FR3161069A1 - Batterie comprenant un module et une plaque d’echange thermique - Google Patents

Batterie comprenant un module et une plaque d’echange thermique

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Abstract

Batterie de stockage d’énergie électrique comprenant : - un carter (1) présentant une face interne (Fi),- un module (2) comprenant une surface d’échange thermique (S), et un manchon de fixation (3) du module (2) à la face interne (Fi), - une plaque d’échange thermique (4), insérée entre cette surface d’échange thermique (S) et la face interne (Fi), cette plaque (4) comprenant une partie creuse (Pc), et une partie pleine (PP) traversée par un trou (T) sur toute son épaisseur,- un moyen de fixation (5, 6), comprenant d’une part une protrusion (5) de la face interne Fi) s’étendant au travers du trou (T) et en partie dans l’alésage (A) du manchon (3), et d’autre part un dispositif de serrage (6) comprenant une tête de serrage (7) prolongée d’un corps fileté (8) coopérant par vissage avec la protrusion (5),ce manchon (3) comprenant une première extrémité (E1) en appui sur la partie pleine (PP), et une deuxième extrémité (E2), opposée, recevant l’appui de la tête de serrage (7), le corps fileté (8) pénétrant le manchon (3) par la deuxième extrémité (E2). Figure 1.

Description

BATTERIE COMPRENANT UN MODULE ET UNE PLAQUE D’ECHANGE THERMIQUE
La présente invention concerne une batterie, et plus particulièrement une batterie d’un véhicule à propulsion électrique alimentant une machine motrice électrique.
On comprendra par batterie, dans tout le texte de ce document, un ensemble comprenant des modules de batterie contenant des cellules de stockage d’énergie électrochimique. Ces modules comprennent un cerclage maintenant les cellules empilées en compression les unes contre les autres, et présentent chacun une enveloppe extérieure comprenant des interfaces de fixation de ce module dans un carter, cette enveloppe pouvant inclue au moins une partie du cerclage. Cette batterie comprend éventuellement des moyens électriques ou électroniques pour la gestion d’énergie électrique de ces modules Ces modules sont regroupés dans le carter ou bac et forment un bloc batterie, dit batterie, ce bloc batterie étant souvent désigné par l’expression anglaise « pack batteries », ce carter contenant généralement une interface de montage, et des bornes de raccordement.
Par ailleurs, on comprendra par cellule de stockage d’énergie électrochimique dans tout le texte de ce document, des cellules générant du courant par réaction chimique, par exemple de type lithium-ion (ou Li-ion), de type Ni-Mh, ou Ni-Cd ou encore plomb.
Dans ce domaine, il est connu de refroidir ou de réchauffer les modules de la batterie par une plaque parcourue par un fluide caloporteur. Cette plaque est en contact par conduction thermique avec les modules à travers une surface d’échange thermique. Cette plaque doit également être positionnée et fixée dans le carter.
En général, l’interface de fixation des modules et les fixations des plaques de refroidissement sont indépendantes, ce qui multiplie le nombre de fixations et la complexité d’assemblage de la batterie. Pour résoudre ce problème il a déjà été envisagé des fixations communes mais qui créent de nouveaux problèmes, notamment des problèmes de positionnement des modules et/ou des plaques par rapport au carter, ou de la plaque par rapport au module, et en conséquence des jeux non maitrisés, en particulier entre la plaque et le module.
