la batterie.
Le fluide de refroidissement mis en œuvre selon l’invention est de préférence un fluide non aqueux. Le fluide de refroidissement mis en œuvre selon l’invention présente avantageusement des propriétés isolantes, par exemple une résistivité à 30°C, mesurée selon la norme ASTM D1169, supérieure ou égale à 1 Mohm.m, de préférence supérieure ou égale à 100 Mohm.m. Ainsi, typiquement, le fluide de refroidissement mis en œuvre selon l’invention présente une conductivité inférieure ou égale à 10-6ohm-1.m-1, de préférence inférieure ou égale à 10- 8ohm-1.m-1.
Le fluide de refroidissement mis en œuvre selon l’invention comprend typiquement une ou plusieurs huiles de base, de préférence en une teneur totale de 70% à 100% en poids, de préférence allant de 70 à 99% en poids, de préférence encore de 80 à 98% en poids, préférentiellement de 85 à 95% en poids, par rapport au poids total de la composition de refroidissement.
Selon un mode de réalisation particulier, le fluide de refroidissement comprend 100% en poids d’huile(s) de base, par rapport au poids total du fluide de refroidissement.
Ces huiles de base peuvent être choisies parmi les huiles de base conventionnellement utilisées dans le domaine des huiles lubrifiantes, telles que les huiles minérales, synthétiques ou naturelles, animales ou végétales ou leurs mélanges.
Il peut s’agir d’un mélange de plusieurs huiles de base, par exemple un mélange de deux, trois, ou quatre huiles de base.
Les huiles de base des fluides de refroidissement mis en œuvre dans l’invention peuvent être en particulier des huiles d’origines minérales ou synthétiques appartenant aux groupes I à V selon les classes définies dans la classification API (ou leurs équivalents selon la classification ATIEL) et présentées dans le tableau 1 ci-dessous ou leurs mélanges.
| Teneur en saturés | Teneur en soufre | Indice de viscosité (VI) | |
| Groupement I Huiles minérales |
< 90 % | > 0,03 % | 80 ≤ VI < 120 |
| Groupement II Huiles hydrocraquées |
≥90 % | ≤0,03 % | 80 ≤ VI < 120 |
| Groupement III Huiles hydrocraquées ou hydro-isomérisées |
≥90 % | ≤0,03 % | ≥120 |
| Groupement IV | Polyalphaoléfines (PAO) | ||
| Groupement V | Esters et autres bases non incluses dans les groupes I à IV |
Les huiles de base minérales incluent tous types d’huiles de base obtenues par distillation atmosphérique et sous vide du pétrole brut, suivies d’opérations de raffinage telles qu’extraction au solvant, désalphatage, déparaffinage au solvant, hydrotraitement, hydrocraquage, hydroisomérisation et hydrofinition.
Des mélanges d’huiles synthétiques et minérales, pouvant être biosourcées ou recyclées, peuvent également être employés.
Les huiles de bases des fluides de refroidissement selon l’invention peuvent également être choisies parmi les huiles synthétiques, telles certains esters d’acides carboxyliques et d’alcools, les polyalphaoléfines (PAO), et les polyalkylène glycol (PAG) obtenus par polymérisation ou copolymérisation d’oxydes d’alkylène comprenant de 2 à 8 atomes de carbone, en particulier de 2 à 4 atomes de carbone.
Les PAO utilisées comme huiles de base sont par exemple obtenues à partir de monomères comprenant de 4 à 32 atomes de carbone, par exemple à partir d’octène ou de décène. La masse moléculaire moyenne en poids de la PAO peut varier assez largement. De manière préférée, la masse moléculaire moyenne en poids de la PAO est inférieure à 600 Da. La masse moléculaire moyenne en poids de la PAO peut également aller de 100 à 600 Da, de 150 à 600 Da, ou encore de 200 à 600 Da.
Des additifs complémentaires peuvent être mis en œuvre dans le fluide de refroidissement mis en œuvre dans l’invention. Parmi ces additifs, on peut citer les antioxydants, les additifs anti-corrosion, les additifs anti-mousse et les abaisseurs de point d’écoulement.
Selon un mode de réalisation particulièrement préféré, la composition de refroidissement mise en œuvre selon l’invention comprend au moins un additif antioxydant. L’additif antioxydant permet généralement de retarder la dégradation de la composition en service. Cette dégradation peut notamment se traduire par la formation de dépôts, par la présence de boues ou par une augmentation de la viscosité de la composition.
Les additifs antioxydants agissent notamment comme inhibiteurs radicalaires ou destructeurs d’hydropéroxydes. Parmi les additifs antioxydants couramment employés, on peut citer les additifs antioxydants de type phénolique, les additifs antioxydants de type aminé, les additifs antioxydants phosphosoufrés.
Le fluide de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut comprendre de 0,1 à 2 % en poids d’au moins un additif antioxydant, par rapport au poids total du fluide.
Le fluide de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut comprendre au moins un additif anticorrosion. L’additif anti-corrosion permet avantageusement de retarder ou empêcher la corrosion des pièces métalliques de la batterie.
Le fluide de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut comprendre de 0,01 à 5 % en poids, préférentiellement de 0,1 à 2 % en poids d’agent anticorrosion, par rapport au poids total du fluide.
Le fluide de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut comprendre en outre au moins un agent antimousse. L’agent antimousse peut être choisi parmi les polyacrylates, les silicones, les composés fluorés ou encore les cires.
Le fluide de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut comprendre de 0,001 à 5 % en poids, préférentiellement de 0,1 à 2 % en poids d’agent antimousse, par rapport au poids total du fluide.
Le fluide de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut également comprendre au moins un additif abaisseur du point d’écoulement, (dits encore agents « PPD » pour « Pour Point Depressant » en langue anglaise). En ralentissant la formation de cristaux de paraffine, les additifs abaisseurs de point d’écoulement améliorent généralement le comportement à froid de la composition. Comme exemple d’additifs abaisseurs de point d’écoulement, on peut citer les polyméthacrylates d’alkyle, les polyacrylates, les polyarylamides, les polyalkylphénols, les polyalkylnaphtalènes, les polystyrènes alkylés.