Le but de l’invention est de remédier à ce problème. A cet effet, l’invention a pour objet une batterie de stockage d’énergie électrique comprenant :
- un carter présentant une face interne de support d’un module,
- le module de stockage d’énergie électrique, comprenant une surface d’échange thermique, et un manchon de fixation du module à la face interne,
- une plaque d’échange thermique par conduction avec la surface d’échange thermique, insérée entre cette surface d’échange thermique et la face interne de support, cette plaque comprenant dans son épaisseur une partie creuse destinée à recevoir un fluide caloporteur, et une partie pleine traversée par un trou sur toute son épaisseur,
- un moyen de fixation du module à la face interne, comprenant d’une part une protrusion de la face interne de support et s’étendant au travers du trou et en partie dans l’alésage du manchon, cette protrusion comprenant un premier filetage, et d’autre part un dispositif de serrage comprenant une tête de serrage prolongée d’un corps fileté coopérant par vissage avec le premier filetage,
ce manchon comprenant une première extrémité en appui sur la partie pleine, et une deuxième extrémité, opposée, recevant l’appui de la tête de serrage, le corps fileté pénétrant le manchon par la deuxième extrémité.
Ainsi la protrusion permet de centrer la plaque d’échange thermique par rapport au carter en passant au travers du trou, mais aussi permet de centrer le module par rapport au carter en pénétrant le manchon de fixation. En outre, la tête de serrage du dispositif de serrage permet de plaquer le manchon de fixation contre le carter, la plaque d’échange thermique étant prise en « sandwich » entre la face interne et la première extrémité du manchon de fixation. Ce dispositif de serrage serre donc le manchon de fixation et la partie pleine de la plaque d’échange thermique : ainsi quel que soit la force du serrage, la plaque d’échange thermique n'est pas déformée.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la protrusion est un deuxième manchon dont l’alésage comprend le premier filetage. Ce deuxième manchon est par exemple un écrou lisse à collerette, cette collerette prenant appui et/ou soudée sur une face du carter opposée à la face interne de support. La partie lisse de l’écrou est configurée de sorte à centrer la plaque d’échange et le module par rapport au carter.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif de serrage est une vis. Ainsi la tête de serrage est la tête de vis, et le corps fileté de cette vis est vissée dans le filetage de l’écrou lisse à collerette.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la protrusion est un élément rapporté et fixé au carter. Par exemple l’élément rapporté est soudé au carter.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la face interne est en appui sur la plaque de refroidissement uniquement sur la partie pleine. Cette disposition assure le fait que non seulement la plaque ne serra pas déformée lors du vissage, mais en outre assure que la partie creuse ne soit pas en contact avec le carter : cette partie creuse, la plus fragile, ne sera pas impactée par un choc provoquant une déformation du carter car un espace subsistera entre cette partie creuse et le carter et permettant d’absorber le choc sans déformer la plaque.
Selon un mode de réalisation de l’invention, la face interne est un double fond du carter, ou en variante un bossage du carter.
Ce double fond n’est pas nécessairement sur toute la surface du fond du carter. Ce double fond est par exemple localisé autour de la protrusion, en particulier ce double fond est une traverse de rigidification de la face interne de support, notamment une traverse de fond de carter.
Selon un mode de réalisation de l’invention, cette batterie comprend un moyen thermiquement conducteur de comblement d’un espace préservé entre la surface d’échange thermique et la plaque d’échange thermique. Ce moyen de comblement est connu de l’homme de l’art, et se présente par exemple sous la forme d’un tapis souple ou le plus souvent sous la forme d’une pâte thermiquement conductrice, pâte qui est écrasée à l’assemblage de la batterie lorsque le module est positionné puis serré dans le carter. Cette pâte, comme le tapis, permet d’absorber les dispersions géométriques et donc d’assurer un contact thermique entre la plaque et le module quelles que soient ces dispersions.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’espace préservé est réalisé par un désaffleurement de la première extrémité par rapport à la surface d’échange thermique. Ce désaffleurement garantie que la partie creuse de la plaque, et la surface d’échange thermique du module, ne se touchent pas de sorte à avoir une répartition homogène de la pâte thermique.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le module comprend :
- une première et deuxième extrémité de module,
- deux côtés jointifs entre eux et reliant les deux extrémités entre elles,
la surface d’échange thermique étant une face extérieure d’un côté, le manchon de fixation étant solidaire d’une face extérieure de l’autre côté.
Cette disposition permet d’avoir le un manchon de fixation sur un coté du module, et notamment de chaque côté du module c’est-à-dire sur deux côtés opposés. Le positionnement des manchons de fixation peut donc être choisi à un endroit quelconque selon la longueur du module, c’est-à-dire entre ses deux extrémités.
Ce manchon a par exemple un axe orthogonal à la surface d’échange. Ce manchon est par exemple coaxial à la protrusion. Ce manchon est par exemple solidaire du module par assemblage, frettage, ou issu de la matière du côté du module.
D’autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description Ci-après d’un mode particulier de réalisation, non limitatif de l’invention, faite en référence à l’uniqueFIG. 1dans laquelle :
FIG. 1: représente une vue en coupe schématique d’une Batterie de stockage d’énergie électrique selon un mode de réalisation de l’invention.
LaFIG. 1divulgue une batterie de stockage d’énergie électrique comprenant, selon l’invention :
- un carter 1 présentant une face interne Fi de support d’un module 2,
- le module 2 de stockage d’énergie électrique, comprenant une surface d’échange thermique S, et un manchon de fixation 3 du module 2 à la face interne Fi,
- une plaque d’échange thermique 4 par conduction avec la surface d’échange thermique S, insérée entre cette surface d’échange thermique S et la face interne Fi de support, cette plaque 4 comprenant dans son épaisseur une partie creuse Pc destinée à recevoir un fluide caloporteur, et une partie pleine PP traversée par un trou T sur toute son épaisseur,
- un moyen de fixation 5, 6 du module 2 à la face interne Fi, comprenant d’une part une protrusion 5 de la face interne Fi de support s’étendant au travers du trou T et en partie dans l’alésage A du manchon 3, cette protrusion 5 comprenant un premier filetage, et d’autre part un dispositif de serrage 6 comprenant une tête de serrage 7 prolongée d’un corps fileté 8 coopérant par vissage avec le premier filetage,
ce manchon 3 comprenant une première extrémité E1 en appui sur la partie pleine PP, et une deuxième extrémité E2, opposée, recevant l’appui de la tête de serrage 7, le corps fileté 8 pénétrant le manchon 3 par la deuxième extrémité E2.
De façon non illustrée, ce carter est fermé par un couvercle de sorte à former un espace interne hermétique contenant les modules. Ce couvercle est par exemple formé par une partie du plancher d’un véhicule automobile mais pas obligatoirement. Par exemple cette batterie, c’est-à-dire une batterie selon la définition précédente, peut-être assemblée en dehors du véhicule (carter , module , couvercle) puis fixée, une fois assemblée, au véhicule automobile et notamment sous le plancher de ce véhicule automobile. Ce véhicule est par exemple à propulsion électrique, la batterie alimentant une machine motrice électrique. Par exemple ce véhicule est un véhicule dit hybride, ou à propulsion entièrement électrique. Une application est également possible en dehors du domaine automobile, par exemple pour des stations de chantiers comme les groupes électrogènes, ou les usines de stockage d’énergie électrique.
Cette batterie comprend éventuellement des moyens électriques ou électroniques pour la gestion d’énergie électrique de ces modules, par exemple et de façon non exhaustive : un chargeur, un convertisseur de courant, un calculateur de contrôle du pack batterie, un onduleur, des cartes de contrôle de charge et décharge de chaque module et/ou chaque cellule, une boîte de jonction comprenant des contacteurs d’isolation électrique du pack batterie ou de coupure et mise sous tension de circuits externes raccordés au pack batterie. Tous ces moyens électriques ou électroniques peuvent être intégrés au niveau de chaque cellule, et/ou chaque module.
La face interne Fi de support du module 2 est dans cet exemple le fond du carter 1, ce carter 1 formant un bac fermé par un couvercle non représenté. LaFIG. 1illustre une vue partielle de ce fond en coupe.