Le fluide de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut également un ou plusieurs composés fluorocarbonés. Parmi les composés fluorocarbonés, on peut citer le Bromure de perfluorooctyle.
Le fluide de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut comprendre de 0,01 à 10 % en poids, préférentiellement de 0,1 à 5 % en poids, avantageusement de 0,5 à 2% en poids de composés fluorocarbonés, par rapport au poids total du fluide.
Le fluide de refroidissement mise en œuvre selon l’invention peut comprendre en outre au moins un agent anti-usure. Selon un mode de réalisation, l’agent anti-usure est choisi parmi les anti-usure phosphorés, les anti-usure phospho-soufrés, les anti-usure phospho-aminés, et leurs mélanges, de préférence parmi les anti-usure phosphorés.
Selon un mode de réalisation, l’agent anti-usure est un polymère phosphite, de préférence répondant à la formule (I) :
dans laquelle,
- chacun des R1, R2, R3 et R4 peuvent être choisis indépendamment les uns des autres parmi les groupements C1-C20 alkyle, C3-C22 alkényle, C6-C40 cycloalkyle, C7-C40 cycloalkényle, C1-20 méthoxy alkyl glycol éthers et Y-OH;
- Y est choisi parmi les groupements C2-C40 alkylène, C2-C40 alkyl lactone, -R7-N(R8)-R9-, dans lequel R7, R8 et R9 sont indépendamment les uns des autres choisis parmi hydrogène, C1-C20 alkyle, C3-C22 alkényle, C6-C40 cycloalkyle, C7-C40 cycloalkényle, C1-20 méthoxy alkyl glycol éthers,
- m est un entier allant de 2 à 100,
- n est un entier allant de 1 à 1000.
Selon un mode de réalisation, le polymère phosphite, de préférence répondant à la formule (I), présente une masse moléculaire moyenne en poids inférieure à 30000 g/mol, de préférence allant de 3000 à 20000 g/mol. La masse moléculaire moyenne en poids peut être mesurée par chromatographie d’exclusion stérique.
Selon un mode de réalisation, le polymère phosphite, de préférence répondant à la formule (I), présente une masse moléculaire moyenne en nombre inférieure à 10000 g/mol, de préférence allant de 1000 à 5000 g/mol. La masse moléculaire moyenne en nombre peut être mesurée par chromatographie d’exclusion stérique.
Selon un mode de réalisation, le polymère phosphite, de préférence répondant à la formule (I), présente un indice de polydispersité allant de 1 à 5, de préférence allant de 2 à 4.
Le polymère phosphite pouvant être mis en œuvre dans l’invention peut être obtenu selon le procédé décrit dans le document WO2011102861. En particulier, le polymère peut être obtenu selon le procédé décrit dans les paragraphes 27 à 32 de ce document.
Selon un mode de réalisation, les additifs anti-usure sont choisis parmi des additifs phospho-soufrés comme les alkylthiophosphates métalliques, en particulier les alkylthiophosphates de zinc, et plus spécifiquement les dialkyldithiophosphates de zinc ou ZnDTP. Les composés préférés sont de formule Zn((SP(S)(OQ2)(OQ3))2, dans laquelle Q2et Q3, identiques ou différents, représentent indépendamment un groupement alkyle, préférentiellement un groupement alkyle comportant de 1 à 18 atomes de carbone.
On peut citer, à titre d'exemples d'additifs anti-usure phospho-soufrés, les monobutylthiophosphate, monooctylthiophosphate, monolaurylthiophosphate, dibutylthiophosphate, dilaurylthiophosphate, tributylthiophosphate, trioctylthiophosphate, triphenylthiophosphate, monooctylthiophosphite, trilaurylthiophosphate, monolaurylthiophosphite, monobutylthiophosphite, dibutylthiophosphite, dilaurylthiophosphite, tributylthiophosphite, trioctylthiophosphite, triphenylthiophosphite, trilaurylthiophosphite et leurs sels.
Les phosphates d'amines sont également des additifs anti-usure qui peuvent être employés dans un fluide de refroidissement selon l'invention. Toutefois, le phosphore apporté par ces additifs peut agir comme poison des systèmes catalytiques car ces additifs sont générateurs de cendres. On peut minimiser ces effets en substituant partiellement les phosphates d'amines par des additifs n'apportant pas de phosphore, tels que, par exemple, les polysulfures, notamment les oléfines soufrées.
Le fluide de refroidissement mis en œuvre selon l’invention peut comprendre de 0,01 à 15% en poids, de préférence de 0,1 à 10% en poids, préférentiellement de 1 à 5% en poids d’agent(s) anti-usure, par rapport au poids total de la composition.
Ces additifs peuvent être introduits isolément et/ou sous la forme d’un mélange d’additifs, selon des procédés bien connus de l’homme du métier
Avantageusement, le fluide de refroidissement mis en œuvre selon l’invention présente une viscosité cinématique, mesurée à 40°C selon la norme ASTM D445 allant de 1,5 à 35 mm2/s, en particulier de 2 à 25 mm2/s voire de 2,5 à 10 mm²/s.
Avantageusement, le fluide de refroidissement mis en œuvre selon l’invention présente une viscosité cinématique, mesurée à 100°C selon la norme ASTM D445 allant de 0,5 à 7 mm2/s, en particulier de 1 à 4 mm2/s voire de 1,1 à 2,5 mm²/s.
De façon alternative, le fluide de refroidissement mis en œuvre selon l’invention peut être exclusivement constitué par au moins une huile de base, minérale ou synthétiques, éventuellement biosourcée ou recyclée.
Le procédé de gestion thermique et de sécurité selon l’invention comprend les étapes successives :
a) une étape de détection d’au moins un défaut dans une moins une cellule électrochimique d’au moins un module de la batterie,
b) lorsqu’un défaut est détecté, une étape d’augmentation du débit du fluide de refroidissement dans le ou les modules comprenant au moins une cellule en défaut.
Selon un mode de réalisation, une cellule sera dite en défaut si au moins un paramètre choisi parmi la température et le courant, est au-delà ou en-deçà d’une valeur seuil donnée.