On notera que sur laFIG. 1, par simplicité, seules les sections des module 2, manchon de fixation 3, et protrusion 5 sont hachurées, selon la pratique des dessins industriels. En particulier les hachures du module 2 sont purement à des fins de lisibilité de la figure, il est bien implicite que ce module 2 n’est pas un bloc de matière pleine mais comme précédemment décrit contient, entre autres, les cellules.
La surface d’échange thermique S est ici un fond du module 2, en vis-à-vis du fond du carter 1 et donc de la face interne Fi, mais cette disposition n’est pas obligatoire : la face interne Fi peut être par exemple non pas le fond du carter 1, mais une autre partie du carter 1 comme le couvercle ou toute face du carter 1 en vis-à-vis de la surface d’échange thermique S, ainsi la surface d’échange thermique S n’est pas nécessairement le fond du module 2 mais peut être un dessus ou côté C1 du module 2, raison pour laquelle le fond, comme le dessus du module 2 est aussi nommé « côté » (S) dans cet exemple.
La plaque d’échange thermique 4 illustrée est une plaque bien connue de l’homme de l’art, et qui est réalisée par l’assemblage de deux tôles l’une sur l’autre, une première des deux tôles présentant un enfoncement par emboutissage recouvert par la deuxième tôle et formant ainsi partie creuse Pc. Cet assemblage est réalisé par exemple par soudure électrique et/ou par collage pour une bonne étanchéité. Ces tôles peuvent être métalliques ou en matière plastique. Cette partie creuse Pc forme par exemple un canal parcourant la plaque d’échange thermique 4 le long d’une surface correspondant à la surface d’échange thermique S. Le fluide caloporteur est mis en circulation dans ce canal par une pompe de circulation, intégrée ou non dans l’espace interne hermétique de la batterie. La partie pleine PP est formée par la jonction entre la première et la deuxième tôle.
D’autres technologies de plaques de refroidissement 4 sont connues et applicables à cette invention, par exemple des plaques 4 issues d’un procédé de fonderie ou d’usinage avec des assemblages plus ou moins complexes, ou encore par grande déformation plastique d’une unique tôle par soufflage. Le canal peut être un canal étroit serpentant la plaque 4, ou un canal en forme de lame ne traversant que dans un seul sens la plaque de refroidissement 4, cela n’a pas d’importance pour l’invention présentée. Le trou T traverse la plaque d’échange thermique 4 sur toute son épaisseur, dans la partie pleine PP, c’est-à-dire traverse la première et deuxième tôle dans la zone où elles sont en contact l’une avec l’autre.
Le dispositif de serrage 6, grâce à sa tête de serrage 7 va serrer le manchon 3 contre la partie pleine PP de la plaque d’échange thermique 4, et la plaque d’échange thermique 4 contre la face interne Fi. La tête de serrage 7 illustrée n’est qu’un exemple parmi d’autres, et est sur laFIG. 1une tête de vis à tête large, c’est-à-dire plus large de l’alésage du manchon 3 et donc recouvrant la deuxième extrémité E2. Le manchon 3 et la partie pleine PP reprennent entièrement l’effort de serrage du dispositif de serrage 6, ainsi il n’y a aucune déformation de la plaque d’échange thermique 4.
La protrusion 5 est un deuxième manchon 5 dont l’alésage comprend le premier filetage. Ce deuxième manchon 5 est par exemple une douille, tout comme le manchon 3.
Le dispositif de serrage 6 est de façon illustrée une vis à tête large, mais en variante pourrait être un écrou lisse épaulé.