Dans le cadre de l’invention, un module sera dit en défaut s’il comporte au moins une cellule en défaut.
Ainsi, typiquement, si aucun défaut n’est détecté, le débit du fluide de refroidissement dans les modules de la batterie n’est pas modifié.
Selon un mode de réalisation, l’étape a) comprend les étapes suivantes :
a1) Mise en place d’une valeur seuil pour au moins un paramètre choisi parmi la température, la tension et le courant,
a2) Mesure dudit au moins un paramètre choisi parmi la température, la tension et le courant lors du fonctionnement de la batterie, la mesure peut être mise en œuvre en continu ou de manière séquentielle,
a3) Comparaison entre ledit au moins un paramètre mesuré et ladite valeur seuil,
a4) Détection d’un défaut lorsque le paramètre mesuré est au-delà ou en-deçà de la valeur seuil mise en place à l’étape a1.
Selon un mode de réalisation, le paramètre est la température de chaque module, l’étape a) du procédé selon l’invention comprenant alors de préférence les étapes suivantes:
a1) Mise en place d’une valeur seuil de température à ne pas dépasser T1,
a2) Mesure de la température T2 de chaque module,
a3) Comparaison entre la température mesurée et la valeur seuil de température,
a4) Détection d’un défaut dans un module donné lorsque la température mesurée dudit module dépasse la valeur seuil de température déterminée à l’étape a1 (lorsque T2>T1).
Selon un mode de réalisation, le paramètre est la température de chaque cellule, l’étape a) du procédé selon l’invention comprenant alors de préférence les étapes suivantes:
a1) Mise en place d’une valeur seuil de température à ne pas dépasser T1,
a2) Mesure de la température T2 de chaque cellule,
a3) Comparaison entre la température mesurée et la valeur seuil de température,
a4) Détection d’un défaut dans une cellule donnée lorsque la température mesurée de ladite cellule dépasse la valeur seuil de température déterminée à l’étape a1 (lorsque T2>T1).
Selon un mode de réalisation, le paramètre est la température du fluide de refroidissement à la sortie de chaque module, l’étape a) du procédé selon l’invention comprenant alors de préférence les étapes suivantes :
a1) Mise en place d’une valeur seuil de température à ne pas dépasser T1,
a2) Mesure de la température T2 du fluide de refroidissement à la sortie de chaque module,
a3) Comparaison entre la température mesurée et la valeur seuil de température,
a4) Détection d’un défaut dans un module donné lorsque la température mesurée à la sortie dudit module dépasse la valeur seuil de température déterminée à l’étape a1 (lorsque T2>T1).
Selon un mode de réalisation, le paramètre est la température du fluide de refroidissement à la sortie de chaque cellule, l’étape a) du procédé selon l’invention comprenant alors de préférence les étapes suivantes :
a1) Mise en place d’une valeur seuil de température à ne pas dépasser T1,
a2) Mesure de la température T2 du fluide de refroidissement à la sortie de chaque cellule,
a3) Comparaison entre la température mesurée et la valeur seuil de température,
a4) Détection d’un défaut dans une cellule donnée lorsque la température mesurée à la sortie de ladite cellule dépasse la valeur seuil de température déterminée à l’étape a1 (lorsque T2>T1).
Selon un mode de réalisation, l’étape a) comprend les étapes suivantes :
a1) Mise en place d’une valeur seuil pour l’évolution d’au moins un paramètre pendant un temps prédéfini, ledit au moins un paramètre étant choisi parmi la température, la tension et le courant,
a2) Mesure dudit au moins un paramètre choisi parmi la température, la tension et le courant lors du fonctionnement de la batterie, la mesure peut être mise en œuvre en continu ou de manière séquentielle,
a3) Détection d’un défaut lorsque la valeur seuil mise en place à l’étape a1 est atteinte.
Selon ce mode de réalisation, le défaut est détecté lorsque le paramètre évolue trop rapidement. Ainsi, il est possible de mettre en place une valeur seuil pour ledit paramètre, telle qu’elle sera considérée comme atteinte si le paramètre évolue trop rapidement pendant un temps donné, prédéfini.
Si le paramètre est la température, alors la valeur seuil peut être la variation de ladite température sur un laps de temps prédéfini. Ainsi, si la température varie très rapidement (autrement dit avec une certaine amplitude pendant un temps donné), cela peut être considéré comme le signe qu’une cellule est en défaut.
A titre d’exemple non limitatif, si la température du fluide à la sortie d’un module ou d’une cellule varie d’au moins 20°C voire d’au moins 10°C, voire encore d’au moins 5°C sur un temps donné par exemple de 10 secondes, alors il pourra être considéré que ladite cellule est en défaut ou que ledit module est en défaut (ou comporte au moins une cellule en défaut).
A titre d’exemple non limitatif, si la température d’un module ou d’une cellule varie d’au moins 20°C voire d’au moins 10°C, voire encore d’au moins 5°C sur un temps donné par exemple de 10 secondes, alors il pourra être considéré que ledit module est en défaut (ou comporte au moins une cellule en défaut).
Selon un mode de réalisation, le paramètre est la tension et le défaut dans une cellule est détecté lorsque la tension de ladite cellule atteint 0V. Selon ce mode de réalisation, la valeur seuil pour ce paramètre est 0V.
Selon un mode de réalisation, le défaut est détecté lorsque la tension diminue trop rapidement.
A titre d’exemple non limitatif, si la tension d’au moins une cellule varie d’au moins 3V, voire d’au moins 2V, voire d’au moins 1V, sur un temps prédéfini par exemple de 10 secondes, alors il pourra être considéré que ladite cellule est en défaut.
Typiquement, chaque module comprend une entrée pour introduire le fluide de refroidissement dans ledit module et une sortie pour extraire le fluide de refroidissement dudit module.
Selon un mode de réalisation, chaque module comporte des veines, dites veines fluides, permettant la circulation du fluide de refroidissement dans le module sur l’ensemble ou une partie de la longueur de chaque cellule au sein du module.
La mesure du paramètre donné peut être effectuée en continue ou de façon séquentielle, à intervalle régulier.
Selon un mode de réalisation, l’étape b) de modulation d’au moins une partie du débit comprend une augmentation du débit du fluide de refroidissement dans le ou les modules comportant au moins une cellule en défaut et une diminution du débit du fluide de refroidissement dans le ou les modules ne comportant pas de cellules en défaut .
L’étape b) de modulation de débit peut être également appelée étape de redirection de débit.
Selon un mode de réalisation, des vannes à ouverture variable peuvent être utilisées pour permettre la modulation du débit lors de l’étape b), lesdites vannes étant alors de préférence localisées sur le circuit de refroidissement en amont de chaque module.
Selon un mode de réalisation, les vannes sont des électrovannes.
Selon un mode de réalisation du procédé de gestion thermique et de sécurité de l’invention, l’étape b) de modulation du débit comprend une étape de fermeture d’au moins une vanne en amont d’au moins un module ne comportant pas de cellule(s) en défaut, de préférence une étape de fermeture de chaque vanne en amont de chaque module ne comportant pas de cellule(s) en défaut.
Selon un mode de réalisation, les vannes sont des vannes d’arrêt qui permettent d’arrêter la circulation du fluide de refroidissement dans chaque module ne comportant pas de cellule(s) en défaut.
Ainsi, typiquement dans le cadre de l’invention, pour une batterie comportant X modules (les modules étant en parallèle, au sens fluidique) et fonctionnant avec un débit global D de fluide de refroidissement :
- en fonctionnement nominal, chaque module m reçoit D/X% du débit global D, autrement dit, le débit du fluide de refroidissement est réparti de manière uniforme dans chacun des modules de la batterie,
- lorsqu’un défaut est détecté dans au moins une cellule d’un des modules, alors ledit module comportant au moins une cellule en défaut reçoit un débit qui sera supérieur à D/X%, autrement dit, le débit n’est plus réparti de manière uniforme mais le débit est modulé de sorte que la part de débit global reçue par le module en défaut est supérieure à la part de débit global reçu par chacun des autres modules qui ne sont pas en défaut.
Selon un mode de réalisation du procédé de gestion selon l’invention, la batterie comprend au moins 3 modules en parallèle, et au moins 50% du débit du fluide de refroidissement est redirigé vers le ou les modules comportant au moins une cellule en défaut, de préférence au moins 70% du débit, de préférence encore au moins 90% du débit, voire 100% du débit du fluide de refroidissement est dirigé vers le ou les modules comportant au moins une cellule en défaut.
Selon un mode de réalisation du procédé de gestion selon l’invention, l’étape b) de modulation du débit est mise en œuvre jusqu’à ce que la ou les cellules en défaut retrouvent un fonctionnement nominal.
Au sens de la présente invention, une cellule présente un fonctionnement nominal dès lors qu’elle n’est pas considérée comme étant en défaut.
De préférence, lorsque la cellule en défaut présente une température inférieure à 100°C, de préférence 50°C, alors elle est considérée comme ayant un fonctionnement nominal. Ainsi, selon un mode de réalisation du procédé de gestion selon l’invention, l’étape b) de modulation du débit est mise en œuvre jusqu’à ce que la ou les cellules en défaut retrouvent une température inférieure à 100°C, de préférence 50°C.
Selon un mode de réalisation, le procédé de gestion thermique et de sécurité est mis en œuvre vis un dispositif.
Selon un mode de réalisation, le dispositif pour la mise en œuvre du procédé de gestion thermique et de sécurité comprend un capteur de température pour le fluide de refroidissement à l’entrée de la batterie et un capteur de température pour le fluide de refroidissement à la sortie de la batterie.
Selon un mode de réalisation, le dispositif pour la mise en œuvre du procédé de gestion thermique et de sécurité comprend un capteur de température pour le fluide de refroidissement permettant de déterminer la température du fluide de refroidissement à la sortie de chaque module et/ou de chaque cellule. Ce mode de réalisation est particulièrement pertinent lorsque le paramètre déterminé est la température du fluide de refroidissement à la sortie de chaque module et/ou de chaque cellule.
Selon un mode de réalisation, le dispositif pour la mise en œuvre du procédé de gestion thermique et de sécurité comprend un capteur de température permettant de déterminer la température de chaque module et/ou de chaque cellule. Ce mode de réalisation est particulièrement pertinent lorsque le paramètre déterminé est la température de chaque module et/ou de chaque cellule.
L’invention a également pour objet un dispositif comprenant :
- Une batterie comportant une pluralité de modules, chaque module comportant une pluralité de cellules électrochimiques,
- Un circuit de refroidissement comportant :
- une boucle de circulation d’un fluide de refroidissement,
- au moins une vanne en amont de chaque module permettant de réguler le débit du fluide de refroidissement.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre une unité de contrôle permettant de détecter au moins une cellule en défaut.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre au moins un capteur en sortie de chaque module, permettant de mesurer au moins un paramètre choisi parmi la température, la tension et le courant.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre au moins un échangeur de chaleur destiné à être relié à un circuit de climatisation dans lequel circule un fluide réfrigérant.
Ainsi, selon un mode de réalisation particulier, le dispositif comprend :
- Une batterie comportant une pluralité de modules, chaque module comportant une pluralité de cellules électrochimiques,
- un échangeur, aussi appelé radiateur, permettant d’évacuer une partie des calories emmagasinées par le fluide vers l’air extérieur,
- un chiller (par exemple de type échangeur à plaque) permettant d’échanger de la chaleur avec de l’air ou avec un autre circuit fluide réservé à la climatisation du véhicule (fluide dit « réfrigérant »),
- éventuellement un système de chauffage permettant d’augmenter la température du fluide afin de réchauffer la batterie lors de démarrage à froid ou lorsque le véhicule évolue dans une atmosphère froide,
- au moins une pompe,
- une boucle de circulation d’un fluide de refroidissement et
- des vannes afin de mettre en mouvement et gérer les débits dans l’ensemble du circuit.
Les caractéristiques et avantages définis pour le procédé de gestion selon l’invention s’applique également au dispositif selon l’invention.