Sur laFIG. 1est représenté un jeu conséquent entre le manchon 3 et le deuxième manchon 5. Ce jeu sera par exemple glissant si l’on veut un positionnement précis relatif entre le module 2, la plaque 4, la face interne Fi. Ce jeu sera plus large s’il y a plusieurs manchons 3 pour un même module 2 de sorte à absorber les dispersions de fabrication. Ce jeu pourra être encore augmenté, par exemple 3 à 6 mm au rayon, pour des raisons d’hyperstatisme. De même , l’homme du métier saura adapter la forme du manchon 3 et du deuxième manchon 5 selon les degrés de libertés à immobiliser.
la protrusion 5, et donc le deuxième manchon 5, est un élément rapporté et fixé au carter 1, comme une douille épaulée ou un pontet emboutit, mais en variante cette protrusion 5 peut être un bossage profond de la face interne Fi comprenant un écrou fileté en son fond pour recevoir le dispositif de serrage 6.
Par exemple l’élément rapporté 5 est soudé au carter 1 sur son épaulement, ou vissé, ou collé.
En variante l’élément rapporté 5 est un goujon, notamment un goujon soudé à la face interne Fi.
La face interne Fi est en appui sur la plaque de refroidissement 4 uniquement sur la partie pleine PP.
La face interne Fi est un double fond 9 du carter 1, comme illustré sur laFIG. 1, et en variante un bossage du carter 1. Sur laFIG. 1, le double fond est en fait une traverse en tôle en forme de U inversé, dont les extrémités du U sont soudées au fond du carter 1. Ce U forme alors avec le fond du carter 1 un corps creux en désaffleurement du fond du carter, ce U étant localisé sous les parties pleines PP. Le deuxième manchons 5 sera par exemple assemblé sur cette traverse avant le soudage de cette traverse sur le fond du carter.
Cette batterie comprend un moyen thermiquement conducteur 10 de comblement d’un espace préservé E entre la surface d’échange thermique S et la plaque d’échange thermique 4. Cela a clairement été explicité dans la description générale.
Cet espace préservé E est réalisé par un désaffleurement de la première extrémité E1 par rapport à la surface d’échange thermique S.
Ce module 2 comprend :
- une première et deuxième extrémité de module,
- un empilement de cellules électrochimiques comprimé entre les deux extrémités de module,
- deux côtés jointifs S, C1 entre eux et reliant les deux extrémités entre elles,
la surface d’échange thermique S étant une face extérieure d’un côté S, le manchon de fixation 3 étant solidaire d’une face extérieure de l’autre côté C1.
Cette première et deuxième extrémité font partie par exemple d’un cerclage maintenant les cellules empilées en compression les unes contre les autres, et les côtés S, C1 peuvent faire partie du cerclage mais aussi en être indépendant, c’est-à-dire ne participant pas au maintien de la compression des cellules. Dans tous les cas ces côtés, par exemple au nombre de quatre pour former avec les deux extrémités un parallélépipède rectangle, forment une enveloppe extérieure du module 2 comprenant des interfaces de fixation (objet de l’invention) de ce module 2 dans le carter 1, cette enveloppe pouvant donc inclue une partie du cerclage. Ainsi le côté C1 portant le manchon de fixation 3 est par exemple en matière métallique, notamment en aluminium, une patte issue de cette matière ou rapportée s’étendant orthogonalement au côté C1 et cette patte comprenant le manchon de fixation 3. Par exemple cette patte et le manchon de fixation 3 ne forment qu’une seule pièce. Par exemple ce côté C1, la patte, et le manchon de fixation 3 ne forment qu’une seule pièce. Par exemple ce mâchon 3 est fretté ou emmanché à force dans la patte. Bien entendu, cette patte n’est pas indispensable, le manchon de fixation 3 peut par exemple être accolé au côté C1.
Ce même côté 1 peut en outre comprendre plusieurs manchons de fixation 3, alignés et s’étendant sur la longueur du côté 1. Le pack batterie contenant plusieurs modules, un premier module 2 voisin d’un second module 2 pourront par exemple avoir les manchons de fixation 3 en quinconce l’un par rapport à l’autre.
L’axe du manchon de fixation 3 est par exemple parallèle au côté C1 et orthogonal à la plaque de refroidissement 4 et à la face interne Fi, la protrusion 5 étant concentrique au manchon de fixation 3.