Selon un mode de réalisation, le dispositif selon l’invention comprend en outre un capteur de température pour le fluide de refroidissement à l’entrée de la batterie et un capteur de température pour le fluide de refroidissement à la sortie de la batterie.
Selon un mode de réalisation, le dispositif selon l’invention comprend en outre un capteur de température pour le fluide de refroidissement permettant de déterminer la température du fluide de refroidissement à la sortie de chaque module et/ou de chaque cellule. Ce mode de réalisation est particulièrement pertinent lorsque le paramètre déterminé est la température du fluide de refroidissement à la sortie de chaque module et/ou de chaque cellule.
Selon un mode de réalisation, le dispositif selon l’invention comprend en outre un capteur de température permettant de déterminer la température de chaque module et/ou de chaque cellule. Ce mode de réalisation est particulièrement pertinent lorsque le paramètre déterminé est la température de chaque module et/ou de chaque cellule.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend, outre le circuit de refroidissement, un circuit de climatisation. Un tel circuit de climatisation peut échanger de la chaleur via le chiller du circuit de refroidissement et peut comprendre en outre un compresseur, une vanne de détente et un condenseur. Le circuit de climatisation peut faire circuler un fluide réfrigérant, par exemple de type hydrofluorooléfines, tel que le HFO-1234yf.
Selon ce mode de réalisation, un échange de chaleur peut avoir lieu via le chiller entre le fluide de refroidissement et le fluide frigorifique.
Un compresseur peut être présent dans le circuit de climatisation. Le compresseur a pour fonction de faire remonter le niveau de pression du fluide frigorifique, en phase gazeuse à la sortie de l’échangeur, avant son passage et sa liquéfaction dans le condenseur.
Une vanne de détente, telle qu’une vanne de détente électronique, peut être présente dans le circuit de climatisation. Une telle vanne permet d’abaisser la pression et de contrôler le débit du fluide frigorifique à sa sortie du condenseur, afin de maximiser l’efficacité de l’échangeur à plaques. En effet, la vanne peut faire chuter la pression du fluide afin que celui-ci soit dans des conditions de température et de pression très proches de son équilibre liquide-vapeur et laisser passer la quantité de fluide optimale pour que le changement de phase (rendu possible par un apport des calories fournies par le fluide de refroidissement) soit complet.
Un condenseur peut être présent dans le circuit de climatisation. Un tel condenseur permet de transformer le gaz pressurisé à la sortie du compresseur en un liquide pressurisé.
L’invention peut être utilisée dans un véhicule électrique, afin d’éviter l’emballement thermique de la batterie. Ainsi, le dispositif selon l’invention peut être utilisé dans un véhicule électrique et hybride, en particulier hybride rechargeable.
Par « véhicule électrique » au sens de la présente invention, on entend désigner un véhicule comprenant un moteur électrique comme unique moyen de propulsion alors qu’un véhicule hybride comprend un moteur à combustion et un moteur électrique comme moyens de propulsion combinés.
Par « moyen de propulsion » au sens de la présente invention, on entend désigner un système comprenant les pièces mécaniques nécessaires à la propulsion d’un véhicule électrique. Le système de propulsion englobe ainsi plus particulièrement un moteur électrique comprenant l’ensemble rotor-stator de l’électronique de puissance (dédié à la régulation de la vitesse), une transmission et une batterie.
Le dispositif selon l’invention peut également être utilisé dans un ensemble de stockage d’énergie ou dans un avion.
L’invention va maintenant être décrite au moyen des exemples suivants, donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif de l’invention.
Afin de démontrer les avantages du procédé de gestion de l’invention, un modèle a été mis en œuvre à l’aide du logiciel Simulation X.
Le modèle consiste en un pack batterie comportant 16 modules de 6 cellules suivant une configuration 8p2s (2 rangées de 8 modules en parallèle). Les cellules modélisées sont des cellules de type « Pouch » de hauteur 276 mm, de longueur 176 mm et d’épaisseur 8 mm et d’une capacité de 40 Ah avec une technologie NMC.
D’un point de vue hydrodynamique, le fluide caloporteur (fluide de refroidissement) circule donc dans des veines fluides de section rectangulaire (hauteur de 276 mm et largeur de 2 mm) sur toute la longueur des cellules (176 mm). Deux zones tampons en entrée et sortie de module permettent quant à elle d’assurer une répartition uniforme des débits entre chacune des veines fluides. Elles ont une épaisseur de 5 mm, une hauteur de 276 mm et une largeur équivalente à 6 cellules et 6 veines fluides soit 60 mm.
D’un point de vue modélisation système, cette configuration 3D est approximé à l’aide de volumes fluides (2 volumes correspondant aux zones tampons et 6 volumes correspondant aux veines fluides) et de tuyaux de section rectangulaire permettant de calculer la perte de charge engendrée par la circulation du fluide.
Les cellules sont quant à elle représentées par des capacités thermiques solides paramétrés par leurs dimensions (mentionnées ci-dessus), leur densité (2700 kg.m-3) ainsi que leur capacité calorifique massique (900 J.kg-1.K-1).
En outre, comme on peut le voir sur la , chaque cellule est connectée à une source de chaleur pilotable, laissant la possibilité d’étudier à souhait des configurations de fonctionnement nominal ou d’emballement thermique.
Pour finaliser le modèle système du module, le couplage thermofluidique, à savoir le transfert de chaleur entre les cellules (capacités thermiques solides) et le fluide (volumes fluide), a été réalisé à l’aide d’une fonction, représentant le coefficient de transfert thermique en fonction de la vitesse moyenne de l’écoulement dans les veines fluides, calculée à partir de simulations 3D (cf. ).
Dans la configuration retenue (8p2s), le choix a été fait de générer l’emballement dans l’une des cellules d’un des modules de la première rangée. Cette configuration présente une criticité supérieure dans la mesure où le fluide sortant du module en emballement devra traverser les modules de la seconde rangée.
En faisant l’hypothèse que le fluide distribuant l’ensemble des modules est homogénéisé en amont et en aval des modules (par des collecteurs par exemple), il devient de fait possible de simplifier numériquement la configuration en considérant que tous les modules d’une même rangée qui ne subissent pas directement un emballement auront un comportement strictement identique.
La pompe choisie dans cette étude est une pompe volumétrique qui présente l’avantage de fonctionner avec un haut niveau de rendement. Elle est pilotée en vitesse et fournie un débit variable en fonction du niveau de pression (et donc des pertes de charges) présent dans le circuit fluide. L’intérêt de fonctionner avec un pilotage à iso vitesse est de pouvoir quantifier l’efficacité de la modulation de la répartition des débits en prenant en compte d’éventuelles augmentations des pertes de charges.
Les vannes sont les éléments qui permettent la modulation du débit entre les différents modules et notamment entre le module subissant l’emballement et les autres modules. Dans le modèle, des vannes à ouverture variable ont été utilisées afin de piloter précisément la répartition des débits.
Différents niveaux d’ouverture ont été testées pour les modules parallèles au module subissant l’emballement :
- 100% correspondant au cas où chaque module reçoit une part « égale » du débit (en réalité, le débit augmente très légèrement dans le module en emballement du fait de la baisse de la baisse des pertes de charges causées par l’échauffement du fluide) ;
- 30% correspondant au cas où légèrement plus de la moitié du fluide de refroidissement (57,3%) passe dans le module subissant l’emballement ;
- 10% correspondant au cas où l’essentiel du fluide de refroidissement (93,3 %) passe dans le module subissant l’emballement et seule une légère circulation est maintenue dans les modules parallèles.
- 0% correspondant au cas où tout le débit fourni par la pompe est redirigé vers le module en emballement.
A noter que dans tous les cas où le débit est modulé en faveur du module subissant l’emballement, la modulation est synchronisée temporellement avec le déclenchement de l’emballement.
Le modèle développé contient trois sondes de température et une sonde de pression. Les sondes de température permettent de mesurer les températures du fluide en amont du pack batterie, à la sortie du module en emballement et à la sortie du pack batterie. La sonde de pression est disposée en amont de la pompe afin de calculer les pertes de charge exactes du système et d’adapter le débit de celle-ci.
Le fluide utilisé pour l’étude est une huile présentant les caractéristiques suivantes :
- Densité à 25°C de 0,7740 g/cm3
- Densité à 50°C de 0,7650 g/cm3
- Densité à 100°C de 0,7225 g/cm3
- Viscosité cinématique à -25°C de 27 mm²/s
- Viscosité cinématique à 0°C de l’ordre de 9 mm²/s
- Viscosité cinématique à 40°C de l’ordre de 3 mm²/s
- Viscosité cinématique à 100°C de l’ordre de 1 mm²/s
- Conductivité thermique à 40°C de l’ordre de 0,1275 W/(m.K)
- Conductivité thermique à 80°C de l’ordre de 0,1175 W/(m.K)
- Capacité calorifique de 2100 J.kg-1.K-1.
Le modèle comprend également un circuit de climatisation comportant un échangeur à plaques (chiller), un compresseur, une vanne de détente électronique et un condenseur.
L’échangeur à plaques permet le refroidissement du fluide du circuit batterie. L’échange de chaleur est généré par le changement de phase (liquide-vapeur) d’un fluide frigorifique (le R1234yf). L’échangeur présente une hauteur de 170 mm, une largeur de 80 mm et une épaisseur de 68 mm. Chaque plaque présente une épaisseur de 0,35 mm et l’échangeur comporte 0,78 plaques par mm.
Le compresseur a pour fonction de faire remonter le niveau de pression du fluide frigorifique, en phase gazeuse à la sortie de l’échangeur, avant son passage et sa liquéfaction dans le condenseur.
Pour une géométrie de compresseur donnée, le niveau de pressurisation peut être piloté directement en ajustant la puissance consommée ou la vitesse de rotation. Dans le présent modèle, c’est ce second paramètre qui est adapté par la stratégie de contrôle afin de satisfaire la consigne de température pour le fluide de refroidissement en entrée du pack batterie.
Cette température de consigne est de 25°C en phase de fonctionnement stabilisée et de 20°C à partir du déclenchement de l’emballement thermique jusqu’à la fin de la simulation.
A noter que pour conserver une cohérence dans la dynamique de réponse du compresseur, et en particulier pour éviter une augmentation démesurée de la vitesse de rotation consécutive à l’augmentation de la température du fluide de refroidissement lors de l’emballement thermique, des valeurs seuils de temps de réaction et de vitesses de rotation ont été imposées pour la régulation.
L’influence de la vitesse maximale de rotation autorisée sur les performances de l’échangeur et sur l’intérêt de la modulation du débit a d’ailleurs été étudiée dans les simulations à l’aide de deux valeurs : 1250 rpm et 5000 rpm.
La vanne de détente électronique permet d’abaisser la pression et de contrôler le débit du fluide frigorifique à sa sortie du condenseur, afin de maximiser l’efficacité de l’échangeur à plaques. En effet, la vanne doit faire chuter la pression du fluide afin que celui-ci soit dans des conditions de température et de pression très proches de son équilibre liquide-vapeur et laisser passer la quantité de fluide optimale pour que le changement de phase (rendu possible par un apport des calories fournies par le fluide réfrigérant) soit complet.
Dans le modèle, comme dans la réalité, l’intensité de la dépressurisation est pilotée par une stratégie de contrôle qui fait évoluer le niveau d’ouverture de la vanne afin de satisfaire une consigne de 5°C sur la surchauffe du fluide frigorifique en sortie d’échangeur. Une telle consigne permet de s’assurer que l’intégralité du fluide frigorifique a changé de phase lorsque la consigne est atteinte. Comme pour le compresseur, des valeurs seuils ont été imposées pour la régulation sur le niveau d’ouverture de la valve, notamment afin d’éviter une fermeture complète de la valve susceptible de poser en retour des problèmes de convergence du modèle.