Les cellules électrochimiques sont par exemple parallélépipédiques, ou prismatiques et dont la chimie est enfermée dans une enveloppe rigide.
En variante les cellules sont sous forme de poches.
Ces cellules sont en variante cylindriques, mais dans ce cas l’homme du métier sait qu’elles n’ont pas besoin d’être compressées entre-elle car le cylindre, rigide, et de par sa forme, évite le gonflement des cellules. Le cerclage n’a alors plus pour fonction de compresser les cellules mais de les positionner. On retrouvera cependant une enveloppe contenant l’ensemble de ces cellules, formant un module, cette enveloppe étant également parallélépipédique et présentant deux extrémités et quatre côtés, ces côtés étant équivalent aux côtés S, C1 de la présente description et le manchon de fixation 3 étant solidaire d’une face extérieure de l’autre côté C1.
Par exemple ces cellules sont de type lithium-ion (ou Li-ion).

Claims (10)

  1. Batterie de stockage d’énergie électrique comprenant :
    - un carter (1) présentant une face interne (Fi) de support d’un module (2),
    - le module (2) de stockage d’énergie électrique, comprenant une surface d’échange thermique (S), et un manchon de fixation (3) du module (2) à la face interne (Fi),
    - une plaque d’échange thermique (4) par conduction avec la surface d’échange thermique (S), insérée entre cette surface d’échange thermique (S) et la face interne (Fi) de support, cette plaque (4) comprenant dans son épaisseur une partie creuse (Pc) destinée à recevoir un fluide caloporteur, et une partie pleine (PP) traversée par un trou (T) sur toute son épaisseur,
    - un moyen de fixation (5, 6) du module (2) à la face interne (Fi), comprenant d’une part une protrusion (5) de la face interne (Fi) de support s’étendant au travers du trou (T) et en partie dans l’alésage (A) du manchon (3), cette protrusion (5) comprenant un premier filetage, et d’autre part un dispositif de serrage (6) comprenant une tête de serrage (7) prolongée d’un corps fileté (8) coopérant par vissage avec le premier filetage,
    ce manchon (3) comprenant une première extrémité (E1) en appui sur la partie pleine (PP), et une deuxième extrémité (E2), opposée, recevant l’appui de la tête de serrage (7), le corps fileté (8) pénétrant le manchon (3) par la deuxième extrémité (E2).
  2. Batterie selon la revendication 1, la protrusion (5) étant un deuxième manchon (5) dont l’alésage comprend le premier filetage.
  3. Batterie selon l’une des revendications précédentes, le dispositif de serrage (6) étant une vis.
  4. Batterie selon l’une des revendications précédentes, la protrusion (5) étant un élément rapporté et fixé au carter (1).
  5. Batterie selon la revendication 4, l’élément rapporté (5) étant soudé au carter (1).
  6. Batterie selon l’une des revendications précédentes, la face interne (Fi) étant en appui sur la plaque de refroidissement (4) uniquement sur la partie pleine (PP).
  7. Batterie selon la revendication 6, la face interne (Fi) étant un double fond (9) du carter (1), ou un bossage du carter (1).
  8. Batterie selon l’une des revendications précédentes, comprenant un moyen thermiquement conducteur (10) de comblement d’un espace préservé (E) entre la surface d’échange thermique (S) et la plaque d’échange thermique (4).
  9. Batterie selon la revendication 8, l’espace préservé (E) étant réalisé par un désaffleurement de la première extrémité (E1) par rapport à la surface d’échange thermique (S).
  10. Batterie selon l’une des revendications précédentes, le module (2) comprenant :
    - une première et deuxième extrémité de module,
    - deux côtés jointifs (S, C1) entre eux et reliant les deux extrémités entre elles,
    la surface d’échange thermique (S) étant une face extérieure d’un côté (S), le manchon de fixation (3) étant solidaire d’une face extérieure de l’autre côté (C1).
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