Comme son nom l’indique, le condenseur a pour fonction de transformer le gaz pressurisé à la sortie du compresseur en un liquide pressurisé. Afin de limiter le nombre de variables dans le modèle, l’ensemble des paramètres pilotant le fonctionnement du condenseur ont été figés. La température extérieure de l’air a été fixée à 20°C et le débit de la pompe à 100 l/s. Le condenseur présente une hauteur de 590 mm, une largeur de 326 mm et une épaisseur de 29 mm. Le diamètre interne des tubes est de 10 mm et l’épaisseur de la paroi des tubes est de 1 mm. Il y a 48 tubes par rangées.
Chaque calcul effectué consiste en une simulation temporelle du fonctionnement du système pendant une durée d’une heure (3600 s) suivant le protocole numérique suivant :
- A t = 0 s, une source de chaleur de 20W est appliquée à l’ensemble des cellules du pack batterie afin de représenter des conditions de fonctionnement stabilisée.
- De t = 0 s à t = 1500 s, la stratégie de contrôle implémentée au niveau du circuit de climatisation pilote augmente la vitesse de rotation du compresseur afin d’augmenter la quantité de chaleur absorbée par l’échangeur à plaques et satisfaire la contrainte de température de 25°C imposée pour le fluide de refroidissement en entrée du pack batterie.
- A t = 1500 s, lorsque le système est parfaitement stabilisé (i.e. absence d’évolution des principales variables résolues dans les deux circuits), l’évènement d’emballement thermique est généré en imposant, à l’une des cellules (la cellule n°2) d’un module de la première rangée, une puissance thermique dissipée de 722.67 kW pendant 10 s. La modulation du débit est immédiatement activée (dans les cas où celle-ci est testée) et la consigne de température pour le fluide entrant dans le pack batterie est abaissée de 25°C à 20°C.
- De t = 1510 s à t = 3600 s, plus aucune source de chaleur n’est appliquée à la batterie et on laisse la stratégie de contrôle piloter le refroidissement du fluide.
Une configuration de référence a été simulée afin de comparer avec le procédé de l’invention.
Dans cette configuration de référence, le débit est uniformément partagé entre chacun des modules, sans redirection.
La pompe à huile fonctionne avec une vitesse de 3000 tr/min et le compresseur a une limite de vitesse de rotation à 5000 tr/min.
Les résultats obtenus pour ce cas de référence sont présentés dans les à .
La montre que le débit de la pompe à huile reste relativement stable (autour de 22 l/min) tout au long de la simulation. Quelques fluctuations sont visibles lors du déclenchement de l’emballement (à t = 1500 s). En l’absence de modulation, ces variations sont essentiellement engendrées par les variations de pertes de charge liées aux variations de température du fluide.
La montre que le débit du fluide dans le module emballé augmente légèrement au moment du déclenchement de l’emballement thermique.
La montre que la température du fluide en sortie du module comportant la cellule en défaut augmente fortement, alors que la température du fluide à l’entrée et à la sortie de la batterie reste relativement stable.
Lors du déclenchement de l’emballement dans un des modules de la première rangée, la température du fluide diminue légèrement dans l’ensemble des autres modules du fait de la coupure de l’alimentation des cellules (qui dissipaient jusque-là 20 W de chaleur en continu). Il en résulte une légère augmentation des pertes de charges et une réduction du débit. A mesure que le fluide récupère la chaleur générée par l’emballement thermique d’une cellule, le débit réaugmente temporairement avant de baisser à nouveau avec le refroidissement du fluide.
La montre que la température de la cellule adjacente à la cellule en défaut (cellule emballée) atteint 67°C. Cette température peut sembler relativement faible et suffisante pour empêcher tout risque de propagation mais il faut noter que le modèle ne tient pas compte de certains phénomènes, comme par exemple la libération de gaz à très haute température et le rétrécissement des veines fluides dû au gonflement de la cellule emballée, qui influent négativement sur la situation. Cette montre que la cellule en défaut atteint une température supérieure à 750°C.
Le modèle présenté est donc un bon modèle pour évaluer l’avantage technique de l’invention.
Dans cet exemple, les résultats pour 3 niveaux de modulation (ou redirection) sont comparés à la configuration de référence (exemple 1).
L’intensité de la modulation est présentée sous la forme de la répartition de débit entre le module emballé et les modules parallèles sur la .
Ainsi, quatre configurations de modulation ont été testées, correspondant respectivement à des ratios de débit de fluide de refroidissement dans le module en emballement par rapport aux débit global de :
- 12,5% (cas de référence),
- 57,3% (ouverture partielle ou modulation partielle),
- 93,3% (ouverture minimale ou modulation quasi-complète) et
- 100% (fermeture ou modulation complète).
La montre, pour chaque configuration de modulation, le débit dans le module avec la cellule en emballement, dans la partie supérieure du graphe et le débit dans les modules parallèles, dans la partie inférieure du graphe.
Comme on peut le voir sur la , la modulation en débit conduit à de légères variations sur le débit de la pompe. Ce dernier diminue à mesure que le débit augmente dans le module en emballement. Cette baisse s’explique par une augmentation des pertes de charges dans le système.
La montre l’évolution de la température du fluide à l’entrée de la batterie pour chacune des 4 configurations de modulation.
La montre l’évolution de la température du fluide à la sortie du module en emballement pour chacune des 4 configurations de modulation.
La montre l’évolution de la température du fluide à la sortie de la batterie pour chacune des 4 configurations de modulation.
Comme le montrent la comparaison des à , les pertes de charges sont pilotées à l’ordre un par l’augmentation de la vitesse dans le module en emballement (dépendance non linéaire).
Cette diminution subie du débit global dans le circuit lorsque la modulation a lieu est un résultat important car on pourrait s’attendre à ce qu’il engendre une détérioration du management thermique de la batterie lors de l’emballement. Or, ce n’est pas ce qui est observé au niveau des températures de cellules du module en emballement.
La montre l’évolution de la température des cellules adjacentes à la cellule en emballement pour chacune des 4 configurations de modulation.
La montre l’évolution de la température de la cellule en emballement pour chacune des 4 configurations de modulation.
Comme le montre les courbes des et , la modulation de débit permet une réduction significative des températures, tant pour la cellule en emballement que pour les cellules adjacentes. Précisément, les températures maximales de la cellule en emballement et des cellules adjacentes passent respectivement de 752°C et 68,3°C dans le cas de référence à 489°C et 58,2°C dans le cas où tout le débit de fluide de refroidissement est redirigé vers le module en emballement.
En outre, la dynamique de refroidissement est très fortement améliorée par la modulation du débit. Dans les deux cas les plus favorables, i.e. où le fluide de refroidissement est pour l’essentiel redirigé vers le module en emballement, les cellules adjacentes retrouvent leur température pré-emballement en moins de 103s.
En l’absence de modulation, ce temps de refroidissement est multiplié par un facteur 3,5 ( ).
La modulation des débits, en faveur du ou des modules en emballement, permet donc de limiter significativement l’élévation de température des cellules en emballement et de leurs voisines, réduisant ainsi les risques de propagation de l’emballement. Un tel résultat constitue donc un gain majeur en termes de sécurité.
La modulation de débit aura également un effet positif sur la durée de vie des cellules n’ayant pas directement subie d’emballement en réduisant le stress thermique (combinaison de facteurs tels que la température maximale atteinte, la durée de la surchauffe et l’homogénéité des température au sein de la cellule) subi.
Claims (15)
- Procédé de gestion thermique et de sécurité d’une batterie dans un dispositif, ledit dispositif comprenant une batterie et un circuit de refroidissement, la batterie comportant une pluralité de modules, chaque module comportant une pluralité de cellules et le circuit de refroidissement comprenant une boucle de circulation d’un fluide de refroidissement et des vannes de régulation permettant de réguler le débit dudit fluide en amont de chaque module, le procédé comprenant les étapes :
- Une étape de détection d’un défaut dans au moins une cellule d’un module,
- Lorsqu’un défaut est détecté, une étape de modulation du débit comprenant une augmentation du débit du fluide de refroidissement dans le ou les modules comprenant au moins une cellule en défaut.
- Procédé selon la revendication 1, dans lequel au moins 50% du débit du fluide de refroidissement est redirigé vers le ou les modules comportant au moins une cellule en défaut, de préférence au moins 70% du débit, de préférence encore au moins 90% du débit, voire 100% du débit du fluide de refroidissement est dirigé vers le ou les modules comportant au moins une cellule en défaut.
- Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’étape a) comprend les étapes suivantes successives :
a1) Mise en place d’une valeur seuil pour au moins un paramètre choisi parmi la température, la tension et le courant,
a2) Mesure dudit au moins un paramètre choisi parmi la température, la tension et le courant lors du fonctionnement de la batterie,
a3) Détection d’un défaut lorsque le paramètre mesuré est au-delà ou en-deçà de la valeur seuil mise en place à l’étape a1. - Procédé selon la revendication 3, dans lequel le paramètre est la température du fluide de refroidissement, ledit procédé comprenant :
a1) Mise en place d’une valeur seuil de température à ne pas dépasser,
a2) Mesure de la température du fluide de refroidissement à la sortie de chaque module ou à la sortie de chaque cellule,
a3) Détection d’un défaut dans au moins un module donné ou au moins une cellule donnée, lorsque la température mesurée à la sortie dudit module ou de ladite cellule dépasse la valeur seuil de température,
b) redirection d’au moins une partie du débit du fluide de refroidissement vers ledit module en défaut ou ledit module comportant ladite cellule en défaut. - Procédé selon la revendication 3, dans lequel le paramètre est la température de chaque module ou de chaque cellule, ledit procédé comprenant :
a1) Mise en place d’une valeur seuil de température de chaque module ou de chaque cellule à ne pas dépasser,
a2) Mesure de la température de chaque module de chaque cellule,
a3) Détection d’un défaut dans au moins un module donné ou au moins une cellule donnée, lorsque la température mesurée duditmodule ou de ladite cellule dépasse la valeur seuil de température,
b) redirection d’au moins une partie du débit du fluide de refroidissement vers ledit module en défaut ou ledit module comportant ladite cellule en défaut. - Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’étape a) comprend les étapes suivantes successives :
a1) Mise en place d’une valeur seuil pour l’évolution d’au moins un paramètre pendant un temps donné, ledit au moins un paramètre étant choisi parmi la température, la tension et le courant,
a2) Mesure dudit paramètre lors du fonctionnement de la batterie,
a3) Détection d’un défaut dans au moins un module donné ou au moins une cellule donnée, lorsque ladite valeur seuil est dépassée. - Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’étape b) comprend en outre une diminution du débit du fluide dans le ou les modules ne comportant pas de cellules en défaut.
- Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l’étape b) de modulation est mise en œuvre jusqu’à ce que la ou les cellules en défaut retrouvent un fonctionnement nominal.
- Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, ledit dispositif comprenant :
- Une batterie comportant une pluralité de modules, chaque module comportant une pluralité de cellules électrochimiques,
- Un circuit de refroidissement comportant :
- une boucle de circulation d’un fluide de refroidissement,
- au moins une vanne en amont de chaque module permettant de réguler le débit du fluide de refroidissement.
- Dispositif selon la revendication 9, dans lequel ladite au moins une vanne est une vanne d’arrêt permettant d’arrêter la circulation du débit dans le module ne comprenant pas de cellule(s) en défaut.
- Dispositif selon la revendication 9 ou 10, comprenant en outre une unité de contrôle permettant de détecter au moins une cellule en défaut.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, comprenant en outre au moins un capteur en sortie de chaque module ou de chaque cellule, permettant de mesurer au moins un paramètre choisi parmi la température du fluide de refroidissement et le courant.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 9 à 12, comprenant en outre un circuit de climatisation dans lequel circule un fluide réfrigérant.
- Dispositif selon la revendication 13, dans lequel le circuit de refroidissement comprend en outre au moins un échangeur de chaleur destiné à échanger de la chaleur avec l’air ou avec un fluide réfrigérant du circuit de climatisation.
- Dispositif selon l’une quelconque des revendications 9 à 12, dans lequel le circuit de refroidissement comprend en outre au moins un échangeur de chaleur destinée à échanger de la chaleur avec l’air.
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